CN112113552A - 一种微型振动陀螺仪敏感单元及陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微型振动陀螺仪敏感单元及陀螺仪，涉及陀螺仪技术领域，能够满足微型振动陀螺仪的尺寸要求，敏感单元基座直径<30毫米，外壳的外径<25毫米，且具有高定位精度、优良振动鲁棒性的特点；该陀螺仪敏感单元包括外壳、敏感单元基座和谐振子，外壳与敏感单元基座固接，谐振子设于外壳内部；谐振子为高脚酒杯形，包括杯口密封的酒杯部和支撑杆，支撑杆的一端与酒杯部的底端固连，另一端与敏感单元基座固连；谐振子酒杯部的垂直外壁上均匀附着有若干压电陶瓷；压电陶瓷通过导线与接线柱连接，接线柱贯穿式嵌装在敏感单元基座内；该陀螺仪包括所述敏感单元。本发明提供的技术方案适用于陀螺仪设计制作的过程中。

Description

一种微型振动陀螺仪敏感单元及陀螺仪

【技术领域】

本发明涉及陀螺仪技术领域，尤其涉及一种微型振动陀螺仪敏感单元及陀螺仪。

【背景技术】

旋转角度或角速率可以根据至少三种物理现象来进行测量，即角动量守恒、萨格纳克效应和科里奥利力。在其最常见的形式中，陀螺仪是一种使用这些现象之一来测量或保持方向和角速度的装置。陀螺仪旋转角度或角速率的测量可随时间积分，以确定陀螺仪角方向的变化。例如，陀螺仪可用于诸如惯性导航系统(INS)、惯性测量单元(IMU)、平台稳定、地面车辆姿态控制系统(ACS)、钻探测量仪器、飞机、船舶、航天器和/或其他应用中。

哥氏振动陀螺仪(CVG)属于机械结构(谐振子)陀螺仪的一种，该谐振子在外部哥氏力的作用下实现从一个振动模态和另外一个(或多个)模态的耦合。当只涉及两个共振模式，即主振型和次振型时，CVG成为一个单轴角速率(或者角度)传感器。

CVG代表了一种重要的惯性技术，因为它们适合微型化，适合批量生产，特别是当用于形成振动陀螺仪的谐振子是由蚀刻硅或石英晶片制成的微电子机械系统(MEMS)时，其方式与集成电路(IC)类似。

振动陀螺仪比使用角动量守恒的陀螺仪(即速率陀螺仪、速率积分陀螺仪、浮动陀螺仪、动态调谐陀螺仪(DTG))和使用Sagnac效应的陀螺仪(即光纤陀螺仪、环形激光陀螺仪)具有更多优势。因为振动陀螺仪更容易生产，更容易以更低的成本组装，体积更小，对运行环境(包括振动、冲击和温度)更稳定，所以能够提供更高的可靠性和更长的使用寿命。

CVG可设计为开环、力再平衡(即闭环)和/或全角模式。力再平衡模式和开环模式都能直接测量传感轴的转速。全角模式提供了初始化后净旋转角度的测量。

各种各样的谐振子形状都可用于制备振动陀螺仪。这些谐振子可以是宏观尺寸系统或微观尺寸系统(MEMS)，但只有轴对称宏观尺寸谐振子具有导航级性能(即漂移误差小于0.01°/hr)。

在这种轴对称的科里奥利陀螺中，谐振子优选为半球形壳体，主模态(即一阶模态)导致壳体边缘在垂直于壳体对称轴(表示为Z)的平面XY上发生椭圆变形，四个节点彼此相隔90°。次模态(即二阶模态)变形也是椭圆的，可以通过旋转45°从一阶模态变形导出。这两种模态的波数等于2。假设谐振子是完全轴对称的，两种模态的共振频率相同。当主模态通电时，围绕Z轴的任何旋转Ω都会产生科里奥利力，该力能够将能量从主模态转移到次模态，在闭环配置中，平衡次模态所需的力将与Ω成比例。在全角模式配置中，次模态可自由接收从主模态转移到次模态的能量，如果控制系统实现了将总振动能量保持在设定值，主模态和次模态的结合会产生一个新的椭圆模态，节点相对谐振腔轴线XY旋转了一个与输入旋转角度成比例的角度。

半球壳科里奥利陀螺通常由金属化二氧化硅(Northrop Grumman,Safran)制成，谐振子和电极载体(也由金属化二氧化硅制成)之间形成的电极系统用于在高真空下产生，静电力和电容检测信号，用于控制谐振子和测量角速率。由于该系统相对复杂、体积庞大且难以生产，其价格仍然很高，并且对于仅需要战术级性能(1°/hr至10°/hr)和较小尺寸的要求较低的应用，提出了一种使用金属圆柱体和压电换能器驱动和测量振动的替代设计。

最早使用圆筒结构的是80年代的START陀螺仪，该陀螺仪使用了一个带有压电陶瓷的金属圆筒，压电陶瓷与圆筒壁相连，靠近圆筒顶部的边缘。一个用来固定汽缸的阀杆被放在外面，在它平底的中心。2005年提出了一种更小、更易于组装的替代设计，这一次，将支撑杆放置在气缸内，所有压电陶瓷结构与谐振子平底外侧结合，而不是与气缸壁的外曲面结合。一旦谐振子连接到一个安装支撑基座并封装在中等真空下，这种结构就形成了所谓的CVG敏感单元(即SE)。尽管对于这种特殊情况，柱状谐振子相对较小，外径约为25毫米，但最终，SE外形尺寸约为25毫米的高度和39毫米的安装支撑基座直径。总质量略低于80克。

不幸的是，这些尺寸和质量仍然太大，这阻碍了这些宏观尺寸的高精度轴对称圆柱科里奥利陀螺在许多惯性测量单元和平台稳定应用中的应用。

因此，有必要研究一种微型振动陀螺仪敏感单元及陀螺仪来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供了一种微型振动陀螺仪敏感单元及陀螺仪，能够满足微型振动陀螺仪的尺寸要求，且具有高定位精度、优良振动鲁棒性的特点。

一方面，本发明提供一种微型振动陀螺仪敏感单元，包括外壳、敏感单元基座和谐振子，所述外壳与所述敏感单元基座固接，所述谐振子设于所述外壳内部，其特征在于，

所述谐振子为高脚酒杯形，包括酒杯部和酒杯外的支撑杆，所述支撑杆的一端与所述酒杯部的底端固连，另一端与所述敏感单元基座固连；所述谐振子酒杯部的垂直外壁上均匀附着有若干压电陶瓷；所述压电陶瓷通过导线与接线柱连接，所述接线柱贯穿式嵌装在所述敏感单元基座内。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述酒杯部的内径上下等粗，所述压电陶瓷均匀围设在所述酒杯部近支撑杆一端的垂直外壁上。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述谐振子的壁厚为0.3～1mm，平均半径为7～9mm，谐振频率为6000～8000Hz；优选方案为：所述谐振子的壁厚为0.5mm，平均半径为7mm，谐振频率为6300Hz。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述敏感单元基座的外周设有凹槽，所述凹槽内设有外部减振器。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述敏感单元基座直径<30毫米，所述外壳的外径<25毫米。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述压电陶瓷的顶部和底部的平行表面具有金属层。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述敏感单元基座为圆形金属底座。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述支撑杆的外表面设有金属涂层。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述敏感单元基座上设有安装盲孔；所述支撑杆的外端与所述安装盲孔之间设有固联点，所述固联点为粘接点或焊接点。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述压电陶瓷的数量为8，且平均分为主模组压电陶瓷和次模组压电陶瓷。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述外部减振器具有I形双锥形截面。

另一方面，本发明提供一种微型振动陀螺仪，其特征在于，所述陀螺仪包括控制电路和如上任一所述的敏感单元，所述控制电路通过所述接线柱与所述敏感单元进行连接。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：在满足刚度要求的前提下，谐振子的壁厚为0.3～1mm，平均半径为7～9mm，谐振频率为6000～8000Hz，满足微型振动陀螺仪的尺寸要求，且具有高定位精度、优良振动鲁棒性的特点。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的科里奥利陀螺仪敏感单元；

图2(a)和图2(b)是本发明提供的两种用于科里奥利陀螺仪敏感单元的压电陶瓷的安装横截面图；

图3是本发明一个实施例提供的用于促进谐振子到其安装基座的焊接装配过程的谐振子金属化区域，以及用于科里奥利陀螺仪敏感单元中谐振子的压电陶瓷；

图4(a)和(b)分别是本发明一个实施例提供的敏感单元的俯视实物图和仰视实物图，并揭示了根据本发明一个实施例的科里奥利陀螺仪敏感单元的实际可实现的外径；

图5是本发明一个实施例提供的用于科里奥利陀螺仪敏感单元的实物外观图。

其中，图中：

1、谐振子；2、压电陶瓷；3、敏感单元基座；4、接线柱；5、连接线；6、用户安装结构；7、减振器；8、前置电路板；9、外壳；10、连接器；11、温度传感器。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本发明涉及一种具有高测量精度的微型科里奥利陀螺仪设计，基本上消除了现有技术的一个或多个缺点。

本发明的目的是消除或减轻与已知振动陀螺仪相关联的缺点，并提出一种圆柱设计，使CVG敏感单元(即SE)基座直径<30毫米，外壳9的外径<25毫米；优选的，敏感单元基座直径≤20毫米，SE外壳的外径≤16毫米。

一种科里奥利陀螺仪敏感单元，包括：

谐振子1，高脚酒杯形，包括酒杯部和支撑杆，酒杯部的杯口和杯底等粗，即酒杯部除杯底外呈圆柱体形；酒杯部的杯口由一个底板封闭，酒杯部的底端外表面与支撑杆的一端连接，支撑杆的另一端与圆形金属底座固接；该高脚酒杯形可以是不带底座的也可以是带底座的；酒杯部为中空结构，支撑杆为实心结构；

多个压电陶瓷2，附着在酒杯部的垂直外壁上，呈圆周状、等间距、等角度地均匀排列；

敏感单元基座3，其中心有一个安装盲孔，用于将谐振子(具体为支撑杆的外端)安装到该基座上，具有多个玻璃包裹金属式的密封件，带有与压电陶瓷数量相匹配的导电贯穿销(即接线柱4)，并且敏感单元基座的外径上设有用于安装减振器的凹槽；

安装在敏感单元基座凹槽上的外部减振器，当敏感单元基座被用户夹紧固定在用户安装板上时，减振器处于两者之间，起到减振的作用；

连接线5，用于将接线柱4与对应压电陶瓷2连接起来；

焊接在引脚上的电路板(即设于敏感单元基座的外表面，且与接线柱连接)，用于连接CVG敏感单元与其电子控制设备。

压电陶瓷2的数量为2或者2的倍数，优选8，并分成2组相同数量的压电陶瓷，两组压电陶瓷分别用于实现主模态和次模态的驱动和测量。

谐振子支撑杆和用于装设压电陶瓷的安装面均被选择性地金属化(即设有金属膜)，但是谐振子酒杯的杯口端面和非压电陶瓷安装区域的侧壁不设有金属膜。

对用于精确定位和组装压电陶瓷的谐振子安装面进行切割，使之具有安装压电陶瓷的安装平面，该安装平面可以是平面也可以是凹槽的底面。

接线柱4均匀分布，且每根接线柱4与和它对应的压电陶瓷2位于同一个平行平面中。

谐振子由高Q因子镍合金制成；压电陶瓷由中高质量因子的PZT陶瓷材料制成，电极(即导电金属层)沉积在其顶部和底部的平行面上。

外部圆形减振器7具有I形双锥型截面。SE底座(即敏感单元基座)的外径上设有若干安装凹槽，凹槽的横截面也为I形双锥形，与减振器7的横截面相匹配。

敏感单元基座3上设有温度传感器11；该温度传感器11可安装在敏感单元基座内的凹槽中。

实施例1：

本发明的优选实施例包括一个圆柱体腔体，该圆柱体腔体具有一个平底，平底的外部设有类似酒杯的空腔，该酒杯空腔和圆柱体腔体一起构成酒杯部(即内径上下等粗的酒杯形)，酒杯部的底端外部设有一个实心的支撑杆，该支撑杆位于酒杯型结构的外部。多个压电陶瓷附着在酒杯部底部的垂直圆筒壁上。压电陶瓷的数目是2的倍数，优选8，并且被分成2组，每组中的压电陶瓷的数目相同。一组负责主模态的驱动和测量，另一组负责次模态的驱动和测量。谐振子1安装在圆形的敏感单元基座3上，其外径上设有凹槽，用于容纳安装减振器7(阻尼器)。减振器7(阻尼器)的横截面是一个I型，夹在CVG敏感单元(SE)中，允许将整个结构夹紧到(固定到)用户安装结构6上。

图1描绘了本发明的优选实施例。科里奥利陀螺敏感单元包括一个具有平底的酒杯形腔体(即酒杯部)，该腔体的外部设有支撑杆，支撑杆放置在其底部的中心。这样的布置在谐振子内部留下了很大的自由空间，以便于加工操作，特别是其内径的加工。由于谐振子的外形尺寸要缩小并小型化，因此若在谐振子内设置支撑杆将使其无法进行内径加工。

高脚酒杯形谐振子1一阶和二阶共振模式(波数等于2)的频率f与圆柱壁厚成正比，壁厚表示为e，与圆柱半径的平方成反比(半径表示为R)。因此，如果要制造一个微型科里奥利陀螺则需要减小R，调整壁厚e的值能够将共振频率调整到期望值。谐振子的壁厚为0.3～1mm，平均半径为7～9mm，谐振频率为6000～8000Hz。例如，考虑镍合金钢材料，壁厚为0.5mm、平均半径为7mm的谐振子的谐振频率约为6300Hz，这与目前的技术水平接近，但这一次的形状系数要小得多，壁厚仍足以在加工过程中提供刚度。

多个压电陶瓷2以圆周和等角度附着在谐振子1的外壁上，靠近酒杯部的杯底(即酒杯部近支撑杆一端的垂直外壁上)。这种结构特别有利于避免谐振腔品质因数的下降并提高性能。这些压电陶瓷2用于驱动和测量谐振子1的一阶和二阶共振模式。为此，对这些压电陶瓷2的顶部和底部平行表面进行金属化，以使这些表面导电，并允许例如使用引线键合(即连接线5)进行电气连接。

压电陶瓷2的数目是2的倍数，并且被分成两组，每组中压电陶瓷的数目相同。一组负责主模态，另一组负责次模态。压电陶瓷都呈45°均匀分布，即压电陶瓷数量为8个时，任意相邻的两个压电陶瓷与圆心之间的夹角均为45°。

优选的布置基于8个压电陶瓷，压电陶瓷2由具有中高质量因数的PZT陶瓷材料制成，以保持谐振子的质量因子。

为了便于组装和提高压电陶瓷2的定位精度，在谐振子外表面制备出若干平面安装面，用于安装压电陶瓷，以确保压电陶瓷的平坦安装并降低机械应力，如下图2(a)所示。当然，这些平面安装面将在一次装夹定位工序中进行加工，而无需从加工中心移动工件，以保持定位和同轴度精度。此外，如图2(b)所示，为了提高定位精度，也可以考虑使用凹槽代替压电陶瓷的平面安装面。

在组装工艺方面，压电陶瓷2组装到谐振子以及谐振子支撑杆组装到SE基座3都可以使用粘合或焊接工艺。在焊接的情况下，建议进行适当的表面涂层，以增加组装表面的润湿性。例如，该表面涂层可以是1至2微米的NiAu薄层。由于谐振子支撑杆和压电陶瓷的安装面位于同一侧，可以采用简单的电镀工艺，仅覆盖感兴趣的表面，同时保持谐振子边缘不受涂层的影响，这会对主次模的阻尼系数产生不利影响。

敏感单元基座3由CTE(热膨胀系数)和与谐振子CTE匹配的金属制成。其形状优选为圆形圆盘。

敏感单元基座3上贯穿式的设有若干金属接线柱4，接线柱4与敏感单元基座3之间设有绝缘性的玻璃材质的密封件，接线柱4的数量与附接在谐振子上的压电陶瓷2的数量相同。

接线柱4均匀分布并且与压电陶瓷2在位置上对准，以减少将其电连接到每个压电陶瓷的引线键合5的长度，并且允许像IC行业那样使用自动引线键合机。

敏感单元基座3包括其外径上呈环形设置的若干凹槽，用于安装横截面呈I形的外部减振器7，外部减振器由硅基或非导电阻尼材料制成，其提供远低于一阶和二阶模态频率的截止频率，并高于SE在连接其控制回路电子器件时所获得的测量带宽。

敏感单元基座3的环形凹槽和外部呈I形的减振器7的横截面最好为双锥形，以增强沿Z轴的冲击和振动的鲁棒性。

在优选布置中，减振器7的截止频率在600Hz到1kHz之间。

I形减振器7夹持固定在用户安装结构6上。当夹持时，敏感单元基座3通过I形减振器7与用户安装结构6固定，并且在任何操作机械和热条件下，能够保持减振器7的传感轴的位置和对准。与最先进的圆柱科里奥利陀螺仪相比，该系统具有显著的成本降低和尺寸小的优势，因为SE底座双圆锥凹槽可以很容易地加工成圆形SE底座，SE底座不会径向延伸，以包括带有安装通孔的三角法兰。

图4显示了该SE设计的俯视图(图4(a))，其中谐振子使用圆形外壳9在真空下封装，该外壳9可以焊接或焊接到圆形金属底座上，仰视图显示了其邻近板连接到SE底座(例如装有8个接线柱)。

前置电路板8适当地(例如成对地)连接管脚信号，将高阻抗感测压电信号转换为经由连接器10传输到外部控制电子装置的低阻抗信号，并且还经由该连接器接收来自该控制电子装置的控制信号。该连接器还用于传输其他信号，例如电测量接地信号，以及来自连接到SE基座或SE基座的空腔的温度传感器11的信号。该温度传感器用于对SE及其控制电子学组合形成的科里奥利陀螺的偏压、标度因数和失调误差进行温度监测和温度校准。

假设一个谐振子圆柱体的平均外径为14mm，壁厚为0.5mm，那么我们可以预期SE基座外径为20mm，外壳外径为16mm。在这些假设下，一阶和二阶模态的预期共振频率将为6300Hz，SE(敏感单元)可以安装在外径为27mm的管式结构中。

以上对本申请实施例所提供的一种微型振动陀螺仪敏感单元及陀螺仪，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种微型振动陀螺仪敏感单元，包括外壳、敏感单元基座和谐振子，所述外壳与所述敏感单元基座固接，所述谐振子设于所述外壳内部，其特征在于，

所述谐振子为高脚酒杯形，包括酒杯部和外部支撑杆，所述支撑杆的一端与所述酒杯部的底端固连，另一端与所述敏感单元基座固连；所述谐振子酒杯部的垂直外壁上均匀附着有若干压电陶瓷；所述压电陶瓷通过导线与接线柱连接，所述接线柱贯穿式嵌装在所述敏感单元基座内。

2.根据权利要求1所述的微型振动陀螺仪敏感单元，其特征在于，所述酒杯部的内径上下等粗，所述压电陶瓷均匀围设在所述酒杯部近支撑杆一端的垂直外壁上。

3.根据权利要求2所述的微型振动陀螺仪敏感单元，其特征在于，所述谐振子的壁厚为0.3～1mm，平均半径为7～9mm，谐振频率为6000～8000Hz。

4.根据权利要求1所述的微型振动陀螺仪敏感单元，其特征在于，所述敏感单元基座的外周设有若干凹槽，所述凹槽内设有外部减振器。

5.根据权利要求1所述的微型振动陀螺仪敏感单元，其特征在于，所述敏感单元基座直径<30毫米，所述外壳的外径<25毫米。

6.根据权利要求1所述的微型振动陀螺仪敏感单元，其特征在于，所述压电陶瓷的顶部和底部的平行表面具有金属层。

7.根据权利要求1所述的微型振动陀螺仪敏感单元，其特征在于，所述敏感单元基座为圆形金属底座；所述支撑杆的外表面设有金属涂层。

8.根据权利要求4所述的微型振动陀螺仪敏感单元，其特征在于，所述外部减振器具有I形双锥形截面。

9.根据权利要求1所述的微型振动陀螺仪敏感单元，其特征在于，所述敏感单元基座上设有安装盲孔；所述支撑杆的外端与所述安装盲孔之间设有固联点，所述固联点为粘接点或焊接点。

10.一种微型振动陀螺仪，其特征在于，所述陀螺仪包括控制电路和如权利要求1-9任一所述的敏感单元，所述控制电路通过所述接线柱与所述敏感单元连接。

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