CN114689088A - 一种用于振动陀螺不平衡质量检测的弹性支撑电极结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于振动陀螺不平衡质量检测的弹性支撑电极结构，包括外框架与内平板，内平板的中心设有能够连接谐振结构锚点的连接部，且内平板上布有电极；内平板通过弹性梁连接在外框架的框内，内平板在外框架的框内具有扭摆和/或平动的谐振行程，且内平板的谐振频率和谐振结构工作模态的谐振频率相近。本发明应用于振动陀螺制造领域，由于弹性支撑电极结构的谐振频率和谐振结构工作模态的谐振频率相近，可显著放大弹性支撑电极结构的振动位移，提高检测灵敏度。通过检测弹性支撑电极结构上多个位置的振动位移，能够解算弹性支撑电极结构多个方向的振动位移，实现振动陀螺谐振结构多种类型不平衡质量的测量与辨识。

Description

一种用于振动陀螺不平衡质量检测的弹性支撑电极结构

技术领域

本发明涉及振动陀螺制造技术领域，具体是一种用于振动陀螺不平衡质量检测的弹性支撑电极结构。

背景技术

陀螺仪是测量载体在惯性空间角运动的传感器，是惯性导航和姿态测量系统的基础核心器件，在精确制导、无人系统、石油勘探、稳定平台、空间飞行器等领域具有非常重要的应用价值。

振动陀螺是陀螺仪的一种，具有零部件少、可靠性高、工作寿命长的优势，得到了广泛的应用。谐振结构是振动陀螺的敏感元件，其振动特性直接决定了振动陀螺的性能上限。频率匹配式振动陀螺是振动陀螺的一种，其典型特点是陀螺工作时驱动模态和检测模态的谐振频率差值小于这两个模态的带宽。理想的频率匹配式振动陀螺谐振结构的几何形状为轴对称结构，其驱动模态和检测模态的谐振频率相等，振动位移对称。实际加工中由于材料和结构尺寸形状误差，谐振结构的几何形状和振动位移出现偏差，通常用不平衡质量来描述谐振结构的几何形状和振动位移的不对称量。

不平衡质量会使谐振结构的驱动模态和检测模态的谐振频率出现差值，降低陀螺的灵敏度，带来正交误差。此外，不平衡质量使谐振结构在驱动模态或检测模态振动时，谐振结构的质心产生振动，质心振动会降低谐振结构的品质因数，降低陀螺在冲击和振动环境下的动态性能。

质量调平是振动陀螺制造工艺中的重要步骤，目的是降低和消除谐振结构的不平衡质量。质量调平工艺包括不平衡质量测量与不平衡质量修调两个步骤。首先测量不平衡质量的具体位置和大小，然后采用去除或添加质量的方式降低和消除不平衡质量，提升陀螺性能。不平衡质量测量是质量调平中的重要步骤，测量精度直接决定了质量调平的精度。

发明内容

本发明提供一种用于振动陀螺不平衡质量检测的弹性支撑电极结构，能够实现频率匹配式振动陀螺的不平衡质量测量，为质量调平提供技术支撑。

为实现上述目的，本发明提供一种用于振动陀螺不平衡质量检测的弹性支撑电极结构，包括外框架与内平板，所述内平板的中心设有能够连接谐振结构锚点的连接部，且所述内平板上布有电极；

所述内平板通过弹性梁连接在所述外框架的框内，所述内平板在所述外框架的框内具有扭摆和/或平动的谐振行程，且所述内平板的谐振频率和谐振结构工作模态的谐振频率相近。

在其中一个实施例，所述外框架的内轮廓边与所述内平板上的外轮廓边之间具有间隙；

所述外框架的内轮廓边与所述内平板上的外轮廓边之间通过多个所述弹性梁相连，各所述弹性梁呈环形间隔均布在所述外框架的内轮廓边与所述内平板上的外轮廓边之间。

在其中一个实施例，所述弹性梁包括第一平板、第二平板以及折叠形的弹性结构；

所述第一平板的一端连接在所述内平板上外轮廓边的顶部或底部，所述第一平板的另一端与所述弹性结构的一端相连，所述弹性结构的另一端与所述第二平板的一端相连，所述第二平板的另一端连接在所述外框架上内轮廓边的顶部或底部。

在其中一个实施例，所述内平板上外轮廓边上对应所述弹性梁的位置设有向所述内平板中心方向凹陷的凹槽；

所述弹性梁的端部连接在所述内平板外轮廓边上对应的凹槽内。

在其中一个实施例，所述外框架、所述内平板以及所述弹性梁采用同一整体材料加工而成。

在其中一个实施例，还包括支撑框架，所述外框架固定连接在所述支撑框架上，所述内平板以及所述弹性梁位于所述支撑框架内框的正上方。

本发明提供的一种用于振动陀螺不平衡质量检测的弹性支撑电极结构，由于弹性支撑电极结构的谐振频率和谐振结构工作模态的谐振频率相近，可显著放大弹性支撑电极结构的振动位移，提高检测灵敏度。通过检测弹性支撑电极结构上多个位置的振动位移，能够解算弹性支撑电极结构多个方向的振动位移，实现振动陀螺谐振结构多种类型不平衡质量的测量与辨识。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例中弹性支撑电极结构的轴测图；

图2为本发明实施例中弹性支撑电极结构的剖视图；

图3为本发明实施例中弹性梁的连接结构放大图；

图4为本发明实施例中弹性支撑电极结构具有支撑框架时的四分之三轴测图；

图5为本发明实施例中弹性支撑电极结构具有支撑框架时的剖视图；

图6为本发明实施例中采用静电电容检测进行不平衡质量检测时弹性支撑电极结构的四分之三轴测图；

图7为本发明实施例中采用静电电容检测进行不平衡质量检测时弹性支撑电极结构的剖视图。

附图标号：

谐振结构1、锚点2、弹性支撑电极结构3、支撑框架4、内平板5、弹性梁6、第一平板601、第二平板602、弹性结构603、外框架7、敏感电极8。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1-5所示为本实施例公开的一种用于振动陀螺不平衡质量检测的弹性支撑电极结构（以下简称为弹性支撑电极结构3），适用于频率匹配式振动陀螺。通过将频率匹配式振动陀螺的谐振结构1（以下称为谐振结构1）固定安装在专门设计的弹性支撑电极结构3上，谐振结构1的不平衡质量在谐振状态下带来的惯性力会使弹性支撑电极结构3产生振动，可根据弹性支撑电极结构3的振动位移测量谐振结构1的不平衡质量。

本实施例中，弹性支撑电极结构3包括外框架7与内平板5，内平板5的中心设有能够连接谐振结构1上锚点2的连接部，该连接部为一凸起结构，且内平板5上均布有用于谐振结构1模态激励和振动幅值检测的电极，电极的布置方式与常规的电极布置方式相同。内平板5通过弹性梁6连接在外框架7的框内，当谐振结构1的锚点2连接在连接部上时，谐振结构1的不平衡质量在谐振状态下带来的惯性力会使内平板5在外框架7的框内具有扭摆和/或平动的谐振行程，即内平板5在外框架7内具有扭摆模态和平动模态，且内平板5的谐振频率和谐振结构1工作模态的谐振频率相近，进而能够放大弹性支撑电极结构3的在扭摆模态和平动模态的振动幅值，提高测量灵敏度。其中，可以通过静电调平、机械修调等方式使弹性支撑电极结构3中内平板5的一个或多个模态的谐振频率与谐振结构1的工作模态的谐振频率差值小于弹性支撑电极结构3模态的带宽（即上述内平板5的谐振频率和谐振结构1工作模态的谐振频率相近），达到提高检测灵敏度的目的。

本实施例中，外框架7与内平板5均为矩形结构，且外框架7与内平板5的厚度相等。外框架7的内轮廓边与内平板5的外轮廓边一一对应，且外框架7的内轮廓边与内平板5上对应的外轮廓边之间具有间隙。内平板5的每一外轮廓边均通过一弹性梁6与外框架7的对应内轮廓边相连，弹性梁6的一端连接在内平板5上对应外轮廓边的中部位置，另一端连接在外框架7上对应内轮廓边的中部位置。

采用静电但不限于静电方式激励谐振结构1至驱动模态或检测模态。驱动模态和检测模态统称为工作模态。陀螺正常工作时，驱动模态和检测模态的谐振频率差值小于上述两个模态的带宽，通过其中一个模态的振动位移测量角速度，或通过模态振动方向测量角度。不平衡质量是指频率匹配式振动陀螺在加工过程中由于材料或形状偏差产生的不对称误差，是频率匹配式振动陀螺制造中需要抑制和消除的非理想因素。测量不平衡质量时，将谐振结构1激励至工作模态，处于谐振状态，不平衡质量带来的惯性力使谐振结构1的锚点2产生振动，锚点2的振动传递至弹性支撑电极结构3上，使弹性支撑电极结构3的内平板5产生振动，然后采用静电调频或机械修调等方式将弹性支撑电极结构3的其中一个模态的谐振频率调控至谐振结构1正处于的谐振模态的带宽内，然后采用静电电容测量、激光多普勒测振仪、压电效应测量等方式测量弹性支撑电极结构3该模态的振动位移，然后调整谐振结构1的振动方向，测量弹性支撑电极结构3该模态的振动位移。测量完成后去除对弹性支撑电极结构3该模态的谐振频率调控。按照此方法依次测量弹性支撑电极结构3扭摆和平动模态的振动位移。根据多组弹性支撑电极结构3的振动位移测量结果可解算出弹性支撑电极结构3的内平板5不同方向的振动幅值，可根据振动幅值计算出谐振结构1的不平衡质量。

在具体实施过程中，弹性梁6包括第一平板601、第二平板602以及折叠形的弹性结构603。第一平板601的一端连接在内平板5上对应外轮廓边中部位置的顶部，第一平板601的另一端与弹性结构603的一端相连，弹性结构603的另一端与第二平板602的一端相连，第二平板602的另一端连接在外框架7上对应内轮廓边中部位置的底部。或者，第一平板601的一端连接在内平板5上对应外轮廓边中部位置的底部，第一平板601的另一端与弹性结构603的一端相连，弹性结构603的另一端与第二平板602的一端相连，第二平板602的另一端连接在外框架7上对应内轮廓边中部位置的顶部。当然，在具体应用过程中，也会存在弹性梁6两端都是连接在顶部或者两边都是底部的情况。

本实施例中，内平板5上外轮廓边的中部位置设有向内平板5中心方向凹陷的凹槽，弹性梁6的端部连接在内平板5上对应外轮廓边上的凹槽内。进而能够在外框架7的内轮廓边与内平板5上对应的外轮廓边之间间隙较小的腔体下增加弹性梁6的长度。

本实施例中，外框架7、内平板5以及弹性梁6一体成型，具体可采用晶圆光刻与干法刻蚀的方式。

在具体实施过程中，弹性支撑电极结构3还包括支撑框架4，外框架7固定连接在支撑框架4上，内平板5以及弹性梁6位于支撑框架4内框的正上方。参考图6-7，在测量不平衡质量时，可以采用静电电容检测弹性支撑电极结构3的振动位移，即在支撑框架4的框内加工有用于振动位移测量的敏感电极8，弹性支撑电极结构3和支撑框架4间存在微小的间隙，形成平板电容，通过敏感电极8上的静电电容变化可计算出内平板5的振动位移。进一步优选地，在不平衡质量测量时还可以在支撑框架4的部分敏感电极8上施加直流电压，利用静电负刚度效应降低弹性支撑电极结构3的谐振频率，使弹性支撑电极结构3的谐振频率和谐振结构1的工作频率的差值减小，达到提高检测灵敏度的目的。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种用于振动陀螺不平衡质量检测的弹性支撑电极结构，其特征在于，包括外框架与内平板，所述内平板的中心设有能够连接谐振结构锚点的连接部，且所述内平板上布有电极；

所述内平板通过弹性梁连接在所述外框架的框内，所述内平板在所述外框架的框内具有扭摆和/或平动的谐振行程，且所述内平板的谐振频率和谐振结构工作模态的谐振频率相近。

2.根据权利要求1所述用于振动陀螺不平衡质量检测的弹性支撑电极结构，其特征在于，所述外框架的内轮廓边与所述内平板上的外轮廓边之间具有间隙；

所述外框架的内轮廓边与所述内平板上的外轮廓边之间通过多个所述弹性梁相连，各所述弹性梁呈环形间隔均布在所述外框架的内轮廓边与所述内平板上的外轮廓边之间。

3.根据权利要求1所述用于振动陀螺不平衡质量检测的弹性支撑电极结构，其特征在于，所述弹性梁包括第一平板、第二平板以及折叠形的弹性结构；

所述第一平板的一端连接在所述内平板上外轮廓边的顶部或底部，所述第一平板的另一端与所述弹性结构的一端相连，所述弹性结构的另一端与所述第二平板的一端相连，所述第二平板的另一端连接在所述外框架上内轮廓边的顶部或底部。

4.根据权利要求2或3所述用于振动陀螺不平衡质量检测的弹性支撑电极结构，其特征在于，所述内平板上外轮廓边上对应所述弹性梁的位置设有向所述内平板中心方向凹陷的凹槽；

所述弹性梁的端部连接在所述内平板外轮廓边上对应的凹槽内。

5.根据权利要求4所述用于振动陀螺不平衡质量检测的弹性支撑电极结构，其特征在于，所述外框架、所述内平板以及所述弹性梁采用同一整体材料加工而成。

6.根据权利要求1或2或3所述用于振动陀螺不平衡质量检测的弹性支撑电极结构，其特征在于，还包括支撑框架，所述外框架固定连接在所述支撑框架上，所述内平板以及所述弹性梁位于所述支撑框架内框的正上方。

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