CN114964192B - 新型陀螺仪结构及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种新型陀螺仪结构及装置，涉及角速度传感器技术领域。其中，所述新型陀螺仪结构包括：基座；谐振环，所述谐振环连接于所述基座，所述谐振环设置有内腔，所述谐振环的外周壁沿圆周方向均匀开设有8个通孔，所述通孔与所述内腔相连通，沿所述外周壁至所述谐振环的内周壁的水平方向上，所述通孔包括第一安装段、第二安装段和第三安装段；以及8个第一电极和8个第二电极，所述第一电极、所述第二电极一一安装于所述通孔内，所述第一电极安装于所述第一安装段，所述第二电极安装于所述第三安装段。本新型陀螺仪结构可减小陀螺仪结构体积，减小带宽、噪音，提高信噪比和灵敏度。本发明还提出一种新型陀螺仪装置。

Description

新型陀螺仪结构及装置
技术领域
本发明涉及角速度传感器技术领域，特别涉及一种新型陀螺仪结构和应用所述陀螺仪结构的新型陀螺仪装置。
背景技术
现有技术中，固体波动陀螺仪为一类常见的角速度传感器，固体波动陀螺仪的谐振环与多个驱动电极和检测电极是独立设置的，其工作原理为：对驱动电极施加交流电压，由于逆压电效应，激励驱动电极产生伸缩振动，并通过梁或加强筋等动能传导结构传递到谐振环上，激励出谐振环的驱动模态；当有轴向角速度输入时，谐振环在哥氏力的作用下产生检测模态，谐振环的检测模态的振动通过动能传导传递到检测电极上，由压电效应产生的敏感信号经过电路解调和软件处理即可得到输入角速度。
该类结构设置，结构不紧凑，整体结构体积较大；高频振动下，由于谐振环单体体积小质轻，陀螺仪的驱动模态和检测模态频率分裂较大，导致陀螺仪的带宽大、噪音大、能量消耗大，严重影响谐振环的信噪比，品质因数很难提高，另因谐振环占整个陀螺仪的振动能量比例有限，限制了陀螺仪的有效惯性质量，陀螺仪稳定性差，灵敏度低，通过动能传导结构传递振动能量也一定程度限制了角速度获取精准性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型陀螺仪结构，旨在减小陀螺仪结构体积，减小带宽、噪音，提高信噪比和灵敏度。
为实现上述目的，本发明提出的新型陀螺仪结构，包括：
基座；
谐振环，所述谐振环连接于所述基座，所述谐振环设置有内腔，所述谐振环的外周壁沿圆周方向均匀开设有8个通孔，所述通孔与所述内腔相连通，沿所述外周壁至所述谐振环的内周壁的水平方向上，所述通孔包括第一安装段、第二安装段和第三安装段；
以及8个第一电极和8个第二电极，所述第一电极、所述第二电极一一安装于所述通孔内，所述第一电极安装于所述第一安装段，所述第二电极安装于所述第三安装段。
可选地，所述第一电极突出于所述外周壁，所述第二电极突出于所述内周壁。
可选地，所述谐振环的横截面形状为圆环形；
所述通孔、所述第一电极和所述第二电极的横截面形状均为扇形。
可选地，在高度方向上，所述谐振环的高度为H，所述第一电极和所述第二电极的高度不小于H/2。
可选地，所述第一电极和所述第二电极高度相同。
可选地，所述第一安装段和所述第三安装段的高度相同，所述第二安装段的高度小于第一安装段的高度。
可选地，所述基座和所述谐振环均为硅结构。
本发明还提出一种新型陀螺仪装置，包括所述的新型陀螺仪结构。
实际应用中，本新型陀螺仪结构可与现有的固体波动陀螺仪组合使用。本新型陀螺仪结构的电极布局在谐振环上，极大地减小了陀螺仪结构体积；电极布局在谐振环上，增加了谐振环的质量，高频振动下，可有效减少陀螺仪的驱动模态和检测模态频率分裂程度，降低陀螺仪的带宽、噪音和能量消耗值，增强谐振环的信噪比，另谐振环占整个陀螺仪的振动能量比例增加，增大了陀螺仪的有效惯性质量，陀螺仪稳定性增强，灵敏度增加。电极可嵌设于通孔内，极大地增加了结构连接稳定性，使谐振环适用于高频率振动条件下的使用需求，其机械品质因数更高。同一通孔内，第一电极和第二电极之间设置有间隙，这样可以形成以空气作为介电质的电容器，当固体波动陀螺仪结构有角速度输入时，谐振环处于激发态，以使固体波动陀螺仪在驱动模态下同时包含多种方向的振动，这时，固体波动陀螺仪结构工作在谐振频率时，谐振环发生一定角度的运动，进而引发电容器的电容变化，便可以根据多角度方向电容器的变化分析测得陀螺仪的角速度，获取的角速度值更加精准，空隙结构同时降低了谐振环的结构阻尼和空气阻尼，进一步提高谐振环所能承受的振幅振动和机械品质因数。
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为本发明新型陀螺仪结构一实施例的立体图；
图2为本发明新型陀螺仪结构一实施例的俯视图；
图3为本发明中谐振环去除第一电极和第二电极后的剖面结构示意图；
附图标号说明：
名称 标号
基座 1
谐振环 2
通孔 21
第一安装段 211
第一电极 2111
第二安装段 212
第三安装段 213
第二电极 2131
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。另外，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。
在本发明实施例中，该新型陀螺仪结构，包括：基座1；谐振环2，所述谐振环2连接于所述基座1，所述谐振环2设置有内腔（图中未标出），所述谐振环2的外周壁沿圆周方向均匀开设有8个通孔21，所述通孔21与所述内腔相连通，沿所述外周壁至所述谐振环2的内周壁的水平方向上，所述通孔21包括第一安装段211、第二安装段212和第三安装段213；以及8个第一电极2111和8个第二电极2131，所述第一电极2111、所述第二电极2131一一安装于所述通孔21内，所述第一电极2111安装于所述第一安装段211，所述第二电极2131安装于所述第三安装段213。如图1至图3所示。
实际应用中，本新型陀螺仪结构可与现有的固体波动陀螺仪组合使用。本新型陀螺仪结构的电极布局在谐振环2上，极大地减小了陀螺仪结构体积；电极布局在谐振环2上，增加了谐振环2的质量，高频振动下，可有效减少陀螺仪的驱动模态和检测模态频率分裂程度，降低陀螺仪的带宽、噪音和能量消耗值，增强谐振环2的信噪比，另谐振环2占整个陀螺仪的振动能量比例增加，增大了陀螺仪的有效惯性质量，陀螺仪稳定性增强，灵敏度增加。电极可嵌设于通孔21内，极大地增加了结构连接稳定性，使谐振环2适用于高频率振动条件下的使用需求，其机械品质因数更高。同一通孔21内，第一电极2111和第二电极2131之间设置有间隙，这样可以形成以空气作为介电质的电容器，当固体波动陀螺仪有角速度输入时，谐振环2处于激发态，以使固体波动陀螺仪在驱动模态下同时包含多种方向的振动，这时，固体波动陀螺仪结构工作在谐振频率时，谐振环2发生一定角度的运动，进而引发电容器的电容变化，便可以根据多角度方向电容器的变化分析测得陀螺仪的角速度，获取的角速度值更加精准，空隙结构同时降低了谐振环2的结构阻尼和空气阻尼，进一步提高谐振环2所能承受的振幅振动和机械品质因数。
实际应用中，每个通孔21内的第一电极2111和第二电极2131为一个电极组，则本申请谐振环2上就有八组电极组，以下通过结构使用方式以对本申请结构作原理性说明：将位于0°、90°、180°和270°上的电机组设定为驱动电机组，其余4组电机组为检测电极组，在驱动电极组上施加交流电压，利用逆压电效应，激励驱动电极产生伸缩振动，将谐振环2激励在固有驱动模态下；当谐振环2感受到角速度输入时，谐振环2在哥氏力的作用下振动方式会从驱动模态向检测模态变化，此时在检测电极组上可检测到电信号变化，通过后续电路解调即可得知输入角速度的大小。
本发明技术方案中，所述第一电极2111突出于所述外周壁，所述第二电极2131突出于所述内周壁。
该类结构设置，增加了谐振环2的局部壁厚，有利于提高谐振环2占整个陀螺仪的振动能量比例，增大陀螺仪的有效惯性质量，进而提高陀螺仪的灵敏度。
本发明技术方案中，所述谐振环2的横截面形状为圆环形；所述通孔21、所述第一电极2111和所述第二电极2131的横截面形状均为扇形。
该类结构设置，针对环形结构设置横截面形状为扇形的电极和通孔21结构，电极与通孔21适配安装，用于增加谐振环2结构紧凑性，且谐振环2圆周方向重量分布均匀，提高谐振环2工作稳定性。当然，实际应用和安装中，第一电极2111的横截面积大于第二电极2131的横截面积，且第一电极2111的半径大于第二电极2131的半径。当然，为适配安装，第一安装段211的横截面积和半径均大于第三安装段213。
为提高谐振环2结构稳定性，本发明技术方案中，在高度方向上，所述谐振环2的高度为H，所述第一电极2111和所述第二电极2131的高度不小于H/2。
为保证谐振环2结构稳定性和方便加工，本发明技术方案中，所述第一电极2111和所述第二电极2131高度相同。
本发明技术方案中，所述第一安装段211和所述第三安装段213的高度相同，所述第二安装段212的高度小于第一安装段211的高度。
该类结构设置，第二安装段212的高度小于第一安装段211的高度，相当于在通孔21内设置了限位台阶，以便于快速定位安装第一电极2111和第二电极2131至第一安装段211和第三安装段213内。
为增加结构工作稳定性和灵敏度，本发明技术方案中，所述基座1和所述谐振环2均为硅结构。
本发明还提出一种新型陀螺仪装置，包括所述的新型陀螺仪结构，该陀螺仪结构的具体结构参照上述实施例，由于本新型陀螺仪装置采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
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 (8)

1.一种新型陀螺仪结构，其特征在于，包括：
基座；
谐振环，所述谐振环连接于所述基座，所述谐振环设置有内腔，所述谐振环的外周壁沿圆周方向均匀开设有8个通孔，所述通孔与所述内腔相连通，沿所述外周壁至所述谐振环的内周壁的水平方向上，所述通孔包括第一安装段、第二安装段和第三安装段；
以及8个第一电极和8个第二电极，所述第一电极、所述第二电极一一安装于所述通孔内，所述第一电极安装于所述第一安装段，所述第二电极安装于所述第三安装段。
2.根据权利要求1所述的新型陀螺仪结构，其特征在于，所述第一电极突出于所述外周壁，所述第二电极突出于所述内周壁。
3.根据权利要求1所述的新型陀螺仪结构，其特征在于，所述谐振环的横截面形状为圆环形；
所述通孔、所述第一电极和所述第二电极的横截面形状均为扇形。
4.根据权利要求1所述的新型陀螺仪结构，其特征在于，在高度方向上，所述谐振环的高度为H，所述第一电极和所述第二电极的高度不小于H/2。
5.根据权利要求4所述的新型陀螺仪结构，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极高度相同。
6.根据权利要求5所述的新型陀螺仪结构，其特征在于，所述第一安装段和所述第三安装段的高度相同，所述第二安装段的高度小于第一安装段的高度。
7.根据权利要求1至6任一所述的新型陀螺仪结构，其特征在于，所述基座和所述谐振环均为硅结构。
8.一种新型陀螺仪装置，其特征在于，包括如权利要求1至7中任一所述的新型陀螺仪结构。
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