CN212378764U - 一种改进比例因子的微型陀螺仪敏感单元及陀螺仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种改进比例因子的微型陀螺仪敏感单元及陀螺仪，涉及陀螺仪技术领域，能够防止谐振子品质因子下降同时实现高机电耦合系数，获得具有改进偏置性能、高灵敏度和优良信噪比的微型振动陀螺仪；该敏感单元包括外壳、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，所述谐振子的垂直壁上设有若干压电陶瓷，所述压电陶瓷与外部电子元件连接，相邻两个压电陶瓷之间设有若干用于改进比例因子的开口。该陀螺仪使用如上的敏感单元。本实用新型提供的技术方案适用于陀螺仪设计制作和使用的过程中。

Description

一种改进比例因子的微型陀螺仪敏感单元及陀螺仪

【技术领域】

本实用新型涉及陀螺仪技术领域，尤其涉及一种改进比例因子的微型陀螺仪敏感单元及陀螺仪。

【背景技术】

旋转角度或角速率至少可以通过三种物理现象来测量，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。陀螺仪角旋转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是一项重要的惯性技术，具有方便陀螺仪小型化、适合批量生产的特点，特别是用作振动陀螺仪的谐振子时能够形成微电子机械系统(MEMS)，其由蚀刻硅或石英晶片制成，其制备工艺与集成电路(IC)相似。

与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))相比，振动陀螺仪具有许多优点，更易于生产，成本更低廉，更容易组装，体积更小，工作性能(包括振动、冲击和温度)更稳定，使得振动陀螺仪具有更高的可靠性和更长的使用寿命。

振动陀螺仪可设计为在开环、力再平衡(即闭环)和/或全角工作模式下运行。力再平衡模式和开环模式都可以直接测量传感轴的转速。全角模式可以获得初始化后净旋转角度的测量值。

各种形状的谐振子都可用在振动陀螺仪中。这些谐振子可以是宏观尺寸系统，也可以是微观尺寸(MEMS)，但只有轴对称的宏观尺寸谐振子才具有导航级性能(即低于0.01度/小时的漂移误差)。

在这种轴对称科里奥利陀螺仪中，谐振子优选使用半球形，主模态时壳体边缘发生椭圆变形，四个节点彼此相距90°，位于垂直于壳体对称轴的平面XY中(表示为Z)。次模态也是椭圆形的，可以从45°旋转的主模态变形中导出。这两种模式的波数均等于2。假设谐振子是完全轴对称的，两种模式将具有相同的谐振频率。当主模态通电时，围绕Z轴的任何旋转W都会产生科里奥利力，倾向于将能量从一阶模态转移到二阶模态，在闭环配置中，平衡二阶模态所需的力将与W成正比。在全角工作模式配置中，二阶模态可自由接收从一阶模态传输给它的能量，如果控制系统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种新的椭圆模式，节点相对于谐振腔轴线XY旋转了一个与输入旋转角度成正比的角。

半球科里奥利陀螺仪通常由金属化的二氧化硅(Northrop Grumman,Safran)制成，在高真空下，在谐振子和电极载体(也由金属化二氧化硅制成)之间形成的电极系统用于产生控制谐振子和测量旋转角速率或净旋转角的静电力和电容检测信号。由于该系统相对复杂、体积大且难以生产，因此其价格仍然很高，对于要求较低的应用，仅要求战术级性能(1°hr到10°/hr)或更小的尺寸，可采用金属圆柱体和压电传感器替代轴对称设计。

圆筒结构谐振子的第一次使用是在80年代，使用一个金属圆柱体，在圆筒壁上粘贴PZT压电结构，靠近圆筒结构顶部的边缘。一个支撑圆筒的杆放在外面，在圆筒结构平底的中心。2005年提出了一种体积更小、更易于组装的替代设计，这次将支撑杆放置在谐振子内，所有压电陶瓷结构都粘结在谐振子平底外侧，而不是谐振子的外曲面上。一旦谐振子连接到一个安装基座上，并在中等真空下封装，这种结构就形成了所谓的CVG敏感单元(SE)。尽管在这种特定情况下，圆柱谐振子相对较小，外径约为25mm，但最终SE外形尺寸大致为25mm高和39mm安装底座直径。总质量略低于80克。

不幸的是，这些尺寸和质量仍然太大，这妨碍了这些宏观尺寸的高精度轴对称圆柱科里奥利陀螺仪在许多IMU和平台稳定应用中的使用。

为了克服这一问题，提出了一种改进的CVG敏感单元(SE)轴对称设计，如图1所示，仍然使用圆柱形谐振子，但在外部，在其平底的中心位置放置一个支撑杆，采用酒杯式配置。

这种布置在谐振子内部留下了一个很大的自由空间，以便于加工操作，尤其是其内径的加工。由于谐振子的外形尺寸要缩小并微型化，在谐振子内放置支撑杆将使其内径无法加工。此外，多个压电结构连接到圆柱体垂直壁上(仍然在其端部，但在对曲面进行切割后的平面上)以避免将其连接到曲面上，同时也可以非常精确地和等角地进行定位。压电结构的数量是2的倍数，优选为8。仍然出于尺寸减小的原因，谐振子连接到圆形的安装底座上，安装底座外径上有凹槽，容纳圆形安装阻尼器。该阻尼器的横截面为I形，夹在SE中间，允许将整个结构夹在用户安装板(图1中未显示)上。

就工作模式而言，假设使用适当的控制电子元件，改进的CVG敏感单元(SE)设计可以在开环、力再平衡(即闭环)或全角工作模式下运行。为了实现高陀螺仪灵敏度，从而提高信噪比，开环和力再平衡模式都需要优良的机电-压电(electromechanicalpiezoelectric)增益，以驱动和维持一阶模态至设定振幅，以及用于感测二阶模态(开环)或施加平衡二阶模态(闭环)的力。

机电压电增益主要基于压电特性，包含了压电效应(direct piezoelectriceffect)和压电逆效应(reversed piezoelectric effect)，这取决于连接到圆柱形谐振子上的压电结构是否用于感测或驱动一阶模态和二阶模态的振动。例如，图2是一个闭环配置的示例。在测量侧(直接压电效应)，在压电结构的金属表面上积累的电荷响应机械应力(在圆筒结构中由一阶和二阶模态产生)通常被转换成可由控制电子设备处理的电压。在驱动侧，压电逆效应(reverse effect)与控制电子元件一起使用，在驱动压电结构上产生电压，以产生电场，进而产生机械应变。由于压电结构是刚性连接在圆筒壁上，局部的机械应变导致机械应力，当所有这些都在一阶模态和二阶模态共振频率下进行时，就会产生控制以上模式的力。

为了获得高的压电-机电增益(piezoelectric electromechanical gains)，通常考虑高效压电材料，并设想具有高压电电荷系数(d_ij)的PZT材料。

每个压电结构沿谐振子壁的位置也很重要，如一阶模态或二阶模态通电时，如图3所示，机械应变在谐振子顶部(即在其边缘，椭圆振动发生的位置)达到最大值，在谐振子底部，机械应变趋向于零，甚至在支撑杆所在的位置变为零(支撑杆放在振动节点上)。因此，从陀螺仪灵敏度(即标度因子)和信噪比的角度来看，将压电结构置于底层(靠近敏感单元基座的一端)必然会产生不利影响。

将压电结构放在顶部(与START陀螺仪一样)也会产生消极影响，比如导致主模态和次模态的品质因子的下降。

因此，有必要研究一种改进比例因子的微型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。

【实用新型内容】

有鉴于此，本实用新型提供了一种改进比例因子的微型陀螺仪敏感单元及陀螺仪，能够防止谐振子品质因子下降同时实现高机电耦合，获得具有改进偏置性能、高灵敏度和优良信噪比的微型振动陀螺仪。

本实用新型提供一种改进比例因子的微型陀螺仪敏感单元，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，所述谐振子的垂直壁上设有若干压电陶瓷，所述压电陶瓷与外部电子元件连接，其特征在于，相邻两个压电陶瓷之间设有若干用于改进比例因子的开口。

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，相邻两个压电陶瓷之间的开口均匀排列。

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，每相邻两个压电结构之间的开口的数量均相等，且都均匀排列。

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，所述开口具体为通孔。

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，所述开口的形状包括但不限于矩形、椭圆形、圆形。

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，所述谐振子呈高脚酒杯形，包括酒杯部和支撑杆；所述支撑杆的一端与所述酒杯部的杯底外表面固接，另一端与所述敏感单元基座固连。

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，所述压电结构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，所述垂直壁上设有若干用于安装压电结构的平面。

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。

另一方面，本实用新型提供一种改进比例因子的微型陀螺仪，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敏感单元基座与所述敏感单元实现连接。

与现有技术相比，本实用新型可以获得包括以下技术效果：

(1)多个压电结构连接在谐振子外径上，在谐振子的平底附近，以圆周和等角度连接，这种结构特别有利于避免谐振子品质因数的下降并提高性能；

(2)压电结构的顶部和底部平行表面被金属化，以使这些表面导电，并允许使用引线键合进行电气连接；

(3)压电结构具有高至中等品质因子，以保持圆柱形谐振子的品质因子，并具有高的压电电荷系数；

(4)相邻两个压电结构之间设有若干开口，开口的设计有助于降低放置压电结构的谐振子的刚度，允许圆柱体在这些区域变形，从而增加机械应变，最终提高陀螺仪灵敏度和改善信噪比。

当然，实施本实用新型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实用新型实施例的技术方案，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实用新型的一些实施例，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示出科里奥利陀螺仪敏感单元，其限定在圆柱形谐振子内，压电结构连接在其上，以及支撑杆组件进入敏感单元基座的一部分的视图；

图2示出一个功能框图，表示闭环配置的科里奥利陀螺仪及其谐振子、传感和驱动压电结构及其控制电子元件；

图3示出科里奥利陀螺仪谐振子的机械应变分布；

图4示出根据本实用新型实施例的科里奥利陀螺仪敏感单元高脚酒杯形谐振子。

其中，图中：

1、酒杯部；2、谐振子；3、平面安装面；4、支撑杆；5、开口。

【具体实施方式】

为了更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型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。

为了克服以上问题，本实用新型提出了一种微型科里奥利陀螺仪设计的敏感单元谐振子，其具有高测量精度、高灵敏度和优良的信噪比，并且基本上避免了现有技术的一个或多个缺点。

根据本实用新型的技术方案，提出一种改进比例因子的微型陀螺仪，其特征在于，包括：

谐振子，所述谐振子为高脚酒杯形，包括酒杯部和设于酒杯部腔体外部的支撑杆，支撑杆的第一端固联于酒杯部腔体的杯底外表面，第二端(即支撑杆外端)与敏感单元基座固接；谐振子的垂直外壁上等角排列有多个压电结构安装凹槽；优选在酒杯部的近支撑杆一端的垂直外壁上附着压电结构；

多个压电结构，具有金属化顶表面和金属化底表面，所述压电结构安装在谐振子的垂直壁上的压电结构安装凹槽中；

多个开口，位于相邻压电结构之间的谐振子外壁上并等角均匀排列；

敏感单元基座，包括：

安装盲孔，位于基座中心，支撑杆的第二端固联于所述安装盲孔内；

多个接线柱，贯穿于所述敏感单元基座中的金属接线柱，用于与压电结构以及外部电子元器件连接，实现压电信号的传输；金属接线柱与敏感单元基座之间设有玻璃件，玻璃件一方面与接线柱、敏感单元基座一起实现密封，另一方面可以隔断接线柱与敏感单元基座之间的导电性能；金属接线柱的结构不是唯一的压电结构与外部控制电路元件连接的方式，也可以是通过在非导电性的敏感单元基座内设置的导电结构来实现连接；

阻尼器安装凹槽，位于从安装盲孔侧壁垂直延伸的最外侧端部上；

外部减振器，安装于减振器安装凹槽中，减振器安装凹槽设于敏感单元基座的外周径上；

前置电路板，与接线柱电连接。

进一步的，所述接线柱通过键合线与压电结构电连接。

进一步的，所述压电结构为PZT陶瓷材料压电结构。

进一步的，所述压电结构的数量为2的倍数，且分为相同数量的两个压电结构组，包括一阶模式驱动/测量压电结构组和二阶模式驱动/测量压电结构组。

进一步的，其特征在于，所述压电结构的数量为8个。

进一步的，所述开口的形状包括但不限于矩形、椭圆形或圆形。

进一步的，所述开口、压电结构安装凹槽与谐振子均为一次成型结构。

进一步的，压电结构与压电结构安装凹槽之间，以及支撑杆的第二端与安装盲孔之间，设有胶合点或焊接点。

进一步的，压电结构与压电结构安装凹槽之间，以及支撑杆的第二端与安装盲孔之间，设有焊接点，并选择性地设有金属涂层。

下面为本实用新型的一个实施例，其示例在附图中示出。

本实用新型的优选实施例包括高脚酒杯形谐振子，包括酒杯部1和设于酒杯部外部的支撑杆4，支撑杆4的一端与酒杯部的杯底外侧固接。多个压电结构2连接在谐振子的酒杯部杯底端(即近支撑杆的一端)的垂直圆筒壁上。压电结构2的数量是2的倍数，优选为8，并且被分成2组，每组中具有相同数量的压电结构。一组负责驱动和测量一阶模态，另一组负责驱动和测量二阶模态。谐振子通过支撑杆连接到安装底座(即敏感单元基座)上。穿过谐振子壁的多个开口在压电结构之间分布并沿圆周等角排列，该开口为通孔。

图4示出了本实用新型的优选实施例。科里奥利陀螺敏感单元包括高脚酒杯形谐振子，包括酒杯部1和设于酒杯部外部的支撑杆4，支撑杆的一端与酒杯部的杯底外侧固接，整体杯口朝下倒放。

多个压电结构2连接在谐振子外周壁上，绕圆周以等角度分布。这种结构特别有利于避免谐振子品质因数的下降并提高性能。这些压电结构用于驱动和测量谐振子的一阶和二阶谐振模式。压电结构的顶部和底部的平行表面被金属化，以使这些表面导电，并允许使用引线键合进行电气连接(即连接到设于敏感单元基座上的接线柱)。

压电结构的数量分为两组，每组中的压电结构数量相同。一组负责主模态，另一组负责次模态。

优先布置为使用8个压电结构，压电结构由PZT陶瓷材料制成，具有高至中等品质因子，以保持圆柱形谐振子的品质因子，并具有高的压电电荷系数(d_ij)。在压电结构数量为8时，压电结构每隔45°均匀分布。

为了便于压电结构2的组装，可以切断谐振子的平坦表面，以确保压电结构的平坦安装。当然，这些平面安装面3(该平面安装面也可以是安装凹槽的底面)将在一次机器操作中进行加工，而无需将谐振子从加工中心移开，以保持定位和同轴度精度。

压电结构平贴或槽压安装在谐振子的外表面。相邻两个压电结构之间设有开口5，开口的位置为相邻两个压电结构的正中间，且所有开口5在谐振子外表面呈等角均匀分布。本实用新型的一个实施例中包括多个开口，这些开口也沿圆周并等角度分布。开口的设置有助于降低放置压电结构的谐振子的刚度，且允许圆柱体在这些区域产生变形，从而增加机械应变，最终提高陀螺仪灵敏度和改善信噪比。

对于用于安装压电结构的平面切割区域或压电结构安装凹槽、开口，在前期制备加工时优选在一次机器操作中同时加工。

开口的形状不限定为矩形，也可以是其他形状，例如椭圆形、圆形等。但是，某些能够获得最佳的陀螺仪灵敏度的形状，往往其加工工艺也更加困难。为了控制成本，可以在提高灵敏度和价格之间进行权衡。就组装工艺而言，压电结构组装至谐振子、谐振子支撑杆组装至SE基座均可采用胶合或焊接工艺。在焊接的情况下，可以包括一个适当的选择性表面涂层，以增加组件表面的润湿性，表面涂层的制备可以在加工开口之前或之后进行。

对于SE基座(即敏感单元基座)，其上设有若干贯通式的接线柱，接线柱为金属材质，接线柱与SE基座之间设有玻璃用于密封以及阻断接线柱与金属SE基座之间的导电性。通过接线柱实现外部控制电子设备与压电结构的引线键合。

以上对本申请实施例所提供的一种改进比例因子的微型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)

1.一种改进比例因子的微型陀螺仪敏感单元，其特征在于，所述敏感单元包括外壳、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，所述谐振子的垂直壁上设有若干压电陶瓷，所述压电陶瓷与外部电子元件连接，相邻两个压电陶瓷之间设有若干开口。

2.根据权利要求1所述的改进比例因子的微型陀螺仪敏感单元，其特征在于，相邻两个压电陶瓷之间的开口均匀排列。

3.根据权利要求1所述的改进比例因子的微型陀螺仪敏感单元，其特征在于，每相邻两个压电结构之间的开口的数量均相等，且都均匀排列。

4.根据权利要求1-3任一所述的改进比例因子的微型陀螺仪敏感单元，其特征在于，所述开口具体为通孔。

5.根据权利要求4所述的改进比例因子的微型陀螺仪敏感单元，其特征在于，所述开口的形状为矩形、椭圆形或圆形。

6.根据权利要求1所述的改进比例因子的微型陀螺仪敏感单元，其特征在于，所述谐振子呈高脚酒杯形，包括酒杯部和支撑杆；所述支撑杆的一端与所述酒杯部的杯底外表面固接，另一端与所述敏感单元基座固连。

7.根据权利要求6所述的改进比例因子的微型陀螺仪敏感单元，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。

8.根据权利要求7所述的改进比例因子的微型陀螺仪敏感单元，其特征在于，所述垂直壁上设有若干用于安装压电结构的平面；所述压电陶瓷的顶部和底部的平行表面具有金属层。

9.根据权利要求6所述的改进比例因子的微型陀螺仪敏感单元，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。

10.一种改进比例因子的微型陀螺仪，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敏感单元基座与所述敏感单元实现连接。

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