固體波動陀螺的諧振子及固體波動陀螺的製作方法

2023-10-23 17:39:17 5

專利名稱：固體波動陀螺的諧振子及固體波動陀螺的製作方法
技術領域：
本發明涉及角度或角速度傳感器領域，尤其涉及一種固體波動陀螺及其諧振子。
背景技術：
固體波動陀螺是利用對稱殼體中彈性波的慣性效應實現角速度測量。由於其有精 度高、能耗小、準備時間短、工作溫度範圍大、抗電離輻射能力強、抗衝擊振動好、使用壽命 長等優點，常用作角速度傳感器，具有極為廣闊的發展和應用前景。現有的固體波動陀螺的諧振子均為環向對稱結構，常見的結構形式有環形，杯形 和半球形，其工作原理通常為通過靜電、壓電或電磁方式驅動，使固體波動陀螺的環向對 稱諧振子激勵出如圖1所示的諧振子第一模態，由圖1可見，諧振子第一模態為環向波數為 2的駐波，其中波腹點處的振幅最大，波節點處的振幅為零，波腹點連線構成固有剛性軸系； 當有軸向角速度輸入時，諧振子在哥氏力的作用下產生如圖2所示的另一固有剛性軸系的 第二模態振動(與第一模態呈45°分布)，諧振子第二模態的振動通過靜電、壓電或電磁感 應的方式，輸出敏感信號經過電路和軟體處理即可得到輸入角速度。固體波動陀螺諧振子的結構形式，在固體波動陀螺的製造過程中，是影響固體波 動陀螺精度與靈敏度的直接部件。而現有的固體波動陀螺結構形式，存在加工精度要求高、 加工難度大、製造成本高等問題。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對現有技術存在的不足，提供一種結構簡單、適 於加工和機械平衡、且精度和靈敏度高的固體波動陀螺的諧振子以及裝設有該諧振子的固 體波動陀螺。為解決上述技術問題，本發明提出了一種固體波動陀螺的諧振子，包括諧振環、傳 振部、底盤以及壓電元件，所述諧振環通過傳振部與所述底盤連接，所述傳振部是由沿諧振 環圓周方向均勻分布的支撐梁組成，所述壓電元件設於所述支撐梁上。本發明提出的上述技術方案創造性地採用環向均布支撐梁式的傳振部，並將壓電 元件貼設於支撐梁的表面，以用於激勵和檢測諧振環的振動，實現對角速度的測量。上述本發明的諧振子中，所述諧振環可以為各種不同的圓環形結構，優選為圓柱 環或圓錐環。上述本發明的諧振子中，所述諧振環的高度優選大於所述支撐梁的寬度，所述諧 振環的厚度優選大於所述支撐梁厚度。這種優選的設計方式可以提高諧振環佔整個諧振子 的振動能量比例，使固體波動陀螺的有效慣性質量增大，進而提高固體波動陀螺的靈敏度。上述本發明的諧振子中，所述支撐梁優選為條狀薄片，所述支撐梁的數量優選為 8+4n根(例如8根、12根、16根等)，其中η取0以上的整數(包括0)；每根支撐梁上優選各 設有一個壓電元件。這種均勻分布的支撐梁21使得其上的壓電元件4的粘貼方位更加精 確，提高了固體波動陀螺的精度。
上述本發明的諧振子中，所述支撐梁的母線優選垂直於所述底盤所在的平面或者 與底盤所在的平面呈一傾角，所述傾角的數值大小優選不超過1°。上述本發明的諧振子中，所述壓電元件可布滿在所述支撐梁的外表面和/或內表 面上(布滿是指壓電元件緊貼於支撐梁表面，且壓電元件的邊緣與支撐梁的邊緣齊平)。具 體的，所述壓電元件可以是通過焊接、濺射或粘貼等方式貼合在所述支撐梁的外表面和/ 或內表面上。實際使用時，支撐梁的表面應儘可能平坦，以使壓電元件更容易貼設在支撐梁 的表面(柔性支撐梁表面)；優選的，壓電元件的高度儘可能覆蓋支撐梁高度的1/2 2/3， 並使其寬度與支撐梁的寬度相等，這樣可以提供較大的驅動力，輸出較大的檢測信號，從而 提高固體波動陀螺的信噪比。上述本發明的諧振子中，所述諧振子優選是由熔融石英材料製成的諧振子。作為一個總的技術構思，本發明還提供一種固體波動陀螺，所述固體波動陀螺上 裝設有上述本發明的諧振子(諧振子的底盤中心設有用於連接固體波動陀螺其他外設構件 的安裝座，採用現有連接方式進行連接即可)。與現有技術相比，本發明的優點在於
1、本發明的固體波動陀螺的諧振子採用環向均勻分布的支撐梁結構作為傳振部，以連 接底盤和諧振環，各壓電元件均勻布設於各支撐梁上，支撐梁與支撐梁之間的空隙降低了 諧振子的結構阻尼和空氣阻尼，使得諧振子能夠以更大的振幅振動，其機械品質因數較傳 統固體波動陀螺更高；
2、本發明的諧振子僅僅包括諧振環、支撐梁和底盤，多餘的材料全部被去除，這使得諧 振子消耗能量、產生噪聲的部分大大減少，大大提高了諧振子的信噪比；
3、本發明的諧振子結構簡單，可以選擇多種加工手段進行加工(例如磨削、車削等)，需 要精加工的部分只有諧振環，對於支撐梁，如果支撐梁設計得越薄，其加工精度要求也就越 低，而提高諧振環的環向對稱性是本發明諧振子製造的關鍵所在，以當前的加工技術，要加 工出較高精度的諧振環和較薄的支撐梁也相對容易，因此本發明的諧振子不僅降低了加工 要求，可節約製造成本，而且易於保證加工精度；
4、考慮到加工成型的諧振子總會或多或少存在一定缺陷，例如諧振子的質量不平衡、 機械品質因數分布不均勻等，採用本發明的諧振子使得諧振子的機械平衡工序變得更為簡 單，僅需通過調整支撐梁靠上部分的寬度便可去除諧振子的部分質量、改變其相關部位剛 度，進而實現諧振子的平衡。綜上，本發明的諧振子及裝設有該諧振子的固體波動陀螺具有靈敏度高、傳感效 果好、加工方便、加工成本低、機械平衡工序簡單等顯著優點。


圖1是固體波動陀螺的諧振子振動時的第一模態示意圖。圖2是固體波動陀螺的諧振子振動時的第二模態示意圖。圖3是本發明實施例中的固體波動陀螺的諧振子立體結構示意圖。圖4是本發明實施例中的固體波動陀螺的諧振子沿軸向的剖視圖。圖5是本發明實施例中的固體波動陀螺的諧振子有限元仿真的第一模態示意圖。圖6是本發明實施例中的固體波動陀螺的諧振子有限元仿真的第二模態示意圖。
圖例說明
1、諧振環；2、傳振部；21、支撐梁；3、底盤；4、壓電元件；41、激勵壓電元件；42、檢測壓 電元件。
具體實施例方式以下將結合說明書附圖和具體實施例對本發明做進一步詳細說明。 實施例如圖3、圖4所示，本實施例的固體波動陀螺的諧振子，包括諧振環1、傳振部2、底 盤3以及壓電元件4，諧振環1通過傳振部2與底盤3連接。諧振環1為圓柱環(也可為 圓錐環)，其外徑R=25mm，厚度tl=lmm，高度h=5mm。傳振部2是由八根均勻布置在諧振環 1圓周方向上的支撐梁21組成；支撐梁21為條狀薄片，其高度Ll=15mm，寬度b=2mm，厚度 t2=0. 5mm,支撐梁21的母線L垂直於底盤3所在的平面(當然也可與底盤3所在平面呈一 微量的傾角)，諧振環1即通過這八根相同尺寸的支撐梁21與底盤3連接。在每根支撐梁 21的外表面上各設有一個壓電元件4 (該壓電元件即為壓電電極)，該壓電元件4是緊密粘 貼於支撐梁21上，且壓電元件4的邊緣與支撐梁21的邊緣齊平(即二者的寬度相等);本實 施例的八個壓電元件4分為相互垂直分布的四個激勵壓電元件41 (用於激勵諧振子在第一 模態下振動)和四個檢測壓電元件42 (用於檢測諧振子因角速度產生的第二模態的振動)， 每個壓電元件4的高度L2=8mm，壓電元件4的厚度t3=0. 15mm。由上可見，本實施例中諧振環1的高度h大於支撐梁21的寬度b，諧振環1的厚度 tl大於支撐梁21的厚度t2，這樣可以提高該圓柱環形諧振環1佔整個諧振子的振動能量 比例，使陀螺的有效慣性質量增大，進而提高陀螺的靈敏度。但本發明的諧振子並不限於以 上的具體尺寸，諧振子的尺寸因固體波動陀螺精度要求的不同而不同，通常尺寸較小的諧 振子對應的固體波動陀螺的精度也較小。理論上說，本發明的固體波動陀螺的諧振子可以使用任何種類的金屬材料來制 造，但本實施例的諧振子是使用具有高機械品質因數的熔融石英材料製造，其可保證諧振 子的高穩定性與高精度。如圖3、圖4所示，本發明固體波動陀螺的諧振子的工作原理為對貼設於諧振子 支撐梁21上的相互垂直分布的四個激勵壓電元件41 (即壓電電極)施加交流電壓，由於逆 壓電效應，激勵壓電元件41產生伸縮振動，並通過支撐梁21傳遞到諧振環1上，激勵出如 圖1所示的諧振子的第一模態；當有軸向角速度輸入時，諧振環1在哥氏力的作用下產生如 圖2所示的第二模態振動，諧振環1第二模態的振動通過支撐梁21傳遞到相互垂直分布的 其餘四個檢測壓電元件42上，由壓電效應產生的敏感信號經過電路和軟體處理即可得到 輸入角速度。通過有限元仿真分析手段模擬本實施例的新型固體波動諧振子的模態，結果如圖 5、圖6所示。由圖5、圖6可知，外徑25mm的諧振環1的諧振頻率為4000Hz 5000Hz，其
顯著區別於噪聲頻率。以上所述僅是本發明的優選實施方式，本發明的保護範圍並不僅局限於上述實施 例，凡屬於本發明思路下的技術方案均屬於本發明的保護範圍。
權利要求
一種固體波動陀螺的諧振子，包括諧振環(1)、傳振部(2)、底盤(3)以及壓電元件(4)，所述諧振環(1)通過傳振部(2)與所述底盤(3)連接，其特徵在於所述傳振部(2)是由沿諧振環圓周方向均勻分布的支撐梁(21)組成，所述壓電元件(4)設於所述支撐梁(21)上。
2.根據權利要求1所述的固體波動陀螺的諧振子，其特徵在於所述諧振環(1)為圓柱 環或圓錐環。
3.根據權利要求2所述的固體波動陀螺的諧振子，其特徵在於所述諧振環(1)的高度 大於所述支撐梁(21)的寬度；所述諧振環(1)的厚度大於所述支撐梁(21)的厚度。
4.根據權利要求1或2或3所述的固體波動陀螺的諧振子，其特徵在於所述支撐梁 (21)為條狀薄片，所述支撐梁(21)的數量為8+4n根，其中η取0以上的整數；每根支撐梁 (21)上各設有一個所述的壓電元件(4)。
5.根據權利要求4所述的固體波動陀螺的諧振子，其特徵在於所述支撐梁(21)的母 線垂直於所述底盤(3)所在的平面或者與底盤(3)所在平面呈一傾角，所述傾角的數值大 小為不超過1°。
6.根據權利要求5所述的固體波動陀螺的諧振子，其特徵在於所述壓電元件(4)貼合 在所述支撐梁(21)的外表面和/或內表面上，所述壓電元件(4)的寬度與所述支撐梁(21) 的寬度相等，壓電元件(4)的高度為支撐梁(21)高度的1/2 2/3。
7.根據權利要求1或2或3所述的固體波動陀螺的諧振子，其特徵在於所述壓電元 件(4)貼合在所述支撐梁(21)的外表面和/或內表面上，所述壓電元件(4)的寬度與所述 支撐梁(21)的寬度相等，壓電元件(4)的高度為支撐梁(21)高度的1/2 2/3。
8.根據權利要求1或2或3所述的固體波動陀螺的諧振子，其特徵在於所述諧振子 是由熔融石英材料製成的諧振子。
9.一種固體波動陀螺，其特徵在於所述固體波動陀螺上裝設有上述權利要求1 8 中任一項所述的固體波動陀螺的諧振子。
全文摘要
本發明公開了一種固體波動陀螺的諧振子，包括諧振環(1)、傳振部(2)、底盤(3)以及壓電元件(4)，諧振環(1)通過傳振部(2)與底盤(3)連接，傳振部(2)是由沿圓周方向均勻分布的支撐梁(21)組成，壓電元件(4)設於支撐梁(21)上。相應的，本發明還公開了裝設有該諧振子的固體波動陀螺。本發明的固體波動陀螺及諧振子具有靈敏度高、傳感效果好、加工方便、加工成本低、機械平衡工序簡單等優點。
文檔編號G01C19/5642GK101936734SQ20101029491
公開日2011年1月5日 申請日期2010年9月28日 優先權日2010年9月28日
發明者吳學忠, 吳宇列, 吳小梅, 崔紅娟, 席翔, 朱炳傑, 肖定邦, 陳志華, 陶溢 申請人:中國人民解放軍國防科學技術大學