[发明专利]一种基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺及其驱动和检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺及其驱动和检测方法。

背景技术

环形振动陀螺是利用谐振环中弹性波的惯性效应实现角速动测量。环形振动陀螺具有固体波动陀螺特有的精度高、能耗低、准备时间短、工作温度范围大、抗电离辐射能力强、抗冲击振动性能好、使用寿命长等优点，发展和应用前景极为广阔。

环形振动陀螺的工作原理为：通过某种驱动方式(电磁驱动、静电驱动或者压电驱动等方式)，以特定的频率激励出谐振环如图1所示的第一模态(即驱动模态)，由图1可见，谐振环的第一模态为环向波数为2的驻波，其中波腹点处的振幅最大，波节点处的振幅为零，波腹点连线构成固有刚性轴系；当有轴向角速度输入时，谐振环在哥氏力的作用下产生如图2所示的另一固有刚性轴系的第二模态(即检测模态)，谐振环第二模态的振动通过某种检测方式(电磁检测、电容检测或者压电检测等方式)获得敏感电信号，该敏感电信号与输入角速度成正比，经过滤波及放大等处理即可得到输入角速度。

在环形振动陀螺的设计与制造过程中，驱动与检测方式的设计具有至关重要的作用，其直接影响了陀螺的灵敏度及精度。现有的环形振动陀螺多采用两种驱动检测方式：一种是静电驱动电容检测的方式，例如专利US 5616864，US 6282958 B1，US 7958781 B1中描述的；另一种是电磁驱动磁电检测的方式，例如专利US 5932804，US 7188524 B2，EP 0859219 B1中描述的。静电驱动电容检测环形振动陀螺的驱动力强度和检测灵敏度取决于电极与环体小的电容间隙以及大的电容面积，对于平面结构的环结构来说，不能做到较大电容面积，因此只能将电容间隙设计的很小，但是小的电容间隙则限制了谐振环的振动幅值，而且增加了制造难度；而电磁驱动磁电检测原理的环形振动陀螺采用电磁感应原理进行激励和检测，具有容易被外界电磁场干扰的不足。静电驱动、电磁驱动与压电驱动方式的特性对比如表1所示。由表1可知压电驱动方式与静电驱动方式相比具有驱动力大的优势，与电磁驱动方式相比具有驱动效率高，响应快和不受外界干扰的优点。

表1静电驱动、电磁驱动与压电驱动的对比

压电驱动方式主要有两种，一种是伸缩驱动，另一种是弯曲驱动。伸缩驱动利用压电材料在逆压电效应下的伸缩变形，来产生位移或振动；这种驱动模式的特点是驱动力大，位移较小，工作电压高。现有技术中常见的压电驱动环形振动陀螺均利用压电材料的伸缩驱动方式，例如专利US 8601872 B2，WO 2009/119205 A1，CN 102980565 A中描述的。然而，现有技术中的压电驱动环形振动陀螺仍然无法满足更高驱动效率和灵敏度要求的需要。

发明内容

为了克服环形振动陀螺驱动效率以及检测灵敏度方面的不足，本发明提供了一种更高驱动效率以及检测灵敏度的基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺及其驱动和检测方法。

一种基于侧壁压电驱动的环形振动陀螺，包括谐振环1、支撑弹簧2、锚点3及压电电极4；

所述锚点3设置于所述谐振环1的圆心；

所述锚点是用于固定支撑弹簧的固定部件；

所述支撑弹簧均匀分布在所述谐振环的内部，且每根支撑弹簧的一端固定在所述谐振环的内壁，另一端与锚点相连；

所述支撑弹簧用于支撑谐振环，同时便于谐振环的变形；

所述压电电极4固连在近锚点端的支撑弹簧2侧壁上，用于激励和检测谐振环的变形。

所述支撑弹簧2包括相连的锚点直线段和曲线段，所述锚点直线段的一端与锚点相连，所述曲线段的一端与谐振环相连，所述支撑弹簧的两端与所述谐振环圆心相连形成的圆心角角度范围45°-90°。

所述支撑弹簧还包括径向直线段，所述径向直线段的一端与谐振环相连，另一端与所述曲线段相连。

支撑弹簧采用径向直线段、曲线段及锚点直线段三段式结构，能够更好的产生谐振环的形变；

所述支撑弹簧的两端与所述谐振环圆心相连形成的圆心角角度为90°。

90°时，产生的形变效果最好；

所述支撑弹簧至少包括8根。

所述支撑弹簧的数量为16根。

采用16个电极可以进行频率裂解的补偿，因此16根电极的设计较8根电极的设计陀螺潜在精度更高。