[发明专利]多层式圆柱壳体振动陀螺谐振子

说明书

技术领域

本发明涉及一种圆柱壳体振动陀螺，尤其涉及一种具有三维多层结构的圆柱壳体振动陀螺。

背景技术

圆柱壳体振动陀螺是固体波动陀螺的一种，利用圆柱壳体结构中弹性波的惯性效应实现角速动测量。圆柱壳体振动陀螺具有固体波动陀螺特有的精度高、能耗小、准备时间短、工作温度范围大、抗电离辐射能力强、抗冲击振动好、使用寿命长等优点，还具有易于机械加工的优势，发展和应用前景极为广阔。

圆柱壳体振动陀螺的工作原理为：当压电电极的驱动频率与谐振子的二阶模态固有工作频率一致时，驻波振动被激发。圆柱壳体振动陀螺谐振子的工作模态对，分别称之为驱动模态和检测模态，互成45°夹角。当没有角速度输入时，谐振子只在驱动模态工作，在驻波节点的位置输出为零。当具有角速度输入时，谐振子的质量单元在哥氏力的作用下，沿45°方向的检测模态被激发。检测模态驻波的幅值与角速度的大小呈正比关系，由电路解调得到输入角速度。

在圆柱壳体振动陀螺的制造过程中，谐振子的结构形式直接影响了陀螺的精度与灵敏度。而现有的圆柱壳体振动陀螺结构形式，均为单层结构。微机电盘形陀螺具有多层结构，但其为平面二维结构。因此有必要对三维的圆柱壳体振动陀螺进行结构上的改进，进一步提升圆柱壳体振动陀螺谐振子振幅大、振动质量大的优势。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种多层式圆柱壳体振动陀螺谐振子，其具有三维多层结构，实现了谐振子的机械灵敏度的提升。

为达到以上目的，本发明采用以下技术方案：

多层式圆柱壳体振动陀螺谐振子，包括多层式谐振环、具有位移放大效应的支撑结构和安装座，所述多层式谐振环为圆柱体形，所述支撑结构为空心圆柱体形，所述支撑结构的上端固定在多层式谐振环底部端面的中部，所述支撑结构的底端内壁的中心位置设置有安装座，安装座为空心圆柱体结构，多层式谐振环、支撑结构和安装座的中心轴线重合；支撑结构的底端外壁上贴有多个均布的压电电极，多个压电电极围绕其所在圆形端面的圆心呈环形且对称分布，所述多层式谐振环包括多个同轴空心柱体，多个同轴空心柱体的底部均固定连接在多层式谐振环的底部端面的内壁上。

进一步地，所述多层式谐振环包括2个以上同轴空心柱体。

进一步地，位于最外层的同轴空心柱体为圆柱体形。

进一步地，位于最外层以内的同轴空心柱体为圆柱体形或者其他轴对称的异形结构。

进一步地，支撑结构的底端外壁上贴有8个或16个均布的压电电极，8个或16个压电电极围绕其所在圆形端面的圆心呈环形且对称分布。

进一步地，多层式谐振环的底部端面上贴有8个或16个均布的压电电极，8个或16个压电电极围绕其所在圆形端面的圆心呈环形且对称分布。

进一步地，支撑结构与多层式谐振环是一体加工成型的。

本发明在尺寸上(半径约10mm)介于微机电陀螺与石英半球谐振陀螺之间，通过多层环式与三维壳体相结合的方式实现良好的结构灵敏性；同时采用高弹性金属作为基体材料，能够通过常规的机械方式加工，在成本方面也具有一定优势。

本发明提出的多层式圆柱壳体振动陀螺谐振子，主要从以下几个方面实现了结构灵敏度的提高：

第一，采用多层式壳体结构，能够大幅度增加振动质量和振动能量密度，同时避免总材料内耗的增加。一般来说，增大敏感振动质量是降低机械噪声、提高谐振结构灵敏度的重要途径，但是敏感质量的增大也伴随着几何尺寸的增加。对于单层的环形谐振结构，如果仅仅为了增加振动质量使环的厚度过大，会使谐振环在远离中间面的材料层发生剧烈的拉伸或压缩，引起过大的无用内力矩(图4(a))，大幅度增加材料的阻尼损耗，导致机械品质因数下降，无法发挥振动质量大的优势。因此，将结构上的厚环离散成多个分离的谐振环(图4(b))，既增大了有效振动质量，又降低了材料的阻尼损耗。

第二，将传统2维的多层式结构拓展为3维的多层式壳体结构，实现振动位移放大。以往基于微机电工艺的多层式圆柱形振动陀螺也曾出现过，但是灵敏度却不理想，原因就在于其支撑结构没有很好地被设计，结构的机械品质因数受到限制。本发明提出的谐振结构利用压电电极在底部进行激励，通过“L形”支撑结构的位移放大效应使谐振结构在谐振环处的振幅得到大幅度增加(图4(c))，从而进一步增加谐振结构的机械灵敏度，提高检测信号信噪比。

此外，多层式的结构还对能够对制造误差进行平均，在一定程度上降低了对谐振结构制造精度的要求。采用金属材料制造的多层式壳体振动陀螺还具备工作温度范围大、启动时间短、对冲击过载不敏感等突出特点。