一种新型钟形振子式角速率陀螺的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种具有变厚度轴对称多曲面融合结构特征的钟形振子作为敏感元件的角速率陀螺。该角速率陀螺由钟形振子、振子固定轴、振子底座、气密罩、外壳和系统电路组成。钟形振子包括：钟肩，具有半球壳结构；钟腰，具有圆柱壳结构；钟唇，具有双曲面壳结构。钟形振子、底座以及中轴靠机械固连在一起，形成敏感陀螺效应的核心整体。激励电极、反馈电极、检测电极、阻尼控制电极均匀分布于振子钟腰外壁上，每个电极间设置有电极隔离孔；钟形振子的电容极板分别成对安装于振子内壁与对应中轴上；利用气密罩对核心结构进行密封；利用电路系统对钟形振子振型进行控制，对信号进行处理，同时解算出输入角速率。
【专利说明】一种新型钟形振子式角速率陀螺
【技术领域】
[0001] 本发明属于角速率陀螺【技术领域】，具体涉及一种新型钟形振子式角速率陀螺。
【背景技术】
[0002] 陀螺作为敏感载体角运动的惯性器件，是惯性导航、制导的核心部件。基于哥氏 力原理的振动陀螺具有所有的惯性品质，其在惯性【技术领域】的地位越来越重要，已被人们 当作新一代的惯性仪表受到广泛的关注。在科学技术发展和市场需求的推动下，各种振 动陀螺相继出现。目前，最为广泛的振动陀螺按照结构划分，包括：壳体振动陀螺（Shell Vibratory Gyro)、环形振动陀螺（Ring Vibratory Gyro)、盘式振动陀螺（Disk Vibratory Gyro)和梁式振动陀螺（Beam Vibratory Gyro)。
[0003] 这些陀螺均是利用哥氏效应，通过敏感驻波振型的进动，来检测输入角速率。结构 上的差异，导致其优缺点明显，其中，环形振动陀螺由于其支撑结构设计较为复杂，且驻波 振动的轴向难于控制，容易引入垂直轴向上的误差，这种结构的陀螺精度较低，目前广泛应 用在MEMS陀螺中，依靠微机械加工，保证支撑结构与振动环的平衡，但其抗冲击能力差；盘 式振动陀螺，抗冲击能力差，盘的平面度难于保证，发展遇到了瓶颈，现已转向微机械阶段， 通过对盘的刻蚀，向环形振动陀螺靠拢；梁式振动陀螺主要有音叉和振梁型，抗冲击能力 差，精度较低，也广泛应用在MEMS陀螺；壳体振动陀螺，是振动陀螺中精度最高的，以半球 谐振陀螺、圆柱形振动陀螺为代表，已广泛应用于各个领域，但现有的陀螺都存在抗冲击能 力差、成本高昂、制作复杂，无法满足高冲击、中低精度角速率测量领域的应用，虽然圆柱形 振动陀螺采用了压电激励、压电检测的方法，但受结构本身制约，品质因数较低，抗冲击能 力差。
[0004] 授权号为：ZL201010215745. 1，发明名称为：钟形振子式角速率陀螺的专利，提供 了一种钟形振子式角速率陀螺，该钟形振子式角速率陀螺是一种基于哥氏力原理的振动陀 螺，其敏感器件采用熔融石英材料的钟形谐振子，采用静电激励、电容检测，其激励电极安 装在振子壳外罩上，增加了加工和安装的难度。由于材料本身限制，不能承受较高过载，且 成本相对于本发明的钟形振子式角速率陀螺成本较高。授权号为：ZL201110117526. 4,发明 名称为：钟形振子式角速率陀螺振子结构设计方法的专利，提供了一种钟形振子式角速率 陀螺的结构设计方法，但在具体描述中所使用的振子为类似圆杯形的钟形振子，没有进行 多曲面的融合，其品质因数较低。对于目前现有的壳体振动陀螺而言，均为单一曲面结构， 其振子壁为半球结构或圆柱结构，没有曲率变化。而钟形振子式角速率陀螺率先采用了边 缘曲线化的思想，提高了振动稳定性。然而，具体的曲线结构采用的是自然弯曲，没有进行 精确的分析。对于品质因子的提高有一定的限制。在信号处理方面，传统的钟形陀螺、半球 谐振陀螺均采用静电激励、电容检测的方式，其振型的控制也利用电容检测到的振型进行 反馈控制，这样导致整体系统带宽降低。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了克服现有陀螺的抗高过载能力差、品质因数低、加工工艺要 求严格、成本高昂等缺陷，提供了一种新型具有变厚度轴对称多曲面融合结构特征的钟形 结构振子作为敏感元件的角速率陀螺，即：一种新型钟形振子式角速率陀螺。钟形振子式角 速率陀螺一种利用钟形振子壳体上驻波的进动效应，来检测输入角速率的固体波动陀螺。 其核心器件为一个类似于毫米级中国传统大钟的钟形振子，通过振子壁上的激励和检测电 极，来控制振子振型从而产生特定驻波，并提取驻波的进动来检测输入角速度。其不仅具有 传统固体振动陀螺低成本、低功耗、长寿命、高灵敏度的优点外，而且还具有结构简单、抗冲 击能力强的特点，能够更好的应用在中低精度角速率测量领域。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是： 一种新型钟形振子式角速率陀螺，包括钟形振子、振子固定轴、振子底座、气密罩、夕卜 壳、电路系统。其中，钟形振子具有变厚度轴对称多曲面融合结构，包括：钟肩，具有半球壳 结构；钟腰，具有圆柱壳结构；钟唇， 具有双曲面壳结构。在钟形振子的钟腰外壁上均匀分布有2个激励电极、2个反馈电 极、2个检测电极、2个阻尼控制电极，相邻电极相差45°，其中激励电极1安装在钟形振子 钟腰外侧0°位置上，激励电极2安装在钟形振子钟腰外侧180°位置上，反馈电极1安装 在钟腰外侧90°位置上，反馈电极2安装在钟腰外侧270°位置上，检测电极1安装过在 钟腰外侧45°位置上，检测电极2安装在钟腰外侧225°位置上，阻尼控制电极1安装在 钟腰外侧135°位置上，阻尼控制电极2安装在钟腰外侧315°位置上；每个电极间设有隔 离孔；钟形振子内壁钟腰内壁底部，均匀分布有8个电容正向极板，每个电容极板在轴向上 与外壁上的8个电极相对应，其中电容正向极板1安装在钟腰内侧0°位置上，电容正向极 板2安装在钟腰内侧45°位置上，电容正向极板3安装在钟腰内侧90°位置上，电容正向 极板4安装在钟腰内侧135°位置上，电容正向极板5安装在钟腰内侧180°位置上，电容 正向极板6安装在钟腰内侧225°位置上，电容正向极板7安装在钟腰内侧270°位置上， 电容正向极板8安装在钟腰内侧315°位置上；在振子固定轴的极板安装面上，与钟壁上的 电容极板对应分布有8个电容负向极板，其中，电容负向极板1安装在振子固定轴极板安装 面0°位置上，电容负向极板2安装在振子固定轴极板安装面45°位置上，电容负向极板3 安装在振子固定轴极板安装面90°位置上，电容负向极板4安装在振子固定轴极板安装面 135°位置上，电容负向极板5安装在振子固定轴极板安装面180°位置上，电容负向极板 6安装在振子固定轴极板安装面225°位置上，电容负向极板7安装在振子固定轴极板安装 面270°位置上，电容负向极板8安装在振子固定轴极板安装面315°位置上。2个激励电 极、2个 反馈电极、2个检测电极、2个阻尼控制电极的负向电极面通过导电胶与钟形振子固 连，正向电极面连接有金属丝导线，通过焊接方式粘连在钟形振子底座上的对应连接孔上。 8对电容极板，连接振子中轴上方的对应连接孔上。利用气密罩，将组合在一起的钟形振子 式角速率陀螺密封，通过接线端子与外部电路相连，通过机械安装孔与整体外壳相连。
[0007] 与现有技术相比，本发明的优点是： (1)本发明将振子设计为具有变厚度轴对称多曲面融合结构特征的钟形结构，该结构 易于振动且振动稳定。钟形结构振子的品质因子高、结构强度好，和其他类型振子相比，其 灵敏度高、抗过载能力强。振子材料为恒弹性合金（Ni43CrTi)具有极好的温度特性和线性 度，易于大批量生产，同时也为钟形振子式角速率陀螺的抗冲击能力 (2) 本发明提供的钟形振子式角速率陀螺将核心结构采用模块化加工，降低了成本， 提高了生产效率，缩短了加工周期，更重要的是提高了产品的成品率； (3) 采用压电方法控制钟形振子振型，利用电容极板检测振型进动，降低了传统钟形 振子式角速率陀螺静电激励带来的高成本、加工组装难度大的缺点，也消除了传统钟形振 子式角速率陀螺采用电容极板参与振型控制带来的系统延时； (4) 本发明提供的钟形振子式角速率陀螺采用独特的曲线设计，增强了整体结构的抗 冲击性能，同时提高了品质因数，使得振子振动更加持久、稳定； (5) 本发明提供的钟形振子式角速率陀螺中的钟形振子，在相邻激励电极间加入了隔 离孔，消除了相邻电极间的扰动。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1 (a) - 1 (b)为钟形振子式角速率陀螺整体结构设计图； 图2 (a) - 2 (b)为钟形振子控制电极安装图； 图3 (a) - 3 (b)为钟形振子电容极板安装图； 图4 (a) - 4 (b)为钟形振子固定轴电容极板安装图； 图5为驻波四波腹振动图； 图6为振子驻波检查模态示意图； 图7为压电激励单元伸缩力、弯曲力产生示意图； 图8为控制电极切面驻波示意图； 图9为驻波进动效果图； 图10为极板产生位移效果图； 图11 (a) - (c)为钟形振子连接示意图； 图12为钟形振子结构参数示意图。
【具体实施方式】
[0009] 钟形振子式角速率陀螺是利用钟形振子壳体上驻波的进动效应，来检测输入角速 率的陀螺。本发明利用钟形振子在激励电极作用下处于稳定的四波腹振动状态，使振子环 向上产生稳定的驻波。哥氏力将使驻波产生进动，通过检测钟形振子扭转变形引发的振子 位移，来获得输入角速率。
[0010] 本发明的工作原理： 钟形振子具有变厚度轴对称多曲面融合结构特征，钟形振子的钟肩（2-7)为半球壳结 构，钟腰（2-8)为圆柱壳结构，钟唇（2-9)为双曲线壳结构，这样的结构本身具有很好的驻 波稳定特性。利用钟形振子外壁上的激励电极1 (2-1)、激励电极2 (2-2)来激励钟形振子 产生四波腹振动，见图5,及钟形振子（1-1)工作在激励模态。而钟形振子（1-1)还存在着 另外的检测模态，见图6,与激励模态相差45°，哥氏力对这两个模态进行耦合。激励电极 1 (2-1)、激励电极2 (2-2)，选用压电陶瓷PZT5A，沿厚度方向极化。当激励电极1 (2-1)、 激励电极2 (2-2)工作后，产生伸缩力，见图7。由于激励电极1 (2-1)、激励电极2 (2-2) 电极顶部（7-1)接近约束端（7-3)，激励电极1 (2-1)、2 (2-2)电极底部（7-2)远离钟形振 子约束端（7-3)，两者间伸缩力产生偏差，故伸缩力将转变成驱动振子的弯曲力，见图7。这 样通过激励电极1 (2-1)与激励电极2 (2-2)的同幅、同频、同相振动，激励钟形振子产生 四波腹振动。
[0011] 当钟形振子工作在四波腹振动状态下，其环向上产生驻波，其形式如图5所示，驻 波（5-2)在钟形振子切面（5-1)上呈四波腹振动状态。在对应的各个控制电极切面的驻波 形式也是一样，电极切面对应的驻波形式如图8所示，激励电极1切面（8-1)和激励电极2 切面（8-2)在横向波腹轴（8-3)上分布，反馈电极1切面（8-4)和反馈电电极2切面（8-5) 在纵向波腹轴（8-6)上分布，检测电极1切面（8-7)和检测电极2切面（8-8)在横向波节 轴（8-9)上分布，阻尼控制电极1切面（8-10)和阻尼控制电极2切面（8-11)在纵向波节轴 (8-12)上分布。当有输入角速率沿着对称轴逆时针转动时，则驻波会发生反向进动，产生进 动角（9-1)，如图9所示，反馈电极1 (2-3)、反馈电极2 (2-4)、检测电极1 (2-5)、检测电 极2 (2-6)利用压电效应，检测驻波的振动效果，用于对钟形振子振型的控制。而驻波的进 动，会导致电容极板平面的质点产生位移，钟形振子内壁电容极板（10-1)会发生变化，见图 10,利用8对电容极板来共同检测这种位移。而这种位移与输入的角速度成正比。
[0012] 具体实施过程： 如图2所示，钟形振子主要包括主体曲面结构：钟肩（2-7)、钟腰（2-8)、钟唇（2-9)。其 中，钟肩（2-7)为半球壳结构，钟腰（2-8)为圆柱面壳结构，钟唇为双曲面壳结构。在图12中 给出了钟形振子（1-1)的具体结构设计尺寸，其中，L2=22mm，L3=15. 8mm，L4=3mm，L5=20mm, R1 =10mm, R2=2mm, R3=l. 5mm, R4=l. 5mm, R5=4mm (图 12 中的 R5 表不什么？画得不是很清 楚)，R6=9mm, R7=2. 5mm, R8=2. 2mm, H1=0. 5mm。利用这种参数可以求得相应曲面结构的具体 坐标表示，且该组参数下振子相邻频率差最大。这个结构参数下的钟形振子频率分布为：1 : 4447. 2Hz ;2 :4480. 8 ;3 :7273. 3 ;4 :7273. 8 ;5 :14535 ;6 :19450 ;7 :19451 ;8 :23283。工作 频率为7273. 5Hz。
[0013] 激励电极1 (2-1)安装在钟形振子钟腰（2-8)外侧0°位置上，激励电极2 (2-1) 安装在钟形振子钟腰（2-8)外侧180°位置上，反馈电极1 (2-3)安装在钟腰（1-8)外侧 90°位置上，反馈电极2 (2-4)安装在钟腰（2-8)外侧270°位置上，检测电极1 (2-5)安 装在钟腰（2-8)外侧45°位置上，检测电极2 (2-6)安装在钟腰（2-8)外侧225°位置上， 阻尼控制电极1 (2-10)安装在钟腰（2-8)外侧135°位置上，阻尼控制电极2 (2-10)安装 在钟腰（2-8)外侧315°位置上。各电极尺寸均为：长8mm，宽2mm，厚0.2mm;沿厚度方向极 化的PZT5A。利用导电胶将各电极安装在振子外壁上，这样，钟形振子外壁为电路GND端，各 电极正向极面为信号输入端。
[0014] 激励电极1 (2-1)与检测电极1 (2-5)的中间轴线，即钟腰（2-8)外侧22. 5°位置 上，有直径为2mm的隔离孔1 (2-12);检测电极1 (2-5)与反馈电极1 (2-3)的中间轴线， 即钟腰（2-8)外侧67. 5°位置上，有直径为2mm的隔离孔2 (2-13);反馈电极1 (2-3)与阻 尼控制电极1 (2-10)的中间轴线，即钟腰（2-8)外侧112. 5°位置上，有直径为2mm的隔离 孔3 (2-14);阻尼控制电极1 (2-10)与激励电极2 (2-2)的中间轴线，即钟腰（2-8)外侧 157. 5°位置上，有直径为2mm的隔离孔4 (2-15);激励电极2 (2-2)与检测电极2 (2-6) 的中间轴线，即钟腰（2-8)外侧202. 5°位置上，有直径为2mm的隔离孔5 (2-16);检测电 极2 (2-2)与反馈电极2 (2-4)的中间轴线，即钟腰（2-8)外侧247. 5°位置上，有直径为 2mm的隔离孔6 (2-17);反馈电极2 (2-4)与阻尼控制电极2 (2-11)的中间轴线，即钟腰 (2-8)外侧292. 5°位置上，有直径为2mm的隔离孔7 (2-18);阻尼控制电极2 (2-11)与 激励电极1 (2-1)的中间轴线，即钟腰（2-8)外侧292. 5°位置上，有直径为2mm的隔离孔 8 (2-19)。
[0015] 钟形振子的钟腰内壁底部，均匀分布有8个电容正向极板，每个电容极板在轴向 上与外壁上的8个电极相对应，其中电容正向极板1 (3-1)安装在钟腰（2-8)内侧0°位置 上，电容正向极板2 (3-2)安装在钟腰（2-8)内侧45°位置上，电容正向极板3 (3-3)安装 在钟腰（2-8)内侧90°位置上，电容正向极板4 (3-4)安装在钟腰（2-8)内侧135°位置 上，电容正向极板5 (3-5)安装在钟腰（2-8)内侧180°位置上，电容正向极板6 (3-6)安 装在钟腰内侧225°位置上，电容正向极板7 (3-7)安装在钟腰（2-8)内侧270°位置上， 电容正向极板8 (3-8)安装在钟腰（2-8)内侧315°位置上。
[0016] 在振子固定轴的极板安装面上，与钟腰（2-8)内侧上的电容极板对应分布有8个 电容负向极板，其中，电容负向极板1 (4-1)安装在钟形振子固定轴（2-2)极板安装面（4-9) 0°位置上，电容负向极板2 (4-2)安装在钟形振子固定轴（2-2)极板安装面（4-9) 45°位 置上，电容负向极板3 (4-3)安装在钟形振子固定轴（2-2)极板安装面（4-9) 90°位置上， 电容负向极板4 (4-4)安装在钟形振子固定轴（2-2)极板安装面（4-9) 135°位置上，电容 负向极板5 (4-5)安装在钟形振子固定轴（2-2)极板安装面（4-9) 180°位置上，电容负向 极板6 (4-6)安装在钟形振子固定轴（2-2)极板安装面（4-9)225°位置上，电容负向极板7 (4-7)安装在钟形振子固定轴（2-2)极板安装面（4-9)270°位置上，电容负向极板8 (4-8) 安装在钟形振子固定轴（2-2)极板安装面（4-9)315°位置上。电容正向极板和电容负向极 板均采用电容薄板材料，利用绝缘胶粘贴于相应面上。
[0017] 将粘贴有控制电极和电容极板的钟形振子（1-1)放置在钟形振子底座（1-5)上， 将钟形振子（1-1)的0°线与钟形振子底座（1-5)的0°线重合；利用钟形振子固定轴 (1-2)将钟形振子（1-1)与钟形振子底座（1-5)连接在一起，钟形振子固定轴（1-2)与钟形 振子（1-1)的0°线、钟形振子底座（1-5)的0°线重合；利用紧固螺栓（1-4)将钟形振子 (1-1)、钟形振子固定轴（1-2)、钟形振子底座（1-5)固定在一起。激励电极1 (2-1)连接导 线（11-1)与钟形振子底座孔1 (11-2)内接线端子相连，激励电极2 (2-2)连接导线（11-3) 与钟形振子底座孔2 (11-4)内接线端子相连；检测电极1 (2-5)连接导线（11-5)与钟形 振子底座孔3 (11-6)内接线端子相连，检测电极2 (2-6)连接导线（11-7)与钟形振子底 座孔4 (11-8)内接线端子相连；反馈电极1 (2-3)连接导线（11-9)与钟形振子底座孔5 (11-10)内接线端子相连，反馈电极2 (2-4)连接导线（11-11)与钟形振子底座孔6 (11-12) 内接线端子相连；阻尼控制电极1 (2-10)连接导线（11-13)与钟形振子底座孔7 (11-14) 内接线端子相连，阻尼控制电极2 (2-11)连接导线（11-15)与钟形振子底座孔8 (11-16) 内接线端子相连。同理，电容正向极板1 (3-1)连接导线（11-17)至电容正向极板8 (3-8) 连接导线（11-24)分别与振子固定轴孔1 (11-25)至振子固定轴孔8 (11-32)相连；电容 负向极板1 (4-1)连接导线（11-33)至电容负向极板8 (4-8)连接导线（11-40)分别与振 子固定轴孔9 (11-41)至振子固定轴孔18 (11-48)相连。系统GND线（11-49)与钟形振 子（1-1)外壁相连，连接在振子固定轴孔19 (11-50)上。
[0018] 激励电极1 (2-1)、激励电极2 (2-2)输入同频同相同幅的激励信号，输入的工作 频率为钟形振子的固有振动频率。反馈电极1 (2-3)、反馈电极2 (2-4)主要采集振子的谐 振频率与钟形振子振动反馈的幅值，反馈电极1 (2-3)、反馈电极2 (2-4)进行差分求解，与 激励电极1 (2-1)、激励电极2 (2-2)形成控制回路，控制钟形振子的振动频率与振动幅值。 检测电极1 (2-5)、检测电极2 (2-6)进行差分求解，检测钟形振子的振型偏转角，与阻尼控 制电极1 (2-10)、阻尼控制电极2 (2-10)形成控制回路，一直钟形振子的振型偏转。采用 压电电极进行控制回路消除了电容极板作为控制检测的系统延时。利用相应电路系统，采 集各连接导线的信息，进行通用的钟形振子式角速率陀螺信号分析，即可求得输入角速率。
[0019] 本发明提供的新型钟形振子角速率陀螺，具有传统固体振动陀螺低成本、低功耗、 长寿命、高灵敏度的优点外，而且还具有结构简单、抗冲击能力强的特点，能够更好的应用 在中低精度角速率测量领域。
【权利要求】
1. 一种用于角速率陀螺的钟形振子，具有变厚度轴对称多曲面融合结构，包括： 钟肩，具有半球壳结构； 钟腰，具有圆柱壳结构； 钟唇，具有双曲面壳结构。
2. 根据权利要求1的钟形振子，在所述钟形振子的所述钟腰的外壁上，沿圆周方向均 匀分布有2个激励电极、2个反馈电极、2个检测电极、2个阻尼控制电极，且所述的2个激励 电极之间、2个反馈电极之间、2个检测电极之间、2个阻尼控制电极之间分别沿钟形振子轴 对称分布。
3. 根据权利要求2的钟形振子，在所述2个激励电极、2个反馈电极、2个检测电极、2 个阻尼控制电极的每个电极之间设置有隔离孔。
4. 根据权利要求1 一 5中任一权利要求的钟形振子，其中所述的2个激励电极、2个反 馈电极、2个检测电极、2个阻尼控制电极的尺寸均为：长8mm、宽2mm、厚0· 2mm。
5. 根据权利要求3 - 5中任一权利要求的钟形振子，其中所述隔离孔的直径为2mm。
6. -种钟形振子式角速率陀螺，包括如权利要求1 一 10的钟形振子以及振子固定轴、 振子底座、气密罩、外壳、电路系统。
7. 如权利要求11的角速率陀螺，其中所述2个激励电极、2个反馈电极、 2个检测电极、2个阻尼控制电极的负向电极面通过导电胶与钟形振子固连，正向电极 面连接有金属丝导线，金属丝导线通过焊接方式粘连在钟形振子底座上的对应连接孔上；8 对电容极板，连接振子中轴上方的对应连接孔上；利用气密罩，将组合在一起的钟形振子式 角速率陀螺密封，通过接线端子与外部电路相连，通过机械安装孔与整体外壳相连。
8. -种采用压电方法控制权利要求1 一 10的钟形振子的方法，包括：利用钟形振子外 壁上的2个激励电极来激励钟形振子产生四波腹振动，当有输入角速率沿着钟形振子对称 轴逆时针转动时，则驻波会发生反向进动，产生进动角，钟形振子外壁上的2个反馈电极和 2个检测电极利用压电效应，检测驻波的振动效果，从而达到对钟形振子振型的控制。
9. 一种测量角速率的方法，包括：采用压电方法控制权利要求11 一 12的角速率陀螺， 利用钟形振子外壁上的2个激励电极来激励钟形振子产生四波腹振动； 当有输入角速率沿着钟形振子对称轴逆时针转动时，则驻波会发生反向进动，产生进 动角； 钟形振子外壁上的2个反馈电极和2个检测电极利用压电效应，检测驻波的振动效果， 从而用于对钟形振子振型的控制； 而驻波的进动，会导致电容极板平面的质点产生位移，钟形振子内壁电容极板会发生 变化，利用8对电容极板来共同检测这种位移，由于输入的角速率与这种位移成线性关系， 从而获得输入的角速率。
【文档编号】G01C19/5691GK104215235SQ201310220902
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2013年6月5日 优先权日:2013年6月5日
【发明者】苏中, 付梦印, 李擎, 邓志红, 范军芳, 刘宁, 刘洪
申请人:北京信息科技大学, 北京理工大学