多層式圓柱殼體振動(dòng)陀螺諧振子的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種圓柱殼體振動(dòng)陀螺，尤其涉及一種具有三維多層結(jié)構(gòu)的圓柱殼體振動(dòng)陀螺。
【背景技術(shù)】
[0002]圓柱殼體振動(dòng)陀螺是固體波動(dòng)陀螺的一種，利用圓柱殼體結(jié)構(gòu)中彈性波的慣性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)角速動(dòng)測(cè)量。圓柱殼體振動(dòng)陀螺具有固體波動(dòng)陀螺特有的精度高、能耗小、準(zhǔn)備時(shí)間短、工作溫度范圍大、抗電離輻射能力強(qiáng)、抗沖擊振動(dòng)好、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，還具有易于機(jī)械加工的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展和應(yīng)用前景極為廣闊。
[0003]圓柱殼體振動(dòng)陀螺的工作原理為:當(dāng)壓電電極的驅(qū)動(dòng)頻率與諧振子的二階模態(tài)固有工作頻率一致時(shí)，駐波振動(dòng)被激發(fā)。圓柱殼體振動(dòng)陀螺諧振子的工作模態(tài)對(duì)，分別稱之為驅(qū)動(dòng)模態(tài)和檢測(cè)模態(tài)，互成45°夾角。當(dāng)沒有角速度輸入時(shí)，諧振子只在驅(qū)動(dòng)模態(tài)工作，在駐波節(jié)點(diǎn)的位置輸出為零。當(dāng)具有角速度輸入時(shí)，諧振子的質(zhì)量單元在哥氏力的作用下，沿45°方向的檢測(cè)模態(tài)被激發(fā)。檢測(cè)模態(tài)駐波的幅值與角速度的大小呈正比關(guān)系，由電路解調(diào)得到輸入角速度。
[0004]在圓柱殼體振動(dòng)陀螺的制造過(guò)程中，諧振子的結(jié)構(gòu)形式直接影響了陀螺的精度與靈敏度。而現(xiàn)有的圓柱殼體振動(dòng)陀螺結(jié)構(gòu)形式，均為單層結(jié)構(gòu)。微機(jī)電盤形陀螺具有多層結(jié)構(gòu)，但其為平面二維結(jié)構(gòu)。因此有必要對(duì)三維的圓柱殼體振動(dòng)陀螺進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，進(jìn)一步提升圓柱殼體振動(dòng)陀螺諧振子振幅大、振動(dòng)質(zhì)量大的優(yōu)勢(shì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種多層式圓柱殼體振動(dòng)陀螺諧振子，其具有三維多層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了諧振子的機(jī)械靈敏度的提升。
[0006]為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]多層式圓柱殼體振動(dòng)陀螺諧振子，包括多層式諧振環(huán)、具有位移放大效應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)和安裝座，所述多層式諧振環(huán)為圓柱體形，所述支撐結(jié)構(gòu)為空心圓柱體形，所述支撐結(jié)構(gòu)的上端固定在多層式諧振環(huán)底部端面的中部，所述支撐結(jié)構(gòu)的底端內(nèi)壁的中心位置設(shè)置有安裝座，安裝座為空心圓柱體結(jié)構(gòu)，多層式諧振環(huán)、支撐結(jié)構(gòu)和安裝座的中心軸線重合；支撐結(jié)構(gòu)的底端外壁上貼有多個(gè)均布的壓電電極，多個(gè)壓電電極圍繞其所在圓形端面的圓心呈環(huán)形且對(duì)稱分布，所述多層式諧振環(huán)包括多個(gè)同軸空心柱體，多個(gè)同軸空心柱體的底部均固定連接在多層式諧振環(huán)的底部端面的內(nèi)壁上。
[0008]進(jìn)一步地，所述多層式諧振環(huán)包括2個(gè)以上同軸空心柱體。
[0009]進(jìn)一步地，位于最外層的同軸空心柱體為圓柱體形。
[0010]進(jìn)一步地，位于最外層以內(nèi)的同軸空心柱體為圓柱體形或者其他軸對(duì)稱的異形結(jié)構(gòu)。
[0011]進(jìn)一步地，支撐結(jié)構(gòu)的底端外壁上貼有8個(gè)或16個(gè)均布的壓電電極，8個(gè)或16個(gè)壓電電極圍繞其所在圓形端面的圓心呈環(huán)形且對(duì)稱分布。
[0012]進(jìn)一步地，多層式諧振環(huán)的底部端面上貼有8個(gè)或16個(gè)均布的壓電電極，8個(gè)或16個(gè)壓電電極圍繞其所在圓形端面的圓心呈環(huán)形且對(duì)稱分布。
[0013]進(jìn)一步地，支撐結(jié)構(gòu)與多層式諧振環(huán)是一體加工成型的。
[0014]本發(fā)明在尺寸上(半徑約1mm)介于微機(jī)電陀螺與石英半球諧振陀螺之間，通過(guò)多層環(huán)式與三維殼體相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)良好的結(jié)構(gòu)靈敏性；同時(shí)采用高彈性金屬作為基體材料，能夠通過(guò)常規(guī)的機(jī)械方式加工，在成本方面也具有一定優(yōu)勢(shì)。
[0015]本發(fā)明提出的多層式圓柱殼體振動(dòng)陀螺諧振子，主要從以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)靈敏度的提尚:
[0016]第一，采用多層式殼體結(jié)構(gòu)，能夠大幅度增加振動(dòng)質(zhì)量和振動(dòng)能量密度，同時(shí)避免總材料內(nèi)耗的增加。一般來(lái)說(shuō)，增大敏感振動(dòng)質(zhì)量是降低機(jī)械噪聲、提高諧振結(jié)構(gòu)靈敏度的重要途徑，但是敏感質(zhì)量的增大也伴隨著幾何尺寸的增加。對(duì)于單層的環(huán)形諧振結(jié)構(gòu)，如果僅僅為了增加振動(dòng)質(zhì)量使環(huán)的厚度過(guò)大，會(huì)使諧振環(huán)在遠(yuǎn)離中間面的材料層發(fā)生劇烈的拉伸或壓縮，引起過(guò)大的無(wú)用內(nèi)力矩(圖4(a))，大幅度增加材料的阻尼損耗，導(dǎo)致機(jī)械品質(zhì)因數(shù)下降，無(wú)法發(fā)揮振動(dòng)質(zhì)量大的優(yōu)勢(shì)。因此，將結(jié)構(gòu)上的厚環(huán)離散成多個(gè)分離的諧振環(huán)(圖4(b))，既增大了有效振動(dòng)質(zhì)量，又降低了材料的阻尼損耗。
[0017]第二，將傳統(tǒng)2維的多層式結(jié)構(gòu)拓展為3維的多層式殼體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)位移放大。以往基于微機(jī)電工藝的多層式圓柱形振動(dòng)陀螺也曾出現(xiàn)過(guò)，但是靈敏度卻不理想，原因就在于其支撐結(jié)構(gòu)沒有很好地被設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)受到限制。本發(fā)明提出的諧振結(jié)構(gòu)利用壓電電極在底部進(jìn)行激勵(lì)，通過(guò)“L形”支撐結(jié)構(gòu)的位移放大效應(yīng)使諧振結(jié)構(gòu)在諧振環(huán)處的振幅得到大幅度增加(圖4 (c))，從而進(jìn)一步增加諧振結(jié)構(gòu)的機(jī)械靈敏度，提高檢測(cè)信號(hào)信噪比。
[0018]此外，多層式的結(jié)構(gòu)還對(duì)能夠?qū)χ圃煺`差進(jìn)行平均，在一定程度上降低了對(duì)諧振結(jié)構(gòu)制造精度的要求。采用金屬材料制造的多層式殼體振動(dòng)陀螺還具備工作溫度范圍大、啟動(dòng)時(shí)間短、對(duì)沖擊過(guò)載不敏感等突出特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖一，
[0020]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖二 ；
[0021]圖3為本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)與檢測(cè)原理示意圖；
[0022]圖4為本發(fā)明能夠提供靈敏度的原理示意圖；
[0023]圖5為本發(fā)明的衍生結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0024]圖6為本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]參照?qǐng)D1和2，為本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明一種多層式圓柱殼體振動(dòng)陀螺諧振子，包括多層式諧振環(huán)1、具有位移放大效應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)2和安裝座3，所述多層式諧振環(huán)I為圓柱體形，所述支撐結(jié)構(gòu)2為空心圓柱體形，所述支撐結(jié)構(gòu)2的上端固定在多層式諧振環(huán)底部端面的中部，所述支撐結(jié)構(gòu)2的底端內(nèi)壁的中心位置設(shè)置有安裝座3，安裝座3為空心圓柱體結(jié)構(gòu)，多層式諧振環(huán)1、支撐結(jié)構(gòu)2和安裝座3的中心軸線重合；支撐結(jié)構(gòu)2的底端外壁上貼有8個(gè)均布的壓電電極4，起到激勵(lì)和檢測(cè)振動(dòng)的作用。8個(gè)壓電電極4圍繞其所在圓形端面的圓心呈環(huán)形且對(duì)稱分布，所述多層式諧振環(huán)1包括4個(gè)同軸空心圓柱體，4個(gè)同軸空心圓柱體的底部均固定連接在多層式諧振環(huán)的底部端面的內(nèi)壁上。
[0026]本發(fā)明多層式圓柱殼體振動(dòng)陀螺諧振子的工作原理是基于彈性駐波振動(dòng)的哥氏效應(yīng)，如圖3所示，陀螺工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)位置的質(zhì)量單元沿驅(qū)動(dòng)力方向作恒幅振動(dòng)，當(dāng)有角速度輸入時(shí)，驅(qū)動(dòng)質(zhì)量單元所受的哥氏力合力指向45°方向，激發(fā)出檢測(cè)駐波模態(tài)。此時(shí)檢測(cè)位置的輸出信號(hào)正比于輸入角速度大小，于是通過(guò)對(duì)信號(hào)解調(diào)處理就可以得到輸入角速度。
[0027]在多層式諧振環(huán)的底部也可貼有均布的壓電電極，實(shí)現(xiàn)輔助驅(qū)動(dòng)/檢測(cè)/振動(dòng)調(diào)節(jié)作用。參照?qǐng)D6，為本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖，多層式諧振環(huán)1的底部端面上貼有8個(gè)均布的壓電電極4，8個(gè)壓電電極4圍繞其所在圓形端面的圓心呈環(huán)形且對(duì)稱分布。
[0028]出于加工可行性考慮，傳統(tǒng)的諧振子結(jié)構(gòu)多為標(biāo)準(zhǔn)的圓形殼體。但隨著現(xiàn)代加工能力的不斷提升，通過(guò)制造異形結(jié)構(gòu)使陀螺性能參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化變得可行。比如周期性的解耦結(jié)構(gòu)提高結(jié)構(gòu)振動(dòng)模態(tài)的自穩(wěn)定性，質(zhì)量集中結(jié)構(gòu)使陀螺的靈敏性增強(qiáng)，這些衍生結(jié)構(gòu)如圖5所示。
[0029]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例。凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)該指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下的改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種多層式圓柱殼體振動(dòng)陀螺諧振子，其特征在于:包括多層式諧振環(huán)、具有位移放大效應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)和安裝座，所述多層式諧振環(huán)為圓柱體形，所述支撐結(jié)構(gòu)為空心圓柱體形，所述支撐結(jié)構(gòu)的上端固定在多層式諧振環(huán)底部端面的中部，所述支撐結(jié)構(gòu)的底端內(nèi)壁的中心位置設(shè)置有安裝座，安裝座為空心圓柱體結(jié)構(gòu)，多層式諧振環(huán)、支撐結(jié)構(gòu)和安裝座的中心軸線重合；支撐結(jié)構(gòu)的底端外壁上貼有多個(gè)均布的壓電電極，多個(gè)壓電電極圍繞其所在圓形端面的圓心呈環(huán)形且對(duì)稱分布，所述多層式諧振環(huán)包括多個(gè)同軸空心柱體，多個(gè)同軸空心柱體的底部均固定連接在多層式諧振環(huán)的底部端面的內(nèi)壁上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述多層式圓柱殼體振動(dòng)陀螺諧振子，其特征在于:多層式諧振環(huán)包括2個(gè)以上同軸空心柱體。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的所述多層式圓柱殼體振動(dòng)陀螺諧振子，其特征在于:位于最外層的同軸空心柱體為圓柱體形。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的所述多層式圓柱殼體振動(dòng)陀螺諧振子，其特征在于:位于最外層以內(nèi)的同軸空心柱體為圓柱體形或者軸對(duì)稱的異形結(jié)構(gòu)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述多層式圓柱殼體振動(dòng)陀螺諧振子，其特征在于:支撐結(jié)構(gòu)的底端外壁上貼有8個(gè)或16個(gè)均布的壓電電極，8個(gè)或16個(gè)壓電電極圍繞其所在圓形端面的圓心呈環(huán)形且對(duì)稱分布。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的所述多層式圓柱殼體振動(dòng)陀螺諧振子，其特征在于:多層式諧振環(huán)的底部端面上貼有8個(gè)或16個(gè)均布的壓電電極，8個(gè)或16個(gè)壓電電極圍繞其所在圓形端面的圓心呈環(huán)形且對(duì)稱分布。7.根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的所述多層式圓柱殼體振動(dòng)陀螺諧振子，其特征在于:支撐結(jié)構(gòu)與多層式諧振環(huán)是一體加工成型的。
【專利摘要】一種多層式圓柱殼體振動(dòng)陀螺諧振子，包括多層式諧振環(huán)、具有位移放大效應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)和安裝座，所述多層式諧振環(huán)為圓柱體形，所述支撐結(jié)構(gòu)為空心圓柱體形，所述支撐結(jié)構(gòu)的上端固定在多層式諧振環(huán)底部端面的中部，所述支撐結(jié)構(gòu)的底端內(nèi)壁的中心位置設(shè)置有安裝座，安裝座為空心圓柱體結(jié)構(gòu)，多層式諧振環(huán)、支撐結(jié)構(gòu)和安裝座的中心軸線重合；支撐結(jié)構(gòu)的底端外壁上貼有多個(gè)均布的壓電電極，多個(gè)壓電電極圍繞其所在圓形端面的圓心呈環(huán)形且對(duì)稱分布，所述多層式諧振環(huán)包括多個(gè)同軸空心柱體，多個(gè)同軸空心柱體的底部均固定連接在多層式諧振環(huán)的底部端面的內(nèi)壁上。本發(fā)明是具有三維多層結(jié)構(gòu)的圓柱殼體振動(dòng)陀螺諧振子，實(shí)現(xiàn)諧振子的機(jī)械靈敏度的提升。
【IPC分類】G01C19/5691
【公開號(hào)】CN105277184
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510755141
【發(fā)明人】吳宇列, 吳學(xué)忠, 席翔, 崔紅娟, 張勇猛, 徐鑫鑫, 王子丹
【申請(qǐng)人】中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【公開日】2016年1月27日
【申請(qǐng)日】2015年11月9日