专利名称：固体波动陀螺的谐振子及固体波动陀螺的制作方法
技术领域：
本发明涉及角度或角速度传感器领域，尤其涉及一种固体波动陀螺及其谐振子。
背景技术：
固体波动陀螺是利用对称壳体中弹性波的惯性效应实现角速度测量。由于其有精 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，常用作角速度传感器，具有极为广阔的发展和应用前景。现有的固体波动陀螺的谐振子均为环向对称结构，常见的结构形式有环形，杯形 和半球形，其工作原理通常为通过静电、压电或电磁方式驱动，使固体波动陀螺的环向对 称谐振子激励出如图1所示的谐振子第一模态，由图1可见，谐振子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，谐振子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 第二模态振动(与第一模态呈45°分布)，谐振子第二模态的振动通过静电、压电或电磁感 应的方式，输出敏感信号经过电路和软件处理即可得到输入角速度。固体波动陀螺谐振子的结构形式，在固体波动陀螺的制造过程中，是影响固体波 动陀螺精度与灵敏度的直接部件。而现有的固体波动陀螺结构形式，存在加工精度要求高、 加工难度大、制造成本高等问题。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术存在的不足，提供一种结构简单、适 于加工和机械平衡、且精度和灵敏度高的固体波动陀螺的谐振子以及装设有该谐振子的固 体波动陀螺。为解决上述技术问题，本发明提出了一种固体波动陀螺的谐振子，包括谐振环、传 振部、底盘以及压电元件，所述谐振环通过传振部与所述底盘连接，所述传振部是由沿谐振 环圆周方向均勻分布的支撑梁组成，所述压电元件设于所述支撑梁上。本发明提出的上述技术方案创造性地采用环向均布支撑梁式的传振部，并将压电 元件贴设于支撑梁的表面，以用于激励和检测谐振环的振动，实现对角速度的测量。上述本发明的谐振子中，所述谐振环可以为各种不同的圆环形结构，优选为圆柱 环或圆锥环。上述本发明的谐振子中，所述谐振环的高度优选大于所述支撑梁的宽度，所述谐 振环的厚度优选大于所述支撑梁厚度。这种优选的设计方式可以提高谐振环占整个谐振子 的振动能量比例，使固体波动陀螺的有效惯性质量增大，进而提高固体波动陀螺的灵敏度。上述本发明的谐振子中，所述支撑梁优选为条状薄片，所述支撑梁的数量优选为 8+4n根(例如8根、12根、16根等)，其中η取0以上的整数(包括0)；每根支撑梁上优选各 设有一个压电元件。这种均勻分布的支撑梁21使得其上的压电元件4的粘贴方位更加精 确，提高了固体波动陀螺的精度。
上述本发明的谐振子中，所述支撑梁的母线优选垂直于所述底盘所在的平面或者 与底盘所在的平面呈一倾角，所述倾角的数值大小优选不超过1°。上述本发明的谐振子中，所述压电元件可布满在所述支撑梁的外表面和/或内表 面上(布满是指压电元件紧贴于支撑梁表面，且压电元件的边缘与支撑梁的边缘齐平)。具 体的，所述压电元件可以是通过焊接、溅射或粘贴等方式贴合在所述支撑梁的外表面和/ 或内表面上。实际使用时，支撑梁的表面应尽可能平坦，以使压电元件更容易贴设在支撑梁 的表面(柔性支撑梁表面)；优选的，压电元件的高度尽可能覆盖支撑梁高度的1/2 2/3， 并使其宽度与支撑梁的宽度相等，这样可以提供较大的驱动力，输出较大的检测信号，从而 提高固体波动陀螺的信噪比。上述本发明的谐振子中，所述谐振子优选是由熔融石英材料制成的谐振子。作为一个总的技术构思，本发明还提供一种固体波动陀螺，所述固体波动陀螺上 装设有上述本发明的谐振子(谐振子的底盘中心设有用于连接固体波动陀螺其他外设构件 的安装座，采用现有连接方式进行连接即可)。与现有技术相比，本发明的优点在于
1、本发明的固体波动陀螺的谐振子采用环向均勻分布的支撑梁结构作为传振部，以连 接底盘和谐振环，各压电元件均勻布设于各支撑梁上，支撑梁与支撑梁之间的空隙降低了 谐振子的结构阻尼和空气阻尼，使得谐振子能够以更大的振幅振动，其机械品质因数较传 统固体波动陀螺更高；
2、本发明的谐振子仅仅包括谐振环、支撑梁和底盘，多余的材料全部被去除，这使得谐 振子消耗能量、产生噪声的部分大大减少，大大提高了谐振子的信噪比；
3、本发明的谐振子结构简单，可以选择多种加工手段进行加工(例如磨削、车削等)，需 要精加工的部分只有谐振环，对于支撑梁，如果支撑梁设计得越薄，其加工精度要求也就越 低，而提高谐振环的环向对称性是本发明谐振子制造的关键所在，以当前的加工技术，要加 工出较高精度的谐振环和较薄的支撑梁也相对容易，因此本发明的谐振子不仅降低了加工 要求，可节约制造成本，而且易于保证加工精度；
4、考虑到加工成型的谐振子总会或多或少存在一定缺陷，例如谐振子的质量不平衡、 机械品质因数分布不均勻等，采用本发明的谐振子使得谐振子的机械平衡工序变得更为简 单，仅需通过调整支撑梁靠上部分的宽度便可去除谐振子的部分质量、改变其相关部位刚 度，进而实现谐振子的平衡。综上，本发明的谐振子及装设有该谐振子的固体波动陀螺具有灵敏度高、传感效 果好、加工方便、加工成本低、机械平衡工序简单等显著优点。


图1是固体波动陀螺的谐振子振动时的第一模态示意图。图2是固体波动陀螺的谐振子振动时的第二模态示意图。图3是本发明实施例中的固体波动陀螺的谐振子立体结构示意图。图4是本发明实施例中的固体波动陀螺的谐振子沿轴向的剖视图。图5是本发明实施例中的固体波动陀螺的谐振子有限元仿真的第一模态示意图。图6是本发明实施例中的固体波动陀螺的谐振子有限元仿真的第二模态示意图。
图例说明
1、谐振环；2、传振部；21、支撑梁；3、底盘；4、压电元件；41、激励压电元件；42、检测压 电元件。
具体实施例方式以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。 实施例如图3、图4所示，本实施例的固体波动陀螺的谐振子，包括谐振环1、传振部2、底 盘3以及压电元件4，谐振环1通过传振部2与底盘3连接。谐振环1为圆柱环(也可为 圆锥环)，其外径R=25mm，厚度tl=lmm，高度h=5mm。传振部2是由八根均勻布置在谐振环 1圆周方向上的支撑梁21组成；支撑梁21为条状薄片，其高度Ll=15mm，宽度b=2mm，厚度 t2=0. 5mm,支撑梁21的母线L垂直于底盘3所在的平面(当然也可与底盘3所在平面呈一 微量的倾角)，谐振环1即通过这八根相同尺寸的支撑梁21与底盘3连接。在每根支撑梁 21的外表面上各设有一个压电元件4 (该压电元件即为压电电极)，该压电元件4是紧密粘 贴于支撑梁21上，且压电元件4的边缘与支撑梁21的边缘齐平(即二者的宽度相等);本实 施例的八个压电元件4分为相互垂直分布的四个激励压电元件41 (用于激励谐振子在第一 模态下振动)和四个检测压电元件42 (用于检测谐振子因角速度产生的第二模态的振动)， 每个压电元件4的高度L2=8mm，压电元件4的厚度t3=0. 15mm。由上可见，本实施例中谐振环1的高度h大于支撑梁21的宽度b，谐振环1的厚度 tl大于支撑梁21的厚度t2，这样可以提高该圆柱环形谐振环1占整个谐振子的振动能量 比例，使陀螺的有效惯性质量增大，进而提高陀螺的灵敏度。但本发明的谐振子并不限于以 上的具体尺寸，谐振子的尺寸因固体波动陀螺精度要求的不同而不同，通常尺寸较小的谐 振子对应的固体波动陀螺的精度也较小。理论上说，本发明的固体波动陀螺的谐振子可以使用任何种类的金属材料来制 造，但本实施例的谐振子是使用具有高机械品质因数的熔融石英材料制造，其可保证谐振 子的高稳定性与高精度。如图3、图4所示，本发明固体波动陀螺的谐振子的工作原理为对贴设于谐振子 支撑梁21上的相互垂直分布的四个激励压电元件41 (即压电电极)施加交流电压，由于逆 压电效应，激励压电元件41产生伸缩振动，并通过支撑梁21传递到谐振环1上，激励出如 图1所示的谐振子的第一模态；当有轴向角速度输入时，谐振环1在哥氏力的作用下产生如 图2所示的第二模态振动，谐振环1第二模态的振动通过支撑梁21传递到相互垂直分布的 其余四个检测压电元件42上，由压电效应产生的敏感信号经过电路和软件处理即可得到 输入角速度。通过有限元仿真分析手段模拟本实施例的新型固体波动谐振子的模态，结果如图 5、图6所示。由图5、图6可知，外径25mm的谐振环1的谐振频率为4000Hz 5000Hz，其
显著区别于噪声频率。以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施 例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。
权利要求
一种固体波动陀螺的谐振子，包括谐振环(1)、传振部(2)、底盘(3)以及压电元件(4)，所述谐振环(1)通过传振部(2)与所述底盘(3)连接，其特征在于所述传振部(2)是由沿谐振环圆周方向均匀分布的支撑梁(21)组成，所述压电元件(4)设于所述支撑梁(21)上。
2.根据权利要求1所述的固体波动陀螺的谐振子，其特征在于所述谐振环(1)为圆柱 环或圆锥环。
3.根据权利要求2所述的固体波动陀螺的谐振子，其特征在于所述谐振环(1)的高度 大于所述支撑梁(21)的宽度；所述谐振环(1)的厚度大于所述支撑梁(21)的厚度。
4.根据权利要求1或2或3所述的固体波动陀螺的谐振子，其特征在于所述支撑梁 (21)为条状薄片，所述支撑梁(21)的数量为8+4n根，其中η取0以上的整数；每根支撑梁 (21)上各设有一个所述的压电元件(4)。
5.根据权利要求4所述的固体波动陀螺的谐振子，其特征在于所述支撑梁(21)的母 线垂直于所述底盘(3)所在的平面或者与底盘(3)所在平面呈一倾角，所述倾角的数值大 小为不超过1°。
6.根据权利要求5所述的固体波动陀螺的谐振子，其特征在于所述压电元件(4)贴合 在所述支撑梁(21)的外表面和/或内表面上，所述压电元件(4)的宽度与所述支撑梁(21) 的宽度相等，压电元件(4)的高度为支撑梁(21)高度的1/2 2/3。
7.根据权利要求1或2或3所述的固体波动陀螺的谐振子，其特征在于所述压电元 件(4)贴合在所述支撑梁(21)的外表面和/或内表面上，所述压电元件(4)的宽度与所述 支撑梁(21)的宽度相等，压电元件(4)的高度为支撑梁(21)高度的1/2 2/3。
8.根据权利要求1或2或3所述的固体波动陀螺的谐振子，其特征在于所述谐振子 是由熔融石英材料制成的谐振子。
9.一种固体波动陀螺，其特征在于所述固体波动陀螺上装设有上述权利要求1 8 中任一项所述的固体波动陀螺的谐振子。
全文摘要
本发明公开了一种固体波动陀螺的谐振子，包括谐振环(1)、传振部(2)、底盘(3)以及压电元件(4)，谐振环(1)通过传振部(2)与底盘(3)连接，传振部(2)是由沿圆周方向均匀分布的支撑梁(21)组成，压电元件(4)设于支撑梁(21)上。相应的，本发明还公开了装设有该谐振子的固体波动陀螺。本发明的固体波动陀螺及谐振子具有灵敏度高、传感效果好、加工方便、加工成本低、机械平衡工序简单等优点。
文档编号G01C19/5642GK101936734SQ20101029491
公开日2011年1月5日 申请日期2010年9月28日 优先权日2010年9月28日
发明者吴学忠, 吴宇列, 吴小梅, 崔红娟, 席翔, 朱炳杰, 肖定邦, 陈志华, 陶溢 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学