专利名称：钟形振子式角速率陀螺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种角速率陀螺，特别是涉及一种钟形振子角速率陀螺。
背景技术：
陀螺作为敏感载体角运动的惯性器件，是惯性导航、制导与控制系统的核心部件， 其中振动陀螺代表一种重要的惯性技术，具有所有的惯性品质。基于哥氏力原理的振动陀 螺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重视。 在科学技术的发展和市场需求的推动下，各种振动陀螺相继出现。目前，振动陀螺主要有半 球谐振、压电振动和微机械振动三种工作方式。半球谐振陀螺利用其径向振动驻波的进动效应来实现角度和角速率的测量，具有 测量精度高、温度特性稳定、启动时间短、时间常数大、抗干扰能力强和全旋转角记忆等特 性，是较早在高精度角速率测量领域得到成功应用的振动陀螺。但是，半球谐振陀螺复杂的 结构和对加工工艺的严格要求使得它并不适合大批量生产，无法满足中低精度、大批量角 速率测量领域的应用要求。压电振动陀螺采用压电元件作为激励元件或者采用压电元件读取哥氏力信号。压 电振动陀螺由于具有可靠性高、性能稳定、线性度好、性价比高等优点，已在很多领域得到 广泛的应用。但是，目前压电振动陀螺振子的品质因子普遍偏低，无法实现陀螺在恶劣工作 环境下的断电自保持功能，且振子读出面的频率提取也影响了陀螺精度的进一步提高。微机械振动陀螺已在中低精度角速率测量领域中得到广泛应用并具备大批量生 产能力。其最突出的特点是采用了微电子技术来加工振动元件，具有重量轻、体积小、成本 低、适合批量生产的特点。但是微机械振动陀螺对工作环境要求高、需要进行温度和漂移补 偿，并且，如何提高振子的有效质量和角速率的检测精度是微机械振动陀螺性能指标进一 步提升的瓶颈。
发明内容
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、无断电自保 持能力、结构复杂、加工工艺要求严格等缺陷，提供了一种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，即钟形振子式角速率陀螺。为了解决上述技术问题，本发明的采用的技术方案是钟形振子式角速率陀螺，包括振子、振子上支撑杆、振子下支撑杆、开口小槽、支撑 罩、支撑底盘、驱动电极、振幅检测电极、振型稳定电极、切向位移检测电极，驱动电极安装 块、振幅检测电极安装块、振型稳定电极安装块、切向位移检测电极安装块、气密罩、气密底 盘、筒型外框架和系统电路；振子与振子上支撑杆和振子下支撑杆整体加工成型；开口小 槽位于振子的下边缘；上支撑杆顶端与支撑罩的顶端中心限位圆孔固定；下支撑杆低端与 支撑底盘的中心限位圆孔固定；支撑罩边缘与支撑底盘上凹部圆周吻合；支撑底盘安装在 气密底盘上方；气密罩将支撑罩盖住并与气密底盘紧密连接；由气密罩和气密底盘形成的密封结构通过气密底盘与筒型外框架安装在一起；驱动电极、振幅检测电极和振型稳定电 极引出的线路分别通过支撑底盘的密封孔和气密底盘的密封孔引到位于密封底盘下方的 控制板上；陀螺内部线路通过加工在筒型外框架侧面的电气接口与外部连接。所述的开口小槽为8个；且8个开口小槽在振子下端边缘一周对称分布。所述的驱动电极安装块和振型稳定电极安装块安装在支撑罩的内侧，振幅检测电 极安装块和切向位移检测电极安装块固定在振子内部的支撑底盘上；驱动电极、振幅检测 电极、振型检测电极和切向位移检测电极位于振子同一横切面上，上述所有电极与振子金 属化的表面形成电极对。所述的振子的边缘外沿加工超出振子的厚度，振子的边缘外沿与振子通过倒角过渡。所述的驱动电极包括第一驱动电极、第二驱动电极，振幅检测电极包括第一振幅 检测电极、第二振幅检测电极，振型稳定电极包括第一振型稳定电极、第二振型稳定电极， 切向位移检测电极包括第一切向位移检测电极、第二切向位移检测电极；驱动电极安装块 有2块，第一驱动电极安装块、第二驱动电极安装块，第一驱动电极安装在第一驱动电极安 装块上、第二驱动电极安装在第二驱动电极安装块上；振幅检测电极安装块有2块，第一振 幅检测电极安装块、第二振幅检测电极安装块，第一振幅检测电极安装在第一振幅检测电 极安装块上、第二振幅检测电极安装在第二振幅检测电极安装块上；切向位移检测电极安 装块有2块，第一切向位移检测电极安装块、第二切向位移检测电极安装块，第一切向位移 检测电极安装在第一切向位移检测电极安装块上、第二切向位移检测电极安装在第二切向 位移检测电极安装块上；振型稳定电极安装块有2块，第一振型稳定电极安装块、第二振型 稳定电极安装块，第一振型稳定电极安装在第一振型稳定电极安装块上、第二振型稳定电 极安装在第二振型稳定电极安装块上。第一驱动电极、第二驱动电极、第一振型稳定电极、第二振型稳定电极位于振子的 外圆周，第一驱动电极和第二驱动电极间隔角度为180°，第一振型稳定电极和第二振型稳 定电极间隔角度为180° ；第一振幅检测电极、第二振幅检测电极、第一切向位移检测电极、 第二切向位移检测电极位于振子的内圆周，第一振幅检测电极和第二振幅检测电极间隔角 度为180°，第一切向位移检测电极和第二切向位移检测电极间隔角度为180°。2个驱动电极、2个振型稳定电极、2个振幅检测电极、2个切向位移检测电极在振 子周向均勻分布，相邻两电极间隔角度为45°。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。钟形结构振子的两振动模态品质因子高、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。振子材料石英具有极好的标度因数稳定性和轴对准 度，易于大批量生产，同时也为钟形振子式角速率陀螺的高过载能力和断电保持能力特性 提供了前提保障。2)在振子下端外边缘设有开口小槽，经有限元仿真分析振子开槽后克服了由振子 唇缘质量不均勻产生的误差，使振子在各个方向获得等幅震荡，以实现振子动平衡的调整， 从而有利于提高钟形振子式角速率陀螺的精度。
0018]3)振子与上支撑杆和下支撑杆整体加工成型；振子边缘外沿加工超出振子的厚度，外沿与振子通过倒角过渡，避免直角结构的应力集中。4)振子的外壳加工成筒型，筒型外框架的一阶固有频率高于振子的工作频率，从 而避免振子工作时与外框架发生耦合振动。5)检测量选择了由哥氏力引起的振子质点位移，避免了半球谐振陀螺由测量振子 与振型相对转角对振型进动性的要求，简化了检测电路。
图1为本发明钟形振子式角速率陀螺结构示意图2为钟形振子下边缘挖出开口小槽仰视图
图3本发明钟形振子式角速率陀螺俯视图4为本发明电极排列示意图5为本发明沿图3中A-A轴的剖视图6为本发明沿图3中B-B轴的剖视图7为本发明沿图3中C-C轴的剖视图8为本发明沿图3中D-D轴的剖视图9为本发明的钟形振子式角速率陀螺电路系统框图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细说明。本发明利用钟形振子在驱动电极作用下处于稳定的四波腹谐振状态，哥氏力使振 子环向扭转变形，通过检测电极检测振子形变位移。因振子形变位移与哥氏力呈线性关系， 检测出振子形变位移便可以解算出外界输入角速率的大小。本发明的工作原理振子质点在X轴向(径向)工作于谐振状态x(t) = X0Sin (ω jt) (1)式中χ 0——振子径向振动的最大位移；ω工——振动的基波频率。当整个结构在Z轴方向受到一个角速率载荷Ω时，振子质点将在y轴向(环向) 产生哥氏力
Fc = -2mx0 Ω 0 ω jcos ( Ω zt) cos (ω jt) (2) 其中m—质点的质量； Ω0——输入旋转角速率幅值； Ωζ——输入角频率。
在F。的作用下，y轴方向的质点运动规律可由以下微分方程表示
m(3)
其中τ—系统的运动时间； ζ—系统阻尼系数。
联合(2)式、(3)式求得y轴方向的位移y(t)，
y(t) Ω (4)若保持振子工作在谐振状态并维持振子振型稳定Δ s y(t)(5)AC= ε Δ s/d (6)上式中，Δ s是电容极板有效面积，ε是介电常数，d是极板间距。由式(5)、(6) 可得AC^Q (7)式中，α是正比符号。因此，得到振子检测电容变化AC便可以解算出输入角速率 Ω。如图1所示，本发明的钟形振子式角速率陀螺包括振子1、振子上支撑杆2、振子下 支撑杆3、开口小槽24、支撑罩4、支撑底盘5、驱动电极、振幅检测电极、振型稳定电极、切向 位移检测电极，驱动电极安装块、振幅检测电极安装块、振型稳定电极安装块、切向位移检 测电极安装块、气密罩12、气密底盘13、筒型外框架14和系统电路15。图2为钟形振子下边缘挖出开口小槽仰视图，研究表明，对于η彡2的环向波数， 只要在每个环向半径内挖出2个以上的开口小槽就可以确�？谛〔鄄换崾拐褡�1的振型 受到影响，故对于环向波数为2的振型，至少应该开出8个开口小槽；本发明中开口小槽的 数目为8，其中，弧度为Ct1的部分是挖出的小槽、弧度为62的部分是剩下的部分、Φ为开 口小槽的深度(相对于球心的角度)，则Ct1+Φ2= π/4，定义γ = Ct1Z^2 = 4，Φ =2°， 用有限元法对其进行结构分析，首先建立带有开口小槽的钟形陀螺振子的有限元模型，然 后对其前7阶进行模态分析，得出振子1环向波数为2时，振子1前7阶的谐振频率如下表 1所示，环向波数η = 2阶振型的谐振频率远离相邻振型的谐振频率，因此具有良好的振动 特性，谐振子可以正常工作的同时，采用挖开口小槽的方法可以调节钟形谐振子的动平衡， 从而有利于提高钟形振子式角速率陀螺的测量精度。表 权利要求
钟形振子式角速率陀螺，其特征在于包括振子(1)、振子上支撑杆(2)、振子下支撑杆(3)、开口小槽(24)、支撑罩(4)、支撑底盘(5)、驱动电极、振幅检测电极、振型稳定电极、切向位移检测电极，驱动电极安装块、振幅检测电极安装块、振型稳定电极安装块、切向位移检测电极安装块、气密罩(12)、气密底盘(13)、筒型外框架(14)和系统电路(15)；开口小槽位于振子(1)的下边缘；振子(1)与振子上支撑杆(2)和振子下支撑杆(3)整体加工成型；上支撑杆(2)的顶端与支撑罩(4)的顶端中心限位圆孔固定；下支撑杆(3)低端与支撑底盘(5)的中心限位圆孔固定；支撑罩(4)的边缘与支撑底盘(5)上凹部圆周吻合且固定；支撑底盘(5)安装在气密底盘(13)上方；气密罩(12)将支撑罩(4)盖住并与气密底盘(13)紧密连接；由气密罩(12)和气密底盘(13)形成的密封结构通过气密底盘(13)与外框架(14)安装在一起；驱动电极、振幅检测电极和振型稳定电极引出的线路分别通过支撑底盘的密封孔(16)和气密底盘的密封孔(17)引到位于密封底盘下方的控制板(18)上；陀螺内部线路通过加工在外框架侧面的电气接口(19)与外部连接。
2.根据权利要求1所述的钟形振子式角速率陀螺，其特征在于所述的开口小槽为8 个，且8个开口小槽在振子下端边缘一周对称分布。
3.根据权利要求1所述的钟形振子式角速率陀螺，其特征在于所述的驱动电极安装 块和振型稳定电极安装块安装在支撑罩的内侧，所述的振幅检测电极安装块和切向位移检 测电极安装块固定在振子内部的支撑底盘(5)上；所述的驱动电极、振幅检测电极、振型检 测电极和切向位移检测电极位于振子(1)同一横切面上，所有电极与振子(1)金属化的表 面形成电极对。
4.根据权利要求1或2所述的钟形振子式角速率陀螺，其特征在于所述的振子(1)的 边缘外沿(20)加工超出振子的厚度，振子的边缘外沿与振子通过倒角(21)过渡。
5.根据权利要求1或2所述的钟形振子式角速率陀螺，其特征在于所述的驱动电极 包括第一驱动电极(6-1)、第二驱动电极(6-2)，所述的振幅检测电极包括第一振幅检测电 极(7-1)、第二振幅检测电极(7-2)，所述的振型稳定电极包括第一振型稳定电极(8-1)、第 二振型稳定电极(8-2)，所述的切向位移检测电极包括第一切向位移检测电极(22-1)、第 二切向位移检测电极(22-2)；所述的驱动电极安装块有2块，第一驱动电极安装块(9-1)、 第二驱动电极安装块(9-2)，第一驱动电极(6-1)安装在第一驱动电极安装块(9-1)上、第 二驱动电极(6-2)安装在第二驱动电极安装块(9-2)上；所述的振幅检测电极安装块有2 块，第一振幅检测电极安装块(10-1)、第二振幅检测电极安装块(10-2)，第一振幅检测电 极(7-1)安装在第一振幅检测电极安装块(10-1)上、第二振幅检测电极(7-2)安装在第 二振幅检测电极安装块(10-2)上；所述的切向位移检测电极安装块有2块，第一切向位 移检测电极安装块(23-1)、第二切向位移检测电极安装块(23-2)，第一切向位移检测电极 (22-1)安装在第一切向位移检测电极安装块(23-1)上、第二切向位移检测电极(22-2)安 装在第二切向位移检测电极安装块(23-2)上；所述的振型稳定电极安装块有2块，第一振 型稳定电极安装块(11-1)、第二振型稳定电极安装块(11-2)，第一振型稳定电极(8-1)安 装在第一振型稳定电极安装块(11-1)上、第二振型稳定电极(8-2)安装在第二振型稳定电 极安装块(11-2)上。
6.根据权利要求5所述的钟形振子式角速率陀螺，其特征在于所述的第一驱动电极 (6-1)、第二驱动电极(6-2)、第一振型稳定电极(8-1)、第二振型稳定电极(8-2)位于振子(1)的外圆周，第一驱动电极(6-1)和第二驱动电极(6-2)间隔角度为180°，第一振型稳 定电极(8-1)和第二振型稳定电极(8-2)间隔角度为180° ；第一振幅检测电极(7-1)、 第二振幅检测电极(7-2)、第一切向位移检测电极(22-1)、第二切向位移检测电极(22-2) 位于振子(1)的内圆周，第一振幅检测电极(7-1)和第二振幅检测电极(7-2)间隔角度为 180°，第一切向位移检测电极(22-1)和第二切向位移检测电极(22-2)间隔角度为180°。
7.根据权利要求5所述的钟形振子式角速率陀螺，其特征在于所述的2个驱动电极、 2个振型稳定电极、2个振幅检测电极、2个切向位移检测电极在振子周向均勻分布，相邻两 电极间隔角度为45°。
全文摘要
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结构振子作为敏感元件的角速率陀螺。该角速率陀螺由振子、振子支撑结构、气密罩、筒型外框架和系统电路组成。振子采用石英材料并与Φ形支撑杆整体加工成型；支撑杆上下端分别固定在支撑罩的顶端和支撑底盘的中心位置；驱动电极和振型稳定电极贴在支撑罩上；检测电极安装于钟形振子内部空间；支撑结构的外部依次是气密罩和筒型外框架；系统电路位于气密罩底部和外框架之间。本发明适用于高动态环境下的中低精度角速率测量应用领域，钟形结构振子具有较高的品质因子和抗高过载能力，且具有断电保持能力、结构简单、适于批量生产等特点。
文档编号G01C19/5705GK101968359SQ20101021574
公开日2011年2月9日 申请日期2010年7月2日 优先权日2010年7月2日
发明者付梦印, 刘宁, 张凤萍, 李擎, 苏中, 邓志红 申请人:北京理工大学;北京信息科技大学;北京星箭长空测控技术股份有限公司
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