[发明专利]具有圆盘状压电振子的全固态双轴陀螺仪

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的微陀螺，具体地说，涉及的是一种具有圆盘状压电振子的全固态双轴陀螺仪。

背景技术

陀螺仪是一种能够精确地测量运动物体转动的角度或角速度的仪器，是空间物体姿态控制和惯性制导的核心部件。随着国防科技和航空、航天工业的发展，惯性导航系统对于陀螺仪的要求也向体积小、多轴检测、功耗低、可靠性高、寿命长、能适应各种恶劣环境的方向发展。

经对现有技术的文献检索发现，2006 年1 月,在土耳其Istanbul 召开的IEEE MEMS 2006 会议上，日本神户大学的K.Maenaka等人发表了一篇题为“新型微固态陀螺”的论文，该论文被收录在第634页到第637页，首次提出了一种压电式全固态微型陀螺，利用方形压电体质量块在某个振动频率下存在一种特殊的振动模态，在该振动模态下，压电体质量块上各质点都沿着同一个轴向运动,使得压电体的棱边沿着某个轴向作拉伸或压缩运动。以此特殊模态下的振动作为参考振动，假设压电体的极化方向为Z方向，参考振动方向为X方向，当外界输入Y方向上的角速度时，由于科氏力的作用，压电质量块会在其极化方向上(即Z 轴方向上) 产生拉伸或压缩运动。由于压电体的压电效应，Z方向的振动会在压电体垂直于Z方向的表面产生感应电荷或电压，感应电荷或电压的量值和外界输入角速度成正比，通过检测外围电路放大之后的电荷或电压来测量外界输入角速度的大小。

中国专利“具有正方形表面长方体压电振子的全固态陀螺仪”（专利申请号：200810041675.5），是在日本微固态陀螺的基础上利用新的高阶模态，新型的结构，发明的基于正方体压电块的双轴检测固态陀螺仪，其基本原理为利用压电体质量块在某个振动频率下存在的一种特殊的高阶振动模态,在该振动模态下,压电体质量块上下表面的特殊位置在X轴向和Y轴向分别产生方向相反的运动。以此特殊模态下的振动作为参考振动，当有外界角速度输入时，运动方向相反的位置产生相反的科氏力，引起压电体Z方向的振动。由于压电效应，Z方向的振动会在压电体垂直于Z方向的表面产生感应电荷或电压，感应电荷或电压的量值和外界输入角速度成正比，通过检测外围电路放大之后的电荷或电压来测量外界输入角速度的大小。

此技术存在如下不足：首先，由于其上下表面都有多个电极，其加工工艺复杂，双面电极定位精度要求高，多个电极的引线对陀螺性能也会产生影响；其次，压电振子为方形压电块，其刚度较大，产生的有效振动幅值较小；最后，由于压电振子为方形压电块，其存在直角边，在受力过程中会产生应力集中现象，在高频工作状态下，影响陀螺的可靠性和寿命。

发明内容                                             

本发明的目的是针对已有技术的不足，提供一种具有圆盘状压电振子的全固态双轴陀螺仪，结构上采用带有弹性圆柱体支撑的圆盘状压电振子，利用圆盘状压电振子特有模态下的特殊振动方式，实现陀螺仪双轴敏感的功能。驱动电极只分布在圆盘状振子的上表面，下表面只有一整块电极接地作为参考点位，加工工艺简单，不需双面对准，陀螺电极引线较少。压电振子为圆盘状，刚度相对较小，振动幅值较大，灵敏度较高，且受力过程中减少了应力集中现象，具有较好的可靠性和较长的寿命。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：圆盘状压电振子，支撑圆柱，驱动电极，信号检测电极，模态检测电极和电位参考电极；圆盘状压电振子下表面和支撑圆柱相连，支撑圆柱另一端固定在基体上，驱动电极、信号检测电极以及模态检测电极位于圆盘状压电振子的上表面，电位参考电极位于圆盘状压电振子的下表面。

所述压电振子的材料为压电材料，结构为圆盘状，圆盘的上表面和下表面平行。

所述支撑圆柱为弹性结构材料，支撑的圆柱体同圆盘的下表面垂直，支撑圆柱体下端固定在基体上。

所述驱动电极为金属电极，结构为圆弧状，共有四个，位于圆盘状压电振子的上表面，相隔一定角度，均匀的分布在和圆形表面同心的圆周上，圆弧电极的外径小于圆盘的半径的2/3。

所述信号检测电极为金属电极，结构为圆弧状，共有四个，位于圆盘状压电振子的上表面，相隔一定角度，均匀的分布在上表面圆周上，圆弧电极的外径等于圆盘半径，内径大于圆盘半径的2/3。