CN112414389B - 一种半球谐振陀螺的谐振子及其信号采集结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半球谐振陀螺的谐振子及其信号采集结构，该谐振子包括轴柄、以及套设在所述轴柄上并与所述轴柄同轴设置的整体呈半球罩体状的壳体，所述壳体的外表面呈半球面状，所述壳体内表面的上部区域呈球冠面状，且其球冠面的圆心位置与所述壳体外表面的半球面状的圆心位置相重合；所述壳体内表面的下部区域为沿所述壳体内表面的上部区域的球冠面状底圆向下延伸的圆柱面状。该信号采集结构包括谐振子和信号采集基座，本方案在保证机械灵敏度的同时，还能增加谐振子的有效质量，提高熔融石英利用率，同时还能大大降低了信号采集结构的加工难度。

Description

一种半球谐振陀螺的谐振子及其信号采集结构

技术领域

本发明涉及陀螺仪技术领域，具体涉及一种半球谐振陀螺的谐振子及其信号采集结构。

背景技术

半球谐振陀螺仪是一种高精度、高可靠和长寿命的新型固态陀螺仪，它是利用半球壳唇缘的径向振动驻波进动效应来感测基座旋转的一种哥式振动陀螺。它具有很高的测量精度、超强的稳定性和可靠性、良好的抗冲击振动性及温度性能，还特别具有独特的关机抗辐射能力。特别是预期寿命高达15年，是卫星或空间飞行器惯性测量单元、姿态稳定控制的关键部件，在空间应用领域具有独特的优势和广阔的前景。

半球谐振陀螺仪主要由激励电极、检测电极和谐振子构成，谐振子是半球谐振陀螺仪的核心部件，其性能决定了半球谐振陀螺仪的性能 。

半球谐振陀螺是一种振动陀螺，其工作时，谐振子需要在一定的外力激励条件下形成四波腹振动，从而具备敏感角速率的性能，为使谐振子具有更小的阻尼，更高的Q（品质因子）值，谐振子采用熔融石英经过高精度机械加工制成。

目前，国内现阶段应用的半球谐振陀螺，其谐振子在其四波腹振动模态下，有效质量较低，即高Q值熔融石英的利用率较低；同时，由于谐振子本身不导电，为使其和信号采集基座形成微电容结构，进而读出其振动信号，谐振子表面镀有保护层，钝化层，导电覆盖层，这些镀层均为Q值较低的金属，其存在又增加了谐振子的阻尼。同时，为和谐振子配合，形成微电容结构，信号采集基座需要通过精密加工形成球面，加工难度大，加工时间长，也极大地制约了半球谐振陀螺的产能。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：如何提供一种在保证机械灵敏度的同时，还能增加谐振子的有效质量，提高熔融石英利用率的半球谐振陀螺的谐振子。

另外，本发明还提供一种半球谐振陀螺的信号采集结构，以保证机械灵敏度的同时，还能增加谐振子的有效质量，提高熔融石英利用率，同时还能大大降低了信号采集结构的加工难度。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种半球谐振陀螺的谐振子，包括轴柄、以及套设在所述轴柄上并与所述轴柄同轴设置的整体呈半球罩体状的壳体，所述壳体的外表面呈半球面状，所述壳体内表面的上部区域呈球冠面状，且其球冠面的圆心位置与所述壳体外表面的半球面状的圆心位置相重合；所述壳体内表面的下部区域为沿所述壳体内表面的上部区域的球冠面状底圆向下延伸的圆柱面状。

本发明的工作原理是：这样，将壳体的内表面设计为上部区域为球冠面状、下部区域为圆柱面状的结构形式，且使得圆柱面状部分的截面厚度大于球冠面状部分的截面厚度，这样的设计使得谐振子的壁厚从轴柄部分到圆柱面状部分之间保持均匀，而在圆柱面状部分的壁厚被加厚，由此在保证机械灵敏度的同时，增加了其四波腹工作模态参与振动的有效质量；同时，由于有效质量增加而谐振子表面镀膜层的厚度不变，因此使得镀膜层引起的谐振子阻尼增加较小，谐振子的Q值下降也较小，由此就提高了用于制作谐振子的熔融石英的利用率。

另外，本发明提供的半球谐振陀螺谐振子在大幅度提高其有效质量的同时，并不会引起谐振频率的同比例增加，其工作频率依然维持在相对较低的状态；同时，该谐振子和现有技术中等壁厚的谐振子相比，并无明显的加工难度的提升。

一种半球谐振陀螺的信号采集结构，包括整体呈圆柱状的信号采集基座，还包括上述的半球谐振陀螺的谐振子，所述信号采集基座上沿其轴心开设有轴柄安装孔，所述半球谐振陀螺的谐振子通过其轴柄下部插接在所述轴柄安装孔内与所述信号采集基座固定连接，且所述信号采集基座与所述谐振子的壳体内表面的下部区域间隙配合。

这样，本发明通过将谐振子壳体内表面与信号采集基座配合的部分设计为圆柱面状，使得信号采集基座的外表面也对应的设计为圆柱面状，这样大大降低了信号采集基座的加工难度，同时也降低了谐振子与信号采集基座之间的装配难度，同时信号采集基座与谐振子的壳体内表面的下部区域间隙配合，用于提供谐振子的振动空间。

优选的，所述信号采集基座的外表面依次具有第一保护层、第一钝化层和第一导电覆盖层，所述信号采集基座上的第一导电覆盖层形成多个读出电极，且相邻两个所述读出电极之间绝缘，在所述壳体的内表面与所述读出电极对应的位置设有第二导电覆盖层，所述读出电极与对应位置的所述第二导电覆盖层电连通并形成微电极结构。

这样，通过在信号采集基座的外表面利用第一导电覆盖层形成读出电极，利用读出电极与壳体内表面对应位置的第二导电覆盖层形成微电极结构，以此来检测谐振子的微幅振动；同时，由于信号采集基座的外表面和壳体对应位置的内表面均为圆柱面状，故信号采集基座外表面由第一导电覆盖层形成的读出电极也为圆柱面状的读出电极，圆柱面状结构的读出电极可以使得读出电极的面积大大增加，读出电极面积的增加可以进一步使得读出电极与第二导电覆盖层之间的接触面积增加，从而大大提高对谐振子微幅振动的检测精度。

优选的，所述轴柄安装孔的内壁上设有第三导电覆盖层，所述第三导电覆盖层形成高压电极，所述轴柄上与所述第三导电覆盖层对应的位置设有第四导电覆盖层，所述高压电极与对应位置所述第四导电覆盖层电连通。

这样，第三导电覆盖层形成高压电极，第四导电覆盖层与对应位置的高压电极电连通，以实现对高压电极外加高压来激励谐振子的目的。

优选的，所述读出电极向下延伸到所述信号采集基座的下表面，并在所述信号采集基座的下表面形成引出点，所述引出点处设有第一电连接件，以使得所述读出电极的信号通过所述第一电连接件引出。

这样，将读出电极延伸到信号采集基座的下表面，并在下表面形成引出点，方便第一电连接件与读出电极之间的连接，同时将引出点设置在信号采集基座的下表面，也可以使得读出电极具有尽可能大的面积，进一步保证信号检测的精度。

优选的，所述第一电连接件为电连接弹簧。

这样，电连接弹簧具有导电性和弹性，因此在保证读出电极信号引出的同时，还能更好的实现信号采集结构与外部信号接收设备之间的连接。

优选的，所述读出电极共八个，八个所述读出电极沿所述信号采集基座的外表面均匀分布。

这样，通过设置八个读出电极，并将八个读出电极均匀分布在信号采集基座的外表面，这样可以使得读出电极从八个不同的位置对谐振子的微幅振动进行检测，提高检测的精度。

优选的，所述信号采集基座采用熔融石英制成。

这样，由于谐振子一般使用熔融石英制成，将信号采集基座也采用熔融石英制成，一方面熔融石英具有各向同性的力学特性，同时具有很小的阻尼，使用信号采集基座和谐振子均采用熔融石英制成，使得得到的半球谐振陀螺的振动器件具备更好的振动特性；另一方面与谐振子配合的信号采集基座使用熔融石英制成，可以保证谐振子和熔融石英具有相同的热膨胀系数，降低由温度引起的检测误差。

优选的，两个所述读出电极之间通过激光刻蚀、掩膜、或机械切除的方式将两个相邻的所述读出电极进行绝缘隔离；

所述第三导电覆盖层采用电镀或涂覆导电浆料的方式形成；

所述第一保护层、所述第一钝化层和所述第一导电覆盖层均由贵金属形成，且所述第一导电覆盖层的厚度为100~3000埃，所述第一钝化层的厚度为100~3000埃，所述第一保护层的厚度为100~3000埃。

附图说明

图1为本发明半球谐振陀螺的谐振子的结构示意图；

图2为本发明半球谐振陀螺的谐振子的剖视图；

图3为本发明半球谐振陀螺的信号采集结构的结构示意图；

图4为本发明半球谐振陀螺的信号采集结构的剖视图；

图5为本发明半球谐振陀螺的信号采集结构中信号采集基座的结构示意图；

图6为本发明半球谐振陀螺的信号采集结构中信号采集基座的底部视图。

附图标记说明：谐振子1、壳体11、轴柄12、信号采集基座2、读出电极21、轴柄安装孔22、高压电极23、引出点24。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如附图1和附图2所示，一种半球谐振陀螺的谐振子，包括轴柄12、以及套设在轴柄12上并与轴柄12同轴设置的整体呈半球罩状的壳体11，壳体11的外表面呈半球面状，壳体11内表面的上部区域呈球冠面状，且其球冠面的圆心位置与壳体11外表面的半球面状的圆心位置相重合，壳体11内表面的下部区域为沿壳体11内表面的上部区域的球冠面状底圆向下延伸的圆柱面状。

本发明的工作原理是：这样，将壳体11的内表面设计为上部区域为球冠面状、下部区域为圆柱面状的结构形式，且使得圆柱面状部分的截面厚度大于球面状部分的截面厚度，这样的设计使得谐振子1的壁厚从轴柄12部分到圆柱面状部分之间保持均匀，而在圆柱面状部分的壁厚被加厚，由此在保证机械灵敏度的同时，增加了其四波腹工作模态参与振动的有效质量；同时，由于有效质量增加而谐振子1表面镀膜层的厚度不变，因此使得镀膜层引起的谐振子1阻尼增加较小，谐振子1的Q值下降也较小，由此就提高了用于制作谐振子1的熔融石英的利用率。

另外，本发明提供的半球谐振陀螺谐振子1在大幅度提高其有效质量的同时，并不会引起谐振频率的同比例增加，其工作频率依然维持在相对较低的状态；同时，该谐振子1和现有技术中等壁厚的谐振子1相比，并无明显的加工难度的提升。

在本实施例中，轴柄12的两端伸出对应位置的壳体11。

在本实施例中，壳体11内表面的上部区域呈球冠面状的径向高度为壳体11径向高度的1/4-3/4，壳体11内表面的下部区域呈圆柱面状部分的径向高度为壳体11径向高度的3/4-1/4。

这样，可以使得在增加谐振子1四波腹工作模态参与振动的有效质量的同时，还能有效的保证谐振子1的机械灵敏度。

在本实施例中，谐振子1的唇口（A-A）部分与回转轴（X）垂直并维持较高的平面度，同时，轴柄12的上端较短，为自由端，下端较长，为用于安装信号采集基座2的固定端。

如附图3和附图4所示，一种半球谐振陀螺的信号采集结构，包括整体呈圆柱状的信号采集基座2，还包括上述的半球谐振陀螺的谐振子1，信号采集基座2上沿其轴心开设有轴柄安装孔22，半球谐振陀螺的谐振子通过其轴柄12下部插接在轴柄安装孔22内与信号采集基座2固定连接，且信号采集基座2的外圆周侧与谐振子的壳体11内表面的下部区域间隙配合。

这样，本发明通过将谐振子1壳体11内表面与信号采集基座2配合的部分设计为圆柱面状，使得信号采集基座2的外表面也对应的设计为圆柱面状，这样大大降低了信号采集基座2的加工难度，同时也降低了谐振子1与信号采集基座2之间的装配难度，同时，信号采集基座2的外圆周侧与谐振子的壳体11内表面的下部区域间隙配合，为谐振子的振动提供空间。

如附图5和附图6所示，在本实施例中，信号采集基座2的外表面依次具有第一保护层、第一钝化层和第一导电覆盖层，信号采集基座2上的第一导电覆盖层形成多个读出电极21，且相邻两个读出电极21之间绝缘，在壳体11的内表面与读出电极21对应的位置设有第二导电覆盖层，读出电极21与对应位置的第二导电覆盖层电连通并形成微电极结构。

这样，通过在信号采集基座2的外表面利用第一导电覆盖层形成读出电极21，利用读出电极21与壳体11内表面对应位置的第二导电覆盖层形成微电极结构，以此来检测谐振子1的微幅振动；同时，由于信号采集基座2的外表面和壳体11对应位置的内表面均为圆柱面状，故信号采集基座2外表面由第一导电覆盖层形成的读出电极21也为圆柱面状的读出电极21，圆柱面状结构的读出电极21可以使得读出电极21的面积大大增加，读出电极21面积的增加可以进一步使得读出电极21与第二导电覆盖层之间的接触面积增加，从而大大提高对谐振子1微幅振动的检测精度。

在本实施例中，轴柄安装孔22的内壁上设有第三导电覆盖层，第三导电覆盖层形成高压电极23，轴柄12上与第三导电覆盖层对应的位置设有第四导电覆盖层，高压电极23与对应位置第四导电覆盖层电连通。

这样，第三导电覆盖层形成高压电极23，第四导电覆盖层与对应位置的高压电极23电连通，以实现对高压电极23外加高压来激励谐振子1的目的。

在本实施例中，读出电极21向下延伸到信号采集基座2的下表面，并在信号采集基座2的下表面形成引出点24，引出点24处设有第一电连接件，以使得读出电极21的信号通过第一电连接件引出。

这样，将读出电极21延伸到信号采集基座2的下表面，并在下表面形成引出点24，方便第一电连接件与读出电极21之间的连接，同时将引出点24设置在信号采集基座2的下表面，也可以使得读出电极21具有尽可能大的面积，进一步保证信号检测的精度。

在本实施例中，第一电连接件为电连接弹簧。

这样，电连接弹簧具有导电性和弹性，因此在保证读出电极21信号引出的同时，还能更好的实现信号采集结构与外部信号接收设备之间的连接。

在本实施例中，读出电极21共八个，八个读出电极21沿信号采集基座2的外表面均匀分布。具体使用时，读出电极21的数量不限于八个。

这样，通过设置八个读出电极21，并将八个读出电极21均匀分布在信号采集基座2的外表面，这样可以使得读出电极21从八个不同的位置对谐振子1的微幅振动进行检测，提高检测的精度。

在本实施例中，信号采集基座2采用熔融石英制成。

这样，由于谐振子1一般使用熔融石英制成，将信号采集基座2也采用熔融石英制成，一方面熔融石英具有各向同性的力学特性，同时具有很小的阻尼，使用信号采集基座2和谐振子1均采用熔融石英制成，使得得到的半球谐振陀螺的振动器件具备更好的振动特性；另一方面与谐振子1配合的信号采集基座2使用熔融石英制成，可以保证谐振子1和熔融石英具有相同的热膨胀系数，降低由温度引起的检测误差。

在本实施例中，两个读出电极21之间通过激光刻蚀、掩膜、或机械切除的方式将两个相邻的读出电极21进行绝缘隔离；具体使用时，可以以直接采用机械切除的方式将两个相邻读出电极21之间的部分进行切除以实现隔离，机械切除的方式隔离性能较好。

第三导电覆盖层采用电镀或涂覆导电浆料的方式形成；具体实施时，不限于上述方法，只要能实现轴柄安装孔22的导电功能即可。

第一保护层、第一钝化层和第一导电覆盖层均由贵金属形成，具体使用时，可以选择铂，也可以选择其他贵金属，且第一导电覆盖层的厚度为100~3000埃，第一钝化层的厚度为100~3000埃，第一保护层的厚度为100~3000埃。

在实际工程应用中，基于信号屏蔽等原因的考虑，也可将壳体11内表面下部区域的圆柱面状继续向下延伸，或者进行其他形式的变种，这些都在本发明专利保护范围内。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种半球谐振陀螺的信号采集结构，包括整体呈圆柱状的信号采集基座，还包括一种半球谐振陀螺的谐振子，包括轴柄、以及套设在所述轴柄上并与所述轴柄同轴设置的整体呈半球罩体状的壳体，所述壳体的外表面呈半球面状，其特征在于，所述壳体内表面的上部区域呈球冠面状，且其球冠面的圆心位置与所述壳体外表面的半球面状的圆心位置相重合；所述壳体内表面的下部区域为沿所述壳体内表面的上部区域的球冠面状底圆向下延伸的圆柱面状；

所述信号采集基座上沿其轴心开设有轴柄安装孔，所述半球谐振陀螺的谐振子通过其轴柄下部插接在所述轴柄安装孔内与所述信号采集基座固定连接，且所述信号采集基座的外圆周侧与所述谐振子的壳体内表面的下部区域间隙配合。

2.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺的信号采集结构，其特征在于，所述信号采集基座的外表面依次具有第一保护层、第一钝化层和第一导电覆盖层，所述信号采集基座上的第一导电覆盖层形成多个读出电极，且相邻两个所述读出电极之间绝缘，在所述壳体的内表面与所述读出电极对应的位置设有第二导电覆盖层，所述读出电极与对应位置的所述第二导电覆盖层电连通并形成微电极结构。

3.根据权利要求2所述的半球谐振陀螺的信号采集结构，其特征在于，所述轴柄安装孔的内壁上设有第三导电覆盖层，所述第三导电覆盖层形成高压电极，所述轴柄上与所述第三导电覆盖层对应的位置设有第四导电覆盖层，所述高压电极与对应位置所述第四导电覆盖层电连通。

4.根据权利要求2所述的半球谐振陀螺的信号采集结构，其特征在于，所述读出电极向下延伸到所述信号采集基座的下表面，并在所述信号采集基座的下表面形成引出点，所述引出点处设有第一电连接件，以使得所述读出电极的信号通过所述第一电连接件引出。

5.根据权利要求4所述的半球谐振陀螺的信号采集结构，其特征在于，所述第一电连接件为电连接弹簧。

6.根据权利要求2所述的半球谐振陀螺的信号采集结构，其特征在于，所述读出电极共八个，八个所述读出电极沿所述信号采集基座的外表面均匀分布。

7.根据权利要求1所述的半球谐振陀螺的信号采集结构，其特征在于，所述信号采集基座采用熔融石英制成。

8.根据权利要求3所述的半球谐振陀螺的信号采集结构，其特征在于，两个所述读出电极之间通过激光刻蚀、掩膜、或机械切除的方式将两个相邻的所述读出电极进行绝缘隔离；

所述第三导电覆盖层采用电镀或涂覆导电浆料的方式形成；

所述第一保护层、所述第一钝化层和所述第一导电覆盖层均由贵金属形成，且所述第一导电覆盖层的厚度为100~3000埃，所述第一钝化层的厚度为100~3000埃，所述第一保护层的厚度为100~3000埃。

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