【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及陀螺仪，主要涉及基于科里奥利力原理，用于测量旋转角速率和/或角位置的陀螺传感器，即振动陀螺仪，包括一种振动陀螺仪。本专利技术更具体地涉及一种振动结构陀螺仪，其包括基座以及谐振子，该谐振子本身包括中心支撑杆和谐振腔壁，谐振器通过该中心支撑杆附接到所述基座，该谐振腔壁从所述中心支撑杆向上延伸至约束开口的自由端边缘。
技术介绍
1、振动陀螺仪，即科里奥利振动陀螺仪(cvg)，像被用来测量角速度(即旋转速率)的陀螺仪，被广为人知。这些振动陀螺仪是基于科里奥利效应，该效应使具有二阶工作模态(由主谐振模态和次谐振模态组成、且两个模态正交)的振动物体受力旋转时，在由工作模态(指主谐振模态和次谐振模态)定义的模态空间中，物体仍在同一个平面上继续振动。施加平衡力使振动平面随物体旋转。此时，振动相对于物体所在的旋转参考系是不动的。测量这个平衡力就可以确定角速率。
2、在没有施加用于科里奥利力的平衡力的情况下，参照与旋转关联框架，测量振动位置，直接给出物体的角位置信息。该工作方式为全角模式(wa)，而前面叙述的工作模式为力平衡工作模式(ftr)。
3、特别是一些已知的圆柱形振动陀螺仪通过中心支撑杆将谐振子固定在底座上，具有圆柱形侧壁以及底部的金属谐振子与中心支撑杆通过套筒方式连接。压电元件被固定到所述圆柱形侧壁上，以激发谐振子的工作模态，并检测圆柱形侧壁的振动。
4、圆柱形振动陀螺仪在过去的几十年里经历了各种各样的发展。一种蘑菇形谐振子被提出，其中心支撑杆固定在基座上，基座支撑平顶圆柱形结构，平顶布置
5、更具体地说，在上述现有技术的圆柱形谐振子设计中，除了本身的工作模态，我们发现还存在三种寄生模态，即：一种是扁平底部平行于谐振子的主轴对称变形的鼓态；一种是中心支撑杆的弯曲模态；一种是整个圆柱形谐振子饶杆旋转的旋转模态。这些寄生模态的频率接近谐振子用于检测角旋转或角速度的工作频率。抑制寄生模态是实现采用圆柱形谐振子的科里奥利振动陀螺仪所面临的主要技术挑战之一。事实上，寄生模态阻碍了高端应用场景所需的宽频带电路控制系统(比如从几百hz到约1khz)的运行，只要奈奎斯特相位图中出现奇点，就会导致控制工作模态的控制回路变得不稳定。此外，这些寄生模态通常与外部机械振动强耦合，包括外部机械冲击。因此，在存在外部振动的情况下，压电元件很可能会检测到由寄生模态导致的强寄生信号，从而导致控制电路系统出现饱和甚至失稳。
6、现有技术中，为了解决这一问题，有人提出了采用更多数量的压电元件方案，通过内部电子模块适当地相互连接，在对信号适当组合后，自然就抑制了谐振子因为寄生模态产生的信号。然而，这种解决方案并不是令人完全满意，因为它会增加复杂性和成本，并且当谐振子受到外部振动刺激时，不能避免寄生模态的产生。
7、还有人提出了一种将弹性体隔振器集成到底座中的设计方案，将谐振子与外部系统机械隔离。这样的设计能够降低寄生模态与外部振动耦合时生成的压电检测元件信号的振动幅度。然而，这种设计造价昂贵，并且在外部横向线性加速度的作用下导致隔振器摇摆运动。在某些情况下，这些摇摆运动会导致传感器的输出端产生测量误差，这种误差也被称为“圆锥运动误差”。
8、因此，有必要研究一种振动陀螺仪组件及其陀螺仪来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
技术实现思路
1、为了弥补上述方法的各种缺点，本专利技术提出了一种新的振动陀螺仪，其结构非常简单和鲁棒，使其能够减小甚至消除寄生模态带来的负面影响，特别是能够限制寄生模态的频率靠近工作模态的频率，从而减少了传感器本身的测量误差。
2、根据本专利技术技术方案的振动陀螺仪，包括：
3、-基座，
4、-谐振子，所述谐振子包括中心支撑杆、谐振腔壁；所述谐振子通过中心支撑杆与所述基座固接，且所述谐振腔壁从所述中心支撑杆向上延伸至约束开口的自由端边缘；
5、其中，所述谐振腔壁包括由所述中心支撑杆向上延伸并围绕所述中心支撑杆的近端部分和大体为圆柱形的远端部分；所述远端部分从所述近端部分延伸到所述自由端边缘，所述近端部分从所述中心支撑杆朝向远端部分逐渐扩展。
6、进一步地，所述远端部分的厚度为0.5-3mm，优选0.5-1.5mm；
7、进一步地，所述远端部分的直径为10-40mm，优选20-30mm。
8、进一步地，所述谐振腔壁和近端部分的高度分别达到总高度(ht)和第一高度(h1)，所述第一高度不低于所述总高度(ht)的15％，优选不低于总高度(ht)的25％。
9、进一步地，所述近端部分是正圆形截锥轮廓。
10、进一步地，所述截锥轮廓具有对称轴，并且与垂直于所述对称轴的平面(p)成夹角α，夹角α为10°-45°，优选地在25°-35°之间，更优选地近似等于30°。
11、进一步地，所述近端部分在与所述中心支撑杆连接的第一圆形边缘和与所述远端部分连接的第二圆形边缘之间延伸，所述远端部分从所述第二圆形边缘向上延伸至所述自由端边缘；所述第一圆形边缘和第二圆形边缘分别具有第一直径和第二直径，所述第一直径占第二直径的至多60％，优选地占第二半径的至多50％。
12、进一步地，所述近端部分具有从所述基座侧面延伸的外表面和相对的内表面。
13、进一步地，所述中心支撑杆包括从所述外表面向外突出的外部部分。
14、进一步地，所述外部部分在外表面和所述第一圆形边缘之间纵向延伸。
15、进一步地，所述外表面与所述第一圆形边缘之间的所述外部部分的长度(l0)小于或等于5mm，优选地在2mm和5mm之间。
16、进一步地，所述外部部分具有形成凹形表面的局部约束截面，所述外表面连接到所述凹形表面。
17、进一步地，所述中心支撑杆包括嵌入部分。
18、进一步地，所述嵌入部分从所述内表面向外突出，所述谐振子包括围绕所述嵌入部分延伸出的圆角，以将所述嵌入部分连接到所述内表面。
19、进一步地，所述圆角的曲率半径至少为1mm，优选至少为2mm。
20、进一步地，所述中心支撑杆具有一体化结构。
21、进一步地，所述近端部分包括多个辐条，所述辐条通过镂空间隔，并按照等角围绕所述中心支撑杆布置，每一个所述辐条在布置在所述中心支撑杆的一侧上的中心端和布置在所述远端部分的一侧上的外围端之间纵向延伸。
22、进一步地，所述辐条中的每一个至少包括：
23、-第一段，所述第一段从所述中心端延伸；
24、-第二段，所述第二段横截面小于第一段，且在所述第一段与所述外围端之间延伸。
25、进一步地，所述近端部分包括本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.振动陀螺仪(1)，包括：
2.根据权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述远端部分(312)的厚度为0.5-3mm。
3.根据权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述远端部分(312)的直径为10-40mm。
4.根据权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述谐振腔壁(31)和近端部分(311)的高度分别达到总高度(HT)和第一高度(H1)，所述第一高度不低于所述总高度(HT)的15％。
5.根据权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述近端部分(311)是正圆形截锥轮廓。
6.根据权利要求5所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述截锥轮廓具有对称轴，并且与垂直于所述对称轴的平面(P)成夹角α，夹角α为10°-45°。
7.根据权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述近端部分(311)在与所述中心支撑杆(30)连接的第一圆形边缘(3110)和与所述远端部分(312)连接的第二圆形边缘(3111)之间延伸，所述远端部分(312)从所述第二圆形边缘(3111)向上延伸至所述自由端边缘(310)；所述
8.根据权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述近端部分(311)具有从所述基座(2)侧面延伸的外表面(311A)和相对的内表面(311B)。
9.根据权利要求8所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述中心支撑杆(30)包括从所述外表面(311A)向外突出的外部部分(302)。
10.根据权利要求9所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述外部部分(302)在外表面(30A)和所述第一圆形边缘(3110)之间纵向延伸。
11.根据权利要求10所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述外表面(30A)与所述第一圆形边缘(3110)之间的所述外部部分(302)的长度(L0)小于或等于5mm。
12.根据权利要求9所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述外部部分(302)具有形成凹形表面的局部约束截面(302A)，所述外表面(311A)连接到所述凹形表面。
13.根据权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述中心支撑杆(30)包括嵌入部分(301)。
14.根据权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述嵌入部分(301)从所述内表面(311B)向外突出，所述谐振子(3)包括围绕所述嵌入部分(301)延伸出的圆角(5)，以将所述嵌入部分连接到所述内表面(311B)。
15.根据权利要求14所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述圆角(5)的曲率半径至少为1mm。
16.根据权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述中心支撑杆(30)具有一体化结构。
17.根据权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述近端部分(311)包括多个辐条(6、7、8、9、10、11、12、13)，所述辐条通过镂空间隔，并按照等角围绕所述中心支撑杆(30)布置，每一个所述辐条(6、7、8、9、10、11、12、13)在布置在所述中心支撑杆(30)的一侧上的中心端和布置在所述远端部分(312)的一侧上的外围端之间纵向延伸。
18.根据权利要求17所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述辐条(6、7、8、9、10、11、12、13)中的每一个至少包括：
19.根据权利要求15或16所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述近端部分(311)包括从所述中心支撑杆(30)延伸并围绕所述中心支撑杆的第一凸缘(25)，每个辐条(6、7、8、9、10、11、12、13)的第一端与所述第一凸缘(25)成一体。
20.根据权利要求15所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述近端部分(311)包括第二凸缘(26)，所述第二凸缘从所述远端部分(312)朝向所述谐振子(3)内部延伸，每一个所述辐条(6、7、8、9、10、11、12、13)的第二端固定到所述第二凸缘(26)。
21.根据权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述振动陀螺仪包括附接在所述近端部分(311)用于激励所述谐振子(3)振动的多个激励装置，以及附接到所述近端部分(311)用于感测所述谐振器的振动的多个检测装置。
22.根据权利要求21所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述激励装置和所述检测装置附接到所述辐条(6、7、8、9、10、11、12、13)。
23.根据权利要求21所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述振动陀螺仪包括构成所述激励装置和所述检测装置的压电元件(14、15、...
【技术特征摘要】
1.振动陀螺仪(1)，包括：
2.根据权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述远端部分(312)的厚度为0.5-3mm。
3.根据权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述远端部分(312)的直径为10-40mm。
4.根据权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述谐振腔壁(31)和近端部分(311)的高度分别达到总高度(ht)和第一高度(h1)，所述第一高度不低于所述总高度(ht)的15％。
5.根据权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述近端部分(311)是正圆形截锥轮廓。
6.根据权利要求5所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述截锥轮廓具有对称轴，并且与垂直于所述对称轴的平面(p)成夹角α，夹角α为10°-45°。
7.根据权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述近端部分(311)在与所述中心支撑杆(30)连接的第一圆形边缘(3110)和与所述远端部分(312)连接的第二圆形边缘(3111)之间延伸，所述远端部分(312)从所述第二圆形边缘(3111)向上延伸至所述自由端边缘(310)；所述第一圆形边缘(3110)和第二圆形边缘(3111)分别具有第一直径和第二直径，所述第一直径占第二直径的至多60％。
8.根据权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述近端部分(311)具有从所述基座(2)侧面延伸的外表面(311a)和相对的内表面(311b)。
9.根据权利要求8所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述中心支撑杆(30)包括从所述外表面(311a)向外突出的外部部分(302)。
10.根据权利要求9所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述外部部分(302)在外表面(30a)和所述第一圆形边缘(3110)之间纵向延伸。
11.根据权利要求10所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述外表面(30a)与所述第一圆形边缘(3110)之间的所述外部部分(302)的长度(l0)小于或等于5mm。
12.根据权利要求9所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述外部部分(302)具有形成凹形表面的局部约束截面(302a)，所述外表面(311a)连接到所述凹形表面。
13.根据权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述中心支撑杆(30)包括嵌入部分(301)。
14.根据权利要求1所述的振动陀螺仪，其特征在于，所述嵌入部分(301)从所述内表面(311b)向外突出，所述谐振子(3)包括围绕所述嵌入部分(301)延伸出的圆角(5)，以将所述嵌入部分连接到所...
【专利技术属性】
技术研发人员：谢海峰，
申请(专利权)人：北京中科航芯科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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