專利名稱：近場超聲懸浮陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種陀螺儀，具體是一種超聲懸浮陀螺屬懸浮陀螺領(lǐng)域中的超聲懸浮陀螺。
背景技術(shù)：
陀螺儀是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和陀螺導(dǎo)航設(shè)備的基本元件，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主 要部件有(1)陀螺轉(zhuǎn)子(常采用同步電機(jī)、磁滯電機(jī)、三相交流電機(jī)等拖動(dòng)方法來使陀螺 轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)，并且其轉(zhuǎn)速近似為常值)；(2)內(nèi)、外框架(或稱內(nèi)、外環(huán)，它是使陀 螺自轉(zhuǎn)軸獲得所需角轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的結(jié)構(gòu))；(3)附件(是指力矩馬達(dá)、信號傳感器等)?，F(xiàn) 代陀螺儀是一種能夠精確地確定運(yùn)動(dòng)物體的方位的儀器。陀螺儀的精度決定著這些系統(tǒng)和 設(shè)備的精度，而陀螺儀的精度和工作狀況又主要取決于陀螺支承系統(tǒng)的性能，如支承系統(tǒng) 的摩擦力矩、抗干擾能力等。采用非接觸式的支承系統(tǒng)可有效減少干擾力矩，提高陀螺系統(tǒng) 的精度。但是，目前提出的電磁、靜電等懸浮陀螺需要有強(qiáng)電場或高真空的工作條件，系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，限制了這類懸浮式陀螺的應(yīng)用。目前，尚沒有提出完全基于近場超聲 懸浮的陀螺儀。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種精度高、結(jié) 構(gòu)簡單、不受外磁場影響的近場超聲懸浮陀螺儀。技術(shù)方案一種近場超聲懸浮陀螺儀，包括圓筒定子、轉(zhuǎn)子以及端蓋，所述的轉(zhuǎn)子 位于所述的圓筒定子內(nèi)部，所述的端蓋設(shè)置在轉(zhuǎn)子的兩端，其特征在于在所述的轉(zhuǎn)子兩端 部還分別設(shè)置有軸向懸浮支撐板，在所述的圓筒定子上設(shè)置有圓筒定子陶瓷，在所述的軸 向懸浮支撐板與端蓋之間設(shè)置有環(huán)形陶瓷片，在所述的圓筒定子陶瓷上施加第一電壓，使 所述的圓筒定子激發(fā)出第一行波，所述的定子在所述的第一行波的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，在所述的 環(huán)形陶瓷片上施加第二電壓使所述的軸向懸浮支撐板激發(fā)出第二行波，所述的定子在所述 的第二行波的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)。所述的圓筒定子陶瓷為兩組，每組為四片，對稱設(shè)置在圓筒定子徑向的兩端，每端 包括上下兩片，上下兩片陶瓷片的極化方向相反且接入電壓相同，相對的兩面陶瓷片的極 化方向相反，所述的第一電壓采用兩相電源，在兩組陶瓷片上依次接入兩相相位差為90度 的電壓信號；所述的環(huán)形陶瓷片均勻分成20個(gè)分區(qū)，其中A相和B相分別有8個(gè)分區(qū)，依 次正向極化和反向極化，在A，B兩相極化區(qū)中間留有λ /4禾Π 3 λ /4的區(qū)域，其中把3 λ /4 的區(qū)域中正向極化的λ/4區(qū)域作為孤極，用來提供頻率自動(dòng)跟蹤控制的反饋信號，所述的 第二電壓采用兩相電壓，在陶瓷片的A相和B相極化區(qū)依次接入兩相相位差90度的電壓信 號。本發(fā)明超聲懸浮陀螺儀通過軸向懸浮支撐板為轉(zhuǎn)子提供軸向懸浮力，使其沿軸向 懸浮和定位。圓筒定子通過其本身高頻振動(dòng)激發(fā)的聲場近場作用為轉(zhuǎn)子提供徑向定位，并驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)。陀螺轉(zhuǎn)子與外界沒有任何機(jī)械接觸，不存在傳統(tǒng)的接觸式軸承產(chǎn)生的 固體間的摩擦力，有效避免了干擾力矩，陀螺精度可以得到提高。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明結(jié)構(gòu)更加緊湊，不受外磁場的影響，加工和裝配都 易于實(shí)現(xiàn)較高的精度，同時(shí)更便于安裝和應(yīng)用。



圖1是陀螺儀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明陀螺儀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明陀螺儀的分解圖。圖4是圓筒型定子B(l，3)模態(tài)圖。圖5是圓筒型定子B(l，3)模態(tài)的臨近模態(tài)圖。圖6是圓盤型電機(jī)定子的有限元模型。圖7是圓盤型電機(jī)定子的B(0，9)模態(tài)圖。圖8是圓筒定子的壓電陶瓷的布局圖。圖9是軸向懸浮支撐壓電陶瓷的極化和配置方式圖。其中1、端蓋，2、環(huán)形陶瓷片，3、圓筒定子，4、圓筒定子陶瓷，5、軸向懸浮支撐板， 6、環(huán)形陶瓷片，7、端蓋，8、彈性墊，9、、圓筒定子陶瓷，10、轉(zhuǎn)子，11、軸向懸浮支撐板，12、彈 性墊。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明近場超聲懸浮陀螺儀，是基于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)制成的，其結(jié)構(gòu)參考 圖2和圖3，包括圓筒定子3，轉(zhuǎn)子10，上下端蓋1和7，上下彈性墊8和12，上下環(huán)形陶瓷 片2和6，上下軸向懸浮支撐板5和11，在圓筒定子3上粘貼有圓筒定子陶瓷4，圓筒定子陶 瓷4共有8片，其中4片為一組，對稱分布在圓筒定子徑向的兩端，且每端包括上下兩片，兩 組8片均勻分布在圓筒定子3的圓周上，在軸向懸浮支撐板5與彈性墊8之間放置環(huán)形陶 瓷片2，在軸向懸浮支撐板11與彈性墊12之間放置環(huán)形陶瓷片6。本發(fā)明是基于壓電陶瓷片的逆壓電效應(yīng)，即通過外加電信號，使壓電陶瓷產(chǎn)生機(jī) 械變形，從而使圓筒定子產(chǎn)生超聲波振動(dòng)，并將其傳播到空氣介質(zhì)中，推動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。壓電 陶瓷的逆壓電效應(yīng)可激發(fā)出圓筒定子的B(l，3)階彎曲振動(dòng)模態(tài)，即沿母線為一個(gè)波長、沿 圓周3波長的振動(dòng)形式，圓筒定子振動(dòng)模態(tài)的選擇可以多樣，主要根據(jù)自己設(shè)計(jì)的尺寸和 要求圓筒定子內(nèi)表面產(chǎn)生的振幅最大來選擇；同時(shí)，可激發(fā)出軸向懸浮支撐板5和11的 B(0,9)階彎曲振動(dòng)模態(tài)，即0節(jié)圓、沿圓周9波長的振動(dòng)形式，軸向懸浮支撐板振動(dòng)模態(tài)的 選擇同上。近場超聲懸浮陀螺主要由圓筒定子3、轉(zhuǎn)子10、軸向懸浮支撐板5和11等三部 分組成。圖2是本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可知，超聲懸浮陀螺的圓筒定子3，將壓電陶 瓷片(共8片)，粘貼于其外側(cè)(如附圖3)，8片陶瓷均勻布置，相對的四片陶瓷片為一組， 共兩組陶瓷片，稱為A相和B相，上下兩片陶瓷片的極化方向相反和接入電壓相同，相對的 兩面陶瓷片的極化方向相反。電源采用兩相電源，在兩組陶瓷片上依次接入兩相相位差為 90度的電壓信號，即可激發(fā)出行波，行波產(chǎn)生機(jī)理見如下對圓筒定子陶瓷施加交變電壓Va = VamCos ( ω t)，ω為A相振型對應(yīng)的固有頻率，從而激發(fā)出B(l，3)的駐波(也可能存在其他振動(dòng)成分，但由于激振頻率與固有頻率相同， 該模態(tài)的振動(dòng)是主要的)，其表達(dá)式為Wa= €Acos(3e)cos(cot+eA) (1.1) 式中，駐波的振幅，θ 4為A相激勵(lì)電壓與圓筒振動(dòng)響應(yīng)的相位差(與定子 的阻尼有關(guān))。由于圓筒是軸對稱結(jié)構(gòu)，存在與A相振型在空間上相差1/4波長的正交振型(該 振型不妨稱之為B相振型)的波峰處也粘貼一片壓電陶瓷片，此波峰處恰恰是A相振型的 節(jié)線處，因此當(dāng)對B相陶瓷片施加交變電壓Vb = VBMsin (ω t+ α )，由于B相陶瓷片的位置處 于A相振型的節(jié)點(diǎn)處，對A相振型的激發(fā)沒有影響，同時(shí)A相陶瓷片也位于B相振型的節(jié)點(diǎn) 處，對B相振型的激發(fā)也沒有影響，所以B相的駐波被激發(fā)，其振動(dòng)位移函數(shù)為Wb = ξ Bsin (3 θ ) sin (ω t+ α + θ B) (1. 2)式中，ξ Β為駐波的振幅，θ Β為A相激勵(lì)電壓與圓筒振動(dòng)響應(yīng)的相位差。利用線性波的疊加原理，兩個(gè)駐波疊加為如下振動(dòng)W = ffA+ffB = ξ Acos (3 θ ) cos (ω t+ θ A) + ξ Bsin (3 θ ) sin (ω t+ α + θ Β) (1. 3)假設(shè)ξΑ= ξΒ = ξ 0, ΘΑ= ΘΒ= θ。，即兩相駐波的振幅相同，激勵(lì)電壓與圓筒 振動(dòng)響應(yīng)的相位差也相同，那么根據(jù)兩相電壓相位差α值的不同，振動(dòng)的形式也各不同1.當(dāng) α = 0，W = ξ 0cos(3 θ )cos(cot+θ 0) + ξ 0sin(3 θ )sin(cot+θ 0)(14)= ξ Ocos (3 θ -Wt- θ 0)上式為一行波。2·當(dāng) α = Ji，W = ξ Ocos (3 θ ) cos ( ω t+ θ 0) + ξ 0sin (3 θ ) sin ( ω t+ θ 0+ Ji )(1. 5)= ξ 0cos(3 θ + Qt+ θ 0)此時(shí)也是行波，但傳播方向與1相反。3.當(dāng)僅=昏，W = ξ0 cos(36>)cos(at + θ0) + ξ0 sin(36>)sin(<yi + θ0 + —)= ξ0 cosO, + θ0 )(cos(30) + sin(3^))(1.6)= ξ0 cos(at + θ0) cos(36 +圓筒中只有駐波，不形成行波。這樣，按上述的方式布置壓電陶瓷，在兩相相位差90度的電壓的作用下，圓筒上 沿周向可形成兩個(gè)時(shí)間上相差90度，空間上相差1/4波長的駐波，進(jìn)而合成為一個(gè)行波。若要使行波的方向改變，只需改變接入信號的相位差為-90度，可激發(fā)出圓筒定 子3的B (1，3)模態(tài)行波。這樣，可在定子的母線方向產(chǎn)生一節(jié)圓，為的是方便定子的夾持和 安裝。圓筒定子3內(nèi)表面行波產(chǎn)生的同時(shí)，在近聲場作用下對轉(zhuǎn)子10實(shí)現(xiàn)徑向定位并提供 動(dòng)力，使轉(zhuǎn)子10高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子沿行波的傳播方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并與圓筒定子3保持非接觸狀態(tài)。為激發(fā)出軸向懸浮支撐板5和11的B(0，9)模態(tài)的行波，采用了如附圖9的壓電 陶瓷分區(qū)方式?？梢园l(fā)現(xiàn)，總有一個(gè)波長的分區(qū)是不起激振作用的，為充分利用壓電陶瓷，將陶瓷片均勻分成20個(gè)分區(qū)，其中A相和B相分別有8個(gè)分區(qū)，依次正向極化和反向極化，在A，B兩相極化區(qū)中間留有λ/4和3λ/4的區(qū)域，其中常把正向極化的λ/4區(qū)域用來提 供頻率自動(dòng)跟蹤控制的反饋信號，稱為孤極，參見圖9。采用兩相電壓驅(qū)動(dòng)，在陶瓷片的A相 和B相極化區(qū)依次接入兩相相位差90度的電壓信號。上述的分區(qū)形式和接入電壓信號可 在軸向懸浮支撐板中激發(fā)出兩相空間和時(shí)間相位差均為90度的駐波，進(jìn)而合成出行波，因 此可激發(fā)出圓盤的B(0，9)模態(tài)的行波。要產(chǎn)生反向的行波，只需改變或互換輸入信號。此 時(shí)可分別在軸向懸浮支撐板5和11的上、下表面產(chǎn)生行波，在近聲場作用下為轉(zhuǎn)子10提供 動(dòng)力，使轉(zhuǎn)子10旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子沿行波的傳播方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并與軸向懸浮支撐板5和11保持非接 觸狀態(tài)，從而使轉(zhuǎn)子10阻力矩減小。
權(quán)利要求
一種近場超聲懸浮陀螺儀，包括圓筒定子、轉(zhuǎn)子以及端蓋，所述的轉(zhuǎn)子位于所述的圓筒定子內(nèi)部，所述的端蓋設(shè)置在轉(zhuǎn)子的兩端，其特征在于在所述的轉(zhuǎn)子兩端部還分別設(shè)置有軸向懸浮支撐板，在所述的圓筒定子上設(shè)置有圓筒定子陶瓷，在所述的軸向懸浮支撐板與端蓋之間設(shè)置有環(huán)形陶瓷片，在所述的圓筒定子陶瓷上施加第一電壓，使所述的圓筒定子激發(fā)出第一行波，所述的定子在所述的第一行波的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，在所述的環(huán)形陶瓷片上施加第二電壓使所述的軸向懸浮支撐板激發(fā)出第二行波，所述的定子在所述的第二行波的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近場超聲懸浮陀螺儀，其特征在于所述的圓筒定子陶瓷為 兩組，每組為四片，對稱設(shè)置在圓筒定子徑向的兩端，每端包括上下兩片，上下兩片陶瓷片 的極化方向相反且接入電壓相同，相對的兩面陶瓷片的極化方向相反，所述的第一電壓采 用兩相電源，在兩組陶瓷片上依次接入兩相相位差為90度的電壓信號；所述的環(huán)形陶瓷片 均勻分成20個(gè)分區(qū)，其中A相和B相分別有8個(gè)分區(qū)，依次正向極化和反向極化，在A，B兩 相極化區(qū)中間留有X/4和;U/4的區(qū)域，其中把;U/4的區(qū)域中正向極化的X/4區(qū)域作 為孤極，用來提供頻率自動(dòng)跟蹤控制的反饋信號， 所述的第二電壓采用兩相電壓，在陶瓷片 的A相和B相極化區(qū)依次接入兩相相位差90度的電壓信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種近場超聲懸浮陀螺儀，包括圓筒定子、轉(zhuǎn)子以及端蓋，轉(zhuǎn)子位于圓筒定子內(nèi)部，端蓋設(shè)置在轉(zhuǎn)子的兩端，在轉(zhuǎn)子兩端部還分別設(shè)置有軸向懸浮支撐板，在圓筒定子上設(shè)置有圓筒定子陶瓷，在軸向懸浮支撐板與端蓋之間設(shè)置有環(huán)形陶瓷片。在圓筒定子陶瓷上施加第一電壓，使圓筒定子激發(fā)出第一行波，定子在所述的第一行波的作用下與圓筒定子沿徑向保持非接觸，并繞軸向轉(zhuǎn)動(dòng)；在環(huán)形陶瓷片上施加第二電壓使軸向懸浮支撐板激發(fā)出第二行波，定子在第二行波的作用下與圓筒定子兩端保持非接觸并增加繞軸向的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明結(jié)構(gòu)更加緊湊，不受外磁場的影響，加工和裝配都易于實(shí)現(xiàn)較高的精度，同時(shí)更便于安裝和應(yīng)用。
文檔編號G01C19/06GK101839717SQ20101013378
公開日2010年9月22日 申請日期2010年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月26日
發(fā)明者李繁, 賈兵, 陳超 申請人:南京航空航天大學(xué)