CN100392353C - 调谐式微机电陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涉及测量技术的调谐式微机电陀螺，包括电机，在电机驱动轴上设有陀螺转子/平衡环，在陀螺转子/平衡环的上方与下方分别设有电容上、下极板且由固定圆环固定，在固定圆环上设有用于引导电容上、下极板的输出信号的导线环。本发明针对谐振式微机电陀螺和动力调谐陀螺的不足，提高了微机电陀螺仪的精度和稳定性且具有体积小、重量轻、成本低、功耗小、可靠性好调谐式微机电陀螺。

Description

调谐式微机电陀螺

技术领域

本发明涉及一种陀螺，尤其涉及一种调谐式微机电陀螺。

背景技术

微机电陀螺是利用微机电系统(MEMS)技术制作的一类陀螺，具有体积小、重量轻、成本低、功耗小、可靠性好等一系列优点，在军民两方面都具有广泛的应用前景。微机电陀螺仪自上世纪80年代中后期发明以来，受到世界各发达国家的广泛重视，纷纷投巨资加以研究。现今的微机电陀螺仪大多采用谐振式，其结构主要是由活动的质量块附加振动驱动装置及加速度检测装置组成。沿某一轴向(x轴)振动的质量块敏感基座沿另一轴向(y轴)的角速度，会产生沿第三轴方向(z轴)(三轴互相垂直)的哥氏加速度，通过检测该哥氏加速度的大小即可求得基座角速度，该类陀螺仪存在两个有用模态，即驱动模态和检测模态。在该类陀螺仪的设计中，为了得到较高的灵敏度，需要使陀螺仪工作于谐振状态，并使其检测模态和驱动模态接近。从而带来了稳定性差、线路复杂、线性度低、精度低等问题。目前研制的微机电陀螺大多应用于中低精度的场合。

动力调谐陀螺仪是上世纪60年代发展起来的一种机电陀螺仪。一种典型的动力调谐陀螺仪结构。驱动电机通过驱动轴，挠性接头带动陀螺转子高速旋转。挠性接头的结构能保证陀螺仪在敏感垂直于驱动轴向的角速度时，陀螺转子相对于壳体产生角偏转信号，该信号通过信号器检测，并通过力矩器产生力矩反馈，使陀螺转子回到平衡位置。挠性接头是一种连接装置，它包括内环(和驱动轴相连)，平衡环和外环(和陀螺转子相连)。各环之间通过挠性杆连接。通过调节，使由平衡环产生的负弹性力矩与由挠性杆产生的正弹性力矩相平衡，即动力调谐。动力调谐陀螺具有精度高，稳定性好等优点。但该类陀螺挠性接头结构复杂，陀螺转子动量矩大，动铁式力矩器体积大重量重。存在启动稳定时间长，抗冲击性能差和结构复杂，成本高等缺陷。

发明内容

本发明针对谐振式微机电陀螺和动力调谐陀螺的不足，提供一种能够提高微机电陀螺仪的精度和稳定性且具有体积小、重量轻、成本低、功耗小、可靠性好调谐式微机电陀螺。

本发明采用如下技术方案：

一种涉及测量技术的调谐式微机电陀螺，包括电机，在电机驱动轴上设有陀螺转子/平衡环，在陀螺转子/平衡环的上方与下方分别设有电容上、下极板且由固定圆环固定，在固定圆环上设有用于引导电容上、下极板的输出信号的导线环。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明提出的调谐式微机电陀螺，包括：高速旋转的微电机，片状转子体和平衡环以及位于其两侧相互对称的检测电容极板和力反馈电容极板。本发明所说的转子体和平衡环结构采用片状形式。转子体/平衡环结构可以采用低阻硅，用MEMS加工方法制作，或者采用恒弹性金属材料(例如3J33)制作。本发明所说的高速旋转微电机为永磁无刷直流电机，其转速可通过电子线路调整，通过设计计算和调整，使由平衡环引起的负弹性力矩和内外扭杆产生的正弹性力矩相平衡，即满足：

$K_p=(I_e-\frac{I_z}{2}){\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}^2$

式中，K_p为正弹性系数，I_e、I_z分别为平衡环赤道转动惯量和极惯量，为陀螺转速。从而实现调谐。或采用交流磁滞电机，通过调频改变转速实现调谐。所说的检测电容极板和力反馈电容极板，它们呈扇状，同心分布在绝缘基板上，如图4。绝缘基板可采用可加工陶瓷或用平板玻璃或胶木板制造，并对称分布于转子/平衡环两侧。

本发明的具体优点如下：

1.用高速旋转的转子取代了作高频振动的质量块，从而有效地克服了振动陀螺动量矩随时间变化带来的弊端，同时也避免了谐振式微机电陀螺驱动模态和检测模态的匹配问题。

2.和传统的动力调谐陀螺仪相比，本发明采用了片状转子/平衡环结构，结构简单，虽然动量矩降低了，但陀螺仪的品质因数却大大提高了，这有利于减小陀螺仪的漂移误差，提高稳定性和测量精度。此外，采用片状结构，可使陀螺仪角动量与质量的比值达最大。由于转子体的质量减轻了，其抗冲击性能和测量范围都得到很大提高，启动特性也得到了改善。

3.陀螺仪信号器/力矩器采用电容检测和静电力反馈形式，目前的动力调谐陀螺仪大多采用电感信号器和动铁式力矩器，不仅体积大，重量重，而且在较高速率下工作时发热量很大。本发明采用平板电容检测和静电力反馈，大大减小了陀螺的体积和重量，也减小了发热量。

4.采用硅材料制作片状转子/平衡环结构，硅具有很好的机械特性和电学特性，可利用MEMS工艺加工，有利于批生产，从而能大大降低成本。

5.选用永磁无刷直流电机，提高了转速稳定性，也实现了电子调谐，使陀螺仪测量精度大大提高。

本发明同时具有谐振式微机电陀螺和动力调谐式机电陀螺的长处，其测量精度和动力调谐陀螺仪相当，可达1°/h～0.005°/h，比现有的谐振式微机电陀螺高，其抗冲击性能和启动特性则比动力调谐陀螺仪好，成本比动力调谐陀螺低。

附图说明

图1为本发明的调谐式微机电陀螺仪结构示意图。

图2为本发明的片状转子/平衡环结构主视图。

图3为本发明的片状转子/平衡环结构剖视图。。

图4为本发明的调谐式微机电陀螺局部结构剖视图。

图5为本发明的检测电容极板和力反馈电容极板示意图。

具体实施方式

一种涉及测量技术的调谐式微机电陀螺，包括电机31，在电机驱动轴39上设有陀螺转子/平衡环35，在陀螺转子/平衡环35的上方与下方分别设有电容上、下极板33、36且由固定圆环34固定，在固定圆环34上设有用于引导电容上、下极板的输出信号的导线环32，陀螺转子/平衡环35由内环41、中环43和外环45组成，内环41与驱动电机驱动轴固连，中环43是平衡环，外环45是转子体，内环与平衡环之间通过一对内扭杆42A、42B相连，平衡环与转子体之间通过一对外扭杆44A、44B连接，在陀螺转子/平衡环35上方设有用于防止转子与电容极板相碰的挡板37并由紧固螺钉38固紧，所说的电容极板包括检测电容极板和力矩反馈电容极板，它们呈扇状，同心分布在绝缘基板上，该基板用陶瓷材料，玻璃材料或其他绝缘材料制作，与基座相固连，并对称分布于转子/平衡环两侧。

本发明设计的调谐式微机电陀螺仪，其结构及工作原理结合附图详细说明如下：

图1为本发明设计的一种调谐式微机电陀螺仪结构。其结构剖视图如图4。驱动电机31通过驱动轴39带动陀螺转子/平衡环35高速旋转；32是导线环，用来引导电容极板的输出信号；33和36是电容极板，其电容排列及与转子体的间隙完全相同；34是固定圆环，用来固定电容极板；37是挡板，用来固定转子，并防止转子与电容极板相碰；38是紧固螺钉。当转子体敏感载体沿x/y方向的角速度时，便产生哥氏加速度，由此产生的陀螺力矩作用于扭杆，使转子/平衡环结构相对于扭杆产生偏转，引起转子和检测电容极板间电容的变化，该电容变化反映了输入角速度的大小。电容检测极板和力矩反馈电容极板均设计成对称结构形式，结构如附图4所示，通过前放、解调、校正和力矩平衡回路控制转子的运动，并测出正比于输入角速度的电压信号。

图2所示为本发明设计的一种转子/平衡环结构。图3是该结构的剖视图。它由三个同心圆环组成，内环41与驱动电机驱动轴固连，中环43是平衡环，外环45是转子体，内环与平衡环之间通过一对内扭杆42A和42B相连，平衡环与转子体之间通过一对外扭杆44A和44B连接。内扭杆和外扭杆彼此正交，扭杆设计成具有较大的抗弯刚度和低的扭转刚度。

图5为本发明设计的一种电容极板结构。其中，51为绝缘基板，52-55为电容极板，通过在绝缘基板上镀金属而成，其中52A和52B，53A和53B，54A和54B，55A和55B两两对称，并相互成90度排列。

当高速旋转的转子体敏感载体沿x/y方向的角速度时，产生哥氏加速度，引起转子和检测电容极板间电容的变化，电容检测极板和力反馈电容极板均设计成对称结构形式，通过前放、解调、校正和力平衡回路控制转子的运动，并测出正比于输入角速度的电压信号。

Claims (4)

1.一种涉及测量技术的调谐式微机电陀螺，包括电机(31)，其特征在于在电机驱动轴(39)上设有陀螺转子和平衡环(35)，在陀螺转子和平衡环(35)的上方与下方分别设有电容上、下极板(33、36)且由固定圆环(34)固定，在固定圆环(34)上设有用于引导电容上、下极板的输出信号的导线环(32)。

2.根据权利要求1所述的调谐式微机电陀螺，其特征在于陀螺转子和平衡环(35)由内环(41)、中环(43)和外环(45)组成，内环(41)与驱动电机驱动轴固连，中环(43)是平衡环，外环(45)是转子体，内环与平衡环之间通过一对内扭杆(42A、42B)相连，平衡环与转子体之间通过一对外扭杆(44A、44B)连接。

3.根据权利要求1或2所述的调谐式微机电陀螺，其特征在于在陀螺转子和平衡环(35)上方设有用于防止转子与电容极板相碰的挡板(37)并由紧固螺钉(38)固紧。

4.根据权利要求1所述的调谐式微机电陀螺，其特征在于，所说的电容上、下极板包括检测电容极板和力矩反馈电容极板，它们呈扇状，同心分布在绝缘基板上，该基板用陶瓷材料或玻璃材料制作，与基座相固连，并对称分布于转子和平衡环两侧。

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