CN100526802C - 挠性硬磁软磁补偿式静电加矩流体微陀螺仪 - Google Patents

Abstract

一种微机电系统领域的挠性硬磁软磁补偿式静电加矩流体微陀螺仪，包括：转子、定子、挠性梁，转子由基体和注有金属流体的环形腔体构成，转子与定子通过挠性梁连接为一体，挠性梁会随着转子和定子相对位置的偏移而发生相应的变形；定子包括第二基体、旋转驱动线圈、检测电极、反馈加矩静电电极与挠性补偿硬磁极板，在第二基体上由内到外分布着八个旋转驱动线圈、八个检测电极、八个反馈加矩静电电极、四个挠性补偿硬磁极板。本发明使用金属流体的高速转动使转子产生角动量，没有刚性结构之间的相对转动，通过挠性补偿硬磁极板和转子之间产生的磁力矩消除挠性梁变形带来的干扰力矩的影响，并使用反馈加矩静电电极对转子进行反馈控制。

Description

挠性硬磁软磁补偿式静电加矩流体微陀螺仪

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的微陀螺，具体是一种挠性硬磁软磁补偿式静电加矩流体微陀螺仪。

背景技术

当前被广泛研究的微陀螺仪可分为两种，一种是悬浮转子式微陀螺，另一种是挠性陀螺仪，它们各有特点。悬浮转子式微陀螺，转子在悬浮状态下高速旋转，转速获得的较大的提高，有助于实现高精度，但是悬浮转子式微陀螺普遍采用双定子结构，并且为了提高转子的侧向刚度而需要加工侧向控制电极，使得悬浮转子式微陀螺的加工工艺复杂，而为了除去转子受到空气阻力的影响，常见的悬浮转子式微陀螺要使用真空封装。挠性陀螺仪是一种高性能、低成本的精度较高的陀螺，它以挠性支撑代替传统的悬浮技术而带来一系列的优点，故在惯性导航系统中获得广泛应用。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利公开号为：CN1712894A，名称为：电磁驱动动力调谐挠性转子微陀螺。该专利文中提到该系统包括：双定子结构、电机驱动轴承、与轴承相连的转子。该系统是通过电机驱动轴承来带动转子高速旋转产生角动量，采用双定子结构，使用了驱动转子和旋转转子两个转子，从而结构复杂，并且在工艺上很难利用微加工工艺精确加工电机驱动轴承，工艺要求高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种挠性硬磁软磁补偿式静电加矩流体微陀螺仪。本发明使用单定子结构，转子结构简单，陀螺的角动量是通过金属流体的高速旋转来产生的，并通过挠性梁将转子与定子连为一体，使该陀螺仪具有很强的抗冲击能力。转子的基体用软磁作材料，在定子上加工硬磁材料对转子产生磁吸引力来补偿挠性梁产生的干扰力矩，使转子成为自由支撑体。在定子上加工检测电极与转子形成差分电容来检测转子的位置偏移情况，并使用反馈加矩静电电极对转子进行反馈控制。该陀螺具有结构简单，易加工，刚性结构之间没有相对转动，无需真空封装，抗冲击能力强等优点。同时采用MEMS技术，使该陀螺仪又具有成本低、精度高、易批量、功耗微等特点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：转子、挠性梁、定子。转子包括第一基体和环形腔体，环形腔体位于第一基体内，环形腔体中注有金属流体，环形腔体中的金属流体在旋转驱动线圈所施加的旋转磁场的作用下高速旋转，产生角动量；转子与定子通过挠性梁连接为一体，挠性梁会随着转子和定子相对位置的偏移而发生相应的变形；定子包括第二基体、旋转驱动线圈、检测电极、反馈加矩静电电极与挠性补偿硬磁极板，在第二基体上由内到外分布着八个旋转驱动线圈、八个检测电极、八个反馈加矩静电电极、四个挠性补偿硬磁极板，其中反馈加矩静电电极、挠性补偿硬磁极板处于同一个以定子中心为中心的圆环上，两个紧邻的反馈加矩静电电极组成一个反馈加矩静电电极对，反馈加矩静电电极对与挠性补偿硬磁极板彼此交替，反馈加矩静电电极、挠性补偿硬磁极板的内径和外径分别相同，旋转驱动线圈位于定子的最靠近中心的位置，八个旋转驱动线圈在圆周方向上呈对称分布，在旋转驱动线圈的外侧分布着八个检测电极，八个检测电极在圆周方向上呈对称分布，四对反馈加矩静电电极和四个硬磁补偿极板在圆周方向都呈对称分布。

本发明挠性硬磁软磁补偿式静电加矩流体微陀螺仪的结构是采用微细加工(微细体加工和微细表面加工)工艺进行加工。转子的基体材料为镍，定子的基体为玻璃，在玻璃上加工种子层，再通过一系列微加工工艺在种子层上加工旋转驱动线圈、检测电极、反馈加矩静电电极和挠性补偿硬磁极板，旋转驱动线圈、检测电极与反馈加矩静电电极都是以铜为材料，挠性补偿硬磁极板是以硬磁为材料，挠性梁的材料为镍。定子的基体也可以使用金属作材料，以金属作为定子的基体材料时，需要在基体上溅射一层Al₂O₃绝缘层，再在Al₂O₃绝缘层上加工旋转驱动线圈、检测电极、反馈静电电极和挠性补偿硬磁极板。

本发明整个系统采用单定子、单个转子，并通过挠性梁将转子与定子连为一体，使得系统结构简单，加工方便，同时又具备了很强的抗冲击能力，能满足在复杂环境下使用。通过旋转驱动线圈来驱动金属流体高速旋转产生陀螺的角动量，没有刚性结构之间的相对转动，使得系统不需要采用真空封装。本发明中充分融合了金属流体高速旋转产生角动量、硬磁软磁补偿挠性梁的干扰力矩和静电加矩反馈控制三种技术，并采用MEMS技术，使该陀螺仪又具有成本低、精度高、易批量、功耗微等特点。

本发明中转子基体是用镍作材料，在定子上加工挠性补偿硬磁极板与转子通磁吸引力力矩来来补偿挠性梁产生的干扰力矩，使转子成为自由支撑体。在定子上加工检测电极与转子形成差分电容来检测转子的位置偏移情况，并使用反馈加矩静电电极对转子进行反馈控制。

附图说明

图1为本发明总体结构立体图

图2为本发明下定子结构立体图

图3为本发明挠性梁立体图

图4为本发明转子结构剖视图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1、图2、图3、图4所示，本实施例包括：转子1、挠性梁2、定子3。转子1与定子3通过挠性梁2连接为一体，挠性梁2会随着转子1和定子3相对位置的偏移而发生变形。转子1由第一基体8和环形腔体9构成。定子3包括第二基体10、旋转驱动线圈4、检测电极5、反馈加矩静电电极6与挠性补偿硬磁极板7。

如图2所示，在定子3的第二基体10上由内到外分布着旋转驱动线圈4、检测电极5、反馈加矩静电电极6、挠性补偿硬磁极板7，其中反馈加矩静电电极6、挠性补偿硬磁极板7处于同一个以定子3中心为圆心的圆环上，两个紧邻的反馈加矩静电电极6组成一个反馈加矩静电电极对，反馈加矩静电电极对与挠性补偿硬磁极板7彼此交替，反馈加矩静电电极6、挠性补偿硬磁极板7的内径和外径分别相同。本发明中选用了八个旋转驱动线圈4、八个检测电极5、八个反馈加矩静电电极6与四个挠性补偿硬磁极板7。旋转驱动线圈4位于定子3的最靠近中心的位置，八个旋转驱动线圈4在圆周方向上呈对称分布。为了形成旋转磁场，相邻旋转驱动线圈4电流相位差为90°。在旋转驱动线圈4的外侧分布着八个检测电极5，八个检测电极在圆周方向上呈对称分布，检测电极5和转子1之间形成的电容值随转子1的姿态不同而变化，从而检测电极5与转子之间形成差分电容可以检测转子1的姿态变化。八个反馈加矩静电电极6在圆周方向呈对称分布，用于根据检测电极5检测到转子1偏离水平位置的情况，通过在反馈加矩静电电极6上施加电压产生静电力使转子1恢复到平衡位置，以达到对转子1进行反馈控制的效果。当转子1发生偏移时，由于挠性梁2会发生形变产生干扰力矩，此干扰力矩会引起转子1偏离平衡位置，因此需要补偿该干扰力矩，补偿的结果是为了使转子1成为自由支撑体，实现自由偏转。四个挠性补偿硬磁极板7在圆周方向呈对称分布，用于补偿挠性梁2产生的干扰力矩。要获得补偿效果，使用软磁材料作为转子1的第一基体8的材料，而定子3上的挠性补偿硬磁极板7为硬磁材料，对转子1有磁吸引力。当转子1处于平衡位置时，转子1所受到的硬磁材料所施加的总吸引力为零；当转子1偏离平衡位置时，转子1所受到的硬磁材料所施加的总吸引力产生的力矩与挠性梁2由于变形产生的干扰力矩相抵消，达到补偿效果。

如图3所示，通过如图3所示的挠性梁2把转子1和定子3连为一体，挠性梁2的结构为两头大、中间小的圆柱体，且圆柱体的两头大小相同，挠性梁2的两端分别与转子1和定子3的中心相连接。

如图4所示，转子1是由第一基体8和环形腔体9构成。通过微加工工艺在第一基体8中加工出一个环形腔体9，环形腔体9的内径与定子3上旋转驱动线圈4在以定子3中心为圆心的圆周方向上的内径相同，环形腔体9的外径与定子3上旋转驱动线圈4在以定子3中心为圆心的圆周方向上的外径相同。环形腔体9生成后，使用体加工工艺在第一基体8中打孔，金属流体通过孔注入环形腔体9中，形成环形金属流体腔体。环形腔体9中的金属流体受到旋转驱动线圈4施加的旋转磁场的作用，高速旋转，产生角动量，从而能够响应外界角速度的变化。

挠性硬磁软磁补偿式静电加矩流体微陀螺仪的结构是采用微细加工(微细体加工和微细表面加工)工艺进行加工。转子1的第一基体8材料为镍。定子3的第二基体10为玻璃，在玻璃上加工种子层，再通过一系列微加工工艺在种子层上加工旋转驱动线圈4、检测电极5、反馈静电电极6和挠性补偿硬磁极板7，旋转驱动线圈4、检测电极5与反馈加矩静电电极6都是以铜为材料，挠性补偿硬磁极板7是以硬磁为材料，挠性梁2的材料为镍。

Claims (9)

1、一种挠性硬磁软磁补偿式静电加矩流体微陀螺仪，包括：转子(1)、挠性梁(2)、定子(3)，其特征在于，转子(1)与定子(3)通过挠性梁(2)连接为一体；

转子(1)包括第一基体(8)和环形腔体(9)，环形腔体(9)位于第一基体(8)内；转子(1)中的环形腔体(9)中注有金属流体，环形腔体(9)中的金属流体在旋转驱动线圈(4)所施加的旋转磁场的作用下高速旋转，产生角动量；转子(1)的基体材料是软磁材料；

定子(3)包括第二基体(10)、旋转驱动线圈(4)、检测电极(5)、反馈加矩静电电极(6)与挠性补偿硬磁极板(7)，在第二基体(10)上由内到外分布着八个旋转驱动线圈(4)、八个检测电极(5)、八个反馈加矩静电电极(6)、四个挠性补偿硬磁极板(7)，八个旋转驱动线圈(4)在圆周方向上呈对称分布，旋转驱动线圈(4)位于定子(3)的最靠近中心的位置，在旋转驱动线圈(4)的外侧分布着八个检测电极(5)，八个检测电极(5)在圆周方向上呈对称分布，四对反馈加矩静电电极(6)和四个挠性补偿硬磁极板(7)在圆周方向都呈对称分布。

2、根据权利要求1所述的挠性硬磁软磁补偿式静电加矩流体微陀螺仪，其特征是，所述转子(1)上的环形腔体(9)的内径与定子(3)的第二基体(10)上的旋转驱动线圈(4)在以定子(3)中心为圆心的圆周方向上的内径相同。

3、根据权利要求1所述的挠性硬磁软磁补偿式静电加矩流体微陀螺仪，其特征是，所述的挠性梁(2)会随着转子(1)和定子(3)相对位置的偏移而发生相应的变形。

4、根据权利要求1或者2所述的挠性硬磁软磁补偿式静电加矩流体微陀螺仪，其特征是，所述的定子(3)，其中反馈加矩静电电极(6)、挠性补偿硬磁极板(7)处于同一个以定子中心为圆心的圆环上，两个紧邻的反馈加矩静电电极(6)组成一个反馈加矩静电电极对，反馈加矩静电电极(6)对与挠性补偿硬磁极板(7)彼此交替，反馈加矩静电电极(6)、挠性补偿硬磁极板(7)的内径和外径分别相同。

5、根据权利要求1或2所述的挠性硬磁软磁补偿式线圈加矩流体微陀螺仪，其特征是，所述环形腔体(9)的外径与定子(3)的第二基体(10)上的旋转驱动线圈(4)在以定子(3)中心为圆心的圆周方向上的外径相同。

6、根据权利要求1或2所述的挠性硬磁软磁补偿式线圈加矩流体微陀螺仪，其特征是，相邻旋转驱动线圈(4)电流相位差为90°。

7、根据权利要求1所述的挠性硬磁软磁补偿式线圈加矩流体微陀螺仪，其特征是，所述挠性梁(2)的结构为两头大、中间小的圆柱体，且圆柱体的两头大小相同，挠性梁(2)的两端分别与转子(1)和定子(3)的中心相连接。

8、根据权利要求1所述的挠性硬磁软磁补偿式线圈加矩流体微陀螺仪，其特征是，所述反馈加矩静电电极(6)根据检测电极(5)检测到转子(1)偏离水平位置的情况，通过在反馈加矩静电电极(6)上施加电压产生静电力使转子(1)恢复到平衡位置，实现对转子(1)的反馈控制。

9、根据权利要求1或2所述的挠性硬磁软磁补偿式线圈加矩流体微陀螺仪，其特征是，所述转子(1)的基体材料为镍。

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