CN100543417C - 双模式反磁转子感应旋转微陀螺 - Google Patents

Abstract

一种微机电技术领域双模式反磁转子感应旋转微陀螺。本发明由上定子，转子和下定子构成，上定子倒扣在下定子上，上定子和下定子两个正面相对，从而形成空腔，转子则悬浮在此空腔内，所述下定子基体的正面分布着下定子感应旋转线圈组和下定子侧向电极，背面设有下定子十字分隔结构和下定子永磁块，下定子十字分隔结构分隔成的四个区域上粘附着下定子永磁块；所述上定子基体的正面分布着上定子感应旋转线圈组，背面设有上定子十字分隔结构和上定子永磁块，上定子十字分隔结构分隔成的四个区域上粘附着上定子永磁块。本发明降低了转子的起支过程和起支控制难度，也就降低了工艺复杂度和控制难度，可同时检测多个自由度的加速度。

Description

双模式反磁转子感应旋转微陀螺

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的微型陀螺仪，具体是一种双模式反磁转子感应旋转微陀螺。

背景技术

众所周知，微机械惯性仪表包括微惯性传感器(微加速度计和微陀螺仪)和微惯性测量组合(MIMU，由微惯性传感器、微控制电路等构成)，是一类重要的微机电系统。微陀螺仪作为一种惯性器件，是重要的微机电系统器件之一，在军民两用方面如战术导弹、惯性导航、微型卫星、虚拟现实、机器人控制、生物医疗、汽车安全、摄录机稳定、惯性鼠标等电子消费类产品，具有广泛的应用前景，因此已经得到世界各国的普遍重视。目前电磁悬浮在宏观悬浮机构中已经得到了广泛应用，但在微机械中的应用还很少。相比传统的振动式微机械陀螺仪，通过悬浮使检测质量与衬底分开，研制自由悬浮转子的微陀螺，有望提高振动式微机械陀螺仪的性能精度。

经对现有技术的文献检索发现，英国Sheffield大学和新加坡南洋理工大学C.Shearwood等人在《Sensors and Actuators》(83(2000)，p85-92)上发表“Development of a levitated micromotor for application as a gyroscope”，该文中提出一种电磁悬浮旋转盘形铝转子的微陀螺。其不足之处在于：电磁线圈需提供悬浮、稳定和旋转多种功能，涡流生热问题较为严重，工艺也比较复杂，而且侧向刚度低，随着转速的进一步提高，受侧向振动模态激振的影响而容易使转子离心抛翻。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的上述不足，提供了一种双模式反磁转子感应旋转微陀螺，它具有可选择的双模式悬浮工作模式，其一是反磁悬浮工作模式，其二是反磁加静电悬浮工作模式。相比传统电磁悬浮省去了悬浮线圈和稳定线圈，且改为依靠上、下定子对反磁转子提供悬浮力和侧向稳定力，实现自稳悬浮，同时又可利用静电悬浮原理和下定子侧向静电电极对来提高微陀螺的轴向刚度、侧向刚度和抗冲击能力，增强稳定悬浮，工艺相对简单。同时在反磁加静电悬浮工作模式下，由于在施加静电电压之前，转子由于反磁作用已悬浮在平衡位置，相比一般的静电悬浮陀螺又降低了转子的起支过程和起支控制难度。并且本发明可以同时检测包括沿X、Y、Z轴的三轴线加速度以及绕X、Y轴二轴角加速度。

本发明是通过以下技术方案来实现，本发明由上定子，转子和下定子三部分构成，上定子倒扣在下定子上，使上定子和下定子两个正面相对，完成装配，从而形成空腔，转子则悬浮在此空腔内。在装配时，上定子结构中正对转子的面均称之为正面，相应的另一面则称之为背面，同样，下定子结构中正对转子的面亦均称之为正面，相应的另一面则称之为背面。上定子、下定子除侧向静电电极对外，结构相似。

所述下定子，包括下定子感应旋转线圈组、下定子侧向电极、下定子基体、下定子十字分隔结构和下定子永磁块，下定子基体的正面分布着下定子感应旋转线圈组和下定子侧向电极，下定子基体的背面设有下定子十字分隔结构和下定子永磁块，下定子十字分隔结构分隔成的四个区域上粘附着下定子永磁块。

所述上定子，包括上定子感应旋转线圈组、上定子基体、上定子十字分隔结构和上定子永磁块，上定子基体的正面分布着上定子感应旋转线圈组，上定子基体的背面设有上定子十字分隔结构和上定子永磁块，上定子十字分隔结构分隔成的四个区域上粘附着上定子永磁块。

所述转子是一个圆盘形结构，在转子中间反磁结构层的上、下表面分别覆盖着转子上表面Ti层和转子下表面Ti层。

所述下定子还设有下定子公共电容极板、下定子检测及反馈控制电容极板组，在下定子基体的正面，由内而外依次分布着下定子公共电容极板、下定子感应旋转线圈组、下定子检测及反馈控制电容极板组、下定子侧向静电电极对。

所述下定子基体的背面，下定子十字分隔结构分隔成的四个区域上粘附着由四块永磁片构成的下定子永磁块，相邻永磁片同一端面的电磁极性相异。

所述上定子还设有上定子公共电容极板、上定子检测及反馈控制电容极板组，在上定子基体的正面，由内而外依次分布着上定子公共电容极板、上定子感应旋转线圈组、上定子检测及反馈控制电容极板组。

所述上定子基体的背面，上定子十字分隔结构分隔成的四个区域上粘附着由四块永磁片构成的的上定子永磁块，相邻永磁片同一端面的电磁极性相异。

本发明有两种工作模式，可以选择在其中之一模式下工作：上定子背面包括由四块永磁片且相邻永磁片同一端面的电磁极性相异构成的上定子永磁块，下定子背面包括由四块永磁片且相邻永磁片同一端面的电磁极性相异构成的下定子永磁块，当上定子倒扣在下定子上时，需使得上定子和下定子的相对面在竖直方向形成N-S一一对应的磁极极性相反的关系；反磁加静电悬浮工作模式下，上定子正面分布有上定子检测及反馈控制电容极板组，下定子基体的正面分布有下定子检测及反馈控制电容极板组，下定子基体的正面最外圈圆周上分布有下定子侧向静电电极对。

本发明转子旋转：微陀螺工作时，给上定子感应旋转线圈组和下定子感应旋转线圈组通交变电流，相邻线圈的通电电流相位差90度，形成旋转电磁场，在此电磁场的驱动下，实现转子的高速旋转。

本发明解决了现有技术的不足，采用可选择的双模式工作，相比传统电磁悬浮省去了提供悬浮线圈和稳定线圈，依靠上、下定子对反磁转子提供悬浮力和侧向稳定力，同时还可利用静电悬浮原理和下定子侧向静电电极对来提高微陀螺轴向刚度、侧向刚度，进而提高了抗冲击能力，实现稳定悬浮，工艺相对简单，同时在反磁加静电悬浮工作模式下，由于在施加静电电压之前，转子由于反磁作用已悬浮在平衡位置，相比一般的静电悬浮陀螺又降低了转子的起支过程和起支控制难度，它可以同时检测包括沿X、Y、Z轴的线加速度以及绕X、Y轴角加速度等多个自由度的加速度，进而可以用来对物体进行精确定位，用于检测外界加速度信号或导航。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图

图2为本发明下定子正面结构示意图

图3为本发明下定子背面结构示意图

图4为本发明上定子正面结构示意图

图5为本发明上定子背面结构示意图

图6为本发明转子结构示意图

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所示，本实施例采用的是三层结构，由上定子1，转子3和下定子2构成。上定子1倒扣在下定子2上，使上定子和下定子两个正面相对，完成装配，从而形成空腔，转子3则悬浮在此空腔内。在装配时，上定子1结构中正对转子3的面均称之为正面，相应的另一面则称之为背面，同样，下定子2结构中正对转子3的面亦均称之为正面，相应的另一面则称之为背面。

如图2、3所示，下定子2包括下定子公共电容极板4、下定子感应旋转线圈组5、下定子检测及反馈控制电容极板组6、下定子侧向静电电极对7、下定子基体8、下定子十字分隔结构9、下定子永磁块10；在下定子基体8的正面，由内而外依次分布着下定子包括下定子公共电容极板4、下定子感应旋转线圈组5、下定子检测及反馈控制电容极板组6、下定子侧向静电电极对7；在下定子基体8的背面，下定子十字分隔结构9沿下定子基体8表面几何结构的中线位置分布，将下定子基体8的背面空间分隔成四个区域，在这四个区域上粘附着下定子永磁块10。

如图4、5所示，上定子1包括上定子公共电容极板11、上定子感应旋转线圈组12、上定子检测及反馈控制电容极板组13、上定子基体14、上定子十字分隔结构15，上定子永磁块16；在上定子基体14的正面，由内而外依次分布着上定子公共电容极板11、上定子感应旋转线圈组12、上定子检测及反馈控制电容极板组13；在上定子基体14的背面，上定子十字分隔结构15沿上定子基体14表面几何结构的中线位置分布，将上定子基体14的背面空间分隔成四个区域，在这四个区域上粘附着上定子永磁块16。

如图6所示，转子3是一个圆盘形结构，包括转子上表面Ti层17、转子中间反磁结构层18、转子下表面Ti层19；在转子中间反磁结构层18的上、下表面分别覆盖着转子上表面Ti层17和转子下表面Ti层19。转子3的圆周边缘与下定子检测及反馈控制电容极板组6和上定子检测及反馈控制电容极板组13的外圆弧边缘在竖直方向上对齐。转子3外径与下定子检测及反馈控制电容极板组6以及上定子检测及反馈控制电容极板组13的外径相等。

如图3、5，在下定子基体8的背面，下定子十字分隔结构9分隔成四个区域上粘附着的下定子永磁块10是由四块永磁片构成的，相邻永磁片同一端面的电磁极性相异；同样，在上定子基体14的背面，上定子十字分隔结构15分隔成四个区域上粘附着的上定子永磁块16也是由四块永磁片构成的，相邻永磁片同一端面的电磁极性相异；当上定子1倒扣在下定子2上时，需使得上定子1和下定子2的相对面在竖直方向形成N-S一一对应的磁极极性相反的关系，则它们之间的吸引力使得上定子和下定子的接合更加紧密。

本发明的双模式在于：其一是反磁悬浮工作模式，由于上定子1和下定子2的背面均粘附有永磁片，而转子3本身是反磁体，转子3与上定子1和下定子2之间就会形成相互作用力即抗磁力为悬浮反磁定子提供了Z向(轴向)悬浮力，同时也为转子3提供沿X、Y轴方向的侧向稳定力，进而转子3实现了在上定子1和下定子2间的自稳定悬浮。其二是反磁加静电悬浮工作模式，通过给下定子检测及反馈控制电容极板组6和上定子检测及反馈控制电容极板组13施加电压，下定子2与转子3、上定子1和转子3之间产生的静电力，增强了转子3的轴向刚度，通过在下定子2外围分布的下定子侧向静电电极对7上施加反馈控制电压，下定子侧向静电电极对7与转子3产生静电力，增强了转子3的侧向刚度。在上定子检测及反馈控制电容极板组13、下定子检测及反馈控制电容极板组6、下定子侧向静电电极对7上施加载波，当存在轴向和侧向偏离的时候，通过对上定子公共电容极板11和下定子公共电容极板4上感生出的信号进行拾取、放大、调制解调等处理，并进行判断，在相应电容极板组或侧向静电电极上增加电压，产生的静电力将微转子拉回到平衡位置。这样可以提高处于反磁悬浮状态下转子的轴向和侧向刚度，提高微陀螺的抗冲击能力，保障转子3在上定子1和下定子2间更稳定悬浮。同时，在反磁加静电悬浮工作模式下，由于在施加静电电压之前，转子3由于反磁作用已悬浮在平衡位置，相比一般的静电悬浮陀螺，降低了转子3的起支过程和起支控制难度。

本发明转子旋转：微陀螺工作时，给上定子感应旋转线圈组12和下定子感应旋转线圈组5通交变电流，相邻线圈的通电电流相位差90度，形成旋转电磁场，在此电磁场的驱动下，实现转子的高速旋转。

如图2、3、4、5、6，本实施例工作时包括以下三个方面：

(1)当用于检测竖直方向z轴输入的加速度信号时，给上定子检测及反馈控制电容极板组13和下定子检测及反馈控制电容极板组6施加同频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波，通过上定子公共电容极板11和下定子公共电容极板4输出差分电容信号，经电路后处理可以检测出输入的z轴加速度，同时通过给上定子检测及反馈控制电容极板组13和下定子检测及反馈控制电容极板组6施加幅值相等、极性相反的直流反馈电压把转子3拉回到平衡位置；

(2)当用于检测水平方向x轴输入的加速度信号时，给上定子检测及反馈控制电容极板组13左上两块电容极板和下定子检测及反馈控制电容极板组6左下两块电容极板，以及上定子检测及反馈控制电容极板组13右下两块电容极板和下定子检测及反馈控制电容极板组6右上两块电容极板分别施加同频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波，通过上定子公共电容极板11和下定子公共电容极板4输出差分电容信号，经电路后处理可以检测出输入的x轴加速度，同时通过给上定子检测及反馈控制电容极板组13左上两块电容极板和下定子检测及反馈控制电容极板组6左下两块电容极板，以及上定子检测及反馈控制电容极板组13右下两块电容极板和下定子检测及反馈控制电容极板组6右上两块电容极板施加幅值相等、极性相反的直流反馈电压把转子3拉回到平衡位置；

(3)当用于检测竖直方向y轴输入的加速度信号时，给上定子检测及反馈控制电容极板组13左下两块电容极板和下定子检测及反馈控制电容极板组6左上两块电容极板，以及上定子检测及反馈控制电容极板组13右上两块电容极板和下定子检测及反馈控制电容极板组6右下两块电容极板分别施加同频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波，通过上定子公共电容极板11和下定子公共电容极板4输出差分电容信号，经电路后处理可以检测出输入的z轴加速度，同时通过给上定子检测及反馈控制电容极板组13左下两块电容极板和下定子检测及反馈控制电容极板组6左上两块电容极板，以及上定子检测及反馈控制电容极板组13右上两块电容极板和下定子检测及反馈控制电容极板组6右下两块电容极板施加幅值相等、极性相反的直流反馈电压把转子3拉回到平衡位置。

本发明的工艺采用微细加工技术(MEMS工艺)与精密加工相结合，具体是：先上定子1上的上定子公共电容极板11、上定子感应旋转线圈组12、上定子检测及反馈控制电容极板组13、上定子十字分隔结构15，以及下定子2上的下定子公共电容极板4、下定子感应旋转线圈组5、下定子检测及反馈控制电容极板组6、下定子侧向静电电极对7、下定子十字分隔结构9采用微细加工技术实现；电容极板、感应旋转线圈组和下定子侧向静电电极对7材料一般采用导电性能较好的是铜，工艺一般采用光刻电镀的微细加工技术；上定子十字分隔结构15和下定子十字分隔结构9可以采用的绝缘且导磁能力不强的材料如SU8负胶，通过甩厚胶并光刻的微细加工技术；下定子永磁块10和上定子永磁块16采用永磁材料，如钴镍锰磷(CoNiMnP)、钕铁硼(NdFeB)精密加工并充磁得到；转子3则是先在基片即转子中间反磁结构层的两表面溅射Ti，然后经微细电火花加工得到，基片采用的是反磁材料，如热解石墨(Pyrolytic graphite)。

Claims (6)

1.一种双模式反磁转子感应旋转微陀螺，由上定子(1)、转子(3)和下定子(2)构成，上定子(1)倒扣在下定子(2)上，上定子(1)和下定子(2)两个正面相对，从而形成空腔，转子(3)则悬浮在此空腔内，其特征在于：

所述下定子(2)，包括下定子感应旋转线圈组(5)、下定子侧向电极(7)、下定子基体(8)、下定子十字分隔结构(9)和下定子永磁块(10)，下定子基体(8)的正面分布着下定子感应旋转线圈组(5)和下定子侧向电极(7)，下定子基体(8)的背面设有下定子十字分隔结构(9)和下定子永磁块(10)，下定子十字分隔结构(9)分隔成的四个区域上粘附着下定子永磁块(10)；

所述上定子(1)，包括上定子感应旋转线圈组(12)、上定子基体(14)、上定子十字分隔结构(15)和上定子永磁块(16)，上定子基体(14)的正面分布着上定子感应旋转线圈组(12)，上定子基体(14)的背面设有上定子十字分隔结构(15)和上定子永磁块(16)，上定子十字分隔结构(15)分隔成的四个区域上粘附着上定子永磁块(16)；

所述下定子(2)，还设有下定子公共电容极板(4)、下定子检测及反馈控制电容极板组(6)，下定子公共电容极板(4)、下定子感应旋转线圈组(5)、下定子检测及反馈控制电容极板组(6)和下定子侧向电极(7)由内而外依次分布在下定子基体(8)的正面；

所述上定子(1)，还设有上定子公共电容极板(11)、上定子检测及反馈控制电容极板组(13)，上定子公共电容极板(11)、上定子感应旋转线圈组(12)、上定子检测及反馈控制电容极板组(13)由内而外依次分布在上定子基体(14)的正面；

所述上定子(1)和下定子(2)的相对面在竖直方向形成N-S一一对应的磁极极性相反的关系；

所述转子(3)包括转子上表面Ti层(17)、转子中间反磁结构层(18)和转子下表面Ti层(19)，在转子中间反磁结构层(18)的上、下表面分别覆盖着转子上表面Ti层(17)和转子下表面Ti层(19)。

2.根据权利要求1所述的双模式反磁转子感应旋转微陀螺，其特征是，所述下定子永磁块(10)是由四块永磁片构成的，且相邻永磁片同一端面的电磁极性相异。

3.根据权利要求1所述的双模式反磁转子感应旋转微陀螺，其特征是，所述上定子永磁块(16)是由四块永磁片构成的，且相邻永磁片同一端面的电磁极性相异。

4.根据权利要求1所述的双模式反磁转子感应旋转微陀螺，其特征是，所述转子(3)是一个圆盘形结构。

5.根据权利要求1或4所述的双模式反磁转子感应旋转微陀螺，其特征是，所述转子(3)的圆周边缘与下定子检测及反馈控制电容极板组(6)和上定子检测及反馈控制电容极板组(13)的外圆弧边缘在竖直方向上对齐。

6.根据权利要求1或4所述的双模式反磁转子感应旋转微陀螺，其特征是，所述转子(3)，其外径与下定子检测及反馈控制电容极板组(6)以及上定子检测及反馈控制电容极板组(13)的外径相等。

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