CN101059344A - 流体与旋转驱动一体化挠性硬磁补偿式静电加矩微陀螺仪 - Google Patents
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Abstract
一种微机电系统领域的流体与旋转驱动一体化挠性硬磁补偿式静电加矩微陀螺仪，包括：转子、定子、挠性梁，转子由旋转驱动线圈、挠性补偿硬磁圆环、绝缘层、角动量层构成，而角动量层又由基体和注有金属流体的环形腔体构成。定子包括第一基体、检测电极、反馈加矩静电电极、挠性补偿硬磁极板，通过挠性梁把定子与转子连为一体。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挠性补偿硬磁圆环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。在转子上加工旋转驱动线圈，有效减小由旋转驱动线圈产生的磁场对转子所造成的干扰，并使用反馈加矩静电电极对转子进行反馈控制，采用单定子结构。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种微机电技术领域的微陀螺，具体是一种流体与旋转驱动一体化挠性硬磁补偿式静电加矩微陀螺仪。
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，它们各有其特点。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，提出一种流体与旋转驱动一体化挠性硬磁补偿式静电加矩微陀螺仪。该陀螺仪使用单定子结构，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。在转子上加工旋转驱动线圈，旋转驱动线圈与转子成为一体，有效减小由旋转驱动线圈产生的磁场对转子所造成的干扰，从而使得转子能更好的响应外界角速度的变化。转子的基体是用金属作材料，转子绝缘层的上表面加工了一个由硬磁材料制造的圆环。在定子上加工硬磁材料，定子上的硬磁材料与转子绝缘层的上表面的硬磁圆环具有磁吸引力，从而能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。
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。转子包括旋转驱动线圈、挠性补偿硬磁圆环、绝缘层、角动量层，角动量层又由第二基体和环形腔体构成，环形腔体位于第二基体内，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旋转，产生角动量，绝缘层设于角动量层的上表面，旋转驱动线圈设于绝缘层的上表面，旋转驱动线圈在以转子的中心为圆心的圆周方向上呈对称分布，在绝缘层的上表面，挠性补偿硬磁圆环位于旋转驱动线圈的外侧，并在以转子中心为圆心的圆周方向上呈对称分布，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；定子包括第一基体、检测电极、反馈加矩静电电极、挠性补偿硬磁极板，在第一基体的上表面的内侧分布着八个检测电极、第一基体的上表面的外侧分布着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圆心的圆环上，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。两个紧邻的反馈加矩静电电极形成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互相交替，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。
本发明流体与旋转驱动一体化挠性硬磁补偿式静电加矩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。转子的基体材料为金属，转子的基体材料也可以使用镍等软磁材料，以获得更好的挠性补偿效果。旋转驱动线圈的材料是铜，挠性补偿硬磁极板与挠性补偿硬磁圆环是以硬磁作材料的。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检测电极、反馈加矩静电电极和挠性补偿硬磁极板，检测电极、反馈加矩静电电极都也是以铜为材料，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绝缘层上加工检测电极、反馈加矩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。通过金属流体的高速旋转来产生陀螺的角动量，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。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，并将旋转驱动线圈加工于转子上，使旋转驱动线圈与转子成为一体，有效减小由旋转驱动线圈产生的磁场对转子所造成的干扰，从而使得转子能更好的响应外界角速度的变化。本发明中充分融合了金属流体高速旋转产生角动量、硬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。
本发明中转子是用金属作材料，在定子上加工挠性补偿硬磁极板和转子上加工挠性补偿硬磁圆环通过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。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图
图2为本发明下定子结构立体图
图3为本发明挠性梁结构立体图
图4为本发明转子结构立体图
图5为本发明转子角动量层结构剖视图
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、图5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连为一体，挠性梁2会随着转子1和定子3的相对位置的偏移而发生形变。转子1由旋转驱动线8圈、挠性补偿硬磁圆环9、绝缘层10、角动量层11构成，角动量层11又由第二基体12和环形腔体13构成。定子3由第一基体4、检测电极5、反馈加矩静电电极6、挠性补偿硬磁极板7。
如图2所示，在定子3的第一基体4的上表面的内侧分布着检测电极5，第一基体4的上表面的外侧分布着反馈加矩静电电极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，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。两个紧邻的反馈加矩静电电极6形成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。本发明中选用了八个检测电极5、四对反馈加矩静电电极6与四个挠性补偿硬磁极板7。八个检测电极5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1形成的差分检测电容可以检测转子1的位置变化。四对反馈加矩静电电极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，在反馈加矩静电电极6上施加电压，通过静电感应，将在转子1上产生感应电荷，从而在反馈加矩静电电极6和转子1之间产生静电力使得转子1恢复到平衡位置，以达到对转子1进行反馈控制的效果。四个挠性补偿硬磁极板7在圆周方向也呈对称分布，挠性补偿硬磁极板7用于补偿挠性梁2由于形变产生的干扰力矩。当转子1发生偏移时，由于挠性梁2会产生干扰力矩，此干扰力矩会使转子1偏离平衡位置，因此需要补偿该干扰力矩，补偿的目的是为了使转子1成为自由支撑体。要获得补偿效果，在转子1上表面加工一个挠性补偿硬磁圆环9，挠性补偿硬磁圆环9的内径与定子3上挠性补偿硬磁极板7在以定子3中心为圆心的圆周方向上的内径相同，挠性补偿硬磁圆环9的外径与定子3上挠性补偿硬磁极板7在以定子3中心为圆心的圆周方向上的外径相同。这个挠性补偿硬磁圆环9与转子1绝缘层10相连接的一面为S极硬磁材料层、另一面为N极的硬磁材料层，而定子3上挠性补偿硬磁极板7亦为硬磁材料，挠性补偿硬磁极板7的面向转子1的一面为N极、另一面为S极，因此挠性补偿硬磁极板7与挠性补偿硬磁圆环9之间有磁吸引力。当转子1处于平衡位置时，挠性补偿硬磁圆环9受到挠性补偿硬磁极板7的总磁吸引力为零，由于挠性补偿硬磁圆环9是转子1的组成部分，从而使得转子1所受到的磁性材料所施加的总作用力为零；当转子1偏离平衡位置时，挠性补偿硬磁圆环9受到挠性补偿硬磁极板7的总磁吸引力产生的力矩，亦即转子1所受到的硬磁材料所施加的总作用力产生的力矩与挠性梁2由于形变产生的干扰力矩相抵消，达到补偿效果。
如图3所示，通过图3中显示的挠性梁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和图5所示，转子1是通过微细加工工艺，在第二基体12的内部加工一个以转子1中心为圆心的环形腔体13，环形腔体13生成后，在第二基体12中打孔，把金属流体通过孔注入环形腔体13中，形成环形金属流体腔体。第二基体12与环形腔体13组合为角动量层11。再在第二基体12的上表面溅射一层Al2O3绝缘层10，并在绝缘层10的上表面加工八个旋转驱动线圈8。八个旋转驱动线圈8在以转子1中心为圆心的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8的电流相位差为90°。环形腔体13中的金属流体受到旋转驱动线圈8施加的旋转磁场的作用而高速旋转，产生角动量，从而能够响应外界角速度的变化。在转子1的圆周方向上，环形腔体13的内径与旋转驱动线圈8的内径相同，环形腔体13的外径与旋转驱动线圈8的外径相同，以使得旋转驱动线圈8对环形腔体13中的金属流体具有最好的旋转驱动效果。在绝缘层10的上表面，挠性补偿硬磁圆环9位于旋转驱动线圈8的外侧，并在以转子1中心为圆心的圆周方向上呈对称分布。挠性补偿硬磁圆环9用于补偿挠性梁2由于形变产生的干扰力矩。
本实施例流体与旋转驱动一体化挠性硬磁补偿式静电加矩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的第二基体12材料为镍，旋转驱动线圈8的材料是铜，挠性补偿硬磁极板7与挠性补偿硬磁圆环9是以硬磁作材料的。定子3的第一基体4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检测电极5、反馈加矩静电电极6和挠性补偿硬磁极板7，检测电极5、反馈加矩静电电极6都也是以铜为材料，挠性梁2的材料为镍。
Claims (10)
1、一种流体与旋转驱动一体化挠性硬磁补偿式静电加矩微陀螺仪，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)包括旋转驱动线圈(8)、挠性补偿硬磁圆环(9)、绝缘层(10)、角动量层(11)，角动量层(11)又由第二基体(12)和环形腔体(13)构成，环形腔体(13)位于第二基体(12)内，旋转驱动线圈(8)设于绝缘层(10)的上表面，绝缘层(10)设于角动量层(11)的上表面，旋转驱动线圈(8)在以转子(1)的中心为圆心的圆周方向上呈对称分布，在绝缘层(10)的上表面，挠性补偿硬磁圆环(9)位于旋转驱动线圈(8)的外侧，并在以转子(1)中心为圆心的圆周方向上呈对称分布；
定子(3)包括第一基体(4)、检测电极(5)、反馈加矩静电电极(6)、挠性补偿硬磁极板(7)，在第一基体(4)的上表面的内侧分布着八个检测电极(5)，第一基体(4)的上表面的外侧分布着八个反馈加矩静电电极(6)、四个挠性补偿硬磁极板(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，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，两个紧邻的反馈加矩静电电极(6)形成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互相交替，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所述的流体与旋转驱动一体化挠性硬磁补偿式静电加矩微陀螺仪，其特征是，所述的转子(1)上的环形腔体(13)的内径与旋转驱动线圈(8)在以转子(1)的中心为圆心的圆周方向上的内径相同。
3、根据权利要求1所述的流体与旋转驱动一体化挠性硬磁补偿式静电加矩微陀螺仪，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，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所述的流体与旋转驱动一体化挠性硬磁补偿式静电加矩微陀螺仪，其特征是，所述的转子(1)，其中环形腔体(13)中注有金属流体，环形腔体(13)中的金属流体在旋转驱动线圈(8)所施加的旋转磁场的作用下旋转，产生角动量。
5、根据权利要求1所述的流体与旋转驱动一体化挠性硬磁补偿式静电加矩微陀螺仪，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(3)中心为圆心的圆环上，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，两个紧邻的反馈加矩静电电极(6)形成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互相交替。
6、根据权利要求1或2所述的流体与旋转驱动一体化挠性硬磁补偿式静电加矩微陀螺仪，其特征是，所述转子(1)上的环形腔体(13)的外径与旋转驱动线圈(8)在以转子(1)中心为圆心的圆周方向上的外径相同。
7、根据权利要求1或2所述的流体与旋转驱动一体化挠性硬磁补偿式静电加矩微陀螺仪，其特征是，所述的相邻旋转驱动线圈(8)的电流相位差为90°。
8、根据权利要求1所述的流体与旋转驱动一体化挠性硬磁补偿式静电加矩微陀螺仪，其特征是，所述挠性补偿硬磁圆环(9)的内径与定子(3)上挠性补偿硬磁极板(7)在以定子(3)中心为圆心的圆周方向上的内径相同。
9、根据权利要求1或8所述的流体与旋转驱动一体化挠性硬磁补偿式静电加矩微陀螺仪，其特征是，所述挠性补偿硬磁圆环(9)的外径与定子(3)上挠性补偿硬磁极板(7)在以定子(3)中心为中心的圆周方向上的外径相同。
10、根据权利要求1或8所述的流体与旋转驱动一体化挠性硬磁补偿式静电加矩微陀螺仪，其特征是，所述挠性补偿硬磁圆环(9)与转子(1)绝缘层(10)相连接的一面为S极硬磁材料层、另一面为N极的硬磁材料层，而定子(3)上挠性补偿硬磁极板(7)亦为硬磁材料，挠性补偿硬磁极板(7)的面向转子(1)的一面为N极、另一面为S极。
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