CN101561277B - 反磁悬浮和电晕驱动旋转的微陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用反磁悬浮转子电晕驱动旋转的微陀螺，包括上下定子、微转子、周边结构、齿形结构构成一个笼式结构。定子包括轴向悬浮检测电极、定子圆柱形永磁体，和多个环形永磁体，定子固联在衬底上。反磁转子和上下定子产生的相互作用力使转子自稳悬浮在定子之间。微转子成圆环形，内侧为齿形电极，外侧均布置有周围结构，周围结构为径向悬浮检测电极。本发明结构简单，提出反磁悬浮转子电晕驱动旋转结构，通过永磁体可实现反磁转子自稳悬浮，轴向和径向悬浮检测电极可进一步增强悬浮刚度及实现位置检测。采用MEMS微加工技术制成，易于实施。具有尺寸小，重量轻，成本低，精度高，低功耗的特点。

Description

反磁悬浮和电晕驱动旋转的微陀螺

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术(MEMS)领域的微陀螺，具体地说，涉及的是一种反磁悬浮和电晕驱动旋转的微陀螺

背景技术

随着MEMS技术的发展，惯性传感器件在过去的几年内成为最成功，应用最广泛的微机电系统器件之一。主要受汽车工业的驱动，微加工振动式机械微陀螺仪正在过去几年已取得了广泛的研究，性能显著提高。与此同时，为克服振动式微机械陀螺仪的支悬对称结构性和模态匹配对制造缺陷、温度变化等敏感性，即可进行振动微陀螺结构设计改进，另一方面又要尝试研制新型结构方法的微陀螺，悬浮转子微陀螺因此已得到美、日、英等国的重视，于20世纪90年代初着手研究，并取得一定的研究成果。

经过对现有技术的文献检索发现，B.Damrongsak，M.Kraft在《The 4th IEEEConf.on sensors》(Nov.2005，401-404页)上发表“A MicromachinedElectrostatically Suspended Gyroscope with Digital Force Feedback”，该文提出一种静电悬浮盘形转子的微陀螺。根据上下定子电容检测获得转子的轴向位置，通过轴向悬浮电极上施加电压，利用上下定子轴向悬浮电极和转子之间的静电力实现转子的轴向悬浮；该陀螺旋转是基于可变电容静电微马达的原理工作的。不足之处在于：需要提供悬浮静电力电极和稳定X、Y轴方向位置的控制电极，控制相对复杂，不能自稳悬浮，并且工艺相对复杂；采用变电容旋转驱动的方法，控制方法也较复杂。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种反磁悬浮和电晕驱动旋转的微陀螺，采用永磁材料和反磁材料相结合，使其采用悬浮式反磁敏感质量块，依靠上、下定子对反磁转子提供平衡重力的悬浮力和侧向稳定力，实现自稳定悬浮，功耗小，实现方便，尺寸小，工艺更简单。另外利用电晕作用驱动转子旋转，不需要转速检测即可实现转子的恒高速转动，并且力矩大，结构和控制简单。转子内侧只需要设置齿形电极，因此可做成圆环状，也方便了加工。径向悬浮检测电极进一步增强了微转子的径向稳定悬浮刚度，轴向悬浮检测电极进一步增强了微转子的轴向稳定悬浮刚度，解决背景技术中不能自稳悬浮和控制复杂的不足。

本发明通过以下技术方案来实现的，本发明包括：上定子、下定子、周边结构、微转子，齿形结构，上定子、下定子上下设置，上定子、下定子通过周边结构相连构成一个笼式结构，周边结构设置在微转子周围，微转子置于这个笼式结构的中间，齿形结构位于环形转子的内侧，微转子与齿形结构之间有间隔，上定子包括上定子轴向悬浮检测电极、上定子公共电极、上定子圆柱形轴向充磁永磁体、上定子多个环形轴向充磁永磁体，圆柱形轴向充磁永磁体的圆心通过整个结构的中心线，上定子环形轴向充磁永磁体围绕圆柱形轴向充磁永磁体依次向外排列，上定子轴向悬浮检测电极位于以上定子的中心为圆心的圆上，且彼此间隔相等，上定子轴向悬浮检测电极板的外径小于上定子多个环形轴向充磁永磁体的外径，上定子多个环形轴向充磁永磁体的外径大于环形转子的外径。在上定子面向转子的面上从内向外依次是上定子公共电极，上定子轴向检测电极。上定子轴向检测电极、上定子公共电极与上定子圆柱形轴向充磁永磁体、上定子多个环形轴向充磁永磁体共同固联在基体上，上定子和下定子结构相同，在空间上相向垂直对应。

微转子是一种圆环形结构，主要包括反磁结构层和绝缘结构。绝缘结构和反磁结构层均为环形结构，且绝缘结构位于反磁结构层的内侧。齿形结构采用金属材料Ni制作，绝缘结构可采用PMMA材料制成，转子的反磁结构层采用反磁材料。当在齿形结构施加电压时，转子就会由于库伦排斥的作用被驱动着旋转起来。

周边结构是一个圆环式结构，包括八个径向悬浮检测电极，这八个径向电极板均匀的分布在以微转子中心为圆心的圆上，且彼此间隔相等。可以分别实现径向悬浮控制和径向电容检测的功能。当转子发生径向偏移时，分别在相应径向悬浮检测电极对上施加交流电，可以实现径向电容检测，同时在相应电极上施加直流电可进一步增强径向悬浮刚度。为了保证整个器件的性能，可采用真空封装。

本发明不仅具有能够自稳的设置：上下定子圆柱形充磁永磁体、上下定子多个环形充磁永磁体和环形转子，而且具有轴向和径向两个悬浮设置，多个悬浮设置可以相互补充，提高陀螺整体悬浮刚度和效果。

稳定悬浮是实现本发明的关键技术。本发明中的上定子圆柱形轴向充磁永磁体、上定子多个环形轴向充磁永磁体、下定子圆柱形轴向充磁永磁体、下定子多个环形轴向充磁永磁体和反磁转子组成一个稳定的悬浮系统。具体为：当上定子圆柱形轴向充磁永磁体、上定子多个环形轴向充磁永磁体、下定子圆柱形轴向充磁永磁体、下定子多个环形轴向充磁永磁体轴向充磁时，上下定子永磁体对反磁转子提供悬浮力和侧向稳定力，实现无控制自稳起支悬浮，同时，上下定子的轴向悬浮检测电极和径向悬浮检测电极与环形转子之间的静电力可进一步提高陀螺的轴向悬浮刚度和侧向悬浮刚度，增强稳定悬浮性能。

本发明转子旋转是由电晕原理驱动的。在齿形电极上施加直流电，在齿形电极的尖端会产生电晕放电现象，这时齿形电极和环形转子之间形成一个高强的不均匀电场，齿形电极和转子之间的空气被电离，转子表面结构被不断的充电。齿形电极和转子由于库伦排斥力的作用相互影响，从而带动转子高速旋转。本陀螺的旋转不需要转速检测即可实现恒高速旋转。

本发明位置检测包括轴向位置检测和径向位置检测。径向位置是通过提取径向检测电极对和转子之间的电容值来实现的。轴向位置检测是通过提取上下定子轴向检测电极与转子之间的电容值来实现的。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：利用反磁悬浮电晕驱动的微陀螺结构简单，可自稳悬浮，可大大提高微转子旋转扭矩，进而提高微转子的转速，从而提高陀螺的测量精度。

附图说明

图1本发明总体结构示意图；

图2本发明上定子电极结构示意图；

图3本发明下定子电极结构示意图；

图4本发明周边结构和齿形结构示意图；

图5本发明转子结构示意图；

图6本发明上定子永磁体结构示意图；

图7本发明上定子永磁体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做详细的说明：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并不限于下述的实施例。

如图1、2、6所示，本实施例包括：上定子1、下定子4、周边结构2、微转子3，齿形结构31，上定子1、下定子4上下设置，上定子1、下定子4通过周边结构2相连构成一个笼式结构，周边结构2设置在微转子3周围，微转子3置于这个笼式结构的中间，齿形结构31位于环形转子的内侧，微转子3与齿形结构31之间有间隔，上定子1包括上定子轴向悬浮检测电极、上定子公共电极5、上定子圆柱形轴向充磁永磁体40、上定子环形轴向充磁永磁体，上定子圆柱形轴向充磁永磁体40的圆心通过整个结构的中心线，上定子环形轴向充磁永磁体围绕圆柱形轴向充磁永磁体40依次向外排列，上定子轴向悬浮检测电极位于以上定子的中心为圆心的圆上，且彼此间隔相等，上定子轴向悬浮检测电极的外径小于上定子环形轴向充磁永磁体的外径，上定子环形轴向充磁永磁体的外径大于微转子3的外径，在上定子面向转子的面上从内向外依次是上定子公共电极5，上定子轴向检测电极，上定子轴向检测电极板、上定子公共电极板5与上定子圆柱形轴向充磁永磁体40、上定子环形轴向充磁永磁体共同固联在基体上，上定子1和下定子4结构相同，在空间上相向垂直对应。

上定子轴向悬浮检测电极包括：上定子第一轴向悬浮检测电极6、上定子第二轴向悬浮检测电极7、上定子第三轴向悬浮检测电极8、上定子第四轴向悬浮检测电极9、上定子第五轴向悬浮检测电极10、上定子第六轴向悬浮检测电极11、上定子第七轴向悬浮检测电极12、上定子第八轴向悬浮检测电极13。

上定子环形轴向充磁永磁体包括：上定子第一环形轴向充磁永磁体34、上定子第二环形轴向充磁永磁体35、上定子第三环形轴向充磁永磁体36、上定子第四环形轴向充磁永磁体37、上定子第五环形轴向充磁永磁体38、上定子第六环形轴向充磁永磁体39构成。

上定子环形轴向充磁永磁体围绕圆柱形轴向充磁永磁体40依次向外排列，从外到内依次是：上定子第一环形轴向充磁永磁体34、上定子第二环形轴向充磁永磁体35、上定子第三环形轴向充磁永磁体36、上定子第四环形轴向充磁永磁体37、上定子第五环形轴向充磁永磁体38、上定子第六环形轴向充磁永磁体39、圆柱形轴向充磁永磁体40。

如图3和7所示，下定子4由下定子第一轴向悬浮检测电极15、下定子第二轴向悬浮检测电极16、下定子第三轴向悬浮检测电极17、下定子第四轴向悬浮检测电极18、下定子第五轴向悬浮检测电极19、下定子第六轴向悬浮检测电极20、下定子第七轴向悬浮检测电极21、下定子第八轴向悬浮检测电极22、下定子公共电极14、下定子圆柱形轴向充磁永磁体47、下定子第一环形轴向充磁永磁体41、下定子第二环形轴向充磁永磁体42、下定子第三环形轴向充磁永磁体43、下定子第四环形轴向充磁永磁体44、下定子第五环形轴向充磁永磁体45、下定子第六环形轴向充磁永磁体46构成。下定子圆柱形轴向充磁永磁体47是圆柱形的，下定子第一环形轴向充磁永磁体41、下定子第二环形轴向充磁永磁体42、下定子第三环形轴向充磁永磁体43、下定子第四环形轴向充磁永磁体44、下定子第五环形轴向充磁永磁体45、下定子第六环形轴向充磁永磁体46组成多个下定子环形轴向充磁永磁体，这两种永磁体都是轴向充磁的，他们共同组成下定子永磁体，圆柱形轴向充磁永磁体47的圆心通过整个结构的中心线，多个下定子环形轴向充磁永磁体围绕圆柱形轴向充磁永磁体47依次向外排列，从外到内依次是：下定子第一环形轴向充磁永磁体41、下定子第二环形轴向充磁永磁体42、下定子第三环形轴向充磁永磁体43、下定子第四环形轴向充磁永磁体44、下定子第五环形轴向充磁永磁体45、下定子第六环形轴向充磁永磁体46、圆柱形轴向充磁永磁体47。下定子第一轴向悬浮检测电极15、下定子第二轴向悬浮检测电极16、下定子第三轴向悬浮检测电极17、下定子第四轴向悬浮检测电极18、下定子第五轴向悬浮检测电极19、下定子第六轴向悬浮检测电极20、下定子第七轴向悬浮检测电极21、下定子第八轴向悬浮检测电极22位于以下定子的中心为圆心的圆上，且彼此间隔相等。在下定子4面向转子的面上从内向外依次是下定子公共电极板14，下定子轴向悬浮检测电极板。下定子轴向悬浮检测电极板、下定子公共电极板14与下定子永磁体共同固联在基体上，且下定子永磁体位于下定子轴向检测电极和下定子公共电极板的下侧。下定子永磁体的外径大于微转子3的外径，下定子永磁体的外径也大于下定子轴向悬浮检测电极的外径，下定子轴向悬浮检测电极的外径等于环形转子的外径。

上定子1和下定子4的圆形轴向充磁永磁体的外形尺寸应一致，上定子1和下定子2从内向外相应的多个环形轴向充磁永磁体外形尺寸要一致，即下定子圆柱形轴线充磁永磁体47的直径和高度与上定子圆柱形轴向充磁永磁体40的直径和高度相等。则上定子第一环形轴向充磁永磁体39的环内直径、环外直径和高度应与下定子第一环形轴向充磁永磁体46的环内直径、环外直径和高度相等，上定子的第二环形轴向充磁永磁体38的环内直径、环外直径和高度应与下定子的第二环形轴向充磁永磁体45的环内直径、环外直径和高度相等，依此类推。以此类推，上定子轴向悬浮检测电极与下定子轴向悬浮检测电极外形尺寸也是一致的。

如图5所示，微转子3是一种圆环形结构，包括反磁结构层33和绝缘结构32，绝缘结构32和反磁结构层33均为环形结构，且绝缘结构32位于反磁结构层33的内侧。齿形结构31采用金属材料Ni制作，绝缘结构32可采用PMMA材料制成，转子的反磁结构层33采用反磁材料。

如图4所示，周边结构2是一个圆环式结构，包括八个径向悬浮检测电极，径向第一悬浮检测电极23、径向第二悬浮检测电极24、径向第三悬浮检测电极25、径向第四悬浮检测电极26、径向第五悬浮检测电极27、径向第六悬浮检测电极28、径向第七悬浮检测电极29、径向第八悬浮检测电极30。这八个径向电极板均匀的分布在以微转子3中心为圆心的圆上，且彼此间隔相等。这些径向悬浮检测电极可以经一步增强径向悬浮刚度、实现电容检测。

本发明的悬浮：本发明中的上定子圆柱形轴向充磁永磁体40、上定子多个环形轴向充磁永磁体、下定子圆柱形轴向充磁永磁体47、下定子多个环形轴向充磁永磁体和反磁转子3组成一个稳定的悬浮系统。具体为：当上定子圆柱形轴向充磁永磁体40、上定子多个环形轴向充磁永磁体、下定子圆柱形轴向充磁永磁体47、下定子多个环形轴向充磁永磁体轴向充磁时，上下定子永磁体对反磁转子提供悬浮力和侧向稳定力，实现无控制自稳起支悬浮，同时，上下定子的轴向悬浮检测电极和径向悬浮检测电极与环形转子3之间的静电力可进一步提高陀螺的轴向悬浮刚度和侧向悬浮刚度，增强稳定悬浮性能。本发明在施加静电电压之前，转子因反磁作用已悬浮在平衡位置，所以相比一般的静电悬浮微陀螺，降低了转子3的起支过程和起支控制难度。采用轴向充磁的圆柱形永磁体和多环形永磁体布置，非常易于加工和充磁，容易形成所需要的静态磁场梯度和分布，且理论上能形成圆周方向上无变化静态磁场，这样在任意水平和径向方向上，由于磁场分布是一样的，因此对加速度的敏感也一样，方便了水平方向加速度的测量。同时，设置有反磁物质的转子3在次静态磁场中非常容易实现稳定支撑悬浮，因此方便的实现了稳定悬浮支撑这一关键。

假设参考坐标系如下：x轴平行于以上定子第二轴向悬浮稳定电极7和上定子第三轴向悬浮稳定电极8的中线，y轴平行于以上定子第四轴向悬浮稳定电极9和上定子第五轴向悬浮稳定电极10的中线，z轴垂直于x和y轴。原点是当环形转子位于平衡位置时的几何中心点。

径向悬浮通过径向悬浮检测电极来实现。当转子发生径向偏移时，在相应的径向电极上施加直流电压可实现悬浮控制，具体为：若环形转子沿x轴正向移动，即当环形转子朝向第五径向悬浮检测电极27和第六径向悬浮检测电极28方向运动时，则在第一径向悬浮检测电极23、第二径向悬浮检测电极24上施加幅值相等，极性相反的直流电压，即可把转子拉回到平衡位置。转子沿x轴负向发生移动，可依此类推；若环形转子沿y轴正向发生移动，即当环形转子朝向第七径向悬浮检测电极29和内围第八径向悬浮检测电极30方向运动时，则在第三径向悬浮检测电极25、第四径向悬浮检测电极26上施加幅值相等，极性相反的直流电压，即可把转子拉回到平衡位置。转子沿y轴负向发生移动，可依此类推。

本发明的旋转：环形转子3的内侧设有齿形电极31，齿形电极31与环形转子的转子表面结构32有一定的间隔，当在当在齿形电极31上施加电压时，微转子3上的齿形电极31尖端产生电晕放电现象，形成高强的不均匀电场。这个电场就会使它和转子间的空气电离化，微转子3表面结构就会由于电晕放电作用被充电，微转子3和齿形电极31就会由于库伦排斥的作用被驱动着旋转起来。电晕驱动旋转不需要转速检测即可实现恒高速旋转，控制简单。

本陀螺工作时，其位置检测是这样完成的：

(1)当用于检测竖直方向z轴环形转子的位移信号时，若转子向上平移，给上定子第八轴向悬浮检测电极13定子第一轴向悬浮检测电极6加频率为f1的高频交流电，而在下定子轴向第八悬浮检测电极22定子轴向第一悬浮检测电极15同频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波；上定子第二轴向悬浮检测电极7上定子第三轴向悬浮检测电极8加频率为f2的高频交流电，而在下定子轴向第二悬浮检测电极16子轴向第三悬浮检测电极17频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波；依此类推，上下定子第四轴向悬浮检测电极、上下定子第五轴向悬浮检测电极施加相同频率、幅值大小相等、相位差180度频率为f3的高频载波，上下定子第六轴向悬浮检测电极、上下定子第七轴向悬浮检测电极施加相同频率、幅值大小相等、相位差180度频率为f4的高频载波。再通过定子公共电极板输出差分电容信号，经过电路调理可以检测出环形转子输入的z轴上的位移信号。

(2)当用于检测环形转子绕y轴的位置变化时，给上定子第二轴向悬浮检测电极7上定子第三轴向悬浮检测电极8加频率为f2的高频交流电，在下定子第二轴向悬浮检测电极16定子第三轴向悬浮检测电极17相同频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波；在上定子第六轴向悬浮检测电极11定子第七轴向悬浮检测电极12率为f4的高频交流电，而在下定子第六轴向悬浮检测电极20定子第七轴向悬浮检测电极21相同频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波，通过定子公共电极板输出差分电容信号，经过电路调理可以检测出输入的z轴信号。

(3)当用于检测环形转子绕x轴的位置变化时，给上定子第八轴向悬浮检测电极13定子第一轴向悬浮检测电极7加频率为f1的高频交流电，在下定子第八轴向悬浮检测电极22定子第一轴向悬浮检测电极15相同频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波；在上定子第四轴向悬浮检测电极9、定子第五轴向悬浮检测电极10加频率为f3的高频交流电，而在下定子第四轴向悬浮检测电极18定子第五轴向悬浮检测电极19相同频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波，通过定子公共电极板输出差分电容信号，经过电路调理可以检测出输入的z轴信号。

(4)当用于检测环形转子沿x轴发生位移时，在第一径向悬浮检测电极23、第二径向悬浮检测电极24施加高频交流电，而在第五径向悬浮检测电极27、第六径向悬浮检测电极28施加相同频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波；通过定子公共电极板输出差分电容信号，经过电路调理可以检测出输入的x轴信号。转子沿x轴负向发生偏移，依此类推。

(5)当用于检测环形转子沿y轴发生位移时，在第三径向悬浮检测电极25、第四径向悬浮检测电极26施加高频交流电，而在第七径向悬浮检测电极29、第八径向悬浮检测电极30施加相同频率、幅值大小相等、相位差180度的高频交流载波；通过定子公共电极板输出差分电容信号，经过电路调理可以检测出输入的y轴信号。

陀螺仪可敏感二轴角速度。假设该陀螺的转子绕z轴转动的角速度为ω，转动惯量为I，该陀螺以角速度v绕y轴转动，由于陀螺的定轴性，转子将会在x轴向发生偏移，转角为v’，位于上定子1和下定子4上的相应的检测电极通过施加相应的高频载波，就会检测到转子的位置偏移，从而在相应的悬浮电极上施加电压产生再平衡力矩Mx，由再平衡力矩Mx便可得知输入y轴角速度的大小v＝Mx/Iω。陀螺敏感x轴角速度均可依次类推。

陀螺仪也可以敏感三轴向线加速度。当陀螺壳体受到如沿x轴正向的线加速度ax时，转子由于惯性仍然静止，则转子相对定子有沿x轴负向的线位移。经位移检测后，控制电子线路产生控制电压，并加到x轴向布置的径向定子电极上，于是产生x轴负向的静电平衡力Fx使转子回到壳体平衡位置。根据静电平衡力Fx，可求得输入的线加速度ax＝Fm，m为转子的质量。同理，由静电平衡力Fy、Fz可分别求得其它两轴输入的线角速度ay、az。

Claims (4)

1.一种反磁悬浮和电晕驱动旋转的微陀螺，包括：上定子、下定子、周边结构、微转子，齿形结构，上定子、下定子上下设置，其特征在于：上定子、下定子通过周边结构相连构成一个笼式结构，周边结构设置在微转子周围，微转子置于这个笼式结构的中间，齿形结构位于环形转子的内侧，微转子与齿形结构之间有间隔，上定子包括上定子轴向悬浮检测电极、上定子公共电极、上定子圆柱形轴向充磁永磁体、上定子环形轴向充磁永磁体，圆柱形轴向充磁永磁体的圆心通过整个结构的中心线，上定子多个环形轴向充磁永磁体围绕圆柱形轴向充磁永磁体依次向外排列，上定子轴向悬浮检测电极位于以上定子的中心为圆心的圆上，且彼此间隔相等，上定子轴向悬浮检测电极板的外径小于上定子多个环形轴向充磁永磁体的外径，上定子多个环形轴向充磁永磁体的外径大于环形转子的外径，在上定子面向转子的面上从内向外依次是上定子公共电极，上定子轴向检测电极，上定子轴向检测电极、上定子公共电极与上定子圆柱形轴向充磁永磁体、上定子环形轴向充磁永磁体共同固联在基体上，上定子和下定子结构相同，在空间上相向垂直对应；

所述的微转子是一种圆环形结构，包括反磁结构层和绝缘结构，绝缘结构和反磁结构层均为环形结构，且绝缘结构位于反磁结构层的内侧；

所述的周边结构是一个圆环式结构，包括八个径向悬浮检测电极，这八个径向电极板均匀的分布在以微转子中心为圆心的圆上，且彼此间隔相等。

2.根据权利要求1所述的反磁悬浮和电晕驱动旋转的微陀螺，其特征是，齿形结构采用金属材料Ni制作。

3.根据权利要求1所述的反磁悬浮和电晕驱动旋转的微陀螺，其特征是，绝缘结构采用PMMA材料制成。

4.根据权利要求1所述的反磁悬浮和电晕驱动旋转的微陀螺，其特征是，反磁结构层采用反磁材料。 

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