CN102564409B - 电磁驱动框架结构的转子式微机械陀螺 - Google Patents

电磁驱动框架结构的转子式微机械陀螺 Download PDF

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Abstract

电磁驱动框架结构的转子式微机械陀螺，包括径向充磁的微陀螺金属圆盘转子和微陀螺定子，微陀螺金属圆盘转子位于微陀螺金属圆盘转子内部中心位置，还包括上十字支撑框架、下十字支撑框架，多个线圈、八个压电结构、第一轴、第二轴、第一轴承和第二轴承，微陀螺金属圆盘转子位于上、下十字框架的中心位置，第一轴和第二轴分别位于微陀螺金属圆盘转子上下面的圆心位置处，第一轴与上十字支撑框架的中心位置一体化连接，第二轴与下十字支撑框架的中心位置一体化连接，第一轴、第一轴承和微陀螺金属圆盘转子的圆心为同心。本发明具有结构简单、易于装配和可靠性高的特点，同时本发明体积小、成本低、灵敏度高和易于实现。

Description

电磁驱动框架结构的转子式微机械陀螺
技术领域
本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的微陀螺，特别是一种电磁驱动框架结构的转子式微机械陀螺。
背景技术
陀螺是一种测量物体相对于惯性空间角度或速率的传感装置。在过去的二十多年的时间里，随着MEMS技术的发展，由于MEMS器件具有体积小、重量轻、功耗低、抗冲击、能适用于较为恶劣的环境条件等优点，使得MEMS微陀螺已经成为未来陀螺技术的主要发展方向之一。而振动式MEMS陀螺受尺寸减小和加工工艺精度的限制，偏置稳定性停滞在1°/h左右的中等精度水平，性能难以继续提高。
利用电磁力或静电力使转子悬转起来，可以提高微陀螺质量块的运动速度，在理论上，悬浮转子式微陀螺相对于振动式微陀螺具有更大的哥氏力和更高的灵敏度，且可实现双轴角速度和三轴加速度测量。但由于传统的悬浮转子陀螺使用电磁力或静电力使转子悬浮起来，转子的体积非常小，转子转速和稳定性的受到限制，旋转式微陀螺精度并没有明显的改善。经过对现有技术的文献检索发现，中国专利号为：200910052145.5，名称为：利用电磁和电荷弛豫工作的悬浮转子微陀螺，通过设置双重悬浮稳定线圈实现微转子自稳悬浮，通过转子的电荷弛豫层感应出之后的电压行波，从而带动转子高速旋转，通过电容检测实现对角速度的侧脸。该发明中提出的电磁和电晕工作的悬浮转子微陀螺，其不足之处是采用静电或电磁悬浮，没有支撑结构，其定轴性和运动稳定性不好，需要复杂的控制系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种利用电磁驱动框架结构的转子式微陀螺，由于具有支撑轴，在外界电磁场的驱动下能够实现高速稳定的旋转，通过对十字支撑梁上的压电结构信号的检测，可以实现对双轴角速度的检测。
本发明是通过以下技术方案实现的：电磁驱动框架结构的转子式微机械陀螺，包括径向充磁的微陀螺金属圆盘转子(1)和微陀螺定子(2)，微陀螺金属圆盘转子(1)位于微陀螺金属圆盘转子(2)内部中心位置，还包括上十字支撑框架(3-1)、下十字支撑框架(3-2)，多个线圈(4)、八个压电结构(5)、第一轴(6-1)、第二轴(6-2)、第一轴承(7-1)和第二轴承(7-2)，微陀螺金属圆盘转子(1)位于上、下十字框架的中心位置，第一轴(6-1)和第二轴(6-2)分别位于微陀螺金属圆盘转子(1)上下面的圆心位置处，第一轴(6-1)与上十字支撑框架(3-1)的中心位置一体化连接，第二轴(6-2)与下十字支撑框架(3-2)的中心位置一体化连接，第一轴(6-1)与第一轴承(7-1)相连接，第二轴(6-2)与第二轴承(7-2)相连接，每个轴承上有润滑剂，第一轴(6-1)、第一轴承(7-1)和微陀螺金属圆盘转子(1)的圆心(8)为同心，上十字支撑框架(3-1)和下十字支撑框架(3-2)的每个十字的末端与压电结构的一端(5)相连接，每个压电结构(5)的另外一端与微陀螺的定子(2)相连接，位于微陀螺金属圆盘转子(1)的同一平面并沿其圆周平均分布有多个线圈(4)，每个线圈的匝数相同；在线圈(4)上通相位互不交叠的高频交流信号，在微陀螺金属圆盘转子周围形成旋转电磁场，在此旋转电磁场作用下，微陀螺金属圆盘转子(1)高速旋转。
本发明还具有如下特征：
1、所述的轴承为宝石轴承或机械轴承。
2、所述的线圈的数量为偶数。
3、所述的线圈的数量为4、6或8个线圈。
4、一种磁驱动框架结构的转子式微机械陀螺的角速度检测方法，当外界对电磁驱动框架结构的转子式微机械陀螺输入角速度信号时，由于微陀螺金属圆盘转子在哥氏力的作用下发生偏转，上下十字支撑框架发生形变，与上下十字支撑框架相连接的压电结构输出检测信号，检测信号进行处理后，信号反馈到压电结构控制十字支撑框架，给微陀螺金属圆盘转子施加反馈力矩，微陀螺金属圆盘转子进动到与上下十字支撑框架平行的位置，从而实现对转子的闭环控制，同时，通过力矩再平衡原理实现外界输入角速度的测量。
本发明具有实质性的进步，整个器件轴向布置，微机械陀螺的关键部件如上下十字支撑框架、转子、定子采用微细加工技术一体化成型，系统采用电磁驱动，电磁驱动力矩较大，具有较高的运动速度，高速旋转的陀螺转子的定轴性和稳定性好，本发明具有结构简单、易于装配和可靠性高的特点，同时本发明体积小、成本低、灵敏度高和易于实现。
附图说明：
图1为本发明的俯视结构示意图。
图2为本发明的侧视结构示意图；
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，
实施例1：
电磁驱动框架结构的转子式微机械陀螺，包括径向充磁的微陀螺金属圆盘转子(1)和微陀螺定子(2)，微陀螺金属圆盘转子(1)位于微陀螺金属圆盘转子(2)内部中心位置，其特征在于：还包括上十字支撑框架(3-1)、下十字支撑框架(3-2)，4个线圈(4)、八个压电结构(5)、第一轴(6-1)、第二轴(6-2)、第一轴承(7-1)和第二轴承(7-2)，微陀螺金属圆盘转子(1)位于上、下十字框架的中心位置，第一轴(6-1)和第二轴(6-2)分别位于微陀螺金属圆盘转子(1)上下面的圆心位置处，第一轴(6-1)与上十字支撑框架(3-1)的中心位置一体化连接，第二轴(6-2)与下十字支撑框架(3-2)的中心位置一体化连接，第一轴(6-1)与第一轴承(7-1)相连接，第二轴(6-2)与第二轴承(7-2)相连接，每个轴承上有润滑剂，第一轴(6-1)、第一轴承(7-1)和微陀螺金属圆盘转子(1)的圆心(8)为同心，上十字支撑框架(3-1)和下十字支撑框架(3-2)的每个十字的末端与压电结构的一端(5)相连接，每个压电结构(5)的另外一端与微陀螺的定子(2)相连接，位于微陀螺金属圆盘转子(1)的同一平面并沿其圆周平均分布有4个线圈(4)，每个线圈的匝数相同；在线圈(4)上通相位互不交叠的高频交流信号，在微陀螺金属圆盘转子周围形成旋转电磁场，在此旋转电磁场作用下，微陀螺金属圆盘转子(1)高速旋转。微陀螺的轴与上下十字支撑框架相连接后，可以有效的避免附加力矩对陀螺定轴性的影响，这样，高速转动的微陀螺金属圆盘转子具有较好的运动稳定性。所述的轴承为宝石轴承或机械轴承。
当外界输入角速度信号时，由于微陀螺金属圆盘转子在哥氏力的作用下发生偏转，上下十字支撑框架发生形变，与上下十字支撑框架相连接的压电结构输出检测信号，检测信号进行处理后，信号反馈到压电结构控制十字支撑框架，给微陀螺金属圆盘转子施加反馈力矩，微陀螺金属圆盘转子进动到与上下十字支撑框架平行的位置，从而实现对转子的闭环控制，同时，通过力矩再平衡原理实现外界输入角速度的测量。
实施例2：
本实施例与实施例1不同的地方是线圈的数量为6个，其它地方与实施例1相同。
实施例3：
本实施例与实施例1不同的地方是线圈的数量为8个，其它地方与实施例1相同。

Claims (5)

1.电磁驱动框架结构的转子式微机械陀螺，包括径向充磁的微陀螺金属圆盘转子(1)和微陀螺定子(2)，微陀螺金属圆盘转子(1)位于微陀螺金属圆盘转子(2)内部中心位置，其特征在于：还包括上十字支撑框架(3-1)、下十字支撑框架(3-2)，多个线圈(4)、八个压电结构(5)、第一轴(6-1)、第二轴(6-2)、第一轴承(7-1)和第二轴承(7-2)，微陀螺金属圆盘转子(1)位于上、下十字框架的中心位置，第一轴(6-1)和第二轴(6-2)分别位于微陀螺金属圆盘转子(1)上下面的圆心位置处，第一轴(6-1)与上十字支撑框架(3-1)的中心位置一体化连接，第二轴(6-2)与下十字支撑框架(3-2)的中心位置一体化连接，第一轴(6-1)与第一轴承(7-1)相连接，第二轴(6-2)与第二轴承(7-2)相连接，每个轴承上有润滑剂，第一轴(6-1)、第一轴承(7-1)和微陀螺金属圆盘转子(1)的圆心(8)为同心，上十字支撑框架(3-1)和下十字支撑框架(3-2)的每个十字的末端与压电结构(5)的一端相连接，每个压电结构(5)的另外一端与微陀螺的定子(2)相连接，位于微陀螺金属圆盘转子(1)的同一平面并沿其圆周平均分布有多个线圈(4)，每个线圈的匝数相同；在线圈(4)上通相位互不交叠的高频交流信号，在微陀螺金属圆盘转子周围形成旋转电磁场，在此旋转电磁场作用下，微陀螺金属圆盘转子(1)高速旋转。
2.如权利要求1所述的电磁驱动框架结构的转子式微机械陀螺，其特征在于：所述的轴承为宝石轴承或机械轴承。
3.如权利要求1或2所述的电磁驱动框架结构的转子式微机械陀螺，其特征在于：所述的线圈的数量为偶数。
4.如权利要求1或2所述的电磁驱动框架结构的转子式微机械陀螺，其特征在于所述的线圈的数量为4、6或8个线圈。
5.磁驱动框架结构的转子式微机械陀螺的角速度检测方法，其特征在于：当外界对如权利要求1、2、3或4所述的电磁驱动框架结构的转子式微机械陀螺输入角速度信号时，由于微陀螺金属圆盘转子在哥氏力的作用下发生偏转，上下十字支撑框架发生形变，与上下十字支撑框架相连接的压电结构输出检测信号，检测信号进行处理后，信号反馈到压电结构控制十字支撑框架，给微陀螺金属圆盘转子施加反馈力矩，微陀螺金属圆盘转子进动到与上下十字支撑框架平行的位置，从而实现对转子的闭环控制，同时，通过力矩再平衡原理实现外界输入角速度的测量。
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