CN103822621B - 基于电磁参数激励驱动方式的固体波动陀螺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电磁参数激励驱动方式的固体波动陀螺，陀螺结构包括一个陀螺谐振体、四个U形梁和一个支撑柱，其中：四个U形梁互相相差90度分布，分别与陀螺谐振体外延相连接；支撑柱与陀螺谐振体在其中心部分相连，对整个结构起支撑作用。本发明结构简单、加工方便、小体积，为固体波动陀螺提供了一种可控且高带宽的驱动方式。

Description

基于电磁参数激励驱动方式的固体波动陀螺

技术领域

本发明涉及一种微机电技术领域的固体波动陀螺，具体地，涉及一种基于电磁参数激励驱动方式的固体波动陀螺。

背景技术

陀螺仪是一种能够敏感载体角度或角速度的惯性器件，在姿态控制和导航定位等领域有着非常重要的作用。随着国防科技和航空、航天工业的发展，惯性导航系统对于陀螺仪的要求也向低成本、小体积、高精度、多轴检测、高可靠性、能适应各种恶劣环境的方向发展。基于MEMS技术的微陀螺仪采用微纳批量制造技术加工，其成本、尺寸、功耗都很低，而且环境适应性、工作寿命、可靠性、集成度与传统技术相比有极大的提高，因而MEMS微陀螺已经成为近些年来MEMS技术广泛研究和应用开发的一个重要方向。

固体波是固体中的一种机械波动，把固体中某一点或部分受力或其他原因的扰动引起的形变，如体积形变或剪切形变，以波动的形式传播到固体的其他部分。在波动传播过程中，固体中的质点除在它原来的位置上有微小的振动外，并不产生永久性的位移。因为固体有弹性，弹性力有使扰动引起的形变恢复到无形变的状态的能力，于是形成波动。弹性是固体中能形成波动的主要原因。

目前固体波动陀螺的驱动方式主要分为：由陀螺谐振体中某一点或部分受静电力作用而被激励至振动模态的静电驱动方式；由陀螺谐振体中某一点或部分受到压电效应作用而被激励至振动模态的压电驱动方式；以及其他驱动方式。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利“固体波动陀螺的谐振子及固体波动陀螺”（专利申请号：CN201010294912.6）利用高性能的合金通过机械精密加工的方法制作出具有杯形振子的固体波动陀螺，杯形振子底盘上粘结有压电片作为驱动和检测电极，通过在驱动电极上施加一定频率的电压信号，对杯形振子施加压电驱动力，激励振子产生驱动模态下的固体波，从而进行驱动模态下的振动。

此技术存在如下不足：该固体波动陀螺杯形谐振体体积过大，限制了其在很多必须小体积条件下的应用；陀螺的加工工艺比较复杂，加工成本较高，不适合大批量生产；陀螺激励频率带宽较小且只能激励陀螺进行单一模态形式的振动。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于电磁参数激励驱动方式的固体波动陀螺，该陀螺的结构简单、加工方便、小体积、抗冲击能力好，同时激励方式的激励频率可控、稳定性高、拥有较高的带宽，可以通过改变参数将陀螺激励到不同的振动模态。

为实现以上目的，本发明提供一种基于电磁参数激励驱动方式的固体波动陀螺，所述陀螺包括：

一个陀螺谐振体；

四个U形梁；

一个支撑柱；

其中：四个U形梁与陀螺谐振体相连接；支撑柱与陀螺谐振体相连接。

四个所述U形梁表面覆盖了一层金属，并有一正弦电流流过；四个U形梁互相相差90度分布，分别与陀螺谐振体外延相连接；所述U形梁用于通过电磁参数激励的方式激励陀螺谐振体。

优选地，所述支撑柱与陀螺谐振体在其中心部分相连，对整个结构起支撑作用。

优选地，仅仅通过改变系统所处环境的磁场可以改变U形梁的电磁参数激励效果。

优选地，仅仅通过改变在U形梁中流过的电流可以改变U形梁的电磁参数激励效果。

优选地，当设定特定参数时，U形梁将产生电磁参数激励效果，上述效果可以对与其连接的陀螺谐振体产生激励，使陀螺谐振体进行驱动模态的振动。

本发明利用电磁参数激励的效果，通过在与陀螺谐振体相连的U形梁上施加电流，并在系统所处的环境中施加磁场，产生电磁参数激励的效果，使U形梁产生电磁参数激励效果，具体来说就是产生特定模态的振动；由于U形梁的振动，可以对陀螺谐振体产生激励，令陀螺在此激励效果下产生所需的振动形式；通过改变系统所处环境的磁场或改变在U形梁中流过的电流，即改变电磁参数，可以改变U形梁的电磁参数激励效果，从而较为简单地实现对陀螺谐振体所需的各种驱动模态的激励。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、结构的加工工艺为平面微细加工工艺，加工方便，利于批量生产；

2、结构简单，体积小，可适应于必须小体积条件下的应用；

3、驱动频率可以通过电磁参数控制，精度高、易于调控；

4、驱动信号带宽较高，保证了驱动信号的可靠性和稳定性；

5、通过对电磁参数的改变，可以较为简单地实现对激励效果的改变，从而对需要工作在不同模态下的陀螺进行驱动。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一较佳实施例的立体结构示意图；

图2为本发明一较佳实施例U形梁的一种面内振动模态仿真图；

图3为本发明一较佳实施例U形梁的一种参数激励效果仿真图；

图4为本发明一较佳实施例U形梁的一种面外振动模态仿真图；

图中：1为陀螺谐振体，2为U形梁，3为支撑柱。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提供一种基于电磁参数激励驱动方式的固体波动陀螺，陀螺结构包括：

一个陀螺谐振体1；

四个U形梁2；

一个支撑柱3；

其中：四个U形梁2与陀螺谐振体1相连接；支撑柱3与陀螺谐振体1相连接。

参数振动是除自由振动、受迫振动和自激振动以为的又一种振动形式，利用参数振动原理进行驱动的激励方式称为参数激励。参数振动由外界的激励产生，但激励不是以外力形式施加于系统，而是通过系统内参数的周期性改变间接地实现。由于参数的时变性，参数振动系统为非自治系统。描述参数振动的数学模型为周期变系数的常微分方程，对参数振动的研究归结于对时变系统常微分方程组零解稳定性的研究。

目前常见的参数激励方式有静电参数激励和电磁参数激励。其中电磁参数激励通过系统内磁场和电流的周期性改变来控制参数激励的效果，并可以通过在U形梁结构上施加两倍频的交变电流，将U形梁驱动至单倍频的振动模态，且U形梁的振动幅度拥有较高的频率带宽，即在交变电流的频率发生一定程度的变化时，U形梁的振动幅度不会发生很大的变化。

本实施例中，U形梁2表面覆盖了一层金属，并有一正弦电流流过；四个U形梁2互相相差90度分布，分别与陀螺谐振体1外延相连接；所述U形梁2用于通过电磁参数激励的方式激励陀螺谐振体1。

本实施例中，所述支撑柱3与陀螺谐振体1在其中心部分相连，对整个结构起支撑作用。

如图2所示为本实施例U形梁2的一种面内振动模态仿真图。通过将U形梁2激励到如图2所示的振动模态，可以由U形梁2带动陀螺谐振体1进行同频的面内振动。

如图3所示为本实施例U形梁2的一种参数激励效果仿真图。

本实施例中，通过永磁体或电流线圈在系统所处的环境中施加磁场，仅仅通过改变系统所处环境的磁场，比如改变永磁体放置的方向或改变电流线圈中所通电流的方向，就可以改变U形梁的电磁参数激励效果。

本实施例中，通过外部电路在U形梁2表面包裹的金属上施加交变电流，仅仅通过改变在U形梁中流过的电流，比如改变上述电流的大小或频率，就可以改变U形梁2的电磁参数激励效果。

本实施例中，当设定特定参数时，即设定系统所处环境中的磁场和U形梁2上施加的电流时，U形梁2将产生电磁参数激励效果，上述效果可以对与其连接的陀螺谐振体1产生激励，使陀螺谐振体1进行驱动模态的振动。

本实施例中，当得知U形梁2如图2所示的一种面内振动模态的频率f后，可以通过计算得到其两倍频2f。通过控制电磁激励参数：环境磁场和施加电流，可以在U形梁2上施加一个以2f频率变化的交变电磁力。在上述电磁力的作用下，可以使U形梁2进行频率为f的振动，振动形式和图2所示的振动形式相同，如图3所示。再通过U形梁2带动陀螺谐振体1进行同频的面内振动，可以使陀螺谐振体1进行驱动模态的振动。

如图4所示为本实施例U形梁2的一种面外振动模态仿真图。

本实施例中，当改变特定参数时，即改变系统所处环境中的磁场和U形梁2上施加的电流时，U形梁2将产生不同的电磁参数激励效果，上述效果可以对与其连接的陀螺谐振体1产生激励，使陀螺谐振体1进行不同驱动模态的振动。从而较为简单地实现对陀螺谐振体1所需的各种驱动模态的激励。

本实施例中，当得知U形梁2如图4所示的一种面外振动模态的频率x后，可以通过计算得到其两倍频2x。通过控制电磁激励参数：环境磁场和施加电流，可以在U形梁2上施加一个以2x频率变化的交变电磁力。在上述电磁力的作用下，可以使U形梁2进行频率为x的振动，振动形式和图4所示的振动形式相同。再通过U形梁2带动陀螺谐振体1进行同频的面外振动，可以使陀螺谐振体1进行驱动模态的振动。

本实施例所述的固体波动陀螺的电磁参数激励的驱动方式，采用MEMS平面微细加工工艺，利用牺牲层工艺在基板旋涂厚光刻胶如SU-8，利用制作好的掩模板进行光刻；之后显影、图形化，得到陀螺谐振体1、U形梁2、支撑柱3；再通过电镀或溅射的方式在U形梁2上包裹一层金属。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (3)

1.一种基于电磁参数激励驱动方式的固体波动陀螺，其特征在于，所述陀螺包括：

一个陀螺谐振体；

四个U形梁；

一个支撑整个结构的支撑柱；

其中：四个U形梁与陀螺谐振体相连接，支撑柱与陀螺谐振体相连接；

四个所述U形梁表面覆盖了一层金属，并有一正弦电流流过；四个U形梁互相相差90度分布，分别与陀螺谐振体外延相连接；所述U形梁用于通过电磁参数激励的方式激励陀螺谐振体；

所述陀螺仅仅通过改变所述陀螺所处环境的磁场改变U形梁的电磁参数激励效果；或，所述陀螺通过改变在U形梁中流过的电流改变U形梁的电磁参数激励效果；

所述基于电磁参数激励驱动方式的固体波动陀螺，利用电磁参数激励的效果，通过在与陀螺谐振体相连的U形梁上施加电流，并在系统所处的环境中施加磁场，产生电磁参数激励的效果，使U形梁产生电磁参数激励效果，即产生特定模态的振动；由于U形梁的振动，可以对陀螺谐振体产生激励，令陀螺在此激励效果下产生所需的振动形式；通过改变系统所处环境的磁场或改变在U形梁中流过的电流，即改变电磁参数，可以改变U形梁的电磁参数激励效果，从而较为简单地实现对陀螺谐振体所需的各种驱动模态的激励。

2.根据权利要求1所述的一种基于电磁参数激励驱动方式的固体波动陀螺，其特征在于，所述支撑柱与陀螺谐振体在其中心部分相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于电磁参数激励驱动方式的固体波动陀螺，其特征在于，当改变所述陀螺所处环境中的磁场和U形梁上施加的电流时，U形梁将产生电磁参数激励效果，该效果对与U形梁连接的陀螺谐振体产生激励，使陀螺谐振体进行驱动模态的振动。