CN110823023B - 一种应用于弱环境力电磁驱动mems转子式安全系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于弱环境力电磁驱动MEMS转子式安全系统及其方法。本发明安装在弹药的微型起爆药与下一级装药之间，包括基板、绝缘层、隔板、第一和第二弹簧垫片、轴向MEMS转子、轴向定子、多个磁体、电磁驱动器、通电拔销器、旋转限位机构和传爆孔和微型传爆药；本发明的MEMS转子式安全系统，从应用于弱环境力的弹药引信设计及加工角度来看，具有结构空间占用小、可靠性高、安全系数高等优势；其次，使用电磁驱动器作为驱动MEMS转子转动的保险机构，在使用过程中避免了产生温度过高以及功耗过高等问题，提高了系统工作安全性与可靠性。

Description

一种应用于弱环境力电磁驱动MEMS转子式安全系统及其方法

技术领域

本发明涉及应用于弱环境力的弹药安全技术，具体涉及一种应用于弱环境力电磁驱动MEMS转子式安全系统及其控制方法。

背景技术

随着武器弹药越来越向智能化、小型化、应用环境多样化的方向发展。弹药的小型化也使得引信系统的微型化成为众多研究机构的主要研究方案。目前，引信安全系统主要应用的是弹簧-质量块系统，而相较于传统的弹簧-质量块，微型转子是一种更好的选择。微转子具有更高的移动速度和更小的空间占用(相同的装药量下)并且不受任何方向惯性效应的影响。目前微型转子的主要驱动方式有静电驱动、电热驱动以及电磁驱动。静电驱动需要的驱动电压较高，功耗较大；电热驱动会产生过高的温度，而微型起爆药温度敏感度高，高温下可能会发生误起爆造成引信安全系统可靠性和安全性降低。

发明内容

为了不影响引信的安全与解保控制系统的作用可靠性，本发明提出了一种应用于弱环境力的电磁驱动MEMS(微机电系统)转子式安全系统及其控制方法，以满足敏感元件在弱环境力(无转速、无过载)条件下隔爆可靠性及解保稳定性。

本发明的一个目的在于提出一种应用于弱环境力的电磁驱动MEMS转子式安全系统。

本发明的应用于弱环境力的电磁驱动MEMS转子式安全系统安装在弹药的微型起爆药与下一级装药之间，其表面垂直于发射方向；在弹药中，始发火工品换能元、微型起爆药和下一级装药位置对正，始发火工品换能元通过导线连接至弹药的微控制芯片；弹药应用于无转速且无过载的弱环境力中。

本发明的应用于弱环境力的电磁驱动MEMS转子式安全系统包括：基板、绝缘层、隔板、第一和第二弹簧垫片、轴向MEMS转子、轴向定子、多个磁体、电磁驱动器、通电拔销器、旋转限位机构和传爆孔和微型传爆药；其中，在基板上设置绝缘层；在基板和绝缘层上开设有贯穿二者的中心通孔，中心通孔位于弹药的中心轴上；圆环形的隔板和第一弹簧垫片依次叠放在绝缘层上；轴向MEMS转子设置在第一弹簧垫片上；在轴向MEMS转子上叠放圆环形的第二弹簧垫片；隔板、第一弹簧垫片、轴向MEMS转子和第二弹簧垫片中的通孔内径均相同并且与中心通孔共轴，共同形成定子通孔；轴向定子插入至定子通孔中；在轴向MEMS转子的边缘安装多个关于轴向定子呈中心对称的磁体；在绝缘层内设置有多个关于轴向定子呈中心对称的驱动器安装槽，多个电磁驱动器分别安装在驱动器安装槽内，关于轴向定子呈中心对称分布；在基板、绝缘层和轴向MEMS转子上设置有拔销器安装槽，拔销器安装槽包括贯穿轴向MEMS转子和绝缘层的通孔和在基板上表面的凹槽；通电拔销器设置在拔销器安装槽内；在轴向MEMS转子与绝缘层之间设置旋转限位机构；在轴向MEMS转子上设置传爆孔；传爆孔内填充微型传爆药；电磁驱动器和通电拔销器分别电学连接至弹药的微控制芯片上；MEMS转子式安全系统具有安全状态和攻击状态；在弹药未发射前，MEMS转子式安全系统处于安全状态，通电拔销器固定轴向MEMS转子的位置，传爆孔与下一级装药之间错位；当点火发射时，弹药的微控制芯片向通电拔销器发出电信号，通电拔销器上电并脱离拔销器安装槽，解除对轴向MEMS转子的限定；同时弹药的微控制芯片向电磁驱动器发出电信号，电磁驱动器上电并产生磁场，对磁体施加电磁力，电磁力的方向沿绕中心轴旋转的切线方向；电磁力带动轴向MEMS转子旋转，当传爆孔旋转到下一级装药位置时，旋转限位机构固定轴向MEMS转子不再转动，传爆孔与下一级装药对正，MEMS转子式安全系统进入攻击状态，从而实现弹药安全与可靠解保；微控制芯片发出起爆指令，始发火工品换能元上电并发生电爆效应，起爆微型起爆药，并通过微型传爆药引爆下一级装药，弹药爆炸。

轴向定子包括中心转轴和固定帽；其中，中心转轴为圆柱形，直径与定子通孔的内径一致，高度与定子通孔的厚度一致；在中心转轴上设置连接为一体的固定帽，固定帽的直径大于定子通孔的内径，从而将隔板、第一弹簧垫片、轴向MEMS转子和第二弹簧垫片的位置限定。

旋转限位机构包括：固定销装配孔、固定销凹槽和固定销；其中，在轴向MEMS转子上开设固定销装配孔，在绝缘层上设置有固定销凹槽，固定销装配孔与固定销凹槽之间的旋转角等于传爆孔与下一级装药之间的旋转角；固定销放置在固定销装配孔中，固定销的高度大于固定销凹槽的深度，固定销装配孔和固定销凹槽的内径大于固定销的直径；当弹药发射后，传爆孔旋转到下一级装药位置时，固定销装配孔旋转到固定销凹槽上，此时在重力的作用下，固定销的底部从固定销装配孔中漏到固定销凹槽中，固定销的顶部留在固定销装配孔中，限定轴向MEMS转子不再旋转。

基板采用硅基材料；厚度为300～400μm。绝缘层采用绝缘材料，如硅氧化物；厚度为30～70μm。隔板采用硅氧化物；厚度为20～60μm，使得轴向MEMS转子在旋转时不会与绝缘层接触。第一和第二弹簧垫片的厚度为40～80μm。轴向MEMS转子的厚度为100～200μm。

在轴向MEMS转子的外边缘设置多个关于轴向定子呈中心对称的磁体安装槽，磁体放置在相应的磁体安装槽内，且磁体的上表面与MEMS转子的上表面平齐。轴向MEMS转子的内径为0.5～1.2mm，外径为4～6mm。

传爆孔的直径与微型起爆药和下一级装药的直径一致。

本发明的另一个目的在于提出一种应用于弱环境力的电磁驱动MEMS转子式安全系统的控制方法。

本发明的应用于弱环境力的电磁驱动MEMS转子式安全系统的控制方法，包括以下步骤：

1)在弹药未发射前，MEMS转子式安全系统处于安全状态，通电拔销器固定轴向MEMS转子的位置，传爆孔与下一级装药之间错位；

2)当点火发射时，弹药的微控制芯片向通电拔销器发出电信号，通电拔销器上电并脱离拔销器安装槽，解除对轴向MEMS转子的限定；

3)同时弹药的微控制芯片向电磁驱动器发出电信号，电磁驱动器上电并产生磁场，对磁体施加电磁力，电磁力的方向沿绕中心轴旋转的切线方向；

4)电磁力带动轴向MEMS转子旋转；

5)当传爆孔旋转到下一级装药位置时，旋转限位机构固定轴向MEMS转子不再转动，传爆孔与下一级装药对正，MEMS转子式安全系统进入攻击状态，从而实现弹药安全与可靠解保；

6)微控制芯片发出起爆指令，始发火工品换能元上电并发生电爆效应，起爆微型起爆药，并通过微型传爆药引爆下一级装药，弹药爆炸。

本发明的优点：

本发明的MEMS转子式安全系统，从应用于弱环境力的弹药引信设计及加工角度来看，具有结构空间占用小、可靠性高、安全系数高等优势；其次，使用电磁驱动器作为驱动MEMS转子转动的保险机构，在使用过程中避免了产生温度过高以及功耗过高等问题，提高了系统工作安全性与可靠性。

附图说明

图1为本发明的应用于弱环境力的电磁驱动MEMS转子式安全系统的一个实施例的示意图；

图2为本发明的应用于弱环境力的电磁驱动MEMS转子式安全系统的一个实施例的正视图；

图3为本发明的应用于弱环境力的电磁驱动MEMS转子式安全系统的一个实施例的传爆孔与下一级装药对正的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的应用于弱环境力的电磁驱动MEMS转子式安全系统包括：基板1、绝缘层2、隔板、第一弹簧垫片4和第二弹簧垫片、轴向MEMS转子5、轴向定子6、三个磁体7、电磁驱动器8、通电拔销器9、旋转限位机构、传爆孔10和微型传爆药11；其中，在基板1上设置绝缘层2；在基板1和绝缘层2上开设有贯穿二者的中心通孔，中心通孔位于弹药的中心轴上；圆环形的隔板和第一弹簧垫片4依次叠放在绝缘层2上；轴向MEMS转子5设置在第一弹簧垫片4上；在轴向MEMS转子5上叠放圆环形的第二弹簧垫片；隔板、第一弹簧垫片4、轴向MEMS转子5和第二弹簧垫片中的通孔内径均相同并且与中心通孔共轴，共同形成定子通孔；轴向定子6插入至定子通孔中；在轴向MEMS转子5的边缘安装三个关于轴向定子6呈中心对称的磁体7；在绝缘层2内设置有三个关于轴向定子6呈中心对称的驱动器安装槽，三个电磁驱动器8分别安装在驱动器安装槽内，关于轴向定子6呈中心对称分布；在基板1、绝缘层2和轴向MEMS转子5上设置有拔销器安装槽，拔销器安装槽包括贯穿轴向MEMS转子5和绝缘层2的通孔和在基板1上表面的凹槽；通电拔销器9设置在拔销器安装槽内；在轴向MEMS转子5与绝缘层2之间设置旋转限位机构，旋转限位机构包括：固定销装配孔、固定销凹槽和固定销；其中，在轴向MEMS转子5上开设固定销装配孔3，在绝缘层2上设置有固定销凹槽，固定销装配孔与固定销凹槽之间的旋转角等于传爆孔10与下一级装药之间的旋转角；固定销放置在固定销装配孔中，固定销的高度大于固定销凹槽的深度，固定销装配孔和固定销凹槽的内径大于固定销的直径。；在轴向MEMS转子5上设置传爆孔10；在传爆孔10中填充微型传爆药11；电磁驱动器8和通电拔销器9分别连接至弹药的微控制芯片。在基板1和绝缘层2上开设有穿透二者的定位装配孔12，通过螺丝将电磁驱动MEMS转子式安全系统安装在弹药上。

在弹药未发射前，MEMS转子式安全系统处于安全状态，通电拔销器固定轴向MEMS转子的位置，传爆孔与下一级装药之间错位，如图2所示；当点火发射时，弹药的微控制芯片向通电拔销器发出电信号，通电拔销器上电并脱离拔销器安装槽，解除对轴向MEMS转子的限定；同时弹药的微控制芯片向电磁驱动器发出电信号，电磁驱动器上电并产生磁场，磁场方向如图2中箭头所示，对磁体施加电磁力，电磁力的方向沿绕中心轴旋转的切线方向；电磁力带动轴向MEMS转子旋转，当传爆孔旋转到下一级装药位置时，旋转限位机构固定轴向MEMS转子不再转动，传爆孔与下一级装药0对正，如图3所示，MEMS转子式安全系统进入攻击状态，从而实现弹药安全与可靠解保。

电磁驱动器采用电磁线圈，线圈的两端设置电极，导线通过电极连接至微控制芯片。

在本实施例中，基板采用硅，厚度为350μm，绝缘层的厚度为60μm，弹簧垫片的厚度为80μm，隔板的厚度为40μm，轴向MEMS转子的厚度为150μm，轴向MEMS转子的内径为0.8mm，外径为5mm。传爆孔与下一级装药之间的旋转角为45°；传爆孔的直径为0.8mm。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种应用于弱环境力的电磁驱动MEMS转子式安全系统，电磁驱动MEMS转子式安全系统安装在弹药的微型起爆药与下一级装药之间，其表面垂直于发射方向；在弹药中，始发火工品换能元、微型起爆药和下一级装药位置对正，始发火工品换能元通过导线连接至弹药的微控制芯片；弹药应用于弱环境力中，其特征在于，所述电磁驱动MEMS转子式安全系统包括：基板、绝缘层、隔板、第一和第二弹簧垫片、轴向MEMS转子、轴向定子、多个磁体、电磁驱动器、通电拔销器、旋转限位机构和传爆孔和微型传爆药；其中，在基板上设置绝缘层；在基板和绝缘层上开设有贯穿二者的中心通孔，中心通孔位于弹药的中心轴上；圆环形的隔板和第一弹簧垫片依次叠放在绝缘层上；轴向MEMS转子设置在第一弹簧垫片上；在轴向MEMS转子上叠放圆环形的第二弹簧垫片；隔板、第一弹簧垫片、轴向MEMS转子和第二弹簧垫片中的通孔内径均相同并且与中心通孔共轴，共同形成定子通孔；轴向定子插入至定子通孔中；在轴向MEMS转子的边缘安装多个关于轴向定子呈中心对称的磁体；在绝缘层内设置有多个关于轴向定子呈中心对称的驱动器安装槽，多个电磁驱动器分别安装在驱动器安装槽内，关于轴向定子呈中心对称分布；在基板、绝缘层和轴向MEMS转子上设置有拔销器安装槽，拔销器安装槽包括贯穿轴向MEMS转子和绝缘层的通孔和在基板上表面的凹槽；通电拔销器设置在拔销器安装槽内；在轴向MEMS转子与绝缘层之间设置旋转限位机构；在轴向MEMS转子上设置传爆孔；传爆孔内填充微型传爆药；电磁驱动器和通电拔销器分别电学连接至弹药的微控制芯片上；MEMS转子式安全系统具有安全状态和攻击状态；在弹药未发射前，MEMS转子式安全系统处于安全状态，通电拔销器固定轴向MEMS转子的位置，传爆孔与下一级装药之间错位；当点火发射时，弹药的微控制芯片向通电拔销器发出电信号，通电拔销器上电并脱离拔销器安装槽，解除对轴向MEMS转子的限定；同时弹药的微控制芯片向电磁驱动器发出电信号，电磁驱动器上电并产生磁场，对磁体施加电磁力，电磁力的方向沿绕中心轴旋转的切线方向；电磁力带动轴向MEMS转子旋转，当传爆孔旋转到下一级装药位置时，旋转限位机构固定轴向MEMS转子不再转动，传爆孔与下一级装药对正，MEMS转子式安全系统进入攻击状态，从而实现弹药安全与可靠解保；微控制芯片发出起爆指令，始发火工品换能元上电并发生电爆效应，起爆微型起爆药，并通过微型传爆药引爆下一级装药，弹药爆炸。

2.如权利要求1所述的电磁驱动MEMS转子式安全系统，其特征在于，所述轴向定子包括中心转轴和固定帽；其中，中心转轴为圆柱形，直径与定子通孔的内径一致，高度与定子通孔的厚度一致；在中心转轴上设置连接为一体的固定帽，固定帽的直径大于定子通孔的内径，从而将隔板、第一弹簧垫片、轴向MEMS转子和第二弹簧垫片的位置限定。

3.如权利要求1所述的电磁驱动MEMS转子式安全系统，其特征在于，所述旋转限位机构包括：固定销装配孔、固定销凹槽和固定销；其中，在轴向MEMS转子上开设固定销装配孔，在绝缘层上设置有固定销凹槽，固定销装配孔与固定销凹槽之间的旋转角等于传爆孔与下一级装药之间的旋转角；固定销放置在固定销装配孔中，固定销的高度大于固定销凹槽的深度，固定销装配孔和固定销凹槽的内径大于固定销的直径；当弹药发射后，传爆孔旋转到下一级装药位置时，固定销装配孔旋转到固定销凹槽上，此时在重力的作用下，固定销的底部从固定销装配孔中漏到固定销凹槽中，固定销的顶部留在固定销装配孔中，限定轴向MEMS转子不再旋转。

4.如权利要求1所述的电磁驱动MEMS转子式安全系统，其特征在于，在轴向MEMS转子的外边缘设置多个关于轴向定子呈中心对称的磁体安装槽，磁体放置在相应的磁体安装槽内，且磁体的上表面与MEMS转子的上表面平齐。

5.如权利要求1所述的电磁驱动MEMS转子式安全系统，其特征在于，所述基板采用硅基材料；厚度为300～400μm。

6.如权利要求1所述的电磁驱动MEMS转子式安全系统，其特征在于，所述绝缘层采用硅氧化物；厚度为30～70μm。

7.如权利要求1所述的电磁驱动MEMS转子式安全系统，其特征在于，所述隔板采用硅氧化物；厚度为20～60μm。

8.一种如权利要求1所述的应用于弱环境力的电磁驱动MEMS转子式安全系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

1)在弹药未发射前，MEMS转子式安全系统处于安全状态，通电拔销器固定轴向MEMS转子的位置，传爆孔与下一级装药之间错位；

2)当点火发射时，弹药的微控制芯片向通电拔销器发出电信号，通电拔销器上电并脱离拔销器安装槽，解除对轴向MEMS转子的限定；

3)同时弹药的微控制芯片向电磁驱动器发出电信号，电磁驱动器上电并产生磁场，对磁体施加电磁力，电磁力的方向沿绕中心轴旋转的切线方向；

4)电磁力带动轴向MEMS转子旋转；

5)当传爆孔旋转到下一级装药位置时，旋转限位机构固定轴向MEMS转子不再转动，

传爆孔与下一级装药对正，MEMS转子式安全系统进入攻击状态，从而实现弹药安全与可靠解保；

6)微控制芯片发出起爆指令，始发火工品换能元上电并发生电爆效应，起爆微型起爆药，并通过微型传爆药引爆下一级装药，弹药爆炸。

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