CN100526801C - 挠性硬磁补偿式静电加矩流体微陀螺仪 - Google Patents

Abstract

一种微机电系统领域的挠性硬磁补偿式静电加矩流体微陀螺仪，包括：转子、定子、挠性梁、挠性补偿硬磁圆环，转子由基体和注有金属流体的环形腔体构成，定子包括第二基体、旋转驱动线圈、检测电极、反馈加矩静电电极与挠性补偿静电电极，在第二基体上由内到外分布着八个旋转驱动线圈、八个检测电极、八个反馈加矩静电电极、四个挠性补偿硬磁极板，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，并使用反馈加矩静电电极对转子进行反馈控制。

Description

挠性硬磁补偿式静电加矩流体微陀螺仪

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的微陀螺，具体是一种挠性硬磁补偿式静电加矩流体微陀螺仪。

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，提出一种挠性硬磁补偿式静电加矩流体微陀螺仪。该陀螺仪使用单定子结构，转子结构简单，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。转子基体用金属作材料，转子上表面加工了一个由硬磁材料制造的圆环，这个圆环与转子连为一体。在定子上加工硬磁材料，定子上的硬磁材料与转子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通过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、挠性补偿硬磁圆环。转子包括第一基体和环形腔体，环形腔体位于第一基体内，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；挠性补偿硬磁圆环与转子相连，位于转子的上表面；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；定子包括第二基体、旋转驱动线圈、检测电极、反馈加矩静电电极与挠性补偿硬磁极板，在第二基体上由内到外分布着八个旋转驱动线圈、八个检测电极、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中心的圆环上，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组成一个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彼此交替，旋转驱动线圈位于定子的最靠近中心的位置，八个旋转驱动线圈在圆周方向上呈对称分布，在旋转驱动线圈的外侧分布着八个检测电极，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。

本发明挠性硬磁补偿式静电加矩流体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是使用镍等软磁材料，以获得更好的挠性补偿效果。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旋转驱动线圈、检测电极、反馈加矩静电电极和挠性补偿硬磁极板，旋转驱动线圈、检测电极、反馈加矩静电电极都是以铜为材料，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，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绝缘层上加工旋转驱动线圈、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。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。

本发明中转子基体是用金属作材料，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为本发明总体结构立体图

图2为本发明下定子结构立体图

图3为本发明挠性梁立体图

图4为本发明转子结构剖视图

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所示，本实施例包括：转子1、挠性梁2、定子3、挠性补偿硬磁圆环4。挠性补偿硬磁圆环4与转子1相连，并且转子1与定子3通过挠性梁2连接为一体，转子1由第一基体9和环形腔体10构成，定子3由第二基体11、旋转驱动线圈5、检测电极6、反馈加矩静电电极7与挠性补偿硬磁极板8构成。

如图2所示，在定子3的第二基体11上由内到外分布着旋转驱动线圈5、检测电极6、反馈加矩静电电极7、挠性补偿硬磁极板8，其中反馈加矩静电电极7、挠性补偿硬磁极板8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7、挠性补偿硬磁极板8的内径和外径分别相同。两个紧邻的反馈加矩静电电极7组成一个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8彼此交替。本发明中选用了八个旋转驱动线圈5、八个检测电极6、四对反馈加矩静电电极7与四个挠性补偿硬磁极板8。旋转驱动线圈5位于定子3的最靠近中心的位置，八个旋转驱动线圈5在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5电流相位差为90°。在旋转驱动线圈5的外侧分布着八个检测电极6，八个检测电极6在圆周方向上呈对称分布，检测电极6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6与转子1形成差分电容可以检测转子1的姿态变化。四对反馈加矩静电电极7在圆周方向呈对称分布，用于根据检测电极检测6到转子1的偏离情况，在反馈加矩静电电极7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7和转子1之间产生静电力使得转子恢复到平衡位置，以达到对转子1进行反馈控制的效果。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。四个挠性补偿硬磁极板8在圆周方向呈对称分布用于补偿挠性梁2产生的干扰力矩。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4，挠性补偿硬磁圆环4的内径与定子3上挠性补偿硬磁极板8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4的外径与定子3上挠性补偿硬磁极板8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4与转子1相连接的一面为S极硬磁材料层、另一面为N极硬磁材料层，而定子3上挠性补偿硬磁极板8亦为硬磁材料，挠性补偿硬磁极板8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8与挠性补偿硬磁圆环4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4受到挠性补偿硬磁极板8的总磁吸引力为零，由于转子1与挠性补偿硬磁圆环4相连，从而使得转子1所受到的硬磁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4受到挠性补偿硬磁极板8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柱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，通过如图3所示挠性梁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所示，转子1是由第一基体9和环形腔体10构成。通过微加工工艺在第一基体9中加工出一个环形腔体10，环形腔体10的内径与定子3上旋转驱动线圈5在以定子3中心为圆心的圆周方向上的内径相同，环形腔体10的外径与定子3上旋转驱动线圈5在以定子3中心为圆心的圆周方向上的外径相同。使用微加工工艺在基体中打孔，金属流体通过孔注入第一基体9中，从而形成环形金属流体腔体。环形腔体10中的金属流体受到旋转驱动线圈5施加的旋转磁场的作用，高速旋转，产生角动量，从而能响应外界角速度的变化。

本发明挠性硬磁补偿式静电加矩流体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的第一基体9的材料为镍，定子3的第二基体11的材料为玻璃，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旋转驱动线圈5、检测电极6、反馈加矩静电电极7和挠性补偿硬磁极板8，旋转驱动线圈5、检测电极6、反馈加矩静电电极7都是以铜为材料，挠性补偿硬磁极板8与挠性补偿硬磁圆环4是以硬磁作材料的，挠性梁2的材料为镍。

Claims (9)

1、一种挠性硬磁补偿式静电加矩流体微陀螺仪，包括：转子(1)、挠性梁(2)、定子(3)、挠性补偿硬磁圆环(4)，其特征在于，转子(1)与定子(3)通过挠性梁(2)连接为一体，挠性补偿硬磁圆环(4)与转子(1)相连，位于转子(1)的上表面；

转子(1)包括第一基体(9)和环形腔体(10)，环形腔体(10)位于第一基体(9)内；转子(1)中的环形腔体(10)中注有金属流体，环形腔体(10)中的金属流体在旋转驱动线圈(5)所施加的旋转磁场的作用下旋转，产生角动量；

定子(3)包括第二基体(11)、旋转驱动线圈(5)、检测电极(6)、反馈加矩静电电极(7)与挠性补偿硬磁极板(8)，在第二基体(11)上由内到外分布着八个旋转驱动线圈(5)、八个检测电极(6)、八个反馈加矩静电电极(7)、四个挠性补偿硬磁极板(8)，八个旋转驱动线圈(5)在圆周方向上呈对称分布，旋转驱动线圈(5)位于定子(3)的最靠近中心的位置，在旋转驱动线圈(5)的外侧分布着八个检测电极(6)，八个检测电极(6)在圆周方向上呈对称分布，四对反馈加矩静电电极(7)和四个挠性补偿硬磁极板(8)在圆周方向都呈对称分布。

2、根据权利要求1所述的挠性硬磁补偿式静电加矩流体微陀螺仪，其特征是，所述转子(1)上的环形腔体(10)的内径与定子(3)的第二基体(11)的上旋转驱动线圈(5)在以定子(3)中心为圆心的圆周方向上的内径相同。

3、根据权利要求1所述的挠性硬磁补偿式静电加矩流体微陀螺仪，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所述的挠性硬磁补偿式静电加矩流体微陀螺仪，其特征是，所述定子(3)，其中反馈加矩静电电极(7)、挠性补偿硬磁极板(8)处于同一个以定子中心为中心的圆环上，反馈加矩静电电极(7)、挠性补偿硬磁极板(8)的内径和外径分别相同，两个紧邻的反馈加矩静电电极(7)组成一个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(8)彼此交替。

5、根据权利要求1或2所述的挠性硬磁补偿式静电加矩流体微陀螺仪，其特征是，所述环形腔体(10)的外径与定子(3)的第二基体(11)上的旋转驱动线圈(5)在以定子(3)中心为圆心的圆周方向上的外径相同。

6、根据权利要求1所述的挠性硬磁补偿式静电加矩流体微陀螺仪，其特征是，所述挠性补偿硬磁圆环(4)的内径与定子(3)上挠性补偿硬磁极板(8)在以定子(3)中心为圆心的圆周方向上的内径相同。

7、根据权利要求1或6所述的挠性硬磁补偿式静电加矩流体微陀螺仪，其特征是，所述挠性补偿硬磁圆环(4)的外径与定子(3)上挠性补偿硬磁极板(8)在以定子(3)中心为圆心的圆周方向上的外径相同。

8、根据权利要求1或2所述的挠性硬磁补偿式线圈加矩流体微陀螺仪，其特征是，相邻旋转驱动线圈(5)电流相位差为90°。

9、根据权利要求1所述的挠性硬磁补偿式线圈加矩流体微陀螺仪，其特征是，所述挠性补偿硬磁圆环(4)与转子(1)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(8)为硬磁材料，挠性补偿硬磁极板(8)的面向转子(1)的一面为N极、另一面为S极。

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