[發明專利]撓性硬磁補償式靜電加矩流體微陀螺儀

無效

• 申請號: 200710041462.8
• 申請日: 2007-05-31
• 公開（公告）號: CN101055181A
• 公開（公告）日: 2007-10-17
• 發明（設計）人: 張衛平;周海軍;陳文元
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01C19/02
• 分類號: G01C19/02;G01C19/06;G01C19/12
• 代理公司: 上海交達專利事務所
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術領域

本發明涉及的是一種微機電技術領域的微陀螺，具體是一種撓性硬磁補償式靜電加矩流體微陀螺儀。

背景技術

當前被廣泛研究的微陀螺儀可分為兩種，一種是懸浮轉子式微陀螺，另一種是撓性陀螺儀，它們各有其特點。懸浮轉子式微陀螺，轉子在懸浮狀態下高速旋轉，轉速獲得的較大的提高，有助于實現高精度，但是懸浮轉子式微陀螺普遍采用雙定子結構，并且為了提高轉子的側向剛度而需要加工側向控制電極，使得懸浮轉子式微陀螺的加工工藝復雜，而為了除去轉子受到空氣阻力的影響，常見的懸浮轉子式微陀螺要使用真空封裝。撓性陀螺儀是一種高性能、低成本的精度較高的陀螺，它以撓性支撐代替傳統的懸浮技術而帶來一系列的優點，故在慣性導航系統中獲得廣泛應用。

經對現有技術的文獻檢索發現，中國專利公開號為：CN1712894A，名稱為：電磁驅動動力調諧撓性轉子微陀螺。該專利文中提到該系統包括：雙定子結構、電機驅動軸承、與軸承相連的轉子。該系統是通過電機驅動軸承來帶動轉子高速旋轉產生角動量，采用雙定子結構，使用了驅動轉子和旋轉轉子兩個轉子，從而結構復雜，并且在工藝上很難利用微加工工藝精確加工電機驅動軸承，工藝要求高。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提出一種撓性硬磁補償式靜電加矩流體微陀螺儀。該陀螺儀使用單定子結構，轉子結構簡單，陀螺的角動量是通過金屬流體的高速旋轉來產生的，并通過撓性梁將轉子與定子連為一體，使該陀螺儀具有很強的抗沖擊能力。轉子基體用金屬作材料，轉子上表面加工了一個由硬磁材料制造的圓環，這個圓環與轉子連為一體。在定子上加工硬磁材料，定子上的硬磁材料與轉子上表面的硬磁圓環具有磁吸引力，從而能補償撓性梁產生的干擾力矩，使轉子成為自由支撐體。在定子上加工檢測電極通過與轉子形成差分電容來檢測轉子的位置偏移情況，并使用反饋加矩靜電電極對轉子進行反饋控制。

本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括：轉子、撓性梁、定子、撓性補償硬磁圓環。轉子包括第一基體和環形腔體，環形腔體位于第一基體內，環形腔體中注有金屬流體，環形腔體中的金屬流體在旋轉驅動線圈所施加的旋轉磁場的作用下旋轉，產生角動量；撓性補償硬磁圓環與轉子相連，位于轉子的上表面；轉子與定子通過撓性梁連接為一體，撓性梁會隨著轉子和定子相對位置的偏移而發生相應的變形；定子包括第二基體、旋轉驅動線圈、檢測電極、反饋加矩靜電電極與撓性補償硬磁極板，在第二基體上由內到外分布著八個旋轉驅動線圈、八個檢測電極、八個反饋加矩靜電電極、四個撓性補償硬磁極板，其中反饋加矩靜電電極、撓性補償硬磁極板處于同一個以定子中心為中心的圓環上，反饋加矩靜電電極、撓性補償硬磁極板的內徑和外徑分別相同，兩個緊鄰的反饋加矩靜電電極組成一個反饋加矩靜電電極對，反饋加矩靜電電極對與撓性補償硬磁極板彼此交替，旋轉驅動線圈位于定子的最靠近中心的位置，八個旋轉驅動線圈在圓周方向上呈對稱分布，在旋轉驅動線圈的外側分布著八個檢測電極，八個檢測電極在圓周方向上呈對稱分布，四對反饋加矩靜電電極和四個硬磁補償極板在圓周方向都呈對稱分布。

本發明撓性硬磁補償式靜電加矩流體微陀螺儀的結構是采用微細加工(微細體加工和微細表面加工)工藝進行加工。轉子的基體材料為金屬，轉子的基體材料也可以是使用鎳等軟磁材料，以獲得更好的撓性補償效果。定子的基體為玻璃，在玻璃上加工種子層，再通過一系列微加工工藝在種子層上加工旋轉驅動線圈、檢測電極、反饋加矩靜電電極和撓性補償硬磁極板，旋轉驅動線圈、檢測電極、反饋加矩靜電電極都是以銅為材料，撓性補償硬磁極板與撓性補償硬磁圓環是以硬磁作材料的，撓性梁的材料為鎳。定子的基體也可以使用金屬作材料，以金屬作為基體材料時，需要在基體上濺射一層Al₂O₃絕緣層，再在Al₂O₃絕緣層上加工旋轉驅動線圈、檢測電極、反饋加矩靜電電極和撓性補償硬磁極板。

本發明整個系統采用單定子、單個轉子，并通過撓性梁將轉子與定子連為一體，使得系統結構簡單，加工方便，同時又具備了很強的抗沖擊能力，能滿足在復雜環境下使用。通過金屬流體的高速旋轉來產生陀螺的角動量，沒有剛性結構之間的相對轉動，使得系統不需要采用真空封裝。通過旋轉驅動線圈來驅動金屬流體高速旋轉。本發明中充分融合了金屬流體高速旋轉產生角動量、硬磁補償撓性梁的干擾力矩和靜電加矩反饋控制三種技術，并采用MEMS技術，使該陀螺儀又具有成本低、精度高、易批量、功耗微等特點。