[發(fā)明專利]振動式單框架微控制力矩陀螺

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010191179.5
• 申請日: 2010-06-03
• 公開（公告）號: CN101881616A
• 公開（公告）日: 2010-11-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 常洪龍;焦文龍;付乾炎;苑偉政
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G01C19/56
• 分類號: G01C19/56;B81B3/00
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 呂湘連

所屬領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種采用微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)實現(xiàn)的振動式單框架微控制力矩陀螺，屬于利用科氏效應(yīng)的制導(dǎo)或控制裝置領(lǐng)域。

背景技術(shù)

使用MEMS技術(shù)的控制力矩陀螺可以減小尺寸和重量，降低成本。本發(fā)明研究采用微機電系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)的振動式單框架微控制力矩陀螺，以期加快MEMS在制導(dǎo)或控制裝置領(lǐng)域的應(yīng)用。單框架控制力矩陀螺的原理為：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動形成沿Z軸的動量矩Iω，框架以沿Y軸的轉(zhuǎn)速Ω轉(zhuǎn)動，帶動轉(zhuǎn)子動量矩方向發(fā)生改變，則輸出沿X軸的力矩IωΩ。

Joel?Reiter，Karl?Boehringer等人在文獻(xiàn)“MEMS控制力矩陀螺設(shè)計和基于硅片的航天器框架研究”(MEMS?control?moment?gyroscope?design?and?wafer-based?spacecraft?chassis?study，Proc.SPIE?onMicro-machined?Devices?and?Components?V，Vol.3876，p.122-128，1999)中，公開了一種使用MEMS技術(shù)的振動式單框架微控制力矩陀螺。參閱圖4，該控制力矩陀螺的多晶硅轉(zhuǎn)子通過兩根梁連到中心軸上，中心軸將轉(zhuǎn)子懸置在活動板上，活動板通過兩根框架梁連到外框架，外框架將活動板懸置于玻璃基底上。轉(zhuǎn)子上旋出兩組反向的活動梳齒，活動板上有對應(yīng)的固定梳齒。活動板上有活動電極，玻璃基底上有與活動電極相對的固定電極。導(dǎo)線將固定梳齒和活動電極沿框架梁連接到外框架以實現(xiàn)電連接。工作時，活動梳齒和固定梳齒驅(qū)動轉(zhuǎn)子沿周向振動，活動電極和固定電極驅(qū)動活動板繞框架梁振動，同時帶動轉(zhuǎn)子的動量矩方向發(fā)生改變，從而得到力矩輸出。

該控制力矩陀螺有如下不足：

1)固定梳齒和活動電極通過導(dǎo)線連接到同一電位，兩者的電位不能實現(xiàn)分別控制；2)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，轉(zhuǎn)子和活動板分為兩層，加工工藝繁瑣；3)導(dǎo)線固定在活動板和框架梁上，活動板和框架梁在工作時處于活動狀態(tài)，導(dǎo)致導(dǎo)線容易發(fā)生斷裂等失效；4)梁結(jié)構(gòu)采用直梁形式，在發(fā)生大位移時非線性效應(yīng)顯著，不容易獲得大位移驅(qū)動。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于公開一種新的振動式單框架微控制力矩陀螺，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的如下問題：1)微控制力矩陀螺結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)雜問題；2)導(dǎo)線因振動而容易失效問題；3)發(fā)生大位移時的非線性問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種振動式單框架微控制力矩陀螺，由結(jié)構(gòu)層1和基底3構(gòu)成。結(jié)構(gòu)層1材料為半導(dǎo)體材料，基底3是可以與結(jié)構(gòu)層1材料鍵合的絕緣材料。

參閱圖1、圖2，結(jié)構(gòu)層1包括由中心圓11和扇環(huán)5組成的轉(zhuǎn)子16、折疊梁7、活動梳齒10、固定梳齒9、外框4，所有結(jié)構(gòu)厚度一致。中心圓11的周向均布有若干個以中心圓11半徑為內(nèi)徑的扇環(huán)5，扇環(huán)5的外徑小于外框4到中心圓11圓心的最小距離，每個扇環(huán)5兩側(cè)徑向?qū)ΨQ分布有若干個活動梳齒10，每個活動梳齒10與對應(yīng)的固定梳齒9構(gòu)成一組梳齒對，固定梳齒9通過梳齒錨點8與基底3相連。每兩個相鄰的扇環(huán)5之間布有一個將外框4和轉(zhuǎn)子16連接起來的折疊梁7，外框4通過外框錨點6懸置在基底3上。

參閱圖2、圖3，對應(yīng)結(jié)構(gòu)層1上的外框錨點6的位置，基底3上布有相應(yīng)的鍵合點14，在基底3上與外框4的四個頂點對應(yīng)的位置布有四個外框驅(qū)動用電極12；對應(yīng)結(jié)構(gòu)層1上的固定梳齒9的位置，基底3上布有若干個梳齒驅(qū)動用電極15；基底3上的鍵合點14、外框驅(qū)動用電極12、梳齒驅(qū)動用電極15通過導(dǎo)線13引至相應(yīng)的打線點2。

外框驅(qū)動用電極12沿X方向的最遠(yuǎn)距離L和結(jié)構(gòu)層1的X向最寬尺寸L0之間的關(guān)系滿足：L＜0.4404L₀，以防止發(fā)生“吸合”。

工作時，驅(qū)動電信號依次通過基底3上打線點2-導(dǎo)線13-梳齒驅(qū)動用電極15，使得結(jié)構(gòu)層1上的活動梳齒10與固定梳齒9產(chǎn)生轉(zhuǎn)子16振動的驅(qū)動力，折疊梁7提供轉(zhuǎn)子16振動的恢復(fù)力，在驅(qū)動力與恢復(fù)力的共同作用下，轉(zhuǎn)子16形成與XY平面垂直的動量矩。同時，驅(qū)動電信號依次通過基底3上打線點2-導(dǎo)線13-鍵合點14傳至結(jié)構(gòu)層1；驅(qū)動電信號依次通過基底3上打線點2-導(dǎo)線13傳至外框驅(qū)動用電極12，這樣，由于外框驅(qū)動用電極12和結(jié)構(gòu)層1之間的電位差產(chǎn)生的靜電力，驅(qū)動結(jié)構(gòu)層1繞X軸振動，這樣，轉(zhuǎn)子16的動量矩方向發(fā)生改變，從而輸出沿Y軸的力矩。