專利名稱：電磁驅(qū)動(dòng)動(dòng)力調(diào)諧撓性轉(zhuǎn)子微陀螺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的微陀螺，特別是一種電磁驅(qū)動(dòng)動(dòng)力調(diào)諧撓性轉(zhuǎn)子微陀螺。
背景技術(shù)：
撓性陀螺儀是一種高性能、低成本的精度較高的陀螺，它以撓性支承代管傳統(tǒng)的懸浮技術(shù)而帶來一系列優(yōu)點(diǎn)，故在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。按照撓性支承的具體形式和補(bǔ)償彈性力矩的方法，撓性陀螺又可分為細(xì)頸式和動(dòng)力調(diào)諧式兩種類型。綱頸式撓性陀螺開始制造的時(shí)間較早，但尚未投入批量生產(chǎn)時(shí)便出現(xiàn)了更為新穎的動(dòng)力調(diào)諧式撓性陀螺。目前，中等精度的細(xì)頸式撓性陀螺仍在應(yīng)用中，而且經(jīng)過改進(jìn)以后精度也在迅速提高。動(dòng)力調(diào)諧式撓性陀螺(后面簡稱動(dòng)力調(diào)諧陀螺)自六十年代中期制成以后，作為慣性元件的候選者，顯示了很大的優(yōu)越性。從六十年代后期到七十年代，動(dòng)力調(diào)諧陀螺發(fā)展迅速。并在航空、航海及航天器的慣導(dǎo)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的產(chǎn)生促進(jìn)了陀螺的微型化，陀螺體積小，功耗小，成本低，具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。目前，使用MEMS技術(shù)制造的微陀螺主要集中在振動(dòng)式微陀螺和懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺上。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索，林士諤等主編，國防工業(yè)出版社出版的《動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀》第176-190頁，該文涉及的動(dòng)力調(diào)諧陀螺儀，尺寸大，采用磁滯電機(jī)驅(qū)動(dòng)，多個(gè)部件互相嵌套，整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。由于采用傳統(tǒng)的加工和裝配技術(shù)，尺寸較大，重量加大，對(duì)于要求尺寸小、重量輕、不適用要求成本低的場(chǎng)合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，提供一種電磁驅(qū)動(dòng)動(dòng)力調(diào)諧撓性轉(zhuǎn)子微陀螺，使其整個(gè)器件軸向布置，結(jié)構(gòu)簡單，陀螺轉(zhuǎn)子使用雙環(huán)動(dòng)力調(diào)諧支承結(jié)構(gòu)支撐，為一簡單的多孔結(jié)構(gòu)。定子、轉(zhuǎn)子為微加工一體化結(jié)構(gòu)，永磁轉(zhuǎn)子和雙定子結(jié)構(gòu)構(gòu)成的同步電機(jī)通過動(dòng)力調(diào)諧撓性環(huán)節(jié)帶動(dòng)陀螺轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，高速旋轉(zhuǎn)的陀螺轉(zhuǎn)子具有定軸性，從而可實(shí)現(xiàn)陀螺效應(yīng)。通過電容檢測(cè)陀螺轉(zhuǎn)子位置，通過反饋力矩再平衡原理實(shí)現(xiàn)對(duì)外界輸入角速度的測(cè)量。
本發(fā)明包括陀螺轉(zhuǎn)子、上定子、殼體、下定子、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子、軸、兩個(gè)寶石軸承。其連接關(guān)系為上定子、下定子設(shè)置在殼體的上部和下部，一個(gè)寶石軸承設(shè)置在上定子的中心孔處，一個(gè)寶石軸承設(shè)置在下定子的中心孔處，軸設(shè)置在兩個(gè)寶石軸承上，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子設(shè)置在軸上，且驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子位于上定子和下定子之間，陀螺轉(zhuǎn)子設(shè)置在軸上，且位于上定子之上。
本發(fā)明陀螺轉(zhuǎn)子包括外環(huán)、外連接梁、內(nèi)環(huán)、內(nèi)連接梁、設(shè)置環(huán)。其連接關(guān)系為外環(huán)通過外連接梁連接到內(nèi)環(huán)上，內(nèi)環(huán)通過內(nèi)連接梁連接到設(shè)置環(huán)上。整個(gè)陀螺轉(zhuǎn)子通過設(shè)置環(huán)設(shè)置在軸上。陀螺轉(zhuǎn)子為全金屬結(jié)構(gòu)。且與上定子上表面上的四個(gè)檢測(cè)加矩電極對(duì)、四個(gè)公共電極相對(duì)。
上定子包括基板、四個(gè)檢測(cè)加矩電極對(duì)、四個(gè)公共電極、6個(gè)或多個(gè)線圈。其連接關(guān)系為四個(gè)檢測(cè)加矩電極對(duì)、四個(gè)公共電極設(shè)置在基板的上表面上，且布置在同一圓周上，每個(gè)公共電極設(shè)置在兩個(gè)檢測(cè)加矩電極對(duì)之間，線圈設(shè)置在基板的下表面上，為平面螺旋線圈，數(shù)量為6個(gè)或多個(gè)，且呈圓周布置。
下定子包括線圈、基板，其連接關(guān)系為線圈設(shè)置在基板的上表面，為平面線圈，數(shù)量為6個(gè)或多個(gè)，成圓周布置。
驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子包括兩層永磁片、支撐片。其連接關(guān)系為8片或多片永磁片布置在支撐片的上、下表面，整個(gè)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子中心設(shè)置小孔，用于設(shè)置在軸上。
本發(fā)明微陀螺工作時(shí)，上定子的線圈和下定子的線圈通電，形成旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)，在此電磁場(chǎng)作用下，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，通過軸帶動(dòng)陀螺轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，陀螺轉(zhuǎn)子通過具有外環(huán)、外連接梁、內(nèi)環(huán)、內(nèi)連接梁的機(jī)械結(jié)構(gòu)而具有動(dòng)力調(diào)諧作用，因而避免了撓性連接產(chǎn)生的附加力矩對(duì)陀螺定軸性的影響，這樣，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的陀螺轉(zhuǎn)子具有定軸性。
當(dāng)外界輸入角速度時(shí)，檢測(cè)加矩電極對(duì)檢測(cè)到位移信息，通過公共電極輸出檢測(cè)信號(hào)，進(jìn)行處理后，反饋控制，給微陀螺轉(zhuǎn)子施加反饋力矩，轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)到與殼體平行的位置。通過力矩再平衡原理實(shí)現(xiàn)對(duì)外界輸入量的測(cè)量。
陀螺部件結(jié)構(gòu)包括上定子、下定子、陀螺轉(zhuǎn)子、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子采用的是二維半準(zhǔn)三維形式，特別適合用光刻、電鍍、濺射等微細(xì)加工工藝制作。且可以實(shí)現(xiàn)加工過程中完成裝配，不需要手工裝配。
本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步，整個(gè)器件軸向布置，采用適合微細(xì)技術(shù)加工的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用雙環(huán)動(dòng)力調(diào)諧支承結(jié)構(gòu)支撐轉(zhuǎn)子，采用永磁轉(zhuǎn)子和雙定子結(jié)構(gòu)構(gòu)成的同步電機(jī)通過動(dòng)力調(diào)諧撓性環(huán)節(jié)帶動(dòng)陀螺轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，高速旋轉(zhuǎn)的陀螺轉(zhuǎn)子具有定軸性，從而可實(shí)現(xiàn)陀螺效應(yīng)。通過電容檢測(cè)陀螺轉(zhuǎn)子位置，通過反饋力矩再平衡原理實(shí)現(xiàn)對(duì)外界輸入角速度的測(cè)量。整個(gè)關(guān)鍵主體結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子和陀螺轉(zhuǎn)子直接通過軸機(jī)械固結(jié)，而軸通過寶石軸承與上下定子連接并提供轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，且關(guān)鍵部件如上下定子、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子、陀螺轉(zhuǎn)子采用微細(xì)加工技術(shù)一體化成型，因而工作可靠性及抗振性也得到提高。本發(fā)明陀螺轉(zhuǎn)子為金屬帶多孔圓盤，上、下定子為微加工一體化結(jié)構(gòu)，因而，需手工裝配的零件少，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性得到提高。同時(shí)，本發(fā)明體積小，重量輕，便于實(shí)現(xiàn)，可作為方位陀螺使用(因?yàn)槭菗闲灾С?，應(yīng)用場(chǎng)合廣。


圖1本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)示意2本發(fā)明陀螺轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意3本發(fā)明上定子上表面電極示意4本發(fā)明上定子下表面線圈示意5本發(fā)明下定子上表面線圈示意6本發(fā)明驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
如圖1、圖3、圖4、圖5所示，本發(fā)明包括陀螺轉(zhuǎn)子1、上定子2、殼體3、下定子4、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子5、軸6、寶石軸承14、寶石軸承23。其連接關(guān)系為上定子2、下定子4設(shè)置在殼體3的上部和下部，寶石軸承14設(shè)置在上定子2的中心孔處，寶石軸承23設(shè)置在下定子4的中心孔處，軸6設(shè)置在寶石軸承14和寶石軸承23上，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子5設(shè)置在軸6上，且驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子5位于上定子2和下定子4之間，陀螺轉(zhuǎn)子1設(shè)置在軸6上，且位于上定子1之上。
如圖2所示，本發(fā)明陀螺轉(zhuǎn)子1包括外環(huán)7、外連接梁11、內(nèi)環(huán)9、內(nèi)連接梁8、設(shè)置環(huán)10。其連接關(guān)系為外環(huán)7通過外連接梁11連接到內(nèi)環(huán)9上，內(nèi)環(huán)9通過內(nèi)連接梁8連接到設(shè)置環(huán)10上。整個(gè)陀螺轉(zhuǎn)子1通過設(shè)置環(huán)10設(shè)置在軸6上。陀螺轉(zhuǎn)子1為全金屬結(jié)構(gòu)，且與上定子2上表面上的檢測(cè)加矩電極對(duì)12、檢測(cè)加矩電極對(duì)15、檢測(cè)加矩電極對(duì)17、檢測(cè)加矩電極對(duì)19、公共電極13、公共電極16、公共電極18、公共電極20相對(duì)。
如圖3、圖4所示，上定子2包括檢測(cè)加矩電極對(duì)12、公共電極13、檢測(cè)加矩電極對(duì)15、檢測(cè)加矩電極對(duì)17、檢測(cè)加矩電極對(duì)19、公共電極16、公共電極18、公共電極20、線圈21、基板22。其連接關(guān)系為檢測(cè)加矩電極對(duì)12、檢測(cè)加矩電極對(duì)15、檢測(cè)加矩電極對(duì)17、檢測(cè)加矩電極對(duì)19、公共電極13、公共電極16、公共電極18、公共電極20設(shè)置在基板22的上表面上，且布置在同一圓周上，公共電極13設(shè)置在檢測(cè)加矩電極對(duì)12、檢測(cè)加矩電極對(duì)15之間，公共電極16設(shè)置在檢測(cè)加矩電極對(duì)15、檢測(cè)加矩電極對(duì)17之間，公共電極18設(shè)置在檢測(cè)加矩電極對(duì)17、檢測(cè)加矩電極對(duì)19之間，公共電極20設(shè)置在檢測(cè)加矩電極對(duì)19、檢測(cè)加矩電極對(duì)12之間。線圈21設(shè)置在基板22的下表面上，為平面螺旋線圈，數(shù)量為6個(gè)或多個(gè)，且呈圓周布置。
如圖5所示，下定子4包括線圈24、基板25，其連接關(guān)系為線圈24設(shè)置在基板25的上表面，為平面線圈，數(shù)量為6個(gè)或多個(gè)，成圓周布置。
如圖6所示，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子5包括永磁片26、永磁片28、支撐片27。其連接關(guān)系為8片或多片永磁片26布置在支撐片27的上表面，8片或多片永磁片28布置在支撐片27的下表面，整個(gè)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子5中心設(shè)置小孔29，用于設(shè)置在軸6上。
本發(fā)明微陀螺工作時(shí)，上定子1的線圈21和下定子4的線圈24通電，形成旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)，在此電磁場(chǎng)作用下，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子5高速旋轉(zhuǎn)，通過軸6帶動(dòng)陀螺轉(zhuǎn)子1高速旋轉(zhuǎn)，陀螺轉(zhuǎn)子1通過具有外環(huán)7、外連接梁11、內(nèi)環(huán)9、內(nèi)連接梁8的機(jī)械結(jié)構(gòu)而具有動(dòng)力調(diào)諧作用，因而避免了撓性連接產(chǎn)生的附加力矩對(duì)陀螺定軸性的影響，這樣，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的陀螺轉(zhuǎn)子1具有定軸性。
當(dāng)外界輸入角速度時(shí)，檢測(cè)加矩電極對(duì)12、檢測(cè)加矩電極對(duì)15、檢測(cè)加矩電極對(duì)17、檢測(cè)加矩電極對(duì)19檢測(cè)到位移信息，通過公共電極13、公共電極16、公共電極18、公共電極20輸出檢測(cè)信號(hào)，進(jìn)行處理后，反饋控制，給微陀螺轉(zhuǎn)子1施加反饋力矩，轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)到與殼體平行的位置。通過力矩再平衡原理實(shí)現(xiàn)對(duì)外界輸入量的測(cè)量。
如圖2、3、4、5、6所示的陀螺部件結(jié)構(gòu)采用的是二維半準(zhǔn)三維形式，特別適合用光刻、電鍍、濺射等微細(xì)加工工藝制作，且可以實(shí)現(xiàn)加工過程中完成裝配，不需要手工裝配。
權(quán)利要求
1.一種電磁驅(qū)動(dòng)動(dòng)力調(diào)諧撓性轉(zhuǎn)子微陀螺，包括陀螺轉(zhuǎn)子(1)、上定子(2)、殼體(3)、下定子(4)、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子(5)、軸(6)、寶石軸承(14)、寶石軸承(23)，其特征在于，上定子(2)、下定子(4)設(shè)置在殼體(3)的上部和下部，寶石軸承(14)設(shè)置在上定子(2)的中心孔處，寶石軸承(23)設(shè)置在下定子(4)的中心孔處，軸(6)設(shè)置在寶石軸承(14)和寶石軸承(23)上，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子(5)設(shè)置在軸(6)上，且驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子(5)位于上定子(2)和下定子(4)之間，陀螺轉(zhuǎn)子(1)設(shè)置在軸(6)上，且位于上定子(1)之上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁驅(qū)動(dòng)動(dòng)力調(diào)諧撓性轉(zhuǎn)子微陀螺，其特征是，陀螺轉(zhuǎn)子(1)包括外環(huán)(7)、外連接梁(11)、內(nèi)環(huán)(9)、內(nèi)連接梁(8)、設(shè)置環(huán)(10)，外環(huán)(7)通過外連接梁(11)連接到內(nèi)環(huán)(9)上，內(nèi)環(huán)(9)通過內(nèi)連接梁(8)連接到設(shè)置環(huán)(10)上，整個(gè)陀螺轉(zhuǎn)子(1)通過設(shè)置環(huán)(10)設(shè)置在軸(6)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的電磁驅(qū)動(dòng)動(dòng)力調(diào)諧撓性轉(zhuǎn)子微陀螺，其特征是，陀螺轉(zhuǎn)子(1)為全金屬結(jié)構(gòu)，且與上定子(2)表面上的檢測(cè)加矩電極對(duì)(12)、檢測(cè)加矩電極對(duì)(15)、檢測(cè)加矩電極對(duì)(17)、檢測(cè)加矩電極對(duì)(19)、公共電極(13)、公共電極(16)、公共電極(18)、公共電極(20)相對(duì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁驅(qū)動(dòng)動(dòng)力調(diào)諧撓性轉(zhuǎn)子微陀螺，其特征是，上定子(2)包括檢測(cè)加矩電極對(duì)(12、15、17、9)、公共電極(13、16、18、20)，檢測(cè)加矩電極對(duì)(12、15、17、9)、公共電極(13、16、18、20)設(shè)置在基板(22)的上表面上，且布置在同一圓周上，公共電極(13)設(shè)置在檢測(cè)加矩電極對(duì)(12)、檢測(cè)加矩電極對(duì)(15)之間，公共電極(16)設(shè)置在檢測(cè)加矩電極對(duì)(15)、檢測(cè)加矩電極對(duì)(17)之間，公共電極(18)設(shè)置在檢測(cè)加矩電極對(duì)(17)、檢測(cè)加矩電極對(duì)(19)之間，公共電極(20)設(shè)置在檢測(cè)加矩電極對(duì)(19)、檢測(cè)加矩電極對(duì)(12)之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或者4所述的電磁驅(qū)動(dòng)動(dòng)力調(diào)諧撓性轉(zhuǎn)子微陀螺，其特征是，線圈(21)設(shè)置在基板(22)的下表面上，為平面螺旋線圈，數(shù)量為6個(gè)或多個(gè)，且呈圓周布置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁驅(qū)動(dòng)動(dòng)力調(diào)諧撓性轉(zhuǎn)子微陀螺，其特征是，下定子(4)包括線圈(24)、基板(25)，線圈(24)設(shè)置在基板(25)的上表面，為平面線圈，數(shù)量為6個(gè)或多個(gè)，成圓周布置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電磁驅(qū)動(dòng)動(dòng)力調(diào)諧撓性轉(zhuǎn)子微陀螺，其特征是，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子(5)包括永磁片(26)、永磁片(28)、支撐片(27)，8片或多片永磁片(26)布置在支撐片(27)的上表面，8片或多片永磁片(28)布置在支撐片(27)的下表面，整個(gè)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子(5)中心設(shè)置小孔(29)，用于設(shè)置在軸(6)上。
全文摘要
一種微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域的電磁驅(qū)動(dòng)動(dòng)力調(diào)諧撓性轉(zhuǎn)子微陀螺，包括陀螺轉(zhuǎn)子、上定子、殼體、下定子、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子、軸、兩個(gè)寶石軸承。上定子、下定子設(shè)置在殼體的上部和下部，一個(gè)寶石軸承設(shè)置在上定子的中心孔處，一個(gè)寶石軸承設(shè)置在下定子的中心孔處，軸設(shè)置在兩個(gè)寶石軸承上，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子設(shè)置在軸上，且驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子位于上定子和下定子之間，陀螺轉(zhuǎn)子設(shè)置在軸上，且位于上定子之上。本發(fā)明工作可靠性及抗振性得到提高，陀螺轉(zhuǎn)子為金屬帶多孔圓盤，上、下定子為微加工一體化結(jié)構(gòu)，因而，需手工裝配的零件少，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性得到提高。同時(shí)，本發(fā)明體積小，重量輕，便于實(shí)現(xiàn)，可作為方位陀螺使用，應(yīng)用場(chǎng)合廣。
文檔編號(hào)G01C19/02GK1712894SQ20051002771
公開日2005年12月28日 申請(qǐng)日期2005年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月14日
發(fā)明者張衛(wèi)平, 陳文元, 趙小林, 段永瑞 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)