專利名稱：撓性硬磁補(bǔ)償式線圈加矩流體微陀螺儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微機(jī)電技術(shù)領(lǐng)域的微陀螺，具體是一種撓性硬磁補(bǔ)償式線圈加矩流體微陀螺儀。
背景技術(shù)：
當(dāng)前被廣泛研究的微陀螺儀可分為兩種，一種是懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺，另一種是撓性陀螺儀，它們各有其特點(diǎn)。懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺，轉(zhuǎn)子在懸浮狀態(tài)下高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速獲得的較大的提高，有助于實(shí)現(xiàn)高精度，但是懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺普遍采用雙定子結(jié)構(gòu)，并且為了提高轉(zhuǎn)子的側(cè)向剛度而需要加工側(cè)向控制電極，使得懸浮轉(zhuǎn)子式微陀螺的加工工藝復(fù)雜。而為了除去轉(zhuǎn)子受到空氣阻力的影響，常見的懸浮轉(zhuǎn)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?zhèn)鹘y(tǒng)的懸浮技術(shù)而帶來一系列的優(yōu)點(diǎn)，故在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利公開號為CN1712894A，名稱為電磁驅(qū)動動力調(diào)諧撓性轉(zhuǎn)子微陀螺。該專利文中提到該系統(tǒng)包括雙定子結(jié)構(gòu)、電機(jī)驅(qū)動軸承、與軸承相連的轉(zhuǎn)子。該系統(tǒng)是通過電機(jī)驅(qū)動軸承來帶動轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生角動量，采用雙定子結(jié)構(gòu)，使用了驅(qū)動轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子兩個轉(zhuǎn)子，從而結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且在工藝上很難利用微加工工藝精確加工電機(jī)驅(qū)動軸承，工藝要求高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提出一種撓性硬磁補(bǔ)償式線圈加矩流體微陀螺儀。該陀螺使用單定子結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，陀螺的角動量是通過金屬流體的高速旋轉(zhuǎn)來產(chǎn)生的，并通過撓性梁將轉(zhuǎn)子與定子連為一體。轉(zhuǎn)子的基體是用金屬作材料，轉(zhuǎn)子上表面加工了一個由硬磁材料制造的圓環(huán)，這個圓環(huán)與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子上表面的硬磁圓環(huán)具有磁吸引力，從而能補(bǔ)償撓性梁產(chǎn)生的干擾力矩，使轉(zhuǎn)子成為自由支撐體。在定子上加工檢測電極與轉(zhuǎn)子形成差分電容來檢測轉(zhuǎn)子的位置偏移情況，并使用反饋加矩線圈對轉(zhuǎn)子進(jìn)行反饋控制。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括轉(zhuǎn)子、撓性梁、定子、撓性補(bǔ)償硬磁圓環(huán)。轉(zhuǎn)子包括第一基體和環(huán)形腔體，環(huán)形腔體位于第一基體內(nèi)，環(huán)形腔體中注有金屬流體，環(huán)形腔體中的金屬流體在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈所施加的旋轉(zhuǎn)磁場的作用下旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生角動量；撓性補(bǔ)償硬磁圓環(huán)與轉(zhuǎn)子相連，位于轉(zhuǎn)子的上表面，轉(zhuǎn)子與定子通過撓性梁連接為一體，撓性梁會隨著轉(zhuǎn)子和定子相對位置的偏移而發(fā)生相應(yīng)的變形；定子包括第二基體、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈、檢測電極、反饋加矩線圈與撓性補(bǔ)償硬磁極板，在第二基體上由內(nèi)到外分布著八個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈、八個檢測電極、四個反饋加矩線圈、四個撓性補(bǔ)償硬磁極板，其中反饋加矩線圈、撓性補(bǔ)償硬磁極板處于同一個以定子中心為圓心的圓環(huán)上，并彼此交互，反饋加矩線圈、撓性補(bǔ)償硬磁極板的內(nèi)徑和外徑分別相同，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈位于定子的最靠近中心的位置，八個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈在圓周方向上呈對稱分布，在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈的外側(cè)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，四個反饋加矩線圈和四個硬磁補(bǔ)償極板在圓周方向都呈對稱分布。
本發(fā)明撓性硬磁補(bǔ)償式線圈加矩流體微陀螺儀的結(jié)構(gòu)是采用微細(xì)加工(微細(xì)體加工和微細(xì)表面加工)工藝進(jìn)行加工。轉(zhuǎn)子的基體材料為金屬，轉(zhuǎn)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(bǔ)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(zhuǎn)驅(qū)動線圈、檢測電極、反饋加矩線圈和撓性補(bǔ)償硬磁極板，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈、檢測電極、反饋加矩線圈都是以銅為材料，撓性補(bǔ)償硬磁極板與撓性補(bǔ)償硬磁圓環(huán)是以硬磁作材料，撓性梁的材料為鎳。定子的基體也可以使用金屬作材料，以金屬作為定子的基體材料時，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(zhuǎn)驅(qū)動線圈、檢測電極、反饋靜電電極和撓性補(bǔ)償硬磁極板。
本發(fā)明整個系統(tǒng)采用單定子、單個轉(zhuǎn)子，并通過撓性梁將轉(zhuǎn)子與定子連為一體，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，同時又具備了很強(qiáng)的抗沖擊能力，能滿足在復(fù)雜環(huán)境下使用。通過金屬流體的高速旋轉(zhuǎn)來產(chǎn)生陀螺的角動量，沒有剛性結(jié)構(gòu)之間的相對轉(zhuǎn)動，使得系統(tǒng)不需要采用真空封裝。通過旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈來驅(qū)動金屬流體高速旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明中充分融合了金屬流體高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生角動量、硬磁補(bǔ)償撓性梁的干擾力矩和線圈加矩反饋控制三種技術(shù)，并采用MEMS技術(shù)，使該陀螺儀又具有成本低、精度高、易批量、功耗微等特點(diǎn)。
本發(fā)明中轉(zhuǎn)子是用金屬作材料，在定子上加工撓性補(bǔ)償硬磁極板和轉(zhuǎn)子上加工撓性補(bǔ)償硬磁圓環(huán)通過磁吸引力來補(bǔ)償撓性梁產(chǎn)生的干擾力矩，使轉(zhuǎn)子成為自由支撐體。在定子上加工檢測電極與轉(zhuǎn)子形成差分電容來檢測轉(zhuǎn)子的位置偏移情況，并使用反饋加矩線圈對轉(zhuǎn)子進(jìn)行反饋控制。


圖1為本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)立體2為本發(fā)明下定子結(jié)構(gòu)立體3為本發(fā)明撓性梁立體4為本發(fā)明轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)剖視圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
如圖1、圖2、圖3、圖4所示，本實(shí)施例包括轉(zhuǎn)子1、撓性梁2、定子3、撓性補(bǔ)償硬磁圓環(huán)4。撓性補(bǔ)償硬磁圓環(huán)4與轉(zhuǎn)子1相連，并且轉(zhuǎn)子1與定子3通過撓性梁2連接為一體，轉(zhuǎn)子1由第一基體9和環(huán)形腔體10構(gòu)成，定子3的第二基體11上有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈5、檢測電極6、反饋加矩線圈7、撓性補(bǔ)償硬磁極板8。
如圖2所示，在定子3的第二基體11上由內(nèi)到外分布著旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈5、檢測電極6、反饋加矩線圈7、撓性補(bǔ)償硬磁極板8，其中反饋加矩線圈7、撓性補(bǔ)償硬磁極板8處于同一個以定子3中心為圓心的圓環(huán)上，并且反饋加矩線圈7與撓性補(bǔ)償硬磁極板8彼此交替，反饋加矩線圈7、撓性補(bǔ)償硬磁極板8的內(nèi)徑和外徑分別相同。本發(fā)明中選用了八個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈5、八個檢測電極6、四個反饋加矩線圈7與四個撓性補(bǔ)償硬磁極板8。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈5位于定子3的最靠近中心的位置，八個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈5在圓周方向上呈對稱分布。為了形成旋轉(zhuǎn)磁場，相鄰旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈5電流相位差為90°。在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈5的外側(cè)分布著八個檢測電極6，八個檢測電極6在圓周方向上呈對稱分布，檢測電極6和轉(zhuǎn)子1之間形成的電容值隨轉(zhuǎn)子1的姿態(tài)不同而變化，從而檢測電極6與轉(zhuǎn)子1形成差分電容可以檢測轉(zhuǎn)子1的姿態(tài)變化。四個反饋加矩線圈7在圓周方向呈對稱分布，用于根據(jù)檢測電極6檢測到轉(zhuǎn)子1的偏離情況，通過在反饋加矩線圈7上施加電壓產(chǎn)生電磁力使轉(zhuǎn)子1恢復(fù)到平衡位置，以達(dá)到對轉(zhuǎn)子1進(jìn)行反饋控制的效果。當(dāng)轉(zhuǎn)子1發(fā)生偏移時，由于撓性梁2會產(chǎn)生干擾力矩，此干擾力矩會引起轉(zhuǎn)子1偏離平衡位置，因此需要補(bǔ)償該干擾力矩，補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果是為了使轉(zhuǎn)子1成為自由支撐體。四個撓性補(bǔ)償硬磁極板8在圓周方向呈對稱分布用于補(bǔ)償撓性梁2產(chǎn)生的干擾力矩。要獲得補(bǔ)償效果，在轉(zhuǎn)子1上表面加工一個撓性補(bǔ)償硬磁圓環(huán)4，撓性補(bǔ)償硬磁圓環(huán)4的內(nèi)徑與定子3上撓性補(bǔ)償硬磁極板8在以定子3中心為圓心的圓周方向上的內(nèi)徑相同，撓性補(bǔ)償硬磁圓環(huán)4的外徑與定子3上撓性補(bǔ)償硬磁極板8在以定子3中心為圓心的圓周方向上的外徑相同。這個撓性補(bǔ)償硬磁圓環(huán)4與轉(zhuǎn)子1相連接的一面為S極硬磁材料層、另一面為N極的硬磁材料層，而定子3上撓性補(bǔ)償硬磁極板8亦為硬磁材料，撓性補(bǔ)償硬磁極板8的面向轉(zhuǎn)子的一面為N極、另一面為S極，因此撓性補(bǔ)償硬磁極板8與撓性補(bǔ)償硬磁圓環(huán)4之間有磁吸引力。當(dāng)轉(zhuǎn)子1處于平衡位置時，撓性補(bǔ)償硬磁圓環(huán)4受到撓性補(bǔ)償硬磁極板8的總磁吸引力為零，由于轉(zhuǎn)子1與撓性補(bǔ)償硬磁圓環(huán)4相連，從而使得轉(zhuǎn)子1所受到的硬磁材料所施加的總作用力為零；當(dāng)轉(zhuǎn)子1偏離平衡位置時，撓性補(bǔ)償硬磁圓環(huán)4受到撓性補(bǔ)償硬磁極板8的總磁吸引力，亦即轉(zhuǎn)子1所受到的硬磁材料所施加的總作用力產(chǎn)生的力矩與撓性柱2由于形變產(chǎn)生的干擾力矩相抵消，達(dá)到補(bǔ)償效果。
如圖3所示，通過如圖3所示撓性梁2把轉(zhuǎn)子1和定子3連為一體，撓性梁2的結(jié)構(gòu)為兩頭大、中間小的圓柱體，且圓柱體的兩頭大小相同，撓性梁2的兩端分別與轉(zhuǎn)子1和定子3的中心相連接。
如圖4所示，轉(zhuǎn)子1是由第一基體9和環(huán)形腔體10構(gòu)成。通過微加工工藝在第一基體9中加工出一個環(huán)形腔體10，環(huán)形腔體10的內(nèi)徑與定子3上旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈5在以定子3中心為圓心的圓周方向上的內(nèi)徑相同，環(huán)形腔體10的外徑與定子3上旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈5在以定子3中心為圓心的圓周方向上的外徑相同。使用微加工工藝在第一基體9中打孔，金屬流體通過孔注入第一基體9中，從而形成環(huán)形金屬流體腔體。環(huán)形腔體10中的金屬流體受到旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈5施加的旋轉(zhuǎn)磁場的作用，高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生角動量，從而能響應(yīng)外界角速度的變化。
本發(fā)明撓性硬磁補(bǔ)償式線圈加矩流體微陀螺儀的結(jié)構(gòu)是采用微細(xì)加工(微細(xì)體加工和微細(xì)表面加工)工藝進(jìn)行加工。轉(zhuǎn)子1的第一基體9的材料為鎳，定子3的第一基體11的材料為玻璃，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(zhuǎn)驅(qū)動線圈5、檢測電極6、反饋加矩線圈7和撓性補(bǔ)償硬磁極板8，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈5、檢測電極6、反饋加矩線圈7都是以銅為材料，撓性補(bǔ)償硬磁極板8與撓性補(bǔ)償硬磁圓環(huán)4是以硬磁作材料，撓性梁2的材料為鎳。
權(quán)利要求
1.一種撓性硬磁補(bǔ)償式線圈加矩流體微陀螺儀，包括轉(zhuǎn)子(1)、撓性梁(2)、定子(3)、撓性補(bǔ)償硬磁圓環(huán)(4)，其特征在于，轉(zhuǎn)子(1)與定子(3)通過撓性梁(2)連接為一體，撓性補(bǔ)償硬磁圓環(huán)(4)與轉(zhuǎn)子(1)相連，位于轉(zhuǎn)子(1)的上表面；轉(zhuǎn)子(1)包括第一基體(9)和環(huán)形腔體(10)，環(huán)形腔體(10)位于第一基體(9)內(nèi)；定子(3)包括第二基體(11)、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈(5)、檢測電極(6)、反饋加矩線圈(7)與撓性補(bǔ)償硬磁極板(8)，在第二基體(11)上由內(nèi)到外分布著八個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈(5)、八個檢測電極(6)、四個反饋加矩線圈(7)、四個撓性補(bǔ)償硬磁極板(8)，其中反饋加矩線圈(7)、撓性補(bǔ)償硬磁極板(8)處于同一個以定子3中心為圓心的圓環(huán)上，并且反饋加矩線圈7與撓性補(bǔ)償硬磁極板8彼此交替，反饋加矩線圈(7)、撓性補(bǔ)償硬磁極板(8)的內(nèi)徑和外徑分別相同，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈(5)位于定子(3)的最靠近中心的位置，八個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈(5)在圓周方向上呈對稱分布，八個檢測電極(6)在圓周方向上呈對稱分布，在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈(5)的外側(cè)分布著八個檢測電極(6)，四個反饋加矩線圈(7)和四個撓性補(bǔ)償硬磁極板(8)在圓周方向都呈對稱分布。
2.根據(jù)權(quán)利要求1要求所述的撓性硬磁補(bǔ)償式線圈加矩流體微陀螺儀，其特征是，所述的轉(zhuǎn)子(1)上的環(huán)形腔體(10)的內(nèi)徑與定子(3)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈(5)在以定子(3)中心為圓心的圓周方向上的內(nèi)徑相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1要求所述的撓性硬磁補(bǔ)償式線圈加矩流體微陀螺儀，其特征是，所述撓性梁(2)的結(jié)構(gòu)為兩頭大、中間小的圓柱體，且圓柱體的兩頭大小相同，撓性梁(2)的兩端分別與轉(zhuǎn)子(1)和定子(3)的中心相連接，所述的撓性梁(2)會隨著轉(zhuǎn)子(1)和定子(3)相對位置的偏移而發(fā)生相應(yīng)的變形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或者2要求所述的撓性硬磁補(bǔ)償式線圈加矩流體微陀螺儀，其特征是，所述的轉(zhuǎn)子(1)，其中環(huán)形腔體(9)中注有金屬流體，環(huán)形腔體(9)中的金屬流體在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈(5)所施加的旋轉(zhuǎn)磁場的作用下旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生角動量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或者2要求所述的撓性硬磁補(bǔ)償式線圈加矩流體微陀螺儀，其特征是，所述的定子(3)，其中反饋加矩線圈(7)、撓性補(bǔ)償硬磁極板(8)處于同一個以定子(3)中心為圓心的圓環(huán)上，并彼此交互，反饋加矩線圈(7)、撓性補(bǔ)償硬磁極板(8)的內(nèi)徑和外徑分別相同，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈(5)位于定子(3)的最靠近中心的位置，八個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈(5)在圓周方向上呈對稱分布。
6.根據(jù)權(quán)利1或2要求所述的撓性硬磁補(bǔ)償式線圈加矩流體微陀螺儀，其特征是，所述轉(zhuǎn)子(1)上的環(huán)形腔體(10)的外徑與定子(3)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈(5)在以定子(3)中心為圓心的圓周方向上的外徑相同。
7.根據(jù)權(quán)利1所述的撓性硬磁補(bǔ)償式線圈加矩流體微陀螺儀，其特征是，所述撓性補(bǔ)償硬磁圓環(huán)(4)的內(nèi)徑與定子(3)的撓性補(bǔ)償硬磁極板(8)在以定子(3)中心為圓心的圓周方向上的內(nèi)徑相同。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的撓性硬磁補(bǔ)償式線圈加矩流體微陀螺儀，其特征是，所述撓性補(bǔ)償硬磁圓環(huán)(4)的外徑與定子(3)的撓性補(bǔ)償硬磁極板(8)在以定子(3)中心為圓心的圓周方向上的外徑相同。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的撓性硬磁補(bǔ)償式線圈加矩流體微陀螺儀，其特征是，相鄰旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈(5)電流相位差為90°。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的撓性硬磁補(bǔ)償式線圈加矩流體微陀螺儀，其特征是，所述撓性補(bǔ)償硬磁圓環(huán)(4)與轉(zhuǎn)子(1)相連接的一面為S極硬磁材料層、另一面為N極的硬磁材料層，而定子(3)上撓性補(bǔ)償硬磁極板(8)為硬磁材料，撓性補(bǔ)償硬磁極板(8)的面向轉(zhuǎn)子(1)的一面為N極、另一面為S極。
全文摘要
一種微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域的撓性硬磁補(bǔ)償式線圈加矩流體微陀螺儀，包括轉(zhuǎn)子、定子、撓性梁、撓性補(bǔ)償硬磁圓環(huán)，撓性補(bǔ)償硬磁圓環(huán)處于轉(zhuǎn)子上表面，并與轉(zhuǎn)子相連。轉(zhuǎn)子由基體和注有金屬流體的環(huán)形腔體構(gòu)成，轉(zhuǎn)子與定子通過撓性梁連接為一體，撓性梁會隨著轉(zhuǎn)子和定子相對位置的偏移而發(fā)生相應(yīng)的變形；定子包括第二基體、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動線圈、檢測電極、反饋加矩線圈與撓性補(bǔ)償靜電電極。本發(fā)明使用流體的高速轉(zhuǎn)動使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生角動量，沒有剛性結(jié)構(gòu)之間的相對轉(zhuǎn)動，通過撓性補(bǔ)償硬磁極板和撓性補(bǔ)償硬磁圓環(huán)之間產(chǎn)生的磁力矩消除撓性梁變形帶來的干擾力矩的影響，并使用反饋加矩線圈對轉(zhuǎn)子進(jìn)行反饋控制。
文檔編號G01C19/12GK101055183SQ20071004146
公開日2007年10月17日 申請日期2007年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月31日
發(fā)明者張衛(wèi)平, 周海軍, 陳文元 申請人:上海交通大學(xué)