電磁驅動框架結構的轉子式微機械陀螺的製作方法

2023-06-07 10:56:21 2

專利名稱：電磁驅動框架結構的轉子式微機械陀螺的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種微機電系統技術領域的微陀螺，特別是一種電磁驅動框架結構的轉子式微機械陀螺。
背景技術：
陀螺是一種測量物體相對於慣性空間角度或速率的傳感裝置。在過去的二十多年的時間裡，隨著MEMS技術的發展，由於MEMS器件具有體積小、重量輕、功耗低、抗衝擊、能適用於較為惡劣的環境條件等優點，使得MEMS微陀螺已經成為未來陀螺技術的主要發展方向之一。而振動式MEMS陀螺受尺寸減小和加工工藝精度的限制，偏置穩定性停滯在1° /h 左右的中等精度水平，性能難以繼續提高。利用電磁力或靜電力使轉子懸轉起來，可以提高微陀螺質量塊的運動速度，在理論上，懸浮轉子式微陀螺相對于振動式微陀螺具有更大的哥氏力和更高的靈敏度，且可實現雙軸角速度和三軸加速度測量。但由於傳統的懸浮轉子陀螺使用電磁力或靜電力使轉子懸浮起來，轉子的體積非常小，轉子轉速和穩定性的受到限制，旋轉式微陀螺精度並沒有明顯的改善。經過對現有技術的文獻檢索發現，中國專利號為200910052145. 5，名稱為利用電磁和電荷弛豫工作的懸浮轉子微陀螺，通過設置雙重懸浮穩定線圈實現微轉子自穩懸浮，通過轉子的電荷弛豫層感應出之後的電壓行波，從而帶動轉子高速旋轉，通過電容檢測實現對角速度的側臉。該發明中提出的電磁和電暈工作的懸浮轉子微陀螺，其不足之處是採用靜電或電磁懸浮，沒有支撐結構，其定軸性和運動穩定性不好，需要複雜的控制系統。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中的不足，提出一種利用電磁驅動框架結構的轉子式微陀螺，由於具有支撐軸，在外界電磁場的驅動下能夠實現高速穩定的旋轉，通過對十字支撐梁上的壓電結構信號的檢測，可以實現對雙軸角速度的檢測。本發明是通過以下技術方案實現的電磁驅動框架結構的轉子式微機械陀螺，包括徑向充磁的微陀螺金屬圓盤轉子(1)和微陀螺定子O)，微陀螺金屬圓盤轉子(1)位於微陀螺金屬圓盤轉子O)內部中心位置，還包括上十字支撐框架(3-1)、下十字支撐框架 (3-2)，多個線圈(4)、八個壓電結構(5)、第一軸(6-1)、第二軸(6-2)、第一軸承(7-1)和第二軸承(7-2)，微陀螺金屬圓盤轉子(1)位於上、下十字框架的中心位置，第一軸(6-1)和第二軸(6- 分別位於微陀螺金屬圓盤轉子(1)上下面的圓心位置處，第一軸(6-1)與上十字支撐框架(3-1)的中心位置一體化連接，第二軸(6-2)與下十字支撐框架(3-2)的中心位置一體化連接，第一軸(6-1)與第一軸承(7-1)相連接，第二軸(6-2)與第二軸承(7-2) 相連接，每個軸承上有潤滑劑，第一軸(6-1)、第一軸承(7-1)和微陀螺金屬圓盤轉子(1)的圓心(8)為同心，上十字支撐框架(3-1)和下十字支撐框架(3-2)的每個十字的末端與壓電結構的一端(5)相連接，每個壓電結構(5)的另外一端與微陀螺的定子(2)相連接，位於微陀螺金屬圓盤轉子(1)的同一平面並沿其圓周平均分布有多個線圈G)，每個線圈的匝數相同；在線圈(4)上通相位互不交疊的高頻交流信號，在微陀螺金屬圓盤轉子周圍形成旋轉電磁場，在此旋轉電磁場作用下，微陀螺金屬圓盤轉子(1)高速旋轉。本發明還具有如下特徵1、所述的軸承為寶石軸承或機械軸承。2、所述的線圈的數量為偶數。3、所述的線圈的數量為4、6或8個線圈。4、一種磁驅動框架結構的轉子式微機械陀螺的角速度檢測方法，當外界對電磁驅動框架結構的轉子式微機械陀螺輸入角速度信號時，由於微陀螺金屬圓盤轉子在哥氏力的作用下發生偏轉，上下十字支撐框架發生形變，與上下十字支撐框架相連接的壓電結構輸出檢測信號，檢測信號進行處理後，信號反饋到壓電結構控制十字支撐框架，給微陀螺金屬圓盤轉子施加反饋力矩，微陀螺金屬圓盤轉子進動到與上下十字支撐框架平行的位置，從而實現對轉子的閉環控制，同時，通過力矩再平衡原理實現外界輸入角速度的測量。本發明具有實質性的進步，整個器件軸向布置，微機械陀螺的關鍵部件如上下十字支撐框架、轉子、定子採用微細加工技術一體化成型，系統採用電磁驅動，電磁驅動力矩較大，具有較高的運動速度，高速旋轉的陀螺轉子的定軸性和穩定性好，本發明具有結構簡單、易於裝配和可靠性高的特點，同時本發明體積小、成本低、靈敏度高和易於實現。


圖1為本發明的俯視結構示意圖。圖2為本發明的側視結構示意具體實施例方式下面結合附圖對本發明的實施例做詳細的說明，實施例1 電磁驅動框架結構的轉子式微機械陀螺，包括徑向充磁的微陀螺金屬圓盤轉子 (1)和微陀螺定子O)，微陀螺金屬圓盤轉子(1)位於微陀螺金屬圓盤轉子O)內部中心位置，其特徵在於還包括上十字支撐框架(3-1)、下十字支撐框架(3-2)，4個線圈、八個壓電結構(5)、第一軸(6-1)、第二軸(6- 、第一軸承(7-1)和第二軸承(7-2)，微陀螺金屬圓盤轉子(1)位於上、下十字框架的中心位置，第一軸(6-1)和第二軸(6- 分別位於微陀螺金屬圓盤轉子(1)上下面的圓心位置處，第一軸(6-1)與上十字支撐框架(3-1)的中心位置一體化連接，第二軸(6- 與下十字支撐框架(3- 的中心位置一體化連接，第一軸 (6-1)與第一軸承(7-1)相連接，第二軸(6-2)與第二軸承(7- 相連接，每個軸承上有潤滑劑，第一軸(6-1)、第一軸承(7-1)和微陀螺金屬圓盤轉子(1)的圓心(8)為同心，上十字支撐框架(3-1)和下十字支撐框架(3- 的每個十字的末端與壓電結構的一端( 相連接，每個壓電結構(5)的另外一端與微陀螺的定子(2)相連接，位於微陀螺金屬圓盤轉子 (1)的同一平面並沿其圓周平均分布有4個線圈G)，每個線圈的匝數相同；在線圈(4)上通相位互不交疊的高頻交流信號，在微陀螺金屬圓盤轉子周圍形成旋轉電磁場，在此旋轉電磁場作用下，微陀螺金屬圓盤轉子(1)高速旋轉。微陀螺的軸與上下十字支撐框架相連接後，可以有效的避免附加力矩對陀螺定軸性的影響，這樣，高速轉動的微陀螺金屬圓盤轉子具有較好的運動穩定性。所述的軸承為寶石軸承或機械軸承。當外界輸入角速度信號時，由於微陀螺金屬圓盤轉子在哥氏力的作用下發生偏轉，上下十字支撐框架發生形變，與上下十字支撐框架相連接的壓電結構輸出檢測信號，檢測信號進行處理後，信號反饋到壓電結構控制十字支撐框架，給微陀螺金屬圓盤轉子施加反饋力矩，微陀螺金屬圓盤轉子進動到與上下十字支撐框架平行的位置，從而實現對轉子的閉環控制，同時，通過力矩再平衡原理實現外界輸入角速度的測量。實施例2:本實施例與實施例1不同的地方是線圈的數量為6個，其它地方與實施例1相同。實施例3 本實施例與實施例1不同的地方是線圈的數量為8個，其它地方與實施例1相同。
權利要求
1.電磁驅動框架結構的轉子式微機械陀螺，包括徑向充磁的微陀螺金屬圓盤轉子(1) 和微陀螺定子O)，微陀螺金屬圓盤轉子(1)位於微陀螺金屬圓盤轉子O)內部中心位置， 其特徵在於還包括上十字支撐框架(3-1)、下十字支撐框架(3-2)，多個線圈0)、八個壓電結構(5)、第一軸(6-1)、第二軸(6-2)、第一軸承(7-1)和第二軸承(7-2)，微陀螺金屬圓盤轉子(1)位於上、下十字框架的中心位置，第一軸(6-1)和第二軸(6-2)分別位於微陀螺金屬圓盤轉子(1)上下面的圓心位置處，第一軸(6-1)與上十字支撐框架(3-1)的中心位置一體化連接，第二軸(6-2)與下十字支撐框架(3-2)的中心位置一體化連接，第一軸 (6-1)與第一軸承(7-1)相連接，第二軸(6-2)與第二軸承(7- 相連接，每個軸承上有潤滑劑，第一軸(6-1)、第一軸承(7-1)和微陀螺金屬圓盤轉子(1)的圓心(8)為同心，上十字支撐框架(3-1)和下十字支撐框架(3- 的每個十字的末端與壓電結構的一端( 相連接，每個壓電結構(5)的另外一端與微陀螺的定子(2)相連接，位於微陀螺金屬圓盤轉子 (1)的同一平面並沿其圓周平均分布有多個線圈G)，每個線圈的匝數相同；在線圈(4)上通相位互不交疊的高頻交流信號，在微陀螺金屬圓盤轉子周圍形成旋轉電磁場，在此旋轉電磁場作用下，微陀螺金屬圓盤轉子(1)高速旋轉。
2.如權利要求1所述的電磁驅動框架結構的轉子式微機械陀螺，其特徵在於所述的軸承為寶石軸承或機械軸承。
3.如權利要求1或2所述的電磁驅動框架結構的轉子式微機械陀螺，其特徵在於所述的線圈的數量為偶數。
4.如權利要求1或2所述的電磁驅動框架結構的轉子式微機械陀螺，其特徵在於所述的線圈的數量為4、6或8個線圈。
5.磁驅動框架結構的轉子式微機械陀螺的角速度檢測方法，其特徵在於當外界對如權利要求1、2、3或4所述的電磁驅動框架結構的轉子式微機械陀螺輸入角速度信號時，由於微陀螺金屬圓盤轉子在哥氏力的作用下發生偏轉，上下十字支撐框架發生形變，與上下十字支撐框架相連接的壓電結構輸出檢測信號，檢測信號進行處理後，信號反饋到壓電結構控制十字支撐框架，給微陀螺金屬圓盤轉子施加反饋力矩，微陀螺金屬圓盤轉子進動到與上下十字支撐框架平行的位置，從而實現對轉子的閉環控制，同時，通過力矩再平衡原理實現外界輸入角速度的測量。
全文摘要
電磁驅動框架結構的轉子式微機械陀螺，包括徑向充磁的微陀螺金屬圓盤轉子和微陀螺定子，微陀螺金屬圓盤轉子位於微陀螺金屬圓盤轉子內部中心位置，還包括上十字支撐框架、下十字支撐框架，多個線圈、八個壓電結構、第一軸、第二軸、第一軸承和第二軸承，微陀螺金屬圓盤轉子位於上、下十字框架的中心位置，第一軸和第二軸分別位於微陀螺金屬圓盤轉子上下面的圓心位置處，第一軸與上十字支撐框架的中心位置一體化連接，第二軸與下十字支撐框架的中心位置一體化連接，第一軸、第一軸承和微陀螺金屬圓盤轉子的圓心為同心。本發明具有結構簡單、易於裝配和可靠性高的特點，同時本發明體積小、成本低、靈敏度高和易於實現。
文檔編號G01C19/08GK102564409SQ20121004314
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月24日 優先權日2012年2月24日
發明者劉曉為, 尹亮, 張海峰, 翁睿, 趙振剛 申請人:哈爾濱工業大學