專利名稱：調諧式微機電陀螺的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種陀螺，尤其涉及一種調諧式微機電陀螺。
背景技術：
微機電陀螺是利用微機電系統(MEMS)技術制作的一類陀螺，具有體積小、重量輕、成本低、功耗小、可靠性好等一系列優點，在軍民兩方面都具有廣泛的應用前景。微機電陀螺儀自上世紀80年代中后期發明以來，受到世界各發達國家的廣泛重視，紛紛投巨資加以研究。現今的微機電陀螺儀大多采用諧振式，其結構主要是由活動的質量塊附加振動驅動裝置及加速度檢測裝置組成。沿某一軸向(x軸)振動的質量塊敏感基座沿另一軸向(y軸)的角速度，會產生沿第三軸方向(z軸)(三軸互相垂直)的哥氏加速度，通過檢測該哥氏加速度的大小即可求得基座角速度，該類陀螺儀存在兩個有用模態，即驅動模態和檢測模態。在該類陀螺儀的設計中，為了得到較高的靈敏度，需要使陀螺儀工作于諧振狀態，并使其檢測模態和驅動模態接近。從而帶來了穩定性差、線路復雜、線性度低、精度低等問題。目前研制的微機電陀螺大多應用于中低精度的場合。
動力調諧陀螺儀是上世紀60年代發展起來的一種機電陀螺儀。一種典型的動力調諧陀螺儀結構。驅動電機通過驅動軸，撓性接頭帶動陀螺轉子高速旋轉。撓性接頭的結構能保證陀螺儀在敏感垂直于驅動軸向的角速度時，陀螺轉子相對于殼體產生角偏轉信號，該信號通過信號器檢測，并通過力矩器產生力矩反饋，使陀螺轉子回到平衡位置。撓性接頭是一種連接裝置，它包括內環(和驅動軸相連)，平衡環和外環(和陀螺轉子相連)。各環之間通過撓性桿連接。通過調節，使由平衡環產生的負彈性力矩與由撓性桿產生的正彈性力矩相平衡，即動力調諧。動力調諧陀螺具有精度高，穩定性好等優點。但該類陀螺撓性接頭結構復雜，陀螺轉子動量矩大，動鐵式力矩器體積大重量重。存在啟動穩定時間長，抗沖擊性能差和結構復雜，成本高等缺陷。
發明內容
本發明針對諧振式微機電陀螺和動力調諧陀螺的不足，提供一種能夠提高微機電陀螺儀的精度和穩定性且具有體積小、重量輕、成本低、功耗小、可靠性好調諧式微機電陀螺。
本發明采用如下技術方案一種涉及測量技術的調諧式微機電陀螺，包括電機，在電機驅動軸上設有陀螺轉子/平衡環，在陀螺轉子/平衡環的上方與下方分別設有電容上、下極板且由固定圓環固定，在固定圓環上設有用于引導電容上、下極板的輸出信號的導線環。
與現有技術相比，本發明具有如下優點本發明提出的調諧式微機電陀螺，包括高速旋轉的微電機，片狀轉子體和平衡環以及位于其兩側相互對稱的檢測電容極板和力反饋電容極板。本發明所說的轉子體和平衡環結構采用片狀形式。轉子體/平衡環結構可以采用低阻硅，用MEMS加工方法制作，或者采用恒彈性金屬材料(例如3J33)制作。本發明所說的高速旋轉微電機為永磁無刷直流電機，其轉速可通過電子線路調整，通過設計計算和調整，使由平衡環引起的負彈性力矩和內外扭桿產生的正彈性力矩相平衡，即滿足Kp=(Ie-Iz2)θ·2]]>式中，Kp為正彈性系數，Ie、Iz分別為平衡環赤道轉動慣量和極慣量， 為陀螺轉速。從而實現調諧。或采用交流磁滯電機，通過調頻改變轉速實現調諧。所說的檢測電容極板和力反饋電容極板，它們呈扇狀，同心分布在絕緣基板上，如圖4。絕緣基板可采用可加工陶瓷或用平板玻璃或膠木板制造，并對稱分布于轉子/平衡環兩側。
本發明的具體優點如下1.用高速旋轉的轉子取代了作高頻振動的質量塊，從而有效地克服了振動陀螺動量矩隨時間變化帶來的弊端，同時也避免了諧振式微機電陀螺驅動模態和檢測模態的匹配問題。
2.和傳統的動力調諧陀螺儀相比，本發明采用了片狀轉子/平衡環結構，結構簡單，雖然動量矩降低了，但陀螺儀的品質因數卻大大提高了，這有利于減小陀螺儀的漂移誤差，提高穩定性和測量精度。此外，采用片狀結構，可使陀螺儀角動量與質量的比值達最大。由于轉子體的質量減輕了，其抗沖擊性能和測量范圍都得到很大提高，啟動特性也得到了改善。
3.陀螺儀信號器/力矩器采用電容檢測和靜電力反饋形式，目前的動力調諧陀螺儀大多采用電感信號器和動鐵式力矩器，不僅體積大，重量重，而且在較高速率下工作時發熱量很大。本發明采用平板電容檢測和靜電力反饋，大大減小了陀螺的體積和重量，也減小了發熱量。
4.采用硅材料制作片狀轉子/平衡環結構，硅具有很好的機械特性和電學特性，可利用MEMS工藝加工，有利于批生產，從而能大大降低成本。
5.選用永磁無刷直流電機，提高了轉速穩定性，也實現了電子調諧，使陀螺儀測量精度大大提高。
本發明同時具有諧振式微機電陀螺和動力調諧式機電陀螺的長處，其測量精度和動力調諧陀螺儀相當，可達1°/h～0.005°/h，比現有的諧振式微機電陀螺高，其抗沖擊性能和啟動特性則比動力調諧陀螺儀好，成本比動力調諧陀螺低。
圖1為本發明的調諧式微機電陀螺儀結構示意圖。
圖2為本發明的片狀轉子/平衡環結構主視圖。
圖3為本發明的片狀轉子/平衡環結構剖視圖。。
圖4為本發明的調諧式微機電陀螺局部結構剖視圖。
圖5為本發明的檢測電容極板和力反饋電容極板示意圖。
具體實施例方式
一種涉及測量技術的調諧式微機電陀螺，包括電機31，在電機驅動軸39上設有陀螺轉子/平衡環35，在陀螺轉子/平衡環35的上方與下方分別設有電容上、下極板33、36且由固定圓環34固定，在固定圓環34上設有用于引導電容上、下極板的輸出信號的導線環32，陀螺轉子/平衡環35由內環41、中環43和外環45組成，內環41與驅動電機驅動軸固連，中環43是平衡環，外環45是轉子體，內環與平衡環之間通過一對內扭桿42A、42B相連，平衡環與轉子體之間通過一對外扭桿44A、44B連接，在陀螺轉子/平衡環35上方設有用于防止轉子與電容極板相碰的擋板37并由緊固螺釘38固緊，所說的電容極板包括檢測電容極板和力矩反饋電容極板，它們呈扇狀，同心分布在絕緣基板上，該基板用陶瓷材料，玻璃材料或其他絕緣材料制作，與基座相固連，并對稱分布于轉子/平衡環兩側。
本發明設計的調諧式微機電陀螺儀，其結構及工作原理結合附圖詳細說明如下圖1為本發明設計的一種調諧式微機電陀螺儀結構。其結構剖視圖如圖4。驅動電機31通過驅動軸39帶動陀螺轉子/平衡環35高速旋轉；32是導線環，用來引導電容極板的輸出信號；33和36是電容極板，其電容排列及與轉子體的間隙完全相同；34是固定圓環，用來固定電容極板；37是擋板，用來固定轉子，并防止轉子與電容極板相碰；38是緊固螺釘。當轉子體敏感載體沿x/y方向的角速度時，便產生哥氏加速度，由此產生的陀螺力矩作用于扭桿，使轉子/平衡環結構相對于扭桿產生偏轉，引起轉子和檢測電容極板間電容的變化，該電容變化反映了輸入角速度的大小。電容檢測極板和力矩反饋電容極板均設計成對稱結構形式，結構如附圖4所示，通過前放、解調、校正和力矩平衡回路控制轉子的運動，并測出正比于輸入角速度的電壓信號。
圖2所示為本發明設計的一種轉子/平衡環結構。圖3是該結構的剖視圖。它由三個同心圓環組成，內環41與驅動電機驅動軸固連，中環43是平衡環，外環45是轉子體，內環與平衡環之間通過一對內扭桿42A和42B相連，平衡環與轉子體之間通過一對外扭桿44A和44B連接。內扭桿和外扭桿彼此正交，扭桿設計成具有較大的抗彎剛度和低的扭轉剛度。
圖5為本發明設計的一種電容極板結構。其中，51為絕緣基板，52-55為電容極板，通過在絕緣基板上鍍金屬而成，其中52A和52B，53A和53B,54A和54B,55A和55B兩兩對稱，并相互成90度排列。
當高速旋轉的轉子體敏感載體沿x/y方向的角速度時，產生哥氏加速度，引起轉子和檢測電容極板間電容的變化，電容檢測極板和力反饋電容極板均設計成對稱結構形式，通過前放、解調、校正和力平衡回路控制轉子的運動，并測出正比于輸入角速度的電壓信號。
權利要求
1.一種涉及測量技術的調諧式微機電陀螺，包括電機(31)，其特征在于在電機驅動軸(39)上設有陀螺轉子/平衡環(35)，在陀螺轉子/平衡環(35)的上方與下方分別設有電容上、下極板(33、36)且由固定圓環(34)固定，在固定圓環(34)上設有用于引導電容上、下極板的輸出信號的導線環(32)。
2.根據權利要求1所述的調諧式微機電陀螺，其特征在于陀螺轉子/平衡環(35)由內環(41)、中環(43)和外環(45)組成，內環(41)與驅動電機驅動軸固連，中環(43)是平衡環，外環(45)是轉子體，內環與平衡環之間通過一對內扭桿(42A、42B)相連，平衡環與轉子體之間通過一對外扭桿(44A、44B)連接。
3.根據權利要求1或2所述的調諧式微機電陀螺，其特征在于在陀螺轉子/平衡環(35)上方設有用于防止轉子與電容極板相碰的擋板(37)并由緊固螺釘(38)固緊。
4.根據權利要求1所述的調諧式微機電陀螺，其特征在于，所說的電容極板包括檢測電容極板和力矩反饋電容極板，它們呈扇狀，同心分布在絕緣基板上，該基板用陶瓷材料，玻璃材料或其他絕緣材料制作，與基座相固連，并對稱分布于轉子/平衡環兩側。
全文摘要
本發明公開了一種涉及測量技術的調諧式微機電陀螺，包括電機，在電機驅動軸上設有陀螺轉子/平衡環，在陀螺轉子/平衡環的上方與下方分別設有電容上、下極板且由固定圓環固定，在固定圓環上設有用于引導電容上、下極板的輸出信號的導線環。本發明針對諧振式微機電陀螺和動力調諧陀螺的不足，提高了微機電陀螺儀的精度和穩定性且具有體積小、重量輕、成本低、功耗小、可靠性好調諧式微機電陀螺。
文檔編號G01C19/02GK1710383SQ20051004059
公開日2005年12月21日 申請日期2005年6月17日 優先權日2005年6月17日
發明者王壽榮, 蘇巖, 裘安萍, 周百令, 劉梅, 許宜申 申請人:東南大學