[发明专利]圆形及多环形轴向充磁永磁反磁转子感应旋转微陀螺

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种微机电技术领域的微型陀螺仪，具体是一种圆形及多环形轴向充磁永磁反磁转子感应旋转微陀螺。

背景技术

惯性导航系统是一种自主式导航技术，根据牛顿惯性定律直接计算出载体的位置、航向和姿态等导航参数。在工作过程中，既不向外界发射能量，也不从外部获取信息，具有不受干扰、可在任何地方使用、动态性能好、导航输出信息丰富等独特优点，在航空、航天和航海等领域得到了广泛的应用，MEMS(Micro-electromechanical Systems，微机电系统)技术的出现促使惯性导航系统向低成本、微型化、低功耗的方向发展。利用MEMS技术设计制作的悬浮转子微陀螺无机械摩擦，既具有高精度的优势，又具有尺寸小、批量化、成本低的特点，在现代及将来的军事和民用装备上具有广泛的应用前景，特别能满足微小型平台的便携式自主导航的需求。

从20世纪90年代开始，悬浮转子式微陀螺引起工业界、学术界的广泛关注，英、美、日等国的一些研究机构已开展大量悬浮转子微陀螺的研究，并取得了一定的研究成果。国内也有单位开展这方面追踪探索。

经对现有技术的文献检索发现，英国Sheffield大学和新加坡南洋理工大学C.Shearwood等人在《Sensors and Actuators》(83(2000)，p85-92)上发表“Development of a levitated micromotor for application as a gyroscope”，该文中提出一种电磁悬浮旋转盘形铝转子的微陀螺。其不足之处在于：电磁线圈需提供悬浮、稳定和旋转多种功能，涡流生热问题较为严重，工艺也比较复杂，而且侧向刚度低，随着转速的进一步提高，受侧向振动模态激振的影响而容易使转子离心抛翻，由于悬浮也是采用涡流作用，由于电磁阻尼的作用，其转速很难提高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的上述不足，提供了一种圆形及多环形轴向充磁永磁反磁转子感应旋转微陀螺，依靠上、下定子中的圆柱形及多环形轴向充磁永磁体对反磁转子提供悬浮力和侧向稳定力，实现无控制自稳起支悬浮，使其实现反磁敏感质量稳定的悬浮，相比传统电磁悬浮省去了悬浮线圈和稳定线圈，避免了利用涡流存在电磁阻尼，转速难以提高的缺点，同时又利用上、下定子的轴向检测及反馈电极和下定子侧向检测及反馈电极与转子之间静电力来提高微陀螺的轴向刚度、侧向刚度和抗冲击能力，增强稳定悬浮性能。本发明在施加静电电压之前，转子因反磁作用已悬浮在平衡位置，所以相比一般的静电悬浮，降低了转子的起支过程和起支控制难度，不需要复杂控制机构即可实现自稳定。并且本发明可以同时检测包括沿X、Y、Z轴的三轴线加速度以及绕X、Y轴二轴角加速度。本发明也具有功耗小、实现方便，尺寸小的特点。

本发明是通过以下技术方案来实现，本发明由上定子、转子和下定子三部分构成，上定子倒扣在下定子上，使上定子和下定子两个顶面相对，完成装配，从而形成空腔，转子则悬浮在此空腔内。在装配时，上定子结构中正对转子的面均称之为顶面，相应的另一面则称之为底面，同样，下定子结构中正对转子的面亦均称之为顶面，相应的另一面则称之为底面。

所述下定子包括下定子侧向检测及反馈电极、下定子公共电容极板、下定子轴向检测及反馈控制电极、下定子基体、下定子圆柱形轴向充磁永磁体、多个下定子环形轴向充磁永磁体、下定子多环形轴向充磁永磁体、下定子旋转线圈；下定子圆柱形轴向充磁永磁体结构上是圆柱形的，下定子环形轴向充磁永磁体是环形的，这两种永磁体都是轴向充磁的；在下定子基体的顶面上由内而外依次分布着下定子公共电容极板、下定子旋转线圈、下定子轴向检测及反馈电极、下定子侧向检测及反馈电极，下定子侧向检测及反馈电极分布在下定子基体的顶面的最外围，且沿圆周分布；在下定子基体的底面，下定子圆柱形轴向充磁永磁体位于下定子基体表面几何结构的中线位置，而其它的环形永磁体则以下定子基体表面几何结构的中线位置为圆心从内向外依次布置，相邻两个环形永磁体紧密嵌套配合，圆柱形永磁体紧密嵌套在圆环内半径最小的环形永磁体中，相邻永磁体同一端面的磁极性相异(即N、S交替布置)，所述的轴向充磁是指圆柱形及环形永磁体的磁极方向是沿着圆柱形或环形的几何中轴线(也是旋转轴线)方向。