專利名稱：利用電磁和電暈工作的懸浮轉(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)電技術(shù)(MEMS)領(lǐng)域的微陀螺，具體地說(shuō)，涉及的是一種利用電磁和電暈作用工作的懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺儀。
背景技術(shù)：
MEMS器件具有微小化、低成本、低能耗、可批量化的特點(diǎn)，近年來(lái)，各國(guó)的學(xué)者，工程師，嘗試設(shè)計(jì)和制造懸浮轉(zhuǎn)子MEMS微陀螺。在過(guò)去的二十多年的時(shí)間里，國(guó)內(nèi)外應(yīng)用硅的表面微細(xì)加工技術(shù)或者體微細(xì)加工技術(shù)加工出了很多種振動(dòng)陀螺，但由于種種原因微振動(dòng)陀螺很難達(dá)到傳統(tǒng)陀螺的高精度。
經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利號(hào)為200410018474.5，名稱為靜電懸浮轉(zhuǎn)子微慣性傳感器及其制造方法。該陀螺提出了靜電懸浮轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和靜電驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。根據(jù)上下定子電容檢測(cè)獲得轉(zhuǎn)子的軸向位置，通過(guò)軸向懸浮電極上施加電壓，利用上下定子軸向懸浮電極和轉(zhuǎn)子之間的靜電力實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的軸向懸?。煌瑫r(shí)，旋轉(zhuǎn)是基于可變電容靜電微馬達(dá)的原理工作的，控制復(fù)雜，需要轉(zhuǎn)速檢測(cè)。該發(fā)明中提出的靜電懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺，其不足之處是采用靜電懸浮方式，不能自穩(wěn)控制，需要復(fù)雜的多路解耦控制，且旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)采用變電容方法，需要復(fù)雜控制。

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，提出一種利用電磁懸浮和電暈驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)工作的懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺，能自穩(wěn)控制，且有徑向穩(wěn)定電極。利用電暈作用使轉(zhuǎn)子恒高速轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)只需要設(shè)置齒形電極，因而可做成圓環(huán)狀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需轉(zhuǎn)速檢測(cè)即可實(shí)現(xiàn)恒高速旋轉(zhuǎn)，力矩大，也方便了加工；通過(guò)設(shè)置雙重懸浮穩(wěn)定線圈實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)懸浮；徑向懸浮檢測(cè)電極進(jìn)一步增強(qiáng)了微轉(zhuǎn)子的徑向穩(wěn)定懸浮剛度，軸向懸浮檢測(cè)電極進(jìn)一步增強(qiáng)了微轉(zhuǎn)子的軸向穩(wěn)定懸浮剛度。解決了背景技術(shù)中不能自穩(wěn)懸浮和控制復(fù)雜的不足。
本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括上定子、下定子、周邊結(jié)構(gòu)、微轉(zhuǎn)子，齒形結(jié)構(gòu)，上定子、下定子上下設(shè)置，上定子、上定子和周邊結(jié)構(gòu)相連構(gòu)成一個(gè)籠式結(jié)構(gòu)，周邊結(jié)構(gòu)設(shè)置在微轉(zhuǎn)子周圍，微轉(zhuǎn)子置于這個(gè)籠式結(jié)構(gòu)的中間，齒形結(jié)構(gòu)均布在環(huán)形轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)，且齒形結(jié)構(gòu)和微轉(zhuǎn)子之間有間隔，齒形結(jié)構(gòu)設(shè)置在下基體上，上定子包括上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈、上定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、上定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈、上定子軸向懸浮檢測(cè)電極和上定子公共電極，上定子從內(nèi)到外，依次是上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、上定子軸向懸浮檢測(cè)電極、上定子公共電極、上定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、上定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈，上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈，上定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、上定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈共同構(gòu)成懸浮穩(wěn)定線圈，且分別為帶開(kāi)口的圓形銅線圈，彼此之間不連接，均在以上定子中心為圓心的圓上；上定子軸向懸浮檢測(cè)電極的每一個(gè)都成扇形，均勻的分布在以上定子圓心為圓心的圓周上，且彼此間隔相等；上定子公共電極是一個(gè)連續(xù)的導(dǎo)電圓環(huán)，上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈的內(nèi)徑小于微轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑，上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈的外徑大于微轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑，上定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈的內(nèi)徑小于微轉(zhuǎn)子的外徑，上定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈的外徑大于微轉(zhuǎn)子的外徑，上定子和下定子的結(jié)構(gòu)相同，在空間上是垂直相向?qū)?yīng)的。
微轉(zhuǎn)子是圓環(huán)結(jié)構(gòu)，分別包括轉(zhuǎn)子表面結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子的支撐結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子表面結(jié)構(gòu)位于支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)。
轉(zhuǎn)子的支撐結(jié)構(gòu)采用轉(zhuǎn)子表面結(jié)構(gòu)采用P醒A材料，而齒形結(jié)構(gòu)用Ni金屬。
周邊結(jié)構(gòu)是一個(gè)圓環(huán)式結(jié)構(gòu)，包括八個(gè)徑向懸浮檢測(cè)電極，這八個(gè)徑向電極板均勻的分布在以平衡位置時(shí)環(huán)形轉(zhuǎn)子中心為圓心的圓上，且彼此間隔相等。
本發(fā)明不僅具有能夠自穩(wěn)的設(shè)置第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、第一個(gè)懸浮穩(wěn)
定線圈外圈、第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈和環(huán)形轉(zhuǎn)子，而且具有軸向和徑向兩個(gè)懸浮設(shè)置，多個(gè)懸浮設(shè)置可以相互補(bǔ)充，提高陀螺整體
懸浮剛度和效果。
本發(fā)明轉(zhuǎn)子懸浮第一個(gè)懸浮線圈外圈、第一個(gè)懸浮線圈內(nèi)圈、第二個(gè)懸浮線圈外圈、第二個(gè)懸浮線圈內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定懸浮系統(tǒng)。通過(guò)在四個(gè)線圈上同時(shí)施加特定的交流電產(chǎn)生出磁場(chǎng)，與環(huán)形轉(zhuǎn)子交互作用，才能實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)懸浮。具體為在第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈上加交流電，在第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈上加相同頻率、幅值相等、相位相差180度的交流電；在第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈上施加交流電，在第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈上加相同頻率，幅值相等，相位相差180度的交流電，即實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮。根據(jù)電磁場(chǎng)效應(yīng)，在微轉(zhuǎn)子上感應(yīng)
出的電磁力使得微轉(zhuǎn)子得以懸浮。通過(guò)設(shè)置徑向懸浮檢測(cè)電極進(jìn)一步增強(qiáng)了環(huán)形轉(zhuǎn)子的徑向懸浮剛度，通過(guò)設(shè)置軸向懸浮檢測(cè)電極進(jìn)一步增強(qiáng)環(huán)形微轉(zhuǎn)子軸向懸浮剛度，當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向偏移時(shí)，在徑向電極對(duì)上施加電壓實(shí)現(xiàn)懸浮。
本發(fā)明轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)在齒形電極上施加直流電，在齒形電極的尖端會(huì)產(chǎn)生電暈放電現(xiàn)象，這時(shí)齒形電極和環(huán)形轉(zhuǎn)子之間形成一個(gè)高強(qiáng)的不均勻電場(chǎng)，齒形電極和轉(zhuǎn)子之間的空氣被電離，轉(zhuǎn)子表面結(jié)構(gòu)被不斷的充電。齒形電極和轉(zhuǎn)子由于庫(kù)倫排斥力的作用相互影響，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)。本陀螺的旋轉(zhuǎn)不需要轉(zhuǎn)速檢測(cè)即可實(shí)現(xiàn)恒高速旋轉(zhuǎn)。
本發(fā)明位置檢測(cè)徑向位置是通過(guò)提取徑向檢測(cè)電極和轉(zhuǎn)子之間的電容值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。軸向位置檢測(cè)是通過(guò)提取上下定子軸向檢測(cè)電極與轉(zhuǎn)子之間的電容值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下的有益效果利用電磁懸浮電暈驅(qū)動(dòng)的微陀螺結(jié)構(gòu)能夠自穩(wěn)懸浮，可大大提高微轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)扭矩，進(jìn)而提高微轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，從而提高陀螺的測(cè)量精度。


圖1本發(fā)明總體結(jié)構(gòu)示意圖
圖2本發(fā)明上定子結(jié)構(gòu)示意圖
圖3本發(fā)明周邊結(jié)構(gòu)和齒形結(jié)構(gòu)示意圖
圖4本發(fā)明轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖
圖5本發(fā)明下定子結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例做詳細(xì)的說(shuō)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(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于下述的實(shí)施例。
如圖l、 2所示，本實(shí)施例包括上定子l、下定子4、周邊結(jié)構(gòu)2、微轉(zhuǎn)子
3，齒形結(jié)構(gòu)26，上定子l、下定子4上下設(shè)置，上定子l、上定子4和周邊結(jié)構(gòu)2相連構(gòu)成一個(gè)籠式結(jié)構(gòu)，周邊結(jié)構(gòu)2設(shè)置在微轉(zhuǎn)子3周圍，微轉(zhuǎn)子3置于這個(gè)籠式結(jié)構(gòu)的中間，齒形結(jié)構(gòu)26均布在環(huán)形轉(zhuǎn)子3的內(nèi)側(cè)，且齒形結(jié)構(gòu)6)和微轉(zhuǎn)子3之間有間隔，齒形結(jié)構(gòu)26設(shè)置在下基體上，上定子包括上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈8、上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈7、上定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈6、上定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈5、上定子軸向懸浮檢測(cè)電極和上定子公共電極9，上定子從內(nèi)到外，依次是上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈8、上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈7、上定子軸向懸浮檢測(cè)電極、上定子公共電極9、上定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈6、上定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈5，上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈8、上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈7，上定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈6、上定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈5共同構(gòu)成懸浮穩(wěn)定線圈，且分別為帶開(kāi)口的圓形銅線圈，彼此之間不連接，均在以上定子中心為圓心的圓上，上定子軸向懸浮檢測(cè)電極的每一個(gè)都成扇形，均勻的分布在以上定子圓心為圓心的圓周上，且彼此間隔相等，上定子軸向懸浮檢測(cè)電極包括上定子第一懸浮檢測(cè)電極IO、上定子軸向第二懸浮檢測(cè)電極ll、上定子軸向第三懸浮檢測(cè)電極12、上定子軸向第四懸浮檢測(cè)電極13、上定子軸向第五懸浮檢測(cè)電極14、上定子軸向第六懸浮檢測(cè)電極15、上定子軸向第七懸浮檢測(cè)電極16、上定子軸向第八懸浮檢測(cè)電極17 ;上定子公共電極9是一個(gè)連續(xù)的導(dǎo)電圓環(huán)；上定子l第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈32的內(nèi)徑小于微轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑，上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈31的外徑大于微轉(zhuǎn)子3的內(nèi)徑，上定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈30的內(nèi)徑小于微轉(zhuǎn)子3的外徑，上定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈29的外徑大于微轉(zhuǎn)子3的外徑，上定子1和下定子4的結(jié)構(gòu)相同，在空間上是垂直相向?qū)?yīng)的。如圖5所示，下定子4是由下定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈32、下定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈31，下定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈30、下定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈29，下定子第一懸浮檢測(cè)電極34、下定子軸向第二懸浮檢測(cè)電極35、下定子軸向第三懸浮檢測(cè)電極36、下定子軸向第四懸浮檢測(cè)電極37、下定子軸向第五懸浮檢測(cè)電極38、下定子軸向第六懸浮檢測(cè)電極39、下定子軸向第七懸浮檢測(cè)電極40、下定子軸向第八懸浮檢測(cè)電極41和下定子公共電極33構(gòu)成。他們的連接關(guān)系為，下定子4從內(nèi)到外，依次是下定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈32、下定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈31、下定子軸向懸浮檢測(cè)電極、下定子公共電極33、下定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈30、下定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈29。下定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈32、下定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈31，下定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈30、下定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈5共同構(gòu)成懸浮穩(wěn)定線圈，且分別為帶開(kāi)口的圓形銅線圈，彼此之間不連接，均在以下定子中心為圓心的圓上；下定子軸向懸浮檢測(cè)電極的每一個(gè)都成扇形，均勻的分布在以下定子圓心為圓心的圓周上，且彼此間隔相等；下定子公共電極9是一個(gè)連續(xù)的導(dǎo)電圓環(huán)；下定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈32的內(nèi)徑小于微轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑，下定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈31的外徑大于微轉(zhuǎn)子3的內(nèi)徑；下定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈30的內(nèi)徑小于微轉(zhuǎn)子3的外徑，下定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈29的外徑大于微轉(zhuǎn)子3的外徑。
假設(shè)參考坐標(biāo)系如下x軸平行于以上定子第二軸向懸浮穩(wěn)定電極11和上定子第三軸向懸浮穩(wěn)定電極12的中線，y軸平行于以上定子第四軸向懸浮穩(wěn)定電極13和上定子第五軸向懸浮穩(wěn)定電極14的中線，z軸垂直于x和y軸，原點(diǎn)是當(dāng)環(huán)形轉(zhuǎn)子位于平衡位置時(shí)的幾何中心點(diǎn)。
上定子1結(jié)構(gòu)和下定子4結(jié)構(gòu)在空間上是垂直對(duì)應(yīng)的，即上定子1結(jié)構(gòu)沿z軸在下定子4上的投影是重合的。具體為上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈7沿z軸在下定子4上的投影與下定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈31是重合的，上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈8沿z軸在下定子上的投影與下定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈32是重合的。依次類推，上定子l其他結(jié)構(gòu)沿z軸在下定子4上的投影與下定子4其他結(jié)構(gòu)是重合的。
如圖3所示，微轉(zhuǎn)子3是圓環(huán)結(jié)構(gòu)，分別包括轉(zhuǎn)子表面結(jié)構(gòu)27和轉(zhuǎn)子的支撐結(jié)構(gòu)28，轉(zhuǎn)子表面結(jié)構(gòu)27位于支撐結(jié)構(gòu)28的內(nèi)側(cè)。微轉(zhuǎn)子3支撐結(jié)構(gòu)采用轉(zhuǎn)子表面結(jié)構(gòu)27采用P醒A材料，而齒形結(jié)構(gòu)26用Ni金屬，支撐結(jié)構(gòu)28采用金屬材料制成。
如圖4所示，周邊結(jié)構(gòu)2是一個(gè)圓環(huán)式結(jié)構(gòu)，包括八個(gè)徑向懸浮檢測(cè)電極，這八個(gè)徑向電極板均勻的分布在以平衡位置時(shí)環(huán)形轉(zhuǎn)子3中心為圓心的圓上，且彼此間隔相等。八個(gè)徑向懸浮檢測(cè)電極為徑向第一懸浮檢測(cè)電極18、徑向第二懸浮檢測(cè)電極19、徑向第三懸浮檢測(cè)電極20、徑向第四懸浮檢測(cè)電極21、徑向第五懸浮檢測(cè)電極22、徑向第六懸浮檢測(cè)電極23、徑向第七懸浮檢測(cè)電極24、
8徑向第八懸浮檢測(cè)電極25。其中，徑向第一懸浮檢測(cè)電極18、徑向第二懸浮檢測(cè)電極19、徑向第三懸浮檢測(cè)電極20、徑向第四懸浮檢測(cè)電極21、徑向第五懸浮檢測(cè)電極22、徑向第六懸浮檢測(cè)電極23、徑向第七懸浮檢測(cè)電極24、徑向第八懸浮檢測(cè)電極25，這些徑向懸浮檢測(cè)電極進(jìn)一步增強(qiáng)了徑向的懸浮剛度、實(shí)現(xiàn)電容檢測(cè)。
自穩(wěn)懸浮技術(shù)是本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)。上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈8、上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈7，上定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈6、上定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈5組成上定子自穩(wěn)懸浮穩(wěn)定線圈。該陀螺工作時(shí)，在上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈8、上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈7上通幅值相同，頻率相等，相位相差180度的交流電，同時(shí)在上定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈6、上定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈5上通幅值相同，頻率相等，相位相差180度的交流電；在下定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈32、下定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈31上通幅值相同，頻率相等，相位相差180度的交流電，同時(shí)在下定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈30、下定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈29上通幅值相同，頻率相等，相位相差180度的交流電。根據(jù)電磁場(chǎng)理論，處于線圈中的微轉(zhuǎn)子3會(huì)受到感應(yīng)電磁力的作用，最終得到穩(wěn)定的懸浮。另外，軸向懸浮檢測(cè)電極可進(jìn)一步增強(qiáng)了本發(fā)明的軸向懸浮剛度。
徑向懸浮通過(guò)徑向懸浮檢測(cè)電極來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向偏移時(shí)，在相應(yīng)的徑向電極上施加直流電壓可實(shí)現(xiàn)懸浮控制，具體為若環(huán)形轉(zhuǎn)子沿x軸正向移動(dòng)，即當(dāng)環(huán)形轉(zhuǎn)子朝向第五徑向懸浮檢測(cè)電極22和第六徑向懸浮檢測(cè)電極23方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，則在第一徑向懸浮檢測(cè)電極18、第二徑向懸浮檢測(cè)電極19上施加幅值相等，極性相反的直流電壓，即可把轉(zhuǎn)子拉回到平衡位置。轉(zhuǎn)子沿x軸負(fù)向發(fā)生移動(dòng)，可依此類推；若環(huán)形轉(zhuǎn)子沿y軸正向發(fā)生移動(dòng)，即當(dāng)環(huán)形轉(zhuǎn)子朝向第七徑向懸浮檢測(cè)電極24和內(nèi)圍第八徑向懸浮檢測(cè)電極25方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，則在第三徑向懸浮檢測(cè)電極20、第四徑向懸浮檢測(cè)電極21上施加幅值相等，極性相反的直流電壓，即可把轉(zhuǎn)子拉回到平衡位置。轉(zhuǎn)子沿y軸負(fù)向發(fā)生移動(dòng)，可依此類推。
本陀螺的旋轉(zhuǎn)是通過(guò)電暈原理實(shí)現(xiàn)的。環(huán)形轉(zhuǎn)子3的內(nèi)側(cè)設(shè)有齒形電極26，齒形電極26與環(huán)形轉(zhuǎn)子3的轉(zhuǎn)子表面結(jié)構(gòu)27有一定的間隔，當(dāng)在當(dāng)在齒形電極26上施加電壓時(shí)，微轉(zhuǎn)子3上的齒形電極26尖端產(chǎn)生電暈放電現(xiàn)象，形成高強(qiáng)的不均勻電場(chǎng)。這個(gè)電場(chǎng)就會(huì)使它和轉(zhuǎn)子間的空氣電離化，微轉(zhuǎn)子3表面結(jié)構(gòu)就會(huì)由于電暈放電作用被充電，微轉(zhuǎn)子3和齒形電極26就會(huì)由于庫(kù)倫排斥的作用被驅(qū)動(dòng)著旋轉(zhuǎn)起來(lái)。電暈驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)不需要轉(zhuǎn)速檢測(cè)即可實(shí)現(xiàn)恒高速旋轉(zhuǎn)，控制簡(jiǎn)單。
本陀螺工作時(shí)，其位置檢測(cè)是這樣完成的
(1) 當(dāng)用于檢測(cè)豎直方向z軸環(huán)形轉(zhuǎn)子的位移信號(hào)時(shí)，若轉(zhuǎn)子向上平移，給上定子第八軸向懸浮檢測(cè)電極17、上定子第一軸向懸浮檢測(cè)電極IO施加頻率為fl的高頻交流電，而在下定子軸向第八懸浮檢測(cè)電極41、下定子軸向第一懸浮檢測(cè)電極34施加相同頻率、幅值大小相等、相位差180度的高頻交流載波；上定子第二軸向懸浮檢測(cè)電極11、上定子第三軸向懸浮檢測(cè)電極12施加頻率為f2的高頻交流電，而在下定子軸向第二懸浮檢測(cè)電極35、下定子軸向第三懸浮檢測(cè)電極36施加相同頻率、幅值大小相等、相位差180度的高頻交流載波；依此類推，上下定子第四軸向懸浮檢測(cè)電極、上下定子第五軸向懸浮檢測(cè)電極施加相同頻率、幅值大小相等、相位差180度頻率為f3的高頻載波，上下定子第六軸向懸浮檢測(cè)電極、上下定子第七軸向懸浮檢測(cè)電極施加相同頻率、幅值大小相等、相位差180度頻率為f4的高頻載波。再通過(guò)定子公共電極板輸出差分電容信號(hào)，經(jīng)過(guò)電路調(diào)理可以檢測(cè)出環(huán)形轉(zhuǎn)子輸入的z軸上的位移信號(hào)。
(2) 當(dāng)用于檢測(cè)環(huán)形轉(zhuǎn)子繞y軸的位置變化時(shí)，給上定子第二軸向懸浮檢測(cè)電極ll、上定子第三軸向懸浮檢測(cè)電極12施加頻率為f2的高頻交流電，在下定子第二軸向懸浮檢測(cè)電極35、下定子第三軸向懸浮檢測(cè)電極36施加相同頻率、幅值大小相等、相位差180度的高頻交流載波；在上定子第六軸向懸浮檢測(cè)電極15、上定子第七軸向懸浮檢測(cè)電極16施加頻率為f4的高頻交流電，而在下定子第六軸向懸浮檢測(cè)電極39、下定子第七軸向懸浮檢測(cè)電極40施加相同頻率、幅值大小相等、相位差180度的高頻交流載波，通過(guò)定子公共電極板輸出差分電容信號(hào)，經(jīng)過(guò)電路調(diào)理可以檢測(cè)出輸入的z軸信號(hào)。
(3) 當(dāng)用于檢測(cè)環(huán)形轉(zhuǎn)子繞x軸的位置變化時(shí)，給上定子第八軸向懸浮檢測(cè)電極17、上定子第一軸向懸浮檢測(cè)電極5施加頻率為f2的高頻交流電，在下定子第八軸向懸浮檢測(cè)電極41、下定子第一軸向懸浮檢測(cè)電極34施加相同頻率、幅值大小相等、相位差180度的高頻交流載波；在上定子第四軸向懸浮檢測(cè)電極13、上定子第五軸向懸浮檢測(cè)電極14施加頻率為f3的高頻交流電，而在下定子第四軸向懸浮檢測(cè)電極37、下定子第五軸向懸浮檢測(cè)電極38施加相同頻率、幅值大小相等、相位差180度的高頻交流載波，通過(guò)定子公共電極板輸出差分電容信號(hào)，經(jīng)過(guò)電路調(diào)理可以檢測(cè)出輸入的z軸信號(hào)。
(4) 當(dāng)用于檢測(cè)環(huán)形轉(zhuǎn)子沿x軸發(fā)生位移時(shí)，在第一徑向懸浮檢測(cè)電極18、外圍第二徑向懸浮檢測(cè)電極19施加高頻交流電，而在第五徑向懸浮檢測(cè)電極22、第六徑向懸浮檢測(cè)電極23施加相同頻率、幅值大小相等、相位差180度的高頻交流載波；通過(guò)定子公共電極板輸出差分電容信號(hào)，經(jīng)過(guò)電路調(diào)理可以檢測(cè)出輸入的x軸信號(hào)。轉(zhuǎn)子沿x軸負(fù)向發(fā)生偏移，依此類推。
(5) 當(dāng)用于檢測(cè)環(huán)形轉(zhuǎn)子沿y軸發(fā)生位移時(shí)，在第三徑向懸浮檢測(cè)電極20、第四徑向懸浮檢測(cè)電極21施加高頻交流電，而在第七徑向懸浮檢測(cè)電極24、第八徑向懸浮檢測(cè)電極25施加相同頻率、幅值大小相等、相位差180度的高頻交流載波；通過(guò)定子公共電極板輸出差分電容信號(hào)，經(jīng)過(guò)電路調(diào)理可以檢測(cè)出輸入的y軸信號(hào)。
陀螺儀可敏感二軸角速度。假設(shè)該陀螺的轉(zhuǎn)子繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為w，轉(zhuǎn)
動(dòng)慣量為I，該陀螺以角速度v繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由于陀螺的定軸性，轉(zhuǎn)子將會(huì)在x軸向發(fā)生偏移，轉(zhuǎn)角為v'，位于上定子1和下定子4上的相應(yīng)的檢測(cè)電極通過(guò)施加相應(yīng)的高頻載波，就會(huì)檢測(cè)到轉(zhuǎn)子的位置偏移，從而在相應(yīng)的懸浮電極上施加電壓產(chǎn)生再平衡力矩Mx，由再平衡力矩Mx便可得知輸入y軸角速度的大小v = ^^。陀螺敏感x軸角速度均可依次類推。
陀螺儀也可以敏感三軸向線加速度。當(dāng)陀螺殼體受到如沿x軸正向的線加速度ax時(shí)，轉(zhuǎn)子由于慣性仍然靜止，則轉(zhuǎn)子相對(duì)定子有沿x軸負(fù)向的線位移。經(jīng)位移檢測(cè)后，控制電子線路產(chǎn)生控制電壓，并加到x軸向布置的徑向定子電極上，于是產(chǎn)生x軸負(fù)向的靜電平衡力Fx使轉(zhuǎn)子回到殼體平衡位置。根據(jù)靜電平衡力Fx，可求得輸入的線加速度ax =Fra， m為轉(zhuǎn)子的質(zhì)量。同理，由靜電平衡力Fy、 Fz可分別求得其它兩軸輸入的線角速度ay、 az。
權(quán)利要求
1、一種電磁懸浮電暈驅(qū)動(dòng)微轉(zhuǎn)動(dòng)陀螺，包括上定子、下定子、周邊結(jié)構(gòu)、微轉(zhuǎn)子，齒形結(jié)構(gòu)，上定子、下定子上下設(shè)置，其特征在于上定子、上定子和周邊結(jié)構(gòu)相連構(gòu)成一個(gè)籠式結(jié)構(gòu)，周邊結(jié)構(gòu)設(shè)置在微轉(zhuǎn)子周圍，微轉(zhuǎn)子置于這個(gè)籠式結(jié)構(gòu)的中間，齒形結(jié)構(gòu)均布在環(huán)形轉(zhuǎn)子的內(nèi)側(cè)，且齒形結(jié)構(gòu)和微轉(zhuǎn)子之間有間隔，齒形結(jié)構(gòu)設(shè)置在下基體上，上定子包括上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈、上定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、上定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈、上定子軸向懸浮檢測(cè)電極和上定子公共電極，上定子從內(nèi)到外，依次是上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、上定子軸向懸浮檢測(cè)電極、上定子公共電極、上定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、上定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈，上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈，上定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈、上定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈共同構(gòu)成懸浮穩(wěn)定線圈，且分別為帶開(kāi)口的圓形銅線圈，彼此之間不連接，均在以上定子中心為圓心的圓上；上定子軸向懸浮檢測(cè)電極的每一個(gè)都成扇形，均勻的分布在以上定子圓心為圓心的圓周上，且彼此間隔相等，上定子公共電極是一個(gè)連續(xù)的導(dǎo)電圓環(huán)，上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈的內(nèi)徑小于微轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑，上定子第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈的外徑大于微轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑，上定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈內(nèi)圈的內(nèi)徑小于微轉(zhuǎn)子的外徑，上定子第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈外圈的外徑大于微轉(zhuǎn)子的外徑，上定子和下定子的結(jié)構(gòu)相同，在空間上是垂直相向?qū)?yīng)的。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的利用電磁懸浮電暈驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)工作的微陀螺，其特征是，微轉(zhuǎn)子是圓環(huán)結(jié)構(gòu)，分別包括轉(zhuǎn)子表面結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子的支撐結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子表面結(jié)構(gòu)位于支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用電磁懸浮電暈驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)工作的微陀螺，其特征是，轉(zhuǎn)子的支撐結(jié)構(gòu)采用轉(zhuǎn)子表面結(jié)構(gòu)采用PMMA材料。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的利用電磁懸浮電暈驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)工作的微陀螺，其特征是，齒形結(jié)構(gòu)用Ni金屬。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的利用電磁懸浮電暈驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)工作的微陀螺，其特征是，周邊結(jié)構(gòu)是一個(gè)圓環(huán)式結(jié)構(gòu)，包括八個(gè)徑向懸浮檢測(cè)電極，這八個(gè)徑向電極板均勻的分布在以平衡位置時(shí)環(huán)形轉(zhuǎn)子中心為圓心的圓上，且彼此間隔相等。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用電磁和電暈作用工作的懸浮轉(zhuǎn)子微陀螺，由上下定子、微轉(zhuǎn)子、周邊結(jié)構(gòu)、齒形結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)籠式結(jié)構(gòu)。定子包括公共電極、軸向懸浮檢測(cè)電極、第一個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈、第二個(gè)懸浮穩(wěn)定線圈，定子固聯(lián)在襯底上。微轉(zhuǎn)子在電磁力的作用下懸浮在定子之間，微轉(zhuǎn)子成圓環(huán)形，內(nèi)側(cè)均布齒形結(jié)構(gòu)，作為齒形電極；外側(cè)均布置有周圍結(jié)構(gòu)，周圍結(jié)構(gòu)主要作為徑向懸浮檢測(cè)電極。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，提出電磁懸浮電暈驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子恒高速轉(zhuǎn)動(dòng)，加大旋轉(zhuǎn)力矩。通過(guò)軸向設(shè)置內(nèi)外兩層懸浮穩(wěn)定線圈，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子自穩(wěn)懸浮，軸向和徑向懸浮檢測(cè)電極進(jìn)一步增強(qiáng)懸浮剛度及實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)。具有尺寸小，重量輕，成本低，精度高，低功耗的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01C19/24GK101561276SQ20091005214
公開(kāi)日2009年10月21日 申請(qǐng)日期2009年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月27日
發(fā)明者凱 劉, 武 劉, 吳校生, 峰 崔, 張衛(wèi)平, 戴福彥, 陳文元 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)