專利名稱：一種微型三軸姿態(tài)控制裝置及制作的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微機電和精密機電系統(tǒng)技術領域，涉及對用于納米衛(wèi)星的微型三軸姿態(tài)控制裝置及制作方法的改進。
背景技術：
未來空間科學的發(fā)展需要對多個小衛(wèi)星編隊組網(wǎng)從而完成對地觀測、通訊等任務，在該需求的牽引下許多國家都在研制發(fā)射成本和制造成本都比較低的微衛(wèi)星和納衛(wèi)星。由于飛輪系統(tǒng)能提供較高的姿態(tài)控制精度，其微型化研究已成為微衛(wèi)星和納衛(wèi)星研究的關鍵技術之一。
目前已研制成功的小飛輪質量多在1kg左右，如2000年AeroAstro與Alcatel共同研制了質量為750g，角動量矩為120mN·m·s，輸出力矩為5mN·m的小飛輪，英國Surrey集團TiungSat一號上的質量為1kg的小飛輪等，這些小飛輪由慣量輪和直流無刷電機構成，電機帶動慣量輪高速旋轉產(chǎn)生衛(wèi)星所需要的角動量。要對質量為十公斤以下的納米衛(wèi)星進行高精度姿態(tài)控制需要質量為幾十克的微型飛輪系統(tǒng)，而目前的小飛輪還不能做到角動量矩大、重量極輕。
本發(fā)明的詳細內容針對上述背景技術中要對質量為十公斤以下的納米衛(wèi)星進行高精度姿態(tài)控制需要質量為幾十克的微型姿態(tài)控制系統(tǒng)，而目前的小飛輪還不能做到重量極輕、角動量矩大等問題，本發(fā)明將要提供一種適合納米衛(wèi)星高精度姿態(tài)控制的體積小、重量輕、功耗低及高可靠性的三軸姿態(tài)控制裝置及其制作。
如圖1所示，本發(fā)明包括三個平面電機、立方體支撐框架以及控制板，三個平面電機通過轉子軸和軸承分別安裝在立方體支撐框架的三個相互垂直的平面上；三個平面電機的三個轉子軸的延長線交于一點；每個平面電機的控制板分別與平面電機相對的立方體支撐框架的平面連接。
本發(fā)明工作時通過改變三個平面電機的轉速獲得各轉子軸的角動量變化并通過立方體支撐框架把角動量的變化傳遞給衛(wèi)星，從而達到對衛(wèi)星進行姿態(tài)控制的目的。
本發(fā)明的平面電機如圖2所示每個平面電機由兩個轉子、一個平面定子和轉子軸組成，轉子軸置于轉子中并固定連接，轉子軸與支撐框架上的軸承相連接，平面定子固定在支撐框架上，兩個轉子分別位于平面定子兩側，轉子軸穿過平面定子的孔與其間隙配合。
本發(fā)明平面電機的平面定子如圖3所示平面定子包括襯底、過線孔和定子線圈，在襯底的兩個平面上分別制備有若干個定子線圈，穿透襯底本體制備有若干個過線孔，在襯底一個平面的若干個定子線圈與另一個平面的若干個定子線圈分別通過若干個過線孔連接。襯底的一個平面上定子線圈的內圈端與過線孔連接，定子線圈的外圈端與另一個定子線圈的外圈端連接，襯底另一個平面上定子線圈的連接方式與前述定子線圈連接方式相同。
本發(fā)明平面電機的轉子如圖4所示包括兩個轉子，轉子包括若干對磁極，磁極的N、S極間隔分布于以轉子中心為對稱點的平面上。
本發(fā)明平面電機的工作原理由于定子線圈固定在襯底上，平面定子處于固定狀態(tài)，所以轉子受到的反作用力方向正好和平面定子受到的作用力方向大小相等、方向相反。當轉子N極(與定子線圈相對的磁極)與定子線圈(B相)中心重合時，如繼續(xù)對該相線圈通電，轉子上受到的反作用力方向將阻止轉子的轉動。這時，如對另一相定子線圈接著通電(C相)只要電流方向與B相定子線圈通電方向相同，其驅動轉子的轉動方向正好與前述定子線圈的驅動方向相同。因此，按照一定的通電順序連續(xù)對定子線圈通過三相方波電流(如A、B、C順序)，就保證了平面定子的連續(xù)轉動。由于在每一個時刻都有6個與轉子相對應的定子線圈通電，只要磁極方向判別正確，則每時刻都有6只定子線圈同時通過電流驅動轉子的轉動，因而能保證電機具有較大的轉動力矩。
本發(fā)明的制作包括A.立方體支撐框架采用金屬材料，用精密機械加工的方法將立方體支撐框架制成正立方體或長方體；B.采用PCB工藝制作控制板，在控制板上含有電阻、電容、集成芯片；C.平面微電機的制作包括轉子和平面定子的制作
a轉子采用永磁材料，利用自制沖磁裝置進行軸向沖磁得到盤狀轉子；b如圖5所示，平面定子的制作主要包括兩部分第一部分是利用電感耦合等離子體刻蝕工藝在硅襯底上制作過線孔；第二部分主要利用準LIGA工藝在硅襯底上制作平面定子；以銅為種子層，通過光刻、電鑄、去種子層得到平面定子的平面線圈。
本發(fā)明采用微機械工藝制作平面電機，使平面電機的質量集中在轉子上，從而使有效質量大大增加，這樣做到了既降低了整個控制裝置的總重量又保證了調整三軸姿態(tài)所需的角動量；三個平面電機安裝在立方體支撐框架上最大限度地節(jié)省了空間，也減少了支撐結構的重量。本發(fā)明的總重量小于40克，體積為15mm×15mm×15mm。本發(fā)明使重量為1公斤左右的納米衛(wèi)星的高精度三軸姿態(tài)控制成為可能。因此，本發(fā)明提供了一種適合納米衛(wèi)星高精度姿態(tài)控制的體積小、重量輕、功耗低及高可靠性、長壽命的微型三軸姿態(tài)控制裝置。
圖1-1和圖1-2是本發(fā)明的結構示意2是本發(fā)明平面電機裝配示意圖3是本發(fā)明平面電機定子線圈示意4是本發(fā)明平面電機轉子示意5是本發(fā)明平面電機定子線圈制作工藝流程
具體實施例方式如圖1-1和圖1-2所示，本發(fā)明包括三個平面電機1、立方體支撐框架2、控制板3。其中平面電機如圖2所示每個平面電機由轉子4和5、平面定子6、轉子軸7和軸承8組成；平面電機的平面定子如圖3所示平面定子包括襯底9、過線孔10和定子線圈11；平面電機的轉子如圖4所示，轉子4和5包括若干對磁極。
立方體支撐框架2采用鋁材料或鈦合金或其它比重比較小的金屬材料，用精密機械加工的方法制成正立方體或長方體。
控制板3采用PCB工藝制作控制板，包括電阻和電容根據(jù)控制電路實際需要可采用市場上供應的常規(guī)產(chǎn)品；集成芯片可采用4046芯片和4017芯片等。
如圖2所示平面電機1的制作如圖4所示，轉子4和轉子5的制作轉子采用釹鐵硼永磁材料制成盤狀，然后對盤狀釹鐵硼永磁材料軸向充磁。
轉子軸7采用銅制成，其尺寸可根據(jù)控制系統(tǒng)需要來設計。軸承8采用市場供應的滾珠軸承。
如圖5所示，平面定子6的制作工藝過程主要包括兩部分第一部分主要是利用ICP工藝在襯底9上制作過線孔10工藝過程襯底9采用硅片，硅片可選擇<100>晶向的硅片，首先取<100>晶向的硅片如圖5-1，放在氧化爐中進行雙面氧化，最后在硅片表面氧化出來約1微米厚的二氧化硅絕緣層如圖5-2，通過甩膠、前烘、光刻、顯影等工藝過程，在硅片上得到過線孔10的窗口12，窗口12部分為SiO2，其余部分被光刻膠保護起來如圖5-3。把硅片放入氫氟酸溶液中，腐蝕掉窗口12的SiO2，然后把去掉光刻膠后的硅片放在ICP離子刻蝕機中進行干法刻蝕，得到如圖5-4所示的過線孔10。
第二部分主要利用準LIGA工藝在上述襯底9的硅片上制作定子線圈11把腐蝕完畢的襯底9清洗后烘干，然后在硅片的兩個表面濺射銅作種子層如圖5-5。把濺射完銅的硅片通過雙面甩膠、前烘、雙面光刻、雙面顯影得到定子線圈11的窗口如圖5-6。把光刻完畢的硅片放入電鑄儀中進行電鑄，得到帶有光刻膠的定子線圈；然后把帶有光刻膠的定子線圈的硅片放入丙酮中去膠如圖5-7，再放入FeCl3溶液中去掉種子層的銅，最后得到完整平面電機的定子線圈11，如圖5-8。
若干個定子線圈11根據(jù)控制裝置的需要可以在正反面各制作18個、8個、9個、6個；根據(jù)控制裝置的要求和定子線圈制作個數(shù)的要求轉子4和5可以充4對、6對或8對磁極。
權利要求
1.一種微型三軸姿態(tài)控制裝置，其特征在于包括三個平面電機1、立方體支撐框架2以及控制板3，三個平面電機1通過其轉子軸和軸承分別安裝在立方體支撐框架2的三個相互垂直的平面上；三個平面電機1的三個轉子軸的延長線交于一點；每個平面電機1的控制板3分別與平面電機1相對的立方體支撐框架2的平面連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的微型三軸姿態(tài)控制裝置，其特征在于它的平面電機包括轉子4和5、平面定子6和轉子軸7，轉子軸7置于轉子4和5中并固定連接，轉子軸7與支撐框架2上的軸承8相連接，平面定子6固定在支撐框架2上，轉子4和5分別位于平面定子6的兩側，轉子軸7穿過平面定子6的孔與其間隙配合。
3.根據(jù)權利要求1所述的微型三軸姿態(tài)控制裝置，其特征在于它的平面定子包括襯底9、過線孔10和定子線圈11，在襯底9的兩個平面上分別制備有若干個定子線圈11，穿透襯底9本體制備有若干個過線孔10，在襯底9一個平面上的若干個定子線圈11與另一個平面的若干個定子線圈11分別通過若干個過線孔10連接。
4.根據(jù)權利要求1和3所述的微型三軸姿態(tài)控制裝置，其特征在于襯底9的一個平面上定子線圈11的內圈端與過線孔10連接，定子線圈11的外圈端與另一個定子線圈11的外圈端連接，襯底9另一個平面上定子線圈11的連接方式與前述定子線圈11連接方式相同。
5.根據(jù)權利要求1所述的微型三軸姿態(tài)控制裝置，其特征在于轉子4和5包括若干對磁極，磁極的N、S極間隔分布于以轉子中心為對稱點的平面上。
6.一種微型三軸姿態(tài)控制裝置的制作，制作方法如下A.立方體支撐框架采用金屬材料，用精密機械加工的方法將立方體支撐框架制成正立方體或長方體；B.采用PCB工藝制作控制板，在控制板上含有電阻、電容、集成芯片；C.平面電機轉子的制作轉子采用永磁材料，利用自制沖磁裝置進行軸向沖磁得到盤狀轉子；其特征在于制作方法還包括D.平面電機平面定子的制作包括兩部分第一部分是利用電感耦合等離子體刻蝕工藝在硅襯底上制作過線孔；第二部分主要利用準LIGA工藝在硅襯底上制作平面定子；以銅為種子層，通過光刻、電鑄、去種子層得到平面定子的平面線圈。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于納米衛(wèi)星的微型三軸姿態(tài)控制裝置及制作方法。本發(fā)明包括三個平面電機1、立方體支撐框架2以及控制板3，平面定子制作利用電感耦合等離子體刻蝕工藝和準LIGA工藝，在襯底上制作過線孔和平面定子；本發(fā)明將平面電機的質量集中在轉子上，從而使本發(fā)明有效質量大大增加，既降低了整個控制裝置的重量又保證了姿態(tài)調整所需的角動量；三個平面電機安裝在立方體支撐框架上節(jié)省了空間，也減少了支撐結構的重量。本發(fā)明的總重量小于40克，體積為15mm×15mm×15mm，從而使重量為1公斤左右的納米衛(wèi)星的高精度三軸姿態(tài)控制成為可能。因此，本發(fā)明提供了一種適合納米衛(wèi)星高精度姿態(tài)控制要求的微型三軸姿態(tài)控制裝置。
文檔編號G05D1/10GK1532656SQ03111308
公開日2004年9月29日 申請日期2003年3月26日 優(yōu)先權日2003年3月26日
發(fā)明者吳一輝, 郭占社, 賈宏光 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所, 中國科學院長春光學精密機械與物理研