Чувствительный элемент микромеханического гироскопа

 

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в интегральных гироскопах вибрационного типа. Технический результат - повышение точности гироскопа. Чувствительный элемент содержит жесткую внешнюю рамку (1) и центр (9), который соединен с рамкой (1) четырьмя несущими жесткими растяжками (8), расположенными крестообразно. Между рамкой (1) и центром (9) на тридцати двух упругих Г-образных подвесах (2) подвешены четыре подвижные массы (4, 11, 12 и 6). Центр (9) соединен с неподвижным основанием. Упругие подвесы (2) имеют в сечении вытянутую форму и своим вытянутым направлением перпендикулярны плоскости подвижных масс (4, 11, 12 и 6). По одной из сторон каждого из подвесов (2) и растяжек (8) проходят проводники (3, 5, 7 и 13). Подвижные массы (4, 11, 12 и 6) могут колебаться только в одной плоскости, что исключает влияние перекрестных угловых скоростей. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в интегральных гироскопах вибрационного типа.

Известен кварцевый гироскоп [1], содержащий чувствительный элемент из четырех упругих стержней квадратного сечения, расположенных симметрично в виде консолей на плате, причем их продольные оси являются параллельными. Все четыре консоли имеют общую заделку в плате, выполненной из того же материала, а сама плата виброизолирована от основания с помощью торсиона. Консоли приводятся в резонансные попарно противофазные изгибные колебания посредством пьезокерамических преобразователей, причем попарно перекрестные свободные концы консолей расходятся или сходятся. При этом в заделке имеет место взаимная компенсация напряжений сжатия от пары консолей, свободные концы которых в данный момент расходятся, напряжениями растяжения от второй пары консолей, свободные концы которых в данный момент, соответственно, сходятся. Внешнее вращение консолей относительно продольной оси приводит к возникновению знакопеременных кориолисовых сил, действующих на свободные концы консолей перпендикулярно к направлению их принудительного перемещения и к направлению вектора внешней угловой скорости. Деформации консолей от действия кориолисовых сил выявляются с помощью пьезодатчиков, закрепленных в основании консолей.

Недостатком устройства является высокая трудоемкость его изготовления.

Известен также чувствительный элемент микроэлектромеханического гироскопа [2] , содержащий четыре подвижные массы, выполненные на пластине кремния. Упругие подвесы подвижных масс расположены крестообразно и закреплены в точке пересечения на струне, вдоль которой действует измеряемая угловая скорость. Принудительные колебания подвижным массам задаются в плоскости пластины, причем направления движений осуществляются в попарно противоположных направлениях. В результате колебаний механические напряжения в точке закрепления всегда равны нулю, что повышает добротность чувствительного элемента. Возникающие знакопеременные кориолисовы силы действуют на подвижные массы в направлении, перпендикулярном плоскости пластины.

Недостатком известного устройства является его низкая точность, обусловленная тем, что возбуждаемые колебания происходят в плоскости чувствительного элемента, а измерительные колебания - перпендикулярно к этой плоскости, следовательно, трудно обеспечить условие резонансной настройки в обеих плоскостях колебаний, т.к. жесткости определяются разными технологическими факторами, а для многих материалов (например, кремний) и различными физическими свойствами.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности микромеханического гироскопа.

Эта задача решается за счет того, что в чувствительный элемент микромеханического гироскопа, содержащий основание, рамку, центр, соединенный двумя растяжками с рамкой, четыре подвижные массы и четыре упругих подвеса, каждый из которых соединяет соответствующую подвижную массу с центром, согласно изобретению дополнительно введены две растяжки, соединяющие центр с рамкой, и расположенные перпендикулярно к имеющимся четыре упругих подвеса, каждый из которых соединяет соответствующую подвижную массу с центром, жестко соединенным с основанием, и четыре группы упругих подвесов, каждая из которых состоит из шести упругих подвесов, соединяющих соответствующую массу с рамкой, при этом все упругие элементы имеют Г-образную форму. Согласно изобретению, подвесы в сечении имеют вытянутую форму, при этом своим вытянутым направлением сечение перпендикулярно плоскости подвижной массы. Электрические проводники проходят по одной из сторон подвесов и растяжек.

Основной задачей, решаемой изобретением, является повышение точности измерения. Эта задача решается двояким путем: - за счет того, что как первичные, так и вторичные колебания происходят только в плоскости чувствительного элемента, для чего и введены дополнительные растяжки и упругие подвесы. Благодаря этому облегчается резонансная настройка обоих типов колебаний. Вытянутая асимметричная форма сечения подвесов способствует разнесению частот возбуждающих и измерительных колебаний, с одной стороны, и паразитных колебаний, с другой стороны, благодаря чему устраняется влияние перекрестных угловых скоростей; - за счет повышения добротности колебательной системы чувствительного элемента, чему способствует то, что в центральной точке закрепления механические напряжения равны нулю при всех видах колебаний. От резонансных колебаний возбуждения при перемещениях первой и второй масс в одной несущей растяжке имеют место напряжения сжатия и в противоположной растяжке от действия движения третьей и четвертой масс - напряжения растяжения. Это приводит к тому, что в точке крепления и вблизи нее с учетом линейного закона распределения механических напряжений и деформаций напряженное состояние отсутствует. От вторичных колебаний происходят аналогичные действия. Учитывая, что потери энергии данной колебательной системой определяются работой деформационных сил в точке закрепления, которые, как показано выше, равны нулю, т. к. равны нулю деформации и напряжения, то добротность предложенного чувствительного элемента является достаточно высокой.

На фиг. 1 и 2 показан предложенный чувствительный элемент микромеханического гироскопа, причем на фиг.1 показан вид на чувствительный элемент сверху, а на фиг.2 - сечение по А-А фиг.1.

Следует учесть, что в приведенной конкретной реализации описан магнитоэлектрический способ возбуждения колебаний и съема информации, хотя данный чувствительный элемент может быть использован и с электростатическим и другими известными способами возбуждения колебаний и съема информации.

Цифровые позиции на чертежах имеют следующие обозначения: 1 - внешняя жесткая рамка, 2 - Г-образный упругий подвес (всего тридцать два подвеса), 3 - проводник магнитоэлектрического преобразователя силы, 4, 11, 12 и 6 - первая, вторая, третья и четвертая подвижные массы соответственно, 5 - проводник положительной обратной связи магнитоэлектрического генератора возбуждения колебаний подвижной массы, 7 - проводник индукционного преобразователя перемещений (на чертеже показан пунктиром), 8 - несущая жесткая растяжка (всего четыре растяжки),
9 - жесткий центр,
10 - контактная площадка (всего 12 контактных площадок),
13 - проводник магнитоэлектрического преобразователя отрицательной обратной связи по информационному каналу (на чертеже показан пунктиром),
14 - полюс магнита,
15 - основание (стекло).

Все четыре подвижные массы 4, 6, 11 и 12 являются одинаковыми, и каждая состоит из пяти квадратных пластин, как показано на фиг.1. Подвижные массы выполнены за одно целое с внешней рамкой 1, жестким центром 8 и упругими подвесами 2 из пластины кремния, ориентированной в кристаллографической плоскости 100 (возможно также применение плоскости 110). Все 32 упругих подвеса являются одинаковыми, имеют большую жесткость в направлении, перпендикулярном плоскости чувствительного элемента (ось z), и малую жесткость в направлении осей х и у. В связи с этим подвижные массы 4, 6, 11 и 12 имеют возможность перемещаться только в плоскости пластины. Своей средней частью жесткий центр 8 крепит весь чувствительный элемент к неподвижному основанию 15 прибора.

На одной из сторон упругих подвесов 2 выполнены проводники 5 положительной обратной связи и проводники 3 преобразователя силы, а на противоположные стороны других упругих подвесов 2 нанесены аналогичные проводники 7 съема информации и проводники 13 отрицательной обратной связи, расположенные под прямым углом к проводникам 3 и 5 первой стороны подвесов 2. Чувствительный элемент в сборе размещается в магнитной системе параллельно полюсам 14 постоянного магнита (см. фиг.2).

Чувствительный элемент микромеханического гироскопа работает следующим образом. Пусть на проводник 3 магнитоэлектрического преобразователя силы подан положительный импульс с генератора возбуждения. Силовые проводники 3, находящиеся в однородном магнитном поле, расположены на подвижных массах 4, 6, 11 и 12 так (см. фиг.1), что первая масса 4 перемещается в отрицательном направлении оси х, вторая масса 11 и четвертая 6 - положительном и третья 12 - отрицательном направлении. При смене знака импульса в проводниках 3 направление движения подвижных масс 4, 6, 11 и 12 меняется на противоположное, таким образом подвижные массы 4, 6, 11 и 12 приводятся в принудительные колебания на резонансной частоте. Все четыре подвижные массы 4, 6, 11 и 12 и их упругие подвесы 2 выполнены одинаковыми, поэтому амплитуды колебаний каждой отдельной массы равны между собой. Теоретически амплитуда колебаний отдельной подвижной массы, при возбуждении на резонансной частоте магнитоэлектрическим преобразователем, определяется по следующей зависимости:

где В - магнитная индукция в магнитном зазоре; I - ток в силовом проводнике 3; a₀ - длина проекции силового проводника 3 на ось у; а_п, b_п, c_п - соответственно длина, ширина и толщина спрямленного Г-упругого подвеса 2; Е_[100] - модуль упругости кремния в плоскости (100); Q - добротность колебательной системы, содержащей подвижные массы 4, 6, 11, 12 и упругие элементы 2. При движении подвижной массы 4 в проводнике 5 наводится э.д.с., которая по цепи положительной обратной связи подается на управление резонансным генератором. На остальных подвижных массах 6, 11 и 12 проводники 5 обратной связи выполнены аналогично и включены между собой последовательно.

При вращении чувствительного элемента относительно оси z на каждую подвижную массу 4, 6, 11 и 12 начинает действовать кориолисово ускорение, направление которого зависит от направления линейной скорости (см. фиг.1), а величина определяется следующей зависимостью:
a_к = 2vΩ. (2)
Соответственно кориолисова сила равна
F_к = 2mvΩ. (3)
Знакопеременная кориолисова сила перемещает каждую подвижную массу 4, 6, 11 и 12 в направлении, перпендикулярном действующей в данный момент линейной скорости возбуждения и действующей внешней угловой скорости, при этом в проводнике 7 индукционного преобразователя перемещений наводится э.д.с., пропорциональная внешней угловой скорости. Ее полная величина равна
ΔU = ω_pΔxBR, (4)
где ω_p - резонансная частота колебаний подвижной массы 4, 6, 11 и 12; R - величина сопротивления проводника 7 индукционного преобразователя.

Далее напряжение с датчика перемещений усиливается в электронном блоке обработки (не показан) и подается с обратным знаком на проводник 13 магнитоэлектрического преобразователя отрицательной обратной связи по информационному каналу.

Источники информации
1. P. Leger Quapason - a new low-cost vibrating gyroscope. 3-rd Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems. SPb: CSRI "Electropribor", 1996. Part 1, p.143-149.

2. Патент США 5952572, выдан 14.09.1999 г. МПК G 01 P 9/00, НКИ 73/504.04 (прототип).

Формула изобретения

1. Чувствительный элемент микромеханического гироскопа, содержащий основание, рамку, центр, соединенный двумя растяжками с рамкой, четыре подвижные массы и четыре упругих подвеса, каждый из которых соединяет соответствующую подвижную массу с центром, отличающийся тем, что в устройство дополнительно введены две растяжки, соединяющие центр с рамкой и расположенные перпендикулярно имеющимся, четыре упругих подвеса, каждый из которых соединяет соответствующую массу с центром, жестко соединенным с основанием, и четыре группы упругих подвесов, каждая из которых состоит из шести упругих подвесов, соединяющих соответствующую массу с рамкой, при этом все упругие подвесы имеют Г-образную форму.

2. Чувствительный элемент по п.1, отличающийся тем, что упругие подвесы имеют в сечении вытянутую форму, при этом своим вытянутым направлением сечение перпендикулярно плоскости подвижной массы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2