Гироскопический датчик

Изобретение относится к гироскопическим датчикам с резонатором в виде колпака или шарового сегмента. Датчик содержит чувствительный элемент (1), к которому подключены электроды (8) детектирования и возбуждения, электропроводящие стержни (6), связанные, в частности, с указанными электродами (8), защитный корпус (4), заключающий в себе чувствительный элемент (1) и электроды (8) и снабженный проходными изоляторами (7) для электропроводящих стержней (6), опорные элементы, расположенные между чувствительным элементом (1) и электродами (8) и корпусом (3, 4), при этом опорными элементами служат электропроводящие стержни (6), выполненные упруго деформируемыми. Техническим результатом является повышение стабильности конструкции и возможность использования колпаковых резонаторов малого диаметра. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Настоящее изобретение касается усовершенствований гироскопических датчиков, содержащих:

- чувствительный элемент, с которым связаны электроды детектирования и возбуждения,

- электропроводящие стержни, связанные, в частности, с указанными электродами,

- защитный корпус, в котором расположены чувствительный элемент и электроды и который содержит проходные изоляторы для электропроводящих стержней,

- опорные элементы, расположенные между чувствительным элементом, с одной стороны, и корпусом, с другой стороны.

Для достижения положительных рабочих характеристик в гироскопических датчиках используют элементы конструкции со строгой геометрией и экстремально точной сборкой; это ведет к очень жестким допускам по размерам и очень малым зазорам.

Однако по меньшей мере некоторые из таких элементов конструкции могут быть выполнены из разных металлов, обладающих очень разными коэффициентами теплового расширения. Этим обуславливаются существенные трудности при поддержании требуемых рабочих характеристик гироскопического датчика в разных тепловых условиях окружающей среды, что требует сборки, допускающей расширение элементов конструкции там, где это необходимо для соблюдения точных величин зазоров, просветов или промежутков или для соблюдения предельных значений нагрузок, приходящихся на элементы конструкции.

Кроме того, чувствительный элемент гироскопического датчика представляет собой экстремально хрупкий орган, чрезвычайно чувствительный к механическим ударам, поэтому желательно размещать его таким образом, чтобы по возможности исключались механические удары.

Указанные трудности возникают, например, в отношении гироскопических датчиков, чувствительный элемент которых представляет собой кварцевый резонатор с одной или несколькими вибрирующими ветвями, электродами детектирования и возбуждения которого служат металлизированные покрытия, нанесенные непосредственно на эти ветви. Для датчика такого типа используют пьезоэлектрическое свойство кварца для обеспечения функций возбуждения и детектирования.

Указанные трудности особенно характерны для гироскопических датчиков с резонатором в виде колпака или шарового сегмента, которые в настоящее время получают широкое развитие. В резонаторе этого типа край резонатора в виде колпака или шарового сегмента, возбуждаемый вибрацией, вызывающей его деформацию вместе с радиальными и тангенциальными компонентами, содержит также компонент, перемещающийся параллельно оси резонатора. Известны также гироскопические датчики, в которых детектируют радиальную вибрацию края резонатора - в данном случае колпак или шаровой сегмент резонатора закрывает по меньшей мере частично пластину электроде держателя (см., например, US 4951508), а также гироскопические датчики, в которых детектируют осевую вибрацию края резонатора, в этом случае пластина электрододержателя располагается напротив края колпака или шарового сегмента резонатора (см., например, FR 9905204).

Известные резонаторы такого типа, которые вначале могли иметь диаметр порядка 60 мм, были затем приведены к диаметру около 30 мм и предназначены для применения в космических условиях с высокими рабочими характеристиками.

Все чаще рассматривается возможность использования гироскопических датчиков с колпаковым резонатором для менее ответственных случаев и при существенно более низких производственных затратах, таких, как, например, управление полетом тактических ракет. Часто такие случаи применения характеризуются необходимостью размещения сенсорного блока (гироскопы и акселерометры) с использованием малого объема и в жестких термомеханических условиях окружающей среды. Вибрирующие гироскопы обладают качествами, хорошо пригодными для таких случаев применения благодаря небольшому количеству деталей и присущей им прочности.

Ключевым элементом, обеспечивающим рабочие характеристики гироскопа с колпаковым резонатором, служит перенапряжение резонатора, достигаемое в результате применения диоксида кремния, используемого для изготовления вибрирующего колпака. До настоящего времени диоксид кремния остается единственным видом материала, обладающего свойствами, необходимыми для изготовления резонатора со значениями перенапряжения, превышающими порядок величин в несколько 10⁶.

Зато диоксид кремния обладает свойством, которое, оставаясь совершенно благоприятным для стабильности рабочих характеристик гироскопов, создает трудность при изготовлении, так как его коэффициент теплового расширения чрезвычайно низкий и составляет порядка 0,5 ppm/°С. Однако гироскопы выполняются закрепленными на металлических сердечниках, часто из алюминия, при коэффициенте теплового расширения 23 ppm/°С. Следовательно, необходимо применять специальную конструкцию, обеспечивающую переход с диоксида кремния на металлический сердечник для того, чтобы температурные изменения не вызывали нарушение работы гироскопа.

Использование резонатора происходит электростатическим способом и детектирование является емкостным, что предопределяет необходимость - для достижения высокой эффективности - обеспечить малые воздушные зазоры (в несколько десятков мкм). Очень важно ограничить колебания величины воздушных зазоров из-за разности теплового расширения материалов и из-за деформаций деталей. Это традиционно ведет к применению сборок, обладающих некоторой степенью свободы (например, скольжение в плоскости, как это предусмотрено в устройстве согласно патенту США №4951508), или к применению упругих деталей.

В новых рассматриваемых случаях применения с использованием колпакового резонатора окружающие условия все более усложняются: тепловой диапазон составляет от -40 до +90°С, требуется стойкость к ударам, вызываемым ускорениями в несколько сот грамм. Кроме того, свободный объем постоянно сокращается, что ведет к ориентации на использование резонаторов, колпак которых имеет еще более меньший диаметр, составляющий в предусмотренных в настоящее время случаях применения, например, около 20 мм.

В таких условиях традиционные решения не являются более приемлемыми.

Целью настоящего изобретения является предложить новую конструкцию гироскопического датчика, в частности, с колпаковым резонатором, обеспечивающую размерную стабильность чувствительных элементов гироскопа в жестких тепловых и/или механических условиях окружающей среды и позволяющую, в частности, использовать колпаковые резонаторы малого диаметра, которые востребованы практикой.

Для этого гироскопический датчик, такой, как указан в ограничительной части формулы изобретения, и выполненный согласно изобретению, характеризуется тем, что упомянутые опорные элементы состоят из электропроводящих стержней, выполненных упругодеформируемыми.

В том случае, когда речь идет о гироскопическом датчике с резонатором в виде колпака или шарового сегмента, датчик, собранный согласно изобретению, содержит кроме того:

- резонатор в виде колпака или шарового сегмента полного обращения с осью крепления,

- электрододержатель, несущий указанные электроды для детектирования и возбуждения, взаимодействующий с резонатором и поддерживающий его своей осью крепления,

- упомянутый защитный корпус, заключающий в себе резонатор и электрододержатель,

- упомянутые электропроводящие стержни, образующие опорные элементы и расположенные между электрододержателем и корпусом.

Благодаря такой компоновке от механических сборок с несущими поверхностями, способных вызывать взаимное трение под действием наружних условий (температуры, вибраций и пр.) и поглощение энергии, снижающее перенапряжение резонатора и, следовательно, точность гироскопа, безусловно отказались. Функция опоры теперь перешла к электропроводящим стержням, применявшимся и раньше, наличие которых является совершенно необходимым для электрического подключения резонатора.

Двойственность функций, присущая теперь электропроводящим стержням, позволяет исключить причины нарушения правильной работы гироскопа, обеспечить дополнительное место в связи с исключением ненужных более элементов и, следовательно, изготовлять устройства меньшего диаметра, а также снизить разовую себестоимость устройств.

Предпочтительно в случае применения колпаковых резонаторов располагать электропроводящие, связанные с электродами стержни симметрично и кругообразно вокруг оси резонатора.

Также предпочтительно, чтобы датчик содержал кроме того три электропроводящих стержня, симметрично расположенных вблизи оси резонатора, причем один из этих стержней связан с экранирующим кольцом на пластине электрододержателя, другой стержень соединен с металлизированным покрытием резонатора; третий электропроводящий стержень предназначен только для поддержания пластины электрододержателя, его присутствие позволяет предупредить наклон пластины электрододержателя по отношению к корпусу гироскопа.

Согласно другому варианту осуществления корпус содержит металлическое основание и связанный с ним кожух, причем основание оснащено упомянутыми проходными изоляторами для электропроводящих стержней.

Таким образом, устройства, выполненные в соответствии с изобретением, обеспечивают следующие преимущества:

- подвешенная сборка чувствительного элемента гироскопа с легко регулируемой предельной частотой, возможность параллельного смещения чувствительной оси гироскопа без ее наклона, вредно сказывающегося на точность работы гироскопа;

- сборка, позволяющая применять резонаторы с радиальным детектированием, а также резонаторы с осевым детектированием;

- электромеханические связи, обеспечиваемые одними и теми же элементами, что упрощает монтаж и снижает затраты;

- деформации, вызываемые ударом или температурой и локализованные в электропроводящих стержнях, не влияют на воздушные зазоры, предназначенные для применения резонатора;

- основание гироскопа выполнено из того же материала, что и опора гироскопа, что исключает нагрузки, вызываемые температурой в месте крепления гироскопа.

Такая конструкция очень хорошо подходит для изготовления гироскопов, в частности, резонаторов в виде колпака малых размеров, способных применяться в жестких тепловых и механических условиях окружающей среды. Она может быть также применена в гироскопах более крупного размера, используемых при менее жестких условиях окружающей среды, причем разные коэффициенты теплового расширения тем неблагоприятней, чем больше габариты.

Более подробно изобретение поясняется ниже описанием некоторых вариантов осуществления, приведенных единственно в качестве иллюстрирующих примеров. В описании имеются ссылки на приложенные чертежи, на которых:

фиг.1 изображает схематический разрез, вид сбоку на вариант выполнения гироскопического датчика с колпаковым резонатором согласно изобретению;

фиг.2 - схематический разрез, вид сбоку на другой вариант выполнения гироскопического датчика с колпаковым резонатором согласно изобретению;

фиг.3 - вид сверху на пластину электрододержателя резонатора, изображенного на фиг.2;

фиг.4 и 5 - частичные виды, иллюстрирующие способность электропроводящих стержней гироскопических датчиков поглощать деформирующие усилия;

фиг.6 - частичный вид, иллюстрирующий вариант выполнения части гироскопических датчиков, показанных на фиг.1 и 2.

Приводимое ниже описание относится преимущественно к гироскопическим датчикам с резонатором в виде колпака или шарового сегмента, так как устройства согласно изобретению находят преимущественно применение в данном типе гироскопического датчика, в частности, в датчиках, оснащенных резонатором малого диаметра, при условии, что такие устройства применяются в любом другом типе гироскопического датчика в качестве опоры для чувствительного элемента.

На фиг.1 и 2 показан гироскопический датчик с резонатором в виде колпака или шарового сегмента, содержащий четыре следующих основных элемента:

- резонатор 1 в виде колпака или шарового сегмента, который может иметь также форму, в частности, полусферы, как показано, и который содержит ось 5 для своего крепления;

- деталь, несущую на себе электроды, необходимые для применения резонатора, называемую ниже электрододержателем 2, в которой также закреплена ось резонатора 1 (на фиг.1 и 2 электроды не показаны);

- основание 3, позволяющее закреплять гироскоп на опоре;

- корпус 4.

Резонатор 1 и электрододержатель 2 выполнены из диоксида кремния для обеспечения стабильности воздушных зазоров, причем диоксид кремния является необходимым материалом для резонатора.

Электрододержатель 2 может иметь разные конфигурации. Он может быть полусферическим и содержать электроды, расположенные напротив внутренней поверхности резонатора, как это показано на фиг.1. Он может также иметь плоскую форму с электродами, расположенными напротив края резонатора, как показано на фиг.2.

Резонатор 1 и электрододержатель 2 смонтированы вместе и образуют чувствительный элемент гироскопа. Воздушные зазоры в этих обеих деталях составляют несколько десятков мкм. Эта подсборка механически закреплена на основании 3 с помощью опорных элементов. Затем устанавливается кожух, предназначенный для обеспечения работы резонатора под вторичным вакуумом. Электрические соединения б выполнены между электродами и использованной электроникой, расположенной снаружи гироскопа. Эти соединения пропущены через герметичные проходные изоляторы 7, выполненные в основании 3.

Основание 3 выполнено, как правило, металлическим с коэффициентом теплового расширения, который близок к коэффициенту теплового расширения либо диоксида кремния, либо материала опоры, на которой крепится гироскоп. Во всех этих случаях коэффициент теплового расширения будет различным между основанием 3 и деталями, с которыми оно связано. Необходимо, чтобы нагрузки, вызываемые такой разностью теплового расширения, не нарушали сборку "резонатор/электрододержатель", как при изменениях воздушного зазора из-за температуры, так и при возникновении слишком больших напряжений в диоксиде кремния. Стойкость диоксида кремния к напряжениям при растяжении является очень низкой по сравнению со стойкостью металла.

Для того, чтобы произвести сборку из разных компонентов, указанные выше опорные элементы выполнены, согласно изобретению, в виде упомянутых выше электрических соединений 6. Другими словами, названные выше компоненты механически связаны попарно, причем электрические соединения 6 служат для поддержания узла "резонатор 1 / электрододержатель 2" на узле, образованном основанием 3, с которым связан корпус 4.

Как показано на фиг.3, электрододержатель содержит несколько электродов (например, 8, как показано), образованных металлическим покрытием малой толщины и расположенных напротив резонатора, что обеспечивает их применение. В случае применения резонатора, показанного на фиг.1, электроды используют радиальные деформации резонатора. В случае применения резонатора, показанного на фиг.2, ими используются осевые деформации. Эти обе конфигурации позволяют применять одни и те же виды вибрации. Благодаря применению диоксида кремния масса образованного таким образом чувствительного элемента составляет несколько грамм.

На фиг.1, 2 и 3 показано основание 3 гироскопа, которое представляет собой круглую деталь с одиннадцатью проходными герметичными изоляторами 7, через которые пропущены соответствующие электропроводящие стержни 6 для обеспечения упомянутых выше электрических соединений:

- восемь стержней 6а (показаны на фиг.1 и 2) служат для передачи сигналов от электродов 8 на электрододержатель 2,

- стержень 6b (на фиг.1 и 2 не показан) обеспечивает связь между экранирующим кольцом 9, разделяющим электроды,

- стержень 6с обеспечивает связь (не показана) с металлизированным покрытием резонатора,

- последний стержень 6d не имеет электрического назначения; он служит единственно для обеспечения стабильной ориентации электрододержателя.

Восемь подключенных к электродам 8 стержней 6а расположены на кольце 10. Три дополнительных стержня 6b, 6с и 6d концентрично установлены (кольцо 11) внутри восьми первых по вершинам равностороннего треугольника.

Каждый проходной герметичный изолятор 7 выполнен традиционно путем заделки в основание 3 металлического стержня 6 со стеклом. Основание 3 состоит из того же материала, что и опора, на которой закрепляется гироскоп.

Концы одиннадцати металлических стержней 6 располагаются на электрододержателе 2 (позиция 12) и закреплены сваркой с металлизированным слоем, нанесенным на диоксид кремния. Получают своего рода сборку на "свайном основании" электроде держателя 2, которое позволяет этой детали совершать смещение параллельно основанию 3. Это смещение происходит вследствие деформации свободной части металлических стержней 6. В случае ускорения или удара в направлении, параллельном плоскости основания 3, происходит деформация, показанная на фиг.4. При тепловых расширениях деформация происходит в том виде, как она показана на фиг.5.

За счет изменения длины и диаметра свободной части металлических стержней 6 возможно точно задавать упругость опоры с целью локализации деформаций металлических стержней и ограничивать передачу нагрузок на электрододержатель 2, вызванных механическими ударами или тепловыми расширениями. Можно более легко контролировать диаметр и длину прерывистых металлических стержней, чем контролировать, например, толщину сплошной детали с той же жесткостью.

Таким образом, резонатор 1 и электрододержатель 2 образуют жесткий узел, изолированный от наружной среды подвеской на металлических стержнях 6. Частота колебаний такой подвески может составлять от максимальной частоты наружних колебаний до номинальной рабочей частоты резонатора 1, в результате чего отфильтровываются помехи, передаваемые на резонатор. Также в случае нарушения динамического равновесия резонатора такая подвеска будет фильтровать энергию, передаваемую наружу.

Представленные фигуры не являются ограничительными. Соединения между металлическими стержнями 6 и электрододержателем 2 могут быть выполнены разными способами, например, сваркой или электропроводящим склеиванием. Также возможно применить промежуточные вставки 12, выполненные, например, из сплава "Инвар" и закрепленные в детали из диоксида кремния, как это показано на фиг.6. Количество металлических стержней можно изменять в зависимости от количества электродов и внутренних соединений между электродами. При этом необходимо только соблюдать по возможности наиболее полно симметрию с тем, чтобы исключить качание чувствительного элемента по отношению к основанию и гарантировать параллельное смещение, что позволяет сохранить направление входной оси (измерительной оси) гироскопа и что не привносит конических движений, вызывающих сползание нуля отсчетов гироскопа.

В рамках настоящего изобретения металлические стержни 6 должны быть выполнены из материала или комплекса материалов, которые являются не только хорошим электрическим проводником для обеспечения электропроводимости, но и обладают высоким коэффициентом упругости, необходимым для обеспечения функции механической опоры в соответствующих, описанных условиях. Стержни, которые выполнены, например, из сплава "железо-никель" или "железо-кобальт" (например, из сплава, реализуемого на рынке фирмой "Vakuumschmelze GmbH" под названием VACON CF25), соответствуют такому двойному требованию.

1. Гироскопический датчик, содержащий чувствительный элемент (1), с которым связаны электроды (8) детектирования и возбуждения, электропроводящие стержни (6), подключенные к электродам (8), защитный корпус (3,4), охватывающий чувствительный элемент (1) и электроды (8) и снабженный проходными изоляторами (7) для электропроводящих стержней (6), а также средство опоры чувствительного элемента, отличающийся тем, что электропроводящие стержни (6) выполнены упругодеформируемыми и образуют стержневые опорные элементы, расположенные между чувствительным элементом (1) и электродами (8) с одной стороны и корпусом (3,4) с другой стороны, выполняющие функцию средства опоры.

2. Гироскопический датчик по п.1, отличающийся тем, что он содержит резонатор (1) в виде колпака или шарового сегмента полного оборота с осью (5) крепления, электрододержатель (2), несущий электроды (8) детектирования и возбуждения, взаимодействующий с резонатором (1) и поддерживающий резонатор (1) посредством оси (5) крепления, при этом указанный защитный корпус (4) охватывает также резонатор (1) и электрододержатель (2), а электропроводящие стержни (6), образующие опорные элементы, расположены между электрододержателем (2) и корпусом (3, 4).

3. Гироскопический датчик по п.2, отличающийся тем, что электропроводящие стержни (6а), связанные с электродами (8), расположены симметрично и по окружности (10) вокруг оси (5) резонатора (1).

4. Гироскопический датчик по п.2 или 3, отличающийся тем, что он содержит три электропроводящих стержня (6b, 6с, 6d), которые расположены симметрично вблизи оси (5) резонатора (1), причем один (6b) из этих стержней связан с экранирующим кольцом (9), расположенным на электрододержателе (2), другой стержень (6с) связан с металлизированным покрытием резонатора (1).

5. Гироскопический датчик по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что корпус (4) содержит металлическое основание (3) и связанный с ним кожух, при этом основание (3) оснащено проходными изоляторами (7) для электропроводящих стержней.