Микромеханический вибрационный гироскоп
Владельцы патента RU 2269746:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследолвательский институт "Электроприбор" (RU)
Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании таких средств измерения угловой скорости движения основания, как вибрационные гироскопы. Гироскоп содержит основание, инерционный диск, закрепленный на основании с помощью внутреннего упругого подвеса, состоящего из четырех прямых упругих стержней прямоугольного сечения, имеющих равную длину и ширину с высотой, равной толщине диска, и расположенных радиально под равными углами к оси чувствительности прибора и прикрепленных внутренними сторонами к основанию, систему электростатического возбуждения колебаний диска, состоящую из двигателей возбуждения и датчиков углового положения; систему электростатического съема выходных колебаний, состоящую из электродов, расположенных на основании под инерционным диском, концентричные диску упругие перемычки для уменьшения растягивающих усилий и обеспечения необходимого углового разворота упругих стрежней при их деформациях. При этом резко снижается нелинейность первичных колебаний, обеспечивая устойчивость колебаний, повышение эксплуатационных характеристик, максимальную чувствительность прибора. 3 ил.
Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании таких средств измерения угловой скорости движения основания, как вибрационные гироскопы.
Известны микромеханические вибрационные гироскопы (МВГ) [Soderkvist J. Micromachined gyroscopes. - Sensors and Actuators A, 43,1994, pp 65-71].
Принцип действия МВГ состоит в следующем. Инерционный диск, имеющий упругую связь с основанием, совершает первичные угловые колебания (угловые вибрации), создаваемые системой возбуждения, вокруг оси, перпендикулярной плоскости диска. Под воздействием угловой скорости основания вокруг оси чувствительности, направление которой лежит в плоскости диска, возникают силы Кориолиса, вызывающие вторичные колебания инерционного диска вокруг ортогональной оси, лежащей в плоскости диска, измеряемые системой съема.
Наибольшая чувствительность прибора достигается при обеспечении максимальной амплитуды первичных колебаний и при совмещении собственных частот первичных и вторичных колебаний диска в подвесе. Основные проблемы при возбуждении первичных колебаний заключаются в обеспечении устойчивости этих колебаний при различных условиях эксплуатации, стабилизации их амплитуды и снижении нелинейной зависимости амплитуды колебаний от частоты возбуждения.
Известна конструкция МВГ [Лестев А.М., Попова И.В., Пятышев Е.Н. и др. Особенности комплексирования объемной микромеханики и БИС в измерительных системах//Материалы Х Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным системам, С-Петербург, 2003. - С.217-225], чувствительный элемент которого содержит основание и инерционный диск, закрепленный на основании с помощью внутреннего упругого подвеса. Инерционный диск выполнен из кремниевой пластины одинаковой толщины. Упругий подвес состоит из четырех прямых упругих стержней, имеющих равную длину и ширину, высота стержней равна толщине диска. Упругие стержни расположены радиально в плоскости диска под равными углами к оси чувствительности. Внутренняя часть упругих стержней закреплена на основании, а наружная часть соединена с инерционным диском. Инерционный диск совершает первичные колебания вокруг оси, перпендикулярной плоскости диска. Колебания возбуждаются системой электростатического возбуждения колебаний, состоящей из двигателей возбуждения и датчиков углового положения. Измерение выходных колебаний инерционного диска осуществляется системой емкостного съема, состоящей из электродов, расположенных на основании под инерционным диском.
К недостаткам конструкции относится то, что упругие стержни подвеса имеют жесткое крепление как к основанию, так и к инерционному диску. Вследствие этого при совершении первичных колебаний упругие стержни подвеса кроме изгибных деформаций подвергаются деформациям растяжения, возникающим из-за невозможности смещения опор в радиальном направлении. Наличие усилий растяжения приводит к тому, что характеристика восстанавливающей силы упругости по оси первичных колебаний становится нелинейной и описывается кубической параболой.
Особенностью систем с нелинейной восстанавливающей силой является возникновение нескольких устойчивых периодических режимов, при которых одному значению частоты соответствуют различные амплитуды колебаний, и возможность перехода колебательной системы из одного режима в другой. Эти свойства нелинейной системы обуславливают такие явления, как неустойчивость первичных колебаний и нестабильность амплитуды колебаний вследствие несовпадения амплитудно-частотных характеристик при увеличении и уменьшении частоты момента возбуждения.
Известно техническое решение [Fujita Т. et al. Disk-shaped bulk micromachined gyro-scope with vacuum sealing//Sensors and Actuators, 82, 2000, pp.198-204], позволяющее уменьшить растягивающие усилия в упругих стержнях подвеса МВГ. В данном случае упругие стержни выполняются зигзагообразными по форме меандра. Однако при этом существенно увеличивается общая (приведенная) длина стержней подвеса, что приводит к значительному снижению жесткости подвеса по оси чувствительности и повышению чувствительности к линейным и угловым вибрациям.
В качестве прототипа по наибольшему числу общих существенных признаков принят МВГ [An S. et al. Dual-Axis Microgyroscope with Closed-Loop Detection// Sensors and Ac-tuators, 73, 1999, pp. 1-6], чувствительный элемент которого содержит основание и инерционный диск, выполненный в виде кремниевой пластины одинаковой толщины и закрепленный на основании с помощью внутреннего упругого подвеса. Упругий подвес состоит из четырех прямых упругих стержней, имеющих равную длину и ширину, высота стержней равна толщине диска. Упругие стержни расположены радиально под равными углами к оси чувствительности между электродами системы электростатического возбуждения колебаний. Внутренние части упругих стержней подвеса закреплены на основании, а наружные части соединены с прямыми перемычками, связывающими инерционный диск в единую конструкцию. Прямые перемычки используются в качестве упругих элементов, снижающих усилия растяжения в упругих стержнях подвеса и уменьшающих нелинейность характеристики первичных колебаний.
В данном случае устраняется указанный для предыдущего аналога недостаток, связанный с увеличением общей длины стержней подвеса.
Недостатками конструкции-прототипа являются невысокая чувствительность к измеряемой угловой скорости и ограниченная область использования, обусловленные следующими обстоятельствами:
1) Конструкция инерционного диска вследствие наличия упругих перемычек по существу разделена на четыре части, имеющие упругую связь через стержни подвеса. При этом инерционный диск становится нежестким и его части, играющие роль подвижных электродов системы емкостного съема, могут колебаться с различными частотами, что приводит к значительной погрешности МВГ.
2) Выполнение упругих перемычек в виде прямых стержней снижает жесткость и приводит к потере устойчивости конструкции инерционного диска при действии линейных ускорений в плоскости диска.
3) Расположение упругих стержней подвеса между электродами системы электростатического возбуждения колебаний снижает жесткость конструкции по оси, перпендикулярной плоскости диска, и ограничивает возможность совмещения частот первичных и вторичных колебаний посредством изменения углового положения упругих стрежней подвеса в плоскости диска.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение чувствительности и повышение эксплуатационных характеристик МВГ.
Согласно изобретению указанная задача решается тем, что каждая из пар прямых упругих стержней внутреннего упругого подвеса соединена с концентричными диску дуообразными упругими перемычками. Концы двух дугообразных перемычек, в свою очередь, соединены с инерционным диском. Основное назначение упругих перемычек, как и в конструкции-прототипе, состоит в снижении растягивающих усилий, действующих на стержни подвеса. Однако закрепление пары стержней подвеса с одной дугообразной перемычкой позволяет значительно увеличить ее длину и, соответственно, податливость, что существенно уменьшает нелинейность первичных угловых колебаний.
Упругие перемычки, через которые осуществляется соединение упругих стержней подвеса и инерционного диска, могут быть расположены симметрично относительно оси чувствительности или симметрично относительно оси вторичных колебаний.
В инерционном диске выполнены прорези, в которых размещена система электростатического возбуждения колебаний. Упругие перемычки расположены внутри диска, так что упругие стержни, соединенные с ними, не пересекают конструкцию диска. При этом инерционный диск представляет собой монолитную конструкцию, не допуская взаимных колебаний различных частей диска, а угловое расположение упругих стержней подвеса относительно оси чувствительности может варьироваться, позволяя добиваться равенства частот первичных и вторичных колебаний.
Выполнение упругих перемычек в виде дугообразных элементов создает арочную конструкцию, имеющую значительную жесткость. Это повышает устойчивость упругого подвеса и инерционного диска к действию линейных ускорений в плоскости диска и улучшает эксплуатационные характеристики МВГ.
Предлагаемая конструкция МВГ сокращает габариты прибора, увеличивает жесткость подвеса инерционного диска, уменьшает возможность его деформаций во время изготовления и эксплуатации, позволяет эффективно уменьшить нелинейность первичных угловых колебаний для достижения максимальной чувствительности МВГ.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1, 2 и 3, представленных в проекционной связи, обозначены:
1 - ось первичных колебаний;
2 - ось чувствительности;
3 - ось вторичных колебаний;
4 - основание, которое используется как опорная поверхность для крепления инерционного диска 5 и на котором расположены электроды системы электростатического съема выходных колебаний 9;
5 - инерционный диск, который крепится к основанию 4 с помощью упругого подвеса 6;
6 - внутренний упругий подвес, состоящий из четырех упругих прямых стержней, расположенных радиально под равными углами к оси чувствительности 2 и прикрепленных внутренними частями к основанию 4, а наружные части каждой пары стержней прикреплены к упругим перемычкам 10;
7 - двигатели возбуждения, закрепленные на основании 4;
8 - датчики углового положения, закрепленные на основании 4;
9 - система электростатического съема выходных колебаний с электродами на основании 4;
10 - упругие дугообразные концентричные диску 5 перемычки. Функционирует микромеханический вибрационный гироскоп представленной конструкции следующим образом.
Инерционный диск 5 с внутренним упругим подвесом 6 закреплен на основании 4.
На двигатели возбуждения 7, закрепленные на основании 4, подается переменное электрическое напряжение с частотой, равной собственной частоте первичных колебаний, что обеспечивает колебания инерционного диска 5 вокруг оси 1. Датчики углового положения 8, также закрепленные на основании 4, служат для определения амплитуды колебаний и совместно с двигателями возбуждения 7 представляют собой систему электростатического возбуждения первичных колебаний инерционного диска 5. При наличии угловой скорости основания, действующей по оси чувствительности 2, возникают кориолисовы силы, заставляющие инерционный диск 5 колебаться относительно оси выходных колебаний 3. Амплитуда выходных колебаний, величина которой является мерой измеряемой угловой скорости, определяется системой электростатического съема выходных колебаний 9 с электродами на основании 4.
Представленная конструкция внутреннего упругого подвеса 6 состоит из четырех радиально расположенных упругих стержней, каждый из которых прикреплен к основанию 4. Упругие стержни имеют равную длину и ширину, высота их равна толщине диска 5. Каждая пара стержней соединена с упругими концентричными диску 5 дугообразными перемычками 10, концы которых закреплены на инерционном диске 5. Две упругие перемычки 10 конструктивно могут быть расположены симметрично оси чувствительности 2 (фиг.2) или симметрично оси вторичных колебаний 3 (фиг.3).
При возбуждении первичных колебаний вокруг оси 1 упругие стержни изгибаются, при этом упругие перемычки 10 допускают разворот и смещение наружной стороны крепления стержней подвеса 6, существенно снижая растягивающие усилия. Этим обеспечивается линейность характеристики и достижение максимальной амплитуды первичных угловых колебаний. Арочная структура упругих перемычек 10 обеспечивает устойчивость к инерционным перегрузкам и повышенные эксплуатационные характеристики МВГ. Благодаря расположению упругих перемычек внутри диска упругие стержни не пересекают конструкцию диска, что допускает изменение углового расположения упругих стержней подвеса относительно оси чувствительности для достижения равенства частот первичных и вторичных колебаний и, соответственно, максимальной чувствительности МВГ.
Технико-экономические преимущества изобретения по сравнению с базовым объектом, характеризующим существующий уровень техники и совпадающим в данном случае с прототипом, заключаются в увеличении чувствительности и повышении эксплуатационных характеристик МВГ.
В настоящее время разрабатывается техническая документация для МВГ данной конструкции.
Микромеханический вибрационный гироскоп, содержащий основание, инерционный диск, закрепленный на основании с помощью внутреннего упругого подвеса, состоящего из четырех прямых упругих стержней прямоугольного сечения равной длины и ширины высотой, равной толщине диска, радиально расположенных в плоскости диска под равными углами к оси чувствительности прибора и прикрепленных внутренними сторонами к основанию; систему электростатического возбуждения колебаний диска, состоящую из двигателей возбуждения и датчиков углового положения, систему емкостного съема выходных колебаний, состоящую из электродов, расположенных на основании под инерционным диском, отличающийся тем, что он содержит две концентричные диску дугообразные упругие перемычки, симметричные относительно оси чувствительности или оси вторичных колебаний прибора, к каждой из которых прикреплена наружная сторона двух упругих стержней подвеса.
