Микромеханический вибрационный гироскоп

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, имеющий одинаковую толщину и закрепленный на основании с помощью внутреннего упругого подвеса, состоящего из четырех упругих элементов равной длины и прямоугольного сечения, имеющих форму ломаной линии, построенной из трех отрезков с закруглением в местах присоединения отрезков друг к другу, основанию и инерционному диску, и расположенных в плоскости диска в его центральном отверстии так, что внутренние и наружные отрезки упругих элементов находятся под равными углами к оси чувствительности прибора, 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. Техническим результатом является снижение нелинейности первичных колебаний, обеспечение устойчивости колебаний, повышение эксплуатационных характеристик за счет построения равножесткого упругого подвеса, позволяющего достичь максимальной чувствительности прибора. 1 з.п. ф-лы, 5 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 элементов, имеющих равную длину и ширину, высота элементов равна толщине диска. Упругие элементы расположены радиально в плоскости диска под равными углами к оси чувствительности. Внутренняя часть упругих элементов 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 элементы подвеса имеют неподвижное крепление как к основанию, так и к инерционному диску. Вследствие этого при совершении первичных колебаний упругие элементы 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 gyroscope with vacuum sealing // Sensors and Actuators, 82, 2000, pp.198-204], позволяющее уменьшить растягивающие усилия в упругих элементах подвеса МВГ. В данном случае упругие элементы выполняются зигзагообразными по форме меандра. Однако при этом существенно увеличивается общая (приведенная) длина элементов подвеса, что приводит к значительному снижению жесткости подвеса по оси чувствительности и повышению чувствительности к линейным и угловым вибрациям.

Следующая проблема при разработке упругого подвеса заключается в повышенной чувствительности к вибрациям, обусловленной неравножесткостью конструкции. Неравножесткость конструкции выражается в том, что направление вынужденных линейных колебаний инерционного диска не совпадает с направлением вибраций основания. Это приводит к возникновению вторичных угловых колебаний инерционного диска на частоте вибрации и на собственной частоте вторичных колебаний, что вызывает существенную погрешность прибора. При совпадении частоты вибрации основания с половиной частоты вторичных колебаний происходит резонансное усиление вторичных колебаний и сбой в работе прибора. Известно [Сайдов П.И., Слив Э.И., Чертков Р.И. Вопросы прикладной теории гироскопов. - Л.: Судпромгиз, 1961. - 427 с.] два пути решения указанной проблемы. Согласно первому требуется использование упругого подвеса, обладающего настолько большой линейной жесткостью при сохранении заданной угловой жесткости, что линейные колебания не будут вызывать сколько-нибудь значимой погрешности. Однако создание подобной конструкции весьма затруднительно. Более достижимым следует считать второй путь, согласно которому необходимо добиваться одинаковой линейной жесткости упругого подвеса по всем направлениям.

В качестве прототипа по наибольшему числу общих существенных признаков принят МВГ [Попова И.В., Лестев A.M., Пятышев Е.Н. и др. Микромеханические датчики и системы, практические результаты и перспективы развития // Материалы XII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным системам, С.-Петербург, 2005. - С.262-267], 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 двух групп элементов, по четыре упругих элемента в каждой группе. Упругие элементы каждой группы имеют равную длину и ширину, высота упругих элементов равна толщине диска. Упругие элементы в каждой группе представляют собой ломаную линию, состоящую из трех отрезков со скруглением в местах их присоединения друг к другу, внутренний и наружный отрезки расположены радиально диску под равными углами к оси чувствительности. Внутренние отрезки упругих элементов через подвижный промежуточный диск закреплены на основании. Наружные отрезки одной группы упругих элементов соединены непосредственно с инерционным диском. Наружные отрезки второй группы упругих элементов соединены с подвижным электродом двигателя возбуждения первичных колебаний, который присоединяется к инерционному диску упругим элементом. Таким образом, можно считать, что в данной конструкции роль упругого подвеса инерционного диска выполняет только первая группа упругих элементов, а вторая группа играет вспомогательную роль поддержания подвижного электрода двигателя возбуждения.

В данном случае устраняется указанный для предыдущего аналога недостаток, связанный со значительным увеличением общей длины упругих элементов подвеса.

Недостатками конструкции-прототипа являются невысокая чувствительность к измеряемой угловой скорости и ограниченная область использования, обусловленные следующими обстоятельствами:

1) Конструкция инерционного диска вследствие наличия большого выреза для двигателя возбуждения по существу разделена на две части, имеющие упругую связь через упругие элементы 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) Радиальное расположение внутренних и наружных отрезков упругих элементов не позволяет при проектировании изменять собственные частоты линейных колебаний и добиваться равножесткости конструкции, сохраняя сильную чувствительность МВГ к линейным вибрациям основания.

3) Расположение мест крепления к основанию с одной стороны упругих элементов первой группы и размещение с другой стороны от них упругих элементов второй группы, поддерживающих подвижный электрод двигателя возбуждения, исключают возможность совмещения частот первичных и вторичных колебаний посредством изменения углового положения упругих элементов подвеса в плоскости диска.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение чувствительности и повышение эксплуатационных характеристик МВГ.

Согласно изобретению указанная задача решается тем, что для крепления инерционного диска к основанию используется две пары упругих элементов, имеющих форму ломаной линии, построенной из трех отрезков с закруглением в местах присоединения отрезков друг к другу, основанию и инерционному диску. Упругие элементы расположены в плоскости диска в его центральном отверстии так, что внутренние и наружные отрезки упругих элементов попарно находятся под равными углами к оси чувствительности прибора. При этом внутренние или наружные отрезки упругих элементов направлены не радиально диску. Излом ломаных линий упругих элементов в каждой паре направлен в разные стороны, создавая, таким образом, зеркальную симметрию упругого подвеса.

В процессе колебаний диска растяжение упругих элементов компенсируется их изгибом в месте соединения отрезков, что значительно снижает нелинейность подвеса. Равенство частот первичных и вторичных колебаний для обеспечения максимальной чувствительности достигается изменением углового расположения упругих элементов относительно оси чувствительности. Расположение отрезков упругих элементов не радиально диску влияет на линейные частоты конструкции, позволяя создать равножесткий упругий подвес.

В инерционном диске выполнены прорези, в которых размещена система электростатического возбуждения колебаний. Упругий подвес полностью размещен в центральном отверстии диска, вследствие чего инерционный диск представляет собой монолитную конструкцию, исключающую взаимные перемещения различных частей диска.

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 и достичь равножесткости подвеса для снижения влияния вибраций основания на погрешность МВГ.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 и 2, 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 емкостного 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 элементов равной длины и прямоугольного сечения, имеющих форму ломаной линии, построенной из трех отрезков с закруглением в местах присоединения отрезков друг к другу, основанию 4 и инерционному диску 5, расположенных под равными углами к оси чувствительности прибора 2 и прикрепленных внутренними отрезками к основанию 4, а наружными отрезками к диску 5;

7 - двигатели возбуждения, закрепленные на основании 4;

8 - датчики углового положения, закрепленные на основании 4;

9 - система емкостного съема выходных колебаний с электродами на основании 4.

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 емкостного съема выходных колебаний 9 с электродами на основании 4.

Представленная конструкция упругого подвеса 6 состоит из четырех упругих элементов, имеющих форму ломаной линии, построенной из трех отрезков с закруглением в местах присоединения отрезков друг к другу, основанию 4 и инерционному диску 5. Упругие элементы имеют равную длину и ширину, высота их равна толщине диска 5. Упругие элементы составляют две группы, зеркально отображающие друг друга. Внутри каждой группы излом ломаной линии упругих элементов направлен в разные стороны. Внутренние (фиг.3), наружные (фиг.1) или внутренние и наружные (фиг.4) отрезки упругих элементов могут быть расположены не радиально диску, что позволяет настраивать собственные частоты линейных колебаний упругого подвеса и создавать равножесткую конструкцию, что решает задачу повышения чувствительности прибора. Дополнительным средством настройки собственных частот линейных колебаний является установление равенства длин отрезков упругих элементов (фиг.5).

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.

1. Микромеханический вибрационный гироскоп, содержащий основание, инерционный диск, имеющий одинаковую толщину и закрепленный на основании с помощью внутреннего упругого подвеса, состоящего из четырех упругих элементов равной длины и прямоугольного сечения, имеющих форму ломаной линии, построенной из трех отрезков с закруглением в местах присоединения отрезков друг к другу, основанию и инерционному диску, и расположенных в плоскости диска в его центральном отверстии так, что внутренние и наружные отрезки упругих элементов находятся под равными углами к оси чувствительности прибора, 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 внутренние и наружные отрезки упругих элементов или внутренние или наружные отрезки упругих элементов расположены не радиально инерционному диску.

2. Микромеханический вибрационный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что отрезки упругих элементов имеют одинаковую длину.