Вибрационный вакуумный микрогироскоп



Вибрационный вакуумный микрогироскоп
Вибрационный вакуумный микрогироскоп
Вибрационный вакуумный микрогироскоп

 


Владельцы патента RU 2518379:

Открытое акционерное общество "Раменское приборостроительное конструкторское бюро" (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к гироскопии и может быть использовано в приборостроении, авиакосмической отрасли и машиностроении. В вибрационном вакуумном гироскопе магнитная система содержит немагнитное центрирующее кольцо, установленное на магните, верхний магнитопровод установлен по посадке на немагнитное центрирующее кольцо, опора кремниевого резонатора установлена на немагнитную подложку по посадке с нижним магнитопроводом, при этом поверхности магнита, центрирующего кольца, нижнего и верхнего магнитопроводов, немагнитной подложки, кремниевого резонатора и опоры резонатора собраны без образования внутренних полостей. Изобретение позволяет повысить технологичность изготовления гироскопа. 3 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, а именно к гироскопии, и может быть использовано в приборостроении, авиакосмической отрасли, в машиностроении.

Известен вибрационный резонансный датчик [1 - Европейский патент №0141621 А2 от 25.10.84 г., G01C 9/56], который содержит герметичный корпус из металлического кожуха и крышки, встроенные в крышку через межслойные соединения металлические однопроводниковые (одиночные) и коаксиальные гермовыводы. В крышке выполнено отверстие для обезгаживания внутренней полости и расположена герметизирующая заглушка и геттер для поддержания вакуума после окончательной герметизации полости корпуса. Соединения элементов конструкции герметичного корпуса между собой выполнены пайкой.

Недостаток известной конструкции состоит в том, что она спроектирована под герметизацию пайкой и содержит паяные швы. Для вакуумных приборов, не содержащих внутри корпуса геттер, но с жесткими требованиями по натеканию и остаточному давлению, наличие полуды по периметру паяного шва снижает качество обезгаживания внутренней полости герметичного корпуса, а последующая герметизация пайкой, характеризующаяся остаточной пористостью паяных швов, ограничивает ресурс работы гироскопического прибора.

Известна конструкция микроэлектромеханических систем (МЭМС-изделий), таких как кварцевый кольцевой микромеханический (КМГ) и микромеханический вибрационный (ММВГ) гироскопы, описанных в работе [2 Бритков О.М. Разработка конструкций и технологий изготовления микроэлектромеханических приборов в герметичном исполнении. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н., М., МИЭМ, 2009 г., 25-26, 34 с.]. Известная конструкция содержит корпус (или основание) с металлостеклянными гермовыводами, крышку, гироскопическую систему в составе кремниевого резонатора с подвесами и электропроводящими шинами и контактными площадками, установленного на прокладку из стекла (опора кремниевого резонатора), магнитную систему в составе верхнего магнитопровода, магнита, заглушки и нижнего магнитопровода. Для обеспечения пониженного давления внутри корпуса микрогироскоп герметизируется лазерной сваркой и вакуумируется через отверстие или впаянный штенгель.

Основным недостатком известной конструкции является сложность выполнения процесса сборки и взаимного позиционирования элементов гироскопической и магнитной систем, необходимых для симметрирования магнитных полей элементов магнитной системы, что требует специальных приспособлений, увеличивающих трудоемкость сборки и снижающих технологичность конструкции.

Наиболее близким по технической сущности является вибрационный гироскоп [3 - Патент США №5932804 от 03 августа 1999, МКИ G01P 9/04, НКИ 73/50413 (Пат. GB 2322196)], который содержит заполненный газом герметичный корпус с соединительными контактами (гермовыводами), внутри корпуса установлена гироскопическая система, состоящая из чувствительного элемента - кремниевого резонатора с подвесом и магнитоэлектрическими приводом и датчиком, а также магнитная система в составе магнита и двух магнитопроводов, кольцевого и дискового. В собранном состоянии магнитная система содержит полости, ограниченные поверхностями магнитопроводов и магнита с зазорами, сообщающимися с общей внутренней полостью гироскопа. Кремниевый резонатор сварен с немагнитной (кремниевой или стеклянной) опорой резонатора и вместе с магнитной частью гироскопа установлен на немагнитный элемент, также образуя частично замкнутую полость между нижней (по рисунку прототипа) поверхностью кремниевого резонатора и верхней поверхностью немагнитного элемента.

Недостатки данного вибрационного гироскопа заключаются в следующем. Во-первых, наличие зазоров между поверхностями элементов магнитной системы и гироскопической системы, усложняет выставку и симметрирование верхнего магнитопровода относительно кольцевого резонатора. Во-вторых, внутренние полости, образованные поверхностями элементов магнитной системы и поверхностями кремниевого резонатора и немагнитного элемента и служащие источником интенсивного газовыделения, ухудшают условия откачки воздуха из зазоров и процесс обезгаживания, а это снижает технологичность изготовления и влияет на характеристики гироскопа.

Герметичный корпус в описании условно показан цельным, не содержащим составных частей. Хотя в действительности корпус должен иметь как минимум две детали: основание (или корпус) с размещенными на ней элементами, составляющими гироскопическую часть прибора и крышку, которые на заключительном этапе сборки должны быть состыкованы и загерметизированы, например сваркой или пайкой, как более дешевым методом.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении технологичности изготовления гироскопа.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в вибрационном вакуумном микрогироскопе, содержащем основание с металлостеклянными гермовыводами и размещенные на основании немагнитную подложку, гироскопическую систему в составе кремниевого резонатора и опоры резонатора, магнитную систему с входящими в нее магнитом и верхним и нижним магнитопроводами, крышку с отбортовкой, магнитная система содержит немагнитное центрирующее кольцо, установленное на магните, верхний магнитопровод установлен по посадке на немагнитное центрирующее кольцо, опора кремниевого резонатора установлена на немагнитную подложку по посадке с нижним магнитопроводом, при этом поверхности магнита, центрирующего кольца, нижнего и верхнего магнитопроводов, немагнитной подложки, кремниевого резонатора и опоры резонатора собраны без образования внутренних полостей.

На фиг.1 представлен общий вид гироскопа, на фиг.2 показан вид гироскопической системы, на фиг.3 показан вид магнитной системы.

В вибрационном вакуумном гироскопе (фиг.1) на основании 1 с металлостеклянными гермовыводами 2 установлена немагнитная подложка 3 и соединена с основанием 1, например, с помощью сварки или клеевого соединения. Соединение элементов гироскопической и магнитной систем в блоки, а также соединение полученных блоков с основанием (или «посадка в корпус») может быть выполнено несколькими способами, в зависимости от конкретных требований: диффузионной или анодной сваркой, эвтектической пайкой или склеиванием. Конкретный способ соединения в данном изобретении не рассматривается.

Гироскопическая система в составе соединенных между собой кольцевого кремниевого резонатора 6 и опоры 7, установлена на немагнитную подложку 3 соосно с центрирующим кольцом 11 и соединена с немагнитной подложкой 3. Размеры опоры резонатора 7 и немагнитной подложки 3 рассчитаны на исключение образования внутренних полостей (фиг.2).

Магнитная система образована блоком в составе магнита 8, нижнего магнитопровода 9, верхнего магнитопровода 10 и центрирующего кольца 11. Центрирующее кольцо 11 должно быть выполнено из немагнитного материала.

Магнит 8 соединен с нижним магнитопроводом 9 и центрирующим кольцом 11 в отдельный сборочный блок. Этот сборочный блок установлен на немагнитную подложку 3 и соединен с ней. Конструкция и размеры магнитопровода 9 и опоры резонатора 7 рассчитаны на исключение образования внутренних полостей. Верхний магнитопровод 10 выполнен цилиндрическим с кольцевой проточкой по внешнему диаметру и установлен на магнит 8 до упора в осевом направлении и в радиальном направлении по скользящей посадке на центрирующее кольцо 11. Центрирующее кольцо 11 предназначено для прецизионного позиционирования магнитопровода 10 в радиальном направлении (фиг.3) и обеспечивает симметричное и строго фиксированное положение магнитопровода 10 относительно кольца резонатора 6, исключающее его смещение в радиальном направлении. Кроме того, размеры центрирующего кольца 11 согласованы с размерами верхнего магнитопровода 10 и магнита 8 таким образом, что исключено образование закрытых внутренних полостей.

Собранный и выставленный верхний магнитопровод 10 соединяют с блоком магнитной системы после балансировки и проверки параметров гироскопа.

Коммутация между контактными площадками на кремниевом резонаторе 6 и гермовыводами 2 выполнена соединительными проводниками 12.

Основание 1 закрыто крышкой 4 и гироскоп загерметизирован по отбортовке под сварку 5 с помощью шовной лазерной сварки в вакууме.

Необходимость применения в конструкции микрогироскопа центрирующего кольца 11 обусловлена следующими факторами. Исследования магнитной системы микрогироскопа и, в частности, компьютерное моделирование методом конечных элементов характера изменения параметров магнитного поля свидетельствует о неравномерности магнитной индукции в рабочем зазоре, минимальный градиент которой наблюдается в центральной области рабочего зазора. Протяженность этой области b составляет от 0,2 до 0,3 от толщины а цилиндрической части верхнего магнитопровода 10, т.е. b ≈ (0,2 - 0,3)·а.

Центрирующее кольцо 11 позволяет установить верхний магнитопровод 10 соосно с осью кольца резонатора 6, таким образом, чтобы центральная область рабочего зазора b с минимальным градиентом магнитной индукции находилась над кольцом резонатора 6. В результате магнитное поле, образованное магнитом 8, нижним 9 и верхним 10 магнитопроводами и перпендикулярное плоскости кольца резонатора 6, концентрируется своей центральной частью в области b с минимальным градиентом магнитной индукции на кольце резонатора 6, что увеличивает полезный сигнал и снижает шумы, вызванные движением токопроводящих дорожек на упругих элементах резонатора 6.

Кроме этого, наличие немагнитного центрирующего кольца 11 позволяет производить многократную сборку и разборку магнитной системы (что необходимо при балансировке резонатора), сохраняя симметричность магнитной системы и кольца резонатора без применения сложных приспособлений, повышая технологичность конструкции гироскопа.

Заявленный микрогироскоп является вакуумным прибором, внутренние поверхности составляющих деталей которого подвергаются обезгаживанию с последующим вакуумированием прибора. Наличие внутренних полостей, а тем более, изолированных от общего пространства прибора, не только увеличивает продолжительность обезгаживания, но и не позволяет обезгазить с требуемым качеством. Отсутствие закрытых полостей в данной конструкции обеспечивает качественное обезгаживание и вакуумирование гироскопа.

Микрогироскоп работает следующим образом. С помощью магнитоэлектрических датчиков возбуждаются колебания резонатора 6 на резонансной (основной) частоте. При наличии угловой скорости вокруг вертикальной оси кольца резонатора 6 возникает вторая мода колебаний, повернутая на 45 градусов относительно первой. Амплитуда колебаний второй моды пропорциональна угловой скорости и измеряется с помощью датчиков съема. Симметрирование магнитной системы, при которой кольцевой резонатор 6 располагается в центральной области рабочего зазора b с минимальным градиентом магнитной индукции, позволяет оптимизировать резонансные характеристики, снижает разночастотность и разнодобротность по модам колебаний, обеспечивает требуемую крутизну выходного сигнала.

Предлагаемая конструкция вибрационного вакуумного гироскопа технологична и обеспечивает снижение трудоемкости изготовления.

Источники информации

1. Европейский патент №0141621 А2 от 25.10.84 г., G01C 19/56.

2. Бритков О.М. Разработка конструкций и технологий изготовления микроэлектромеханических приборов в герметичном исполнении. Автореферат на соискание ученой степени к.т.н., М., МИЭМ, 2009 г., с.25-26, 34 с.

3. Патент США №5932804 от 03 августа 1999, МКИ G01P/04, НКИ 73/504.13 (Пат. GB 2322196).

Вибрационный вакуумный микрогироскоп, содержащий основание с металлостеклянными гермовыводами и размещенные на основании немагнитную подложку, гироскопическую систему в составе кремниевого резонатора и опоры резонатора, магнитную систему с входящими в нее магнитом и верхним и нижним магнитопроводами, крышку с отбортовкой, отличающийся тем, что магнитная система содержит немагнитное центрирующее кольцо, установленное на магните, верхний магнитопрод установлен по посадке на немагнитное центрирующее кольцо, опора кремниевого резонатора установлена на немагнитную подложку по посадке с нижним магнитопроводом, при этом поверхности магнита, центрирующего кольца, нижнего и верхнего магнитопроводов, немагнитной подложки, кремниевого резонатора и опоры резонатора собраны без образования внутренних полостей.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к сенсорам физико-химических или биохимических воздействий, в частности к области инфракрасной техники, а именно к преобразователям теплового излучения в электрический сигнал.

Изобретение относится к гироскопическим системам, которые основаны на использовании вибрационных гироскопов. В гироскопической системе, содержащей по меньшей мере четыре вибрационных гироскопа, первое измерение обеспечивается вибрационным гироскопом, подлежащим калибровке, и второе измерение обеспечивается комбинацией измерений из других вибрационных гироскопов системы.

Изобретение относится к вибрационным гироскопам. Гироскопическая система содержит по меньшей мере четыре вибрационных гироскопа, выполненных с возможностью изменения положения вибрации.

Изобретение относится к навигации и может быть использовано, например, в качестве компаса и для определения севера. Способ определения курса осуществляется с помощью инерциального устройства (1), содержащего, как минимум, один вибрационный угловой датчик (3) с резонатором, связанным с детекторным устройством и устройством для ввода данного резонатора в состояние вибрации, соединенными с управляющим устройством, служащим для обеспечения первого режима работы, при котором вибрация может свободно изменяться в угловой системе координат резонатора, и второго режима работы, при котором поддерживается определенный угол колебаний вибратора в системе координат резонатора.

Изобретение относится к полусферическому резонатору, являющемуся элементом вибродачика угловой скорости. Полусферический резонатор (7) содержит колоколообразный элемент (4), закрепленный на основе (3), которая несет основные электроды (2), обращенные к кольцевому ободу (6.2) колоколообразного элемента, и, по меньшей мере, один охранный электрод (1), располагаемый рядом с основными электродами (2).

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в приборах навигационных систем. Устройство содержит чувствительный элемент, выполненный в виде диска, на котором на верхней поверхности нанесено восемь проводящих электродов-секторов, а на нижней выполнен сплошной электрод.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в гиродатчиках. .

Изобретение относится к области измерительной техники и интегральной электроники, а именно к интегральным измерительным элементам величины угловой скорости. .

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в навигационно-пилотажных системах летательных аппаратов. .

Изобретение относится к области микромеханики, в частности к микромеханическим гироскопам вибрационного типа. .

Изобретение относится к твердотельным волновым гироскопам (ТВГ), которые используются для определения угловых перемещений в составе блоков навигационных устройств наземной, морской, авиационной и космической техники. Способ возбуждения колебаний в чувствительном элементе ТВГ заключается в том, что для первоначального возбуждения и/или корректировки колебаний на рабочей и/или околорабочей частоте чувствительного элемента используются электромагниты (электромагнитные преобразователи), а для поддержания и/или корректировки колебаний на рабочей частоте используют электроды конденсаторов (электростатические преобразователи). Изобретение позволяет повысить точность измерений угла поворота и угловой скорости объектов. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к твердотельным волновым гироскопам (ТВГ), которые используются для определения угловых перемещений в составе блоков навигационных устройств наземной и авиационно-космической техники. Резонатор ТВГ можно рассматривать как тонкий упругий цилиндр, имеющий возможность совершать изгибные колебания в своей плоскости. Поведение цилиндрической оболочки в краевой области компенсируется использованием кольцевого цилиндрического элемента в резонаторе. Применение кольцевого цилиндрического элемента в конструкции цилиндрического резонатора способствует увеличению стабильности волновой картины в зависимости от выбранного варианта его расположения. 3 н. и 41 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано при проведении сейсморазведочных работ. Предложен способ сейсмических исследований, а также устройство и система для его осуществления. Способ предполагает возможность приема данных движения частиц и скорости вращения. Данные скорости движения частиц используются для получения характеристик волнового поля, а данные скорости вращения предназначены для отображения характеристик градиента волнового поля. Устройство включает в себя расстановку сейсмических сенсорных блоков, которые выполнены с возможностью осуществления измерений в связи с сейсмической разведкой, производимой на поверхности. Каждый сейсмический сенсорный блок включает в себя датчик движения частиц и датчик вращения. По найденным значениям характеристик волнового поля и градиента волнового поля строится изображение исследуемой геологической среды. Технический результат - повышение точности разведочных данных. 4 н. и 14 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение может быть использовано при производстве навигационных приборов. Способ балансировки металлического зубчатого резонатора волнового твердотельного гироскопа заключается в том, что измеряют параметры неуравновешенной массы, рассчитывают массу, подлежащую удалению с каждого балансировочного зубца, и удаляют неуравновешенную массу с поверхности балансировочных зубцов путем электрохимического растворения, при этом каждый зубец погружают в отдельную ванну с электролитом и через поверхность каждого зубца пропускают заранее рассчитанный электрический заряд, величину которого регулируют временем пропускания постоянного тока. Изобретение позволяет довести точность удаления массы с балансировочного зубца до 0.01-0.1%. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к вибрационным датчикам гироскопического типа. Резонатор (3)датчика содержит корпус из материала на основе кремния с по меньшей мере одной резонансной частью (Z), имеющей по меньшей мере один участок, покрытый электропроводящим слоем, и по меньшей мере один участок, не покрытый проводящим слоем. Участок, не покрытый электропроводящим слоем, покрыт защитным слоем (10) таким образом, что в резонансной части материал на основе кремния полностью покрыт комбинацией электропроводящего и защитного слоев. Изобретение позволяет улучшить рабочие характеристики датчика. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к вибрационным гироскопам. Гироскопическая система производит измерения при помощи вибрационного гироскопа, который вибрирует в первом положении вибрации и передает сигнал измерений. На вибрационный гироскоп в течение некоторого временного периода подают периодический управляющий сигнал, обеспечивающий поворот геометрического положения вибрации в первом направлении в течение части временного периода с переходом от первого ко второму положению в соответствии с первым скоростным профилем, поворот геометрического положения вибрации во втором направлении, противоположном первому направлению, в течение оставшейся части временного периода с переходом от второго к первому положению в соответствии со вторым скоростным профилем. Скоростные профили задают изменения скорости изменения положения. Формируют результаты измерений, произведенных системой, на основе скорректированного сигнала, полученного путем вычитания управляющего сигнала из сигнала измерений гироскопа. Изобретение обеспечивает повышение точности измерений. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области микромеханики, в частности к микромеханическим гироскопам (ММГ) вибрационного типа, в которых для повышения точности используется термокомпенсация. Устройство содержит чувствительный элемент (ЧЭ) с резонансным подвесом инерционной массы, электроды, расположенные по двум ортогональным осям вокруг инерционной массы, электронный блок, включающий в себя последовательно соединенные первый преобразователь емкость-напряжение, блок автоматического регулирования усиления (АРУ), усилитель, и последовательно включенные второй преобразователь емкость-напряжение, демодулятор, имеющий первый и второй входы и выход, блок температурной коррекции, первый вход блока температурной коррекции соединен с выходом демодулятора, второй вход блока температурной коррекции соединен с выходом блока АРУ. Достигаемый технический эффект - повышение точности ММГ за счет того, что для компенсации влияния изменений температуры на ММГ измеряется по существу температура именно ЧЭ. Это измерение производится косвенным методом путем определения добротности Q, которая имеет монотонную зависимость от температуры. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к гироскопическому датчику (2), содержащему: чувствительный элемент (4), выполненный с возможностью вибрирования; электрододержатель (8), способный поддерживать электроды (20) возбуждения/обнаружения для возбуждения чувствительного элемента (4) и обнаружения вибрации чувствительного элемента (4); и элементы (10, 16) для установки электрододержателя (8); характеризующийся тем, что поддерживающие элементы (10, 16) содержат основание (10), выполненное из материала, имеющего плотность менее чем 5 кг/дм3, и квадратный корень отношения модуля Юнга, деленного на указанную выше плотность больше чем 9 ГПа1/2дм3/2/кг-1/2. Техническим результатом является повышение точности измерений и снижение влияния паразитного вибрационного режима за счет оптимизации технических параметров. 15 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и представляет собой твердотельный волновой гироскоп. Гироскоп имеет вакуумируемый корпус в виде полусферической оболочки с равномерной толщиной, на внешней стороне которого размещены три установочно-закрепительных элемента, разнесенных относительно друг друга на 120°, а на внутренней - три конусных сегментных элемента, смещенных на 60° относительно установочно-закрепительных элементов, для установки комбинированной информационно-возбудительной платы с использованием кольцевой разрезной пружины. Резонатор гироскопа имеет переменную толщину стенки полусферической оболочки. В сферической части комбинированной платы сформированы электроды съема информации и электроды управления. В полости платы расположен геттерный насос. Электроды съема соединяются в пары на монтажной плате, имеющей коаксиальные разъемы для электрической связи с предварительными усилителями, между монтажной платой и платой с предварительными усилителями расположен теплозащитный экран. Для электрической связи электродов съема и электродов управления с внешней электроникой гироскоп имеет два разъема. Цифровая внешняя электронная система управляет вибрационным состоянием резонатора. Техническим результатом является улучшение технико-эксплуатационных качеств гироскопа. 9 ил.

Изобретение относится к акустоэлектронным приборам, предназначенным для преобразования угловой скорости вращения основания в электрический сигнал. Микроакустомеханический гироскоп содержит основание, структуру инерционных масс, размещенных в шахматном порядке, пьезоэлектрические преобразователи и измерительные ВШП суммарного поля ПАВ от регулярной структуры инерционных масс. На внешней поверхности несущего основания нанесена тонкая пленка из пьезоэлектрика с установленными на ней регулярной структурой инерционных масс и измерительными ВШП для каждого из направлений вращения. При этом измерительные ВШП размещены симметрично относительно положения регулярной структуры инерционных масс и перпендикулярно осям вращения несущего основания. На внутренней поверхности несущего основания выполнен трапецеидальный выступ, большее основание которого обращено в сторону внешней поверхности несущего основания, активные пьезоэлектрические преобразователи установлены симметрично друг другу на боковых поверхностях трапецеидального выступа. Технический результат заключается в обеспечении преобразования угловых скоростей вращения несущего основания в электрические сигналы одновременно относительно двух осей вращения. 2 ил.
Наверх