Вибрационный гироскоп и способ его изготовления

Авторы патента:


Вибрационный гироскоп и способ его изготовления
Вибрационный гироскоп и способ его изготовления
Вибрационный гироскоп и способ его изготовления
Вибрационный гироскоп и способ его изготовления
Вибрационный гироскоп и способ его изготовления
Вибрационный гироскоп и способ его изготовления
Вибрационный гироскоп и способ его изготовления
Вибрационный гироскоп и способ его изготовления
Вибрационный гироскоп и способ его изготовления

 


Владельцы патента RU 2547661:

САГЕМ ДЕФЕНС СЕКЬЮРИТЕ (FR)

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано, например, в системах ориентации и навигации летательных аппаратов. Технический результат - повышение надежности. Для этого гироскоп (1) содержит основание (2), резонатор (3), имеющий корпус (4), по существу, цилиндрической формы, заканчивающийся со стороны, противоположной основанию (2), дистальным торцом (5), в котором выполнено по меньшей мере одно сквозное отверстие (13), множество пьезоэлектрических элементов (10), контактирующих с резонатором (3), модули (18) управления/обработки установленные, по меньшей мере частично, в основании (2), и по меньшей мере один соединительный проводник (15), проходящий через указанное отверстие (13) в корпусе (4) резонатора (3) и электрически соединяющий указанные модули (18) и пьезоэлектрические элементы (10) для управления вибрацией резонатора (3) и измерения вибрационных сигналов. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к вибрационным гироскопам и способам изготовления таких гироскопов.

Уровень техники

Вибрационные гироскопы в настоящее время используются в различных областях, в первую очередь, благодаря их прочности, уменьшенному расходу электроэнергии и быстрой работе.

Известные гироскопы содержат резонатор, который может иметь различную форму, например форму колокола или камертона.

Более конкретно, изобретение относится к резонаторам, имеющим корпус, по существу, цилиндрической формы.

Ось z обычно соответствует оси цилиндра, а оси x и y лежат в плоскости, перпендикулярной оси z.

Известно, что такой резонатор при вибрации деформируется преимущественно эллиптически с четырьмя вибрационными пучностями, равномерно распределенными по окружности цилиндра в плоскости x, y. Первая вибрационная мода 53, 57 резонатора представлена на фиг.1 для двух определенных моментов относительно состояния 54 покоя. Резонатор проходит от эллипса 53 к эллипсу 57 в конце полупериода, но это все еще та же вибрационная мода.

Любое вращение гироскопа вокруг оси z приводит к возникновению силы Кориолиса, которая вызывает смещение во вращении вибрационных пучностей относительно окружности цилиндра. Пьезоэлектрические детектирующие элементы, расположенные на уровне вибрационных пучностей, измеряют сигнал, изменения которого характеризуют угловую скорость вращения и/или угол поворота вокруг оси z.

В качестве иллюстрации на фиг.1 показано, что вращение резонатора вызывает вторичные вибрации в форме эллиптической моды 52, 58, для которой главные оси x1, y1 расположены под углом 45° к осям x, y. Вибрация проходит от эллипса 52 к эллипсу 58 в конце полупериода.

Сигнал, измеренный пьезоэлектрическими детектирующими элементами на уровне этих осей, определяет, главным образом, угловую скорость вращения.

Обычно гироскопы содержат четыре пьезоэлектрических детектирующих элемента для поддержания вибрации указанного резонатора и четыре других пьезоэлектрических элемента для измерения вибрационных сигналов резонатора. Эти восемь элементов наиболее часто равномерно распределены по резонатору (четыре на осях x, y и четыре на осях x1, y1).

Однако известные на сегодняшний день гироскопы с цилиндрическим резонатором имеют общий недостаток, заключающийся в недостаточной компактности и сложности изготовления. Кроме того, они крайне чувствительны к вибрациям окружающей среды.

Таким образом, ощущается потребность в разработке решения, которое усовершенствует устройства, известные из уровня техники.

Раскрытие изобретения

Для этой цели согласно изобретению предлагается вибрационный гироскоп, содержащий основание, резонатор, имеющий корпус, по существу, цилиндрической формы, заканчивающийся со стороны, противоположной основанию, дистальным торцом, причем в указанном торце выполнено по меньшей мере одно сквозное отверстие, множество пьезоэлектрических элементов, контактирующих с резонатором, модули управления вибрацией и обработки вибрационных сигналов (далее - модули управления/обработки), установленные, по меньшей мере частично, в основании, и по меньшей мере один соединительный проводник, проходящий через указанное отверстие в корпусе резонатора и электрически соединяющий указанные модули и пьезоэлектрические элементы для осуществления управления вибрацией резонатора и измерения вибрационных сигналов.

Изобретение предпочтительно дополняется, по отдельности или в любой технически возможной комбинации, следующими признаками:

- в указанном торце выполнено множество отверстий, расположенных по его окружности, а гироскоп дополнительно содержит множество соединительных проводников, проходящих по меньшей мере через одно подмножество указанных отверстий для обеспечения электрического соединения указанных модулей с множеством пьезоэлектрических элементов;

- отверстия расположены, по существу, равномерно по окружности торца, а пьезоэлектрические элементы расположены между указанными отверстиями;

- гироскоп содержит плату соединений, соединяющую множество соединительных проводников и связанную с пьезоэлектрическими элементами;

- гироскоп содержит соединительную стойку, расположенную между резонатором и основанием, причем указанная соединительная стойка расположена на уровне продолжения центрального отверстия торца резонатора;

- модули управления/обработки и пьезоэлектрические элементы соединены по меньшей мере одним соединительным проводником, проходящим через соединительную стойку;

- часть пьезоэлектрических элементов выполнена с возможностью детектирования вибраций резонатора, а другая их часть выполнена с возможностью возбуждения указанных вибраций;

- каждый пьезоэлектрический элемент одновременно содержит подэлемент, выполненный с возможностью детектирования вибраций резонатора, и подэлемент, выполненный с возможностью возбуждения указанных вибраций;

- резонатор выполнен с возможностью вибрации согласно первой вибрационной моде, имеющей пучности, распределенные по двум осям, и второй вибрационной моде, имеющей пучности, распределенные по двум другим осям, причем торец резонатора на каждой оси первой и второй вибрационных мод имеет два пьезоэлектрических элемента, и каждый пьезоэлектрический элемент одновременно содержит по меньшей мере один пьезоэлектрический подэлемент, выполненный с возможностью возбуждения вибраций резонатора, и по меньшей мере один пьезоэлектрический подэлемент, выполненный с возможностью детектирования вибраций резонатора.

Согласно изобретению предлагается также способ изготовления вибрационного гироскопа, включающий этапы обеспечения наличия основания, формирования резонатора, имеющего корпус, по существу, цилиндрической формы, заканчивающийся со стороны, противоположной основанию, дистальным торцом, в котором выполнено по меньшей мере одно сквозное отверстие, размещение, в контакте с резонатором, множества пьезоэлектрических элементов, механического монтажа резонатора на основании, размещения в основании модулей управления вибрацией и обработки вибрационных сигналов и обеспечения, для осуществления управления вибрацией резонатора и измерения вибрационных сигналов, электрического соединения указанных модулей и множества пьезоэлектрических элементов посредством по меньшей мере одного соединительного проводника, проходящего через указанное отверстие в корпусе резонатора.

Изобретение имеет многочисленные преимущества.

Преимуществом изобретения является получение более компактного гироскопа.

Преимуществом изобретения является получение вибрационного гироскопа с меньшей угловой производной.

Другим преимуществом изобретения является получение более простого в изготовлении гироскопа.

Еще одним преимуществом изобретения является получение гироскопа, характеризующегося меньшими производственными затратами.

Наконец, преимуществом изобретения является получение гироскопа, менее чувствительного к вибрациям окружающей среды.

Краткое описание графических материалов

Остальные признаки, цели и преимущества предлагаемого изобретения станут ясны из представленного ниже описания, которое является чисто иллюстративным, т.е. не вносящим ограничений, и поясняется прилагаемыми чертежами.

На фиг.1, как уже было указано, проиллюстрированы вибрационные моды гироскопа с цилиндрическим резонатором.

На фиг.2 представлен вариант гироскопа согласно изобретению.

На фиг.3 представлено вариант основания гироскопа согласно изобретению.

На фиг.4 представлен другой вариант резонатора гироскопа согласно изобретению.

На фиг.5 представлен вариант резонатора, имеющего пьезоэлектрический элемент согласно изобретению.

На фиг.6 представлен другой вариант вибрационного гироскопа согласно изобретению.

На фиг.7 схематично представлены этапы процесса изготовления согласно изобретению.

На фиг.8 представлен вариант схемы обработки вибрационных сигналов согласно изобретению.

На фиг.9 представлен вариант схемы управления резонатором и обработки вибрационных сигналов.

Осуществление изобретения

На фиг.2 представлен вариант вибрационного гироскопа 1 согласно изобретению.

Гироскоп 1 содержит основание 2, служащее в качестве пьедестала. Гироскоп 1 содержит также определенное количество модулей 18 управления/обработки, описанных ниже и расположенных, по меньшей мере частично, в основании 2. В общем случае эти модули 18 расположены на электронной плате управления, интегрированной в нижнюю часть основания 2, и закрыты защитной крышкой.

Гироскоп 1 содержит также резонатор 3. Этот резонатор 3 имеет корпус 4, по существу, цилиндрической формы, заканчивающийся со стороны, противоположной основанию 2, дистальным торцом 5.

Резонатор 3 предпочтительно выполнен металлическим.

В торце 5 выполнено по меньшей мере одно сквозное отверстие 13. В варианте по фиг.2 в торце 5 выполнено множество отверстий 13.

Гироскоп 1 содержит также множество пьезоэлектрических элементов 10, контактирующих с резонатором 3. Предпочтительно эти пьезоэлектрические элементы 10 расположены на торце 5 снаружи резонатора 3. Пьезоэлектрические элементы 10 предназначены для измерения и поддержания вибраций резонатора 3. Это, по существу, пьезоэлектрические электроды.

В качестве пьезоэлектрического материала известно, например, использование цирконата-титаната свинца.

Гироскоп 1 имеет по меньшей мере один соединительный проводник 15, проходящий во внутреннюю часть корпуса резонатора 3 через указанное отверстие 13 и электрически соединяющий указанные модули 18 с множеством пьезоэлектрических элементов 10 для осуществления управления вибрацией резонатора 3 и измерения вибрационных сигналов. Эти соединения могут осуществляться через плату 20 соединений, действующую в качестве интерфейса между соединениями 15 и пьезоэлектрическими элементами 10.

Как уже было указано, такая конфигурация обеспечивает создание весьма компактного гироскопа, поскольку электрические соединения между модулями 18 управления/обработки и пьезоэлектрическими элементами 10 выполнены внутри корпуса резонатора 3 благодаря по меньшей мере одному специальному отверстию 13 в торце 5 резонатора 3 напротив основания 2.

Предпочтительно выполнить в торце 5 множество сквозных отверстий 13, расположенных по его окружности, как это показано на фиг.2 и 4.

В этом случае гироскоп 1 содержит также множество соединительных проводников 15, проходящих по меньшей мере через одно подмножество указанных отверстий 13 для электрического соединения модулей 18 и множества пьезоэлектрических элементов 10.

Остальные отверстия могут быть использованы для ввода механических звеньев, например стержней 22, служащих для обеспечения механической связи платы 20 соединений с основанием 2.

Отверстия 13 предпочтительно расположены, по существу, равномерно по окружности торца 5, т.е. с постоянным или квазипостоянным угловым смещением.

В этом случае предпочтительно расположить пьезоэлектрические элементы 10 между указанными отверстиями.

Предпочтительно отверстия 13 имеют форму дисков, вырезанных в торце 5 описанного ранее резонатора.

Резонатор предпочтительно имеет центральное отверстие, выполненное в центре торца 5 и продолженное соединительной стойкой 21, расположенной между резонатором 3 и основанием 2. Эта соединительная стойка может иметь различные функции, в частности обеспечивать механическое соединение между резонатором и основанием и/или обеспечивать канал для соединительных проводников между модулями управления/обработки и пьезоэлектрическими элементами. Стойка расположена внутри корпуса резонатора.

В основании 2 предпочтительно выполнен паз, по форме соответствующий стойке 21, которая может быть введена в него для обеспечения механического соединения резонатора и основания.

В общем случае гироскоп 1 содержит плату 20 соединений, связывающую множество соединительных проводников 15 и пьезоэлектрических элементов 10.

Эта плата 20 соединений используется для передачи информации или команд, посылаемых модулями 18 управления/обработки пьезоэлектрическим элементам или наоборот.

В типичном варианте часть пьезоэлектрических элементов 10 выполнена с возможностью возбуждения вибраций резонатора, а другая их часть выполнена с возможностью детектирования этих вибраций.

Например, могут быть использованы восемь пьезоэлектрических элементов, расположенных равномерно на торце 5 резонатора 3, причем четыре из указанных элементов предназначены для детектирования вибраций, а другие четыре - для возбуждения резонатора.

Альтернативно, как показано на фиг.5, каждый пьезоэлектрический элемент 10 одновременно содержит пьезоэлектрический подэлемент 23, выполненный с возможностью возбуждения вибраций резонатора, и подэлемент 24, выполненный с возможностью детектирования вибраций резонатора. В общем случае подэлементы 23, 24 расположены рядом с каждым пьезоэлектрическим элементом 10 или примыкают к нему.

Предпочтительно подэлементы 23, 24 одного пьезоэлектрического элемента 10 расположены на одном радиусе торца 5. По существу, они являются отдельными подэлементами 23, 24, но расположены рядом друг с другом.

В общем случае, подэлементы 23, 24 расположены по двум концентрическим окружностям с разными радиусами.

Они могут быть выполнены как отдельные подэлементы, расположенные рядом друг с другом, или как смежные зоны одного пьезоэлектрического элемента.

В общем случае они представляют собой прямоугольные пластинки с двумя металлизированными поверхностями, причем одна из поверхностей приклеена или припаяна к торцу резонатора, образующему землю.

Как было изложено ранее, резонатор выполнен с возможностью вибрации согласно первой вибрационной моде, имеющей пучности, распределенные по двум осям, и второй вибрационной моде, имеющей пучности, распределенные по двум другим осям. Эти моды являются эллиптическими вибрационными модами.

Предпочтительно на торце резонатора, на каждой оси первой и второй вибрационных мод, находятся два пьезоэлектрических элемента 10, причем каждый пьезоэлектрический элемент 10 одновременно содержит по меньшей мере один пьезоэлектрический подэлемент 23, выполненный с возможностью возбуждения вибраций резонатора, и по меньшей мере один пьезоэлектрический подэлемент 24, выполненный с возможностью детектирования вибраций резонатора.

При таком выполнении имеются по меньшей мере шестнадцать пьезоэлектрических подэлементов. Количество пьезоэлектрических подэлементов может быть ограничено шестнадцатью при восьми элементах 10, каждый из которых содержит по два подэлемента 23, 24.

Как будет разъяснено ниже, это является основным преимуществом в отношении уменьшения паразитных мод, появляющихся в резонаторе, и увеличения количества точек управления вибрациями и их измерения.

В общем случае гироскоп имеет также защитную крышку (на фиг.1-5 не показана) для удержания вакуума, создаваемого под указанной крышкой, и защиты сборки, состоящей из резонатора и основания. Крышка выполнена, например, колоколообразной или цилиндрической.

Как показано на фиг.6, торец 5 имеет центральное отверстие 13. Резонатор имеет также соединительную стойку 21, расположенную между резонатором 3 и основанием 2 на уровне продолжения центрального отверстия 13. Стойка находится внутри корпуса резонатора.

Стойка 21 обеспечивает возможность проведения через нее по меньшей мере одного соединительного проводника 15, обеспечивающего электрическое соединение между модулями 18 управления/обработки, расположенными в основании 2, и пьезоэлектрическими элементами и/или подэлементами. Стойка 21 обеспечивает также механическое соединение между резонатором 3 и основанием 2, в частности, благодаря пазу 35 соответствующей формы в основании 2.

В результате может быть изготовлен весьма компактный гироскоп.

Кроме того, как было указано ранее, возможно выполнение дополнительных отверстий 13 в торце 5.

Как было описано ранее, изобретение относится также к способу изготовления гироскопа 1. Способ, проиллюстрированный на фиг.7, включает следующие этапы:

- обеспечение основания 2 (этап E1),

- формирование резонатора 3, имеющего корпус 4, по существу, цилиндрической формы, заканчивающийся со стороны, противоположной основанию 2, дистальным торцом 5, причем в указанном торце выполнено по меньшей мере одно сквозное отверстие 13 (этап E2),

- размещение, в контакте с резонатором 3, предпочтительно на торце 5, множества пьезоэлектрических элементов 10 (этап E3),

- механический монтаж резонатора 3 на основании 2 (этап E4),

- размещение, по меньшей мере частично, модулей 18 управления/обработки в основании 2 (этап E5) и

- обеспечение, для осуществления управления вибрацией резонатора 3 и измерения вибрационных сигналов, электрического соединения указанных модулей 18 и множества пьезоэлектрических элементов 10 посредством по меньшей мере одного соединительного проводника 15, проходящего по меньшей мере через одно отверстие 13 в корпусе 4 резонатора 3 (этап E6).

В общем случае резонатор 3 зафиксирован на основании 2 посредством пайки.

Способ также включает этап дегазации и этап герметизации, осуществляемый, в типичном случае, с помощью защитной крышки, закрывающей гироскоп.

Благодаря способу согласно изобретению гироскоп гораздо проще изготовить, особенно в отношении обеспечения электрических соединений, которые могут быть, например, обеспечены путем связывания пьезоэлектрических элементов 10 и платы 20 соединений.

На фиг.8 иллюстрируется управление вибрацией и обработка вибрационных сигналов согласно изобретению.

По существу, это обеспечивается за счет использования модулей 18 управления/обработки, по меньшей мере частично расположенных в основании 2. Конечно, часть модулей 18 может быть расположена вне гироскопа 1, например на электронной плате, расположенной около гироскопа 1.

В общем случае модули 18 управления/обработки в совокупности с пьезоэлектрическими элементами 10 предназначены для поддержания вибраций резонатора и измерения вибраций, возникших в резонаторе. Более конкретно они содержат один или несколько генераторов электрических сигналов и электрические модули, такие как усилители, фильтры, умножители, сумматоры, вычитатели и т.п.

Модули 18 предназначены для обработки измеренного сигнала с целью определения по нему угла вращения и/или скорости вращения вокруг оси z цилиндрического корпуса резонатора 3.

При этом модули 18 одновременно образуют цепь возбуждения вибраций и цепь детектирования/обработки.

В общем случае цепь возбуждения является замкнутым контуром для возбуждения вибраций резонатора с постоянной амплитудой и формирования импульса, соответствующего импульсу основной вибрационной моде.

Ясно, что возможны различные воплощения указанных модулей. Управление вибрациями и обработка вибрационных сигналов резонатора в форме цилиндра широко известны из уровня техники. Возможны различные варианты исполнения, например: вариант гирометра с открытым контуром, вариант гирометра с замкнутым контуром, вариант гироскопа.

На фиг.8 поясняется, как происходят управление и обработка в режиме гирометра с замкнутым контуром.

Гироскоп содержит восемь пьезоэлектрических элементов 10, расположенных между отверстиями в торце 5 резонатора 3. Эти элементы предпочтительно выполнены в форме прямоугольных пластинок, равномерно распределенных по окружности торца 5 резонатора.

Генератор 25 электрических сигналов возбуждает пьезоэлектрические элементы 10a, 10e, расположенные на уровне первой оси пучностей первой вибрационной моды резонаторов (оси x).

Измерительный блок 26 принимает сигналы, измеренные пьезоэлектрическими элементами 10c, 10g, расположенными на уровне второй оси пучностей первой вибрационной моды резонатора (оси y).

Измерительный блок 26 сравнивает амплитуду первой вибрационной моды с установленным (заданным) значением и передает на генератор 25 сигнал, соответствующий отклонению от этого установленного значения для изменения значения сигнала возбуждения вибраций и обеспечения тем самым режима следящего регулирования амплитуды.

Вращение резонатора вызывает возникновение второй вибрационной моды 52, для которой главные оси x1, y1 расположены под углом 45° к осям x, y.

Измерительный блок 27 принимает сигналы, измеренные пьезоэлектрическими элементами 10b, 10f, расположенными на уровне первой оси пучностей второй вибрационной моды резонатора (оси x1), расположенной под углом 45° к осям x, y.

При управлении по замкнутому контуру обрабатывающий блок 28 принимает от измерительного блока 27 сигнал, характеризующий амплитуду сигнала, принятого измерительным блоком 27, и определяет по принятому сигналу возбуждающий сигнал, посылаемый на пьезоэлектрические элементы 10d, 10h, расположенные на уровне второй оси пучностей второй вибрационной моды резонатора (оси y1) для сведения к нулю амплитуды сигналов, детектированных измерительным блоком 27. Измерительный блок 27 вырабатывает, на основе этих возбуждающих сигналов, сигнал, характеризующий угловую скорость Ω вращения.

На фиг.9 представлен другой вариант управления вибрацией и обработки вибрационных сигналов резонатора.

Каждый пьезоэлектрический элемент 10 одновременно включает в себя пьезоэлектрический подэлемент 23, обеспечивающий возможность возбуждения вибраций резонатора, и пьезоэлектрический подэлемент 24, обеспечивающий возможность детектирования сигналов резонатора.

Подэлементы 23, 24 предпочтительно выполнены в форме прямоугольных пластинок.

В другом варианте подэлементы 23, 24 могут быть выполнены в форме смежных зон одного элемента 10.

Торец 5 резонатора 3 имеет два пьезоэлектрических элемента 10 на каждой оси первой и второй вибрационной моды, каждый из которых одновременно содержит по меньшей мере один пьезоэлектрический подэлемент 23, обеспечивающий возможность возбуждения вибраций резонатора, и по меньшей мере один пьезоэлектрический подэлемент 24, обеспечивающий возможность детектирования вибраций резонатора. Пьезоэлектрические элементы 10 расположены по каждую сторону от центра торца резонатора.

Таким образом, имеются шестнадцать пьезоэлектрических подэлементов 23, 24, восемь возбуждающих и восемь измерительных.

Такое выполнение позволяет избавиться от паразитных вибрационных мод, которые могут появиться в резонаторе, чего невозможно добиться при наличии только восьми пьезоэлектрических подэлементов.

В общем случае обработка сигналов для каждой вибрационной моды состоит из получения обработанного сигнала, равного сумме результатов измерений пьезоэлектрических подэлементов, расположенных на пучностях, соответствующих амплитудам определенного знака, минус сумма результатов измерений пьезоэлектрических подэлементов, расположенных на пучностях, соответствующих амплитуде противоположного знака, причем указанный обработанный сигнал позволяет избавиться от паразитных вибрационных мод резонатора. Определенный знак амплитуд пучностей (максимумов амплитуд вибраций) соответствует заданному моменту вибрации, поскольку этот знак является переменным во времени.

Конечно, можно обобщить такое выполнение на случай, когда обе (и первая, и вторая) вибрационные моды имеют пучности, распределенные по n осям: в этом случае каждой из n осей соответствуют два пьезоэлектрических элемента 10, содержащих по меньшей мере один возбуждающий подэлемент 23 и по меньшей мере один детектирующий подэлемент 24.

Четыре пьезоэлектрических подэлемента 24a, 24c, 24e и 24g, расположенные по осям x, y пучностей первой вибрационной моды, подают выходные сигналы, пропорциональные смещению резонатора в процессе вибрации. Эти сигналы комбинируются в вычитателе 36 для подачи входного сигнала амплитуды и фазы в цепь 29 следящего регулирования.

Показанная в качестве примера цепь содержит усилитель 30, связанный с умножителем 31 через фильтр 32, управляемый цепью регулирования фазы.

Усиление умножителя 31 контролируется цепью 33 регулирования амплитуды, которая принимает выходной сигнал усилителя 30 и опорный сигнал REF, соответствующий амплитуде, которую нужно поддерживать.

Фильтр 32 (в общем случае активный фильтр) контролируется фазовым компаратором 40, который принимает выходной сигнал усилителя 30 и выходной сигнал цепи, поступающий от умножителя 31. Фазовый компаратор 40 управляет фильтром 32 так, чтобы поддерживать постоянное значение разности фаз, в типичном случае нулевое.

Выходной сигнал цепи 29 воздействует на пьезоэлектрические подэлементы 23а, 23c, 23e, 23g через инвертор 34, меняющий полярность сигналов, приложенных к элементам 23c и 23g.

В режиме гирометра с замкнутым контуром четыре пьезоэлектрических подэлемента 24b, 24d, 24f, 24h выдают сигналы, которые комбинируются в вычитателе 41 и образуют входной сигнал для измерительной цепи 42.

Цепь 42 может иметь конфигурацию известного типа.

Показанная цепь содержит входной усилитель 43, за которым включен синхронный демодулятор 44, принимающий опорный сигнал, образованный выходным сигналом цепи 29.

Демодулированный сигнал подается на низкочастотный фильтр 45, выходной сигнал 46 которого характеризует угловую скорость Ω вращения. Цепь обратной связи в режиме гирометра обеспечивается связью между выходом усилителя 43 и пьезоэлектрическими подэлементами 23b, 23d, 23f, 23h через модулятор 47, усилитель 48 и инвертор 49, изменяющий полярность сигналов, приложенных к подэлементам 23d и 23h.

Вычитатели 36 и 41 и инверторы 34 и 49 могут быть исключены за счет соответствующего ориентирования векторов поляризации пьезоэлектрических пластинок 23, 24 относительно друг друга.

Как было указано выше, изобретение может иметь различные варианты исполнения, особенно в части конструкции модулей 18 управления/обработки, соединенных с механическим резонатором.

Специалисту будет ясно из уровня техники, что описанные выше модули 18 управления/обработки не ограничивают общности изобретения и что возможны их различные реализации и варианты.

Специалисту в соответствующей области ясно также, что гироскоп согласно изобретению более компактен, прост и менее затратен в изготовлении. Кроме того, он имеет меньшую угловую производную, чем гироскопы, известные из уровня техники (около 10°/ч в некоторых случаях). Наконец, изобретение позволяет получить гироскоп, менее чувствительный к вибрациям окружающей среды, что является большим преимуществом.

1. Вибрационный гироскоп (1), содержащий основание (2); резонатор (3), имеющий корпус (4), по существу, цилиндрической формы, заканчивающийся со стороны, противоположной основанию (2), дистальным торцом (5), причем в указанном торце выполнено по меньшей мере одно сквозное отверстие (13); множество пьезоэлектрических элементов (10), контактирующих с резонатором (3); модули (18) управления вибрацией и обработки вибрационных сигналов, установленные, по меньшей мере частично, в основании (2); и по меньшей мере один соединительный проводник (15), проходящий через указанное отверстие (13) в корпусе (4) резонатора (3) и электрически соединяющий указанные модули (18) и пьезоэлектрические элементы (10) для осуществления управления вибрацией резонатора (3) и обработки вибрационных сигналов.

2. Гироскоп (1) по п.1, отличающийся тем, что в указанном торце (5) выполнено множество отверстий (13), расположенных по его окружности, а гироскоп (1) дополнительно содержит множество соединительных проводников (15), проходящих по меньшей мере через одно подмножество указанных отверстий (13) для обеспечения электрического соединения указанных модулей (18) с множеством пьезоэлектрических элементов (10).

3. Гироскоп (1) по п.2, отличающийся тем, что отверстия (13) расположены, по существу, равномерно по окружности торца (5), а пьезоэлектрические элементы (10) расположены между указанными отверстиями (13).

4. Гироскоп (1) по п.1, отличающийся тем, что содержит плату (20) соединений, связанную с множеством соединительных проводников (15) и с пьезоэлектрическими элементами (10).

5. Гироскоп (1) по п.1, отличающийся тем, что содержит соединительную стойку (21), расположенную между резонатором (3) и основанием (2), причем указанная соединительная стойка (21) расположена на уровне продолжения центрального отверстия (13) торца (5) резонатора.

6. Гироскоп (1) по п.5, отличающийся тем, что указанные модули (18) и пьезоэлектрические элементы (10) соединены по меньшей мере одним соединительным проводником, проходящим через соединительную стойку (21).

7. Гироскоп (1) по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что часть пьезоэлектрических элементов (10) выполнена с возможностью детектирования вибраций резонатора (3), а другая часть пьезоэлектрических элементов (10) выполнена с возможностью возбуждения указанных вибраций.

8. Гироскоп (1) по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что каждый пьезоэлектрический элемент (10) одновременно содержит подэлемент (23), выполненный с возможностью возбуждения вибраций резонатора, и подэлемент (24), выполненный с возможностью детектирования вибраций резонатора.

9. Гироскоп (1) по п.8, отличающийся тем, что резонатор выполнен с возможностью вибрации согласно первой вибрационной моде, имеющей пучности, распределенные по двум осям, и второй вибрационной моде, имеющей пучности, распределенные по двум другим осям, причем торец резонатора на каждой оси первой и второй вибрационных мод имеет два пьезоэлектрических элемента (10), каждый из которых одновременно содержит по меньшей мере один пьезоэлектрический подэлемент (23), выполненный с возможностью возбуждения вибраций резонатора, и по меньшей мере один пьезоэлектрический подэлемент (24), выполненный с возможностью детектирования вибраций резонатора.

10. Способ изготовления вибрационного гироскопа (1), включающий следующие этапы:
обеспечение основания (2),
формирование резонатора (3), имеющего корпус (4), по существу, цилиндрической формы, заканчивающийся со стороны, противоположной основанию (2), дистальным торцом (5), причем в указанном торце выполнено по меньшей мере одно сквозное отверстие (13),
размещение, в контакте с резонатором (3), множества пьезоэлектрических элементов (10),
механический монтаж резонатора (3) на основании (2),
размещение в основании (2) модулей (18) управления вибрацией и обработки вибрационных сигналов и
обеспечение, для осуществления управления вибрацией резонатора (3) и измерения вибрационных сигналов, электрического соединения указанных модулей (18) и множества пьезоэлектрических элементов (10) посредством по меньшей мере одного соединительного проводника (15), проходящего по меньшей мере через одно отверстие (13) в корпусе (4) резонатора (3).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии сборки волновых твердотельных гироскопов (ВТГ) и может быть использовано при производстве навигационных приборов и систем для самолетов, катеров, космических аппаратов, бурильных установок.

Изобретение относится к гироскопии и может быть использовано в системах средней точности инерциального управления объектами бескарданного типа. Твердотельный волновой гироскоп содержит цилиндрический резонатор, смонтированный в корпусе, и расположенные на нижней пластине восемь пьезоэлементов, закрепленных с помощью клея.

Предлагаемый способ может быть использован при изготовлении и подготовке к работе волновых твердотельных гироскопов (ВТГ). Определение параметров ВТГ заключается в том, что измеряют амплитуды колебаний резонатора на частотах вблизи резонанса в стационарных режимах, по измеренным значениям амплитуд колебаний и частот формируют вектор и матрицу с линейными относительно амплитуд элементами.

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.

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.

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.

Изобретение относится к области микромеханики, в частности к микромеханическим гироскопам (ММГ) вибрационного типа, в которых для повышения точности используется термокомпенсация.

Изобретение относится к вибрационным гироскопам. Гироскопическая система производит измерения при помощи вибрационного гироскопа, который вибрирует в первом положении вибрации и передает сигнал измерений.

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.

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.

Кориолисов гироскоп (1) включает в себя систему масс, в которой могут возбуждаться колебания параллельно первой оси, при этом может регистрироваться отклонение системы масс вследствие кориолисовой силы вдоль второй оси, которая проходит перпендикулярно первой оси, и по меньшей мере один первый корректировочный модуль (30) и по меньшей мере один второй корректировочный модуль (40), которые соответственно содержат множество неподвижных корректировочных электродов (31, 32, 41, 42) и подвижных корректировочных электродов (24, 25, 26, 27), при этом неподвижные корректировочные электроды (31, 32, 41, 42) проходят в направлении первой оси и жестко соединены с подложкой посредством соответствующих анкерных структур (33, 43), а подвижные корректировочные электроды (24, 25, 26, 27) образуют часть системы масс. Способ уменьшения квадратурного искажения такого кориолисова гироскопа (1) включает в себя подачу на корректировочные модули (30, 40) по меньшей мере в течение промежутка времени постоянных корректирующих напряжений. Технический результат заключается в снижении искажений сигнала в кориолисовом гироскопе или системе кориолисовых гироскопов за счет уменьшения вклада неправильной ориентации элементов в квадратурные искажения. 4 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

Настоящее изобретение раскрывает устройство и способ изготовления гиродатчика (2), содержащего: чувствительный элемент (4), предназначенный для вибрирования; держатель (8) электродов, на котором могут быть размещены электроды (20) для возбуждения чувствительного элемента (4) и электроды (20) для обнаружения вибрации чувствительного элемента (4); и опорные стержни (16), предназначенные для поддержки держателя (8) электродов; отличающегося тем, что опорные стержни (16) имеют по меньшей мере один выступающий конец (17). Техническим результатом является улучшение механических и эксплуатационных характеристик гиродатчика, а также усовершенствование технологии изготовления и повышение выхода годной продукции. 3 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике. Чувствительный элемент микросистемного гироскопа содержит корпусную кремниевую пластину, симметрично расположенные внутри друг друга и разделенные равномерными зазорами внешнюю и внутреннюю подвижные рамки, при этом внешняя рамка соединена с корпусной кремниевой пластиной и с внутренней рамкой посредством упругих торсионов, продольные оси каждой пары торсионов взаимно перпендикулярны, между корпусной кремниевой пластиной и подвижными рамками образован посредством сквозного анизотропного травления зазор, на одну сторону корпусной кремниевой пластины жестко присоединена изоляционная обкладка с нанесенными на нее неподвижными проводящими электродами электростатического силового преобразователя, задающего принудительные колебания внутренней рамки, при этом на обе стороны корпусной кремниевой пластины присоединены изоляционные обкладки, на которые нанесены электроды электростатического силового преобразователя, задающего принудительные колебания внутренней рамки, электроды емкостного преобразователя перемещений и электроды силового электростатического преобразователя обратной связи, внешняя подвижная рамка является подвижным проводящим электродом электростатического силового преобразователя обратной связи, компенсирующего момент от действия кориолисовой силы, и подвижным проводящим электродом емкостного преобразователя перемещений. Технический результат - повышение точности измерений. 2 ил.

Изобретение относится к балансировке металлических резонаторов твердотельных волновых гироскопов (ВТГ) и может быть использовано при производстве навигационных приборов различного назначения. Способ балансировки металлического беззубцового цилиндрического резонатора волнового твердотельного гироскопа включает в себя измерение параметров первых четырех форм массового дефекта резонатора, погружение резонатора в ванну с электролитом и пропускание через его поверхность рассчитанного электрического заряда, регулируемого временем пропускания постоянного тока, величину которого выбирают в зависимости от состава электролита и металла резонатора, при этом цилиндрический резонатор погружают в электролит наклонно, устанавливают величину центрального угла цилиндрического клина погруженной части, равную α, и совмещают угол ориентации обрабатываемой поверхности цилиндрического клина с ориентацией удаляемой формы массового дефекта. Технический результат - уменьшение времени и трудоемкости процесса балансировки беззубцовых металлических цилиндрических резонаторов по первым 4-м формам массового дефекта. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании таких средств измерения угловой скорости движения основания, как вибрационные гироскопы. Микромеханический вибрационный гироскоп содержит основание, инерционный диск, имеющий одинаковую толщину и закрепленный на основании с помощью внутреннего упругого подвеса, систему электростатического возбуждения колебаний диска, состоящую из гребенчатых двигателей возбуждения и датчиков углового положения, систему управления выходными колебаниями, состоящую из электродов емкостного съема и электродов управления, расположенных на основании под инерционным диском и закрепленных на площадке, связанной с основанием с помощью упругого подвеса, что способствует синфазным перемещениям электродов и инерционного диска при действии постоянного ускорения или вибрации. Этим обеспечивается постоянство зазора в системе управления выходными колебаниями и неизменность масштабного коэффициента прибора. Техническим результатом является снижение чувствительности гироскопа к постоянным поступательным ускорениям и вибрации, что обеспечивает уменьшение помехи и повышение эксплуатационных характеристик гироскопа. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области навигационной техники, а именно к конструкции микромеханических вибрационных гироскопов. Вибрационный гироскоп содержит дисковый ротор в упругом подвесе в виде пружины, связывающей ротор с неподвижной опорой, и статоры с электродами привода крутильных колебаний ротора и емкостных датчиков для определения его угловых смещений относительно двух взаимно перпендикулярных осей, ортогональных к оси крутильных колебаний ротора. Ротор, пружина и неподвижная опора выполнены из одной пластины диэлектрического материала с электропроводящим покрытием, при этом пружина соединяет внешнюю часть ротора с неподвижной опорой и выполнена в виде четырехзаходной спирали с ограниченным разворотом витков на угол, примерно равный α=π(1±0,2). В центральной части ротора, свободной от электропроводящего покрытия, выполнено отверстие с 2n (n=2, 3, 4…) зубцами для взаимодействия соответственно с 2n электродами привода крутильных колебаний. Технический результат - повышение точности и упрощение изготовления вибрационного гироскопа. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к балансировке кварцевых полусферических резонаторов твердотельных волновых гироскопов (ВТГ) и может быть использовано при производстве навигационных приборов различного назначения. Способ балансировки кварцевого полусферического резонатора волнового твердотельного гироскопа по предварительно определенным величинам параметров первых четырех форм массового дефекта резонатора заключается в том, что кварцевый полусферический резонатор радиуса R устанавливают в положение, при котором ось его симметрии горизонтальна, а единый нуль окружного угла находится в нижнем положении, поворачивают резонатор вокруг оси симметрии на угол Δφ относительно единого нуля окружного угла и в этом положении частично погружают резонатор в травильный раствор, устанавливая удвоенный зенитный угол сферического сегмента обрабатываемой поверхности 2α, а затем проводят химическое травление в течение времени t. Технический результат - уменьшение времени и трудоемкости процесса балансировки кварцевых полусферических резонаторов по первым 4-м формам массового дефекта. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к микросистемным гироскопам камертонного типа. Предложенный камертонный микрогироскоп содержит корпусную монокремниевую пластину и две чувствительные массы, каждая из которых подвешена с помощью упругих растяжек на консолях, которые, в свою очередь, жестко закреплены на центральной балке. На неподвижных обкладках микрогироскопа выполнены проводящие электроды. Поверхности указанных проводящих электродов, а также поверхности чувствительных масс выполнены пористыми. Причем поры заполнены проводящим материалом, значение плотности которого превышает значение плотности пористого материала. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности микромеханического гироскопа. 4 ил.

Изобретение относится к измерениям угловой скорости, а именно к микроэлектромеханической системе (МЭМС) для датчика угловой скорости. МЭМС помещена между первой и второй композитными пластинами типа кремний-изолятор, состоящими из множества структурированных кремниевых элементов, электрически изолированных друг от друга изоляционным материалом. МЭМС содержит монокристаллическую кремниевую подложку, структурированную для формирования детекторной системы и рамки, причем детекторная система полностью отделена от окружающей ее рамки, расположенной между сопряженными с ней поверхностями первой и второй композитных пластин, так что детекторная система герметизирована в полости, сформированной первой и второй композитными пластинами и рамкой. При этом детекторная система содержит две сейсмические массы, каждая из которых имеет переднюю и заднюю поверхности; две приводные перемычки, каждая из которых имеет первый конец, соединенный с сейсмической массой, и второй конец, соединенный с первой и второй композитными пластинами посредством фиксированных пьедесталов, выполненных на кремниевой подложке, и работающую на изгиб пружину, непосредственно соединяющую между собой две сейсмические массы и выполненную с возможностью синхронизации их первичного движения. Каждая сейсмическая масса имеет первую вращательную степень свободы относительно оси, по существу, перпендикулярной плоскости кремниевой подложки, а сейсмические массы и приводные перемычки сформированы с возможностью иметь вторую вращательную степень свободы относительно оси, по существу, совпадающей с продольной осью приводных перемычек. Детекторная система содержит также средство для генерирования и детектирования первичного движения, состоящего в первичных осцилляциях двух сейсмических масс, в противофазе, в соответствии с первой вращательной степенью свободы, и средство для детектирования вторичного движения, состоящего во вторичных осцилляциях двух сейсмических масс, в противофазе, в соответствии со второй вращательной степенью свободы. При этом средство для генерирования и детектирования первичного движения и средство для детектирования вторичного движения сформированы на передней и на задней поверхностях каждой из первой и второй сейсмических масс, а детекторная система выполнена с возможностью возникновения в ней, при придании системе угловой скорости вокруг третьей оси, по существу, лежащей в плоскости кремниевой подложки и перпендикулярной продольной оси перемычек, силы Кориолиса, вызывающей вторичные осцилляции сейсмических масс. Изобретение обеспечивает повышение точности и стабильности измерений. 15 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к акустоэлектронным приборам, предназначенным для преобразования угловой скорости вращения основания в электрический сигнал. Сущность изобретения заключается в том, что на внешней поверхности несущего основания выполнен трапецеидальный выступ, размещенный зеркально трапецеидальному выступу на внутренней поверхности несущего основания и совпадающий с ним по форме и размерам, тонкая пленка из пьезоэлектрика с установленной на ней регулярной структурой инерционных масс и измерительными встречно-штыревыми преобразователями для каждого из направлений вращения несущего основания установлены на поверхности малого основания трапецеидального выступа, выполненного на внешней поверхности несущего основания, на поверхности малого основания трапецеидального выступа, выполненного на внутренней поверхности несущего основания, дополнительно установлены тонкая пленка из пьезоэлектрика с установленной на ней регулярной структурой инерционных масс, размещенных в шахматном порядке, и измерительными встречно-штыревыми преобразователями для каждого из направлений вращения несущего основания, при этом на боковых поверхностях трапецеидального выступа, выполненного на внешней поверхности несущего основания, дополнительно симметрично друг другу установлены активные пьезоэлектрические преобразователи, которые обеспечивают возбуждение продольных акустических волн в материале несущего основания в направлениях, определяемых углом, заданным положением боковых поверхностей трапецеидального выступа относительно внутренней поверхности несущего основания, и в противофазе по отношению к активным пьезоэлектрическим преобразователям, размещенным на боковых поверхностях трапецеидального выступа на внутренней поверхности несущего основания, выходы измерительных встречно-штыревых преобразователей, размещенных на поверхности малых оснований трапецеидальных выступов, расположенных по обе стороны несущего основания, попарно электрически соединены со входами сумматоров, а выходы последних электрически соединены со входами сумматоров, соответственно для каждого из направлений вращения несущего основания. Технический результат - расширение функциональных возможностей и повышение уровня полезного сигнала по сравнению с уровнем шумовых сигналов. 5 ил.
Наверх