Микромеханический гироскоп

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к области приборостроения, и может найти применение в системах навигации, ориентации и управления движением различных объектов.

Микромеханический гироскоп содержит корпус, выполненный в виде платы, первую и вторую идентичные инерционные массы, каждая из которых выполнена в виде пластины из кремния и связана с платой упругими перемычками, электростатический вибропривод, блок электроники, датчик выходного сигнала, измерители перемещений инерционных масс, электростатический привод настройки, анкеры и центральную измерительную рамку, размещенную во внутреннем упругом подвесе. На боковых сторонах рамки размещены подвижные гребенчатые элементы датчика выходного сигнала и привода настройки. В каждой из пластин инерционных масс выполнены две прямоугольные прорези, в которых размещены емкостные измерители перемещений инерционных масс, объединенные в интегрированный дифференциальный датчик перемещений.

Техническим результатом является повышение точности работы устройства.

4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к области приборостроения и может найти применение в инерциальных системах навигации, ориентации, в автопилотах авиа- и судомоделей, в системах управления подвижных объектов.

Особенностью микромеханических гироскопов является преимущественное изготовление чувствительных элементов этих устройств из материалов на основе кремния по кремниевой технологии, что предопределяет: малые габариты и вес гироскопа, возможность применения групповой технологии изготовления, дешевизну изготовления при массовом производстве, высокую надежность в эксплуатации.

Известен микромеханический гироскоп [Патент РФ 84541 от 10.07.2009 г. на полезную модель "Микромеханический гироскоп". Заявка 2009105378 от 16.02.2009 г.], содержащий корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала, наружную рамку, связанную с платой через упругие перемычки, первую инерционную массу, выполненную в виде прямоугольной пластины из кремния, расположенную с зазором относительно платы и связанную с наружной рамкой через упругие перемычки, вторую инерционную массу, выполненную в виде прямоугольной пластины из кремния, расположенную в прямоугольной прорези в плоскости первой инерционной массы и связанную с ней через упругие перемычки, вибропривод, датчик перемещений, блок электроники, электростатический датчик силы и дифференцирующее устройство..

Недостатком подобного устройства является невысокая точность, обусловленная наличием квадратурной помехи или, другими словами, влиянием первичных колебаний первой и второй инерционных масс на выходной сигнал микромеханического гироскопа.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому устройству является микромеханический гироскоп, разработанный фирмой The Charles Stark Draper Laboratory [Распопов В.Я. Микромеханические приборы. М., "Маширостроение", 2007 г., с.58, рис.1.43], содержащий корпус, выполненный в виде платы (подложки) из диэлектрического материала, первую и вторую идентичные инерционные массы, каждая из которых выполнена в виде прямоугольной пластины из кремния, расположена с зазором относительно платы и связана с ней упругими перемычками, образующими упругий подвес, допускающий колебательные движения каждой из инерционных масс вдоль первой и вдоль второй осей, электростатический вибропривод, блок электроники, датчик выходного сигнала, электростатические емкостные измерители перемещений инерционных масс, электростатический привод компенсации и анкеры.

Недостатком данного технического решения является невысокая точность также из-за наличия квадратурной помехи в выходном сигнале.

Задачей полезной модели как технического решения является повышение точности работы микромеханического гироскопа.

Технический результат получен за счет того, что в микромеханическом гироскопе, содержащем корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала, первую и вторую идентичные инерционные массы, каждая из которых выполнена в виде прямоугольной пластины из кремния, расположена с зазором относительно платы и связана с ней упругими перемычками, образующими упругий подвес, допускающий колебательные движения каждой из инерционных масс вдоль первой и вдоль второй оси, электростатический вибропривод, блок электроники, датчик выходного сигнала, содержащий подвижные и неподвижные гребенчатые элементы, электростатические емкостные измерители перемещений инерционных масс, содержащие подвижные и неподвижные гребенчатые элементы, электростатический привод настройки и анкеры, введена центральная измерительная прямоугольная рамка, размещенная во внутреннем упругом подвесе, допускающем колебательные движения рамки вдоль второй оси, и содержащим упругие перемычки и анкер, расположенный в центре всего устройства.

На боковых, параллельных второй оси, сторонах центральной измерительной рамки могут быть размещены подвижные гребенчатые элементы датчика выходного сигнала и электростатического привода настройки. В каждой из пластин инерционных масс могут быть выполнены две прямоугольные прорези, расположенные симметрично относительно первой оси, в которых могут быть размещены электростатические емкостные измерители перемещений инерционных масс вдоль первой оси, подвижные гребенчатые элементы которых расположены на инерционных массах, а неподвижные гребенчатые элементы закреплены на плате. Электростатические емкостные измерители перемещений инерционных масс могут быть связаны между собой электрически, образуя интегрированный дифференциальный датчик.

При введении центральной измерительной прямоугольной рамки, размещенной во внутреннем упругом подвесе, обеспечивается повышение точности работы микромеханического гироскопа. Предложенная конструкция внутреннего упругого подвеса центральной измерительной рамки позволяет "развязать" первичные колебания инерционных масс и вторичные колебания центральной измерительной рамки и тем самым существенно снизить уровень квадратурной помехи в выходном сигнале микромеханического гироскопа.

На чертеже представлена конструктивная схема микромеханического гироскопа. Микромеханический гироскоп содержит плату 1, выполненную из диэлектрического материала, первую 2 и вторую 3 идентичные инерционные массы, каждая из которых выполнена в виде прямоугольной пластины из кремния, расположена с зазором относительно платы 1 и связана с ней упругими перемычками 4, образующими упругий подвес, допускающий колебательные движения вдоль первой оси ОХ и вдоль второй оси OY. Электростатический привод содержит подвижные гребенчатые элементы 5. Неподвижные гребенчатые элементы привода закреплены на плате 1. Датчик выходного сигнала содержит подвижные гребенчатые элементы 6. Неподвижные гребенчатые элементы датчика закреплены на плате 1. Электростатические емкостные измерители перемещений инерционных масс 2 и 3 вдоль оси ОХ содержат подвижные гребенчатые элементы 7, и неподвижные гребенчатые элементы, закрепленные на плате 1. Электростатический привод настройки содержит подвижные гребенчатые элементы 8. Неподвижные элементы привода закреплены на плате 1. Центральная измерительная прямоугольная рамка 10 размещена во внутреннем упругом подвесе, включающем упругие перемычки 4 и анкер 9, расположенный в центре устройства, и допускающем колебательные движения рамки вдоль второй оси OY.

Предложенное устройство работает следующим образом. При включении питания под действием электростатических сил в зазорах вибропривода 5 обе инерционные массы 2 и 3 перемещаются в противофазе вдоль оси ОХ. При появлении угловой скорости , вокруг оси, перпендикулярной плоскости инерционных масс 2 и 3, возникают силы инерции Кориолиса, которые вызывают противофазные перемещения инерционных масс 2 и 3 вдоль оси OY. Амплитуда этих перемещений (колебаний) пропорциональна измеряемой угловой скорости . Выходной сигнал снимается емкостными измерителями перемещений 6, подвижные электроды которых размещены на боковых сторонах центральной измерительной рамки 10.

Таким образом может быть осуществлено измерение угловой скорости корпуса (платы 1) вокруг оси, перпендикулярной плоскости инерционных масс 2 и 3.

Заявленный микромеханический гироскоп позволяет повысить точность работы устройства.

1. Микромеханический гироскоп, содержащий корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала, первую и вторую идентичные инерционные массы, каждая из которых выполнена в виде прямоугольной пластины из кремния, расположена с зазором относительно платы и связана с ней упругими перемычками, образующими упругий подвес, допускающий колебательные движения каждой из инерционных масс вдоль первой и вдоль второй осей, электростатический вибропривод, блок электроники, датчик выходного сигнала, содержащий подвижные и неподвижные гребенчатые элементы, электростатические емкостные измерители перемещений инерционных масс, содержащие подвижные и неподвижные гребенчатые элементы, электростатический привод настройки и анкеры, отличающийся тем, что введена центральная измерительная прямоугольная рамка, размещенная во внутреннем упругом подвесе, допускающем колебательные движения рамки вдоль второй оси и содержащем упругие перемычки и анкер, расположенный в центре всего устройства.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на боковых параллельных второй оси сторонах центральной измерительной прямоугольной рамки размещены подвижные гребенчатые элементы датчика выходного сигнала и электростатического привода настройки.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в каждой из пластин инерционных масс выполнены две прямоугольные прорези, расположенные симметрично относительно первой оси, в которых размещены электростатические емкостные измерители перемещений инерционных масс вдоль первой оси, подвижные гребенчатые элементы которых расположены на инерционных массах, а неподвижные гребенчатые элементы закреплены на плате.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электростатические емкостные измерители перемещений инерционных масс связаны между собой электрически и образуют интегрированный дифференциальный датчик.