Микромеханический гироскоп

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к области приборостроения, и может найти применение в системах навигации, ориентации и управления движением различных объектов. Микромеханический гироскоп, содержащий корпус, выполненный в виде платы, первую и вторую идентичные инерционные массы в виде пластин из кремния, связанных с платой упругими перемычками, блок электроники, вибропривод, датчик выходного сигнала, привод настройки, два идентичных коромысла, тяги, балочки, анкеры и равноплечный рычаг, расположенный между инерционными массами, с точкой опоры в центре устройства, связанный своими концами с инерционными массами на уровне середины их боковых сторон через упругие перемычки, тяги и балочки. Кинематическая связь между инерционными массами обеспечивает равенство частот и амплитуд не только первичных колебаний инерционных масс, но и их вторичных колебаний по координате выходного сигнала. Конструкция устройства позволяет существенно разделить («разнести») значения частот собственных колебаний инерционных масс при синфазных и противофазных движениях инерционных масс по входной и выходной осям. Техническим результатом является повышение точности работы устройства, а также вибропрочности и вибростойкости. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Полезная модель 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.

Микромеханические гироскопы представляют собой объемные многослойные микроструктуры, изготовленные из кристаллического материала, рабочие процессы в которых поддерживаются электроникой, выполненной по планарной технологии на одном или нескольких из слоев микроструктуры.

Известен двухмассовый 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 пластины из кремния, расположена с зазором относительно платы и связана с ней упругими перемычками, образующими упругий подвес, блок электроники, вибропривод, датчик выходного сигнала, измерители перемещений инерционных масс и анкеры.

Недостатком данного технического решения является невысокая точность из-за сложности обеспечения равенства их собственных частот и синхронности противофазных колебаний.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому устройству является микромеханический гироскоп, описанный в статье [А.А.Trusov, et al., Micromachined rate gyroscope architecture with ultrahigh quality factor and improved mode ordering. Sens. Actuators A: Phys. (2010), doi: 10.1016/j.sna.2010.01.007] и содержащий корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала, первую и вторую идентичные инерционные массы, каждая из которых выполнена в виде 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 взаимно перпендикулярных осей, блок электроники, электростатический вибропривод, датчик выходного сигнала, измерители перемещений инерционных масс, привод настройки, два идентичных коромысла, тяги и анкеры.

Недостатком данного технического решения является невысокая точность из-за отсутствия кинематической связи между инерционными массами, обеспечивающей равенство частот и амплитуд их вторичных колебаний по координате выходного сигнала. Кроме того, известное устройство имеет невысокую вибропрочность и вибростойкость.

Задачей полезной модели как технического решения является повышение точности работы микромеханического гироскопа, а также его вибропрочности и вибростойкости.

Технический результат получен за счет того, что в микромеханический гироскоп, содержащий корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала, первую и вторую идентичные инерционные массы, каждая из которых выполнена в виде 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 взаимно перпендикулярных осей, блок электроники, электростатический вибропривод, датчик выходного сигнала, содержащий подвижные и неподвижные гребенчатые элементы, электростатические емкостные измерители перемещений инерционных масс, содержащие подвижные и неподвижные гребенчатые элементы, электростатический привод настройки, два идентичных коромысла, тяги, балочки и анкеры, введен равноплечный рычаг, расположенный вдоль второй оси между первой и второй инерционными массами, с точкой опоры, совпадающей с центральной точкой устройства, и связанный своими концами соответственно с первой и второй инерционными массами на уровне середины их боковых сторон через упругие перемычки, тяги и балочки. Первая инерционная масса может быть расположена в первом квадранте, а вторая инерционная масса может быть расположена в третьем квадранте системы координат, образованной первой и второй осями с началом координат в центре устройства.

При введении равноплечного рычага, расположенного вдоль второй оси между первой и второй инерционными массами, с точкой опоры, совпадающей с центральной точкой устройства, и связанного своими свободными концами соответственно с первой и второй инерционными массами на уровне середины их боковых сторон через упругие перемычки, тяги и балочки, обеспечивается повышение точности работы микромеханического гироскопа, а также его вибропрочность и вибростойкость. Предложенная конструкция обеспечивает равенство частот и амплитуд вторичных колебаний инерционных масс по координате выходного сигнала.

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 пластины из кремния, расположена с зазором относительно платы 1 и связана с ней упругими перемычками 4, образующими упругий подвес, допускающий колебательные движения первой 2 и второй 3 инерционных масс вдоль первой оси ОХ и вдоль второй оси OY. Электростатический вибропривод содержит подвижные гребенчатые элементы 5. Датчик выходного сигнала содержит подвижные гребенчатые элементы 6. Измерители перемещений инерционных масс содержат подвижные элементы 7. Привод настройки содержит подвижные элементы 8. Неподвижные гребенчатые элементы вибропривода, датчика выходного сигнала, измерителя перемещений, привода настройки закреплены на плате 1. Первая 2 и вторая 3 инерционные массы кинематически связаны между собой с помощью двух идентичных коромысел 9, тяг 10, балочек 11 и упругих перемычек 4. Равноплечный рычаг 13 размещен вдоль второй оси OY между первой 2 и второй 3 инерционными массами, имеет точку опоры О, совпадающую с центральной точкой устройства. Верхний конец рычага 13 через упругие перемычки, тягу и балочку 11 связан с первой инерционной массой 2. Нижний конец рычага 13 аналогично связан со второй инерционной массой 3.

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 второй оси OY. 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 первой оси ОХ. Амплитуда этих перемещений (колебаний) пропорциональна измеряемой угловой скорости . Выходной сигнал снимается емкостным измерителем перемещений 6.

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

Инерционные массы 2 и 3 соединены между собой элементами 4, 11, 10, 9, 13, которые осуществляют кинематическую связь между ними таким образом, что достигается механическая синхронизация противофазных движений инерционных масс. При этом обеспечивается равенство частот и амплитуд как первичных колебаний инерционных масс, так и их вторичных колебаний по координате выходного сигнала. Кроме того, конструкция устройства позволяет существенно разделить («разнести») значения частот собственных колебаний инерционных масс при синфазных и противофазных движениях инерционных масс по входной и выходной осям.

Заявленный микромеханический гироскоп позволяет повысить точность работы устройства, а также его вибропрочность и вибростойкость.

1. Микромеханический гироскоп, содержащий корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала, первую и вторую идентичные инерционные массы, каждая из которых выполнена в виде 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 взаимно перпендикулярных осей, блок электроники, электростатический вибропривод, датчик выходного сигнала, содержащий подвижные и неподвижные гребенчатые элементы, электростатические емкостные измерители перемещений инерционных масс, содержащие подвижные и неподвижные гребенчатые элементы, электростатический привод настройки, два идентичных коромысла, тяги, балочки и анкеры, отличающийся тем, что введен равноплечный рычаг, расположенный вдоль второй оси между первой и второй инерционными массами, с точкой опоры, совпадающей с центральной точкой устройства, и связанный своими концами соответственно с первой и второй инерционными массами на уровне середины их боковых сторон через упругие перемычки, тяги и балочки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первая инерционная масса расположена в первом квадранте, а вторая инерционная масса расположена в третьем квадранте системы координат, образованной первой и второй осями с началом координат в центре устройства.