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 содержит корпус, выполненный в виде платы, первую, вторую, третью и четвертую идентичные инерционные массы, каждая из которых связана с платой упругими перемычками, образующими упругий подвес, вибропривод, блок электроники, датчики выходного сигнала, датчики положения, датчики силы. Упругий подвес выполнен в виде наружного и внутреннего контура. Внутренний контур выполнен в виде квадратной упругой рамки, вершины которой через упругие перемычки связаны с датчиками выходного сигнала и датчиками силы. Каждая из сторон рамки связана с центральным анкером двумя упругими перемычками. Вся конструкция симметрична относительно центральной точки.

Техническим результатом является повышение чувствительности устройства.

4 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.

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 [Распопов В.Я. Микромеханические приборы. М., "Машиностроение", 2007 г., с.62, рис.146, а], содержащий корпус в виде платы, первую, вторую, третью и четвертую идентичные инерционные массы, каждая из которых связана с платой упругими перемычками, образующими упругий подвес, вибропривод, датчики выходного сигнала, анкеры.

Недостатком подобного устройства является невысокая чувствительность, обусловленная особенностью его конструкции.

Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому устройству является микромеханический гироскоп [Патент РФ 118049 на полезную модель "Микромеханический гироскоп". Заявка 2012106707 от 22.02.2012 г.], содержащий корпус, выполненный в виде платы, первую и вторую идентичные инерционные массы, каждая из которых выполнена в виде прямоугольной пластины из кремния и связана с платой 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, датчики положения инерционных масс, центральную рамку и анкеры.

Недостатком данного технического решения является невысокая чувствительность.

Задачей полезной модели, как технического решения, является повышение чувствительности устройства.

Технический результат получен за счет того, что в микромеханическом гироскопе, содержащем корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала, первую, вторую, третью и четвертую 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 взаимно перпендикулярных осей, электростатический вибропривод, содержащий подвижные и неподвижные элементы, блок электроники, первый и второй датчики выходного сигнала, содержащие подвижные и неподвижные элементы, первый и второй электростатические датчики силы, содержащие подвижные и неподвижные элементы, первый, второй, третий и четвертый датчики положения инерционных масс, содержащие подвижные и неподвижные элементы, упругий подвес выполнен в виде наружного контура, состоящего из замкнутой цепи чередующихся между собой четырех коромысел и четырех балок, связанных между собой упругими петлеобразными перемычками, при этом на внешней стороне каждой из четырех балок размещен подвижный элемент вибропривода, а на внутренней стороне каждой из четырех балок размещен подвижный элемент соответствующего датчика положения инерционной массы, и внутреннего контура, выполненного в виде квадратной упругой рамки, первая и третья вершины которой через упругие перемычки связаны с внешней стороны рамки с анкерами, а с внутренней стороны рамки с подвижными элементами первого и второго датчика выходного сигнала соответственно, а вторая и четвертая вершины рамки через упругие перемычки связаны с внешней стороны рамки с анкерами, а с внутренней стороны рамки с подвижными элементами первого и второго электростатического датчика силы, соответственно, каждая из сторон квадратной упругой рамки связана с центральным анкером двумя радиальными упругими перемычками.

Конструкция всего устройства симметрична относительно центральной точки.

Первый и второй датчики выходного сигнала, также как первый и второй электростатические датчики силы, могут быть включены по дифференциальной схеме.

В каждой из четырех инерционных масс могут быть выполнены по две прорези, в каждой из которых могут быть размещены петлеобразные упругие перемычки, связывающие инерционную массу с соответствующей балкой, входящей в наружный контур упругого подвеса.

При выполнении внутреннего контура упругого подвеса в виде квадратной упругой рамки, вершины которой через упругие перемычки связаны с датчиками выходного сигнала, обеспечивается повышение чувствительности устройства.

На чертежах (фигура 1 и фигура 2) представлена конструктивная схема микромеханического гироскопа. Микромеханический гироскоп содержит плату 1, первую 2, вторую 3, третью 4 и четвертую 5 идентичные инерционные массы, каждая из которых расположена с зазором относительно платы 1 и связана с ней упругими перемычками, образующими упругий подвес, допускающий колебательные движения вдоль первой оси XX и вдоль второй оси YY. Электростатический вибропривод содержит неподвижные элементы, закрепленные на плате 1 и подвижные элементы 6. Наружный контур упругого подвеса содержит четыре коромысла 7 и четыре балки 8, связанных упругими перемычками 9. На внешней стороне каждой из четырех балок 8 расположен подвижный элемент 6 вибропривода. На внутренней стороне балки 8 расположен подвижный элемент 10 датчика положения инерционной массы. Внутренний контур упругого подвеса содержит квадратную упругую рамку 11. Первая и третья вершины рамки 11 через упругие перемычки 9 связаны с внешней стороны рамки 11 с анкерами 12, а с внутренней стороны рамки 11 - с датчиками выходного сигнала 13. Вторая и четвертая вершины рамки 11 через упругие перемычки 9 связаны соответственно с анкерами 12 и с электростатическими датчиками силы 14. В каждой из инерционных масс выполнены две идентичные прорези 15 и 16, внутри которых размещены упругие перемычки, связывающие инерционную массу с балкой 8.

Предложенное устройство работает следующим образом. При включении питания под действием электростатических сил в зазорах вибропривода инерционные массы 2 и 4 перемещаются в противофазе вдоль второй оси YY. Инерционные массы 3 и 5 также в противофазе перемещаются вдоль первой оси XX. При появлении угловой скорости вокруг оси, перпендикулярной плоскости инерционных масс 2, 3, 4 и 5 возникают силы инерции Кориолиса, которые вызывают противофазные перемещения инерционных масс вдоль осей XX и YY. При этом вершины квадратной рамки 11 упругого подвеса, лежащие на одной диагонали, перемещаются вдоль этой диагонали и увлекают за собой подвижные элементы каждого из двух датчиков выходного сигнала 13, включенных по дифференциальной схеме.

Таким образом может быть осуществлено измерение угловой скорости корпуса (платы 1) вокруг оси, перпендикулярной плоскости инерционных масс 2, 3, 4, 5.

Заявленный микромеханический гироскоп позволяет повысить чувствительность работы устройства.

1. Микромеханический гироскоп, содержащий корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала, первую, вторую, третью и четвертую 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 взаимно перпендикулярных осей, электростатический вибропривод, содержащий подвижные и неподвижные элементы, блок электроники, первый и второй датчики выходного сигнала, содержащие подвижные и неподвижные элементы, первый и второй электростатические датчики силы, содержащие подвижные и неподвижные элементы, первый, второй, третий и четвертый датчики положения инерционных масс, содержащие подвижные и неподвижные элементы, отличающийся тем, что упругий подвес выполнен в виде наружного контура, состоящего из замкнутой цепи чередующихся между собой четырех коромысел и четырех балок, связанных между собой упругими петлеобразными перемычками, при этом на внешней стороне каждой из четырех балок размещен подвижный элемент вибропривода, а на внутренней стороне каждой из четырех балок размещен подвижный элемент соответствующего датчика положения инерционной массы, и внутреннего контура, выполненного в виде квадратной упругой рамки, первая и третья вершины которой через упругие перемычки связаны с внешней стороны рамки с анкерами, а с внутренней стороны рамки с подвижными элементами первого и второго датчика выходного сигнала соответственно, а вторая и четвертая вершины рамки через упругие перемычки связаны с внешней стороны рамки с анкерами, а с внутренней стороны рамки с подвижными элементами первого и второго электростатического датчика силы, соответственно, каждая из сторон квадратной упругой рамки связана с центральным анкером двумя радиальными упругими перемычками.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вся конструкция симметрична относительно центральной точки.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый и второй датчики выходного сигнала, также как первый и второй электростатические датчики силы, включены по дифференциальной схеме.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в каждой из четырех инерционных масс выполнены по две прорези, в каждой из которых размещены петлеобразные упругие перемычки, связывающие инерционную массу с соответствующей балкой, входящей в наружный контур упругого подвеса.