Микроэлектромеханический гироскоп

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к области приборостроения, и может быть использована в системах навигации и управления движением различных объектов. Микроэлектромеханический гироскоп содержит корпус в виде платы, четыре идентичные инерционные массы из кремния, каждая из которых связана с платой упругими перемычками, образующими упругий подвес, вибропривод, четыре датчика выходного сигнала, четыре датчика силы, датчики положения инерционных масс. Упругий подвес выполнен в виде наружного и внутреннего контура. Наружный контур содержит четыре коромысла и четыре балки. Внутренний контур содержит центральную квадратную рамку, внутри которой по ее диагоналям размещены четыре датчика выходного сигнала и четыре датчика силы. Подвижные элементы каждого датчика выходного сигнала и подвижные элементы каждого датчика силы объединены между собой и размещены на общем стержне. Датчики выходного сигнала, также как и датчики силы, включены по дифференциальной схеме. Вся конструкция устройства симметрична относительно центральной точки. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Полезная модель относится к области измерительной техники, в частности, к области приборостроения, и может быть использована в системах навигации, ориентации, в автопилотах авиа- и судомоделей, в системах управления движением различных объектов.

Известен микромеханический гироскоп [Распопов В.Я. Микромеханические приборы. М., "Машиностроение", 2007 г., стр. 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 и анкеры (элементы крепления).

Признаки аналога совпадают со следующими признаками предлагаемой полезной модели:

- корпус в виде платы из диэлектрического материала;

- четыре идентичные инерционные массы из кремния, каждая из которых связана с платой упругими перемычками, образующими упругий подвес;

- емкостные датчики выходного сигнала, вибропривод и анкеры (элементы крепления).

К недостаткам известного аналога можно отнести невысокую точность, обусловленную влиянием внешних воздействий, в том числе изменением температуры окружающей среды.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели аналогом по совокупности существенных признаков является микромеханический гироскоп [Патент РФ 130693 на полезную модель "Микромеханический гироскоп". Заявка 2012137558 от 03 сентября 2012 г.].

Признаки ближайшего аналога (прототипа) совпадают со следующими признаками предлагаемой полезной модели:

- корпус в виде платы из диэлектрического материала;

- первая, вторая, третья и четвертая 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 взаимноперпендикулярных осей;

- электростатический вибропривод, содержащий подвижные и неподвижные элементы (электроды);

- блок электроники;

- первый и второй датчики выходного сигнала, содержащие подвижные и неподвижные электроды;

- 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, выполненный 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;

- в каждой их 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;

- внутренний контур упругого подвеса выполнен в виде квадратной упругой рамки, расположенной в центре устройства;

- каждая из вершин квадратной рамки через упругие перемычки связана с внешней стороны рамки с соответствующим анкером;

- каждая из сторон квадратной рамки связана с центральным анкером двумя радиальными упругими перемычками;

- первый и второй датчики выходного сигнала, а также первый и второй датчики силы размещены внутри квадратной рамки на ее диагоналях;

- конструкция всего устройства симметрична относительно центральной точки.

К недостаткам ближайшего аналога можно отнести невысокую точность, обусловленную изменением температуры окружающей среды. Кроме этого возникают трудности при балансировке устройства из-за того, что датчики силы, участвующие в процедуре балансировки, лежат только на одной диагонали внутри квадратной рамки. На другой диагонали располагаются датчики выходного сигнала.

Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, состоит в повышение точности работы устройства при изменении температуры окружающей среды.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в повышении точности работы устройства при изменении температуры окружающей среды.

Технический результат достигается за счет того, что в микроэлектромеханическом 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 взаимноперпендикулярных 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, причем 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, 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, и внутреннего контура, выполненного в виде квадратной упругой рамки, расположенной в центре устройства, каждая из вершин которой через упругие перемычки связана с внешней стороны рамки с соответствующим анкером, каждая из сторон квадратной рамки связана с центральным анкером двумя радиальными упругими перемычками, введены третий и четвертый датчики выходного сигнала, содержащие подвижные и неподвижные элементы, а также третий и четвертый электростатические датчики силы, содержащие подвижные и неподвижные элементы, причем подвижные элементы каждого из четырех датчиков выходного сигнала и подвижные элементы каждого из четырех датчиков силы размещены на общем стержне, каждая из вершин квадратной рамки через упругую петлеобразную перемычку связана с внутренней стороны квадратной рамки с одним концом соответствующего стержня, другой конец стержня через упругую петлеобразную перемычку связан с соответствующим анкером. Первый, второй, третий и четвертый датчики выходного сигнала, также как и первый, второй, третий и четвертый датчики силы, размещены на диагоналях квадратной рамки. Все четыре датчика выходного сигнала, также как и все четыре датчика силы, включены по дифференциальной схеме.

Существенными признаками, отличающими предлагаемую полезную модель от ближайшего аналога (прототипа), являются:

- введение дополнительных (третьего и четвертого) датчиков выходного сигнала;

- введение дополнительных (третьего и четвертого) датчиков силы;

- размещение подвижных элементов (электродов) каждого из четырех датчиков выходного сигнала и подвижных элементов (электродов) каждого из четырех датчиков силы на одном общем стержне;

- расположение первого, второго, третьего и четвертого датчиков выходного сигнала, также как и первого, второго, третьего и четвертого датчиков силы на диагоналях внутри квадратной рамки;

- включение первого, второго, третьего и четвертого датчиков выходного сигнала, также как и первого, второго, третьего и четвертого датчиков силы, по дифференциальной схеме.

Указанная совокупность существенных признаков является достаточной для достижения обеспечиваемого полезной моделью технического результата.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется графическими изображениями. На фиг. 1 представлена принципиальная конструктивная схема устройства. На фиг. 2 представлен фрагмент конструктивной схемы, а именно одной из вершин квадратной рамки вместе с подвижными элементами (электродами) датчика выходного сигнала и датчика силы, в другой пропорции.

Пример конкретного выполнения устройства приведен на фиг. 1.

Микроэлектромеханический 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 6 содержит неподвижные элементы (электроды), закрепленные на плате 1 и подвижные элементы. Наружный контур упругого подвеса содержит четыре коромысла 7 и четыре балки 8, связанных между собой упругими перемычками 9. На внешней стороне каждой из четырех балок 8 расположен подвижный элемент вибропривода 6. На внутренней стороне балки 8 расположен подвижный элемент 10 датчика положения инерционной массы. Внутренний контур упругого подвеса содержит квадратную рамку 11. Каждая из вершин рамки 11 через упругую перемычку 9 связана с внешней стороны рамки 11 с соответствующим анкером 12. Каждая из сторон рамки 11 связана с центральным анкером двумя радиальными упругими перемычками. Четыре идентичных датчика выходного сигнала 13 и четыре идентичных датчика силы 14 размещены внутри рамки 11 на ее диагоналях. Подвижные элементы (электроды) каждого из четырех датчиков выходного сигнала 13 и подвижные элементы (электроды) каждого из четырех датчиков силы 14 размещены на общем стержне 17. Каждая из вершин рамки И через упругую перемычку 9 (фиг.2) связана с внутренней стороны рамки И с одним концом стержня 17. Другой конец стержня 17 через перемычку 9 связан с анкером 12. В каждой из четырех инерционных масс выполнены по две прорези 16, в каждой из которых размещены петлеобразные упругие перемычки 15.

Устройство работает следующим образом. При включении питания под действием электростатических сил в зазорах вибропривода инерционные массы 2, 3, 4 и 5 синхронно в противофазе имеют возможность перемещаться в направлении осей XX и YY относительно платы 1 со скоростями V. При появлении угловой скорости вокруг оси, перпендикулярной плоскости инерционных масс, возникают силы инерции Кориолиса, которые вызывают противофазные перемещения инерционных масс вдоль осей XX и YY. При

этом вершины квадратной рамки 11, лежащие на одной диагонали, перемещаются вдоль этой диагонали в разные стороны и увлекают за собой подвижные элементы датчиков выходного сигнала 13. Сигнал с датчиков 13 содержит информацию об измеряемой угловой скорости корпуса (платы 1).

Использование полезной модели позволит повысить точность работы устройства при изменении температуры окружающей среды.

Кроме этого упрощается процедура балансировки устройства.

1. Микроэлектромеханический 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 взаимноперпендикулярных 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, причем 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, 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, и внутреннего контура, выполненного в виде квадратной упругой рамки, расположенной в центре устройства, каждая из вершин которой через упругие перемычки связана с внешней стороны рамки с соответствующим анкером, каждая из сторон квадратной рамки связана с центральным анкером двумя радиальными упругими перемычками, отличающийся тем, что введены третий и четвертый датчики выходного сигнала, содержащие

подвижные и неподвижные элементы, а также третий и четвертый электростатические датчики силы, содержащие подвижные и неподвижные элементы, причем подвижные элементы каждого из четырех датчиков выходного сигнала и подвижные элементы каждого из четырех датчиков силы размещены на общем стержне, каждая из вершин квадратной рамки через упругую петлеобразную перемычку связана с внутренней стороны квадратной рамки с одним концом соответствующего стержня, другой конец стержня через упругую петлеобразную перемычку связан с соответствующим анкером.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первый, второй, третий и четвертый датчики выходного сигнала, также как и первый, второй, третий и четвертый датчики силы, размещены на диагоналях квадратной рамки.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что все четыре датчика выходного сигнала, также как и все четыре датчика силы, включены по дифференциальной схеме.