ВИБРАЦИОННЫЙ ГИРОСКОП
VIBRATION GYROSCOPE

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к вибрационным гироскопическим приборам, предназначенным для измерения угловой скорости.
Известен гироскоп-акселерометр, который состоит из одной кремневой и двух стеклянных пластин. В кремневой пластине путем травления сформированы базовая рамка и два маятниковых узла, которые связаны с рамкой с помощью упругих перемычек. Маятники могут упруго перемещаться вдоль оси, нормальной плоскости пластины (патент США №5392650, класс 73/517 А, 1995 г.).
Система возбуждения может вызывать колебания маятниковых узлов в противофазе в плоскости пластины, что, по сути, эквивалентно вращению всей пластины вокруг оси, перпендикулярной ее плоскости. При наличии вращения основания, на котором установлен акселерометр-гироскоп, его маятники под действием сил Кориолиса начнут совершать колебания с частотой возбуждения. Амплитуды колебаний маятников зависят от угловой скорости поворота прибора (здесь не рассматриваются смещения маятников, обусловленные движением прибора с ускорением).
На базовую рамку кремниевой пластины с двух сторон жестко закреплены две стеклянные пластины с электродами, которые совместно с кремниевой пластиной, как общим электродом, образуют пару дифференциальных емкостных датчиков смещения маятников.
Основными недостатками рассмотренного акселерометра-гироскопа являются, во-первых, невозможность изготовления кремниевой пластины с идентичными маятниковыми узлами, что приводит к дополнительной погрешности прибора, и, во-вторых, в данной конструкции достаточно сложно осуществить режим резонансной настройки колебаний маятников и маятниковых узлов.
Известен вибрационный гироскоп, который имеет корпус с установленным в нем узлом вибрирующего кольца, называемым также роторным узлом.
Роторный узел выполнен из единой пластины монокристалла кремния и состоит из ротора в виде внешнего кольца и внутренней ступицы, которые связаны друг с другом упругими элементами. Ступица соединена с корпусом также упругими связями. При этом ротор может совершать угловые колебания вокруг двух взаимно ортогональных осей (вокруг оси, нормальной плоскости кольца, и оси, расположенной в плоскости кольца).
В гироскопе электростатически могут быть возбуждены угловые колебания ротора вокруг оси, нормальной его плоскости (оси возбуждения). При наличии вращения корпуса гироскопа под действием сил Кориолиса его ротор начинает совершать колебания вокруг второй оси (выходной оси) с амплитудой, которая пропорциональна угловой скорости поворота.
На корпусе гироскопа образована диэлектрическая подложка (изоляционный слой), на которой имеется два электрода. Электроды совместно с кремниевым ротором (как общим электродом) образуют дифференциальный емкостный датчик смещения ротора.
Для возбуждения колебаний ротора и съема информации об его движении в гироскопе имеется сервисная электроника (патент США №5555765, класс 73/504.09, 1996).
Указанный вибрационный гироскоп наиболее близок к изобретению и поэтому принят за прототип.
Необходимо указать следующий недостаток прототипа.
Наибольшей чувствительности гироскоп достигает при совпадении частот угловых колебаний ротора вокруг двух ортогональных осей (резонансный режим). Технологический разброс параметров, в основном, упругих элементов приводит к разночастотности двух колебательных систем роторного узла, что существенно влияет на характеристики гироскопа. При этом разночастотность роторного узла из-за наличия нескольких упругих элементов, сложной конфигурации ротора не может быть снижена меньше некоторого уровня, что ограничивает достижение высокой точности гироскопа.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности и чувствительности измерения при одновременном уменьшении трудоемкости изготовления за счет упрощения конструкции упругого подвеса и формы ротора гироскопа.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном вибрационном гироскопе, содержащем корпус, а также выполненный из единой пластины монокристалла кремния роторный узел из упруго связанных между собой ротора и ступицы, изоляционную пластину с электродами, сервисную электронику, изоляционная пластина жестко прикреплена к корпусу и на ней через базирующие платики установлена ступица с образованием зазора между изоляционной пластиной и ротором, который выполнен в виде П-образной рамки, перпендикулярно боковым сторонам которой симметрично относительно ее перемычки установлены два стержня прямоугольного сечения каждый, средняя часть перемычки рамки связана со ступицей плоской пружиной, плоскость которой ортогональна стержням, на изоляционной пластине жестко закреплены с зазором относительно соответствующих стержней с одной их стороны две прямоугольные пластины, толщины которых равны толщинам стержней, а под стержнями, металлизацией, образованы два электрода, причем эти электроды, прямоугольные пластины и ступица имеют контактные площадки для электрического соединения с сервисной электроникой.
Кроме того, прямоугольные пластины могут быть связаны со ступицей плоскими перемычками, плоскость которых параллельна плоскости изоляционной пластины.
Кроме того, в него дополнительно могут быть введены две прямоугольные пластины, которые жестко закреплены на изоляционной пластине с зазором относительно соответствующих стержней напротив первых двух пластин, при этом каждая из дополнительных пластин электрически соединена с той из первых двух пластин, которая расположена напротив другого стержня.
Кроме того, прямоугольные пластины могут быть выполнены из кремния.
Кроме того, размеры поперечного сечения плоской пружины могут быть выбраны из соотношения
где Е, G - соответственно модули упругости материала пружины первого и второго рода,
1
2
А, А - соответственно момент инерции ротора вокруг продольной оси пружины и вокруг оси, перпендикулярной изоляционной пластине и проходящей через геометрический центр масс ротора,
b, h - соответственно ширина и высота поперечного сечения пружины.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 показан вибрационный гироскоп (сборочные узлы перед окончательной сборкой); на фиг.2 показан вибрационный гироскоп, в который введены плоские перемычки и дополнительные прямоугольные пластины; на фиг.3 показан вид сбоку вибрационного гироскопа в сборе. На всех чертежах сервисная электроника не показана.
Вибрационный гироскоп содержит роторный узел, который состоит из ступицы 1, ротора, образованного П-образной рамкой 2 и стержнями 3, 4, и упруго связывающей их плоской пружиной 5. Ступица 1 через базирующие платики 6 жестко установлена на изоляционной пластине 7, которая закреплена в корпусе 8. У ротора стержни 3, 4 перпендикулярны боковым сторонам П-образной рамки 2, при этом все элементы ротора за счет установки ступицы 1 на базирующие платики 6 расположены по отношению к пластине 7 с зазором. Центр средней части П-образной рамки 2 ротора связан со ступицей 1 плоской пружиной 5, плоскость которой перпендикулярна стержням 3, 4 (предпочтительно, чтобы середина пружины совпадала с центром масс ротора). На изоляционной пластине 7 жестко установлены кремниевые пластины 9, 10 с зазором и с одной стороны по отношению к стержням 3, 4. Толщина кремниевых пластин 9, 10 равна толщине стержней 3, 4. Под стержнями 3, 4 на изоляционной пластине 7 металлизацией образованы два электрода 11, 12. Ступица 1, пластины 9, 10 и электроды 11, 12 электрически соединены с контактными площадками 13 (по числу электрических соединений), которые, в свою очередь, соединены с сервисной электроникой гироскопа, на чертежах не показанной. Стержни 3, 4 имеют прямоугольное сечение каждый, а пластины 9, 10 - форму прямоугольного параллелепипеда. Стержень 3 с пластиной 9 и электродом 11, а стержень 4 с пластиной 10 и электродом 12 образуют по два плоских конденсатора каждый, которые одновременно являются и дифференциальными емкостными датчиками угла поворота ротора вокруг двух ортогональных осей, и электростатическими датчиками момента сил. Упругий элемент - плоская пружина 5 позволяет ротору совершать угловые колебания вокруг двух ортогональных осей: вокруг оси, перпендикулярной плоскости изоляционной пластины 7, и вокруг продольной оси пружины 5. Наибольшей чувствительности вибрационный гироскоп достигает при совпадении собственных частот угловых колебаний ротора вокруг этих осей. Для предлагаемой конструкции гироскопа это выполняется при условии:
1
2
1
2
где Е, G - соответственно модуль упругости материала пружины 5 (кремния) первого и второго рода; А, А - соответственно момент инерции ротора вокруг продольной оси пружины 5 и вокруг оси, перпендикулярной изоляционной пластине 7 и проходящей через центр масс ротора; b, h - соответственно ширина и высота пружины 5. Моменты инерции ротора А, А практически равны. Тогда условие совпадения двух частот колебаний ротора может быть упрощено до вида:
Для кристаллического кремния соотношение  для различных ориентаций плоскости пружины 5 будет разным. Однако при этом
Ступица 1 может быть связана с пластинами 9, 10 плоскими перемычками 14, 15, плоскости которых параллельны изоляционной пластине 7. Это позволяет упростить технологию сборки чувствительного элемента гироскопа.
Кроме того, в конструкцию гироскопа могут быть введены две дополнительные кремниевые пластины 16, 17, которые жестко устанавливаются на изоляционной пластине 7 с зазором по отношению к стержням 3, 4 напротив пластин 9, 10. Электрически пластина 16 должна быть соединена с пластиной 10, а пластина 17 - с пластиной 9. Это позволяет увеличить емкость конденсаторов - датчиков угла поворота ротора вокруг оси, перпендикулярной плоскости изоляционной пластины 7.
0
1
0
1
0
1
Вибрационный гироскоп работает следующим образом. От сервисной электроники на пластину 9 подается потенциал (U+Usinωt) относительно ступицы 1, а на пластину 10-(U-Usinωt), где U - постоянный потенциал, U - амплитуда переменного потенциала с частотой ω. В результате этого из-за действия электростатических сил возникает переменный механический момент с частотой ω, приложенный к ротору гироскопа вокруг оси, перпендикулярной изоляционной пластине 7. При совпадении частоты ω с собственной частотой ротора возбуждаются его резонансные угловые колебания вокруг той же оси. При наличии вращения корпуса гироскопа вокруг оси стержней 3, 4 с угловой скоростью Ω под действием сил Кориолиса возникают колебания ротора вокруг продольной оси пружины 5. Амплитуда колебаний рамки, пропорциональная угловой скорости Ω, регистрируется дифференциальным емкостным датчиком угла поворота ротора, образованного стержнями 3, 4 и электродами 11, 12. Для повышения чувствительности гироскопа, как сказано выше, обе собственные частоты ротора должны быть равны.
Конструктивное исполнение вибрационного гироскопа позволяет упростить упругий подвес ротора и за счет этого осуществить более точную настройку двух собственных частот ротора друг под друга и, соответственно повысить точность измерения гироскопа.
Таким образом, предложенное изобретение обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении точности и чувствительности измерения при одновременном уменьшении трудоемкости изготовления за счет упрощения конструкции упругого подвеса и формы ротора гироскопа.