МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП

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.
Известен так же микромеханический гироскоп, разработанный фирмой The Charles Stark Draper Laboratory [Распопов В.Я. Микромеханические приборы. М, "Машиностроение", 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.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому устройству является микромеханический гироскоп [Патент РФ №118049 от 22.02.2012 г. на полезную модель], 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 оси, центральную измерительную прямоугольную рамку, размещенную во внутреннем упругом подвесе, допускающем колебательные движения рамки вдоль второй оси и содержащем упругие перемычки и анкер, расположенный в центре всего устройства, датчик выходного сигнала, электростатический привод настройки, электростатический вибропривод, электростатические емкостные измерители перемещений инерционных масс, блок электроники и анкеры.
Недостатком данного технического решения является невысокая точность, обусловленная наличием квадратурной помехи в выходном сигнале.
Задачей полезной модели как технического решения является повышение точности работы микроэлектромеханического гироскопа.
Технический результат получен за счет того, что в микроэлектромеханическом 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, центральную измерительную прямоугольную рамку, размещенную во внутреннем упругом подвесе, допускающем колебательные движения рамки вдоль второй оси и содержащем упругие перемычки и анкер, расположенный в центре всего устройства, датчик выходного сигнала, электростатический привод настройки, электростатический вибропривод, электростатические емкостные измерители перемещений инерционных масс, блок электроники и анкеры, введены первая и вторая идентичные прямоугольные рамки из кремния, внутри которых на упругих перемычках, допускающих колебательные движения вдоль второй оси, размещены первая и вторая инерционные массы, каждая из прямоугольных рамок связана с корпусом упругими перемычками, допускающими колебательные движения рамок вдоль первой оси. Кроме этого, введена наружная центральная рамка, внутри которой размещена центральная измерительная прямоугольная рамка, боковые стороны наружной центральной рамки содержат наружные и внутренние упругие перемычки, наружные перемычки, своими центральными частями связаны с первой и второй инерционными массами, а внутренние перемычки своими центральными частями связаны с боковыми сторонами центральной измерительной рамки, две другие стороны наружной центральной рамки выполнены в виде коромысел, центры качания которых лежат на второй оси.
Электростатический вибропривод и электростатические емкостные измерители перемещений инерционных масс могут быть размещены на первой и второй прямоугольных рамках.
При введении первой и второй идентичных прямоугольных рамок из кремния, введении наружной центральной рамки и расположении вибропривода и измерителей перемещений инерционных масс на первой и второй прямоугольных рамках обеспечивается повышение точности работы устройства. Предложенная конструкция позволяет существенно снизить уровень квадратурной помехи в выходном сигнале гироскопа.
На чертеже представлена конструктивная схема гироскопа. Гироскоп содержит плату 1, первую 2 и вторую 3 идентичные инерционные массы, упругие перемычки 4, центральную измерительную рамку 5, анкеры 6, датчики выходного сигнала 7, электростатический привод настройки 8, вибропривод 9, измерители перемещений инерционных масс 10, расположенные на первой 11 и второй 12 прямоугольных рамках. Наружная центральная рамка 13 содержит верхнее и нижнее коромысла с центрами качания, лежащими на второй оси - OY. Внутри наружной рамки 13 размещена центральная измерительная рамка 5. Боковые стороны наружной рамки 13 содержат внутреннее и наружные упругие перемычки 4. Наружные упругие перемычки 4 своими центральными частями связаны с первой 2 и второй 3 инерционными массами, соответственно. Внутренние перемычки 4 своими центральными частями связаны с боковыми сторонами центральной измерительной рамки 5.
Предложенное устройство работает следующим образом. При включении питания под действием электростатических сил в зазорах вибропривода 9 обе прямоугольные рамки 11 и 12 перемещаются в противофазе вдоль первой оси OX. Движение от рамок 11 и 12 передается через упругие перемычки 4 первой 2 и второй 3 инерционным массам. При появлении угловой скорости Ω 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 Ω. Выходной сигнал снимается емкостными датчиками 7, связанными между собой по дифференциальной схеме. Кроме этого, сигналы с измерителей перемещений 10 инерционных масс через блок электроники со смещением фазы на 90° поступают на вход электростатического привода настройки 8. Привод настройки 8 перемещает измерительную рамку 5 на расчетную величину, компенсирующую квадратурную помеху.
Таким образом может быть осуществлено измерение угловой скорости корпуса 1 вокруг оси, перпендикулярной плоскости инерционных масс 2 и 3.
Заявленный микроэлектромеханический гироскоп позволяет повысить точность работы устройства.