МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ВИБРАЦИОННЫЙ ГИРОСКОП С ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ
MICROMECHANICAL VIBRATION GYROSCOPE WITH ELECTROSTATIC INTERACTION

Родственная заявка
Предварительная заявка №60/453, 033, составленная 16 марта 2003 г., приоритет которой заявлен.
Предпосылки применения изобретения
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение, в основном, относится к инерциальным датчикам и им подобным устройствам, в частности к микромеханическому вибрационному гироскопу.
Уровень техники, связанный с изобретением
Вибрационные гироскопы предназначены для выявления движения под действием сил Кориолиса, вызванных вращением гироскопа вокруг сенсорной оси. Когда груз приводится в вибрирующее движение вдоль данной оси и во вращательное движение вокруг оси, перпендикулярной к оси вибрации, появляется сила Кориолиса, приложенная к грузу вдоль оси отклика, перпендикулярной к осям вибрации и вращения. Скорость вращения измеряется путем обнаружения изменения движения груза вдоль оси отклика, вызванного силой Кориолиса.
Силы Кориолиса, действующие на вибрирующие грузы, находятся в фазе со скоростью перемещения грузов, так как сила Кориолиса пропорциональна скорости. Любое нежелательное взаимодействие движения по первичной или ведомой оси вибрации с движением по оси отклика вызовет побочные движения тел вдоль оси отклика. Это нежелательное взаимодействие в основном бывает в фазе, скорее, с перемещением грузов, а не со скоростью перемещения, и часто сопряжено с квадратичной ошибкой.
Один из способов изменения движения грузов, связанный с силой Кориолиса, - это емкостное выпрямление, которое обычно включает наличие фиксированного электрода и подвижного электрода. В таких устройствах важно минимизировать движение подвижного электрода в отсутствии приложенного вращения, т.е. любого движения груза вдоль оси отклика, которое не связано с силой Кориолиса. Иначе появится нежелательный квадратурный сигнал, имеющий ту же частоту, что и у сигнала, пропорционального скорости, но со сдвигом фазы на 90°. Этот квадратурный сигнал налагается на эталонный выходной сигнал. Несмотря на то, что квадратурный сигнал может быть частично отфильтрован электронным способом, например с использованием фазочувствительной демодуляции, это приводит к нарушению производительности гироскопа.
Другой источник погрешности в вибрационном гироскопе - это чувствительность к линейным ускорениям при перемещении грузов, приводящим к нежелательным сигналам.
Когда гироскоп смонтирован на опоре, согласно данной заявке, любой несбалансированный импульс вибрирующих грузов вызовет передачу части энергии запуска установки в опору, а затем возможное ее связывание при отдаче назад в устройство. Энергия, подаваемая назад указанным образом, может вызвать систематические погрешности и сделать функционирование установки чувствительным к условиям монтажа.
В микромеханических вибрационных гироскопах прототипа вибрирующие грузы, в основном, связаны вместе механическими средствами. Такое сцепление важно для того, чтобы обеспечить колебание грузов при той же резонансной частоте. Для несвязанных грузов есть тенденция к появлению различных резонансных частот, которые могут быть неблагоприятными для действующего датчика.
Несмотря на то, что сцепление должно обеспечить вибрирование грузов с одинаковой резонансной частотой, подобные сцепления также имеют некоторые ограничения и неудобства. Например, в них могут варьироваться расстояния между грузами, что связано с наличием допустимых отклонений, вызывающих изменяемый уровень сцепления. Также во многих из них используется конструкция основания, сложенного из брусьев, которое повышает требуемую площадь опоры и размер устройства. Более того, уровень сцепления определяется фиксированными механическими свойствами структуры сцепления, и он не регулируется.
Цель и краткое изложение сущности изобретения
Целью изобретения, главным образом, является создание нового и усовершенствованного микромеханического вибрационного гироскопа.
Другая цель изобретения состоит в том, что в нем предусматривается гироскоп с вышеупомянутыми свойствами, в котором не требуется механическое сцепление между вибрирующими грузами.
Еще одна цель изобретения заключается в том, что в нем предусматривается гироскоп с вышеупомянутыми свойствами, в котором вибрирующие грузы связаны электростатически.
Эти и другие цели достигаются в соответствии с изобретением, в котором предусмотрен микромеханический вибрационный гироскоп, где вибрирующие грузы электростатически взаимодействуют, например, с помощью конденсатора с пластинчатыми обкладками. Такое взаимодействие используется как между самими грузами, так и между грузами и другими телами, используемыми для обнаружения отклика на вращение. Этот тип взаимодействия менее склонен к изменениям, чем механическое сцепление, и может быть отрегулирован варьированием напряжения смещения, если это необходимо.
Краткое описание чертежей
Фигуры 1-6 являются видами сверху, отчасти схематическими, различных вариантов осуществления микромеханического вибрационного гироскопа, содержащегося в изобретении.
Подробное описание
В варианте на Фигуре 1 два груза связаны вместе непосредственно с использованием электростатической силы, которая зависит от взаимного положения двух грузов. Конденсатор связи - асимметричный, с емкостью, повышающейся при движении грузов навстречу друг другу и понижающейся при их взаимном отдалении.
В этом варианте грузы 101, 102 подвешены на брусьях 105-108 и 109-112, соответственно, при этом один конец каждого бруса закреплен на подложке. Каждый брус имеет L-образную форму, с консолями, тянущимися вдоль направлений х и у. Это подвешивание позволяет грузам 101, 102 перемещаться вдоль осей х и у. Груз 101 преимущественно соответствует грузу 102, а брусья 105-108 преимущественно соответствуют брусьям 109-112.
Пластинки 103, 104 соединены с грузами 101, 102, располагаясь параллельно друг другу, с зазором и образуют электроды или обкладки конденсатора. При приложении напряжения электростатическая сила между ними зависит от взаимного положения грузов 101, 102 вдоль оси х. Эта сила может иметь приближенное значение, поскольку пружина между двумя грузами имеет отрицательную жесткость.
Когда грузы 101, 102 приведены в вибрирующее состояние в фазе вдоль оси х, резонансная частота определяется динамической жесткостью брусьев 105-108 и 109-112. Когда грузы 101, 102 приведены в вибрирующее состояние в противофазе вдоль оси х, два груза движутся поочередно, приближаясь и удаляясь друг от друга, меняя свои взаимные положения. В этом случае резонансная частота определяется не только динамической жесткостью брусьев, но также отрицательной жесткостью пружины, индуцируемой электростатической силой между двумя грузами. Таким образом, при приложении разности напряжений через два груза резонансная частота противофазной волны в х-направлении может быть видоизменена и отделена от резонансной частоты синфазной волны в х-направлении.
Вариант из Фигуры 1а подобен варианту из Фигуры 1 за исключением того, что конденсатор связи симметричный и с приблизительно одинаковым изменением емкости при равных перемещениях грузов друг к другу и обратно.
Как и в варианте на Фигуре 1, сила притяжения между обкладками конденсатора растет с приближением грузов друг к другу, и, кроме того, обеспечиваются одинаковые изменения емкости при движении в каждом из направлений, а симметричный конденсатор также способствует достижению более линейной зависимости между емкостью и расположением грузов.
В качестве альтернативы брусья в варианте на Фигурах 1 и 1а могут быть модифицированы для допущения движения вдоль оси z, а не оси у. Движение, вызванное силами Кориолиса, затем ориентируется вдоль оси z, а ось у становится осью входа, вокруг которой обнаруживается вращение. Таким образом, ось входа будет находиться в плоскости устройства вместо того, чтобы быть перпендикулярной ей.
Вариант на Фигуре 1b также сходен с вариантом на Фигуре 1, но с добавлением способа сцепления вместе двух грузов для движения как вдоль оси у, так и вдоль оси х. Для такого сцепления используются пластинки 103by и 104by, которые тянутся вдоль грузов в направлении х и разделены на части вдоль оси у, в виде обкладок электростатического конденсатора связи, который сцепляет грузы вместе для движения вдоль оси у. Обкладки 103bx и 104bx сцепляют вместе два груза для движения вдоль оси х, как в варианте на Фигуре 1.
В варианте на Фигуре 2 гири 201 и 202 связаны электростатически через третий груз 203, который расположена между ними. Груз 201 сцепляется с грузом 203 с помощью обкладок 204, 205 конденсатора, которые прикреплены к двум грузам и пространственно ориентированы навстречу друг другу, а груз 202 сцеплен с грузом 203 аналогичным образом благодаря обкладкам 206 и 207.
Грузы 201, 202 и 203 подвешены на брусьях 208-211, 212-215 и 216-217, соответственно, при этом один конец каждого бруса закреплен на подложке. Брусья 208-211 и 212-215 имеют L-образную форму с консолями, тянущимися в х- и у-направлениях, позволяя, таким образом, грузам 201, 202 двигаться как в х-, так и в у-направлении. Брусья 216, 217 тянутся только вдоль направления у и позволяют грузу 203 двигаться только в х-направлении. Предпочтительно, чтобы весь чертеж был симметричным как вокруг оси х, так и вокруг оси у относительно центра структуры.
Напряжение приложено между грузами 201 и 203 и между грузами 202 и 203. При резонансе колебаний в противофазе грузов 201 и 202 в направлении х полная динамическая жесткость резонанса определяется динамическими жесткостями брусьев 208-211 и 212-215 и соответствующими отрицательными динамическими жесткостями сил, наложенных благодаря обкладкам 204, 205 и 206, 207 конденсатора. При синфазном резонансе колебаний грузов 201, 202 в направлении х динамическая жесткость брусьев 216 и 217 также является показателем полной динамической жесткости и резонансной частоты. Следовательно, резонансная частота противофазной волны может быть отделена от резонансной частоты синфазной волны.
Для обнаружения вращения вокруг оси в плоскости устройства вместо оси, расположенной перпендикулярно ей, брусья 208-215 могут быть модифицированы для обеспечения движения в z-направлении, пока сохраняется электростатическое взаимодействие грузов вдоль оси х. Движение, вызванное силами Кориолиса, будет затем направлено вдоль оси z, а ось у станет входной осью, вокруг которой обнаруживается вращение. В этом видоизмененном варианте электроды для обнаружения движения под действием сил Кориолиса могут быть расположены выше и/или ниже грузов, вдоль оси z.
Вариант на Фигуре 3 сходен с вариантом из Фигуры 1, с электродами 313-316 для обнаружения отклика на движение под действием сил Кориолиса вдоль оси у. Как и в варианте на Фигуре 1, грузы 301, 302, брусья 305-308 и 309-312 и обкладки 303, 304 конденсатора подвешены выше подложки 300.
Электроды 313-316 смонтированы на подложке в фиксированных положениях и расположены выше и ниже грузов в направлении у.
Когда грузы 301, 302 приводятся в колебание в противофазе в направлении х, а устройство вращается вокруг оси z, силы Кориолиса действуют на грузы 301, 302 по-разному, вызывая колебание груза 302 отдельно по направлению у. Это движение определяется в качестве критерия скорости вращения, вызванной емкостью, образованной электродами 313-316 и вибрирующими грузами.
Расположенные на противоположных сторонах грузов электроды 313-316 объединены с грузами в виде дифференциального емкостного детектора. Дифференциальное детектирование полезно для освобождения линейных ускорений от помех, поскольку эти помехи воспринимаются как синфазный сигнал, а не разностный сигнал.
Как показано на Фигуре 3, данный вариант восприимчив к вращению вокруг оси z, при обнаружении движения вдоль оси у. По желанию, этот вариант может также быть модифицирован с целью обнаружения вращения вокруг оси у, - в этом случае обкладки 313-316 могут быть размещены выше и/или ниже грузов по оси z.
Вариант на Фигуре 3а сходен с вариантом на Фигурах 1b и 3, в которых есть обкладки 303ах, 304ах конденсатора, обеспечивающие взаимодействие между грузами 301а, 302а при движении в направлении х, обкладки 303ау, 304ау, обеспечивающие взаимодействие при движении в направлении у, и обкладки 313а-316а, образующие емкости с грузами для обнаружения движения грузов в направлении у.
На Фигуре 4 показан другой вариант, в котором два груза соединены электростатически через третий груз, находящийся между ними. В этом варианте колебания вдоль оси у под действием сил Кориолиса передаются подвижным чувствительным элементам через механические брусья и затем детектируются в качестве меры скорости вращения с использованием, преимущественно, емкостных детекторов. В отсутствие сил Кориолиса, вызванных вращением, чувствительные элементы относительно неподвижны и не подвергаются влиянию колебания грузов вдоль оси х, минимизируя, таким образом, квадратичную ошибку.
Как, например, в варианте на Фигуре 2, грузы 401, 402 и 403, обкладки конденсатора 404, 405 и 406, 407 и брусья 408-411, 412-415 и 416, 417 подвешены на подложке 400. Кроме того, контрольные грузы 418, 419 также подвешены выше подложки с помощью брусьев 420, 421 и 422, 423 и соединены с грузами 401, 402 посредством брусьев 424, 425 и 426, 427 для движения в направлении у. Закрепленные чувствительные элементы 428-431 прикреплены к подложке вблизи контрольных грузов и связаны с ними емкостной связью.
Когда грузы 401, 402 приведены в колебательное движение в противофазе в х-направлении, и устройство вращается вокруг оси z, силы Кориолиса действуют по-разному на грузы 401, 402, вызывая их колебание отдельно по оси у. Это движение передается контрольным грузам 418, 419 посредством брусьев 424, 425 и 426, 427. Поскольку брусья 420, 421 и 422, 423 вытянуты только в х-направлении, контрольные грузы содержатся таким образом, чтобы они минимально подвергались воздействию колебания вибрирующих грузов в х-направлении в отсутствие сил Кориолиса. Движение контрольных грузов 418, 419 обнаруживается при изменении емкости между этими грузами и обкладками 428-431.
Другой вариант гироскопа, имеющий два груза, соединенные электростатически через третий груз и сцепленные с подвижным чувствительным элементом, показан на Фигуре 5. Как и в предыдущих вариантах, грузы 501, 502 и 503, обкладки 504, 505 и 506, 507 и брусья 508-511, 512-515, 516, 517 подвешены на подложке 500.
Контрольный груз 522 в форме жесткой прямоугольной рамки подвешен выше подложки с помощью брусьев 523-526 и соединен с грузами 501, 502 с помощью брусьев 518, 519 и 520, 521. Стационарные чувствительные элементы 527-530 прикреплены к подложке вблизи контрольного груза и связаны с ним посредством емкостной связи.
Когда грузы 501, 502 приведены в колебательное движение в противофазе в х-направлении, и устройство вращается вокруг оси z, силы Кориолиса действуют по-разному на грузы 501, 502, вызывая их колебание отдельно по оси у. Это движение передается контрольному грузу 522 посредством брусьев 518-521. Поскольку эти брусья вытянуты вдоль х-направления и относительно неупругие в этом направлении, движение в у-направлении легко передается, но дифференциальное колебание грузов по оси х не передается контрольным грузам на сколько-нибудь существенном уровне.
Брусья 523-526 поддерживают контрольный груз, находящийся под влиянием колебания грузов 501, 502 в направлении х, когда силы Кориолиса отсутствуют. Брусья 523-526 также крепко поддерживают груз 522 и замедляют изменения движения, отвечающие линейным ускорениям вдоль осей х и у, но при этом легко реагируют на любое изменение вращательного движения вокруг оси z, вызванное силами Кориолиса. Движение контрольного груза 522 обнаруживается за счет изменения емкости между этим грузом и электродными пластинами 427-430.
Другой вариант изобретения с закрепленным чувствительным элементом проиллюстрирован на Фигуре 6. В этом варианте грузы 601, 602 соединены электростатически за счет обкладок 603, 604 и подвешены выше подложки 600 посредством L-образных брусьев 605-608 и 609-612. Эти грузы также электростатически соединены с близлежащим контрольным грузом 621, имеющим форму жесткой прямоугольной рамки, за счет пластин 613, 614; 615, 616; 617, 618 и 619, 620. Чувствительный элемент подвешен на подложке за счет брусьев 622-625, а электродные пластинки 626-629 прикреплены к подложке и связаны емкостной связью с контрольным грузом для детектирования ее движения.
Когда грузы 601, 602 приведены в колебательное движение в противофазе в направлении х, и устройство вращается вокруг оси z, силы Кориолиса действуют на эти грузы по-разному и вызывают их отличные друг от друга колебания по направлению у. Эти изменения движения передаются контрольному грузу 621 через электродные пластины 613, 614; 615, 616; 617, 618 и 619, 620. Пары электродов образуют конденсаторы с параллельными обкладками, а когда между ними создается напряжение, электростатические силы между обкладками в каждой паре зависят от взаимных положений пар электродов в направлении у.
Брусья 622-625 поддерживают относительно неподвижный груз 621, когда сила Кориолиса отсутствует, уменьшая, таким образом, квадратичную ошибку. Они также прочно поддерживают груз 621 и, таким образом, эффективно замедляют изменения движения, вызванные линейным ускорением вдоль осей х и у, и при этом легко реагируют на изменения вращательного движения вокруг оси z, вызванные силами Кориолиса. Как и в предыдущих вариантах, движение контрольного груза 621 обнаруживается за счет изменений емкости между этим грузом и электронными пластинами 626-629.
Изобретение имеет много важных характеристик и преимуществ. В нем предусматривается микромеханический вибрационный гироскоп, в котором преодолеваются недостатки прототипов гироскопов, включая квадратичную ошибку, чувствительность к линейным ускорениям, нарушение баланса импульсов и влияния механического взаимодействия.
Нейтрализация дисбаланса импульсов достигается связыванием двух грузов и приданием им противофазных колебаний для уравновешивания механического момента. Связывание выполняется через электростатическую силу, которая является функцией взаимных положений двух грузов. Электростатическая сила может быть приложена непосредственно между двумя грузами или через один или более промежуточных грузов, находящихся между двумя движущимися грузами.
Поскольку эти два груза вибрируют в противофазе, выходной сигнал может считываться по-разному, так как силы Кориолиса действуют на грузы в противоположных направлениях. Влияния линейных ускорений воспринимаются как синфазные помехи и могут быть отфильтрованы электроникой для обработки сигналов. Таким образом, восприимчивость системы к линейным ускорениям может быть значительно снижена.
В некоторых вариантах изменения движения вибрирующих грузов, вызванные силами Кориолиса, передаются одному или более тел (то есть контрольным грузам) через механические брусья и/или с помощью электростатических сил, которые являются функцией взаимных положений движущихся контрольных грузов. Контрольные грузы подвешены таким образом, что они относительно неподвижны, когда силы Кориолиса отсутствуют, что приводит к значительному снижению квадратичной ошибки.
Способ, в котором контрольные грузы подвешены, также замедляет изменения в их движении, возникающие в ответ на линейное ускорение вдоль осей х и у, но позволяет им легко двигаться с разными скоростями вдоль оси отклика (у-оси), вызванного силами Кориолиса. В таких проектах существенно снижена восприимчивость к линейным ускорениям.
Микромеханический гироскоп сконструирован на плоской подложке с двумя колеблющимися грузами, связанными друг с другом с помощью электростатических сил, которые являются функцией взаимного положения этих двух грузов. Такие электростатические силы могут быть созданы как непосредственно между грузами, так и через один или более промежуточных грузов. Данное взаимодействие приводит к разным резонансным частотам для противофазного и синфазного резонансных колебаний вдоль оси вибрации. Техника связывания легко распространяется на микромеханические вибрационные гироскопы, имеющие более двух грузов.
Изменения движения, вызванные силами Кориолиса, передаются одной, или более, другим подвижным грузами или контрольным телам через механические брусья и/или с помощью электростатических сил, которые зависят от взаимных положений вибрирующих контрольных грузов.
Контрольные грузы подвешены таким образом, что они поддерживаются в относительно неподвижном состоянии в отсутствие сил Кориолиса, и они не подвержены влиянию колебания грузов, вибрирующих вдоль оси колебания.
Способ, в котором контрольные грузы подвешиваются, значительно замедляет движение этих грузов, возникающее в ответ на линейное ускорение в плоскости подложки, и при этом позволяет контрольным грузам легко реагировать на изменения в движении, вызванном вращением вокруг оси, перпендикулярной к плоскости подложки.
Электростатическое взаимодействие между грузами может быть симметричным или асимметричным и может использоваться вдоль исследуемой оси, также как и вдоль управляющей оси.
Поскольку в настоящее время предпочтительным вариантом является гироскоп, чувствительный к вращению вокруг оси z, электростатическое связывание применимо для гироскопа с входной осью, проходящей также вдоль оси у.
Несмотря на то, что изобретение было описано с конкретной ссылкой на микромеханический гироскоп, должно быть понятно, что оно в равной мере применимо и для других устройств, в которых вибрирующие тела взаимосвязаны электростатически.
Из вышеизложенного видно, что в изобретении предусматривается новый и усовершенствованный микромеханический вибрационный гироскоп. Хотя только некоторые из существующих предпочтительных вариантов изобретения описаны подробно, как может показаться специалистам в данной области техники, однако, могут быть предусмотрены определенные изменения и модификации, не выходя за рамки объема изобретения, который задан в формуле изобретения.