Зубчатый резонатор инерциального микромеханического датчика

Полезная модель относится к чувствительным элементам инерциальных микромеханических датчиков и может быть использована в микромеханических датчиках угловой ориентации (гироскопах) с улучшенными метрологическими характеристиками.
Из уровня техники известен резонатор (патент США US 5,450,751 МПК G01P 15/14 от 19.09.1995), состоящий из жестко закрепленного основания, связанного с помощью упругих подвесов с кольцевым инерциальным элементом. Недостатком устройства является то, что конструкция кольцевого инерциального элемента не предполагает специальных приспособлений для его балансировки.
Из уровня техники известен также резонатор (патент ЕР 1271686 А1, МПК Н01Р 7/08, Н01Р 1/203 от 02.01.2003), состоящий из жестко закрепленного основания, связанного с помощью упругих подвесов с инерциальным элементом кольцевой формы, который содержит углубления (выемки), влияющие на резонансные частоты резонатора. Данная конструкция допускает балансировку резонатора путем удаления части материала, принадлежащего основной части кольца, что приводит к уменьшению прочности резонатора, требует высокой точности создания неоднородностей (углублений в материале кольца). Кроме того, значительные нарушения размеров поперечного сечения кольца могут привести к отклонению фактической формы деформации кольца от расчетной формы. Наличие этого отклонения может стать дополнительным источником погрешностей датчика, что является его недостатком. Данное устройство принято за прототип.
В основу полезной модели поставлена задача - улучшить метрологические характеристики инерциального микромеханического датчика путем применения зубчатого резонатора, который можно сбалансировать путем удаления части зубцов (выступов).
Задача решается за счет того, что зубчатый резонатор инерциального микромеханического датчика выполнен в виде конструкции, содержащей жестко закрепленный элемент, который с помощью упругих подвесов соединен с инерциальным элементом кольцевой формы, имеющим зубцы. Удаление материала с зубцов не уменьшает поперечное сечение основной части кольца, поэтому не снижает прочность резонатора. Зубцы можно подвергнуть более грубым методам обработки, так как они являются не углублениями, а выступами относительно поверхности кольца. Зубцы практически не испытывают деформаций в рабочем режиме, и, следовательно, отклонение фактической формы деформации от расчетной после удаления части материала с зубцов будет значительно меньше, чем при удалении материала с основной части кольцевого элемента резонатора.
Устройство характеризуется следующими чертежами:
на фиг. 1 представлена конструкция зубчатого резонатора;
на фиг. 2 изображена диаграмма вибрации зубчатого резонатора.
Устройство состоит из жестко закрепленного элемента круглой формы 1, восьми упругих подвесов 2, инерциального элемента кольцевой формы 3, который содержит зубцы 4.
Устройство работает следующим образом.
В элементе кольцевой формы 3 (Фиг. 1) возбуждаются и поддерживаются вынужденные колебания на второй собственной частоте кольца электростатическим или иным методом, причем воздействие происходит, например, в направлении осей 5-5, 6-6 (Фиг. 2). В таком случае, информационные колебания будут распространяться вдоль осей 7-7, 8-8. При отсутствии угловой скорости в плоскости кольца деформация резонатора в точках 9, 10, 11, 12 является периодической функцией времени. При наличии угловой скорости, действующей в плоскости кольца, возникает сила Кориолиса, в результате чего данная функция будет зависеть не только от времени, но и от значения угловой скорости. Выделив составляющую, обусловленную действием на кольцевой элемент силы Кориолиса, можно определить угловую скорость, что и является выходной информацией инерциального датчика (гироскопа).
Улучшить метрологические характеристики инерциального датчика возможно за счет минимизации квадратурной ошибки, присущей резонаторам. Квадратурная ошибка является следствием того, что в резонаторе могут одновременно существовать две волны упругих изгибных колебаний второй моды - основная и квадратурная. Наличие квадратурной волны проявляется в колебаниях узловых точек основной волны, сдвинутых по фазе на 90°. Вследствие неравномерного распределения масс, несовершенства технологии изготовления, анизотропии свойств материала, приведенные массы, коэффициенты жесткости и коэффициенты демпфирования различаются по данным направлениям. Это приводит к появлению двух близких по значению частот колебаний вместо одной и разной величины добротности резонатора по этим направлениям. Данный эффект также называют расщеплением частоты.
Применение чувствительного элемента с зубцами, массу с которых можно удалить полностью или частично различными методами, в том числе и лазерным испарением, позволит устранить дисбаланс масс резонатора, минимизировать расщепление частоты и, соответственно, минимизировать амплитуду квадратурной волны, что уменьшает квадратурную ошибку. Тем самым достигается улучшение метрологических характеристик инерциального датчика, что является преимуществом заявленной полезной модели.