МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП

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 [патент РФ №130693 на полезную модель "Микромеханический гироскоп". Заявка №2012137558 от 03 сентября 2012 г.], содержащий корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала, четыре идентичные инерционные массы, упругий подвес, электростатический вибропривод, блок электроники, первый и второй датчики выходного сигнала, первый и второй электростатические датчики силы, датчики положения инерционных масс.
Признаки аналога совпадают со следующими признаками предлагаемой полезной модели:
корпус выполнен в виде платы из диэлектрического материала;
первая, вторая, третья и четвертая идентичные инерционные массы, выполнены в виде пластины из кремния, расположены с зазором относительно платы и связаны с ней упругими перемычками, образующими упругий подвес, допускающий колебательные движения каждой из инерционных масс вдоль первой и вдоль второй взаимно перпендикулярных осей;
электростатический вибропривод;
блок электроники;
датчики выходного сигнала;
электростатические датчики силы;
первый, второй, третий и четвертый датчики положения инерционных масс;
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;
внутренний контур упругого подвеса выполнен в виде квадратной упругой рамки, расположенной в центре устройства;
каждая из сторон квадратной рамки связана с центральным анкером упругими перемычками;
датчики силы размещены на диагоналях квадратной рамки;
конструкция всего устройства симметрична относительно центральной точки.
К недостаткам аналога можно отнести невысокую точность. 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.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели аналогом по совокупности существенных признаков является микроэлектромеханический гироскоп [патент РФ на полезную модель №152970, G01С 19/56, заявка №2014148601/28 (078153) от 02.12.2014 г.], содержащий корпус, выполненный в виде платы из диэлектрического материала, четыре идентичные инерционные массы, упругий подвес, электростатический вибропривод, блок электроники, четыре датчика выходного сигнала, четыре датчика силы, четыре датчика положения инерционных масс.
Признаки ближайшего аналога совпадают со следующими признаками предлагаемой полезной модели:
корпус выполнен в виде платы из диэлектрического материала;
первая, вторая, третья и четвертая идентичные инерционные массы, выполнены в виде пластины из кремния, расположены с зазором относительно платы и связаны с ней упругими перемычками, образующими упругий подвес, допускающий колебательные движения каждой из инерционных масс вдоль первой и вдоль второй взаимно перпендикулярных осей;
электростатический вибропривод;
блок электроники;
четыре датчика выходного сигнала;
четыре датчика силы;
четыре датчика положения инерционных масс;
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;
на внешней стороне каждой из четырех балок размещен подвижный элемент вибропривода, а на внутренней стороне каждой из балок размещен подвижный элемент соответствующего датчика положения инерционной массы;
в каждой инерционной массе выполнены по две прорези, в каждой из которых размещены петлеобразные упругие перемычки, связывающие инерционную массу с соответствующей балкой;
внутренний контур упругого подвеса выполнен в виде квадратной упругой рамки, расположенной в центре устройства;
каждая из сторон рамки связана с соответствующими анкерами, расположенными внутри рамки, линейными упругими перемычками;
подвижные элементы четырех датчиков силы расположены на диагонально ориентированных стержнях;
датчика выходного сигнала, также как и датчики силы, включены по дифференциальной схеме.
К недостаткам ближайшего аналога можно отнести недостаточно высокую точность, обусловленную, во-первых, жесткой связью между подвижными элементами датчиков выходного сигнала и подвижными элементами датчиков силы, участвующих в процедуре балансировки устройства; во-вторых, высоким уровнем квадратурной помехи; и, наконец, в-третьих, близостью значений паразитных и рабочих частот.
Задача, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, состоит в повышение точности работы устройства.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в повышении точности работы устройства.
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 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 взаимно перпендикулярных осей, электростатический вибропривод, содержащий подвижные и неподвижные элементы, блок электроники, первый, второй, третий и четвертый датчики выходного сигнала, содержащие подвижные и неподвижные элементы, первый, второй, третий и четвертый 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 сторон квадратной рамки связана с соответствующими анкерами, расположенными внутри рамки, линейными упругими перемычками, подвижные элементы всех четырех датчиков силы расположены на диагонально ориентированных стержнях, все четыре датчика выходного сигнала, также как и все четыре датчика силы, включены по дифференциальной схеме, каждая из четырех балок также может быть связана своими концами с соответствующими анкерами четырьмя упругими перемычками, свободные концы которых объединены жесткой пластиной. Каждое из четырех коромысел может быть связано с соответствующим анкером, расположенным с внешней стороны данного коромысла, двумя взаимно перпендикулярными прямыми упругими перемычками. Подвижные элементы каждого из четырех датчиков выходного сигнала могут быть размещены на серединах каждой из сторон квадратной рамки. Подвижные элементы каждого из четырех датчиков силы могут быть размещены на выступающих с внешней стороны квадратной рамки концах диагонально ориентированных стержней, расположенных на вершинах квадратной рамки, внутренние и наружные концы которых связаны через линейные упругие перемычки с соответствующими анкерами.
Существенные признаки, отличающие предлагаемую полезную модель от ближайшего аналога (прототипа), являются:
каждая из четырех балок также связана своими концами с соответствующими анкерами четырьмя упругими перемычками, свободные концы которых объединены жесткой пластиной;
каждое из четырех коромысел связано с соответствующим анкером, расположенным с внешней стороны данного коромысла, двумя взаимно перпендикулярными прямыми упругими перемычками;
подвижные элементы каждого из четырех датчиков выходного сигнала размещены на серединах каждой из сторон квадратной рамки;
подвижные элементы каждого из четырех датчиков силы размещены на выступающих с внешней стороны квадратной рамки концах диагонально ориентированных стержней, расположенных на вершинах квадратной рамки, внутренние и наружные концы которых связаны через линейные упругие перемычки с соответствующими анкерами.
Указанная совокупность существенных признаков является достаточной для достижения обеспечиваемого полезной моделью технического результата.
Сущность полезной модели поясняется графическими изображениями. На фиг. 1 представлена принципиальная конструктивная схема устройства. На фиг. 2 представлен фрагмент конструктивной схемы в другой пропорции.
Пример конкретного выполнения устройства приведен на фиг. 1.
Устройство содержит корпус, выполненный в виде платы 1, первую 2, вторую 3, третью 4 и четвертую 5 инерционные массы, расположенные с зазором относительно платы 1 и связаны с ней упругими перемычками 6, образующими упругий подвес, допускающий колебательные движения каждой из масс вдоль первой XX и вдоль второй YY взаимно перпендикулярных осей. Вибропривод 7 содержит подвижные элементы (электроды) и неподвижные (не показаны), закрепленные на плате 1. Блок электроники (не показан). Первый 8, второй 9, третий 10 и четвертый 11 датчики выходного сигнала содержат подвижные и неподвижные (не показаны) элементы, закрепленные на плате 1. Первый 12, второй 13, третий 14 и четвертый 15 датчики силы также содержат подвижные и неподвижные (не показаны) электроды. Первый 16, второй 17, третий 18 и четвертый 19 датчики положения инерционных масс также содержат подвижные и неподвижные электроды. Упругий подвес выполнен в виде наружного и внутреннего контура. Наружный контур представляет собой замкнутую цепь чередующихся между собой четырех коромысел 20 и четырех балок 21, связанных между собой упругими петлеобразными перемычками 6. На внешней стороне каждой из четырех балок 21 размещен подвижный элемент вибропривода 7. На внутренней стороне каждой из четырех балок 21 размещен подвижный элемент соответствующего датчика положения инерционной массы. В каждой инерционной массе выполнены две прорези 22, в каждой из которых размещены петлеобразные упругие перемычки 6, связывающие инерционную массу с соответствующей балкой 21. Внутренний контур упругого подвеса выполнен в виде квадратной упругой рамки 23, расположенной в центральной части устройства. Каждая из сторон рамки 23 связана с анкерами 24, расположенными внутри рамки 23, линейными упругими перемычками 6, допускающими линейные перемещения стороны рамки 23. Подвижные элементы четырех датчиков силы размещены на выступающих с внешней стороны квадратной рамки 23 концах диагонально ориентированных стержней 25, расположенных на вершинах квадратной рамки 23. Внутренние и наружные концы стержней 25 связаны через линейные упругие перемычки с соответствующими анкерами.
Каждая из четырех балок 21 также связана своими концами с соответствующими анкерами четырьмя упругими перемычками, свободные концы которых объединены жесткой пластиной 26.
Каждое из четырех коромысел 20 связано с анкером, расположенным с внешней стороны данного коромысла 20, двумя взаимно перпендикулярными прямыми упругими перемычками 6.
Подвижные элементы каждого из четырех датчиков выходного сигнала размещены на серединах каждой из сторон квадратной рамки 23.
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 со скоростями V. При появлении угловой скорости Ω вокруг оси, перпендикулярной плоскости инерционных масс, возникают силы инерции Кориолиса, которые вызывают противофазные перемещения инерционных масс вдоль осей XX и YY.
Вместе с массами 2, 3, 4 и 5 вдоль этих же осей перемещаются и подвижные элементы датчиков 8, 9, 10 и 11 выходного сигнала. Сигналы с датчиков 8, 9, 10 и 11 поступают в блок электроники. Выходной сигнал устройства содержит информацию об измеряемой угловой скорости Ω корпуса (платы 1).
Совокупность существенных признаков предлагаемой полезной модели обеспечивает существенное повышение точности работы устройства за счет следующих факторов. Во-первых, осуществлена механическая развязка между подвижными элементами датчиков выходного сигнала и подвижными элементами датчиков силы, участвующих в процедуре балансировки устройства. Во-вторых, существенно снижен уровень квадратурной помехи. В-третьих, уменьшено влияние на работу устройства паразитных частот. Паразитные частоты в предлагаемом устройстве существенно превышают значения рабочих частот и разнесены на величину, превышающую 6 кГц. Рабочие частоты лежат в диапазоне 13-14 кГц. Паразитные частоты - более 20 кГц.
Использование полезной модели позволит повысить точность работы устройства.