МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ГИРОСКОПА

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в интегральных приборах навигации.
Известен чувствительный элемент интегрального гироскопа [1], содержащий несущую пластину, выполненную из монокремния, подвижный узел, состоящий из двух рамок: внешней, соединенной с несущей пластиной с помощью двух торсионов, и внутренней, соединенной с внешней рамкой также с помощью двух торсионов.
Недостатком устройства является низкая точность, обусловленная тем, что информационным сигналом является амплитуда механических колебаний рамки, на которые, кроме полезного сигнала, накладываются случайные колебания от мест закрепления.
Известен также микромеханический чувствительный элемент гироскопа [2], содержащий корпусную пластину в которой подвешена на торсионах поворотная рамка, внутри поворотной рамки подвешена на торсионах чувствительная масса, торсионы которых расположены относительно друг друга под углом 90°. Чувствительная масса приводится в вынужденные колебания относительно подвижной рамки. При наличии угловой скорости начинает качаться подвижная рамка относительно корпусной пластины.
Недостатком известного устройства является низкая точность, обусловленная тем, что в нем нет механического преобразования измеряемой угловой скорости в непрерывный выходной сигнал.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности микрогироскопа за счет исключения влияния амплитуды колебаний поворотной рамки на точность преобразований. Этот технический результат достигается тем, что в микромеханическом чувствительном элементе гироскопа, содержащем корпусную пластину, в которой подвешена на торсионах поворотная рамка, чувствительная масса подвешена внутри поворотной рамки на упругих Г-образных растяжках с возможностью совершения движения по окружности относительно нейтрального положения.
К существенным отличиям заявленного устройства, по сравнению с известным, относится то, что движение чувствительной массы по окружности позволяет получать результат измерения угловой скорости в виде угла отклонения поворотной рамки. В предложенном устройстве поворотная рамка не совершает колебаний относительно корпусной пластины, как в прототипе, а отклоняется на угол, пропорциональный поворотной скорости, т.е. присутствует механическое преобразование угловой скорости в непрерывный выходной сигнал. Это позволило упростить обработку выходной величины и повысить точность микрогироскопа, поскольку исключается преобразование переменного сигнала в среднее значение.
Предлагаемый микромеханический чувствительный элемент гироскопа иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1 и 2. На фиг.1 показан вид на чувствительный элемент микрогироскопа сверху, а на фиг.2 сечение чувствительного элемента по линии А-А фиг.1.
Микромеханический чувствительный элемент гироскопа содержит (фиг.1) корпусную пластину 7, внутреннюю несущую пластину 2 подвешенную в окне корпусной пластины 7 на консоли 3, поворотную рамку 4, чувствительную массу 5, которая представляет собой четыре квадратных элемента, соединенных центральной площадкой в крестообразную конструкцию, электроды 6 для возбуждения движений чувствительной массы 5,
торсионы 7, соединяющие поворотную рамку 4 с внутренней несущей пластиной 2, Г-образные упругие растяжки 8 подвеса чувствительной массы 5 внутри поворотной рамки 4. С обеих сторон корпусной пластины 7 расположены неподвижные обкладки 9 и 10, соединенные с корпусной пластиной 1 жестко. На неподвижной обкладке 10 размещены электроды 11 датчика угловых перемещений. Микромеханический чувствительный элемент гироскопа полностью выполнен из монокремния методом анизотропного травления и соединения между собой отдельных кремниевых элементов, нанесения и спекания дополнительных алюминиевых слоев.
Поворотная рамка 4 в данной конструкции выполняет роль гирочувствительного узла, а чувствительная масса 5 внутри поворотной рамки 4 - функции гиромотора и приводится в принудительные движения ее центра тяжести по окружности относительно нейтрального положения центра чувствительной массы с помощью электростатического автогенератора.
Упругие торсионы 7 работают на кручение и обеспечивают угловое движение поворотной рамки 4 относительно оси у. Г-образные упругие растяжки 8 работают на изгиб и обеспечивают чувствительной массе 5 движения в плоскости ху. Движение чувствительной массы 5 в других плоскостях ограничивается тем, что сечение упругих растяжек 8 выполнено с большим отношением ширины растяжки к ее толщине.
Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом. При отсутствии угловой скорости  Ω каждая точка чувствительной массы 5 совершает движения по окружности относительно нейтрального положения в плоскости ху. Такое движение задается посредством последовательности импульсов, подаваемых в 1-й, 2-й, 3-й и 4-й такты на соответствующие электроды 6 возбуждения (фиг.1). Поворотная рамка 4 при этом является неподвижной.
х
При наличии поворотной скорости  Ω чувствительная масса 5 получает гироскопический момент, который через Г-образные растяжки 8
отклонит поворотную рамку 4 относительно оси у. Величина угла отклонения поворотной рамки прямо пропорциональна поворотной скорости. В статике имеем:
k
где К=Iω/G - коэффициент крутизны статической характеристики;
2
k
I=mr - полярный момент инерции чувствительного массы; m - чувствительная масса; r - радиус окружности, по которой движется чувствительная масса; ω - частота возбуждения принудительных колебаний; G- жесткость торсиона на кручение;  Ω - измеряемая поворотная скорость. Из (1) видно, что между углом отклонения поворотной рамки 4 и измеряемой величиной  Ω существует линейная зависимость. Повышается точность микромеханического чувствительного элемента гироскопа.