Чувствительный элемент микромеханического гироскопа двухосевого

Полезная модель относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических гироскопах, используемых в инерциальной навигации.
Известен чувствительный элемент микромеханического гироскопа [патент РФ на полезную модель №152970 от 02.12.2014 г., G01C 19/56], содержащий четыре идентичные инерционные массы, упругий подвес, электростатический вибропривод, четыре датчика выходного сигнала, четыре датчика силы, четыре датчика положения инерционных масс.
Чувствительный элемент данного микромеханического гироскопа позволяет измерять величину угловой скорости только по одной оси.
Недостатком известного устройства является невозможность измерения угловых скоростей по двум осям.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели аналогом по совокупности существенных признаков является чувствительный элемент микромеханического гироскопа [патент РФ на полезную модель №182540 от 13.12.2017 г., G01C 19/56], содержащий четыре идентичные инерционные массы, каждая из которых связана с платой упругими перемычками, образующими упругий подвес, вибропривод, четыре датчика выходного сигнала, четыре датчика силы, четыре датчика положения инерционных масс.
Признаки ближайшего аналога совпадают со следующими признаками предлагаемой полезной модели: плата из диэлектрического материала, первая, вторая, третья и четвертая идентичные инерционные массы, расположенные с зазором относительно платы, электростатический вибропривод, четыре датчика выходного сигнала, четыре электростатических датчика силы, четыре датчика положения инерционных масс, наружный контур упругого подвеса, состоящий из замкнутой цепи чередующихся между собой четырех коромысел и четырех балок, связанных между собой упругими перемычками, при этом на внешней стороне каждой из четырех балок размещен подвижный элемент вибропривода, каждая из четырех балок связана упругими перемычками с соответствующими анкерами, каждое из четырех коромысел связано упругими перемычками с соответствующим анкером.
Чувствительный элемент данного микромеханического гироскопа позволяет измерять величину угловой скорости только по одной оси, оси Z, направленной перпендикулярно плоскости чувствительного элемента.
Недостатком конструкции этого устройства является невозможность измерения угловых скоростей относительно двух взаимно перпендикулярных осей X и Y, расположенных в плоскости чувствительного элемента.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание чувствительного элемента микромеханического гироскопа двухосевого, позволяющего проводить измерения угловых скоростей относительно двух взаимно перпендикулярных осей X и Y, расположенных в плоскости чувствительного элемента.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемой полезной модели, заключается в возможности измерения величины угловой скорости относительно двух взаимно перпендикулярных осей X и Y, расположенных в плоскости чувствительного элемента.
Поставленная задача достигается тем, что чувствительный элемент микромеханического гироскопа двухосевого содержит плату из диэлектрического материала, первую, вторую, третью и четвертую идентичные инерционные массы, расположенные с зазором относительно платы, электростатический вибропривод, содержащий подвижные и неподвижные элементы, 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, замкнутую цепь чередующихся между собой четырех коромысел и четырех балок, связанных между собой упругими перемычками, образующими наружный контур упругого подвеса, при этом на внешней стороне каждой из четырех балок размещен подвижный элемент вибропривода, каждая из четырех балок связана упругими перемычками с соответствующими анкерами, каждое из четырех коромысел связано упругими перемычками с соответствующим анкером. Но, в отличие от известного, предлагаемый чувствительный элемент микромеханического гироскопа двухосевого дополнительно содержит четыре рамки, расположенные с зазором относительно платы, каждая из которых размещена по периметру вокруг соответствующей инерционной массы и соединена с соответствующей инерционной массой посредством упругих перемычек, рамки связаны между собой центральной системой перемычек, рамки связаны упругими перемычками с соответствующими анкерами, центральная система перемычек связана упругими перемычками с соответствующими анкерами. Центральная система перемычек может быть выполнена из упругих перемычек. Центральная система перемычек может быть выполнена из жестких перемычек. Электростатический датчик силы выполнен в виде плоского конденсатора. Датчик выходного сигнала выполнен в виде плоского конденсатора
Технический результат достигается за счет того, что чувствительный элемент микромеханического гироскопа двухосевого дополнительно содержит четыре рамки, расположенные с зазором относительно платы, каждая из которых размещена по периметру вокруг соответствующей инерционной массы и соединена с ней посредством упругих перемычек, рамки связаны между собой центральной системой перемычек, рамки и центральная система перемычек связаны упругими перемычками с соответствующими анкерами, что позволяет формировать вторичные колебания инерционных масс относительно двух осей, тем самым получить возможность измерять угловую скорость, действующую по двум взаимно перпендикулярным осям X и Y, расположенным в плоскости чувствительного элемента.
Сущность полезной модели поясняется графическими изображениями.
На фиг. 1 представлена конструктивная схема чувствительного элемента микромеханического гироскопа двухосевого.
На фиг. 2 представлена конструктивная схема чувствительного элемента микромеханического гироскопа двухосевого в разрезе.
Чувствительный элемент микромеханического гироскопа двухосевого (фиг. 1 и фиг. 2) содержит плату 1, выполненную из диэлектрического материала, первую 2, вторую 3, третью 4 и четвертую 5 идентичные инерционные массы, четыре рамки 6-9, четыре балки 10-13, четыре коромысла 14-17, расположенных с зазором относительно платы 1.
Устройство содержит электростатический вибропривод 18, первый 19, второй 20, третий 21 и четвертый 22 датчики положения инерционной массы, первый 23, второй 24, третий 25 и четвертый 26 электростатические датчики силы, первый 27, второй 28, третий 29 и четвертый 30 датчики выходного сигнала.
Вокруг каждой инерционной массы 2-5 по периметру располагается соответствующая рамка 6-9, соединенная с соответствующей инерционной массой посредством упругих перемычек 31, рамки 6-9, в свою очередь, через соответствующие упругие перемычки крепятся к плате 1, а также, через систему упругих перемычек соединяются между собой образуя центральную систему перемычек 32, часть перемычек которой соединены с платой 1.
Центральная система перемычек 32 может состоять из упругих перемычек, обеспечивающих упругое соединение рамок 6-9 в целях минимизации перекрестных связей между осями вторичных колебаний и, тем самым, повышения точности измерений.
Центральная система перемычек 32 может состоять из жестких перемычек, обеспечивающих жесткое соединение рамок 6-9 между собой в целях уменьшения влияния паразитных колебаний.
Четыре инерционных массы 2-5, четыре рамки 6-9, упругие перемычки 31 и центральная система перемычек 32 образуют внутренний контур упругого подвеса, допускающий колебательные движения каждой из масс вдоль оси X и вдоль оси Y.
Замкнутая цепь чередующихся между собой четырех коромысел 14-17 и четырех балок 10-13, связанных между собой упругими перемычками 31, образуют наружный контур упругого подвеса.
Каждое коромысло 14-17 через упругие перемычки соединено с платой 1 и через упругие перемычки 31 соединено с соответствующими балками. Коромысла 14-17 могут быть связаны между собой.
Каждая балка 10-13 через упругие перемычки соединены с платой 1 и через упругие перемычки 31 соединена с соответствующими коромыслами.
Электростатический вибропривод 18 представляет собой гребенчатую структуру, содержащую подвижные и неподвижные элементы. Подвижные элементы располагаются на внешней стороне центральной части соответствующей балки 10-13, а неподвижные элементы закреплены на плате 1.
Каждый датчик положения инерционной массы 19-22 представляет собой гребенчатую структуру, содержащую подвижные и неподвижные элементы. Подвижные элементы располагаются по краям внешней стороны соответствующей балки 10-13, а неподвижные элементы закреплены на плате 1.
Каждый электростатический датчик силы 23-26 представляется собой плоский конденсатор, содержащий подвижный и неподвижный элементы (обкладки). Неподвижный элемент размещен на плате 1, подвижный элемент является участком соответствующей инерционной массы 2-5, расположенный под неподвижным элементом датчика силы 23-26.
Каждый датчик выходного сигнала 27-30 представляется собой плоский конденсатор, содержащий подвижный и неподвижный элементы (обкладки). Неподвижный элемент размещен на плате 1, а подвижный элемент является участком соответствующей инерционной массы 2-5, расположенный под неподвижным элементом датчика выходного сигнала 27-30.
Электростатические датчики силы 23-26 позволяют корректировать диапазон преобразования и полосу пропускания.
Каждая из четырех рамок 6-9 через упругие перемычки 31 связана с соответствующими анкерами 33 (элементами крепления). Каждое из четырех коромысел 14-17 через упругие перемычки 31 связано с соответствующим анкером 33. Центральная система перемычек 32 через упругие перемычки 31 связана с соответствующими анкерами 33. Каждая из четырех балок 10-13 через упругие перемычки 31 связана с соответствующими анкерами 33.
Устройство работает следующим образом. При включении питания балки 10-13, синхронизируемые соответствующими коромыслами 14-17 под действием электростатических сил, возникающих в электростатическом виброприводе 18, начинают совершать попарно-противофазные поступательные колебания вдоль осей X и У, которые передаются соответствующим инерционным массам 2-5 через упругие перемычки 31. Амплитуда перемещений инерционных масс 2-5 определяется соответствующими датчиками положения инерционных масс 19-22. При появлении угловой скорости Ω относительно оси X инерционные массы 2 и 4 под действием сил инерции Кориолиса дополнительно начинают совершать противофазное поступательное движение в направлении оси Z, что сопровождается изменением зазора в емкостных датчиках выходного сигнала 27, 29. Данное изменение пропорционально воздействующей угловой скорости Ω. Аналогично, при появлении угловой скорости Ω относительно оси Y инерционные массы 3 и 5 под действием сил инерции Кориолиса дополнительно начинают совершать противофазное поступательное движение в направлении оси Z, что сопровождается изменением зазора в емкостных датчиках выходного сигнала 28, 30. Данное изменение пропорционально воздействующей угловой скорости Ω. Корректировка диапазона преобразования и полосы пропускания осуществляется подачей напряжения на электростатические датчики силы 23-26.
Использование полезной модели позволяет измерять величины угловой скорости относительно двух взаимно перпендикулярных осей X и Y, расположенных в плоскости чувствительного элемента.