МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ДАТЧИК УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
MICROMECHANICAL SENSOR OF ANGULAR SPEED

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к измерительной технике, и может быть использовано для измерения угловой скорости, например, в различных системах управления, навигации, стабилизации и наведения.
Известен датчик угловой скорости Mars-RR (Micromachined Angular Rate Sensor) [Geiger W. et al. A Silicon Rate Gyroscope with Decoupled Driving and Sensing Mechanisms MARS-RR. - Symposium Gyro Technology, Germany. - 1998], содержащий инерционную массу, закрепленную на упругих элементах подвеса относительно анкеров, скрепленных с подложкой. Упругие элементы подвеса позволяют инерционной массе перемещаться вдоль одной оси и вместе с несущей рамой вдоль второй оси. Электростатические датчики силы обеспечивают перемещение чувствительного элемента датчика положения вместе с несущей рамой и роторными элементами датчика силы.
Недостатками являются малое значение создаваемой электростатическими гребенчатыми двигателями силы, низкая точность и малый диапазон измерений.
Известен датчик угловой скорости Micromachined Comb Drive Tuning Fork Gyroscope [United States Patent 5496436], содержащий первую и вторую инерционные массы, связанные с несущей рамой посредством стержневых упругих элементов подвеса. Несущая рама связана с основанием через упругие элементы подвеса, обеспечивающие угловое движение. Электростатический датчик силы возбуждает противофазные первичные поступательные колебания.
При воздействии угловой скорости основания Кориолисовы силы создают переменный момент, приводящий к вторичным угловым колебаниям рамки. Угловые колебания измеряются емкостными датчиками, электроды которых расположены под первой и второй инерционными массами.
Недостатками являются малое значение создаваемой электростатическими гребенчатыми двигателями силы, низкая точность и малый диапазон измерений вследствие использования амплитудной модуляции сигнала.
Наиболее близким из известных технических решений является датчик угловой скорости ADXRS 300 [Geen J. US Patent №5635640 Micromachined device with rotationally vibrated masses. - 3 June 1997], содержащий основание и крышку, первую и вторую инерционные массы, закрепленные на упругих элементах подвеса, пластины для формирования контура электростатической обратной связи и реализации режима компенсации. Первая и вторая инерционные массы посредством трех электростатических двигателей гребенчатой структуры приводятся в вибрационное движение параллельно плоскости основания так, чтобы колебания инерционных масс имели противоположные фазы.
При наличии угловой скорости под действием силы Кориолиса одна инерционная масса будет подниматься, а другая - опускаться по отношению к плоскости вибрации. Чувствительные элементы емкостного датчика положения формируют выходной сигнал датчика угловой скорости.
Недостатками являются малое значение создаваемой электростатическими гребенчатыми двигателями силы, низкая точность и малый диапазон измерений вследствие использования амплитудной модуляции сигнала.
Задачей является создание датчика угловых скоростей, измеряющего угловые скорости с большей точностью и расширенным частотным диапазоном.
Техническим результатом является повышение точности и чувствительности измерения угловой скорости, расширение диапазона измерений.
Технический результат достигается тем, что в микромеханический датчик угловой скорости, содержащий основание и крышку, несущую раму, первую и вторую инерционные массы, закрепленные на упругих элементах подвеса, датчики положения каждой инерционной массы, дополнительно введены вторые датчики положения каждой инерционной массы, постоянные магниты, первый и второй компараторы, первый и второй ключи и источник постоянного тока, инерционные массы выполнены из монокристаллического кремния в виде пластин с прямоугольной оптической щелью каждая и закреплены в несущей раме с возможностью перемещения по двум взаимно перпендикулярным продольной и поперечной осям в плоскости, параллельной основанию, инерционные массы размещены в зазоре между постоянными магнитами, первые датчики положения каждой инерционной массы выполнены в виде пары, состоящей из излучателя и двухсегментного фотоприемника, оптические оси которых проходят через оптические щели, вторые датчики положения выполнены в виде пары, состоящей из излучателя и фотоприемника, световой поток которых модулируется краем пластины, излучатели и фотоприемники обоих датчиков положения каждой пластины закреплены в отверстиях на основании и крышке, соответственно, с возможностью фиксации первым датчиком перемещения инерционной массы по продольной оси, а вторым датчиком - по поперечной оси, на поверхности каждой инерционной массы, параллельно поперечной оси, напылены токопроводящие дорожки, начала и концы которых соединены между собой токопроводящими шинами, каждая из которых токоподводами через упругие элементы подвеса первой инерционной массы соединены с выходом первого ключа, к первому входу которого подключен источник постоянного тока, а ко второму входу подключен выход первого компаратора, к первому входу которого подключены выход одного сегмента фотоприемника первого датчика, а ко второму входу подключен выход второго сегмента, а с выхода фотоприемника второго датчика положения первой инерционной массы снимается выходной сигнал, излучатели датчиков положения первой инерционной массы подключены к источнику постоянного тока, токопроводящие шины второй инерционной массы токоподводами через упругие элементы подвеса второй инерционной массы соединены с выходом второго ключа, к первому входу которого подключен источник постоянного тока, а ко второму входу подключен выход второго компаратора, к первому входу которого подключены выход одного сегмента фотоприемника второго датчика, а ко второму входу подключен выход второго сегмента фотоприемника второго датчика, излучатели датчиков положения второй инерционной массы подключены к источнику постоянного тока.
Технический результат достигается за счет того, что первая и вторая инерционные массы совершают автоколебания под действием знакопеременного сигнала постоянного тока, формируемого в цепи обратной связи. При этом наличие входного воздействия приводит к смещению центра колебаний и возникновению временной модуляции сигнала.
Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленного микромеханического датчика угловой скорости, отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".
Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.
Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует "изобретательскому уровню".
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена электро-кинематическая схема датчика и введены следующие обозначения:
1. Первая инерционная масса.
2. Вторая инерционная масса.
3. Первые упругие элементы подвеса.
4. Вторые упругие элементы подвеса.
5. Несущая рама.
6. Постоянные магниты.
7. Основание.
8. Первая оптическая щель.
9. Вторая оптическая щель.
10. Крышка.
11. Первый излучатель.
12. Второй излучатель.
13. Первый двухсегментный фотоприемник.
14. Второй двухсегментный фотоприемник.
15. Третий излучатель.
16. Четвертый излучатель.
17. Первый фотоприемник.
18. Второй фотоприемник.
19. Первые токопроводящие дорожки.
20. Вторые токопроводящие дорожки.
21. Первая токопроводящая шина.
22. Вторая токопроводящая шина.
23. Третья токопроводящая шина.
24. Четвертая токопроводящая шина.
25. Первый токоподвод.
26. Второй токоподвод.
27. Первый ключ.
28. Источник постоянного тока.
29. Первый компаратор.
30. Третий токоподвод.
31. Четвертый токоподвод.
32. Второй ключ.
33. Второй компаратор.
На фиг.2а представлен сигнал на выходе первого и второго ключей 27 32 при отсутствии ускорения по продольной оси.
На фиг.2б представлен сигнал на выходе первого и второго ключей 27 и 32 при наличии ускорения по продольной оси.
В предлагаемом микромеханическом датчике угловой скорости первая и вторая инерционные массы 1, 2 размещены на упругих элементах подвеса 3, 4 в несущей раме 5 в зазоре между двумя постоянными магнитами 6 с возможностью линейного перемещения по двум взаимно перпендикулярным продольной и поперечной осям в плоскости, параллельной основанию 7, и выполнена из монокристаллического кремния в виде пластины с прямоугольными оптическими щелями 8, 9. Магниты 6 закреплены на основании 7 и крышке 10. Первые датчики положения каждой инерционной массы 1, 2 выполнены в виде пар, состоящих из излучателей 11, 12 и двухсегментных фотоприемников 13, 14, оптические оси которых проходят через оптические щели 8, 9, излучатели 11, 12 и двухсегментные фотоприемники 13, 14 закреплены на основании 7 и крышке 10. Вторые датчики положения выполнены в виде пар, состоящих из излучателей 15,16 и фотоприемников 17, 18, оптические оси которых проходят рядом с краем инерционных масс 1, 2. Излучатели 11, 12, 15, 16 и фотоприемники 13, 14, 17, 18 обоих датчиков положения каждой инерционной массы 1, 2 закреплены в отверстиях на основании 7 и крышке 10, соответственно. На поверхности каждой инерционной массы 1, 2 параллельно поперечной оси напылены токопроводящие дорожки 19, 20, начала которых соединены между собой токопроводяшими шинами 21, 22, а концы соединены токопроводяшими шинами 23, 24. Токопроводящие шины 21, 23 токоподводами 25, 26 через упругие элементы подвеса 3 первой инерционной массы 1 соединены с выходом ключа 27, к первому входу которого подключен источник постоянного тока 28, а ко второму входу подключен выход первого компаратора 29, к первому входу которого подключены выход одного сегмента двухсегментного фотоприемника 13 первого датчика, а ко второму входу подключен выход второго сегмента. Излучатели 11, 15 датчиков положения первой инерционной массы 1 подключены к источнику постоянного тока 28, токопроводящие шины 22, 24 второй инерционной массы 2 токоподводами 30, 31 через упругие элементы подвеса 4 второй инерционной массы 2 соединены с выходом второго ключа 32, к первому входу которого подключен источник постоянного тока 28, а ко второму входу подключен выход второго компаратора 33, к первому входу которого подключены выход одного сегмента двухсегментного фотоприемника 14 второго датчика, а ко второму входу подключен выход второго сегмента двухсегментного фотоприемника 14 второго датчика, излучатели 12, 16 датчиков положения второй инерционной массы 2 подключены к источнику постоянного тока 28.
Излучатели 11, 12, 15, 16 могут быть выполнены, например, на основе серийно выпускаемых светодиодов КИПД80 В.
Фотоприемники 17, 18 могут быть выполнены, например, на основе серийно выпускаемых фотоприемников МГ-32.
Двухсегментные фотоприемники 13, 14 могут быть выполнены, например, на основе серийно выпускаемых оптронов VO0630T [Пароль Н.В., Кайдалов С.А. Фоточувствительные приборы и их применение: Справочник. М: Радио и связь, 1991].
Компараторы 29, 33 могут быть выполнены, например, на основе серийно выпускаемой микросхемы (компаратора) 521СА2.
Ключи 27, 32 могут быть выполнены, например, на основе серийно выпускаемого транзистора ГТ108.
Источник постоянного тока 28 может быть представлен любой типовой схемой, удовлетворяющей заданным параметрам питания токопроводящих дорожек 19, 20. [Справочник по элементам радиоэлектронных устройств. Под ред. В.Н.Дулина, М.С.Жука. М: Энергия, 1977].
Микромеханический датчик угловой скорости работает следующим образом:
Микромеханический датчик угловой скорости устанавливают на объект для измерения угловой скорости с учетом того, что ось чувствительности ортогональна плоскости основания 7 и проходит через его центр. В исходном состоянии первый излучатель 11 через первую оптическую щель 8 открыт для первого сегмента первого двухсегментного фотоприемника 13, а для второго его сегмента - закрыт. В результате, на выходе первого сегмента этого двухсегментного фотоприемника появляется сигнал, который направляется на первый вход первого компаратора 29, выходное напряжение которого управляет первым ключом 27, который подключает источник постоянного тока 28 к первым токопроводящим дорожкам 19 через первую и третью токопроводящие шины 21, 23, первый и второй токоподводы 25, 26. В результате создания магнитного поля k токопроводяшими дорожками 19, имеющими длину l, при подаче на них электрического тока  и взаимодействия этого магнитного поля с магнитным полем постоянных магнитов 6, имеющим индукцию , возникает сила , действующая на инерционную массу 1 по продольной оси и равная
.
Инерционная масса 1 под действием силы перемещается по продольной оси, при этом первый излучатель 11 через первую оптическую щель 8 становится открыт для второго сегмента первого двухсегментного фотоприемника 13 и закрыт для первого его сегмента. Вследствие этого с выхода первого сегмента этого двухсегментного фотоприемника сигнал поступать перестает, а на выходе второго его сегмента появляется сигнал. Этот сигнал направляется на второй вход первого компаратора 29, выходной сигнал которого направляется на первый ключ 27, что приводит к переключению им направления тока в токопроводящих дорожках 19. Далее процесс переключения повторяется, и инерционная масса 1 совершает автоколебания по продольной оси.
В исходном состоянии второй излучатель 12 через вторую оптическую щель 9 открыт для первого сегмента второго двухсегментного фотоприемника 14, а для второго его сегмента - закрыт. В результате, на выходе первого сегмента этого двухсегментного фотоприемника появляется сигнал, который направляется на первый вход второго компаратора 33, выходное напряжение которого управляет вторым ключом 32, который подключает источник постоянного тока 28 ко вторым токопроводящим дорожкам 20 через вторую и четвертую токопроводящие шины 22, 24, третий и четвертый токоподводы 30, 31. Инерционная масса 2 перемещается по продольной оси, при этом второй излучатель 12 через вторую оптическую щель 9 становится открыт для второго сегмента второго двухсегментного фотоприемника 14 и закрыт для первого его сегмента. Вследствие этого с выхода первого сегмента этого двухсегментного фотоприемника сигнал поступать перестает, а на выходе второго его сегмента появляется сигнал. Этот сигнал направляется на второй вход второго компаратора 33, выходной сигнал которого направляется на второй ключ 32, что приводит к переключению им направления тока в токопроводящих дорожках 19. Далее процесс переключения повторяется, и инерционная масса 2 совершает автоколебания по продольной оси в противофазе с первой инерционной массой 1.
При воздействии на микромеханический датчик угловой скорости он работает следующим образом. При наличии угловой скорости  по оси чувствительности датчика на первую инерционную массу 1, движущуюся по продольной оси со скоростью  и имеющую массу m, по поперечной оси действует сила  равная
Вследствие действия силы  первая инерционная масса 1 совершает автоколебания по поперечной оси, при этом световой поток третьего излучателя 15, поступающий на первый фотоприемник 17, модулируется краем первой инерционной массы 1. Выходной сигнал первого фотоприемника 17 несет информацию об угловой скорости вращения микромеханического датчика угловой скорости .
При наличии угловой скорости  по оси чувствительности датчика вторая инерционная масса 2 совершает автоколебания по поперечной оси в противофазе с первой инерционной массой 1, при этом световой поток четвертого излучателя 16, поступающий на второй фотоприемник 18, модулируется краем второй инерционной массы 2. Выходной сигнал второго фотоприемника 18 несет информацию об угловой скорости вращения микромеханического датчика угловой скорости .
Дополнительным преимуществом микромеханического датчика угловой скорости является возможность измерения ускорения по продольной оси. При воздействии на микромеханический датчик ускорения по продольной оси на первую инерционную массу 1 по продольной оси будет действовать сила инерции. Это приводит к смещению центра колебаний первой инерционной массы 1. В итоге данные явления приведут к изменению длительности прямоугольных импульсов на выходе первого ключа 27 (фиг.2б). Аналогичным образом, но в противофазе произойдет смещение центра колебаний второй инерционной массы 2, что приведет к изменению длительности прямоугольных импульсов на выходе второго ключа 32.
По изменению длительности прямоугольных импульсов на выходе первого и второго ключа 27 и 32 можно определить измеряемое ускорение по продольной оси.
Повышение точности измерений достигается за счет введения режима автоколебаний и уменьшении вследствие этого вредных моментов, действующих на первую и вторую инерционные массы 1 и 2.
Совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает достижение технического результата при осуществлении изобретения в силу того, что содержащиеся в заявленном устройстве основание и крышка, несущая рама, первая и вторая инерционные массы с прямоугольными оптическими щелями и токопроводяшими дорожками, упругие элементы подвеса, первый и второй датчики положения каждой инерционной массы, два постоянных магнита, первый и второй ключи, первый и второй компараторы, источник постоянного тока могут быть эффективно использованы для измерения угловой скорости.
Таким образом приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного изобретения выполняются следующие условия:
- средство, воплощающее предлагаемое устройство при его осуществлении, предназначено для использования в измерительной технике, а именно в угловых акселерометрах для измерения углового ускорения, например в инерциальных системах навигации;
- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных до даты подачи заявки средств;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".