МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ВИБРАЦИОННЫЙ ГИРОСКОП (ЕГО ВАРИАНТЫ) Российский патент 1997 года по МПК G01C19/56 

Изобретение относится к области гироскопической техники и может быть использовано в системах управления подвижных объектов различного назначения, а также в качестве индикаторов движения объектов.

Известны микромеханические вибрационные гироскопы (ММВГ) [1]
Особенностью ММВГ является преимущественное изготовление чувствительных элементов этих приборов единым элементом из кремния, стекла или кварца по кремниевой технологии, что предопределяет:
малые габариты и вес ММВГ;
возможность применения групповой технологии изготовления и следовательно, дешевизну изготовления при массовом производстве;
высокую надежность в эксплуатации.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному изобретению является микромеханический вибрационный гироскоп [2] содержащий корпус, внутреннюю рамку с инерционной массой, наружную рамку, две пары торсионов по взаимоортогональным осям, соединяющих внутреннюю рамку с наружной и наружную рамку с корпусом, датчики момента по оси наружной рамки и датчики угла по оси внутренней рамки.

Известный ММВГ обладает следующим существенным недостатком.

Для измерения угловых перемещений по измерительной оси (оси внутренней рамки) элементы датчика угла (ДУ) должны располагаться на некотором плече вдоль оси наружной рамки. Если при этом ДУ смещен относительно наружной оси вследствие, например, неперпендикулярности осей подвеса рамок или погрешности установки самого ДУ, то при возбуждении колебаний по наружной оси, эти колебания будут присутствовать непосредственно в колебаниях по внутренней оси и вызывать погрешность измерения. Хотя указанная помеха сдвинута по фазе относительно полезного измеряемого сигнала (в пределе на 90^o), требуется выделение малого полезного сигнала на фоне большой помехи. Это является сложной технической задачей и в конечном итоге является причиной снижения точности гироскопа.

Целью и техническим результатом изобретения является повышение точности микромеханического вибрационного гироскопа.

Указанная цель достигается двумя вариантами технических решений.

Вариант 1.

В микромеханическом вибрационном гироскопе, содержащем корпус, внутреннюю рамку с инерционной массой, наружную рамку, две пары взаимноортогональных торсионов, соединяющих внутреннюю рамку с наружной и наружную рамку с корпусом, датчики момента по оси наружной рамки и датчики угла по оси внутренней рамки, элементы возбуждения или съема которых размещены на корпусе и на внутренней рамке соответственно, наружная рамка выполнена с крышками, поверхности которых образуют с поверхностями корпуса и внутренней рамки рабочие зазоры, при этом ответные элементы датчиков момента и датчиков угла размещены на крышках со стороны рабочих зазоров.

Датчики угла в гироскопе выполнены на основе полевых транзисторов с подвижным затвором (механисторов).

Элементы датчиков угла и датчиков момента размещены по разные стороны инерционной массы в направлении оси наружной рамки, выполнено экранирование зоны расположения элементов датчиков угла металлизацией и электрическим объединением поверхностей инерционной массы, корпуса и крышек в зоне расположения элементов датчиков угла.

Торсионы в гироскопе выполнены с крестообразным сечением.

Вариант 2.

В микромеханическом вибрационном гироскопе, содержащем корпус, внутреннюю рамку с инерционной массой, наружную рамку, две пары взаимноортогональных торсионов по осям внутренней и наружной рамок соответственно, датчики момента по оси наружной рамки и датчики угла по оси внутренней рамки, дополнительно установлены датчики момента по оси внутренней рамки и датчики угла по оси наружной рамки, а также блок возбуждения и компенсации, при этом первый и второй выходы блока, являющиеся выходами сигналов возбуждения колебаний, соединены с первым и вторым датчиком момента по оси внутренней рамки соответственно, а третий и четвертый выходы блока, являющиеся выходами сигналов компенсации, соединены с первым и вторым датчиком момента по оси наружной рамки соответственно, выход датчика угла по оси наружной рамки является выходом гироскопа.

Блок возбуждения и компенсации содержит генератор импульсов с двумя выходами, причем импульсы на первом выходе генератора сдвинуты по времени относительно импульсов на втором выходе на половину периода их следования, два делителя напряжения, содержащих регулировочные резисторы, при этом первый выход генератора соединен с первым делителем и является первым выходом блока, второй выход генератора соединен с вторым делителем и является вторым выходом блока, а выходы делителей являются третьим и четвертым выходом блока соответственно.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена конструктивная схема ММВГ с крышками на наружной рамке; на фиг.2 сечение торсионов подвеса рамок; на фиг.3 конструктивная схема ММВГ с возбуждением колебаний внутренней рамки; на фиг. 4 схема компенсации помехи по измерительной оси (наружной рамки) от колебаний возбуждения (внутренней рамки).

На фиг. 1 обозначено: 1 корпус, I^В, I^Н верхняя и нижняя детали корпуса соответственно; 2 наружная рамка; 3- внутренняя рамка; 4 - инерционная масса; 5, 6 торсионы подвеса рамок; 7 элементы датчиков момента по оси наружной рамки (ДМ_γ); 8 элементы датчиков угла по оси внутренней рамки (ДУ_β); 9, 10 крышки на наружной рамке; 11 элементы экрана.

Деталь корпуса 1, наружная рамка 2, внутренняя рамка 3, инерционная масса 4 и торсионы подвеса рамок 5, 6 могут быть выполнены единым элементом из кремния, стекла или кварца по кремниевой технологии, либо возможно закрепление инерционной массы (масс) из тяжелого металла, например, золота на внутренней рамке. На наружной рамке 2 закреплены крышки 9, 10. Между внутренней рамкой 3 и крышками 9, 10, а также между крышками 9, 10 и корпусом 1 обеспечены рабочие зазоры в направлении оси X. Использование крышек на наружной рамке позволяет разместить на поверхностях крышек со стороны рабочих зазоров элементы датчиков угла (для емкостных датчиков это электроды возбуждения или съема). Другие элементы этих датчиков расположены на внутренней рамке. При таком расположении элементов датчиков угла измеряются относительно угловые перемещения внутренней рамки 2 относительно наружной 3 (а не корпуса). Этим устраняется перекрестное влияние колебаний наружной рамки на выходной сигнал гироскопа. Для обеспечения оптимальности зазора между элементами электростатических датчиков момента один из их элементов размещены на корпусе (как в прототипе), а другие на поверхностях крышек со стороны рабочих зазоров. Крышки могут быть выполнены из того же материала (кремния, стекла или кварца) в форме пластин и закреплены на наружной рамке.

В прототипе использован емкостный датчик угла. Чувствительность таких датчиков не превышает 10-15 мВ/дуг.мин. Для достижения точности ММВГ сравнимых с точностью современных ДНГ требуется чувствительность датчика на уровне 0.005 дуг. с. при этом выходной сигнал датчика составит менее 1 мкВ. Что неприемлемо.

Предложено в заявляемом ММВГ выполнение датчика угла на основе полевого транзистора с подвижным затвором. При этом исток, канал и сток транзистора расположены на одном элементе гироскопа (крышке или внутренней рамке), а затвор на противостоящем через рабочий зазор элементе (внутренней рамке или крышке). Транзистор электрически включен в измерительную схему, например мостовую. При взаимном угловом перемещении крышки и внутренней рамки изменяется зазор между затвором транзистора и его канальной областью, что вызывает изменение величины тока, протекающего через транзистор. Величина тока через транзистор является мерой взаимного углового перемещения элементов гироскопа. Выполнение элементов транзистора истока, канала, стока и затвора на элементах гироскопа крышке и внутренней рамке осуществляется по кремниевой технологии микроэлектроники.

Как показали экспериментальные испытания, использование высокочувствительных датчиков угловых перемещений (датчиков угла) на полевых транзисторах (механисторах) требует ряда мер по их защите от электростатических и электромагнитных полей датчиков момента, а также от внешних полей.

Для такой защиты предложено конструктивное разнесение элементов ДУ и ДМ по разные стороны от инерционной массы в направлении оси наружней рамки (фиг. 1) и выполнение экранирования путем металлизации и электрического объединения поверхностей инерционной массы, корпуса и крышек в зоне расположения ДУ. Элементы экрана 11 через торсионы подвеса электрически объединены между собой (на фиг.1 не показано) и соединены с корпусом объекта.

Как следует из (2), для повышения чувствительности ММВГ необходимо стремиться к возможно большей амплитуде колебаний возбуждения g_o Однако, возможности здесь ограничиваются рядом прочностных, жесткостных и конструктивно-технологических соображений.

Сравнительная оценка прямоугольного и крестообразного сечений торсионов исходя из возможностей обеспечения максимальной амплитуды колебаний возбуждения при требуемой прочности и жесткости торсионы показала значительное преимущество торсиона с крестообразным сечением. При равных прочностных и жесткостных характеристиках сечений амплитуда колебаний возбуждения гироскопа с крестообразным торсионом может быть увеличена в 3-5 раз в сравнении с гироскопом, имеющим прямоугольное сечение.

В предложенной конструкции ММВГ торсион имеет крестообразное сечение (фиг. 2). Торсион такой формы рассчитан на высокую несущую способность, а в случае малых перегрузок в принципе позволяет в b/h раз повысить предельную амплитуду колебаний. Пределом здесь является целесообразная из конструктивных соображений величина (L/h), где L, b, h соответственно длина, ширина и толщина торсиона.

Кроме того, крестообразная форма торсионов является оптимальной с точки зрения минимизации момента от неравножесткости, что в свою очередь повышает точность гироскопа в условиях вибрации.

Во втором варианте предложено техническое решение, в котором недостаток прототипа устраняется возбуждением колебаний внутренней рамки, а в качестве измеряемого параметра используются угловые колебания наружной рамки. Для этого в гироскоп введены дополнительно датчики момента по оси внутренней рамки и датчики угла по оси наружной рамки. При возбуждении колебаний внутренней рамки, эти колебания практически не проходят в выходной сигнал. Конструктивная схема ММВГ с возбуждением колебаний внутренней рамки (фиг.3), где дополнительно обозначено: 12 элементы датчиков момента по оси внутренней рамки (ДМ_β); 13 -элементы датчика(ов) угла по оси наружной рамки (ДУ_γ). Остальные обозначения те же, что и на фиг.1.

Однако при использовании возбуждения внутренней рамки может появиться помеха в выходном сигнале от несовпадения центров приложения возбуждающих сил с измерительной осью (в этом случае с осью подвеса наружной рамки). Данная погрешность иллюстрируется схемой (фиг.3), где условно показаны перекос оси подвеса внутренней рамки относительно оси подвеса наружной рамки и смещение центров симметрии датчиков момента ДМ1_β, ДМ2_β вследствие погрешностей изготовления. Каждая из этих причин приводит к несовпадению центров приложения возбуждающих сил 01, 02 с измерительной осью Z на величины смещений, обозначенные L₁, L₂.

Для минимизации данной помехи в заявленном устройстве в управление колебаниями по измерительной оси введена составляющая, компенсирующая помеху. Реализацию этого осуществляет блок возбуждения и компенсации, схема которого и его связи с другими элементами гироскопа приведены на фиг. 4, где дополнительно обозначено: 14 чувствительный элемент гироскопа; 15 блок возбуждения и компенсации; 16 генератор импульсов; 17 регулировочные резисторы.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Колебания внутренней рамки возбуждаются импульсным напряжением U от генератора 16, которое подается на два датчика момента ДМ1_β и ДМ2_β со сдвигом на половину периода колебаний T, зависящего от выбранной частоты возбуждения f(T=1/f).

Пара ДМ_β создают переменный момент возбуждения M_β.

Если указанные на схеме (фиг.3) погрешности, то даже при отсутствии входной угловой скорости (Ω = 0) возникнут колебания наружной рамки, регистрируемые датчиком угла ДУ_γ Появится сигнал g(t) ≠ 0 Для компенсации этого сигнала необходимо на датчики момента по оси наружней рамки подать импульсное напряжение компенсации U_K так, чтобы создать момент компенсации M_K, равный и противоположно направленный составляющей от момента возбуждения M_β Напряжение U_k создается как часть напряжения возбуждения U с помощью пары делителей напряжения на резисторах R_1*, R_2* (1-й делитель) и R_3*, R_4* (2-ой делитель).

Резисторы подбираются при регулировке таким образом, чтобы при условии W = 0 выходной сигнал γ(t) стал минимально возможным (в пределе нулевым). При появлении угловой скорости Ω вокруг входной оси X возникают колебания оси наружней рамки, амплитуда которых пропорциональна величине угловой скорости W.

Источники информации.

1. Патент США N 4884446, НКИ 73/505, 1988; патент США N 5195371, НКИ 73/505, 1990.

2. Патент США N 4598585, НКИ 73/505, 1984.

Использование: в гироскопической технике, системах управления подвижных объектов, индикаторах движения объектов. Сущность изобретения: в микромеханическом вибрационном гироскопе с внутренней и наружной рамками на торсионном подвесе с целью устранения вредного перекрестного влияния колебаний возбуждения на измерительную ось, наружная рамка выполнена с крышками, на которых размещены элементы датчика угла и датчика момента, ответные элементы которых размещены на внутренней рамке и корпусе соответственно; во втором варианте - возбуждаются колебания внутренней рамки, а ось наружной рамки является измерительной, перекрестные влияния колебаний возбуждения на измерительную ось скомпенсировано подачей сигналов возбуждения через делители на датчики момента по измерительной оси. Предложено выполнение датчиков угла на основе полевых транзисторов с подвижным затвором (механисторов), а торсионы выполнены с крестообразным сечением. 2 с и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Микромеханический вибрационный гироскоп, содержащий корпус, внутреннюю рамку с инерционной массой, наружную рамку, две пары торсионов по взаимно ортогональным осям, соединяющих внутреннюю рамку с наружной и наружную рамку с корпусом, датчики момента по оси наружной рамки и датчики угла по оси внутренней рамки, при этом элементы возбуждения или съема датчиков момента по оси наружной рамки и датчиков угла по оси внутренней рамки размещены на корпусе и на внутренней рамке соответственно, отличающийся тем, что наружная рамка выполнена с крышками, поверхности которых образуют с поверхностями корпуса и внутренней рамки рабочие зазоры, при этом элементы датчиков момента по оси наружной рамки и датчиков угла по оси внутренней рамки, взаимодействующие с соответствующими элементами возбуждения или съема, размещены на крышках со стороны рабочих зазоров. 2. Гироскоп по п.1, отличающийся тем, что датчики угла по оси внутренней рамки выполнены на основе полевых транзисторов с подвижным затвором. 3. Гироскоп по пп.1 и 2, отличающийся тем, что элементы датчиков угла по оси внутренней рамки и датчиков момента по оси наружной рамки размещены по разные стороны инерционной массы в направлении оси наружной рамки, участки поверхностей инерционной массы, корпуса и крышек в зоне расположения датчиков угла имеют слои экрана из металла, электрически соединенные между собой. 4. Гироскоп по п.1, отличающийся тем, что торсионы выполнены с крестообразным сечением. 5. Гироскоп, содержащий корпус, внутреннюю рамку с инерционной массой, наружную рамку, две пары торсионов по взаимно ортогональным осям внутренней и наружной рамок соответственно, датчики момента по оси наружной рамки и датчики угла по оси внутренней рамки, отличающийся тем, что дополнительно введены датчики момента по оси внутренней рамки и датчик угла по оси наружной рамки, а также блок возбуждения и компенсации, при этом первый и второй выходы блока возбуждения и компенсации, являющиеся выходами сигналов возбуждения колебаний, соединены с первым и вторым датчиками момента по оси внутренней рамки соответственно, а третий и четвертый выходы блока возбуждения и компенсации, являющиеся выходами сигналов компенсации, соединены с первым и вторым датчиками момента по оси наружной рамки соответственно, выход датчика угла по оси наружной рамки является выходом гироскопа. 6. Гироскоп по п.5, отличающийся тем, что блок возбуждения и компенсации содержит генератор импульсов с двумя выходами, причем импульсы на первом выходе генератора сдвинуты по времени относительно импульсов на втором выходе на половину периода их следования, два делителя напряжения, содержащих регулировочные резисторы, при этом первый выход генератора соединен с первым делителем и является первым выходом блока возбуждения и компенсации, второй выход генератора соединен с вторым делителем и является вторым выходом блока возбуждения и компенсации, а выходы делителей являются соответственно третьим и четвертым выходами блока возбуждения и компенсации.