УПРУГИЙ ШАРНИР Российский патент 1997 года по МПК G01P15/08 G01C19/56 

Данное изобретение относится к области измерительной техники, а точнее к прецизионным подвесам чувствительных элементов преобразователей инерциальной информации.

Известен упругий шарнир планарного, имеющего две параллельные друг другу основные поверхности чувствительного элемента, содержащий идентичные перемычки с двумя параллельными друг другу основными поверхностями и двумя боковыми стенками в каждой перемычке, причем перемычками соединены подвижная и неподвижные части чувствительного элемента, в каждой перемычке ее продольная ось параллельна боковым стенкам, общей осью изгиба перемычек образована ось шарнира, продольная ось каждой перемычки направлена перпендикулярно оси шарнира, основные поверхности расположены в области плоскости симметрии чувствительного элемента, параллельной основным поверхностям чувствительного элемента и проходящей через ось шарнира [1]
Недостатком этого упругого шарнира является наличие момента небаланса подвижной части чувствительного элемента вследствие технологических допусков, вызывающих несовпадение оси шарнира с плоскостью симметрии чувствительного элемента.

От указанного недостатка свободен упругий шарнир, принятый за прототип и известный по источникам информации [2]
Упругий шарнир планарного, имеющего две параллельные друг другу основные поверхности, выполненный из монокристаллического кремния методом анизотропного травления чувствительного элемента преобразователя инерциальной информации, состоит из идентичных перемычек с двумя параллельными друг другу основными поверхностями и двумя боковыми стенками в каждой перемычке, причем перемычками соединены выполненные с возможностью относительного перемещения две части чувствительного элемента, основные поверхности перемычек расположены относительно основных поверхностей чувствительного элемента под углом, равным углу кристаллической решетки кремния, в каждой перемычке ее продольная ось параллельна боковым стенкам, общей осью изгиба перемычек образована ось шарнира, продольные оси перемычек расположены перпендикулярно оси шарнира.

Недостатком этого упругого шарнира является его уменьшенная прочность при расчетных размерах вследствие подтрав, возникающих со стороны боковых стенок в местах соединения перемычек с частями чувствительного элемента в процессе анизотропного травления кремния. Подтравы происходят в местах, где стравливаемые поверхности образуют друг с другом внешние углы, большие 180^o, что и наблюдается в случае выполнения упругих перемычек с направлением их продольных осей перпендикулярно оси шарнира.

Целью изобретения является повышение прочности упругого шарнира при неизменной его жесткости.

Данная цель достигается в известном упругом шарнире тем, что в нем образованы две перемычки, расположенные по разные стороны от оси чувствительного элемента, параллельной его основным поверхностям и перпендикулярной оси шарнира, продольные оси перемычек расположены вдоль оси шарнира, в каждой перемычке одной боковой стенкой соединены расположенные на одной основной поверхности чувствительного элемента поверхность одной части чувствительного элемента и поверхность другой части чувствительного элемента, второй боковой стенкой соединены расположенные на второй основной поверхности чувствительного элемента поверхность одной части чувствительного элемента и поверхность другой части чувствительного элемента, причем ось шарнира образована общей осью кручения перемычек относительно продольных осей перемычек.

В развитие упругого шарнира перемычки выполнены так, что их основными поверхностями образованы с проходящей через ось шарнира перпендикулярно основным поверхностям чувствительного элемента плоскостью углы, расположенные по разные стороны от вышеуказанной плоскости.

Путем расположения продольных осей перемычек вдоль оси шарнира, соединения в каждой перемычке одной боковой стенкой расположенных на одной основной поверхности чувствительного элемента поверхности одной части чувствительного элемента и поверхности другой части чувствительного элемента, соединения второй боковой стенкой расположенных на второй основной поверхности чувствительного элемента поверхности одной части чувствительного элемента и поверхности второй части чувствительного элемента достигается то, что стравливаемые поверхности образуют друг с другом внутренние, меньшие 180^o углы, в которых не образуется подтрав при анизотропном травлении кремния. В результате того, что в местах соединения упругих перемычек с частями чувствительного элемента не образуется подтрав, повышается прочность упругого шарнира при обеспечении расчетной жесткости.

На фиг.1 показан вид упругого шарнира с частями чувствительного элемента с одной основной поверхности чувствительного элемента акселерометра.

На фиг.2 представлен вид упругого шарнира с частями чувствительного элемента со второй поверхности чувствительного элемента акселерометра.

На фиг. 3 дан разрез одной перемычки упругого шарнира в соответствии с фиг.1.

Фиг.4 представляет вид выполненного дальнейшего развития упругого шарнира с частями чувствительного элемента вибрационного гироскопа.

На фиг. 5 дан разрез одной перемычки упругого шарнира в соответствии с фиг.4.

На фиг.6 представлен разрез второй перемычки упругого шарнира в соответствии с фиг.4.

Чувствительный элемент 1 (фиг. 1) такого преобразователя инерциальной информации как акселерометр содержит первую часть 2 и вторую часть 3, соединенные между собой перемычками 4 и 5.

Со стороны первой основной поверхности 6 чувствительного элемента 1 расположены первая основная поверхность 7 и первая боковая стенка 8 перемычки 4, первая основная поверхность 9 и первая боковая стенка 10 перемычки 5. Первыми боковыми стенками 8 и 9 соединены поверхности первой части 2 и второй части 3 чувствительного элемента, расположенные на первой основной поверхности 6 чувствительного элемента 1.

Со стороны второй основной поверхности 11 чувствительного элемента 1 (фиг. 2) расположены вторая основная поверхность 12 и вторая боковая стенка 13 перемычки 4, вторая основная поверхность 14 и вторая боковая стенка 15 перемычки 5. Вторыми боковыми стенками 13 и 15 соединены поверхности первой части 2 и второй части 3 чувствительного элемента 1, расположенные на второй основной поверхности 11 чувствительного элемента 1.

Продольная ось 16-16 перемычки 4 расположена вдоль ее боковых стенок 8, 13 параллельно им, а продольная ось 17-17 перемычки 5 расположена вдоль ее боковых стенок 10, 15 параллельна им. Ось шарнира 18-18 образована общей осью кручения перемычки 4 относительно продольной оси 16-16 и перемычки 5 относительно продольной оси 17-17. Ось 19-19 чувствительного элемента 1 перпендикулярна оси шарнира 18-18. Перемычки 4, 5 расположены по разные стороны от оси 19-19 чувствительного элемента 1.

Каждая из основных поверхностей 7, 12 перемычки 4 с каждой из основных поверхностей 6, 11 чувствительного элемента 1 образует угол α, равный углу кристаллической решетки кремния и составляющий 54, 74^o (фиг.3). Аналогично относительно основных поверхностей 6, 11 чувствительного элемента 1 расположены основные поверхности 9, 15 перемычки 5.

Центры масс первой части 2 и второй части 3 чувствительного элемента 1 расположены на оси 19-19 ниже оси шарнира 18-18.

Чувствительный элемент 20 (фиг.4) такого преобразователя инерциальной информации как вибрационный гироскоп с осью шарнира 21-21, перпендикулярной ему осью симметрии 22-22 и первой основной поверхностью 23 содержит первую часть 24 и вторую часть 25.

Перемычка 26 имеет первую основную поверхность 27 и боковые стенки 28, 29, у перемычки 30 имеются первая основная поверхность 31 и боковые стенки 32, 33. Продольные оси перемычек 26, 30 расположены вдоль боковых стенок 28, 29, 32, 33 параллельно им и образуют общую ось кручения, совпадающую с осью шарнира 21-21. Перемычками 29, 30 соединены первая часть 24 и вторая часть 25 чувствительного элемента 20. Первая часть 24 и вторая часть 25 чувствительного элемента 20 выполнены симметричными относительно оси шарнира 21-21.

Первая основная поверхность 27 и вторая основная поверхность 34 перемычки 26 образуют угол b₁ с плоскостью, перпендикулярной первой основной поверхности 23 и второй основной поверхности 35 чувствительного элемента 20, проекция которой представлена линией 36-36 на фиг.5.

Первая основная поверхность 31 и вторая основная поверхность 37 перемычки 30 образует угол β₂ с проекцией 36-36 плоскости, перпендикулярной первой основной поверхности 23 и второй основной поверхности 35 чувствительного элемента 20 (фиг.6).

Углы β₁ и β₂ расположены по разные стороны от проекции 36-36, перпендикулярной основными поверхностям чувствительного элемента 20 плоскости. Угол β₁ равен углу β₂.

Чувствительный элемент 1 вместе с первой частью 2, второй частью 3 и перемычками 4, 5, а также чувствительный элемент 20 вместе с первой частью 24, второй частью 25 и перемычками 26, 30 выполнен из монокристаллического кремния методом анизотропного травления.

Упругий шарнир работает следующим образом. В чувствительном элементе 1 (фиг. 1) акселерометра при закрепленной неподвижной первой части 2 и свободной второй части 3 при наличии ускорения, вектор которого перпендикулярен основным поверхностям 6, 11 чувствительного элемента 1, на вторую часть 3 действует инерционная сила, пропорциональная ускорению. Под действием инерционной силы относительно оси шарнира 18-18 возникает момент, так как центр масс второй части 3 чувствительного элемента 1 расположен ниже оси шарнира 18-18. При этом возникает деформация кручения перемычек 4, 5 упругого шарнира относительно их продольных осей 16-16 и 17-17 и происходит угловое перемещение относительно оси шарнира 18-18 второй части 3 чувствительного элемента 1, которое измеряется с помощью датчиков положения, например, емкостного типа, акселерометра.

Если в чувствительном элементе 20 вибрационного гироскопа (фиг.4) первой части 24 придать угловые колебания относительно оси 22-22, то при наличии угловой скорости, вектор которой направлен перпендикулярно основным поверхностям 23, 35 чувствительного элемента 20, на вторую часть 25 действует переменный гироскопический момент, вектор которого направлен по оси шарнира 21-21. Под действием гироскопического момента происходит деформация кручения перемычек 26, 30 и угловое перемещение второй части 25 чувствительного элемента 20 относительно оси шарнира 21-21. Угловое перемещение второй части 25, пропорциональное угловой скорости, измеряется с помощью датчиков положения, например, емкостного типа, вибрационного гироскопа.

Использование: в области измерительной техники, в прецизионных подвесах чувствительных элементов преобразователей инерциальной информации. Сущность изобретения: повышение прочности упругого шарнира при неизменной его жесткости обеспечивается тем, что в упругом шарнире, состоящем из расположенных под углом кристаллической решетки кремния идентичных упругих перемычек и соединяющем выполненные с возможностью относительного перемещения две части чувствительного элемента из монокристаллического кремния, образованы две упругие перемычки, продольные оси перемычек расположены вдоль оси шарнира, в каждой перемычке одной боковой стенкой соединены расположенные на одной основной поверхности чувствительного элемента поверхность одной части чувствительного элемента и поверхность другой части чувствительного элемента, второй боковой стенкой соединены расположенные на второй основной поверхности чувствительного элемента поверхность одной части чувствительного элемента и поверхность другой части чувствительного элемента. 1 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Упругий шарнир планарного, имеющего две параллельные одна другой основные поверхности, выполненного из монокристаллического кремния методом анизотропного травления чувствительного элемента преобразователя инерциальной информации, содержащий две идентичные перемычки с двумя параллельными одна другой основными поверхностями и двумя боковыми стенками в каждой перемычке, причем перемычками соединены выполненные с возможностью относительного перемещения две части чувствительного элемента, основные поверхности перемычек расположены относительно основных поверхностей чувствительного элемента под углом, равным углу кристаллической решетки кремния, в каждой перемычке ее продольная ось параллельна боковым стенкам, отличающийся тем, что перемычки расположены по разные стороны от оси чувствительного элемента, параллельной его основным поверхностям и перпендикулярной оси шарнира, продольные оси перемычек расположены вдоль оси шарнира, в каждой перемычке одной боковой стенкой соединены расположенные на одной основной поверхности чувствительного элемента поверхность одной части чувствительного элемента и поверхность другой части чувствительного элемента, второй боковой стенкой соединены расположенные на второй основной поверхности чувствительного элемента поверхность одной части чувствительного элемента и поверхность другой части чувствительного элемента, ось шарнира образована осью кручения перемычек относительно их продольных осей. 2. Шарнир по п.1, отличающийся тем, что между основными поверхностями каждой перемычки и плоскостью, перпендикулярной основным поверхностям чувствительного элемента и проходящей через ось шарнира, образованы равные углы, причем основные поверхности одной перемычки и основные поверхности другой перемычки развернуты в разные стороны от указанной плоскости.