УПРУГИЙ ПОДВЕС Российский патент 2004 года по МПК G01P15/02 G01C19/56 

Изобретение относится к измерительной технике и может применяться для подвеса чувствительных масс в интегральных акселерометрах и микрогироскопах.

Известен упругий подвес в акселерометре, с помощью которого подвешена чувствительная масса [1] . Подвес выполнен в виде растяжек, расположенных соосно с осью поворота чувствительной массы. На растяжках выполнены токопроводящие дорожки.

Недостатком такого подвеса является температурная погрешность, возникающая на токопроводящих дорожках, служащих для подачи управляющего напряжения в обмотку силового магнитоэлектрического преобразователя силы, расположенного на подвижном маятнике.

Известен также упругий подвес преобразователя силы [2], содержащий несущие и токопроводящие элементы с двумя проводящими дорожками, углубленными до нейтральной плоскости изгиба с двух противоположных сторон подвеса. Оба вида элементов составляют одно целое на одном подвесе, направления их продольных осей совпадают, а проводящие элементы разделены несущим.

Известное устройство обладает следующими недостатками: 1) даже при строго одинаковых характеристиках проводящих дорожек имеет место значительный гистерезис в металлизированных слоях при смене знака деформации. Для снижения гистерезиса требуется увеличить долю жесткости, приходящуюся на несущие элементы подвеса. Применение второго точно такого же подвеса для целей симметрии увеличивает вдвое величину гистерезиса; 2) в нейтральном положении при изменении температуры подвес деформируется, поскольку выполнение идентичных проводящих дорожек с разных сторон подвеса технологически трудно выполнимая задача. Даже малые расхождения в размерах дорожек или химическом составе непроводящей подложки приводят к температурным деформациям, а следовательно, к погрешности нулевого сигнала.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности прибора, в состав которого входит подвес, за счет снижения гистерезиса и температурных деформаций подвеса.

Поставленная задача решается за счет того, что в упругом подвесе чувствительной массы, содержащем несущие и токопроводящие элементы с проводящими дорожками, одними концами соединенные с рамкой прибора, а другими концами - с чувствительной массой, токопроводящие и несущие элементы разделены и расположены под прямым углом друг к другу, а продольные оси токопроводящих элементов совпадают с нейтральной плоскостью изгиба несущих элементов.

Признаком, отличающим предлагаемый упругий подвес от известного, является особое его раздельное выполнение из несущих непроводящих элементов и токопроводящих элементов, повернутых относительно несущих на угол 90^o и совмещенных своими осями с нейтральной плоскостью изгиба несущих элементов. В прототипе подвес имеет совмещенные проводящие и несущие элементы, одинаково направленные и работающие на изгиб, что приводит к значительной погрешности нулевого сигнала как из-за изменения температуры, так и от проявления гистерезиса, в то время как в предложенном устройстве непроводящие элементы являются несущими и работают на изгиб, а проводящие элементы работают на кручение и их продольные оси совмещены с нейтральной плоскостью изгиба, что позволяет повысить характеристики чувствительного элемента в целом.

Предлагаемый упругий подвес интегрального исполнения иллюстрируется чертежом, где показан вид подвеса с сопутствующими ему элементами в плане.

На чертеже показаны рамка 1 прибора, несущие непроводящие элементы 2 подвеса, контактные площадки 3, токопроводящие элементы 4 с проводящими дорожками 5, контактные площадки 6, чувствительная масса 7, нейтральная линия 8 (плоскость изгиба несущего подвеса) и возвращающая обмотка 9 обратной связи (показана пунктиром).

Весь прибор выполнен их монокристалла кремния методом анизотропного травления. Чувствительная масса 7 крепится к рамке 1 прибора с помощью несущих непроводящих элементов 2 подвеса, которые при воздействии на прибор внешней силы работают на изгиб. Отдельно от них выполнены токопроводящие элементы 4, также соединяющие рамку 1 с массой 7, но расположенные под прямым углом к несущим элементам 2 и при воздействии внешней силы работающие на кручение. На проводящих элементах 4 выполнены металлизированные или диффундированные дорожки 5, служащие для подвода управляющего внешнего напряжения от контактных площадок 3 к контактным площадкам 6. Токопроводящие элементы 4 выполнены таким образом, что их продольные оси совпадают с нейтральной плоскостью изгиба несущих элементов 2, обозначенной линией 8.

Устройство работает следующим образом.

1. Случай углового перемещения подвижного узла под действием внешней силы. Пусть проводящий элемент 4, работающий на кручение, не имеет начального натяжения, а длина его на порядок (и более) превосходит рабочую длину несущего непроводящего элемента 2. Пусть его поперечное сечение также на порядок меньше сечения несущего элемента. Поэтому жесткость на кручение проводящего элемента 4 без предварительного натяжения по сравнению с жесткостью несущего непроводящего элемента значительно ниже (на 2-3 порядка). Таким образом, в работе чувствительного элемента с предложенным подвесом как в статике, так и в динамике в основном участвуют только несущие (без проводящих дорожек) элементы 2.

2. В режиме воздействия на чувствительный элемент температурного перепада, например, в нулевом состоянии у проводящего элемента 4, расположенного в нейтральной плоскости, будет меняться только величина провисания, не оказывая силового влияния на чувствительную массу 7. Поэтому нулевой сигнал прибора с предложенным подвесом останется нечувствительным к изменениям температуры.

Источники информации
1. Мельников В.Е., Романов В.А., Основы расчета статистических и динамических характеристик кварцевых акселерометров. Учебное пособие, Москва, 1982, с.4.

2. Патент США 4400979, выдан 30.08.1983, МПК G 01 P 15/3.

Изобретение может применяться для подвеса чувствительных масс в интегральных акселерометрах или микрогироскопах. Задача изобретения - повышение точности прибора за счет снижения гистерезиса и температурных деформаций подвеса. Упругий подвес содержит отдельно выполненные несущие и токопроводящие элементы с проводящими дорожками, соединяющие чувствительную массу с рамкой прибора и расположенные под прямым углом друг к другу. Продольные оси токопроводящих элементов совпадают с нейтральной плоскостью изгиба несущих элементов. 1 ил.

Упругий подвес чувствительной массы, содержащий несущие и токопроводящие элементы с проводящими дорожками, одними концами соединенные с рамкой прибора, а другими концами с чувствительной массой, отличающийся тем, что токопроводящие и несущие элементы разделены и расположены под прямым углом друг к другу, а продольные оси токопроводящих элементов совпадают с нейтральной плоскостью изгиба несущих элементов.