RU18768U1

RU18768U1 - MICROMECHANICAL VIBRATION GYROSCOPE

Info

Publication number: RU18768U1
Application number: RU2001107180/20U
Authority: RU
Inventors: М.И. Евстифеев; С.Г. Кучерков; Л.П. Несенюк; В.Г. Пешехонов; А.А. Унтилов
Original assignee: Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор"
Priority date: 2001-03-12
Filing date: 2001-03-12
Publication date: 2001-07-10

Description

ЛЛГМ107180LLGM107180

2v илшШШЦЯЖ2v ilshShShTSYAZH

МПК: GO 1C 19/56 IPC: GO 1C 19/56

г g

Микромеханический вибрационный гироскопMicromechanical Vibration Gyroscope

Полезная модель относится к области точного приборостроения и может быть использована при создании таких средств измерения угловой скорости движения основания, как вибрационные гироскопы.The utility model relates to the field of precision instrumentation and can be used to create such means of measuring the angular velocity of the base, such as vibrating gyroscopes.

Известны микромеханические вибрационные гироскопы (МВГ) 1.Known micromechanical vibration gyroscopes (MVG) 1.

Принцип действия МВГ состоит в следующем. Инерционный диск, имеющий упругую связь с основанием, совершает вынужденные (первичные) угловые колебания, создаваемые системой возбуждения, вокруг оси, перпендикулярной плоскости диска. Под воздействием угловой скорости основания возникают силы Кориолиса, вызывающие колебания инерционного диска по ортогональной оси (оси чувствительности) и измеряемые системой съема выходных колебаний. Для обеспечения определенного положения оси чувствительности необходимо неравенство моментов инерции диска по осям, перпендикулярным оси первичных колебаний. Максимальная чувствительность прибора достигается при максимальной амплитуде первичных колебаний и совпадении частот первичных и выходных колебаний.The principle of action of the MHG is as follows. An inertial disk, having an elastic connection with the base, performs forced (primary) angular oscillations created by the excitation system around an axis perpendicular to the plane of the disk. Under the influence of the angular velocity of the base, Coriolis forces arise, causing oscillations of the inertial disk along the orthogonal axis (sensitivity axis) and measured by the output oscillation pickup system. To ensure a certain position of the sensitivity axis, the inequality of the moments of inertia of the disk along the axes perpendicular to the axis of the primary oscillations is necessary. The maximum sensitivity of the device is achieved with a maximum amplitude of the primary oscillations and the coincidence of the frequencies of the primary and output oscillations.

Известна конструкция МВГ 2, чувствительный элемент которого содержит основание и инерционный диск, закрепленный на основании с помощью внутреннего упругого подвеса. Инерционный диск выполнен из пластины кремния одинаковой толщины и имеет неравные моменты инерции вокруг осей, лежащих в плоскости диска. Упругий подвес состоит из четырех ортогональных прямых упругих элементов, соединенных с основанием и с инерционным диском, причем упругие элементы расположены под углом 45° к оси чувствительности. В приборе имеется система электростатического возбуждения колебаний диска, состоящая из двигателей возбуждения и датчиков углового положения, и система электростатического съема выходных колебаний, состоящая из электродов, расположенных на основании подThe known design of the MVG 2, the sensitive element of which contains a base and an inertial disk, mounted on the base using an internal elastic suspension. The inertial disk is made of a silicon plate of the same thickness and has unequal moments of inertia around the axes lying in the plane of the disk. The elastic suspension consists of four orthogonal straight elastic elements connected to the base and to the inertial disk, and the elastic elements are located at an angle of 45 ° to the axis of sensitivity. The device has a system of electrostatic excitation of disk oscillations, consisting of excitation motors and angular position sensors, and an electrostatic removal system of output oscillations, consisting of electrodes located on the base under

инерционным диском. К недостаткам конструкции относятся трудности достижения равенства частот нервичных и выходных колебаний, обусловленные разворотом уцругих элементов под углом 45° и одинаковыми геометрическими параметрами упругих элементов.inertial drive. Design disadvantages include difficulties in achieving equal frequencies of nervous and output vibrations due to the rotation of the elastic elements at an angle of 45 ° and the same geometric parameters of the elastic elements.

В качестве прототипа по наибольшему числу общих существенных признаков принят МВГ 3, чувствительный элемент которого содержит основание и инерционный диск, закрепленный на основании с помощью внутреннего упругого подвеса. Инерционный диск представляет собой кремниевую пластину одинаковой толщины и имеет неравные моменты инерции вокруг осей, лежащих в плоскости диска. Упругий подвес состоит из двух пар упругих элементов, одна из которых расположена по оси чувствительности и соединена с основанием. Другая пара упругих элемента ортогональна первой и соединена с ней и с инерционным диском. Упругие элементы подвеса попарно имеют разную длину и ширину, что позволяет варьировать частоты первичных и вторичных колебаний в широких пределах практически независимо друг от друга, в том числе и достигать их равенства. Инерционный диск совершает первичные колебания, создаваемые системой электростатического возбуждения колебаний, состоящей из двигателей возбуждения и датчиков углового положения. Измерение выходных колебаний инерционного диска обеспечивается системой электростатического съема, состоящей из электродов, расположенных на основании под инерционным диском.As a prototype for the largest number of common essential features adopted MVG 3, the sensitive element of which contains a base and an inertial disk, mounted on the base using an internal elastic suspension. The inertial disk is a silicon wafer of the same thickness and has unequal moments of inertia around the axes lying in the plane of the disk. An elastic suspension consists of two pairs of elastic elements, one of which is located along the sensitivity axis and is connected to the base. Another pair of elastic elements is orthogonal to the first and connected to it and to the inertial disk. The elastic suspension elements in pairs have different lengths and widths, which makes it possible to vary the frequencies of primary and secondary vibrations over a wide range almost independently of each other, including achieving their equality. The inertial disk makes primary oscillations created by the electrostatic excitation system of oscillations, consisting of excitation motors and angular position sensors. The measurement of the output oscillations of the inertial disk is provided by an electrostatic removal system consisting of electrodes located on the base under the inertial disk.

Недостатками конструкции-прототипа являются невысокая чувствительность измерения угловой скорости и ограниченная область использования, обусловленные след)тощими обстоятельствами:The disadvantages of the prototype design are the low sensitivity of measuring the angular velocity and the limited area of use, due to the following) skinny circumstances:

1) Взаимосвязь пары упругих элементов, соединенных с инерционным диском, с парой упругих элементов, соединенных с основанием, приводит к зависимости частот первичных и выходных колебаний. Такое взаимное влияние частот затрудняет обеспечение равенства частот первичных и выходных колебаний и достижения максимальной чувствительности прибора.1) The relationship of a pair of elastic elements connected to the inertial disk, with a pair of elastic elements connected to the base, leads to a dependence of the frequencies of the primary and output oscillations. Such a mutual influence of frequencies makes it difficult to ensure equal frequencies of the primary and output oscillations and to achieve maximum sensitivity of the device.

2)Малая амплитуда первичных угловых колебаний инерционного диска вследствие того, что упругие элементы подвеса имеют большие напряжения в местах заделки к основанию и к инерционному диску.2) The small amplitude of the primary angular vibrations of the inertial disk due to the fact that the elastic elements of the suspension have high stresses in the places of embedding to the base and to the inertial disk.

3)В конструкции не предусмотрены какие-либо средства для офаничения перемещений инерционного диска при сильных ударных воздействиях на прибор, что ограничивает области использования прибора.3) The design does not provide any means to cover the movements of the inertial disk during strong impacts on the device, which limits the scope of use of the device.

4)Разность моментов инерции инерционного диска создается за счет дополнительного увеличения площади диска, что ведет к снижению его жесткости и короблению конструкции в процессе изготовления.4) The difference in the moments of inertia of the inertial disk is created due to an additional increase in the disk area, which leads to a decrease in its rigidity and warpage of the structure during manufacturing.

Задачей предлагаемой полезной модели является увеличение чувствительности и повышение эксплуатационных характеристик МВГ.The objective of the proposed utility model is to increase the sensitivity and increase the operational characteristics of the MHP.

Поставленная задача достигается тем, что каждый из упругих элементов внутреннего упругого подвеса инерционного диска связан с инерционным диском и с основанием. Этим облегчается процесс обеспечения равенства частот первичных и выходных колебаний. Все упругие элементы подвеса имеют радиусы скругления в местах крепления к инерционному диску и к основанию, что снижает напряжения в заделке упругих элементов и допускает увеличение амплитуды первичных угловых колебаний. Расположение упругих элементов подвеса в прорезях инерционного диска позволяет использовать прорези как ограничители перемещений инерционного диска и предотвратить поломку упругих элементов подвеса при сильных ударных воздействиях на прибор. Для создания разности моментов инерции инерционного диска вокруг осей, перпендикулярных оси первичных колебаний, в инерционном диске выполнены прорези, в которых размещена система электростатического возбуждения колебаний. Такая конструкция сокращает габариты прибора, увеличивает жесткость инерционного диска и уменьшает возможность его коробления.The problem is achieved in that each of the elastic elements of the internal elastic suspension of the inertial disk is connected with the inertial disk and with the base. This facilitates the process of ensuring equal frequencies of the primary and output oscillations. All elastic suspension elements have rounding radii at the points of attachment to the inertial disk and to the base, which reduces stresses in the sealing of elastic elements and allows an increase in the amplitude of primary angular oscillations. The location of the elastic elements of the suspension in the slots of the inertial disk allows you to use the slots as limiters of movement of the inertial disk and prevent breakage of the elastic elements of the suspension under strong impact on the device. To create the difference of the moments of inertia of the inertial disk around the axes perpendicular to the axis of the primary vibrations, slots are made in the inertial disk in which the system of electrostatic excitation of vibrations is placed. This design reduces the dimensions of the device, increases the rigidity of the inertial disk and reduces the possibility of warpage.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 и 2, представленных в проекционной связи, обозначены: с т 2- ось чувствительности МВГ; 3- основание, которое используется как опорная поверхность для крепления инерционного диска 4 и на котором расположены электроды системы электростатического съема выходных колебаний 8; 4- инерционный диск, который крепится к основанию 3 с помощью упругого подвеса 5; 5- внутренний упругий подвес, состоящий из четырех упругих элементов, каждый из которых прикреплен к основанию 3 и инерционному диску 4, два упругих элемента расположены по оси чувствительности, два других упругих элемента расположены ортогонально первых; 6- двигатели возбуждения; 7- датчики углового положения; 8- система электростатического съема выходных колебаний с электродами на основании; 9- прорези в теле диска, которые служат как ограничители угла поворота инерционного диска 4 и предотвращают поломку упругого подвеса 5; 10- радиусы скруглений в местах крепления элементов упругого подвеса 5 к основанию 3 и инерционному диску 4, служащие для уменьшения напряжений в местах крепления упругих элементов, вследствие чего возможна большая амплитуда колебаний инерционного диска и соответственно большая чувствительность. Двигатели возбуждения 6 и датчики углового положения 7 представляют собой систему электростатического возбуждения первичных колебаний инерционного диска. Технико-экономические преимущества заявляемой полезной модели по ению с базовым объектом, характеризующим существующий уровень ки и совпадающим в данном случае с прототипом, заключаются в увеличении чувствительности и повышении эксплуатационных характеристик МВГ.The essence of the utility model is illustrated by the drawing, where in FIG. 1 and 2, presented in projection communication, are indicated: with t 2 - axis of sensitivity of the MHP; 3- the base, which is used as a supporting surface for mounting the inertial disk 4 and on which the electrodes of the system of electrostatic removal of output vibrations 8 are located; 4- inertial disk, which is attached to the base 3 using an elastic suspension 5; 5 - internal elastic suspension, consisting of four elastic elements, each of which is attached to the base 3 and the inertial disk 4, two elastic elements are located along the sensitivity axis, two other elastic elements are located orthogonally to the first; 6 - excitation engines; 7- angular position sensors; 8 - system of electrostatic removal of output oscillations with electrodes on the base; 9 - slots in the body of the disk, which serve as limiters of the angle of rotation of the inertial disk 4 and prevent breakage of the elastic suspension 5; 10 - radii of fillets at the points of attachment of the elements of the elastic suspension 5 to the base 3 and the inertial disk 4, which serve to reduce stresses at the points of attachment of the elastic elements, as a result of which a large amplitude of oscillations of the inertial disk and, accordingly, greater sensitivity are possible. Excitation motors 6 and angular position sensors 7 are a system of electrostatic excitation of primary oscillations of an inertial disk. The technical and economic advantages of the claimed utility model for drinking with a basic object characterizing the existing level of ki and coinciding in this case with the prototype are to increase the sensitivity and increase the operational characteristics of the MHP.

В настоящее время разрабатывается техническая документация для МВГ данной конструкции.Currently, technical documentation is being developed for the MVG of this design.

1.Soderkvist J. Micromachined gyroscopes. - Sensors and Actuators A, 43, 1994, pp 65-71.1.Soderkvist J. Micromachined gyroscopes. - Sensors and Actuators A, 43, 1994, pp 65-71.

2.Патент США 5 203 208.2 U.S. Patent 5,203,208.

3.K.Funk, H.Emmerich, A.Schilp, V.Offenberg, R.Neul, F.Larmer: A surface micromachined silicon gyroscope using a thick polysilicon layer. Proc. MEMS99, pp57-60.3.K. Funk, H. Emmerich, A. Schilp, V. Offenberg, R. Neul, F. Larmer: A surface micromachined silicon gyroscope using a thick polysilicon layer. Proc. MEMS99, pp57-60.

ЛитератураLiterature

Claims

1. Micromechanical vibration gyroscope containing a base; an inertial disk having the same thickness and fixed to the base using an internal elastic suspension consisting of four orthogonal straight elastic elements of rectangular cross section, two of which are located along the sensitivity axis of the device, the elastic suspension elements being connected to the inertial disk and to the base and are different in pairs length and width, a system of electrostatic excitation of disk vibrations, consisting of excitation motors and angular position sensors; a system of electrostatic removal of output vibrations, consisting of electrodes located on the base under an inertial disk, characterized in that the elastic suspension elements are located in the slots of the inertial disk.

2. The micromechanical vibration gyroscope according to claim 1, characterized in that the system of electrostatic excitation of vibrations is located in the slots of the inertial disk.

3. The mechanical vibration gyroscope according to claim 1, characterized in that each of the elastic elements has radii of rounding at the points of attachment to the inertial disk and to the base.