WO2007058565A1 - Micromechanical oscillating gyroscope - Google Patents
Micromechanical oscillating gyroscope Download PDFInfo
- Publication number
- WO2007058565A1 WO2007058565A1 PCT/RU2006/000558 RU2006000558W WO2007058565A1 WO 2007058565 A1 WO2007058565 A1 WO 2007058565A1 RU 2006000558 W RU2006000558 W RU 2006000558W WO 2007058565 A1 WO2007058565 A1 WO 2007058565A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- base
- disk
- elastic elements
- segments
- inertial
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Ceased
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
- G01C19/5705—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis
- G01C19/5712—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis the devices involving a micromechanical structure
Definitions
- the invention relates to the field of precision instrumentation and can be used to create means for measuring the angular velocity of the base, for example, vibration gyroscopes.
- MHG micromechanical vibrational gyroscopes
- the principle of action of the MHG is as follows.
- the inertial disk which has an elastic connection with the base, performs primary angular oscillations (angular vibrations) created by the excitation system around an axis perpendicular to the plane of the disk.
- the greatest sensitivity of the device is achieved by ensuring the maximum amplitude of the primary oscillations and by combining the natural frequencies of the primary and secondary disk vibrations in the suspension.
- the main problems in the excitation of primary oscillations are to ensure the stability of these oscillations under various operating conditions, stabilize their amplitude and reduce the non-linear dependence of the amplitude of the oscillations on the excitation frequency.
- the MVG design is known (Lestev AM, Popova I.V., Pyatyshev EH, etc. Features of combining volumetric micromechanics and LSI in measuring systems, Materials of the X St. Russia International Conference on Integrated Systems, St. Russia, 2003, p.217-225 ), the sensitive element of which contains a base and an inertial disk fixed to the base using an internal elastic suspension.
- the inertial disk is made of a silicon wafer of the same thickness.
- An elastic suspension consists of four straight elastic elements having equal length and width, the height of the elements is equal to the thickness of the disk.
- the elastic elements are located radially in the plane of the disk at equal angles to sensitivity axis.
- the inner part of the elastic elements is fixed to the base, and the outer part is connected to the inertial disk.
- the inertial disk makes primary oscillations about an axis perpendicular to the plane of the disk.
- the oscillations are excited by an electrostatic oscillation excitation system consisting of excitation motors and angular position sensors.
- the measurement of the output oscillations of the inertial disk is carried out by a capacitive pick-up system consisting of electrodes located on the base under the inertial disk.
- the disadvantages of the design include the fact that the elastic elements of the suspension are fixedly mounted both to the base and to the inertial disk.
- the elastic suspension elements when performing primary vibrations, the elastic suspension elements, in addition to bending deformations, are subjected to tensile deformations arising from the impossibility of displacing the supports in the radial direction.
- the presence of tensile forces leads to the fact that the characteristic of the restoring elastic force along the axis of primary vibrations becomes nonlinear and is described by a cubic parabola.
- a feature of systems with nonlinear restoring force is the emergence of several stable periodic modes in which different oscillation amplitudes correspond to one frequency value and the possibility of the transition of an oscillatory system from one mode to another. These properties of a nonlinear system cause such phenomena as instability of primary oscillations and instability of the oscillation amplitude due to mismatch of the amplitude-frequency characteristics with increasing and decreasing frequency of the excitation moment.
- the next problem when developing an elastic suspension is the increased sensitivity to vibrations due to the uneven rigidity of the structure.
- the unequal rigidity of the design is expressed in the fact that the direction of the forced linear oscillations of the inertial disk does not coincide with the direction of vibration of the base. This leads to the appearance of secondary angular oscillations of the inertial disk at the vibration frequency and at the natural frequency of the secondary oscillations, which causes a significant error of the device.
- the vibration frequency of the base coincides with half the frequency of the secondary vibrations, the resonant amplification of the secondary vibrations and a malfunction of the device occur.
- An elastic suspension consists of two groups of elements, four elastic elements in each group.
- the elastic elements of each group have an equal length and width, the height of the elastic elements is equal to the thickness of the disk.
- the elastic elements in each group are a broken line consisting of three segments with rounding at the points of their connection to each other, the inner and outer segments are located radially to the disk at equal angles to the axis of sensitivity.
- the outer segments of one group of elastic elements are connected directly to the inertial disk.
- the outer segments of the second group of elastic elements are connected to the movable electrode of the primary vibration excitation engine, which is attached to the inertial disk by an elastic element.
- the disadvantages of the prototype design are the low sensitivity to the measured angular velocity and the limited area of use, due to the following circumstances:
- the design of the inertial disk due to the presence of a large cutout for the excitation motor is essentially divided into two parts having an elastic connection through the elastic elements of the suspension.
- the inertial disk becomes non-rigid and its parts, playing the role of the moving electrodes of the capacitive pick-up system, can oscillate with different frequencies, which leads to a significant error in the MHG;
- the radial arrangement of the internal and external segments of the elastic elements does not allow designing to change the natural frequencies of linear vibrations and to achieve equal rigidity of the structure, while maintaining a strong sensitivity of the MHG to linear vibrations of the base;
- the technical result of the invention is the creation of a new MVG, in which increased sensitivity and enhanced gyro performance.
- a micromechanical vibration gyroscope contains a base, an inertial disk having the same thickness and fixed to the base using an internal elastic suspension consisting of four elastic elements of equal length and rectangular cross section, having the shape of a broken line constructed of three segments with rounding at the points where the segments join each other friend, base and inertial disk, and located in the plane of the disk in its Central hole so that the inner and outer segments of the elastic elements are under GOVERNMENTAL angles to the axis of sensitivity of the device, electrostatic excitation oscillation drive system consisting of motors and angular position of the excitation probes; a system of capacitive removal of output oscillations, consisting of electrodes located on the base under an inertial disk.
- the elastic suspension is two pairs of elastic elements that are located in the central hole of the disk so that the inner and outer segments of the elastic elements are pairwise at equal angles to the sensitivity axis of the device.
- the internal or external segments of the elastic elements are directed not radially to the disk.
- the fracture of the broken lines of the elastic elements in each pair is directed in different directions, creating, thus, the mirror symmetry of the elastic suspension.
- the stretching of the elastic elements is compensated by their bending at the junction of the segments, which significantly reduces the non-linearity of the suspension.
- Equality of frequencies of primary and secondary vibrations to ensure maximum sensitivity is achieved by changing the angular location of the elastic elements relative to the axis of sensitivity.
- the location of the segments of the elastic elements not radially to the disk affects the linear frequencies of the structure, allowing you to create an equally rigid elastic suspension.
- the proposed design of MVG reduces the dimensions of the device, increases the rigidity of the suspension of the inertial disk, reduces the possibility of its deformation during manufacture and operation, can effectively reduce the nonlinearity of primary angular oscillations to achieve maximum sensitivity of the MVG and achieve equal rigidity of the suspension to reduce the effect of vibration of the base on the error of the MVG.
- FIG. 1 shows a top view of an inertial disk with outer segments of elastic elements not radial to the disk
- FIG. 2 shows a side view of an inertial disk
- FIG. 3 shows a top view of an inertial disk with internal segments of elastic elements not radial to the disk
- in FIG. 4 shows a top view of an inertial disk with internal and external segments of elastic elements not radial to the disk
- in FIG. 5 shows a top view of an inertial disk with segments of elastic elements of equal length.
- Figure 1-5 shows the projection connection MVG, which have the following notation: the axis of the primary oscillations 1, the axis of sensitivity 2, the axis of the secondary oscillations 3.
- a micromechanical vibration gyroscope consists of: - a base 4, which is used as a supporting surface for attaching an inertial disk 5 and on which electrodes of a capacitive output oscillation removal system 9 are located;
- - inertial disk 5 which is attached to the base 4 using an elastic suspension 6
- - internal elastic suspension b which consists of four elastic elements of equal length and rectangular cross section, having the shape of a broken line constructed of three segments with a rounding at the points of connection of the segments to each other, base 4 and inertial disk 5, located at equal angles to the axis of sensitivity of the device 2 and attached by internal segments to the base 4, and external segments to the disk 5;
- Micromechanical vibration gyroscope works as follows.
- the inertial disk 5 with an internal elastic suspension 6 is mounted on the base 4.
- An alternating voltage is applied to the excitation motors 7, mounted on the base 4, with a frequency equal to the natural frequency of the primary oscillations, which ensures the inertia of the disk 5 around the axis 1.
- the angle sensors 8 also fixed on the base 4, are used to determine the amplitude of the oscillations and together with the excitation motors 7 are a system of electrostatic excitation of the primary oscillations of the inertial ska 5.
- Coriolis forces arise, causing the inertial disk 5 to oscillate relative to the axis of the output vibrations 3.
- the amplitude of the output vibrations is determined by the system of capacitive removal of output vibrations 9 s electrodes based on 4.
- the presented design of the elastic suspension 6 consists of four elastic elements in the form of a broken line constructed of three segments with a rounding at the points of connection of the segments to each other, the base 4 and the inertial disk 5.
- the elastic elements have an equal length and width, their height is equal to the thickness of the disk 5.
- Elastic elements make up two groups that mirror each other. Inside each group, the kink of the broken line of the elastic elements is directed in different directions. Internal (Fig. 3), external (Fig. 1) or internal and external (Fig. 4) segments of elastic elements can be located not radially to the disk, which allows you to adjust the natural frequencies of linear oscillations of the elastic suspension and create an equally rigid structure, which solves the problem of increasing the sensitivity of the device.
- the present invention will find application in the creation of means for measuring the angular velocity of the base - vibration gyroscopes with enhanced performance and sensitivity compared to the existing level of technology.
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Description
МИКРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ВИБРАЦИОННЫЙ ГИРОСКОП MICROMECHANICAL VIBRATION GYROSCOPE
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании средств измерения угловой скорости движения основания, например, вибрационных гироскопов.The invention relates to the field of precision instrumentation and can be used to create means for measuring the angular velocity of the base, for example, vibration gyroscopes.
Уровень техникиState of the art
Известны микромеханические вибрационные гироскопы (далее МВГ) (Sоdеrkvist J. Мiсrоmасhiпеd gуrоsсореs. - Sensors and Actuators A, 43, 1994, рр 65-71). Принцип действия МВГ состоит в следующем. Инерционный диск, имеющий упругую связь с основанием, совершает первичные угловые колебания (угловые вибрации), создаваемые системой возбуждения, вокруг оси, перпендикулярной плоскости диска. Под воздействием угловой скорости основания вокруг оси чувствительности, направление которой лежит в плоскости диска, возникают силы Кориолиса, вызывающие вторичные колебания инерционного диска вокруг ортогональной оси, лежащей в плоскости диска, измеряемые системой съема.Known micromechanical vibrational gyroscopes (hereinafter referred to as MHG) (Soderkvist J. Microsystem guosores. Sensors and Actuators A, 43, 1994, pp 65-71). The principle of action of the MHG is as follows. The inertial disk, which has an elastic connection with the base, performs primary angular oscillations (angular vibrations) 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 around the axis of sensitivity, the direction of which lies in the plane of the disk, Coriolis forces arise, causing secondary oscillations of the inertial disk around the orthogonal axis lying in the plane of the disk, measured by the removal system.
Наибольшая чувствительность прибора достигается при обеспечении максимальной амплитуды первичных колебаний и при совмещении собственных частот первичных и вторичных колебаний диска в подвесе. Основные проблемы при возбуждении первичных колебаний заключаются в обеспечении устойчивости этих колебаний при различных условиях эксплуатации, стабилизации их амплитуды и снижении нелинейной зависимости амплитуды колебаний от частоты возбуждения.The greatest sensitivity of the device is achieved by ensuring the maximum amplitude of the primary oscillations and by combining the natural frequencies of the primary and secondary disk vibrations in the suspension. The main problems in the excitation of primary oscillations are to ensure the stability of these oscillations under various operating conditions, stabilize their amplitude and reduce the non-linear dependence of the amplitude of the oscillations on the excitation frequency.
Известна конструкция МВГ (Лестев A.M., Попова И. В., Пятышев E. H. и др. Особенности комплексирования объемной микромеханики и БИС в измерительных системах, Материалы X Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным системам, Санкт-Петербург, 2003, c.217- 225), чувствительный элемент которого содержит основание и инерционный диск, закрепленный на основании с помощью внутреннего упругого подвеса. Инерционный диск выполнен из кремниевой пластины одинаковой толщины. Упругий подвес состоит из четырех прямых упругих элементов, имеющих равную длину и ширину, высота элементов равна толщине диска. Упругие элементы расположены радиально в плоскости диска под равными углами к оси чувствительности. Внутренняя часть упругих элементов закреплена на основании, а наружная часть соединена с инерционным диском. Инерционный диск совершает первичные колебания вокруг оси, перпендикулярной плоскости диска. Колебания возбуждаются системой электростатического возбуждения колебаний, состоящей из двигателей возбуждения и датчиков углового положения. Измерение выходных колебаний инерционного диска осуществляется системой емкостного съема, состоящей из электродов, расположенных на основании под инерционным диском. К недостаткам конструкции относится то, что упругие элементы подвеса имеют неподвижное крепление, как к основанию, так и к инерционному диску. Вследствие этого при совершении первичных колебаний упругие элементы подвеса кроме изгибных деформаций подвергаются деформациям растяжения, возникающим из-за невозможности смещения опор в радиальном направлении. Наличие усилий растяжения приводит к тому, что характеристика восстанавливающей силы упругости по оси первичных колебаний становится нелинейной и описывается кубической параболой.The MVG design is known (Lestev AM, Popova I.V., Pyatyshev EH, etc. Features of combining volumetric micromechanics and LSI in measuring systems, Materials of the X St. Petersburg International Conference on Integrated Systems, St. Petersburg, 2003, p.217-225 ), the sensitive element of which contains a base and an inertial disk fixed to the base using an internal elastic suspension. The inertial disk is made of a silicon wafer of the same thickness. An elastic suspension consists of four straight elastic elements having equal length and width, the height of the elements is equal to the thickness of the disk. The elastic elements are located radially in the plane of the disk at equal angles to sensitivity axis. The inner part of the elastic elements is fixed to the base, and the outer part is connected to the inertial disk. The inertial disk makes primary oscillations about an axis perpendicular to the plane of the disk. The oscillations are excited by an electrostatic oscillation excitation system consisting of excitation motors and angular position sensors. The measurement of the output oscillations of the inertial disk is carried out by a capacitive pick-up system consisting of electrodes located on the base under the inertial disk. The disadvantages of the design include the fact that the elastic elements of the suspension are fixedly mounted both to the base and to the inertial disk. As a result of this, when performing primary vibrations, the elastic suspension elements, in addition to bending deformations, are subjected to tensile deformations arising from the impossibility of displacing the supports in the radial direction. The presence of tensile forces leads to the fact that the characteristic of the restoring elastic force along the axis of primary vibrations becomes nonlinear and is described by a cubic parabola.
Особенностью систем с нелинейной восстанавливающей силой является возникновение нескольких устойчивых периодических режимов, при которых одному значению частоты соответствуют различные амплитуды колебаний, и возможность перехода колебательной системы из одного режима в другой. Эти свойства нелинейной системы обуславливают такие явления как неустойчивость первичных колебаний и нестабильность амплитуды колебаний вследствие несовпадения амплитудно-частотных характеристик при увеличении и уменьшении частоты момента возбуждения.A feature of systems with nonlinear restoring force is the emergence of several stable periodic modes in which different oscillation amplitudes correspond to one frequency value and the possibility of the transition of an oscillatory system from one mode to another. These properties of a nonlinear system cause such phenomena as instability of primary oscillations and instability of the oscillation amplitude due to mismatch of the amplitude-frequency characteristics with increasing and decreasing frequency of the excitation moment.
Известно техническое решение (Fujitа T. еt аl. Disk-shареd bulk miсrоmасhiпеd gуrоsсоре with vасuum sеаliпg, Sепsоrs апd Асtuаtоrs, 82, 2000, рр.198-204), позволяющее уменьшить растягивающие усилия в упругих элементах подвеса МВГ. В данном случае упругие элементы выполняются зигзагообразными по форме меандра. Однако при этом существенно увеличивается общая (приведенная) длина элементов подвеса, что приводит к значительному снижению жесткости подвеса по оси чувствительности и повышению чувствительности к линейным и угловым вибрациям. Следующая проблема при разработке упругого подвеса заключается в повышенной чувствительности к вибрациям, обусловленной неравножесткостью конструкции. Неравножесткость конструкции выражается в том, что направление вынужденных линейных колебаний инерционного диска не совпадает с направлением вибраций основания. Это приводит к возникновению вторичных угловых колебаний инерционного диска на частоте вибрации и на собственной частоте вторичных колебаний, что вызывает существенную погрешность прибора. При совпадении частоты вибрации основания с половиной частоты вторичных колебаний происходит резонансное усиление вторичных колебаний и сбой в работе прибора. Известно (Сайдов П. И., Слив Э.И., Чертков P. И., Вопросы прикладной теории гироскопов, Ленинград, Судпромгиз, 1961, с. 427) два пути решения указанной проблемы. Согласно первому требуется использование упругого подвеса, обладающего настолько большой линейной жесткостью при сохранении заданной угловой жесткости, что линейные колебания не будут вызывать сколько-нибудь значимой погрешности. Однако создание подобной конструкции весьма затруднительно. Более достижимым следует считать второй путь, согласно которому необходимо добиваться одинаковой линейной жесткости упругого подвеса по всем направлениям. В качестве прототипа принят МВГ (Попова И. В., Лестев A.M., Пятышев E. H. и др. Микромеханические датчики и системы, практические результаты и перспективы развития, Материалы XII Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным системам, Санкт-Петербург, 2005, c.262- 267), чувствительный элемент которого содержит основание и инерционный диск, выполненный в виде кремниевой пластины одинаковой толщины и закрепленный на основании с помощью внутреннего упругого подвеса. Упругий подвес состоит из двух групп элементов, по четыре упругих элемента в каждой группе. Упругие элементы каждой группы имеют равную длину и ширину, высота упругих элементов равна толщине диска. Упругие элементы в каждой группе представляют собой ломаную линию, состоящую из трех отрезков со скруглением в местах их присоединения друг к другу, внутренний и наружный отрезки расположены радиально диску под равными углами к оси чувствительности. Внутренние отрезки упругих элементов через подвижный промежуточный диск закреплены на основании. Наружные отрезки одной группы упругих элементов соединены непосредственно с инерционным диском. Наружные отрезки второй группы упругих элементов соединены с подвижным электродом двигателя возбуждения первичных колебаний, который присоединяется к инерционному диску упругим элементом. Таким образом, можно считать, что в данной конструкции роль упругого подвеса инерционного диска выполняет только первая группа упругих элементов, а вторая группа играет вспомогательную роль поддержания подвижного электрода двигателя возбуждения. В данном случае устраняется указанный для предыдущего аналога недостаток, связанный со значительным увеличением общей длины упругих элементов подвеса.A technical solution is known (Fujita T. et al. Disk-shared bulk miсrоmаshipеd gоосор with vасuum seаliпg, Sepors apd Аtuаtоrs, 82, 2000, pp.198-204), which allows to reduce the tensile forces in the elastic elements of the MVG suspension. In this case, the elastic elements are zigzag in the shape of a meander. However, this significantly increases the total (reduced) length of the suspension elements, which leads to a significant decrease in the suspension stiffness along the sensitivity axis and an increase in sensitivity to linear and angular vibrations. The next problem when developing an elastic suspension is the increased sensitivity to vibrations due to the uneven rigidity of the structure. The unequal rigidity of the design is expressed in the fact that the direction of the forced linear oscillations of the inertial disk does not coincide with the direction of vibration of the base. This leads to the appearance of secondary angular oscillations of the inertial disk at the vibration frequency and at the natural frequency of the secondary oscillations, which causes a significant error of the device. When the vibration frequency of the base coincides with half the frequency of the secondary vibrations, the resonant amplification of the secondary vibrations and a malfunction of the device occur. There are two ways to solve this problem (Saidov P.I., Sliv E.I., Chertkov P.I., Questions of the applied theory of gyroscopes, Leningrad, Sudpromgiz, 1961, p. 427). According to the first, the use of an elastic suspension having such a large linear stiffness while maintaining a given angular stiffness is required that linear vibrations will not cause any significant error. However, the creation of such a design is very difficult. More achievable should be considered the second way, according to which it is necessary to achieve the same linear stiffness of the elastic suspension in all directions. The MVG was adopted as a prototype (Popova I.V., Lestev AM, Pyatyshev EH, etc. Micromechanical sensors and systems, practical results and development prospects, Materials of the XII St. Petersburg International Conference on Integrated Systems, St. Petersburg, 2005, p. 262-267), the sensitive element of which contains a base and an inertial disk made in the form of a silicon wafer of the same thickness and fixed to the base using an internal elastic suspension. An elastic suspension consists of two groups of elements, four elastic elements in each group. The elastic elements of each group have an equal length and width, the height of the elastic elements is equal to the thickness of the disk. The elastic elements in each group are a broken line consisting of three segments with rounding at the points of their connection to each other, the inner and outer segments are located radially to the disk at equal angles to the axis of sensitivity. The internal segments of the elastic elements through the movable intermediate disk mounted on the base. The outer segments of one group of elastic elements are connected directly to the inertial disk. The outer segments of the second group of elastic elements are connected to the movable electrode of the primary vibration excitation engine, which is attached to the inertial disk by an elastic element. Thus, we can assume that in this design the role of the elastic suspension of the inertial disk is played only by the first group of elastic elements, and the second group plays the auxiliary role of maintaining the movable electrode of the excitation motor. In this case, the drawback indicated for the previous analogue is eliminated, associated with a significant increase in the total length of the elastic elements of the suspension.
Недостатками конструкции-прототипа являются невысокая чувствительность к измеряемой угловой скорости и ограниченная область использования, обусловленные следующими обстоятельствами:The disadvantages of the prototype design are the low sensitivity to the measured angular velocity and the limited area of use, due to the following circumstances:
- конструкция инерционного диска вследствие наличия большого выреза для двигателя возбуждения по существу разделена на две части, имеющие упругую связь через упругие элементы подвеса. При этом инерционный диск становится нежестким и его части, играющие роль подвижных электродов системы емкостного съема, могут колебаться с различными частотами, что приводит к значительной погрешности МВГ;- the design of the inertial disk due to the presence of a large cutout for the excitation motor is essentially divided into two parts having an elastic connection through the elastic elements of the suspension. In this case, the inertial disk becomes non-rigid and its parts, playing the role of the moving electrodes of the capacitive pick-up system, can oscillate with different frequencies, which leads to a significant error in the MHG;
- радиальное расположение внутренних и наружных отрезков упругих элементов не позволяет при проектировании изменять собственные частоты линейных колебаний и добиваться равножесткости конструкции, сохраняя сильную чувствительность МВГ к линейным вибрациям основания;- the radial arrangement of the internal and external segments of the elastic elements does not allow designing to change the natural frequencies of linear vibrations and to achieve equal rigidity of the structure, while maintaining a strong sensitivity of the MHG to linear vibrations of the base;
- расположение мест крепления к основанию с одной стороны упругих элементов первой группы и размещение с другой стороны от них упругих элементов второй группы, поддерживающих подвижный электрод двигателя возбуждения, исключают возможность совмещения частот первичных и вторичных колебаний посредством изменения углового положения упругих элементов подвеса в плоскости диска.- the location of the attachment points to the base on one side of the elastic elements of the first group and the placement on the other side of them of the elastic elements of the second group supporting the movable electrode of the excitation motor, exclude the possibility of combining the frequencies of primary and secondary vibrations by changing the angular position of the elastic suspension elements in the plane of the disk.
Раскрытие изобретения Техническим результатом изобретения является создание нового МВГ, в котором увеличена чувствительность и повышены эксплуатационные характеристики гироскопа.SUMMARY OF THE INVENTION The technical result of the invention is the creation of a new MVG, in which increased sensitivity and enhanced gyro performance.
Этот результат достигнут следующим образом. Микромеханический вибрационный гироскоп содержит основание, инерционный диск, имеющий одинаковую толщину и закрепленный на основании с помощью внутреннего упругого подвеса, состоящего из четырех упругих элементов равной длины и прямоугольного сечения, имеющих форму ломаной линии, построенной из трех отрезков с закруглением в местах присоединения отрезков друг к другу, основанию и инерционному диску, и расположенных в плоскости диска в его центральном отверстии так, что внутренние и наружные отрезки упругих элементов находятся под равными углами к оси чувствительности прибора, систему электростатического возбуждения колебаний диска, состоящую из двигателей возбуждения и датчиков углового положения; систему емкостного съема выходных колебаний, состоящую из электродов, расположенных на основании под инерционным диском.This result was achieved as follows. A micromechanical vibration gyroscope contains a base, an inertial disk having the same thickness and fixed to the base using an internal elastic suspension consisting of four elastic elements of equal length and rectangular cross section, having the shape of a broken line constructed of three segments with rounding at the points where the segments join each other friend, base and inertial disk, and located in the plane of the disk in its Central hole so that the inner and outer segments of the elastic elements are under GOVERNMENTAL angles to the axis of sensitivity of the device, electrostatic excitation oscillation drive system consisting of motors and angular position of the excitation probes; a system of capacitive removal of output oscillations, consisting of electrodes located on the base under an inertial disk.
Упругий подвес представляет собой две пары упругих элементов, которые расположены в центральном отверстии диска так, что внутренние и наружные отрезки упругих элементов попарно находятся под равными углами к оси чувствительности прибора. При этом внутренние или наружные отрезки упругих элементов направлены не радиально диску. Излом ломаных линий упругих элементов в каждой паре направлен в разные стороны, создавая, та'ким образом, зеркальную симметрию упругого подвеса.The elastic suspension is two pairs of elastic elements that are located in the central hole of the disk so that the inner and outer segments of the elastic elements are pairwise at equal angles to the sensitivity axis of the device. In this case, the internal or external segments of the elastic elements are directed not radially to the disk. The fracture of the broken lines of the elastic elements in each pair is directed in different directions, creating, thus, the mirror symmetry of the elastic suspension.
В процессе колебаний диска растяжение упругих элементов компенсируется их изгибом в месте соединения отрезков, что значительно снижает нелинейность подвеса. Равенство частот первичных и вторичных колебаний для обеспечения максимальной чувствительности достигается изменением углового расположения упругих элементов относительно оси чувствительности. Расположение отрезков упругих элементов не радиально диску влияет на линейные частоты конструкции, позволяя создать равножесткий упругий подвес.During disk oscillations, the stretching of the elastic elements is compensated by their bending at the junction of the segments, which significantly reduces the non-linearity of the suspension. Equality of frequencies of primary and secondary vibrations to ensure maximum sensitivity is achieved by changing the angular location of the elastic elements relative to the axis of sensitivity. The location of the segments of the elastic elements not radially to the disk affects the linear frequencies of the structure, allowing you to create an equally rigid elastic suspension.
В инерционном диске выполнены прорези, в которых размещена система электростатического возбуждения колебаний. Упругий подвес полностью размещен в центральном отверстии диска, вследствие чего инерционный диск представляет собой монолитную конструкцию, исключающую взаимные перемещения различных частей диска.Slots are made in the inertial disk, in which the system of electrostatic excitation of oscillations is placed. The elastic suspension is completely placed in the central hole of the disk, as a result of which it is inertial the disk is a monolithic design that excludes mutual movements of different parts of the disk.
Предлагаемая конструкция МВГ сокращает габариты прибора, увеличивает жесткость подвеса инерционного диска, уменьшает возможность его деформаций во время изготовления и эксплуатации, позволяет эффективно уменьшить нелинейность первичных угловых колебаний для достижения максимальной чувствительности МВГ и достичь равной жесткости подвеса для снижения влияния вибраций основания на погрешность МВГ.The proposed design of MVG reduces the dimensions of the device, increases the rigidity of the suspension of the inertial disk, reduces the possibility of its deformation during manufacture and operation, can effectively reduce the nonlinearity of primary angular oscillations to achieve maximum sensitivity of the MVG and achieve equal rigidity of the suspension to reduce the effect of vibration of the base on the error of the MVG.
Перечень фигур чертежей Предлагаемое изобретение поясняется рисунками, приведенными на фигурах 1 - 5.The list of figures of the drawings The present invention is illustrated by the drawings shown in figures 1 to 5.
На фиг. 1 изображен вид сверху инерционного диска с наружными отрезками упругих элементов не радиальными диску; на фиг. 2 изображен вид сбоку инерционного диска; на фиг. 3 изображен вид сверху инерционного диска с внутренними отрезками упругих элементов не радиальными диску; на фиг. 4 изображен вид сверху инерционного диска с внутренними и наружными отрезками упругих элементов не радиальными диску; на фиг. 5 изображен вид сверху инерционного диска с отрезками упругих элементов равной длины. На фиг.1-5 представлены проекционные связи МВГ, которые имеют следующие обозначения: ось первичных колебаний 1 , ось чувствительности 2, ось вторичных колебаний 3.In FIG. 1 shows a top view of an inertial disk with outer segments of elastic elements not radial to the disk; in FIG. 2 shows a side view of an inertial disk; in FIG. 3 shows a top view of an inertial disk with internal segments of elastic elements not radial to the disk; in FIG. 4 shows a top view of an inertial disk with internal and external segments of elastic elements not radial to the disk; in FIG. 5 shows a top view of an inertial disk with segments of elastic elements of equal length. Figure 1-5 shows the projection connection MVG, which have the following notation: the axis of the primary oscillations 1, the axis of sensitivity 2, the axis of the secondary oscillations 3.
Примеры предпочтительного выполнения изобретения Микромеханический вибрационный гироскоп состоит из: - основания 4, которое используют, как опорную поверхность для крепления инерционного диска 5 и, на котором расположены электроды системы емкостного съема выходных колебаний 9;Examples of a preferred embodiment of the invention A micromechanical vibration gyroscope consists of: - a base 4, which is used as a supporting surface for attaching an inertial disk 5 and on which electrodes of a capacitive output oscillation removal system 9 are located;
- инерционного диска 5, который крепится к основанию 4 с помощью упругого подвеса 6; - внутреннего упругого подвеса б, который состоит из четырех упругих элементов равной длины и прямоугольного сечения, имеющих форму ломаной линии, построенной из трех отрезков с закруглением в местах присоединения отрезков друг к другу, основанию 4 и инерционному диску 5, расположенных под равными углами к оси чувствительности прибора 2 и прикрепленных внутренними отрезками к основанию 4, а наружными отрезками к диску 5;- inertial disk 5, which is attached to the base 4 using an elastic suspension 6; - internal elastic suspension b, which consists of four elastic elements of equal length and rectangular cross section, having the shape of a broken line constructed of three segments with a rounding at the points of connection of the segments to each other, base 4 and inertial disk 5, located at equal angles to the axis of sensitivity of the device 2 and attached by internal segments to the base 4, and external segments to the disk 5;
- двигателей возбуждения 7, закрепленных на основании 4; - датчиков углового положения 8, закрепленных на основании 4;- excitation motors 7, mounted on the base 4; - sensors of angular position 8, mounted on the base 4;
- системы емкостного съема выходных колебаний 9 с электродами на основании 4.- a system of capacitive removal of output oscillations 9 with electrodes based on 4.
Микромеханический вибрационный гироскоп работает следующим образом. Инерционный диск 5 с внутренним упругим подвесом 6 закреплен на основании 4. На двигатели возбуждения 7, закрепленные на основании 4, подается переменное электрическое напряжение с частотой, равной собственной частоте первичных колебаний, что обеспечивает колебания инерционного диска 5 вокруг оси 1. Датчики углового положения 8, так же закрепленные на основании 4, служат для определения амплитуды колебаний и совместно с двигателями возбуждения 7 представляют собой систему электростатического возбуждения первичных колебаний инерционного диска 5. При наличии угловой скорости основания, действующей по оси чувствительности 2, возникают кориолисовы силы, заставляющие инерционный диск 5 колебаться относительно оси выходных колебаний 3. Амплитуда выходных колебаний, величина которой является мерой измеряемой угловой скорости, определяется системой емкостного съема выходных колебаний 9 с электродами на основании 4.Micromechanical vibration gyroscope works as follows. The inertial disk 5 with an internal elastic suspension 6 is mounted on the base 4. An alternating voltage is applied to the excitation motors 7, mounted on the base 4, with a frequency equal to the natural frequency of the primary oscillations, which ensures the inertia of the disk 5 around the axis 1. The angle sensors 8 , also fixed on the base 4, are used to determine the amplitude of the oscillations and together with the excitation motors 7 are a system of electrostatic excitation of the primary oscillations of the inertial ska 5. In the presence of the angular velocity of the base, acting along the sensitivity axis 2, Coriolis forces arise, causing the inertial disk 5 to oscillate relative to the axis of the output vibrations 3. The amplitude of the output vibrations, the value of which is a measure of the measured angular velocity, is determined by the system of capacitive removal of output vibrations 9 s electrodes based on 4.
Представленная конструкция упругого подвеса 6 состоит из четырех упругих элементов, имеющих форму ломаной линии, построенной из трех отрезков с закруглением в местах присоединения отрезков друг к другу, основанию 4 и инерционному диску 5. Упругие элементы имеют равную длину и ширину, высота их равна толщине диска 5. Упругие элементы составляют две группы, зеркально отображающие друг друга. Внутри каждой группы излом ломаной линии упругих элементов направлен в разные стороны. Внутренние (фиг. 3), наружные (фиг. 1) или внутренние и наружные (фиг. 4) отрезки упругих элементов могут быть расположены не радиально диску, что позволяет настраивать собственные частоты линейных колебаний упругого подвеса и создавать равножесткую конструкцию, что решает задачу повышения чувствительности прибора. Дополнительным средством настройки собственных частот линейных колебаний является установление равенства длин отрезков упругих элементов (фиг. 5). Особенностями МВГ по сравнению с известными решениями, характеризующими существующий уровень техники, являются увеличение чувствительности и повышение эксплуатационных характеристик МВГ.The presented design of the elastic suspension 6 consists of four elastic elements in the form of a broken line constructed of three segments with a rounding at the points of connection of the segments to each other, the base 4 and the inertial disk 5. The elastic elements have an equal length and width, their height is equal to the thickness of the disk 5. Elastic elements make up two groups that mirror each other. Inside each group, the kink of the broken line of the elastic elements is directed in different directions. Internal (Fig. 3), external (Fig. 1) or internal and external (Fig. 4) segments of elastic elements can be located not radially to the disk, which allows you to adjust the natural frequencies of linear oscillations of the elastic suspension and create an equally rigid structure, which solves the problem of increasing the sensitivity of the device. An additional means of adjusting the natural frequencies of linear oscillations is to establish the equality of the lengths of the segments of the elastic elements (Fig. 5). The features of the MHG in comparison with the known solutions characterizing the current level of technology are the increase in sensitivity and the increase in the operational characteristics of the MHG.
Промышленная применимостьIndustrial applicability
Предлагаемое изобретение найдет применение при создании средств измерения угловой скорости движения основания - вибрационных гироскопов с повышенными эксплуатационными характеристиками и чувствительностью по сравнению с существующим уровнем техники. The present invention will find application in the creation of means for measuring the angular velocity of the base - vibration gyroscopes with enhanced performance and sensitivity compared to the existing level of technology.
Claims
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005135894/28A RU2296302C1 (en) | 2005-11-15 | 2005-11-15 | Micro-mechanical vibration gyroscope |
| RU2005135894 | 2005-11-15 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2007058565A1 true WO2007058565A1 (en) | 2007-05-24 |
Family
ID=37999231
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2006/000558 Ceased WO2007058565A1 (en) | 2005-11-15 | 2006-10-23 | Micromechanical oscillating gyroscope |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2296302C1 (en) |
| WO (1) | WO2007058565A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4235098A1 (en) * | 2022-02-24 | 2023-08-30 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Sensor |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2535248C1 (en) * | 2013-08-21 | 2014-12-10 | Открытое акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | Micromechanical gyroscope |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0771965A (en) * | 1993-07-06 | 1995-03-17 | Tokimec Inc | Gyroscope |
| RU18768U1 (en) * | 2001-03-12 | 2001-07-10 | Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | MICROMECHANICAL VIBRATION GYROSCOPE |
| US6626039B1 (en) * | 1999-09-17 | 2003-09-30 | Millisensor Systems And Actuators, Inc. | Electrically decoupled silicon gyroscope |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3796991B2 (en) * | 1998-12-10 | 2006-07-12 | 株式会社デンソー | Angular velocity sensor |
-
2005
- 2005-11-15 RU RU2005135894/28A patent/RU2296302C1/en not_active IP Right Cessation
-
2006
- 2006-10-23 WO PCT/RU2006/000558 patent/WO2007058565A1/en not_active Ceased
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0771965A (en) * | 1993-07-06 | 1995-03-17 | Tokimec Inc | Gyroscope |
| US6626039B1 (en) * | 1999-09-17 | 2003-09-30 | Millisensor Systems And Actuators, Inc. | Electrically decoupled silicon gyroscope |
| RU18768U1 (en) * | 2001-03-12 | 2001-07-10 | Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор" | MICROMECHANICAL VIBRATION GYROSCOPE |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| BURTSEV V.A. ET AL.: "Osobennosti kompleksirovaniya obemnov mikromekhaniki i BIS v ismeritelnykh sistemakh. X", ST.PETERSBURGAYA MEZDUNARODNAYA KONFERENTSIYA PO INTEGRIROVANNYM NAVIGATSIONNYM SISTEMAM. ST.PETERSBURG, 26 May 2003 (2003-05-26) - 28 May 2003 (2003-05-28), pages 219, XP008081618 * |
| POPOVA I.V. ET AL.: "Mikromekhanicheskie datchiki i sistemy, prakticheskie rezultaty i perspektivy razvitiya. XII", ST. PETERSBURSKAYA MEZHDUNARODNAYA KONFERENTSIYA PO INTEGRIROVANNYM NAVIGATSIONNYM SISTEMAM. ST. PETERSBURG, 23 May 2005 (2005-05-23) - 25 May 2005 (2005-05-25), pages 263, XP008081617 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP4235098A1 (en) * | 2022-02-24 | 2023-08-30 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Sensor |
| US12305987B2 (en) | 2022-02-24 | 2025-05-20 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Sensor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2296302C1 (en) | 2007-03-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6514790B2 (en) | Gyroscope | |
| KR101823325B1 (en) | Improved gyroscope structure and gyroscope | |
| US8549918B2 (en) | Inertial sensors using piezoelectric transducers | |
| JP6769517B2 (en) | Piezo ring gyroscope | |
| FI126070B (en) | Improved ring gyroscope structure and gyroscope | |
| JP3753209B2 (en) | Angular velocity sensor | |
| JP5773844B2 (en) | Vibration type gyro with excellent output stability | |
| JP2019053029A (en) | Connecting suspension in piezoelectric gyroscope | |
| JP2000046560A (en) | Angular velocity sensor | |
| JP5761350B2 (en) | Vibrator and vibratory gyro | |
| JP6527235B2 (en) | Gyroscope | |
| JP2000074673A (en) | Compound movement sensor | |
| JPH085382A (en) | Angular-velocity sensor | |
| US11725941B2 (en) | Sensing device | |
| RU2296302C1 (en) | Micro-mechanical vibration gyroscope | |
| JP6787437B2 (en) | Piezo ring gyroscope | |
| JP2005312208A (en) | Non-reaction type displacement expansion positioning device | |
| KR100493149B1 (en) | Symmetrical Z-axis gyroscope and fabricating method thereof | |
| RU2453812C1 (en) | Integrated sensitive element of vibration gyroscope | |
| RU2269746C1 (en) | Micromechanical vibratory gyroscope | |
| CN116940804A (en) | Vibrating gyroscope with planar structure | |
| RU2761764C1 (en) | Micromechanical vibration gyroscope | |
| JP2016008907A (en) | Vibration type gyro excellent in temperature characteristic | |
| KR20000050760A (en) | Laterally driving gimbal type gyroscope having unbalanced inner torsional gimbal | |
| JPH11337344A (en) | Angular velocity sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application | ||
| DPE2 | Request for preliminary examination filed before expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101) | ||
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 06835794 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |