Патент на изобретение №2331845

(54) ВИБРАЦИОННЫЙ ГИРОСКОП

(57) Реферат:

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к преобразователям угловой скорости в электрический сигнал. Вибрационный гироскоп содержит корпус, постоянный магнит, магнитопровод, пластину из монокристаллического кремния, в которой выполнены неподвижная часть и кольцевой резонатор, соединенный с неподвижной частью упругими перемычками, магнитоэлектрическую систему возбуждения колебаний и магнитоэлектрическую систему съема сигнала. Кольцевой резонатор выполнен внешним элементом по отношению к неподвижной части пластины, постоянный магнит выполнен в виде полого цилиндра, неподвижная часть пластины установлена на магнитопроводе, установленном на корпусе. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения угловой скорости. 6 ил.

Данное изобретение относится к области измерительной техники, а именно к преобразователям угловой скорости в электрический сигнал.

Известен вибрационный гироскоп [1], содержащий резонатор с устройствами возбуждения и измерения вибраций по двум взаимно перпендикулярным осям, усилители и демодуляторы.

Наиболее близким по технической сущности является вибрационный гироскоп [2], содержащий корпус, постоянный магнит, магнитопровод, пластину из монокристаллического кремния, в которой выполнены неподвижная часть и кольцевой резонатор, соединенный с неподвижной частью n упругими перемычками, расположенными на угловом расстоянии =360°/n друг от друга, магнитоэлектрическую систему возбуждения колебаний и магнитоэлектрическую систему съема сигнала гироскопа, включающие в себя токопроводящие дорожки на упругих перемычках и на кольцевом резонаторе.

Недостатком такого вибрационного гироскопа является нерациональность конструкции, не позволяющая достигнуть уровня точности измерения угловой скорости, обеспечиваемого данными габаритами.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения угловой скорости.

Данный технический результат достигается в вибрационном гироскопе, содержащем корпус, постоянный магнит, магнитопровод, пластину из монокристаллического кремния, в которой выполнены неподвижная часть и кольцевой резонатор, соединенный с неподвижной частью n упругими перемычками, расположенными на угловом расстоянии =360°/n друг от друга, магнитоэлектрическую систему возбуждения колебаний и магнитоэлектрическую систему съема сигнала гироскопа, включающие в себя токопроводящие дорожки на упругих перемычках и кольцевом резонаторе, тем, что кольцевой резонатор выполнен внешним элементом по отношению к неподвижной части пластины, постоянный магнит выполнен в виде полого цилиндра, неподвижная часть пластины установлена на магнитопроводе, расположенном на корпусе.

Путем выполнения кольцевого резонатора внешним элементом по отношению к неподвижной части пластины, выполнения постоянного магнита в виде полого цилиндра, установки неподвижной части пластины на магнитопроводе, расположенном на корпусе, при одних и тех же габаритах вибрационного гироскопа увеличивается длина токопроводящих дорожек, увеличивается диаметр кольцевого резонатора. В этом случае увеличиваются действующие на кольцевой резонатор силы, увеличивается амплитуда радиальных колебаний кольцевого резонатора. Вследствие этого увеличивается сигнал вибрационного гироскопа и повышается точность измерения угловой скорости за счет повышения разрешающей способности.

На фиг.1 представлен общий вид вибрационного гироскопа, на фиг.2 – вид пластины, на фиг.3 – вид магнитопровода, на фиг.4 – вид постоянного магнита, на фиг.5 – электрическая схема магнитоэлектрической системы возбуждении колебаний, на фиг.6 – электрическая схема магнитоэлектрической системы съема сигнала гироскопа.

Вибрационный гироскоп (фиг.1) имеет корпус 1, постоянный магнит 2, выполненный в виде полого цилиндра, намагниченного в осевом направлении. На корпусе 1 установлены магнитопровод 3, на котором расположена выполненная из монокристаллического кремния пластина 4, имеющая неподвижную часть 5 и кольцевой резонатор 6. Причем пластина 4 установлена на магнитопроводе 3 посредством неподвижной части 5.

В пластине 4 (фиг.2) кольцевой резонатор 6 соединен с неподвижной частью 5 упругими перемычками 7^I, 7^II, … 7^VIII. Упругие перемычки 7^I, 7^II, … 7^VIII отстоят друг от друга на угловом расстоянии =360°/n=45°. Неподвижная часть 5, кольцевой резонатор 6 и упругие перемычки 7^I, 7^II, … 7^VIII могут быть выполнены методом анизотропного травления монокристаллического кремния.

На пластине 4 образованы токопроводящие дорожки 8^I, 8^II, … 8^VIII, выполненные, например, из металла, используя стандартные методы фотолитографии и напыления, применяемые в микроэлектронике. Токопроводящая дорожка 8^VIII с проходящей по кольцевому резонатору 6 частью 9^I начинается на контактной площадке 10^I, проходит по упругой перемычке 7^I, части кольцевого резонатора 6 на угловом расстоянии и заканчивается на контактной площадке 10^II. Токопроводящая дорожка 8^II с проходящей по кольцевому резонатору 6 частью 9^II начинается на контактной площадке 10^II, проходит по упругой перемычке 7^III и заканчивается на контактной площадке 10^IV. Аналогичным образом токопроводящая дорожка 8^II с проходящей по кольцевому резонатору 6 частью 9^VIII начинается на контактной площадке 10^XV, проходит по упругой перемычке 7^VIII, части кольцевого резонатора 6 и заканчивается на контактной площадке 10^XVI Контактные площадки 10^I, 10^II, …10^XVI выполнены напылением металла и расположены на поверхности 11 неподвижной части 5 пластины 4. К контактным площадкам 10^I, 10^II, … 10^XVI подсоединены методом контактной сварки проводники, например, из золота, которые предназначены для внешних соединений.

Части 9^I, 9^II, … 9^VIII токопроводящих дорожек 8^I, 8^II, … 8^VIII выполнены на поверхности 12 кольцевого резонатора 6.

Магнитопровод 3 (фиг.3) имеет центральную цилиндрическую часть 13, внешний диаметр d₁ которой приблизительно равен внешнему диаметру неподвижной части 5 пластины 4, кольцевую глухую проточку 14 и часть 15 с цилиндрической поверхностью 16 диаметром d₂. Поверхность 17 магнитопровода 3 предназначена для установки на нее неподвижной части 5 пластины 4.

Постоянный магнит 2 (фиг.4) имеет полую часть 18 диаметром d₃, близким по размеру к внутреннему диаметру кольцевого резонатора 6. Наружный диаметр d₄ постоянного магнита 2 приблизительно равен наружному диаметру кольцевого резонатора 6. Постоянный магнит 2 намагничен по продольной оси 19-19. Полюсы постоянного магнита 2 находятся на его сторонах 20 и 21 соответственно.

В магнитоэлектрической системе возбуждения колебаний (фиг.5) к первому выходу генератора переменного тока 22 подключена контактная площадка 10^I, к которой одним концом подсоединена токопроводящая дорожка 8^I. Второй конец токопроводящей дорожки 8^I подключен к контактной площадке 10^II, к которой подсоединена контактная площадка 10^VI. К контактной площадке 10^VI подключен один конец токопроводящей дорожки 8^III, к другому концу которой подключена контактная площадка 10^V. Контактная площадка 10^V соединена с контактной площадкой 10^IX, к которой подключен один конец токопроводящей дорожки 8^V. Второй конец токопроводящей дорожки 8^V подсоединен к контактной площадке 10^X, к которой подключена контактная площадка 10^XIV. К контактной площадке 10^XIV подключен один конец токопроводящей дорожки 8^VII, второй конец которой подсоединен к контактной площадке 10^XIII, а она в свою очередь подключена к второму выходу генератора переменного тока 22. Генератор переменного тока 22 выдает напряжение с частотой, равной частоте механического резонанса кольцевого резонатора 6.

В магнитоэлектрической системе съема сигнала гироскопа (фиг.6) к контакту ХТ1 подключена контактная площадка 10^III, к которой подсоединен один конец токопроводящей дорожки 8^II, соединенной другим концом с контактной площадкой 10^IV. Контактная площадка 10^IV подсоединена к контактной площадке 10^VIII, соединенной с одним концом токопроводящей дорожки 8^IV, второй конец которой подключен к контактной площадке 10^VIII. Контактная площадка 10^VIII соединена с контактной площадкой 10^XI, которая подключена к одному концу токопроводящей дорожки 8^VI, подключенной другим своим концом к контактной площадке 10^XII, которая в свою очередь соединена с контактной площадкой 10^XV. К контактной площадке 10^XV подключен один конец токопроводящей дорожки 8^VIII, другой конец которой подсоединен к контактной площадке 10^XVI, подключенной к контакту ХТ2.

Вибрационный гироскоп работает следующим образом. При подаче напряжения переменного тока с выхода генератора переменного тока 22 (фиг.5) через токопроводящие дорожки 8^I, 8^III, 8^V, 8^VII проходит переменный ток с частотой, равной частоте механического резонанса кольцевого резонатора 6. При этом в кольцевом резонаторе 6 возбуждаются колебания в радиальном направлении такой формы, что узлы относительно пучностей отстоят на 45°. При наличии угловой скорости, вектор которой перпендикулярен поверхности 12 кольцевого резонатора 6, происходит смещение узла резонансных колебаний относительно осей x-x и y-y (фиг.2) кольцевого резонатора 6. В результате в токопроводящих дорожках 8^II, 8^IV, 8^VI, 8^VIII (фиг.6) наводится ЭДС переменного тока, пропорциональная угловой скорости. Измеряя суммарное значение ЭДС на контактах ХТ1, ХТ2, определяют угловую скорость.

Магнитный поток от одного полюса постоянного магнита 2 от поверхности 20 постоянного магнита 2 проходит к поверхности части 15 магнитопровода 3 и далее по магнитопроводу 3 и корпусу 1 замыкается на втором полюсе по поверхности 21 постоянного магнита 2. Таким образом, в однородном магнитном поле находится кольцевой резонатор 6, а упругие перемычки 7^I, 7^II, … 7^VIII – в слабых полях рассеяния магнитного потока.

При большем диаметре кольцевого резонатора 6 по сравнению с диаметром неподвижной части 5 увеличивается длина токопроводящих дорожек 8^I, 8^III, 8^V, 8^VII, что при одном и том же токе от генератора переменного тока 22 увеличивает магнитоэлектрическую силу, вызывающую колебания кольцевого резонатора 6. Вследствие этого увеличивается амплитуда радиальных колебаний кольцевого резонатора 6, увеличивается скорость движения токопроводящих дорожек 8^II, 8^IV, 8^VI, 8^VII, увеличивается наводимая в них ЭДС. В результате при одной и той же угловой скорости на контактах ХТ1, ХТ2 присутствует сигнал большей величины, что приводит к повышению разрешающей способности и точности измерения угловой скорости, что приводит к повышению разрешающей способности и точности измерения угловой скорости.

Источники информации

1. Патент США № 5226321, МКИ G01P 9/04, НКИ 73/505, 73/517А. Вибрационный планарный гироскоп. 1993 г.

2. Патент Великобритании № 2322196, МКИ G01C 19/04, 19/56. Вибрационный гироскоп, 1997 г.

Формула изобретения

Вибрационный гироскоп, содержащий корпус, постоянный магнит, магнитопровод, пластину из монокристаллического кремния, в которой выполнены неподвижная часть и кольцевой резонатор, соединенный с неподвижной частью n упругими перемычками, расположенными на угловом расстоянии =360°/n друг от друга, магнитоэлектрическую систему возбуждения колебаний и магнитоэлектрическую систему съема сигнала гироскопа, включающие в себя токопроводящие дорожки на упругих перемычках и кольцевом резонаторе, отличающийся тем, что кольцевой резонатор выполнен внешним элементом по отношению к неподвижной части пластины, постоянный магнит выполнен в виде полого цилиндра, неподвижная часть пластины установлена на магнитопроводе, расположенном на корпусе.

РИСУНКИ