Патент на изобретение №2379630
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДАТЧИКА УГЛОВОЙ СКОРОСТИ
(57) Реферат:
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в микромеханических гироскопах для систем управления подвижных объектов различного назначения. Чувствительный элемент содержит закрепленную на неподвижном основании опорную рамку, закрепленные на ней через упругие подвесы кольцо (подвижная масса) с одной стороны, и с другой стороны кольцо (подвижная масса). Упругие элементы являются одинаковыми. Подвижные массы, равные по величине, выполнены за одно целое с упругими элементами из пластины монокристаллического кремния, ориентированной в кристаллографической плоскости 100, возможно также применение плоскости 110. Введение дополнительного кольцевого резонатора, возбуждение обоих резонаторов в противофазе позволяет повысить добротность за счет уменьшения потерь энергии и уменьшения влияния возмущающих факторов и повысить точность. 1 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и может применяться в микромеханических гироскопах для систем управления подвижных объектов различного назначения. Известен чувствительный элемент датчика угловой скорости, содержащий основание, внутреннюю рамку, центр, соединенный четырьмя жесткими растяжками с внутренней рамкой, четыре подвижных массы, каждая из которых соединена с центром двумя упругими Г-образными подвесами, а с внутренней рамкой – шестью упругими Г-образными подвесами, а также дополнительно введенную внешнюю рамку, соединенную с внутренней рамкой четырьмя перемычками, расположенными по осям симметрии чувствительного элемента, по одной перемычке на каждой стороне рамок, и соединенную с основанием через четыре площадки крепления, расположенные в углах внешней рамки [1]. Недостатком такого устройства является сложность и трудоемкость изготовления чувствительного элемента, а также сложность обеспечения резонансной настройки возбуждаемых и сигнальных колебаний. Известен также чувствительный элемент датчика угловой скорости, включающий закрепленную на основании несущую рамку, расположенные внутри и соединенные с ней упругими элементами две инерционные массы [2]. Недостатком такого устройства является низкая добротность измерительных колебаний, что вызвано потерями энергии при взаимодействии с основанием. Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому изобретению является датчик угловых скоростей с чувствительным элементом, выполненным в виде кольцевого резонатора [3]. Чувствительный элемент выполнен из монокристаллического кремния, каждый резонатор содержит шестимиллиметровое кремниевое кольцо, поддерживаемое восемью радиально податливыми спицами, которые прикреплены к опорной рамке 10×10 мм. Токопроводящие проводники осаждаются и формируются только на верхней поверхности, а площадки для присоединения провода расположены на внешней опорной рамке. Кристалл анодно соединяется с опорной стеклянной структурой, которая температурно согласована с кремнием. Недостатком такого устройства является достаточно большая погрешность из-за влияния внешних возмущающих факторов, например повышенной, пониженной температуры и траекторных возмущений. Другим недостатком, присущим таким чувствительным элементам, является низкая добротность измерительных колебаний, что вызвано потерями энергии при взаимодействии с основанием. Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение точности прибора, благодаря повышению добротности колебательной системы, а также снижению влияния внешних возмущающих факторов. Эта задача решается за счет того, что в чувствительном элементе датчика угловой скорости, выполненном на подложке монокристаллического кремния, в котором сформировано кольцо, поддерживаемое радиально податливыми упругими подвесами, которые прикреплены к внешней опорной рамке, дополнительно введен чувствительный элемент кольцевого типа, соединенный с основным чувствительным элементом упругими подвесами, через опорную рамку, расположенную между ними. Высокая добротность колебательной системы обеспечивается минимальными потерями энергии в точке закрепления чувствительного элемента с неподвижным основанием за счет возбуждения колебаний обоих чувствительных элементов, осуществляемых одновременно в противофазе со стабилизацией амплитуды. При этом главный вектор силы и главный момент в точке закрепления упругих подвесов обеих колец на опорной рамке чувствительного элемента близки к нулю, то есть взаимодействие с основанием отсутствует. При воздействии внешних возмущающих факторов происходит их вычитание. Тем самым сводится к нулю погрешность измерения и повышается точность прибора в целом. На чертеже показан вид чувствительного элемента датчика угловой скорости, где 1 – опорная рамка; 2, 3 – упругие подвесы; 4, 5 – кольца (подвижные массы); 6 – неподвижное основание. Чувствительный элемент датчика угловой скорости содержит опорную рамку 1, закрепленные на ней через упругие подвесы 2 и 3 кольцо (подвижная масса) 4 с одной стороны, и с другой стороны кольцо (подвижная масса) 5, неподвижное основание 6. Упругие элементы 2 и 3 являются одинаковыми. Подвижные массы 4 и 5, равные по величине, выполнены за одно целое с упругими элементами 2 и 3 из пластины монокристаллического кремния, ориентированной в кристаллографической плоскости 100 (возможно также применение плоскости 110). Чувствительный элемент датчика угловой скорости работает следующим образом. При подаче на прибор питания подвижные массы 4 и 5 начинают попарно колебаться в противофазе друг другу на резонансной частоте. При вращении чувствительного элемента относительно оси, перпендикулярной плоскости чувствительного элемента, на подвижные массы 4 и 5 начинают действовать кориолисовы силы, которые возбуждают колебания в направлении измерительной оси, амплитуда которых пропорциональна измеряемой угловой скорости. Учитывая, что потери энергии данной колебательной системой определяются работой деформационных сил в точке закрепления, которые, как показал анализ при помощи программы ANSIS, равны нулю, т.к. равны нулю деформации и напряжения, то добротность предложенного чувствительного элемента является достаточно высокой по сравнению с прототипом, что естественно повышает и точность измерения. В целом предложенное изобретение снижает и трудоемкость, т.к. уменьшается балансировка без снижения точности. Источники информации 1. Патент РФ 2. Патент США Формула изобретения
Чувствительный элемент датчика угловой скорости, выполненный на подложке монокристаллического кремния, в котором сформирован кольцевой резонатор, поддерживаемый радиально податливыми упругими подвесами, которые прикреплены к внешней опорной рамке, отличающийся тем, что дополнительно введен чувствительный элемент кольцевого типа, соединенный с основным чувствительным элементом упругими подвесами через опорную рамку, расположенную между ними.
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
1-2, С.57-72. US 5911156 А, 08.06.1999. JP 2001304869 A, 31.10.2001.