RU193215U1

RU193215U1 - Toothed cavity of an inertial micromechanical sensor

Info

Publication number: RU193215U1
Application number: RU2019113204U
Authority: RU
Inventors: Владимир Анатольевич Зеленский; Максим Вадимович Капалин
Priority date: 2019-04-29
Filing date: 2019-04-29
Publication date: 2019-10-16

Abstract

Полезная модель относится к чувствительным элементам инерциальных микромеханических датчиков угловой ориентации. Устройство состоит из жестко закрепленного элемента круглой формы 1, восьми упругих подвесов 2, инерциального элемента кольцевой формы 3, который содержит зубцы 4. Зубцы представляют собой дополнительно введенную массу, которую при необходимости можно удалять для устранения дисбаланса масс резонатора. Возможность изменения массы резонатора без деформации основной его части является преимуществом данной полезной модели, поскольку приводит к улучшению метрологических характеристик микромеханического датчика. Положительный эффект достигается за счет того, что, во-первых, удаление материала с зубцов не уменьшает поперечное сечение основной части кольца и поэтому не будет снижаться его прочность. Во-вторых, зубцы практически не испытывают деформаций в рабочем режиме, и, следовательно, отклонение фактической формы деформации от расчетной после удаления части материала с зубцов будет значительно меньше, чем при удалении материала с основной части резонатора. Кроме того, зубцы можно подвергнуть более грубым методам обработки, так как они являются не углублениями, а выступами относительно поверхности кольца. 2 ил.The utility model relates to sensitive elements of inertial micromechanical sensors of angular orientation. The device consists of a rigidly fixed element of circular shape 1, eight elastic suspensions 2, an inertial element of a circular shape 3, which contains teeth 4. The teeth are an additionally introduced mass, which, if necessary, can be removed to eliminate the imbalance of the mass of the resonator. The ability to change the mass of the resonator without deformation of its main part is an advantage of this utility model, since it leads to an improvement in the metrological characteristics of the micromechanical sensor. A positive effect is achieved due to the fact that, firstly, the removal of material from the teeth does not reduce the cross section of the main part of the ring and therefore its strength will not decrease. Secondly, the teeth practically do not experience deformations in the operating mode, and, therefore, the deviation of the actual form of deformation from the calculated one after removing some of the material from the teeth will be much less than when removing material from the main part of the resonator. In addition, the teeth can be subjected to more rough processing methods, since they are not recesses, but protrusions relative to the surface of the ring. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к чувствительным элементам инерциальных микромеханических датчиков и может быть использована в микромеханических датчиках угловой ориентации (гироскопах) с улучшенными метрологическими характеристиками.The utility model relates to sensitive elements of inertial micromechanical sensors and can be used in micromechanical sensors of angular orientation (gyroscopes) with improved metrological characteristics.

Из уровня техники известен резонатор (патент США US 5,450,751 МПК G01P 15/14 от 19.09.1995), состоящий из жестко закрепленного основания, связанного с помощью упругих подвесов с кольцевым инерциальным элементом. Недостатком устройства является то, что конструкция кольцевого инерциального элемента не предполагает специальных приспособлений для его балансировки.The prior art resonator (US patent US 5,450,751 IPC G01P 15/14 from 09/19/1995), consisting of a rigidly fixed base connected using elastic suspensions with a ring inertial element. The disadvantage of this device is that the design of the ring inertial element does not imply special devices for its balancing.

Из уровня техники известен также резонатор (патент ЕР 1271686 А1, МПК Н01Р 7/08, Н01Р 1/203 от 02.01.2003), состоящий из жестко закрепленного основания, связанного с помощью упругих подвесов с инерциальным элементом кольцевой формы, который содержит углубления (выемки), влияющие на резонансные частоты резонатора. Данная конструкция допускает балансировку резонатора путем удаления части материала, принадлежащего основной части кольца, что приводит к уменьшению прочности резонатора, требует высокой точности создания неоднородностей (углублений в материале кольца). Кроме того, значительные нарушения размеров поперечного сечения кольца могут привести к отклонению фактической формы деформации кольца от расчетной формы. Наличие этого отклонения может стать дополнительным источником погрешностей датчика, что является его недостатком. Данное устройство принято за прототип.The resonator is also known from the prior art (patent EP 1271686 A1, IPC Н01Р 7/08, Н01Р 1/203 dated 02.01.2003), consisting of a rigidly fixed base connected by elastic suspensions with an inertial element of a ring shape, which contains recesses (recesses ), affecting the resonant frequencies of the resonator. This design allows balancing of the resonator by removing part of the material belonging to the main part of the ring, which leads to a decrease in the strength of the resonator, requires high accuracy of creating inhomogeneities (recesses in the material of the ring). In addition, significant violations of the dimensions of the cross section of the ring can lead to a deviation of the actual shape of the deformation of the ring from the calculated shape. The presence of this deviation can become an additional source of sensor errors, which is its drawback. This device is taken as a prototype.

В основу полезной модели поставлена задача - улучшить метрологические характеристики инерциального микромеханического датчика путем применения зубчатого резонатора, который можно сбалансировать путем удаления части зубцов (выступов).The utility model is based on the task of improving the metrological characteristics of an inertial micromechanical sensor by using a gear resonator, which can be balanced by removing part of the teeth (protrusions).

Задача решается за счет того, что зубчатый резонатор инерциального микромеханического датчика выполнен в виде конструкции, содержащей жестко закрепленный элемент, который с помощью упругих подвесов соединен с инерциальным элементом кольцевой формы, имеющим зубцы. Удаление материала с зубцов не уменьшает поперечное сечение основной части кольца, поэтому не снижает прочность резонатора. Зубцы можно подвергнуть более грубым методам обработки, так как они являются не углублениями, а выступами относительно поверхности кольца. Зубцы практически не испытывают деформаций в рабочем режиме, и, следовательно, отклонение фактической формы деформации от расчетной после удаления части материала с зубцов будет значительно меньше, чем при удалении материала с основной части кольцевого элемента резонатора.The problem is solved due to the fact that the tooth resonator of the inertial micromechanical sensor is made in the form of a structure containing a rigidly fixed element, which is connected with elastic suspensions to an inertial ring-shaped element with teeth. Removing material from the teeth does not reduce the cross section of the main part of the ring, therefore, does not reduce the strength of the resonator. The teeth can be subjected to more rough processing methods, since they are not recesses, but protrusions relative to the surface of the ring. The teeth practically do not experience deformations in the operating mode, and, therefore, the deviation of the actual form of deformation from the calculated one after removal of a part of the material from the teeth will be much less than when the material is removed from the main part of the annular element of the resonator.

Устройство характеризуется следующими чертежами:The device is characterized by the following drawings:

на фиг. 1 представлена конструкция зубчатого резонатора;in FIG. 1 shows the design of a gear resonator;

на фиг. 2 изображена диаграмма вибрации зубчатого резонатора.in FIG. 2 is a vibration diagram of a gear resonator.

Устройство состоит из жестко закрепленного элемента круглой формы 1, восьми упругих подвесов 2, инерциального элемента кольцевой формы 3, который содержит зубцы 4.The device consists of a rigidly fixed element of circular shape 1, eight elastic suspensions 2, an inertial element of an annular shape 3, which contains teeth 4.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

В элементе кольцевой формы 3 (Фиг. 1) возбуждаются и поддерживаются вынужденные колебания на второй собственной частоте кольца электростатическим или иным методом, причем воздействие происходит, например, в направлении осей 5-5, 6-6 (Фиг. 2). В таком случае, информационные колебания будут распространяться вдоль осей 7-7, 8-8. При отсутствии угловой скорости в плоскости кольца деформация резонатора в точках 9, 10, 11, 12 является периодической функцией времени. При наличии угловой скорости, действующей в плоскости кольца, возникает сила Кориолиса, в результате чего данная функция будет зависеть не только от времени, но и от значения угловой скорости. Выделив составляющую, обусловленную действием на кольцевой элемент силы Кориолиса, можно определить угловую скорость, что и является выходной информацией инерциального датчика (гироскопа).In the element of the ring form 3 (Fig. 1), forced vibrations are excited and supported at the second natural frequency of the ring by an electrostatic or other method, and the action occurs, for example, in the direction of the axes 5-5, 6-6 (Fig. 2). In this case, information fluctuations will propagate along the axes 7-7, 8-8. In the absence of angular velocity in the plane of the ring, the deformation of the resonator at points 9, 10, 11, 12 is a periodic function of time. In the presence of an angular velocity acting in the plane of the ring, the Coriolis force arises, as a result of which this function will depend not only on time, but also on the value of the angular velocity. By isolating the component due to the action of the Coriolis force on the ring element, one can determine the angular velocity, which is the output information of the inertial sensor (gyroscope).

Улучшить метрологические характеристики инерциального датчика возможно за счет минимизации квадратурной ошибки, присущей резонаторам. Квадратурная ошибка является следствием того, что в резонаторе могут одновременно существовать две волны упругих изгибных колебаний второй моды - основная и квадратурная. Наличие квадратурной волны проявляется в колебаниях узловых точек основной волны, сдвинутых по фазе на 90°. Вследствие неравномерного распределения масс, несовершенства технологии изготовления, анизотропии свойств материала, приведенные массы, коэффициенты жесткости и коэффициенты демпфирования различаются по данным направлениям. Это приводит к появлению двух близких по значению частот колебаний вместо одной и разной величины добротности резонатора по этим направлениям. Данный эффект также называют расщеплением частоты.It is possible to improve the metrological characteristics of the inertial sensor by minimizing the quadrature error inherent in the resonators. The quadrature error is a consequence of the fact that two waves of elastic bending vibrations of the second mode — the main and the quadrature — can simultaneously exist in the resonator. The presence of a quadrature wave is manifested in the vibrations of the nodal points of the main wave, shifted in phase by 90 °. Due to the uneven distribution of masses, imperfections in manufacturing technology, anisotropy of material properties, reduced masses, stiffness coefficients, and damping coefficients differ in these directions. This leads to the appearance of two oscillation frequencies that are close in value instead of the same value of the Q factor of the resonator in these directions. This effect is also called frequency splitting.

Применение чувствительного элемента с зубцами, массу с которых можно удалить полностью или частично различными методами, в том числе и лазерным испарением, позволит устранить дисбаланс масс резонатора, минимизировать расщепление частоты и, соответственно, минимизировать амплитуду квадратурной волны, что уменьшает квадратурную ошибку. Тем самым достигается улучшение метрологических характеристик инерциального датчика, что является преимуществом заявленной полезной модели.The use of a sensitive element with teeth, the mass of which can be removed completely or partially by various methods, including laser evaporation, will eliminate the imbalance in the mass of the resonator, minimize frequency splitting and, accordingly, minimize the amplitude of the quadrature wave, which reduces the quadrature error. This improves the metrological characteristics of the inertial sensor, which is an advantage of the claimed utility model.

Claims

A toothed resonator of an inertial micromechanical sensor containing a rigidly fixed element, which is connected with an inertial element of a ring shape by means of elastic suspensions, characterized in that the inertial element contains teeth made with the possibility of their removal.