RU2761764C1

RU2761764C1 - Micromechanical vibration gyroscope

Info

Publication number: RU2761764C1
Application number: RU2021102003A
Authority: RU
Inventors: Михаил Илларионович Евстифеев
Original assignee: Акционерное общество "Концерн "Центральный научно-исследовательский институт "Электроприбор"
Priority date: 2021-01-28
Filing date: 2021-01-28
Publication date: 2021-12-13

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention relates to the field of precision instrument manufacture. The substance of the invention consists in the fact that in a micromechanical vibration gyroscope, the output angular oscillations are measured between the surfaces of two inertial disks.

EFFECT: reduction in the sensitivity of the gyroscope to constant and angular accelerations, increase in the operational characteristics of the gyroscope.

2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании таких средств измерения угловой скорости движения основания, как вибрационные гироскопы.The invention relates to the field of precision instrumentation and can be used to create such means for measuring the angular velocity of the base movement, such as vibration gyroscopes.

Известны микромеханические вибрационные гироскопы (МВГ) [Soderkvist J. Micromachined gyroscopes. - Sensors and Actuators A, 43, 1994, pp. 65-71].Known micromechanical vibration gyroscopes (MVG) [Soderkvist J. Micromachined gyroscopes. - Sensors and Actuators A, 43, 1994, pp. 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 выходные колебания инерционного диска вокруг ортогональной оси, лежащей в плоскости диска, измеряемые системой съема.The principle of operation of the MVG is as follows. An inertial disk, which has an elastic connection with the base, performs primary angular vibrations (angular vibrations) generated 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 the output oscillations of the inertial disk around an orthogonal axis lying in the plane of the disk, measured by the removal system.

Основные проблемы при эксплуатации МВГ на подвижном основании заключаются в обеспечении устойчивости прибора к инерционным угловым и поступательным ускорениям высокой интенсивности, как постоянной, так и переменной амплитуды.The main problems during the operation of the MVG on a movable base are to ensure the stability of the device to inertial angular and translational accelerations of high intensity, both constant and variable amplitude.

Известна конструкция МВГ [Лестев A.M., Попова И.В., Пятышев Е.Н. и др. Особенности комплексирования объемной микромеханики и БИС в измерительных системах. - Материалы X Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным системам, Санкт-Петербург, 2003. - С. 217-225], чувствительный элемент которого содержит основание и инерционный диск, закрепленный на основании с помощью внутреннего упругого подвеса (далее - упругий подвес). Инерционный диск и упругий подвес выполнены из кремниевой пластины одинаковой толщины. 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 возбуждения первичных колебаний, состоящей из двигателей возбуждения и датчиков углового положения в виде гребенчатых структур. Измерение выходных колебаний инерционного диска осуществляется системой управления выходными колебаниями, состоящей из электродов емкостного съема (далее - электроды съема) и электродов управления, расположенных на основании под инерционным диском.Known design MVG [Lestev A.M., Popova IV, Pyatyshev E.N. and other Features of the integration of 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 on the base using an internal elastic suspension (hereinafter referred to as elastic suspension). The inertial disk and elastic suspension are made of a silicon wafer of the same thickness. The inner part of the elastic elements is fixed on the base, and the outer part is connected to the inertial disk. The inertial disk performs primary vibrations around an axis perpendicular to the plane of the disk. The oscillations are excited by the primary oscillation excitation system, which consists of excitation motors and angular position sensors in the form of comb structures. The measurement of the output oscillations of the inertial disk is carried out by the output oscillation control system, which consists of capacitive pickup electrodes (hereinafter referred to as pickup electrodes) and control electrodes located on the base under the inertial disk.

К недостаткам конструкции относится то, что при действии поступательных ускорений происходят деформации упругого подвеса и инерционного диска с соответствующим изменением зазора между инерционным диском и электродами емкостного съема. Это, в свою очередь, приводит к изменению масштабного коэффициента МВГ и к искажению его показаний. Вследствие нелинейного изменения зазора между электродами в системе управления выходными колебаниями при вибрации с высокой частотой и амплитудой возникают субгармонические резонансные колебания инерционного диска, приводящие к отказу МВГ [Евстифеев М.И. и др. Результаты испытаний микромеханических гироскопов при механических воздействиях. - Гироскопия и навигация, 2011, № 1, С. 49-58].The disadvantages of the design include the fact that under the action of translational accelerations, deformations of the elastic suspension and the inertial disk occur with a corresponding change in the gap between the inertial disk and the capacitive removal electrodes. This, in turn, leads to a change in the scale factor of the MHG and to a distortion of its readings. Due to the nonlinear change in the gap between the electrodes in the control system of the output oscillations during vibration with high frequency and amplitude, subharmonic resonant oscillations of the inertial disk occur, leading to the failure of the MVG [Evstifeev M.I. and other Test results of micromechanical gyroscopes under mechanical stress. - Gyroscopy and navigation, 2011, No. 1, S. 49-58].

Известны технические решения [патенты США № 5635640 и № 8266961], позволяющие уменьшить влияние инерционных ускорений и, в частности, вибраций на показания МВГ путем использования в одном приборе нескольких инерционных дисков. Принцип работы таких приборов основан на том, что инерционные диски совершают противофазные угловые колебания в плоскости диска. При наличии угловой скорости возникают противофазные угловые колебания инерционных дисков вокруг осей, лежащих в плоскости дисков. Это позволяет использовать дифференциальный режим измерения и парировать действие вибраций, которые вызывают синфазные перемещения инерционных дисков. Конструкции могут содержать два, четыре или большее четное количество инерционных дисков. Однако, вследствие того, что инерционные диски расположены в одной плоскости, а электроды съема находятся на основании, происходят нелинейные изменения зазоров, вызывающие негативные эффекты в системе управления прибора и изменения масштабного коэффициента.Known technical solutions [US patents No. 5635640 and No. 8266961], allowing to reduce the influence of inertial accelerations and, in particular, vibrations on the readings of MHG by using several inertial disks in one device. The principle of operation of such devices is based on the fact that inertial disks perform antiphase angular oscillations in the plane of the disk. In the presence of angular velocity, antiphase angular oscillations of the inertial disks arise around the axes lying in the plane of the disks. This allows the use of a differential measurement mode and counteracts the action of vibrations that cause in-phase movements of the inertial disks. Designs can contain two, four or more even number of inertial discs. However, due to the fact that the inertial disks are located in the same plane, and the removal electrodes are located on the base, non-linear changes in the gaps occur, which cause negative effects in the control system of the device and changes in the scale factor.

Известно решение [патент РФ № 2561006], в котором электроды съема и управления выходными колебаниями, расположенные под инерционным диском, размещены на подвижной площадке, закрепленной на основании соосно с диском с помощью собственного упругого подвеса. При таком расположении инерционного диска и подвижной площадки с электродами поступательные ускорения не приводят к изменению зазора вследствие равных синфазных деформаций подвесов инерционного диска и подвижной площадки. Равные деформации достигаются при равенстве собственных частот поступательных колебаний диска и площадки. Недостаток этого решения состоит в том, что эффективное подавление поступательных инерционных воздействий осуществляется, в основном, по оси, перпендикулярной плоскости диска, где сравнительно несложно обеспечивается равенство собственных частот, а по двум другим осям в плоскости диска обеспечение такого равенства вызывает конструктивные трудности. Кроме того, предложенная конструкция не обеспечивает неизменность зазора между инерционным диском и электродами емкостного съема в случае воздействия на прибор угловых ускорений и при изменении плоской формы инерционного диска вследствие его конечной жесткости [Евстифеев М.И., Елисеев Д.П. Оптимизация конструкции подвижного электрода микромеханического гироскопа RR-типа. - Гироскопия и навигация, 2017, том 25, № 2, с. 66-76].There is a known solution [RF patent No. 2561006], in which the electrodes for removing and controlling the output oscillations, located under the inertial disk, are placed on a movable platform, fixed on the base coaxially with the disk using its own elastic suspension. With this arrangement of the inertial disk and the movable platform with electrodes, translational accelerations do not lead to a change in the gap due to equal in-phase deformations of the suspensions of the inertial disk and the movable platform. Equal deformations are achieved when the natural frequencies of translational oscillations of the disk and the platform are equal. The disadvantage of this solution is that the effective suppression of translational inertial effects is carried out mainly along the axis perpendicular to the plane of the disk, where the equality of natural frequencies is relatively easy, and along the other two axes in the plane of the disk, ensuring such equality causes structural difficulties. In addition, the proposed design does not ensure the invariability of the gap between the inertial disk and the electrodes of the capacitive removal in the case of exposure to the device of angular accelerations and when the flat shape of the inertial disk changes due to its final rigidity [Evstifeev MI, Eliseev DP. Optimization of the design of the movable electrode of an RR-type micromechanical gyroscope. - Gyroscopy and Navigation, 2017, Volume 25, No. 2, p. 66-76].

В качестве прототипа по наибольшему числу общих существенных признаков принят МВГ [патент США №6443008], который содержит: основание; два соосно расположенных инерционных диска, совершающих противофазные угловые колебания вокруг оси, перпендикулярной плоскости диска; систему возбуждения первичных колебаний в виде гребенчатых двигателей; систему управления выходными колебаниями, состоящую из пары электродов емкостного съема и пары электродов управления. При наличии угловой скорости возникают противофазные угловые колебания инерционных дисков вокруг осей, лежащих в плоскости дисков, что позволяет использовать дифференциальный режим измерения. Устройство нечувствительно к воздействию угловых ускорений, так как оба диска при ускорениях поворачиваются синфазно относительно осей, расположенных в плоскости диска, зазор между каждым из дисков и основанием изменяется одинаково и при соответствующем замыкании обратных электрических связей системы управления не возникает выходного сигнала.As a prototype for the largest number of common essential features adopted MVG [US patent No. 6443008], which contains: base; two coaxially located inertial discs performing antiphase angular oscillations around an axis perpendicular to the plane of the disc; a system for exciting primary oscillations in the form of comb motors; output oscillation control system, consisting of a pair of capacitive pickup electrodes and a pair of control electrodes. In the presence of an angular velocity, antiphase angular oscillations of the inertial disks appear around the axes lying in the plane of the disks, which makes it possible to use a differential measurement mode. The device is insensitive to the effects of angular accelerations, since both discs rotate in phase with respect to the axes located in the plane of the disc during acceleration, the gap between each disc and the base changes in the same way, and with a corresponding closure of the feedback electrical connections of the control system, there is no output signal.

Недостаток прототипа обусловлен необходимостью измерения перемещений инерционных дисков относительно основания и особенно проявляется при действии поступательного ускорения по оси, перпендикулярной плоскости диска. В этом случае зазор между одним из дисков и основанием увеличивается, а зазор между другим диском и основанием уменьшается. Вследствие нелинейной зависимости электростатических сил от величины зазора (сила взаимодействия обратно пропорциональна квадрату величины зазора) система управления выходными колебаниями должна в реальном времени обеспечивать компенсацию изменений масштабного коэффициента, что в случае высокочастотной вибрации будет вызывать амплитудные и фазовые искажения формируемого коэффициента.The disadvantage of the prototype is due to the need to measure the displacements of the inertial disks relative to the base and is especially manifested when the translational acceleration is applied along an axis perpendicular to the plane of the disk. In this case, the gap between one of the discs and the base increases, and the gap between the other disc and the base decreases. Due to the nonlinear dependence of electrostatic forces on the gap size (the interaction force is inversely proportional to the square of the gap size), the output oscillation control system should compensate for changes in the scale factor in real time, which, in the case of high-frequency vibration, will cause amplitude and phase distortions of the generated factor.

Решаемая техническая проблема - снижение чувствительности прибора к внешним инерционным как поступательным, так и угловым ускорениям и повышение эксплуатационных характеристик МВГ.The technical problem to be solved is a decrease in the sensitivity of the device to external inertial both translational and angular accelerations and an increase in the operational characteristics of the MVG.

Достигаемый технический результат - создание МВГ, нечувствительного к внешним инерционным воздействиям и способного работать в жестких условиях эксплуатации.The achieved technical result is the creation of an MVG, insensitive to external inertial influences and capable of operating in harsh operating conditions.

Согласно изобретению, указанная задача решается тем, что в устройстве имеются два соосно расположенных инерционных диска, совершающих противофазные угловые колебания вокруг оси, перпендикулярной плоскости диска, а электроды системы управления выходными колебаниями (электроды съема и электроды управления) размещены на плоских поверхностях обоих инерционных дисков. Электроды, нанесенные на поверхности двух инерционных дисков, обращены друг к другу и образуют плоский конденсатор, который используется как емкостной датчик системы управления для измерения выходных колебаний. Собственные частоты как поступательных, так и угловых колебаний инерционных дисков в соответствующих упругих подвесах выбираются равными или, по крайней мере, близкими.According to the invention, the specified problem is solved in that the device has two coaxially located inertial disks performing antiphase angular oscillations around an axis perpendicular to the plane of the disk, and the electrodes of the output oscillation control system (pick-up electrodes and control electrodes) are placed on the flat surfaces of both inertial disks. The electrodes deposited on the surfaces of the two inertial disks face each other and form a flat capacitor, which is used as a capacitive sensor of the control system to measure the output oscillations. The natural frequencies of both translational and angular vibrations of inertial disks in the corresponding elastic suspensions are chosen to be equal or at least close.

Вследствие воздействия поступательных и угловых ускорений основания происходят равные деформации упругих подвесов инерционных дисков, обеспечивая неизменность зазора между электродами системы управления выходными колебаниями. При этом вследствие законов механики амплитуды вынужденных колебаний обоих инерционных дисков с электродами под действием постоянного или вибрационного как поступательного, так и углового ускорений равны или близки (в зависимости от соотношения собственных частот колебаний инерционных дисков на упругих подвесах), а фазовые искажения исключены, так как колебания являются синфазными.Due to the action of translational and angular accelerations of the base, equal deformations of the elastic suspensions of the inertial disks occur, ensuring that the gap between the electrodes of the output oscillation control system remains unchanged. In this case, due to the laws of mechanics, the amplitudes of forced oscillations of both inertial disks with electrodes under the action of constant or vibrational, both translational and angular accelerations are equal or close (depending on the ratio of natural frequencies of oscillations of inertial disks on elastic suspensions), and phase distortions are excluded, since oscillations are in phase.

Неизменность зазора и отсутствие относительных перемещений электродов системы управления выходными колебаниями, которые расположены на дисках, обеспечивают постоянство масштабного коэффициента прибора и нечувствительность МВГ к поступательным и угловым ускорениям основания.The invariability of the gap and the absence of relative displacements of the electrodes of the output oscillation control system, which are located on the disks, ensure the constancy of the scale factor of the device and the insensitivity of the MVG to the translational and angular accelerations of the base.

Сущность изобретения поясняется следующими чертежами: фиг. 1 - принципиальная схема устройства; фиг. 2 - иллюстрация неизменности зазора между дисками при различных условиях эксплуатации; фиг. 3 - разнесенный вид компоновки конструкции; фиг. 4 - сечение конструкции; фиг. 5 - общий вид инерционного диска.The essence of the invention is illustrated by the following drawings: FIG. 1 is a schematic diagram of the device; fig. 2 is an illustration of the invariability of the gap between the discs under various operating conditions; fig. 3 is an exploded view of the layout of the structure; fig. 4 - section of the structure; fig. 5 is a general view of the inertial disk.

На фиг. 1-5 введены следующие обозначения:FIG. 1-5, the following designations are introduced:

1 - ось первичных колебаний;1 - axis of primary vibrations;

2 - ось чувствительности;2 - axis of sensitivity;

3 - ось выходных колебаний;3 - axis of output oscillations;

4 - инерционный диск (далее - диск 4), который крепится к опоре 8 с помощью упругого подвеса 6;4 - inertial disk (hereinafter referred to as disk 4), which is attached to the support 8 by means of an elastic suspension 6;

5 - инерционный диск (далее - диск 5), расположенный соосно диску 4 и закрепленный на опоре 9 с помощью упругого подвеса 7;5 - inertial disk (hereinafter referred to as disk 5), located coaxially with disk 4 and fixed on support 9 by means of elastic suspension 7;

6 - упругий подвес инерционного диска 4;6 - elastic suspension of the inertial disk 4;

7 - упругий подвес инерционного диска 5;7 - elastic suspension of the inertial disk 5;

8 - опора упругого подвеса 6;8 - support for elastic suspension 6;

9 - опора упругого подвеса 7;9 - support for elastic suspension 7;

10 - электроды емкостного съема выходных колебаний на диске 5;10 - electrodes for capacitive pickup of output oscillations on disk 5;

11 - электроды управления выходными колебаниями на диске 5;11 - electrodes for controlling output oscillations on disk 5;

12 - зазор между двумя инерционными дисками;12 - gap between two inertial disks;

13 - основание, на котором закреплен инерционный диск 5;13 - the base on which the inertial disk 5 is fixed;

14 - электроды на основании 13 для крепления диска 5 и передачи сигнала с контактов 17 на выходные контактные площадки 16;14 - electrodes on the base 13 for fastening the disk 5 and transmitting the signal from the contacts 17 to the output contact pads 16;

15 - электроды на основании 13 для крепления гребенчатых двигателей возбуждения первичных колебаний 18 и датчиков углового положения 19, соединенные с выходными контактными площадками 16;15 - electrodes on the base 13 for mounting comb motors for excitation of primary oscillations 18 and angular position sensors 19, connected to the output contact pads 16;

16 - выходные контактные площадки основания 13;16 - output contact pads of the base 13;

17 - контакты для передачи сигнала с электродов 10 и 11 диска 5 на основание 13;17 - contacts for transmitting a signal from the electrodes 10 and 11 of the disc 5 to the base 13;

18 - гребенчатые двигатели возбуждения первичных колебаний диска 5, закрепленные на электродах 15 основания 13;18 - comb motors for excitation of the primary oscillations of the disk 5, fixed on the electrodes 15 of the base 13;

19 - датчики углового положения диска 5 при первичных колебаниях, закрепленные на электродах 15 основания 13;19 - sensors of the angular position of the disc 5 during primary vibrations, fixed on the electrodes 15 of the base 13;

20 - гребенчатые двигатели возбуждения первичных колебаний диска 4, закрепленные на электродах основания 22;20 - comb motors for excitation of the primary oscillations of the disk 4, fixed on the electrodes of the base 22;

21 - датчики углового положения диска 4 при первичных колебаниях, закрепленные на электродах основания 22;21 - sensors of the angular position of the disk 4 during primary vibrations, fixed on the electrodes of the base 22;

22 - основание с выходными контактными площадками 23;22 - base with output contact pads 23;

23 - выходные контактные площадки основания 22;23 - output contact pads of the base 22;

24 - контакты для передачи сигнала с электродов диска 4 на основания 22;24 - contacts for transmitting a signal from the electrodes of the disk 4 to the base 22;

25 - технологическая пластина, в которой методами формообразования (например, травления) сформирован диск 4;25 - technological plate, in which the disc 4 is formed by the methods of shaping (for example, etching);

26 - технологическая пластина, в которой методами формообразования (например, травления) сформирован диск 5;26 - technological plate, in which the disc 5 is formed by the methods of shaping (for example, etching);

27 - зазор между инерционным диском 4 и основанием 22;27 - the gap between the inertial disk 4 and the base 22;

28 - зазор между инерционным диском 5 и основанием 13.28 - the gap between the inertial disk 5 and the base 13.

Принцип действия МВГ показан на фиг. 1 и 2. Инерционный диск 5 с упругим подвесом 7 через опору 9 неподвижно закреплен на основании. Второй инерционный диск 4 с упругим подвесом 6 расположен соосно диску 5 с зазором 12 и через опору 8 закреплен на основании. На поверхностях дисков 4 и 5, обращенных друг к другу, размещены электроды емкостного съема 10 и электроды управления 11, которые образуют плоские конденсаторы системы управления выходными колебаниями вокруг оси выходных колебаний 3.The principle of operation of the MVG is shown in Fig. 1 and 2. An inertial disk 5 with an elastic suspension 7 is fixedly fixed on the base through the support 9. The second inertial disk 4 with an elastic suspension 6 is located coaxially with the disk 5 with a gap 12 and is fixed on the base through the support 8. On the surfaces of disks 4 and 5 facing each other, there are capacitive pickup electrodes 10 and control electrodes 11, which form flat capacitors of the output oscillation control system around the axis of output oscillations 3.

Диски совершают противофазные первичные угловые колебания вокруг оси первичных колебаний 1, при этом между ними сохраняется равномерный зазор 12 (на фиг. 2,а показан вид сбоку и точкой отмечен центр упругого подвеса). При воздействии угловой скорости основания, действующей по оси чувствительности 2, возникают силы инерции Кориолиса, заставляющие инерционные диски 4 и 5 колебаться относительно оси выходных колебаний 3, при этом измерение выходных колебаний осуществляется между поверхностями двух инерционных дисков. В силу того, что первичные колебания инерционных дисков 4 и 5 совершаются в противофазе, то и их выходные колебания, обусловленные силами инерции Кориолиса, так же будут совершаться в противоположных направлениях (на фиг. 2, б, пунктиром отмечено невозмущенное положение дисков). Это позволяет в системе управления выходными колебаниями использовать дифференциальный режим измерения амплитуды выходных колебаний, которая является мерой измеряемой угловой скорости.The disks perform antiphase primary angular vibrations around the axis of the primary vibrations 1, while a uniform gap 12 is maintained between them (in Fig. 2, a side view is shown and a point marks the center of the elastic suspension). Under the influence of the angular velocity of the base acting along the axis of sensitivity 2, Coriolis inertial forces arise, forcing the inertial disks 4 and 5 to oscillate relative to the axis of the output oscillations 3, while the measurement of the output oscillations is carried out between the surfaces of the two inertial disks. Due to the fact that the primary oscillations of the inertial disks 4 and 5 occur in antiphase, then their output oscillations, caused by the Coriolis inertial forces, will also occur in opposite directions (in Fig. 2, b, the undisturbed position of the disks is marked with a dotted line). This allows the control system of the output oscillations to use the differential mode of measuring the amplitude of the output oscillations, which is a measure of the measured angular velocity.

В случае внешнего инерционного воздействия в виде поступательного постоянного или переменного ускорения (вибрации) происходят равные поступательные деформации упругих подвесов 6 и 7 инерционных дисков 4 и 5, обеспечивая неизменность зазора 12 между ними (фиг. 2, в). Вследствие законов механики амплитуды вынужденных колебаний инерционных дисков равны или близки (в зависимости от соотношения собственных частот колебаний инерционных дисков на упругих подвесах), а фазовые искажения исключены, так как колебания являются синфазными.In the case of an external inertial action in the form of a constant or variable translational acceleration (vibration), equal translational deformations of the elastic suspensions 6 and 7 of the inertial disks 4 and 5 occur, ensuring that the gap 12 between them remains unchanged (Fig. 2, c). Due to the laws of mechanics, the amplitudes of forced oscillations of inertial disks are equal or close (depending on the ratio of natural frequencies of oscillations of inertial disks on elastic suspensions), and phase distortions are excluded, since the oscillations are in phase.

В случае внешнего инерционного воздействия в виде углового ускорения по законам механики происходят синфазные угловые колебания дисков 4 и 5 с равной амплитудой, при этом из-за малой величины углов колебаний зазор 12 остается практически неизменным (фиг. 2, г).In the case of external inertial action in the form of angular acceleration, according to the laws of mechanics, in-phase angular oscillations of disks 4 and 5 with equal amplitude occur, while the gap 12 remains practically unchanged due to the small value of the vibration angles (Fig. 2, d).

Одной из погрешностей МВГ является изменение плоской формы инерционного диска вследствие его конечной жесткости под воздействием значительных поступательных ускорений, например, ударов [Евстифеев М.И., Елисеев Д.П. Оптимизация конструкции подвижного электрода микромеханического гироскопа RR-типа // Гироскопия и навигация. - 2017. - том 25, № 2. - С. 66-76]. При таких деформациях зазор между инерционным диском и основанием становится неравномерным, что приводит к погрешности масштабного коэффициента гироскопа. Описываемое устройство лишено этого недостатка. Если частоты собственных колебаний обоих инерционных дисков равны или, по крайней мере, близки, то диски имеют равные деформации изгиба и зазор между ними остается неизменным (фиг. 2, д).One of the errors of the MVG is the change in the flat shape of the inertial disk due to its final stiffness under the influence of significant translational accelerations, for example, impacts [Evstifeev MI, Eliseev DP. Optimization of the design of a movable electrode of an RR-type micromechanical gyroscope // Gyroscopy and navigation. - 2017. - Volume 25, No. 2. - P. 66-76]. With such deformations, the gap between the inertial disk and the base becomes uneven, which leads to an error in the scale factor of the gyroscope. The described device is free from this drawback. If the natural vibration frequencies of both inertial disks are equal or at least close, then the disks have equal bending deformations and the gap between them remains unchanged (Fig. 2, e).

Отсутствие относительных перемещений дисков и неизменность зазора в датчиках системы управления выходными колебаниями обеспечивают постоянство масштабного коэффициента прибора и создают нечувствительность МВГ как к поступательным, так и к угловым ускорениям основания.The absence of relative displacements of the disks and the invariability of the gap in the sensors of the output oscillation control system ensure the constancy of the scale factor of the device and create the MHG insensitivity to both translational and angular accelerations of the base.

На фиг. 3, 4, 5 показан вариант конструктивного исполнения предлагаемого устройства. Устройство состоит из четырех пластин, две из которых представляют собой основания 13 и 22 с площадками для крепления дисков 4 и 5 и обеспечения передачи электрических сигналов на выходные контактные площадки 16 и 23. В двух других пластинах 25 и 26 одинаковой толщины сформированы инерционные диски 4 и 5 совместно с упругими подвесами 6 и 7, которые через опоры 8 и 9 соответственно закреплены на основаниях 13 и 22. В пластине 26 в прорезях инерционного диска 5 сформированы гребенчатые двигатели возбуждения первичных колебаний 18 и датчики углового положения диска при первичных колебаниях 19. Аналогичные двигатели 20 и датчики 21 сформированы в пластине 25 в прорезях диска 4. Как основания 13 и 22, так и пластины 25 и 26 с дисками 4 и 5 имеют соответственно одинаковую конструкцию. После соединения четырех пластин по внешнему контуру образуется общее основание, на котором через опоры 8 и 9 закреплены инерционные диски 4 и 5 с упругими подвесами 6 и 7. Это позволяет реализовать принципиальную схему устройства, показанного на фиг. 1.FIG. 3, 4, 5 show a variant of the design of the proposed device. The device consists of four plates, two of which are bases 13 and 22 with platforms for fastening disks 4 and 5 and ensuring the transmission of electrical signals to the output contact pads 16 and 23. In two other plates 25 and 26 of the same thickness, inertial disks 4 and 5 together with elastic suspensions 6 and 7, which, through supports 8 and 9, are respectively fixed on bases 13 and 22. In the plate 26, in the slots of the inertial disk 5, comb motors for excitation of primary oscillations 18 and sensors of the angular position of the disk during primary oscillations 19 are formed. 20 and sensors 21 are formed in the plate 25 in the slots of the disc 4. Both the bases 13 and 22 and the plates 25 and 26 with the discs 4 and 5 have the same structure, respectively. After joining the four plates along the outer contour, a common base is formed, on which inertial disks 4 and 5 with elastic suspensions 6 and 7 are fixed through the supports 8 and 9. This makes it possible to implement the basic diagram of the device shown in FIG. one.

На гребенчатые двигатели возбуждения 18 через электроды 15 основания 13, подается переменное электрическое напряжение с частотой, равной собственной частоте первичных колебаний, что обеспечивает колебания инерционного диска 5 вокруг оси первичных колебаний 1. Датчики углового положения 19, закрепленные на электродах 15 основания 13, служат для определения амплитуды колебаний и совместно с двигателями возбуждения 18 представляют собой систему возбуждения первичных колебаний инерционного диска 5.The comb-type excitation motors 18 through the electrodes 15 of the base 13 are supplied with an alternating electric voltage with a frequency equal to the natural frequency of the primary oscillations, which ensures the oscillations of the inertial disk 5 around the axis of the primary oscillations 1. Angular position sensors 19, fixed on the electrodes 15 of the base 13, serve to determining the amplitude of oscillations and together with the excitation motors 18 represent a system for exciting the primary oscillations of the inertial disk 5.

Второй инерционный диск 4 с упругим подвесом 6 закреплен на основании 22. На гребенчатые двигатели возбуждения 20 через электроды на основании 22 (аналогичные электродам 15 на основании 13) подается переменное электрическое напряжение с частотой, равной собственной частоте первичных колебаний и фазой, отстающей на π (180°) от напряжения, подаваемого на двигатели 18. Это обеспечивает колебания инерционного диска 4 вокруг оси первичных колебаний 1 в противофазе с колебаниями инерционного диска 5. Датчики углового положения 21, закрепленные на электродах основания 22 (аналогичные электродам 15 на основании 13), служат для определения амплитуды колебаний и совместно с двигателями возбуждения 20 представляют собой систему возбуждения первичных колебаний второго инерционного диска 4.The second inertial disk 4 with an elastic suspension 6 is fixed on the base 22. To the comb-type excitation motors 20 through the electrodes on the base 22 (similar to the electrodes 15 on the base 13) an alternating electric voltage is supplied with a frequency equal to the natural frequency of the primary oscillations and a phase lagging by π ( 180 °) from the voltage supplied to the motors 18. This ensures the oscillations of the inertial disk 4 around the axis of the primary oscillations 1 in antiphase with the oscillations of the inertial disk 5. Angular position sensors 21 fixed on the electrodes of the base 22 (similar to the electrodes 15 on the base 13) serve to determine the amplitude of vibrations and together with the excitation motors 20 are a system for exciting the primary vibrations of the second inertial disk 4.

Электроды системы управления выходными колебаниями (электроды съема и электроды управления) размещены на плоских поверхностях инерционных дисков 4 и 5. Электроды 10 и 11, нанесенные на поверхность диска 5, через контактные дорожки, проходящие по упругим элементам подвеса 7, связаны с контактами 17, которые имеют электрическую связь с противоположной стороной и в свою очередь соединяются с электродами 14 основания 13. На фиг. 5 показан инерционный диск 5 без пластины 26. Аналогичная конструкция электродов системы управления выходными колебаниями выполнена на диске 4.The electrodes of the control system for the output oscillations (pick-up and control electrodes) are placed on the flat surfaces of the inertial disks 4 and 5. The electrodes 10 and 11, applied to the surface of the disk 5, through contact tracks passing along the elastic elements of the suspension 7, are connected to the contacts 17, which are in electrical communication with the opposite side and in turn are connected to the electrodes 14 of the base 13. FIG. 5 shows an inertial disk 5 without plate 26. A similar design of the electrodes of the output oscillation control system is made on disk 4.

Управление рассматриваемого МВГ осуществляется через контактные площадки 16 на основании 13 и контактные площадки 23 на основании 22, которые электрически связаны с электродами системы возбуждения первичных колебаний и системы управления выходными колебаниями.The control of the considered MVG is carried out through the contact pads 16 on the base 13 and the contact pads 23 on the base 22, which are electrically connected to the electrodes of the excitation system of the primary oscillations and the control system of the output oscillations.

При действии углового и/или поступательного ускорения вдоль и/или вокруг любой из осей 1, 2, 3 упругие подвесы 6 и 7 инерционных дисков 4 и 5 деформируются в направлении действующего ускорения, при этом зазор 12 остается неизменным. Наличие зазоров 27 и 28 обеспечивает свободу перемещения инерционных дисков 4 и 5 вдоль оси 1 и вокруг осей 2 и 3 (фиг. 4).Under the action of angular and / or translational acceleration along and / or around any of the axes 1, 2, 3, the elastic suspensions 6 and 7 of the inertial disks 4 and 5 are deformed in the direction of the acting acceleration, while the gap 12 remains unchanged. The presence of gaps 27 and 28 provides freedom of movement of the inertial disks 4 and 5 along the axis 1 and around the axes 2 and 3 (Fig. 4).

Неизменность зазора 12 приводит к постоянству масштабного коэффициента гироскопа, что в свою очередь создает нечувствительность МВГ рассматриваемой конструкции к поступательным и угловым ускорениям основания.The invariability of the gap 12 leads to the constancy of the scale factor of the gyroscope, which in turn creates the insensitivity of the MHG of the structure under consideration to the translational and angular accelerations of the base.

Предлагаемая конструкция МВГ уменьшает зависимость масштабного коэффициента от изменений положения инерционного диска при деформации его упругого подвеса, позволяет эффективно уменьшить чувствительность прибора к воздействию инерционных перегрузок и достичь снижения влияния вибраций и постоянных ускорений основания на погрешность МВГ.The proposed design of the MVG reduces the dependence of the scale factor on changes in the position of the inertial disk during deformation of its elastic suspension, effectively reducing the sensitivity of the device to the effects of inertial overloads and achieving a reduction in the effect of vibrations and constant accelerations of the base on the error of the MVG.

Технико-экономические преимущества изобретения по сравнению с базовым объектом, характеризующим существующий уровень техники и совпадающим в данном случае с прототипом, заключаются в уменьшении помех прибора от инерционных воздействий и повышении эксплуатационных характеристик МВГ.Technical appraisal and economic advantages of the invention in comparison with the basic object, which characterizes the existing state of the art and coincides in this case with the prototype, are to reduce the interference of the device from inertial influences and to increase the operational characteristics of the MVG.

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

Claims

1. Micromechanical vibration gyroscope containing a base; two coaxially located inertial disks, performing antiphase angular oscillations around an axis perpendicular to the plane of the disk, having the same thickness and fixed on the base by means of elastic suspensions; excitation system of primary antiphase angular oscillations of disks, consisting of comb excitation motors and angular position sensors; a control system for output angular oscillations, consisting of capacitive pickup electrodes and control electrodes, characterized in that the measurement of output angular oscillations is carried out between the surfaces of two inertial disks.

2. Micromechanical vibration gyroscope according to claim 1, characterized in that the natural frequencies of the translational and angular vibrations of the two inertial disks on the corresponding elastic suspensions are equal.