WO2011059352A1 - Vibrating gyroscope - Google Patents
Vibrating gyroscope Download PDFInfo
- Publication number
- WO2011059352A1 WO2011059352A1 PCT/RU2009/000607 RU2009000607W WO2011059352A1 WO 2011059352 A1 WO2011059352 A1 WO 2011059352A1 RU 2009000607 W RU2009000607 W RU 2009000607W WO 2011059352 A1 WO2011059352 A1 WO 2011059352A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- base
- cover
- rod
- inertial mass
- gyroscope
- Prior art date
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
- G01C19/5642—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating bars or beams
- G01C19/5663—Manufacturing; Trimming; Mounting; Housings
Definitions
- the present invention relates to measuring technique, in particular, to vibratory gyroscopic devices for measuring angular velocity.
- Known gyroscope-accelerometer which consists of one silicon and two glass plates.
- a base frame and two pendulum assemblies are formed by etching, which are connected to the frame using elastic jumpers.
- Pendulums can elastically move along the axis of the normal plane of the plate (US patent J 25392650, class 73/517 A, 1995.).
- the excitation system can cause oscillations of the pendulum nodes in antiphase in the plane of the plate, which, in essence, is equivalent to the rotation of the entire plate around an axis perpendicular to its plane.
- its pendulums Under the influence of Coriolis forces will begin to oscillate with the excitation frequency.
- the oscillation amplitudes of the pendulums depend on the angular velocity of rotation of the device (displacements of the pendulums due to the accelerated movement of the device are not considered here).
- Two glass plates with electrodes are rigidly fixed to the base frame of the silicon wafer on both sides, which together with the silicon wafer, as a common electrode, form a pair of differential capacitive displacement sensors of the pendulums.
- the main disadvantages of the considered accelerometer gyroscope are, firstly, the inability to manufacture a silicon wafer with identical pendulum nodes, which leads to an additional error of the device, and, secondly, in this design it is quite difficult to implement the mode of resonant tuning of the oscillations of the pendulum and pendulum nodes.
- a vibration gyroscope which has a base with a vibrating ring assembly installed in it, also called a rotor assembly.
- the rotor assembly is made of a single silicon single crystal plate and consists of a rotor in the form of an outer ring and an inner hub, which are connected to each other by elastic elements.
- the hub is connected to the base also by elastic ties.
- the rotor is the inertial (test) mass of the gyroscope and can perform angular oscillations around two mutually orthogonal axes (around the axis, the normal plane of the ring, and the axis located in the plane of the ring).
- angular oscillations of the rotor around the axis normal to its plane can be electrostatically excited.
- its rotor In the presence of rotation of the base of the gyroscope under the action of Coriolis forces, its rotor begins to oscillate around the second axis (output axis) with an amplitude that is proportional to the angular velocity of rotation.
- a dielectric substrate is formed on the basis of the gyroscope
- the gyroscope achieves the greatest sensitivity when the frequencies of the angular oscillations of the rotor around two orthogonal axes coincide (resonance mode).
- the technological variation in the parameters of mainly elastic elements leads to the different frequencies of the two vibrational systems of the rotor assembly, which significantly affects the characteristics of the gyroscope.
- the rotor site different frequencies due to the presence of several elastic elements and the complex configuration of the rotor cannot be reduced below a certain level, which limits the achievement of high accuracy of the gyroscope.
- the rotor assembly in addition to the two main natural frequencies, has other natural frequencies of vibration, which can be interpreted as “spurious" frequencies.
- the technical result of the present invention is to simplify the design, including the elastic suspension and the shape of the inertial mass (rotor) of the gyroscope, and thereby increase the accuracy of its measurement, as well as the manufacturability and reliability of the design.
- the known vibration gyroscope containing the base, inertial mass, the cover, service electronics is made in the form of a flat package of three layers, the first of which is the base, contacting on the periphery of its circuit with the middle layer contour, covering the inertial mass and in contact with the second extreme layer, which is a cover with passage inputs for connection service electronics.
- the base of the first layer can be a rectangular plate, on one side of which a protrusion closed along the entire perimeter and isolated internal protrusions of the same height are formed
- the middle layer is made in the form of a frame closed along its contour, corresponding to the base protrusion closed along the entire perimeter, and racks corresponding to the isolated internal protrusions of the same height
- one of the posts is a hub of inertial mass, made in the form of a rectilinear rod with curvilinear m section in the middle part, the middle of which is connected to the hub by a flat spring, the plane of which is perpendicular to the rod
- the cover of the second extreme layer is installed on the frame around its perimeter, which is a rectangular plate with feedthroughs, while the connection between the closed protrusion of the base and the cover with the frame, isolated protrusions with corresponding struts are made rigid, and the hubs and racks with bushings are galvanic.
- the racks can be located relative to the rod with a gap in pairs symmetrically.
- the rectangular base plate, frame, pillars and cover can be made of single-crystal silicon.
- the feedthroughs can be galvanically connected to insulated areas located on the inner side of the cover in pairs symmetrically and with a gap relative to the rod of inertial mass.
- FIG. 1 shows a layout diagram of a vibratory gyroscope
- FIG. 2 is a side view of a flat gyro package.
- the service electronics are not shown in the figures.
- the vibrating gyroscope contains the base of the first extreme layer in the form of a rectangular plate 1 of single-crystal silicon, on one side of which, by etching, a protrusion 2 closed around the entire perimeter and five isolated internal protrusions 3-7 of the same height are formed.
- the protrusions through the insulating layers (silicon dioxide) are rigidly mounted middle layer 8 in the form of a rectangular plate of single-crystal silicon, repeating the contour of the first. Through the etching through slots are made in this plate.
- a hub 9 is formed, a frame 10 closed on the contour of the plate, racks 11 - 14, an inertial mass made in the form of a rectilinear rod 15 with a curved section in the middle, a flat spring 16.
- the hub 9 is rigidly connected to the protrusion 3, the frame 10 to the protrusion 2, each strut 11 - 14 - with a corresponding protrusion 4 - 7.
- the rod 15 is connected to the hub 9 by a flat spring 16, the plane of which is perpendicular to the rod, while the center of mass of the inertial mass coincides with the midpoint of the spring 16.
- the rod 15 is resiliently suspended to base 1 and can make angular oscillations around two orthogonal axes.
- Racks 11, 14 and 12, 13 are located relative to the rod 15 with a gap pairwise symmetrical.
- On the frame 10 is rigidly mounted cover 17 of the second extreme layer, which is a rectangular silicon plate with bushings 18 to 26.
- Each of the bushings 18-26 is a part of a silicon wafer isolated from it throughout its thickness.
- the bushing 18 to 22 are mechanically and galvanically connected to the hub 9 and uprights 1 1 to 14, and the bushing 23 to 26 are arranged in pairs symmetrically with a gap relative to the rod.
- the inputs are electrically connected to the service electronics.
- the elastic element - a flat spring 16 allows the rod 15 to perform angular oscillations around two orthogonal axes: around an axis perpendicular to the plane of the plates, and around the longitudinal axis of the spring 16.
- the highest sensitivity is achieved when the eigenfrequencies of the angular oscillations of the rod 15 around these axes coincide.
- this is subject to:
- E, G - respectively, the modulus of elasticity of the material of the spring (silicon) of the first and second kind
- a ⁇ , Ar - respectively, the moment of inertia of the rod around the longitudinal axis of the spring and around an axis perpendicular to the plane of the plates and passing through the center of mass of the rod
- b, h - respectively, the width and height of the spring.
- the moments of inertia of the rod A ⁇ , A 2 are almost equal.
- the condition for the coincidence of the two vibration frequencies of the rod 15 can be simplified to the form: ⁇ _ Maschinen, 63 *.
- the ratio is for different orientations
- G plane of the spring 16 will be different. However, in doing so— ”-.
- Vibration gyroscope works as follows. From the service electronics, a potential (t / 0 + U ⁇ $ m & t) is supplied to input 18 relative to input 20, and to input 22, (Uo - t / isincot), where is a constant potential, U ⁇ is the amplitude of a variable potential with frequency ⁇ . As a result of this, due to the action of electrostatic forces, an alternating mechanical moment arises with a frequency ⁇ applied to the rod 15 of the gyroscope around an axis perpendicular to the plane of the plates (axis ⁇ ). When the frequency ⁇ coincides with the natural frequency of the rod 15, its resonant angular oscillations around the same axis are excited. In the presence of rotation of the base 1 of the gyroscope around the X axis with an angular velocity ⁇ under the action of Coriolis forces
- the design of the vibrating gyroscope in accordance with the present invention allows to simplify the elastic suspension of the rotor and thereby more accurately adjust the two natural frequencies of the rotor to each other and, accordingly, increase the accuracy of the gyroscope measurement and provide a technical result which is the simplification of the design, including the elastic suspension and the shape of the inertial mass (rotor) of the gyroscope, and due to this the accuracy of its measurement, as well as the manufacturability and reliability of the design.
Abstract
The invention relates to measurement technology, in particular to vibrating gyroscope apparatuses intended for measuring angular velocity. The vibrating gyroscope comprises a base, an inertial mass, a cover and service electronics. Said vibrating gyroscope is in the form of a planar stack of three layers, the first outer one of which is in the form of a base which makes contact over the periphery of the contour of said layer with the contour of the central layer, which surrounds the inertial mass and makes contact with the second outer layer, which is in the form of a cover with leadthroughs for coupling the service electronics. The technical result consists in simplifying the construction, and increasing the measurement accuracy as well as the technological effectiveness and reliability of the gyroscope.
Description
Вибрационный гироскоп. Vibrating gyroscope.
Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности, к вибрационным гироскопическим приборам, предназначенным для измерения угловой скорости. The present invention relates to measuring technique, in particular, to vibratory gyroscopic devices for measuring angular velocity.
Известен гироскоп-акселерометр, который состоит из одной кремневой и двух стеклянных пластин. В кремневой пластине путем травления сформированы базовая рамка и два маятниковых узла, которые связаны с рамкой с помощью упругих перемычек. Маятники могут упруго перемещаться вдоль оси, нормальной плоскости пластины ( патент США J 25392650, класс 73/517 А, 1995г.). Known gyroscope-accelerometer, which consists of one silicon and two glass plates. In the silicon wafer, a base frame and two pendulum assemblies are formed by etching, which are connected to the frame using elastic jumpers. Pendulums can elastically move along the axis of the normal plane of the plate (US patent J 25392650, class 73/517 A, 1995.).
Система возбуждения может вызывать колебания маятниковых узлов в противофазе в плоскости пластины, что, по сути, эквивалентно вращению всей пластины вокруг оси, перпендикулярной ее плоскости. При наличии вращения основания, на котором установлен акселерометр-гироскоп, его маятники под действием сил Кориолиса начнут совершать колебания с частотой возбуждения. Амплитуды колебаний маятников зависят от угловой скорости поворота прибора (здесь не рассматриваются смещения маятников, обусловленные движением прибора с ускорением). The excitation system can cause oscillations of the pendulum nodes in antiphase in the plane of the plate, which, in essence, is equivalent to the rotation of the entire plate around an axis perpendicular to its plane. In the presence of rotation of the base on which the accelerometer-gyroscope is mounted, its pendulums under the influence of Coriolis forces will begin to oscillate with the excitation frequency. The oscillation amplitudes of the pendulums depend on the angular velocity of rotation of the device (displacements of the pendulums due to the accelerated movement of the device are not considered here).
На базовую рамку кремниевой пластины с двух сторон жестко закреплены две стеклянные пластины с электродами, которые совместно с кремниевой пластиной, как общим электродом, образуют пару дифференциальных емкостных датчиков смещения маятников. Two glass plates with electrodes are rigidly fixed to the base frame of the silicon wafer on both sides, which together with the silicon wafer, as a common electrode, form a pair of differential capacitive displacement sensors of the pendulums.
Основными недостатками рассмотренного акселерометра-гироскопа являются, во-первых, невозможность изготовления кремниевой пластины с
идентичными маятниковыми узлами, что приводит к дополнительной погрешности прибора, и, во-вторых, в данной конструкции достаточно сложно осуществить режим резонансной настройки колебаний маятников и маятниковых узлов. The main disadvantages of the considered accelerometer gyroscope are, firstly, the inability to manufacture a silicon wafer with identical pendulum nodes, which leads to an additional error of the device, and, secondly, in this design it is quite difficult to implement the mode of resonant tuning of the oscillations of the pendulum and pendulum nodes.
Известен вибрационный гироскоп, который имеет основание с установленным в нем узлом вибрирующего кольца, называемым также роторным узлом. A vibration gyroscope is known which has a base with a vibrating ring assembly installed in it, also called a rotor assembly.
Роторный узел выполнен из единой пластины монокристалла кремния и состоит из ротора в виде внешнего кольца и внутренней ступицы, которые связаны друг с другом упругими элементами. Ступица соединена с основанием также упругими связями. Ротор является инерционной (пробной) массой гироскопа и может совершать угловые колебания вокруг двух взаимно ортогональных осей (вокруг оси, нормальной плоскости кольца, и оси, расположенной в плоскости кольца). The rotor assembly is made of a single silicon single crystal plate and consists of a rotor in the form of an outer ring and an inner hub, which are connected to each other by elastic elements. The hub is connected to the base also by elastic ties. The rotor is the inertial (test) mass of the gyroscope and can perform angular oscillations around two mutually orthogonal axes (around the axis, the normal plane of the ring, and the axis located in the plane of the ring).
В гироскопе электростатически могут быть возбуждены угловые колебания ротора вокруг оси, нормальной его плоскости (оси возбуждения). При наличии вращения основания гироскопа под действием сил Кориолиса его ротор начинает совершать колебания вокруг второй оси (выходной оси) с амплитудой, которая пропорциональна угловой скорости поворота. In a gyroscope, angular oscillations of the rotor around the axis normal to its plane (the axis of excitation) can be electrostatically excited. In the presence of rotation of the base of the gyroscope under the action of Coriolis forces, its rotor begins to oscillate around the second axis (output axis) with an amplitude that is proportional to the angular velocity of rotation.
На основании гироскопа образована диэлектрическая подложка A dielectric substrate is formed on the basis of the gyroscope
(изоляционный слой), на которой имеется два электрода. Электроды совместно с кремниевым ротором (как общим электродом) образуют дифференциальный емкостный датчик смещения ротора. (insulating layer) on which there are two electrodes. The electrodes together with a silicon rotor (as a common electrode) form a differential capacitive rotor displacement sensor.
Для возбуждения колебаний ротора и съема информации об его движении в гироскопе имеется сервисная электроника (патент США JVe5555765, класс 73/504.09, 1996).
Указанный вибрационный гироскоп наиболее близок к изобретению и поэтому принят за прототип. There is service electronics in the gyroscope for exciting rotor vibrations and retrieving information about its movement in a gyroscope (US patent JVe5555765, class 73 / 504.09, 1996). The specified vibration gyroscope is closest to the invention and therefore adopted as a prototype.
Необходимо указать следующий недостаток прототипа. You must specify the following disadvantage of the prototype.
Наибольшей чувствительности гироскоп достигает при совпадении частот угловых колебаний ротора вокруг двух ортогональных осей (резонансный режим). Технологический разброс параметров, в основном, упругих элементов приводит к разночастотности двух колебательных систем роторного узла, что существенно влияет на характеристики гироскопа. При этом разночастотность роторного узла из-за наличия нескольких упругих элементов, сложной конфигурации ротора не может быть снижена меньше некоторого уровня, что ограничивает достижение высокой точности гироскопа. У роторного узла, помимо двух основных собственных частот имеются другие собственные частоты колебаний, которые можно трактовать как «паразитные» частоты. Эти частоты стремятся увести от основных частот как можно выше, чтобы их влиянием на работу гироскопа можно было пренебречь. Однако для прототипа из-за сложной формы роторного узла трудно сделать «паразитные» частоты существенно выше основных частот, что приводит к дополнительным ошибкам гироскопа, особенно в условиях его работы при вибрациях и, соответственно, уменьшению надёжности конструкции в целом. The gyroscope achieves the greatest sensitivity when the frequencies of the angular oscillations of the rotor around two orthogonal axes coincide (resonance mode). The technological variation in the parameters of mainly elastic elements leads to the different frequencies of the two vibrational systems of the rotor assembly, which significantly affects the characteristics of the gyroscope. At the same time, the rotor site different frequencies due to the presence of several elastic elements and the complex configuration of the rotor cannot be reduced below a certain level, which limits the achievement of high accuracy of the gyroscope. The rotor assembly, in addition to the two main natural frequencies, has other natural frequencies of vibration, which can be interpreted as “spurious" frequencies. These frequencies tend to get away from the fundamental frequencies as high as possible so that their influence on the gyroscope can be neglected. However, for the prototype, due to the complex shape of the rotor assembly, it is difficult to make “parasitic” frequencies substantially higher than the fundamental frequencies, which leads to additional errors of the gyroscope, especially under conditions of its operation during vibration and, accordingly, a decrease in the reliability of the structure as a whole.
Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение конструкции, в том числе упругого подвеса и формы инерционной массы (ротора) гироскопа и повышение за счет этого точности его измерения, а также технологичности и надёжности конструкции. The technical result of the present invention is to simplify the design, including the elastic suspension and the shape of the inertial mass (rotor) of the gyroscope, and thereby increase the accuracy of its measurement, as well as the manufacturability and reliability of the design.
Указанный технический результат достигается тем, что известный вибрационный гироскоп, содержащий основание, инерционную массу,
крышку, сервисную электронику, выполнен в виде плоского пакета из трёх слоев, первый крайний из которых представляет собой основание, контактирующее по периферии своего контура с контуром среднего слоя, охватывающим инерционную массу и контактирующим со вторым крайним слоем, представляющим собой крышку с проходными вводами для подключения сервисной электроники. The specified technical result is achieved by the fact that the known vibration gyroscope containing the base, inertial mass, the cover, service electronics, is made in the form of a flat package of three layers, the first of which is the base, contacting on the periphery of its circuit with the middle layer contour, covering the inertial mass and in contact with the second extreme layer, which is a cover with passage inputs for connection service electronics.
Кроме того, основание первого слоя может представлять собой прямоугольную пластину, на одной стороне которой образованы замкнутый по всему периметру выступ и изолированные внутренние выступы одинаковой высоты, средний слой выполнен в виде замкнутой по его контуру рамки, соответствующей замкнутому по всему периметру выступу основания, и стоек, соответствующих изолированным внутренним выступам одинаковой высоты, причём одна из стоек представляет собой ступицу инерционной массы, выполненной в виде прямолинейного стержня с криволинейным участком в средней части, середина которой связана со ступицей плоской пружиной, плоскость которой перпендикулярна стержню, а на рамку по её периметру установлена крышка второго крайнего слоя, представляющая собой прямоугольную пластину с проходными вводами, при этом связь замкнутого выступа основания и крышки с рамкой, изолированных выступов с соответствующими стойками выполнена жёсткой, а ступицы и стоек с проходными вводами -гальванической. In addition, the base of the first layer can be a rectangular plate, on one side of which a protrusion closed along the entire perimeter and isolated internal protrusions of the same height are formed, the middle layer is made in the form of a frame closed along its contour, corresponding to the base protrusion closed along the entire perimeter, and racks corresponding to the isolated internal protrusions of the same height, moreover, one of the posts is a hub of inertial mass, made in the form of a rectilinear rod with curvilinear m section in the middle part, the middle of which is connected to the hub by a flat spring, the plane of which is perpendicular to the rod, and the cover of the second extreme layer is installed on the frame around its perimeter, which is a rectangular plate with feedthroughs, while the connection between the closed protrusion of the base and the cover with the frame, isolated protrusions with corresponding struts are made rigid, and the hubs and racks with bushings are galvanic.
Кроме того, стойки могут располагаться относительно стержня с зазором попарно симметрично. In addition, the racks can be located relative to the rod with a gap in pairs symmetrically.
Кроме того, прямоугольная пластина основания, рамка, стойки и крышка могут быть выполнены из монокристаллического кремния. In addition, the rectangular base plate, frame, pillars and cover can be made of single-crystal silicon.
Кроме того, проходные вводы могут быть гальванически соединены с
изолированными площадками, расположенными на внутренней стороне крышки попарно симметрично и с зазором относительно стержня инерционной массы. In addition, the feedthroughs can be galvanically connected to insulated areas located on the inner side of the cover in pairs symmetrically and with a gap relative to the rod of inertial mass.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами. The invention is illustrated by drawings.
На фиг. 1 показана компоновочная схема вибрационного гироскопа, на фиг. 2 - вид сбоку на плоский пакет гироскопа. На рисунках сервисная электроника не показана. In FIG. 1 shows a layout diagram of a vibratory gyroscope; FIG. 2 is a side view of a flat gyro package. The service electronics are not shown in the figures.
Вибрационный гироскоп содержит основание первого крайнего слоя в виде прямоугольной пластины 1 из монокристаллического кремния, на одной стороне которой путем травления образованы замкнутый по всему периметру выступ 2 и пять изолированных внутренних выступов 3 -7 одинаковой высоты. На выступы через изоляционные слои (диоксид кремния) жестко установлен средний слой 8 в виде прямоугольной пластины монокристаллического кремния, повторяющей контур первой. В этой пластине путем травления сделаны сквозные прорези. Благодаря этому образованы ступица 9, замкнутая по контуру пластины рамка 10, стойки 11 - 14, инерционная масса, выполненная в виде прямолинейного стержня 15 с криволинейным участком в середине, плоская пружина 16. Ступица 9 жестко связана с выступом 3, рамка 10 - с выступом 2, каждая стойка 11 - 14 - с соответствующим выступом 4 - 7. Стержень 15 связан со ступицей 9 плоской пружиной 16, плоскость которой перпендикулярна стержню, при этом центр масс инерционной массы совпадает со средней точкой пружины 16. Таким образом, стержень 15 упруго подвешен к основанию 1 и может совершать угловые колебания вокруг двух ортогональных осей. Стойки 11 , 14 и 12, 13 располагаются относительно стержня 15 с зазором попарно симметрично. На рамку 10 жестко установлена крышка 17 второго крайнего
слоя, представляющая собой прямоугольную пластину из кремния с проходными вводами 18 -26. Каждый из проходных вводов 18 —26 представляет собой часть кремневой пластины, изолированная от нее по всей толщине. Проходные вводы 18 - 22 связаны механически и гальванически со ступицей 9 и стойками 1 1 - 14, а проходные вводы 23 -26 располагаются попарно симметрично с зазором относительно стержня. Вводы электрически соединены с сервисной электроникой. The vibrating gyroscope contains the base of the first extreme layer in the form of a rectangular plate 1 of single-crystal silicon, on one side of which, by etching, a protrusion 2 closed around the entire perimeter and five isolated internal protrusions 3-7 of the same height are formed. The protrusions through the insulating layers (silicon dioxide) are rigidly mounted middle layer 8 in the form of a rectangular plate of single-crystal silicon, repeating the contour of the first. Through the etching through slots are made in this plate. Due to this, a hub 9 is formed, a frame 10 closed on the contour of the plate, racks 11 - 14, an inertial mass made in the form of a rectilinear rod 15 with a curved section in the middle, a flat spring 16. The hub 9 is rigidly connected to the protrusion 3, the frame 10 to the protrusion 2, each strut 11 - 14 - with a corresponding protrusion 4 - 7. The rod 15 is connected to the hub 9 by a flat spring 16, the plane of which is perpendicular to the rod, while the center of mass of the inertial mass coincides with the midpoint of the spring 16. Thus, the rod 15 is resiliently suspended to base 1 and can make angular oscillations around two orthogonal axes. Racks 11, 14 and 12, 13 are located relative to the rod 15 with a gap pairwise symmetrical. On the frame 10 is rigidly mounted cover 17 of the second extreme layer, which is a rectangular silicon plate with bushings 18 to 26. Each of the bushings 18-26 is a part of a silicon wafer isolated from it throughout its thickness. The bushing 18 to 22 are mechanically and galvanically connected to the hub 9 and uprights 1 1 to 14, and the bushing 23 to 26 are arranged in pairs symmetrically with a gap relative to the rod. The inputs are electrically connected to the service electronics.
Упругий элемент - плоская пружина 16 позволяет стержню 15 совершать угловые колебания вокруг двух ортогональных осей: вокруг оси, перпендикулярной плоскости пластин, и вокруг продольной оси пружины 16. Наибольшей чувствительности вибрационный гироскоп достигает при совпадении собственных частот угловых колебаний стержня 15 вокруг этих осей. Дня предлагаемой конструкции гироскопа это выполняется при условии: The elastic element - a flat spring 16 allows the rod 15 to perform angular oscillations around two orthogonal axes: around an axis perpendicular to the plane of the plates, and around the longitudinal axis of the spring 16. The highest sensitivity is achieved when the eigenfrequencies of the angular oscillations of the rod 15 around these axes coincide. On the day of the proposed design of the gyroscope, this is subject to:
где: Е, G - соответственно, модуль упругости материала пружины (кремния) первого и второго рода; А\, Аг - соответственно, момент инерции стержня вокруг продольной оси пружины и вокруг оси, перпендикулярной плоскости пластин и проходящей через центр масс стержня; b, h - соответственно, ширина и высота пружины. Моменты инерции стержня А\, А2 практически равны. Тогда условие совпадения двух частот колебаний стержня 15 может быть упрощено до вида: ^ _ о,63 * . where: E, G - respectively, the modulus of elasticity of the material of the spring (silicon) of the first and second kind; A \ , Ar - respectively, the moment of inertia of the rod around the longitudinal axis of the spring and around an axis perpendicular to the plane of the plates and passing through the center of mass of the rod; b, h - respectively, the width and height of the spring. The moments of inertia of the rod A \ , A 2 are almost equal. Then the condition for the coincidence of the two vibration frequencies of the rod 15 can be simplified to the form: ^ _ о, 63 *.
AG h
E AG h E
Для кристаллического кремния соотношение — для различных ориентации For crystalline silicon, the ratio is for different orientations
G плоскости пружины 16 будет разным. Однако, при этом— »— . G plane of the spring 16 will be different. However, in doing so— ”-.
h 3 h 3
Вибрационный гироскоп работает следующим образом. От сервисной электроники на ввод 18 подается потенциал (t/0 + U\$m&t) относительно ввода 20, а на ввод 22 - (Uo - t/isincot), где - постоянный потенциал, U\ - амплитуда переменного потенциала с частотой ω. В результате этого, из-за действия электростатических сил возникает переменный механический момент с частотой ω, приложенный к стержню 15 гироскопа вокруг оси, перпендикулярной плоскости пластин (оси Υ). При совпадении частоты ω с собственной частотой стержня 15 возбуждаются его резонансные угловые колебания вокруг той же оси. При наличии вращения основания 1 гироскопа вокруг оси X с угловой скоростью Ω под действием сил Кориолиса Vibration gyroscope works as follows. From the service electronics, a potential (t / 0 + U \ $ m & t) is supplied to input 18 relative to input 20, and to input 22, (Uo - t / isincot), where is a constant potential, U \ is the amplitude of a variable potential with frequency ω. As a result of this, due to the action of electrostatic forces, an alternating mechanical moment arises with a frequency ω applied to the rod 15 of the gyroscope around an axis perpendicular to the plane of the plates (axis Υ). When the frequency ω coincides with the natural frequency of the rod 15, its resonant angular oscillations around the same axis are excited. In the presence of rotation of the base 1 of the gyroscope around the X axis with an angular velocity Ω under the action of Coriolis forces
возникают колебания стержня 15 вокруг продольной оси пружины 16 (оси Ζ). Амплитуда колебаний стержня 15, пропорциональная угловой скорости Ω, регистрируется дифференциальным емкостным датчиком угла поворота ротора, образованного вводами 23, 26 и вводом 20, связанным со стержнем 15 гальванически. Таким образом, функционирует гироскоп, построенный по разомкнутой схеме. Для гироскопа с обратными связями будут необходимы все вводы. Для повышения чувствительности гироскопа, как сказано выше, обе собственные частоты стержня должны быть равны. oscillations of the rod 15 occur around the longitudinal axis of the spring 16 (axis Ζ). The oscillation amplitude of the rod 15, proportional to the angular velocity Ω, is recorded by a differential capacitive sensor of the angle of rotation of the rotor formed by the inputs 23, 26 and the input 20 connected galvanically to the rod 15. Thus, a gyroscope constructed in an open circuit operates. A feedback gyro will require all inputs. To increase the sensitivity of the gyroscope, as mentioned above, both eigenfrequencies of the rod should be equal.
Конструктивное исполнение вибрационного гироскопа в соответствии с настоящим изобретением позволяет упростить упругий подвес ротора и за счет этого осуществить более точную настройку двух собственных частот ротора друг под друга и, соответственно, повысить точность измерения гироскопа и обеспечить получение технического результата которым
является упрощение конструкции, в том числе упругого подвеса и формы инерционной массы (ротора) гироскопа и повьппение за счет этого точности его измерения, а также технологичности и надёжности конструкции.
The design of the vibrating gyroscope in accordance with the present invention allows to simplify the elastic suspension of the rotor and thereby more accurately adjust the two natural frequencies of the rotor to each other and, accordingly, increase the accuracy of the gyroscope measurement and provide a technical result which is the simplification of the design, including the elastic suspension and the shape of the inertial mass (rotor) of the gyroscope, and due to this the accuracy of its measurement, as well as the manufacturability and reliability of the design.
Claims
1. Вибрационный гироскоп, содержащий основание, инерционную массу, крышку, сервисную электронику, отличающийся тем, что он вьшолнен в виде плоского пакета из трёх слоев, первый крайний из которых 1. Vibration gyroscope containing a base, inertial mass, cover, service electronics, characterized in that it is implemented as a flat package of three layers, the first of which
представляет собой основание, контактирующее по периферии своего контура с контуром среднего слоя, охватывающим инерционную массу и контактирующим со вторым крайним слоем, представляющим собой крышку с проходными вводами для подключения сервисной электроники. represents the base in contact on the periphery of its circuit with the middle layer of the circuit, covering the inertial mass and in contact with the second extreme layer, which is a cover with feedthroughs for connecting service electronics.
2. Вибрационный гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что 2. The vibration gyroscope according to claim 1, characterized in that
основание первого слоя представляет собой прямоугольную пластину, на одной стороне которой образованы замкнутый по всему периметру выступ и изолированные внутренние выступы одинаковой высоты, средний слой выполнен в виде замкнутой по его контуру рамки, соответствующей замкнутому по всему периметру выступу основания, и стоек, the base of the first layer is a rectangular plate, on one side of which a protrusion closed along the entire perimeter and isolated internal protrusions of the same height are formed, the middle layer is made in the form of a frame closed along its contour, corresponding to the base protrusion closed along the entire perimeter, and racks,
соответствующих изолированным внутренним выступам одинаковой высоты, причём одна из стоек представляет собой ступицу инерционной массы, выполненной в виде прямолинейного стержня с криволинейным участком в средней части, середина которой связана со ступицей плоской пружиной, плоскость которой перпендикулярна стержню, а на рамку по её периметру установлена крышка второго крайнего слоя, представляющая собой corresponding to isolated internal protrusions of the same height, moreover, one of the posts is a hub of inertial mass made in the form of a straight rod with a curved section in the middle part, the middle of which is connected to the hub by a flat spring, the plane of which is perpendicular to the rod, and a cover is installed on the frame around its perimeter the second extreme layer, which is
прямоугольную пластину с проходными вводами, при этом связь замкнутого выступа основания и крышки с рамкой, изолированных выступов с a rectangular plate with feedthroughs, while the connection of the closed protrusion of the base and cover with the frame, isolated protrusions with
соответствующими стойками выполнена жёсткой, а ступицы и стоек с проходными вводами—гальванической. the corresponding struts are made rigid, and the hubs and racks with bushings are galvanic.
3. Вибрационный гироскоп по п. 2, отличающийся тем, что стойки располагаются относительно стержня с зазором попарно симметрично. 3. The vibration gyroscope according to claim 2, characterized in that the racks are arranged relative to the rod with a gap in pairs symmetrically.
4. Вибрационный гироскоп по п. 2, отличающийся тем, что прямоугольная пластина основания, рамка, стойки и прямоугольная пластина крышки выполнены из монокристаллического кремния. 4. The vibration gyroscope according to claim 2, characterized in that the rectangular base plate, frame, pillars and rectangular cover plate are made of single-crystal silicon.
5. Вибрационный гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что проходные вводы гальванически соединены с изолированными площадками, расположенными на внутренней стороне крышки попарно симметрично и с зазором относительно стержня инерционной массы. 5. The vibration gyroscope according to claim 1, characterized in that the passageways are galvanically connected to insulated areas located on the inside of the cover in pairs symmetrically and with a gap relative to the inertial mass rod.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2009/000607 WO2011059352A1 (en) | 2009-11-10 | 2009-11-10 | Vibrating gyroscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2009/000607 WO2011059352A1 (en) | 2009-11-10 | 2009-11-10 | Vibrating gyroscope |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2011059352A1 true WO2011059352A1 (en) | 2011-05-19 |
Family
ID=43991818
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2009/000607 WO2011059352A1 (en) | 2009-11-10 | 2009-11-10 | Vibrating gyroscope |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| WO (1) | WO2011059352A1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5555765A (en) * | 1993-02-10 | 1996-09-17 | The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. | Gimballed vibrating wheel gyroscope |
| US20080148849A1 (en) * | 2006-04-21 | 2008-06-26 | Sony Corporation | Motion sensor and method of manufacturing the same |
| RU2334197C1 (en) * | 2007-01-16 | 2008-09-20 | Общество с ограниченной ответственностью "АЙСЕНС" | Method of angular speed measurement and vibration gyro to this effect |
-
2009
- 2009-11-10 WO PCT/RU2009/000607 patent/WO2011059352A1/en active Application Filing
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5555765A (en) * | 1993-02-10 | 1996-09-17 | The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. | Gimballed vibrating wheel gyroscope |
| US20080148849A1 (en) * | 2006-04-21 | 2008-06-26 | Sony Corporation | Motion sensor and method of manufacturing the same |
| RU2334197C1 (en) * | 2007-01-16 | 2008-09-20 | Общество с ограниченной ответственностью "АЙСЕНС" | Method of angular speed measurement and vibration gyro to this effect |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2580879C2 (en) | Microelectromechanical system for angular velocity sensor | |
| US9574879B2 (en) | MEMS angular inertial sensor operating in tuning fork mode | |
| KR101673887B1 (en) | Vibrating micro-mechanical sensor of angular velocity | |
| JP4290986B2 (en) | Rotation rate sensor | |
| US9651376B2 (en) | Microelectromechanical gyroscopes and related apparatus and methods | |
| US6272925B1 (en) | High Q angular rate sensing gyroscope | |
| KR100594957B1 (en) | An angular rate sensor | |
| KR100476562B1 (en) | Horizontal and tuning fork vibratory micro gyroscope | |
| US7640803B1 (en) | Micro-electromechanical system inertial sensor | |
| US10032976B2 (en) | Microelectromechanical gyroscopes and related apparatus and methods | |
| US20140224016A1 (en) | Micro-electromechanical gyro device | |
| JP6514790B2 (en) | Gyroscope | |
| EP0574143B1 (en) | Angular rate sensor and method of production thereof | |
| US20190033075A1 (en) | Gyroscope devices and methods for fabricating gyroscope devices | |
| KR20190015992A (en) | Angular rate sensors | |
| JP7269745B2 (en) | Angular rate sensor with vibrating structure and method for manufacturing the same | |
| RU2334197C1 (en) | Method of angular speed measurement and vibration gyro to this effect | |
| WO2011059352A1 (en) | Vibrating gyroscope | |
| US11215455B2 (en) | Piezoelectric ring gyroscope | |
| RU2453812C1 (en) | Integrated sensitive element of vibration gyroscope | |
| RU75475U1 (en) | Vibration Gyroscope | |
| RU2364836C1 (en) | Vibration gyroscope | |
| CN105917193A (en) | Inertial sensor with nested seismic masses and method for manufacturing the sensor | |
| RU64787U1 (en) | VIBRATION GYROSCOPE FOR MEASURING ANGULAR SPEED | |
| KR100319920B1 (en) | Laterally driving gimbal type gyroscope having unbalanced inner torsional gimbal |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 09851314 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 09851314 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |