RU2485444C2

RU2485444C2 - Micromechanical vibration gyroscope

Info

Publication number: RU2485444C2
Application number: RU2010120200/28A
Authority: RU
Inventors: Сергей Феодосьевич Коновалов; Виктор Павлович Подчезерцев; Александр Григорьевич Сидоров; Денис Владимирович Майоров; Юрий Анатольевич Пономарев; Хан Парк Хуо; Йол Квон Нам
Original assignee: Сергей Феодосьевич Коновалов
Priority date: 2010-05-21
Filing date: 2010-05-21
Publication date: 2013-06-20
Also published as: RU2010120200A

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: gyroscope comprises a disc fixed with the help of an elastic suspension and a setting plate, an excitation torque sensor, two capacitance angle sensors, designed for measurement of disc oscillations around axes, normal axes of torsion oscillations (output axes of the gyroscope), two compensatory torque sensors. The excitation torque sensor has printed windings on the disc surface with radially aligned rectilinear sections, which are in the magnetic field, formed by permanent magnets fixed in the gyroscope body, having opposite poles facing the disc. Spiral printed windings of compensatory sensors are in the magnetic field formed by permanent magnets fixed in the gyroscope body, having identical poles facing the disc. The gyroscope also comprises a control system, making it possible to maintain constant angular speed of disc torsion oscillations, a feedback system, compensating oscillations of the disc around output axes.

EFFECT: possibility to adjust quadrature components of a gyroscope signal.

13 cl, 18 dwg

Description

Изобретение относится к области навигационной техники, а именно к конструкции микромеханических вибрационных гироскопов.The invention relates to the field of navigation technology, namely to the design of micromechanical vibration gyroscopes.

Известны (патент США №6505511 В1 от 14 января 2003) вибрационный гироскоп LL типа, являющийся аналогом изобретения. Он представляет собой плоскую конструкцию и содержит инерционную массу, подвешенную посредством упругого подвеса с плоскими балками и якорей в корпусе. В состав гироскопа входят гребенчатые емкостные датчики момента, возбуждающие поступательные колебания инерционной массы вдоль оси возбуждения, и емкостные гребенчатые датчики перемещения инерционной массы вдоль оси, перекрестной к оси возбуждения. Гироскоп предназначается для измерения угловой скорости, нормальной к плоскости конструкции и не способен измерять угловые скорости вокруг осей, лежащих в плоскости конструкции.Known (US patent No. 650511 B1 dated January 14, 2003) is an LL type vibratory gyroscope that is similar to the invention. It is a flat design and contains an inertial mass suspended by means of an elastic suspension with flat beams and anchors in the housing. The gyroscope includes comb-type capacitive moment sensors that excite translational oscillations of the inertial mass along the axis of excitation, and capacitive comb-type sensors of inertial mass displacement along the axis that is cross to the axis of excitation. The gyroscope is designed to measure angular velocity normal to the plane of the structure and is not able to measure angular velocities around axes lying in the plane of the structure.

Известен (патент РФ №2085848 С1, кл. 6 G01C 19/56. 27.07.97) вибрационный гироскоп RR типа, являющийся аналогом изобретения. Он содержит плоский маятник с симметрично относительно его плоскости укрепленными на нем двумя грузами. Маятник посредством упругого подвеса по одной лежащей в плоскости маятника оси укреплен в плоской рамке, которая в свою очередь по оси, лежащей в плоскости маятника и нормальной первой, укреплена с помощью упругого подвеса и якорей в корпусе гироскопа. На поверхности корпуса, отделенной от маятника равномерным зазором, размещены электроды емкостного датчика момента - возбудителя колебаний маятника, емкостного датчика угла поворота маятника вокруг оси, нормальной оси возбуждения, и в случае компенсационного прибора - электроды емкостного датчика момента обратной связи. В качестве подвижного электрода служит сам маятник, выполненный из электропроводящего материала (монокристаллического кремния). Гироскоп предназначается для измерения угловой скорости, направленной вдоль оси, нормальной плоскости маятника.Known (RF patent No. 2085848 C1, cl. 6 G01C 19/56. 07.27.97) vibration gyro RR type, which is an analogue of the invention. It contains a flat pendulum with two weights mounted symmetrically relative to its plane. The pendulum by means of an elastic suspension along one axis lying in the plane of the pendulum is fixed in a flat frame, which, in turn, along the axis lying in the plane of the pendulum and normal first, is strengthened by means of an elastic suspension and anchors in the gyroscope case. On the surface of the housing, separated by a uniform gap from the pendulum, there are electrodes of a capacitive moment sensor - a pendulum oscillator, a capacitive sensor of the angle of rotation of the pendulum around the axis, the normal axis of excitation, and in the case of a compensation device - electrodes of a capacitive feedback moment sensor. The pendulum itself, made of an electrically conductive material (single-crystal silicon), serves as a movable electrode. The gyroscope is designed to measure the angular velocity directed along the axis of the normal plane of the pendulum.

Известны (патент USA №6,067,858, 2000) микромеханические вибрационные гироскопы RR типа, содержащие крутильный маятник, в состав которого входят осесимметричный диск с центральным элементом крепления (якорем) и упругим подвесом, связывающим диск с якорем. Упругий подвес с плоскими балками обеспечивает диску возможность совершать колебания вокруг оси симметрии (ось возбуждения) и вокруг нормальных к ней осей (выходные оси). Крутильный маятник посредством якоря укреплен в изолированном корпусе таким образом, что между его торцом и поверхностью корпуса образован равномерный зазор. На поверхности изолированного корпуса, обращенной к диску, выполнены электроды емкостного датчика, обеспечивающего измерение углов поворота диска вокруг выходных осей. Подвижным электродом датчика служит диск, выполненный из электропроводящего материала (монокристаллического кремния). В конструкцию гироскопа входит емкостной датчик момента гребенчатого типа, возбуждающий крутильные колебания диска и емкостные компенсационные датчики момента, включенные в цепи обратной связи гироскопа и обеспечивающие компенсацию моментов кориолисовых сил, действующих по выходным осям гироскопа при измерении им угловой скорости корпуса.Known (USA patent No. 6.067.858, 2000) are RR-type micromechanical vibration gyroscopes containing a torsion pendulum, which includes an axisymmetric disk with a central fastening element (anchor) and an elastic suspension linking the disk with the anchor. An elastic suspension with flat beams allows the disk to oscillate around the axis of symmetry (axis of excitation) and around its normal axes (output axes). The torsion pendulum is anchored in the insulated casing in such a way that a uniform gap is formed between its end and the surface of the casing. On the surface of the insulated housing facing the disk, electrodes of a capacitive sensor are made, which provides measurement of the angles of rotation of the disk around the output axes. A movable electrode of the sensor is a disk made of an electrically conductive material (single-crystal silicon). The design of the gyroscope includes a comb-type capacitive moment sensor that excites torsional oscillations of the disk and capacitive compensation moment sensors included in the feedback circuit of the gyroscope and providing compensation of the moments of the Coriolis forces acting along the output axes of the gyroscope when measuring the angular velocity of the case.

Гироскоп содержит генератор сигнала возбуждения и систему регулировки крутильных колебаний маятника, обеспечивающие настройку колебаний маятника на его резонансную частоту и стабилизацию амплитуды крутильных колебаний маятника, а также усилители сигнала обратной связи, входы которых связаны с электродами емкостного датчика угла, а выходы - с компенсационными датчиками момента. Помимо этого в состав гироскопа входят системы компенсации квадратурных сигналов гироскопа. Данный гироскоп в зависимости от конструктивного исполнения способен измерять либо одну составляющую угловой скорости, ориентированную по оси, нормальной его выходной оси и оси возбуждения (однокомпонентный RR гироскоп), либо две составляющие угловой скорости, ориентированные по выходным осям (двухкомпоиентный RR гироскоп).The gyroscope contains an excitation signal generator and a pendulum torsion vibration adjustment system that adjusts the pendulum oscillations to its resonant frequency and stabilizes the pendulum torsion oscillation amplitudes, as well as feedback signal amplifiers whose inputs are connected to the capacitive angle sensor electrodes and the outputs to compensation torque sensors . In addition, the gyroscope includes systems for compensating quadrature signals of the gyroscope. This gyroscope, depending on the design, is capable of measuring either one component of the angular velocity, oriented along the axis, its normal output axis and the axis of excitation (one-component RR gyroscope), or two components of the angular velocity, oriented along the output axes (two-component RR gyroscope).

Данный гироскоп выбран в качестве прототипа изобретения.This gyroscope is selected as a prototype of the invention.

Недостатком прототипа является использование в нем емкостных датчиков момента, не способных развивать большие уровни моментов. Для получения достаточных для нормальной работы амплитуд крутильных колебаний маятника приходится делать очень малые величины зазоров между электродами в гребенчатых датчиках момента возбуждения, а также обеспечивать высокую добротность колебательных систем гироскопа, что создает технологические трудности при изготовлении гироскопа и требует его вакуумирования. Кроме того, следует учитывать, что в емкостных компенсационных датчиках имеет место нелинейная зависимость развиваемого ими момента от величины управляющего напряжения на электродах. Это требует принятия специальных мер по линеаризации характеристик датчика. Еще одним недостатком прототипа является невозможность изменения квадратурного сигнала гироскопа путем регулировки его элементов в процессе изготовления и сборки гироскопа.The disadvantage of the prototype is the use of capacitive torque sensors, not able to develop large levels of moments. To obtain amplitudes of torsion oscillations of the pendulum sufficient for normal operation, it is necessary to make very small gaps between the electrodes in the comb sensors of the excitation moment, as well as to ensure high quality factor of the gyroscope oscillation systems, which creates technological difficulties in the manufacture of the gyroscope and requires its evacuation. In addition, it should be borne in mind that in capacitive compensation sensors there is a nonlinear dependence of the moment developed by them on the magnitude of the control voltage at the electrodes. This requires special measures to linearize the characteristics of the sensor. Another disadvantage of the prototype is the inability to change the quadrature signal of the gyroscope by adjusting its elements during the manufacture and assembly of the gyroscope.

С целью устранения указанных недостатков прототипа предложена конструкция вибрационного RR гироскопа. В состав гироскопа входят изолированный окислом кремниевый крутильный маятник, показанный на фиг.1. Он содержит установочную платину 1 с контактными площадками от 2 до 9. Установочная пластина посредством упругого подвеса, образованного спиральными балками 11, 12, 13, 14, соединена с диском маятника 10. На диске размещены печатная обмотка датчика момента возбуждения 21 и две печатные обмотки 22 и 23 компенсационных датчиков момента. На поверхностях упругих балок размещены печатные токоподводы с 15 по 20. Части обмоток, размещенные на обеих сторонах диска, соединены через отверстия 24, 25, 26, 27, 28 в диске 10. Контактные площадки 3 и 6 размещены на участках установочной пластины 1, свободных от изолирующего покрытия, и имеют электрический контакт с телом маятника. В теле маятника выполнены окна 29, 30, 31, 32 и центральное базирующее отверстие 33. Крутильный маятник гироскопа целесообразно изготавливать из пластины монокристаллического кремния с плоскостью среза (001) методом анизотропного травления. При этом упругий подвес целесообразно выполнять в виде 4-х спиралей с прямолинейными участками, ориентированным по кристаллографическим направлениям <100> и <010>, как показано на фиг.1.In order to eliminate these disadvantages of the prototype, a design of a vibrating RR gyroscope is proposed. The gyroscope includes an oxide-isolated silicon torsion pendulum, shown in figure 1. It contains an installation plate 1 with pads from 2 to 9. The installation plate is connected to the disk of the pendulum 10 by means of an elastic suspension formed by spiral beams 11, 12, 13, 14, and on the disk there is a printed winding of the excitation torque sensor 21 and two printed windings 22 and 23 compensation torque sensors. Printed current leads from 15 to 20 are placed on the surfaces of the elastic beams. Parts of the windings located on both sides of the disk are connected through openings 24, 25, 26, 27, 28 in the disk 10. Contact pads 3 and 6 are located on the areas of the mounting plate 1, free from an insulating coating, and have electrical contact with the body of the pendulum. Windows 29, 30, 31, 32 and a central base hole 33 are made in the body of the pendulum. It is advisable to produce a gyroscope torsion pendulum from a single-crystal silicon wafer with a cutting plane (001) by anisotropic etching. In this case, the elastic suspension is expediently performed in the form of 4 spirals with rectilinear sections oriented in the crystallographic directions <100> and <010>, as shown in Fig. 1.

Имеется возможность использования и других типов подвесов. На фиг.2 показана конструкция крутильного маятника, в котором установочная пластина 1 связана с диском 10 через упругий подвес, содержащий дополнительно вводимую рамку 34 и растяжки с 35 по 42. В этой конструкции путем изменения размеров окон 29, 30, 31, 32 можно обеспечить совпадение частоты крутильных колебаний маятника и частот его колебаний вокруг выходных осей (резонансная настройка маятника).There is the possibility of using other types of suspensions. Figure 2 shows the design of the torsion pendulum, in which the mounting plate 1 is connected to the disk 10 through an elastic suspension containing an additionally inserted frame 34 and stretch marks 35 to 42. In this design, by resizing the windows 29, 30, 31, 32, it is possible to provide coincidence of the frequency of torsional vibrations of the pendulum and the frequencies of its vibrations around the output axes (resonant tuning of the pendulum).

На фиг.3 и 4 показаны конструкции упругого подвеса крутильного маятника, в которых диск маятника 10 и установочная площадка 1 связаны через спирали упругого подвеса 11, 12, 13, 14, две дополнительно вводимые рамки 42 и 43 и четыре растяжки 44, 45, 46, 47, попарно ориентированные по кристаллографическим направляющим <100> и <010>. Растяжки в приведенных конструкциях имеют крестообразное сечение. Обмотки возбуждения, обмотка компенсационного моментного датчика и токоподводы, проходящие по поверхностям спиральных балок, растяжек, диска и установочной пластины, на чертежах фиг.3, 4 условно не показаны. В данных конструкциях обеспечивается независимый выбор частоты крутильных колебаний маятника и частот колебаний маятника вокруг выходных осей. В конструкциях, показанных на фиг.2, 3, 4, растяжки ориентированы по кристаллографическим направлениям <100> и <010>.Figures 3 and 4 show the structures of the elastic suspension of the torsion pendulum, in which the disk of the pendulum 10 and the mounting platform 1 are connected through spirals of the elastic suspension 11, 12, 13, 14, two additionally inserted frames 42 and 43 and four extensions 44, 45, 46 , 47, pairwise oriented along crystallographic guides <100> and <010>. Stretch marks in the above constructions have a cross-section. Field windings, the winding of the compensation torque sensor and current leads passing along the surfaces of spiral beams, stretch marks, a disk and a mounting plate are not conventionally shown in the drawings of figures 3, 4. These designs provide an independent choice of the frequency of torsional oscillations of the pendulum and the frequencies of oscillations of the pendulum around the output axes. In the structures shown in figures 2, 3, 4, the stretch marks are oriented in the crystallographic directions <100> and <010>.

Крутильный маятник помещен между торцами двух изолированных корпусов: первого - 48 и второго - 49 (см. фиг.5). Конструкции первого и второго корпусов показаны на фиг.6 и фиг.7. В корпусах выполнены отверстия с 50 по 57 и с 58 по 65 для установки постоянных магнитов. При соединении корпусов с маятником корпуса ориентированы таким образом, чтобы их четные отверстия были расположены над участками радиально ориентированных частей обмоток возбуждения, а нечетные - над спиральными обмотками компенсационных датчиков момента.A torsion pendulum is placed between the ends of two isolated cases: the first - 48 and the second - 49 (see figure 5). The structures of the first and second buildings are shown in Fig.6 and Fig.7. In the housings, holes 50 to 57 and 58 to 65 are made for installing permanent magnets. When connecting the housings to the pendulum, the housings are oriented so that their even holes are located above the sections of the radially oriented parts of the field windings, and the odd holes are above the spiral windings of the compensation torque sensors.

В четные отверстия корпусов вставлены постоянные магниты 66, 68, 70, 72 и 74, 76, 78, 80, имеющие обращенные к маятнику разноименные и попарно чередующиеся полюса (например, в отверстии 50 у магнита 80 северный полюс направлен к маятнику, а в отверстии 58 у магнита 66 - от маятника, в отверстии 52 у магнита 74 - от маятника, а в отверстии 60 у магнита 68 - к маятнику, и так далее). В нечетные отверстия вставлены постоянные магниты с 67 по 81, имеющие обращенные к маятнику одноименные и попарно чередующиеся полюса (например, в отверстиях 51 и 59 к маятнику обращены северные полюса магнитов 67, 81, а в отверстиях 53 и 61 - полюса магнитов 69 и 75 южные и т.д.). Имеется возможность реализовать другие варианты намагничивания магнитов. При других вариантах намагничивания магнитов с ними должны быть согласованы направления токов в катушках компенсационного датчика момента и конфигурация катушки датчика момента возбуждения.Permanent magnets 66, 68, 70, 72 and 74, 76, 78, 80 are inserted into even openings of the housings, with opposite and pairwise alternating poles facing the pendulum (for example, in hole 50 of magnet 80, the north pole is directed to the pendulum, and in the hole 58 for magnet 66 - from the pendulum, in hole 52 of magnet 74 - from the pendulum, and in hole 60 of magnet 68 - to the pendulum, and so on). Permanent magnets 67 through 81 are inserted into the odd holes, having poles of the same name and alternating poles facing the pendulum (for example, the north poles of magnets 67, 81 are facing the pendulum in holes 51 and 59, and the poles of magnets 69 and 75 are facing holes 53 and 61) southern, etc.). It is possible to implement other options for magnetizing magnets. In other versions of magnetizing the magnets, the directions of the currents in the coils of the compensation torque sensor and the configuration of the coil of the torque sensor must be coordinated with them.

При всех вариантах радиально ориентированные участки обмотки возбуждения 21 оказываются в магнитных полях, ориентированных нормально к торцевым поверхностям диска 10, а спиралевидные обмотки компенсационных датчиков момента 22, 23 - в стесненных магнитных полях, силовые линии которых параллельны плоскости диска и радиально расходятся от центров магнитов к их периферии. Магнитные цепи магнитов замкнуты дисками магнитопроводов 82, 83. На обращенных к маятнику торцевых поверхностях корпусов 48, 49 выполнены электроды емкостных датчиков угла с 84 по 87 и с 88 по 91 соответственно. Электроды 84, 85, 86, 87 через металлизированные отверстия 92, 93, 94, 95 соединены со входами усилителя обратной связи контактными площадками 96, 97, 98, 99, расположенными на торцевой наружной поверхности первого корпуса, обращенной от маятника. Электроды 88, 89, 90, 91 связаны электропроводящими стойками 100, 101, 102, 103, фиг.5, укрепляемыми в отверстиях 104, 105, 106, 107 корпуса 49 и проходящими через окна 29, 30, 31, 32 крутильного маятника и через отверстия 108, 109, 110, 111 корпуса 48 и соединенные посредством токоподводов 112, 113, 114, 115 с входами усилителя обратной связи. На обращенных к маятнику торцевых поверхностях корпусов 48, 49 выполнены электропроводящие выступы 116, 117, 118, 119 и 120, 121, 122, 123 соответственно, которые через свои центральные металлизированные отверстия связаны посредством токоподводов 124, 125, 126, 127 и 128, 129, 130, 131 с контактными площадками с 133 по 136, размещенными в пазах на цилиндрических поверхностях корпусов 48, 49. При соединении корпусов 48, 49 с маятником контактные площадки установочной пластины приходят в соприкосновение с электропроводящими выступами. Надежный электрический контакт электропроводящих выступов и контактных площадок обеспечивается путем внесения электропроводящего клея через металлизированные отверстия в электропроводящих выступах. Высота электропроводящих выступов соответствует желаемому зазору между дисками маятника и обращенными к нему торцевыми поверхностями корпусов.In all cases, the radially oriented sections of the excitation winding 21 are in magnetic fields oriented normally to the end surfaces of the disk 10, and the spiral-shaped windings of the torque compensation sensors 22, 23 are in cramped magnetic fields, the lines of force of which are parallel to the plane of the disk and radially diverge from the centers of the magnets to their periphery. Magnetic magnetic circuits are closed by magnetic disks 82, 83. Electrodes of capacitive angle sensors from 84 to 87 and from 88 to 91, respectively, are made on the end surfaces of the housings 48, 49 facing the pendulum. The electrodes 84, 85, 86, 87 through metallized holes 92, 93, 94, 95 are connected to the inputs of the feedback amplifier by contact pads 96, 97, 98, 99 located on the end outer surface of the first housing facing away from the pendulum. The electrodes 88, 89, 90, 91 are connected by electrically conductive racks 100, 101, 102, 103, FIG. 5, fixed in the holes 104, 105, 106, 107 of the housing 49 and passing through the windows 29, 30, 31, 32 of the torsion pendulum and through holes 108, 109, 110, 111 of the housing 48 and connected through current leads 112, 113, 114, 115 to the inputs of the feedback amplifier. On the end surfaces of the housings 48, 49 facing the pendulum, electrically conductive protrusions 116, 117, 118, 119, 120, 121, 122, 123 are made, respectively, which are connected through their central metallized holes by means of current leads 124, 125, 126, 127 and 128, 129 , 130, 131 with contact pads 133 to 136 located in grooves on the cylindrical surfaces of the housings 48, 49. When connecting the casings 48, 49 to the pendulum, the contact pads of the mounting plate come into contact with the electrically conductive protrusions. Reliable electrical contact of the electrically conductive protrusions and pads is ensured by the introduction of electrically conductive glue through metallized holes in the electrically conductive protrusions. The height of the electrically conductive protrusions corresponds to the desired gap between the pendulum disks and the end surfaces of the housings facing it.

Возможен иной вариант формирования указанных зазоров и обеспечения необходимых электрических соединений. В этом варианте выступы формируются по обе стороны установочных пластин под контактными площадками 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, а также на месте электропроводящих выступов 116, 117, 118, 119, 120, 121, 122, 123, на изолированных корпусах 48, 49 формируются контактные площадки, связанные через металлизированные отверстия с электрическими цепями гироскопа таким же образом, как и ранее рассмотренные электропроводящие выступающие выводы со 116 по 123. Крутильный маятник, корпуса 48, 49, магнитопроводы 82, 83 базируются и фиксируются относительно друг друга с помощью винта 137 и резьбовой втулки 138, выполненной в магнитопроводе 82. Электрические соединения обмоток 22, 23 компенсационных датчиков момента с выходами усилителя обратной связи, обмотки возбуждения 21 с генератором сигнала возбуждения и системой регулировки крутильных колебаний осуществляется с помощью проводников 139-155, напаянных на соответствующие контактные площадки, расположенные в пазах на цилиндрических поверхностях корпусов 48, 49 (фиг.8).There is another option for the formation of these gaps and ensure the necessary electrical connections. In this embodiment, protrusions are formed on both sides of the mounting plates under the contact pads 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, and also in place of the electrically conductive protrusions 116, 117, 118, 119, 120, 121, 122, 123 , on the insulated cases 48, 49, contact pads are formed, connected through metallized holes with the electric circuits of the gyroscope in the same way as the previously considered conductive protruding terminals 116 to 123. The torsion pendulum, cases 48, 49, magnetic circuits 82, 83 are based and fixed relative to each other using screw 137 and thread a new sleeve 138, made in the magnetic circuit 82. The electrical connections of the windings 22, 23 of the torque compensation sensors with the outputs of the feedback amplifier, the field winding 21 with the excitation signal generator and the torsional vibration adjustment system are carried out using conductors 139-155 soldered to the corresponding contact pads, located in the grooves on the cylindrical surfaces of the bodies 48, 49 (Fig. 8).

Предлагаемый гироскоп работает следующим образом. В обмотку возбуждения 21 с помощью генератора сигнала возбуждения подается переменный ток I. При этом, как показано на фиг.9, возникают магнитоэлектрические силы F в радиально ориентированных участках обмотки 21, находящихся в магнитном поле, и маятнику сообщаются крутильные колебания. При вращении корпуса прибора, например, вокруг оси Х со скоростью Ω_x (фиг.10) возникает переменный момент кориолисовых сил, ориентированных вдоль оси Y, который вызывает колебания диска маятника вокруг оси Y. Эти колебания воспринимаются емкостным датчиком угла ДУ (электроды 85, 87, 89, 91), который формирует сигнал, пропорциональный углу отклонения диска. Сигнал усиливается посредством усилителя обратной связи, создающего ток I_OC в спиральной обмотке компенсационного датчика момента 23 (фиг.11). Под действием этого тока в спиральных обмотках 23, находящихся в стесненном магнитном поле, возникают магнитоэлектрические силы F_OC. Эти силы создают переменный момент обратной связи, уравновешивающий момент кориолисовых сил. Так как момент кориолисовых сил пропорционален Ω_x, а момент обратной связи пропорционален I_OC, то I_OC будет пропорционален Ω_x. Измеряя ток I_OC, можно определить Ω_x. Аналогично осуществляется измерение угловой скорости Ω_y. Использование в гироскопе магнитоэлектрических датчиков возбуждения и магнитоэлектрических компенсационных датчиков обратной связи, в отличие от электростатических датчиков, способствует развитию значительных уровней момента при больших зазорах, что позволяет снизить требования к добротности колебаний маятника и дает возможность использовать гироскоп без вакуумирования. Это упрощает конструкцию гироскопа и технологию его изготовления.The proposed gyroscope works as follows. An alternating current I is supplied to the excitation winding 21 by means of the excitation signal generator. In this case, as shown in Fig. 9, magnetoelectric forces F arise in radially oriented portions of the winding 21 in a magnetic field, and torsional vibrations are communicated to the pendulum. When the device’s body rotates, for example, around the X axis with a speed of Ω _x (Fig. 10), a variable moment of Coriolis forces appears, oriented along the Y axis, which causes oscillations of the pendulum disk around the Y axis. These vibrations are sensed by a capacitive angle sensor of the remote control (electrodes 85, 87, 89, 91), which generates a signal proportional to the angle of deflection of the disk. The signal is amplified by a feedback amplifier that generates a current I _OC in the spiral winding of the torque compensation sensor 23 (Fig. 11). Under the influence of this current in the spiral windings 23 located in a constrained magnetic field, magnetoelectric forces F _OC arise. These forces create a variable feedback moment, balancing the moment of Coriolis forces. Since the moment of Coriolis forces is proportional to Ω _x , and the feedback moment is proportional to I _OC , then I _OC will be proportional to Ω _x . By measuring the current I _OC , we can determine Ω _x . Similarly, the measurement of the angular velocity Ω _{y is} carried out. The use of magnetoelectric excitation sensors and magnetoelectric compensation feedback sensors in a gyroscope, in contrast to electrostatic sensors, contributes to the development of significant torque levels at large gaps, which reduces the requirements for the quality factor of pendulum oscillations and makes it possible to use the gyroscope without evacuation. This simplifies the design of the gyroscope and its manufacturing technology.

Существенным недостатком прототипа является невозможность регулировки его квадратурного сигнала в процессе изготовления и сборки гироскопа. С целью обеспечения регулировки квадратурной составляющей сигнала предлагается в одном из изолированных корпусов устанавливать (фиг.5) вместо постоянных магнитов (например, 66, 68, 70, 72) цилиндрические магнитопроводящие вкладыши со скошенными торцами, обращенными к диску. Ориентацию скошенного торца относительно радиально ориентированных участков обмотки возбуждения можно менять, осуществляя разворот вкладышей вокруг центральных осей их цилиндров. Влияние изменения ориентации вкладыша 156 иллюстрируется на фиг.12 а, б. Здесь при развороте магнитопроводящего вкладыша 156 от положения а) на 180° (положение б) изменяется направление составляющей магнитного потока (индукция В₂) и соответственно изменяется знак составляющей магнитоэлектрической силы F₂, вызывающей колебания маятника вокруг выходных осей прибора. Составляющая магнитоэлектрической силы F₁, вызванная индукцией B₁, при этом остается неизменной. Эта составляющая магнитоэлектрической силы F₁ создает крутильные колебания маятника. При развороте вкладыша 156 на 90º по отношению к положениям фиг.12 сила F₁становится равной нулю. Таким образом, путем регулировки положения вкладышей в собранном приборе (фиг.8) обеспечивается возможность устранения колебания маятника вокруг выходных осей, вызывающих появление квадратурного сигнала гироскопа.A significant disadvantage of the prototype is the inability to adjust its quadrature signal during the manufacture and assembly of the gyroscope. In order to ensure the adjustment of the quadrature component of the signal, it is proposed to install (Fig. 5) instead of permanent magnets (for example, 66, 68, 70, 72) cylindrical magnetic conductive inserts with beveled ends facing the disk. The orientation of the beveled end relative to the radially oriented sections of the field coil can be changed by turning the liners around the central axes of their cylinders. The effect of changing the orientation of the liner 156 is illustrated in Fig.12 a, b. Here, when the magnetic insert 156 is rotated from position a) through 180 ° (position b), the direction of the magnetic flux component (induction B ₂ ) changes and the sign of the magnetoelectric force component F ₂ changes, causing the pendulum to oscillate around the output axes of the device. The component of the magnetoelectric force F ₁ caused by the induction of B ₁ remains unchanged. This component of the magnetoelectric force F ₁ creates torsional vibrations of the pendulum. When the insert 156 is rotated 90 ° with respect to the positions of FIG. 12, the force F ₁ becomes equal to zero. Thus, by adjusting the position of the inserts in the assembled device (Fig. 8), it is possible to eliminate the oscillation of the pendulum around the output axes, causing the appearance of a quadrature signal of the gyroscope.

Масштабный коэффициент гироскопа зависит от амплитуды угловой скорости его крутильных колебаний, поэтому для его качественной работы необходимы измерение и стабилизация этой скорости. Кроме того, желательно с целью уменьшения мощности, потребляемой генератором сигнала возбуждения, обеспечить крутильные колебания маятника на частоте, близкой к резонансной. С целью устранения нестабильности работы гироскопа желательно обеспечить синхронизацию частоты крутильных колебаний и частоту питания емкостных датчиков угла. Для реализации поставленной задачи предлагается использовать в генераторе сигнала возбуждения управляемый напряжением автоколебательный генератор, с установленными на его выходе двумя последовательно соединенными делителями частоты. В предлагаемом устройстве обмотка возбуждения 21 используется в режиме разделения функций во времени (то для создания момента, вызывающего крутильные колебания маятника, то как обмотка датчика угловой скорости крутильных колебаний маятника). Для обеспечения этого обмотка подключается к схеме посредством четырех переключателей 160, 161, 162, 163 (фиг.13). В случае замыкания переключателей 160, 161 переключатели 162, 163 разомкнуты и наоборот.The scale factor of the gyroscope depends on the amplitude of the angular velocity of its torsional vibrations, therefore, for its high-quality operation, it is necessary to measure and stabilize this speed. In addition, it is desirable, in order to reduce the power consumed by the excitation signal generator, to provide torsional oscillations of the pendulum at a frequency close to the resonant one. In order to eliminate the instability of the gyroscope, it is desirable to ensure synchronization of the frequency of torsional vibrations and the power frequency of capacitive angle sensors. To achieve this objective, it is proposed to use a voltage-controlled self-oscillating generator in the excitation signal generator with two frequency dividers connected in series at its output. In the proposed device, the excitation winding 21 is used in the mode of separation of functions in time (then to create a moment causing torsional vibrations of the pendulum, then as the winding of the sensor of angular velocity of torsional vibrations of the pendulum). To ensure this, the winding is connected to the circuit through four switches 160, 161, 162, 163 (Fig.13). In the event of a closure of the switches 160, 161, the switches 162, 163 are open and vice versa.

Рассмотрим режим работы обмотки 21 в режиме датчика угловой скорости крутильных колебаний маятника. При этом замкнуты переключатели 160, 161. В радиально ориентированных участках колеблющейся вместе с диском обмотки, находящихся в магнитном поле, наводится ЭДС, пропорциональная скорости диска. Эта ЭДС усиливается усилителем 164 и через формирователь сигнала управления 165, преобразующий ЭДС в постоянное напряжение и запоминающий его на время, когда ключи 160, 161 разомкнуты, управляет частотой автоколебательного генератора 166. К выходам генератора 166 подключены электроды 88-95 емкостного датчика угла 172 и два последовательно соединенных делителя частоты 167 и 168. Выход делителя 167 управляет состоянием мостового переключателя тока 170, одна из диагоналей которого подключена к источнику электрического тока 171, а вторая через переключатели 162 и 163 может подключаться к обмотке возбуждения 21.Consider the mode of operation of the winding 21 in the mode of the sensor of angular velocity of torsional vibrations of the pendulum. In this case, the switches 160, 161 are closed. In radially oriented sections of the winding in the magnetic field oscillating with the disk, an EMF proportional to the disk speed is induced. This EMF is amplified by the amplifier 164 and, through the control signal generator 165, which converts the EMF to a constant voltage and stores it for the time when the keys 160, 161 are open, controls the frequency of the self-oscillating generator 166. The electrodes 88-95 of the capacitive angle sensor 172 are connected to the outputs of the generator 166 and two series-connected frequency dividers 167 and 168. The output of the divider 167 controls the state of the bridge current switch 170, one of the diagonals of which is connected to an electric current source 171, and the second through switches 162 and 163 can be connected to the field winding 21.

Выходы делителя частоты 168 связаны через дешифратор 169 с управляющими входами переключателей 160, 161, 162, 163. При замыкании переключателей 162, 163 через обмотку 21 течет импульсный ток возбуждения крутильных колебаний диска. Так как диск с упругим подвесом представляет собой высокодобротную колебательную систему, то наличие перерывов в подаче тока возбуждения в обмотку 21 практически не сказывается на колебаниях диска. Графики изменения во времени тока датчика момента возбуждения (а) и ЭДС, подаваемой с обмотки 21 на вход усилителя 164 (б), приведены на фиг.14. При этом также обеспечивается синхронизация частоты возбуждения емкостного датчика угла с частотой крутильных колебаний диска, что исключает появление нестабильности (биений) выходного сигнала гироскопа.The outputs of the frequency divider 168 are connected through a decoder 169 to the control inputs of the switches 160, 161, 162, 163. When the switches 162, 163 are closed, a pulsed excitation current of torsional oscillations of the disk flows through the winding 21. Since the disk with an elastic suspension is a high-quality oscillatory system, the presence of interruptions in the supply of the excitation current to the winding 21 practically does not affect the disk vibrations. Graphs of the time variation of the current of the sensor of the excitation moment (a) and the EMF supplied from the winding 21 to the input of the amplifier 164 (b) are shown in Fig. 14. This also ensures synchronization of the excitation frequency of the capacitive angle sensor with the frequency of torsional vibrations of the disk, which eliminates the appearance of instability (beats) of the output signal of the gyroscope.

Для стабилизации угловой скорости крутильных колебаний диска могут применяться два варианта построения схемы. В первой схеме (фиг.15) формирователь сигнала 165 содержит последовательно соединенные измеритель амплитуды ЭДС 173 и сумматор 174, на второй вход которого подано опорное напряжение U_оп от источника 175. Автоколебательный генератор, используемый в данной схеме, при нулевом входном управляющем напряжении формирует частоту f₁ на выходе первого делителя частоты 167, меньшую, чем резонансная частота маятника.To stabilize the angular velocity of torsional vibrations of the disk, two options for constructing a circuit can be used. In the first circuit (FIG. 15), the signal conditioner 165 comprises a serially connected EMF amplitude meter 173 and an adder 174, to the second input of which a reference voltage U _op is supplied from the source 175. The self-oscillating generator used in this circuit generates a frequency at zero input control voltage f ₁ at the output of the first frequency divider 167, less than the resonant frequency of the pendulum.

Процесс регулирования колебаний маятника поясняется фиг.16. Здесь (кривая 1) показана амплитудно-частотная характеристика маятника. U - обозначена амплитуда колебаний, f - частота на выходе первого делителя частоты 167. Начальная настройка системы, когда U-U_оп=0, соответствует частоте f₁. Если резонансная характеристика маятника изменяется (кривая 2), например, из-за изменения температуры, то ЭДС, снимаемая с обмотки 21, уменьшается и разностный сигнал U-U_оп, не равный нулю, изменяет частоту автоколебательного контура до частоты f₂ на выходе делителя частоты 167. Таким образом восстанавливается заданная угловая скорость крутильных колебаний диска.The process of controlling the oscillations of the pendulum is illustrated in Fig.16. Here (curve 1) shows the amplitude-frequency characteristic of the pendulum. U - indicated the amplitude of the oscillations, f - the frequency at the output of the first frequency divider 167. The initial setup of the system, when UU _op = 0, corresponds to the frequency f ₁ . If the resonant characteristic of the pendulum changes (curve 2), for example, due to a change in temperature, then the EMF taken from winding 21 decreases and the difference signal UU _op , not equal to zero, changes the frequency of the self-oscillating circuit to a frequency f ₂ at the output of the frequency divider 167 Thus, the specified angular velocity of the torsional vibrations of the disk is restored.

Во втором варианте построения схемы, показанном на фиг.17, сигнал от усилителя 164 подается на измеритель фазы 176, второй вход которого подключен к выходу первого делителя частоты 167. Измеритель фазы формирует постоянное напряжение, пропорциональное разности фазы ЭДС и 90°, и запоминает это напряжение на время, когда ключи 160, 161 разомкнуты. Это напряжение управляет частотой автоколебательного генератора 166. Автоколебательный генератор, используемый в данной схеме при нулевом входном управляющем сигнале, формирует частоту f₁ на выходе первого делителя частоты 167, равную резонансной частоте маятника.In the second embodiment of the circuit shown in Fig. 17, the signal from the amplifier 164 is supplied to a phase meter 176, the second input of which is connected to the output of the first frequency divider 167. The phase meter generates a constant voltage proportional to the phase difference of the EMF and 90 °, and remembers this voltage for the time when the keys 160, 161 are open. This voltage controls the frequency of the self-oscillating generator 166. The self-oscillating generator used in this circuit with a zero input control signal generates a frequency f ₁ at the output of the first frequency divider 167 equal to the resonant frequency of the pendulum.

Процесс регулирования колебаний маятника поясняется фиг.18. Здесь графики 1 и 4 соответствуют амплитудно-частотной и фазовой характеристикам маятника. Начальная настройка системы, когда φ₄-90°=0 (φ₄ - фаза по графику 4), соответствует частоте f₁ (резонанс, т.к. φ₄=90°). При изменении параметров маятника, например при изменении температуры, амплитудно-частотная характеристика будет соответствовать графику 2, а фаза ЭДС - графику 5 (φ₅). Разностный сигнал φ₅-90º формирует напряжение, управляющее автоколебательным генератором, которое изменяет частоту на выходе первого делителя частоты 167 до значения f₂ (резонанс). Однако из-за изменения добротности маятника амплитуда угловой скорости на резонансе изменяется. Для восстановления начальной амплитуды в схеме фиг.17 используется измеритель амплитуды ЭДС 173 и сумматор 174, на второй вход которого подано опорное напряжение U_оп от источника 175. Разностный сигнал U_оп-U_peз.2 (U_peз.2 - резонансное значение ЭДС, соответствующее кривой 2) усиливается усилителем мощности 177 и добавляется посредством сумматора 178 к напряжению источника тока 171, осуществляющего питание мостового переключателя 170. При этом ток в обмотке датчика момента возбуждения 21 увеличивается и восстанавливается заданная угловая скорость крутильных колебаний диска 10 (кривая 3 фиг.18).The process of controlling the oscillations of the pendulum is illustrated in Fig. 18. Here, graphs 1 and 4 correspond to the amplitude-frequency and phase characteristics of the pendulum. The initial setup of the system, when φ ₄ -90 ° = 0 (φ ₄ is the phase according to schedule 4), corresponds to the frequency f ₁ (resonance, because φ ₄ = 90 °). When changing the parameters of the pendulum, for example, when changing the temperature, the amplitude-frequency characteristic will correspond to schedule 2, and the phase of the emf to schedule 5 (φ ₅ ). The difference signal φ ₅ -90º generates a voltage that controls the self-oscillating generator, which changes the frequency at the output of the first frequency divider 167 to a value of f ₂ (resonance). However, due to a change in the quality factor of the pendulum, the amplitude of the angular velocity at the resonance changes. To restore the initial amplitude in the circuit of Fig.17, an EMF amplitude meter 173 and an adder 174 are used, the second input of which is supplied with a reference voltage U _op from the source 175. The difference signal U _{op is} U _re ₂ (U _{re 2} is the resonant value of the EMF, the corresponding curve 2) is amplified by a power amplifier 177 and added by an adder 178 to the voltage of a current source 171 supplying a bridge switch 170. In this case, the current in the winding of the excitation torque sensor 21 increases and the specified angular speed is restored nd oscillations of the disk 10 (curve 3 of Fig. 18).

Claims

1. A micromechanical vibration gyroscope containing two isolated disk-shaped bodies with a torsion pendulum fixed between their ends with a gap, which includes an axisymmetric disk with a mounting plate placed in its hole, connected to the disk by means of an elastic suspension, which allows the disk to rotate around the axis of symmetry ( excitation axis) and axes normal to it (output axes), the moment of excitation sensor and the excitation generator, designed to excite oscillations of the disk around symmetry systems, compensation sensors of moments created around the output axes, capacitive sensors of the angles of rotation of the disk around the output axes, containing electrodes made on the ends of the two isolated gyroscope housings facing the disk, the electrodes being connected to the compensation torque sensors via feedback signal amplifiers, an adjustment system torsional vibrations of a pendulum, a system for compensating quadrature signals of a gyroscope, characterized in that, in order to improve accuracy, the torque sensor is excited I contain printed windings connected to the excitation signal generator, made on the insulated end surfaces of the disk and having radially oriented sections located in magnetic fields normal to the end surfaces of the disk and created by permanent magnets of the excitation torque sensors fixed to the disk by unlike poles facing the disk , compensation torque sensors contain spiral printed windings located in the cramped magnetic fields formed by eplennymi in isolated cases gyroscope and disk accesses the same polarity permanent magnets compensation torque sensor.

2. The micromechanical vibration gyroscope according to claim 1, characterized in that the printed windings of the excitation torque sensor and compensation torque sensors are located on both end surfaces of the disk, interconnected through openings in the disk and connected to the outputs of the excitation signal generator and the input of the torsional vibration control system the pendulum by means of additionally introduced printed current leads made on the surfaces of the elastic suspension, contact pads made on the surfaces of the mounting plate, electrical connections made on the disc-shaped housings isolated gyroscope.

3. The micromechanical vibration gyroscope according to claim 2, characterized in that the feedback amplifiers are located on the end face of the first isolated disk-shaped body, the electrodes made on the end face of the first isolated disk-shaped body are connected to the inputs of feedback amplifiers through metallized holes in the body of the first insulated casing and pads made on the end surface of the first insulated disk-shaped casing facing away from the pendulum and the electrodes made on the end of the second insulated disk-shaped body facing the pendulum are connected to the inputs of feedback amplifiers by means of conductive racks passing through the windows of the torsion pendulum and into the openings of the first insulated disk-shaped body.

4. The micromechanical vibration gyroscope according to claim 2, characterized in that the disk is made of a single crystal silicon wafer with a cut plane (001) and is connected to the mounting plate through an elastic suspension containing an additionally inserted frame and stretch marks connected to the inner and outer surfaces of the frame, moreover, the stretch marks are oriented in the crystallographic directions <100> and <010>.

5. Micromechanical vibration gyroscope according to one of claims 1, 2 and 3, characterized in that the disk is made of a single-crystal silicon wafer with a cut plane (001), and the elastic suspension is made in the form of four spirals with straight sections oriented in crystallographic directions < 100> and <010>.

6. The micromechanical vibration gyroscope according to claim 5, characterized in that the spirals of the elastic suspension are connected directly to the mounting plate, and to the disk through two additionally inserted frames connected to each other and to the disk through four extensions, pairwise oriented in crystallographic directions <100 > and <010>.

7. The micromechanical vibration gyroscope according to claim 5, characterized in that the spirals of the elastic suspension are connected directly to the disk, and to the mounting plate through two additionally inserted frames connected to each other and to the mounting plate through four extensions, pairwise oriented along crystallographic directions < 100> and <010>.

8. The micromechanical vibrational gyroscope according to claim 5, characterized in that the permanent magnets of the excitation moment sensor are mounted in only one insulated gyroscope housing, and in another there are cylindrical magnetically conductive liners with beveled ends facing the disk, and it is possible to turn the liners around the central axes their cylinders.

9. The micromechanical vibration gyroscope according to claim 5, characterized in that the gaps between the end surfaces of the disk and the insulated disk-shaped bodies are formed by electrically conductive protrusions formed on the end surfaces of the disk-shaped insulated bodies facing the pendulum and in contact with the contact pads on the surface of the mounting plate.

10. The micromechanical vibration gyroscope according to claim 5, characterized in that the gaps between the end surfaces of the disk and the insulated disk-shaped bodies are formed by protrusions formed under the contact pads on the surfaces of the mounting plate.

11. The micromechanical vibration gyroscope according to claim 5, characterized in that the excitation signal generator is made in the form of a voltage-controlled self-oscillating frequency generator, the input of which is connected through additionally introduced first and second switches and an additionally inputted amplifier and driver of the control signal to the winding of the excitation moment sensor, and the output is to the electrodes of the capacitive angle sensor and two additionally introduced series-connected frequency dividers; the output of the first frequency divider is connected to the control input of an additionally introduced bridge current switch, the first diagonal of which is connected to a current source, and the second diagonal through an additionally introduced third and fourth switches to the winding of the excitation torque sensors, and the control inputs of the switches are connected to the outputs of the second frequency divider optionally entered decryptor.

12. The micromechanical vibration gyroscope according to claim 11, characterized in that the driver of the control signal is formed by an alternating voltage amplitude meter and an adder connected in series, the second input of which is connected to an additionally input reference voltage source, and the self-oscillating frequency generator with the first frequency divider, with zero control voltage, is tuned to a frequency lower than the resonant frequency of the torsional vibrations of the disk.

13. The micromechanical vibration gyroscope according to claim 11, characterized in that the driver of the control signal is formed by a phase meter, the reference input of which is connected to the output of the first frequency divider, and in addition, the output of the amplifier of the control signal is connected through a series-connected AC amplitude meter and adder, the second input which is connected to the reference voltage source, and the output to the input of the power amplifier, the output of which is connected to the first diagonal of the bridge current switch, and control The voltage-excited self-oscillating frequency generator with the first frequency divider at zero control voltage is tuned to the resonant frequency of the torsional vibrations of the disk.