РЕЗОНАТОР ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ВОЛНОВОГО ГИРОСКОПА Российский патент 2003 года по МПК G01C19/56 H01L41/18 

Изобретение относится к гироскопическим устройствам, более конкретно к твердотельным волновым гироскопам.

Известен полусферический резонатор твердотельного волнового гироскопа (РТВГ). Материалом данного резонатора является плавленный кварц [1]. Такой резонатор имеет высокую трудоемкость изготовления.

Известен РТВГ, конструктивно выполненный в виде пьезоэлектрического диска, причем в качестве основных материалов используется ниобат лития или пьезокерамика из цирконата титаната свинца (PZT) [2].

Недостатком известной конструкции РТВГ, принимаемой за прототип, является то, что вышеуказанные материалы диска обладают побочными сегнетоэлектрическими и пироэлектрическими свойствами, а также низкой добротностью, вследствие чего будут вносится помехи в полезный сигнал [3], что приведет к нарушению работоспособности гироскопа.

Кроме того, такой существенный признак, заявленный в прототипе как "диск должен быть выполнен из материала, обладающего пьезоэлектрическими свойствами", не обеспечивает работоспособности гироскопа. Действительно, пьезоэлектрическими свойствами обладают двадцать классов кристаллов, но далеко не все из них можно использовать в рассматриваемом резонаторе. В прототипе в качестве рабочей используется эллиптическая контурная мода колебаний РТВГ [2] . Частота колебаний в этом случае прямо пропорциональна скорости продольных упругих волн и обратно пропорциональна радиусу диска [4]. Одним из основных требований, предъявляемых к РТВГ, является минимизация расщепления резонансной частоты в направлении собственных осей, то есть осей первичной и вторичной моды колебаний [1]. Это требование не обеспечивается в РТВГ с диском из ниобата лития (практическими исследованиями установлено, что расщепление резонансной частоты достигает 700 Гц, что недопустимо для РТВГ). Расщепление частот в резонаторе из ниобата лития можно объяснить тем, что этот материал является кристаллом тригональной сингонии с относительно невысокой симметрией.

В таких кристаллах скорость продольных упругих волн в плоскости диска различна в разных направлениях, что и приводит к возникновению разночастотности. Учитывая, что разночастотность резонатора гироскопа должна составлять менее 10 Гц, становится понятным, что применение резонатора с диском из ниобата лития без его предварительной механической балансировки невозможно. Однако даже после выполнения механической балансировки и достижения требуемой разночастотности первичной и вторичной моды колебаний сохраняется температурная нестабильность этого параметра, которая может привести к отказу устройства.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности работы РТВГ за счет минимизации разночастотности первичной и вторичной моды колебаний.

Поставленная задача достигается за счет того, что резонатор твердотельного волнового гироскопа содержит пьезоэлектрический диск, изготовленный из Z-среза кристалла гексагональной сингонии класса 6mm.

Отличительные признаки заявленного решения
1. Диск изготовлен из пьезоэлектрических кристаллов Z-среза гексагональной сингонии. Этот признак обеспечивает минимальную разночастотность первичной и вторичной моды колебаний вследствие того, что скорости продольных волн в плоскости диска одинаковы [5].

2. Использование пьезоэлектрических кристаллов Z-среза класса 6mm позволяет поочередно возбуждать стоячую волну в направлениях первичной и вторичной моды для количественного определения их разночастотности.

В связи с тем, что даже в случае применения пьезоэлектрических кристаллов Z-среза гексагональной сингонии всегда будет иметь место некоторая асимметрия конструкции резонатора, то всегда в РТВГ будет некоторая разночастотность первичной и вторичной моды колебаний. Для того чтобы определить величину этой разночастотности, необходимо, чтобы пьезоэлектрический кристалл позволял возбуждать первичную волну в направлениях первичной и вторичной моды. Это требование выполнимо только в кристаллах Z-среза, обладающих поперечным Т_эф пьезоэлектрическим эффектом [6]. Этому критерию отвечают всего два класса гексагональной сингонии: 6mm и 6 [6]. Однако класс 6 характеризуется дополнительным пьезоэффектом L_s продольного сдвига [6]. В резонаторе это приведет к паразитным поперечным колебаниям, которые будут накладываться на полезный сигнал, снижая при этом помехоустойчивость гироскопа. Поэтому наиболее предпочтительным является использование в резонаторе пьезоэлектрических кристаллов Z-среза класса 6mm.

В качестве примера конкретной реализации можно привести РТВГ, выполненный в виде диска из окиси цинка [7]. Это кристалл гексагональной сингонии класса 6mm. В нем нет сегнетоэлектрических свойств.

Если в РТВГ возбудить колебания, имеющие форму эллиптической стоячей волны, то при повороте основания гироскопического устройства вокруг оси Z, с электродов, нанесенных на поверхность диска, расположенных под углом в 45^o к оси симметрии возбуждающих электродов, можно получить информацию о величине угловой скорости.

Источники информации
1. В.А. Матвеев, В.Н. Липатников, А.В. Алехин. Проектирование волнового твердотельного гироскопа. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. С.20;62; 63.

2. Патент США 4655081, МПК G 01 P 9/04, НКИ 73/505, 1987г. (прототип).

3. В. В. Безделкин. Перспективные пьезоматериалы для построения пьезорезонансных чувствительных элементов датчиков. Датчики и системы. 1999г., 7-8. С. 53-57.

4. Р. Джонсон. Механические фильтры в электронике. Пер. с англ. Под ред. А.Е. Знаменского. М.: Мир, 1986г. C.111, 112.

5. Р. Труэлл, Ч. Эльбаум, Б. Чик. Ультразвуковые методы в физике твердого тела. М.: Мир, 1972г. С.252.

6. Шаскольская М.П. Кристаллография. М.: Высшая школа, 1976, С. 252-258.

7. Акустические кристаллы. Справочник, под ред. Шаскольской М.П. -М.: Наука, 1982г., C. 252-258.

Изобретение относится к гироскопическим устройствам. Технический результат: повышение надежности за счет минимизации расщепления резонансной частоты и более эффективного выделения полезного сигнала. Сущность: в качестве резонатора твердотельного волнового гироскопа используется пьезоэлектрический диск Z-среза гексагональной сингонии класса 6 mm.

Резонатор твердотельного волнового гироскопа, содержащий пьезоэлектрический диск, отличающийся тем, что диск изготовлен из Z-среза кристалла гексагональной сингонии класса 6 mm.