ГИРОСКОП НА ПОВЕРНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ Российский патент 2008 года по МПК G01C19/00 

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к приборам ориентации, навигации и систем управления подвижными объектами и предназначено для измерения угловой скорости в этих системах.

Известные волоконно-оптические гироскопы и лазерные гироскопы широко используются в инерциальной навигации и в системах наведения. Преимуществом этих гироскопов является достаточно высокая точность. Недостатком этих гироскопов является достаточно высокая стоимость и относительно большие габариты. К областям применения, требующим гироскопов менее дорогих и меньшего размера, относятся: системы автомобильной безопасности (системы против скольжения, системы камер), потребительские товары (видеокамеры, GPS, спортивное оборудование), промышленные товары (роботы, управление оборудованием), медицинские изделия (хирургические инструменты). [Сарапулов С.Л., Скрипновский Г.Н., Рим Д.В. Инерциальные эффекты в поверхностных и объемных упругих волнах и возможности их использования в твердотельных микрогироскопах / XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. 23-25 мая 2005. С.275-283.]

Известны микромеханические гироскопы на основе кремния. [Сарапулов С.Л., Скрипновский Г.Н., Рим Д.В. Инерциальные эффекты в поверхностных и объемных упругих волнах и возможности их использования в твердотельных микрогироскопах / XII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. 23-25 мая 2005. С.275-283.] Такие гироскопы представляют собой пластину, закрепленную на торсионах и совершающую вынужденные колебания на собственной резонансной частоте. Гироскоп приводится в колебательное движение путем подачи сигнала на драйвер (как правило, электростатический). При внешнем вращении микромеханического гироскопа возникает сила Кориолиса, создающая колебания относительно измерительной оси. При этом зазор между подвижной массой микромеханическою гироскопа и основанием изменяется, что приводит к изменению расстояния между электродами и соответствующей емкости. Измеряя изменение величины емкости, можно определить изменение угловой скорости вращения микромеханического гироскопа.

Однако вышеуказанные гироскопы имеют низкую точность и низкую механическую прочность.

Известен также "Виброгироскоп" (Патент РФ №2123219, H01L 41/08, 1998.12.10), содержащий твердотельный элемент из сегнетоэлектрической керамики с размытым фазовым переходом, в виде монолитного стержня с крестообразным поперечным сечением, с двумя парами сплошных и двумя парами встречно-штыревых электродов. Сплошные электроды соединены параллельно и подключены к выходу первого генератора. Встречно-штыревые электроды подключены к частотно-задающим цепям второго и третьего генераторов. Выходы второго и третьего генераторов подключены к входам смесителя, выход которого подключен к входу детектора, а выход детектора подключен к входу индикатора.

Стабильность и помехоустойчивость позволяют применять виброгироскоп в компактных системах навигации и автоматического управления подвижными объектами.

Однако виброгироскоп имеет ограничения по рабочим характеристикам из-за принципа действия, который основан на вибрации подвешенных механических структур. Кроме того, эта подвешенная механическая структура очень чувствительна к внешним ударам и вибрации, т.к. она не может быть жестко присоединена к подложке из-за резонансной вибрации. Это ограничивает диапазон его применения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является гироскоп [Патент US №6516665. "Микроэлектромеханический гироскоп" / Varadan V.K.., Pascal B. Xavier, William D. Suh, Jose A. Kollakompil, Vasundara V. Varadan. 2003].

Микроэлектромеханический гироскоп включает в себя пластину пьезоэлектрика, на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи (ВШП) драйвера поверхностных акустических волн (ПАВ), ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ и отражающие структуры, расположенные за пределами встречно-штыревых преобразователей.

Принцип действия микроэлектромеханического гироскопа основан на использовании поверхностной акустической волны, распространяющейся по пьезоэлектрической подложке. В отличие от других этот гироскоп имеет планарную конфигурацию без подвешенных резонансных механических структур, вследствие чего является устойчивым и ударопрочным.

Недостатком микроэлектромеханического гироскопа является низкая точность и соответственно невозможность использования его для высокоточных применений вследствие малых изменений амплитуды колебаний, которые возникают при появлении внешнего вращения и которые воспринимаются встречно-штыревыми преобразователями чувствительного элемента. Вышеизложенные факты приводят к снижению точности оценивания угловой скорости, что и является недостатком прототипа.

Задачей настоящего изобретения является разработка гироскопа с улучшенными характеристиками измерения угловой скорости внешнего вращения основания гироскопа.

Техническим результатом является повышение точности и чувствительности измерений.

Технический результат достигается тем, что, в гироскопе на поверхностных акустических волнах, содержащем пластину пьезоэлектрика, на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи драйвера поверхностных акустических волн и встречно-штыревые преобразователи чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн, расположенные не параллельно встречно-штыревым преобразователям драйвера поверхностных акустических волн, отражающие структуры, расположенные за пределами встречно-штыревых преобразователей, встречно-штыревые преобразователи чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн расположены в канавках на пути распространения поверхностных акустических волн, формируемых встречно-штыревыми преобразователями драйвера поверхностных акустических волн, канавки параллельны между собой и имеют чередующиеся сужения и расширения в местах максимумов амплитуды стоячей поверхностной акустической волны, формируемой встречно-штыревыми преобразователями драйвера поверхностных акустических волн, а штыри встречно-штыревых преобразователей чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн равноудалены по всей длине канавок от ближайших к ним сторон канавок.

Драйвер ПАВ совместно с отражающими структурами создает стоячие ПАВ в плоскости, ортогональной поверхности подложки (плоскости стоячих ПАВ), что является первичным вибрационным перемещением (первичными ПАВ) для этого гироскопа. Силы Кориолиса, возникающие при наличии внешнего вращения основания гироскопа и первичных ПАВ, определяют вторичное вибрационное перемещение (вторичные ПАВ) в плоскости, ортогональной к плоскости стоячих ПАВ.

Технический результат достигается за счет того, что параллельные между собой канавки вместе с равноудаленными по всей длине канавок от каждой из сторон этих канавок штырями встречно-штыревых преобразователей чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн имеют чередующиеся сужения и расширения в местах чередующихся максимумов амплитуды стоячей поверхностной акустической волны, формируемой встречно-штыревыми преобразователями драйвера поверхностных акустических волн, отражающими структурами и силами Кориолиса, что обеспечивает повышение избирательной чувствительности к одной из фаз вторичных ПАВ, увеличение амплитуды напряжения на ВШП чувствительного элемента колебаний вторичной ПАВ и, тем самым, повышение точности и чувствительности измерений по сравнению с прототипом.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленного устройства, гироскопа на поверхностных акустических волнах, отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

В настоящее время автору не известны гироскопы на поверхностных акустических волнах, которые имели бы такую высокую чувствительность и динамический диапазон, подходящий для многих промышленных применений, которые обеспечивает предлагаемая конструкция гироскопа.

Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует "изобретательскому уровню".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема гироскопа на поверхностных акустических волнах, на фиг.2 - схема формирования вторичной ПАВ.

Гироскоп состоит из основания (подложки) и выполненных на нем встречно-штыревых преобразователей и отражающих структур.

Основанием гироскопа на ПАВ служит пластина пьезоэлектрика 1.1, выполненная, например, из кварца или из ниобата лития [1].

По краям поверхности прямоугольной пластины пьезоэлектрика 1.1 в одном направлении сформированы ВШП 1.2 драйвера ПАВ и отражающие структуры 1.6, а в ортогональном направлении - канавки 1.3, ВШП 1.5 чувствительного элемента колебаний ПАВ и отражающие структуры 1.7.

Отражающие структуры 1.6 расположены за ВШП 1.2 драйвера ПАВ, а отражающие структуры 1.7 - за ВШП 1.5 чувствительного элемента колебаний ПАВ и канавками 1.3. Встречно-штыревые преобразователи 1.2 драйвера ПАВ и ВШП 1.5 чувствительного элемента колебаний ПАВ расположены ортогонально между собой. Канавки 1.3 расположены между ВШП 1.2 драйвера ПАВ, на пути распространения первичной ПАВ, формируемой ВШП 1.2 драйвера ПАВ и отражающими структурами 1.6.

Канавки 1.3 имеют чередующиеся сужения 1.4 и расширения 1.3 в местах максимумов амплитуды первичной стоячей поверхностной акустической волны, формируемой встречно-штыревыми преобразователями 1.2 драйвера поверхностных акустических волн. Штыри ВШП 1.5 чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн могут быть расположены с внешних сторон канавок 1.3 или размещаться в канавках 1.3 парами так, что каждый из пары штырей ВШП равноудален по всей длине канавки от ближайшей к нему стороны канавки.

Канавки 1.3 и отражающие структуры 1.6, 1.7 могут быть выполнены методами травления, например ионно-плазменного, ВШП 1.2 драйвера ПАВ и ВШП 1.5 чувствительного элемента колебаний ПАВ могут быть выполнены методами фотолитографии.

Устройство работает следующим образом. На ВШП 1.2 драйвера ПАВ от внешнего генератора (на фиг.1 не показан) подается электрический сигнал с заданной частотой. В случае если пластина пьезоэлектрика 1.1 выполнена из ниобата лития, то электрический сигнал может иметь частоту около 1 ГГц.

Первичные ПАВ 2.2 генерируются на пластине пьезоэлектрика 1.1 встречно-штыревыми преобразователями 1.2 драйвера ПАВ и отражающими структурами 1.6. Эти колебания распространяются по пластине пьезоэлектрика 1.1 между канавками 1.3. Распространяясь дальше, первичная ПАВ взаимодействует с отражающими структурами 1.6. Взаимное расположение ВШП 1.2 драйвера ПАВ и отражающих структур 1.6 выбрано таким образом, чтобы образовалась стоячая волна.

Схема формирования вторичной ПАВ показана на фиг.2.

При наличии внешнего вращения основания гироскопа появляются силы Кориолиса, приложенные к вибрирующим элементам поверхности подложки. В результате влияния сил Кориолиса на первичную ПАВ 2.2 возникает вторичная ПАВ 2.3 в плоскости, ортогональной плоскости первичной ПАВ 2.2. Вторичная ПАВ 2.3 вызывает механические колебания элементов поверхности, приводящие к периодическим изменениям расстояний между штырями ВШП 1.5 чувствительных элементов ПАВ, что приводит к периодическому изменению частоты напряжения на выходе ВШП 1.5 чувствительных элементов ПАВ. Распространяясь дальше, вторичная ПАВ 2.3 взаимодействует с отражающими структурами 1.7, предназначенными для усиления колебаний вторичной ПАВ.

Канавки 1.3 имеют чередующиеся сужения и расширения в местах максимумов амплитуды первичной стоячей ПАВ, формируемой ВШП 1.2 драйвера ПАВ, предназначенные для избирательного подавления одной из фаз вторичной ПАВ 2.3. Штыри ВШП 1.5 чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн могут быть расположены с внешних сторон канавок 1.3 или размещаться в канавках 1.3 парами так, что каждый из пары штырей ВШП 1.5 равноудален по всей длине канавки от ближайшей к нему стороны канавки.

Подавление одной из фаз вторичной ПАВ 2.3 реализуется за счет выбора расстояний между канавками, размеров расширений и сужений канавок и соответственно между штырями ВШП 1.5 чувствительных элементов ПАВ, равноудаленных по всей длине канавок от ближайших к ним сторон канавок.

Параметры вторичных ПАВ измеряют, например, анализатором спектра [1]. Угловую скорость определяют, например, по градуировочной характеристике гироскопа. Измерения могут проводиться и после прекращения подачи электрического напряжения на ВШП 1.2 драйвера ПАВ, что позволяет осуществить разделение сигнала, формируемого с использованием ВШП 1.2 драйвера ПАВ внешним генератором, и полезного измеряемого сигнала, формируемого на ВШП 1.5 чувствительного элемента колебаний вторичной поверхностной акустической волны 2.3.

При отсутствии внешнего вращения основания гироскопа силы Кориолиса не возникают, поэтому не возникают и вторичные ПАВ. Следовательно, при отсутствии внешнего вращения основания гироскопа отсутствуют вторичные ПАВ и в месте расположения ВШП 1.5 чувствительного элемента колебаний ПАВ, поэтому напряжение на выходе ВШП 1.5 в этом случае будет равно напряжению шумов.

Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного изобретения выполнены следующие условия:

- средство, воплощающее устройство-изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в приборостроении, а именно в системах навигации динамических объектов, в системах управления, в том числе в автомобильной промышленности и робототехнике;

- для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных и других известных до даты подачи заявки средств;

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

1. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения угловой скорости. Гироскоп содержит пластину пьезоэлектрика, на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи драйвера поверхностных акустических волн и встречно-штыревые преобразователи чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн, расположенные не параллельно встречно-штыревым преобразователям драйвера поверхностных акустических волн, а также отражающие структуры, расположенные за пределами встречно-штыревых преобразователей. При этом встречно-штыревые преобразователи чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн расположены в параллельных между собой канавках на пути распространения поверхностных акустических волн, формируемых встречно-штыревыми преобразователями драйвера поверхностных акустических волн. Канавки имеют чередующиеся сужения и расширения в местах максимумов амплитуды стоячей поверхностной акустической волны, формируемой встречно-штыревыми преобразователями драйвера поверхностных акустических волн, а штыри встречно-штыревых преобразователей чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн равноудалены по всей длине канавок от ближайших к ним сторон канавок. Измерения могут проводиться и после прекращения подачи электрического напряжения на встречно-штыревые преобразователи драйвера поверхностных акустических волн. Техническим результатом является повышение точности измерения угловой скорости. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Гироскоп на поверхностных акустических волнах, содержащий пластину пьезоэлектрика, на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи драйвера поверхностных акустических волн и встречно-штыревые преобразователи чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн, расположенные не параллельно встречно-штыревым преобразователям драйвера поверхностных акустических волн, отражающие структуры, расположенные за пределами встречно-штыревых преобразователей, отличающийся тем, что встречно-штыревые преобразователи чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн расположены в канавках на пути распространения поверхностных акустических волн, формируемых встречно-штыревыми преобразователями драйвера поверхностных акустических волн, при этом канавки параллельны между собой и имеют чередующиеся сужения и расширения в местах максимумов амплитуды стоячей поверхностной акустической волны, формируемой встречно-штыревыми преобразователями драйвера поверхностных акустических волн, а штыри встречно-штыревых преобразователей чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн равноудалены по всей длине канавок от ближайших к ним сторон канавок.2. Гироскоп на поверхностных акустических волнах по п.1, отличающийся тем, что штыри встречно-штыревых преобразователей чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн расположены с внешних сторон канавок.3. Гироскоп на поверхностных акустических волнах по п.2, отличающийся тем, что штыри встречно-штыревых преобразователей чувствительного элемента колебаний поверхностных акустических волн расположены в канавках парами.4. Гироскоп на поверхностных акустических волнах по п.3, отличающийся тем, что измерения проводятся и после прекращения подачи электрического напряжения на встречно-штыревые преобразователи драйвера поверхностных акустических волн.