ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ РЕЗОНАНСНОГО ГИРОСКОПА НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ Российский патент 2008 года по МПК G01C19/56 G01C9/04 

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

Известные волоконнооптические 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].

В настоящее время известен микромеханический гироскоп на основе кремния [Сарапулов С.Л., Скрипновский Г.П., 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]. Такой гироскоп представляет собой пластину, закрепленную на торсионах и совершающую вынужденные колебания на собственной резонансной частоте. Пластина приводится в колебательное движение путем подачи сигнала на драйвер (как правило, электростатический). При внешнем вращении микромеханического гироскопа возникает сила Кориолиса, изменяющая колебания пластины относительно измерительной оси. При этом зазор между подвижной массой (пластиной) микромеханического гироскопа и основанием изменяется, что приводит к изменению расстояния между электродами и соответствующей величины емкости. Измеряя величину 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, Н01L 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 позволяет 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, его 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 применения «Виброгироскопа».

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является гироскоп на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [Патент US №6,516,665. "Микроэлектро-механический гироскоп". / Varadan V.K., Pascal B.Xavier, William D.Suh, Jose A.Kollakompil, Vasundara V.Varadan. 2003].

Гироскоп-прототип на ПАВ включает в себя пластину пьезоэлектрика, на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи (ВШП) драйвера поверхностной акустической волны, ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ и отражающие структуры, расположенные за пределами встречно-штыревых преобразователей.

Гироскоп-прототип на ПАВ работает на основе измерения параметров поверхностной акустической волны, распространяющейся по пьезоэлектрической подложке.

В отличие от других гироскопов, гироскоп-прототип на ПАВ имеет планарную конфигурацию без подвешенных резонансных механических структур, вследствие чего является устойчивым и ударопрочным.

Недостатком гироскопа-прототипа на ПАВ является низкая точность, и, соответственно, невозможность использования его для высокоточных измерений вследствие малой амплитуды колебаний, которые воспринимают встречно-штыревые преобразователи чувствительного элемента колебаний ПАВ. Основной причиной низкой точности прототипа является то, что в качестве информационного параметра используется амплитуда колебаний.

Вышеизложенные причины приводят к снижению точности оценивания угловой скорости, что и является недостатком прототипа.

Задачей настоящего изобретения является разработка чувствительного элемента гироскопа с улучшенными характеристиками измерения угловой скорости.

Техническим результатом является повышение точности и чувствительности измерений.

Технический результат достигается тем, что в чувствительном элементе резонансного гироскопа на поверхностных акустических волнах, содержащем пластину пьезоэлектрика, на одной стороне которой сформированы не менее одного встречно-штыревого преобразователя поверхностных акустических волн и не менее одной отражающей структуры, в области расположения отражающих структур дополнительно сформированы канавки, не параллельные отражающим структурам, при этом канавки пересекаются с отражающими структурами и могут иметь сквозные отверстия и чередующиеся сужения и расширения.

Технический результат достигается за счет того, что под действием силы Кориолиса деформируются стенки канавок вместе с отражающими структурами. Деформация отражающих структур приводит к изменению местной скорости ПАВ, а это, в свою очередь, приводит к изменению собственной резонансной частоты чувствительного элемента резонансного гироскопа на ПАВ. Наличие канавок позволяет уменьшить жесткость пластины пьезоэлектрика в направлении действия сил Кориолиса.

Основным отличием от прототипа является частотный выход предлагаемого чувствительного элемента резонансного гироскопа на ПАВ. Основной эффект повышения точности предлагаемого устройства достигается за счет того, что в качестве информационного параметра на выходе предлагаемого устройства используется частота.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного устройства, чувствительного элемента резонансного гироскопа на поверхностных акустических волнах, отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

В настоящее время автору не известны чувствительные элементы резонансного гироскопа на поверхностных акустических волнах, которые имели бы такую высокую чувствительность и динамический диапазон, подходящий для многих промышленных применений, которые обеспечивает предлагаемый чувствительный элемент резонансного гироскопа на ПАВ.

Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными 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 чувствительного элемента резонансного гироскопа на поверхностных акустических волнах с двумя ВШП, а на фиг.2 - схема чувствительного элемента резонансного гироскопа на поверхностных акустических волнах с тремя ВШП.

Чувствительный элемент резонансного гироскопа на ПАВ состоит из пластины (подложки) пьезоэлектрика 1, на одной или двух поверхностях которой сформированы ВШП ПАВ 4, отражающие структуры ПАВ 3 и канавки 2.

Пластина (подложка) пьезоэлектрика 1 выполнена, например, из кварца или из ниобата лития [1].

Встречно-штыревые преобразователи ПАВ 4 могут располагаться между отражающими структурами ПАВ 3 (фиг.1), или отражающие структуры ПАВ 3 могут быть распределены между ВШП ПАВ 4 (фиг.2). Канавки 2 сформированы в области расположения отражающих структур ПАВ 3, на пути распространения ПАВ. Канавки 2 не параллельны отражающим структурам ПАВ 3 и пересекают их. Канавки 2 и отражающие структуры ПАВ 3 могут располагаться на одной или на разных сторонах пластины пьезоэлектрика 1.

Взаимное расположение и геометрические размеры ВШП ПАВ 4, отражающих структур ПАВ 3 и канавок 2 выбраны так, чтобы устройство имело резонансные свойства [1].

Во всех случаях должно быть сформировано не менее одного ВШП ПАВ 4 и не менее одной отражающей структуры ПАВ 3.

Канавки 2 могут иметь сквозные отверстия в пластине пьезоэлектрика 1.

Канавки 2 могут иметь чередующиеся сужения и расширения.

Канавки 2 и отражающие структуры ПАВ 3 в виде канавок могут быть выполнены методами травления, например ионно-плазменного. Встречно-штыревые преобразователи ПАВ 4 могут быть выполнены методами фотолитографии. Отражающие структуры ПАВ 3 могут быть выполнены в виде штырей (например, металлизированных).

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии вращения основания чувствительного элемента резонансного гироскопа на поверхностных акустических волнах на ВШП ПАВ 4 от внешнего анализатора спектра (на фиг.1 и фиг.2 не показан) подается электрический сигнал с заданной частотой. В случае если пластина пьезоэлектрика 1 выполнена из ниобата лития, то электрический сигнал может иметь заданную частоту около 1 ГГц.

При отсутствии вращения основания чувствительного элемента гироскопа на ПАВ сила Кориолиса не возникает, поэтому не деформируются и стенки канавок 2. Дальнейшая работа устройства происходит аналогично работе резонатора на ПАВ [1].

Следовательно, при отсутствии вращения основания (пластины пьезоэлектрика 1) чувствительного элемента резонансного гироскопа на ПАВ собственная (резонансная) частота чувствительного элемента гироскопа на ПАВ будет равна f₀. Собственная (резонансная) частота чувствительного элемента гироскопа на ПАВ определяется как частота, соответствующая экстремальному значению амплитудно-частотной характеристики чувствительного элемента гироскопа на ПАВ.

При наличии угловой скорости вращения основания гироскопа появляется сила Кориолиса. В результате воздействия силы Кориолиса на стенки канавок 2 происходит деформация стенок канавок 2. Соответственно деформируются и отражающие структуры ПАВ 3, расположенные между канавками 2. Деформация отражающих структур ПАВ 3 приводит к изменению местной скорости ПАВ, что, в свою очередь, приводит к изменению собственной частоты чувствительного элемента резонансного гироскопа на ПАВ. Резонансная частота деформированного чувствительного элемента резонансного гироскопа на ПАВ будет равна частоте f, не равной f₀.

Если отражающие структуры ПАВ 3 и канавки 2 расположены на разных сторонах пластины пьезоэлектрика 1, то отсутствуют геометрические и технологические ограничения на топологию отражающих структур ПАВ 3 и канавок 2, причем топология определяется расчетом, например в соответствии с [1].

Наличие сквозных отверстий в канавках 2, а также наличие чередующихся сужений и расширений канавок 2 позволяет уменьшить жесткость пластины пьезоэлектрика 1 в направлении действия силы Кориолиса.

Резонансную частоту чувствительного элемента гироскопа на ПАВ измеряют, например, анализатором спектра [1]. Резонансная частота чувствительного элемента гироскопа на ПАВ связана однозначной зависимостью с величиной угловой скорости вращения пластины пьезоэлектрика 1 [2]. Угловую скорость определяют, например, по градуировочной характеристике чувствительного элемента резонансного гироскопа на ПАВ.

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

- средство, воплощающие 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 или 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".

Литература

1. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. / Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1990. 416 с.

2. 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.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения угловой скорости. Чувствительный элемент состоит из пластины пьезоэлектрика, на которой сформированы не менее одного встречно-штыревого преобразователя поверхностных акустических волн и не менее одной отражающей структуры. В области расположения отражающих структур дополнительно сформированы канавки, не параллельные отражающим структурам, при этом канавки пересекаются с отражающими структурами и могут иметь сквозные отверстия, а также чередующиеся сужения и расширения. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения угловой скорости. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Чувствительный элемент резонансного гироскопа на поверхностных акустических волнах, содержащий пластину пьезоэлектрика, на которой сформированы не менее одного встречно-штыревого преобразователя поверхностных акустических волн и не менее одной отражающей структуры, отличающийся тем, что в области расположения отражающих структур дополнительно сформированы канавки, не параллельные отражающим структурам, при этом канавки пересекаются с отражающими структурами.2. Чувствительный элемент резонансного гироскопа на поверхностных акустических волнах по п.1, отличающийся тем, что канавки имеют сквозные отверстия в пластине пьезоэлектрика.3. Чувствительный элемент резонансного гироскопа на поверхностных акустических волнах по п.2, отличающийся тем, что канавки и отражающие структуры сформированы на разных сторонах пластины пьезоэлектрика.4. Чувствительный элемент резонансного гироскопа на поверхностных акустических волнах по п.3, отличающийся тем, что канавки имеют чередующиеся сужения и расширения.