ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП
TWIST GYROSCOPE

Изобретение относится к акустоэлектронным приборам, предназначенным для преобразования угловой скорости вращения объектов в электрический сигнал. Может быть использовано в системах навигации, ориентации и управления подвижными объектами.
Известные волоконно-оптические гироскопы и лазерные гироскопы широко используются в инерциальной навигации и в системах наведения. Преимуществом таких гироскопов является достаточно высокая точность, а их недостатками являются достаточно высокая стоимость и относительно большие габаритные размеры. Потребности в применении менее дорогих и меньшего размера гироскопов появились при создании и модернизации систем автомобильной безопасности, потребительских товаров (видеокамер, GPS, спортивного оборудования), промышленных товаров (роботов, управления оборудованием), медицинских изделий (хирургических инструментов) - (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: Тез. докл. с.275-283) [1].
В то же время 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: Тез. докл. с.275-283) [2]. Такие гироскопы представляют собой пластину, закрепленную на торсионах и совершающую вынужденные колебания на собственной резонансной частоте. Эти гироскопы приводятся 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 микромеханического гироскопа и основанием изменяется, что приводит к изменению расстояния между электродами и соответствующей величины 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. 10.12.1998) [3], 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 этот гироскоп 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.
Известен «Гироскоп на поверхностных акустических волнах» (Патент РФ №2310165, G01C 19/56, G01P 9/04, 10.11.2007) [4], содержащий пластину пьезоэлектрика, на которую нанесены встречно-штыревые преобразователи (ВШП) поверхностно-акустических волн (ПАВ) и ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ, отражающие структуры, расположены за пределами ВШП, параллельно пластине пьезоэлектрика на расстоянии не более 10 мкм и без соприкосновения с ней установлена полупроводниковая пластина, к которой подключен источник напряжения, а между ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ подключено не менее одного диода, при этом пластина пьезоэлектрика может быть выполнена в виде мембраны. В устройстве используется эффект усиления ультразвуковой резонансной частоты. Наличие тока в полупроводнике, расположенном в непосредственной близости от пластины пьезоэлектрика, приводит к увеличению амплитуды колебаний [5], а диоды выделяют удвоенную частоту. Однако выделение диодами при работе вышеприведенного устройства удвоенной частоты с практической точки зрения мало эффективно. Кроме того, затруднительно размещение полупроводниковой пластины на расстоянии 10 мкм, тем более мембраны при напряжении на ней 100 В и более. Из-за высокого напряжения будут существенно увеличены электромагнитные паразитные сигналы (наводки) на ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ, что также будет увеличивать уровень нулевого сигнала (шума). Поэтому данное устройство будет обладать низкой чувствительностью, надежностью и точностью при существенных трудностях в технологии его изготовления.
Известен «Чувствительный элемент гироскопа на поверхностных акустических волнах» (Патент РФ №2335739, G01C 19/56, G01P 9/04, 10.10.2008) [6], содержащий пластину пьезоэлектрика, на одной стороне которой сформированы ВШП драйвера ПАВ и отражающие структуры для первичной ПАВ, расположенные за пределами ВШП драйвера ПАВ, а также ВШП чувствительного элемента колебании ПАВ, которые расположены в области наибольшей чувствительности к угловой скорости вращения пластины пьезоэлектрика, на одной из сторон пластины пьезоэлектрика между ВШП драйвера ПАВ на пути распространения ПАВ, формируемых ВШП драйвера ПАВ, образованы дополнительные структуры в виде канавок, которые могут иметь сквозные отверстия в пластине пьезоэлектрика, при этом ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ и канавки могут быть расположены как на одной, так и по разным сторонам пластины пьезоэлектрика, расположение ВШВ ПАВ и ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ может быть или параллельным или перпендикулярным друг другу. Увеличение амплитуды колебаний ПАВ достигается формированием канавок на поверхности одной из сторон пластины пьезоэлектрика. Наличие канавок позволяет уменьшить жесткость в направлении распространения вторичной волны. Однако многовариантность возможного выполнения известного устройства, заявленная в формуле изобретения, не позволяет в полной мере применить известный математический аппарат расчета устройства (для его изготовления и применения), и, как следствие, практическое его внедрение затруднительно и проблематично. Кроме того, для изготовления канавок необходимо сложное оборудование, что существенно повышает стоимость и сложность изготовления устройства. Канавки и сквозные отверстия в пластине пьезоэлектрика будут являться концентраторами механических напряжений, что в свою очередь приведет к снижению надежности, возникновению паразитных эффектов (возбуждению объемных волн) и сокращению сроков эксплуатации устройства.
Прототипом заявляемого технического решения выбран гироскоп "Микроэлектромеханический гироскоп" (Патент US №6984332 B2, H01L 21/00, G01P 3/00, 2006.01.10, V.K.Varadan, Pascal В. Xavier, William D. Suh, Jose A. Kollakompil, Vasundara V.Varadan) [7], содержащий одну пластину пьезоэлектрика, на одной стороне которой регулярная структура инерционных масс нанесена в шахматном порядке и в пучностях стоячей ПАВ, возбуждаемой в одном направлении активными ВШП с отражающими структурами, и расположенные в перпендикулярном направлении измерительные ВШП суммарного поля ПАВ от регулярной структуры инерционных масс, состоящего из дифракционных и сигнальных от сил Кориолиса полей ПАВ.
Регулярная структура масс колеблется под воздействием стоячих ПАВ, которые возбуждаются активными ВШП, и при повороте гироскопа под воздействием силы Кориолиса регулярная структура инерционных масс возбуждает вторичную ПАВ, принимаемую измерительными ВШП в перпендикулярном направлении. Граница применимости такого гироскопа по воздействию на него линейного ускорения лежит за 1000g. Однако данному гироскопу-прототипу, теоретически реализуемому, присущ один недостаток - он мало чувствителен, так как величина К, равная отношению амплитуды сигнала на измерительных ВШП при изменении параметров колебаний регулярной структуры инерционных масс от вращения гироскопа к амплитуде сигнала на измерительных ВШП без вращения, имеет значение порядка 0,00001, что препятствует использованию этого устройства на практике:
к
где ξ - амплитуда сигнала на измерительных ВШП при изменении параметров колебаний регулярной структуры инерционных масс от вращения гироскопа;
ξ - амплитуда сигнала на измерительных ВШП без вращения;
Ω - угловая скорость вращения гироскопа;
ω - круговая частота колебаний регулярной структуры инерционных масс;
f - циклическая частота колебаний регулярной структуры инерционных масс.
Другими словами, отношение сигнал/шум на измерительных ВШП устройства является крайне низким и требует очень чувствительной регистрирующей аппаратуры.
Кроме того, нанесение элементов регулярной структуры инерционных масс так, чтобы при возбуждении стоячей ПАВ они находились в ее пучностях, практически невозможно, так как при этом нарушается синхронность их колебаний, что в целом существенно снижает чувствительность устройства и диапазон применения его рабочих температур. Дополнительно процесс настройки устройства-прототипа на стоячих ПАВ затруднителен, его работа неустойчива и, следовательно, ненадежна. Все эти недостатки в целом значительно снижают эффективность устройства-прототипа.
Таким образом, для устранения нескольких основных недостатков гироскопа на ПАВ, а именно повышения чувствительности, за счет полноценного задействования всех элементов регулярной структуры инерционных масс; существенного упрощения технологии изготовления; удешевления производства; существенного упрощения функционирования; упрощения настройки и существенного повышения надежности работы, предлагается вместо стоячей ПАВ использовать бегущую ПАВ. При этом бегущая ПАВ возбуждается, с одной стороны, активными ВШП с отражающими структурами, а, с другой стороны, утилизируется поглощающем ВШП, выходы которого подсоединены к электрическому сопротивлению нагрузки, которое может быть комплексным и регулируемым. Данное решение позволит абсолютно всем элементам регулярной структуры инерционных масс колебаться с максимальной амплитудой бегущей ПАВ, в независимости от точности их расположения.
Указанная задача (сущность изобретения) решается тем, что в гироскопе на ПАВ, содержащем пластину пьезоэлектрика, на одной стороне которой нанесены регулярная структура инерционных масс, активный ВШП с отражающей структурой, возбуждающей ПАВ в одном направлении, и расположенные в перпендикулярном направлении измерительные ВШП суммарного поля ПАВ от регулярной структуры инерционных масс, состоящего из дифракционных и сигнальных от сил Кориолиса полей ПАВ, напротив активного ВШП после регулярной структуры инерционных масс на пластину пьезоэлектрика нанесен поглощающий ВШП, выходы которого подсоединены к электрическому сопротивлению нагрузки. Причем для более эффективной работы электрическое сопротивление нагрузки выполнено комплексным и регулируемым.
Повышение чувствительности устройства происходит за счет полноценного задействования всех элементов регулярной структуры инерционных масс, так как при прохождении бегущей волны все эти элементы будут выполнять колебательные движения.
Существенное упрощение технологии изготовления устройства происходит из-за снижения требований к точности размещения элементов регулярной структуры инерционных масс, что также сильно удешевляет его производство.
Упрощение функционирования пьезоэлектрического гироскопа, а также его настройки происходит из-за того, что необходимые параметры бегущей волны в отличие от стоячей не требуют точных конструктивных реализаций.
Существенное повышение надежности работы пьезоэлектрического гироскопа вытекает из стабильности функционирования устройства на бегущей ПАВ.
Введение «поглощающего ВШП, выходы которого подсоединены к электрическому сопротивлению нагрузки» необходимо для недопущения отражения бегущей ПАВ, полной ее утилизации после регулярной структуры инерционных масс поглощающим ВШП. Энергия, поглощенная этим ВШП, утилизируется в виде теплоты на электрическом сопротивлении нагрузки.
Выполнение «электрического сопротивления нагрузки комплексным» необходимо для обеспечения более эффективного поглощения энергии проходящей через регулярную структуру инерционных масс бегущей ПАВ.
Выполнение «электрического сопротивления нагрузки регулируемым» необходимо для обеспечения эффективного поглощения бегущей ПАВ, изменяющей свои параметры в зависимости от условий окружающей среды.
Выполнение пьезоэлектрического гироскопа в совокупности вышеизложенных ограничительных и отличительных признаков формулы является неизвестным для данного класса устройств и, следовательно, соответствует критерию «новизна».
Вышеприведенная совокупность признаков неизвестна на данном уровне развития техники и не следует из общеизвестных правил конструирования пьезоэлектрического гироскопов, что доказывает соответствие критерию «изобретательский уровень».
Конструктивная реализация предложенного устройства с указанной совокупностью признаков формулы изобретения не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию «промышленная применимость».
На чертеже представлен внешний вид предлагаемого пьезоэлектрического гироскопа.
Гироскоп содержит пластину 1 пьезоэлектрика, на одной из сторон которой нанесены регулярная структура 2 инерционных масс, активный ВШП 3 с отражающей структурой 4, возбуждающие ПАВ в одном направлении и расположенные в перпендикулярном направлении измерительные ВШП 5 и 6 суммарного поля ПАВ от регулярной структуры инерционных масс, состоящего из дифракционных и сигнальных от сил Кориолиса полей ПАВ. Напротив активного ВШП после регулярной структуры инерционных масс на пластину пьезоэлектрика нанесен поглощающий ВШП 7, выходы которого проводниками 8 подсоединены к электрическому сопротивлению нагрузки 9. Причем электрическое сопротивление нагрузки может быть выполнено комплексным и регулируемым.
Гироскоп работает следующим образом: активный ВШП 3 возбуждает на поверхности пластины пьезоэлектрика 1 бегущую ПАВ, которая приводит в движение регулярную структуру 2 инерционных масс, расположенных на поверхности пластины 1, а поглощающий ВШП 7 утилизирует энергию прошедшей через регулярную структуру 2 бегущую ПАВ. При наличии угловой скорости объекта, на котором размещен гироскоп (при его вращении вокруг оси, указанной на чертеже), происходят дополнительные возмущения регулярных структур 2 инерционных масс за счет воздействия на них силы Кориолиса в направлении, перпендикулярном оси чувствительности (вращения) гироскопа, в котором расположены измерительные ВШП 5 и 6, преобразующие полезные ПАВ в электрический сигнал. Бегущая ПАВ после прохождения регулярных структур 2 инерционных масс входит в поглощающий ВШП 7, выходы которого проводниками 8 подсоединены к электрическому сопротивлению нагрузки 9. Энергия бегущей ПАВ в поглощающем ВШП 7 преобразуется в электрическую, которая поглощается на сопротивлении нагрузки 9. Выполнение электрического сопротивление нагрузки 9 комплексным и регулируемым позволяет более полно поглощать энергию бегущей ПАВ и создает возможность подстройки параметров этого сопротивления в зависимости от условий окружающей среды.
Литература
1. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990.
2. Сарапулов С.Л., Скрипновский Г.И., 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: Тез. докл. с.275-283.
3. Патент РФ №2123219, H01L 41/08, 1998.12.10.
4. Патент РФ №2310165, G01C 19/56, G01P 9/04, 2007.11.10.
5. Морган Д. устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990.
6. Патент РФ №2335739, G01C 19/56, G01P 9/04, 2008.10.10.
7. Патент US №6984332 В2, H01L 21/00, G01P 3/00, 2006.01.10, V.K.Varadan, Pascal В. Xavier, William D. Suh, Jose A. Kollakompil, Vasundara V.Varadan. / "Микроэлектромеханический гироскоп") - прототип.