МОДИФИЦИРОВАННЫЙ МИКРОАКУСТОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП
MODIFIED MICROACOUSTO-MECHANICAL GYROSCOPE

Изобретение относится к акустоэлектронным приборам, предназначенным для преобразования угловой скорости вращения основания в электрический сигнал, и может быть использовано в системах навигации, ориентации и управления различными подвижными объектами.
Известны аналоги микроакустомеханического гироскопа, предложенные, например, в [1] (Патент РФ 2387951  «Пьезоэлектрический гироскоп» / В.А. Калинин, В.Д. Лукьянов, В.А. Шубарев, В.А. Мельников, заявка №2009109735/28 от 17.03.2009; опубликован 27.04.2010, Бюл. №12), [2] (Патент РФ 2390727  «Гироскоп на поверхностных акустических волнах» / В.А. Калинин, В.Д. Лукьянов, В.А. Шубарев, В.А. Мельников, заявка №2009109734/28 от 17.03.2009; опубликован 27.05.2010, Бюл. №15), содержащие несущее диэлектрическое основание с установленной на нем пластиной пьезоэлектрика, на одной стороне которой нанесены регулярная структура инерционных масс, активный встречно-штыревой преобразователь (ВШП) с отражающей структурой, возбуждающие поверхностные акустические волны (ПАВ) в одном направлении и расположенные в перпендикулярном направлении измерительные ВШП суммарного поля ПАВ от регулярной структуры инерционных масс, состоящего из дифракционных и сигнальных полей ПАВ от сил Кориолиса. При этом по [1] напротив активного ВШП после регулярной структуры инерционных масс на пластину нанесен поглощающий ВШП, выходы которого электрически соединены проводниками с комплексным и регулируемым сопротивлением нагрузки, либо по [2] напротив активного ВШП после регулярной структуры инерционных масс на пластину пьезоэлектрика нанесен поглощающий ПАВ слой с коэффициентом отражения, близким к нулю, выполненный в виде клина, острием направленного к регулярной структуре инерционных масс.
Известен также аналог микроакустомеханического гироскопа, описанный в [3] (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. / «Micro-electro-mechanical gyroscope»), который содержит пластину пьезоэлектрика, на одной стороне которой в шахматном порядке и в пучностях стоячей ПАВ нанесена регулярная структура инерционных масс, активные ВШП с отражающими структурами, возбуждающие ПАВ в одном направлении, и расположенные в перпендикулярном направлении измерительные ВШП суммарного поля ПАВ от регулярной структуры инерционных масс. Состоит из дифракционных и сигнальных полей ПАВ от сил Кориолиса. Принцип действия устройства состоит в том, что нанесенную на пластину пьезоэлектрика регулярную структуру инерционных масс, расположенных в шахматном порядке, возбуждают в одном направлении стоячей ПАВ активными ВШП с отражающими структурами так, что инерционные массы находятся в ее пучностях, а суммарное поле ПАВ от регулярной структуры инерционных масс, состоящее из дифракционных и сигнальных полей ПАВ от сил Кориолиса, регистрируют в перпендикулярном стоячей ПАВ направлении измерительными ВШП, при этом дифракционное поле ПАВ на измерительных ВШП регистрируют как без вращения устройства, так и при его вращении, а сигнальное поле - только при вращении устройства.
Существенными недостатками технических решений [1-3], сдерживающими их практическое применение, являются ограниченные функциональные возможности и низкий уровень полезного сигнала по сравнению с уровнем шумовых помех. Ограничение функциональных возможностей обусловлено тем, что отмеченные технические решения обеспечивают регистрацию угловой скорости вращения несущего основания только относительно одного направления его вращения. Для регистрации угловых скоростей относительно двух направлений вращения несущего основания необходимо на нем дополнительно установить второй аналогичный гироскоп, что приводит к усложнению конструкции и увеличению ее стоимости. Низкий уровень полезного сигнала, по сравнению с уровнем шумовых помех, приводит к необходимости применения регистрирующей аппаратуры с высокой чувствительностью, что значительно увеличивает стоимость устройства.
Известен также аналог микроакустомеханического гироскопа, описанный в [4] (Патент РФ 2389000 «Микроакустоэлектромеханический гироскоп и способ его работы» / В.Д. Лукьянов, В.А. Калинин, В.А. Шубарев, В.А. Мельников, заявка №2009110940/28 от 25.03.2009; опубликован 10.05.2010. Бюл. №13), который содержит пластину пьезоэлектрика, на одной стороне которой регулярная структура инерционных масс нанесена 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 полей ПАВ от сил Кориолиса. Гироскоп [4] также содержит вторую, идентичную первой, пластину пьезоэлектрика с регулярной структурой инерционных масс, активными ВШП с отражающими структурами и измерительными ВШП. Первая и вторая пластины которых свободными поверхностями симметрично установлены по разные стороны несущего диэлектрического основания, измерительные ВШП пластины, которые расположены симметрично по разные стороны несущего диэлектрического основания и электрически соединены между собой, а активные ВШП, расположенные симметрично по разные стороны несущего диэлектрического основания, возбуждаются в противофазе. Техническое решение [4] реализует способ работы, позволяющий повысить уровень полезного сигнала по сравнению с уровнем шумовых помех, заключается в том, что пластину пьезоэлектрика с нанесенной на ней регулярной структурой инерционных масс возбуждают в одном направлении стоячей ПАВ при помощи активных ВШП с отражающими структурами так, что инерционные массы находятся в ее пучностях, а суммарное поле ПАВ от регулярной структуры инерционных масс, состоящего из дифракционных и сигнальных полей ПАВ от сил Кориолиса, регистрируют в перпендикулярном стоячей ПАВ направлении измерительными ВШП, электрически оединенными между собой, суммируют сигналы с двух пластин, а активные ВШП обеих пластин возбуждают в противофазе, чем вычитают шумовую составляющую принимаемого сигнала и увеличивают полезный сигнал, пропорциональный силе Кориолиса.
Существенным недостатком технического решения [4], сдерживающим его практическое применение, является ограничение его функциональных возможностей, обусловленное тем, что данное устройство обеспечивает регистрацию угловой скорости вращения несущего основания только относительно одного направления его вращения. Для регистрации угловых скоростей относительно двух направлений вращения несущего основания необходимо на нем дополнительно установить второй аналогичный гироскоп, что приводит к усложнению конструкции и увеличению ее стоимости.
По совокупности признаков наиболее близким аналогом предлагаемого устройства, принимаемым за прототип, является микроакустомеханический гироскоп, описанный в [5] (Заявка на выдачу патента Российской Федерации №2013143420 от 25.09.2013. «Микроакустомеханический гироскоп» / Ю.В. Бахтин, И.П. Мирошниченко, В.А. Погорелов, В.П. Сизов), который содержит несущее основание, регулярную структуру инерционных масс, размещенных в шахматном порядке, активные пьезоэлектрические преобразователи и измерительные встречно-штыревые преобразователи суммарного поля поверхностной акустической волны от регулярной структуры инерционных масс, состоящего из дифракционных и сигнальных полей ПАВ от сил Кориолиса. Несущее основание которого выполнено из изотропного материала, на внешней поверхности несущего основания нанесена тонкая пленка из пьезоэлектрика с установленными на ней регулярной структурой инерционных масс и измерительными встречно-штыревыми преобразователями для каждого из направлений вращения несущего основания, при этом измерительные встречно-штыревые преобразователи размещены симметрично относительно положения регулярной структуры инерционных масс и перпендикулярно осям вращения несущего основания, на внутренней поверхности несущего основания выполнен трапецеидальный выступ, большее основание которого обращено в сторону внешней поверхности несущего основания, активные пьезоэлектрические преобразователи установлены симметрично друг другу на боковых поверхностях трапецеидального выступа и обеспечивают возбуждение продольных акустических волн в материале несущего основания в направлениях, определяемых углом Q, при этом
где
L
V - скорость продольных волн в материале несущего основания,
R
V - скорость волн Релея,
а угол Q задан положением боковых поверхностей трапецеидального выступа относительно внешней поверхности несущего основания. Техническое решение [5] позволяет обеспечить преобразование угловых скоростей вращения несущего основания в электрические сигналы одновременно относительно двух осей его вращения.
Существенным недостатком технического решения [5], сдерживающим его практическое применение, является низкий уровень полезного сигнала по сравнению с уровнем шумовых помех, что приводит к необходимости применения регистрирующей аппаратуры с высокой чувствительностью, которая значительно увеличивает стоимость устройства.
Задачей, на решение которой направлено создание предлагаемого технического решения, является расширение функциональных возможностей за счет преобразования угловых скоростей вращения несущего основания в электрические сигналы одновременно относительно двух осей его вращения и повышения уровня полезного сигнала по сравнению с уровнем шумовых помех.
Для решения поставленной задачи предлагается модифицированный микроакустомеханический гироскоп, содержащий несущее основание, выполненное из изотропного материала, на внешней поверхности которого нанесена тонкая пленка из пьезоэлектрика с установленными на ней регулярной структурой инерционных масс, размещенных в шахматном порядке, и измерительными встречно-штыревыми преобразователями для каждого из направлений вращения несущего основания, при этом измерительные встречно-штыревые преобразователи размещены симметрично относительно положения регулярной структуры инерционных масс и перпендикулярно осям вращения несущего основания, а на внутренней поверхности несущего основания выполнен трапецеидальный выступ, большее основание которого обращено в сторону внешней поверхности несущего основания, активные пьезоэлектрические преобразователи установлены симметрично друг другу на боковых поверхностях трапецеидального выступа и обеспечивают возбуждение продольных акустических волн в материале несущего основания в направлениях, определяемых углом, заданным положением боковых поверхностей трапецеидального выступа относительно внешней поверхности несущего основания.
Согласно изобретению на внешней поверхности несущего основания выполнен трапецеидальный выступ, размещенный зеркально трапецеидальному выступу на внутренней поверхности несущего основания и совпадающий с ним по форме и размерам, тонкая пленка из пьезоэлектрика с установленными на ней регулярной структурой инерционных масс и измерительными встречно-штыревыми преобразователями для каждого из направлений вращения несущего основания установлены на поверхности малого основания трапецеидального выступа, выполненного на внешней поверхности несущего основания, на поверхности малого основания трапецеидального выступа, выполненного на внутренней поверхности несущего основания, дополнительно установлены тонкая пленка из пьезоэлектрика с установленными на ней регулярной структурой инерционных масс, размещенных в шахматном порядке, и измерительными встречно-штыревыми преобразователями для каждого из направлений вращения несущего основания, при этом на боковых поверхностях трапецеидального выступа, выполненного на внешней поверхности несущего основания, дополнительно симметрично друг другу установлены активные пьезоэлектрические преобразователи, которые обеспечивают возбуждение продольных акустических волн в материале несущего основания в направлениях, определяемых углом, заданным положением боковых поверхностей трапецеидального выступа относительно внутренней поверхности несущего основания, и в противофазе по отношению к активным пьезоэлектрическим преобразователям, размещенным на боковых поверхностях трапецеидального выступа на внутренней поверхности несущего основания, выходы измерительных встречно-штыревых преобразователей попарно электрически соединены с входами сумматоров, а выходы последних электрически соединены с входами сумматоров, соответственно для каждого из направлений вращения несущего основания.
Сущность изобретения поясняется фигурами, где на фиг. 1 схематично представлен предлагаемый модифицированный микроакустомеханический гироскоп (вид сверху), на фиг. 2 - разрез Α-A, на фиг. 3 - предлагаемый модифицированный микроакустомеханический гироскоп (вид снизу), на фиг. 4 - схема электрических соединений измерительных ВШП, а на фиг. 5 - схема электрических соединений активных пьезоэлектрических преобразователей.
Предлагаемый модифицированный микроакустомеханический гироскоп (фиг. 2) содержит несущее основание 1, выполненное из изотропного материала, на внешней поверхности 2 и внутренней поверхности 3 которого выполнены трапецеидальные выступы 4 и 5 соответственно, совпадающие по форме и размерам и размещенные зеркально друг относительно друга.
Трапецеидальный выступ 4 имеет малое основание 6, большее основание 7 и боковые поверхности 8, при этом большее основание 7 обращено в сторону внутренней поверхности 3 несущего основания 1. Трапецеидальный выступ 5 имеет малое основание 9, большее основание 10 и боковые поверхности 11, при этом большее основание 10 обращено в сторону внешней поверхности 2 несущего основания 1.
На поверхности малого основания 6 трапецеидального выступа 4 нанесена тонкая пленка 12 из пьезоэлектрика с установленными на ней регулярной структурой инерционных масс 13 и измерительными ВШП 14, 15 (вдоль оси х) и 16, 17 (вдоль оси у) (фиг. 1) суммарного поля ПАВ от регулярной структуры инерционных масс 13, состоящего из дифракционных и сигнальных полей ПАВ от сил Кориолиса.
На поверхности малого основания 9 трапецеидального выступа 5 (фиг. 2) нанесена тонкая пленка 18 из пьезоэлектрика с установленными на ней регулярной структурой инерционных масс 19 и измерительными ВШП 20, 21 (вдоль оси х) и 22, 23 (вдоль оси у) (фиг. 3) суммарного поля ПАВ от регулярной структуры инерционных масс 19, состоящего из дифракционных и сигнальных полей ПАВ от сил Кориолиса.
Боковые поверхности 8 трапецеидального выступа 4 и боковые поверхности 11 трапецеидального выступа 5 (фиг. 2) образуют соответственно с внутренней поверхностью 3 и внешней поверхностью 2 несущего основания 1 угол Q, который выбирается из условия оптимального возбуждения волн Релея на внутренней поверхности 3 и внешней поверхности 2 несущего основания 1:
L
R
sinQ=V/V,
L
где V - скорость продольных волн в материале несущего основания 1,
R
V - скорость поверхностных акустических волн (волн Релея).
Угол Q задан положением боковых поверхностей 8 и 11 соответственно трапецеидальных выступов 4 и 5 относительно внутренней поверхности 3 и внешней поверхности 2 несущего основания 1.
На боковых поверхностях 8 трапецеидального выступа 4 симметрично друг другу установлены активные пьезоэлектрические преобразователи 24 и 25, а на боковых поверхностях 11 трапецеидального выступа 5 симметрично друг другу установлены активные пьезоэлектрические преобразователи 26 и 27, которые обеспечивают возбуждение продольных акустических волн в материале несущего основания в направлениях, определяемых углом Q.
Активные пьезоэлектрические преобразователи 26 и 27 (фиг. 5) электрически соединены с генератором Г28, а активные пьезоэлектрические преобразователи 24 и 25 электрически соединены с генератором Г28 и инвертором И29, при этом активные пьезоэлектрические преобразователи 24 и 25 обеспечивают возбуждение в противофазе по отношению к активным пьезоэлектрическим преобразователям 26 и 27.
Измерительные ВШП 14, 15, размещенные на поверхности малого основания 6 трапецеидального выступа 4 (вдоль оси х), и измерительные ВШП 16, 17 (вдоль оси у) установлены на тонкой пленке 12 симметрично относительно положения регулярной структуры инерционных масс 13 и перпендикулярно осям вращения несущего основания 1.
Измерительные ВШП 20, 21, размещенные на поверхности малого основания 9 трапецеидального выступа 5 (фиг. 3) (вдоль оси х), и измерительные ВШП 22, 23 (вдоль оси у) установлены на тонкой пленке 18 симметрично относительно положения регулярной структуры инерционных масс 19 и перпендикулярно осям вращения несущего основания 1 (фиг. 2).
Выходы измерительных ВШП 14 и 20, 15 и 21, 16 и 22, 17 и 23 попарно электрически соединены со входами сумматоров соответственно 30, 31, 32 и 33 (фиг. 4). Выходы сумматоров 30 и 31, 32 и 33 соединены соответственно со входами сумматоров 34 и 35. Регулярные структуры инерционных масс 13 и 19 размещены в шахматном порядке с расстояниями между ними, обеспечивающими преимущественное измерение в направлениях к измерительным ВШП.
Выходы сумматоров 34 и 35 соединены с системой регистрации (на фиг. 4 не показана).
Предлагаемый модифицированный микроакустомеханический гироскоп работает следующим образом.
При помощи генератора Г28 и инвертора И29 активные пьезоэлектрические преобразователи 26, 27 и 24, 25 возбуждают в несущем основании 1 продольные волны, которые при взаимодействии с боковой поверхностью 8 малого основания 6 трапецеидального выступа 4 и боковой поверхностью 11 малого основания 9 трапецеидального выступа 5 возбуждают волны Релея, бегущие в разные стороны по оси X, при этом активные пьезоэлектрические преобразователи 24 и 25 обеспечивают возбуждение в противофазе по отношению к активным пьезоэлектрическим преобразователям 26 и 27. В областях 36 и 37 интерференции пучков продольных волн соответственно на боковой поверхности 8 малого основания 6 трапецеидального выступа 4 и боковой поверхности 11 малого основания 9 трапецеидального выступа 5 образуются стоячие волны с расстояниями между пучностями, равными:
R
R
где λ=V/f,
f - частота возбуждения.
В этих областях размещены регулярные структуры инерционных масс 13 и 19, которые позволяют увеличить силу Кориолиса, возникающую при вращении гироскопа.
Под воздействием стоячих волн регулярные структуры инерционных масс 13 и 19 совершают вертикальные (вдоль оси Z) колебания. Колеблющиеся массы в свою очередь являются источниками ПАВ, которые распространяются вдоль осей X и Y. Таким образом, из областей 36 и 37 интерференции пучков продольных волн, где расположены регулярные структуры инерционных масс 13 и 19, в сторону измерительных ВШП 14, 15, 16, 17, 20, 21, 22, 23 распространяются бегущие волны, которые этими ВШП детектируются. В результате на выходах измерительных ВШП возникают соответствующие сигналы.
При вращении гироскопа вокруг оси X на движущиеся вдоль оси Z структуры инерционных масс 13 и 19 воздействует сила Кориолиса, направленная вдоль оси Y:
где
m - масса колеблющейся структуры,
V - колебательная скорость массы,
Ω - угловая скорость вращения гироскопа.
Под воздействием этой силы генерируется дополнительная ПАВ, которая изменяет электрический сигнал на выходе измерительных ВШП 16, 17 и 22, 23. Это изменение пропорционально угловой скорости Ω, направленной вдоль оси X. На выходе измерительных ВШП 14, 15 и 20, 21 сигнал остается практически неизменным.
При вращении гироскопа вокруг оси Y происходят аналогичные явления, а полезный сигнал возникает на выходе измерительных ВШП 14, 15 и 20, 21.
При одновременном вращении гироскопа вокруг осей X и Y полезный сигнал возникает на всех измерительных ВШП, причем уровень сигналов на выходах ВШП 16, 17 и 22, 23 соответствует скорости вращения вокруг оси X, а уровень сигналов на выходах 14, 15 и 20, 21 соответствует скорости вращения вокруг оси Y. Таким образом, возникают сигналы, позволяющие судить о вращении несущего основания 1 относительно двух осей. Сигналы с выходов измерительных ВШП 14 и 21 поступают на входы сумматора 30, с выходов измерительных ВШП 15 и 20 поступают на входы сумматора 31, с выходов измерительных ВШП 16 и 22 поступают на входы сумматора 32, а с выходов измерительных ВШП 17 и 23 поступают на входы сумматора 33, где производится суммирование с выходов соответствующих ВШП, при этом сигналы, возникающие под действием ПАВ (возбуждаемых соответствующими волнами, которые излучаются активными пьезоэлектрическими преобразователями 24, 25 и 26, 27, на выходе каждого из сумматоров 30, 31 и 32, 33 уменьшаются, т.к. преобразователи 24, 25 и 26, 27 соответственно возбуждают волны в противофазе, а сигналы, возникающие под действием дополнительных ПАВ при вращении несущего основания 1, находятся в фазе (т.к. Кориолисово ускорение всех масс имеет одинаковое направление) и на выходах этих сумматоров увеличиваются.
Сигналы с выходов сумматоров 30 и 31 поступают на входы сумматора 34, а сигналы с выходов сумматоров 32 и 33 поступают на входы сумматора 35, где также производится суммирование сигналов со всех измерительных ВШП, соответствующих осям вращения несущего основания 1.
Сигналы с выходов сумматоров 34 и 35 поступают в систему регистрации (на фиг. 4 не показана).
При этом достигается существенное увеличение уровня полезного сигнала по сравнению с уровнем шумовых помех. Проведенный сравнительный анализ выявил, что в отличие от устройств-аналогов и устройства-прототипа предлагаемое устройство характеризуется новыми признаками, а именно - новыми конструктивными элементами, имеющими новые форму и расположение в предлагаемом устройстве, позволяющими снизить стоимость устройства на основе расширения функциональных возможностей за счет преобразования угловых скоростей вращения несущего основания в электрические сигналы одновременно относительно двух осей его вращения и повышения уровня полезного сигнала по сравнению с уровнем шумовых помех.
Предлагаемое устройство, сохраняя положительные качества приведенных в описании аналогов и прототипа, отличается, по сравнению с ними, расширением функциональных возможностей за счет преобразования угловых скоростей вращения несущего основания в электрические сигналы одновременно относительно двух осей его вращения и повышения уровня полезного сигнала по сравнению с уровнем шумовых помех и может быть применено в системах навигации, ориентации и управления различными подвижными объектами.