ЧАСТИЧНО МЕТАЛЛИЗИРОВАННЫЙ РЕЗОНАТОР
PARTIALLY METALLISED RESONATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к полусферическому резонатору, который является, в частности, элементом вибродатчика угловой скорости, например, гироскопа.
Уровень техники
В документе FR-A-2851040 описывается полусферический резонатор с колоколообразным вибрационным элементом, ножка которого закреплена на основе, несущей основные электроды, обращенные к ободу колоколообразного элемента, и охранный электрод, располагаемый рядом с основными электродами,
Основные электроды служат, во-первых, для приведения в колебательное движение колоколообразного элемента при приложении к электродам, по меньшей мере, одного переменного напряжения, в то время как колоколообразный элемент поддерживается при постоянном потенциале, и, во-вторых, способствуют обнаружению колебаний колоколообразного элемента, поскольку сигнал обнаружения считывается с основных электродов.
Охранный электрод, будучи заземленным, может выполнять свою обычную функцию, которая состоит в уменьшении взаимного влияния электродов, а также он может использоваться в качестве управляющего электрода и/или электрода обнаружения при поступлении соответствующих сигналов к каждому из участков охранного электрода.
Согласно указанному документу колоколообразный элемент изготавливают из диоксида кремния, который обладает электроизоляционными свойствами. Внутренняя поверхность, обод колоколообразного элемента и основа резонатора имеют электропроводящее металлическое покрытие.
В документе US-A-2003/0019296 описывается резонатор с колоколообразным элементом, изготовленным из диоксида кремния, на внутренней поверхности и наружной поверхности которого имеется покрытие, причем, каждая из поверхностей полностью покрыта электропроводящим металлическим слоем.
Поскольку металлизация колоколообразного элемента вблизи обода приводит к демпфированию колебаний и ухудшению ухода гироскопа, было предложено не наносить покрытие на наружную поверхность колоколообразного элемента, изготовленного из диоксида кремния.
Например, в документе US-B-6474161 описывается полусферический резонатор с колоколообразным вибрационным элементом, изготовленным из диоксида кремния и покрытым электропроводящим металлическим слоем лишь частично. Электропроводящий металлический слой покрывает поверхность кольцевого обода колоколообразного элемента и формирует проводящие дорожки, продолжающиеся по внутренней поверхности колоколообразного элемента от полюса резонатора до указанного обода. Наружная поверхность колоколообразного элемента не покрыта электропроводящим металлическим слоем.
К тому же, в документе US-A-2004/0154396 описывается резонатор, в котором вся внутренняя поверхность колоколообразного элемента покрыта электропроводящим металлическим слоем.
Однако было установлено, что если примыкающая к ободу наружная поверхность колоколообразного элемента, изготовленного из диоксида кремния, не имеет покрытия, то определяемое электрическое изображение искажается и, как следствие, при угловом измерении возникает ошибка. Указанные изменения связаны с силовыми линиями, которые проходят между электродами и зонами смещения резонатора, пересекая диоксид кремния, который не является идеальным изолятором, при этом заряд в диоксиде кремния медленно перемещается вдоль силовых линий до достижения потенциала равновесия. Таким образом, эффективность электростатического поля изменяется с течением времени. Такое изменение, происходящее с течением времени, очень трудно корректировать расчетным путем.
Раскрытие изобретения
В связи с вышесказанным, имеется необходимость в резонаторе, при использовании которого можно минимизировать ошибки измерения угловой скорости и ограничить демпфирование колебаний колоколообразного элемента, что позволит получить измерительный прибор, который в течение длительного времени будет обладать высокой точностью и надежностью.
Изобретение относится к полусферическому резонатору, содержащему колоколообразный элемент, закрепленный на основе, которая несет основные электроды, обращенные к кольцевому ободу колоколообразного элемента, и, по меньшей мере, один охранный электрод, располагаемый рядом с основными электродами, причем, по меньшей мере, часть внутренней поверхности колоколообразного элемента и указанный кольцевой обода покрыты электропроводящим слоем, к тому же, указанный электропроводящий слой покрывает участок наружной поверхности колоколообразного элемента, примыкающий к его кольцевому ободу.
Таким образом, согласно настоящему изобретению можно максимально отклонить к охранному электроду силовые линии, расположенные с двух сторон по отношению к ободу колоколообразного элемента, и, наряду с этим, можно минимизировать ошибку измерения угловой скорости за счет покрытия электропроводящим слоем, по меньшей мере, части внутренней поверхности колоколообразного элемента, кольцевого обода и лишь участка наружной поверхности колоколообразного элемента, который примыкает к его кольцевому ободу. Кроме того, чтобы минимизировалось поглощение колебаний колоколообразного элемента, электропроводящий слой должен иметь малую толщину, однако достаточную для обеспечения требуемой проводимости. Поскольку поглощение колебаний находится в непосредственной зависимости от толщины электропроводящего слоя, то за счет уменьшения толщины слоя можно добиться снижения демпфирования колебаний колоколообразного элемента. Кроме того, основные электроды больше не воспринимают изменение заряда резонатора, теперь изменение заряда резонатора воспринимает охранный электрод, таким образом, изменение заряда больше не оказывает влияния на коэффициент усиления резонатора. Также на участке наружной поверхности колоколообразного элемента, который примыкает к его кольцевому ободу, можно снизить прогрессирующую миграцию заряда по направлению к диоксиду кремния. Таким образом, полусферический резонатор согласно настоящему изобретению имеет преимущества с точки зрения точности измерения и стабильности его работы в течение продолжительного времени.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, заземленный охранный электрод содержит центральный участок, расположенный с внутренней стороны по отношению к основным электродам, по меньшей мере, один периферийный участок, расположенный с наружной стороны по отношению к основным электродам, а также содержит соединительные участки, расположенные между основными электродами и соединяющие центральный участок с периферийными участками.
Указанный вариант осуществления изобретения является особенно эффективным.
Краткое описание чертежей
Другие признаки и преимущества изобретения будут понятны из следующего описания конкретного варианта осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 - вид полусферического резонатора в продольном разрезе по линии 1-1, обозначенной на фиг.2.
Фиг.2 - вид сверху основных электродов и охранного электрода резонатора в разрезе по линии II-II, обозначенной на фиг.1.
Фиг.3 - увеличенное изображение полусферического резонатора в продольном разрезе по линии III, обозначенной на фиг.1.
Осуществление изобретения
На фиг.1 представлен полусферический резонатор 7, согласно указанному варианту осуществления изобретения, содержащий колоколообразный элемент 4, который изготовлен из материала на основе кремния, и его нога 5 закреплена на основе 3.
Основа 3 несет основные электроды 2, обращенные к кольцевому ободу 6.2 колоколообразного элемента 4, которые соединены с электронным блоком управления (не показано) с целью создания средств обнаружения и возбуждения, взаимодействующих с резонатором 7.
Также основа 3 несет заземленный охранный электрод 1. Охранный электрод содержит центральный участок 1.1, расположенный с внутренней стороны по отношению к основным электродам 2, периферийные участки 1.2, расположенные в круговых сегментах с наружной стороны по отношению к основным электродам 1.1, и соединительные участки 1.3, которые расположены между двумя смежными основными электродами 1.1 и соединяют центральный участок 1.1 с периферийными участками 1.2. Охранный электрод 1 используется для уменьшения взаимного влияния электродов, как описано в документе FR-A-2851040.
Электропроводящий слой нанесен на всю внутреннюю поверхность 6.1 колоколообразного элемента, на кольцевой обод 6.2 и на участок 6.3 наружной поверхности колоколообразного элемента 4. Указанный участок 6.3 наружной поверхности колоколообразного элемента примыкает к кольцевому ободу 6.2. В качестве примера, указанный участок 6.3 наружной поверхности колоколообразного элемента, примыкающий к его кольцевому ободу 6.2, имеет высоту менее 1 мм. Согласно конкретным вариантам осуществления изобретения электропроводящий слой также может быть нанесен на поверхность ножки 6.4, а внутренняя поверхность колоколообразного элемента может быть покрыта электропроводящим слоем частично или полностью. Указанный электропроводящий слой также связан с блоком управления известным способом.
На фиг.2 представлен вид сверху в разрезе по линии II-II (обозначенной на фиг.1) основы, несущей основные электроды 2 и охранный электрод 1, причем, размещение указанных компонентов показано более подробно. При указанном размещении можно добиться максимально возможного отклонения к участкам 1.1 или 1.2 охранного электрода силовых линий 8.1 и 8.3, показанных на фиг.3, которые расположены с двух сторон по отношению к ободу колоколообразного элемента. Как упоминалось выше, охранный электрод 1 содержит центральный участок 1.1, расположенный с внутренней стороны по отношению к основным электродам 2 и имеющий посадочное место для основания ножки 5, и периферийные участки 1.2, расположенные с наружной стороны по отношению к основным электродам 2, а также содержит соединительные участки, которые расположены между основными электродами 2 и соединяют центральный участок с периферийными участками.
Каждый основной электрод 2 имеет Т-образный участок 2.1, который продолжается по направлению к краю 9 основы между периферийными участками (1.2) охранного электрода в регулярном чередовании.
Само собой разумеется, что при любом подходящем размещении основные электроды 2 и участки охранного электрода 1 отделены друг от друга интервалами и, соответственно, изолированы (на чертежах указанные интервалы показаны тонкими линиями).
На фиг.3 представлен местный вид функционирующего полусферического резонатора согласно изобретению. Для облегчения понимания изобретения приведен пример расположения силовых линий, которые показаны на чертеже схематично. Электростатическое поле, создающееся между кольцевым ободом 6.2 колоколообразного элемента 4 и основными электродами 2, и характеризуемое силовыми линиями 8.2, способствует выполнению измерений, необходимых для обеспечения надлежащего функционирования полусферического резонатора. Силовые линии 8.1 и 8.2, проходящие с двух сторон по отношению к кольцевому ободу 6.2 колоколообразного элемента отклоняются к разным участкам охранного электрода. Наряду с тем, что, как и в известном варианте, силовые линии 8.3, расположенные со стороны внутренней поверхности 6.1 колоколообразного элемента, отклоняются к центральному участку охранного электрода 1.1, согласно изобретению, силовые линии 8.1, расположенные со стороны наружной поверхности 6.3 колоколообразного элемента 4, в свою очередь, отклоняются к периферийному участку 1.2 охранного электрода.
Как упоминалось выше, электропроводящий слой, покрывающий колоколообразный элемент 4, демпфирует колебания устройства, в результате чего, могут искажаться данные измерений, которые являются существенными для обеспечения надлежащей работы резонатора. Именно поэтому, согласно изобретению толщина указанного слоя должна быть малой, насколько это возможно, однако она должна обеспечивать требуемую проводимость указанного покрывающего слоя.
В качестве примера приводятся цифровые данные:
- расстояние между кольцевым ободом 6.2 колоколообразного элемента 4 и основными электродами 2 составляет 80 микрометров (мкм);
- интервал между основными электродами и охранным электродом, являющийся, по существу, постоянным, имеет ширину 50 мкм;
- толщина электропроводящего слоя 6 составляет от 1 нанометра (нм) до 10 нм;
- высота участка 6.3 наружной поверхности колоколообразного элемента 4, примыкающего к кольцевому ободу 6.2, составляет менее 1 миллиметра (мм); и
- выступ 10 основного электрода 2, относительно кольцевого обода 6.2 колоколообразного элемента (между осями Х и X', параллельными центральной оси колоколообразного элемента), составляет менее 1 мм с каждой стороны основного электрода.
Несомненно, изобретение не ограничивается описанным выше вариантом его осуществления, и специалистами в данной области техники могут быть выполнены различные изменения и модификации, не выходящие за рамки объема изобретения, определяемого формулой изобретения.
Размеры, приведенные в качестве примера, могут быть изменены, например, чтобы они согласовывались с размерами резонатора, и/или материалами резонатора и/или проводящим слоем, и/или электрическими параметрами резонатора.