close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент РФ 2335738

код для вставки
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
RU
(19)
(11)
2 335 738
(13)
C1
(51) МПК
G01C 19/56 (2006.01)
G01C 9/04 (2006.01)
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
(12)
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ
(21), (22) За вка: 2007117988/28, 14.05.2007
(72) Автор(ы):
Богословский Владимир Сергеевич (RU)
(24) Дата начала отсчета срока действи патента:
14.05.2007
(73) Патентообладатель(и):
Богословский Владимир Сергеевич (RU)
(45) Опубликовано: 10.10.2008 Бюл. № 28
R U
Адрес дл переписки:
195253, Санкт-Петербург, пр. Энергетиков, 54,
корп.1, кв.93, В.С. Богословскому
(54) ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ РЕЗОНАНСНОГО ГИРОСКОПА НА ПОВЕРХНОСТНЫХ
2 3 3 5 7 3 8
структуры. В области расположени отражающих
структур дополнительно сформированы канавки, не
параллельные отражающим структурам, при этом
канавки пересекаютс с отражающими структурами
и могут иметь сквозные отверсти , а также
чередующиес сужени и расширени .
Техническим результатом изобретени вл етс повышение точности измерени угловой скорости.
3 з.п. ф-лы, 2 ил.
R U
(57) Реферат:
Изобретение
относитс к
области
измерительной техники и может быть использовано
в приборостроении и машиностроении дл измерени угловой скорости. Чувствительный
элемент состоит из пластины пьезоэлектрика, на
которой сформированы не менее одного встречноштыревого
преобразовател поверхностных
акустических волн и не менее одной отражающей
Страница: 1
RU
C 1
C 1
АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ
2 3 3 5 7 3 8
(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске: US 6516665 В1, 11.02.2003. RU 2123219
С1, 10.12.1998. JP 8334330 А, 17.12.1996. JP
8233577 А, 13.09.1996. FR 2849183 А,
25.06.2004. JP 6042972 А, 18.02.1994.
RUSSIAN FEDERATION
(19)
RU
(11)
2 335 738
(13)
C1
(51) Int. Cl.
G01C 19/56 (2006.01)
G01C 9/04 (2006.01)
FEDERAL SERVICE
FOR INTELLECTUAL PROPERTY,
PATENTS AND TRADEMARKS
(12)
ABSTRACT OF INVENTION
(21), (22) Application: 2007117988/28, 14.05.2007
(72) Inventor(s):
Bogoslovskij Vladimir Sergeevich (RU)
(24) Effective date for property rights: 14.05.2007
(73) Proprietor(s):
Bogoslovskij Vladimir Sergeevich (RU)
(45) Date of publication: 10.10.2008 Bull. 28
R U
Mail address:
195253, Sankt-Peterburg, pr. Ehnergetikov,
54, korp.1, kv.93, V.S. Bogoslovskomu
C 1
R U
2 3 3 5 7 3 8
measurement.
4 cl, 2 dwg
Страница: 2
EN
C 1
(57) Abstract:
FIELD: physics.
SUBSTANCE: sensitive element consists of
piezoelectric plate containing generated not less
than
one
interdigital
transducer
of
surface
acoustic waves, and not less than one reflecting
pattern. Within reflecting pattern areas there
are additionally provided grooves not parallel to
reflecting patterns. Grooves are crossed with
reflecting patterns and can contain through
holes, and interlacing shrinkages and expansions.
EFFECT: higher accuracy of angular speed
2 3 3 5 7 3 8
(54) SENSITIVE ELEMENT OF RESONANT GYROSCOPE ON SURFACE ACOUSTIC WAVES
RU 2 335 738 C1
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Изобретение относитс к области приборостроени , а именно к приборам ориентации,
навигации и систем управлени подвижных объектов, и предназначено дл измерени угловой скорости в этих системах.
Известные волоконнооптические гироскопы и лазерные гироскопы широко используютс в инерциальной навигации и в системах наведени . Преимуществом этих гироскопов
вл етс достаточно высока точность. Недостатком этих гироскопов вл етс достаточно
высока стоимость и относительно большие габариты. К област м применени , требующим
гироскопов менее дорогих и меньшего размера, относ тс : системы автомобильной
безопасности (системы против скольжени , системы камер), потребительские товары
(видеокамеры, GPS, спортивное оборудование), промышленные товары (роботы,
управление оборудованием), медицинские издели (хирургические инструменты)
[Сарапулов С.Л., Скрипновский Г.Н., Рим Д.В. Инерциальные эффекты в поверхностных и
объемных упругих волнах и возможности их использовани в твердотельных
микрогироскопах. // XII Санкт-Петербургска международна конференци по
интегрированным навигационным системам, 23-25 ма 2005. С.275-283].
В насто щее врем известен микромеханический гироскоп на основе кремни [Сарапулов С.Л., Скрипновский Г.П., Рим Д.В. Инерциальные эффекты в поверхностных и
объемных упругих волнах и возможности их использовани в твердотельных
микрогироскопах. // XII Санкт-Петербургска международна конференци по
интегрированным навигационным системам, 23-25 ма 2005. С.275-283]. Такой гироскоп
представл ет собой пластину, закрепленную на торсионах и совершающую вынужденные
колебани на собственной резонансной частоте. Пластина приводитс в колебательное
движение путем подачи сигнала на драйвер (как правило, электростатический). При
внешнем вращении микромеханического гироскопа возникает сила Кориолиса,
измен юща колебани пластины относительно измерительной оси. При этом зазор между
подвижной массой (пластиной) микромеханического гироскопа и основанием измен етс ,
что приводит к изменению рассто ни между электродами и соответствующей величины
емкости. Измер величину емкости, можно определить изменение угловой скорости
вращени 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 стержн с крестообразным поперечным
сечением, с двум парами сплошных и двум парами встречно-штыревых электродов.
Сплошные электроды соединены параллельно и подключены к выходу первого генератора.
Встречно-штыревые электроды подключены к частотно-задающим цеп м второго и
третьего генераторов. Выходы второго и третьего генераторов подключены к входам
смесител , выход которого подключен к входу детектора, а выход детектора подключен к
входу индикатора.
Стабильность и помехоустойчивость позвол ет примен ть «Виброгироскоп» в
компактных системах навигации и автоматического управлени подвижными объектами.
Однако «Виброгироскоп» имеет ограничени по рабочим характеристикам из-за
принципа действи , который основан на вибрации подвешенных механических структур.
Кроме того, его подвешенна механическа 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 применени «Виброгироскопа».
Наиболее близким по технической сущности к изобретению вл етс гироскоп на
поверхностных акустических волнах (ПАВ) [Патент US №6,516,665. "Микроэлектромеханический гироскоп". / Varadan V.K., Pascal B.Xavier, William D.Suh, Jose
A.Kollakompil, Vasundara V.Varadan. 2003].
Гироскоп-прототип на ПАВ включает в себ пластину пьезоэлектрика, на которую
нанесены встречно-штыревые преобразователи (ВШП) драйвера поверхностной
Страница: 3
DE
RU 2 335 738 C1
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
акустической волны, ВШП чувствительного элемента колебаний ПАВ и отражающие
структуры, расположенные за пределами встречно-штыревых преобразователей.
Гироскоп-прототип на ПАВ работает на основе измерени параметров поверхностной
акустической волны, распростран ющейс по пьезоэлектрической подложке.
В отличие от других гироскопов, гироскоп-прототип на ПАВ имеет планарную
конфигурацию без подвешенных резонансных механических структур, вследствие чего
вл етс устойчивым и ударопрочным.
Недостатком гироскопа-прототипа на ПАВ вл етс низка точность, и, соответственно,
невозможность использовани его дл высокоточных измерений вследствие малой
амплитуды колебаний, которые воспринимают встречно-штыревые преобразователи
чувствительного элемента колебаний ПАВ. Основной причиной низкой точности прототипа
вл етс то, что в качестве информационного параметра используетс амплитуда
колебаний.
Вышеизложенные причины привод т к снижению точности оценивани угловой скорости,
что и вл етс недостатком прототипа.
Задачей насто щего изобретени вл етс разработка чувствительного элемента
гироскопа с улучшенными характеристиками измерени угловой скорости.
Техническим результатом вл етс повышение точности и чувствительности измерений.
Технический результат достигаетс тем, что в чувствительном элементе резонансного
гироскопа на поверхностных акустических волнах, содержащем пластину пьезоэлектрика,
на одной стороне которой сформированы не менее одного встречно-штыревого
преобразовател поверхностных акустических волн и не менее одной отражающей
структуры, в области расположени отражающих структур дополнительно сформированы
канавки, не параллельные отражающим структурам, при этом канавки пересекаютс с
отражающими структурами и могут иметь сквозные отверсти и чередующиес сужени и
расширени .
Технический результат достигаетс за счет того, что под действием силы Кориолиса
деформируютс стенки канавок вместе с отражающими структурами. Деформаци 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 позвол ет уменьшить жесткость
пластины пьезоэлектрика в направлении действи сил Кориолиса.
Основным отличием от прототипа вл етс частотный выход предлагаемого
чувствительного элемента резонансного гироскопа на ПАВ. Основной эффект повышени точности предлагаемого устройства достигаетс за счет того, что в качестве
информационного параметра на выходе предлагаемого устройства используетс частота.
Проведенный за вителем анализ уровн техники позволил установить, что аналоги,
характеризующиес совокупност ми признаков, тождественными всем признакам
за вленного устройства, чувствительного элемента резонансного гироскопа на
поверхностных акустических волнах, отсутствуют, следовательно, за вленное изобретение
соответствует условию "новизна".
В насто щее врем автору не известны чувствительные элементы резонансного
гироскопа на поверхностных акустических волнах, которые имели бы такую высокую
чувствительность и динамический диапазон, подход щий дл многих промышленных
применений, которые обеспечивает предлагаемый чувствительный элемент резонансного
гироскопа на ПАВ.
Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных област х
техники с целью вы влени признаков, совпадающих с отличительными признаками
за вленного изобретени , показали, что они не следуют вным образом из уровн техники.
Из определенного за вителем уровн техники не вы влена известность вли ни предусматриваемых существенными признаками за вленного изобретени преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно,
за вленное изобретение соответствует "изобретательскому уровню".
Страница: 4
RU 2 335 738 C1
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Сущность изобретени по сн етс чертежами, где на фиг.1 представлена схема
чувствительного элемента резонансного гироскопа на поверхностных акустических волнах
с двум ВШП, а на фиг.2 - схема чувствительного элемента резонансного гироскопа на
поверхностных акустических волнах с трем ВШП.
Чувствительный элемент резонансного гироскопа на ПАВ состоит из пластины
(подложки) пьезоэлектрика 1, на одной или двух поверхност х которой сформированы ВШП
ПАВ 4, отражающие структуры ПАВ 3 и канавки 2.
Пластина (подложка) пьезоэлектрика 1 выполнена, например, из кварца или из ниобата
лити [1].
Встречно-штыревые преобразователи ПАВ 4 могут располагатьс 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 расположени отражающих
структур ПАВ 3, на пути распространени ПАВ. Канавки 2 не параллельны отражающим
структурам ПАВ 3 и пересекают их. Канавки 2 и отражающие структуры ПАВ 3 могут
располагатьс 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 случа х должно быть сформировано не менее одного ВШП ПАВ 4 и не менее
одной отражающей структуры ПАВ 3.
Канавки 2 могут иметь сквозные отверсти в пластине пьезоэлектрика 1.
Канавки 2 могут иметь чередующиес сужени и расширени .
Канавки 2 и отражающие структуры ПАВ 3 в виде канавок могут быть выполнены
методами травлени , 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 вращени основани чувствительного элемента резонансного гироскопа
на поверхностных акустических волнах на ВШП ПАВ 4 от внешнего анализатора спектра
(на фиг.1 и фиг.2 не показан) подаетс электрический сигнал с заданной частотой. В
случае если пластина пьезоэлектрика 1 выполнена из ниобата лити , то электрический
сигнал может иметь заданную частоту около 1 ГГц.
При отсутствии вращени основани чувствительного элемента гироскопа на ПАВ сила
Кориолиса не возникает, поэтому не деформируютс и стенки канавок 2. Дальнейша работа устройства происходит аналогично работе резонатора на ПАВ [1].
Следовательно, при отсутствии вращени основани (пластины пьезоэлектрика 1)
чувствительного элемента резонансного гироскопа на ПАВ собственна (резонансна )
частота чувствительного элемента гироскопа на ПАВ будет равна f0. Собственна (резонансна ) частота чувствительного элемента гироскопа на ПАВ определ етс как
частота, соответствующа экстремальному значению амплитудно-частотной
характеристики чувствительного элемента гироскопа на ПАВ.
При наличии угловой скорости вращени основани гироскопа по вл етс сила
Кориолиса. В результате воздействи силы Кориолиса на стенки канавок 2 происходит
деформаци стенок канавок 2. Соответственно деформируютс и отражающие структуры
ПАВ 3, расположенные между канавками 2. Деформаци 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.
Резонансна 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
ограничени на топологию отражающих структур ПАВ 3 и канавок 2, причем топологи определ етс расчетом, например в соответствии с [1].
Наличие сквозных отверстий в канавках 2, а также наличие чередующихс сужений и
Страница: 5
RU 2 335 738 C1
5
10
15
20
25
30
35
40
расширений канавок 2 позвол ет уменьшить жесткость пластины пьезоэлектрика 1 в
направлении действи силы Кориолиса.
Резонансную частоту чувствительного элемента гироскопа на ПАВ измер ют, например,
анализатором спектра [1]. Резонансна частота чувствительного элемента гироскопа на
ПАВ св зана однозначной зависимостью с величиной угловой скорости вращени пластины
пьезоэлектрика 1 [2]. Угловую скорость определ ют, например, по градуировочной
характеристике чувствительного элемента резонансного гироскопа на ПАВ.
Таким образом, приведенные сведени доказывают, что при осуществлении
за вленного изобретени выполн лись следующие услови :
- средство, воплощающие устройство-изобретение при его осуществлении,
предназначено дл использовани в приборостроении, а именно в системах навигации
динамических объектов, в системах управлени , в том числе в автомобильной
промышленности и робототехнике;
- дл за вленного изобретени в том виде, как оно охарактеризовано в независимом
пункте формулы изобретени , подтверждена возможность его осуществлени с помощью
описанных или других известных до даты подачи за вки средств;
- средство, воплощающее за вленное изобретение при его осуществлении, способно
обеспечить получение указанного технического результата.
Следовательно, за вленное изобретение соответствует условию патентоспособности
"промышленна применимость".
Литература
1. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. /
Пер. с англ. - М.: Радио и св зь, 1990. 416 с.
2. Сарапулов С.Л., Скрипновский Г.Н., Рим Д.В. Инерциальные эффекты в
поверхностных и объемных упругих волнах и возможности их использовани в
твердотельных микрогироскопах. // XII Санкт-Петербургска международна конференци по интегрированным навигационным системам, 23-25 ма 2005. С.275-283.
Формула изобретени 1. Чувствительный элемент резонансного гироскопа на поверхностных акустических
волнах, содержащий пластину пьезоэлектрика, на которой сформированы не менее одного
встречно-штыревого преобразовател поверхностных акустических волн и не менее одной
отражающей структуры, отличающийс тем, что в области расположени отражающих
структур дополнительно сформированы канавки, не параллельные отражающим
структурам, при этом канавки пересекаютс с отражающими структурами.
2. Чувствительный элемент резонансного гироскопа на поверхностных акустических
волнах по п.1, отличающийс тем, что канавки имеют сквозные отверсти в пластине
пьезоэлектрика.
3. Чувствительный элемент резонансного гироскопа на поверхностных акустических
волнах по п.2, отличающийс тем, что канавки и отражающие структуры сформированы на
разных сторонах пластины пьезоэлектрика.
4. Чувствительный элемент резонансного гироскопа на поверхностных акустических
волнах по п.3, отличающийс тем, что канавки имеют чередующиес сужени и
расширени .
45
50
Страница: 6
CL
RU 2 335 738 C1
Страница: 7
DR
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
131 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа