RU2543706C1 - Microacoustic mechanical gyroscope - Google Patents
Microacoustic mechanical gyroscope Download PDFInfo
- Publication number
- RU2543706C1 RU2543706C1 RU2013143420/28A RU2013143420A RU2543706C1 RU 2543706 C1 RU2543706 C1 RU 2543706C1 RU 2013143420/28 A RU2013143420/28 A RU 2013143420/28A RU 2013143420 A RU2013143420 A RU 2013143420A RU 2543706 C1 RU2543706 C1 RU 2543706C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- base
- bearing base
- rotation
- regular structure
- inertial masses
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
- Surface Acoustic Wave Elements And Circuit Networks Thereof (AREA)
Abstract
Description
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.The invention relates to acoustoelectronic devices designed to convert the angular velocity of rotation of the base into an electrical signal, and can be used in navigation systems, orientation and control of various moving objects.
Известны аналоги микроакустомеханического гироскопа, предложенные, например, в [1] (Патент Российской Федерации №2387951 «Пьезоэлектрический гироскоп» / В.А. Калинин, В.Д. Лукьянов, В.А. Шубарев, В.А. Мельников, заявка №2009109735/28 от 17.03.2009; опубликовано 27.04.2010. Бюл. №12), [2] (Патент Российской Федерации №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; опубликовано 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 от сил Кориолиса полей ПАВ, 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, и выполненный в виде клина, острием, направленным к регулярной структуре инерционных масс.Known analogues of a microacoustic mechanical gyroscope, proposed, for example, in [1] (Patent of the Russian Federation No. 2387951 "Piezoelectric gyroscope" / VA Kalinin, VD Lukyanov, VA Shubarev, VA Melnikov, application No. 2009109735/28 dated 03/17/2009; published on 04/27/2010 Bull. No. 12), [2] (Patent of the Russian Federation No. 2390727 “Gyroscope on surface acoustic waves” / V. A. Kalinin, V. D. Lukyanov, V. A. Shubarev, VA Melnikov, application No. 2009109734/28 dated 03/17/2009; published May 27, 2010, Bull. No. 15) containing a supporting dielectric base with a piezoelectric plate mounted on it a trica, on one side of which a regular structure of inertial masses is applied, an active interdigital transducer (IDT) with a reflecting structure, exciting surface acoustic waves (SAWs) in one direction and measuring IDTs of the total surfactant field located in the perpendicular direction from the regular structure of inertial masses, consisting of surfactant fields that are diffractive and signal from the Coriolis forces, according to [1] opposite to the active IDT after a regular structure of inertial masses, an absorbing ID is applied to the plate the outputs of which are electrically connected by conductors with complex and adjustable load resistance or, according to [2] opposite to the active IDT, after a regular structure of inertial masses, a surfactant-absorbing layer with a reflection coefficient close to zero is applied to the piezoelectric plate and made in the form of a wedge with a tip directed to regular structure of inertial masses.
Существенным недостатком отмеченных аналогов, сдерживающим практическое применение гироскопа, 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.A significant drawback of these analogues, which impedes the practical use of the gyroscope, is the limitation of its functionality, due to the fact that this device provides registration of the angular velocity of rotation of the carrier base relative to only one direction of rotation. To register angular velocities with respect to two directions of rotation of the bearing base, it is necessary to additionally install a second similar gyroscope on it, which leads to a complication of the structure and an increase in its cost.
По совокупности признаков наиболее близким аналогом предлагаемого устройства, принимаемым за прототип, является микроэлектромеханический гироскоп, описанный в [3] (Патент US №6984332 В2, H01L 21/00, G01P 3/00, 2006.01.10, V.K Varadan, Pascal B. 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, состоящего из дифракционных и сигнальных от сил Кориолиса полей ПАВ. Принцип действия устройства-прототипа состоит в том, что нанесенную на пластину пьеэоэлектрика 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 от сил Кориолиса полей ПАВ, 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.In terms of features, the closest analogue of the proposed device, taken as a prototype, is a microelectromechanical gyroscope described in [3] (US Patent No. 6984332 B2, H01L 21/00, G01P 3/00, 2006.01.10, VK Varadan, Pascal B. Xavier , William D. Suh, Jose A. Kollakompil, Vasundara V. Varadan / "MICRO-ELECTRO-MECHANICAL GYROSCOPE"), which contains a piezoelectric plate, on one side of which a regular structure of inertial masses is applied in a checkerboard pattern and in antinodes of a standing surfactant, active IDT with reflective structures, exciting surfactants in one direction, and perpendicular yarnom direction measuring IDT SAW total field from the regular structure of the inertial mass, and consisting of a diffraction signal from the Coriolis force fields surfactant. The principle of operation of the prototype device is that the regular structure of inertial masses arranged in a checkerboard pattern applied to a pieoelectric plate is excited in one direction by a standing surfactant by active IDTs with reflective structures so that the inertial masses are in its antinodes, and the total surfactant field is of a regular structure of inertial masses, consisting of SAW fields that are diffraction and signal from the Coriolis forces, are recorded in the direction perpendicular to the standing SAW by measuring IDT, while the diffraction field Surfactants measuring GSW is recorded as a non-rotating device, and during its rotation, and the signal field - only when the device is rotated.
Существенным недостатком прототипа, 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.A significant disadvantage of the prototype, hindering its practical use, is the limitation of its functionality, due to the fact that this device provides registration of the angular velocity of rotation of the carrier base relative to only one direction of rotation. To register angular velocities with respect to two directions of rotation of the bearing base, it is necessary to additionally install a second similar gyroscope on it, which leads to a complication of the structure and an increase in its cost.
Целью создания предлагаемого технического решения является расширения функциональных возможностей за счет преобразования угловых скоростей вращения несущего основания в электрические сигналы одновременно относительно двух осей его вращения.The aim of creating the proposed technical solution is to expand the functionality by converting the angular speeds of rotation of the base into electrical signals simultaneously relative to two axes of rotation.
Для достижения указанной цели предлагается микроакустомеханический гироскоп, содержащий несущее основание, регулярную структуру инерционных масс, размещенных в шахматном порядке, активные пьезоэлектрические преобразователи и измерительные ВШП суммарного поля ПАВ от регулярной структуры инерционных масс, состоящего из дифракционных и сигнальных от сил Кориолиса полей ПАВ.To achieve this goal, a microacoustomechanical gyroscope is proposed that contains a bearing base, a regular structure of inertial masses placed in a checkerboard pattern, active piezoelectric transducers and measuring IDTs of the total surfactant field from the regular structure of inertial masses consisting of surfactant fields that are diffractive and signal from Coriolis forces.
Согласно изобретению в предлагаемом микроакустомеханическом гироскопе несущее основание выполнено из изотропного материала, на внешней поверхности несущего основания нанесена тонкая пленка из пьезоэлектрика с установленными на ней регулярной структурой инерционных масс и измерительными ВШП для каждого из направлений вращения несущего основания, при этом измерительные ВШП 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.According to the invention, in the proposed microacoustomechanical gyroscope, the carrier base is made of isotropic material, a thin piezoelectric film is applied on the outer surface of the carrier base with a regular structure of inertial masses and measuring IDTs for each of the directions of rotation of the bearing base, while the measuring IDTs are placed symmetrically relative to the position regular structure of inertial masses and perpendicular to the axis of rotation of the bearing base, on the inner surface ti bearing base is made trapezoidal protrusion whose larger base faces the outer surface of the support base, the active piezoelectric transducers arranged symmetrically to each other on side surfaces of the trapezoidal projection and provide excitation of longitudinal acoustic waves in the material of the carrier base in a direction defined by an angle Q.
При этомWherein
SINQ=VL/VR,SINQ = V L / V R ,
где VL - скорость продольных волн в материале несущего основания;where V L is the velocity of longitudinal waves in the material of the bearing base;
VR - скорость ПАВ,V R - surfactant speed,
а угол Q задан положением боковых поверхностей трапецеидального выступа относительно внешней поверхности несущего основания.and the angle Q is defined by the position of the lateral surfaces of the trapezoidal protrusion relative to the outer surface of the carrier base.
На фиг.1 схематически представлен предлагаемый микроакустомеханический гироскоп (вид сверху), на фиг.2 - разрез А-А.Figure 1 schematically shows the proposed microacoustomechanical gyroscope (top view), figure 2 is a section aa.
Предлагаемый микроакустомеханический гироскоп (фиг.1) содержит несущее основание 1, выполненное из изотропного материала, на внешней поверхности 2 которого нанесена тонкая пленка 3 из пьезоэлектрика с установленными на ней регулярной структурой инерционных масс 4 и измерительными ВШП 5, 6 (относительно оси X) и 7, 8 (относительно оси Y) соответственно суммарного поля ПАВ от регулярной структуры инерционных масс 4, состоящего из дифракционных и сигнальных от сил Кориолиса полей ПАВ.The proposed microacoustomechanical gyroscope (Fig. 1) contains a
На внутренней поверхности 9 (фиг.2) несущего основания 1 выполнен трапецеидальный выступ 10, имеющий малое основание 11, большее основание 12 и боковые поверхности 13, при этом большее основание 12 обращено в сторону внешней поверхности 2 несущего основания 1.A
Боковые поверхности 13 трапецеидального выступа 10 образуют с внешней поверхностью 2 несущего основания 1 угол Q, который выбирается из условия оптимального возбуждения ПАВ на внешней поверхности 2 несущего основания 1:The
SINQ=VL/VR,SINQ = V L / V R ,
где VL - скорость продольных волн в материале несущего основания 1,where V L is the velocity of longitudinal waves in the material of the
VR - скорость ПАВ.V R - surfactant speed.
Угол Q задан положением боковых поверхностей 13 трапецеидального выступа 10 относительно внешней поверхности 2 несущего основания 1.The angle Q is set by the position of the
На боковых поверхностях 13 трапецеидального выступа 10 симметрично друг другу установлены активные пьезоэлектрические преобразователи 14 и 15, которые обеспечивают возбуждение продольных акустических волн в материале несущего основания 1 в направлениях, определяемых углом Q.Active
Измерительные ВШП 5, 6 (относительно оси X) и 7, 8 (относительно оси Y) установлены на пленке 3 симметрично относительно положения регулярной структуры инерционных масс 4 и перпендикулярно осям вращения несущего основания 1.Measuring IDTs 5, 6 (relative to the X axis) and 7, 8 (relative to the Y axis) are mounted on the
Инерционные массы в регулярной структуре инерционных масс 4 размещены в шахматном порядке с расстояниями между ними, обеспечивающими преимущественное излучение в направлениях к измерительным ВШП 5, 6 и 7, 8.Inertial masses in the regular structure of
Предлагаемый микроакустомеханический гироскоп работает следующим образом.The proposed microacoustomechanical gyroscope works as follows.
Активные пьезоэлектрические преобразователи 14 и 15 возбуждают в несущем основании 1 продольные волны, которые при взаимодействии с внешней поверхностью 2 несущего основания 1 возбуждают ПАВ, бегущие в разные стороны по оси X.Active
В области 16 (фиг.2) интерференции пучков продольных волн на внешней поверхности 2 несущего основания 1 по месту размещения регулярной структуры инерционных масс 4 образуется стоячая волна с расстояниями между пучностями, равными:In the region 16 (figure 2) of the interference of longitudinal wave beams on the
λR/2,λ R / 2,
где λR=VR/f - частота возбуждения.where λ R = V R / f is the excitation frequency.
Под воздействием стоячих волн массы регулярной структуры инерционных масс 4 совершают вертикальные (вдоль оси Z) (на фиг.2 не показаны) колебания и, в свою очередь, являются источниками ПАВ, которые распространяются вдоль осей Х и Y. Таким образом, из области 16 интерференции пучков продольных волн в стороны измерительных ВШП 5, 6 и 7, 8 распространяются бегущие волны, которые детектируются данными ВШП. В результате на выходах измерительных ВШП 5, 6 и 7, 8 возникают соответствующие сигналы.Under the influence of standing waves, the masses of the regular structure of
При вращении несущего основания 1 относительно оси Х на движущиеся вдоль оси Z массы воздействует сила Кориолиса, направленная вдоль оси Y:During rotation of the
F=2m(Ω×V),F = 2m (Ω × V),
где m - масса колеблющейся структуры;where m is the mass of the oscillating structure;
Ω - угловая скорость вращения гироскопа;Ω is the angular velocity of rotation of the gyroscope;
V - колебательная скорость массы.V is the vibrational velocity of the mass.
Под воздействием этой силы генерируется дополнительная ПАВ, которая изменяет электрические сигналы на выходах ВШП 7 и 8. Это изменение пропорционально угловой скорости Ω, направленной вдоль оси Х, и фиксируется соответствующим измерителем (не показан). На выходе ВШП 5 и 6 сигналы остаются практически неизменными.Under the influence of this force, an additional surfactant is generated, which changes the electrical signals at the IDT outputs 7 and 8. This change is proportional to the angular velocity Ω directed along the X axis and is fixed by an appropriate meter (not shown). At the output of IDT 5 and 6, the signals remain virtually unchanged.
При вращении несущего основания 1 относительно оси Y происходят аналогичные явления, а полезные сигналы возникают на выходах ВШП 5 и 6.When the
При одновременном вращении несущего основания 1 относительно осей Х и Y полезные сигналы возникают на всех измерительных ВШП 5, 6 и 7, 8, причем уровень сигналов на выходах ВШП 7 и 8 соответствует скорости вращения относительно оси X, а уровень сигналов на выходах ВШП 5, 6 соответствует скорости вращения относительно оси Y. Таким образом, регистрируются полезные сигналы, позволяющие определить скорости вращения несущего основания 1 относительно двух осей его вращения.With the simultaneous rotation of the
Проведенный сравнительный анализ выявил, что в отличие от устройств-аналогов и устройства-прототипа предлагаемый микроакустомеханический гироскоп характеризуется новыми признаками, а именно новыми конструктивными элементами, имеющими новые форму и расположение в предлагаемом устройстве, позволяющими расширить функциональные возможности за счет преобразования угловых скоростей вращения несущего основания в электрические сигналы одновременно относительно двух осей вращения.A comparative analysis revealed that, in contrast to analog devices and a prototype device, the proposed microacoustomechanical gyroscope is characterized by new features, namely, new structural elements having a new shape and arrangement in the proposed device, which allow expanding the functionality by converting the angular rotation speeds of the bearing base into electrical signals simultaneously relative to two axes of rotation.
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 вращения и может быть применено в системах навигации, ориентации и управления различными подвижными объектами.The proposed device, while maintaining the positive qualities of the analogues and prototype described in the description, differs in comparison with them in the expansion of functionality by converting the angular speeds of rotation of the carrier base into electrical signals simultaneously relative to two rotation axes and can be used in navigation, orientation and control systems of various mobile objects.
Claims (1)
SIN Q=VL/VR,
где VL - скорость продольных волн в материале несущего основания;
VR - скорость поверхностной акустической волны;
а угол Q задан положением боковых поверхностей трапецеидального выступа относительно внешней поверхности несущего основания. A microacoustomechanical gyroscope containing a bearing base, a regular structure of inertial masses placed in a checkerboard pattern, active piezoelectric transducers and measuring interdigital transducers of the total field of surface acoustic waves from the regular structure of inertial masses, consisting of the fields of surface acoustic waves diffraction and signal from the Coriolis forces, characterized in that the carrier base is made of isotropic material, based on the outer surface of the carrier a thin piezoelectric film is applied with a regular structure of inertial masses mounted on it and measuring interdigital transducers for each of the directions of rotation of the bearing base, while measuring interdigital transducers are placed symmetrically with respect to the position of the regular structure of inertial masses and perpendicular to the axes of rotation of the bearing base, a trapezoidal protrusion is made on the inner surface of the bearing base, the larger base of which is turned to the sides near the outer surface of the carrier base, the active piezoelectric transducers are mounted symmetrically to each other on the lateral surfaces of the trapezoidal protrusion and provide excitation of longitudinal acoustic waves in the material of the carrier base in the directions determined by the angle Q, while
SIN Q = V L / V R ,
where V L is the velocity of longitudinal waves in the material of the bearing base;
V R is the speed of the surface acoustic wave;
and the angle Q is defined by the position of the lateral surfaces of the trapezoidal protrusion relative to the outer surface of the carrier base.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013143420/28A RU2543706C1 (en) | 2013-09-25 | 2013-09-25 | Microacoustic mechanical gyroscope |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013143420/28A RU2543706C1 (en) | 2013-09-25 | 2013-09-25 | Microacoustic mechanical gyroscope |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2543706C1 true RU2543706C1 (en) | 2015-03-10 |
RU2013143420A RU2013143420A (en) | 2015-03-27 |
Family
ID=53286581
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013143420/28A RU2543706C1 (en) | 2013-09-25 | 2013-09-25 | Microacoustic mechanical gyroscope |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2543706C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11898844B2 (en) | 2019-10-03 | 2024-02-13 | Cornell University | Shear wave methods, systems, and gyroscope |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2389000C1 (en) * | 2009-03-25 | 2010-05-10 | ОАО "Авангард" | Micro-acoustic-electromechanical gyroscope and operation method thereof |
RU2390727C1 (en) * | 2009-03-17 | 2010-05-27 | ОАО "Авангард" | Gyroscope operating on acoustic surface waves |
-
2013
- 2013-09-25 RU RU2013143420/28A patent/RU2543706C1/en active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2390727C1 (en) * | 2009-03-17 | 2010-05-27 | ОАО "Авангард" | Gyroscope operating on acoustic surface waves |
RU2389000C1 (en) * | 2009-03-25 | 2010-05-10 | ОАО "Авангард" | Micro-acoustic-electromechanical gyroscope and operation method thereof |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11898844B2 (en) | 2019-10-03 | 2024-02-13 | Cornell University | Shear wave methods, systems, and gyroscope |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013143420A (en) | 2015-03-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10027281B2 (en) | Time domain switched ring/disc resonant gyroscope | |
JP2006053152A (en) | Microgyrometer employing frequency detection | |
US10281277B1 (en) | Phononic travelling wave gyroscope | |
JP2016540972A (en) | Improved quadrature compensation | |
JPH1164002A (en) | Angular velocity sensor | |
CN108413953A (en) | A kind of adjustable gain control surface acoustic wave gyroscope based on graphene film | |
RU2543706C1 (en) | Microacoustic mechanical gyroscope | |
RU2392625C1 (en) | Angular velocity measurement method | |
JPH08334330A (en) | Wave gyroscope and rotational angular velocity-detecting method using the gyroscope | |
RU2582483C1 (en) | Modified microacousto-mechanical gyroscope | |
RU2426131C1 (en) | Method and device to measure angular speed | |
KR20130093779A (en) | Passive gyroscope with surface acoustic wave and wire and wireless angular velocity measuring method | |
RU2387951C1 (en) | Twist gyroscope | |
RU2392626C1 (en) | Angular velocity measurement method | |
Pinrod et al. | High-overtone bulk diffraction wave gyroscope | |
RU2460078C1 (en) | Method of measuring angular velocity | |
RU2353903C1 (en) | Integral micromechanical gyroscope | |
Miroshnichenko et al. | On increasing the noise immunity of micro acoustic-mechanical gyroscope | |
RU2520949C1 (en) | Method of measurement of angular rate and sensitive element of gyroscope based on it | |
RU2444703C1 (en) | Vibration gyroscope | |
RU2387998C1 (en) | Device for angular velocity measurement | |
RU2234679C2 (en) | Angular velocity micromechanical sensor | |
RU2335739C1 (en) | Sensitive element of gyroscope on surface acoustic waves | |
RU69986U1 (en) | MICROMECHANICAL SENSITIVE GYROSCOPE ELEMENT | |
KR100258173B1 (en) | Resonance type micro gyroscope and method of manufacturing the same and method of measuring an angular velocity using the same |