CC BY
5УДК 681.586.325
Частотные характеристики поддерживающих конструкций биморфного пьезокерамического элемента балочного гироскопа
Т.В.Щёголева, Р.М.Образцов ОАО «НИИ «Элпа» (г. Москва)
А.В.Добрынин
Московский государственный институт электронной техники (технический университет)
В настоящее время системы навигации автомобилей, в которых широко применяются гироскопы для обнаружения движения при вращении или угловых отклонений объекта, становятся многофункциональными, что приводит к необходимости разработки более дешевых и миниатюрных комплектующих для этих систем, адаптированных к современным технологиям монтажа.
Гироскоп состоит из чувствительного элемента, закрепленного на плату при помощи поддерживающих конструкций, и схемы обработки информационного сигнала, поступающего с электродов чувствительного элемента. Чувствительным элементом в гироскопе, реагирующим на перемещение объекта, является биморфный элемент (рис.1), представляющий собой две поляризованные пьезоэлектрические керамические пластины. Они соединены таким образом, что полюса керамических пластин направлены противоположно.
На верхней поверхности биморфного элемента сформировано два электрода, на нижней - один. При подаче напряжения на верхние электроды относительно нижнего биморфный элемент изгибается вдоль оси 02. При вращении вокруг оси 0Х возникает сила Кориолиса, которая приводит к изгибным колебаниям биморфного элемента вдоль оси 0У с частотой возбуждения биморфного элемента, при этом на верхних электродах появляется напряжение, отличающееся по фазе. Разность напряжений на этих электродах является выходной информацией об измеряемой угловой скорости гироскопа.
С целью уменьшения потерь на трение биморфный элемент крепится в поддерживающие конструкции, которые припаиваются к металлическим обкладкам в узловых точках колебаний [1]. Положение узловых точек на биморфном элементе определяется как 0,224 I, где I - длина биморфной балки.
Биморфный элемент закрепляется в поддерживающие конструкции, которые, в свою очередь, влияют на характеристики самого гироскопа. Поэтому при выборе конструкции и материала поддерживающих опор необходимо учитывать воздействия, оказываемые на биморфный элемент. Материал, из которого изготавливаются поддерживающие конструкции, должен обладать определенными упругими свойствами, чтобы исключить возможность демпфирования собственных колебаний биморфного элемента.
Для исследования влияния материала поддерживающих конструкций на частотную характеристику биморфного элемента проведен анализ патентов на пьезокерамические гироскопы, выпускаемые зарубежными фирмами, в том числе японской фирмой Мига1а [2]. В результате анализа в качестве исследуемых материалов для поддерживающих конструкций биморфного элемента предложены медь, алюминий, молибден, сплав бериллиевой бронзы (БрБ2), никель и бериллий.
© Т.В.Щёголева, Р.М.Образцов, А.В.Добрынин, 2010
X 0 -г
Рис.1. Конструкция чувствительного элемента пьезокерамического гироскопа: 1 - биморфный элемент; 2 - поддерживающие конструкции
1
84
Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА № 3(83) 2010
Краткие сообщения
Анализ влияния материала поддерживающих конструкций на параметры биморфного элемента проводился при помощи программы инженерного расчета ANSYS для биморфного пьезокерамиче-ского элемента с размерами 10* 1,0* 1,0 мм, закрепленного в поддерживающие конструкции высотой H [3]. Для разбиения биморфного элемента системой ANSYS использовались квадратичные конечные элементы, так как квадратичное разбиение позволяет производить расчеты с большей точностью. Конечно-элементная модель учитывает параметры пьезокерамического материала и геометрические размеры поддерживающих конструкций и биморфной балки.
При подаче напряжения на гироскоп биморфный элемент колеблется вдоль оси OZ и одновременно вдоль OY при появлении угловой скорости с частотами fZ и fY соответственно. По разности этих частот можно судить о затуханиях, которые вносятся поддерживающими конструкциями, в собственные колебания биморфной балки. Чтобы избежать дополнительных операций настройки электрофизических параметров биморфной балки, необходимо добиться равенства частот fZ и fY.
В результате расчета получена зависимость разности частот собственных колебаний биморфного элемента fZ и fY от высоты поддерживающих конструкций H, выполненных из различных материалов (рис.2).
Из графиков следует, что величина разности частот fZ и fY на всем промежутке изменения высоты поддерживающих конструкций H имеет приблизительно нулевое значение только в случае меди, алюминия и сплава БрБ2. Медь и алюминий имеют более вязкую структуру, и поддерживающие конструкции будут «тормозить» собственные колебания биморфного элемента, т.е. поглощать часть энергии, которая выделяется в процессе колебания. Использование никеля и бериллия возможно только при определенной высоте подвеса, что может привести к дополнительным технологическим операциям, а использование молибдена - к трудностям монтажа подвесов на электрическую плату. Следовательно, для изготовления поддерживающих конструкций можно рекомендовать сплав бериллиевой бронзы (БрБ2).
Использование сплава БрБ2 в качестве материала поддерживающих конструкций позволяет достичь нулевого значения разности частот fZ и fY, тем самым обеспечить максимальную амплитуду колебаний биморфного элемента, а следовательно, и максимальную чувствительность гироскопа к перемещениям.
Литература
1. Образцов Р.М., Гриценко А.Л., Шахворостов Д.Ю., Сафронов А.Я., Климашин В.М. Упругий подвес для пьезоэлектрического балочного биморфного вибрационного датчика угловой скорости и способ его монтажа // Патент РФ № 2369836. 2009.
2. Fujimoto et al Vibrating gyroscope and electronic device using the same // Патент США № 6820484. 2004.
3. Образцов Р.М. Разработка и анализ упругих подвесов для чувствительного элемента малогабаритного пьезоэлектрического биморфного вибрационного гироскопа // Нано- и микросистемная техника. - 2009. - № 2. - С. 39-43.
Поступило 26 ноября 2009 г.
Щёголева Татьяна Валерьевна - инженер ОАО «НИИ «Элпа». Область научных интересов: пьезокерамические элементы, пьезоэлектроника.
Образцов Роман Михайлович - кандидат технических наук, начальник отдела ОАО «НИИ «Элпа». Область научных интересов: пьезоэлектроника, конечно-элементное моделирование пьезоустройств, гидроакустика.
Добрынин Андрей Витальевич - доктор технических наук, профессор кафедры материалов и процессов твердотельной микроэлектроники МИЭТ. Область научных интересов: физика и химия твердого тела. E-mail: Dobrynin_a_v@mail.ru
3300 3500 3700 3900 4100 Н, мкм
Рис.2. Зависимости разницы частот собственных колебаний биморфного элемента и /у от высоты поддерживающих конструкций Н, выполненных из различных материалов, х - экспериментальные значения
Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА № 3(83) 2010
85
