CN104541130B - 回转角加速度测定装置 - Google Patents

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Abstract

在存在特定的回转角加速度以外的加速度导致噪音的问题，且不得不廉价制作测定装置的情况下，通过以能够在很大程度上抑制向特定回转方向以外的方向的运动的弹簧结构支持振体，提供减少了由特定回转角加速度以外的加速度导致的噪音的回转角加速度测定装置。本发明的回转角加速度测定装置包含：振体，以回转轴为中心回转；多个节点，用于在自回转轴起半径为r的点上支持振体；多个平行四边形链接，臂长为r，用于使支持振体的节点以回转轴为中心进行圆周运动；支持部，用于支持平行四边形链接的固定节；回转角检测单元，检测回转角；运算单元，用于根据回转角计算回转角加速度。

Description

回转角加速度测定装置
技术领域
本发明涉及用于测定回转角加速度的陀螺仪，尤其提供了如下所述的回转角加速度测定装置，即，在存在特定的回转角加速度以外的加速度导致噪音的问题，且不得不廉价制作测定装置的情况下，通过以能够在很大程度上抑制向特定回转方向以外方向的运动的弹簧结构来支持振体，而降低了由特定回转角加速度以外的加速度导致的噪音。
背景技术
以往，作为测定回转角加速度的陀螺仪，已知的有：以万向悬架机构保持高速回转的回转体的陀螺仪、利用激光环干扰计的陀螺仪、在硅片上形成有平面弹簧的回转传感器等。
(现有技术文献)
(专利文献)
专利文献1：日本特愿2010-286838
专利文献2：PCT/JP2012/062789
发明内容
(发明要解决的问题)
在上述现有技术中，已知：就以万向悬架机构保持高速回转的回转体的装置而言，用于保持回转轴的轴承等保持机构的摩擦会给测定造成恶劣影响。而且，还知道：机构存在复杂且高价的问题。利用激光环干扰计的陀螺仪也存在机构复杂且高价的问题。对于在硅片上形成有平面弹簧的回转传感器，由于回转轴的保持不完全，因此，还存在：向特定回转角加速度以外的方向的加速度使振体运动，结果出现回转角加速度的信号噪音的重叠现象。该现象被称为串扰。为了减少串扰，大多数回转传感器中配置有多个振体，并具有通过测定多个振体的相对运动来排除回转角加速度以外的成分的机构或在振体周围配置有多个变位传感器，并具有排除由回转角加速度以外的加速度产生的运动所导致变位的机构。然而，上述这些机构很难完全排除串扰。而且，构造变得复杂直接导致了成本的增加。
另一方面，本申请人针对需要高精度回转轴的机构中几乎不进行回转的机构，开发了能通过弹簧变形来确保所需有限角度范围内的回转的构造，并将构造作为以往没有的新颖的回转轴保持机构提出了在先专利申请(参照专利文献1、2)。
本发明的课题在于将上述新颖的回转轴保持机构改良成供回转角加速度测定装置所用的机构从而解决上述问题，特别在于廉价实现一种能够避免特定的回转角加速度以外的加速度噪音的重叠的回转角加速度测定装置。
(解决问题的方案)
为了解决上述问题，本发明的回转角加速度测定装置的特征在于，包含振体，以回转轴为中心回转；多个节点，用于在自回转轴起半径为r的点上支持振体；多个平行四边形链接，臂长为r，用于使支持振体的节点以回转轴为中心进行圆周运动；支持部，用于支持平行四边形链接的固定节；回转角检测单元，检测回转角；运算单元，用于根据回转角计算回转角加速度。
本发明的特征还在于，在所述回转角加速度测定装置中，包含致动器，用于施加力，以使振体的变位角为零；反馈控制单元，用于根据变位角的测定信号，控制为了使变位角为零而输入给致动器的输入信号；运算单元，用于根据输入给致动器的输入信号，计算回转角加速度。
本发明的特征还在于，在所述回转角加速度测定装置中，所述回转轴的支持机构被形成为平面状的铰链结构，且回转轴支持机构、回转角检测传感器、致动器、控制单元、和运算单元经半导体微加工技术而被形成为一体。
(发明的效果)
根据本发明，即使存在串扰问题，也能够廉价实现不受回转角加速度以外的加速度影响的回转传感器。如果通过半导体微加工技术一体制作用于计算回转角加速度的演算单元，则能够进一步实现低成本化。
附图说明
图1是用于说明本发明的回转角加速度测定装置的回转轴保持机构的示意图。
图2是用于以半导体微加工技术实现本发明的回转角加速度测定装置的铰链结构的示意图。
图3是用于以半导体微加工技术实现本发明的回转角加速度测定装置的铰链结构和金属形变量规图形的示意图。
具体实施方式
本发明的特征在于，作为支持用于检测回转角加速度的振体的弹簧结构，如图1所示，具有平面连接机构，该平面连接机构中以回转轴O为中心配置了多个平行四边形铰链。通过固定的节点1和节点4限制了平行四边形铰链的臂2的运动，使其在一定角度范围内回转运动。并且，在自回转轴O起离开臂1长度r的位置上，配置了臂2与振体之间的节点5，使节点5的运动为以回转轴O为中心的回转运动。通过将多个上述这种平行四边形铰链配置成以回转轴为中心的花瓣状，使支持振体的节点5、节点10、节点15全部以回转轴为中心进行回转运动。
由此，振体的运动被限定为以回转轴为中心的一定角度范围内的回转运动。通过具有上述这种回转轴保持机构，即使向振体施加了回转方向以外方向上的加速度，振体也不会运动。因此，能够在很大程度上抑制回转传感器中的串扰。
本发明的特征在于，为了检测被所述回转轴保持机构支持的振体的运动，包含变位传感器和力量传感器。
本发明的特征在于，包含演算单元，用于分析所述变位传感器和力量传感器输出的信号，变换回转角加速度。
另外，本发明的特征在于，为了特别是廉价制作所述回转轴保持机构、振体、以及包含变位传感器或力量传感器的回转传感器，通过图2所示的铰链机构来实现回转轴保持机构，并在其表面形成变位传感器或力量传感器，使得能够通过半导体微加工单元将它们制为一体。
(实施例)
本发明的回转角加速度测定装置中的回转轴保持机构的铰链结构与变位传感器的关系如图2所示。回转轴保持机构的铰链结构是通过在有一定厚度的平面状板上开出图2中白色扣空部分所示的孔而构成的。孔的圆弧彼此接近而变细的部分特别容易弯曲，被用作节点。与变细部分的宽度相比，如果板的厚度相对而言足够厚的化，节点的变形就主要被限制成仅为平面上的弯曲。组合这些节点，并配置成用于实现图1的回转保持机构的连接结构。
图3是在图2所示的铰链机构的表面形成有金属形变量规图形时的示意图。当节点变形时，一侧被压缩，相反一侧则被拉伸。若仅在节点表面的一侧形成金属线，则金属线受到压缩及拉伸的应力而变形，于是电阻值产生微小的变化。若节点变形较小，则电阻值的变化与变形的回转角呈比例。通过利用电桥电路等微弱电阻变化检测单元检测电阻值的变化，来检测节点的变形。从电极开始延伸的金属形变量规图形交互地从节点的一侧通过，并到达另一侧的电极，从而能够检测各节点的压缩应力或拉伸应力。
如果给回转轴施加一定的回转角加速度，则回转轴保持机构的铰链变形，产生与回转角θ呈比例的转矩T。在回转角加速度所致的惯性与铰链变形所致的转矩达到平衡的位置，回转停止。上述关系可用以下式子来表示，其中，l为振体的回转力矩，k为回转的弹簧常数。
ld2θ/dt2＝T＝kθ (1)
式(1)变形后，回转角加速度可用以下式子来表示。
d2θ/dt2＝kθ/l (2)
因此，只要预先求出弹簧常数k和惯性力矩l，则通过测定平衡位置的角度θ，就能够计算出回转角加速度。
即使回转角加速度发生时间上的变动，利用(1)的运动方程式，根据角度θ的时间变动，就能够求得输入的回转角加速度。
作为应用半导体加工技术一体地制作回转轴保持机构的铰链结构与变位传感器的方法，有以下方法。
(1)在附有薄氧化膜的硅片上形成用作形变量规的金属膜。
(2)在金属膜上涂覆光刻胶，曝光显像出形变量规图形，由此进行金属膜蚀刻。
(3)在背面涂覆光刻胶，并曝光显像出铰链结构图形。
(4)通过深反应离子蚀刻装置，从背面形成贯通孔。
(5)在电极上配线。
由此，仅用2张光掩膜，就能够以较低成本制作回转传感器的基本结构。
作为检测回转角θ的方法，除了上述金属形变量规以外，还可以利用半导体形变量规、压电体变形传感器、静电容量变位传感器、电磁变位传感器等。
当在回转轴保持机构的臂2上连接致动器来施加回转角加速度时，为了使铰链结构的回转角变为零，通过反馈控制向致动器施加力，根据此时需要的输入的大小就能够求出回转角加速度。作为使用致动器的方案，可以利用梳齿电极致动器、压电元件致动器、电磁力致动器等。
若在回转轴保持机构的臂2上安装有如压电元件、音叉型力量传感器等几乎不变形的力量传感器，由于回转保持机构几乎不回转，因此不会受到振体的惯性力矩等的影响，所以能够直接测定施加给回转轴的转矩。
如上所述，在使用硅片的情况下，也能够在传感器表面一体地形成传感器检测电路、演算电路等。
(产业上的可利用性)
通过本发明，能够实现串扰较少，且廉价的回转传感器。如果能够高性能且廉价地实现回转传感器，则在以往使用光纤回转等这类具高性能但高价且重量较重的回转传感器的领域，能够替换成廉价且轻量的传感器。由此，例如能使火箭、人工卫星等的控制装置得以轻量、小型化，且性能得以提高。

Claims (3)

1.一种回转角加速度测定装置，其特征在于，
包含：
振体，以回转轴为中心回转；
多个节点，用于在自回转轴起半径为r的点上支持振体；
多个链接，所述链接是缺少一臂的平行四边形的形状，臂长为r，用于使支持振体的节点以回转轴为中心进行圆周运动；
支持部，用于支持所述链接的固定节；
回转角检测单元，检测回转角；
运算单元，用于根据回转角计算回转角加速度。
2.根据权利要求1所述的回转角加速度测定装置，其特征在于，
包含：
致动器，用于施加力，以使所述振体的变位角为零；
反馈控制单元，用于根据变位角的测定信号，控制为了使变位角为零而输入给致动器的输入信号；
运算单元，用于根据输入给致动器的输入信号，计算回转角加速度。
3.根据权利要求2所述的回转角加速度测定装置，其特征在于，
所述回转轴的支持机构被形成为平面状的铰链结构，且回转轴支持机构、回转角检测传感器、致动器、控制单元、和运算单元经半导体微加工技术而被形成为一体。
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