JP2001255153A - 分離された多ディスク・ジャイロスコープ - Google Patents
分離された多ディスク・ジャイロスコープInfo
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- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
- G01C19/5705—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis
- G01C19/5712—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis the devices involving a micromechanical structure
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 振動または震動などの外乱加速度入力を除去
しながら、外部角速度を検出し、測定する複数の回転ま
たは振動ディスクを含むジャイロスコープ・システムを
提供すること。 【解決手段】 ジャイロスコープ・ディスクは、基板か
ら分離され、外部振動がジャイロスコープの作動に及ぼ
す影響を減少させる。ジャイロスコープ・ディスクが、
対向する方向に回転するか、位相がずれた状態で振動し
て、外乱振動および震動の影響を低下させながら、シス
テムに加えられた外部角速度をさらに正確に測定する。
しながら、外部角速度を検出し、測定する複数の回転ま
たは振動ディスクを含むジャイロスコープ・システムを
提供すること。 【解決手段】 ジャイロスコープ・ディスクは、基板か
ら分離され、外部振動がジャイロスコープの作動に及ぼ
す影響を減少させる。ジャイロスコープ・ディスクが、
対向する方向に回転するか、位相がずれた状態で振動し
て、外乱振動および震動の影響を低下させながら、シス
テムに加えられた外部角速度をさらに正確に測定する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はジャイロスコープ装
置に関する。特に、複数のディスクを含み、振動および
外乱を除去しながら角速度を検出するようになっている
ジャイロスコープ装置が提供される。
置に関する。特に、複数のディスクを含み、振動および
外乱を除去しながら角速度を検出するようになっている
ジャイロスコープ装置が提供される。
【０００２】
【従来の技術】振動するジャイロスコープは、「１次動
作」では、軸線の周囲で回転振動で動作している、また
は線方向で振動している質量を含む。１次動作（回転ま
たは振動）の軸線に対して垂直の軸線の周囲でジャイロ
スコープに加えられる角速度により、ジャイロスコープ
は、１次動作の軸線（または方向）に対して垂直で、加
えられた角速度の軸線に対して垂直な第３軸線を中心と
する２次動作で（または第２方向で）回転（または振
動）する。ジャイロスコープは、航空機のナビゲーショ
ン・システムからダイナミック・コントロール・システ
ム、自動車の安全システム、およびその他多くまでのア
プリケーションで角速度を検出するために使用されてい
る。
作」では、軸線の周囲で回転振動で動作している、また
は線方向で振動している質量を含む。１次動作（回転ま
たは振動）の軸線に対して垂直の軸線の周囲でジャイロ
スコープに加えられる角速度により、ジャイロスコープ
は、１次動作の軸線（または方向）に対して垂直で、加
えられた角速度の軸線に対して垂直な第３軸線を中心と
する２次動作で（または第２方向で）回転（または振
動）する。ジャイロスコープは、航空機のナビゲーショ
ン・システムからダイナミック・コントロール・システ
ム、自動車の安全システム、およびその他多くまでのア
プリケーションで角速度を検出するために使用されてい
る。
【０００３】ジャイロスコープは、垂直２次動作軸線を
中心とするジャイロスコープの変位を通して、１本の軸
線を中心に加えられた外部角速度を測定するので、ジャ
イロスコープ・システムは外部振動および変位の影響を
受けやすく、これも２次動作軸線の周囲に外乱動作を引
き起こす。
中心とするジャイロスコープの変位を通して、１本の軸
線を中心に加えられた外部角速度を測定するので、ジャ
イロスコープ・システムは外部振動および変位の影響を
受けやすく、これも２次動作軸線の周囲に外乱動作を引
き起こす。
【０００４】概して、ジャイロスコープは、大型電磁気
装置で構築されてきた。しかし、最近、微細加工したジ
ャイロスコープが超小型電気機械システムの部品として
開発されている。半導体の製造に使用するものと同様の
技術を使用して、微小ジャイロスコープをシリコン・ウ
ェーハ上に作成する。これらの技術には、基板の酸化、
フォトレジスト材料の塗布、マスクを通した光またはＸ
線への選択的露光、およびエッチングを含み、基板上に
層状に装置を構築できる。このような超小型電気機械ジ
ャイロスコープ装置の例が、国際ＰＣＴ特許出願ＷＯ９
７／４５６９９に記載されている。これは、ジャイロス
コープの単一の振動質量を使用する１層の装置である。
装置で構築されてきた。しかし、最近、微細加工したジ
ャイロスコープが超小型電気機械システムの部品として
開発されている。半導体の製造に使用するものと同様の
技術を使用して、微小ジャイロスコープをシリコン・ウ
ェーハ上に作成する。これらの技術には、基板の酸化、
フォトレジスト材料の塗布、マスクを通した光またはＸ
線への選択的露光、およびエッチングを含み、基板上に
層状に装置を構築できる。このような超小型電気機械ジ
ャイロスコープ装置の例が、国際ＰＣＴ特許出願ＷＯ９
７／４５６９９に記載されている。これは、ジャイロス
コープの単一の振動質量を使用する１層の装置である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】微細加工したジャイロ
スコープ装置の別の例が、Ｇｒｅｅｎへの米国特許第
５，６３５，６４０号（「Ｇｒｅｅｎの特許」）に記載
されている。これは１層の装置（つまり１層のコンポー
ネントである。ただし、基板の層は数に含まれない）で
ある。この特許は、２つの振動質量がばねで結合され、
「コーム・ドライブ（ｃｏｍｂ ｄｒｉｖｅ）」によっ
て駆動されるジャイロスコープについて記載している。
このような１層装置は、基板から隔離または分離され
ず、したがって外部の振動および動作の影響を受けやす
く、これは受感軸の周囲に加えられた角速度によって２
次動作が誘発されなくても、２次動作軸に沿ってジャイ
ロスコープを変位させることにより、ジャイロスコープ
の信号にノイズまたは誤信号を引き起こすことがある。
さらに、ジャイロスコープが基板から隔離されていない
ので、ジャイロスコープまたはばねからのモーメントが
基板に、そしてその逆に、基板からジャイロへ伝達され
ることがある。内部および外部の「ノイズ」力およびモ
ーメントを除去し、基板から隔離されるようになってい
るジャイロスコープは、現在のジャイロスコープの限界
を克服する。
スコープ装置の別の例が、Ｇｒｅｅｎへの米国特許第
５，６３５，６４０号（「Ｇｒｅｅｎの特許」）に記載
されている。これは１層の装置（つまり１層のコンポー
ネントである。ただし、基板の層は数に含まれない）で
ある。この特許は、２つの振動質量がばねで結合され、
「コーム・ドライブ（ｃｏｍｂ ｄｒｉｖｅ）」によっ
て駆動されるジャイロスコープについて記載している。
このような１層装置は、基板から隔離または分離され
ず、したがって外部の振動および動作の影響を受けやす
く、これは受感軸の周囲に加えられた角速度によって２
次動作が誘発されなくても、２次動作軸に沿ってジャイ
ロスコープを変位させることにより、ジャイロスコープ
の信号にノイズまたは誤信号を引き起こすことがある。
さらに、ジャイロスコープが基板から隔離されていない
ので、ジャイロスコープまたはばねからのモーメントが
基板に、そしてその逆に、基板からジャイロへ伝達され
ることがある。内部および外部の「ノイズ」力およびモ
ーメントを除去し、基板から隔離されるようになってい
るジャイロスコープは、現在のジャイロスコープの限界
を克服する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】第１軸線の周囲で動作す
るようになっている少なくとも２枚のディスクと、基板
に接続された固定支持クランプとを備えるジャイロスコ
ープが提供される。ディスクは基板から分離され、ディ
スクは、第１ディスクの動作が第２ディスクの動作と位
相がずれる方法で、第１軸線の周囲で動作するように設
定される。
るようになっている少なくとも２枚のディスクと、基板
に接続された固定支持クランプとを備えるジャイロスコ
ープが提供される。ディスクは基板から分離され、ディ
スクは、第１ディスクの動作が第２ディスクの動作と位
相がずれる方法で、第１軸線の周囲で動作するように設
定される。
【０００７】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施形態による
分割した多層ジャイロスコープ・システムを示す。図１
に示す例では、ジャイロスコープ・システムは、上部デ
ィスク１、固定支持クランプ２、および下部ディスク３
を含む３層を備える。固定された支持クランプ２は、例
えば基板（図示せず）に固定される。上部および下部デ
ィスク１、３は接続構造に接続される。図１に図示され
た実施形態では、接続構造は、３つの層１、２、３全部
の間の相互接続部として働く中心シリンダ１０である。
分割した多層ジャイロスコープ・システムを示す。図１
に示す例では、ジャイロスコープ・システムは、上部デ
ィスク１、固定支持クランプ２、および下部ディスク３
を含む３層を備える。固定された支持クランプ２は、例
えば基板（図示せず）に固定される。上部および下部デ
ィスク１、３は接続構造に接続される。図１に図示され
た実施形態では、接続構造は、３つの層１、２、３全部
の間の相互接続部として働く中心シリンダ１０である。
【０００８】図１のシステムが、図２で明快さを期して
組立分解図で図示されている。接続構造、例えば中心シ
リンダ１０は、ディスク１、３および支持クランプ２に
対応する層に分解して図示されているが、シリンダは実
際には、３つの層を接続する連続構造で構成してもよ
い。各層は、ばねを介して接続構造、例えば中心シリン
ダ１０に接続される。上部および下部ディスク１、３
は、上部および下部ばね１１、１３を介して中心シリン
ダに接続される。中心シリンダは、支持ばね１２を介し
て固定支持クランプ２に接続される。この方法で、ジャ
イロスコープ・システムを、これを支持する固定された
基板から隔離または分離することができる。
組立分解図で図示されている。接続構造、例えば中心シ
リンダ１０は、ディスク１、３および支持クランプ２に
対応する層に分解して図示されているが、シリンダは実
際には、３つの層を接続する連続構造で構成してもよ
い。各層は、ばねを介して接続構造、例えば中心シリン
ダ１０に接続される。上部および下部ディスク１、３
は、上部および下部ばね１１、１３を介して中心シリン
ダに接続される。中心シリンダは、支持ばね１２を介し
て固定支持クランプ２に接続される。この方法で、ジャ
イロスコープ・システムを、これを支持する固定された
基板から隔離または分離することができる。
【０００９】図２のジャイロスコープ・システムは、中
心シリンダ１０の中心に沿って１次動作軸線の周りで振
動するようになっている。本発明の別の実施形態では、
ジャイロスコープ・システムは、１次動作軸線の周囲で
ディスクが回転するようになっている。この場合、ディ
スクは、例えば機械的軸受を介して中心シリンダ１０に
取り付けることができる。別の実施形態では、中心シリ
ンダ１０を使用してディスクを支持する代わりに、例え
ばそれぞれが、（例えばばねを介して）ディスクを基板
から分離した状態に維持するよう、それぞれが基板に取
り付けられたディスクごとの個々の軸受けなど、別の構
造を使用してもよい。
心シリンダ１０の中心に沿って１次動作軸線の周りで振
動するようになっている。本発明の別の実施形態では、
ジャイロスコープ・システムは、１次動作軸線の周囲で
ディスクが回転するようになっている。この場合、ディ
スクは、例えば機械的軸受を介して中心シリンダ１０に
取り付けることができる。別の実施形態では、中心シリ
ンダ１０を使用してディスクを支持する代わりに、例え
ばそれぞれが、（例えばばねを介して）ディスクを基板
から分離した状態に維持するよう、それぞれが基板に取
り付けられたディスクごとの個々の軸受けなど、別の構
造を使用してもよい。
【００１０】図３ａ〜図３ｃは、図２に示した層それぞ
れの上面図を示す。図３ａは、例えば中心シリンダ１０
などの接続構造を通る１次動作軸線の周囲でディスクを
振動させるコーム・ドライブ２０を含む上部ディスク１
を示す。コーム・ドライブ２０は、例えばＧｒｅｅｎの
特許で記載された「ディザ・ドライブ・コーム」などの
ドライブでよい。図３ｃは下部ディスクを示し、これも
コーム・ドライブ２１を含む。コーム・ドライブがディ
スクを振動させるように図示されているが、電気力学的
ドライブ、磁界、圧電力、熱光学素子、またはモータや
ばねなどの機械的直接入力部など、他の機構を使用して
ディスクを回転または振動させてもよいことは理解でき
るであろう。
れの上面図を示す。図３ａは、例えば中心シリンダ１０
などの接続構造を通る１次動作軸線の周囲でディスクを
振動させるコーム・ドライブ２０を含む上部ディスク１
を示す。コーム・ドライブ２０は、例えばＧｒｅｅｎの
特許で記載された「ディザ・ドライブ・コーム」などの
ドライブでよい。図３ｃは下部ディスクを示し、これも
コーム・ドライブ２１を含む。コーム・ドライブがディ
スクを振動させるように図示されているが、電気力学的
ドライブ、磁界、圧電力、熱光学素子、またはモータや
ばねなどの機械的直接入力部など、他の機構を使用して
ディスクを回転または振動させてもよいことは理解でき
るであろう。
【００１１】図３ｂは、固定された支持クランプ２を含
む固定中間層４を示し、これは固定された基板（例えば
下部ディスク１３の下に配置される）に取り付けられ、
これにジャイロスコープ・システムが最終的に取り付け
られる。接続構造、例えば中心シリンダ１０は支持ばね
１２を介して支持クランプ２に取り付けられている。固
定中間層４には、角速度の入力に応答してディスクの動
作を測定する動作センサ１５も含まれている。
む固定中間層４を示し、これは固定された基板（例えば
下部ディスク１３の下に配置される）に取り付けられ、
これにジャイロスコープ・システムが最終的に取り付け
られる。接続構造、例えば中心シリンダ１０は支持ばね
１２を介して支持クランプ２に取り付けられている。固
定中間層４には、角速度の入力に応答してディスクの動
作を測定する動作センサ１５も含まれている。
【００１２】図４は、本発明の実施形態によるジャイロ
スコープ・システムの操作方法を実際に示す。ジャイロ
スコープ・システムは、システムの動作をさらによく説
明するために、ｘ、ｙおよびｚとラベルを付けた３次元
軸線とともに図示されている。上部および下部ディスク
１、３は、（例えばコーム・ドライブを使用して）ｙ軸
を中心に反対方向に振動する。図４に示すｙ軸は、１次
動作軸線としても知られる。ディスクはそれぞれ、任意
の範囲で振動するよう設計することができる。例えば、
超小型電気機械ジャイロスコープ・システムには、±
１．５〜２．５°の範囲を使用することができる。上部
および下部ディスク１、３は１８０°位相をずらして振
動してもよい。この位相ずれの振動は、回転矢印４０の
方向で図示され、これは特定の時点におけるディスク
１、３の回転方向を示す。外部角加速度（矢印４１で示
す）をｚ軸（受感軸としても知られる）の周囲でジャイ
ロスコープ・システムに加えると、その結果生じるコリ
オリの力が、第３垂直軸（ｘ軸で、検出軸、つまり２次
動作軸線としても知られる）を中心とするジャイロスコ
ープ・ディスク１、３の動作を誘発する。
スコープ・システムの操作方法を実際に示す。ジャイロ
スコープ・システムは、システムの動作をさらによく説
明するために、ｘ、ｙおよびｚとラベルを付けた３次元
軸線とともに図示されている。上部および下部ディスク
１、３は、（例えばコーム・ドライブを使用して）ｙ軸
を中心に反対方向に振動する。図４に示すｙ軸は、１次
動作軸線としても知られる。ディスクはそれぞれ、任意
の範囲で振動するよう設計することができる。例えば、
超小型電気機械ジャイロスコープ・システムには、±
１．５〜２．５°の範囲を使用することができる。上部
および下部ディスク１、３は１８０°位相をずらして振
動してもよい。この位相ずれの振動は、回転矢印４０の
方向で図示され、これは特定の時点におけるディスク
１、３の回転方向を示す。外部角加速度（矢印４１で示
す）をｚ軸（受感軸としても知られる）の周囲でジャイ
ロスコープ・システムに加えると、その結果生じるコリ
オリの力が、第３垂直軸（ｘ軸で、検出軸、つまり２次
動作軸線としても知られる）を中心とするジャイロスコ
ープ・ディスク１、３の動作を誘発する。
【００１３】図４に示すように、受感軸を中心にしてジ
ャイロスコープ・システムに加えられた時計回りの外か
ら角速度は、２次動作軸を中心としたディスクの２次動
作を引き起こす。この場合、上部ディスクには２次動作
軸線を中心とした時計回りの回転が、下部ディスクには
反時計回りの回転が誘発される。これは、上昇する上部
ディスクの前縁および下降する上部ディスクの後縁を示
す動作矢印４２によって図示されている。逆に、反対方
向に回転する下部ディスクは、反対方向に動作し、矢印
４３で示すように、下部ディスクの前縁は下降して、下
部ディスクの後縁は上昇する。振動するジャイロスコー
プの場合、２次動作の記述は、瞬間的な時間に関する。
この場合の２次動作は、２次動作軸線を中心とする振動
であり、上部と下部のディスク１１、１３が位相ずれの
状態で振動する。
ャイロスコープ・システムに加えられた時計回りの外か
ら角速度は、２次動作軸を中心としたディスクの２次動
作を引き起こす。この場合、上部ディスクには２次動作
軸線を中心とした時計回りの回転が、下部ディスクには
反時計回りの回転が誘発される。これは、上昇する上部
ディスクの前縁および下降する上部ディスクの後縁を示
す動作矢印４２によって図示されている。逆に、反対方
向に回転する下部ディスクは、反対方向に動作し、矢印
４３で示すように、下部ディスクの前縁は下降して、下
部ディスクの後縁は上昇する。振動するジャイロスコー
プの場合、２次動作の記述は、瞬間的な時間に関する。
この場合の２次動作は、２次動作軸線を中心とする振動
であり、上部と下部のディスク１１、１３が位相ずれの
状態で振動する。
【００１４】例えば受感軸に沿って中間層４などに配置
される動作センサ１５は、ディスク１、３と基板層４の
間の距離の変化を検出するようになっている。本発明の
１つの実施形態では、動作センサ１５は、ディスク１、
３と中間層４の間のキャパシタンスの変化を検出するよ
うになっている検出電極である。動作センサ１５は、例
えばＧｒｅｅｎの特許に記載されているようなタイプで
もよい。
される動作センサ１５は、ディスク１、３と基板層４の
間の距離の変化を検出するようになっている。本発明の
１つの実施形態では、動作センサ１５は、ディスク１、
３と中間層４の間のキャパシタンスの変化を検出するよ
うになっている検出電極である。動作センサ１５は、例
えばＧｒｅｅｎの特許に記載されているようなタイプで
もよい。
【００１５】外部角速度に応答した対向する方向のディ
スクの動作は、検出電極の動作センサ１５が検出するキ
ャパシタンスの変化を、先行技術のシステムのようにデ
ィスクが１枚しかない場合に検出される変化に対して２
倍にする。本発明の他の実施形態では、動作センサは、
レーザまたは他の光学測定システム、圧電抵抗測定シス
テム、またはディスクの２次動作を検出する他の任意の
タイプのシステムを備えることができる。本明細書の記
述では、キャパシタンスを検出する検出電極で構成され
た動作センサの例を使用するが、任意のタイプの動作セ
ンサを本発明の範囲内で実現できることが理解される。
スクの動作は、検出電極の動作センサ１５が検出するキ
ャパシタンスの変化を、先行技術のシステムのようにデ
ィスクが１枚しかない場合に検出される変化に対して２
倍にする。本発明の他の実施形態では、動作センサは、
レーザまたは他の光学測定システム、圧電抵抗測定シス
テム、またはディスクの２次動作を検出する他の任意の
タイプのシステムを備えることができる。本明細書の記
述では、キャパシタンスを検出する検出電極で構成され
た動作センサの例を使用するが、任意のタイプの動作セ
ンサを本発明の範囲内で実現できることが理解される。
【００１６】図５ａ、図５ｂおよび図５ｃは、図４に示
すジャイロスコープ・システムに対する加速度またはモ
ーメント入力に対する異なる状態および応答を示す。図
５ａは、（ディスクを駆動して１次動作軸の中心に振動
または回転させる駆動トルクおよび重力以外に）ジャイ
ロスコープに外部から角加速度または速度が作用してい
ない場合の、上部および下部ディスク１、３の定常位置
を示す。図４の矢印４１によって現れる外部角速度によ
り、ディスクは図５ｂで表すように動作し、上部ディス
クの一方の縁が上昇して、下部ディスクの対応する縁が
下降する。
すジャイロスコープ・システムに対する加速度またはモ
ーメント入力に対する異なる状態および応答を示す。図
５ａは、（ディスクを駆動して１次動作軸の中心に振動
または回転させる駆動トルクおよび重力以外に）ジャイ
ロスコープに外部から角加速度または速度が作用してい
ない場合の、上部および下部ディスク１、３の定常位置
を示す。図４の矢印４１によって現れる外部角速度によ
り、ディスクは図５ｂで表すように動作し、上部ディス
クの一方の縁が上昇して、下部ディスクの対応する縁が
下降する。
【００１７】図５ｂから明白に分かるように、ディスク
１、３と動作センサ１５間の距離は、外部角速度に対す
る回転または振動ディスクの応答によって変化する。デ
ィスク１、３と電極１５の間のキャパシタンスは、その
間の距離に反比例するので、この動作はキャパシタンス
を変化させる。したがって、上部および下部ディスクを
対向する方向に回転または振動させることにより、その
結果生じるキャパシタンスの変化は、ディスク１枚のみ
での変化より大きくなり、したがって検出キャパシタン
ス信号が強力になり、ジャイロスコープ・システムの外
部角速度に対する感度が向上する。
１、３と動作センサ１５間の距離は、外部角速度に対す
る回転または振動ディスクの応答によって変化する。デ
ィスク１、３と電極１５の間のキャパシタンスは、その
間の距離に反比例するので、この動作はキャパシタンス
を変化させる。したがって、上部および下部ディスクを
対向する方向に回転または振動させることにより、その
結果生じるキャパシタンスの変化は、ディスク１枚のみ
での変化より大きくなり、したがって検出キャパシタン
ス信号が強力になり、ジャイロスコープ・システムの外
部角速度に対する感度が向上する。
【００１８】図５ｃで示すように、両方のディスクが対
向する方向に回転または振動していても、２次動作軸線
の周囲のジャイロスコープ・システムの外部動作（例え
ばシステムの振動または震動）により、両方のディスク
は同方向に動作する。２枚のディスク１、３が存在し、
このような外乱に対応して同方向に動作するので、２枚
のディスクと電極１４間の合計キャパシタンスはほぼ変
化しないままである。例えば、図５ｃでは、上部ディス
クの右手側が下降し、したがって上部ディスクと基板層
間のキャパシタンスが増加する。しかし、下部ディスク
の右手縁も、この加速に応答して下降し、キャパシタン
スが減少する。したがって、２枚のディスク１、３の右
縁間の合計キャパシタンスはほぼ変化しない。この方法
で、振動および震動加速度などの外乱加速度が除去さ
れ、したがって検出されないが、外部角速度は検出され
る。
向する方向に回転または振動していても、２次動作軸線
の周囲のジャイロスコープ・システムの外部動作（例え
ばシステムの振動または震動）により、両方のディスク
は同方向に動作する。２枚のディスク１、３が存在し、
このような外乱に対応して同方向に動作するので、２枚
のディスクと電極１４間の合計キャパシタンスはほぼ変
化しないままである。例えば、図５ｃでは、上部ディス
クの右手側が下降し、したがって上部ディスクと基板層
間のキャパシタンスが増加する。しかし、下部ディスク
の右手縁も、この加速に応答して下降し、キャパシタン
スが減少する。したがって、２枚のディスク１、３の右
縁間の合計キャパシタンスはほぼ変化しない。この方法
で、振動および震動加速度などの外乱加速度が除去さ
れ、したがって検出されないが、外部角速度は検出され
る。
【００１９】１つの実施形態では、ディスク１、３は、
ばね１１、１３を介して例えば中心シリンダ１０などの
接続構造に接続することにより、さらに支持ばね１２を
介して中心シリンダ１０を固定クランプ２に接続するこ
とにより、基板から分離した状態を維持する。固定した
クランプ２は基板（図示せず）に固定され、これは例え
ば下部ディスク３の下に配置された固定構造である。超
小型電気機械デバイスの場合、基板は、例えばシリコン
・ウェーハで構成される。
ばね１１、１３を介して例えば中心シリンダ１０などの
接続構造に接続することにより、さらに支持ばね１２を
介して中心シリンダ１０を固定クランプ２に接続するこ
とにより、基板から分離した状態を維持する。固定した
クランプ２は基板（図示せず）に固定され、これは例え
ば下部ディスク３の下に配置された固定構造である。超
小型電気機械デバイスの場合、基板は、例えばシリコン
・ウェーハで構成される。
【００２０】ほぼ同等のばね定数を有するばね１１、１
３を構築し、ディスクを位相ずれの状態で振動させる
と、各ディスクによって（そのばね１１、１３を介し
て）加えられるトルクがほぼ同じであるので、ディスク
は中心シリンダ１０に回転を誘発しない。さらに、ジャ
イロスコープ・システムに加えられた外部速度の結果生
じるディスク１、３の２次動作が接続構造に不均衡な力
を生じない。ディスク１、３の２次動作は対向する方向
であるので、ばね１１、１３は対向する方向に屈曲す
る。ばね定数がほぼ同等である場合、中心シリンダ１０
にかかる力は均衡し、中心シリンダ１０を固定支持クラ
ンプ２に結合する支持ばね１２は屈曲しない。
３を構築し、ディスクを位相ずれの状態で振動させる
と、各ディスクによって（そのばね１１、１３を介し
て）加えられるトルクがほぼ同じであるので、ディスク
は中心シリンダ１０に回転を誘発しない。さらに、ジャ
イロスコープ・システムに加えられた外部速度の結果生
じるディスク１、３の２次動作が接続構造に不均衡な力
を生じない。ディスク１、３の２次動作は対向する方向
であるので、ばね１１、１３は対向する方向に屈曲す
る。ばね定数がほぼ同等である場合、中心シリンダ１０
にかかる力は均衡し、中心シリンダ１０を固定支持クラ
ンプ２に結合する支持ばね１２は屈曲しない。
【００２１】本発明の１つの実施形態では、例えば中心
シリンダ１０などの接続構造を固定支持クランプに接続
するばね１２は、図５ｃに示すように外部加速度が動作
を引き起こす場合、ばね１１、１３と同じ方向に偏向で
きるような方法で設計される。したがって、平行動作は
合計ばね定数の低下につながる。というのは、支持ばね
１２のばね定数およびばね１１および１３のばね定数
は、それぞれ直列に構成されるからである。この実施形
態では、振動するジャイロスコープの場合、２次動作軸
の周囲で可能な２つの動作モードについて周波数分割が
ある。上述したような外部速度により、ディスク１、３
の２次動作が図５ｂに示すように対向する方向になり、
ばね１１、１３のみが屈曲することになる。ばね１１の
モーメントはばね１３のモーメントと等しいので、支持
ばね１２は偏向しない。
シリンダ１０などの接続構造を固定支持クランプに接続
するばね１２は、図５ｃに示すように外部加速度が動作
を引き起こす場合、ばね１１、１３と同じ方向に偏向で
きるような方法で設計される。したがって、平行動作は
合計ばね定数の低下につながる。というのは、支持ばね
１２のばね定数およびばね１１および１３のばね定数
は、それぞれ直列に構成されるからである。この実施形
態では、振動するジャイロスコープの場合、２次動作軸
の周囲で可能な２つの動作モードについて周波数分割が
ある。上述したような外部速度により、ディスク１、３
の２次動作が図５ｂに示すように対向する方向になり、
ばね１１、１３のみが屈曲することになる。ばね１１の
モーメントはばね１３のモーメントと等しいので、支持
ばね１２は偏向しない。
【００２２】これに対して、振動および他の外乱動作に
より、両方のディスク１、３は図５ｃに示すように同方
向に動作する。この場合、ばね１１および１３が屈曲す
るばかりでなく、支持ばね１２も屈曲する。この実施形
態では、合計ばね定数が、上部ばね１１または下部ばね
１３のいずれかのばね定数よりも小さいので、その結果
生じるばね定数は、ばね１１と１２または１３と１２の
直列ばね定数であり、これにより、外部速度によって誘
発される２次動作のばね定数と比較して、ばね定数が大
幅に小さくなる。ばね定数が低下すると、ディスクが１
８０°位相がずれて動作する速度誘発動作と比較して、
振動で誘発された外乱動作の共振振動数が低下する。
より、両方のディスク１、３は図５ｃに示すように同方
向に動作する。この場合、ばね１１および１３が屈曲す
るばかりでなく、支持ばね１２も屈曲する。この実施形
態では、合計ばね定数が、上部ばね１１または下部ばね
１３のいずれかのばね定数よりも小さいので、その結果
生じるばね定数は、ばね１１と１２または１３と１２の
直列ばね定数であり、これにより、外部速度によって誘
発される２次動作のばね定数と比較して、ばね定数が大
幅に小さくなる。ばね定数が低下すると、ディスクが１
８０°位相がずれて動作する速度誘発動作と比較して、
振動で誘発された外乱動作の共振振動数が低下する。
【００２３】支持ばね１２を、上部および下部ばね１
１、１３に平行な軸線に沿って配置し、ばね定数を小さ
くした支持ばね１２を構築することにより、支持ばね１
２は、ジャイロスコープ・システムが測定しようとする
ディスク１１、１３の動作とは異なる外乱動作の共振振
動数を提供する。この方法で、機械的除去を使用して、
外部速度入力による２次動作のみを検出し、他の力によ
る振動および外乱を除去することができる。これはシス
テムの堅牢性を上げる。
１、１３に平行な軸線に沿って配置し、ばね定数を小さ
くした支持ばね１２を構築することにより、支持ばね１
２は、ジャイロスコープ・システムが測定しようとする
ディスク１１、１３の動作とは異なる外乱動作の共振振
動数を提供する。この方法で、機械的除去を使用して、
外部速度入力による２次動作のみを検出し、他の力によ
る振動および外乱を除去することができる。これはシス
テムの堅牢性を上げる。
【００２４】図６ａ、図６ｂおよび図６ｃは、本発明に
よる分離されたジャイロスコープ・システムの別の実施
形態を示す。このシステムでは、ジャイロスコープ・シ
ステムの層間の接続構造として中心シリンダを使用する
のではなく、システムが接続構造として外部チューブ７
０を使用する。この実施形態では、図６ａから図６ｃで
示すように、接続構造はディスクおよび動作検出器７５
を囲み、これらは外部チューブ７０の中心に配置され
る。図６ａに示す上部ディスク６１は、例えば上部ディ
スク６１の外側の周囲に円周方向に配置されたコーム・
ドライブ８０によって起動させられることができる。こ
の実施形態では、上部ばね７１をディスクの円周方向外
縁に取り付けてもよい。これらのばね７１が、上部ディ
スクを接続構造に取り付ける。
よる分離されたジャイロスコープ・システムの別の実施
形態を示す。このシステムでは、ジャイロスコープ・シ
ステムの層間の接続構造として中心シリンダを使用する
のではなく、システムが接続構造として外部チューブ７
０を使用する。この実施形態では、図６ａから図６ｃで
示すように、接続構造はディスクおよび動作検出器７５
を囲み、これらは外部チューブ７０の中心に配置され
る。図６ａに示す上部ディスク６１は、例えば上部ディ
スク６１の外側の周囲に円周方向に配置されたコーム・
ドライブ８０によって起動させられることができる。こ
の実施形態では、上部ばね７１をディスクの円周方向外
縁に取り付けてもよい。これらのばね７１が、上部ディ
スクを接続構造に取り付ける。
【００２５】図６ｂは、本発明のこの実施形態の中央層
６４を示す。例えば外部チューブ７０などの接続構造
は、外部ばね７２を介して固定支持クランプ６２（図６
ｂでは概念的に図示）に接続することができる。固定支
持クランプ６２は固定した基板（図示せず）に接続さ
れ、ジャイロスコープ・システムは支持ばね７２、接続
構造（例えば外部チューブ７０）および上部および下部
ばね７１、７３を介して、基板から分離される。
６４を示す。例えば外部チューブ７０などの接続構造
は、外部ばね７２を介して固定支持クランプ６２（図６
ｂでは概念的に図示）に接続することができる。固定支
持クランプ６２は固定した基板（図示せず）に接続さ
れ、ジャイロスコープ・システムは支持ばね７２、接続
構造（例えば外部チューブ７０）および上部および下部
ばね７１、７３を介して、基板から分離される。
【００２６】図６ｃは、本発明の実施形態の下層を示
す。例えば外部チューブ７０などの接続構造は、下部ば
ね７３を介して下部ディスク６３に接続される。コーム
・ドライブ８１は、下部ディスク６３を起動するように
なっている。この方法で、接続構造として外部チューブ
７０を使用して、分離された多ディスク・ジャイロスコ
ープを実現することができる。
す。例えば外部チューブ７０などの接続構造は、下部ば
ね７３を介して下部ディスク６３に接続される。コーム
・ドライブ８１は、下部ディスク６３を起動するように
なっている。この方法で、接続構造として外部チューブ
７０を使用して、分離された多ディスク・ジャイロスコ
ープを実現することができる。
【００２７】本発明の特定の実施形態について述べてき
たが請求の範囲で定義された通りの本発明の範囲は、こ
の例示的適用例より広いことが理解される。例えば、上
部および下部ディスクについて述べているが、本発明の
ジャイロスコープ・システムは、横に並べるなど、任意
の方法で配向することができる。別の例として、接続構
造は、ばねまたは他のディスクを取り付ける装置ととも
に、（上述した２つの実施形態に加えて）任意の方法で
実現し、ジャイロスコープを固定基板から分離すること
ができる。例えば、ばねは、本発明の範囲内で、任意の
数が存在するか、相互に対して平行、垂直、または任意
の他の方向など、任意の方法で構成することができる。
たが請求の範囲で定義された通りの本発明の範囲は、こ
の例示的適用例より広いことが理解される。例えば、上
部および下部ディスクについて述べているが、本発明の
ジャイロスコープ・システムは、横に並べるなど、任意
の方法で配向することができる。別の例として、接続構
造は、ばねまたは他のディスクを取り付ける装置ととも
に、（上述した２つの実施形態に加えて）任意の方法で
実現し、ジャイロスコープを固定基板から分離すること
ができる。例えば、ばねは、本発明の範囲内で、任意の
数が存在するか、相互に対して平行、垂直、または任意
の他の方向など、任意の方法で構成することができる。
【図１】本発明の実施形態による２枚ディスクのジャイ
ロスコープ・システムを示す図である。
ロスコープ・システムを示す図である。
【図２】本発明の実施形態による２枚ディスクのジャイ
ロスコープ・システムの組立分解図である。
ロスコープ・システムの組立分解図である。
【図３】本発明の実施形態による上部ジャイロスコープ
・ディスク（ａ）、中央層（ｂ）、下部ジャイロスコー
プ・ディスク（ｃ）のそれぞれの上面図である。
・ディスク（ａ）、中央層（ｂ）、下部ジャイロスコー
プ・ディスク（ｃ）のそれぞれの上面図である。
【図４】ジャイロスコープ・システムが動作時に加えら
れる動作および速度とともに、図１の２枚ディスクのジ
ャイロスコープ・システムを示す図である。
れる動作および速度とともに、図１の２枚ディスクのジ
ャイロスコープ・システムを示す図である。
【図５】外力または速度が加えられていない場合
（ａ），外力が受感軸の周囲に加えられた場合（ｂ）、
外乱加速度が加えられた場合（ｃ）の本発明の実施形態
による２枚ディスク・ジャイロスコープ・システムの概
念図である。
（ａ），外力が受感軸の周囲に加えられた場合（ｂ）、
外乱加速度が加えられた場合（ｃ）の本発明の実施形態
による２枚ディスク・ジャイロスコープ・システムの概
念図である。
【図６】本発明の他の実施形態による上部ジャイロスコ
ープ・ディスク（ａ）、中央層（ｂ）、下部ジャイロス
コープ・ディスク（ｃ）のそれぞれのの上面図である。
ープ・ディスク（ａ）、中央層（ｂ）、下部ジャイロス
コープ・ディスク（ｃ）のそれぞれのの上面図である。
１ 上部ディスク ２ 固定支持クランプ ３ 下部ディスク ４ 中央層 １０ 中心シリンダ １１ 上部ばね １２ 支持ばね １３ 下部ばね １４ 電極 １５ 動作センサ ２０ コーム・ドライブ ２１ コーム・ドライブ ６１ 上部ディスク ６２ 固定支持クランプ ６３ 下部ディスク ６４ 中央層 ７０ 外部チューブ ７１ 上部ばね ７２ 外部ばね ７３ 下部ばね ７５ 動作検出器 ８０ コーム・ドライブ ８１ コーム・ドライブ
フロントページの続き (72)発明者 マルクス・ルッツ アメリカ合衆国・94086・カリフォルニア 州・サニーベイル・マホガニー レーン・ 762 (72)発明者 ヴィルヘルム・フレイ アメリカ合衆国・94041・カリフォルニア 州・マウンテン ビュー・コールデロン アベニュ・279シイ
Claims (16)
- 【請求項１】 ジャイロスコープ・システムであって、 第１軸を中心に動作する第１ディスクと、 第１軸を中心に動作する第２ディスクと、 基板に接続された固定支持クランプとを備え、 第１ディスクおよび第２ディスクが第１軸を中心とする
動作状態に設定され、 第１ディスクの動作は、第２ディスクの動作と位相がず
れ、 第１ディスクおよび第２ディスクが基板から分離される
ジャイロスコープ・システム。 - 【請求項２】 さらに、第２軸を中心とするディスクの
動作を感知するセンサを備え、 第２軸が第１軸に対して垂直である請求項１に記載のジ
ャイロスコープ・システム。 - 【請求項３】 センサが、第２軸を中心とするディスク
の動作によるキャパシタンスの変化を感知する電極であ
る請求項２に記載のジャイロスコープ・システム。 - 【請求項４】 さらに、 第１ばねと、 第２ばねと、 第３ばねと、 接続構造とを備え、 第１ばねが、第１ディスクを接続構造に接続し、 第２ばねが、第２ディスクを接続構造に接続し、 第３ばねが、接続構造を固定支持クランプに接続する請
求項１に記載のジャイロスコープ・システム。 - 【請求項５】 接続構造が中心シリンダを備える請求項
４に記載のジャイロスコープ・システム。 - 【請求項６】 接続構造が外部チューブを備える請求項
４に記載のジャイロスコープ・システム。 - 【請求項７】 ディスクが超小型電気機械コンポーネン
トとして実現され、 固定支持クランプが、超小型電気機械コンポーネントと
して実現され、 基板が超小型電気機械コンポーネントを支持する請求項
１に記載のジャイロスコープ・システム。 - 【請求項８】 さらに、第１軸を中心とするディスクの
動作を誘発するコーム・ドライブを備える請求項７に記
載のジャイロスコープ・システム。 - 【請求項９】 さらに、第１軸を中心とするディスクの
動作を誘発するモータを備える請求項７に記載のジャイ
ロスコープ・システム。 - 【請求項１０】 第１軸を中心とする第１ディスクの動
作が振動動作であり、 第１軸を中心とする第２ディスクの動作が振動動作であ
る請求項７に記載のジャイロスコープ・システム。 - 【請求項１１】 第１軸を中心とする第１ディスクの動
作が回転動作であり、 第１軸を中心とする第２ディスクの動作が回転動作であ
る請求項１に記載のジャイロスコープ・システム。 - 【請求項１２】 第１ディスクが固定支持クランプの上
に配置され、 第２ディスクが固定支持クランプの下に配置される請求
項１に記載のジャイロスコープ・システム。 - 【請求項１３】 第１ディスクが、第１ばね定数を有す
る第１ばねで接続構造に結合され、 第２ディスクが、第２ばね定数を有する第２ばねで接続
構造に結合され、 接続構造が、第３ばね定数を有する第３ばねで固定支持
クランプに結合される請求項４に記載のジャイロスコー
プ・システム。 - 【請求項１４】 第１ばね定数が第２ばね定数とほぼ等
しい請求項１３に記載のジャイロスコープ・ディスク。 - 【請求項１５】 さらに、外乱によって生じた第２軸を
中心とするディスクの動作の影響を取り除く手段を備え
る請求項２に記載のジャイロスコープ・システム。 - 【請求項１６】 ジャイロスコープ・システムであっ
て、 第１軸を中心に動作する第１ディスクと、 第１軸を中心に動作する第２ディスクと、 第１ディスクおよび第２ディスクに接続された接続構造
と、 接続構造および基板に接続された固定支持クランプと、 第１ディスクを接続構造に接続する第１ばねと、 第２ディスクを接続構造に接続する第２ばねと、 接続構造を基板に接続する第３ばねと、 ディスクの動作を感知するセンサとを備え、 第１ディスクおよび第２ディスクが第１軸を中心とする
動作状態に設定され、 第１ディスクの動作が、第２ディスクの動作に対して位
相がずれ、 第１ばね、第２ばね、第３ばね、および接続構造が、第
１ディスクおよび第２ディスクを基板から分離するジャ
イロスコープ・システム。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/507,583 US6443008B1 (en) | 2000-02-19 | 2000-02-19 | Decoupled multi-disk gyroscope |
| US09/507.583 | 2000-02-19 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001255153A true JP2001255153A (ja) | 2001-09-21 |
| JP2001255153A5 JP2001255153A5 (ja) | 2008-05-08 |
| JP4898010B2 JP4898010B2 (ja) | 2012-03-14 |
Family
ID=24019224
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001042440A Expired - Fee Related JP4898010B2 (ja) | 2000-02-19 | 2001-02-19 | 分離された多ディスク・ジャイロスコープ |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6443008B1 (ja) |
| EP (1) | EP1126242A3 (ja) |
| JP (1) | JP4898010B2 (ja) |
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| WO2012004825A1 (ja) * | 2010-07-05 | 2012-01-12 | パイオニア株式会社 | 回転振動型ジャイロ |
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- 2001-02-13 EP EP01103334A patent/EP1126242A3/en not_active Withdrawn
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