【発明の詳細な説明】
ソリッドステート多軸ジャイロスコープ
本発明はジャイロスコープに関し、更に詳細には、ソリッドステート多軸ジャ
イロスコープに関する。
欧州特許出願第ＥＰ−Ａ２−０，４２７，１７７号（ムラタ製作所(Murata Ma
nufacturing Co.)）には、貫通するする軸方向穴を持ち且つ圧電駆動装置を外面
に有する振動コラムが記載されている。これらの駆動装置に信号を加えることに
よって、コラムが湾曲し、振動する。コラムの回転時に二つの外部電極間にコリ
オリの力が発生する。この種のジャイロスコープはソリッドステートジャイロス
コープとして周知である。
振動リングに基づいたソリッドステートジャイロスコープの別の例は、１９９
４年の６月１３日から１６日にかけて米国サウスカロライナ州ヒルトンヘッドで
開催された、ＩＥＥＥソリッドステートセンサ及びアクチュエータ研究集会の会
報におけるＭ．Ｗ．プティ(Putty)及びＫ．ナジャフィ(Najafi)による論文「精
密機械加工した振動リング式ジャイロスコープ」に記載されている（第２１３頁
乃至第２２０頁を参照されたい）。
ソリッドステートジャイロスコープの別の例は、英国特許出願第ＧＢ−Ａ−２
，２７２，０５４号（ＧＥＣマルコーニ(Marconi)社）、及び英国特許出願第Ｇ
Ｂ−Ａ−２，２７２，０５３号（ＧＥＣマルコーニ社）に記載されている。説明
されたジャイロスコープは、プリント回路基板に取り付けられた共振器ベルを含
む。プリント回路基板に一つ又はそれ以上の導電性トラックを設けることによっ
て、共振器ベルを振動させ、ジャイロスコープとして作用する。
米国特許第５，４５０，７５１号（ゼネラルモータース社）には、振動が実質
的に減衰されないように支持されたリング部分を持つ、振動ジャイロスコープ用
微小構造が開示されている。リング部分は、導電性であり、半径方向に配置され
た複数の電荷導通性の位置用の電荷プレートを有する。これらの位置は、リング
の周囲に亘って配置されており、リングの半径方向変位を検出する。これらの半
径方向変位を検出し、ジャイロスコープに加わるコリオリの力の表示を提供する
ために使用する。
上文中に言及したジャイロスコープは全て、一つの軸線を中心とした角度回転
を検出する上でだけ有効であることがわかっている。即ち、これらのジャイロス
コープは全て、単軸ジャイロスコープと呼ばれる。光学式ジャイロスコープもま
た単軸ジャイロスコープである。フライホイールジャイロスコープは、単軸ジャ
イロスコープとしても２軸ジャイロスコープとしても形成できる。
米国特許第５，４９０，４２０号には、ビームからなるシステム上に支持され
た多数の地震質量体(seismic mass)を持つジャイロスコープ装置が開示されてい
る。これらのビーム間では、二つ又はそれ以上の別個の軸線を中心とした移動の
検出に地震質量体が使用される。第３の別個の軸線を中心とした回転の検出が開
示されているけれども、この検出には地震質量体それ自体の移動を監視すること
は含まれない。
多くの用途について、二つ、三つ、又はそれ以上の軸線を中心とした旋回速度
を計測するのが望ましい。例えば自動車のセミアクティブサスペンションシステ
ムでは、全ての三つの軸線を中心とした回転、即ち縦揺れ、横揺れ、及び偏揺れ
を同時に検出するのが望ましい。全ての三つの軸線を中心とした旋回速度を計測
するため、従来は、検出軸線が直交するように取り付けられた三つの独立したジ
ャイロスコープを使用することが必要であった。かくして、３つの単軸ジャイロ
スコープ、特別のパッケージ、及びプロセス制御装置が必要とされていた。これ
は、費用がかかり且つ複雑であることがわかっている。
本発明は、少なくとも二つの、好ましくは三つ又はそれ以上の軸線（これらの軸
線のうち、二つ又はそれ以上の軸線は互いに垂直である）を中心とした回転を検
出できるソリッドステートの多軸ジャイロスコープを提供することによってこの
問題点及び他の問題点を解決しようとする試みから生まれた。
本発明によれば、主振動モード及び副振動モードを持つジャイロ本体部分と、
上記ジャイロ本体を駆動して上記主振動モードにするための駆動手段と、上記本
体が所与の軸線を中心として回転したときにコリオリの力により発生した副振動
を検出するための検出手段とを有するジャイロスコープにおいて、上記本体部分
は、二つ又はそれ以上の独立した副振動モードを有し、これらの副振動モードの
各々は、別の関連した軸線を中心とした上記本体部分の運動の結果として生じ、
上記検出手段は、上記二つ又はそれ以上の独立した副モードの振動を検出するた
めの手段を含む、ことを特徴とするジャイロスコープが提供される。
好ましくは、ジャイロスコープは、二つ又はそれ以上のジャイロ本体部分を有
し、上記検出手段は、一つ又はそれ以上の本体部分の副振動を検出するための手
段を含む。
特定の構成では、ジャイロスコープは連結された一対の本体部分を含み、上記
駆動手段は一方の本体部分を駆動し、上記検出手段は他方の本体部分の副振動を
検出する。
変形例の構成では、ジャイロスコープは、連結された一対の本体部分を含み、
上記検出手段は、上記本体部分の両方の副振動を検出するための手段を含み、関
連した軸線を中心とした回転を示す信号を発生するため、上記検出器の出力を組
み合わせるための手段を更に含む。
好ましい構成では、ジャイロスコープは、上記本体部分からなる二つ又はそれ
以上の対を有し、各対は、各他の対に対して角変位し、これによって、異なる軸
線を中心とした回転の検出を容易にする。
特定の構成では、各本体部分の主振動モードは、共通の単一の平面内にある。
各本体部分の独立した副振動モードは互いに直交しており、これによって、二
つの直交軸線を中心とした回転の検出を容易にするのが好都合である。
別の好ましい構成では、上記一つ又はそれ以上の本体部分のうちの一つ又はそ
れ以上が、第３軸線を中心とした運動の結果として発生させることができる第３
副振動モードを有し、上記検出手段は、上記第３モードでの振動を検出すること
によって上記第３軸線を中心とした運動を検出するための手段を含む。
上述の便利な構成では、上記独立した第３副振動モードは、他の二つの副振動
モードと直交しており、これによって３つの直交軸線を中心とした回転の検出を
容易にする。
有利には、上記駆動手段は、上記本体部分を共鳴振動で駆動する。
好ましくは、副振動は共鳴振動である。
上記二つ又はそれ以上の副振動モードは、同じ固有振動数、その倍数、又はそ
の整数分の一であるのが好都合である。
上記検出器手段は、副振動モード又は各副振動モードの大きさを決定するため
の手段を更に含み、これによって、上記関連した軸線の各々を中心とした旋回速
度の決定を容易にするのが有利である。
一つの特定の構成では、ジャイロスコープは、上記本体部分を支持すると同時
に上記主振動モード及び上記副振動モードの発生を可能にするための支持手段を
更に含み、上記支持手段は、更に、本体部分を支持ボスに対して配置するように
作用し、上記支持ボスには、作動時に検出される運動を行う。
好ましくは、上記ジャイロスコープが二つ又はそれ以上の本体部分を含む場合
、これらの二つ又はそれ以上の本体部分は、上記ボスの半径方向外方に振動し、
各本体部分は上記支持手段によって各々上記ボスに連結されている。
上記ニつ又はそれ以上の本体部分は、上記支持手段の部分を形成する可撓性ビ
ームによって互いに連結されているのが都合がよい。
次に、本発明の好ましい実施例を、添付図面を参照して、特に第４図乃至第１
７図を参照して単なる例として説明する。
第１図は、互いに垂直な三つの軸線、即ち縦揺れ軸線、横揺れ軸線、偏揺れ軸
線を示す、自動車の全体図であり、
第２図は、ソリッドステートの単軸ジャイロスコープの基本的作動理論を例示
する、互いに垂直な三つの軸線を示すグラフであり、
第３図は、従来周知のソリッドステートの単軸ジャイロスコープの概略断面図
であり、
第４図乃至第９図は、本発明によるソリッドステートの多軸ジャイロスコープ
の様々な図であり、
第１０図乃至第１５図は、第４図乃至第９図多軸ジャイロスコープの挙動を示
す図であり、
第１６図は、厚さが１３７μｍのソリッドステートの多軸ジャイロスコープの
寸法の一例をμｍ単位で示す図であり、
第１７図は、第１６図に示すジャイロスコープの可能な組み立て工程を示す概
略図であり、
第１８図及び第１９図は、本発明の変形例の形態の図である。
先ず最初に、当該技術の特定の用語を読者に習熟させる第１図乃至第３図を参
照する。
第１図は、自動車の三つの回転軸線を示す。横揺れは、ショックアブソーバー
が摩損した自動車が、例えば深い窪みを通過した後、側方向に傾く際に発生し、
縦揺れは、自動車の前部が急ブレーキの作用で沈み込む際に発生し、偏揺れは、
例えば高速道路の橋の下を通過した後に強い横風の作用で自動車の前部が方向を
変えようとする際に発生する。これらの動きは全て、適切なステアリングシステ
ム、サスペンションシステム、及び制動システムによって補正できる。
例えば自動車のアクティブサスペンションシステムに補正信号を提供するため
には、制御システムは望ましからぬ動きの量についての入力信号を必要とする。
これらの動きの全てが任意の所与の軸線を中心とした回転であるため、必要とさ
れるのは旋回速度即ち角速度の計測値である。
第２図は、質量ｍの物体１０がｖｓｉｎ（ωｔ）で表される線型速度ｖでｘ軸
に沿って移動しているときにｚ軸を中心として旋回速度Ωが加えられた場合、本
体１０にｙ軸に沿ってｙ軸方向に力Ｆが加わることを示す。力Ｆの大きさは、ｚ
軸を中心とした旋回速度Ωに比例する。この力を監視することによって、角速度
Ωを直接的に計測する。
第３図は、ソリッドステートの単軸ジャイロスコープ１１の全体の概略図であ
る。これは、全体に正方形構造の形態であり、矩形の中実ビームからなる部分１
４、１６、及び１８を有する。これらのビームは、例えば、ガラス基板２０に取
り付けられている。ビーム１６は、片持ち梁として作用する自由端１６ａを有す
る。ｘ軸方向の速度は、例えば、ビーム１６の自由部品(free standing part)の
共鳴周波数で圧電要素２１を賦勢することによって圧電作動することにより提供
される。ｚ軸を中心とした旋回速度は、ｙ軸方向に副次的な運動を発生する。ビ
ーム１６ａは、二つのキャパシタプレート１４及び１８の間の中央電極として作
用する。ビーム１６ａが移動すると、一方の静電容量が増大し、他方の静電容量
が減少する。この静電容量を検定することにより、ｚ軸を中心とした旋回速度が
詳細にわかる。この装置の詳細は、Ｋ．マエナカ(Maenaka)及びＴ．シオザワ(Sh
iozawa)が、１９９４年にセンサ及びアクチュエータＡ４３という文献の第７２
頁乃至第７７頁に記載した「異方性エッチング技術を使用したシリコン角速度セ
ンサの研究」という標題の論文に記載されている。
次に、多軸ジャイロスコープ３６を斜視図で示す第４図乃至第１５図を参照す
る。中央領域３８は、全体に正方形のジャイロ本体の隅部分に４つの別々のスト
ラット４０、４２、４４、及び４６で連結されている。１６個のビーム１００−
１１５は、これらのビームの厚さと比較すると比較的薄く、そのため、矩形のジ
ャイロ本体部分４８、５０、５２、及び５４は第４図に矢印Ｐで概略に示すよう
に容易に移動し即ち振動するが、ジャイロスコープの平面の外に向かって変形し
ないようになっている。この半径方向移動は、例えば、ローレンツ力の作用(Lor
entz force actuation)により励起され、主モードとして周知である。性能を最
高にするため、主振動モードは共鳴モードである。
旋回速度の作用により、この主モードは一つ又はそれ以上の別個の副共鳴に連
結されるようになる。これらの副共鳴の各々は、関連した軸線を中心とした回転
により、他の副共鳴とは独立して発生される。関連した軸線は、一つ又はそれ以
上の他の軸線に対して垂直であってもよいし、垂直でなくてもよい。本発明で使
用されるのは、主モードと多数の（例えばｘ、ｙ、及びｚ）副モードとの繋がり
である。
第５図は、ｘ軸を中心とした旋回速度の効果を示す。参照番号５０及び５４を
附した本体部分の質量にはコリオリの力が加わっていない。本体部分４８及び５
２の質量には、コリオリの力により発生した等しく且つ反対方向の移動がジャイ
ロスコープの平面に対して垂直方向に加わる。このコリオリの力は、矢印Ｘｓの
方向にｘ軸を中心とした揺動移動を生じる。これを下文において、Ｘ副モードと
呼ぶ。構造が９０°対称になっているため、ｙ軸を中心とした旋回速度について
もこれと同じことが生じるが、この場合には、ジャイロ本体部分５０及び５４に
コリオリの力が加わり、これらの部分は矢印Ｙｓの方向で揺動する。第６図はこ
れを示し、これを、以下、Ｙ副モードと呼ぶ。旋回速度がｚ軸を中心としてジャ
イロ本体に対して垂直方向に加わった場合には、コリオリの力によって構造の平
面内に発生した運動が四つのジャイロ本体部分４８、５０、５２、及び５４の全
てに加わる。これを第７図に示す。これらの力は、全て一緒に作用し、ｚ軸を中
心とした第３回転運動を発生する。これをＺ副モードＺｓと呼ぶ。
ジャイロスコープ３６は一つの主モード及び三つの副モードを有し、これらの
うちの任意の二つのモードを使用し、多軸ジャイロスコープを提供する。構造の
対称性により、副モードのうちの二つのモード（Ｘｓ、Ｙｓ）は低下（ｄｅｇｅ
ｎｅｒａｔｅ）する。ジャイロスコープ３６の中央の四つの斜行支持ストラット
４０、４２、４４、及び４６が対称に設計されているため、主モードＰでの運動
中、これらのストラットには、その長さに沿って引っ張り力及び圧縮力だけが加
わる。主モードでは、全てのストラットは比較的剛性であり、その結果、エネル
ギはほとんど散逸しない。この理由により、主運動はＱ値（Ｑ ｖａｌｕｅ）が
高いと考えられる。
ジャイロスコープ３６の主運動は、ローレンツの作用に特に適しているが、他
の種類の作用も使用できる。ローレンツの作用を使用した場合には、第８図に示
すように、ジャイロスコープ３６の表面上に導電性トラック５６を付着させる。
ジャイロ本体の平面に対して垂直な磁界（図示せず）が存在している状態で単一
周波電流（Ｉｓｉｎωｔ）がトラック５６に沿って通過し、主モードＰの半径方
向運動が発生する。駆動電流を搬送するストラット４６（上左側）は、これに沿
って流れる正味電流がゼロである。従って、電流搬送導線５６ａ及び５６ｂは、
このストラットには力を全く発生しない。
一つ又はそれ以上の移動センサ６１−６８を基板上の夫々のジャイロ本体部分
４８、５０、５２、及び５４の下に位置決めすることによって、副検出を行うこ
とができる。追加のセンサ７０−７７を隅部に設けてもよい。基板自体は、ガラ
ス製のディスク又は第２のシリコンウェーハである。第９図は、主モード及び三
つの副モードの振幅を検出できる電極６１乃至７７の一つの可能な配置を概略に
示す。電極６１乃至６８は、ジャイロ本体部分４８乃至５４の移動する質量体の
下に位置決めされており、主運動及びＸ副運動及びＹ副運動を検出する。ジャイ
ロ本体の隅部６９ａ−６９ｄの下の電極７０−７７は、三つの副運動を全て検出
できる。
上文中に説明した装置に関し、本発明のこの特定の例の設計のモデリングは、
単結晶シリコンの性能を使用して実施された。ジャイロスコープは、実質的に完
全に対称であり、構造の一方の側を〔１１０〕方向に平行にして〔１００〕シリ
コン上で製造される。〔１１０〕方向に対して４５°に配向してもジャイロスコ
ープ３６の弾性対称性が保存される。
第４図乃至第９図に示す多軸ジャイロスコープには、全体寸法を調整すること
によって調和させなければならない四つの異なるモードがある。Ｘ副モード及び
Ｙ副モードは、多軸ジャイロスコープの対称性によって自動的に調和され、三つ
の独立したモードの調和だけが残る。ジャイロスコープの（ｚ軸方向）厚さは全
体に亘って均等である。このことは、運動が多軸ジャイロスコープ本体３８の平
面内だけにある任意の共鳴、即ち運動がＸ方向及びＹ方向だけに限られた共鳴は
、構造の厚さとは無関係であるということを意味する。主Ｐモード及びＺ副モー
Ｚｓドの両方がこの基準に合致し、及び従って、ジャイロスコープの厚さとは無
関係の共鳴周波数を有する。このことは、有限要素法（ＦＥ）分析で図１０乃至
図１５に示すように確認される。Ｘ副モード及びＹ副モードでは、Ｘｓ、Ｙｓは
平面の外に移動する。即ち、これらはＺ成分を含み、及び従ってこれらの共鳴周
波数はジャイロスコープの厚さに従って変化する。
ジャイロスコープの厚さで決まる成分とジャイロスコープの厚さと無関係の成
分に分離できることは、様々なモードの周波数を調和させる上で極めて有用であ
る。モードを調和するため、先ず最初に、主Ｐモード及び副ＺモードＺｓを調和
するように設計を調節する。即ち、これらの二つのモードは、全体がジャイロス
コープ本体３８の平面内にある。これは、厚さが一定のモデルを使用して行われ
る。この場合、構造の寸法は変化する。ひとたび「平面内モード」が調和された
後、ジャイロスコープの厚さを調節する。この際、ＸモードのＸｓ及びＹモード
のＹｓを主Ｐ及び副ＺモードＺｓと一直線上に置くように、全ての他の寸法が固
定されたままである。
本発明の力学は極めて複雑であり、構造の有限要素分析によって発生したモー
ド形状プロットを参照して最もよく説明する。第１０図は、ジャイロスコープの
構造を示す。第１１図は、構造に加えられた制限を示す。理想的な機械的アース
(ideal mechanical earth)を正方形の中央ジャイロ本体領域３８の一方の面上に
確保し、制限された自由度を矢印で示す。この装置では多くの共鳴モードが生じ
るが、この構造と関連した一つの共鳴モードだけを示す。
第１２図は、問題の第１モード、即ち主モードを示す。プロットは、質量体５
０−５４をジャイロ本体３６の中央領域から最も遠方の箇所で示す。運動は全体
にＸ−Ｙ平面内である。第１３図は、Ｘ副運動を示す。正方形のリングはＸ軸を
中心として揺動している状態で示してある。この運動は、Ｘ軸を中心とした旋回
速度によって生ぜしめられる。更に、この運動は、Ｙ軸に沿って見た第１４図に
示してある。Ｙ副運動について得ることができる。Ｘ副運動及びＹ副運動は同じ
であり、ジャイロスコープの中央を通る軸線を中心として互いに関して９０°回
転させただけである。図１５は関連性のあるモード即ちＺ副運動を示す。このモ
ードは、Ｚ軸を中心とした構造の捩じり共鳴であり、Ｚ軸を中心とした旋回速度
によって生ぜしめられる。
４つのモードを調和させた多軸ジャイロスコープの好ましい実施例の寸法を第
１６図に示す。
加速度計としての感度を最大にするため、ジャイロスコープの剛性が最小にな
るように寸法を調節するのがよい。即ち、これは、質量を大きくし、ビーム及び
／又はストラットを薄くすることによって行われる。
本発明を単なる例として説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、上
述の実施例に変更を加えることができるということは理解されよう。例えば、本
装置は、例えば金属等のシリコン以外の材料から製造できる。
他の種類の変位アクチュエータ（駆動装置）及び変位センサ（検出器）を使用
できるということもまた理解されよう。例えば、圧電駆動装置及び／又は検出器
装置、磁気歪み駆動装置及び／又は検出器、静電容量駆動装置及び／又は検出器
がある。
次に第１８図及び第１９図を簡単に参照する。本発明は、多くの方法のうちの
任意の方法で形成できる。例えば、本体部分を三角形に形成することによって、
非直交軸線Ｘ、Ｙ及びＸ軸及びＹ軸の各々と直交したＺ軸を中心とした検出を容
易にする。この特定の構成では、本体部分１５０、１５２、１５４は、第４図の
ビーム１００−１１５と同様の可撓性ビーム２０２−２１３によって各々支持さ
れている。各ビーム対は、隅部分２２０−２２４に向かって延びており、これら
の隅部分は、一つ又は他のビーム１４０−１４４によって中央ボス１３８に連結
されている。この特定の構成の動作は、図示し且つ上文中に説明した構成と非常
に類似しており、参照符号を附した軸線の各々を中心とした回転により、どの軸
線が回転の中心となっているのかに応じて、本体部分の異なる対が運動する。例
えば、Ｘ軸を中心とした回転は、部分１５０及び１５２の副運動を生じ、及び従
って、この副運動Ｘｓの検出によりＸ軸を中心とした運動及び旋回速度の表示を
提供する。同様に、Ｙ軸を中心とした回転により、部分１５０及び１５４に副振
動Ｙｓを生じるが部分１５２には生じない。Ｚ軸を中心とした回転により全ての
三つの部分に矢印Ｚｓで示す副振動を発生する。従って、この特定の構成は、非
直交軸線を中心として作動し且つ移動を検出するように設計されている場合、本
発明の実際的な例を提供する。確かに、添付図面において参照符号を附した軸線
は、監視される唯一の軸線である必要はなく、第１９図に示す直交軸線Ａ、Ｂを
中心とした回転を監視できる。この構成では、軸線Ａを中心とした回転は、１５
０及び１５４に副振動を発生するが、１５２には発生しない。軸線Ｂを中心とし
た回転は、部分１５２に副振動を発生するが、１５０又は１５４には発生しない
。これらの振動は最大値を持たず、及び従って、検出及び評価が幾分困難である
が、これらは検出を有利に行うオプションを提供する。
以上に鑑み、本発明は一つ、二つ、又はそれ以上の本体部分を使用して一つ、
二つ、又はそれ以上の直交軸線又は非直交軸線を中心とした回転の検出及び／又
は計測を容易に行うことができるということは理解されよう。
運動検出器の出力を処理するため、第９図を参照して論じたセンサと同様のセ
ンサ１６１乃至１６６、及び第１９図に参照番号２５０で概略に示す何等かの形
態の信号処理手段を使用する。このような装置は、各検出器からの信号を処理し
、任意の一つ又はそれ以上の特定の軸線を中心とした回転を示す出力を提供する
ために当業者に周知の方法で形成される。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Solid-state Multi-axis gyroscope present invention relates to gyroscopes, and more particularly to a solid state multi-axis gyroscope. European Patent Application EP-A2-0,427,177 (Murata Manufacturing Co.) describes a vibrating column having an axial hole therethrough and having a piezoelectric drive on its outer surface. I have. By applying a signal to these drives, the column bends and vibrates. When the column rotates, a Coriolis force is generated between the two external electrodes. This type of gyroscope is known as a solid state gyroscope. Another example of a solid-state gyroscope based on a vibrating ring is the M.M. . W. Putty and K.W. It is described in a paper by Najafi, "Precision Machined Vibrating Ring Gyroscope" (see pages 213 to 220). Other examples of solid state gyroscopes are GB Patent Application GB-A-2,272,054 (GEC Marconi) and UK Patent Application GB-A-2,272,053 ( GEC Marconi). The described gyroscope includes a resonator bell mounted on a printed circuit board. Providing one or more conductive tracks on a printed circuit board causes the resonator bell to vibrate and act as a gyroscope. U.S. Pat. No. 5,450,751 (General Motors) discloses a microstructure for a vibratory gyroscope having a ring portion supported so that vibration is not substantially attenuated. The ring portion is conductive and has charge plates for a plurality of radially arranged charge conducting locations. These locations are located around the circumference of the ring and detect radial displacement of the ring. It is used to detect these radial displacements and provide an indication of the Coriolis force on the gyroscope. All of the gyroscopes mentioned above have been found to be effective only in detecting angular rotation about one axis. That is, all of these gyroscopes are called single-axis gyroscopes. Optical gyroscopes are also single-axis gyroscopes. The flywheel gyroscope can be formed as either a single axis gyroscope or a two axis gyroscope. U.S. Pat. No. 5,490,420 discloses a gyroscope device having multiple seismic masses supported on a system of beams. Between these beams, seismic masses are used to detect movement about two or more separate axes. Although detection of rotation about a third separate axis is disclosed, this detection does not include monitoring the movement of the seismic mass itself. For many applications, it is desirable to measure pivoting speed about two, three, or more axes. For example, in a semi-active suspension system for an automobile, it is desirable to detect rotation about all three axes simultaneously, ie, pitch, roll, and yaw. In order to measure the turning speed around all three axes, it was conventionally necessary to use three independent gyroscopes mounted with the detection axes orthogonal. Thus, three single-axis gyroscopes, special packages, and process controls were needed. This has proven to be expensive and complicated. The present invention provides a solid state multi-axis gyro capable of detecting rotation about at least two, preferably three or more axes, of which two or more axes are perpendicular to each other. It has arisen from attempts to solve this and other problems by providing a scope. According to the present invention, a gyro main body portion having a main vibration mode and a sub vibration mode, driving means for driving the gyro main body to the main vibration mode, and the main body rotating about a given axis A gyroscope having detection means for detecting a sub-vibration generated by Coriolis force when the main body portion has two or more independent sub-vibration modes. Each resulting from movement of the body portion about another associated axis, wherein the detecting means includes means for detecting the two or more independent submode vibrations; A gyroscope is provided. Preferably, the gyroscope has two or more gyro body parts, and the detecting means includes means for detecting a sub-vibration of one or more body parts. In a specific configuration, the gyroscope includes a pair of connected main body parts, wherein the driving means drives one main body part, and the detecting means detects a sub-vibration of the other main body part. In an alternative configuration, the gyroscope includes a pair of body portions coupled together, and the detection means includes means for detecting both sub-vibrations of the body portions, and rotates about an associated axis. Means for combining the outputs of the detectors to generate a signal indicative of In a preferred configuration, the gyroscope has two or more pairs of said body portions, each pair being angularly displaced relative to each other pair, thereby providing a rotational axis about a different axis. Make detection easier. In certain configurations, the main vibration mode of each body portion is in a common single plane. The independent sub-vibration modes of each body portion are orthogonal to each other, which advantageously facilitates the detection of rotation about two orthogonal axes. In another preferred configuration, one or more of the one or more body portions has a third minor vibration mode that can be generated as a result of movement about a third axis; The detecting means includes a means for detecting a motion about the third axis by detecting a vibration in the third mode. In the convenient configuration described above, the independent third sub-vibration mode is orthogonal to the other two sub-vibration modes, thereby facilitating detection of rotation about three orthogonal axes. Advantageously, the drive means drives the body part with resonant vibration. Preferably, the secondary vibration is a resonance vibration. Advantageously, the two or more sub-vibration modes are at the same natural frequency, a multiple thereof, or a fraction thereof. The detector means may further include means for determining the magnitude of the sub-vibration modes or each sub-vibration mode, thereby facilitating the determination of the pivot speed about each of the associated axes. It is advantageous. In one particular arrangement, the gyroscope further comprises support means for supporting the main body portion and at the same time enabling generation of the main vibration mode and the sub vibration mode, wherein the support means further comprises: Act on the support boss, and the support boss performs a motion detected during operation. Preferably, when the gyroscope includes two or more body parts, these two or more body parts vibrate radially outward of the boss, and each body part is supported by the support means. Each is connected to the boss. Conveniently, the two or more body parts are connected to each other by a flexible beam forming part of the support means. A preferred embodiment of the present invention will now be described, by way of example only, with reference to the accompanying drawings, and in particular with reference to FIGS. FIG. 1 is an overall view of a motor vehicle showing three axes perpendicular to each other, namely, a pitch axis, a roll axis, and a yaw axis. FIG. 2 is a basic operation of a solid-state single-axis gyroscope. FIG. 3 is a graph showing three axes perpendicular to each other, illustrating the theory; FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of a conventionally known solid-state single-axis gyroscope; FIGS. 10 to 15 are diagrams showing the behavior of the multi-axis gyroscope according to FIGS. 4 to 9, and FIG. 16 is a diagram showing the thickness of the multi-axis gyroscope. FIG. 17 is a diagram showing an example of a dimension of a solid state multi-axis gyroscope of 137 μm in μm; FIG. 17 is a schematic diagram showing a possible assembly process of the gyroscope shown in FIG. And FIG. 19 is a diagram of a form of modification of the present invention. Initially, reference is made to FIGS. 1-3, which will familiarize the reader with certain terminology in the art. FIG. 1 shows the three axes of rotation of a motor vehicle. Rolling occurs when a car with a worn shock absorber leans sideways, for example, after passing through a deep depression, and pitching occurs when the front of the car sinks under the action of sudden braking. Yaw occurs, for example, when the front of a car attempts to change direction due to the action of strong crosswinds after passing under a highway bridge. All of these movements can be corrected by appropriate steering, suspension, and braking systems. For example, to provide a correction signal to an active suspension system of a motor vehicle, the control system requires an input signal for the amount of unwanted movement. Since all of these movements are rotations about any given axis, what is needed is a measurement of the turning or angular velocity. FIG. 2 shows that when the object 10 having a mass m is moving along the x-axis at a linear velocity v represented by vsin (ωt), a turning speed Ω about the z-axis is applied to the main body 10. Shows that a force F is applied in the y-axis direction along the y-axis. The magnitude of the force F is proportional to the turning speed Ω about the z-axis. By monitoring this force, the angular velocity Ω is directly measured. FIG. 3 is an overall schematic diagram of a solid-state single-axis gyroscope 11. It is in the form of an overall square structure and has portions 14, 16, and 18 consisting of rectangular solid beams. These beams are attached to, for example, a glass substrate 20. Beam 16 has a free end 16a that acts as a cantilever. The velocity in the x-axis direction is provided, for example, by piezo activation by energizing the piezo element 21 at the resonance frequency of the free standing part of the beam 16. The turning speed about the z axis generates a secondary motion in the y axis direction. Beam 16a acts as a central electrode between the two capacitor plates 14 and 18. As the beam 16a moves, one capacitance increases and the other capacitance decreases. By examining this capacitance, the turning speed around the z-axis can be known in detail. Details of this device are described in Maenaka and T.M. Shiozawa, in a paper entitled "Study of Silicon Angular Velocity Sensors Using Anisotropic Etching Technology" in 1994, pages 72 to 77 of the document Sensor and Actuator A43. I have. Next, reference is made to FIGS. 4 to 15 which show the multi-axis gyroscope 36 in a perspective view. The central region 38 is connected to the corners of the generally square gyro body by four separate struts 40, 42, 44 and 46. The sixteen beams 100-115 are relatively thin in comparison to the thickness of these beams, so that the rectangular gyro body portions 48, 50, 52, and 54 are easy as shown schematically by arrow P in FIG. But vibrates but does not deform out of the plane of the gyroscope. This radial movement is excited, for example, by the Lorentz force actuation and is known as the main mode. For best performance, the main vibration mode is the resonance mode. Due to the effect of the turning speed, this major mode becomes coupled to one or more distinct secondary resonances. Each of these secondary resonances is generated independently of the other secondary resonances by rotation about the associated axis. The associated axis may or may not be perpendicular to one or more other axes. Used in the present invention is a connection between the primary mode and a number of (eg, x, y, and z) secondary modes. FIG. 5 shows the effect of the turning speed about the x-axis. No Coriolis force is applied to the mass of the body portion referenced 50 and 54. The masses of body portions 48 and 52 are subjected to equal and opposite movements caused by Coriolis forces in a direction perpendicular to the plane of the gyroscope. This Coriolis force causes a rocking movement about the x-axis in the direction of arrow Xs. This is referred to below as the X submode. Since the structure is symmetrical at 90 °, the same applies to the turning speed around the y-axis. In this case, Coriolis force is applied to the gyro body portions 50 and 54, and these portions are applied. Swings in the direction of arrow Ys. FIG. 6 shows this, which is hereinafter referred to as Y sub mode. If the pivoting speed is applied perpendicular to the gyro body about the z-axis, the motion generated in the plane of the structure by the Coriolis force will cause all four gyro body portions 48, 50, 52 and 54 to move. Join. This is shown in FIG. These forces all work together to generate a third rotational movement about the z-axis. This is called a Z sub mode Zs. The gyroscope 36 has one major mode and three minor modes, and uses any two of these modes to provide a multi-axis gyroscope. Due to the symmetry of the structure, two of the sub-modes (Xs, Ys) degrade. Due to the symmetrical design of the four central skew support struts 40, 42, 44 and 46 of the gyroscope 36, during movement in the main mode P, these struts are pulled along their length. Only force and compression are applied. In the main mode, all struts are relatively rigid, so that little energy is dissipated. For this reason, the main motion is considered to have a high Q value (Q value). The main motion of the gyroscope 36 is particularly suitable for Lorentzian action, but other types of action can be used. When the Lorentz action is used, a conductive track 56 is deposited on the surface of the gyroscope 36, as shown in FIG. In the presence of a magnetic field (not shown) perpendicular to the plane of the gyro body, a single frequency current (Isinωt) passes along the track 56, causing a radial motion of the main mode P. The strut 46 (top left) carrying the drive current has zero net current flowing along it. Thus, the current carrying conductors 56a and 56b generate no force on this strut. Sub-detection can be performed by positioning one or more movement sensors 61-68 below the respective gyro body portions 48, 50, 52, and 54 on the substrate. Additional sensors 70-77 may be provided at the corners. The substrate itself is a glass disk or a second silicon wafer. FIG. 9 schematically shows one possible arrangement of the electrodes 61 to 77 capable of detecting the amplitudes of the major mode and the three minor modes. The electrodes 61 to 68 are positioned below the moving mass of the gyro body portions 48 to 54 and detect the main motion, the X sub motion, and the Y sub motion. The electrodes 70-77 below the corners 69a-69d of the gyro body can detect all three sub-motions. With respect to the apparatus described above, modeling of the design of this particular example of the invention was performed using the performance of single crystal silicon. The gyroscope is substantially completely symmetric and is manufactured on [100] silicon with one side of the structure parallel to the [110] direction. The elastic symmetry of the gyroscope 36 is maintained even if the gyroscope 36 is oriented at 45 ° with respect to the [110] direction. The multi-axis gyroscope shown in FIGS. 4 to 9 has four different modes that must be matched by adjusting the overall dimensions. The X and Y submodes are automatically reconciled by the symmetry of the multi-axis gyroscope, leaving only three independent modes reconciliation. The thickness (in the z-axis direction) of the gyroscope is uniform throughout. This means that any resonance whose motion is only in the plane of the multi-axis gyroscope body 38, i.e., resonance whose motion is limited to only the X and Y directions, is independent of the thickness of the structure. I do. Both the primary P mode and the Z secondary mode Zs meet this criterion, and thus have resonance frequencies independent of gyroscope thickness. This is confirmed by finite element method (FE) analysis as shown in FIGS. In the X sub-mode and the Y sub-mode, Xs and Ys move out of the plane. That is, they contain a Z component, and thus their resonance frequency varies according to the thickness of the gyroscope. Being able to separate a component determined by the gyroscope thickness and a component independent of the gyroscope thickness is extremely useful in harmonizing the frequencies of various modes. In order to harmonize the modes, the design is first adjusted to harmonize the main P mode and the sub Z mode Zs. That is, these two modes are entirely in the plane of the gyroscope body 38. This is done using a constant thickness model. In this case, the dimensions of the structure change. Once the "in-plane mode" has been reconciled, adjust the gyroscope thickness. At this time, all other dimensions remain fixed so that Xs in the X mode and Ys in the Y mode are aligned with the main P and sub-Z modes Zs. The mechanics of the present invention are extremely complex and are best described with reference to mode shape plots generated by finite element analysis of structures. FIG. 10 shows the structure of the gyroscope. FIG. 11 shows the restrictions imposed on the structure. An ideal mechanical earth is secured on one side of the square central gyro body region 38, and the limited degrees of freedom are indicated by arrows. Although many resonance modes occur in this device, only one resonance mode associated with the structure is shown. FIG. 12 shows the first mode in question, the main mode. The plot shows masses 50-54 at the furthest point from the central region of gyro body 36. The movement is entirely in the XY plane. FIG. 13 shows the X sub-motion. The square ring is shown swinging about the X axis. This movement is caused by a turning speed about the X axis. Further, this movement is illustrated in FIG. 14 as viewed along the Y axis. It can be obtained for the Y secondary movement. The X and Y sub-motions are the same, only rotated 90 ° with respect to each other about an axis through the center of the gyroscope. FIG. 15 shows a relevant mode, namely the Z sub-motion. This mode is a torsional resonance of the structure about the Z axis, and is caused by the turning speed about the Z axis. The dimensions of a preferred embodiment of a multi-axis gyroscope harmonizing the four modes are shown in FIG. To maximize sensitivity as an accelerometer, the dimensions should be adjusted to minimize the stiffness of the gyroscope. That is, this is done by increasing the mass and thinning the beams and / or struts. Although the present invention has been described by way of example only, it will be understood that modifications can be made to the embodiments described above without departing from the scope of the invention. For example, the device can be manufactured from a material other than silicon, such as a metal. It will also be appreciated that other types of displacement actuators (drives) and displacement sensors (detectors) can be used. For example, a piezoelectric drive and / or a detector device, a magnetostrictive drive and / or a detector, a capacitive drive and / or a detector. 18 and 19 will be briefly referred to. The invention can be formed in any of a number of ways. For example, by forming the main body portion in a triangular shape, detection around the non-orthogonal axes X and Y and the Z axis orthogonal to each of the X and Y axes is facilitated. In this particular configuration, body portions 150, 152, 154 are each supported by flexible beams 202-213, similar to beams 100-115 in FIG. Each beam pair extends toward corner portions 220-224, which are connected to central boss 138 by one or other beams 140-144. The operation of this particular configuration is very similar to the configuration shown and described above, with rotation about each of the referenced axes, which axis is the center of rotation. Depending on the position, different pairs of body parts move. For example, rotation about the X-axis results in a sub-motion of the portions 150 and 152, and thus detection of this sub-motion Xs provides an indication of the motion about the X-axis and the turning speed. Similarly, rotation about the Y axis produces a sub-vibration Ys in portions 150 and 154 but not in portion 152. By the rotation about the Z axis, a sub-vibration indicated by an arrow Zs is generated in all three parts. Thus, this particular configuration provides a practical example of the present invention when designed to operate about a non-orthogonal axis and to detect movement. Indeed, the axes referenced in the accompanying drawings need not be the only axes monitored, but can monitor rotation about orthogonal axes A, B shown in FIG. In this configuration, rotation about axis A produces sub-vibrations at 150 and 154, but not at 152. Rotation about axis B produces a sub-vibration at portion 152 but not at 150 or 154. Although these oscillations have no maximum and are therefore somewhat difficult to detect and evaluate, they offer the option of making the detection advantageous. In view of the above, the present invention uses one, two or more body parts to detect and / or measure rotation about one, two or more orthogonal or non-orthogonal axes. It can be understood that this can be done easily. In order to process the output of the motion detector, sensors 161 to 166 similar to the sensors discussed with reference to FIG. 9 and some form of signal processing means indicated schematically at 250 in FIG. 19 are used. I do. Such devices are formed in a manner well known to those skilled in the art to process the signal from each detector and provide an output indicative of rotation about any one or more particular axes. .
【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項
【提出日】平成１０年１０月２６日（１９９８．１０．２６）
【補正内容】
１．主振動モード及び副振動モードを持つジャイロ本体部分と、
前記ジャイロ本体を駆動して前記主振動モードにするための駆動手段と、
前記本体が所与の軸線を中心として回転したときにコリオリの力により発生し
た副振動を検出するための検出手段とを有するジャイロスコープにおいて、
前記本体部分は、前記主モードと同じ平面内で発生する副振動モード及び別の
平面内で発生する副振動モードを含む二つ又はそれ以上の独立した副振動モード
を有し、これらの副振動モードの各々は、別の関連した軸線を中心とした前記本
体部分の運動の結果として生じ、前記副振動モードの各々の振動数は、前記主振
動モードの振動数と調和する、ことを特徴とするジャイロスコープ。
２．二つ又はそれ以上のジャイロ本体部分を有し、前記検出手段は、一つ又はそ
れ以上の本体部分の副振動を検出するための手段を含む、請求項１に記載のジャ
イロスコープ。
３．連結された一対の本体部分を含み、前記駆動手段は一方の本体部分を駆動し
、前記検出手段は他方の本体部分の副振動を検出する、請求項２に記載のジャイ
ロスコープ。
４．連結された一対の本体部分を含み、前記検出手段は、前記本体部分の両方の
副振動を検出するための手段を含み、関連した軸線を中心とした回転を示す信号
を発生するため、前記検出器の出力を組み合わせるための手段を更に含む、請求
項２に記載のジャイロスコープ。
５．前記本体部分からなる二つ又はそれ以上の対を有し、各対は、各他の対に対
して角変位し、これによって、異なる軸線を中心とした回転の検出を容易にする
、請求項４に記載のジャイロスコープ。
６．各本体部分の主振動モードは、共通の単一の平面内にある、請求項４又は５
に記載のジャイロスコープ。[Procedure of Amendment] Article 184-8, Paragraph 1 of the Patent Act
[Submission date] October 26, 1998 (1998.10.26)
[Correction contents]
1. A gyro body part having a main vibration mode and a sub vibration mode,
Driving means for driving the gyro body to the main vibration mode,
Caused by Coriolis forces when the body rotates about a given axis
Gyroscope having a detecting means for detecting the sub-vibration,
The main body portion includes a sub-vibration mode generated in the same plane as the main mode and another
Two or more independent sub-vibration modes, including sub-modes occurring in the plane
And each of these sub-vibration modes is the book centered around another associated axis.
As a result of the movement of the body part, the frequency of each of the sub-vibration modes is
A gyroscope that is in harmony with the frequency of the dynamic mode.
2. It has two or more gyro body parts, and said detecting means is one or more.
2. The jaw of claim 1 including means for detecting sub-vibrations of more than one body portion.
Iroscope.
3. A driving unit for driving one of the main body portions;
3. The gyro according to claim 2, wherein said detecting means detects a sub vibration of the other main body.
Loscope.
4. A pair of body portions connected to each other, wherein the detecting means includes a pair of body portions.
A signal indicating rotation about an associated axis, including means for detecting secondary vibrations
Further comprising means for combining the outputs of the detectors to generate
Item 3. The gyroscope according to item 2.
5. It has two or more pairs of said body portions, each pair being paired with each other pair.
Angular displacement, which facilitates the detection of rotation about different axes
The gyroscope according to claim 4.
6. 6. The main vibration mode of each body part is in a common single plane.
The gyroscope according to [1].