JP2003511684A - レートジャイロスコープ用フィードバック機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 微細加工機械式センサ（１０２）を含む、機械式レートジャイロスコープ（１００）。この機械式センサは、質量に振動を与えるため使用される第１セグメント駆動系（１１４）及び機械式センサが回転を受けるとき質量に印加されるコリオリの力を相殺するため使用される横断セグメント駆動系を含む。この機械式レートジャイロスコープはさらに、第１駆動系が利用する少なくも１サイクルの駆動信号を横断駆動系に与えるため使用される力フィードバック制御機構（１５８，１６４）を含む。この力フィードバック制御機構は、横断駆動系に与えられる駆動信号の極性を制御するため使用されるフィードバック信号を発生する。このフィードバック信号は、印加された角速度に比例するパルス反復周波数を有する。印加された角速度をパルス反復周波数に関係付ける比例定数は、ジャイロスコープの機械的及び電気的特性に対する感応度の低い変換係数を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 関連出願の相互参照

【０００２】 本出願は、１９９９年１０月１３日出願のレートジャイロスコープ用フィード
バック機構と題する米国特許仮出願６０／１５９，２７９号の優先権を主張する
。

【０００３】 連邦補助金研究開発に関する申告 なし

【０００４】 発明の背景 本発明は、一般的に機械的レートジャイロスコープに関し、詳細にはジャイロ
スコープの機械的及び電気的特性に対する感応度の小さい変換係数を有する機械
式レートジャイロスコープに関する。

【０００５】 機械式レートジャイロスコープは、コリオリの効果を利用して、印加された角
速度の測定値を与えることが知られている。在来の機械式レートジャイロスコー
プにおいては、質量、ｍ、を有する本体を、堅固な加速時計枠から柔軟な懸架シ
ステムで支える。堅固な枠が本体速度に直交するレート感知軸の周りに、印加さ
れた角速度、Ω_ＩＮ、で回転するとき、本体は、駆動力Ｆｄにより、速度ｖで振
動させられる。振動と角度変位の複合により、本体には、速度とレート感知軸の
双方に直交する方向に、コリオリの加速度、Ａｃ＝２ｖΩ_ＩＮ、を生じる。した
がって、コリオリの力、Ｆｃ＝ｍＡｃ、が本体に与えられ、それにより本体はコ
リオリの加速度の方向に変位する。

【０００６】 在来の機械式レートジャイロスコープにおいては、本体のこのような変位は、
一般的に機械的又は電気的いずれかの抑制力、例えば、ばね常数、ｋ、を有する
機械式ばねなどにより、抑制される。したがって、コリオリの加速度の方向への
本体の変位は、一般的に式、ｙ＝Ｆｃ／ｋ、により定まる。さらに、本体の変位
は、一般的に、コンデンサの平行板の間の距離の変化が起こす容量変化を測定す
る装置などの変位センサを用いて測定される。コンデンサの平行板のうち１つを
本体に作動的に結合し他の板を堅固な枠に固定しておくと、板の間の距離の変化
が本体の変位に比例する。このような変位センサは、印加された角速度、Ω_ＩＮ 、に比例する出力を生じるので、比例定数、ｋ、は普通にレートジャイロスコー
プの感度と言われる。

【０００７】 在来の機械式レートジャイロスコープの感度、ｋ、には、一般的に複数の変換
係数が含まれる。これらは、機械的寸法、材料特性、及びジャイロスコープとそ
れに対する補助回路の電気的利得、並びにそれらに加わる電圧、電流、及び電磁
場の関数である。在来の機械式レートジャイロスコープの出力は、したがって、
これら変換係数の各種不確実性と不安定性の影響を受ける。このような不確実性
と不安定性は、一般的に、製造工程中に変換係数を測定して釣り合わせ及び／又
はジャイロスコープ出力に専用信号調整回路を設けて出来るだけ小さくする。し
かし、このような余分の製造工程及び信号調整回路を付け加えることは、機械式
レートジャイロスコープ、特に微細加工の機械式レートジャイロスコープのサイ
ズと原価を著しく増加することがある。

【０００８】 したがって、ジャイロスコープの機械的及び電気的特性に対する感応度の小さ
い変換係数を有する改良機械式レートジャイロスコープを有するのが望ましい。
このような改良機械式レートジャイロスコープはサイズが小さく簡単な製造工程
を用いて加工され、それによりジャイロスコープの全体原価を引き下げる。在来
のシリコン微細加工技術を用いて製造することの出来る改良機械式レートジャイ
ロスコープを有することもまた望ましい。

【０００９】 発明の簡単な説明 本発明にしたがうと、ジャイロスコープの機械的及び電気的特性に対する感応
度の小さい変換係数を有する機械式レートジャイロスコープが提供される。この
機械式レートジャイロスコープは、質量に対して振動を与えるため使用される第
１セグメント駆動系、及び同様のセグメントから形成されジャイロスコープが角
度変位を受けたとき質量に加わるコリオリの力を相殺するフィードバック力を発
生するため使用される横断セグメント駆動系を含む。この機械式レートジャイロ
スコープはさらに、第１駆動系が利用する駆動信号の完全サイクル少なくも１つ
を横断駆動系に与えるため使用される力−フィードバック制御機構を含む。この
力−フィードバック制御機構は、横断駆動系に与えられる駆動信号の完全サイク
ルの極性を制御するため使用されるフィードバック信号を発生する。このフィー
ドバック信号は、印加された角速度に比例するパルス反復周波数から成る。印加
された角速度をパルス反復周波数に関係付ける比例定数には、ジャイロスコープ
の機械的及び電気的特性に対する感応度の低い変換係数が含まれる。

【００１０】 この機械式レートジャイロスコープの他の特性、機能、及び様相は、本発明に
関する以下の詳細説明から明らかになるであろう。

【００１１】 発明の詳細な説明 図面との関連で以下の本発明の詳細説明を参照すると本発明がいっそう完全に
理解されるであろう。

【００１２】 １９９９年１０月１３日申請の米国特許仮出願６０／１５９，２７９号を参照
によりここに合併する。

【００１３】 図１は、本発明にしたがう機械式レートジャイロスコープ１００の説明的実施
例の構成図である。図１に示すように、機械式レートジャイロスコープ１００に
は機械式センサ１０２が含まれる。これは、上述の米国特許仮出願６０／１５９
，２７９号に記述するようにシリコン微細加工センサ構造から成る。明細に言う
と、機械式センサ１０２には、堅固な加速度計枠から複数の撓みにより懸垂され
た本体１０６が含まれる。堅固な枠は、シリコン基板に対し複数のアンカー点で
複数の横方向撓みを用いてアンカー止めされている。堅固な枠、複数の撓み、及
び機械式センサ組立体を基板にアンカー止めするためのアンカーは、上記の米国
特許仮出願６０／１５９，２７９号に詳しく記述されている。

【００１４】 本体１０６は、静電式又は電磁式セグメント駆動系として実現されるセグメン
ト駆動系１１４により、駆動軸、ｘ、に沿って振動させられる。図示の実施例に
おいては、駆動系１１４の各々は静電式セグメント駆動系であって、本体１０６
に一体で結合された駆動セグメントの第１セット１１８（即ち、電極又は「指」
）、及び基板にアンカー止めされ駆動セグメントの第１セット１１８と互いにか
み合う駆動セグメントの第２セット１２０（即ち、電極又は「指」）を含む。本
体１０６は、駆動指の第１セット１１８と第２セット１２０との間に印加された
静電駆動力、Ｆｄ、に反応して、駆動軸、ｘ、に沿って速度、ｖ、で振動する。
静電駆動力、Ｆｄ、は、駆動系１１４に対しそれぞれの伝送路１７８と１８０の
上で与えられる交流電圧からなる駆動信号を用いて発生される。代替実施例にお
いては、磁場の存在下で交流電流を適切な電磁式駆動系に印加することにより電
磁駆動力が発生される。

【００１５】 差動容量変位センサ１１６が、本体１０６の振動を感知してそれぞれの伝送路
１４３と１４９の上に信号を与え、それらが振動する本体１０６の振動を持続さ
せるのに用いられる。この例示的実施例において、変位センサ１１６は、本体１
０６に一体で結合された少なくも１つの感知指と、それに対応して基板にアンカ
ー止めされた少なくも１つの感知指を含む。振動する本体に持続振動を与えるた
め適切な静電式駆動系は、横方向駆動共鳴微細構造体と題する１９９１年６月１
８日付でＴａｎｇ外に発行された米国特許５，０２５，３４６に記述されており
、それをここに参照により合併する。

【００１６】 当業者は、本体１０６が駆動軸、ｘ、に沿って振動する一方で、堅固な枠が駆
動ｘ軸に直交するレート感知軸、ｚ、の周りで回転すると、本体１０６は、駆動
軸及びレート感知軸双方に直交する感知軸、ｙ、に沿ってコリオリの加速度、Ａ
ｃ、を受けることを理解するであろう。その結果、堅固な枠が角度変位を受けた
とき、明確なコリオリの力、Ｆｃ、が振動する本体１０６に印加され、それによ
り、振動する本体１０６が感知軸、ｙ、に沿って偏る。

【００１７】 この例示的実施例においては、機械式センサ１０２の堅固な枠は、堅固な枠を
基板から懸垂する横方向撓みの少なくとも一部により、駆動軸、ｘ、の方向に動
かないようになっている。さらに、本体１０６の感知軸、ｙ、の方向への偏位は
、機械的ばねなど少なくも１つの横方向撓みにより抑制されている。好適実施例
においては、振動する本体１０６は、堅固な枠に対し駆動軸、ｘ、の方向にだけ
動くよう束縛されており、堅固な枠は、基板に対し感知軸、ｙ、の方向にだけ動
くよう束縛されている。

【００１８】 振動する本体１０６の、感知軸、ｙ、に沿う偏位は、差動容量変位センサ１１
７を用いて測定する。この差動容量変位センサは、堅固な枠に一体で結合された
感知指の第１セット１４２と、それに対応して基板に固定された感知指の第２セ
ット１４４及び第３セット１４６を含む。堅固な枠と感知指の第１セット１４２
は、振動する本体１０６が基板及び固定感知指の第２セット１１４と第３セット
１４６に対して感知軸、ｙ、の方向に偏位するとき、振動する本体１０６と共に
運ばれることが認められる。変位センサ１１７は、感知軸、ｙ、に沿う本体１０
６の偏位を感知し、感知信号をぞれぞれの伝送路１５２と１５４の上に生じ、そ
の大きさは偏位の大きさに比例する。

【００１９】 上述のように、変位センサ１１６は、信号を伝送路１４３及び１４９の上に生
じ、それらは、機械式レートジャイロスコープ１００が振動する本体１０６の振
動を持続するため用いる。その行き先に、機械式レートジャイロスコープ１００
は、差動増幅器１２６と分路フィードバック抵抗器１３０及び１３２を含む相互
抵抗増幅器１２５を有する。明細に言うと、変位センサ１１６は、伝送路１４３
及び１４９の上で相互抵抗増幅器１２５のそれぞれの入力に対し信号を与える。
相互抵抗増幅器は、これらから逆極性の信号を生じてコンパレータ１６０に送る
。このコンパレータは、それぞれの伝送路１７８及び１８０の上で駆動系１１４
に対し駆動信号を与える。

【００２０】 好適実施例においては、駆動信号が駆動系１１４に与えられて、本体１０６を
機械的共鳴で振動させる。機械式センサ１０２，相互抵抗増幅器１２５，及びコ
ンパレータ１６０はこうして発振回路を形成する。この発振回路では、共鳴する
本体１０６が周波数決定要素であり、相互抵抗増幅器１２５が、機械的共鳴にお
ける本体１０６の振動の持続に必要な位相前進（即ち９０度位相シフト）を与え
る。

【００２１】 また上述したように、変位センサ１１７は、感知軸、ｙ、に沿う本体１０６の
偏位の大きさに比例する大きさを有する感知信号を伝送路１５２と１５４の上に
発生する。この感知信号は、差動増幅器１２８及び分路フィードバックコンデン
サ１３４と１３６を含む増幅器１２７により増幅される。増幅器１２７は、それ
ぞれの伝送路１５２と１５４の上の感知信号を、その位相を保ったまま増幅し、
増幅感知信号をクロススイッチ１３８に与える。このクロススイッチは、図示の
実施例では同期復調装置として働く。

【００２２】 明細に言うと、クロススイッチ１３８は、増幅感知信号を入力信号として、伝
送路１７８と１８０の上の信号を基準信号として受信し、同期的に復調された信
号を低域通過フィルタ１４０に与える。これが復調信号を平均する。好適実施例
において、フィルタ１４０は、積分フィルタとして実現される。フィルタ１４０
は、復調信号からオフセット及びリプルを除去し、復調／平均信号をコンパレー
タ１５６にそれぞれの伝送路１８６と１８８の上で与える。

【００２３】 当業者は、機械式レートジャイロスコープの感度は、ジャイロスコープの機械
的寸法、材料特性、及び電気的利得、及び／又はジャイロスコープの各種構成部
品に印加される電圧、電流、及び電磁場などの関数である複数の変換係数から成
ることを理解するであろう。機械式レートジャイロスコープの説明的実施例１０
０においては、コンパレータ１５６、Ｄ−型フリップフロップ１５８、クロスス
イッチ１６４、及び横断駆動系１６６と１６８を含む力−フィードバック制御機
構を用いて、変換係数がジャイロスコープの機械的及び電気的特性に対する感応
度を小さくしている。

【００２４】 明細に言うと、コンパレータ１５６が復調／平均信号を入力信号として受信し
、デジタル信号をＤ−型フリップフロップ１５８のＤ−入力に与える。このデジ
タル信号は、横断駆動系１６６と１６８が発生して振動する本体１０６に感知軸
、ｙ、に沿って印加される見掛け上のコリオリの力、Ｆｃ、とフィードバック力
、Ｆｆ、との間の差の時間平均値をあらわす。その結果、Ｄ−型フリップフロッ
プ１５８のラッチされた出力は、極性が交互に代わる（即ち、正と負の）複数の
パルスから成る。このパルスは、機械式センサ１０２に印加された角速度、Ω_{Ｉ Ｎ} 、に比例するパルス反復周波数（ＰＲＦ）を有する。上述の力−フィードバッ
ク制御機構を含む機械式レートジャイロスコープ１００は、デルタ−シグマ復調
器として働くことが認められる。

【００２５】 コンパレータ１６０は、相互抵抗増幅器１２５が発生した信号を、その差動入
力に受信し、これら信号の基本周波数成分から成るデジタル出力を、伝送路１７
８と１８０の上でクロススイッチ１６４に与える。コンパレータ１６０はまた、
信号のこの基本周波数成分を伝送路１７８の上でＤ−型フリップフロップ１５８
のクロックの入力に与える。

【００２６】 その結果、Ｄ−型フリップフロップ１５８は、駆動信号のＤ−入力サイクル毎
にデジタル信号をラッチし、そのＱ−出力にあるラッチされた信号を、クロスス
イッチ１６４に与える。Ｄ−型フリップフロップ１５８はまた、ラッチされた信
号の逆転型、Ｖ_ＯＵＴ、をそのノットＱ−出力に与える。クロススイッチ１６４
は、このラッチされた信号を使用し、伝送路１７８と１８０の上で横断駆動系１
６６と１６８に対する駆動信号の準備を制御する。明確には、クロススイッチ１
６４は、横断駆動系１６６と１６８に対しそれぞれの伝送路１８２と１８４の上
に作られる駆動信号の完全サイクルの極性を制御する。横断駆動系１６６と１６
８は、この駆動信号を利用して、フィードバック力、Ｆｆ、を発生し、機械式セ
ンサ１０２が角度変位を受けたとき振動する本体１０６に印加されるコリオリの
力の効果を相殺する。

【００２７】 コンパレータ１５６の発生するデジタル信号は、その値に限界はあるが機能的
制限のないエラー信号の形を取ることが、認められる。さらに、Ｄ−型フリップ
フロップ１５８の出力は、その平均値と角速度との間の長期にわたる機能的マッ
ピング、及び平均値と角速度との間の短期的な概略マッピングを有するフィード
バック信号である。上記のエラー信号は、この近似の目安である。

【００２８】 駆動系１１４と同様に、横断駆動系１６６及び１６８は、静電式又は電磁式セ
グメント駆動系として実現されるセグメント駆動系である。図示の実施例におい
て、横断駆動系１６６は、本体１０６に一体として結合された少なくも１つの駆
動セグメント１７０（即ち、電極又は指）と、基板にアンカー止めされ駆動セグ
メント１７０とかみ合う複数の駆動セグメント１７２（即ち、電極又は指）とを
含む静電式セグメント駆動系である。同様に、横断駆動系１６８は、本体１０６
に一体として結合された駆動指１７４少なくも１つと、基板にアンカー止めされ
駆動指１７４とかみ合う複数の駆動指１７６を含む静電式セグメント駆動系であ
る。機械式レートレートジャイロスコープ１００の或る実施例においては、駆動
系１１４に伴う周縁電磁場に整合させるため、横断駆動系１６６及び１６８の作
動指１７０及び１７４の近くにそれぞれ不作動指を付け加える必要があることを
認なければならない。機械式レートレートジャイロスコープにおける周縁電磁場
整合は、上に参照した米国特許仮出願６０／１５９，２７９に記述されている。

【００２９】 機械式レートジャイロスコープ１００の作動は、以下の解析を参照すると、さ
らに良く理解されるであろう。上述のように、機械式センサ１０２の本体１０６
は、駆動系１１４が駆動軸、ｘ、に沿って印加される駆動力、Ｆｄ、に応じ、速
度、ｖ、で振動する。明細に言うと、駆動力、Ｆｄ、と速度、ｖ、との関係は、
本体１０６の質量を“ｍ”とし、本体１０６から成るシステムの特性周波数応答
を“ω_ｃ”とするとき、式

【００３０】 Ｆｄ ＝ ｍｖω_ｃ （１） にしたがう。２次システムの自然共鳴周波数を“ω_ｃ”とし、自然共鳴周波数、
ω_ｏ、における周波数応答の品質係数を“Ｑ”とすると、一般的に、２次システ
ムの特性周波数応答、ω_ｃ、は、次式であらわされる。

【００３１】 ω_ｃ ＝ ［ω_ｏ ^２＋ｊω（ω_ｏ／Ｑ）−ω^２］／ω （２） さらに、品質係数、Ｑ、は、次式であらわされる。

【００３２】 Ｑ ＝ ω_ｏ／ＢＷ （３） ここで、ＢＷは、自然共鳴周波数、ω_ｏ、に中心を置く３−ｄＢ帯域幅である。

【００３３】 上の（２）と（４）で類似の係数を等しいとすると、自然共鳴周波数、ω_ｏ、及
び品質係数、Ω、を機械式センサ１０２の機械的特性を用いて、次のようにあら
わすことができる。

【００３４】 ω_ｏ ^２ ＝ ｋ_Ｄ／ｍ （５） 及び

【００３５】 ω_ｏ／Ｑ ＝Ｄ／ｍ． （６）

【００３６】 また上述のように、本体１０６の駆動軸、ｘ、に沿う振動は、機械式センサ１
０２のレート感知軸、ｚ、の周りの回転と結合して、感知軸、ｙ、に沿って印加
される見掛けのコリオリの力、Ｆｃ、のため、本体１０６にコリオリの加速度、
Ａｃ、を受けさせる。明細に言うと、コリオリの力、Ｆｃ、は、次式にしたがっ
て、コリオリの加速度、Ａｃ、に対応する。

【００３７】 Ｆｃ ＝ ｍＡｃ （７） Ａｃ ＝２ｖΩ、コリオリの力、Ｆｃ、は、機械式センサ１０２をレート感知軸
、ｚ、の周りで回転させるため印加される角速度を“Ω_ＩＮ”とすると、次式に
したがって、速度、ｖ、に対応するからである。

【００３８】 Ｆｃ ＝ ２ｍｖΩ_ＩＮ （８）

【００３９】 したがって、上記に定義した（１）と（２）を用いて、コリオリの力、Ｆｃ、
の駆動力、Ｆｄ、に対する比は、次式となる。

【００４０】 Ｆｃ／Ｆｄ ＝ ２Ω_ＩＮ／ω_ｃ・ （９）

【００４１】 駆動力、Ｆｄ、は、駆動指の第１セット１１８と第２セット１２０との間に印
加され、フィードバック力、Ｆｆ、は、横断駆動指１７０と１７２との間及び横
断駆動指１７４と１７６との間に印加される。したがって、駆動力、Ｆｄ、のフ
ィードバック力、Ｆｆ、に対する比は、駆動系１１４と横断駆動系１６６及び１
６８の中の指（一般的に、セグメント）数の比を“Ｎ”と定義すると、数値、Ｎ
、に比例する。

【００４２】 Ｆｄ／Ｆｆ α Ｎ （１０） 好適実施例においては、各駆動系１１４のための複数の駆動指１１８が本体１０
６に一体となって結合されており、単一の駆動指１７０と単一の駆動指１７４が
同様に本体１０６に一体となって結合されている。例えば、数値、Ｎ、を４００
とし、フィードバック力、Ｆｆ、は、７０度／秒の角速度、Ω_ＩＮ、に等しいと
する。

【００４３】 当然の帰結として、フィードバック力、Ｆｆ、は、駆動力、Ｆｄ、を数値、Ｎ
、で割ったものに比例する。

【００４４】 Ｆｆ α Ｆｄ／Ｎ （１１） 上に定義した（１１）を用いると、フィードバック力、Ｆｆ、は、したがって次
のようにあらわされる

【００４５】 Ｆｆ ＝ Ｒ（Ｆｄ／Ｎ） （１２） ここで“Ｒ”は、横断駆動系１６６及び１６８が駆動信号を受信して必要なフィ
ードバック力、Ｆｆ、を生じる間の時間量に比例する数値である。

【００４６】 フィードバック力、Ｆｆ、の大きさは、コリオリの力、Ｆｃ、の大きさに等し
いと認められる。したがって、上に定義した（１２）を用いると、コリオリの力
、Ｆｃ、の駆動力、Ｆｄ、に対する比もまた、次式であらわされる。

【００４７】 Ｆｃ／Ｆｄ ＝ Ｒ／Ｎ （１３） 上に定義した（９）及び（１３）を用いると、レート感知軸、ｚ、の周りで回転
させるため機械式センサ１０２に印加される角速度、Ω_ＩＮ、は次式であらわさ
れる。

【００４８】 Ω_ＩＮ ＝（Ｒ／２Ｎ）ωｃ （１４）

【００４９】 上述のように、駆動信号を伝送路１７８及び１８０の上で駆動系１１４に与え
て、機械式センサ１０２を機械的共鳴で作動させるのが好適である。特性周波数
、ωｃ、は、したがって、自然共鳴周波数、ωｏ、に中心のある３−ｄＢ帯域幅
、ＢＷ、に対応する。即ち、

【００５０】 ωｃ ＝ ＢＷ． （１５） 上に定義した（３）及び（１５）を用いると、特性周波数、ωｃ、は、次のよう
にあらわされる。

【００５１】 ωｃ ＝ ωｏ／Ｑ． （１６）
したがって、上に定義した（１４）及び（１６）を用いると、機械式センサ１０
２が機械的共鳴で作動するとき機械式センサ１０２に印加される角速度、Ω_ＩＮ 、は次のようにあらわされる。

【００５２】 Ω_ＩＮ ＝ Ｒ（ωｏ／２）（１／ＮＱ） （１７）

【００５３】 この解析において、コンパレータ１５６が発生するデジタルフィードバック信
号のＰＲＦは、説明を判り易くするため、角周波数、ωｓ、であらわす。さらに
、上述のように、この例示的実施例の機械式レートジャイロスコープ１００は、
デルタ−シグマ変調器として機能する。１−ビットＡ−Ｄ変換を持つデルタ−シ
グマ変調器（即ちコンパレータ）のフィートバック流は、正と負の量子だけから
成る。入力信号が全く無いと、正と負の量子が交互に繰り返されて、平均値がゼ
ロ（０）になる。フィードバック流を変えることの出来る唯一の方法は、量子を
反対極性のものと置き換えることである。したがって、フィードバック流の値は
、量子二つ（２）の増し分でだけ変更することが出来る。この場合、量子は、ω
ｏの全サイクル又はそれらの逆位相等価物を構成し、ゼロフィードバック波形は
、ωｏ成分のない

【００５４】 ωｏ／２ （１８） のように見えるようになる。当然の帰結として、量子がωｓに同等のＰＲＦにお
いてこのように変えられると、フィードバックの時間平均は、次のようにあらわ
される。

【００５５】 Ｒ ＝ ２ωｓ／ωｏ． （１９） したがって、上に定義した（１７）及び（１９）を用いると、角周波数、ωｓ、
は次のようにあらわされる。

【００５６】 ωｓ ＝ｋ_１Ω_ＩＮ （２０）
ここで、

【００５７】 Ｋ_１ ＝ ＮＱ （２１） である。

【００５８】 角周波数、ωｓ、はしたがって、印加された角速度、Ω_ＩＮ、に比例する。加
えて、比例定数、Ｋ_１、は変換係数Ｎ及びＱから成り、これらは機械式レートジ
ャイロスコープ１００の増幅回路又は電気−機械インターフェースからの不確実
性を全く含まない。

【００５９】 図示した実施例において、駆動信号は駆動系１１４にもまた与えられ、機械式
センサ１０２を自然共鳴周波数、ωｏ、から離れて作動させる。例えば、機械式
センサ１０２を、自然共鳴周波数、ωｏ、より上の角周波数、ω、で作動させる
。この場合、特性周波数共鳴、ωｃ、は次のようにあらわされる。

【００６０】 ωｃ ＝ω、ω＞ωｏ （２２） したがって、上に定義した（１４）及び（２２）を用いると、機械式センサ１０
２が自然共鳴周波数、ωｏ、より上で作動するとき機械式センサ１０２に加わる
角速度、Ω_ＩＮ、は、次式であらわされる。

【００６１】 Ω_ＩＮ＝Ｒ（ω／２）（１／Ｎ） 、ω＞ωｏ． （２３）

【００６２】 さらに、Ｄ−型フリップフロップ１５８のクロック入力に与えられる駆動信号
の角周波数は、印加された角周波数、ω（ω＞ωｏ）、に等しいので、この角周
波数、ωｓ、は次のようにあらわされる。

【００６３】 ωｓ ＝Ｒ（ω／２）、ω＞ωｏ． （２４） 上に定義した（２３）及び（２４）を用いると、この角周波数、ωｓ、は次のよ
うにあらわされる。

【００６４】 ωｓ ＝Ｋ_２Ω_ＩＮ、ω＞ωｏ （２５）
ここで

【００６５】 Ｋ_２ ＝ Ｎ． （２６） である。

【００６６】 角周波数、ωｓ、は、したがって、印加された角速度、Ω_ＩＮ、に比例する
。しかし、この場合、比例定数、Ｋ_２、は変換係数、Ｎ、だけから成り、これは
、機械式レートジャイロスコープ１００の増幅回路又は電気−機械インターフェ
ースからの不確実性を全く含まない。

【００６７】 機械式レートジャイロスコープ１００は、ジャイロスコープの機械的及び電
気的特性に対して感応度が低いか又はその影響を全く受けない変換係数を有する
ので、変換係数を測定して釣り合わせその不確実性と不安定性を減少する工程段
階を簡略化するか又は省略することが出来、それにより、機械式レートジャイロ
スコープ１００の全体製造工程が簡単になる。その上、これら不確実性と不安定
性を減少するため専用の信号調節回路もまた、簡略化するか又は省略することが
できるので、それにより、機械式レートジャイロスコープ１００の大きさが小さ
くなる。

【００６８】 上の機械式レートジャイロスコープ１００の説明的実施例を記述したので、
別の代替実施例又は変形を行うことが出来る。例えば、図２は、機械式レートジ
ャイロスコープ１００に対し小型にした機械式レートジャイロスコープ２００を
示す。このような小型化は、相互抵抗増幅器１２５をＤ−型フリップフロップ２
１０及び２１２で置き換えることにより、果たされる。Ｄ−型フリップフロップ
２１０は、そのクロック入力に、外部発生のクロックを受信する。さらに、Ｄ−
型フリップフロップ２１２が、反対極性の駆動信号を、クロススイッチ１６４に
与える。そして伝送路１７８の上に与えられた駆動信号を用いて、クロススイッ
チ１３８を制御し、Ｄ−型フリップフロップ１５８をクロックする。Ｄ−型フリ
ップフロップ２１０及び２１２は、上述の共鳴が、この代替実施例において駆動
信号とフィードバック信号との間に必要な９０度位相シフトを生じるため、必要
とする。

【００６９】 図３は、小型化した機械式レートジャイロスコープ３００を示す。この代替
実施例においては、増幅器１２７をスイッチキャパシタ増幅器３２０で置き換え
ており、これが相互抵抗増幅器の働きをする。スイッチキャパシタ増幅器３２０
が９０度位相シフトを生じるので、クロススイッチ１３８及びＤ−型フリップフ
ロップ１５８の制御入力及びクロック入力は、このときＤ−型フリップフロップ
２１０によりそのＱ出力から与えられる。増幅器１２７もまた、このような９０
度位相シフトを生じる別の増幅器構成に置き換えてよいことが理解される筈であ
る。

【００７０】 当業者はさらに、ここに記述した新規概念から逸脱することなく上述の機械
式レートジャイロスコープの変形及び修正をおこない得ることを、理解するであ
ろう。したがって、本発明は付属請求項の範囲及び精神のみにより制限されるべ
きものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にしたがう機械式レートジャイロスコープの構成図である。

【図２】図１の機械式レートジャイロスコープの第１代替実施例の構成図であ
る。

【図３】図１の機械式レートジャイロスコープの第２代替実施例の構成図であ
る。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１４年１月４日（２００２．１．４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基盤と、質量と、質量を基盤に対して振動させる構成となって
   いる第１セグメント駆動系と、印加された角速度に応じて発生したコリオリの力
   により生じた質量の偏位を測定する構成となっている変位センサと、コリオリの
   力を相殺するためフィードバック力を発生する構成となっている横断セグメント
   駆動系と、を含む機械式センサと、 偏位測定値を受信し、フィードバック力を発生するため偏位測定値に基づいて少
   なくも１つのフードバック信号を、横断駆動系に対し与える構成となっている制
   御回路と、 から成る、機械式レートジャイロスコープであって； 前記第１駆動系が質量に作動的に結合された複数のセグメントを含み、前記横断
   駆動系が質量に作動的に結合された少なくも１つのセグメントを含む、 機械式レートジャイロスコープ。
2. 【請求項２】前記第１駆動系と前記横断駆動系とが静電式駆動系である、請
   求項１に記載の機械式レートジャイロスコープ。
3. 【請求項３】前記第１駆動系と前記横断駆動系とが電磁式駆動系である、請
   求項１に記載の機械式レートジャイロスコープ。
4. 【請求項４】前記制御回路が、変位センサにより与えられ偏位に比例する大
   きさを有する感知信号少なくも１つを受信し、その感知信号を用いてコリオリの
   力とフィードバック力との間の差の時間平均をあらわすエラー信号を発生する構
   成となっている、請求項１に記載の機械式レートジャイロスコープ。
5. 【請求項５】前記制御回路が、さらにエラー信号を用いて横断駆動系に対す
   る少なくも１つのフィードバック信号の準備を制御する構成となっている、請求
   項４に記載の機械式レートジャイロスコープ。
6. 【請求項６】前記エラー信号が、印加された角速度に比例するパルス反復周
   波数から成る、請求項４に記載の機械式レートジャイロスコープ。
7. 【請求項７】少なくも１つの前記フィードバック信号が、質量を基盤に対し
   て振動させるため第１駆動系に与えられる駆動信号の少なくも１サイクルから成
   る、請求項１に記載の機械式レートジャイロスコープ。
8. 【請求項８】基盤と、 質量と、 質量を基盤に対し結合する構成となっている懸垂系と、 質量を基盤に対し振動させる構成となっている第１セグメント駆動系と、 コリオリの力により生じた質量の偏位を測定する構成となっている変位センサと
   、 質量の偏位を相殺するフィードバック力を発生する構成となっている横断セグメ
   ント駆動系と、 から成る、機械式センサ。
9. 【請求項９】前記第１駆動系が質量に作動的に結合された複数のセグメント
   を含み、横断駆動系が質量に作動的に結合された少なくも１つのセグメントを含
   む、請求項８に記載の機械式センサ。
10. 【請求項１０】前記基盤が回路基板であって、少なくとも前記質量がその基
    板上に微細加工された、請求項８に記載の機械式センサ。