JP2005503548A

JP2005503548A - 振動ジャイロスコープのレートセンサ

Info

Publication number: JP2005503548A
Application number: JP2003529085A
Authority: JP
Inventors: フェル、クリストファー・ポール; エレイ、レベッカ; フォックス、コリン・ヘンリー・ジョン; マクウイリアム、スチュワート
Original assignee: BAE Systems PLC
Current assignee: BAE Systems PLC
Priority date: 2001-09-14
Filing date: 2002-09-06
Publication date: 2005-02-03
Also published as: GB0122258D0; EP1425552A1; CA2458590A1; KR20040031089A; CN1571914A; US20040118205A1; WO2003025501A1

Abstract

共通軸(Z)の周りに広がっている内側および外側周辺(1a、1b)を有する実質的にリングまたはフープ状構造を持つ実質的に平面振動共振器(1)を含む単一軸のレートセンサであり、レートセンサは、共振器をCos2θ振動モードで振動させる駆動手段(6)と、前記駆動手段に応じて共振器の運動を感知するキャリヤーモードピックオフ手段(7)と、Z軸の周りの回転により誘導されるSin2θ振動モード運動を検出するピックオフ手段(9)と、前記運動をゼロにするためのSin2θ振動モード駆動手段(8)と、共振器を柔軟に支持し、共振器が駆動手段および適用された回転に応答して支持手段に関して振動することを許容する支持手段(2)とを含み、支持手段はL個の支持ビームのみを備え、ここにL≠2^K、K=0、1、2または3である。
【選択図】図４

Description

【技術分野】
【０００１】
この発明は1つの軸上に適用されたレートを感知するためのレートセンサに関連する。
【背景技術】
【０００２】
単一軸のコリオリ（Coriolis）レートセンサにおいてリング形状共振器の使用はよく知られている。このような装置の例はEP 0581407 A1(Norris-Metal リング) 、GB9703357.5(Inductive ジャイロ)、GB9817347.9(Capacitive ジャイロ) およびUS、5,450,751(Delco リング装置)に記述される。これらの装置は図3Aと3Bに示されたように45°の互いの角度で存在する退化したCos2θおよびSin2θモードの使用を成す。作動において、これらのモードの１つの図3Aはキャリヤー振動モードとして励振される。リングの平面に垂直な軸に関して適用された回転は、応答モードにエネルギーを結合するコリオリの力を引き起こし、図3Bのように、応答モードの運動の振幅は適用されたレートに正比例している。
【０００３】
例の知られている装置の全てにおいて、キャリヤーと応答モード周波数が名目上は同じであることが要求される。これらのリング構造を支える脚の構造はリングへの付属の点で作用する個々のスプリング質量の効果を持っている。そういうものとして、したがって、それらはモード周波数をシフトしながら質量と剛性を局所的に変更するだろう。これらの支持の数と位置は、キャリヤーと応答モードの力学が差動的に摂動されないようにしなくてはならない。したがって、両方のモード周波数がシフトされる間、それらは等しい量だけ変化し、周波数分裂は導入されないであろう。これを達成するために必要とされる支持脚の数は4n に等しい、ここにn は波節の直径の数(Cos2θモードについてn=2)であり、kは90°/n により与えられる角分離を有する整数である。これらの装置の全てにおいて、これは8つの等角離間支持脚の使用によって達成される。
【０００４】
これらの脚構造はリングを懸垂することを必要とするが、また、本質的にはそれを減衰しない発振で振動させなければならない。図1はGB9817347.9に記述されたこの型の装置を示し、それぞれ共通の軸7の周りに広がっている内側および外側の周辺1aおよび1bを有する実質的にリングまたはフープ状構造の実質的に平面振動共振器1を有している。8つの柔軟な支持脚9が共振器1を支持するため、および共振器1が強固に固定された中央支持ボス4に関して回転レートに対応して動くことを許可するように、実質的減衰しない発振モードで駆動手段に対応して振動することを許容するために設けられる。それぞれの支持脚2は中央ボス10から共振器5へ向かって延びている第1の直線部分2¹、および共振器5の内側周辺6から共通軸8へ向かって延びているが、第1脚部分2¹から半径方向に置換された第2の直線部分2¹¹を含む。第1および第２の脚部分2¹および2¹¹は振動共振器1と同心な弧状脚部分2¹¹¹によって接続される。3つの脚部品が不可欠に形成されるであろう。
これらのような装置について、脚の半径および接線方向の剛性は、様式の振動がリング構造により支配されるのでそれ自体リングの剛性よりかなり低くなるであろう。半径方向の剛性は脚の弧状のセグメント2¹¹¹の長さにより主として決定される。脚の直線セグメント2¹と2¹¹は接線方向の剛性を支配している。脚のこの設計のために、脚のコンプライアンス比、特に半径方向の剛性についてリングを維持することは、脚構造の弧角度が隣接脚の近接によって制限されるのでますます困難になる。この要件は支持脚の機械的な設計に煩わしい制限を置いて、リング縁に比較して(リングの平面で)薄い脚構造の使用を必要とする。この減少された寸法は、それらの構造が機械的な構造の生産過程で寸法許容差の影響をより受け易くする。これは、モード力学の対称を妨げる脚要素を支持しているこれらの質量と剛性の変化をもたらし、したがってCos2θ振動モード対間で分割している周波数を引き起こす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術で説明される構造は、多くのプロセスを使用してさまざまな材料で作られるかもしれない。そのような装置が金属から作られるところでは、これらは必要である正確な寸法許容差を達成するために、ワイヤ浸食技術を使用して都合よく高い精度に機械加工されるかもしれない。このプロセスは各脚の縁およびリング構造の周りの材料を連続して取り去る機械加工を含む。機械加工している時間、およびしたがって生産費は脚の数に比例して増加する。したがって、脚の数を最少にすることは非常に有益である。同様の考慮が代替のプロセスを使用して他の材料から作られる構造にも適用される。
【０００６】
比較的多くの数の支持脚を有する従来技術配列からどんなより大きい程度にもリング構造の振動に影響を与えることなく、減少した数の支持脚を必要とする平面リング構造を設計することができるのが望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第1の態様によれば、共通軸の周りに広がっている内側および外側周辺を有する実質的にリングまたはフープ状構造を持つ実質的に平面振動共振器を含む単一軸のレートセンサが提供され、レートセンサは、共振器をCos2θ振動モードで振動させる駆動手段と、前記駆動手段に応じて共振器の運動を感知するキャリヤーモードピックオフ手段と、Z軸の周りの回転により誘導されるSin2θ振動モード運動を検出するピックオフ手段と、前記運動をゼロにするためのSin2θ振動モード駆動手段と、共振器を柔軟に支持し、共振器が駆動手段および適用された回転に応答して支持手段に関して振動することを許容する支持手段とを含み、支持手段はL個の支持ビームのみを備え、ここにL≠2^K、K=0、1、2または3である。例えば、3、5、6または7つの支持ビームがあってもよい。
【０００８】
望ましくは、8つの支持ビームより少なくし、これは製造プロセスを簡素化する。
各支持ビームは弧状部分の反対端から延びている第1および第２の直線部分を含むかもしれない。
実施例では、支持ビームは実質的に等角度間隔である。
支持手段が突出したボスを持っているベースを含み、実質的にリングまたはフープ状構造の内側周辺で、リングまたはフープ状構造の前記内側周辺から突出ボスに延ばされた支持ビームによりボスと結合されるのが好都合である。
【０００９】
実施例では、支持ビームの総剛性はリングまたはフープ状構造の剛性より小さい。
【発明の効果】
【００１０】
上で定義された方式は、脚の運動の影響を含むリングまたはフープ状構造の力学の詳細な分析の結果として得られた。本発明は増加した脚寸法（リングの平面における）を採用しても大きい脚のコンプライアンス(リングに比較して)を許容する増加した設計の柔軟性を提供ことができる。そのような設計は寸法許容差の影響に減少した感度を示し、より経済的な製作を許容することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明のより良い理解および本発明がいかにして効果をもたらすかを示すために、付随図面に例示の手段で言及がなされる。
図１および２に示されるように振動構造ジャイロスコープとして使用するに適した従来技術による角度レートセンサは、内側周辺1aと外側周辺1bを有する実質的にリングまたはフープ状の形の構造を持った実質的に平面振動共振器1を含んでいる。内側および外側の周辺1aと1bは、添付の図2で示されるように共通の軸Zの周りで広がっている。共振器1が回転レートに対応して支持手段に関して運動することを許容されるように実質的に非減衰振動モードで駆動されるとき、センサはまた支持手段を含み、それは共振器1を支持し、共振器1が振動することを許容する複数の柔軟な支持ビーム2を順次含む。支持手段はまた、電気的に絶縁材から作られ、かつ突出したボス4を有するベース3を含んでいる。電気的に絶縁材から作られたベース3は電気的にそれを接地する手段を有する。共振器1の内側の周辺1aは支持ビーム2によってボス４と結合され、リングまたはフープ状の形の共振器構造が図2に見ることができるようにボス４から離間されるように、支持ビームは内側の周辺1aからボス４に延びている。支持ビーム2の総剛性はリング状共振器1の剛性よりも小さい。この様に、リング状共振器1およびボス４から自由に懸垂される支持ビーム2のすぐ下の領域に空洞5が設けられる。付随の図面の図1と2で例証された従来技術のセンサにおいて、8つの等角度離間支持ビーム2がある。
【００１２】
共振器構造は、静電気ピックオフ手段を使用して検出される結果としての運動を有する静電気駆動手段によってCos2θモード(図3A参照)周波数で共鳴して励振される。
支持ビーム2と共振器1は結晶シリコンから作られ、センサはまた、共振器1を振動させる静電気駆動手段および共振器1の運動を感知するための静電気感知手段を含んでいる。静電気駆動手段と静電気感知手段は、共振器1の隣接している外側の周辺1bから間隔11で共振器1の平面に実質的に垂直に置かれた表面10を有する変換器の形に結晶シリコンから作られた板状要素6、7、8および9を含んでいる。
【００１３】
静電気駆動手段は共振器1をCos2θキャリヤーモードで振動させるための2つの静電気キャリヤーモード板状駆動要素6を含み、そのキャリヤーモード駆動要素6は共振器1の平面に置かれた固定基準軸Rに関して0°および180°に置かれる。基準軸Rは共振器1の幾何学上の中心からキャリヤーモード駆動要素6の1つの中心点へ取られる。静電気駆動手段はまた、基準軸Rに関して45°と225°に置かれた2つの静電気応答モード板状駆動要素8を含んでいる。
【００１４】
静電気感知手段は、基準軸Rに関して90°と270°に置かれた2つの静電気キャリヤーモード板状ピックオフ要素7と、共振器1の平面に垂直な軸、即ち軸Zの周りのセンサの回転に対応して共振器1の運動を感知する2つの応答モード板状ピックオフ要素9を含み、その応答モードピックオフ要素9は基準軸Rに関して135°と315°に置かれる。
【００１５】
センサがZ軸の周りで回転されるとき、コリオリの力はエネルギーを適用されたレートに正比例して運動の振幅を有する応答モードに結合するであろう。この運動はピックオフ要素9によって検出される。レート誘導運動は、センサが性能利点を与えるために知られている閉ループ構成で作動されることを可能にする応答モード駆動要素8によってゼロにされる。作動のこのモードでは、ゼロにする力は適用されたレートに正比例する。
【００１６】
前述のように、駆動およびピックオフ変換器は結晶シリコンから形成された同じ板状の要素である。共振器1の平面に垂直な板表面10は共振器1の隣接セグメントの面している表面でキャパシターを形成する。板は隣接している変換器要素間で離間している5°の角度を有して40°の角度で対峙する。キャパシター空間11はキャパシター板の領域を横切って一定の値に維持される。共振器1の変換器サイトおよび中央のボス４はガラスなどの電気的に絶縁材を含む支持ベース3に強固に固定される。
【００１７】
共振器構造は駆動およびピックオフ要素に関して固定DCバイアス電圧に維持される。制御回路からの電気接続は、接着ワイヤ(示されない)によって中央のボス４で共振器構造の表面に堆積された金属接着パッド14に作られる。接着パッド15は同様に駆動およびピックオフ要素の上面に堆積される。
【００１８】
脚の運動の影響を含むリングの力学の詳細な分析は、所望の振動モード対の周波数マッチングを維持するために必要な実質的に均等に離間された支持脚の数に関して、利用可能なオプションの範囲を定める開発されるべき簡単な公式を可能にした。
分析は、脚の数の要件が以前に示されたよりもはるかに少ない制限であることを示す。モードが与えられた数の均等に離間された支持脚のためにそれらの周波数分割を有することを示して簡単な公式が引出された。これらの公式は一般に、Nがモード次数であり、L>2で有効である平面の両方と平面CosNθモードに適用できる。≦2ならすべてのモードが分割される。偶数の脚の数Lについて、次数Nのモードのための周波数分割は以下の条件が満たされるときだけ起こるであろう：
N=LK／2
ここにKは整数である。最大の周波数の分割はK=1のとき起り、Kが増加されるとき減少する。脚の数Lが奇数であるなら、周波数分割は以下のところでのみ起こる：
N=LK
最大の分割は再びK=1について起り、Kの値が増加するとき減少する。
【００１９】
Cos2θモードを採用している従来技術の単一軸の平面リング共振器設計にこれらの全般的な原理を適用することは、支持脚の数がもはや8つに制限されないという結論に通じる。以下の公式に一致している支持脚の構造を有する平面リング共振器が組み立てられるかもしれない:
L≠N^K
ここにNはモード次数であり(Cos2θモードについて=2)、Kは値0、1、2または3の整数である。脚は等角度間隔であるであろう。
【００２０】
所望のモード周波数マッチングを保存してコリオリレートセンサに使用するのに適している120°間隔で3つの脚、72°間隔で5つの脚、60°間隔で6つの脚、51.4°間隔で7つの脚等を構成している支持構造が、図4、5および6に示されるように、したがって利用されるかもしれない。8つ以上の脚の提供がモード周波数マッチングを保存するかもしれないが、7つ以上の脚を提供するのは上で議論した理由で不利である。
【００２１】
すべての共振器設計において、支持脚の結合した剛性がリングのものよりも小さいことが必要である。これは、様式の振動がリング構造によって支配され、性能に不利に影響する構造のハブ20を経て結合している熱的に誘導された応力の影響から共振器を隔離する助けになることを確保する。次に、より少ない支持脚を採用することにより、リングコンプライアンス比に必要な脚は増加した幅のより長い支持脚の構造を使用することによって維持されるかもしれない。これは、これらの構造が製作のプロセス中に起こる寸法許容差誤差の影響に影響されやすくないことを表す。このような誤差は、センサ性能に有害であるSin2θおよびCos2θモード間で周波数分裂を引き起こす。これらは所望の性能レベルを達成するため機械的なトリミング手順の使用を通常必要とする。したがって、このトリミング手順の要件を減らすことは費用と製作時間の点から非常に望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明によらない8つの支持脚を持っている振動構造ジャイロスコープの平面図である。
【図２】図1のジャイロスコープの細部の縁の図である。
【図３Ａ】振動がキャリヤーモードとして作動している対称の共振器または振動構造であるCos2θモードを図式的に示す。
【図３Ｂ】図3Aのモードに45°で、しかし応答モードとして作動しているSin2θモードの図式的な図である。
【図４】本発明による3支持脚を有する振動構造ジャイロスコープの平面図である。
【図５】本発明による5支持脚を有する振動構造ジャイロスコープの平面図である。
【図６】本発明による6支持脚を有する振動構造ジャイロスコープの平面図である。
【符号の説明】
【００２３】
1…平面振動共振器 2…支持手段 6…駆動手段 7…キャリヤーモードピックオフ手段 8…Sin2θ振動モード駆動手段 9…ピックオフ手段

Claims

共通軸の周りに広がっている内側および外側周辺を有する実質的にリングまたはフープ状構造を持つ実質的に平面振動共振器を含む単一軸のレートセンサであり、共振器をCos2θ振動モードで振動させる駆動手段と、前記駆動手段に応じて共振器の運動を感知するキャリヤーモードピックオフ手段と、Z軸の周りの回転により誘導されるSin2θ振動モード運動を検出するピックオフ手段と、前記運動をゼロにするためのSin2θ振動モード駆動手段と、共振器を柔軟に支持し、共振器が駆動手段および適用された回転に応答して支持手段に関して振動することを許容する支持手段とを含み、支持手段はL個の支持ビームのみを備え、ここにL≠2^K、K=0、1、2または3であるレートセンサ。
L< 8である請求項１によるレートセンサ。
各支持ビームが弧状部分の反対端から延びている第１および第２の直線部分を含む請求項１または２によるレートセンサ。
支持ビームが実質的に等角度間隔である請求項１乃至３のいずれか１項によるレートセンサ。
支持手段が突出ボスを有するベースを含み、実質的にリングまたはフープ状構造の内側周辺で、リングまたはフープ状構造の前記内側周辺から突出ボスに延ばされた支持ビームによりボスと結合される請求項１乃至４のいずれか１項によるレートセンサ。
支持ビームの総剛性がリングまたはフープ状構造の剛性よりも小さい請求項１乃至５のいずれか１項によるレートセンサ。
実質的に図4、5または6を参照して記述され、および/または実施的に例証されたレートセンサ。