JP2005503550A - 振動ジャイロスコープレートセンサ - Google Patents

Abstract

３軸レートセンサであって、共通軸の周りに延びている、内周部（６）および外周部を備えた実質的にリングまたはフープ形構造を有する実質的に平面の振動共振器（５）、共振器をCos2θの振動モードで振動させる駆動手段（22）、加えられた駆動手段に応答して、共振器（５）の運動を感知するための搬送波モードのピックオフ手段（23）、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸の周りを回転することに応答して、共振器の運動を検出するためのピックオフ手段（25，27，31）、前記運動をゼロにするためのｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸の応答モード駆動手段（24，26，30）、および共振器を柔軟に支持するための支持手段（９）であって、駆動手段（22）および加えられた回転に応答して、支持手段（９）に相関して共振器（５）を振動できるようする支持手段（９）が構成されていて、支持手段（９）が、Ｌ≠２^Ｋ、およびＫ＝０、１、２、または３として、Ｌ本のみの支持桁を有する３軸レートセンサ。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、３本の軸に対して加えられたレートを感知するためのレートセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
コリオリレートセンサにおいて平面リング形共振器を使用することは、よく知られている。第GB 2318184 B号には、このような共振器を使用して、３本の直交軸についてのレート感度を得ることについて記載されている。
第GB 2318184 B号には、図１ａおよび１ｂに示されているような平面内のCos2θ/Sin2θの振動モードの対を、図２ａおよび２ｂに示されている平面外のSinθ/Cos2θの（ロッキング）振動モードの縮退の対と組合せて使用する装置について記載されている。平面内のCos2θのモードは、一般に一定の振動振幅を維持する第１の搬送波モードとして働く。装置が、リングの面に垂直な軸（ｚ軸）の周りを回転すると、コリオリ力が引き起こされ、対応する平面内のSin2θの応答モードへエネルギーが結合される。装置が、リングの面内のｙ軸の周りを回転すると、コリオリ力が引き起こされ、平面外のCosθの応答モードへエネルギーが結合される。装置が、リングの面内のｘ軸の周りを回転すると、コリオリ力が引き起こされ、平面外のSinθの応答モードへエネルギーが結合される。引き起こされた応答モードの運動の振幅は、適切な入力軸の周りの加えられた回転レートに正比例する。
【０００３】
この装置において、搬送波モードの振動数および３つの応答モードの振動数は、名目上、同じでなければならない。これらの振動数が正確に整合するときは、応答モードの振動の振幅が、構造の機械的品質因数（mechanical quality factor, Q）によって増幅される。これは、構造公差を必然的により厳密にする。実際には、適切な場所に材料を加えるか、または取り除くかによって、振動構造または共振器のバランスを精密に調整することが必要である。これにより、モードに対する剛性または質量のパラメータを調節し、モード振動数を差別的にずらす。これらの振動数が整合しないとき、Ｑの増幅は起こらず、ジャイロスコープが適切に働くのに十分な感度をピックオフに与えなければならない。
【０００４】
半径方向に等方性の材料から組立てられる全く支持されていないリング構造において、Ｎを任意の値として、平面内または平面外のSinNθ/CosNθのモードの所与の対は、同じ振動数である。この縮退は、リングを支持するレッグ構造の要件により、摂動される。従来技術の３軸レートセンサの設計において、支持レッグの適切な構成では、支持レッグの数および間隔は、平面内のCos2θ/Sin2θモードと平面外のCos2θ/Sin2θモードの両者の対称性を維持するように構成される。従来は、これを実現するために、４５°の間隔を空けた８本の同じ支持レッグを使用していた。図３は、このような構成を示している。この構成では、中心ボス20は、支持フレーム10上に形成されている。支持レッグ９は、中心ボス20と共振器５の内周部６との間に延びている。図３では、支持レッグの直線状部分９’および９''の長さは相対的に異なっているが、当業者には分かるように、これは標準的な設計のバリエーションの一部であることに注意すべきである。さらに加えて、図３の中心ボス20は、共振器５の半径方向外側支持部の既知の代わりとして与えられていることが分かるであろう。共振器の寸法は、平面内のCos2θ/Sin2θのモードの対の振動数を、平面外のSinθ/Cosθのモードの対の振動数へ整合させるように設定される。
【０００５】
これらのレッグ構造は、リングをつるすが、平面内および平面外の両者の振動における本質的に減衰されていない発振において、リングを振動させることもできなければならない。レッグの全剛性は、平面内および平面外の運動の影響を受けるときは、リング自体の剛性よりも相当に弱くなければならず、したがってモードの振動はリング構造によって決まる。要求されるコンプライアンス比を実現するには、レッグは、リングのリムの幅よりも相当に細くなければならない。このような装置では、レッグの半径方向および接線方向の剛性は、リング自体の剛性よりも相当に弱くなければならず、したがってモードの振動はリング構造によって決まる。平面内の半径方向の剛性は、レッグの円弧状セグメント９'''の長さによって、だいたい判断される。平面内の接線方向の剛性は、レッグの直線状セグメント９’および９''によって決まる。平面外の剛性は、レッグ構造の全長によって判断される。このレッグ設計において、とくに半径方向の剛性において、隣り合うレッグが近いことによって、レッグ構造の円弧の角度が制限されると、リング対レッグのコンプライアンス比を維持するのは、より困難になる。この要件により、支持レッグの機械的設計に煩わしい制約が加わり、リングのリムと比較して（リングの面が）細くなっているレッグ構造を使用することが必要となる。このように寸法が小さくなると、これらの構造は、機械的構造の生成プロセスにおいて寸法公差の影響をより受け易くなる。したがって、これらの支持レッグ要素の質量および剛性が変化し、モードの動力の対称性が乱され、平面内モードの対および平面外モードの対の両者において望ましくない振動数スプリッティングが引き起こされることになる。
【０００６】
従来技術に記載されている構造は、多数のプロセスを使用して、種々の材料で組立てられる。このような装置は、金属から組立てられるとき、ワイヤ侵食技術を使用して、高精度に機械加工され、要求される精密な寸法公差を実現することが好都合である。このプロセスには、各レッグの縁端部およびリング構造の周りの材料を連続的に機械加工することが含まれる。機械加工時間と生成コストとは、レッグ数に比例して増加する。したがって、レッグ数を最少化することが、非常に有益である。他の材料から、代わりのプロセスを使用して組立てられる構造も、同様と考えられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
平面リング構造であって、比較的に多数の支持レッグが構成されている従来技術の構造と比べて、必要な支持レッグ数は、より少ないが、リング構造の振動は（従来技術の構造ほどは）より大きく影響を与えない平面リング構造を設計できることが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様にしたがって、３軸レートセンサであって、共通軸の周りに延びている、内周部および外周部を有する実質的にリングまたはフープ形構造を有する実質的に平面の振動共振器、共振器をCos2θの振動モードで振動させる駆動手段、前記加えられた駆動に応答して、共振器の運動を感知するための搬送波モードピックオフ手段、ｚ軸の周りを回転することに応答して、共振器の運動を検出するためのｚ軸応答モードピックオフ手段、前記運動をゼロにするためのｚ軸応答モード駆動手段、ｘ軸の周りを回転することに応答して、共振器の運動を検出するためのｘ軸応答モードピックオフ手段、前記運動をゼロにするためのｘ軸応答モード駆動手段、ｙ軸の周りを回転することに応答して、共振器の運動を検出するためのｙ軸応答ピックオフ手段、前記運動をゼロにするためのｙ軸応答モード駆動手段、および共振器を柔軟に支持するための支持手段であって、駆動手段および加えられた回転に応答して、支持手段に相関して共振器を振動できるようにするための支持手段が構成されていて、支持手段が、Ｌ≠２^Ｋ、およびＫ＝０、１、２、または３として、Ｌ本のみの支持桁を有する３軸レートセンサを提供する。支持桁は、例えば、５本、６本、または７本であってもよい。
【０００９】
製造プロセスを簡単にするために、支持桁は８本未満であることが好ましい。
各支持桁には、円弧状部分の対向する末端部から延びている第１および第２の直線状部分が構成されている。
実施形態では、支持桁は、実質的に等しい角度間隔を空けている。
【００１０】
支持手段には、突起ボスを有するベースが構成されていて、実質的にリングまたはフープ形構造の内周部は、支持桁によってボスに接続されていて、支持桁は、リングまたはフープ形構造の内周部から突起ボスへ延びていて、したがってリングまたはフープ形構造が、ベースから離れていることが好都合である。
【００１１】
実施形態では、支持桁の全剛性は、リングまたはフープ形構造の剛性よりも弱い。
上述の方式は、リングまたはフープ形構造の動力を、レッグの運動の影響を含めて、詳細に解析した結果として得られた。本発明では、設計の融通性を向上して、（リングに対する）レッグのコンプライアンスをより大きくし、一方で（リングの平面において）より大きい寸法のレッグを用いる。このような設計では、寸法公差の影響を受け難くなり、より経済的に組み立てることができる。
【００１２】
本発明をよりよく理解し、かつ本発明をどのように実行するかを示すために、ここで、添付の図面を参照することにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図４は、３本の軸に対して加えられたレートを感知するためのセンサの平面図を示している。このセンサは、例示的に示されているだけであり、本発明にしたがって、他の構成も使用されることが分かるであろう。
振動構造５は、既に記載したように、実質的に平面で実質的にリング形であり、外側リム７、レッグ19、および中心ボス20を有する。構造５は、絶縁基板層21上のボス20によって位置付けられており、絶縁基板層21は、絶縁酸化表面層を有し、ガラスまたはシリコンで作られている。振動構造５は、駆動要素およびピックオフ要素として働く全ての導体に対して定電圧で維持される。
【００１４】
図４において、Cos2θ搬送波モードでシリコン振動構造５を振動させるための手段には、２つの静電搬送波駆動要素22および２つの静電搬送波ピックオフ要素23が含まれ、駆動要素22は、振動構造５の外側リム７に対して、０°および１８０°に、ピックオフ要素23は、９０°および２７０°に、それぞれ構成されていて、かつ駆動要素22およびピックオフ要素23は、Cos2θモードで振動するとき、外側リム７が半径方向に最大に動いた位置に隣り合う、外側リム７の半径方向外側に位置する。これらの搬送波モード駆動要素22は、振動構造５を発振へ設定するのに使用される。搬送波モードピックオフ要素23は、搬送波モードの腹点に位置付けられ、振動構造５の半径方向の運動を感知する。
【００１５】
駆動要素は、電磁気、静電気、圧電気、熱、または光で運動し、振動構造５の運動は、静電気、電磁気、圧電気、または光の技術を使用して検出される。
ロッキングモードの振動を検出するための手段には、ｘ軸静電駆動要素24、ｘ軸静電ピックオフ要素25、ｙ軸静電駆動要素26、およびｙ軸静電ピックオフ要素27が含まれ、外側リム７に隣り合って、その上位に、垂直方向に間隔を空けて位置し、ｙ軸駆動要素26、ｘ軸駆動要素25、ｙ軸ピックオフ要素27、およびｘ軸駆動要素24は、外側リム７の周りに０°、９０°、１８０°、および２７０°にそれぞれ配置されている。
【００１６】
振動構造５を振動させるための手段には、２つの電磁気のｚ軸応答モード駆動要素30、および２つの電磁気のｚ軸応答モードピックオフ要素31がさらに含まれ、要素30および31は、振動構造５の外側リム７の平面上に位置し、応答モードで振動するとき、外側リム7が半径方向に最大に動いた位置に隣り合う、外側リム７の半径方向外側に位置する。第１のｚ軸応答モード駆動要素30、第１のｚ軸応答モードピックオフ要素31、第２のｚ軸応答モード駆動要素30、および第２のｚ軸応答モードピックオフ要素31は、振動構造５の外側リム７の周りに４５°、１３５°、２２５°、および３１５°にそれぞれ配置されている。
【００１７】
ｘ軸レート応答モードのロッキング運動は、リム７の下の支持基板の表面上に位置しているピックオフ要素25において検出される。この運動は、リム７の下の（ピックオフ要素25と）反対側に同様に位置しているｘ軸駆動要素24を使用してゼロにされる。同様に、ｙ軸のレートの応答運動は、ピックオフ要素27によって同様に検出され、駆動要素26によってゼロにされる。種々の駆動およびピックオフの導電性のサイトは、基板層表面21上に位置するトラッキング32を介して、ボンドパッド33へ接続される。したがって、駆動およびピックオフ回路は、これらのボンドパッドに接続される。ｚ軸のレートの応答モードの運動は、ピックオフ要素31によって検出される。図４のセンサの断面図は、図５に示されている。これは、平面内および表面の導体の配置をより明らかに示している。
【００１８】
３軸ジャイロスコープでは、図６ａおよび６ｂに示されているような平面内のCos2θ/Sin2θの振動モードの対を、図７ａおよび７ｂに示されているような平面外のSinθ/Cosθの（ロッキング）振動モードの縮退の対と組合せて使用する。平面内のCos2θモードは、一般に一定の振動振幅に維持されている第１の搬送波モードとして働く。装置が、リング平面に垂直な軸（ｚ軸）の周りを回転するとき、コリオリ力が引き起こされ、相補的な平面内のSin2θの応答モードへエネルギーが結合される。装置が、リングの面内のｙ軸の周りを回転すると、コリオリ力が引き起こされ、平面外のCos2θの応答モードへエネルギーが結合される。装置が、リングの面内のｘ軸の周りを回転するとき、コリオリ力が引き起こされ、平面外のSin2θの応答モードへエネルギーが結合される。引き起こされた応答モードの運動の振幅は、適切な入力軸の周りの加えられた回転レートに正比例する。
【００１９】
リングの動力を、レッグの運動の影響を含めて、詳細に解析することにより、望ましい振動モードの対の振動数整合を維持するのに必要な、実質的に等しい間隔を空けた支持レッグの数に関して有効なオプションの範囲を定める簡単な方式を展開することができる。
【００２０】
解析により、レッグ数の要件は、既に示したものよりも、制限が相当に緩いことが分かった。何れのモードが、所定数の均等に間隔を空けた支持レッグに対して振動数スプリットするかを示す簡単な方式が得られた。これらの方式は、平面内モードと平面外モードとの両者に適用可能であり、Ｌ＞２において有効である。Ｌ≦２であるときは、全てのモードがスプリットする。レッグＬが偶数であるときは、Ｋを整数として、次の式、すなわち、
Ｎ＝ＬＫ／２
が満たされるときのみ、次数Ｎのモードに対して振動数スプリッティングが生じる。最大振動数スプリッティングは、Ｋ＝１のときのみ生じ、Ｋが大きくなると、低減する。レッグＬが奇数であるときは、
Ｎ＝ＬＫ
であるときのみ、振動数スプリッティングが生じる。ここでも、最大振動数スプリッティングは、Ｋ＝１のときに生じ、Ｋの値が大きくなると、低減する。
【００２１】
これらの一般原理を従来技術に適用すると、３軸設計では、支持レッグ数は８本に制限されないことが分かる。Ｎを、モードの次数（＝Cos2θモードでは、２）とし、Ｋを、値０、１、２、または３の整数として、支持レッグ数についての次の式、すなわち、
Ｌ≠Ｎ^Ｋ
にしたがう平面共振器構造が構成される。レッグには、等しい角度間隔が空けられている。図８ａ、８ｂ、および８ｃに示されているように、１２０°の間隔で３本のレッグ、７２°の間隔で５本のレッグ、６０°の間隔で６本のレッグ、５１．４°の間隔で７本のレッグ、などが構成されている支持構造が使用され、これらは、平面内のCos2θ/Sin2θのモードと平面外のCosθ/Sinθのモードとの必要モード振動数整合を維持している。８本以上のレッグが構成されると、振動数整合はより維持されるが、既に記載した理由のために、不都合がある。
【００２２】
全ての共振器設計において、支持レッグの結合剛性は、リングの剛性よりも弱くなければならない。支持レッグの結合剛性がリングの剛性よりも弱いときは、モードの振動が、リング構造によって決まり、かつ構造のハブ20を介して熱により引き起こされる応力結合の影響（これは、性能に悪影響を与える）から、共振器を切り離すのを助けることが保証される。より少ない数の支持レッグを用いるとき、要求されるレッグ対リングのコンプライアンス比は、より広い幅とより長い長さとを備えた支持レッグ構造を使用することによって維持される。これにより、これらの構造は、組立てプロセス中に発生する寸法公差の誤差の影響を受け難くなる。このような誤差により、Cos2θ/Sin2θのモードの対とCosθ/Sinθのモードの対との間に振動数スプリッティングが引き起こされ、センサの性能が損われる。したがって、一般に、所望の性能レベルを実現するのに、機械的調整手続きを使用することが不可欠である。このために、コストおよび組立て時間に関して、この調整手続きの要件を緩和することが非常に望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】対称の共振器または振動構造における平面内のCos2θ/Sin2θの振動モードの対を示す模式図（図１のａおよびｂ）。
【図２】応答モードとして働いている対称共振器または振動構造における平面外のCos2θ/Sin2θ（ロッキング）振動モードの縮退の対の模式図。（図２のａおよびｂ）。
【図３】本発明にしたがう３軸レートセンサで使用するのに適した従来の振動構造または共振器の平面図。
【図４】本発明にしたがう３軸レートセンサの平面図。
【図５】図４の構造の詳細の断面図。
【図６】搬送波モードとして働いている対称共振器または振動構造におけるCos2モード振動の模式図（図６ａ）、応答モードとして働いている、図６ａのモードに対して４５°の他のSin2θモードの模式図（図６ｂ）。
【図７】搬送波モードとして働いている対称共振器または振動構造における平面外のSin2θ/Cos2θ（ロッキング）振動モードの縮退の対を示す図。
【図８ａ】３軸ジャイロスコープで使用するのに適しており、かつ３本の支持レッグが構成されている振動構造の平面図。
【図８ｂ】３軸ジャイロスコープで使用するのに適しており、かつ５本の支持レッグが構成されている振動構造の平面図。
【図８ｃ】３軸ジャイロスコープで使用するのに適しており、かつ６本の支持レッグが構成されている振動構造の平面図。
【符号の説明】
【００２４】
５・・・振動構造、７・・・外側リム、９・・・レッグ、21・・・基板層表面、22、24、26、30・・・駆動要素、23、25、27、31・・・ピックオフ要素、32・・・トラッキング、33・・・ボンドパッド。

Claims (7)

1. ３軸レートセンサであって、共通軸の周りに延びている、内周部および外周部を有する実質的にリングまたはフープ形構造を有する実質的に平面の振動共振器、共振器をCos2θの振動モードで振動させる駆動手段、前記加えられた駆動手段に応答して、共振器の運動を感知するための搬送波モードピックオフ手段、ｚ軸の周りを回転することに応答して、共振器の運動を検出するためのｚ軸応答モードピックオフ手段、前記運動をゼロにするためのｚ軸応答モード駆動手段、ｘ軸の周りを回転することに応答して、共振器の運動を検出するためのｘ軸応答モードピックオフ手段、前記運動をゼロにするためのｘ軸応答モード駆動手段、ｙ軸の周りを回転することに応答して、共振器の運動を検出するためのｙ軸応答ピックオフ手段、前記運動をゼロにするためのｙ軸応答モード駆動手段、および共振器を柔軟に支持するための支持手段であって、駆動手段および加えられた回転に応答して、支持手段に相関して共振器を振動できるようにするための支持手段が構成されていて、支持手段が、Ｌ≠２^Ｋ、およびＫ＝０、１、２、または３として、Ｌ本のみの支持桁を有する３軸レートセンサ。
2. Ｌ＜８である請求項１のレートセンサ。
3. 各支持桁には、円弧状部分の対向する末端部から延びている第１および第２の直線状部分が構成されている請求項１または２記載のレートセンサ。
4. 支持桁が、実質的に等しい角度間隔を空けている請求項１ないし３の何れか１項記載のレートセンサ。
5. 支持手段には、突起ボスを有するベースが構成されていて、実質的にリングまたはフープ形構造の内周部が、支持桁によってボスに接続され、支持桁が、リングまたはフープ形構造の内周部から突起ボスへ延びていて、したがってリングまたはフープ形構造が、ベースから離れている請求項１ないし４の何れか１項記載のレートセンサ。
6. 支持桁の全剛性が、リングまたはフープ形構造の剛性よりも弱い請求項１ないし５の何れか１項記載のレートセンサ。
7. 添付の図面の図４、５、８ａ、８ｂ、または８ｃを参照して、または実質的に示されているように、あるいはこの両者で、上述で実質的に記載されているレートセンサ。

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