JP4375819B2 - ２軸ジャイロスコープ - Google Patents
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Description
技術分野
本発明は、２軸ジャイロスコープに関する。振動構造ジャイロスコープは、共振要素として様々な異なる構造物を使用して製作することができる。これらは、ビーム、音叉、シリンダ、半球形シェル及びリングを含む。成功する商業的活用は、コストを最小限にしながら、装置性能を最適化することによる。いくつかの適用のためのさらなる目的は、装置のサイズを減少することである。
背景技術
いくつかの従来の振動構造物ジャイロ設計は、現代のマイクロ機械加工技術を使用する製作に適切である。これらは、バルクシリコン、ポリシリコン又は電鋳金属から製造される。これらの製作方法によって、高容量で、コストを減少して、小型ジャイロを生成することができる。
ジャイロスコープ装置用の多くの適用は、少なくとも２本の軸に対する角速度感度を必要とする。従来の振動構造ジャイロは、１軸の角速度感度を提供しており、したがって、直交する軸に沿って整合配置されなければならない２つの装置を必要とする。２本の軸に対する角速度を同時に検知することが本質的に可能である共振器設計を組み込む振動構造ジャイロスコープは、したがって、多大な利益がある。単一の装置は、したがって、明らかにコスト的に利益があるため従来の１軸の２つのユニットに取って代わる。また、１軸の２つのジャイロを装着し整合配置する過程が必要ではなくなる。
したがって、２本の軸に対する角速度を同時に検知することができる改良された振動構造ジャイロスコープ設計が必要である。
発明の開示
本発明の１つの形態によれば、共通軸のまわりに延在する内周囲及び外周囲を備えた実質的にリング又はフープ様形状の構造物を有する実質的に平坦な振動共振器と、共振器をＣｏｓｎθ（ｎは２又はそれより大きい整数値である）平面外搬送波モードで振動させるための搬送波モード駆動手段と、共振器を可撓的に支持するための支持手段であって、搬送波モード駆動手段にレスポンスして支持手段に対して共振器が振動するのを可能にする支持手段と、共振器の平面外運動を検知するための搬送波モードピックオフ手段と、Ｘ軸を中心にしたジャイロスコープの回転にレスポンスした共振器の平面内Ｃｏｓｎ1θレスポンスモード運動を検知するためのＸ軸レスポンスモードピックオフ手段であって、ｎ1は、ｎ＋１又はｎ−１の値であるＸ軸レスポンスモードピックオフ手段と、Ｙ軸を中心にしたジャイロスコープの回転にレスポンスした共振器の平面内Ｓｉｎｎ1θレスポンスモード運動を検知するためのＹ軸レスポンスモードピックオフ手段であって、ｎ1は、ｎ＋１又はｎ−１の値であって、Ｘ軸レスポンスモードのものと同一であるＹ軸レスポンスモードピックオフ手段と、を含む２軸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、共振器のＸ軸レスポンスモード運動をゼロにして、ジャイロスコープを強制フィードバック構成で操作するのを可能にするためのＸ軸レスポンスモード駆動手段を含む。
好都合なことに、ジャイロスコープは、共振器のＹ軸レスポンスモード運動をゼロにして、ジャイロスコープを強制フィードバック構成で操作するのを可能にするためのＹ軸レスポンスモード駆動手段を含む。
有利なことに、支持手段は、共振器を支持部に可撓的に接続する複数の可撓性のある脚部を含み、脚部の数はＮ＝４ｎ1によって与えられ、脚部の間の角度分離は３６０°÷Ｎによって与えられる。
好ましくは、前記Ｃｏｓｎθ平面外搬送波モード、前記Ｃｏｓｎ 1 θレスポンスモード、及び前記Ｓｉｎｎ 1 θレスポンスモードが共に整合している。
好都合なことに、前記搬送波モード駆動手段に、前記共振器の平面から間隔を空けて、かつ共振器平面中の固定基準軸に対して所定の角度で配置された少なくとも２つの駆動素子が含まれ、前記搬送波モードピックオフ手段に前記固定基準軸に対して所定の角度で配置される少なくとも２つのピックオフ要素が含まれ、前記Ｘ軸レスポンスモードピックオフ手段に、前記共振器の平面内共振振動のアンチノード位置に隣接して、前記固定基準軸に対して所定の角度で配置された少なくとも１つのピックオフ要素が含まれ、かつ、Ｙ軸レスポンスモードピックオフ手段に、前記共振器の平面内共振振動のアンチノード位置に隣接して、前記固定基準軸に対して所定の角度で配置された少なくとも１つのピックオフ要素が含まれる。
発明を実施するための最良の形態
本発明をよりよく理解するために、且つ本発明がどのように実施されるかを示すために、例として、添付図面を参照して説明する。
すべての従来の振動構造ジャイロ設計に共通な特徴は、共通搬送波モード発振を維持する。これは、ジャイロが適切な軸を中心にして回転するときにコリオリ力Ｆcを生成する直線運動量を提供する。この力の大きさ、下記式によって与えられる。
Ｆc＝２Ωｍｖ ・・・（１）
ただし、Ωは加えられた角速度であり、ｍは質量であり、ｖは線速度である。速度ベクトル、回転ベクトル、力ベクトルは、添付図面の図１ａに示されるように、相互直交軸に沿って位置する。
振動構造ジャイロ用のもっとも簡単な用具が図１ａに示されるビーム１である。搬送波モード振動は、図１ａ、図１ｂに示されるｘｚ平面の曲げモーションである。ビーム１の軸（ｚ軸）に加えられた回転が、搬送波周波数でビーム１をｙｚ平面のモーションに設定するコリオリ力を発生させる。この軸におけるモーションの振幅は、加えられた回転角速度に比例する。そのような装置の感度は、コリオリ力が直接共振モードを励起するように構造物を設計することによって高めることができる。モーションの振幅は、次いで、共振モードのＱによって増幅される。等方性材料から作られる簡単なビーム１用に、これは、ｘ寸法とｙ寸法ととが整合された方形断面のビームを使用して、達成される。
ｙ軸を中心にした回転も、ビーム１にコリオリ力を引き起こす。これは、ビームの長さ方向（ｚ軸）に沿って作用する。ビームは、この方向できわめて堅く、したがってこれらの力に対してレスポンスしない。しかし、１軸に沿ったこの簡単な線振動は、２本の軸を中心にした回転に対してレスポンスすることができる。これらのレスポンスに基づいた実際的なジャイロスコープの用具は、これらのコリオリ力の成分を適切な軸に沿ったレスポンスモードに直接連結することができる共振器設計を必要とする。
Ｃｏｓｎθ平面外搬送波モードを使用する平坦なリング構造物は、本質的に２軸角速度感度が可能である。搬送波モードモーションは、単一の方向（ｚ軸）に沿っており、したがって、構造物が平面内軸のいずれかを中心にして回転するときにコリオリ力が発生する。ジャイロスコープとして実際に使用するために、コリオリ力によって誘発されたモーションの振幅は、適切な角速度測定感度を提供するのに十分なものでなければならない。この感度は、この力が平面内共振モードに直接連結することができ、それによって誘発されたモーションを共振モードのＱによって増幅するならば、達成することができる。
完全なリング共振構造物のために、Ｃｏｓｎθ平面外振動モードは、（９０／ｎ）°の相互角度で縮退対として存在する。共振器の平面にある固定された参照軸Ｒを使用すると、これらのモード対は、Ｃｏｓｎθ及びＳｉｎｎθ変位を呈する形状を有する。モードの図表用の固定されたθ＝０°の参照軸Ｒは、正の方向のｙ軸に沿っている。ｎ＝１用のモード形状は、図２ａ、２ｂに示される。１振動サイクルの間の、励起されていないリング位置から最大変位の２つの極値は、対の各モード用に示される。軸は、半径１．０のリング（任意のユニット）用に、励起されていないリング位置（点線）からの変位を示す。モードは、９０°の相互角度で存在する。ｎ＝２用のモード形状は、同様に図３ａ、３ｂに示される。これらは、４５°の相互角度で存在する。ｎ＝３モード用の対応する形状は、図４ａ、４ｂに示され、３０°の相互角度で存在する。
Ｃｏｓｎθ平面外搬送波モードを使用すると、リングの平面にある軸に沿った回転は、コリオリ力を生じさせる。ｙ軸を中心にして加えられた回転が、ｘ軸に沿って作用するコリオリ力を生じさせる。これらの力の分配は、角位置θで変動し、半径方向の成分及び接線方向の成分に分解されてもよい。ｙ軸を中心にして加えられた回転、Ωy用に、これらの力の成分は、下記式によって与えられる。
Ｆcr（θ）＝Ｆ(n+1)rΩyＳｉｎ（ｎ＋１）θ＋Ｆ(n-1)rΩyＳｉｎ（ｎ−１）θ・・（２）
Ｆct（θ）＝Ｆ(n+1)tΩyＣｏｓ（ｎ＋１）θ−Ｆ(n-1)tΩyＣｏｓ（ｎ−１）θ・・（３）
ただし、Ｆcr（θ）は、半径方向に方向づけられた平面内コリオリ力の分配であり、Ｆct（θ）は、接線方向に方向づけられた平面内の力の分配である。パラメータＦ(n+1)r、Ｆ(n-1)r及びＦ(n+1)t、Ｆ(n-1)tは、リング及び支持手段の正確な形状、材料、及びｎの値に依存する定数である。
同一の搬送波モードのために、ｘ軸を中心にした回転は、ｙ軸に沿って作用するコリオリ力を誘発する。これらもまた、半径方向の成分及び接線方向の成分に分解されてもよく、加えられた回転、Ωx用に、これらの力の成分は、下記式によって与えられる。
Ｆcr（θ）＝Ｆ(n+1)rΩxＣｏｓ（ｎ＋１）θ＋Ｆ(n-1)rΩxＣｏｓ（ｎ−１）θ・・（４）
Ｆct（θ）＝Ｆ(n+1)tΩxＳｉｎ（ｎ＋１）θ−Ｆ(n-1)tΩxＳｉｎ（ｎ−１）θ・・（５）
これらの力の成分は、リング共振器の平面内振動モードを直接励起するように使用されてもよい。ｎ1＝１、２、３、４用の平面内振動モード形状は、図５ａ〜８ｂに示される。これらのモードは、（９０／ｎ1）°の相互角度で縮退対として存在する。この図は、呼称半径１．０（任意のユニット）のリング用の静止位置から最大の変位を示す。これらのモードが励起される方法は、特定の搬送波モードのために例として例示される。
ｘ軸を中心にして回転した、Ｃｏｓ２θ平面外搬送波モードに励起されるリング共振器用に、半径方向のコリオリ力の成分が、Ｃｏｓθ及びＣｏｓ３θ機能形態で発生する。これらは、図９ａ、図９ｂに図示される。点線２は、ｘ軸及びｙ軸がリングの中心を通る呼称半径１．０（任意のユニット）のリング用の静止位置を示す。力は、中心点（０、０）を通って半径方向に作用し、その大きさは実線３によって示される。これは、リング周辺上に散在する点に作用する力ベクトルを表す矢印４によってよりグラフィックに示される。接線成分用に同様の図を作成することができる。これらの力成分は、図５ａ、図７ａに示されるリングの平面内振動モードの成分に整合する機能形態を有する。ｙ軸を中心にした回転の結果として、Ｓｉｎθ及びＳｉｎ３θの機能形態を備えたコリオリ力の成分が生じる。これらは、図１０ａ、図１０ｂに示される。これらの機能形態は、図５ａ、図７ａに示されるモードパターンに整合する。
実際的なジャイロ設計を実行するために、レスポンスモードモーションの振幅は最大限にされなければならない。これは、搬送波モードの周波数とレスポンスモードとが整合するように、リング寸法が設計されることを必要とする。結果として得られるモーションは、したがって、共振モード振動のＱによって増幅され、感度を高める。平面外モード周波数は、リングの深さ（ｚ軸の寸法）の変化によって大幅に影響される。平面内モード周波数は、この変化に対してレスポンスせず、したがって、平面外搬送波の周波数と平面内レスポンスモードとを区別して変えて、それらのバランスを取ることができる。適切なリング寸法を使用すると、本発明の第１の実施の形態による実際的な２軸ジャイロスコープは、Ｃｏｓ２θ平面外搬送波モードを、Ｓｉｎθ及びＣｏｓθ平面内レスポンスモードと組み合わせて有する。リング寸法は、同一の搬送波モードを、Ｓｉｎ３θ及びＣｏｓ３θ平面内レスポンスモードと組み合わせて使用して、本発明のさらなる例を実行するように選択することができる。
本発明による別の２軸ジャイロスコープ設計は、式２〜５に示されるように、代替の搬送波とレスポンスモードとの組み合わせを使用する。Ｃｏｓ３θ平面外搬送波モードを、Ｓｉｎ２θ及びＣｏｓ２θ平面内レスポンスモードと組み合わせて使用してもよい。この同一の搬送波モードを、Ｓｉｎ４θ及びＣｏｓ４θレスポンスモードと組み合わせて使用することもできる。さらなる高次モードの組み合わせも可能であるが、実行するにはあまり実際的ではなくなる。その有用性は、駆動要素及びピックオフ要素の複雑な配置を使用しなければならないモード形状の複雑さによって制限される。
本発明による２軸ジャイロスコープは、Ｃｏｓ２θ平面外搬送波モードを、Ｓｉｎθ及びＣｏｓθ平面内レスポンスモードと組み合わせて使用することによって、作ることができる。このジャイロスコープは、３モードの周波数が整合されることを必要とする（１つの搬送波モード＋２つのレスポンスモード）。均一な厚さの完全に対称的なリング５のために、Ｓｉｎθ及びＣｏｓθのモード対は、同一の周波数を有する。平面外モードは、縮退対としても存在し、したがって、搬送波周波数で、４５°の角度で、Ｓｉｎ２θモードである。実際の用具において、モードの間で周波数の分離を故意に誘発することが便利である。これも、搬送波モード位置を、リング５の固定した配向に設定する。これは、わずかな構造的不完全さが必然的に存在する実際的なジャイロスコープの設計のために、搬送波モードモーションを動揺させることがある平面外モードの間で望ましくない相互作用を防ぐという利点を有する。
本発明のジャイロスコープのために、搬送波モードはＣｏｓｎθオーダーでなければならず、ただしｎは、２又はそれ以上の整数値であり、たとえば、Ｃｏｓ２θ、Ｃｏｓ３θ、Ｃｏｓ４θ等である。レスポンスモードは、Ｓｉｎｎ1θ又はＣｏｓｎ1θでなければならず、ただしｎ1は、ｎ＋１又はｎ−１の値であり、たとえば、Ｓｉｎθ、Ｓｉｎ２θ、Ｓｉｎ３θ等である。
平面内レスポンスモードの縮退を維持しながら、平面外周波数を分割することは、リング５用の支持脚部（図示せず）の数及び配向を正しく選択すれば、可能である。脚部は、リング５を中央支持部６に接続し、モード動力を局所的に動揺させる点ばね質量として作用する。周波数分割を防ぐために、脚部の数及び角度位置はモード対称に整合しなければならない。いずれのＳｉｎｎθ縮退モード対のために、この数は下記式によって与えられる。
脚部の数Ｎ＝４ｎ1 ・・・（６）
角度分離は、３６０°÷Ｎによって与えられる。
したがってＣｏｓθモード対のために、この状態は、９０°分離で４本の脚部を使用して達成することができる。支持脚部のこの配置は、Ｃｏｓ２θ平面外モードを分割し、したがって、必要に応じてその配向をリング５に固定する。
振動共振器５は、実質的に平坦で、実質的にリング又はフープ様形状の構造物を有し、内周囲及び外周囲は固定された参照軸のまわりに延在する。
本発明による振動構造ジャイロスコープは、標準製作及び機械加工技術を使用して製造される。それらは、マイクロ機械加工技術を使用する製作にも適切である。操作の原則及び、駆動及びピックオフ配向は、製作ルートに関係なく同一である。共振器リング５は、金属、石英、ポリシリコン又はバルクシリコンを含む適切な機械加工特性を有するいずれの材料から製造することができる。リング５のモードは、様々な駆動変換器を使用して発振に駆動することができる。これらは、静電性手段、電磁石性手段及び圧電性手段を含む。モーションの振幅は、同様に、静電性手段、電磁石性手段又は圧電性手段を含む様々な変換器を使用して検出することができる。駆動及びピックオフ変換器は、平面外モーション又は平面内モーションを開始して検出するように位置決めされる。
好適な実施の形態では、静電性の駆動手段及びピックオフ手段を使用する。この用の駆動要素及びピックオフ要素の配向は、図１１に示される。共通軸Ａの周りを延在する内周囲及び外周囲を有するリング５の場所は、破線によって示される。平面外Ｃｏｓ２θ搬送波モードは、リングリムの直接下にある固定された参照軸Ｒに対して０°及び１８０°に位置する駆動要素７を使用して発振に駆動される。リング５は、駆動要素７及びピックオフ要素８に対して固定した電位で維持される。個別のコンデンサが、これらの駆動要素７と、リング５の下側の対向するセグメントとの間に形成される。発振電圧が搬送波周波数で駆動要素７に加えられ、したがって、リング５を共振発振に設定する静電力を発生させる。ピックオフ要素８は、９０°及び２７０°に位置し、同様に、ギャップが変動するときにリング５のモーションを検出するコンデンサを形成する。
ｘ軸を中心にした回転は、０°及び１８０°で波腹を有するＣｏｓθ平面内レスポンスモードにエネルギを連結する。ｙ軸を中心にした回転は、９０°及び２７０°で波腹を有するＳｉｎθモードにエネルギを連結する。駆動要素及びピックオフ要素は、これらの点に隣接するいずれの適切な組み合わせに位置してもよい。これらは、リング５の外周囲のまわりに同心的に位置する電極を具備する。リングの面に直角な電極面は、リング５の隣接して面するセグメントを備えたコンデンサを形成する。便利なことに、ｘ軸レスポンスモードモーションは０°に位置するピックオフ９によって検出される。１８０°に位置する駆動要素１０を使用して、モードの運動をゼロにしてジャイロスコープを強制フィードバック構成で操作することができる。このモードで操作されるときに、ゼロ化駆動は、加えられた角速度に比例する。このモードの操作は、開ループモードに対して有利な性能を提供することが知られている。ｙ軸レスポンスモードモーションは、９０°に位置するピックオフ要素１１によって検出される。２７０°に位置する駆動要素１２は、ジャイロスコープが強制フィードバックモードで操作することを可能にする。
図１２は、ｙ軸に沿ったリング共振器５の中心を通って図１１の線Ａ−Ａに沿った断面図を示し、装置のさらなる詳細を示す。ｘ軸及びｙ軸の駆動要素及びピックオフ要素９、１０、１１、１２は、電気的に絶縁な支持体層１４の表面におかれた伝導サイト１３である。これらのサイト１３は、トラックを介して、制御回路に電気的に接続することができるボンドパッド（図示せず）に接続される。リング５は、支持脚部（図示せず）を介して、中央支持部６に取り付けられる。この支持部６はリング５の下に延在し、支持脚部は、支持体層１４の上に自由に懸垂される。平面外モード駆動要素及びピックオフ要素７、８は、支持体１４に堅く取り付けられ、トラッキングとボンドパッド（図示せず）とが所望により設けられ、制御回路への接続を可能にする。
図１１、図１２のジャイロスコープに対してさらに修正することが可能である。たとえば、さらなる第２の絶縁支持体層（図示せず）が、共振器リング５の上に堅く固定され、平面外モード駆動及びピックオフコンデンサ要素サイト１３を複製し、これが、ｘ軸及びｙ軸に沿ってジャイロスコープの感度を上げる。しかし、これは、製作過程を複雑にし、ジャイロスコープの本質的な設計特徴又は機能を変えない。
本発明の２軸ジャイロスコープは、同一のＣｏｓ２θ平面外搬送波モードを、Ｓｉｎ３θ及びＣｏｓ３θ平面内レスポンスモードと組み合わせて使用して、製作することができる。この設計のために、Ｃｏｓ２θ平面外モード周波数を分離しながら、Ｃｏｓ３θ平面内モード対称を維持する必要がある。これは、３０°の角度分離で１２本の支持脚部を使用することによって達成される。
駆動要素及びピックオフ要素の適切な配置は図１３に示される。搬送波モード駆動要素７は０°及び１８０°に位置し、ピックオフ要素８は９０°及び２７０°に位置する。ｘ軸を中心にした回転は、Ｃｏｓ３θレスポンスモードを励起する。ｘ軸レスポンスモードピックオフ要素９は、０°、１２０°、２４０°に位置し、駆動要素１０は、６０°、１８０°、３００°に位置する。ｙ軸を中心にした回転は、Ｓｉｎ３θレスポンスモードを励起する。ｙ軸モードピックオフ要素１１は、３０°、１５０°、２７０°に位置し、駆動要素１２は、９０°、２１０°、３３０°に位置する。
本発明の２軸ジャイロスコープは、Ｃｏｓ３θ平面外搬送波モードを、Ｓｉｎ２θ及びＣｏｓ２θ平面内レスポンスモードと組み合わせて使用して、製作することができる。平面内レスポンスモードのモード対称を維持することは、４５°の角度分離で８本の支持脚部を使用することを必要とする。この用具用の駆動要素及びピックオフ要素の配向は図１４に示される。搬送波モード駆動要素７は、０°、１２０°、２４０°に位置し、ピックオフ要素８は、６０°、１８０°、３００°に位置する。ｘ軸を中心にした回転は、Ｃｏｓ２θレスポンスモードを励起する。このモード用のピックオフ要素９は、０°及び１８０°に位置し、駆動要素１０は、９０°及び２７０°に位置する。ｙ軸を中心にした回転は、Ｓｉｎ２θレスポンスモードを励起する。このモード用のピックオフ要素１１は、４５°及び２２５°に位置し、駆動要素１２は、１３５°及び３１５°に位置する。
本発明の２軸ジャイロスコープは、この同一のＣｏｓ３θ搬送波モードを、Ｓｉｎ４θ及びＣｏｓ４θ平面内レスポンスモードと組み合わせて使用して、製作することもできる。この場合、平面内レスポンスモードのモード対称を維持することは、２２．５°の角度間隔で１６本の支持脚部を使用することを必要とする。この用具用の駆動要素及びピックオフ要素の配向は図１５に示される。搬送波モード駆動要素７は、０°、１２０°、２４０°に位置し、ピックオフ要素８は、６０°、１８０°、３００°に位置する。ｘ軸を中心にした回転は、Ｃｏｓ４θレスポンスモードを励起する。このモード用のピックオフ要素９は、０°、９０°、１８０°、２７０°に位置し、駆動要素１０は、４５°、１３５°、２２５°、３１５°に位置する。ｙ軸を中心にした回転は、Ｓｉｎ４θレスポンスモードを励起する。このモード用のピックオフ要素１１は、２２．５°、１１２．５°、２０２．５°、２９２．５°に位置し、駆動要素１２は、６７．５°、１５７．５°、２４７．５°、３３７．５°に位置する。
本発明の２軸角速度ジャイロスコープは、高次平面内及び平面外モードの組み合わせを使用して製作することができ、平面外モードはＣｏｓｎθに合致すると仮定し、ただしｎは２又はそれ以上の整数値であり、平面内Ｘ軸及びＹ軸レスポンスモードはＣｏｓｎ1θ及びＳｉｎｎ1θに合致し、ただしｎ1は、ｎ＋１又はｎ−１の値であり、Ｘ軸レスポンスモード値とＹ軸レスポンスモード値とは同一である。これらは、必要なモード対称維持するためのきわめて多くの数の支持脚部と、多くの数の駆動要素及びピックオフ要素とを必要とする。結果として、これらの実施の形態は、実施可能ではあるが、特に小さいサイズでは、製作するのがきわめて複雑である。
前述の記載において、駆動要素及びピックオフ要素の角度位置は、共振器の平面にある固定された参照軸Ｒに対するものである。２本の軸に対する角速度を検知するための本発明のジャイロスコープにおいて、Ｃｏｓｎθ平面外搬送波モードと、Ｓｉｎｎ1θ及びＣｏｓｎ1θ平面外レスポンスモード周波数とが整合するように、共振器２及び支持手段が大きさを決められる。
【図面の簡単な説明】
図１ａは、本発明によらない振動ビーム構造ジャイロスコープの概略図である。
図１ｂは、図１ａのジャイロスコープ用の３本の直交軸のグラフ図である。
図２ａ、２ｂは、ｎ＝１であるＣｏｓｎθ平面外搬送波モードを使用する本発明による２軸ジャイロの振動モード形状の３軸のグラフ図である。
図３ａ、３ｂは、ｎ＝２であるＣｏｓｎθ平面外振動モードを使用する本発明によるジャイロスコープの振動モードの３軸のグラフ図である。
図４ａ、４ｂは、ｎ＝３モード用の本発明によるジャイロスコープのモード形状の３軸のグラフ図である。
図５ａ〜８ｂは、Ｘ軸平面内振動モード形状に対するＹ軸のグラフ図であり、ｎ1＝１を図５ａ、図５ｂに、ｎ＝２を図６ａ、図６ｂに、ｎ1＝３を図７ａ、図７ｂに、ｎ1＝４を図８ａ、図８ｂに、示す。
図９ａ、９ｂは、Ｘ軸を中心にして回転するＣｏｓ２θ平面外搬送波モードに励起した本発明によるジャイロスコープの共振器用のＸ軸に対するＹ軸のグラフ図であり、発生した半径方向のコリオリ力の成分を示す。
図１０ａ、１０ｂは、図９ａ、図９ｂに類似したコリオリ力の成分の発生を示すが、Ｙ軸を中心にして回転することによって発生したものである。
図１１は、本発明の第１の実施の形態による２軸ジャイロスコープの一部の概略図であり、駆動要素及びピックオフ要素の配置を示す。
図１２は、図１１の平面Ａ−Ａで取った断面図であるが、図１１では示されていない追加部分を備えている。
図１３は、本発明の第２の実施の形態による２軸ジャイロスコープ用の駆動要素及びピックオフ要素を示す概略配置である。
図１４は、本発明の第３の実施の形態による２軸ジャイロスコープ用の駆動要素及びピックオフ要素を示す概略図である。
図１５は、発明の第４の実施の形態による２軸ジャイロスコープ用の駆動要素及びピックオフ要素を示す概略図である。
本発明は、２軸ジャイロスコープに関する。振動構造ジャイロスコープは、共振要素として様々な異なる構造物を使用して製作することができる。これらは、ビーム、音叉、シリンダ、半球形シェル及びリングを含む。成功する商業的活用は、コストを最小限にしながら、装置性能を最適化することによる。いくつかの適用のためのさらなる目的は、装置のサイズを減少することである。
背景技術
いくつかの従来の振動構造物ジャイロ設計は、現代のマイクロ機械加工技術を使用する製作に適切である。これらは、バルクシリコン、ポリシリコン又は電鋳金属から製造される。これらの製作方法によって、高容量で、コストを減少して、小型ジャイロを生成することができる。
ジャイロスコープ装置用の多くの適用は、少なくとも２本の軸に対する角速度感度を必要とする。従来の振動構造ジャイロは、１軸の角速度感度を提供しており、したがって、直交する軸に沿って整合配置されなければならない２つの装置を必要とする。２本の軸に対する角速度を同時に検知することが本質的に可能である共振器設計を組み込む振動構造ジャイロスコープは、したがって、多大な利益がある。単一の装置は、したがって、明らかにコスト的に利益があるため従来の１軸の２つのユニットに取って代わる。また、１軸の２つのジャイロを装着し整合配置する過程が必要ではなくなる。
したがって、２本の軸に対する角速度を同時に検知することができる改良された振動構造ジャイロスコープ設計が必要である。
発明の開示
本発明の１つの形態によれば、共通軸のまわりに延在する内周囲及び外周囲を備えた実質的にリング又はフープ様形状の構造物を有する実質的に平坦な振動共振器と、共振器をＣｏｓｎθ（ｎは２又はそれより大きい整数値である）平面外搬送波モードで振動させるための搬送波モード駆動手段と、共振器を可撓的に支持するための支持手段であって、搬送波モード駆動手段にレスポンスして支持手段に対して共振器が振動するのを可能にする支持手段と、共振器の平面外運動を検知するための搬送波モードピックオフ手段と、Ｘ軸を中心にしたジャイロスコープの回転にレスポンスした共振器の平面内Ｃｏｓｎ1θレスポンスモード運動を検知するためのＸ軸レスポンスモードピックオフ手段であって、ｎ1は、ｎ＋１又はｎ−１の値であるＸ軸レスポンスモードピックオフ手段と、Ｙ軸を中心にしたジャイロスコープの回転にレスポンスした共振器の平面内Ｓｉｎｎ1θレスポンスモード運動を検知するためのＹ軸レスポンスモードピックオフ手段であって、ｎ1は、ｎ＋１又はｎ−１の値であって、Ｘ軸レスポンスモードのものと同一であるＹ軸レスポンスモードピックオフ手段と、を含む２軸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、共振器のＸ軸レスポンスモード運動をゼロにして、ジャイロスコープを強制フィードバック構成で操作するのを可能にするためのＸ軸レスポンスモード駆動手段を含む。
好都合なことに、ジャイロスコープは、共振器のＹ軸レスポンスモード運動をゼロにして、ジャイロスコープを強制フィードバック構成で操作するのを可能にするためのＹ軸レスポンスモード駆動手段を含む。
有利なことに、支持手段は、共振器を支持部に可撓的に接続する複数の可撓性のある脚部を含み、脚部の数はＮ＝４ｎ1によって与えられ、脚部の間の角度分離は３６０°÷Ｎによって与えられる。
好ましくは、前記Ｃｏｓｎθ平面外搬送波モード、前記Ｃｏｓｎ 1 θレスポンスモード、及び前記Ｓｉｎｎ 1 θレスポンスモードが共に整合している。
好都合なことに、前記搬送波モード駆動手段に、前記共振器の平面から間隔を空けて、かつ共振器平面中の固定基準軸に対して所定の角度で配置された少なくとも２つの駆動素子が含まれ、前記搬送波モードピックオフ手段に前記固定基準軸に対して所定の角度で配置される少なくとも２つのピックオフ要素が含まれ、前記Ｘ軸レスポンスモードピックオフ手段に、前記共振器の平面内共振振動のアンチノード位置に隣接して、前記固定基準軸に対して所定の角度で配置された少なくとも１つのピックオフ要素が含まれ、かつ、Ｙ軸レスポンスモードピックオフ手段に、前記共振器の平面内共振振動のアンチノード位置に隣接して、前記固定基準軸に対して所定の角度で配置された少なくとも１つのピックオフ要素が含まれる。
発明を実施するための最良の形態
本発明をよりよく理解するために、且つ本発明がどのように実施されるかを示すために、例として、添付図面を参照して説明する。
すべての従来の振動構造ジャイロ設計に共通な特徴は、共通搬送波モード発振を維持する。これは、ジャイロが適切な軸を中心にして回転するときにコリオリ力Ｆcを生成する直線運動量を提供する。この力の大きさ、下記式によって与えられる。
Ｆc＝２Ωｍｖ ・・・（１）
ただし、Ωは加えられた角速度であり、ｍは質量であり、ｖは線速度である。速度ベクトル、回転ベクトル、力ベクトルは、添付図面の図１ａに示されるように、相互直交軸に沿って位置する。
振動構造ジャイロ用のもっとも簡単な用具が図１ａに示されるビーム１である。搬送波モード振動は、図１ａ、図１ｂに示されるｘｚ平面の曲げモーションである。ビーム１の軸（ｚ軸）に加えられた回転が、搬送波周波数でビーム１をｙｚ平面のモーションに設定するコリオリ力を発生させる。この軸におけるモーションの振幅は、加えられた回転角速度に比例する。そのような装置の感度は、コリオリ力が直接共振モードを励起するように構造物を設計することによって高めることができる。モーションの振幅は、次いで、共振モードのＱによって増幅される。等方性材料から作られる簡単なビーム１用に、これは、ｘ寸法とｙ寸法ととが整合された方形断面のビームを使用して、達成される。
ｙ軸を中心にした回転も、ビーム１にコリオリ力を引き起こす。これは、ビームの長さ方向（ｚ軸）に沿って作用する。ビームは、この方向できわめて堅く、したがってこれらの力に対してレスポンスしない。しかし、１軸に沿ったこの簡単な線振動は、２本の軸を中心にした回転に対してレスポンスすることができる。これらのレスポンスに基づいた実際的なジャイロスコープの用具は、これらのコリオリ力の成分を適切な軸に沿ったレスポンスモードに直接連結することができる共振器設計を必要とする。
Ｃｏｓｎθ平面外搬送波モードを使用する平坦なリング構造物は、本質的に２軸角速度感度が可能である。搬送波モードモーションは、単一の方向（ｚ軸）に沿っており、したがって、構造物が平面内軸のいずれかを中心にして回転するときにコリオリ力が発生する。ジャイロスコープとして実際に使用するために、コリオリ力によって誘発されたモーションの振幅は、適切な角速度測定感度を提供するのに十分なものでなければならない。この感度は、この力が平面内共振モードに直接連結することができ、それによって誘発されたモーションを共振モードのＱによって増幅するならば、達成することができる。
完全なリング共振構造物のために、Ｃｏｓｎθ平面外振動モードは、（９０／ｎ）°の相互角度で縮退対として存在する。共振器の平面にある固定された参照軸Ｒを使用すると、これらのモード対は、Ｃｏｓｎθ及びＳｉｎｎθ変位を呈する形状を有する。モードの図表用の固定されたθ＝０°の参照軸Ｒは、正の方向のｙ軸に沿っている。ｎ＝１用のモード形状は、図２ａ、２ｂに示される。１振動サイクルの間の、励起されていないリング位置から最大変位の２つの極値は、対の各モード用に示される。軸は、半径１．０のリング（任意のユニット）用に、励起されていないリング位置（点線）からの変位を示す。モードは、９０°の相互角度で存在する。ｎ＝２用のモード形状は、同様に図３ａ、３ｂに示される。これらは、４５°の相互角度で存在する。ｎ＝３モード用の対応する形状は、図４ａ、４ｂに示され、３０°の相互角度で存在する。
Ｃｏｓｎθ平面外搬送波モードを使用すると、リングの平面にある軸に沿った回転は、コリオリ力を生じさせる。ｙ軸を中心にして加えられた回転が、ｘ軸に沿って作用するコリオリ力を生じさせる。これらの力の分配は、角位置θで変動し、半径方向の成分及び接線方向の成分に分解されてもよい。ｙ軸を中心にして加えられた回転、Ωy用に、これらの力の成分は、下記式によって与えられる。
Ｆcr（θ）＝Ｆ(n+1)rΩyＳｉｎ（ｎ＋１）θ＋Ｆ(n-1)rΩyＳｉｎ（ｎ−１）θ・・（２）
Ｆct（θ）＝Ｆ(n+1)tΩyＣｏｓ（ｎ＋１）θ−Ｆ(n-1)tΩyＣｏｓ（ｎ−１）θ・・（３）
ただし、Ｆcr（θ）は、半径方向に方向づけられた平面内コリオリ力の分配であり、Ｆct（θ）は、接線方向に方向づけられた平面内の力の分配である。パラメータＦ(n+1)r、Ｆ(n-1)r及びＦ(n+1)t、Ｆ(n-1)tは、リング及び支持手段の正確な形状、材料、及びｎの値に依存する定数である。
同一の搬送波モードのために、ｘ軸を中心にした回転は、ｙ軸に沿って作用するコリオリ力を誘発する。これらもまた、半径方向の成分及び接線方向の成分に分解されてもよく、加えられた回転、Ωx用に、これらの力の成分は、下記式によって与えられる。
Ｆcr（θ）＝Ｆ(n+1)rΩxＣｏｓ（ｎ＋１）θ＋Ｆ(n-1)rΩxＣｏｓ（ｎ−１）θ・・（４）
Ｆct（θ）＝Ｆ(n+1)tΩxＳｉｎ（ｎ＋１）θ−Ｆ(n-1)tΩxＳｉｎ（ｎ−１）θ・・（５）
これらの力の成分は、リング共振器の平面内振動モードを直接励起するように使用されてもよい。ｎ1＝１、２、３、４用の平面内振動モード形状は、図５ａ〜８ｂに示される。これらのモードは、（９０／ｎ1）°の相互角度で縮退対として存在する。この図は、呼称半径１．０（任意のユニット）のリング用の静止位置から最大の変位を示す。これらのモードが励起される方法は、特定の搬送波モードのために例として例示される。
ｘ軸を中心にして回転した、Ｃｏｓ２θ平面外搬送波モードに励起されるリング共振器用に、半径方向のコリオリ力の成分が、Ｃｏｓθ及びＣｏｓ３θ機能形態で発生する。これらは、図９ａ、図９ｂに図示される。点線２は、ｘ軸及びｙ軸がリングの中心を通る呼称半径１．０（任意のユニット）のリング用の静止位置を示す。力は、中心点（０、０）を通って半径方向に作用し、その大きさは実線３によって示される。これは、リング周辺上に散在する点に作用する力ベクトルを表す矢印４によってよりグラフィックに示される。接線成分用に同様の図を作成することができる。これらの力成分は、図５ａ、図７ａに示されるリングの平面内振動モードの成分に整合する機能形態を有する。ｙ軸を中心にした回転の結果として、Ｓｉｎθ及びＳｉｎ３θの機能形態を備えたコリオリ力の成分が生じる。これらは、図１０ａ、図１０ｂに示される。これらの機能形態は、図５ａ、図７ａに示されるモードパターンに整合する。
実際的なジャイロ設計を実行するために、レスポンスモードモーションの振幅は最大限にされなければならない。これは、搬送波モードの周波数とレスポンスモードとが整合するように、リング寸法が設計されることを必要とする。結果として得られるモーションは、したがって、共振モード振動のＱによって増幅され、感度を高める。平面外モード周波数は、リングの深さ（ｚ軸の寸法）の変化によって大幅に影響される。平面内モード周波数は、この変化に対してレスポンスせず、したがって、平面外搬送波の周波数と平面内レスポンスモードとを区別して変えて、それらのバランスを取ることができる。適切なリング寸法を使用すると、本発明の第１の実施の形態による実際的な２軸ジャイロスコープは、Ｃｏｓ２θ平面外搬送波モードを、Ｓｉｎθ及びＣｏｓθ平面内レスポンスモードと組み合わせて有する。リング寸法は、同一の搬送波モードを、Ｓｉｎ３θ及びＣｏｓ３θ平面内レスポンスモードと組み合わせて使用して、本発明のさらなる例を実行するように選択することができる。
本発明による別の２軸ジャイロスコープ設計は、式２〜５に示されるように、代替の搬送波とレスポンスモードとの組み合わせを使用する。Ｃｏｓ３θ平面外搬送波モードを、Ｓｉｎ２θ及びＣｏｓ２θ平面内レスポンスモードと組み合わせて使用してもよい。この同一の搬送波モードを、Ｓｉｎ４θ及びＣｏｓ４θレスポンスモードと組み合わせて使用することもできる。さらなる高次モードの組み合わせも可能であるが、実行するにはあまり実際的ではなくなる。その有用性は、駆動要素及びピックオフ要素の複雑な配置を使用しなければならないモード形状の複雑さによって制限される。
本発明による２軸ジャイロスコープは、Ｃｏｓ２θ平面外搬送波モードを、Ｓｉｎθ及びＣｏｓθ平面内レスポンスモードと組み合わせて使用することによって、作ることができる。このジャイロスコープは、３モードの周波数が整合されることを必要とする（１つの搬送波モード＋２つのレスポンスモード）。均一な厚さの完全に対称的なリング５のために、Ｓｉｎθ及びＣｏｓθのモード対は、同一の周波数を有する。平面外モードは、縮退対としても存在し、したがって、搬送波周波数で、４５°の角度で、Ｓｉｎ２θモードである。実際の用具において、モードの間で周波数の分離を故意に誘発することが便利である。これも、搬送波モード位置を、リング５の固定した配向に設定する。これは、わずかな構造的不完全さが必然的に存在する実際的なジャイロスコープの設計のために、搬送波モードモーションを動揺させることがある平面外モードの間で望ましくない相互作用を防ぐという利点を有する。
本発明のジャイロスコープのために、搬送波モードはＣｏｓｎθオーダーでなければならず、ただしｎは、２又はそれ以上の整数値であり、たとえば、Ｃｏｓ２θ、Ｃｏｓ３θ、Ｃｏｓ４θ等である。レスポンスモードは、Ｓｉｎｎ1θ又はＣｏｓｎ1θでなければならず、ただしｎ1は、ｎ＋１又はｎ−１の値であり、たとえば、Ｓｉｎθ、Ｓｉｎ２θ、Ｓｉｎ３θ等である。
平面内レスポンスモードの縮退を維持しながら、平面外周波数を分割することは、リング５用の支持脚部（図示せず）の数及び配向を正しく選択すれば、可能である。脚部は、リング５を中央支持部６に接続し、モード動力を局所的に動揺させる点ばね質量として作用する。周波数分割を防ぐために、脚部の数及び角度位置はモード対称に整合しなければならない。いずれのＳｉｎｎθ縮退モード対のために、この数は下記式によって与えられる。
脚部の数Ｎ＝４ｎ1 ・・・（６）
角度分離は、３６０°÷Ｎによって与えられる。
したがってＣｏｓθモード対のために、この状態は、９０°分離で４本の脚部を使用して達成することができる。支持脚部のこの配置は、Ｃｏｓ２θ平面外モードを分割し、したがって、必要に応じてその配向をリング５に固定する。
振動共振器５は、実質的に平坦で、実質的にリング又はフープ様形状の構造物を有し、内周囲及び外周囲は固定された参照軸のまわりに延在する。
本発明による振動構造ジャイロスコープは、標準製作及び機械加工技術を使用して製造される。それらは、マイクロ機械加工技術を使用する製作にも適切である。操作の原則及び、駆動及びピックオフ配向は、製作ルートに関係なく同一である。共振器リング５は、金属、石英、ポリシリコン又はバルクシリコンを含む適切な機械加工特性を有するいずれの材料から製造することができる。リング５のモードは、様々な駆動変換器を使用して発振に駆動することができる。これらは、静電性手段、電磁石性手段及び圧電性手段を含む。モーションの振幅は、同様に、静電性手段、電磁石性手段又は圧電性手段を含む様々な変換器を使用して検出することができる。駆動及びピックオフ変換器は、平面外モーション又は平面内モーションを開始して検出するように位置決めされる。
好適な実施の形態では、静電性の駆動手段及びピックオフ手段を使用する。この用の駆動要素及びピックオフ要素の配向は、図１１に示される。共通軸Ａの周りを延在する内周囲及び外周囲を有するリング５の場所は、破線によって示される。平面外Ｃｏｓ２θ搬送波モードは、リングリムの直接下にある固定された参照軸Ｒに対して０°及び１８０°に位置する駆動要素７を使用して発振に駆動される。リング５は、駆動要素７及びピックオフ要素８に対して固定した電位で維持される。個別のコンデンサが、これらの駆動要素７と、リング５の下側の対向するセグメントとの間に形成される。発振電圧が搬送波周波数で駆動要素７に加えられ、したがって、リング５を共振発振に設定する静電力を発生させる。ピックオフ要素８は、９０°及び２７０°に位置し、同様に、ギャップが変動するときにリング５のモーションを検出するコンデンサを形成する。
ｘ軸を中心にした回転は、０°及び１８０°で波腹を有するＣｏｓθ平面内レスポンスモードにエネルギを連結する。ｙ軸を中心にした回転は、９０°及び２７０°で波腹を有するＳｉｎθモードにエネルギを連結する。駆動要素及びピックオフ要素は、これらの点に隣接するいずれの適切な組み合わせに位置してもよい。これらは、リング５の外周囲のまわりに同心的に位置する電極を具備する。リングの面に直角な電極面は、リング５の隣接して面するセグメントを備えたコンデンサを形成する。便利なことに、ｘ軸レスポンスモードモーションは０°に位置するピックオフ９によって検出される。１８０°に位置する駆動要素１０を使用して、モードの運動をゼロにしてジャイロスコープを強制フィードバック構成で操作することができる。このモードで操作されるときに、ゼロ化駆動は、加えられた角速度に比例する。このモードの操作は、開ループモードに対して有利な性能を提供することが知られている。ｙ軸レスポンスモードモーションは、９０°に位置するピックオフ要素１１によって検出される。２７０°に位置する駆動要素１２は、ジャイロスコープが強制フィードバックモードで操作することを可能にする。
図１２は、ｙ軸に沿ったリング共振器５の中心を通って図１１の線Ａ−Ａに沿った断面図を示し、装置のさらなる詳細を示す。ｘ軸及びｙ軸の駆動要素及びピックオフ要素９、１０、１１、１２は、電気的に絶縁な支持体層１４の表面におかれた伝導サイト１３である。これらのサイト１３は、トラックを介して、制御回路に電気的に接続することができるボンドパッド（図示せず）に接続される。リング５は、支持脚部（図示せず）を介して、中央支持部６に取り付けられる。この支持部６はリング５の下に延在し、支持脚部は、支持体層１４の上に自由に懸垂される。平面外モード駆動要素及びピックオフ要素７、８は、支持体１４に堅く取り付けられ、トラッキングとボンドパッド（図示せず）とが所望により設けられ、制御回路への接続を可能にする。
図１１、図１２のジャイロスコープに対してさらに修正することが可能である。たとえば、さらなる第２の絶縁支持体層（図示せず）が、共振器リング５の上に堅く固定され、平面外モード駆動及びピックオフコンデンサ要素サイト１３を複製し、これが、ｘ軸及びｙ軸に沿ってジャイロスコープの感度を上げる。しかし、これは、製作過程を複雑にし、ジャイロスコープの本質的な設計特徴又は機能を変えない。
本発明の２軸ジャイロスコープは、同一のＣｏｓ２θ平面外搬送波モードを、Ｓｉｎ３θ及びＣｏｓ３θ平面内レスポンスモードと組み合わせて使用して、製作することができる。この設計のために、Ｃｏｓ２θ平面外モード周波数を分離しながら、Ｃｏｓ３θ平面内モード対称を維持する必要がある。これは、３０°の角度分離で１２本の支持脚部を使用することによって達成される。
駆動要素及びピックオフ要素の適切な配置は図１３に示される。搬送波モード駆動要素７は０°及び１８０°に位置し、ピックオフ要素８は９０°及び２７０°に位置する。ｘ軸を中心にした回転は、Ｃｏｓ３θレスポンスモードを励起する。ｘ軸レスポンスモードピックオフ要素９は、０°、１２０°、２４０°に位置し、駆動要素１０は、６０°、１８０°、３００°に位置する。ｙ軸を中心にした回転は、Ｓｉｎ３θレスポンスモードを励起する。ｙ軸モードピックオフ要素１１は、３０°、１５０°、２７０°に位置し、駆動要素１２は、９０°、２１０°、３３０°に位置する。
本発明の２軸ジャイロスコープは、Ｃｏｓ３θ平面外搬送波モードを、Ｓｉｎ２θ及びＣｏｓ２θ平面内レスポンスモードと組み合わせて使用して、製作することができる。平面内レスポンスモードのモード対称を維持することは、４５°の角度分離で８本の支持脚部を使用することを必要とする。この用具用の駆動要素及びピックオフ要素の配向は図１４に示される。搬送波モード駆動要素７は、０°、１２０°、２４０°に位置し、ピックオフ要素８は、６０°、１８０°、３００°に位置する。ｘ軸を中心にした回転は、Ｃｏｓ２θレスポンスモードを励起する。このモード用のピックオフ要素９は、０°及び１８０°に位置し、駆動要素１０は、９０°及び２７０°に位置する。ｙ軸を中心にした回転は、Ｓｉｎ２θレスポンスモードを励起する。このモード用のピックオフ要素１１は、４５°及び２２５°に位置し、駆動要素１２は、１３５°及び３１５°に位置する。
本発明の２軸ジャイロスコープは、この同一のＣｏｓ３θ搬送波モードを、Ｓｉｎ４θ及びＣｏｓ４θ平面内レスポンスモードと組み合わせて使用して、製作することもできる。この場合、平面内レスポンスモードのモード対称を維持することは、２２．５°の角度間隔で１６本の支持脚部を使用することを必要とする。この用具用の駆動要素及びピックオフ要素の配向は図１５に示される。搬送波モード駆動要素７は、０°、１２０°、２４０°に位置し、ピックオフ要素８は、６０°、１８０°、３００°に位置する。ｘ軸を中心にした回転は、Ｃｏｓ４θレスポンスモードを励起する。このモード用のピックオフ要素９は、０°、９０°、１８０°、２７０°に位置し、駆動要素１０は、４５°、１３５°、２２５°、３１５°に位置する。ｙ軸を中心にした回転は、Ｓｉｎ４θレスポンスモードを励起する。このモード用のピックオフ要素１１は、２２．５°、１１２．５°、２０２．５°、２９２．５°に位置し、駆動要素１２は、６７．５°、１５７．５°、２４７．５°、３３７．５°に位置する。
本発明の２軸角速度ジャイロスコープは、高次平面内及び平面外モードの組み合わせを使用して製作することができ、平面外モードはＣｏｓｎθに合致すると仮定し、ただしｎは２又はそれ以上の整数値であり、平面内Ｘ軸及びＹ軸レスポンスモードはＣｏｓｎ1θ及びＳｉｎｎ1θに合致し、ただしｎ1は、ｎ＋１又はｎ−１の値であり、Ｘ軸レスポンスモード値とＹ軸レスポンスモード値とは同一である。これらは、必要なモード対称維持するためのきわめて多くの数の支持脚部と、多くの数の駆動要素及びピックオフ要素とを必要とする。結果として、これらの実施の形態は、実施可能ではあるが、特に小さいサイズでは、製作するのがきわめて複雑である。
前述の記載において、駆動要素及びピックオフ要素の角度位置は、共振器の平面にある固定された参照軸Ｒに対するものである。２本の軸に対する角速度を検知するための本発明のジャイロスコープにおいて、Ｃｏｓｎθ平面外搬送波モードと、Ｓｉｎｎ1θ及びＣｏｓｎ1θ平面外レスポンスモード周波数とが整合するように、共振器２及び支持手段が大きさを決められる。
【図面の簡単な説明】
図１ａは、本発明によらない振動ビーム構造ジャイロスコープの概略図である。
図１ｂは、図１ａのジャイロスコープ用の３本の直交軸のグラフ図である。
図２ａ、２ｂは、ｎ＝１であるＣｏｓｎθ平面外搬送波モードを使用する本発明による２軸ジャイロの振動モード形状の３軸のグラフ図である。
図３ａ、３ｂは、ｎ＝２であるＣｏｓｎθ平面外振動モードを使用する本発明によるジャイロスコープの振動モードの３軸のグラフ図である。
図４ａ、４ｂは、ｎ＝３モード用の本発明によるジャイロスコープのモード形状の３軸のグラフ図である。
図５ａ〜８ｂは、Ｘ軸平面内振動モード形状に対するＹ軸のグラフ図であり、ｎ1＝１を図５ａ、図５ｂに、ｎ＝２を図６ａ、図６ｂに、ｎ1＝３を図７ａ、図７ｂに、ｎ1＝４を図８ａ、図８ｂに、示す。
図９ａ、９ｂは、Ｘ軸を中心にして回転するＣｏｓ２θ平面外搬送波モードに励起した本発明によるジャイロスコープの共振器用のＸ軸に対するＹ軸のグラフ図であり、発生した半径方向のコリオリ力の成分を示す。
図１０ａ、１０ｂは、図９ａ、図９ｂに類似したコリオリ力の成分の発生を示すが、Ｙ軸を中心にして回転することによって発生したものである。
図１１は、本発明の第１の実施の形態による２軸ジャイロスコープの一部の概略図であり、駆動要素及びピックオフ要素の配置を示す。
図１２は、図１１の平面Ａ−Ａで取った断面図であるが、図１１では示されていない追加部分を備えている。
図１３は、本発明の第２の実施の形態による２軸ジャイロスコープ用の駆動要素及びピックオフ要素を示す概略配置である。
図１４は、本発明の第３の実施の形態による２軸ジャイロスコープ用の駆動要素及びピックオフ要素を示す概略図である。
図１５は、発明の第４の実施の形態による２軸ジャイロスコープ用の駆動要素及びピックオフ要素を示す概略図である。
Claims (6)
- 共通軸のまわりに延在する内周囲及び外周囲を備えた実質的にリング又はフープ様形状の構造物を有する実質的に平坦な振動共振器と、前記共振器をＣｏｓｎθ平面外搬送波モードで振動させるための搬送波モード駆動手段であって、ｎは２又はそれより大きい整数値である搬送波モード駆動手段と、前記共振器を可撓的に支持するための支持手段であって、前記搬送波モード駆動手段にレスポンスして前記支持手段に対して前記共振器が振動するのを可能にする支持手段と、前記共振器の平面外運動を検知するための搬送波モードピックオフ手段と、を備えた２軸ジャイロスコープにおいて、
前記振動共振器は可撓性であってジャイロスコープの回転にレスポンスして平面内を移動することが可能であり、かつ、前記振動共振器は平面内を共振モードの振動を行い、
かつ、Ｘ軸を中心にした前記ジャイロスコープの回転にレスポンスした前記共振器の平面内Ｃｏｓｎ1θレスポンスモード運動を検知するためのＸ軸レスポンスモードピックオフ手段であって、ｎ1は、ｎ＋１又はｎ−１の値であるＸ軸レスポンスモードピックオフ手段と、
Ｙ軸を中心にした前記ジャイロスコープの回転にレスポンスした共振器の平面内Ｓｉｎｎ1θレスポンスモード運動を検知するためのＹ軸レスポンスモードピックオフ手段であって、ｎ1は、ｎ＋１又はｎ−１の値であって、Ｘ軸レスポンスモードのものと同一であるＹ軸レスポンスモードピックオフ手段とを含むことを特徴とする２軸ジャイロスコープ。 - 前記共振器の前記Ｘ軸レスポンスモード運動をゼロにして、前記ジャイロスコープを強制フィードバック構成で操作するのを可能にするためのＸ軸レスポンスモード駆動手段を含む請求項１に記載の２軸ジャイロスコープ。
- 前記共振器の前記Ｙ軸レスポンスモード運動をゼロにして、前記ジャイロスコープを強制フィードバック構成で操作するのを可能にするためのＹ軸レスポンスモード駆動手段を含む請求項１又は請求項２に記載の２軸ジャイロスコープ。
- 前記支持手段が、前記共振器を支持部に可撓的に接続する複数の可撓性のある脚部を含み、前記脚部の数がＮ＝４ｎ1によって与えられ、前記脚部の間の角度分離が３６０°÷Ｎによって与えられる請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の２軸ジャイロスコープ。
- 前記Ｃｏｓｎθ平面外搬送波モード、前記Ｃｏｓｎ 1 θレスポンスモード、及び前記Ｓｉｎｎ 1 θレスポンスモードが共に整合していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の２軸ジャイロスコープ。
- 前記搬送波モード駆動手段に、前記共振器の平面から間隔を空けて、かつ共振器平面中の固定基準軸に対して所定の角度で配置された少なくとも２つの駆動素子が含まれ、前記搬送波モードピックオフ手段に前記固定基準軸に対して所定の角度で配置される少なくとも２つのピックオフ要素が含まれ、前記Ｘ軸レスポンスモードピックオフ手段に、前記共振器の平面内共振振動の波腹に隣接して、前記固定基準軸に対して所定の角度で配置された少なくとも１つのピックオフ要素が含まれ、かつ、Ｙ軸レスポンスモードピックオフ手段に、前記共振器の平面内共振振動の波腹に隣接して、前記固定基準軸に対して所定の角度で配置された少なくとも１つのピックオフ要素が含まれることを特徴とする請求項１に記載の２軸ジャイロスコープ。
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