JP4663128B2 - ジャイロスコープセンサおよびその応用を構成する回転測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
この発明は、一般的に、機械的共振において振動可能である、「共振器」と称される機械的要素と、共振器の振動によって与えられる伸張に応答する検出器と、共振器に力を付与するためのトランスデューサとを有するジャイロスコープセンサに関し、より特定的には、この発明は、ベルまたは回転対称を有するキャップの形である共振器がその軸に沿って固定され、軸に垂直な面において、かつ軸方向において固定点からある距離のところに位置する円形端縁を示すジャイロスコープセンサに関する。
【０００２】
このような共振器を用いるジャイロスコープセンサは既知のものである。その実施例は、米国特許第４ １５７ ０４１号（ゼネラルモーターズ社（General Motors Corporation））および米国特許第４ ９５１ ５０８号に見出される。一般的に、共振器はシリカでできた半球形キャップによって構成され、５×１０⁶を超えることもある非常に高いＱを得ることが可能である。容量性タイプの検出器は、径方向における共振器の振動性運動が電極間距離を変えるような態様で配置される。共振を励起させるためのトランスデューサは、電極間距離の変動によって伸張が検出される少なくとも２つの特定の径方向において静電力を発揮するように配置される。
【０００３】
検出およびエネルギ付加において十分な効率を得るため、検出器およびトランスデューサのエアーギャップは小さくなければならない。実施において、トランスデューサおよび検出器の固定電極は球形片上に置かれ、この球形片は共振器の外側または内側のいずれにあるかに応じて凹状または凸状であり、エアーギャップを規定するよう調整される。実施において、これらのギャップを１００μｍから２００μｍより小さく減少することは可能ではない。
【０００４】
このようなセンサは製造するのに非常に費用が掛かる。球形片の間で小さい同一のエアーギャップをもたらすには、製造における非常な高精度および正確な同心性が必要となる。電極を球面に作るのは平面に作るよりもはるかに困難である。電気接続を行なうための導体のトラックも、検出器およびトランスデューサの電極のまわりのどのガード電極も同様に、３次元で作るのは困難である。最後に、共振器の熱膨張率と固定電極を担持する球形片の熱膨張率等が一致する必要がある。
【０００５】
これまで、これらすべての制約のため、キャップ形状またはベル形状の共振器を有するセンサの使用はこのような高いコストを許容できる最高級の応用に限られてきた。
【０００６】
この発明は、現存のセンサよりかなり低コストで作ることのできる上述の種類のジャイロスコープセンサを提供することを目的とする。
【０００７】
この結果を達成するため、この発明では、これまで見過ごされてきた観察点、すなわち、径方向成分および接線成分の双方を有する変形を生じる振動のモードにおいて励起されるベル形状またはキャップ形状の共振器の端縁が、共振器の軸に平行な変位の成分をも、もたらすことを利用する。半球形共振器の特定の場合では、その軸方向変位の振幅がその径方向変位の振幅の半分に等しいことが明らかにされるであろう。
【０００８】
この発明は特にセンサを提供し、そのセンサは、
・ ベルまたは円形対称のキャップの形である共振器を有し、この共振器がその軸上に固定され、軸に垂直の面において、かつ軸方向における共振器の固定点からある距離のところに位置する円形端縁を示し、さらに
・ 共振器と共働するための検出および励起手段を担持する基板を有し、
センサは、検出および励起手段が共振器振動の軸方向成分と共働することを特徴とする。
【０００９】
有利な実施例では、上記手段は、軸に直交する基板上に配置でき、共振器の端縁に面して配置される検出器およびトランスデューサを含む。
【００１０】
検出器および／またはトランスデューサはさまざまな公知の構造を有し得る。これらは、電極を共振器と共働させることによって容量性検出器を構成してもよく、電極を共振器と共働させて容量性励起トランスデューサを構成してもよい。
【００１１】
検出および励起手段は、時分割で動作する同じ成分を用いて、または異なる周波数における搬送波を変調することによって作ってもよい。この場合、励起信号が存在する際の変位は同期検波によって検出できる。さらに、検出器および／またはトランスデューサは静電以外の種類のものであってもよい。
【００１２】
共振器の底部は、共振器とほぼ同じ膨張率を有する材料でできた手段によって有利に基板に固定され、これによりセンサの温度変動に対する感度を非常に低くする。
【００１３】
この発明のセンサは、測定点における振動の振幅を検出し、また共振器を励起する目的で、共振器の端縁の変位の軸方向成分を用いることが理解されるであろう。
【００１４】
共振器が半球形でない場合、端縁の軸方向変位の振幅は必ずしもその径方向振幅の半分に等しいわけではない。特に、端縁における軸方向変形の振幅は、半球形状から始まって共振器の深さ（軸方向長さ）が増加するにつれ減少する。
【００１５】
実施において、静止時に５μｍから１００μｍの範囲内にあるエアーギャップが用いられ、一般的に５μｍから２０μｍの範囲内にあるエアーギャップが用いられ、これは、互いに面した球面よりも互いに直面する平面によってはるかに容易に達成できる値である。許容可能な寸法を保つため、１０ｋＨｚ未満の固有周波数を有する共振器が一般的に用いられる。減衰を低減するためにセンサを真空内に配置することが望ましい。
【００１６】
共振器は一定の壁厚さのものであってもよい。また、これは、端縁に近い部分において厚さがより厚くてもよく、これにより、基板によって担持される電極の実効面積を増加するようにしてもよい。基板上に置かれる電極は有利には、共振器の端縁のそれより大きい径方向寸法を示し、これにより、その両側を超えて突出するようにし、少ない量だけ中心からずれていても測定に影響がないようにする。
【００１７】
上述の特徴およびその他の特徴は、非限定的な例として挙げられる特定の実施例の以下の説明からより明らかになるであろう。以下の説明は添付の図面に関連している。
【００１８】
ジャイロスコープセンサのハードウェア構造を説明する前に、キャップまたはベルの形の共振器の変形が複雑なものであり、純粋に端縁の径方向および接線発振を構成するものと見なすことができないのを示すのが適当であろう。
【００１９】
球座標において、図１に特定される表記を用いて、ｎ＝２モード（すなわち基本モード）に対する解析等式は以下のとおりである。
【００２０】
【数１】

【００２１】
これらの等式において、ｕ、ｖ、ｗは、軸方向変位、接線変位および径方向変位の振幅を示す。ψは方位角を示す。
【００２２】
図２は、振動中に共振器が取る連続的な形状を実線および点鎖線で表わしており、径方向伸張の半分に等しい軸方向伸張が生じることを示している。
【００２３】
これまで、径方向変位ｗが用いられてきた。これに対し、この発明では軸方向変位ｕを用いることを提案する。半球形共振器では、この変位の振幅は径方向変位ｗの振幅の半分に等しいが、一見してこれは欠点のように見える。
【００２４】
しかしながら、実際には、測定すべき振幅のこうした減少は非常に好ましい特徴により補ってあまりある。エアーギャップ（電極間距離）が平坦であるため、たとえばシム片を用いて、共振器が基板上に組立てられる際にエアーギャップを正確に規定することができる。エアーギャップの大きさは、従来のアーキテクチャで用いることのできるものの１０分の１である、１０μｍから２０μｍの値まで容易に減少できる。第１の近似まで、トランスデューサおよび検出の効率は、電極の表面積をエアーギャップの２乗で除算したものに比例する。このことは、エアーギャップをかなり減少することが可能であるため、ここで提案する解決策の利点を示している。エアーギャップの値が２乗された項として関わっているため、エアーギャップを減少することによって電極の活性領域がより小さくてもこれを十分以上に補うことも可能となる。
【００２５】
図３に示されるセンサは基板１０を含み、この基板１０の上に共振器１４が柄（stalk）またはロッド１２によって固定される。エアーギャップの大きさが温度で少ししか変動しないことを確実にするため、支持柄１２を共振器と同じ材料で作るか、または同様の熱膨張率を有する材料で作るのが好ましい。
【００２６】
共振器をシリカで作ることによって高いＱを得ることを可能にしてもよく、共振器は導電金属被覆を有していてもよい。金属被覆は、共振器の端縁を覆うリングと、基準電位を確立するための金属トラックとに限られていてもよく、この基準電位は一定電位（一般的に接地）であってもよく、または調整可能な電位であってもよい。多くの場合、シリカの化学表面処理のみによって高いＱを得るのに十分な球面の品質レベルを得ることが可能であるため、従来の配置に必要であるような研磨ステップを含める必要が回避される。
【００２７】
しかしながら、励起トランスデューサの効率が従来の構成より高いものであると仮定して、製造するのにより安価である金属共振器を用いることも可能である。柄１２が共振器と同じ材料から作られている場合、柄１２は共振器と一体化させ基板１０内に収容することができる。
【００２８】
基板は絶縁膜で被覆される金属片で構成され、この絶縁膜の上にトランスデューサの固定電極および検出器の固定電極が配置されていてもよく、その厚さは図３の１６で概略的に表わされる。
【００２９】
さまざまな電極レイアウトが可能である。一般的に、少なくとも２つの電極（または２対の反対の電極）が、選択されるモードに対する基準系において互いに直交の配向で配置され、すなわち２次モードに対して互いに４５°において配置される。同様に、力を付与するためのトランスデューサは、同じ基準系において相互に直交する２つの方向において位置付けられる。
【００３０】
図４の実施例では、静電形トランスデューサは、互いに４５°である２つの方向に整列する２対の電極２４₁および２４₂により規定され、これにより２次振動を維持することが可能となる。検出器は同様に、互いに４５°である２つの方向に配される２対の電極２６₁および２６₂によって規定される。電極２６₁および電極２６₂から取られる出力信号は電子計算および電源回路２２に印加され、電子計算および電源回路２２はトランスデューサに電圧を加え一定振幅の振動を維持し、かつその状況に応じて回転角度または速度を表わす出力信号を供給する。
【００３１】
基板に対して共振器をセンタリングする際の誤差に対応することを可能にするため、また、出力信号に対する振動の径方向成分のいかなる影響をも避けるため、電極２４および電極２６は、図４において２８で概略が示される共振器４０の端縁の厚さより径方向において大きい。
【００３２】
センサに対するすべての内部接続は単一の層内で行なわれてもよいことがわかるであろう。また、結合を低減するために、破線によって示される方式を用いてガード電極３０を配置することも可能であることが明らかであろう。
【００３３】
測定および制御のための電子回路２２はさまざまな構造を有し得る。特に、これは、ＥＰ−Ａ−０ ８１０ ４１８に記載される構造を有し、レートジャイロを構成するようにしてもよい。また、レートジャイロ動作（回転速度を測定する）またはジャイロスコープ動作（回転角度を測定する）をもたらすことを可能にするＥＰ ０ ５７８ ５１９に記載される回路構造のうちの１つを用いることも可能である。
【００３４】
それでも、ｎ＝２モードにおいて動作させるためには、センサに８個の代わりに１６個の電極を設けてもよい。また、電極の数を増加することによってこの発明のセンサを２より大きいモードにおいて動作させることも可能であるが、一般的に、そのような変更によりもたらされる利点は少ない。
【００３５】
一般に、共振器の機械的特性は、３ｋＨｚから１０ｋＨｚの範囲内にある固有周波数を有するように選択すべきである。これは、より高い値以上では性能が段々低下するためである。直径が１０ｍｍから５０ｍｍの範囲内にある半球形共振器では良好な結果が得られた。振動の振幅は０．５μｍから１μｍの範囲内になるように調整できる。共振器はその支持柄１２を介して接地してもよい。しかしながら、他の状況下では、共振器を、固定または変調できる異なる電圧にするのが好ましいこともあり得る。共振器は、ガス減衰（gas damping）を低減するため、圧力が低く、実施において１０^-3ミリバール未満であるハウジング（図示せず）内に収容される。
【００３６】
上に述べたように、共振器は半球形以外の形状のものであってもよい。特に、その軸を含む面における共振器の断面は、放物線の弧または楕円の弧の形であってもよい。
【００３７】
トランスデューサおよび検出器によって形成される個別のキャパシタの表面積を増加するため、共振器をその端縁の近辺において拡大することが可能である。図５は、共振器の全深さと比べれば小さいものである高さｈにわたって、共振器の内面に円筒形状を与えることによってこの結果が得られた共振器を示す。図６に示される場合では、同様に共振器の深さに対しては小さいものであるゾーンｈにおいて、内面および外面に球面から外へ広がる形状を与えることによって達成される。
【００３８】
上述のように、トランスデューサおよび／または検出器は図４に示されるものとは異なる構造のものであってもよい。例として、図７には、基板１０上に置かれる２つの電極によって構成されるセンサが示される。中央電極３４は径方向ストリップの形である。他方の電極３６はＵ字型であり、その脚は中央電極３４の両側に配される。これにより共振器を作るのが容易になる。なぜなら、共振器を導電層で被覆する必要がないためである。電極３４および電極３６によって構成されるキャパシタの容量は軸方向振動の間変動するが、これは共振器を構成する材料（たとえばシリカ）の誘電率が、共振器の端縁と電極との間の概して非常に低圧である大気の誘電率とは異なるものであるためである。
【００３９】
図４に示される場合のように、電極３４および電極３６は、共振器がわずかに中心からずれている場合でも共振器の振動における径方向成分にかかわらず測定に何の影響も与えないことを確実にするのに十分である径方向の広がりを持ったものである必要がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 振動において関係のあるパラメータを示す、半球形共振器の概略図である。
【図２】 より明らかにするために変形が大きく誇張されている、図１に示される種類の共振器の２次振動において共振器が取る極端な形状を示す図である。
【図２Ａ】 共振器が取り得る極端な形状を示す図２のそれに対して４５°における面上の図である。
【図３】 基板上に共振器を装着する可能なやり方の１つを示す図である。
【図４】 基板上での電極、トランスデューサおよび検出器の可能な配置例の１つを示す上から見た図である。
【図５】 共振器の変更された実施例を示す図である。
【図６】 共振器の変更された実施例を示す図である。
【図７】 図４に示される電極の代わりに検出器として用いるのに適した１組のキャパシタ電極を示す概略平面図である。

Claims (8)

1. ジャイロスコープセンサであって、
   ベルまたは円形対称であるキャップの形である共振器（１４）を含み、前記共振器はその軸上に固定され、前記軸に垂直の面において、かつ軸方向における前記共振器の固定点からある距離のところに位置する円形端縁を示し、前記センサは、
   前記共振器（１４）の前記軸がその上で固定されている基板（１０）を含み、
   前記基板（１０）は、前記共振器と共働するための検出および励起手段を担持し、
   前記検出および励起手段が共振器振動の軸方向成分と共働し、
   前記検出および励起手段は、前記共振器の導電性の端縁に面して置かれて、前記共振器を励起するとともに前記共振器の前記端縁の変位の軸方向成分を検出することを特徴とする、センサ。
2. 前記検出および励起手段は、平坦であり前記軸に直交する基板上に置かれる検出器およびトランスデューサ（２４₁、２４₂、２６₁、２６₂）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のセンサ。
3. それぞれ、前記検出器は容量性検出器で構成するよう前記共振器と共働する電極（２６₁、２６₂）を含み、前記トランスデューサは容量性励起トランスデューサを構成するよう前記共振器と共働する電極（２４₁、２４₂）を含むことを特徴とする、請求項２に記載のセンサ。
4. 前記電極と前記共振器の前記端縁との間の静止時の距離が５μｍから１００μｍの範囲内にあることを特徴とする、請求項３に記載のセンサ。
5. 前記電極が前記共振器の前記端縁の両側に径方向に延在することを特徴とする、請求項３または４に記載のセンサ。
6. 前記共振器が互いに４５°における２つの方向において整列する少なくとも２組の検出器電極（２６₁、２６₂）と、互いに４５°における２つの方向において整列する２組のトランスデューサ電極（２４₁、２４₂）とを有する２次モードにおいて振動するための、請求項３から５のいずれかに記載のセンサ。
7. 前記変位の前記軸方向成分は、前記ジャイロスコープセンサの回転角度または前記ジャイロスコープセンサの速度を表わすものである、請求項１から６のいずれかに記載のセンサ。
8. 請求項３から５のいずれかに記載のセンサと、検出器電極により供給される出力信号を受けかつ前記トランスデューサ電極にエネルギを付与して前記共振器の共振周波数における力を生じることによって振動を維持する電子回路（２２）と、信号を処理することによってその軸についての共振器の回転を計算するための手段とを含む、回転測定装置。

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