JP4898010B2 - 分離された多ディスク・ジャイロスコープ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はジャイロスコープ装置に関する。特に、複数のディスクを含み、振動および外乱を除去しながら角速度を検出するようになっているジャイロスコープ装置が提供される。
【０００２】
【従来の技術】
振動するジャイロスコープは、「１次動作」では、軸線の周囲で回転振動で動作している、または線方向で振動している質量を含む。１次動作（回転または振動）の軸線に対して垂直の軸線の周囲でジャイロスコープに加えられる角速度により、ジャイロスコープは、１次動作の軸線（または方向）に対して垂直で、加えられた角速度の軸線に対して垂直な第３軸線を中心とする２次動作で（または第２方向で）回転（または振動）する。ジャイロスコープは、航空機のナビゲーション・システムからダイナミック・コントロール・システム、自動車の安全システム、およびその他多くまでのアプリケーションで角速度を検出するために使用されている。
【０００３】
ジャイロスコープは、垂直２次動作軸線を中心とするジャイロスコープの変位を通して、１本の軸線を中心に加えられた外部角速度を測定するので、ジャイロスコープ・システムは外部振動および変位の影響を受けやすく、これも２次動作軸線の周囲に外乱動作を引き起こす。
【０００４】
概して、ジャイロスコープは、大型電磁気装置で構築されてきた。しかし、最近、微細加工したジャイロスコープが超小型電気機械システムの部品として開発されている。半導体の製造に使用するものと同様の技術を使用して、微小ジャイロスコープをシリコン・ウェーハ上に作成する。これらの技術には、基板の酸化、フォトレジスト材料の塗布、マスクを通した光またはＸ線への選択的露光、およびエッチングを含み、基板上に層状に装置を構築できる。このような超小型電気機械ジャイロスコープ装置の例が、国際ＰＣＴ特許出願ＷＯ９７／４５６９９に記載されている。これは、ジャイロスコープの単一の振動質量を使用する１層の装置である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
微細加工したジャイロスコープ装置の別の例が、Ｇｒｅｅｎへの米国特許第５，６３５，６４０号（「Ｇｒｅｅｎの特許」）に記載されている。これは１層の装置（つまり１層のコンポーネントである。ただし、基板の層は数に含まれない）である。この特許は、２つの振動質量がばねで結合され、「コーム・ドライブ（ｃｏｍｂ ｄｒｉｖｅ）」によって駆動されるジャイロスコープについて記載している。このような１層装置は、基板から隔離または分離されず、したがって外部の振動および動作の影響を受けやすく、これは受感軸の周囲に加えられた角速度によって２次動作が誘発されなくても、２次動作軸に沿ってジャイロスコープを変位させることにより、ジャイロスコープの信号にノイズまたは誤信号を引き起こすことがある。さらに、ジャイロスコープが基板から隔離されていないので、ジャイロスコープまたはばねからのモーメントが基板に、そしてその逆に、基板からジャイロへ伝達されることがある。内部および外部の「ノイズ」力およびモーメントを除去し、基板から隔離されるようになっているジャイロスコープは、現在のジャイロスコープの限界を克服する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
第１軸線の周囲で動作するようになっている少なくとも２枚のディスクと、基板に接続された固定支持クランプとを備えるジャイロスコープが提供される。ディスクは基板から分離され、ディスクは、第１ディスクの動作が第２ディスクの動作と位相がずれる方法で、第１軸線の周囲で動作するように設定される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態による分割した多層ジャイロスコープ・システムを示す。図１に示す例では、ジャイロスコープ・システムは、上部ディスク１、固定支持クランプ２、および下部ディスク３を含む３層を備える。固定された支持クランプ２は、例えば基板（図示せず）に固定される。上部および下部ディスク１、３は接続構造に接続される。図１に図示された実施形態では、接続構造は、３つの層１、２、３全部の間の相互接続部として働く中心シリンダ１０である。
【０００８】
図１のシステムが、図２で明快さを期して組立分解図で図示されている。接続構造、例えば中心シリンダ１０は、ディスク１、３および支持クランプ２に対応する層に分解して図示されているが、シリンダは実際には、３つの層を接続する連続構造で構成してもよい。各層は、ばねを介して接続構造、例えば中心シリンダ１０に接続される。上部および下部ディスク１、３は、上部および下部ばね１１、１３を介して中心シリンダに接続される。中心シリンダは、支持ばね１２を介して固定支持クランプ２に接続される。この方法で、ジャイロスコープ・システムを、これを支持する固定された基板から隔離または分離することができる。
【０００９】
図２のジャイロスコープ・システムは、中心シリンダ１０の中心に沿って１次動作軸線の周りで振動するようになっている。本発明の別の実施形態では、ジャイロスコープ・システムは、１次動作軸線の周囲でディスクが回転するようになっている。この場合、ディスクは、例えば機械的軸受を介して中心シリンダ１０に取り付けることができる。別の実施形態では、中心シリンダ１０を使用してディスクを支持する代わりに、例えばそれぞれが、（例えばばねを介して）ディスクを基板から分離した状態に維持するよう、それぞれが基板に取り付けられたディスクごとの個々の軸受けなど、別の構造を使用してもよい。
【００１０】
図３ａ〜図３ｃは、図２に示した層それぞれの上面図を示す。図３ａは、例えば中心シリンダ１０などの接続構造を通る１次動作軸線の周囲でディスクを振動させるコーム・ドライブ２０を含む上部ディスク１を示す。コーム・ドライブ２０は、例えばＧｒｅｅｎの特許で記載された「ディザ・ドライブ・コーム」などのドライブでよい。図３ｃは下部ディスクを示し、これもコーム・ドライブ２１を含む。コーム・ドライブがディスクを振動させるように図示されているが、電気力学的ドライブ、磁界、圧電力、熱光学素子、またはモータやばねなどの機械的直接入力部など、他の機構を使用してディスクを回転または振動させてもよいことは理解できるであろう。
【００１１】
図３ｂは、固定された支持クランプ２を含む固定中間層４を示し、これは固定された基板（例えば下部ディスク１３の下に配置される）に取り付けられ、これにジャイロスコープ・システムが最終的に取り付けられる。接続構造、例えば中心シリンダ１０は支持ばね１２を介して支持クランプ２に取り付けられている。固定中間層４には、角速度の入力に応答してディスクの動作を測定する動作センサ１５も含まれている。
【００１２】
図４は、本発明の実施形態によるジャイロスコープ・システムの操作方法を実際に示す。ジャイロスコープ・システムは、システムの動作をさらによく説明するために、ｘ、ｙおよびｚとラベルを付けた３次元軸線とともに図示されている。上部および下部ディスク１、３は、（例えばコーム・ドライブを使用して）ｙ軸を中心に反対方向に振動する。図４に示すｙ軸は、１次動作軸線としても知られる。ディスクはそれぞれ、任意の範囲で振動するよう設計することができる。例えば、超小型電気機械ジャイロスコープ・システムには、±１．５〜２．５°の範囲を使用することができる。上部および下部ディスク１、３は１８０°位相をずらして振動してもよい。この位相ずれの振動は、回転矢印４０の方向で図示され、これは特定の時点におけるディスク１、３の回転方向を示す。外部角加速度（矢印４１で示す）をｚ軸（受感軸としても知られる）の周囲でジャイロスコープ・システムに加えると、その結果生じるコリオリの力が、第３垂直軸（ｘ軸で、検出軸、つまり２次動作軸線としても知られる）を中心とするジャイロスコープ・ディスク１、３の動作を誘発する。
【００１３】
図４に示すように、受感軸を中心にしてジャイロスコープ・システムに加えられた時計回りの外から角速度は、２次動作軸を中心としたディスクの２次動作を引き起こす。この場合、上部ディスクには２次動作軸線を中心とした時計回りの回転が、下部ディスクには反時計回りの回転が誘発される。これは、上昇する上部ディスクの前縁および下降する上部ディスクの後縁を示す動作矢印４２によって図示されている。逆に、反対方向に回転する下部ディスクは、反対方向に動作し、矢印４３で示すように、下部ディスクの前縁は下降して、下部ディスクの後縁は上昇する。振動するジャイロスコープの場合、２次動作の記述は、瞬間的な時間に関する。この場合の２次動作は、２次動作軸線を中心とする振動であり、上部と下部のディスク１１、１３が位相ずれの状態で振動する。
【００１４】
例えば受感軸に沿って中間層４などに配置される動作センサ１５は、ディスク１、３と基板層４の間の距離の変化を検出するようになっている。本発明の１つの実施形態では、動作センサ１５は、ディスク１、３と中間層４の間のキャパシタンスの変化を検出するようになっている検出電極である。動作センサ１５は、例えばＧｒｅｅｎの特許に記載されているようなタイプでもよい。
【００１５】
外部角速度に応答した対向する方向のディスクの動作は、検出電極の動作センサ１５が検出するキャパシタンスの変化を、先行技術のシステムのようにディスクが１枚しかない場合に検出される変化に対して２倍にする。本発明の他の実施形態では、動作センサは、レーザまたは他の光学測定システム、圧電抵抗測定システム、またはディスクの２次動作を検出する他の任意のタイプのシステムを備えることができる。本明細書の記述では、キャパシタンスを検出する検出電極で構成された動作センサの例を使用するが、任意のタイプの動作センサを本発明の範囲内で実現できることが理解される。
【００１６】
図５ａ、図５ｂおよび図５ｃは、図４に示すジャイロスコープ・システムに対する加速度またはモーメント入力に対する異なる状態および応答を示す。図５ａは、（ディスクを駆動して１次動作軸の中心に振動または回転させる駆動トルクおよび重力以外に）ジャイロスコープに外部から角加速度または速度が作用していない場合の、上部および下部ディスク１、３の定常位置を示す。図４の矢印４１によって現れる外部角速度により、ディスクは図５ｂで表すように動作し、上部ディスクの一方の縁が上昇して、下部ディスクの対応する縁が下降する。
【００１７】
図５ｂから明白に分かるように、ディスク１、３と動作センサ１５間の距離は、外部角速度に対する回転または振動ディスクの応答によって変化する。ディスク１、３と電極１５の間のキャパシタンスは、その間の距離に反比例するので、この動作はキャパシタンスを変化させる。したがって、上部および下部ディスクを対向する方向に回転または振動させることにより、その結果生じるキャパシタンスの変化は、ディスク１枚のみでの変化より大きくなり、したがって検出キャパシタンス信号が強力になり、ジャイロスコープ・システムの外部角速度に対する感度が向上する。
【００１８】
図５ｃで示すように、両方のディスクが対向する方向に回転または振動していても、２次動作軸線の周囲のジャイロスコープ・システムの外部動作（例えばシステムの振動または震動）により、両方のディスクは同方向に動作する。２枚のディスク１、３が存在し、このような外乱に対応して同方向に動作するので、２枚のディスクと電極１４間の合計キャパシタンスはほぼ変化しないままである。例えば、図５ｃでは、上部ディスクの右手側が下降し、したがって上部ディスクと基板層間のキャパシタンスが増加する。しかし、下部ディスクの右手縁も、この加速に応答して下降し、キャパシタンスが減少する。したがって、２枚のディスク１、３の右縁間の合計キャパシタンスはほぼ変化しない。この方法で、振動および震動加速度などの外乱加速度が除去され、したがって検出されないが、外部角速度は検出される。
【００１９】
１つの実施形態では、ディスク１、３は、ばね１１、１３を介して例えば中心シリンダ１０などの接続構造に接続することにより、さらに支持ばね１２を介して中心シリンダ１０を固定クランプ２に接続することにより、基板から分離した状態を維持する。固定したクランプ２は基板（図示せず）に固定され、これは例えば下部ディスク３の下に配置された固定構造である。超小型電気機械デバイスの場合、基板は、例えばシリコン・ウェーハで構成される。
【００２０】
ほぼ同等のばね定数を有するばね１１、１３を構築し、ディスクを位相ずれの状態で振動させると、各ディスクによって（そのばね１１、１３を介して）加えられるトルクがほぼ同じであるので、ディスクは中心シリンダ１０に回転を誘発しない。さらに、ジャイロスコープ・システムに加えられた外部速度の結果生じるディスク１、３の２次動作が接続構造に不均衡な力を生じない。ディスク１、３の２次動作は対向する方向であるので、ばね１１、１３は対向する方向に屈曲する。ばね定数がほぼ同等である場合、中心シリンダ１０にかかる力は均衡し、中心シリンダ１０を固定支持クランプ２に結合する支持ばね１２は屈曲しない。
【００２１】
本発明の１つの実施形態では、例えば中心シリンダ１０などの接続構造を固定支持クランプに接続するばね１２は、図５ｃに示すように外部加速度が動作を引き起こす場合、ばね１１、１３と同じ方向に偏向できるような方法で設計される。したがって、平行動作は合計ばね定数の低下につながる。というのは、支持ばね１２のばね定数およびばね１１および１３のばね定数は、それぞれ直列に構成されるからである。この実施形態では、振動するジャイロスコープの場合、２次動作軸の周囲で可能な２つの動作モードについて周波数分割がある。上述したような外部速度により、ディスク１、３の２次動作が図５ｂに示すように対向する方向になり、ばね１１、１３のみが屈曲することになる。ばね１１のモーメントはばね１３のモーメントと等しいので、支持ばね１２は偏向しない。
【００２２】
これに対して、振動および他の外乱動作により、両方のディスク１、３は図５ｃに示すように同方向に動作する。この場合、ばね１１および１３が屈曲するばかりでなく、支持ばね１２も屈曲する。この実施形態では、合計ばね定数が、上部ばね１１または下部ばね１３のいずれかのばね定数よりも小さいので、その結果生じるばね定数は、ばね１１と１２または１３と１２の直列ばね定数であり、これにより、外部速度によって誘発される２次動作のばね定数と比較して、ばね定数が大幅に小さくなる。ばね定数が低下すると、ディスクが１８０°位相がずれて動作する速度誘発動作と比較して、振動で誘発された外乱動作の共振振動数が低下する。
【００２３】
支持ばね１２を、上部および下部ばね１１、１３に平行な軸線に沿って配置し、ばね定数を小さくした支持ばね１２を構築することにより、支持ばね１２は、ジャイロスコープ・システムが測定しようとするディスク１１、１３の動作とは異なる外乱動作の共振振動数を提供する。この方法で、機械的除去を使用して、外部速度入力による２次動作のみを検出し、他の力による振動および外乱を除去することができる。これはシステムの堅牢性を上げる。
【００２４】
図６ａ、図６ｂおよび図６ｃは、本発明による分離されたジャイロスコープ・システムの別の実施形態を示す。このシステムでは、ジャイロスコープ・システムの層間の接続構造として中心シリンダを使用するのではなく、システムが接続構造として外部チューブ７０を使用する。この実施形態では、図６ａから図６ｃで示すように、接続構造はディスクおよび動作検出器７５を囲み、これらは外部チューブ７０の中心に配置される。図６ａに示す上部ディスク６１は、例えば上部ディスク６１の外側の周囲に円周方向に配置されたコーム・ドライブ８０によって起動させられることができる。この実施形態では、上部ばね７１をディスクの円周方向外縁に取り付けてもよい。これらのばね７１が、上部ディスクを接続構造に取り付ける。
【００２５】
図６ｂは、本発明のこの実施形態の中央層６４を示す。例えば外部チューブ７０などの接続構造は、外部ばね７２を介して固定支持クランプ６２（図６ｂでは概念的に図示）に接続することができる。固定支持クランプ６２は固定した基板（図示せず）に接続され、ジャイロスコープ・システムは支持ばね７２、接続構造（例えば外部チューブ７０）および上部および下部ばね７１、７３を介して、基板から分離される。
【００２６】
図６ｃは、本発明の実施形態の下層を示す。例えば外部チューブ７０などの接続構造は、下部ばね７３を介して下部ディスク６３に接続される。コーム・ドライブ８１は、下部ディスク６３を起動するようになっている。この方法で、接続構造として外部チューブ７０を使用して、分離された多ディスク・ジャイロスコープを実現することができる。
【００２７】
本発明の特定の実施形態について述べてきたが請求の範囲で定義された通りの本発明の範囲は、この例示的適用例より広いことが理解される。例えば、上部および下部ディスクについて述べているが、本発明のジャイロスコープ・システムは、横に並べるなど、任意の方法で配向することができる。別の例として、接続構造は、ばねまたは他のディスクを取り付ける装置とともに、（上述した２つの実施形態に加えて）任意の方法で実現し、ジャイロスコープを固定基板から分離することができる。例えば、ばねは、本発明の範囲内で、任意の数が存在するか、相互に対して平行、垂直、または任意の他の方向など、任意の方法で構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による２枚ディスクのジャイロスコープ・システムを示す図である。
【図２】本発明の実施形態による２枚ディスクのジャイロスコープ・システムの組立分解図である。
【図３】本発明の実施形態による上部ジャイロスコープ・ディスク（ａ）、中央層（ｂ）、下部ジャイロスコープ・ディスク（ｃ）のそれぞれの上面図である。
【図４】ジャイロスコープ・システムが動作時に加えられる動作および速度とともに、図１の２枚ディスクのジャイロスコープ・システムを示す図である。
【図５】外力または速度が加えられていない場合（ａ），外力が受感軸の周囲に加えられた場合（ｂ）、外乱加速度が加えられた場合（ｃ）の本発明の実施形態による２枚ディスク・ジャイロスコープ・システムの概念図である。
【図６】本発明の他の実施形態による上部ジャイロスコープ・ディスク（ａ）、中央層（ｂ）、下部ジャイロスコープ・ディスク（ｃ）のそれぞれのの上面図である。
【符号の説明】
１ 上部ディスク
２ 固定支持クランプ
３ 下部ディスク
４ 中央層
１０ 中心シリンダ
１１ 上部ばね
１２ 支持ばね
１３ 下部ばね
１４ 電極
１５ 動作センサ
２０ コーム・ドライブ
２１ コーム・ドライブ
６１ 上部ディスク
６２ 固定支持クランプ
６３ 下部ディスク
６４ 中央層
７０ 外部チューブ
７１ 上部ばね
７２ 外部ばね
７３ 下部ばね
７５ 動作検出器
８０ コーム・ドライブ
８１ コーム・ドライブ

Claims (12)

1. 第１軸を中心に動作する第１ディスクと、
   第１軸を中心に動作する第２ディスクと、
   前記第１ディスクおよび前記第２ディスクの間に位置する固定支持クランプであって、基板に接続可能である固定支持クランプと、
   接続構造と、
   前記接続構造に前記第１ディスクを接続する第１スプリングと
   前記接続構造に前記第２ディスクを接続する第２スプリングと、そして
   前記第１ディスクおよび前記第２ディスクに平行な軸に沿って位置する第３スプリングであって、前記接続構造に前記固定支持クランプを接続する第３スプリングと
   から構成され、
   前記第１ディスクおよび前記第２ディスクが前記第１軸を中心とする動作状態に設定されると、前記第１ディスクの動作は、前記第２ディスクの動作と位相がずれ、
   前記第１ディスクおよび前記第２ディスクは、ジャイロスコープ・システムに加えられた外部速度に応答して、第２軸を中心とする運動に適応しており、そして
   前記外部速度が加えられるとき、前記第１ディスクおよび前記第２ディスクは、前記第１ディスクおよび前記第２ディスクにより前記接続構造に加えられた力がバランスするように、反対方向に移動する
   ことを特徴とするジャイロスコープ・システム。
2. 前記第１軸に垂直な他の軸を中心とするディスクの動作を感知するセンサをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のジャイロスコープ・システム。
3. 前記センサは、前記他の軸を中心とするディスクの動作によるキャパシタンスの変化を感知する電極であることを特徴とする請求項２に記載のジャイロスコープ・システム。
4. 前記接続構造は中心シリンダを有することを特徴とする請求項１に記載のジャイロスコープ・システム。
5. 前記接続構造は外部チューブを有することを特徴とする請求項１に記載のジャイロスコープ・システム。
6. 前記ディスクは超小型電気機械コンポーネントとして実現され、
   前記固定支持クランプは、超小型電気機械コンポーネントとして実現され、
   前記基板は超小型電気機械コンポーネントを支持することを特徴とする請求項１に記載のジャイロスコープ・システム。
7. 前記第１軸を中心とするディスクの動作を誘発するコーム・ドライブをさらに備えることを特徴とする請求項６に記載のジャイロスコープ・システム。
8. 前記第１軸を中心とする前記第１ディスクの動作は、振動動作であり、
   前記第１軸を中心とする前記第２ディスクの動作は、振動動作であることを特徴とする請求項６に記載のジャイロスコープ・システム。
9. 前記第１ディスクは前記固定支持クランプの上に配置され、
   前記第２ディスクが前記固定支持クランプの下に配置されることを特徴とする請求項１に記載のジャイロスコープ・システム。
10. 前記第１スプリングは第１ばね定数を有し、
    前記第２スプリングは第２ばね定数を有し、そして
    前記第３スプリングは第３ばね定数を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載のジャイロスコープ・システム。
11. 前記第１および第２ばね定数は互いに等しくかつ前記第３ばね定数よりも大きいことを特徴とする請求項１０に記載のジャイロスコープ・システム。
12. 外乱によって生じた前記他の軸を中心とするディスクの動作への影響を取り除く手段をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載のジャイロスコープ・システム。

Images