JP5138772B2 - コリオリジャイロ - Google Patents

Description

本発明は、基材と、少なくとも４つの個体構造体と、ばね要素とから構成され、上記ばね要素によって、上記個体構造体は上記基材に連結すると共に互いにも連結しており、力伝播体とタップとをさらに含み、上記構成は、上記力伝播体によって励起できる励起モードと、上記タップによって測定できる検知モードとを含み、上記検知モードは、励起された上記励起モードにおいて、受感軸を中心として回転する際のコリオリの力に基づいて励起されるコリオリジャイロに関する。

コリオリジャイロ（コリオリ振動型ジャイロスコープ）は用いられる振動モードに応じて２種類に分けることができる。

１．形状及び屈曲振動（例えば、ワイングラス型（半球共振ジャイロスコープ：ＨＲＧ）、リング型及びバー型）
２．ばね−質量系（例えば、Ｌｉｎ−Ｒｏｔ、Ｒｏｔ−Ｒｏｔ及びＬｉｎ−Ｌｉｎであり、Ｌｉｎ−Ｒｏｔでは、上記励起モードは直線運動（「Ｌｉｎ」）を含み、上記検知モードは回転運動（「Ｒｏｔ」）を含むことを意味する。Ｒｏｔ−Ｒｏｔ及びＬｉｎ−Ｌｉｎは、同様の方法で定義される。）
上記の２種類には、振動及び加速度の感度の面で、特有の長所及び短所がある。

１．形状及び屈曲振動
長所：外部閉鎖型有用モード（励起モード及び検知モード）が通常用いられる。これらのモードは、いかなる力及びモーメントをも外部には伝播しない。従って、これらのモードは、（線形及び／または回転構成要素による）直線加速度によっても、振動によっても、励起されることはない。「外部」とは、上記基材の「周辺領域」を表わす（質量要素または個体構造体の運動の結果、上記基材自体に力またはモーメントが局所的に作用することはあるが、これらは全体として互いに相殺される）。上記基材は、接着またははんだ付けなどによって、筐体またはセラミック（一般に「マウント（mount）」と呼ばれる）に搭載される。閉鎖型モードにおいては、このマウントには、力もモーメントも全く伝播されない。しかしながら、これは、正確には、考慮すべき製作公差が全くない場合にのみ当てはまる。

短所：公知の構造の大部分が、柔軟な緩衝装置を必要とする（例えば、リング及びバー；例外の１つに、上記のいわゆる半球共振ジャイロスコープ（ＨＲＧ）があるが、これは、その「真の三次元」構造に起因する複雑な製作工程が求められる）。従って、上記の構造では、加速度及び振動が起こった時に偏角する程度が比較的大きく、またこれが多くの力伝播体（例えば、静電気力伝播体）及びタップ（例えば、容量タップ）における誤りへと繋がる。さらに、上記の必要とする力が過度に大きいため、直交性補償、つまり作動要素を用いた上記構造の「釣り合い」は、事実上不可能である。

２．ばね−質量系
長所：Ｐ．Ｇｒｅｉｆｆ、Ｂ．Ｂｏｘｅｎｈｏｒｎ、Ｔ．Ｋｉｎｇ及びＬ．Ｎｉｌｅｓ、「シリコン・モノリシック・マイクロメカニカル・ジャイロスコープ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ）」、Ｔｅｃｈ．Ｄｉｇｅｓｔ、固体センサ及びアクチュエータ（Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ）に関する第６回国際会議（トランスデューサ（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ）’９１）、サンフランシスコ、ＣＡ、ＵＳＡ、１９９１年６月、ｐｐ．９６６−９６８；Ｊ．Ｂｅｒｎｓｔｅｉｎ、Ｓ．Ｃｈｏ、Ａ．Ｔ．Ｋｉｎｇ、Ａ．Ｋｏｕｒｅｐｉｎｓ、Ｐ．Ｍａｃｉｅｌ及びＭ．Ｗｅｉｎｂｅｒｇ、「マイクロ機械加工櫛型駆動部音叉レートジャイロスコープ（Ａ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｃｏｍｂ−Ｄｒｉｖｅ Ｔｕｎｉｎｇ Ｆｏｒｋ Ｒａｔｅ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ）」、ＩＥＥＥマイクロ電気機械システムワークショップ（ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ；ＭＥＭＳ’９３）報告書、フォートローダーデール、ＦＬ、ＵＳＡ、１９９３年２月、ｐｐ．１４３−１４８；及びＤＥ １９６ ４１ ２８４ Ｃ１に、加速度及び／または振動によって励起され得る、重大な誤り信号を生じ得る他のモードの共振周波数よりも、上記有用モードの共振周波数を大幅に低くすることができる構造が開示されている。重大な誤り信号を生じるモードとは、特に、検知運動の測定信号に影響を与えるモードである。通常、励起運動の測定に影響を与えるモードの引き起こす損害は、上記モードよりも少ない。

短所：振動、及び直線加速度によっても頻繁に、有用モードの１つまたは両方が励起されることがあり、従って誤り信号を生じ得る。

ＥＰ１５１５１１９Ａ１に、それぞれが、逆位相で線形に振動する二対の個体センサを含む、線形の検知モードを持つ回転数センサが開示されている。ＷＯ９５／３４７９８に、２つの振動性質量体と、当該２つの振動性質量体の回転振動に基づく検知モードとを持つコリオリジャイロが開示されている。

従って、本発明は、加速度及び振動に対して感度のより低い、ばね−質量系に基づく回転数センサを具体的に定義することを目的とする。

本発明によると、上記目的は請求項１の特徴を有するコリオリジャイロによって達成される。両方の有用モード（励起モード及び検知モード）がいずれも閉鎖型である、この種類の構造は提案されている。上記有用モードは、加速度及び振動によって励起させることはできず、誤り信号は生じない。これは、正確には、考慮すべき製作公差が全くない場合にのみ当てはまる。上記コリオリジャイロは、基材並びに複数の個体構造体（少なくとも２つ）及びばね要素を含んでいる。上記ばね要素によって、上記個体構造体のいくつかは上記基材に接続され、いくつかは互いに接続されている。この結果、上記構成は少なくとも２つの閉鎖型固有モードを含み、そのうちの１つは上記励起モードとして用いることができ、もう一方を上記検知モードとして用いることができる。上記励起モードは、力伝播体によって励起させることができる。上記コリオリジャイロがその受感軸を中心として回転する場合、上記励起振動の結果、コリオリの力が生じ、これが上記検知モードを励起させる。上記検知モードにおける運動は、タップによって測定することができる。これによる振動の振幅は測定変数として用いることできる。

請求項２に記載の効果的な改良によると、上記コリオリの力は、力伝播体によってリセットすることができる。これによって、上記個体構造体によるそれがなくなるので、より正確な評価に繋がる。力伝播体は、この目的のために必要であり、この力伝播体によってモーメント及び力を上記検知モードに加えることができる。よって、リセットに用いるモーメントまたはリセットに用いる力の振幅は、角速度の大きさとなる。

上記励起モードの運動は、請求項３に記載されるように、タップを用いて容易に確認することができる。

請求項４に記載されるような、直交性補償のための作動要素及び／または請求項５に記載されるような、周波数調整のための作動要素は、設けられることによって効果をもたらし、それぞれが設定または制御できるように作られている。マイクロ技術を用いて製造される高精度コリオリジャイロでは、直交性補償及び周波数調整は効果的である。レーザトリミングによって両方ともを実現することが可能ではあるが、このようなプロセスは高価である。作動要素によって、上記調整プロセス自体に費用がほとんどかからないという有利な点がもたらされる。

請求項６に記載の効果的な改良には、上記有用なモードの共振周波数が、加速度及び／または振動によって励起され得る、重大な誤り信号を生じ得るモードの共振周波数よりも大幅に低くすることができる構造が開示されている。従って、振動に依存する誤りがさらに軽減される。これらの構造には、上記「形状及び屈曲振動」の種類と、上記「ばね−質量系」の種類との長所を備えており、よってそれぞれの欠点を避けることができる。

次に、上記長所を定量化するために用いられる２つの状況について説明する。

第１の場合（閉鎖型検知モードの利点）
上記検知モードは、線形振動によって、または、上記励起モードが動作される周波数（一般的に、上記励起モードにおける上記共振周波数であり、同調させた共振周波数を用いた場合、上記検知モードの共振周波数でもある）において音響的に正確である場合に励起される。作用する上記加速の振幅は、ａ_０である。これは、以下の記述において、「ｇ」という単位で表わされる。説明を簡単にするために、外乱力の位相及び上記コリオリの力の位相は同一であるものとする。

第１の変形例：上記検知モードは「単純」線形振動である（逆位相線形振動ではない）。よって、上記加速度はコリオリ加速度と区別することができず、誤り信号Ω_ｖを生じる。共振周波数がｆ_０＝ω_０／（２π）＝１０ｋＨｚで、上記励起モードの振幅が１０μｍである場合、以下のようになる。

第２の変形例：上記検知モードは、単純回転振動である。質量の不均衡は、ｋ_２＝１％である。よって上記誤り信号は、概して以下に対応する。

第３の変形例：上記検知モードは、一対の回転振動の差動モードに対応する（閉鎖型モード）。それ以外に関しては第２の変形例の条件と同様の条件において、質量の不均衡はおよそ１００倍少ない（ｋ_３＝１００ｐｐｍ）ものとすることができる。よって上記誤り信号は、概して以下に対応する。

第２の場合（請求項６に記載の発明の利点）
上記振動における回転加速度部分は、以下に記載される共振周波数よりも大幅に低い周波数のレベルで考慮される。

変形例１：上記検知モードは、２つの逆位相回転振動に対応する。上記一対の回転振動の共通モードにおける共振周波数ω_ｇｌ１は、上記一対の回転振動の差動モード（すなわち上記検知モード）における共振周波数ω_２よりも低く、例えば以下のように表わされる。

変形例２：上記検知モードは、２つの逆位相回転振動に対応する。上記一対の回転振動の共通モードにおける共振周波数ω_ｇｌ２は、上記一対の回転振動の差動モード（すなわち上記検知モード）における共振周波数ω_２よりも高く、例えば以下のように表わされる。

上記の励起によって、上記変形例１及び２の上記共通モードにおける、結果としての偏角の比率は、以下のとおりである。

上記共通モードにおける上記励起によって生じる誤りは、上記共通モードにおける上記偏角、または上記偏角の二乗に比例するので、変形例２における上記誤りは、因数９から８１によって通分される。

請求項７に記載されるように、上記構造は、上記有用モードにおける上記共振周波数が、他のいかなるモードにおける共振周波数よりも大幅に低くなり、これらのモードでの励起における誤りが減少するように、作られている。

いくつかの例は、閉鎖型励起モードとしての、互いにも逆位相である、一対の逆位相線形振動と、閉鎖型検知モードとしての、一対の逆位相回転振動との結果であり（Ｌｉｎ−Ｒｏｔ）、また、閉鎖型励起モードとしての、一対の逆位相回転振動と、閉鎖型検知モードとしての、一対の逆位相回転振動との結果である（Ｒｏｔ−Ｒｏｔ）。他の例では、３つの閉鎖型固有モードがあり、互いに異なる受感軸を中心とする回転のために、そのうちの１つの固有モードは、例えば励起モードとして用いることができ、他の２つの固有モードは検知モードとして用いることができる。

請求項９に記載の、好適な改良によると、振動は上記基材の表面に平行して起こり、運動を検知する必要がなく、上記基材の表面に対して直角の運動も必要ないため、上記コリオリジャイロを容易に製造することができる。

請求項１０の効果的な改良によると、上記個体構造体が、励起部及びサンプル質量体を含む分断された構造の形式である。これによって、以下の利点が得られる。

１．上記励起部は、概して理想的に誘導される。上記励起部の駆動と、上記励起モードとの間の角度にどのような誤りがあっても、概して上記検知モードの励起には繋がらず、よって誤り信号も生じない。

２．上記検知モードの偏角は、上記励起部に働く駆動力の変化には概して繋がらない。

３．つまり、上記励起部に対する励起力と、上記検知モードにおける運動との間の、望ましくない相互作用は、その大部分が抑制されるということである。

請求項１１には、励起部と、コリオリ要素と、検知部とからなる二重に分断された構造が記載されている。これはさらに、「ピックオフ分断」へと繋がるが、これはつまり、上記検知部の上記タップと、上記励起部の運動との間の角度にどのような誤りがあっても、概して誤り信号を生じることはないことを示す。

請求項１４に記載の効果的な改良によると、４つの個体構造体が設けられる。これらによって、上記閉鎖型有用モードを容易に実現できる。

下記に、本発明に係る上記コリオリジャイロの例示的な実施態様を、以下の図面を参照して説明する。

励起モードにて線形振動をし、検知モードにて回転振動をする、閉鎖型ばね−質量系コリオリジャイロの第１の例示的な実施態様の概略図を示す。 上記励起モード及び上記検知モードにて回転振動をする、閉鎖型ばね−質量系コリオリジャイロの第１の変形例の概略図を示す。 上記励起モード及び上記検知モードにて回転振動をする、閉鎖型ばね−質量系コリオリジャイロの第２の変形例の概略図を示す。 上記励起モード及び上記検知モードにて線形振動をする、閉鎖型ばね−質量系コリオリジャイロの第２の例示的な実施態様の概略図を示す。 上記励起モード及び上記検知モードにて線形振動をする、閉鎖型ばね−質量系コリオリジャイロの第３の例示的な実施態様の概略図を示す。 本発明に係るコリオリジャイロの第４の例示的な実施態様における、第１の変形例の模式的平面図を示す。 本発明に係るコリオリジャイロの上記第４の例示的な実施態様における、第２の変形例の模式的平面図を示す。 本発明に係るコリオリジャイロの上記第４の例示的な実施態様における、第３の変形例の模式的平面図を示す。 本発明に係るコリオリジャイロの上記第４の例示的な実施態様における、第４の変形例の模式的平面図を示す。 本発明に係るコリオリジャイロの上記第４の例示的な実施態様における、第５の変形例の模式的平面図を示す。 本発明に係るコリオリジャイロの上記第４の例示的な実施態様における、第６の変形例の模式的平面図を示す。 本発明に係るコリオリジャイロの上記第４の例示的な実施態様における、第７の変形例の模式的平面図を示す。

場合によっては、明確さを保つため、上記図中において、同一の部材でも同一の参照符号が付されていないものもあるが、図示される相称及び同一の図面に基づけば、上記図中のいずれの部材がいずれの参照符号に属するかは、当業者にとって明らかであろう。

図１から図４において、薄い灰色で示される要素は全て、個体構造体としての動く「質量要素」であり、この個体構造体は、概して極めて堅固なものであると考えることができる。濃い灰色（黒）で示される領域は、概して上記基材に対して動くことができないものである。

図１に、第１の例示的な実施態様に係る、ばね−質量系に基づくコリオリジャイロを模式的に示す。本コリオリジャイロは、第１質量要素（mass element）６１を４つ備えている。第１質量要素６１は、第１ｘ連結ばね要素１ａ及び連結ばね要素２を介して互いに連結されるとともに、第２ｘ連結ばね要素１ｂ、接続要素４、及び第１基材ばね要素３を介して基材５（本実施態様においては固定部のみ）に連結されている。互いに逆位相である上記質量要素６１による、二対の逆位相線形振動は、励起モード７として用いられる。上記コリオリジャイロが受感軸Ωを中心として回転する場合、検知モード８が励起される。これは、ｙ軸を中心とする一対の逆位相回転振動として表わすことができる。上記ｙ軸は、上記受感軸Ωに対して平行であり、上記ｘ方向に対して直角である（Ｌｉｎ−Ｒｏｔ）。上記ｘ連結ばね要素１ａ及び１ｂは、ｘ方向において柔軟であり、それ以外の方向において堅固である。上記連結ばね要素２は、等方的に柔軟であってよい。つまり、いかなる負荷に対しても柔軟であってよい。上記第１基材ばね要素３は、上記ｙ軸を中心とする回転に対して柔軟であり、それ以外の回転に対して堅固である。本コリオリジャイロにおいては、上記有用モード（すなわち上記励起モード７及び検知モード８）は閉鎖型である。また、基本的に、上記励起モードと上記検知モードとは互いに入れ替え可能である。つまり、上記した、上記ｙ軸を中心とする一対の逆位相回転振動は上記励起モードとして用いることができ、またこれら一対の逆位相線形振動は上記検知モードとして用いることができる。

図２ａに、ばね−質量系に基づくコリオリジャイロを模式的に示す。本コリオリジャイロは、第２質量要素６２を２つ備えている。第２質量要素６２は、連結ばね要素２を介して互いに連結されており、第２基材ばね要素２１を介して基材５（本実施態様においては固定部２２のみ）に連結されている。ｚ方向を軸とする、上記基材固定部２２を中心とした、上記質量要素６２による、一対の逆位相回転振動は、上記励起モード７として用いられる。上記コリオリジャイロがその受感軸Ωを中心として回転している間、上記検知モードとして、ｙ軸を中心とする、一対の逆位相回転振動が励起される（Ｒｏｔ−Ｒｏｔ）。この一対の逆位相回転振動は、上記受感軸Ωに対して直角であり、上記励起モード７における上記回転軸ｚに対して直角である。上記第２基材ばね要素２１は、上記ｚ軸及びｙ軸を中心とする回転に対して柔軟であるが、それ以外の回転に対しては極めて堅固である。上記連結ばね要素２は、等方的に柔軟であってよい。つまり、いかなる負荷に対しても柔軟であってよい。本コリオリジャイロにおいても、上記有用モード（すなわち上記励起モード７及び検知モード８）は閉鎖型である。

図２ｂに、図２ａの上記コリオリジャイロを模式的に示す。本コリオリジャイロは、励起モード７が上記と同様である。すなわち、上記ｚ方向を軸とし、上記基材固定部２２を中心とした、上記質量要素６２による一対の逆位相回転振動が用いられる。別の第２基材ばね要素２１ａは、上記ｚ軸、ｘ軸及びｙ軸を中心とした回転に対して柔軟であるが、それ以外の回転に対しては極めて堅固である。上記に示したコリオリジャイロは第２閉鎖型検知モード８＿２を有する。これは上記コリオリジャイロによる第２受感軸Ω２を中心とした回転の間に励起され、ｘ軸を中心とした、一対の逆位相回転振動からなる。従って、上記に示したコリオリジャイロは「２軸」ジャイロと見なすこともできる。よって、このコリオリジャイロには閉鎖型モードが３つあり、これらは励起モードとして用いることができ、また上記受感軸によっては検知モードとして用いることができる。

図３に、第２の例示的な実施態様に係る、ばね−質量系に基づくコリオリジャイロを模式的に示す。本コリオリジャイロは、第３質量要素６３を４つ備えている。第３質量要素６３は、ｘｙ連結ばね要素２３を介して互いと、そして基材５（本実施態様においては固定部２４のみ）とに連結されている。上記質量要素６３による、上記ｘ方向及び上記ｙ方向に対して４５°の線形振動が、上記励起モード７として用いられる。この場合、上記に示した例では、斜め方向に向かい合う２つの第３質量要素６３が互いから離れるように動くとき、向かい合う他の２つの第３質量要素６３はそれぞれ互いに向かって動く。上記受感軸Ωは、上記ｘ方向及び上記ｙ方向に対して直角（従って、上記ｚ方向に対して平行）であるが、この上記受感軸Ωを中心として上記コリオリジャイロが回転する間、線形振動が上記検知モードとして励起され、上記励起モードに対して移動する（Ｌｉｎ−Ｌｉｎ）。この場合、上記ｙ方向において隣接する第３質量要素６３が上記ｙ方向において互いから離れるように動くとき、上記ｘ方向において隣接する上記第３質量要素６３は、上記ｘ方向において互いに向かって動く。上記ｙ方向において隣接する上記第３質量要素６３が上記ｙ方向において互いに向かって動くとき、上記ｘ方向において隣接する上記第３質量要素６３は、上記ｘ方向において互いから離れるように動く。上記ｘｙ連結ばね要素２３は、上記ｘ方向及び上記ｙ方向において柔軟であり、それ以外の方向においては堅固である。本コリオリジャイロにおいても、上記有用モード（すなわち上記励起モード７及び検知モード８）は閉鎖型である。

図４に、第３の例示的な実施態様に係る、ばね−質量系に基づくコリオリジャイロを模式的に示す。本コリオリジャイロは、第４質量要素６４を４つ備えている。第４質量要素６４は、別のｘｙ連結ばね要素２５を介して互いと、基材５（本実施態様においては固定部２６のみ）とに連結されている。上記ｘ方向における上記第４質量要素６４の線形振動が、上記励起モード７として用いられる。この場合、上記ｘ方向において隣接する２つの第４質量要素６４が互いから離れるように動くとき、他の２つの第４質量要素６４は上記ｘ方向において互いに向かって動く。上記受感軸Ωは、上記ｘ方向及び上記ｙ方向に対して直角（従って、上記ｚ方向に対して平行）であるが、この上記受感軸Ωを中心として上記コリオリジャイロが回転する間、線形振動が上記検知モードとして励起され、上記励起モードに対して移動する（Ｌｉｎ−Ｌｉｎ）。この場合、上記ｙ方向において隣接する２つの第４質量要素６４が互いから離れるように動くとき、他の２つの第４質量要素６４は互いに向かって動く。上記別のｘｙ連結ばね要素２５は、上記ｘ方向及び上記ｙ方向において柔軟であり、それ以外の方向においては堅固である。本コリオリジャイロにおいても、上記有用モード（すなわち上記励起モード７及び検知モード８）は閉鎖型である。

下記の図５から図１１に、第１から第７の変形例に基づいて、第４の例示的な実施態様をより詳細に示す。本発明は、この第４の例示的な実施態様には限定されず、当業者は本明細書の記載に基づいて、進歩的な技術を用いることなく、上記第１から第３の例示的な実施態様の具体的な変形例を見出すことができるであろう。

上記第１から第７の変形例において、上記受感軸Ωは各図面の平面に対して直角である。

薄い灰色で示される要素は全て、動く「質量要素」であり、この質量要素は、概して極めて堅固なものであると見なすことができる。濃い灰色で示される領域は、概して上記基材に対して動くことができないものである。線は、ばね要素の構成要素として用いられる曲げ梁（bending beams）を示す。これらの曲げ梁は、長手方向において概して極めて堅固である。上記ｚ方向における曲げ梁の長さが、上記長手方向に直角の、図の面方向の長さよりも大幅に大きい場合、上記曲げ梁は、上記長手方向に直角の、図の面方向における軸の方向よりも、上記ｚ方向の方が大幅に堅固である。ばね構造体の一部である上記曲げ梁及び上記質量要素はともに、その質量／慣性モーメントを、多くの場合、概して無視することができる。

以下の記載において、上記の「慨して」という表現は、例えば「本質的に」と表現される。

特にマイクロ技術を用いた方法などの、様々な製造方法が上記変形例の製造に適している。上記の全変形例は、例えば、出願日及び出願人が本願と同一である未公開のドイツ特許出願「Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ，ａｎｄ ａ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ（部品の製造方法及び部品）」に記載の上記マイクロ技術を用いた製造方法、または「ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｓｕｒｆａｃｅ−ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ（従来の表面マイクロメカニカルプロセス）」（例えばＲｏｂｅｒｔ Ｂｏｓｃｈ ＧｍｂＨ、Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ）を用いて、製造することができる。

図５に示す上記第１の変形例は、基材（図示せず）と、第１個体構造体５００と、第２個体構造体６００と、第３個体構造体７００と、第４個体構造体８００とによって構成されている。上記第１個体構造体５００は第１励起部５１０を含み、第１励起部５１０は第１ｘばね要素５１１を介して第１固定点５１３において上記基材に取り付けられている。第１コリオリ要素５２０は、第１ｙばね要素５２１を介して上記第１励起部５１０に接続されている。第１検知部５３０は、第１ｘ回転ばね要素５３１を介して上記第１コリオリ要素５２０に接続されている。

上記第２個体構造体６００、第３個体構造体７００、及び第４個体構造体８００はそれぞれ、上記と同様に、第２励起部６１０、第３励起部７１０、及び第４励起部８１０、第２ｘばね要素６１１、第３ｘばね要素７１１、及び第４ｘばね要素８１１、第２固定点６１３、第３固定点７１３、及び第４固定点８１３、第２ｙばね要素６２１、第３ｙばね要素７２１、及び第４ｙばね要素８２１、第２コリオリ要素６２０、第３コリオリ要素７２０、及び第４コリオリ要素８２０、第２ｘ回転ばね要素６３１、第３ｘ回転ばね要素７３１、及び第４ｘ回転ばね要素８３１、第２検知部６３０、第３検知部７３０、及び第４検知部８３０から構成されている。

上記第１励起部５１０は上記第２励起部６１０に、また同様に上記第３励起部７１０は上記第４励起部８１０に、それぞれ第１連結ばね要素５６１及び７８１によって直接連結されている。上記第１励起部５１０と第４励起部８１０、及び上記第２励起部６１０と第３励起部７１０は、それぞれ第２連結ばね要素５８及び６７によって直接連結されている。上記第１検知部５３０と第２検知部６３０、及び上記第３検知部７３０と第４検知部８３０は、それぞれ第３連結ばね要素５６４及び７８４によって直接連結されており、第１及び第２連結検知部を形成する。第１連結検知部５３０、６３０は、上記第４連結ばね要素５６７８を介して直接、上記第２連結検知部７３０、８３０に連結されている。

上記ｘばね要素５１１、６１１、７１１及び８１１は、上記ｘ方向において柔軟であり、上記ｙ及びｚ方向において極めて堅固である。これらは、誘導性を向上させるために、固体要素５１２、６１２、７１２及び８１２に接続されている。上記ｙばね要素５２１、６２１、７２１及び８２１は、上記ｙ方向において柔軟であり、上記ｘ及びｚ方向において極めて堅固である。上記ｙばね要素５２１、６２１、７２１及び８２１は、図１１に示す別のｙばね要素５５１、６５１、７５１及び８５１に対応するように、一端に形成されてもよい。上記ｘ回転ばね要素５３１、６３１、７３１及び８３１は、上記ｘ方向と、（図中では、それぞれ別のばね要素の上方に配置される２つのばね要素の）対称軸１２、１３、１４及び１５を中心として上記ｚ方向においてねじれた場合とにおいて柔軟であり、他のいかなる負荷に対しても堅固になるように作られている。従って、上記ｘ回転ばね要素５３１、６３１、７３１及び８３１は、上記コリオリ要素５２０、６２０、７２０及び８２０と上記検知部５３０、６３０、７３０及び８３０との間の相対的回転と、上記ｘ方向における距離の変化とをともに可能にする結合部としての特性を有する。

上記第１連結ばね要素５６１及び７８１は、上記ｘ方向において柔軟であり、上記ｚ及びｙ方向において堅固になるように作られている。上記第３連結ばね要素５６４及び７８４は、曲げ梁５６５及び７８５と、基材５６６及び７８６の固定部とによって構成されている。上記第３連結ばね要素５６４及び７８４は、上記ｚ方向１０及び１１における、それぞれの対称軸を中心としたねじれに対して柔軟であり、他のいかなる負荷に対しても堅固になるように作られている。従って、上記第３連結ばね要素５６４及び７８４は回転ばね要素と見なすこともできる。

上記第２連結ばね要素５８及び６７は、上記ｘ及びｙ方向において柔軟であり、上記ｚ方向において堅固になるように作られている。上記の全ばね構造体の場合のように、上記図面は設計例を示す。一例として、上記第２連結ばね要素５８及び６７の代わりに、図１０に示すばね１４１及び２４１に対応する、変形連結ばねを用いることも可能である。

上記第４連結ばね要素５６７８は、上記ｙ方向と、上記ｚ方向１６における対称軸を中心としてねじれた場合とにおいて柔軟であり、他のいかなる負荷に対しても堅固になるように作られている。上記第４連結ばね要素５６７８は、上記検知部５３０及び６３０並びに７３０及び８３０の同位相回転を妨げる。

上記励起モードは、上記第１励起部５１０及び第２励起部６１０と上記第１コリオリ要素５２０及び第２コリオリ要素６２０とのそれぞれ、並びに上記第３励起部７１０及び第４励起部８１０と上記第３コリオリ要素７２０及び第４コリオリ要素８２０とのそれぞれによる、上記ｘ軸方向における２つの線形の逆位相振動に対応する。これら２つの逆位相振動は、さらに互いに逆位相である。上記励起モードの上記共振周波数は、上記励起部５１０、６１０、７１０及び８１０、並びに上記コリオリ要素５２０、６２０、７２０及び８２０の質量と、上記ばね要素５１１、６１１、７１１及び８１１、上記別のばね要素５３１、６３１、７３１及び８３１、上記第１連結ばね要素５６１及び７８１、並びに上記第２連結ばね要素５８及び６７のばねの硬さと、によって本質的に決まる。

上記検知モードは、回転振動と線形振動とが複合したモードに対応する。これらは、上記第１検知部５３０及び第２検知部６３０による、対称軸１０を中心とした、上記ｚ方向における回転振動と、上記第３検知部７３０及び第４検知部８３０による、対称軸１１を中心とした、上記ｚ方向における回転振動との、２つの回転振動である。これら２つの回転振動は、互いに逆位相である。この場合、上記第１コリオリ要素５２０と第２コリオリ要素６２０、及び上記第３コリオリ要素７２０と第４コリオリ要素８２０は、「ある種の回転振動」を行う。これらは、上記第１ｙばね要素５２１と第２ｙばね要素６２１、及び上記第３ｙばね要素７２１と第４ｙばね要素８２１によって、上記第１励起部５１０と第２励起部６１０、及び上記第３励起部７１０と第４励起部８１０に対して、それぞれ上記ｙ方向において誘導される。上記第１コリオリ要素５２０と第２コリオリ要素６２０、及び上記第３コリオリ要素７２０と第４コリオリ要素８２０は、上記第１ｘ回転ばね要素５３１と第２ｘ回転ばね要素６３１、及び上記第３ｘ回転ばね要素７３１と第４ｘ回転ばね要素８３１によって、対応する第１検知部５３０と第２検知部６３０、及び上記第３検知部と第４検知部８３０に対して、それぞれ回転することができる。上記検知モードの上記共振周波数は、上記コリオリ要素５２０、６２０、７２０及び８２０、並びに上記検知部５３０、６３０、７３０及び８３０の質量／慣性モーメントと、上記第４連結ばね要素５６７８、上記第３連結ばね要素５６４及び７８４、上記ｘ回転ばね要素５３１、６３１、７３１及び８３１、並びに上記ｙばね要素５２１、６２１、７２１及び８２１のばねの硬さと、によって本質的に決まる。

上記第１〜第４個体構造体５００、６００、７００及び８００は、それぞれ第１〜第４力伝播体５１４、６１４、７１４及び８１４を備えており、これらによって上記励起モードは励起される。これらの力伝播体５１４、６１４、７１４及び８１４は、上記励起振動のタップとして作られているか、または別のタップを備えることができる。上記に示した例では、力伝播体５１４、６１４、７１４及び８１４として、いわゆる櫛形駆動部が示してある。

本明細書で用いられる「櫛形駆動部」及び「平面コンデンサ構成」という表現は、本願においては以下のように解釈するものとする。

・「櫛形駆動部」はコンデンサを複数の板状に配置したもので、「ディッピング（dipping）」電極を用いている。つまり、上記電極の重なりが変化する。ディッピング電極の両側においては、通常同一の電極分離が選択される。

・「平面コンデンサ構成」はコンデンサを複数の板状に配置したもので、電極分離が運動の間に変化する。これは、１つの移動電極の両側において異なる電極分離を選択すること（上記周波数だけを不適切に調整することが目的である場合、同一の電極分離を選択してもよい）、または逆に移動電極の両側において互いに電位の異なる静止電極を用いることによって、実現することができる。

図５の上記櫛形駆動部は、上記励起部５１０、６１０、７１０及び８１０と一体化した移動電極５１５、６１５、７１５及び８１５と、上記基材に固定されている電極５１６、６１６、７１６及び８１６とを備える。櫛形駆動部は、同時に、力伝播体としてもタップとしても用いることができる。

上記第１〜第４個体構造体５００、６００、７００及び８００は、それぞれ第１〜第４タップ５３４、６３４、７３４及び８３４を備えており、これらによって上記検知振動は検知される。これらのタップは、リセットモードにおいて、コリオリの力を補償するために、力伝播体としても機能するように作られているか、または、必要であれば、別の力伝播体を備えることができる。上記に示した例では、平面コンデンサ構成はタップとして示されており、平面分離は、上記検知運動の間に変化する。上記タップはそれぞれ、検知部５３０、６３０、７３０及び８３０とそれぞれ一体化した第１〜第４移動電極５３５、６５、７３５及び８３５と、上記基材に固定されている第１〜第４電極５３６、６３６、７３６及び８３６とを備えている。平面コンデンサ構成は、同時に、力伝播体としても、タップとしても用いることができる。

上記検知部は上記励起運動を行わないため、櫛形駆動部は上記検知振動のタップ（及び／または力伝播体）としても用いることができる点が重要である。上記検知振動のタップとしての、上記平面分離に変化のある平面コンデンサ構成には、印加電圧によって上記検知モードにおける上記共振周波数が変化するという特性がある。これは一方で、上記周波数を（二重共鳴に）設定するために意図的に用いることができる。また一方で、一例として、上記共振周波数は上記タップ機能のために変調信号によって、または（回転数に依存する）リセット電圧によって変調される。櫛形駆動部には、この不利な点がない。櫛形駆動部を用いるとき、上記周波数調整を可能にするために、上記平面分離に変化のある平面コンデンサ構成をさらに一体化させることができる。

なお、周波数同調体（frequency tuning）５２４、６２４、７２４及び８２４のための別の力伝播体、タップ及び／または装置を、それぞれのコリオリ要素に備えることもできる。上記に示した例は、上記平面分離の変化する平面コンデンサ構成に関する。これらの構成は、上記コリオリ要素５２０、６２０、７２０及び８２０と一体化した移動電極と、上記基材に固定された電極５２６、６２６、７２６及び８２６（記載の各箇所に電極は１つのみ）とを含む。

上記第１の変形例の構造には、上記ｘ方向における直線加速度及び上記ｚ軸を中心とする回転加速度によって励起され得る上記有用モードに近似した共振周波数に対応するモードがある。このモードにおいては、上記励起部５１０、６１０、７１０及び８１０、並びに上記コリオリ要素５２０、６２０、７２０及び８２０は上記ｘ方向に動く。しかしながら、上記検知部が上記ｙ方向に動く寄生モードと比較して、結果としての加速度及び振動に依存する誤りは小さい。

上記第１の変形例において、各箇所の２つの検知部はともに回転振動を行う。つまり、静止電極５３６、６３６、７３６及び８３６を有するタップ５３４、６３４、７３４及び８３４を含む上記に示した例では、上記平面コンデンサ構成における上記平面分離の上記変化は位置に依存する。これによって、設計及び線形近似の複雑さが増す結果になる。例えば、上記櫛形駆動部がタップ／力伝播体として用いられ、上記周波数調整が上記装置５２４、６２４、７２４及び８２４によって行われる場合、上記のように複雑さが増すことはない。

さらに、上記検知部の線形振動は、上記ｘ方向と、上記ｚ方向における対称軸を中心とする回転とにおいて柔軟であり、それ以外の回転に対しては極めて堅固な増設ばね５４１、６４１、７４１及び８４１、並びに、上記ｙ方向において柔軟であり、それ以外の方向においては極めて堅固なばね要素５４２、６４２、７４２及び８４２を介した、上記基材上の上記検知部５３０、６３０、７３０及び８３０の付加的な固定によってもたらすことができる（図６の上記第４の例示的な実施態様の上記第２の変形例参照）。上記検知部５３０、６３０、７３０及び８３０を上記コリオリ要素５２０、６２０、７２０及び８２０に接続する上記ばね要素５３１ｂ、６３１ｂ、７３１ｂ及び８３１ｂは、「結合特性」を全く必要としないため、端を２つ備えるように作ることができる。

図７の上記第３の変形例は、概して上記第１の変形例に対応し、次の変更点を含む。

・上記第１及び第４励起部５１０及び８１０、並びに上記第２及び第３励起部６１０及び７１０を接続するばね要素５８ｂ及び６７ｂは、上記励起部５１０、６１０、７１０及び８１０、並びに上記コリオリ要素５２０、６２０、７２０及び８２０が、上記ｘ方向における直線加速度によって、上記ｘ方向においてほとんど偏角することがないように変更されている。

上記第３の変形例では、その構造には、上記ｚ軸を中心とする回転加速度によって励起され得る上記有用モードに近似した共振周波数に対応するモードがある。このモードにおいて、上記励起部５１０、６１０、７１０及び８１０、並びに上記コリオリ要素５２０、６２０、７２０及び８２０は上記ｘ方向に動く。しかしながら、上記検知部が上記ｙ方向に動く寄生モードと比較して、結果としての加速度及び振動に依存する誤りは小さい。

図８の上記第４の変形例は、概して上記第３の変形例に対応し、次の変更点を含む。

・上記第１及び第２励起部５１０及び６１０、並びに上記第３及び第４励起部７１０及び８１０を連結する上記ばね要素５６１ｂ及び７８１ｂは、上記ｚ軸を中心とする回転加速度によって上記励起部５１０、６１０、７１０及び８１０、並びに上記コリオリ要素５２０、６２０、７２０及び８２０が、上記ｘ方向においてほとんど偏角することがないようにも変更されている。この場合、上記変更されたばね要素５６１ｂ及び７８１ｂは、（上記ｚ方向における）対称軸を中心とする回転、並びに上記ｙ方向における偏角に対して柔軟であり、それ以外の回転及び偏角に対しては極めて堅固なｙ回転ばね要素５６２及び７８２と、上記回転ばね５６４及び７８４に対応する方法で作られた回転ばね５６３及び７８３とを含む。

図９に、概して上記第１の変形例に対応する第５の変形例を示す。ばね５６７８ａは、上記検知部５３０及び６３０並びに７３０及び８３０の同位相回転を妨げず、上記共通モードと上記差動モードとの間の周波数分離を実現するだけである。この場合、上記有用モードの上記共振周波数は、加速度及び／または振動によって励起され得る上記モードの上記共振周波数よりも依然として大幅に低くはなく、重大な誤り信号を生じさせる。

図１０に、第６の変形例を示す。この場合、上記第１〜第４個体構造体１００、２００、３００及び４００はそれぞれ簡易な第１〜第４振動構造体１１０、２１０、３１０及び４１０からのみ構成される。上記振動構造体１１０、２１０、３１０及び４１０は、上記閉鎖型励起モード及び検知モードを実現するためにｘｙばね要素１４１及び２４１によって連結されている。ｘｙばね要素１４１及び２４１は、ｘｙ面においては柔軟であるが、それ以外の面においては極めて堅固である。さらに、上記検知モードは、ｙ回転ばね１２３４によって連結させることができる。上記に示した簡易な連結では、上記有用モードよりも低い共振周波数に対応するモードが存在することになる。それ以外に関しては、上記第６の変形例は上記第１の変形例に対応する。上記検知モードは、２つの逆位相回転振動と見なすことができる。

図１１に、第７の変形例を示す。この場合、上記第１〜第４個体構造体５００、６００、７００及び８００はそれぞれ、第１〜第４励起部５１０、６１０、７１０及び８１０と、第１〜第４サンプル質量体５５０、６５０、７５０及び８５０とからなる、簡易に分断された構造体から構成される。上記閉鎖型励起モードへの連結は、ｘｙばね要素５８及び６７によって実現される。当該ｘｙばね要素５８及び６７は、上記ｘ及びｙ方向において柔軟であるが、それ以外の方向においては極めて堅固である。上記閉鎖型検知モードは、ｘｙ回転ばね５６７８ａによって実現される。当該ｘｙ回転ばね５６７８ａは、上記ｘ及びｙ方向と、上記ｚ方向における対称軸を中心としてねじれた場合とにおいては柔軟であるが、それ以外の回転及び偏角に対しては極めて堅固である。上記に示した簡易な連結では、上記有用モードよりも低い共振周波数に対応するモードが存在することになる。それ以外に関しては、上記第７の変形例は上記第１の変形例に対応する。上記検知モードは、複合したモードと見なすことができる。

Claims (13)

1. 基材（５、２４、２６）と、少なくとも４つの個体構造体（６１、６３、６４、５００、６００、７００、８００）と、ばね要素（例えば１、２、３、２３、２５）とから構成され、上記ばね要素（例えば１、２、３、２３、２５）によって、上記個体構造体（６１、６３、６４、５００、６００、７００、８００）は上記基材（５、２４、２６）に連結すると共に互いにも連結しており、さらに、力伝播体（例えば５１４、６１４、７１４、８１４）とタップ（例えば５３４、６３４、７３４、８３４）とを備え、上記構成は、上記力伝播体（例えば５１４、６１４、７１４、８１４）によって励起できる少なくとも１つの励起モード（７）と、上記タップ（例えば５３４、６３４、７３４、８３４）によって測定できる少なくとも１つの検知モード（８）とを含み、励起された上記励起モードにおいて、当該コリオリジャイロが受感軸（Ω）を中心として回転する際のコリオリの力に基づいて上記検知モード（８）が励起でき、上記励起モード（７）は、いずれの場合においても、上記個体構造体のうちの２つによる、互いにも逆位相の、２つの逆位相連結線形振動からなる、コリオリジャイロであって、
   上記検知モード（８）は、
   上記受感軸（Ω）に対して平行である対称軸（１０）を中心とした第１および第２検知部（５５０、６５０）の回転振動、及び上記受感軸（Ω）に対して平行である対称軸（１１）を中心とした第３および第４検知部（７５０、８５０）の回転振動の２つ回転振動であって、これらの２つの回転振動は、互いに対になるとともに、互いに逆位相である回転振動か、あるいは、
   第１および第２検知部（５３０、６３０）の逆位相線形振動、及び第３および第４検知部（７３０、８３０）の逆位相線形振動であって、これらの逆位相線形振動のそれぞれは、増設バネ要素（５３１、６３１、７３１、８３１）を介して受感軸（Ω）に平行な軸を中心とする回転振動に由来するとともに、両回転振動は、互いに対であり、かつ、互いに逆位相であるとともに、両逆位相線形振動は互いに逆位相である逆位相線形振動か、のいずれかを含むとともに、
   上記第１検知部（５３０、５５０）及び第２検知部（６３０、６５０）の間と、第３検知部（７３０、７５０）及び第４検知部（８３０、８５０）の間とには、回転バネ要素（５６４、７８４）がそれぞれ備えられており、
   それぞれの上記回転バネ要素（５６４、７８４）は、曲げ梁（５６５、７８５）及び上記基材上の固定部を含むとともに、受感軸に対して平行なそれぞれの回転バネ要素（５６４、７８４）の対称軸を中心としたねじれに対して柔軟であるとともに、他のいかなる負荷に対しても堅固となるように作られており、
   上記励起モード（７）及び上記検知モード（８）は、上記構成における閉鎖型固有モードであり、これによって、理論上、つまり製作公差が全くないように最適に製作された場合、上記コリオリジャイロの周辺領域に対して、力及びモーメントが働くことがないことを特徴とするコリオリジャイロ。
2. 力伝播体（例えば５１４、６１４、７１４、８１４）は上記コリオリの力をリセットするために設けられていることを特徴とする請求項１に記載のコリオリジャイロ。
3. タップ（例えば５３４、６３４、７３４、８３４）は上記励起モード（７）における運動を測定するために設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のコリオリジャイロ。
4. 直交性補償のための作動要素（５２４、６２４、７２４、８２４、５３４、６３４、７３４、８３４）を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のコリオリジャイロ。
5. 周波数調整のための作動要素（５２４、６２４、７２４、８２４、５３４、６３４、７３４、８３４）を含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のコリオリジャイロ。
6. 上記励起モード（７）及び検知モード（８）における共振周波数は、加速度及び／または振動によって励起され得る、重大な誤り信号を生じ得るモードにおける共振周波数よりも大幅に低いことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のコリオリジャイロ。
7. 上記励起モード（７）及び検知モード（８）における共振周波数は、上記構成での他のいかなる固有モードにおける共振周波数よりも大幅に低いことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のコリオリジャイロ。
8. 上記励起モード（７）及び上記検知モード（８）の上記線形振動の方向は、上記基材の表面に対して平行であり、
   上記回転振動の軸は、上記基材の表面に対して直角であることを特徴とする請求項１に記載のコリオリジャイロ。
9. 上記個体構造体（５００、６００、７００、８００）は、それぞれ励起部（５１０、６１０、７１０、８１０）、及び検知部（５５０、６５０、７５０、８５０）から形成され、よって分断されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のコリオリジャイロ。
10. 上記個体構造体（５００、６００、７００、８００）は、それぞれ励起部（５１０、６１０、７１０、８１０）と、コリオリ要素（５２０、６２０、７２０、８２０）と、検知部（５３０、６３０、７３０、８３０）とから形成されており、よって二重に分断されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のコリオリジャイロ。
11. 上記個体構造体（５００、６００、７００、８００）は、それぞれ励起部（５１０、６１０、７１０、８１０）と、コリオリ要素（５２０、６２０、７２０、８２０）と、検知部（５３０、６３０、７３０、８３０）とから形成されており、よって二重に分断されおり、ｘ回転ばね要素（５３１、６３１、７３１、８３１）が、いずれの場合においても、上記コリオリ要素（５２０、６２０、７２０、８２０）と上記検知部（５３０、６３０、７３０、８３０）との間にそれぞれ設けられており、上記励起モード（７）での上記線形振動の方向における相対的回転及び距離の変化を可能とすることを特徴とする請求項８に記載のコリオリジャイロ。
12. 上記個体構造体（５００、６００、７００、８００）は、それぞれ励起部（５１０、６１０、７１０、８１０）と、コリオリ要素（５２０、６２０、７２０、８２０）と、検知部（５３０、６３０、７３０、８３０）とから形成されており、よって二重に分断されおり、ｘ回転ばね（５４１、６４１、７４１、８４１）が、いずれの場合においても、上記２つの検知部（５３０、６３０、７３０、８３０）の１つと、上記回転ばね要素（５６４、７８４）それぞれとの間に設けられており、上記検知部（５３０、６３０、７３０、８３０）はばね要素（５４２、６４２、７４２、８４２）を介して上記基材に固定されていることを特徴とする請求項８に記載のコリオリジャイロ。
13. ４つの個体構造体（６１、６２、６３、６４、５００、６００、７００、８００）が設けられていることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載のコリオリジャイロ。

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