JP5395856B2 - 分割またはスキュー作動要素を用いる振動慣性速度センサ - Google Patents

分割またはスキュー作動要素を用いる振動慣性速度センサ Download PDF

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Description

本発明は概して角速度センサに関し、より詳細にはたとえばジャイロスコープとして用いられる振動要素角速度センサに関する。
制限アクチュエータ体の振動原理に基づき作動する計装用センサは、当該分野において公知である。角速度ジャイロスコープは、検出直線に対する角度によって回転速度を測定すべく慣性の原理を用いる。一様式の角速度ジャイロスコープは、ソリッドステート・ジャイロスコープである。振動速度ジャイロスコープは、所定のノード空間に所定数のノードを備える所望様式の振動を生成すべく、共鳴要素において励振される定在波を用いる。振動は、ジャイロスコープ自体の並進運動と、同様に検出直線に直交する回転運動とに反応し難い固有の振動慣性を備える。共鳴要素が検出直線周りに回転する範囲で振動は、その性質または特徴（すなわち所定数のノードとノード間隔）を本質的に維持するだろう。所望様式の振動を画成するノードの回転は、検出直線周りの共鳴要素の物理的構造体の実際の回転を遅延させ得る。遅延は、振動パターンの回転と共鳴要素の回転の比率である「歳差定数」を特徴とする。従って共鳴要素上のノードの回転変位を測定することによって、回転の大きさと方向に加えて、共鳴要素の回転速度を測定可能である。
上記の原理に基づくソリッドステート・ジャイロスコープは、回転だけが検出可能であり、そのうえ通常は単一軸周りのみの回転を検出可能である。物体の相対的姿勢を測定する十分な情報を得るため、そのような三つのジャイロスコープをｘ，ｙとｚのデカルト軸の範囲に及ぶ直交関係に分類する必要がある。振動速度センサ、特に複合振動速度センサの使用における固有の課題は、ソリッドステート・ジャイロスコープの精度と信頼性が最適化できるように、ノードでの任意の差異またはノイズを減らすか、または相殺しようと試みていることである。
振動速度センサによって示される固有の課題を最小限に抑えるべく、ジャイロスコープが、高い機械的「Ｑ」（振動システムの総エネルギの大きさと、各々の振動サイクル中、総エネルギの大きさを維持すべく、システムに加えられるエネルギの大きさとの比率として規定される）を備える材料と、駆動機能と速度検出機能が隔離された形状構成とから製造される速度センサ間で最大幾何学的対称を備えるべきであるというのが一般通例になっている。残念ながらこれらの願望はジャイロの費用と複雑さを減らすため、現実世界においては通常、妥協されなければならない（たとえば非特許文献１，２、３を参照）。
たとえば一様式の角速度センサは、センサの幹部に支えられるとともに胴体部に固定されるカップ型かベル型のセンサを用いる。カップの表面は、外周面周りに対称的に交互に方向付けられた駆動電極と検出電極を含む。駆動電極を励振することによって、カップによる制御振動が誘発される。検出電極は、センサが回転する角速度を測定すべく、制御回路システムにおいて変調される信号を生成する。ジャイロスコープ組立体における固有の誤差及び欠陥による所望様式の振動の誤差を補正しようと試みる幾つかの技術が、当該分野において公知である。
円筒形共振体の所定の反ノード線に位置する、共振体外面上に提供された半径方向に対向する第１対と第２対の駆動電極の用途と、第１エネルギが一定間隔で共振体の半径に沿ってその方向を逆転させ、第２エネルギが一定間隔で共振体半径に沿ってその方向を逆転させ、第１エネルギの方向が第２エネルギの方向と反対の方向になれるように、各々の第１駆動電極と各々の第２駆動電極でそれぞれ第１エネルギと第２エネルギを同時に発生さ
せる手段とが開示される（たとえば特許文献１参照）。第１エネルギと第２エネルギの相補性作用は、ノードの偏位を阻止または制限し、それによって振動ノードに設けられるセンサでのゼロ電圧信号を制限する。従って駆動電極と検出電極は、円筒形共振体の中心線周りに等角間隔で分配されるとともに、それぞれ反ノード線及びノード線と一致する。
本明細書において「混合対」の構成要素、すなわち軸対称性振動要素周りに検出要素と直径方向に対向する駆動要素と称せられるものが開示されている（たとえば特許文献２と３を参照）。少なくとも二つのそのような混合対が用いられ、その間の回転変位は、４５°である。４５°の変位は、開示振動パターンの隣接するノード線と反ノード線の間の間隔と一致する。中心線周りの角配置は、駆動要素が振動パターンを制御できるようにするとともに、回転速度に応じて振動パターンの位置検出を最適化する。
所望様式の振動における任意の誤差を補正しようと試みるべく調整を行うため、駆動電極のうちの一つの接続の分割と、対応する駆動センサ対によって通常は検出される、一対の駆動電圧による分割電極の駆動とを惹起するカップ型共振体の補正技術が開示されている（たとえば特許文献４参照）。この技術は、幾つかの欠点を免れない。振動の対称性を維持するため、全要素の質量とサイズは、出来る限り厳密に一致させるが、一つの駆動電極を分割することによって生じる非対称は、全体の均一性と、所望様式の振動を維持する能力とに有害に影響を及ぼす。更に分割駆動電極は、他の要素で用いられる単一伝導体の変わりに二つの伝導体接続を必要とする。第２接続の付加質量は更に、共鳴性能に有害な非対称を生じさせる。更に分割駆動板は、静止整列にのみ用いられるが、能動トルク調節を補強するためには用いられない。
これらの欠陥を克服するためのたとえばサーミスタなどの他のセンサ由来の補正信号、ＥＥＰＲＯＭ補正表の使用、または低温範囲への使用の制限などの補正技術が存在する。しかしこれらの測定は、複雑さと設計費用を増やすとともに追加試験及び調整を必要としがちである。たとえ費用と複雑さが問題でなかったとしても、これらの測定は、根本的な課題を扱うというよりはむしろ、事後に問題を補正しようとするものなので、有効性が制限される。
信号検出における分割電極の用途が、カップ形以外の形状に開示される。可変量の位相調整駆動信号が検出信号内に投入される長方形棒型ジャイロスコープが開示されている（たとえば特許文献５参照）。特許文献６は、三角形棒型ジャイロスコープの類似配置を開示する。特許文献７は、平板形状の類似概念を開示する。
これらのデバイスの不利な特性は、自動ゲイン制御（ＡＧＣ）が、回転速度の存在ごとに妨害されることである。妨害は、分解信号に更にノイズを生じさせる。しかも駆動直線と速度検出直線の間の整列誤差は、速度検出信号に回転の虚偽表示を生じさせ得る若干の駆動信号を重ねることになる。
別の公知型の角速度センサは、音叉対配置において圧電セラミック・ベンダ要素の使用を含む。この様式の配置において一対の駆動要素は、単一平面内に制御振動を誘発すべく付勢される。振動面に平行であるとともに対称軸線上にある振動要素に回転エネルギを適用することによって、検出対象と振動要素の間の角度関係に特有な測定可能信号が誘発される。音叉に固有な設計は、振動駆動要素から生じる曲げエネルギである。幾つかの設計は、駆動要素と検出要素を隔離することによって、そのような望ましくないエネルギを減らそうと試みるが、低い信号対ノイズ比と回転の虚偽表示に繋がる誤差が依然として存在する。
米国特許第５，４７１，８７５号明細書 米国特許第５，２１８，８６７号明細書 米国特許第６，８０５，００７号明細書 米国特許第５，４４５，００７号明細書 米国特許第５，９３２，８０２号明細書 米国特許第５，７６０，３０３号明細書 米国特許第５，４３０，３４２号明細書
W.S.ワトソン(Watson)、精密適用用の振動要素角速度センサ(Vibrating Element Angular Rate Sensor For Precision Applications),電気電子技術者協会(IEEE) 位置標定とナビゲーション・シンポジウム(Position Location and Navigation Symposium),1990年。 D.D.リンチ(Lynch),コリオリ振動ジャイロ(Coriolis Vibratory Gyros),ジャイロ技術シンポジウム(Symposium Gyro Technology),1998年9月。 C.フェル(Fell),I.ホプキン(Hopkin)，K.タウンゼント(Townsend),第２世代シリコン・リング型ジャイロスコープ(A Second Generation Silicon Ring Gyroscope),ジャイロ技術シンポジウム(Symposium Gyro Technology),1999年9月。
夥しい数の振動に基づく角速度検出システムが存在するが、所望の振動様式を維持すべく、駆動要素と検出要素の間の角度関係の調整能力と対称性塊構造体の維持能力の両方を備えた簡単で経済的な設計を何れも提供しない。また既存の設計は、振動に基づく角速度検出システムの制御と動作において、結合機能（すなわち駆動とトルクまたは駆動検出と回転検出）を使用できない。
本発明の種々の実施形態に従って、振動慣性速度センサは、それらの典型的な直交または回転対称関係から回転偏位または「スキュー」される駆動要素または検出要素の何れかを備える。一実施形態において、複数の基準線は、連続性または軸対称性の振動構造上に振動パターンのノードと反ノードによって画成される。第１対の駆動要素または検出要素の部材は、前記構造の反対側に存在するとともに、第１基準線に対して一回転方向に偏位またはスキューされる。第２対の駆動要素または検出要素は、第２基準線に対して対向する回転方向にスキューされる。各々の偏位の大きさは、同じであり得るか、異なり得る。スキュー要素対が検出要素である場合、二対由来の信号のゲイン比は、更に別の伝導体接続を必要とせずに、有効な検出ベクトルを測定すべく調整され得る。また検出要素は、駆動ベクトル成分と回転速度ベクトル成分の両成分を含む振動を検出する。これらの成分は、各々のスキュー検出要素対由来の信号を加算および減算することによって決定可能である。
スキュー要素対が駆動要素である場合、励振電圧のゲイン比は、この場合もやはり更に別の伝導体接続を行わずに振動ノード位置をリダイレクトまたは「トルク化」するように調整され得る。本発明の特定の原理は、限定されないがカップ型またはベル型の振動構造体、リング型振動構造体、フォーク型振動構造体およびプレート型振動構造体を含む様々な種類の振動構造ジャイロスコープまたは振動慣性速度センサ型に適用可能であり得る。
本発明の実施形態は、軸線に直交する平面上に閉鎖ループを形成する連続体の共振体と、複数の作動中心線を画成すべく軸線を中心とする連続体に動作自在に連結される複数の
作動要素対とを含み得る。複数の作動要素対は、軸線周りに非一様分布で配置され得るが、この非一様分布は、軸線を含む平面周りに鏡対称であることを特徴とする。
幾つかの実施形態は、軸を画成する長さを備えるパターンを用いることによって、作動要素の偏位に作用する。前記パターンは、第１半体と第２半体に分割可能である。少なくとも第１対と第２対の作動要素は、前記パターン内に含められ、作動要素は、駆動要素と検出要素からなる群から選択される。各々の作動要素は更に、重心を特徴とし、第１対の作動要素の重心は、パターン長の第１半分上に位置するとともに、パターン中心線に平行な重心の間に第１径間長を示す。第１対の重心は更に、その間に等距離に位置する第１中間点を画成する。第２対の作動要素の重心は、パターン長の第２半分上に位置するとともに、パターン中心線に平行な第２径間長を示し、第２対の重心は、その間に等距離に位置する第２中間点を画成する。第１中間点と第２中間点は、パターン長の半分に実質的に等しい距離によって分離され、第１径間長は、第２径間長に実質的に等しいが、パターン長の四分の一に実質的に等しくない。
他の実施形態において、共振体は、軸線を備える連続体と、共振体上に振動パターンを発生させる手段とを含む。振動パターンは、複数のノード対と反ノード対を画成し、各々のノード対は、軸線を中心にするとともに、対応するノードまたは反ノード対を通過する複数の基準線を画成する。複数の作動要素対は、連続体に動作自在に連結され、複数の作動中心線を画成する。複数の作動中心線のうちの各々は、複数の作動要素の対応する一つを通過するとともに軸線を横断する。所定の作動中心線はまた、軸線を中心とする二つの作動要素を通過し得る。前記作動中心線のうちの一つは、その対応基準線に対する第１回転偏位を特徴とし、他の基準線の何れとも一致しない。第２作動中心線は、第１回転偏位と反対の方向にその対応基準線から第２回転偏位することを特徴とする。
本発明の特定の構成は、何れの成分にも専用の検出要素を必要とすることなく、駆動ベクトルと回転速度ベクトルの両ベクトルの検出を対象とし得る。これらの実施形態において軸線周りに連続する共振体と振動パターンを発生させる手段は、振動パターン上に複数のノードを画成する。一対の検出要素は、共振体に動作自在に連結され得る。前記検出要素は、共振体の回転が停止している場合、複数のノードのうちの一つを中心とするか、複数のノードのうちの一つの直ぐ隣にある。他の実施形態において少なくとも一つの駆動要素は、共振体のうちの少なくとも一部分上に振動を生じさせるように共振体に動作自在に連結される。第１検出要素は、第１駆動成分を含む振動の第１ベクトルを検出すべく共振体に動作自在に連結される。第２検出要素は、振動の第２ベクトルを検出すべく共振体に動作自在に連結され、前記第２ベクトルは、第１駆動振動成分に対して反対の振動位相を有する第２駆動成分を含む。
他の実施形態は、トルク機能専用の要素を必要とすることなく、共振体上に振動または振動性パターンの動的トルクを提供することを対象とし得る。そのような組立体は総じて、連続性共振体と、前記連続共振体上に振動パターンを発生させるとともに、動的に回転変位させる機構とを含む。振動パターンは、共振体上に振動振幅を備える少なくとも一つの反ノードを特徴とし得る。反ノードの回転速度と振動振幅を測定する機構とシステムもまた開示される。
更に他の実施形態は、駆動要素対と検出要素対の両方をそれらの各々の基準線から偏位させることによって、同時駆動・回転速度測定と動的トルク能力を組合せ得る。
他の実施形態は、開示ジャイロスコープを使用または製造する方法を開示する。開示発明の特定の実施形態を用いる一方法は、第１駆動振動成分と第１回転速度成分を備える第１振動ベクトルを検出するように構成される第１検出要素と、第２駆動振動成分と第２回転速度成分を備える第２振動ベクトルを検出するように構成される第２検出要素とを備える
ジャイロスコープの選択を含み、前記第２駆動振動は、前記第１駆動振動成分に対して反対の振動位相からなる。第１信号は、第１検出要素から得られ、第２信号は第２検出要素から得られる。第１信号と第２信号は、第１信号と第２信号の減算と第１信号と第２信号の加算からなる群から選択される少なくとも一つの演算を実行することにより、駆動振
動の大きさを測定すべく用いられる。振動ジャイロスコープの回転速度はまた、第１信号と第２信号の加算と第１信号と第２信号の減算からなる群から選択される演算を実行することによって測定され得る。
慣性速度センサの製造方法は、本発明の別の実施形態において開示される。前記方法は、第１半分と第２半分に分割可能な全長を備え、更に少なくとも二対の同じ機能の作動要素パターンを含む配置を選択することを含む。二対のうちの一対は、パターンの第１半分上に位置する中間点を備え、別の対は、配置の第２半分上に中心がある中間点を備える。中間点は、配置の全長の半分に実質的に等しい距離をその間に示し得る。各々の同じ機能の作動要素パターンは、重心を有し、各々の同じ機能の作動要素パターン対の重心は、同じ距離離間し、前記等距離は、パターンの全長の四分の一と実質的に等しくない。同じ機能の作動要素パターンは、連続性共振体に移されるとともに同じ機能の作動要素に変換される。
本発明の別の実施形態において、所定の検出要素対のうちの一つの要素は、連続性（たとえばカップ型、ベル型、リング型）共振体の基準線周りに分割される。作動的に分割要素は、同じ基準線周りに反対の方向に効果的に回転偏位される、二つの互いに異なる検出要素である。スキュー検出要素構成に関するように、分割検出要素信号は、駆動ベクトルと回転速度ベクトルの両ベクトルを分割するために用いることが可能である。類似実施形態または関連実施形態において所定の検出要素対の両要素は、基準線周りに分割される。この「二重分割」構成は、本質的にスキューされた要素構成を作る。前記要素は同じ軸周りにスキューされ、前記単一分割検出要素構成と同じ機能性を提供するが、信号対ノイズ特性が改善され、共振体構成はより対称的になる。
更に別の実施形態において、慣性センサ装置の角速度を示す角回転信号の生成において使用する慣性センサ装置は、所望様式の振動に関連する第１ノード基準線を備える、たとえばカップ、プレートまたはリングなどの共振体構造を備える。一対の電極型の第１検出要素は、実質的に共振体構造上に位置し、前記検出要素は、第１ノード基準線から回転偏位または「スキュー」される第１検出直線を画成すべく、互いに直径方向に対向する。第１対の検出電極は、慣性センサ装置の回転に反応して第１信号を発生させるように構成および配置される。ジャイロスコープへのこの実施形態の適用において共振体構造は、励振電圧に反応して振動するように構成および配置される。
特定のスキューと分割検出実施形態の利点には、簡潔にすべくより少ない電極接続と、より優れた共鳴性能のため、より大きな対称性によってもたらされる、既存の振動ジャイロスコープ設計を超える改善された速度検出信号と駆動検出信号が含まれ得る。また両信号のゲインは、決められたコースを進み得るとともに、開放ループゲインは、ＡＧＣシステムの限界内で一定であり得る。何故なら同じ電極が、回転速度と駆動振幅の両方の検出に使用されるからである。更に付加的検出電極のアベイラビリティは、より大きな信号対ノイズ比を提供し得る。
更に別の実施形態において、一対の駆動電極型の駆動要素は、互いに実質的に対向して位置し得るとともに、共振体構造の検出電極から回転偏位され得る。駆動電極は、共振体構造の励振と続く振動ベクトルを制御すべく働く。スキュー駆動電極構成の利点は、専用要素を用いることなく駆動要素によって能動トルク調整を促進することである。駆動要素のスキュー配置は、別個の専用トルク要素に頼ることなく駆動振動ベクトルの調整を可能
にする。各々の駆動直線に対する駆動電圧の比率は、二つのスキュー角度の間の駆動ベクトルの位置に作用するように調整されるので、静止整列または駆動ベクトルのトルク化の何れかを生じさせる。
スキュー駆動実施形態において、共振体構造はまた、所望様式の振動に関連する第２ド基準線を画成する。前記第２ノード基準線は、実質的に第１ノード基準線と直交する。この実施形態において、トルク機能を実行すべく専用の電極対を必要としないので、第２対の検出電極型の第２検出要素が、それらに代わって配置され得る。第２対の検出電極は、第２ノード基準線から回転偏位またはスキューされる第２検出直線を画成すべく、互いに実質的に対向して位置する。スキューは、小さな制御量の駆動運動が速度検出信号とともに電極上で集められるようにする。この第２対の検出電極は、慣性センサ装置の回転に応じて反対極性の第２信号と、駆動運動に応じて同じ極性の第２信号とを発生させる。第１検出電極と第２検出電極由来の信号を減算することによって、角速度検出信号を測定可能である。第１検出電極信号と第２検出電極信号の加算によって、駆動検出信号の指標が提供される。
本発明の更に別の実施形態は、対称軸線を有する共振体と、前記対称軸線周りに位置する複数の作動要素とを含む慣性センサに電気的に連動する方法を含む。前記方法は、第１組の少なくとも一つの作動要素に第１振動駆動信号を適用することと、第１振動駆動信号と第２振動駆動信号のうちの少なくとも一つが、共振体を対称軸線周りに振動パターンで振動させるように、第１組とは異なる第２組の少なくとも一つの作動要素に第２振動駆動信号を適用することとを含み、前記振動パターンは、共振体に関して第１位置に位置する複数のノードを含む。振動パターンは、第１振動駆動信号と第２振動駆動信号のうちの少なくとも一つの振幅を変化させることによって、複数のノードが、第１位置とは異なる共振体に関して第２位置に位置するように変化する。
本発明の別の実施形態において、回路は、共振体を含む慣性センサに電気的に連動する。前記回路は、共振体を振動パターンで振動させる共振体に一連の少なくとも一つの励振信号を適用する励振信号発生器を含む。振動パターンモニタは、第１信号と第２信号を得る。各々の信号は、共振体上の対応する第１位置と第２位置にそれぞれ存在する振動パターンに特有の振動を示す。第１位置は、第２位置とは異なる。各々の第１信号と第２信号は、慣性センサの角運動速度に関連する第１振幅成分と、一連の少なくとも一つの励振信号と関連する第２振幅成分とを含む。振動パターンモニタは、第１信号と第２信号から第１振幅成分と第２振幅成分のうちの少なくとも一つを得る。
本発明の別の実施形態は、共振体を振動パターンで振動させる励振信号を適用することと、第１作動要素と第２作動要素で振動パターンを監視することとによって、振動体共振体を含む慣性センサに電気的に連動する方法を含む。第１作動要素は、共振体上の対応する第１位置に存在する振動パターンに特有な振動を示す第１信号を生成し、第２作動要素は、前記第１位置とは異なる共振体上の対応する第２位置に存在する振動パターンに特有な振動を示す第２信号を生成する。慣性センサの角運動に応じて、第１信号は、第１変化速度で大きさの変化を受け、第２信号は、第１変化速度とは異なる第２変化速度で大きさの変化を受ける。第１信号と第２信号の各々の振幅の第１関係を用いることによって、慣性センサの角運動速度を測定し、第１信号と第２信号の各々の振幅の第２関係を用いることによって、励振信号の振幅を測定する。
本発明の更に別の実施形態は、複数の駆動要素を含む複数の作動要素と複数のセンサを備える、共振体を用いて角運動を測定するシステムを含む。駆動回路は、共振体が、複数のノードと反ノードを含む振動パターンに従って振動するように、複数の駆動要素に励振信号を伝達させる。励振信号伝達は、第１組の少なくとも一つの駆動要素に適用される第
１励振信号と、第２組の少なくとも一つの駆動要素に適用される第２励振信号とを含む。第１励振信号と第２励振信号の相対振幅は、振動パターンのノードと反ノードの配置を制御する。
別の実施形態において、慣性センサの振動パターンを再配置する方法は、軸線を含む共振体と、前記軸線周りに位置する複数の作動要素とを含む。前記方法は、第１方向を画成すべく、軸線に交差する第１駆動直線に沿って配置される第１組の少なくとも一つの作動要素に第１駆動信号を適用することと、第１方向から軸線周りに回転偏位される第２方向を画成すべく、軸線に交差する第２駆動直線に沿って配置される第２組の少なくとも一つの作動要素に第２駆動信号を適用することとを含む。第１駆動信号と第２駆動信号のうちの少なくとも一つを適用することによって、軸線周りに角分布を有する複数の反ノードを含む振動パターンが生じる。前記角分布は、複数の反ノードの隣接する反ノードの間に角度を有し、前記角度は、第１駆動直線と第２駆動直線の間に回転偏位とは異なる大きさを備える。第１駆動信号と第２駆動信号の相対振幅は、軸線周りの任意角度方向に反ノード・パターンを回転させるように調整される。
本発明の幾つかの実施形態の利点は、振動パターンの主軸に対する成分配置の対称性が部分的に維持され得ることである。偏位角は、軸対称体または連続体の軸線周りの一様な角間隔を不可能にするが、成分は、実装に依存してノード基準線または反ノード基準線周りに依然として鏡対称である。部分対称性は、振動パターンの一様な伝搬を促進する。
当然のことながらたとえば上方と下方、前方と後方、左と右などの相対用語への言及は、本発明またはその成分を任意の特定な方向に限定することを意図するものではない。図面において図示される全寸法は、本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の特定の実施形態の可能な設計と意図される用途によって変化し得る。
本明細書において開示される更に別の図面と方法のうちの各々は、改善されたデバイス、システムおよび方法を提供するため、同一物を製造および使用すべく、個別または他の形状構成および方法と併せて使用され得る。従って本明細書において開示される形状構成と方法の組合せは、広い意味において本発明を実行するのに必須ではなく、それよりはむしろ本発明の典型的および好適な実施形態を具体的に記載すべく、単に開示されるものである。
更に別の利点と形状構成は、以下の説明においてある程度示され、ある意味では当業者には下記の試験によって明らかになるか、本明細書において記載される実施形態の実行によって確認され得る。
先行技術において公知のようなカップ型電極用の分割駆動電極組立体の平面図。 本発明の実施形態に従う回転偏位した検出要素を例示するジャイロスコープの斜視図。 図２の実施形態に従う回転整列した駆動要素を例示するジャイロスコープの斜視図。 図２と図３のジャイロスコープの平面図。 本発明の実施形態に従うジャイロスコープの検出要素を監視できるとともに、回転速度を示すことが可能な模範的回路を例示する略線図。 本発明の一実施形態に従う検出要素を監視できるとともに、適用駆動信号に関連する表示を提供可能な模範的制御回路を例示する略線図。 本発明の実施形態における単一分割要素構成の斜視図。 図７の単一分割要素構成の断面図。 本発明の実施形態における単一分割要素構成用の複合速度・駆動検出回路の結線図。 本発明の実施形態における速度検出・駆動検出・能動トルク結合回路の結線図。 本発明の実施形態における二重分割要素構成の断面図。 本発明の実施形態における二重分割要素構成用の速度・駆動検出結合回路の結線図。 本発明の実施形態に従う振動構造ジャイロスコープの一般化制御線図。 本発明の実施形態に従うジャイロスコープ・システム内で使用するジャイロスコープ・モデル例の成分のブロック図。 本発明の実施形態に従うジャイロスコープ・システム内に組み込まれたゲイン比調整回路システムに関する実施形態。 回転偏位された駆動要素を強調表示する本発明の実施形態の斜視図。 回転整列された検出要素を強調表示する図１６の実施形態の斜視図。 図１６と図１７のカップ型組立体の平面図。 本発明の実施形態に従う能動トルク駆動回路。 本発明の実施形態におけるスキュー駆動直線とスキュー検出直線の両方を備える作動要素のパターン。 本発明の実施形態に従うスキュー駆動要素を例示するリング型ジャイロスコープの平面図。 検出要素をスキューするように構成された図１４のリング型ジャイロスコープの平面図。 音叉型ジャイロスコープ。 図１６の音叉型ジャイロスコープの検出要素対の断面図。 本発明の実施形態に従う音叉型ジャイロスコープ用のスキュー検出要素対の断面図。 プレート型ジャイロスコープの略図。 プレート型ジャイロスコープにおけるプレート対の平面図。 本発明の実施形態に従うスキュープレート型ジャイロスコープの平面図。
図１は、先行技術において公知の不都合な振動整列を補正する分割駆動電極組立体３０を示す。分割駆動電極組立体３０は、総じて円筒断面を備える共振体３２からなり、直径方向に対向する第１駆動電極３４と第２駆動電極３６を特徴とする。第２駆動電極３６は、電気的に絶縁された第１分割駆動電極３６ａと第２分割駆動電極３６ｂに分割される。
作動中、第１駆動電極３４は、駆動信号を提供することによって、第１ノード基準線４０ａと第２ノード基準線４０ｂおよび第１反ノード基準線４２ａと第２反ノード基準線４２ｂを特徴とする振動性または振動パターン３８（ファントム図で表示）を発生させる。第１ノード基準線４０ａと第２ノード基準線４０ｂは、振動の振幅が極小にある振動パターン３８上の点によって画成される。逆に第１反ノード基準線４２ａと第２反ノード基準線４２ｂは、振動の振幅が極大にある振動パターン３８上の点によって画成される。機能的に第２駆動電極３６は、たとえば電極印刷誤差と伝導体接続における質量差などの振動パターンを変形させる、組立体における欠陥を補正する補正駆動信号を提供する。
第１駆動検出電極４４と第２駆動検出電極４６は、第２反ノード基準線４２ｂ上の駆動振動ベクトルの振幅を検出する。前記振幅は、理想的なシステムでは第１反ノード基準線４２ａ上の第１駆動電極３４と第２駆動電極３６によって誘発される振幅と同じである。従って第１駆動検出電極４４と第２駆動検出電極４６は、第１駆動電極３４と第２駆動電極３６によって供給される駆動振幅を制御すべく、自動ゲイン制御器またはＡＧＣ（図示なし）にフィードバック信号を提供し得る。従って第１駆動検出電極４４と第２駆動検出
電極４６は、独立機能として駆動運動の検出専用なので、カップ振動の駆動に利用できない。
第１検出電極４８と第２検出電極５０は、それぞれ検出すべく第１ノード基準線４０ａと回転整列するノード検出電極である。同様に第１トルク駆動電極５２と第２トルク駆動電極５４は、第２ノード基準線４０ｂと回転整列する。第１ノード基準線４０ａ上のノード検出電極は、共に電気接続され、独立機能として回転速度信号の生成専用である。第２ノード基準線４０ｂ上の第１トルク駆動電極５２と第２トルク駆動電極５４もまた、共に電気接続されるが、専用の独立機能としてカップに「トルク」エネルギを駆動すべく用いられる。
作動中、第１駆動電圧５６と第２駆動電圧５８は、それぞれ第１分割駆動電極３６ａと第２分割駆動電極３６ｂに一つずつ適用される。第１駆動電圧５６と第２駆動電圧５８の平均は、第１駆動電極３４に適用される電圧６０に等しくなる様に設定される。第１駆動電圧５６と第２駆動電圧５８の比率を調整することによって、振動パターン３８は、時計回りか反時計回りの何れかの方向に変位角φ回転され得る（すなわち＋φ〜−φ範囲）。
実施中、分割駆動板は、静止整列にのみ用いられ、能動トルク調整を補強しない。トルク機能は、一般的に第１検出電極４８と第２検出電極５０由来の回転速度の検出と、前記情報の処理と、第１トルク駆動電極５２と第２トルク駆動電極５４による共振体３２の駆動とを含む。トルク信号極性は一般的に、既存のノード振動に対抗すべく設定され、信号処理においてゲインを用いることによってジャイロスコープの全体応答の帯域幅を設定する。前記構想を同様に用いることによって、検出システムにおける直交信号を制御する。しかしこの能動トルク調整方法は、別に検出目的に使用され得るトルク機能を果たす専用の一対の電極を必要とする。
駆動電極のうちの一つを分割する技術は、幾つかの欠点を免れない。振動の対称性を維持するため、全要素の質量とサイズは可能な限り厳密に一致させる。一つの第２駆動電極３６を分割することによって生じる非対称性は、全体の一様性と、所望振動様式を維持する能力とに有害に作用する。分割される第２駆動電極３６は、他の要素で用いられる単一伝導体の代わりに、二つの伝導体接続を必要とする。第２接続の質量が加わることによって、共鳴性能に有害な非対称性が更に生じる。
次に図２〜図４を参照して、角速度センサがカップ型組立体１００の形態である本発明の実施形態を図示および説明する。カップ型組立体１００は、軸線１０１周りに連続する共振体１０２を含む。共振体１０２は、外面１０４、近位端１０６、および遠位端１０８を備える。幹部１１０は、近位端１０６に従属する。遠位端１０８は、周縁１０５を画成する。第１駆動要素対１１１ａと第２駆動要素対１１１ｂ、および「ピックオフ」としての第１検出要素対１１２ａと第２検出要素対１１２ｂは、周縁１０５に隣接する共振体１０２の外面１０４に取付けられるか、そうでなければ動作自在に連結される。
本発明を説明するため、「連続」体または共振体は、前記物体または共振体の軸線に直交する平面上に閉鎖ループを画成する断面を備えるものである。連続体は、単体型をとるか、連続断面にすべく結合される複合成分を備え得る。同様に連続長は、閉鎖ループを形成するものである。本発明のうちの幾つかの実施形態において連続体の閉鎖ループは、軸対称であり得る。その場合、本明細書における用語「軸対称性」は、たとえば円筒形または円錐形の場合の軸線におけるなど、軸周りに対称であることを称する。また、たとえば限定しないが、断面が楕円形、多角形または不規則形の断面の物体などの軸対称ではない連続体か非連続体は、振動パターンが発生し得る閉鎖ループの非対称性を補正または提供すべく備える本発明の特定の実施形態に従う共振体として使用され得る。
本明細書において用いられるような用語「電極」は、検出要素と駆動要素のうちの少なくとも一方とのやり取りに信号または電圧を伝送すべく、用いられる伝導体を表現し得るとともに、同様に検出要素と駆動要素のうちの少なくとも一方の一部分か全て、または伝導体と検出要素と駆動要素のうちの少なくとも一方との組合せを称するように用いられ得る。より包括的な名称は、「作動要素」であり、振動パターンを駆動するか振動パターンのうちの一部分を検出するかの何れかのために作動する要素として本発明のために本明細書によって規定される。更に「作動要素対」は、振動パターンの駆動か検出の何れかを行うべく前記対の両作動要素が作動する作動要素対として本発明のために本明細書によって規定される。
しかも本明細書における実施形態は、たとえばコイル、細長片またはプレートなどの振動体に物理的に接触する作動要素を開示するが、たとえば容量と磁場のセンサおよび励振機構などの作動要素が物理的に接触しない他の実施形態が存在する。また駆動要素と検出要素のうちの少なくとも一方は、たとえばエネルギの機械伝達、光伝達または熱伝達などの電気信号以外の物理的機構を利用し得る。
一実施形態において、第１検出要素対１１２ａと第２検出要素対１１２ｂ対における各々の検出電極または検出要素は、第１中心線１１３が軸線１０１に平行であることを特徴とする。同様に第１駆動要素対１１１ａと第２駆動要素対１１１ｂの各々の駆動電極または駆動要素は、第２中心線１１７が軸線１０１に平行であることを特徴とする。第１ノード基準線１１５と第２ノード基準線１１６は各々、一対の直径方向に対向する第１ノード対１１４ａ（第１振動ノード）と第２ノード対１１４ｂ（第２振動ノード）をそれぞれ通過し、軸線１０１で、または軸線付近で交差する。第１ノード対１１４ａと第２ノード対１１４ｂは、周縁１０５上の位置によって画成される。前記位置で第１駆動要素対１１１ａと第２駆動要素対１１１ｂによって誘発される振動の振幅は、極小にある（すなわち第１駆動要素対１１１ａと第２駆動要素対１１１ｂの間は実質的に等距離）。
他の実施形態は、第１中心線１１３または第２中心線１１７が軸線１０１に平行でないか、または実質的に平行な要素を有し得ることに留意する。限定しないが、例には半球形面または錐台形面（図示なし）を備える共振体が含まれ、各々の検出要素または駆動要素の第１中心線１１３または第２中心線１１７の方向は、軸線１０１に向かって傾斜される。そのような形状では、第１中心線１１３と第２中心線１１７は、軸線１０１と同じ面にあるとみなされる。
幾つかの従来式設計において、第１検出要素対１１２ａと第２検出要素対１１２ｂは、検出要素の第１中心線１１３が、第１ノード対１１４ａと第２ノード対１１４ｂを通過できるように、共振体１０２の外面１０４上に配置される。その一方、図２〜図４の実施形態は、第１ノード対１１４ａと第２ノード対１１４ｂに対して回転変位した時の第１検出要素対１１２ａと第２検出要素対１１２ｂを図示する。たとえば、図４に示すように、第１検出要素対１１２ａは、第１ノード対１１４ａを通過する第１ノード基準線１１５から時計回りに変位され、第２検出要素対１１２ｂは、第２ノード対１１４ｂを通過する第２ノード基準線１１６に対して反時計回りに変位される。
振動様式は、第１ノード対１１４ａと第２ノード対１１４ｂを備える振動性または振動パターン１２０（図４においてファントムで示される）によって示される。各々のノードは、振動の振幅が極小にある振動パターン上の位置として画成される。振動パターン１２０は、共振体１０２の周縁１０５上で伝達され得る。共振体１０２は、限定しないが、形状が半球、円錐形、または他のカップ型を含む様々な形であり得る。４ノード振動パターンでは、第１ノード対１１４ａと第２ノード対１１４ｂのノードは、互いに実質的に直交
するように第１ノード基準線１１５と第２ノード基準線１１６を画成する。
振動パターンはまた、複数の「反ノード」、すなわち振動パターンが極大にある位置を含む。４ノード振動様式の振動パターン１２０では、図３に示される第１反ノード対１１９ａと第２反ノード対１１９ｂが存在する。各々の第１反ノード対１１９ａと第２反ノード対１１９ｂは、それぞれ第１反ノード基準線１３０と第２反ノード基準線１３２を画成する。第１駆動要素対１１１ａと第２駆動要素対１１１ｂの第２中心線１１７は、振動パターン１２０の「反ノード」点と整列される。第１反ノード基準線１３０と第２反ノード基準線１３２は、第１ノード基準線１１５と第２ノード基準線１１６から実質的に４５ーの角度で回転偏位している。従って、第１反ノード基準線１３０と第２反ノード基準線１３２はまた、実質的に直交する。他の様式の振動は、異なる数のノード、従って異なる角度関係で異なる数のノード基準線と反ノード基準線を画成し得る。幾つかの実施形態において、所定の振動パターンは、ジャイロスコープが回転的に静止しているとき、共振体上で静止したままである。
図２〜図４の実施形態において、第１検出直線１３４と第２検出直線１３６は、第１検出要素対１１２ａと第２検出要素対１１２ｂの重心をそれぞれ通過するものと定義される。また第１駆動直線１３８と第２駆動直線１４０は、第１駆動要素対１１１ａと第２駆動要素対１１１ｂの重心をそれぞれ通過するものと定義される。第１検出直線１３４と第２検出直線１３６は、共鳴対称性を維持すべく第１駆動直線１３８および第２駆動直線１４０と実質的に同じ平面上に位置し得る。これらの実施形態において、種々の要素の有限サイズは、周縁、従って振動パターン１２０を第１検出直線１３４と第２検出直線１３６および第１駆動直線１３８と第２駆動直線１４０とは異なる平面上にあるようにさせる。
更に、対になった作動要素が、本発明の全実施形態に要求されないことが認識されている。直径方向に対向して整合素子を備えない要素もまた、同じ機能を果たし得る。従って、作動中心線の別のより一般的な定義は、少なくとも一つの作動要素を通過するとともに軸線１０１を横断するものである。
図３と図４において、第１駆動要素対１１１ａと第２駆動要素対１１１ｂの重心は、第１反ノード基準線１３０と第２反ノード基準線１３２と回転整列しているが、第１検出直線１３４と第２検出直線１３６は、それぞれ第１斜角θ１と第２斜角θ２で第１ノード基準線１１５と第２ノード基準線１１６からそれぞれ回転偏位されるか、「スキューされる」。
作動中、各々の第１検出要素対１１２ａか第２検出要素対１１２ｂによって生成された信号は、その位置での振動振幅に比例する。所定のノードで、たとえば振動運動は、実質的にゼロになることが可能である。前記ノード付近に位置する検出要素によって受信される信号は、最小にあり得る。対照的に、何れかの反ノード基準線に位置する検出電極または検出要素は、完全駆動振動振幅に典型的な信号を生成する。これらの極端間で信号は、総じて幾何学的定数ラノードからの第１斜角θ１と第２斜角θ２の正弦に比例する。図４におけるように、二つのノード基準線を特徴とする振動パターンを備えるシステムにおいて、幾何学的定数は２である。より一般的には、幾何学的定数はＮである。Ｎは、振動パターンにおけるノード基準線の数である。
図２〜図４において、第１斜角θ１と第２斜角θ２はそれぞれ反対の回転方向にある。すなわち第１検出直線１３４の第１斜角θ１は、第１ノード基準線１１５から時計回り方向に回転偏位されるが、第２検出直線１３６の第２斜角θ２は、反時計回り方向に第２ノード基準線１１６から回転偏位される。
従って第１ノード基準線１１５と第２ノード基準線１１６を特徴とする振動パターン１２０を備えるシステムにおいて、第１検出直線１３４と第２検出直線１３６上に位置する第１検出要素対１１２ａと第２検出要素対１１２ｂによって生じる信号は以下の通りである。
Ｓ１＝Ｄ・ｓｉｎ（２θ１）＋ＤＫ．．．（式１）
Ｓ２＝Ｄ・ｓｉｎ（２θ２）−ＤＫ．．．（式２）
式中、Ｓ１は、第１検出直線１３４上に位置する第１検出要素対１１２ａ由来の結合信号である。Ｓ２は、第２検出直線１３６上に位置する第２検出要素対１１２ｂ由来の信号である。Ｄは、第１反ノード基準線１３０での最大振動点で検出され得る駆動振動信号である。θ１とθ２は、第１検出直線１３４と第２検出直線１３６が、それぞれ第１ノード基準線１１５と第２ノード基準線１１６に対して偏位される斜角の大きさである。ＤＫは、角速度検出信号である。
信号Ｓ１とＳ２は、駆動検出信号Ｄと角速度検出信号ＤＫをそれぞれ測定すべく操作可能である。具体的には速度検出信号ＤＫは、第１検出直線１３４と第２検出直線１３６上に位置する第１検出要素対１１２ａと第２検出要素対１１２ｂから受信された信号間の差の関数として得ることが可能である。
Ｓ１・ｓｉｎ（２θ２）−Ｓ２・ｓｉｎ（２θ１）＝ＤＫ・［ｓｉｎ（２θ１）＋ｓｉｎ（２θ２）］．．．（式３ａ）。
駆動検出信号Ｄは、検出直線由来の信号和の関数として得ることが可能である。
Ｓ１＋Ｓ２＝Ｄ［ｓｉｎ（２θ１）＋ｓｉｎ（２θ２）］．．．（式４ａ）。
θ１とθ２が先験的にわかれば、式３ａと式４ａは、ＤＫとＤについてそれぞれ解かれる。
第１斜角θ１と第２斜角θ２が、実質的に等しい（すなわちθ１＝θ２＝θ）システムでは、数式は以下のように簡略化する。
Ｓ１−Ｓ２＝２ＤＫ．．．（式３ｂ）
Ｓ１＋Ｓ２＝２Ｄ・ｓｉｎ（２θ）．．．（式４ｂ）。
図５は、カップ型組立体１００と、第１検出要素対１１２ａと第２検出要素対１１２ｂの間の直交性を制御すべく用いられる制御回路システムとを含む振動カップ型システム２００が描写される。信号線２０２と２０４は、信号を第１検出要素対１１２ａから緩衝器２１０に伝送する。
機能的に緩衝器２１０は、第１検出直線１３４に対する第１ノード基準線１１５の角度方向を示す第１緩衝化検出信号２１２を生成する。同様に信号線２０６と２０８は、信号を第２検出要素対１１２ｂから緩衝器２１５に伝送することによって、第２検出直線１３６に対する第２ノード基準線１１６の角度方向を示す第２緩衝化検出信号２１７を生成する。より一般的には、第１緩衝化検出信号２１２と第２緩衝化検出信号２１７は、当業者にはわかり得るように、緩衝配置による方法に加えて、或いはその方法以外の方法で調整され得る。
一実施形態において、インバータ２２０は、第２緩衝化検出信号２１７に対して反対の極性を備える逆検出信号２２２を生成する。電位差計２２５は、第２緩衝化検出信号２１７（調整検出信号）と逆検出信号２２２を受信する。電位差計２２５は、第１検出要素対１１２ａと第２検出要素対１１２ｂに対して第１ノード基準線１１５と第２ノード基準線１１６を電気的に配置するために用いられ得る加重比信号２３０を生成すべく、第２緩衝
化検出信号２１７（調整検出信号）と逆検出信号２２２の間の比率を加重か調整する調整可能ミキサとして働く。このようにして、加重比信号２３０での最小駆動信号（すなわち純粋な速度信号）の電位差計２２５の設定を決定可能である。
図６は、インバータ２２０が省略され、それによって第１緩衝化検出信号２１２と第２緩衝化検出信号２１７を付加的に混合するか、または結合する別の実施形態を示す。この別の実装において、速度検出信号がキャンセルされる。インバータ２２０を省略することによって、主要な信号が、駆動振動から得られ得るとともに、電位差計２２５は、速度信号を加重か調整することによって、図１５と関連して下記に更に十分に説明するように、駆動振幅フィードバック・ループで補正を提供すべく用いられ得る駆動検出信号のみを駆動検出信号２２７で提供する。両機能は、両作動の根源として、第１緩衝化検出信号２１２と第２緩衝化検出信号２１７を同時に用いることによって実行可能である。
図７と図８は、本発明の実施形態における分割検出構成を用いるカップ型組立体２５０を示す。カップ型組立体２５０は、図２〜図４において示されるカップ型組立体１００の実施形態と多くの同じ特徴を含む。具体的には、カップ型組立体２５０は、軸線１０１周りに連続する共振体１０２と、外面１０４と、直径方向に対向する第１駆動要素対１１１ａと第２駆動要素対１１１ｂとを含む。第１駆動要素対１１１ａと第２駆動要素対１１１ｂはそれぞれ、第２中心線１１７を備えるとともに、第１駆動直線１３８と第２駆動直線１４０を画成する。互いに対向する第１駆動要素対１１１ａと第２駆動要素対１１１ｂは、周縁１０５に隣接する共振体１０２の外面１０４に取付けられるか、そうでなければ外面１０４に動作自在に連結される。第１駆動要素対１１１ａと第２駆動要素対１１１ｂは、起動時、第１ノード基準線１１５と第２ノード基準線１１６を画成する第１ノード対１１４ａと第２ノード対１１４ｂと、第１反ノード基準線１３０と第２反ノード基準線１３２を画成する第１反ノード対１１９ａと第２反ノード対１１９ｂとを特徴とする振動パターン１２０を発生させる。
図７と図８において示されるようなカップ型組立体２５０はまた、第１検出要素２５２、第１分割検出要素２５４ａ、および第２分割検出要素２５４ｂを含む。第１検出要素２５２は、軸線１０１に平行な第１中心線２５６を特徴とするとともに、第１駆動直線１３８と第２駆動直線１４０の間の実質的に等距離の位置で共振体１０２と動作自在に係合される。第１分割検出要素２５４ａと第２分割検出要素２５４ｂは各々、それぞれの第１分割検出直線２５８ａと第２分割検出直線２５８ｂを特徴とし、第１分割検出直線２５８ａと第２分割検出直線２５８ｂの間の実質的に等距離に複合中心線２６０を画成すべく、互いに隣接して設置される。第１分割検出要素２５４ａと第２分割検出要素２５４ｂは、複合中心線２６０が第１検出要素２５２の第１中心線２５６と実質的に直径方向に対向するような位置で共振体１０２と動作自在に係合され得る。第１検出直線２６２は、第１中心線２５６と複合中心線２６０を通過する。この実施形態において、第１分割検出直線２５８ａと第２分割検出直線２５８ｂは、それぞれ第１角度θＡと第２角度θＢによって第１検出直線２６２から回転偏位される。第１分割検出直線２５８ａと第２分割検出直線２５８ｂは、第１検出直線２６２に対して対向方向に偏位される。第１角度θＡと第２角度θＢは、等しい大きさになり得るか、または互いに異なる大きさになり得る。
第１分割検出要素２５４ａと第２分割検出要素２５４ｂは、互いに異なるサイズか、または等しいサイズであり得るとともに、第１検出要素２５２と実質的に同じ足跡を占めるべく組合わせられ得る。カップ型組立体２５０はまた、直径方向に対向し、更に図８
に示されるように、第１検出直線２６２に総じて直交する第２検出直線１３６を画成する第２検出要素対１１２ｂを含み得る。
作動中、第１分割検出要素２５４ａと第２分割検出要素２５４ｂは、それらの各々の位
置での振動パターン１２０の振幅に比例する信号を生成する。上記のように、振動パターン１２０の振幅の大きさは、第１ノード対１１４ａと第２ノード対１１４ｂで最小にあるとともに（すなわち第１ノード基準線１１５と第２ノード基準線１１６に沿って）、考察に付随する式１と式２で説明されるように、ノード極値と反ノード極値の間で正弦的に増加することになる。理想的に構築された製品において、第１ノード基準線１１５は、軸線１０１に対して第１検出直線２６２と同じ角方向にある。従って第１分割検出要素２５４ａと第２分割検出要素２５４ｂによって生じる信号は、以下の通りである。
Ｓ１＝Ｄ・ｓｉｎ（２θＡ）＋ＤＫ．．．（式５）
Ｓ２＝−Ｄ・ｓｉｎ（２θＢ）＋ＤＫ．．．（式６）
式中、変数は式１と式２で定義される通りであり、角速度検出信号ＤＫは、駆動検出信号Ｄを与えるべく差し引かれる。
Ｓ１・ｓｉｎ（２θＢ）＋Ｓ２・ｓｉｎ（２θＡ）＝ＤＫ・［ｓｉｎ（２θＡ）＋ｓｉｎ（２θＡ）］．．．（式７ａ）。
駆動検出信号Ｄは、検出直線由来信号の総和の関数として得られることが可能である。
Ｓ１−Ｓ２＝Ｄ・［ｓｉｎ（２θＡ）＋ｓｉｎ（２θＢ）］．．．（式８ａ）。
θＡとθＢが先験的にわかれば、式７ａと式８ａは、ＤＫとＤについてそれぞれ解かれる。θ＝θＡ＝θＢである構成では、数式は以下のように縮小する。
Ｓ１＋Ｓ２＝２ＤＫ．．．（式７ｂ）
Ｓ１−Ｓ２＝２Ｄ・ｓｉｎ（２θ）．．．（式８ｂ）。
図９は、本発明の実施形態に従う分割検出構成用の速度・駆動検出回路２７０を示す。図５および図６と同じ機能を備える成分は、同じ参照番号によって識別される。分割要素検出回路２７１は、第１分割検出要素２５４ａと第２分割検出要素２５４ｂと接続して示される。分割要素検出回路２７１は、第１分割検出要素２５４ａと第２分割検出要素２５４ｂ由来の信号を第１緩衝器２１０ａと第２緩衝器２１０ｂに伝送する信号線２０２ａと２０２ｂを含む。第１緩衝器２１０ａと第２緩衝器２１０ｂは、信号２１２ａと２１２ｂを速度出力調整電位差計２７２に出力する。調整可能な出力２７３は、速度出力調整電位差計２７２から伝送されるとともに、第１緩衝化検出信号２１２と集計接合２６８で合計されることによって、回転速度信号２７４を生成すべく、直交検出要素対１１２ｂ由来の逆緩衝化信号２２２に対して調整する電位差計２２５に転送される信号２６９を生成する。
分割要素検出回路（速度・駆動検出回路）２７１では、第１出力信号２１２ａと第２出力信号２１２ｂはまた、駆動出力調整電位差計２７５に分割および転送され、出力信号のうちの一つ（実施形態を示す図９において第２出力信号２１２ｂ）は、インバータ２７６によって途中で反転される。駆動出力調整電位差計２７５は、駆動検出信号２２７を生成すべく、増幅器２７８を通って転送される調整可能信号２７７を出す。
機能的に速度出力調整電位差計２７２と駆動出力調整電位差計２７５は、たとえば整列誤差などの欠陥を補正すべく第１分割検出要素２５４ａと第２分割検出要素２５４ｂの出力間のゲイン平衡における調整を可能にする。電位差計２２５は、図５と図６の考察における機能と同じ機能を果たし、回転速度信号２７４と駆動検出信号２２７の補正を分けることによって、両信号の最適化が可能になる。
図１０は、能動トルク化を可能にすべく第２検出要素対１１２ｂの代わりに駆動要素対２７９を用いる、図９とは別の実施形態を示す。トルク信号２８１は、駆動要素対２７９に提供される。
図１１は、本発明の実施形態において二重分割検出構成を利用するカップ型組立体である二重分割要素カップ型組立体２８０の断面を示す。二重分割要素カップ型組立体２８０は、図７と図８の考察において示されるものと同じ多くの特徴を含む。更に図８の検出要素２５２は、第３分割検出要素２５２ａと第４分割検出要素２５２ｂを備える分割要素と置換される。第１分割検出要素２５４ａと第２分割検出要素２５４ｂのように、各々の第３分割検出要素２５２ａと第４分割検出要素２５２ｂは、それぞれ第３分割検出直線２８２ａと第４分割検出直線２８２ｂを特徴とする。各々の第３分割検出要素２５２ａと第４分割検出要素２５２ｂは、軸線１０１と実質的に平行であるとともに、第３分割検出直線２８２ａと第４分割検出直線２８２ｂの間の実質的に等距離に第２複合中心線２８４を画成すべく互いに隣接する。第３分割検出要素２５２ａと第４分割検出要素２５２ｂは、第２複合中心線２８４が、第１分割検出要素２５４ａと第２分割検出要素２５４ｂの複合中心線２６０と実質的に直径方向に対向するような位置で、共振体１０２と動作自在に係合される。図８において示される実施形態において、第１検出直線２６２は、複合中心線２６０と第２複合中心線２８４を通過するとともに、第２検出直線１３６と実質的に直交する。第１検出直線２６２は、隣接する第１駆動直線１３８と第２駆動直線１４０の間の実質的に回転等間隔である。
第３分割検出要素２５２ａと第１分割検出要素２５４ａは、各々の第３分割検出直線２８２ａと第１分割検出直線２５８ａが直径方向に対向するように設置され得る。従って第１分割検出直線２５８ａは、第１分割検出要素２５４ａと同じ回転方向に同じ大きさによって、すなわち角度θＡによって、第１検出直線２６２から回転偏位される。同様に第２分割検出要素２５４ｂの第２分割検出直線２５８ｂは、角度θＢと等しい大きさおよび方向に回転偏位を画成すべく、第４分割検出要素２５２ｂの第４分割検出直線２８２ｂと直径方向に対向し得る。偏位角θＡとθＢは、等しい大きさであり得るか、または異なり得る。
作動中、二重分割要素カップ型組立体２８０の第３分割検出要素２５２ａと第４分割検出要素２５２ｂは、第１分割検出要素２５４ａと第２分割検出要素２５４ｂによって生成される信号の実質的に複製である信号を生成する。具体的には以下の通りである。
Ｓ３＝Ｄ・ｓｉｎ（２θＡ）＋ＤＫ．．．（式９）
Ｓ４＝−Ｄ・ｓｉｎ（２θＢ）＋ＤＫ．．．（式１０）
式中、Ｓ３とＳ４は、それぞれ第３分割検出要素２５２ａと第４分割検出要素２５２ｂから得られる信号である。残る変数は、式１と式２で定義される通りである。角速度検出信号ＤＫは、それぞれ信号Ｓ１とＳ２に信号Ｓ３とＳ４を加算することによって決定可能であり、以下の数式に従って処理可能である。
（Ｓ１＋Ｓ３）・ｓｉｎ（２θＢ）＋（Ｓ２＋Ｓ４）・ｓｉｎ（２θＡ）＝２ＤＫ・［ｓｉｎ（２θＡ）＋ｓｉｎ（２θＡ）］．．．（式１１ａ）。
信号Ｓ３とＳ４は、減算され、それらの差は、式８における差に加算され得る。それによって駆動検出信号Ｄが、以下の数式に従って得られ得る。
（Ｓ１−Ｓ２）＋（Ｓ３−Ｓ４）＝２Ｄ・［ｓｉｎ（２θＡ）＋ｓｉｎ（２θＢ）］．．．（式１２ａ）。
この場合もやはりθＡとθＢが先験的にわかれば、式１１ａと式１２ａは、ＤＫとＤについてそれぞれ解かれる。角度θＡとθＢが、実質的に等しい（θ＝θＡ＝θＢ）実施形態では、数式は、以下のように簡略化する。
Ｓ１＋Ｓ２＋Ｓ３＋Ｓ４＝４ＤＫ．．．（式１１ｂ）
Ｓ１−Ｓ２＋Ｓ３−Ｓ４＝４Ｄ・ｓｉｎ（２θ）．．．（式１２ｂ）。
機能的に二重分割要素カップ型組立体２８０は、駆動検出信号Ｄの測定において冗長量を提供する。冗長量は、駆動検出測定の信号対ノイズ比を改善すべく用いられ得る。二つの分割板が使用される場合、二倍の検出領域が存在するので、二重分割板構造は、二倍の信号を提供し得ると考える。しかも二つの駆動検出信号が生じるので、ノイズは、統計学的に単一信号のノイズの半分に減る。従って信号は、倍加され、ノイズが半減されことにより、単一分割板構成より信号対ノイズ比が４倍増加する。
二重分割要素カップ型組立体２８０の二重分割要素構成は、カップ型組立体２５０の単一分割要素構成よりも対称であるという点において更に利点を提供する。二重分割要素カップ型組立体２８０は、図４のスキュー要素構成によって提供される「鏡対称性」を修復する。
図１２は、本発明の実施形態に従う分割検出構成用の分割要素検出回路（速度・駆動検出回路）２７１を示す。分割要素検出回路２７１は、図９の考察において示される通りである。一対の信号線２０４ａと２０４ｂは、第３分割検出要素２５２ａと第４分割検出要素２５２ｂ由来の信号を伝送し、出力信号２０２ａと２０２ｂにそれぞれ付加される。
更に第３分割検出要素２５２ａと第４分割検出要素２５２ｂ由来の信号は、回転速度信号と駆動信号の独立した測定を提供すべく、第１分割検出要素２５４ａと第２分割検出要素２５４ｂから受信された信号とは別に調整され得る。そのような独立した測定は、第１分割検出要素２５４ａと第２分割検出要素２５４ｂの代わりに第３分割検出要素２５２ａと第４分割検出要素２５２ｂと接続した第２分割要素検出回路（図示略）を実装することによって達成される。それらの各々の分割要素検出回路２７１由来の回転速度信号（出力）２７４と３３７である二つの独立した分割要素検出回路２７１の出力は、より安定な平均信号を生成すべく付加されるだろう。
図１３は、振動構造ジャイロスコープ（ＶＳＧ）としてのジャイロスコープ３００の一般化線図を示す。駆動回路３０５は、制御振動３０７を、たとえばカップ型電極、または限定されないがリング型とプレート型の変換器を含む他の様式の変換器などの変換器３１０に適用する。変換器３１０は、角運動３２２が適用される場合、たとえばジャイロスコープ３００が公称定常状態位置から回転される場合、制御振動３０７のうちの一部分を検出振動信号３１２として検出回路３１５に転送する。検出回路３１５は、ジャイロスコープ３００の回転に起因する角位置変化を代表する出力信号３２５を生成すべく、検出振動信号３１２を変換する。検出回路３１５は更に、変換器３１０にフィードバック信号３１７を提供することによって、出力信号３２５の応答を変調する。制御信号３２７は、変換器３１０によって生成され得るとともに、駆動回路３０５によって用いられることによって振動レベルを制御し、次にジャイロスコープ３００の感度を制御し得る。フィードバック信号３１７の一つの目的は、変換器における角運動由来の振動に拮抗することであり、それによって変換器の線質係数Ｑを低下させるのでシステム帯域幅を増加させる。
図１４は、ジャイロスコープ・システム内で使用し得る本発明の実施形態を示す。ジャイロスコープ・システム４００は、駆動回路と検出回路を内蔵する。駆動信号４０７は、変換器４１０に移動する。変換器４１０は、位相シフト機能、加算器４１１および乗算器４１３を含む。乗算器４１３は、駆動信号４０７を処理する。具体的には乗算器４１３は、角速度入力４２０由来の角速度信号４２２を駆動信号４０７の関数として変調する。駆動振動は、駆動検出信号４２７によって監視される。駆動検出信号４２７は、増幅器４３０に伝送されることによって、次にＡＧＣ回路（自動ゲイン制御）４３５に伝送され得る増幅駆動補正信号４３２を生成し得る。ＡＧＣ回路４３５は、次に間違いを直すべく、更に一貫した駆動を維持する十分な振幅を変換器４１０内の変換器に提供すべく、調整される調整駆動信号４４０を生成し得る。調整駆動信号４４０は更に、変換器内と信号処理中
に生じた任意の位相シフトを補正すべく、位相シフタ４４５によって処理され得る。位相シフタ４４５は駆動信号４０７を生成する。
図１４の実施形態における乗算器４１３は、角速度信号４２２に基づくエネルギ信号４５０を発生させる。エネルギ信号４５０は、制御信号４１７に付加されるべく加算器４１１に伝送され、振動信号４１２を生成し得る。振動信号４１２は、次に検出復調器４１６に伝送され得る。検出復調器４１６は、修正正弦波信号４５５を生成する。積分器４１５は更に、修正正弦波信号４５５を処理することによって、ジャイロスコープの回転に起因する角位置変化を代表する出力信号４２５を生成し得る。積分器４１５はまた、調整出力信号４６０を変調器４６５に伝送する。変調器４６５は、調整出力信号４６０を制御信号４１７に変換する。このような方法でシステムは、第１検出要素対１１２ａと第２検出要素対１１２ｂでの振動を強制的にゼロにしようとする閉鎖ループまたはトルク・ループ４０８を実現する。トルク・ループ４０８は、ジャイロスコープ・システム４００の改善された帯域幅と線形化を提供する。トルク・ループ４０８の作用は、検出方向の変換器振動を減らすべく、振動パターンを回転させることによって、検出偏向の消失を支援することと、高い線質係数Ｑを備えるシステム条件における速度信号の帯域幅を増加させる有効な方法として働くことである。
図１５は、ゲイン比調整サブシステム４８０をジャイロスコープ・システム４７０内に組み入れる実施形態を示す。ゲイン比調整サブシステム４８０は、上記のように角速度検出、駆動振動検出または組合せた両方を備え得る。たとえば制御信号３２７は、全てが駆動振動検出信号であるべく調整され得るとともに、検出振動信号３１２は、全てが速度検出信号であるべく調整され得る。ゲイン比調整サブシステム４８０は、入力としてゲイン入力信号４７２を、たとえば図５の検出信号線２０２，２０４，２０６および２０８を介して受信する。
一実施形態において、図１５のゲイン比調整サブシステム４８０を用いることによって、第１検出直線１３４と第２検出直線１３６の整列を調整し得る。理想的な製品では、第１検出直線１３４と第２検出直線１３６が、完全に整列される（すなわち同じ斜角阨ホ位される）。しかし、実在の製品では二つの第１検出直線１３４と第２検出直線１３６は、完全に整列していない。図１５のゲイン比調整サブシステム４８０を介して二つの検出出力間のゲイン平衡において僅かな調整を行うことによって、整列誤差を補正可能である。
図１６〜図１８は、本発明の別の実施形態は、検出要素対の代わりに駆動要素対に斜角を適用することによって、スキュー原理を実行し、更に振動ノードの位置を変化させる働きをする。中心線５０１周りに連続するとともに外面５０４、近位端５０６と遠位端５０８を備える共振体５０２を含む振動カップ型システムとしてのカップ型組立体５００が図示される。幹部５１０は、近位端５０６に従属し、遠位端５０８は周縁５０５を画成する。第１検出要素対５１１ａと第２検出要素対５１１ｂおよび第１駆動要素対５１２ａと第２駆動要素対５１２ｂは、周縁５０５に隣接する共振体５０２の外面５０４に動作自在に連結される。第１駆動要素対５１２ａと第２駆動要素対５１２ｂの対になった各々の駆動要素は、中心線５１３が、中心線５０１に平行であり得ることを特徴とし得る。同様に各々の第１検出要素対５１１ａと第２検出要素対５１１ｂは、中心線５１７を特徴とする。
スキュー検出構成（図２〜図４）のように、図１６〜図１８の実施形態は、共振体５０２で共鳴する４ノードの振動パターン５２０を発生させる。振動パターン５２０は、第１反ノード対５１４ａと第２反ノード対５１４ｂおよび第１ノード対５１９ａと第２ノード対５１９ｂを含む。第１反ノード対５１４ａと第２反ノード対５１４ｂは、第１反ノード基準線５１５と第２反ノード基準線５１６を画成し、第１ノード対５１９ａと第２ノード対５１９ｂは、第１ノード基準線５２６と第２ノード基準線５２８を画成する。
第１駆動要素対５１２ａの重心は、第１駆動直線５３８を画成し、第２駆動要素対５１２ｂの重心は、第２駆動直線５４０を画成する。第１駆動直線５３８と第２駆動直線５４０は、それぞれ第１斜角θ１と第２斜角θ２によって第１反ノード基準線５１５と第２反ノード基準線５１６から回転偏位される。第１斜角θ１と第２斜角θ２は、等しい大きさであり得るが、対向する回転方向にある。すなわち第１反ノード基準線５１５に対する第１駆動直線５３８の第２斜角θ２は、マイナス（時計回り）であり得るが、第２反ノード基準線５１６に対する第２駆動直線５４０の第１斜角θ１はプラス（反時計回り）であり得る。
図１６〜図１８において示される実施形態において、第１検出要素対５１１ａと第２検出要素対５１１ｂの重心は、第１ノード基準線５２６および第２ノード基準線５２８と回転整列する第１検出直線５４２と第２検出直線５４４を画成する。
作動中、第１駆動直線５３８上の第１駆動要素対５１２ａにのみ適用される駆動は、振動パターン５２０を図１８に示す振動パターン５２０の方向に対して、第１角度θ１だけ反時計回りに回転させるので、第１反ノード基準線５１５は、第１駆動直線５３８と回転整列する。その一方で、駆動が第２駆動直線５４０上の第２駆動要素対５１２ｂにのみ適用される場合、振動パターン５２０は、第２角度θ２だけ時計回りに回転されるので、第２反ノード基準線５１６は、第２駆動直線５４０と回転整列する。従って第１駆動直線５３８は、第２駆動直線５４０に対して反対の振動位相を有すると言える。
この実施形態において、等しい駆動エネルギが第１駆動直線５３８と第２駆動直線５４０の両軸に適用される場合、振動パターン５２０は、図１８に示す振動パターン５２０の方向に対して回転しない。この配置によって、駆動振動の偏位角θは、第１駆動直線５３８と第２駆動直線５４０の二対の駆動要素に適用される信号の比率を調整することによって、＋θ２と−θ１（「＋」はカップ型共振体の開放端を見るとき、時計回りの回転を示す）の間の任意の値に設定可能である。
スキュー検出構成（図２〜図４）とスキュー駆動構成（図１６〜図１８）の両構成において、より高い信号対ノイズ比と振動様式のより優れた制御のため、より高い振動振幅が得られるようにする、振動パターンを駆動すべく四つの要素が用いられる。一軸だけに沿って振動パターンを駆動するシステムは、全ての偶数次高調波（基本波、２，４，６，８．．）を生じ易い。しかし、対向位相の軸と直交する二つの軸に沿って駆動されるシステムは、より少ない調和振動（すなわち基本波、４，８，１６．．．）になり易い。
図１６〜図１８は、上記で概略した原理は、第１駆動要素対５１２ａと第２駆動要素対５１２ｂのゲイン比を変化させることによって、振動パターン５２０（すなわち第１反ノード基準線５１５と第２反ノード基準線５１６および第１ノード基準線５２６と第２ノード基準線５２８）を回転させるべく適用され得る。
ゲイン比調整サブシステム４８０を用いることによって、第１反ノード基準線５１５と第２反ノード基準線５１６の整列を調整可能である。Ｓ１−Ｓ２の基底信号は、センサが停止しているとき、実質的にゼロにすることが可能である。動的調整は、変位駆動振動の減衰を促進し得る。トルク機構として前記動的調整を用いることによって、ジャイロスコープ出力の帯域幅を広げるか、または直交振動を制御可能である。しかも前述事項は、分割駆動電極組立体３０（図１）よりも少ない接続で達成され、それによって簡易性と、共鳴性能をより優れたものにする対称性を高め得る。
特定の実施形態は、カップ型振動構造に関連して上記してきた。本明細書において記載
される原理は、たとえばリング型とプレート型の振動構造を用いるジャイロスコープなどの他のジャイロスコープ構成に適用可能である。本明細書に記載されるカップ型実装のような実装において、容量検出または磁気検出と駆動を用いる検出要素と駆動要素は、小さな角度によって通常の方向からスキューされる。上記と同じ機能と利点が、結果として生じ得る。
図１９は、能動トルク駆動回路５５０の実施形態を示す。能動トルク駆動回路５５０は、三つの入力、すなわちＡＧＣ信号５５２、トルク信号５５４、および正弦基準周波数または駆動基準周波数５５６を受信する。ＡＧＣ信号５５２は、第１駆動要素対５１２ａと第２駆動要素対５１２ｂに適用される制御駆動電圧を示す。トルク信号５５４は、第１検出要素対５１１ａと第２検出要素対５１１ｂから受信されるフィードバック信号を構成する。
ＡＧＣ信号５５２とトルク信号５５４は、別個の乗算器５５８に送られる。乗算器５５８は、各々の信号を正弦基準５５６と乗算することによって、能動トルク駆動回路５５０の一対の出力５６０と５６２を変調する。乗算器５５８の出力は、第１変調ＡＧＣ信号５６４と第２変調ＡＧＣ信号５６６および第１変調トルク信号５６８と第２変調トルク信号５７０が存在できるように分割される。分割信号のうちの一つ（図１９の実施形態においては第２変調ＡＧＣ信号５６６である）は、インバータ５７２に転送されることによって、変調逆ＡＧＣ信号５７４を生成する。第１変調ＡＧＣ信号５６４と第１変調トルク信号５６８は、第１加算器５７６に転送され、変調逆ＡＧＣ信号５７４と第２変調トルク信号５７０は、第２加算器５７８に転送されることによって、第１駆動要素対５１２ａと第２駆動要素対５１２ｂを提供する能動トルク駆動回路５５０の第１出力５６０と第２出力５６２を生成する。
能動トルク駆動回路５５０は、トルク信号振幅に比例する駆動振動ベクトル角を調整すべく用いられ得る。図１９の実施形態に適用する数式は、以下の通りである。
ＶＤ１＝ＶＴ・ｓｉｎ（ωｔ）＋ＶＣ・ｓｉｎ（ωｔ）．．．（式１３）
ＶＤ２＝ＶＴ・ｓｉｎ（ωｔ）−ＶＣ・ｓｉｎ（ωｔ）．．．（式１４）
式中、ＶＤ１とＶＤ２は、各々の第１駆動要素対５１２ａと第２駆動要素対５１２ｂに適用される第１駆動信号５６０と第２駆動信号５６２である。ＶＣは、ＡＧＣ信号５５２である。ＶＴは、トルク信号５５４である。ωは、駆動基準周波数である。ｔは時間である。
操作上、ＶＴ＝０（トルク信号なし）なら、ＶＤ１＝−ＶＤ２である。振動パターン５２０は、ジャイロスコープが回転的に停止している場合、−θ１と＋θ２の回転位置の間の理論的に等距離にある公称位置に落ち着くことになる。この公称位置は、図１８
において示される。ＶＤ１は正である。−ＶＤ２が負であるということは、ＶＤ１とＶＤ２が反対の極性であることを示す。各々の第１駆動直線５３８と第２駆動直線５４０の方向のため、各々の第１駆動直線５３８と第２駆動直線５４０の間に大きな直交成分が存在し、ＶＤ１とＶＤ２の間の対向極性は、大部分が構造的である。すなわち両駆動要素対が、駆動信号の全振幅に寄与する。正味の影響は、ＶＤ１とＶＤ２の振幅が、相加的であることである。たとえば単位信号をＶＣ（すなわちＶＣ＝１）と仮定すると、ＶＤ１とＶＤ２の振幅は、結局２になる。実際問題として、駆動要素に送出される信号は通常、共振体の振動を維持するために十分であるべきである。
ＶＴ＝ＶＣで、更にこの場合もやはり単位信号が適用される例（ＶＴ＝ＶＣ＝１）を仮定すると、ＶＤ２＝０，ＶＤ１＝２である。前記システムは、次に実質的に第２駆動直線５４０に沿って駆動され得るので、第１反ノード基準線５１５を公称方向から反時計回り方向に全斜角θ１回転させる。ＶＤ２は、振動パターンの駆動振幅に寄与しないが、ＶＤ
１は、ＶＤ１＝−ＶＤ２の場合の値を超えて倍加されるので、この場合も振幅は結局のところ２になることに留意する。
同様にＶＴ＝−ＶＣ＝１であれば、ＶＤ１＝０，ＶＤ２＝２になり、システムは、第１駆動直線５３８に沿って駆動されるので、第２反ノード基準線５１６を公称方向から時計回りの方向に全斜角θ２回転させる。このシナリオにおいて、ＶＤ１は、振動パターンの駆動振幅に寄与しないが、ＶＤ２は、倍加されるのでこの場合も振幅は結局のところ２になる。
第１反ノード基準線５１５と第２反ノード基準線５１６は、以下のように密接に近似する関係に従って角度方向を介在すべく、電子的にシフトさせることが可能である。
θＤ＝−１／２（θ２＋θ１）・（ＶＴ／ＶＣ）．．．（式１５ａ）
式中、θＤは、図１８において示される公称方向に対する駆動ベクトルの角度方向である。従って回転は、総じて比率ＶＴ／ＶＣに比例する。θ２＝θ１＝θの実施形態では、数式は以下のように簡略化する。
θＤ＝−θＶＴ／ＶＣ．．．（式１５ｂ）。
角度方向θＤの範囲は、−θ１≦θＤ≦＋θ２に限定されない。方向θＤは、式１５ａと式１５ｂが示唆しているのと同じように、ＡＧＣ信号ＶＣよりも大きなトルク信号ＶＴを適用することによって、−θ１〜θ２の境界を越えて駆動可能である。たとえばＶＴ＝１．１・ＶＤの場合、ＶＤ１＝２．１・ｓｉｎ（ω）およびＶＤ２＝０．１・ｓｉｎ（ω）である。正の係数は、ＶＤ１とＶＤ２が、協働的でないため、多分に破壊的であることを例示する。しかし、信号ＶＤ１は、支配的であるので、その結果は、この場合も２に等しい振幅である。
その差は、反ノード位置が、式１５ａに従って−θ１≦θＤ≦＋θ２包絡線の外側に移行されることである。本例のθ２とθ１の大きさが等しく、ＶＴ／ＶＣ＝１．１では、角度方向θＤは、−１．１θ２により近似される。同様にＶＴ＝−１．１ＶＣ（式中、負の符号は、ＶＣと対向する位相を示す）の場合、同じシフトが、反対方向に生じることになる。
図１の分割駆動電極構成を超える図１６〜図１８のスキュー電極配置の機能的利点は、スキュー電極配置が、軸線１０１と一致する任意の平面周りに「鏡対称性」を提供するように構成され得ることである。従って軸線１０１を含む何れかの任意平面では、角度方向に関わらず、平面の一側面上の振動パターン１２０は、平面の他方の側面上の同数の要素に伝播し、各々の鏡要素は、同数の接続を有する。平面の一側面上の要素が、平面の他方の側面上の鏡要素と適合するようなサイズにされる場合、および鏡要素の接続が、実質的に同一に構成される場合、カップ型組立体５００の共鳴対称性が高められる。共鳴対称性は、任意の振動慣性速度センサにとって有益であるが、共鳴対称性は、高い機械的「Ｑ」を備えるジャイロスコープにとって特に重要である。
図２０は、本発明の実施形態に従う、スキュー検出要素とスキュー駆動要素を組合せるカップ型共振体上に被覆する作動要素パターン６００が図示される。作動要素パターン６００は、横軸６０２、複数の駆動要素６０４，６０６，６０８と６１０、複数の検出要素６１２，６１４，６１６と６１８およびアース端子要素６２０を規定する全長６０１を含む。種々の要素のうちの各々は、電気絶縁性障壁６２４によって分離される。縦隔離細長片６２６はまた、作動要素パターン６００の何れかの末端または両端に設けられ得る。（横軸６０２と縦隔離細長片６２６は、種々のカップ型電極実施形態の中心線１０１または５０１とそれらの関係のため、そのように名付けられる。）図２と図４の第１ノード対１１４ａと第２ノード対１１４ｂおよび図１６と図１８の第１反ノード対５１４ａと第２反
ノード対５１４ｂは、作動要素パターン６００に重ね合わされる。第１ノード対１１４ａと第２ノード対１１４ｂおよび第１反ノード対５１４ａと第２反ノード対５１４ｂの横方向配置は、図１８において示されるような振動パターン５２０の公称位置に従う。
駆動要素６０４，６０６，６０８と６１０は各々、湾曲境界６２８と、各々の駆動要素の質量中心に位置する駆動要素重心６３０とを特徴とする。同様に各々の検出要素６１２，６１４、６１６と６１８はまた、湾曲した上方境界６３２と検出要素重心６３４を特徴とする。図２０に特有な作動要素パターン６００は、駆動要素６０４と６０８の駆動要素重心６３０が、第１駆動要素偏位６３６によって第１反ノード対５１４ａに対して偏位され、駆動要素６０６と６１０の駆動要素重心６３０が、第２駆動要素偏位６３８によって第２反ノード対５１４ｂに対して偏位され得るように、形成される。
湾曲上方境界６２８と６３２は、振動時、共振体の壁において生じる局部応力勾配と実質的に合致し得る。そのような設計の利点は、ワトソン(Watson)の米国特許第６，８４５，６６７号において開示され、その開示物は、その中で具体的に規定される用語の任意の明示定義以外を本明細書において参照文献において盛り込んである。
第１駆動要素偏位６３６と第２駆動要素偏位６３８は、横軸６０２に平行であるとともに、互いに対向する方向にある。第１駆動要素偏位６３６と第２駆動要素偏位６３８は、等しい大きさであり得る。作動要素パターン６００は、円筒座標系に変換される場合、第１駆動要素偏位６３６と第２駆動要素偏位６３８は、たとえば図１８において斜角θ１とθ２によって示されるような回転偏位に変換する。
図２０の作動要素パターン６００はまた、検出要素６１２と６１６の検出要素重心６３４が、第１検出要素偏位６４２によって第１ノード対１１４ａに対して偏位され、検出要素６１４と６１８の検出要素重心６３４は、第２検出要素偏位６４４によって第２ノード対１１４ｂに対して偏位され得るように、形成される。第１検出要素偏位６４２と第２検出要素偏位６４４は、横軸６０２に平行であるとともに、互いに対向する方向にあり、更に等しい大きさでもあり得る。作動要素パターン６００が、円筒座標系に変換される場合、第１検出要素偏位６４２と第２検出要素偏位６４４は、たとえば図４における斜角θ１とθ２によって示されるように、回転偏位に変換する。
作動要素パターン６００はまた、特定の基準に適合する関係で配置される同じ機能の作動要素の連続対（すなわち駆動要素対または検出要素対）とみなされ得る。両方とも作動要素パターン６００の上半分に位置する、たとえば駆動要素６０４と６０６の重心６３０は、スパン距離６４５によって分離される。同様に作動要素パターン６００の下半分に位置する駆動要素６０８と６１０の重心は、同じスパン距離６４５によって分離される。一対の中間点６４６と６４７は、各々の駆動要素対６０４，６０８と６０６，６１０の重心６５０の間に等距離で位置する。中間点６４６と６４７は、距離６４８によって離間される。
駆動要素対６０４，６０８と６０６，６１０が、直径方向に対向する構成では、スパン距離６４５は、第１駆動要素偏位６３６と第２駆動要素偏位６３８が等しくても等しくなくても、実質的に等しくなる。第１駆動要素偏位６３６と第２駆動要素偏位６３８が、実質的に等しい構成では、中間点６４６と６４７は、図２０において示されるようにノード対１１４ｂと理論的に整列することになる。同じでない第１駆動要素偏位６３６と第２駆動要素偏位６３８は、中間点６４６，６４７とノード対１１４ｂの間に不整合をもたらすことになる。
図２０において、スパン距離６４５は、軸対称性構成における回転偏位（たとえば図１
８のθ１とθ２）に作用するため、全長６０１の四分の一未満である。回転偏位はまた、全長６０１の四分の一より大きなスパン距離６４５の影響を受け得る。しかし、スパン距離が、連続体共振体における回転偏位に作用しない場合、実質的に四分の一に等しい。
何れにしても、駆動要素対６０４，６０８と６０６，６１０が、直径方向に対向している共振体構成では、中間点（ミッドスパン）６４６と６４７の間の距離６４８は、全長６０１の半分に実質的に等しい。
従って、作動要素対間の直径方向の対置と回転偏位の組合せに作用する作動要素パターンの一実施形態は、二対の同じ機能の作動要素を備えるとみなされ得る。前記二対の作動要素のうちの一対は、パターンの第１半分に中心がある中間点を有し、別の対は、パターンの第２半分に中心がある中間点を有し、各々の同じ機能の作動要素対の要素の重心は、同じ距離離間して位置し、その距離はパターンの全長の四分の一より大きいか小さいかの何れかである。更に、この実施形態の中間点の間の距離は、パターンの全長の半分に実質的に等しい。
同じ特徴は、検出要素６１２〜６１８の配置に関して当てはまるが、図２０の明確さを維持するために明確に線図で表されていない。図２０の特定の構成は、電極型をとる作動要素を対象とされ得るとともに、専門家にとって利用できる数多くの方法と技術によって構築され得る。一つのそのような方法は、カップ型共振体上に金属含有インクをスクリーン印刷することと、インクを焼成することによって共振体に結合される導電層を生じさせることとを含む。この工程において利用され得るインクの例は、銀含有インクである。そのような設計の電気絶縁性障壁６２４は、インク中にギャップの形をとり、駆動要素と検出要素６０４〜６１８の間のインク印刷が、アース端子要素６２０に架橋しないようなサイズにされる。インク印刷工程では、縦隔離細長片６２６を用いることによって、インク・パターンが重ならないようにし得る。
共振体上に所定の作動要素パターンを配置する別の工程は、共振体表面の上方に層を被覆することと、作動要素とアース端子要素の形状を酸耐性インクでマスクすることとを含む。マスク工程は、暴露される電気障壁領域（たとえば電気絶縁性障壁６２４）と指定された被覆領域だけを残す。マスク表面は、次に主として非マスク電気障壁領域から被覆を除去する酸エッチング工程を受ける。酸耐性インクは、次に溶媒を用いることによって除去され得る。縦隔離細長片６２６は、インク印刷工程で行うものと同じ機能をこの工程において果たさない。
被覆材料は、たとえば銅かニッケルなどの電気導電性被覆材料であり得る。被覆工程は、たとえば無電解工程など、被覆される材料と適合する任意の技術であり得る。
操作的に、駆動スキューを用いることによって、駆動整列を調整するか、またはトルク信号を適用し得る。整列機能では、斜角は、電極の配置誤差を克服するのに十分大きければよい。トルク化構成が望まれる場合、斜角は、ジャイロスコープ仕様の最大角速度によって制御される。斜角と捕捉された角速度の間の関係は、所定のジャイロスコープの共鳴周波数と「Ｑ」を含む多くの因子によって支配される。模範的な非限定的組合せは、±２，０００度／秒の最大角速度を提供する±１２度の斜角である。
斜角を用いることによって、トルクを有するカップ型では検出整列を調整するか、またはトルクを有さないジャイロカップ型では検出可能な回転速度値域を確立する。検出整列機能を実行するため、検出直線のスキューの大きさは、電極の配置誤差を克服するのに十分でありさえすればよい。スキューが、検出可能な回転速度の値域を定めるべく用いられる場合、スキューの角度は、最大角速度によって制御される。
従って振動パターン（たとえば振動パターン５２０）の動トルク化に構成される作動要素パターン６００は、第１駆動要素偏位６３６と第２駆動要素偏位６３８よりも大きな第１と第２駆動要素偏位を備えるものとみなされ得る。逆に動的トルク化用に構成されない作動要素パターン６００は、第１駆動要素偏位６３６と第２駆動要素偏位６３８よりも大きな第１検出要素偏位６４２と第２検出要素偏位６４４を備え得る。
作動要素パターン６００はまた、複数の信号接触タブ６５０を含み、駆動要素、検出要素およびアース端子要素６０４〜６２０の各々にタブ一個である。図２０において示される実施形態は、１０個の信号接触タブ６５０を含む。信号接触タブ６５０は、一組５個の二組に分けることができ、組は参照番号６５２と６５４によって指定される。各々の組６５２と６５４は、隣接するタブの間に第１分離距離６６０と第２分離距離６６２を含む。一組５個の二組は、第３分離距離６６４によって分離される。図２０の個々の描写において、第３分離距離６６４は、第２分離距離６６２と実質的に等しいが、一般的配置はこのように限定されない。
機能的に二組６５２と６５４内と前記二組の間の反復パターンは、回転軸と一致する（たとえば、それぞれ図４と図１８の軸線１０１または５０１と一致）任意の平面周りに鏡対称性を生じさせる。それによってジャイロスコープ組立体に共鳴対称性を提供するとともに、上記の付随利点を提供する。種々の分離距離を互いに等しくできる程度に（たとえば図２０におけるように、第３分離距離６６４は、第２分離距離６６２と実質的に等しくされる）、ジャイロスコープの共鳴対称性が高められることになる。
たとえば図２１は、角速度センサがリング型ジャイロスコープ７００の形態である実施形態が、図示される。リング型ジャイロスコープ７００は、電磁気的、圧電的または容量的に作動し得る。ジャイロスコープは、リング７０２を用い、リング上に二対の駆動要素７０４ａと７０４ｂおよび二対の検出要素７０６ａと７０６ｂが配置される。複数の所謂「クモの巣レッグ」７０７は、リング７０２から外側に延びる。駆動要素対７０４ａと７０４ｂおよび検出要素対７０６ａと７０６ｂの中心は、隣接するクモの巣レッグ７０７（リング７０２上に白丸によって示される）の間にリング７０２の弓状部分の中心として設定される。二対の振動ノード７１４ａおよび７１４ｂと整列されるノード基準線７１０と７１２と、二対の振動反ノード７２０ａおよび７２０ｂと整列される反ノード基準線７１６と７１８とによる四ノードの振動パターン７０８を示す。
図２１の実施形態において、検出要素対７０６ａと７０６ｂは、ノード基準線７１０と７１２に中心がある。（検出要素対７０６ａと７０６ｂにおける駆動要素の中心は、振動ノード７１４ａと７１４ｂと整列されることに留意すること。）しかし駆動要素対７０４ａと７０４ｂは、それぞれ斜角θａとθｂによって公称の第１反ノード基準線７１６と第２反ノード基準線７１８から変位される。駆動要素対７０４ａと７０４ｂの中心は、それぞれ第１駆動直線７２２と第２駆動直線７２４を画成する。
作動中、駆動要素対７０４ａだけが起動されると、振動パターン７０８は、斜角θａによって反時計回りに回転される。他方、駆動要素対７０４ｂだけが起動されると、振動パターン７０８は、斜角θｂによって時計回りに回転される。従って第１駆動直線７２２は、第２駆動直線７２４に対して反対の振動位相を有する。理論上、駆動振幅が、駆動要素対７０４ａと７０４ｂの両方によって等しく適用される場合、振動パターンは、図２１において示される公称位置から回転されない。従って駆動振動の偏位角θは、第１駆動直線７２２と第２駆動直線７２４上の二対の駆動要素によって適用される駆動振幅の比率を調整することによって、＋θｂと−θａの間の任意の値に設定可能である。図１５のゲイン比調整サブシステム４８０は、このために用いられ得る。
更に別の例の実施形態として、図２２は、検出要素対７０６ａと７０６ｂの中心は、ノード基準線７１０と７１２に対して変位され得る。図２２の実施形態は、反ノード基準線７１６および７１８と一致する駆動要素対７０４ａと７０４ｂの中心を示す。（駆動要素対７０４ａと７０４ｂにおける駆動要素の中心が、振動反ノード７２０ａおよび７２０ｂと整列されることに留意すること。）しかし検出直線７２６によって示される、直径方向に対向する検出要素対７０６ａの中心は、それぞれのノード基準線７１０に対して時計回り方向に斜角θａだけ変位される。対向振動位相に作用すべく、検出直線７２８によって示される、別の検出要素７０６ｂの中心は、ノード基準線７１２に対して反時計回り方向に斜角θｂだけ変位される。各々の検出要素対７０６ａと７０６ｂによって生成される信号は、その位置での振動振幅に比例する。駆動検出信号と速度検出信号を測定すべく、要素信号の総和と減算に導く数学的方程式の誘導は、式１〜式４において示される共振体５０２の場合と同じである。
図２１と図２２において例示されるシリコン・リング型ジャイロスコープは、幾つかの従来式のリング型ジャイロスコープ設計に対して多くの利点を提供し得る。たとえば駆動検出機能と速度検出機能は、同じ検出要素７０６を用いることによって実行可能である。図２１と図２２において示す実施形態において、ＡＧＣ回路を用いることによって、経年劣化に関連するジャイロスコープの駆動バイアスのドリフトを補正可能である。駆動検出機能と回転速度検出機能の特性は、互いに対して実質的に変動しない。何故ならこれらの機能は、同じ成分を用いて実行されるからである。検出要素７０６は、同じ種類の材料から製作され、同じ接合技術を用いる。
上記の特定の原理は、たとえば音叉型ジャイロスコープとプレート型ジャイロスコープなど下記の他の振動ジャイロスコープ構成に適用可能である。しかしスキュー駆動実施形態は、ノードが一つより多いシステムにおいてのみ適用可能である。二つ以上のノードは、リダイレクトされた一つのノードの駆動エネルギが、他のノードで大きさが等しく方向が反対の反作用によって補正できるようにする。それでもなおスキュー検出構成の原理は、たとえば音叉型ジャイロなどの一つしかノードを備えないジャイロスコープに適用可能である。
図２３と図２４は、回転検出直線１３０１周りに音叉様配置を備える音叉型ジャイロスコープ１３００が、例示される。駆動音叉振動と速度検出応答の共振体周波数は、実質的に同じである。音叉型ジャイロスコープ１３００は、第１歯１３０２ａと第２歯１３０２ｂを備え、各々の歯は、第１駆動直線１３０５を備える駆動要素１３０４と、検出要素１３０６の主要面に垂直な検出直線１３０７を備える検出要素１３０６とから構成される。駆動要素１３０４は、第１歯１３０２ａと第２歯１３０２ｂを駆動ベクトル１３０８によって示される方向に振動させるような方法で励振される。音叉型ジャイロスコープ１３００が回転検出直線１３０１周りに回転されると、検出要素１３０６は、検出ベクトル１３１０によって示される方向に撓むので、回転検出直線１３０１周りに音叉型ジャイロスコープ１３００の角速度に比例する電圧信号振幅を生じる。しかしベクトル１３０８方向の第１歯１３０２ａと第２歯１３０２ｂの振動はまた、検出ベクトル１３１０方向にある程度の撓みを検出要素１３０６に与える。場合によっては、この少量の撓みは、検出要素１３０６が形成される圧電材料に、回転していない時でさえ、音叉型ジャイロスコープ１３００が回転していると間違って示す小さな電圧信号を生成させるのに十分であり得る。更にこの小さな電圧信号は、音叉型ジャイロスコープ１３００の回転時、誤差範囲を発生させるので、音叉型ジャイロスコープ１３００に間違った角速度を示させる可能性がある。
第１歯１３０２ａと第２歯１３０２ｂ（図２３）が、ＡＣ電圧によって駆動されるとき、歯は、駆動ベクトル１４０２によって例示されるように対向して共鳴する。検出要素１３０６は、音叉型ジャイロスコープ１３００の回転速度にのみ理論的に応答する回転速度
振動ベクトル１４０４に応答する。何故なら回転速度振動ベクトル１４０４は、駆動ベクトル（共鳴ベクトル）１４０２に垂直であるからである。
図２５は、振動する音叉型ジャイロスコープ１３００における平面型の検出要素１３０６を置換すべく、第１スキュー検出要素１４１２ａと第２スキュー検出要素１４１２ｂを用いる本発明の一実施形態に従う構成１４１０が、図示される。音叉型ジャイロスコープ１３００は、底部１３１２に一つしかノードを備えないので（図２３）、極形状について開示されるものとは異なる構成でスキュー原理が適用される。第１スキュー検出要素１４１２ａと第２スキュー検出要素１４１２ｂは、図２５において図示されるようにそれぞれ角度αａとαｂでスキューされ、駆動要素１３０３（図２３）では何れのスキューもなく、駆動ベクトル１４０２は反対のままである。しかし斜角αａとαｂは、第１スキュー検出要素１４１２ａと第２スキュー検出要素１４１２ｂを第１検出直線１４０６ａと第２検出直線１４０６ｂに従ってそれぞれ方向付けさせる。従って第１スキュー検出要素１４１２ａと第２スキュー検出要素１４１２ｂは、駆動ベクトル１４０２のうちの一部分と回転速度振動ベクトル１４０４のうちの一部分からなる第１応答ベクトル１４０８ａと第２応答ベクトル１４０８ｂをそれぞれ検出する。すなわち第１スキュー検出要素１４１２ａと第２スキュー検出要素１４１２ｂの第１検出直線１４０６ａと第２検出直線１４０６ｂは、駆動ベクトル１４０２と直交しないので、第１スキュー検出要素１４１２ａと第２スキュー検出要素１４１２ｂは、駆動ベクトル１４０２と回転速度振動ベクトル１４０４の両ベクトル由来の成分を備える第１応答ベクトル１４０８ａと第２応答ベクトル１４０８ｂを検出する。
第１検出直線１４０６ａと第２検出直線１４０６ｂに沿って検出される駆動ベクトル１４０２の部分は、ｓｉｎ（αａ）とｓｉｎ（αｂ）にそれぞれ実質的に比例する。また第１検出直線１４０６ａと第２検出直線１４０６ｂは、駆動ベクトル１４０２によって生じる各々の第１応答ベクトル１４０８ａと第２応答ベクトル１４０８ｂの成分が対向方向にあるように方向付けられる。
幾何学的形状の差にもかかわらず、数学的誘導は、式１と式２に関連して記載されるように、リング型とカップ型の形状の誘導と似ている。具体的には以下の通りである。
Ｓ１＝Ｄ・Ｓｉｎ（α１）＋ＤＫ．．．（式１６）
Ｓ２＝Ｄ・Ｓｉｎ（α２）−ＤＫ．．．（式１７）
式中、Ｓ１は、第１検出要素１４１２由来の信号である。Ｓ２は、第２検出要素１４１２ｂ由来の信号である。Ｄは、最大振動点で（すなわち駆動直線１３０５で）検出され得るような駆動振動信号である。ＤＫは、回転検出直線１３０１周りの角速度変化に対応する信号である。第１要素信号から第２要素信号を減算することによって、最大速度信号が与えられ、駆動検出信号がキャンセルされる。
Ｓ１・ｓｉｎ（２αｂ）−Ｓ２・ｓｉｎ（２αａ）＝ＤＫ・［ｓｉｎ（２αａ）＋ｓｉｎ（２αｂ）］．．．（式１８ａ）。
ゲイン調整は、センサ変動に対してこの平衡を補正すべく用いられ得る。第１要素信号と第２要素信号を加算することによって、最大駆動検出信号が与えられ、速度信号がキャンセルされる。
Ｓ１＋Ｓ２＝Ｄ・［ｓｉｎ（２αａ）＋ｓｉｎ（２αｂ）］．．．（式１９ａ）。
斜角が実質的に等しい（αａ＝αｂ＝α）実施形態では、数式は以下のように簡略化する。
Ｓ１−Ｓ２＝２ＤＫ．．．（式１８ｂ）
Ｓ１＋Ｓ２＝２Ｄ・ｓｉｎ（α）．．．（式１９ｂ）。
図２６は、プレート型ジャイロスコープとして公知のジャイロスコープ構成の要素であるプレート型ジャイロスコープ１６００が略図で示される。駆動板振動の共鳴周波数と速度検出応答は、実質的に同じである。プレート型ジャイロスコープ１６００は、検出直線１６０７に垂直なベクトル１６０６によって示される方向に駆動され得る内部フレーム１６０２と共振体１６０４を含む平面型マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープである。回転速度入力軸１６０５は実質的に共振体の中心にあるとともに、ベクトル１６０６と検出直線１６０７の両方に実質的に直交する（すなわち図２６の平面に垂直）。プレート型ジャイロスコープ１６００は、バネ要素１６０８を含むとともに、複数のコリオリ検出フィンガ１６１０を含み得る。
図２７は、略図で示されるプレート型ジャイロスコープ１７００の作動特性を具現化する二つのプレート要素１７０１ａと１７０１ｂを備える作動板型ジャイロスコープを示す。図２７において示されるプレート型ジャイロスコープ１７００の作動原理は、図２３
と図２４の音叉型ジャイロスコープ１３００と似ている。一般的にプレート要素１７０１ａと１７０１ｂは、実質的に平行である一対の検出直線１７０７ａと１７０７ｂを画成する骨格１７０２によって支持される。二つのプレート要素１７０１ａと１７０１ｂは、図２３〜図２５に関連して記載された音叉型ジャイロスコープ１３００の第１歯１３０２ａと第２歯１３０２ｂに類似する、互いに対向して振動するとともに、回転速度検出直線１７０４周りの回転に感受性がある。
二つのプレート要素１７００ａと１７００ｂは、一対の駆動ベクトル１７０８によって例示されるように共通駆動直線１７０６に沿って直線的に対向して駆動される。この実装において、駆動機構は、一般的に圧電作用というよりはむしろ静電気引力と反発力である。図２７の構成において、検出直線１７０７ａと１７０７ｂは、共通駆動直線１７０６に対して出来るだけ直交させることによって、出来るだけ純粋な速度検出を提供する。しかし回転速度だけを検出することによって、図２７の構成は、速度検出システムから独立した別個の駆動検出機構を必要とする。
図２８は、本発明に従うスキュープレート型ジャイロスコープ１８００を示す。図２８の構成におけるように、プレート要素１７００ａと１７００ｂは、平行配置にあり、直線的に対向する駆動ベクトル１７０８を生成する共通駆動直線１７０６を備える。（またプレート要素は、共通駆動直線１７０６を共有する必要はないが、互いに対して単に平行な駆動直線を備え得る。）しかし並進フレーム１８０２ａと１８０２ｂは、僅かな角度θａとθｂでスキューされ得るので、一対の検出直線１８０７ａと１８０７ｂを各々の斜角で同様にスキューさせる。図２５のスキュー音叉配置のように、スキュープレート型ジャイロスコープの検出要素は、駆動成分と検出成分の両成分を検出する。
機能的に共通駆動直線１７０６の一致配置または平行配置は、駆動ベクトル１７０８を対向させたままにさせる。しかし検出直線１８０７ａと１８０７ｂは、共通駆動直線１７０６に直交せず、回転速度由来の信号に加えて駆動振動のうちの一部分を検出し、それによって式１６〜式１９において記載されるように速度検出能力と駆動検出能力の両方を生成する。
本明細書において記載される種々の実施形態に対する斜角αとθの最適化は、システムを特徴付ける作動パラメータ、具体的にはシステムの歳差定数、最大速度変化および帯域幅から算出され得る。最適斜角αとθの決定における一つの原理は、スキューがより少ないと、駆動検出信号が速度信号を圧倒しないようにし得ることである。標的として速度信号は、測定されるべき定格フルスケール角速度で駆動検出信号と等しくすべきである。より一般的には駆動検出信号と最大速度検出信号は、大きさが一桁以上異なるべきではない。すなわち、
０．１≦Ｄ・ｓｉｎ（α）／ＤＫ≦１０．．．（式２０）。
速度信号振動は、駆動振動より空間的に遅延する。何故なら検出信号は、共鳴システムの線質係数Ｑに従って減衰されるからである。検出システムの時間定数τは、これらの振動の振幅を初期振幅の１／ｅ（または約３７％）に抑えるのに要する時間として本明細書において定義される。時間定数τは、ジャイロスコープ機構の帯域幅の逆数に比例する。妥当な検出斜角Ｓ２は、一つの時間定数で生じる回転量として考えられ得る。作動検出斜角ＳＳの数式は以下の通りである。
ＳＳ＝γＭＲ／（２ΠＢＷ）．．．（式２１）
式中、ＳＳは、度で表示する作動検出斜角である。γは、歳差定数である。ＭＲは、度／秒で表示する最大速度変化である。ＢＷは、ヘルツで表示するジャイロスコープ出力応答の帯域幅である。たとえば歳差定数が１であり、ジャイロスコープ出力帯域幅が１００Ｈｚおよび最大期待角速度が２００度／秒である場合、標的斜角は０．３２°である。この値は、ノード数と共鳴周波数に無関係である。斜角は、作動検出斜角ＳＳが構築の寸法公差より小さいなら、識別レベルまで増加され得る。
トルク適合性幾何学的構造（たとえばカップ型とリング型のジャイロスコープ）の調整に望まれる駆動斜角ＳＤは、式２１に関連して記載される検出スキューＳＳの場合と同じ原理に基づき算出可能である。更に別の配慮は、トルク作動に作用すべくシステムから過剰量の駆動電圧を必要としないように、斜角θにおいて十分な範囲を提供することである。駆動要素に適用される過剰信号は、システムを飽和することによって、誤差が生じ得る。総じて、最大定格検出スキューＳＳの約二倍である駆動斜角ＳＤを備えると、全域にわたって十分量が提供され得る。従って作動駆動トルク斜角ＳＤの数式は以下の通りである。
ＳＤ＝２γＭＲ／（２ΠＢＷ）；または
ＳＤ＝γＭＲ／（ΠＢＷ）．．．（式２２）
式中、度で表示する駆動トルク斜角γは、歳差定数である。ＭＲは、度／秒で表示する最大角速度範囲である。ＢＷはヘルツで表示するジャイロスコープ出力応答の帯域幅である。たとえば、ジャイロスコープ出力帯域幅が１００Ｈｚで、最大期待角速度が２００度／秒の場合、標的駆動斜角は０．６４度である。速度検出であったように、この値は、ノード数または共鳴周波数に無関係である。駆動斜角ＳＤは、角度ＳＤが分解可能な構造耐性よりも小さい場合、識別レベルまで増加され得る。
カップ型とリング型のジャイロスコープの駆動直線 (たとえば図１６の第１駆動直線５３８と第２駆動直線５４０) の偏位を確立するために望ましい駆動整列斜角ＳＡは、式２２のトルク駆動スキューＳＤと同じ方法で算出され得る。しかし、範囲にわたって有意性を提供するため、最小構造耐性を２倍または３倍上回る整列斜角を備えることが望ましくあり得る。従って作動的駆動斜角の数式は、以下の通りである。
ＳＡ＝３ＤＡ．．．（式２３）
式中、ＳＡは、度で表示する駆動整列斜角である。ＤＡは、度で表示する駆動整列耐性である。たとえばジャイロスコープの駆動整列耐性が、０．５度の場合、標的駆動整列斜角は、１．５度である。従って式２１または式２２由来のより大きな結果が、駆動整列斜角に用いられ得る。
前述の説明は、本発明の様々な実施形態に関する完全な理解を与える数多くの具体的な詳細を示す。当業者には本明細書において開示されてきた様々な実施形態が、幾つか、または全てのこれらの具体的な詳細なしに実行し得ることは明白であろう。他の例において
、公知の成分は、本発明を不必要に曖昧にしないため、詳細には記載されなかった。当然ながら、たとえ様々な実施形態の数多くの特性と利点が、様々な実施形態の構造および機能の詳細とともに、前述の説明において示されるとしても、この開示物は例示にすぎない。それでもなお本発明の原理と趣旨を用いる他の実施形態が、構築され得る。
たとえばカップに用いられる材料は、本明細書において記載されるような均質な圧電セラミックの代わりに非均質型であり得る。当業者は、カップを構成する成分の製法が数多くあり、一般的には各々の適用に必要な種類の材料または方向性に基づき選ばれることを認識している。更に様々な共振体は、一体化して形成されなくてもよいが、たとえば検出共振体部分から個別に形成される駆動共振体部分と、その間の界面、またはその間に挿入された部材を介して振動によって通信すべく製造される二つの部分とを備え得ると考えられる。更に本明細書において記載される実施形態は、振動アクチュエータ質量センサ・システムを対象とするが、当業者には、本明細書において開示される教示が、請求項によって単に規定される本発明の範囲と趣旨から逸脱しなければ、たとえば種々の駆動制御システム、超音波および電力変換装置などの他のシステムに適用できることは明白であろう。

Claims (33)

  1. 共振体、第１作動要素としての第１駆動要素、および第２作動要素としての第２駆動要素を有することによって角速度を検出する慣性センサであって、
    前記第１駆動要素と前記第２駆動要素は、前記共振体上に振動パターンを発生させ、
    前記共振体は、軸線を有する連続体を有し、
    前記振動パターンは、それぞれ前記軸線周りに配置されるノード対と第１反ノード対と第２反ノード対を画成し、
    前記ノード対は、前記ノード対を通過するノード基準線を画成し、
    前記第１反ノード対は、前記第１反ノード対を通過する第１反ノード基準線を画成し、
    前記第２反ノード対は、前記第２反ノード対を通過する第２反ノード基準線を画成し、
    前記連続体に動作自在に連結される前記第１駆動要素は、前記第１駆動要素を通過し且つ前記軸線を横断する第１作動中心線としての第１駆動中心線を画成し、
    前記連続体に動作自在に連結される前記第２駆動要素は、前記第２駆動要素を通過し且つ前記軸線を横断する第２作動中心線としての第２駆動中心線を画成し、
    前記第１駆動中心線は、前記第１反ノード基準線に対して第１回転偏位で偏位され、
    前記第１駆動中心線と前記第２駆動中心線は、前記第１反ノード基準線、前記第２反ノード基準線、および前記ノード基準線の何れにも一致せず、
    第２駆動中心線は、前記第２反ノード基準線から、前記第１回転偏位とは反対方向に第２回転偏位で偏位され、
    前記第１回転偏位と前記第２回転偏位は、互いに大きさが等しい
    ことを特徴とする、慣性センサ。
  2. 前記連続体は、軸対称である、
    請求項１記載の慣性センサ。
  3. 前記第１駆動要素と前記第２駆動要素のうちの少なくとも幾つかは、前記連続体の表面に物理的接触している、
    請求項１記載の慣性センサ。
  4. 前記物理的接触は、接合結合、膠着、およびその組合せからなる群から選択される、
    請求項３記載の慣性センサ。
  5. 前記第１反ノード基準線と前記第２反ノード基準線は、隣接する前記ノード基準線との間に一様な角偏位を画成し、
    前記第１回転偏位は、前記一様な角偏位の半分未満である、
    請求項１記載の慣性センサ。
  6. 前記第１駆動中心線は、第１駆動要素対を構成する２つの前記第１駆動要素を通過し、
    前記第２駆動中心線は、第２駆動要素対を構成する２つの前記第２駆動要素を通過する、
    請求項１記載の慣性センサ。
  7. 前記慣性センサは、振動慣性速度センサであり、
    前記連続体は、前記軸線に対する直交断面上に閉鎖ループを形成し、
    それぞれ駆動要素対の駆動要素は、前記第１駆動中心線と前記第２駆動中心線を画成すべく前記軸線周りに１８０度間隔で配置され、
    複数の前記駆動要素対は、前記軸線周りに非一様な角度分布で配置され、
    前記非一様な角度分布は、前記軸線を含む平面周りに鏡対称である、
    請求項１記載の慣性センサ。
  8. 前記連続体は、前記軸線周りに対称な軸対称体である、
    請求項７記載の慣性センサ。
  9. 前記駆動要素対は、駆動要素によって前記軸線に対して前記振動パターンの動的回転を可能にすべく、前記軸線周りに前記非一様な角度分布で配置される、
    請求項７記載の慣性センサ。
  10. 前記慣性センサは更に、
    前記共振体の角速度を測定する角速度測定手段と；
    前記反ノードの振動振幅を測定する振動振幅測定手段と
    を有する、
    請求項１記載の慣性センサ。
  11. 複数の検出要素は、前記角速度測定手段と前記振動振幅測定手段の両方に共用される、
    請求項１０記載の慣性センサ。
  12. 前記慣性センサは、作動要素パターンを有する慣性速度センサであり、
    前記作動要素パターンは、横軸を画成するとともに第１半分と第２半分に分割できるパターン全長を有し、
    第１駆動要素対と第２駆動要素対は、それぞれ重心を有し、
    前記第１駆動要素対の前記重心は、前記第１半分に位置するとともに、前記横軸に平行な第１スパン距離を示し、
    前記第１駆動要素対の重心同士は、間に等距離に位置する第１中間点を画成し、
    前記第２駆動要素対の前記重心は、前記第２半分に位置するとともに、前記横軸に平行な第２スパン距離を示し、
    前記第２駆動要素対の前記重心同士は、間に等距離に位置する第２中間点を画成し、
    前記第１中間点と前記第２中間点は、前記パターン全長の二分の一に等しい距離によって互いに分離され、
    前記第１スパン距離は、前記第２スパン距離に等しいが、前記パターン全長の四分の一には等しくない、
    請求項１記載の慣性センサ。
  13. 前記パターン全長は、連続性がある、
    請求項１２記載の慣性センサ。
  14. 前記慣性センサは更に、前記第２半分上で繰返され、前記第１半分上で一連の間隔を画成する複数の信号接触タブを有する、
    請求項１２記載の慣性センサ。
  15. 前記信号接触タブは、アース端子要素に電気的接続する、
    請求項１４記載の慣性センサ。
  16. 慣性速度センサである請求項１の慣性センサの製造方法であって、前記製造方法は、
    第１半分と第２半分に分割されるパターン全長を有するとともに、第１駆動要素対と第２駆動要素対を含む作動要素パターンを選択することであって、前記第１駆動要素対は、前記第１半分上に位置する第１中間点を有し、前記第２駆動要素対は、前記第２半分の中心に位置する第２中間点を有し、前記第１中間点と前記第２中間点は、前記パターン全長の半分に等しい距離を間に示し、それぞれ前記第１駆動要素対と前記第２駆動要素対が有する重心は、互いに同じスパン距離だけ離間し、前記スパン距離は、前記パターン全長の四分の一には等しくないことと；
    前記作動要素パターンを、連続性を有する形状の前記共振体に移行させることと；
    前記作動要素パターンを、前記第１駆動要素対と前記第２駆動要素対に変換することとを有することを特徴とする、慣性センサの製造方法。
  17. 前記変換は、前記作動要素を互いに電気的絶縁することを含む、
    請求項１６記載の製造方法。
  18. 前記変換は、前記共振体に結合される導電層に、前記作動要素パターンを変換することを含む、
    請求項１７記載の製造方法。
  19. 請求項１の慣性センサに電気的整合する整合方法であって、前記整合方法は、
    第１振動駆動信号と第２振動駆動信号のうちの少なくとも一つが、前記共振体を前記軸線周りに振動パターンで振動させるように、前記第１振動駆動信号を第１駆動要素対に適用し、且つ前記第２振動駆動信号を第２駆動要素対に適用することであって、前記振動パターンは、前記共振体に関して第１位置に位置する複数のノードを含むことと；
    前記第１振動駆動信号と前記第２振動駆動信号のうちの少なくとも一つの振幅を変動させる振幅変動によって、前記ノードが、前記共振体に関して前記第１位置とは異なる第２位置に位置するように、前記振動パターンを変化させることと
    を有する、整合方法。
  20. 前記振幅変動は、前記軸線に対する前記振動パターンの回転偏位を生成する、
    請求項１９記載の整合方法。
  21. 前記振幅変動は、
    前記第１振動駆動信号の振幅と前記第２振動駆動信号の振幅との第１比率に比例する量によって前記ノードが、前記第１位置から第１方向に偏位した前記第２位置に位置するように、前記第１比率が振動パターンを生成することと；
    前記第１比率に比例する量によって前記ノードが、前記第１位置から前記第１方向とは反対方向に偏位した第３位置に位置するように、前記第１比率の逆数が振動パターンを生
    成することと
    を満たすように、前記第１振動駆動信号と前記第２振動駆動信号の振幅を設定することを含む、
    請求項１９記載の整合方法。
  22. 前記第１駆動要素対への前記第１振動駆動信号の適用は、前記軸線に交差する第１駆動直線に沿って前記共振体上に位置する前記第１駆動要素対に、前記第１振動駆動信号を適用することを含み、
    前記第２駆動要素対への前記第２振動駆動信号の適用は、前記軸線に交差し且つ前記第１駆動直線に対して傾斜する第２駆動直線に沿って、前記共振体上に位置する前記第２駆動要素対に、前記第２振動駆動信号を適用することを含む、
    請求項１９記載の整合方法。
  23. 請求項１の慣性センサを備える角運動測定システムであって、前記角運動測定システムは、前記第１駆動要素と前記第２駆動要素を駆動する駆動回路を有し、
    前記共振体は更に、複数のセンサを有し、
    前記駆動回路は、前記共振体が複数のノードと反ノードを含む振動パターンに従って振動するように、第１駆動要素対と第２駆動要素対に励振信号を伝達し、
    前記励振信号の伝達は、少なくとも一つの第１駆動要素対に適用される第１励振信号と、少なくとも一つの第２駆動要素対に適用される第２励振信号とを含み、
    前記第１励振信号と前記第２励振信号の相対振幅は、前記振動パターンの前記ノードと反ノードの配置を制御する、
    角速度測定システム。
  24. 前記角速度測定システムは更に、振動監視回路と制御システムを有し、
    前記振動監視回路は、複数の前記センサによって生成される信号伝達を得、
    前記制御システムは、前記共振体に対して複数の前記ノードと反ノードを再配置すべく、前記振動パターンが変化するように、前記振動監視回路の出力に基づき前記第１励振信号と前記第２励振信号の前記相対振幅を調整する、
    請求項２３記載の角速度測定システム。
  25. 前記共振体に沿った前記ノードと反ノードの配置は、前記共振体の角運動に応じて変化し、
    前記制御システムは、角運動の不在下において前記共振体に対して前記ノードと反ノードの初期配置を確立し、
    前記制御システムは、前記ノードと反ノードの前記初期配置が修復されるように、検出角運動に応じて前記第１励振信号と前記第２励振信号の前記相対振幅を調整する、
    請求項２４記載の角速度測定システム。
  26. 請求項１の慣性センサの振動パターンを再配置する再配置方法であって、前記再配置方法は、
    第１方向を画成すべく、前記第１駆動中心線に沿って配置される第１駆動要素対に第１駆動信号を適用することと；
    前記第１方向から前記軸線周りに回転偏位を有する第２方向を画成すべく、前記第２駆動中心線に沿って配置される第２駆動要素対に第２駆動信号を適用することと；
    前記軸線周りの任意角度方向に前記反ノード対を回転させるべく、前記第１駆動信号と前記第２駆動信号の相対振幅を調整することと
    を有することを特徴とする、再配置方法。
  27. 前記第１駆動信号と前記第２駆動信号の前記相対振幅の前記調整は、
    負極性を有する振幅によって前記第１駆動信号を設定することと、
    前記共振体の振動を維持するのに十分な振幅によって前記第２駆動信号を設定することと
    を含む、
    請求項２６記載の再配置方法。
  28. 請求項１の慣性センサと角度方向制御手段を有する角運動測定システムであって、
    前記角度方向制御手段は、前記軸線周りの前記振動パターンの角度方向を制御する、角運動測定システム。
  29. 前記角運動測定システムは更に、振動パターン監視手段を有し、
    前記振動パターン監視手段は、前記振動パターンの前記角度方向を示す出力を生成すべく前記振動パターンを監視し、
    前記角度方向制御手段は、前記出力を用いる、
    請求項２８記載の角運動測定システム。
  30. 請求項１の慣性センサに電気的整合する整合回路であって、前記整合回路は、
    駆動成分と角速度成分を有する信号を得る信号取得手段と；
    前記駆動成分と前記角速度成分を分解する分解手段と
    を有する、整合回路。
  31. 請求項１の慣性センサを駆動振動パターンで回転させる回転方法であって、前記回転方法は、
    前記軸線に対して軸対称な前記共振体を有する振動ジャイロスコープを提供することであって、前記振動ジャイロスコープは更に、前記軸線に対して径方向に互いに反対に位置する第１駆動要素対と、前記軸線に対して径方向に互いに反対に位置する第２駆動要素対とを有し、前記第１駆動要素対は、前記共振体に対して第１ノード分布を有する第１振動パターンで駆動するように構成され、前記第１振動パターンは第１入力信号によって駆動され、前記第２駆動要素対は、前記共振体に対して第２ノード分布を有する第２振動パターンで駆動するように構成され、前記第２振動パターンは第２入力信号によって駆動され、前記第２ノード分布は、前記第１ノード分布から固定角だけ回転方向に偏位することと；
    前記第１入力信号を前記第１駆動要素対に適用し、且つ前記第２入力信号を前記第２駆動要素対に適用することによって、振動方向の第３ノード分布を有する混合振動パターンを生成することと
    を有する、回転方法。
  32. 前記回転方法は更に、
    前記第３ノード分布の方向を決定することと；
    前記第３ノード分布を回転させるべく、前記第１ノード分布と前記第２ノード分布のうちの何れか一つを調節することと
    を備える、
    請求項３１記載の回転方法。
  33. 前記回転方法は更に、
    前記第１信号から前記第２信号へのゲイン比を決定することと；
    前記第３ノード分布を回転させるべく、前記ゲイン比を調節することと
    を備える、
    請求項３１記載の回転方法。
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