JP6933240B2 - 同期多軸ジャイロスコープ - Google Patents
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Description
ジャイロスコープの1つまたは複数のアンカー点は、中心点に位置する中央アンカー点を備えてもよい。同期要素はまた、デバイス面内に3つ以上の湾曲サスペンダを備えてもよく、サスペンダは、中央アンカー点からリング状ボディまで延伸する。図2aは、上記の試験質量対および同期要素22を備えたジャイロスコープを示している。ジャイロスコープは、ジャイロスコープの第1の中心点に位置する中央アンカー点251を備える。ジャイロスコープはまた、4つの湾曲サスペンダ261をも備える。湾曲サスペンダ261は、半円形であってもよく、楕円弧の形態を有してもよく、または、2つの直交する直線バーのような直線区画からなってもよい。同期要素22および中央アンカー251に接続された湾曲サスペンダ261は、x軸およびy1軸を中心とした同期要素の傾斜を可能にするが、同期要素22の線形面外運動を防止する。したがって、両方の試験質量対の同位相面外運動を防止する。
図4は、典型的な周辺サスペンション構成を示し、参照符号411〜414が図1a〜図1eの参照符号111〜114に対応する。1つまたは複数のアンカー点は、413などの各試験質量の中央コーナの対向する両辺にある2つの周辺アンカー点452および453を含む。各試験質量は、試験質量を部分的に囲む切頭二等辺三角形の形状を有する周辺サスペンダによって上記周辺アンカー点452および453から懸架される。周辺サスペンダの第1の脚部462は、一方の周辺アンカー点452から試験質量の第1の辺を過ぎて追加の周辺サスペンダ上の第1のコーナ点472まで延伸し、周辺サスペンダの第2の脚部463は、他方の周辺アンカー点453から対応する試験質量413の第2の辺を過ぎて、周辺サスペンダ上の第2のコーナ点473まで延伸する。第1の脚部462と第2の脚部463とをともに接合する周辺サスペンダの基部464は、第1のコーナ点472から対応する試験質量の第3の辺を通って第2のコーナ点473まで延伸する。周辺サスペンダの基部は、試験質量と同じ軸上に位置整合されたコネクタ48によって、対応する試験質量の第3の辺に取り付けられる。
x軸およびy軸回転測定の二次振動モードは、状況によっては、各検知モードに対して1つの対しか利用可能でないため、2つの試験質量対を備えたジャイロスコープにおいて外部回転擾乱に対して脆弱になる場合がある。この脆弱性問題は、元の2つの対の隣に同様の構成で2つの追加の試験質量対を配置し、中央の試験質量をばねを用いて互いに連結することによって軽減することができる。
1つまたは複数の駆動トランスデューサおよび1つまたは複数のセンストランスデューサは、容量性力変換器であり得る。以下のプレゼンテーションでは、これらのオプションの両方を、図4に示す典型的な周辺サスペンション構成と組み合わせて説明する。異なる周辺サスペンション構成が使用されるジャイロスコープでは、作動と検知とを異なる方法で編成する必要がある場合がある。
1つまたは複数の駆動トランスデューサおよび1つまたは複数のセンストランスデューサは、ピエゾ力変換器であり得る。これらのトランスデューサは、周辺サスペンダに搭載することができる。この場合、サスペンダは、トランスデューサによって、および/または、試験質量の二次振動モードによって生成される圧電力によって曲げられるのに十分な幅/長さおよび高さ/長さのアスペクト比を有するシリコンビームであり得る。
Claims (13)
- 静止位置においてデバイス平面のx軸上に位置整合される第1の試験質量対を形成する第1の試験質量および第2の試験質量と、静止位置において前記デバイス平面のy1軸上に位置整合される第2の試験質量対を形成する第3の試験質量および第4の試験質量とを備える微小電気機械ジャイロスコープであって、結果、静止位置にある前記第1の試験質量対および前記第2の試験質量対は、前記x軸が前記y1軸と直交し、z1軸が前記x軸と前記y1軸の両方と直交する第1の中心点に関して本質的に対称な質量分布を形成し、
前記ジャイロスコープは、1つまたは複数のアンカー点、1つまたは複数の駆動トランスデューサ、および1つまたは複数のセンストランスデューサを有する固定支持体と、前記1つまたは複数のアンカー点から前記第1の試験質量対および前記第2の試験質量対を懸架するサスペンダとを備え、結果、前記1つまたは複数の駆動トランスデューサによって開始および維持される一次振動モードならびにコリオリ効果によって生成される3つの二次振動モードのいずれかにおいて、前記第1の試験質量対および前記第2の試験質量対が振動することが可能になり、前記1つまたは複数のセンストランスデューサは、前記3つの二次振動モードの大きさを測定するように構成されており、
−前記第1の試験質量対および前記第2の試験質量対の前記一次振動モードは、第1のモードおよび第2のモードのうちの一方であり、
−前記第1のモードは、前記第1の試験質量対が前記z1軸周りの第1の回転振動において前記デバイス平面内で動き、前記第2の試験質量対が同時に、前記z1軸周りの第2の回転振動において前記デバイス平面内で動き、結果、前記第1の試験質量対および前記第2の試験質量対は、常に反対の回転方向において、逆位相で前記z1軸周りに振動する振動を含み、
−前記第2のモードは、前記第1の試験質量対が前記x軸に沿った第1の線形振動において前記デバイス平面内で動き、結果、前記第1の試験質量対内の両方の試験質量が、同時に前記第1の中心点に向かっておよび前記第1の中心点から外方に動き、前記第2の試験質量対が、前記y1軸に沿った第2の線形振動において前記デバイス平面内で動き、結果、前記第2の試験質量対内の両方の試験質量が、同時に前記第1の中心点に向かっておよび前記第1の中心点から外方に動き、前記第1の試験質量対および前記第2の試験質量対が逆位相で振動し、結果、前記第2の試験質量対が前記第1の中心点から外方に動くとき、前記第1の試験質量対が前記第1の中心点に向かって動き、逆のときは逆になる、振動を含み、
−前記第1の試験質量対および前記第2の試験質量対の前記3つの二次振動モードは、z軸二次モード、x軸二次モード、およびy軸二次モードを含み、結果、
−前記z1軸と平行なz軸周りの前記ジャイロスコープの回転に応答して、前記一次振動モードが前記第1のモードである場合、前記z軸二次モードは前記第2のモードであり、前記一次振動モードが前記第2のモードである場合、前記z軸二次モードは前記第1のモードであり、
−前記x軸周りの前記ジャイロスコープの回転に応答して、前記x軸二次モードは、前記一次振動モードが前記第1のモードである場合、前記第1の試験質量対が前記y1軸を中心として前記デバイス平面外で回転する振動を含み、前記x軸二次モードは、前記一次振動モードが前記第2のモードである場合、前記第2の試験質量対が前記x軸を中心として前記デバイス平面外で回転する振動を含み、
−前記y1軸と平行なy軸周りの前記ジャイロスコープの回転に応答して、前記y軸二次モードは、前記一次振動モードが前記第1のモードである場合、前記第2の試験質量対が前記x軸を中心として前記デバイス平面外で回転する振動を含み、前記y軸二次モードは、前記一次振動モードが前記第2のモードである場合、前記第1の試験質量対が前記y1軸を中心として前記デバイス平面外で回転する振動を含み、
前記第1の試験質量対および前記第2の試験質量対の振動が、前記デバイス平面の前記第1の中心点を中心とする第1のリング状ボディと、前記x軸に沿って前記第1のリング状ボディから前記第1の試験質量対を形成する前記第1の試験質量および前記第2の試験質量へと延伸する第1のx軸トーションバーおよび第2のx軸トーションバーと、前記y1軸に沿って前記第1のリング状ボディから前記第2の試験質量対を形成する前記第3の試験質量および前記第4の試験質量へと延伸する第1のy軸トーションバーおよび第2のy軸トーションバーとを備える第1の同期要素によって同期されることを特徴とする、微小電気機械ジャイロスコープ。 - 前記ジャイロスコープは、静止位置において前記デバイス平面内で前記x軸上に位置整合される第3の試験質量対を形成する第5の試験質量および第6の試験質量と、静止位置において前記デバイス平面内で前記y1軸と平行なy2軸上に位置整合される第4の試験質量対を形成する第7の試験質量と第8の試験質量とをさらに備え、結果、静止位置にある前記第3の試験質量対および前記第4の試験質量対は、前記x軸が前記y2軸と直交し、前記z1軸と平行なz2軸が前記x軸と前記y2軸の両方と直交する第2の中心点に関して本質的に対称な質量分布を形成し、
前記ジャイロスコープは、前記1つまたは複数のアンカー点から前記第3の試験質量対および前記第4の試験質量対を懸架するサスペンダを備え、結果、前記1つまたは複数の駆動トランスデューサによって開始および維持される一次振動モードならびにコリオリ効果によって生成される3つの二次振動モードのいずれかにおいて、前記第3の試験質量対および前記第4の試験質量対が振動することが可能になり、前記1つまたは複数のセンストランスデューサは、前記3つの二次振動モードの大きさを測定するように構成され、
−前記第3の試験質量対および前記第4の試験質量対の前記一次振動モードは、前記第1の試験質量対および前記第2の試験質量対の前記一次振動モードと同じであり、
−前記第3の試験質量対および前記第4の試験質量対の前記3つの二次振動モードは、それぞれ前記第1の試験質量対および前記第2の試験質量対の前記z軸二次モード、前記x軸二次モードおよび前記y軸二次モードに対応する、z軸二次モード、x軸二次モード、およびy軸二次モードを含み、
前記第3の試験質量対および前記第4の試験質量対の前記振動は、前記デバイス平面の前記第2の中心点を中心とする第2のリング状ボディと、前記x軸に沿って前記第2のリング状ボディから前記第3の試験質量対を形成する前記第5の試験質量および前記第6の試験質量へと延伸する第3のx軸トーションバーおよび第4のx軸トーションバーと、前記y2軸に沿って前記第2のリング状ボディから前記第4の試験質量対を形成する前記第7の試験質量および前記第8の試験質量へと延伸する第3のy軸トーションバーおよび第4のy軸トーションバーとを備える第2の同期要素によって同期され、
中央同期ばねが、前記中央同期ばねの中心が、前記y1軸と平行なy3軸が前記x軸に直交する第3の中心点にあるように、前記x軸に沿って、前記第1の試験質量対の前記第2の試験質量から前記第3の試験質量対の前記第5の試験質量まで延伸し、前記中央同期ばねは、前記第1の試験質量対および前記第2の試験質量対の前記一次振動モードを、前記第3の試験質量対および前記第4の試験質量対の前記一次振動モードに関連する逆位相振動に同期し、
結果、前記第1の試験質量対、前記第2の試験質量対、前記第3の試験質量対および前記第4の試験質量対の前記一次振動モードが前記第1のモードである場合、前記第2の試験質量対および前記第3の試験質量対は常にそれぞれ前記z1軸およびz2軸を中心として対向する回転方向に回転し、および結果、前記第1の試験質量対、前記第2の試験質量対、前記第3の試験質量対および前記第4の試験質量対の前記一次振動モードが前記第2のモードである場合、前記第1の試験質量対および前記第3の試験質量対は常に前記x軸に沿って反対方向に振動することを特徴とする、請求項1に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。 - 前記1つまたは複数のアンカー点は、前記y3軸上に位置整合した上側アンカー点と、前記y3軸上に位置整合した下側アンカー点とを含み、結果、前記上側アンカー点および前記下側アンカー点は、前記第3の中心点の対向する側にあり、前記ジャイロスコープは、トーション/屈曲バーによって前記上側アンカー点、前記第3の試験質量および前記第7の試験質量に接続される上側同期要素をさらに備え、前記ジャイロスコープは、トーションバーによって前記下側アンカー点、前記第4の試験質量および前記第8の試験質量に接続される下側同期要素をさらに備えることを特徴とする、請求項2に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
- 前記1つまたは複数のアンカー点が、前記第1の中心点および前記第2の中心点に位置する中央アンカー点を含むことを特徴とする、請求項2から3のいずれか1項に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
- 各同期要素がまた、前記デバイス面内に3つ以上の湾曲サスペンダをも備え、前記サスペンダが、対応する前記中央アンカー点から対応する前記リング状ボディまで延伸することを特徴とする、請求項4に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
- 各同期要素が、前記デバイス平面内で対応する前記リング状ボディの内側にジンバル構造をも含み、前記ジンバル構造は、対応する前記リング状ボディと同心のジンバルフレームと、前記中央アンカー点から前記ジンバルフレームへと延伸する2つの固定トーションバーとを備え、前記2つの固定トーションバーは、前記x軸と前記y軸の両方に対して45°の角度に向けられており、前記ジンバル構造はまた、前記ジンバルフレームから対応する前記リング状ボディまで延伸する2つの可動トーションバーも備え、前記2つの可動トーションバーは、前記固定トーションバーに直交することを特徴とする、請求項4に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
- 前記ジンバルフレームがリングの形状を有することを特徴とする、請求項6に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
- 前記ジンバルフレームが菱形形状を有することを特徴とする、請求項6に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
- 前記同期要素の各々が、前記デバイス平面内で対応する前記リング状ボディの内側にジンバル構造をも含み、前記ジンバル構造は、両方とも対応する前記リング状ボディと同心の内側ジンバルフレームおよび外側ジンバルフレームと、両方とも前記x軸または対応する前記y軸に沿って前記中央アンカー点から前記内側ジンバルフレームへと延伸する2つの固定トーションバーとを備え、前記ジンバル構造はまた、前記内側ジンバルフレームから前記外側ジンバルフレームへと延伸する2つの内側可動トーションバーをも備え、前記2つの内側可動トーションバーは、前記固定トーションバーに直交し、前記ジンバル構造は、前記外側ジンバルフレームから対応する前記リング状ボディまで延伸する4つの可動トーションバーをさらに備え、前記4つの可動トーションバーは、前記x軸と前記y軸の両方に対して45°の角度に向けられていることを特徴とする、請求項4に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
- 前記第1の同期要素および前記第2の同期要素の各々が4つの対角アンカー点から懸架され、前記対角アンカー点の各々は異なる試験質量対からの試験質量の間に配置され、結果、すべての隣接する試験質量の間に1つの対角アンカー点があり、各同期要素は、前記デバイス平面内の4つの対角サスペンダを含み、各対角サスペンダは、対角アンカー点から対応する前記リング状ボディまで延伸し、各対角サスペンダは、前記x軸と前記y軸の両方に対して45°の角度に向けられていることを特徴とする、請求項2から9のいずれか1項に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
- 前記1つまたは複数の駆動トランスデューサおよび前記1つまたは複数のセンストランスデューサが、ピエゾ力変換器であることを特徴とする、請求項1から10のいずれか1項に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
- 前記1つまたは複数の駆動トランスデューサおよび前記1つまたは複数のセンストランスデューサが、容量性力変換器であることを特徴とする、請求項1から10のいずれか1項に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
- 前記1つまたは複数のアンカー点が、各試験質量の中央コーナの対向する両辺にある2つの周辺アンカー点を含み、各試験質量が、前記試験質量を部分的に囲む切頭二等辺三角形の形状を有する周辺サスペンダによって前記周辺アンカー点から懸架され、結果、前記周辺サスペンダの第1の脚部が、一方の周辺アンカー点から前記試験質量の第1の辺を通って追加の前記周辺サスペンダの第1のコーナ点まで延伸し、前記周辺サスペンダの第2の脚部が、他方の周辺アンカー点から対応する前記試験質量の第2の辺を通って、前記周辺サスペンダ上の第2のコーナ点まで延伸し、前記第1の脚部と前記第2の脚部とをともに接合する前記周辺サスペンダの基部が、前記第1のコーナ点から対応する前記試験質量の第3の辺を通って前記第2のコーナ点まで延伸し、前記周辺サスペンダの前記基部が、前記試験質量と同じ軸上に位置整合されたコネクタによって、対応する前記試験質量の前記第3の辺に取り付けられることを特徴とする、請求項1から12のいずれか一項に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
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