JPH10160483A - レートセンサ - Google Patents
レートセンサInfo
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- JPH10160483A JPH10160483A JP9275852A JP27585297A JPH10160483A JP H10160483 A JPH10160483 A JP H10160483A JP 9275852 A JP9275852 A JP 9275852A JP 27585297 A JP27585297 A JP 27585297A JP H10160483 A JPH10160483 A JP H10160483A
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- Japan
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- outer rim
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- vibrating
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
- G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
- G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
- G01P3/46—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring amplitude of generated current or voltage
- G01P3/465—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed by measuring amplitude of generated current or voltage by using dynamo-electro tachometers or electric generator
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
- G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
- G01C19/567—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using the phase shift of a vibration node or antinode
- G01C19/5677—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using the phase shift of a vibration node or antinode of essentially two-dimensional vibrators, e.g. ring-shaped vibrators
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
- G01P3/02—Devices characterised by the use of mechanical means
- G01P3/24—Devices characterised by the use of mechanical means by using friction effects
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
- B01L2400/00—Moving or stopping fluids
- B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
- B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
- B01L2400/0409—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces centrifugal forces
- B01L2400/0412—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces centrifugal forces using additionally coriolis forces
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- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【課題】 単一振動構造物の形式の、少なくとも二つの
軸線上に加えられた速度を感知するレートセンサを改良
すること。 【解決手段】 少なくとも二軸、好ましくは三軸上に加
えられた速度を感知するレートセンサは振動構造物６を
有する。振動構造物６は実質的に平坦な実質的にリング
又はフープ状に形成され、かつ構造物６のＣｏｓ２θモ
ードおよび揺動モード振動数が一致するような寸法にさ
れ、その結果構造物６の平面内の軸線の周りの回転によ
って発生した揺動モードの共振増幅が得られる。構造物
６の平面に垂直な第３軸の周りの回転はコリオリの力を
発生し、その力はエネルギを変形Ｃｏｓ２θ応動モード
に組合わせる。Ｃｏｓ２θ応動および揺動モード振動の
振幅は、加えられた速度に比例し、Ｃｏｓ２θ応動モー
ドおよび揺動モード振動を検出し、それにより加えられ
た速度を検出する手段が設けられる。
軸線上に加えられた速度を感知するレートセンサを改良
すること。 【解決手段】 少なくとも二軸、好ましくは三軸上に加
えられた速度を感知するレートセンサは振動構造物６を
有する。振動構造物６は実質的に平坦な実質的にリング
又はフープ状に形成され、かつ構造物６のＣｏｓ２θモ
ードおよび揺動モード振動数が一致するような寸法にさ
れ、その結果構造物６の平面内の軸線の周りの回転によ
って発生した揺動モードの共振増幅が得られる。構造物
６の平面に垂直な第３軸の周りの回転はコリオリの力を
発生し、その力はエネルギを変形Ｃｏｓ２θ応動モード
に組合わせる。Ｃｏｓ２θ応動および揺動モード振動の
振幅は、加えられた速度に比例し、Ｃｏｓ２θ応動モー
ドおよび揺動モード振動を検出し、それにより加えられ
た速度を検出する手段が設けられる。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は少なくとも二つの軸
線上に加えられた速度を感知するレートセンサに関する
もので、好ましくは、ただし限定されるものではない
が、三つの軸線上の速度を感知するのに適している。
線上に加えられた速度を感知するレートセンサに関する
もので、好ましくは、ただし限定されるものではない
が、三つの軸線上の速度を感知するのに適している。
【０００２】
【従来の技術】振動構造物ジャイロスコープのような公
知のレート(rate)センサは、種々の異なった構造物を使
用して構成されてきた。これらはビーム、音叉、シリン
ダ、半球状シェルおよびリングを備えている。これらの
構造物のすべてに共通の特徴は、それらが共振キャリヤ
モード振動を維持することである。このことはジャイロ
が適当な軸線の周りで回転するときコリオリの力を発生
する線形運動量を生ずる。
知のレート(rate)センサは、種々の異なった構造物を使
用して構成されてきた。これらはビーム、音叉、シリン
ダ、半球状シェルおよびリングを備えている。これらの
構造物のすべてに共通の特徴は、それらが共振キャリヤ
モード振動を維持することである。このことはジャイロ
が適当な軸線の周りで回転するときコリオリの力を発生
する線形運動量を生ずる。
【０００３】添付の図１に線図形式で示された公知の平
衡音叉の形状は、多分もっとも普通の構造物の形式であ
る。この機構に対して、音叉１は音叉構造物の平面内
で、１８０°位相が異なった運動をする。駆動は所定の
駆動レベルに対して運動の振幅を最大にするためモード
の共振振動数に調節される。材料の機械的特性および大
きさの公差についての正確な情報は、音叉１の振動数を
平衡するため必要である。このことは確実に質量中心の
周りに正味の力およびトルクが存在しないようにすると
ともに、線形加速度に対する感度を低下する。音叉のス
テム２の軸線の周りに加えられた角速度ωは、キャリヤ
の振動および回転軸線に直角の軸線にコリオリの力を発
生する。音叉は、図１に示すように、キャリヤモード振
動数において位相の外れた振動を生ずる。この振動の振
幅は、加えられた回転速度に比例する。
衡音叉の形状は、多分もっとも普通の構造物の形式であ
る。この機構に対して、音叉１は音叉構造物の平面内
で、１８０°位相が異なった運動をする。駆動は所定の
駆動レベルに対して運動の振幅を最大にするためモード
の共振振動数に調節される。材料の機械的特性および大
きさの公差についての正確な情報は、音叉１の振動数を
平衡するため必要である。このことは確実に質量中心の
周りに正味の力およびトルクが存在しないようにすると
ともに、線形加速度に対する感度を低下する。音叉のス
テム２の軸線の周りに加えられた角速度ωは、キャリヤ
の振動および回転軸線に直角の軸線にコリオリの力を発
生する。音叉は、図１に示すように、キャリヤモード振
動数において位相の外れた振動を生ずる。この振動の振
幅は、加えられた回転速度に比例する。
【０００４】キャリヤおよび応動モードの共振振動数を
一致させることによって、これらの装置の感度を増大す
ることが提案された。これらの振動数を正確に一致させ
ることにより、応動モード振動の振幅は構造物の機械的
クォリティー係数Ｑだけ増幅される。このことは必然的
に構造物の公差を一層厳密にする。実際、適当な点にお
いて材料を添加または除去することにより、振動構造物
または共振器の平衡を精密に調節することが必要にな
る。これはモードのスチフネスまたは質量パラメータを
調節し、モードの振動数を別々にシフトする。これらの
振動数が一致しなければ、Ｑ増幅は発生せず、ピックオ
フは適当なジャイロ機能を奏するため十分に敏感にしな
ければならない。
一致させることによって、これらの装置の感度を増大す
ることが提案された。これらの振動数を正確に一致させ
ることにより、応動モード振動の振幅は構造物の機械的
クォリティー係数Ｑだけ増幅される。このことは必然的
に構造物の公差を一層厳密にする。実際、適当な点にお
いて材料を添加または除去することにより、振動構造物
または共振器の平衡を精密に調節することが必要にな
る。これはモードのスチフネスまたは質量パラメータを
調節し、モードの振動数を別々にシフトする。これらの
振動数が一致しなければ、Ｑ増幅は発生せず、ピックオ
フは適当なジャイロ機能を奏するため十分に敏感にしな
ければならない。
【０００５】リング、シリンダまたは球状シェルに基づ
く公知の振動構造ジャイロは、一般にすべてＣｏｓ２θ
振動モードを使用する。リングの形式の完全に対称的な
共振器に対して、二つの変形Ｃｏｓ２θモードが４５°
の相対角度で存在する。これらは図２のａおよびｂに示
されている。これらのモードの一方は、図２のａにキャ
リヤモードとして励起される。この構成に対し、すべて
の振動はリングの平面内で発生する。構造物がリング平
面に垂直な軸線（ｚ軸）の周りに回転すると、コリオリ
の力はエネルギを図２のｂに示された応動モードに組合
わせる。これは図３から理解できる。共振器構造物は、
実際に半径方向ならびに接線方向に振動する。通常、半
径方向運動のみが検出され、この運動のみが、速度がリ
ングの平面に垂直な軸線の周りに加えられるとき、Ｃｏ
ｓ２θキャリヤモード振動の非節点において実質的にリ
ング状振動構造物に作用するコリオリの力を示す、図３
において考慮される。最大半径方向運動の点における速
度ベクトルｖがマークされる。線図は、振動サイクルの
途中のその休止位置５からの共振振動構造物４の最大変
形を示す。速度が加えられないとき、共振モード運動は
発生しない。装置がｚ軸の周りに回転するとき、最大半
径方向運動の点は、図示のようにコリオリの力ＦC を生
ずる。リングの周りのこれらの力の組合わせは、変形Ｃ
ｏｓ２θ応動モードで振動せしめる。発生した運動の振
幅は回転速度に比例する。
く公知の振動構造ジャイロは、一般にすべてＣｏｓ２θ
振動モードを使用する。リングの形式の完全に対称的な
共振器に対して、二つの変形Ｃｏｓ２θモードが４５°
の相対角度で存在する。これらは図２のａおよびｂに示
されている。これらのモードの一方は、図２のａにキャ
リヤモードとして励起される。この構成に対し、すべて
の振動はリングの平面内で発生する。構造物がリング平
面に垂直な軸線（ｚ軸）の周りに回転すると、コリオリ
の力はエネルギを図２のｂに示された応動モードに組合
わせる。これは図３から理解できる。共振器構造物は、
実際に半径方向ならびに接線方向に振動する。通常、半
径方向運動のみが検出され、この運動のみが、速度がリ
ングの平面に垂直な軸線の周りに加えられるとき、Ｃｏ
ｓ２θキャリヤモード振動の非節点において実質的にリ
ング状振動構造物に作用するコリオリの力を示す、図３
において考慮される。最大半径方向運動の点における速
度ベクトルｖがマークされる。線図は、振動サイクルの
途中のその休止位置５からの共振振動構造物４の最大変
形を示す。速度が加えられないとき、共振モード運動は
発生しない。装置がｚ軸の周りに回転するとき、最大半
径方向運動の点は、図示のようにコリオリの力ＦC を生
ずる。リングの周りのこれらの力の組合わせは、変形Ｃ
ｏｓ２θ応動モードで振動せしめる。発生した運動の振
幅は回転速度に比例する。
【０００６】もしキャリヤおよび応動モード振動が正確
に平衡するならば、音叉構造物によるように、増大した
感度が得られる。半径方向の等方性を備えた材料を選択
することは、この平衡を達成するのにきわめて有利であ
る。しかしながら、付加的の支柱製造精密調節が、所望
の精度を実現するのに必要である。商業ならびに軍事分
野において、二軸または三軸の速度検出を必要とする慣
性感知ユニットに対して、多数の用途が存在する。この
ことは、通常二つまたは三つの単軸ジャイロを所要の構
造に取付けることによって達成される。本質的に多軸速
度検出能力を備えたセンサはこのために大きい利点を有
し、かかる装置は大きさ、複雑さ、部品数および組立時
間の減少したがってコストの低下を奏する。
に平衡するならば、音叉構造物によるように、増大した
感度が得られる。半径方向の等方性を備えた材料を選択
することは、この平衡を達成するのにきわめて有利であ
る。しかしながら、付加的の支柱製造精密調節が、所望
の精度を実現するのに必要である。商業ならびに軍事分
野において、二軸または三軸の速度検出を必要とする慣
性感知ユニットに対して、多数の用途が存在する。この
ことは、通常二つまたは三つの単軸ジャイロを所要の構
造に取付けることによって達成される。本質的に多軸速
度検出能力を備えたセンサはこのために大きい利点を有
し、かかる装置は大きさ、複雑さ、部品数および組立時
間の減少したがってコストの低下を奏する。
【０００７】二軸の速度を検出しうる装置は公知であ
る。米国、マサチューセッツ州、ケンブリッジ市ドレー
パ研究所で開発された振動ホイールジャイロ（ＶＷＯ
Ｇ）は、かかる装置の例である。この装置は四つのコン
プライアントビームによって、中央で支持されたリング
構造物からなっている。共振キャリヤモードはリングの
振子回転運動である。リングの平面内におけるｘまたは
ｙ軸の周りの回転は、リングに入力回転軸線の周りの揺
動運動を発生させる。この運動はリングの下に設置され
た板によって容量的に検出される。かかる公知の装置
は、二軸速度検出に対してだけ作動可能である。
る。米国、マサチューセッツ州、ケンブリッジ市ドレー
パ研究所で開発された振動ホイールジャイロ（ＶＷＯ
Ｇ）は、かかる装置の例である。この装置は四つのコン
プライアントビームによって、中央で支持されたリング
構造物からなっている。共振キャリヤモードはリングの
振子回転運動である。リングの平面内におけるｘまたは
ｙ軸の周りの回転は、リングに入力回転軸線の周りの揺
動運動を発生させる。この運動はリングの下に設置され
た板によって容量的に検出される。かかる公知の装置
は、二軸速度検出に対してだけ作動可能である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の一目的は、少
なくとも二つの軸線上に加えられた速度を感知する進歩
したレートセンサを得ることである。かかるセンサは多
軸速度検出能力を備えるのが好ましい。、本発明の別の
目的は、単一振動構造物の形式の、少なくとも二つの軸
線上に加えられた速度を感知する進歩したレートセンサ
を得ることである。本発明のこれらのおよび他の目的お
よび利点は、本発明の好ましい実施例が記載される下記
の説明に開示された詳細な記載から一層明らかになるで
あろう。
なくとも二つの軸線上に加えられた速度を感知する進歩
したレートセンサを得ることである。かかるセンサは多
軸速度検出能力を備えるのが好ましい。、本発明の別の
目的は、単一振動構造物の形式の、少なくとも二つの軸
線上に加えられた速度を感知する進歩したレートセンサ
を得ることである。本発明のこれらのおよび他の目的お
よび利点は、本発明の好ましい実施例が記載される下記
の説明に開示された詳細な記載から一層明らかになるで
あろう。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、振動構
造物、振動構造物の平面内の少なくとも二つの軸線の一
方または他方の周りの回転が、キャリヤモードにおいて
同じ軸線の周りの振動構造物の揺動運動を生ずるのに十
分なコリオリの力を発生するように、Ｃｏｓ２θ振動数
においてＣｏｓ２θキャリヤモードで構造物を振動する
手段を有し、振動構造物が実質的に平坦な実質的にリン
グまたはフープ状に形成され、かつ振動構造物における
Ｃｏｓ２θモードおよび揺動モード振動の振動数が一致
して揺動運動の共振増幅を生ずるような大きさにされ、
該揺動モード振動の振動数が加えられた速度に比例し、
また揺動モード振動したがって加えられた速度を検出す
る手段を有する、少なくとも二つの軸線において加えら
れた速度を検出するレートセンサが得られる。振動構造
物が金属またはシリコンから作られるのが好ましい。通
常、振動構造物は、中央ボスから実質的に延長する複数
の脚部により支持された外側リムを有するリング状であ
る。
造物、振動構造物の平面内の少なくとも二つの軸線の一
方または他方の周りの回転が、キャリヤモードにおいて
同じ軸線の周りの振動構造物の揺動運動を生ずるのに十
分なコリオリの力を発生するように、Ｃｏｓ２θ振動数
においてＣｏｓ２θキャリヤモードで構造物を振動する
手段を有し、振動構造物が実質的に平坦な実質的にリン
グまたはフープ状に形成され、かつ振動構造物における
Ｃｏｓ２θモードおよび揺動モード振動の振動数が一致
して揺動運動の共振増幅を生ずるような大きさにされ、
該揺動モード振動の振動数が加えられた速度に比例し、
また揺動モード振動したがって加えられた速度を検出す
る手段を有する、少なくとも二つの軸線において加えら
れた速度を検出するレートセンサが得られる。振動構造
物が金属またはシリコンから作られるのが好ましい。通
常、振動構造物は、中央ボスから実質的に延長する複数
の脚部により支持された外側リムを有するリング状であ
る。
【００１０】二つの軸線上に加えられた速度を検出する
センサは、金属から作られた実質的に平坦なリング状振
動構造物を有するのが有利であり、振動構造物をＣｏｓ
２θモードで振動する手段は、電磁キャリヤモード駆動
要素および容量性キャリヤモードピックオフ要素を有
し、ピックオフ要素は振動構造物の外側リムに対してそ
れぞれ０°および２７０°に配置され、かつＣｏｓ２θ
モードで振動するとき前記リムの最大半径方向運動の点
に隣接してその半径方向外側に外側リムの平面内に設置
され、揺動モード振動を検出する手段はｘ軸電磁駆動要
素、ｘ軸容量性キャリヤモードピックオフ要素および、
それから垂直に離れてそれと重なる関係において外側リ
ムに隣接して設置されたｙ軸容量性キャリヤモードピッ
クオフ要素を有し、ｙ軸ピックオフ要素、ｘ軸駆動要
素、ｙ軸駆動要素およびｘ軸ピックオフ要素が外側リム
の周りにそれぞれ０°、９０°、１８０°および２７０
°に配置される。
センサは、金属から作られた実質的に平坦なリング状振
動構造物を有するのが有利であり、振動構造物をＣｏｓ
２θモードで振動する手段は、電磁キャリヤモード駆動
要素および容量性キャリヤモードピックオフ要素を有
し、ピックオフ要素は振動構造物の外側リムに対してそ
れぞれ０°および２７０°に配置され、かつＣｏｓ２θ
モードで振動するとき前記リムの最大半径方向運動の点
に隣接してその半径方向外側に外側リムの平面内に設置
され、揺動モード振動を検出する手段はｘ軸電磁駆動要
素、ｘ軸容量性キャリヤモードピックオフ要素および、
それから垂直に離れてそれと重なる関係において外側リ
ムに隣接して設置されたｙ軸容量性キャリヤモードピッ
クオフ要素を有し、ｙ軸ピックオフ要素、ｘ軸駆動要
素、ｙ軸駆動要素およびｘ軸ピックオフ要素が外側リム
の周りにそれぞれ０°、９０°、１８０°および２７０
°に配置される。
【００１１】好ましくは、三つの軸線上に加えられた速
度を検出するセンサにおいて、振動構造物を振動させる
手段は電磁応動モード駆動要素および応動モードで振動
するとき外側リムに対する最大半径方向運動の点に隣接
して振動構造物の外側リムの平面内に設置された容量性
応動モードピックオフ要素をさらに有し、応動モード駆
動要素およびピックオフ要素が振動構造物の外側リムに
対してそれぞれ１３５°および２２５°に配置され、か
つ振動構造物の平面に垂直な軸線の周りの回転を検出す
るため、その半径方向外側に外側リムの平面内に設置さ
れる。通常、外側リムが平面図で見て実質的に円形また
は平面図で見て実質的に長方形である。振動構造物はニ
ッケル−鉄合金から作られるのが有利である。
度を検出するセンサにおいて、振動構造物を振動させる
手段は電磁応動モード駆動要素および応動モードで振動
するとき外側リムに対する最大半径方向運動の点に隣接
して振動構造物の外側リムの平面内に設置された容量性
応動モードピックオフ要素をさらに有し、応動モード駆
動要素およびピックオフ要素が振動構造物の外側リムに
対してそれぞれ１３５°および２２５°に配置され、か
つ振動構造物の平面に垂直な軸線の周りの回転を検出す
るため、その半径方向外側に外側リムの平面内に設置さ
れる。通常、外側リムが平面図で見て実質的に円形また
は平面図で見て実質的に長方形である。振動構造物はニ
ッケル−鉄合金から作られるのが有利である。
【００１２】好ましくは、振動構造物をＣｏｓ２θモー
ドで振動させる手段は二つの静電キャリヤモード駆動要
素および静電キャリヤモードピックオフ要素を有し、振
動構造物の外側リムに対してそれぞれ駆動要素は０°お
よび１８０°にピックオフ要素は９０°および２７０°
に配置され、かつＣｏｓ２θモードで振動するとき外側
リムの最大半径方向運動の点に隣接する外側リムの半径
方向外側に設置され、また揺動モード振動を検出する手
段はｘ軸電磁駆動要素、ｘ軸容量ピックオフ要素、ｙ軸
電磁駆動要素およびそこから垂直に離れてそれと重なる
関係で外側リムに隣接して設置されたｙ軸容量ピックオ
フ要素を有し、ｙ軸駆動要素、ｘ軸ピックオフ要素、ｙ
軸ピックオフ要素およびｘ軸駆動要素は外側リムの周り
に０°、９０°、１８０°および２７０°にそれぞれ配
置されたシリコンから作られた実質的に平坦な実質的に
リング状の振動構造物を有する二つの軸線上に加えられ
た速度を検出する。
ドで振動させる手段は二つの静電キャリヤモード駆動要
素および静電キャリヤモードピックオフ要素を有し、振
動構造物の外側リムに対してそれぞれ駆動要素は０°お
よび１８０°にピックオフ要素は９０°および２７０°
に配置され、かつＣｏｓ２θモードで振動するとき外側
リムの最大半径方向運動の点に隣接する外側リムの半径
方向外側に設置され、また揺動モード振動を検出する手
段はｘ軸電磁駆動要素、ｘ軸容量ピックオフ要素、ｙ軸
電磁駆動要素およびそこから垂直に離れてそれと重なる
関係で外側リムに隣接して設置されたｙ軸容量ピックオ
フ要素を有し、ｙ軸駆動要素、ｘ軸ピックオフ要素、ｙ
軸ピックオフ要素およびｘ軸駆動要素は外側リムの周り
に０°、９０°、１８０°および２７０°にそれぞれ配
置されたシリコンから作られた実質的に平坦な実質的に
リング状の振動構造物を有する二つの軸線上に加えられ
た速度を検出する。
【００１３】通常、三つの軸線上に加えられた速度を検
出するセンサにおいて、振動構造物を振動する手段が二
つの電磁ｚ軸応動モード駆動要素および応動モードで振
動するとき外側リムに対する最大半径方向の点に隣接し
てその半径方向外方に振動構造物の外側リムの平面内に
設置された二つの容量性ｚ軸応動モードピックオフ要素
をさらに有し、ピックオフ要素は応動モードで振動する
とき外側リムの最大半径方向の点に隣接してその半径方
向外側に振動構造物の外側リムの平面内に設置され、第
１ｚ軸応動モードピックオフ要素、第２ｚ軸応動モード
駆動要素および第２ｚ軸応動モードピックオフ要素は振
動構造物の外側リムの周りにそれぞれ４５°、１３５
°、２２５°および３１５°に配置される。平面図で見
て実質的に円形で、外側リムおよび脚部がその上に取付
けられた中央ボスによって絶縁表層の上方に懸垂される
のが有利である。好ましくは、振動構造物が、その質量
を変化するため外側リムの端部から除去する材料を制御
することにより、または、外側リムのスチフネスを変化
するため外側リムの中立軸線から除去する材料を制御す
ることによって、Ｃｏｓ２θおよび揺動モード振動を一
致させるような大きさにされる。
出するセンサにおいて、振動構造物を振動する手段が二
つの電磁ｚ軸応動モード駆動要素および応動モードで振
動するとき外側リムに対する最大半径方向の点に隣接し
てその半径方向外方に振動構造物の外側リムの平面内に
設置された二つの容量性ｚ軸応動モードピックオフ要素
をさらに有し、ピックオフ要素は応動モードで振動する
とき外側リムの最大半径方向の点に隣接してその半径方
向外側に振動構造物の外側リムの平面内に設置され、第
１ｚ軸応動モードピックオフ要素、第２ｚ軸応動モード
駆動要素および第２ｚ軸応動モードピックオフ要素は振
動構造物の外側リムの周りにそれぞれ４５°、１３５
°、２２５°および３１５°に配置される。平面図で見
て実質的に円形で、外側リムおよび脚部がその上に取付
けられた中央ボスによって絶縁表層の上方に懸垂される
のが有利である。好ましくは、振動構造物が、その質量
を変化するため外側リムの端部から除去する材料を制御
することにより、または、外側リムのスチフネスを変化
するため外側リムの中立軸線から除去する材料を制御す
ることによって、Ｃｏｓ２θおよび揺動モード振動を一
致させるような大きさにされる。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明を一層よく理解するためま
たそれがいかに実施されるかを示すため、例示として添
付図面を参照する。本発明によるレートセンサは、少な
くとも二つの軸線上に加えられた速度を検出するのに適
している。センサは振動構造物６および構造物６の平面
内の少なくとも二つの軸線の一方または他方の周りの回
転が、Ｃｏｓ２θキャリヤモード振動数において同じ軸
線の周りの振動構造物６の揺動運動を生ずるのに十分な
コリオリの力を発生するように、Ｃｏｓ２θ振動数にお
いてＣｏｓ２θキャリヤモードで構造物６を振動させる
手段を有する。振動構造物６は実質的に平坦な実質的に
リングまたはフープ状に形成され、かつ振動構造物にお
けるＣｏｓ２θモードおよび揺動モード振動の振動数が
一致して二つの軸線の一方または他方の周りの回転によ
って生じた揺動運動の共振増幅を生ずるような大きさに
され、該揺動モード振動は加えられた速度に比例する。
またこのセンサはレートが加わると揺動モードの検出を
する手段も含まれている。
たそれがいかに実施されるかを示すため、例示として添
付図面を参照する。本発明によるレートセンサは、少な
くとも二つの軸線上に加えられた速度を検出するのに適
している。センサは振動構造物６および構造物６の平面
内の少なくとも二つの軸線の一方または他方の周りの回
転が、Ｃｏｓ２θキャリヤモード振動数において同じ軸
線の周りの振動構造物６の揺動運動を生ずるのに十分な
コリオリの力を発生するように、Ｃｏｓ２θ振動数にお
いてＣｏｓ２θキャリヤモードで構造物６を振動させる
手段を有する。振動構造物６は実質的に平坦な実質的に
リングまたはフープ状に形成され、かつ振動構造物にお
けるＣｏｓ２θモードおよび揺動モード振動の振動数が
一致して二つの軸線の一方または他方の周りの回転によ
って生じた揺動運動の共振増幅を生ずるような大きさに
され、該揺動モード振動は加えられた速度に比例する。
またこのセンサはレートが加わると揺動モードの検出を
する手段も含まれている。
【００１５】振動構造物６は金属またはシリコンから作
られるのが好ましく、振動構造物は中央ボス９から実質
的に半径方向に延長する複数の脚部８により支持された
外側リム７を有するリング状であるのが好ましい。平坦
なリング状リム７は、リングリムに実質的に緩衝されな
いＣｏｓ２θモードの振動をさせるため、多数のコンプ
ライアント脚部８によって支持される。通常、リング平
面に垂直な軸線の周りの最大速度感度は、正確に平衡さ
れた二つのＣｏｓ２θモードによって得られる。実際、
各脚部８はリング状リム７の質量およびスチフネスに局
部的影響を及ぼす。二つのモードの間に動的対称性を維
持するため、各モードに対するすべての個々の影響の総
和は平衡されなければならない。このことは添付図面の
図７に示されたような、リング状リム７の周りに対称的
に設置された８本の脚部８を使用することによって達成
される。
られるのが好ましく、振動構造物は中央ボス９から実質
的に半径方向に延長する複数の脚部８により支持された
外側リム７を有するリング状であるのが好ましい。平坦
なリング状リム７は、リングリムに実質的に緩衝されな
いＣｏｓ２θモードの振動をさせるため、多数のコンプ
ライアント脚部８によって支持される。通常、リング平
面に垂直な軸線の周りの最大速度感度は、正確に平衡さ
れた二つのＣｏｓ２θモードによって得られる。実際、
各脚部８はリング状リム７の質量およびスチフネスに局
部的影響を及ぼす。二つのモードの間に動的対称性を維
持するため、各モードに対するすべての個々の影響の総
和は平衡されなければならない。このことは添付図面の
図７に示されたような、リング状リム７の周りに対称的
に設置された８本の脚部８を使用することによって達成
される。
【００１６】かかるリングのＣｏｓ２θ運動は図２に示
されている。速度がｚ軸１２の周りに加えられるとき
の、応動モードの励振を生ずるコリオリの力は図３に示
され、ｚ軸１２は図の面から外れる。図４は速度がｘ軸
１０の周りに加えられるときの、リング状リム７上のＣ
ｏｓ２θキャリヤモードの非節点に加えられる力を示
す。力はリング状リム７をｘ軸１０の周りに揺動運動さ
せる。ｙ軸に沿う対応する点は回転ベクトルＦ0 のよう
ないかなるコリオリの力も発生せず、速度ベクトルｖは
同じ軸線に沿って働く。図５はｙ軸１１の周りの回転に
対する対応する位置を示す。リング状リム７はこの実施
例ではｙ軸１１の周りに揺動する。
されている。速度がｚ軸１２の周りに加えられるとき
の、応動モードの励振を生ずるコリオリの力は図３に示
され、ｚ軸１２は図の面から外れる。図４は速度がｘ軸
１０の周りに加えられるときの、リング状リム７上のＣ
ｏｓ２θキャリヤモードの非節点に加えられる力を示
す。力はリング状リム７をｘ軸１０の周りに揺動運動さ
せる。ｙ軸に沿う対応する点は回転ベクトルＦ0 のよう
ないかなるコリオリの力も発生せず、速度ベクトルｖは
同じ軸線に沿って働く。図５はｙ軸１１の周りの回転に
対する対応する位置を示す。リング状リム７はこの実施
例ではｙ軸１１の周りに揺動する。
【００１７】リング状リム７のｚ軸回転に対する感度
は、キャリヤおよび応動モード振動数が一致することに
より増大する。振動構造物の最終要素モデル化は、種々
のリング振動モードの共振周波数を計算することを可能
にする。Ｃｏｓ２θモードによるように、揺動モードも
また相互の角度が９０°の対に変形するときにも発生す
る。これらのモードに対するリング状リムの運動は、図
６のａおよびｂに示されている。その後方位置５からの
振動構造物の二つの変形の極限点は、振動サイクルの各
半分の間の運動方向とともに示されている（実線および
破線矢印参照）。本発明による振動構造物の寸法および
形状は、揺動モードの振動数をキャリヤもどの振動数に
設定すべく選択される。この結果揺動モード運動の増幅
度は構造物のＱ係数だけ増加する。
は、キャリヤおよび応動モード振動数が一致することに
より増大する。振動構造物の最終要素モデル化は、種々
のリング振動モードの共振周波数を計算することを可能
にする。Ｃｏｓ２θモードによるように、揺動モードも
また相互の角度が９０°の対に変形するときにも発生す
る。これらのモードに対するリング状リムの運動は、図
６のａおよびｂに示されている。その後方位置５からの
振動構造物の二つの変形の極限点は、振動サイクルの各
半分の間の運動方向とともに示されている（実線および
破線矢印参照）。本発明による振動構造物の寸法および
形状は、揺動モードの振動数をキャリヤもどの振動数に
設定すべく選択される。この結果揺動モード運動の増幅
度は構造物のＱ係数だけ増加する。
【００１８】通常の単軸レートセンサ振動構造物の構造
に対して、すべての振動が構造物の平面内で発生する。
音叉に対して、キャリヤおよび応動モード振動は二つの
異なった平面内で発生する。本発明センサの振動構造物
に対して、構造物はいかなる平面内でも自由に振動す
る。単一Ｃｏｓ２θキャリヤモードは、エネルギを各幾
何学的平面内の応動モードに組合わせるのに必要な線形
運動量を提供するのに十分である。
に対して、すべての振動が構造物の平面内で発生する。
音叉に対して、キャリヤおよび応動モード振動は二つの
異なった平面内で発生する。本発明センサの振動構造物
に対して、構造物はいかなる平面内でも自由に振動す
る。単一Ｃｏｓ２θキャリヤモードは、エネルギを各幾
何学的平面内の応動モードに組合わせるのに必要な線形
運動量を提供するのに十分である。
【００１９】本発明による二または三軸レートセンサ
は、振動構造物の上方および下方のいずれか一方または
双方に、付加的駆動およびピックオフ要素を必要とす
る。このことは装置の大きさがいく分増大するが、全容
積は二つまたは三つの適当に配置された単軸ユニットに
必要な容積よりかなり小さい。本発明のレートセンサを
使用する慣性測定ユニットは、すべての軸に対して単一
のキャリヤモードしたがって単一の駆動回路しか必要と
しない。単軸ジャイロ相当ユニットは三つの別の駆動回
路を必要とする。これらはまた、可能な一体化の課題を
生ずる僅かに異なった振動数で作動する。電子回路の必
要性が少ないことは、動力消費を少なくする。
は、振動構造物の上方および下方のいずれか一方または
双方に、付加的駆動およびピックオフ要素を必要とす
る。このことは装置の大きさがいく分増大するが、全容
積は二つまたは三つの適当に配置された単軸ユニットに
必要な容積よりかなり小さい。本発明のレートセンサを
使用する慣性測定ユニットは、すべての軸に対して単一
のキャリヤモードしたがって単一の駆動回路しか必要と
しない。単軸ジャイロ相当ユニットは三つの別の駆動回
路を必要とする。これらはまた、可能な一体化の課題を
生ずる僅かに異なった振動数で作動する。電子回路の必
要性が少ないことは、動力消費を少なくする。
【００２０】本発明の一観点によれば、図７の振動構造
物は前記のようにリング状の形状を有する。公知の通常
の単軸構造に関して、振動構造物リム７の適当な外径は
２２mmで、リムの幅は１mm、そして厚さは１，２mmであ
る。構造物はニッケル−鉄合金から作られ、ほぼ５ｋHz
の振動数で作動する。好ましくは、構造物はＣｏｓ２θ
振動数がすべての他の振動モードから分離するように構
成されている。脚部８はリング状リム７をコンプライア
ントに支持するとともに、低い振動数の振動に対して装
置を鈍感にするため、平面軸線の外で十分なスチフネス
を維持する。揺動モード共振振動数はこの構造物に対し
て２ｋHz付近にある。
物は前記のようにリング状の形状を有する。公知の通常
の単軸構造に関して、振動構造物リム７の適当な外径は
２２mmで、リムの幅は１mm、そして厚さは１，２mmであ
る。構造物はニッケル−鉄合金から作られ、ほぼ５ｋHz
の振動数で作動する。好ましくは、構造物はＣｏｓ２θ
振動数がすべての他の振動モードから分離するように構
成されている。脚部８はリング状リム７をコンプライア
ントに支持するとともに、低い振動数の振動に対して装
置を鈍感にするため、平面軸線の外で十分なスチフネス
を維持する。揺動モード共振振動数はこの構造物に対し
て２ｋHz付近にある。
【００２１】本発明の目的に対し、振動構造物の構造は
Ｃｏｓ２θおよび揺動モード振動数を一致させるため変
形される。これらの二つのモード振動数を一致させるた
め、脚部８はリング状リム７に比較して一層剛性を高く
する必要があり、また厚さは公知の通常の単軸振動構造
物の構造における厚さ１．２mmm より一層厚くする必要
がある。このことはセンサの取付け感度を増加する可能
性があるとともに、多分機械的Ｑを減少する。振動構造
物のリングの適当な寸法は外２２mm、リム幅０．５mm、
そして厚さは２mm付近にある。問題の共振振動数は、振
動構造物の構造では３．１ｋHz付近にある。
Ｃｏｓ２θおよび揺動モード振動数を一致させるため変
形される。これらの二つのモード振動数を一致させるた
め、脚部８はリング状リム７に比較して一層剛性を高く
する必要があり、また厚さは公知の通常の単軸振動構造
物の構造における厚さ１．２mmm より一層厚くする必要
がある。このことはセンサの取付け感度を増加する可能
性があるとともに、多分機械的Ｑを減少する。振動構造
物のリングの適当な寸法は外２２mm、リム幅０．５mm、
そして厚さは２mm付近にある。問題の共振振動数は、振
動構造物の構造では３．１ｋHz付近にある。
【００２２】機械的同調はモードの正確な平衡を達成す
るため必要である。これは、スチフネスおよび質量に影
響する、リング状リム７の端部からの材料の除去の制
御、または中立軸線にかける質量の除去によって達成さ
れる。同様の工程が揺動およびＣｏｓ２θモードを平衡
するため必要である。揺動モードに対して、リング状リ
ム７は単に脚部８において担持された質量と考えること
ができる。リング状リム７の端部からの材料の除去は担
持された質量を減少し、共振振動数を増加する。Ｃｏｓ
２θモードに対して、スチフネスは低下され振動数の減
少に導く。かくして二つのモードの振動数は別々にシフ
トされそれらを正確に平衡せしめる。
るため必要である。これは、スチフネスおよび質量に影
響する、リング状リム７の端部からの材料の除去の制
御、または中立軸線にかける質量の除去によって達成さ
れる。同様の工程が揺動およびＣｏｓ２θモードを平衡
するため必要である。揺動モードに対して、リング状リ
ム７は単に脚部８において担持された質量と考えること
ができる。リング状リム７の端部からの材料の除去は担
持された質量を減少し、共振振動数を増加する。Ｃｏｓ
２θモードに対して、スチフネスは低下され振動数の減
少に導く。かくして二つのモードの振動数は別々にシフ
トされそれらを正確に平衡せしめる。
【００２３】二つの軸線上に加えられた速度を感知する
ため、図７に示されたように振動構造物６を利用する本
発明の第１実施例によるレートセンサは、線図的に図８
に示されている。実質的に平坦なリング状構造物８は、
金属から作られる。構造物を振動させる手段は、電磁
的、静電的またはピエゾ電気的であり、運動を検出する
手段は容量的、電磁的、ピエゾ電気的、光学または歪み
ゲージとすることができる。電磁的駆動要素および容量
的ピックオフを使用するのが好ましい。
ため、図７に示されたように振動構造物６を利用する本
発明の第１実施例によるレートセンサは、線図的に図８
に示されている。実質的に平坦なリング状構造物８は、
金属から作られる。構造物を振動させる手段は、電磁
的、静電的またはピエゾ電気的であり、運動を検出する
手段は容量的、電磁的、ピエゾ電気的、光学または歪み
ゲージとすることができる。電磁的駆動要素および容量
的ピックオフを使用するのが好ましい。
【００２４】添付図面の図８に示されたように、二つの
軸線上に加えられた速度を感知するための本発明の第１
実施例によるレートセンサは、構造物６をＣｏｓ２θモ
ードで振動させる手段を有し、その手段は電磁的キャリ
ヤモード駆動要素１３および容量的キャリヤモードピッ
クオフ要素１４を含み、ピックオフ要素１４は構造物６
の他のリム７に対してそれぞれ０°および２７０°に配
置され、かつＣｏｓ２θモードで振動するときリム７の
最大半径方向運動の点に隣接して半径方向外方に設置さ
れている。揺動モード振動を検出する手段は、ｘ軸電磁
的駆動要素１５、ｘ軸容量的ピックオフ要素１６、ｙ軸
電磁的駆動要素１７およびｙ軸容量的ピックオフ要素１
８を含み、ピックオフ要素１８は外側リム７に対して平
面の外にそこから垂直に離れてそれと重なる関係で外側
リム７に隣接して設置されている。ｙ軸ピックオフ要素
１８、ｘ軸駆動要素１５、ｙ軸駆動要素１７およびｘ軸
ピックオフ要素１６は、外側リム７の周りにそれぞれ０
°，９０°，１８０°および２７０°に配置されてい
る。
軸線上に加えられた速度を感知するための本発明の第１
実施例によるレートセンサは、構造物６をＣｏｓ２θモ
ードで振動させる手段を有し、その手段は電磁的キャリ
ヤモード駆動要素１３および容量的キャリヤモードピッ
クオフ要素１４を含み、ピックオフ要素１４は構造物６
の他のリム７に対してそれぞれ０°および２７０°に配
置され、かつＣｏｓ２θモードで振動するときリム７の
最大半径方向運動の点に隣接して半径方向外方に設置さ
れている。揺動モード振動を検出する手段は、ｘ軸電磁
的駆動要素１５、ｘ軸容量的ピックオフ要素１６、ｙ軸
電磁的駆動要素１７およびｙ軸容量的ピックオフ要素１
８を含み、ピックオフ要素１８は外側リム７に対して平
面の外にそこから垂直に離れてそれと重なる関係で外側
リム７に隣接して設置されている。ｙ軸ピックオフ要素
１８、ｘ軸駆動要素１５、ｙ軸駆動要素１７およびｘ軸
ピックオフ要素１６は、外側リム７の周りにそれぞれ０
°，９０°，１８０°および２７０°に配置されてい
る。
【００２５】二軸設備に対して同じキャリヤモードが使
用されるが、二つのＣｏｓ２θモード振動数の間に意図
しない不一致が存在する。この不一致は、図１０ａに示
されたように、リング状リム７上の四つの等距離の点に
おける質量またはスチフネスを混乱させることにより製
造工程中に組込まれる。そうでなければ、図１０ｂに示
されたような四つだけの支持脚部８を利用する振動構造
物の構造も、二つのＣｏｓ２θモードに分かれる。振動
の基本的モードを支持しうる図１０ｃに示された長方形
平面のような、半径方向非対称の形の使用も、満足でき
る。これらの別の二軸振動構造は、キャリヤモード位置
が正確に振動リング形状によって公知の位置に正確に固
定される利点を有する。これらの形状は、二つのＣｏｓ
２θモードに対して動的に非対称であるが、揺動モード
の対に関する限りなお対称的である。この形状は振動構
造物の平面内のｘおよびｙ軸の周りの速度の感度を発生
する。ｚ軸周りの感度は発生しない。軸に対してそれぞ
れ一つの駆動およびピックオフ要素が、図８の実施例に
おいて示され、付加的の駆動およびピックオフ要素は、
もし運動の大きさおよび感度の増加を望むならば、使用
することができる。これは図９の実施例に示されてい
る。
用されるが、二つのＣｏｓ２θモード振動数の間に意図
しない不一致が存在する。この不一致は、図１０ａに示
されたように、リング状リム７上の四つの等距離の点に
おける質量またはスチフネスを混乱させることにより製
造工程中に組込まれる。そうでなければ、図１０ｂに示
されたような四つだけの支持脚部８を利用する振動構造
物の構造も、二つのＣｏｓ２θモードに分かれる。振動
の基本的モードを支持しうる図１０ｃに示された長方形
平面のような、半径方向非対称の形の使用も、満足でき
る。これらの別の二軸振動構造は、キャリヤモード位置
が正確に振動リング形状によって公知の位置に正確に固
定される利点を有する。これらの形状は、二つのＣｏｓ
２θモードに対して動的に非対称であるが、揺動モード
の対に関する限りなお対称的である。この形状は振動構
造物の平面内のｘおよびｙ軸の周りの速度の感度を発生
する。ｚ軸周りの感度は発生しない。軸に対してそれぞ
れ一つの駆動およびピックオフ要素が、図８の実施例に
おいて示され、付加的の駆動およびピックオフ要素は、
もし運動の大きさおよび感度の増加を望むならば、使用
することができる。これは図９の実施例に示されてい
る。
【００２６】図９に示された本発明の実施例は、三軸上
に加えられた速度を感知するレートセンサである。この
実施例に対して、Ｃｏｓ２θキャリヤおよび応動モード
振動数を一致させなければならず、図７に示された振動
構造物のみが適している。センサは図８等の実施例と基
本的に同じであり、同じ部品は同じ参照符号を付され、
これ以上詳細に説明はしない。しかしながら、この実施
例において、振動構造物６を振動させる手段は、さら
に、電磁応動モード駆動要素１９および容量応動モード
ピックオフ要素２０を含み、ピックオフ要素２０は応動
モードで振動するとき、外側リム７に対して最大半径運
動の点に隣接して振動構造物６の外側リム７の平面内に
設置される。応動モード駆動要素１９およぴピックオフ
要素２０は、振動構造物６の外側リムに対しててそれぞ
れ１３５°および２２５°に配置され、かつ振動構造物
の平面に対して垂直な軸線の周りの回転を感知するた
め、その半径方向外部に外側リムの平面内に設置されて
いる。この軸の周りの回転はコリオリの力を発生し、そ
れはリム７の平面内のＣｏｓ２θ応動モードの振動を発
生する。この振動の振幅は加えられた速度に比例する。
に加えられた速度を感知するレートセンサである。この
実施例に対して、Ｃｏｓ２θキャリヤおよび応動モード
振動数を一致させなければならず、図７に示された振動
構造物のみが適している。センサは図８等の実施例と基
本的に同じであり、同じ部品は同じ参照符号を付され、
これ以上詳細に説明はしない。しかしながら、この実施
例において、振動構造物６を振動させる手段は、さら
に、電磁応動モード駆動要素１９および容量応動モード
ピックオフ要素２０を含み、ピックオフ要素２０は応動
モードで振動するとき、外側リム７に対して最大半径運
動の点に隣接して振動構造物６の外側リム７の平面内に
設置される。応動モード駆動要素１９およぴピックオフ
要素２０は、振動構造物６の外側リムに対しててそれぞ
れ１３５°および２２５°に配置され、かつ振動構造物
の平面に対して垂直な軸線の周りの回転を感知するた
め、その半径方向外部に外側リムの平面内に設置されて
いる。この軸の周りの回転はコリオリの力を発生し、そ
れはリム７の平面内のＣｏｓ２θ応動モードの振動を発
生する。この振動の振幅は加えられた速度に比例する。
【００２７】図９のセンサは強制フィードバック構造で
作動され、応動モードピックオフ要素２０検出された運
動は、応動モード駆動要素１９を使用してゼロにされ
る。ｘ軸の周りのセンサの回転は、ｘ軸ピックオフ要素
１６において振動を誘起する。この運動は、ｘ軸駆動要
素１５を使用してゼロにされる。ｙ軸ピックオフ要素１
８および駆動要素１７は別々に作用する。この作用モー
ドは、平面ピックオフ要素にノイズを発生するかもしれ
ない、リング状リム７のいかなる平面運動をも阻止す
る。駆動要素１５および１７は平衡させる目的で、揺動
モードを励起するのに役立つ。図８および９の実施例に
おけるセンサは、金属振動構造物６を備えている。しか
しながらセンサは、適当な性質を有しかつ前記のような
共振および検出される合成運動を設定しうるいかなる材
料からも製造することができる。結晶シリコン、ポリシ
リコン、クォーツのような材料から、微細加工技術によ
って振動構造物を製造することもできる。
作動され、応動モードピックオフ要素２０検出された運
動は、応動モード駆動要素１９を使用してゼロにされ
る。ｘ軸の周りのセンサの回転は、ｘ軸ピックオフ要素
１６において振動を誘起する。この運動は、ｘ軸駆動要
素１５を使用してゼロにされる。ｙ軸ピックオフ要素１
８および駆動要素１７は別々に作用する。この作用モー
ドは、平面ピックオフ要素にノイズを発生するかもしれ
ない、リング状リム７のいかなる平面運動をも阻止す
る。駆動要素１５および１７は平衡させる目的で、揺動
モードを励起するのに役立つ。図８および９の実施例に
おけるセンサは、金属振動構造物６を備えている。しか
しながらセンサは、適当な性質を有しかつ前記のような
共振および検出される合成運動を設定しうるいかなる材
料からも製造することができる。結晶シリコン、ポリシ
リコン、クォーツのような材料から、微細加工技術によ
って振動構造物を製造することもできる。
【００２８】添付図面の図１１は、図８および９の実施
例に関連してすでに記載されたシリコン振動構造物６を
使用する本発明の第３実施例によるセンサを線図的に示
し、駆動要素は電磁的、静電的、ピエゾ、熱または光学
的に作動することができ、また振動構造物６の運動は、
静電的、電磁的、ピエゾまたは光学的技術を使用して検
出することができる。図１１は、静電駆動要素および静
電ピックオフを使用するシリコンの二軸レートセンサを
示している。振動構造物６は、前記のように通常リム
７、脚部８およひ中央ボス９を有する、実質的に平坦な
実質的にリング状の形状を有する。振動構造物６は、実
質的に平坦な実質的にリング状の形状を有し、前記のよ
うに外側リム７。脚部８および中央ボス９を有する。構
造物６はガラスまたは絶縁酸化表面層を備えたシリコン
から作りうる絶縁層２１上に、ボス９を介して設置され
る。振動構造物６は駆動およびピックオフ要素として作
用するすべての導体に対して一定電圧に維持される。
例に関連してすでに記載されたシリコン振動構造物６を
使用する本発明の第３実施例によるセンサを線図的に示
し、駆動要素は電磁的、静電的、ピエゾ、熱または光学
的に作動することができ、また振動構造物６の運動は、
静電的、電磁的、ピエゾまたは光学的技術を使用して検
出することができる。図１１は、静電駆動要素および静
電ピックオフを使用するシリコンの二軸レートセンサを
示している。振動構造物６は、前記のように通常リム
７、脚部８およひ中央ボス９を有する、実質的に平坦な
実質的にリング状の形状を有する。振動構造物６は、実
質的に平坦な実質的にリング状の形状を有し、前記のよ
うに外側リム７。脚部８および中央ボス９を有する。構
造物６はガラスまたは絶縁酸化表面層を備えたシリコン
から作りうる絶縁層２１上に、ボス９を介して設置され
る。振動構造物６は駆動およびピックオフ要素として作
用するすべての導体に対して一定電圧に維持される。
【００２９】図１１の実施例において、Ｃｏｓ２θキャ
リヤモードで振動構造物６を振動させる手段は、二つの
静電キャリヤ駆動要素２２および二つの静電キャリヤモ
ードピックオフ要素２３を有し、ピックオフ要素２３は
駆動要素２２に対して０°おわび１８０°に配置され、
ピックオフ要素２３は振動構造物６の外側リム７に対し
てそれぞれ９０°および２７０°に配置され、かつＣｏ
ｓ２θモードで振動するとき、リム７の最大半径方向運
動の点に隣接して外側リムの半径方向外側に設置され
る。これらのキャリヤモード駆動要素２２は、振動構造
物６を振動せしめるため使用される。キャリヤモード非
節点に設置されたキャリヤモードピックオフ要素２３
は、振動構造物６の半径方向運動を感知する。
リヤモードで振動構造物６を振動させる手段は、二つの
静電キャリヤ駆動要素２２および二つの静電キャリヤモ
ードピックオフ要素２３を有し、ピックオフ要素２３は
駆動要素２２に対して０°おわび１８０°に配置され、
ピックオフ要素２３は振動構造物６の外側リム７に対し
てそれぞれ９０°および２７０°に配置され、かつＣｏ
ｓ２θモードで振動するとき、リム７の最大半径方向運
動の点に隣接して外側リムの半径方向外側に設置され
る。これらのキャリヤモード駆動要素２２は、振動構造
物６を振動せしめるため使用される。キャリヤモード非
節点に設置されたキャリヤモードピックオフ要素２３
は、振動構造物６の半径方向運動を感知する。
【００３０】図１１の実施例において、揺動モード振動
を感知する手段は、ｘ軸静電駆動要素２４、ｘ軸静電ピ
ックオフ要素２５、ｙ軸静電駆動要素２６およびｙ軸静
電ピックオフ要素２７を備え、ピックオフ要素２７はｙ
軸駆動要素２６から垂直に離れてそれと重なる関係で外
側リムに隣接して設置され、ｘ軸ピックオフ要素２５、
ｙ軸ピックオフ要素２７およびｘ軸駆動要素２４は、そ
れぞれ外側リムの周りに０°、９０°、１８０°および
２７０°に配置されている。ｘ軸速度応動モードの揺動
運動は、リム７の下の支持層表面に設置されたピックオ
フ要素２５によって検出される。この運動は、リム７の
反対側の下に同様に設置されたｘ軸駆動要素２４を使用
してゼロにされる。ｙ軸速度応動運動は、ピックオフ要
素２７を使用して同様に検出され、駆動要素２６によっ
てゼロにされる。種々の駆動およびピックオフ導体位置
は、表面層に載置されたトラッキング２８を介して、ボ
ンドパッド２９に接続される。ついで駆動およびピック
オフ回路が、これらのボンドパッドに接続される。図１
１のセンサの横断面は図１３に示されている。この図は
平面内のトポグラフィおよび表面の導体を一層鮮明に示
している。
を感知する手段は、ｘ軸静電駆動要素２４、ｘ軸静電ピ
ックオフ要素２５、ｙ軸静電駆動要素２６およびｙ軸静
電ピックオフ要素２７を備え、ピックオフ要素２７はｙ
軸駆動要素２６から垂直に離れてそれと重なる関係で外
側リムに隣接して設置され、ｘ軸ピックオフ要素２５、
ｙ軸ピックオフ要素２７およびｘ軸駆動要素２４は、そ
れぞれ外側リムの周りに０°、９０°、１８０°および
２７０°に配置されている。ｘ軸速度応動モードの揺動
運動は、リム７の下の支持層表面に設置されたピックオ
フ要素２５によって検出される。この運動は、リム７の
反対側の下に同様に設置されたｘ軸駆動要素２４を使用
してゼロにされる。ｙ軸速度応動運動は、ピックオフ要
素２７を使用して同様に検出され、駆動要素２６によっ
てゼロにされる。種々の駆動およびピックオフ導体位置
は、表面層に載置されたトラッキング２８を介して、ボ
ンドパッド２９に接続される。ついで駆動およびピック
オフ回路が、これらのボンドパッドに接続される。図１
１のセンサの横断面は図１３に示されている。この図は
平面内のトポグラフィおよび表面の導体を一層鮮明に示
している。
【００３１】添付図面の図１２は、三つの軸線上に加え
られた速度を感知する本発明の第４実施例によるセンサ
を平面図で示す。このレートセンサは、基本的に図１１
等の実施例と同様で、同じ部品は同じ参照符号で示さ
れ、さらに説明されることはない。図１２の実施例にお
いて、振動構造物６を振動させる手段は、二つの静電ｚ
軸応動モード駆動要素３０および二つの静電ｚ軸応動モ
ードピックオフ要素３１をさらに有し、ピックオフ要素
３１は、応動モードで振動するとき、外側リム７に対す
る最大半径方向運動点に隣接してその半径方向外側に振
動構造物６の外側リム７の平面内に設置されている。第
１ｚ軸応動モード駆動要素３０、第１ｚ軸応動モードピ
ックオフ要素３１、第２ｚ軸応動モード駆動要素３０お
よび第２ｚ軸応動モードピックオフ要素３１は、振動構
造物６の外側リム７の周りに４５°、１３５°、２２５
°および３１５°にそれぞれ配置されている。ｚ軸レー
トセンサ応動モード運動は、ピックオフ要素３１によっ
て検出される。
られた速度を感知する本発明の第４実施例によるセンサ
を平面図で示す。このレートセンサは、基本的に図１１
等の実施例と同様で、同じ部品は同じ参照符号で示さ
れ、さらに説明されることはない。図１２の実施例にお
いて、振動構造物６を振動させる手段は、二つの静電ｚ
軸応動モード駆動要素３０および二つの静電ｚ軸応動モ
ードピックオフ要素３１をさらに有し、ピックオフ要素
３１は、応動モードで振動するとき、外側リム７に対す
る最大半径方向運動点に隣接してその半径方向外側に振
動構造物６の外側リム７の平面内に設置されている。第
１ｚ軸応動モード駆動要素３０、第１ｚ軸応動モードピ
ックオフ要素３１、第２ｚ軸応動モード駆動要素３０お
よび第２ｚ軸応動モードピックオフ要素３１は、振動構
造物６の外側リム７の周りに４５°、１３５°、２２５
°および３１５°にそれぞれ配置されている。ｚ軸レー
トセンサ応動モード運動は、ピックオフ要素３１によっ
て検出される。
【００３２】図１１および１２において質量およびひス
チフネスを調節するため、振動構造物６からの材料除去
は、レーザ研磨技術を使用して実施することができる。
さらに図１１の二つの軸速度レートセンサは、八つの脚
部を備えた振動構造物６を示しているが、図１０ａ，ｂ
およびｃに示された構造物に対応する形状および形式を
ゆうするものを代わりに使用することができる。種々の
変形および変更が、図示しかつ記載された実施例に対し
て、特許請求の範囲の記載の範囲内でなしうるものであ
る。
チフネスを調節するため、振動構造物６からの材料除去
は、レーザ研磨技術を使用して実施することができる。
さらに図１１の二つの軸速度レートセンサは、八つの脚
部を備えた振動構造物６を示しているが、図１０ａ，ｂ
およびｃに示された構造物に対応する形状および形式を
ゆうするものを代わりに使用することができる。種々の
変形および変更が、図示しかつ記載された実施例に対し
て、特許請求の範囲の記載の範囲内でなしうるものであ
る。
【図１】本発明によらない、通常の平衡音叉振動構造物
の略図。
の略図。
【図２】ａは通常の方法でキャリヤモードとして作用す
る、対称共振器または振動構造物における変形Ｃｏｓ２
θモード振動を示す線図で、ｂはａに対して４５°をな
すが、しかし応動モードとして作用する別の変形Ｃｏｓ
２θの線図。
る、対称共振器または振動構造物における変形Ｃｏｓ２
θモード振動を示す線図で、ｂはａに対して４５°をな
すが、しかし応動モードとして作用する別の変形Ｃｏｓ
２θの線図。
【図３】速度が、通常の方法でリングの平面に垂直な軸
線（ｚ軸）の周りに加えられるとき、Ｃｏｓ２θキャリ
ヤモード振動の非節点において、実質的にリング状の振
動構造物に作用するコリオリの力を示す線図。
線（ｚ軸）の周りに加えられるとき、Ｃｏｓ２θキャリ
ヤモード振動の非節点において、実質的にリング状の振
動構造物に作用するコリオリの力を示す線図。
【図４】速度が同じＣｏｓ２θキャリヤモードでｘ軸の
周りに加えられるとき、実質的にリング状の振動構造物
に加えられる力を示す線図。
周りに加えられるとき、実質的にリング状の振動構造物
に加えられる力を示す線図。
【図５】図４と同様の状態の、しかしｙ軸の周りの回転
に対する線図。
に対する線図。
【図６】ａは本発明によるｙ軸上の休止位置からの振動
構造物の本発明による揺動モードを示し、ｂはａと同様
であるがｘ軸の休止位置の周りの振動構造物の揺動運動
を示す図。
構造物の本発明による揺動モードを示し、ｂはａと同様
であるがｘ軸の休止位置の周りの振動構造物の揺動運動
を示す図。
【図７】本発明のセンサに使用するのに適した振動構造
物の線図的平面図。
物の線図的平面図。
【図８】本発明の一実施例による二軸レートセンサの線
図的平面図。
図的平面図。
【図９】本発明の第２実施例による三軸レートセンサの
線図的平面図。
線図的平面図。
【図１０】ａは本発明による二軸レートセンサに使用す
る振動構造物の構造を示す図、ｂはａとは別の構造の
図、ｃはさらに別の構造の図。
る振動構造物の構造を示す図、ｂはａとは別の構造の
図、ｃはさらに別の構造の図。
【図１１】本発明の第３実施例による二軸レートセンサ
の線図的平面図。
の線図的平面図。
【図１２】本発明の第４実施例による三軸レートセンサ
の線図的平面図。
の線図的平面図。
【図１３】図１２の実施例の詳細端面図。
６ 振動構造物 ７ リング状リム ８ 脚部 ９ 中心ボス １０ ｘ軸 １１ ｙ軸 １２ ｚ軸 １３ 電磁的キャリヤモード駆動要素 １４ 容量的ピックオフ要素 １５ ｘ軸電磁的駆動要素 １６ ｘ軸容量的ピックオフ要素 １７ ｙ軸電磁的駆動要素 １８ ｙ軸容量的ピックオフ要素 １９ 電磁応動モード駆動要素 ２０ 容量応動モードピックオフ要素 ２２ 静電キャリヤ駆動要素 ２３ 静電キャリヤモードピックオフ要素 ２４ ｘ軸静電駆動要素 ２５ ｘ軸静電ピックオフ要素 ２６ ｙ軸静電駆動要素 ２７ ｙ軸静電ピックオフ要素 ２８ トラッキング ２９ ボンドパッド ３０ ｚ軸応動モード駆動要素 ３１ ｚ軸応動モードピックオフ要素
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クリストフアー フエル イギリス国 デヴオン ピイエル６ ６デ イイー， プリマウス，サウスウエイ，ク リツタフオード ロード，（番地なし） ブリテツシユ エアロスペース（システム ズ アンド エクイプメント）リミテツド 内
Claims (11)
- 【請求項１】 少なくとも二つの軸線上に加えられたレ
ートを検出するレートセンサであって、 振動構造物と、 振動構造物をＣｏｓ２θの振動数でのＣｏｓ２θキャリ
ヤモードで振動させ、振動構造物の平面内の少なくとも
二つの軸線の一方又は他方を中心とする回転によって、
キャリヤモード振動数で同じ軸線周りの振動構造物の揺
動運動を生じさせるのに十分なコリオリの力を発生させ
る手段と、 前記振動構造物の揺動運動の振動を検知して、加えれた
レートを検出する手段とを備え、 振動構造物を実質的に平坦な実質的にリングまたは輪状
に形成し、 かつ、振動構造物におけるＣｏｓ２θモード振動及び揺
動運動の振動の振動数が合うように寸法決めして、その
振動が加えれたレートに比例する揺動運動の共振増幅を
生ずるようにしたことを特徴とするレートセンサ。 - 【請求項２】 振動構造物が金属またはシリコンから作
られていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。 - 【請求項３】 振動構造物がリング状の形態を成し、中
央ボスから実質的に半径方向に伸びる複数の脚部によっ
て支持されていることを特徴とする請求項２に記載のセ
ンサ。 - 【請求項４】 振動構造物をＣｏｓ２θキャリアモード
で振動させる手段が、電磁的キャリヤモード駆動要素及
び容量性キャリヤモードピックオフ要素を有し、 これらが、振動構造物の外側リムに対してそれぞれ０°
および２７０°に配置され、かつ外側リムの平面内にお
ける、その径方向外側に、Ｃｏｓ２θモードで振動する
時の前記リムの最大半径方向運動の点に隣接して配置さ
れ、 揺動モード振動を検出する手段が、 ｘ軸電磁的駆動要素、ｘ軸容量性ピックオフ要素、ｙ軸
電磁的駆動要素及びｙ軸容量性キャリヤモードピックオ
フ要素を有し、 これらが、前記要素から垂直に離れて、それらと重なる
関係で、外側リムに隣接して設置され、 ｙ軸ピックオフ要素、ｙ軸駆動要素、ｘ軸駆動要素およ
びｘ軸ピックオフ要素が外側リムの周りにそれぞれ０
°、９０°、１８０°および２７０°に配置されている
ことを特徴とする請求項３に記載のセンサ。 - 【請求項５】 振動構造物を振動させる手段が、電磁応
動モード駆動要素及び容量性応動モードピックオフ要素
をさらに有し、 これらが振動するとき外側リムに対する最大半径方向運
動の点に隣接して振動構造物の外側リムの平面内に設置
され、 応動モード駆動要素及びピックオフ要素が振動構造物の
外側リムに対してそれぞれ１３５°および２２５°に配
置され、かつ、外側リムの平面内におけるその径方向外
側に配置され、振動構造物の平面に垂直な軸線の周りの
回転を感知し、 三つの軸線上に加えられたレートを検出することを特徴
とする請求項４に記載のセンサ。 - 【請求項６】 外側リムが、平面視実質的に円形である
か、又は平面視実質的に長方形であることを特徴とする
請求項３に記載のセンサ。 - 【請求項７】 振動構造物がニッケル−鉄合金から作ら
れていることを特徴とする請求項５に記載のセンサ。 - 【請求項８】 振動構造物をＣｏｓ２θモードで振動さ
せる手段が二つの静電キャリヤモード駆動要素および静
電キャリヤモードピックオフ要素を有し、振動構造物の
外側リムに対してそれぞれ駆動要素が０°および１８０
°にピックオフ要素が９０°および２７０°に配置さ
れ、かつＣｏｓ２θモードで振動するとき外側リムの最
大半径方向運動の点に隣接する外側リムの半径方向外側
に設置され、また揺動モード振動を検出する手段がｘ軸
静電駆動要素、ｘ軸静電ピックオフ要素、ｙ軸静電駆動
要素およびそこから垂直に離れてそれと重なる関係で外
側リムに隣接して設置されたｙ軸静電ピックオフ要素を
有し、ｙ軸駆動要素、ｘ軸ピックオフ要素、ｙ軸ピック
オフ要素およびｘ軸駆動要素が外側リムの周りに０°、
９０°、１８０°および２７０°にそれぞれ配置され
た、シリコンから作られた実質的に平坦な実質的にリン
グ状の振動構造物を有する、二軸上に加えられたレート
を検出する請求項３に記載のセンサ。 - 【請求項９】 振動構造物を振動する手段が二つの静電
ｘ軸応動モード駆動要素および応動モードで振動すると
き外側リムに対する最大半径方向運動の点に隣接してそ
の半径方向外方に振動構造物の外側リムの平面内に設置
された二つの静電ｚ軸応動モードピックオフ要素をさら
に有し、第１ｚ軸応動モードピックオフ要素、第２ｚ軸
応動モード駆動要素および第２ｚ軸応動モードピックオ
フ要素が振動構造物の外側リムの周りにそれぞれ４５
°、１３５°、２２５°および３１５°に配置された、
三つの軸線上に加えられたレートを検出する請求項８に
記載のセンサ。 - 【請求項１０】 外側リムが平面図で見て実質的に円形
で、側リムおよび脚部がその上に取付けられた中央ボス
によって絶縁表層の上方に懸垂された請求項９に記載さ
れたセンサ。 - 【請求項１１】 振動構造物が、その質量を変化するた
め外側リムの端部から除去する材料を制御することによ
り、または、外側リムのこわさを変化するため外側リム
の中立軸線から除去する材料を制御することによって、
Ｃｏｓ２θおよび揺動モード振動の振動数を一致させる
ような大きさにされる請求項３から１０のいずれか一項
記載のセンサ。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB9620982:0 | 1996-10-08 | ||
| GB9620982A GB2318184B (en) | 1996-10-08 | 1996-10-08 | A rate sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10160483A true JPH10160483A (ja) | 1998-06-19 |
| JP3834397B2 JP3834397B2 (ja) | 2006-10-18 |
Family
ID=10801121
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27585297A Expired - Fee Related JP3834397B2 (ja) | 1996-10-08 | 1997-10-08 | レートセンサ |
Country Status (7)
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|---|---|
| US (1) | US5915276A (ja) |
| EP (1) | EP0836073B1 (ja) |
| JP (1) | JP3834397B2 (ja) |
| KR (1) | KR100486129B1 (ja) |
| CA (1) | CA2217683C (ja) |
| DE (1) | DE69727756T2 (ja) |
| GB (1) | GB2318184B (ja) |
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