JPH11142164A - 航海級の微細加工回転センサシステム - Google Patents
航海級の微細加工回転センサシステムInfo
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Abstract
高精度の構成を持つ反面、充分な低廉化を企図する。 【解決手段】 第1の駆動部材38はハブと連結され、
支承部材を有する第1の検出装置34が駆動部材と連結
され、駆動軸を中心とする駆動部材の回転振動を支承部
材へ伝達可能に設けられ、第1の検出装置34は支承部
材と連結され、駆動軸を中心として支承部材と共に振動
する検出素子110を包有し、検出素子は検出軸および
駆動軸の両方に対し垂直な入力軸を中心とするフレーム
50の入力回転速度に対し、駆動軸に垂直な検出軸を中
心として支承部材に対し回転可能に振動するように構成
し、第2の駆動部材40は第1の駆動部材36と連結さ
れ、第1の駆動部材により発生される回転振動とは反対
方向の回転振動を発生するよう設けられ、第2の検出装
置36は第1の検出軸と平行な第2の検出軸を中心とし
て振動する第2の検出素子112を有して構成される。
Description
使用され得る回転センサに関する。本発明は特に再輸入
車等の高G、高振動環境で動作可能で高い精度を有する
回転センサシステムに関する。更に詳細には本発明はコ
リオリ加速度センサを内蔵するシリコンチツプを用いて
直交する2検出軸を中心とする回転速度を測定する回転
センサシステムに関する。
サシステムのバイアス反復性は10〜1000度/時間
の範囲で行われることが必要である。この技術思想によ
れば、その性能が3〜5桁も向上して高精度の航海級装
置が得られ、本発明の回転センサシステムに課した低コ
ストで高信頼性の条件を満足できる構成を実現すること
は困難であるように思われる。
は高精度の航海級の回転センサを、低廉化を図りつゝ高
信頼性を維持して、提供するにある。
ングと、ハウジング内に配置されハウジングおよび取付
プレート間に配置される柔軟で制動された複数のパツド
を有する取付プレートと、取付プレートから延びるハブ
と、ハブに連結される第1の駆動部材と、第1の駆動部
材に連結される支承部材を有し、駆動軸を中心とする第
1の駆動部材の回転振動を支承部材に伝達する第1の検
出装置と、第1の駆動部材に連結される第2の駆動部材
と、第2の駆動部材に連結される第2の検出装置とを備
え、第1の駆動部材は駆動軸を中心とする回転振動を発
生し、第1の検出装置は支承部材に連結される検出素子
と第1の検出軸を中心とする検出素子の振動の振幅の関
数として入力回転速度を示す信号を発生する装置とを包
有し、検出素子は駆動軸を中心として支承部材と共に振
動するように設けられ、検出素子は検出軸および駆動軸
の両方に対し垂直な入力軸を中心とするフレームの入力
回転速度に対し駆動軸に直角な検出軸を中心として支承
部材に対し回転可能に振動するように設けられ、検出素
子は駆動軸を中心とするその慣性モーメントが駆動軸に
対し直角な2つの主軸を中心とする慣性モーメントの和
に実質的に等しくなるように構成され、第2の駆動部材
は第1の駆動部材により発生される回転振動と反対方向
の駆動軸回りの回転振動を発生するように設けられ、第
2の検出装置は第1の検出装置と実質的に同一にされ、
第2の検出装置は第1の検出軸に対し平行な第2の検出
軸を中心として支承部材に対し回転可能に振動する第2
の検出素子を有し、第2の検出軸を中心とする第2の検
出素子の振動の振幅の関数として入力回転速度を示す信
号を発生する装置を有してなる回転センサを提供して上
記の目的を実現する。
は、支承部材を有する第1の検出装置が駆動部材と連結
されていて、駆動軸を中心とする駆動部材の回転振動が
支承部材へ最適に伝達される。第1の検出装置には更に
支承部材と連結される検出素子が含まれ、検出素子は駆
動軸を中心として支承部材により良好に振動する。且つ
検出素子は入力軸を中心とするフレームの入力回転速度
用の駆動軸に対し垂直な検出軸を中心として支承部材に
対し効果的に回転振動することになり、高精度が要求さ
れる回転センサが得られることになる。
よび駆動軸の両方に対し直角をなしている。検出素子
は、駆動軸を中心とする慣性モーメントが駆動軸に対し
直角な2主軸を中心とする慣性モーメントの和に実質的
に等しくなるように構成され、且つ回転センサには更
に、第1の検出軸を中心とする検出素子の振動振幅の関
数として入力回転速度を示す信号を発生する装置が含ま
れている。
される第2の駆動部材が含まれている。第2の駆動部材
は、第1の駆動部材により発生される回転振動と反対方
向の駆動軸を中心とする回転振動を発生するように構成
される。好ましくは実質的に第1の検出装置と同じ第2
の検出装置は駆動部材に連結される。第2の検出装置は
第1の検出軸に対し平行な第2の検出軸を中心とし支承
部材に対し回転振動するよう構成される第2の検出素子
と、第2の検出軸を中心とする第2の検出素子の振動の
振幅の関数として入力回転速度を示す信号を発生する装
置とを有している。また第2の検出軸は好ましくは第1
の検出軸に対し直角に配列される。
ハブと基部上に形成される第1の組の駆動電極とを含む
ように構成可能であり、駆動部材はハブに対し装着され
る。駆動部材上には第1の組の駆動電極に相当する第2
の組の駆動電極が形成されている。基部および駆動部材
は第1および第2の組の電極の対応する部材が互いに角
度離間されて配置され、第1および第2の組の電極に電
気信号を印加することにより駆動部材にトルクが生じ、
駆動部材が駆動軸を中心として一平面上で回転振動する
ような対向関係で配置される。回転センサにはセンサ部
材が包有され、センサ部材の外部支承リングが駆動部材
に対し装着されて、駆動部材の回転振動がセンサ部材に
伝達される。センサ部材には更に、支承リングの内側に
設けられる検出素子と、外部支承リングおよび検出素子
間に連結される一対のねじりバー部材とが含まれ、一対
のねじりバー部材が整合されて出力検出軸が形成され
る。
回転センサ20は基部22を有し、基部22は底部カバ
ー部材23と底部カバー部材23と好ましくは実質的に
同一の頂部カバー部材とを有する。基部22はその断面
が全体として矩形をなすように設けられる。基部22は
夫々隅部28〜31において基部22の内側に装着され
る基部マウント24〜27を包有している。
センサ部材34、36を備える。センサ部材34、36
の夫々は好ましくは微細加工法により単シリコン結晶か
ら形成される。回転センサ20には更に、共に同一で、
且つ夫々が単シリコン結晶から形成された一対の駆動部
材38、40が含まれる。
面42、44を示す。回転センサ20が組み立てられた
とき、図1に示される如く速度検出部材34の対向面4
2が駆動部材38の下側面に結合されるように設けられ
ている。同様に速度検出部材36の下側面は駆動部材4
0に結合される。
形で示した周部フレーム50を具備している。フレーム
50は他の形状に設けてもよい。図3を参照するに駆動
部材38の上側面54の中央部52はフレーム50より
薄手に形成される。図1および図3を併照するに、中央
部52の側縁部55〜58は柔軟フレーム60〜63を
介してフレーム50に連結される。柔軟フレーム60〜
63は好ましくは側縁部55〜58の中央部からフレー
ム50へ延設されている。図3では駆動部材38の一部
が中央部52および柔軟フレーム60〜63をより明確
に示すために省略して示してある。図4はシリコン結晶
をエツチング処理することにより形成される柔軟フレー
ム60〜63の断面図を示している。柔軟フレーム60
〜63は好ましくは同一にされ、図1、図3、図4およ
び図7に示されるように垂直平面での曲げに対し高い抵
抗を有するように作成される。一方柔軟フレーム60〜
63は水平平面での曲げに対し低抵抗を示すように作成
され、中央部52は幾何学的中心を経て垂直軸を中心と
する小さな振幅の回転運動で振動可能にされている。
材38は4つのトルク電極227a〜227dを有し、
トルク電極227a〜227dは駆動部材38の選択部
を金属化することにより形成できる。これらトルク電極
227a〜227dは駆動部材40上では図1に示され
るトルク電極228a〜228dと同一にされることが
好ましい。検出素子110、122は夫々トルク電極2
27a〜227dおよびトルク電極228a〜228d
と対向する。本発明に含まれる信号処理装置を以下に説
明するが、トルク電極はフイードバツクトルクを検出素
子110、122に与えるために使用される。
装置70〜73は駆動部材38を形成する結晶の一部を
好適に金属化することにより駆動部材38上に形成され
る。電極装置は柔軟フレーム60〜63間において中央
部52と連結される。特に図6を参照するに電極装置7
0〜73の斜線部分は例えば個別の電極80〜88を示
している。電極80〜88は電極装置70〜73の隅部
90に対し位置決めされ、同一の駆動部材40において
は対応する電極が互いにある角度離間されて配置され
る。
の変位が生じるように、電極は互いに対向せしめられ
る。2つの駆動部材38、40の電極の角度変位によ
り、電極が印加周波数の2倍の周波数で振動するように
互いに引き合い、これにより電極および駆動部材の相当
する中央部が互いに反対方向に回転振動する。駆動信号
により所定の共振周波数で各駆動部材が駆動されること
が好ましい。好ましくは駆動部材38、40の共振周波
数は同一にされ通常約5kHzにされる。
に回転するねじりにより共振する機械的オシレータを構
成している。外側の2個のセンサ部材34、36は2軸
旋回慣性速度検出システムを構成する。
部材38の中央部52の厚さはフレーム50の厚さより
小さくされる。駆動部材40の中央部150の厚さもま
たフレーム100の厚さより小さくされる。中央部とフ
レームとの厚さの差により、駆動部材38のフレーム5
0と駆動部材40のフレーム100とが互いに当接され
たとき、中央部間に小さな間隙が生じ得る。
サ部材34、36は夫々検出素子110、122を有し
ている。速度検出部材34は中央部120と、中央部1
20から検出素子110へ延びる複数の柔軟板バネ12
2〜125とを包有している。同様に速度検出部材36
はその中央部121から検出素子112へと延びる板バ
ネ130〜133を有する。検出素子112は全体とし
て矩形の中央開口部113を有した全体として薄手の矩
形構造体として形成されることが好ましい。中央部12
1は検出素子112より薄く、検出素子112は板バネ
130〜133より薄いことは図2および図7から理解
されよう。コリオリ加速度acによりこれらに振動が生
じ、図2に示されるように検出素子110、122がx
軸出力軸を中心として振動する。図示のコリオリ加速度
は入力速度の2倍と、デイザリング駆動動作により発生
される検出素子112の瞬間速度v+との乗算に等し
い。
し、次に速度センサ部材34、36を夫々駆動部材3
8、40の背面の中央部と結合することにより得られる
構造体を示される。センサ部材34、36の最厚の中央
部120、121のみが夫々対応する駆動部材38、4
0と結合される。これにより板バネ121〜125、1
30〜133は図7の紙面上で図1および図2に示すよ
うにZ軸に沿つての小さな振幅で自由振動し得る。
8、40および速度センサ部材34、36が共に連結さ
れた後、これらは基部22内に配置され、駆動部材3
8、40の隅部は基部マウント24〜27と当接する。
基部マウント24〜27が駆動部材38の機械的オシレ
ータの基部22とフレーム50との間に制動された柔軟
素子を備えるよう形成されることが好ましい。この柔軟
な素子は、対向回転する機械的オシレータが確実に単一
の共振周波数を持たせるに必要である。柔軟素子により
更に、外部振動入力を減衰させる利点が得られる。
動電圧が駆動部材38、40の両方の電極装置に印加さ
れると、回転センサ20は図1および図2の内面軸X、
Yを中心とする回転の検出準備完了状態になる。X軸ま
たはY軸を中心とする回転入力により、速度検出素子1
10、112に平面から外れた振動が生じる。この平曲
から外れた振動は、図2に示される平面の軸を中心とす
る物体の回転により平面内で振動する物体に発生される
平面上のずれのコリオリ力により引き起こされる。板バ
ネ122〜125および板バネ130〜133により、
入力回転に応動して内面軸を中心として好適量の平面上
のずれ振動が得られる。2つの速度検出素子110、1
12は実質的に同一のX軸共振周波数を有することが好
ましい。同様に速度検出素子110、112のY軸共振
周波数も同一であることが好ましい。これらの共振周波
数は好ましくは駆動部材の振動数に等しく設定される。
度による平面上のずれ振動により、駆動部材38、40
とこれに対応する速度検出素子110、112間の相対
変位が変化する。これら変位変化は容量性ピツクオフ信
号(下述する)を与える容量の変化として検出できる。
中央部は符号150で示してある。駆動部材40はま
た、駆動部材38のそれぞれ柔軟ビーム61、63に相
当する柔軟ビーム152、154を有するものとして示
されている。
る。オシレータ160は周波数ωcでの基準励起信号を
速度検出素子110、112に与える。基準励起信号は
電圧約10Vで周波数ωc=250kHzの信号であ
る。コンデンサ162、164は駆動部材38と検出素
子110との間に形成される。コンデンサ166、16
8は駆動部材40と検出素子112との間に形成され
る。約+10Vの駆動電圧がコンデンサ162、166
に印加される。また約−10Vの駆動電圧がコンデンサ
164、168に印加される。電気リード線170〜1
73は以下に説明する信号処理回路への回転速度を示す
振動信号を伝達する。
対する速度センサ部材34、36に示されるような2つ
の検出素子を含む本発明の実施例の基本形態が示され
る。回転速度は第1および第2のX軸センサ素子200
〜206および第1および第2のY軸センサ素子20
4、206に印加される。第1および第2のX軸センサ
素子200、202の出力は夫々加算器208に入力さ
れる。同様に第1および第2のY軸センサ素子204、
206は夫々加算器210に入力される。加算器20
8、210は量子化器212に対しX,Y軸回転信号に
与える。
得る。4個のセンサ回路200〜206の夫々の構造が
図10に示される。角速度が検出部材34に印加され
る。ピツクオフ装置214は回転速度に対しピツクオフ
装置214が応動したことを示す電気信号を発生する。
ピツクオフ装置214からの出力信号は図2に示される
ように周波数ωD、での対向回転駆動動作からのコリオ
リ力により発生される動的変調された信号を示す。これ
らの同相信号は駆動信号のコサイン関数として任意に示
すことができる。二乗動的誤差を示す信号は駆動信号の
サイン関数として示される。
0により増幅される。増幅器230はその出力を一対の
復調器232、236に与え、復調器232、236は
その信号を夫々sinωDtおよびcosωDtで復調
する。復調器232、236の出力はそ各々応するサー
ボ補償回路234、237に入力される。サーボ補償回
路234の出力信号は図9の好適な加算器208あるい
は2137へ送られる角速度信号である。サーボ補償回
路234、237からの出力信号もまた、トルク変調器
回路238、240に入力され、トルク変調器回路23
8、240は各々の入力信号をsinωDtおよびco
sωDtで変調する。トルク変調器回路238、240
からの出力信号は加算器242に入力される。加算器2
42の出力は図5の駆動部材38上の検出素子のトルク
電極227a〜227dへ送られ、検出部材34に対し
フイードバツクトルクを与える。
ループで合成される信号処理回路が示される。X速度入
力は駆動周波数ωDでのコリオリ力により変調されてい
るセンサ部材34、36に印加される。ピツクオフ回路
254、256は周波数ωDでの第1および第2のセン
サ部材34、36の応答振幅信号を発生する。増幅器2
60、262は夫々ピツクオフ回路254、256から
の出力信号を増幅する。加算器264はピツクオフ回路
254、256からの出力信号の和を示す信号を発生
し、加算器266はピツクオフ回路254、256から
の出力信号の差を示す信号を発生する。これらの和信号
および差信号は同相二乗復調を行う復調器270に入力
される。復調器270の出力はサーボ補償回路272に
入力され、サーボ補償回路272自体はX軸を中心とす
る測定された回転速度を発生する。
調器270および同相二乗トルク変調および加算を行う
変調・加算回路276と接続される。変調・加算回路2
76はサーボ補償回路272から信号を入力し、センサ
部材34、36の検出素子110、112にフイードバ
ツクトルク信号を出力する。この構成では好ましくはY
軸用に、図11の装置と同一の装置を含む。
る前に加算されおよび差が求められているセンサ部材3
4、36からの信号を示す。この方法により、出力軸旋
回のQ値が向上される。各検出素子が独立して捕捉され
るものとすると、各部材の反力トルクが互いに対し平衡
する対向振動モードでフイードバツクトルクの位相が固
定されることにより、Q値は減衰されよう。各部材が独
立して捕捉されると、エネルギは基部マウントで消費さ
れよう。センサ偏向を完全に捕捉するため、同相二乗信
号および和・差信号の両方はゼロにする必要がある。印
加された速度を示す信号は差信号の同相成分である。他
のフイードバツクトルクは不都合なクロス結合された入
力および角度加速度入力からの同相二乗トルクを補正す
るように設けられる。
差を低減し、バイアス反復性を向上させる幾つかの顕著
で特異の特徴を有している。これら特徴により回転セン
サ20がその性能・環境要件を満足でき且つ下記の航海
級の要件を満足できる。 バイアス反復性 0.01度/時間 倍率誤差 20PPM 角度ランダムウオーク 0.001度/√時間 G感度 0.01度/時間/G未満
止は吊下の中心と一致する検出素子110、112の重
心を有することにより得られる。また速度センサを振動
する他の機構に使用される独立した加速度センサの位相
および利得の一致または追従には関係ない。第2に慣性
速度検出素子はバイアス誤差を誘導する平面ずれ駆動力
から機械的に遮断される。第3に各駆動部材および関連
する検出素子は共に単一ユニツトとして動作するので、
駆動動作は慣性速度検出素子とそのピツクオフ装置との
間に相対動作を引き起こさない。第4に駆動部材38、
40およびセンサ部材34、36のねじり機械的オシレ
ータ装置は対向平衡され、これによりバイアス誤差に通
じる外部機械的インピーダンスの変動に対する感度を最
小にし得る。
2軸コリオリ角速度検出に必要な振動速度励起が与えら
れる。4つの柔軟フレーム60〜63のバネ定数、駆動
部材40の他の4つの柔軟部材と連結される振動部材5
2、34の慣性、および振動部材36、150の慣性に
より、オシレータの共振周波数が確立され、一方ピーク
速度の振幅はオシレータピツクオフ装置により検出さ
れ、振動プレートの対向面上の駆動電極へ信号を印加す
る駆動電子装置により有効に制御される。振動プレート
上で慣性速度検出素子110の各軸を再平衡させるた
め、ピツクオフ・力印加電極が使用される。全ての駆動
電極、ピツクオフ・力印加電極および電気接点は機械的
オシレータに対し制限されることは理解されよう。
センサおよび基部マウントの柔軟部材の共振周波数が1
KHz台であるとき、5KHz台である。従つて500
Hzの所望バンド幅が容易に満足できる。
36および下部速度検出部材34は駆動部材38、40
により180度位相がずれて駆動される。上部および下
部の速度検出素子110、112は入力軸および機械的
オシレータの軸の両方に対し垂直な軸を中心に振動する
ことにより、機械的オシレータの軸に対し垂直な軸を中
心とする角速度の入力に応動する。速度検出素子のこの
コリオリ誘導された振動の成分は図8に示されるように
X,Y軸の容量性ピツクオフ信号により検出される。こ
れらピツクオフ信号は回転センササーボ電子装置のX,
Yチャンネルに印加され、電子装置はフイードバツク電
圧を与えて速度検出素子110、112を静電的に無効
にする。各軸に対するフイードバツク電圧の大きさは入
力角速度のX,Y軸成分に正比例する。
両方をサーボ制御して、ループが機械的オシレータの周
波数ωDで積分利得を有し且つ角速度に比例するDC信
号を出力する。
オーバサンプリングするデユアル範囲変換法が採用され
る。高ダイナミツクレンジの四次ΔΣ変調器はアナログ
速度信号を一連のビツトストリームに変換し、各ビツト
は角度Δθを示す。これらΔθビツトはバンド幅より1
0倍高い5KHzでマイクロプロセツサにより加算さ
れ、サンプリング処理されて高速平均化処理が行われ
る。信号にはノイズが含まれているので、この処理によ
り分解能が有効に向上されることになる。
されて、ランダムワークが開放ループ装置より大きさが
減少される閉鎖ループモードで動作する。例えば開放ル
ープ音叉がその振動周波数から更に離れて調和されると
ピツクオフ感度が連続的に減少し、高いバンド幅が得ら
れるが、開放ループ音叉ジヤイロスコープのランダムワ
ークはそのバンド幅に比例して劣化する。
力はピツクオフ信号には現れない。変位ピツクオフ装置
の基部マウントを検出素子と共に移動させることによ
り、多くの精度を損なう誤差源の一を完全に除去し得
る。この特徴により検出素子がピツクオフを越えて振動
する際の検出素子の振動面上の固有結合部の欠陥が完全
に除去される。微細加工されたシリコンの仕上げ面が
0.02マイクロインチ台であつても、0.01度/時
間の性能を得るには依然動作の振幅より大の分の大きさ
が要求される。この移動ピツクオフ技術は微細加工中の
検出素子の公称傾斜による効果をも除去する。このよう
な傾斜からの信号は傾斜と角度振動振幅との積に比例す
る出力に含められる。他の多くのコリオリ検出装置で
は、ピツクオフ信号にはコリオリ力を検出するピエゾ抵
抗式あるいは圧電式応力検出変換器が使用される。不都
合な点は、このピツクオフ信号により、0.01度/時
間の分解能を得るのに必要な応力より何十億倍も大きな
被駆動振動の全応力を除去する必要がある。
が実現される。検出素子110、112は固有に平衡が
とられ、それらの重心は吊下中心にある。且つこれら検
出素子は他の多くの構成のように片持ち状に支持させら
れない。このため線形振動入力に対し出力が発生されな
い。標準質量が片持ち状に支持される場合、2出力部か
らの信号は差が取られ振動に対する感度が阻止すなわち
無効にされる。即ち極めて良好な利得および位相のマツ
チングではこのような無効動作が重要になる。
0.5m/sccである場合、ピークコリオリ加速度は
入力速度が0.01度/時間のとき0.005μGであ
る。5000Hzでの加速度に対するピーク出力軸変位
は5.1×10−11ミクロンである。出力軸を中心と
する保存Q値が500のとき、この動作は2.5×10
−8まで増幅する。10ミクロンの公称間隙を有するピ
ツクオフ装置はブリツジ電源が5Vで推定浮遊・背面容
量が間隙の容量の5倍であるとき、1.2nVの電圧を
発生する。これにより倍率が度/時間当たり120nV
となる。ノイズが4nV/√Hzより良好な現在の計測
器の増幅器では、回転センサの白色雑音は0.05度/
時間/√Hzより良好になり、RMSへの変換が許容さ
れ、全波復調が許容される。このノイズにより、ランダ
ムワークが0.001度/√時間以上となる。高いQ値
が得られると、このランダムワーク植はこれに比例して
減少する。
が振動軸に対し垂直な軸を中心に印加されたときに発生
されるコリオリ力により、検出素子が保磁され平面上の
ずれをもつて角度振動される。検出素子と隣接する平面
上に装着されたピツクオフ装置からの信号はこれらの動
作を測定し、増幅され使用されて、コリオリ力の効果を
無効にするフイードバツクトルクが発生される。検出素
子110、112を無効状態に保持するに必要なトルク
は入力角速度の目安となる。
械的な実施例を示す。回転センサ300は実質的に図1
の回転センサ20の上半分の単軸装置として実現でき
る。回転センサ300は開放ループあるいは閉鎖ループ
で動作可能に構成され、微細加工により、あるいはED
Mにより作成可能である。
子304とセンサ部材306とが包有される。基部30
2は中空円筒領域310を外囲する円筒状外壁308を
有している。基部302は開口上端部とペースプレート
312を備える下端部とを有する。ペースプレート31
2は中央ハブ314を有する。一組の連結された駆動電
極316は金属化法によりペースプレート312上に形
成される。
域310内で嵌合する外部トルク・ピツクオフリング3
20を有している。図15は第2の組の連結された駆動
電極322が表面に形成された状態の駆動素子304の
底平面図を示す。2組の駆動電極316、322は2組
の対応する部材が互いに角度的に変位されるように配設
される。交流信号を電極に印加したとき、駆動部材30
4および基部302間にトルクが発生される。
面を示す。駆動部材304の面は実質的に同じ2つの金
属化電極330、331に分割され、金属化電極33
0、331は信号ピツクオフおよびセンサ部材306へ
のフイートバツクトルクの印加の際に使用され得る。
314に装着される中央取付ハブ340が包有される。
中央取付ハブ340は駆動部材304を形成する材料を
好適にエツチング処理あるいは微細加工することにより
作成される。中央取付ハブ340は実質的に円筒形ある
いは矩形であり、図14に示されるように複数の薄手の
ビーム350〜353により外部リング320に連結さ
れる。ビーム350〜353は90度だけ角度的に離間
されることが好ましい。
により生じた駆動トルクによつてビーム350〜353
が柔軟に変形し、これにより駆動部材304が駆動軸を
中心として平面上で振動する。センサ部材306は支承
リング360と検出素子362とを含む。支承リング3
60は駆動部材304の外部リンク320に対し装着さ
れ、センサ部材306はまた駆動軸を中心として振動す
る。
ねじれバー部材364、366により支承リンク360
に装着される。図17〜図19はねじれバー部材36
4、366の各種断面図を示している。ねじれバー部材
364、366を通る線は回転センサ300の出力軸と
なる。
動すると、入力軸を中心とする回転に応動し、コリオリ
力により検出素子362がその出力軸を中心として回転
する。検出素子362と駆動部材304の金属化電極3
30、331間の容量変化は回転センサ300の回転速
度を示している。
62の底面もまたフイードハツクトルクを検出素子36
2に印加する際に使用できる。正常動作において十分な
トルクが加えられて検出素子362がそのニユートラル
位置にサーボ制御される。センサの出力は検出素子36
2をそのニユートラル位置に維持するためにトルク電極
に印加する要のある電気信号である。
ートラル振動数を有するよう構成されると、回転センサ
300は開放ループで動作される。この場合ピツクオフ
信号増幅され次に駆動周波数の基準信号で復調されて、
角速度読み値が発生される。
対向振動式角速度センサ400を示している。角速度セ
ンサ400は好ましくは上述した駆動部材304と実質
的に同一の上部および下部駆動素子414、416を包
有する。角速度センサ400はまた好ましくは上述した
センサ部材306と実質的に同一の上部および下部の検
出部材412、418を包有する。
内に配置される取付プレート402が含まれる。柔軟で
制動された複数のパツド406が取付プレート402の
底部とハウジング404のベースプレート408との間
に配置される。取付プレート402は膨出した中央ハブ
410を有する。角速度センサ400が完全に組み立て
られると、キヤツプ420がハウジング404の上リム
に対し固定され、外部汚染物から遮断され真空動作可能
となる。
10は下部検出部材412の中央通路440を貫通して
延びる。下部駆動部材414は中央取付部材438を有
し、中央取付部材438の底面は膨出した中央ハブ41
0の上面に装着されている。下部検出部材412の外部
リム442は下部駆動部材414の外部リム444と連
結される。上部駆動体416の中央取付部材446は下
部駆動部材414の中央取付部材438に連結されてい
る。上部検出素子418の外部リム450は上部駆動体
416の外部リム452に装着される。
8は各々下部駆動部材414および下部検出部材412
と同一である。角速度センサ400に装着されたとき上
部駆動体416および上部検出素子418は夫々下部駆
動部材414および下部検出部材412に対し反転され
て配列される。
承する半径方向に整合された一対のねじれバー部材45
4、456により形成される第1のねじり軸を有するよ
うに構成される。上部検出素子418は検出素子466
を支承する半径方向に整合された一対のねじれバー部材
462、464により形成される第2のねじり軸を有す
るように構成される。2軸速度センサの場合、第2のね
じり軸は第1のねじり軸に対し直角であることが好まし
い。
およびトルク電極472を有する。下部駆動部材414
および上部駆動部材416の駆動電極は全体として各々
上述したように互いにある角度変位された下部駆動部材
414および上部駆動部材416の対応する電極と対向
する。従つて駆動電圧を駆動電極に加えたとき、駆動部
材414、416は下部駆動部材414内のビーム47
8〜481を中心に、且つ上部駆動部材416内のビー
ム484〜487を中心に平面内で振動する。しかして
駆動素子414、416および検出部材412、418
の組立体は図20Aに示される駆動軸を中心に振動す
る。上部駆動部材416および上部検出素子418の振
動は下部駆動部材414および下部検出部材412の振
動と逆方向になる。これらの振動は駆動電極470に印
加される駆動信号の周波数の2倍であるので、駆動信号
と検出部材412、418との結合は速度誤差として検
出されない。
示す。単軸回転速度センサ400aは、図20Aの下部
検出部材412が図20Aの検出素子418と実質的に
同一の検出素子418aと置き換えられているという点
のみにおいて2軸センサ400と異なる。検出素子41
8aの構成部材は検出素子418と同一の符号にサフイ
ツクス“a”を付して示してある。
62、464と平行なねじれバー部材462a、464
aを有する。これにより2つの検出素子418、418
aは検出素子418、418aのねじり軸により形成さ
れる平行な検出軸を有することになる。単軸回転速度セ
ンサ400aはこの単軸検出装置の角度振動入力に対し
同相阻止する利点を有している。
共に構成部材を結合することにより完全に組み立てられ
た図20Aの角速度センサ400の断面図が示される。
22は駆動素子502を有する角速度センサ500、被
駆動素子504、導電検出部材506およびピツクオフ
・トルク素子508を示す。
ラミツクあるいは他の同様な絶縁材料で作られた基板5
09を有することが好ましい。駆動素子502は複数の
駆動電極510と基板509の面上に金属化された複数
の駆動ピツクオフ電極512とを包有する。駆動素子5
02は好ましくは中央矩形結合領域513を有する。
素子504の面514を示している。被駆動素子504
は好ましくはシリコンウエハとして形成される。複数の
電極516は被駆動素子の面514上に形成される。電
極516は溝517が面514にエツチング処理されて
形成され得る。溝は好ましくは深さ約0.003インチ
までエツチング処理される。溝の底面は金属化処理され
て電極516が形成される。電極516は駆動電極51
0から角度的に変位されて配置され、電気信号が印加さ
れたとき本発明の上述の実施態様に採用したような方法
で被駆動素子504にトルクが発生され得る。
対のビーム520〜523に支承されるアノード結合領
域518である。アノード結合領域518は全体として
矩形状にされる。ビーム520〜523はアノード結合
領域518の側部から垂直に外側へ延びている。被駆動
素子の面514は好ましくは約5μmの距離だけアノー
ド結合領域から下方にエツチング処理される。アノード
結合領域518およびビーム520〜523は好ましく
は反応性イオンエツチング(RIE)法により形成され
る。
面530は酸化物層531で被覆し電気的に絶縁するこ
とが好ましい。検出部材506の下面にも酸化物層53
3を被覆することが好ましい。
レーム540を有する。検出素子542はフレーム54
0の外側縁部の直近の内側をエツチング処理することに
よりフレーム540の内側に形成される。このエツチン
グ処理により、検出素子およびフレーム540の対向す
る2端部間を延びる半径方向に整合された2ねじれバー
部材544、546により支承される全体として矩形の
検出素子542が残される。フレーム540は被駆動素
子504の上面530に固定され、被駆動素子504の
振動は検出部材506へ伝達される。
はパイレツクスガラス、セラミツクあるいは他の同様な
絶縁材料で作られることが好ましい。ピツクオフ・トル
ク素子508は検出部材506のフレーム540と結合
される。ピツクオフ・トルク素子508は一対の金属化
部550、552を有し、金属化部550、552は図
示のように接地するあるいはバイアス電圧を被駆動素子
504に与える電極として機能し得る。金属化部55
0、552からのワイヤ554、556はピツクオフ・
トルク素子508の中央通路560および検出素子54
2の開口部548を通過するように設けられる。
びトルク印加はピツクオフ/トルク素子508の底部に
金属化される電極557、559により行われる。
のセンサを背面合わせしてケース602に反力を与えな
いセンサシステム600を形成した状態の断面図を示
す。上部検出ユニツト604および下部検出ユニツト6
06は結合素子608の対向側に装着される。上部検出
ユニツト604および下部検出ユニツト606の検出軸
は互いに90度をなし、2軸センサを形成する。別の態
様として検出軸を平行に整合させて、被駆動周波数の近
傍の周波数に対し角度振動を阻止するデユアル精度単軸
検出を行うように構成することができる。
一対のフランジ610、612を有している。一対のブ
ラケツト614、616は夫々フランジ610、612
を受容すべくケース602の内側に装着されるねじりに
対し柔軟なマウント620は被駆動軸を中心に剪断力に
対し柔軟性を示し、フランジ610、612および対応
するブラケツト間に配置され、センサシステム600が
単一の周波数対向振動駆動装置により駆動されるように
構成されることが好ましい。
ることにより、航海級に採用し得る程度に高精度で反面
低廉化を充分に図つた回転センサを提供できる等の効果
を達成する。
解斜視図である。
子の斜視図である。
視図である。
図である。
ンサピツクオフ・トルク電極の底部平面図である。
図である。
オフ部を有する回転センサ装置の図5の線7−7に沿つ
た断面図である。
オフ部の略図である。
子を有するコリオリ回転センサからの出力信号を処理す
る回路である。
ク図である。
れる両方の検出素子を有するコリオリ回転センサからの
出力信号を処理する回路の一般化されたブロツク図であ
る。
分解斜視図である。
子の頂部平面図である。
の頂部平面図である。
る。
図である。
素子に含まれるねじり部材の断面図である。
対振動角速度センサの他の実施態様の分解斜視図であ
る。
センサの分解斜視図である。
他の実施態様の分解斜視図である。
角速度センサを形成するため図22の2つの装置を組み
合わせた装置の断面図である。
電極を示す図22の被駆動素子の1側部の斜視図であ
る。
解斜視図である。
子の斜視図である。
視図である。
図である。
ンサピツクオフ・トルク電極の底部平面図である。
図である。
オフ部を有する回転センサ装置の図5の線7−7に沿つ
た断面図である。
オフ部の略図である。
子を有するコリオリ回転センサからの出力信号を処理す
る回路である。
ク図である。
れる両方の検出素子を有するコリオリ回転センサからの
出力信号を処理する回路の一般化されたブロック図であ
る。
分解斜視図である。
子の頂部平面図である。
の頂部平面図である。
る。
図である。
まれるねじり部材の断面図である。
まれるねじり部材の断面図である。
まれるねじり部材の断面図である。
対振動角速度センサの他の実施態様の分解斜視図であ
る。
センサの分解斜視図である。
他の実施態様の分解斜視図である。
角速度センサを形成するため図22の2つの装置を組み
合わせた装置の断面図である。
電極を示す図22の被駆動素子の1側部の斜視図であ
る。
Claims (6)
- 【請求項1】 ハウジングと、ハウジング内に配置され
ハウジングおよび取付プレート間に配置される柔軟で制
動された複数のパツドを有する取付プレートと、取付プ
レートから延びるハブと、ハブに連結される第1の駆動
部材と、第1の駆動部材に連結される支承部材を有し、
駆動軸を中心とする第1の駆動部材の回転振動を支承部
材に伝達する第1の検出装置と、第1の駆動部材に連結
される第2の駆動部材と、第2の駆動部材に連結される
第2の検出装置とを備え、第1の駆動部材は駆動軸を中
心とする回転振動を発生し、第1の検出装置は支承部材
に連結される検出素子と第1の検出軸を中心とする検出
素子の振動の振幅の関数として入力回転速度を示す信号
を発生する装置とを包有し、検出素子は駆動軸を中心と
して支承部材と共に振動するように設けられ、検出素子
は検出軸および駆動軸の両方に対し垂直な入力軸を中心
とするフレームの入力回転速度に対し駆動軸に直角な検
出軸を中心として支承部材に対し回転可能に振動するよ
うに設けられ、検出素子は駆動軸を中心とするその慣性
モーメントが駆動軸に対し直角な2つの主軸を中心とす
る慣性モーメントの和に実質的に等しくなるように構成
され、第2の駆動部材は第1の駆動部材により発生され
る回転振動と反対方向の駆動軸回りの回転振動を発生す
るように設けられ、第2の検出装置は第1の検出装置と
実質的に同一にされ、第2の検出装置は第1の検出軸に
対し平行な第2の検出軸を中心として支承部材に対し回
転可能に振動する第2の検出素子を有し、第2の検出軸
を中心とする第2の検出素子の振動の振幅の関数として
入力回転速度を示す信号を発生する装置を有してなる回
転センサ。 - 【請求項2】 第2の検出軸が第1の検出軸に対し直角
に配置されてなる請求項1の回転センサ。 - 【請求項3】 基部と、基部上に形成される第1の組の
駆動電極と、ハブに装着され、且つ第1の組の駆動電極
に相当する第2の組の駆動電極を表面に形成してなる駆
動部材と、センサ部材とを備え、基部および駆動部材は
第1および第2の組の電極の対応する部材が互いに角度
的に変位されて配置され、第1および第2の組の電極に
電気信号を印加したとき駆動部材上にトルクを発生させ
駆動軸を中心とし、一平面上で駆動部材を回転振動させ
る対向関係をもつて配置され、センサ部材は駆動部材に
装着され、駆動部材の回転振動をセンサ部材に伝達させ
る外部支承リングと出力検出軸を中心とする検出素子の
振動の振幅の関数として駆動軸および検出軸に対し垂直
な軸を中心とする入力回転速度を示す信号を発生する装
置とを包有し、且つセンサ部材は支承リングの内側に設
けられた検出素子と支承リングおよび検出素子間に連結
された一対のねじりバー部材とを包有してなる回転セン
サ。 - 【請求項4】 駆動部材上に形成される第1の金属化部
と検出素子上に形成される第2の金属化部とを備え、第
1および第2の金属化部は駆動軸および検出軸に対し直
角な軸を中心とする検出素子の回転速度に左右される容
量を有するコンデンサを形成してなる請求項3の回転セ
ンサ。 - 【請求項5】 第1および第2の金属化部に連結され、
フイードバツクトルクを検出素子に与えて出力角度振動
を無効にし検出素子をゼロ位置に維持する装置を備えて
なる請求項4の回転センサ。 - 【請求項6】 周波数ωD/2を有する振動電気信号を
第1および第2の組の駆動電極に加えて駆動周波数ωD
で駆動部材を機械的に振動させる装置と、金属化部間の
容量を示す駆動周波数ωDでの信号を復調する装置とを
備え、検出素子が駆動周波数ωDとは異なるねじりバー
部材を中心とする振動の固有周波数を有しセンサを開放
ループで動作させるよう構成されてなる請求項4の回転
センサ。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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US08/903,499 | 1997-07-30 | ||
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