JPWO2017130312A1 - ジャイロスコープ - Google Patents
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Abstract
Description
実施例1の具体的構成を説明する前に、関連する積分レートジャイロスコープ(Rate integrating gyroscopes)について説明する。
図2は、本実施例におけるジャイロスコープを構成するセンサエレメントSE1の平面構成を示す図である。図2に示すように、本実施例のセンサエレメントSE1は、慣性体MS1、MS2、MS3、MS4を有している。慣性体MS1〜MS4は、其々接続部CU1〜CU4(慣性体MS1〜MS4の中央にある十字形の部分)と対になっている。
<X−Yディカップリングスプリングシステム>
次に接続部CU1〜CU4の構成について説明する。ここで、接続部CU1〜CU4のそれぞれは同一構成のため、接続部CU1〜CU4を接続部CUとして説明することにする。また、慣性体MS1〜MS4のそれぞれは同一構成のため、慣性体MS1〜MS4を慣性体MSとして説明することにする。
f=(k/M)の平方根
f:共振周波数
k:梁BMのばね定数
M:慣性体MSの質量
<リング状カップリングスプリングの縮退モード>
つぎに、慣性体MS1、MS2、MS3、MS4間のカップリングモードについて説明する。図2に示したように、慣性体MS1〜MS4は機械的にリング状の弾性体(リング状カップリングスプリング)SPRで接続される。リング状カップリングスプリングSPRの振動は、前記リング振動構造体のcos2θ(θ=45度)共振モード及び縮退モードを有する。本実施例では、図2に示した慣性体MS1〜MS4は、感度を上げるためにリング状カップリングスプリングSPRのθ=45度の共振モードの腹点の付近に接続される。すなわち、慣性体MS1〜MS4は図1(b)に示す腹点AD(0)の付近に接続される。腹点AD(0)は、点対称な位置に4か所あるため、これらを以下AD1、AD2、AD3、AD4、と称する。
図5は、リング状カップリングスプリングSPRと慣性体MSの接続部の構造の例を示す平面図である。図5にはリング状のカップリングスプリングSPRの一部のみが示されている。図5(a)に示した梁状の接続部501は、この例では、断面積がリング状カップリングリングSPRの断面積より小さく、リング状カップリングスプリングSPRの共振モード及び縮退モードの形状を影響を少なくしている。
既に述べたように、リング状カップリングスプリングSPRがモードの1つ(駆動振動軸)に励振され、リング状カップリングスプリングSPRの面に垂直の軸(z軸)周りで回転されると、コリオリの力のエネルギーをもう1つのモード(感知振動軸)に変換することができる。このような振動モードと縮退振動モードのペアは同じ共振周波数とすることができ、本質的に平衡状態であるため、駆動振動軸と感知振動軸とを相互に交換することができる。これにより、直接に角度の測定ができる。
続いて、本実施例におけるセンサエレメントSE1で、回転角度を測定する容量素子を説明する。
次に、本実施の形態1におけるジャイロスコープのセンサエレメントSE1の断面構成について説明する。
次に、図10によって駆動振動部の構成について説明する。振動駆動部は、図7の容量素子70〜77、あるいは図8の容量素子80〜83により構成することができる。以下では、図8の構成を例に振動駆動部10を説明する。図8の慣性体MS1とMS3のy方向と、慣性体MS2とMS4のx方向は半径方向と称し、慣性体MS1とMS3のx方向と、慣性体MS2とMS4のy方向は円周方向(円周の切線方向)と称する。円周方向の振動とは、円の中心に対して回転振動ではなく、接線方向に沿って平行振動することになる。
本実施の形態1におけるセンサエレメントSE1は、上記のように構成されており、以下では、センサエレメントSE1の動作について、図面を参照しながら説明する。
Error)制御部104、振幅制御部105、角度算出部106、フィードバック制御部107、変調部108、増幅部109、チューニング部110を有している。
図12を参照して説明する。本実施例は、慣性体MS1〜MS8と、アンカー接続部(接続部)CU1〜CU8と、リング状カップリングスプリングSPRと、リング接続部SPRC1〜SPRC8により構成する。
図13Aは図12の実施例における容量素子CDの配置例を示す平面図である。櫛歯電極は容量素子CDの一例である。容量素子の詳細は実施例1と同様である。また、直交位置に配置されている慣性体MS1、MS3、MS5、MS7のグループ,または慣性体MS2、MS4、MS6、MS8のグループが対称性であるため、グループ内において、駆動振動部とセンサ部を持てばよいため、1つの慣性体MSに、駆動振動部、センサ部を全て備えなくても良く、電極の数を減らすことができる。
図14は図12のセンサエレメントSE1の動作を模式的に示している。図14Aは共振モードのPrimary modeを示した。図14Bはθ=45度(n=2)の縮退モードの形状を示した。図14Cにはz方向回り(時計回り)に角速度が印加された場合におけるエネルギーを交換する原理を示す。
図15Aは図12のセンサエレメントSE1における、慣性体MSのレイアウト例を示す平面図である。図中黒い部分には部材が存在し、白抜きの部分は空隙となっている。中央にアンカーACRがあり、アンカーACRの周りに4つのシャトルSHと4つの容量素子CDが配置されている。このようなパターンは、図9に断面図を示したように、デバイス層1cをエッチング技術等により加工することで形成することができる。
以上で説明した本発明の実施例1〜3では、慣性体MSがリング状カップリングスプリングSPRに接続されているため、各慣性体MSの周波数整合が容易である。また、慣性体MSの質量を有効利用することにより、低ノイズが期待できるというメリットがある。
リング状カップリングスプリング:SPR
アンカー:ACR
シャトル:SH
接続部:CU
梁:BM
Claims (15)
- リング状の弾性体と、
前記リング状の弾性体に機械的に接続され、平面内に任意の方向に振動できる複数の慣性体と、
前記慣性体を振動させる駆動振動部と、
前記慣性体の変位を検出するセンサ部と、
を有するジャイロスコープ。 - 前記複数の慣性体は、
前記リング状の弾性体の中心に対して、点対称に配置されており、さらに、前記リング状の弾性体の円周方向に均等に配置されている、
請求項1記載のジャイロスコープ。 - 前記複数の慣性体は、
前記平面内の第1の方向に対して変形可能であり、前記第1の方向とは異なる第2の方向に対して前記第1の方向より変形しにくい第1支持部材と、
前記平面内の第2の方向に対して変形可能であり、前記第1の方向に対して前記第2の方向より変形しにくい第2支持部材と、により支持されている、
請求項1記載のジャイロスコープ。 - 前記第1の方向と前記第2の方向は直交する方向であり、
前記複数の慣性体の其々は、
前記第1の方向の共振時のばね定数kxと、前記第2の方向の共振時のばね定数kyとが同様となるように、前記第1支持部材および第2支持部材により支持される、
請求項3記載のジャイロスコープ。 - 前記複数の慣性体は、
前記前記リング状の弾性体と接続部により機械的に接続され、
前記接続部は、断面積が前記リング状の弾性体の断面積より小さく構成されている、
請求項1記載のジャイロスコープ。 - 前記複数の慣性体は、
前記前記リング状の弾性体と接続部により機械的に接続され、
前記接続部は、平面内での変形により前記慣性体の回転を抑える、
請求項1記載のジャイロスコープ。 - 第1方向および前記第1方向と直交する第2方向に変位可能な第1慣性体と、
前記第1方向および前記第2方向に変位可能な第2慣性体と、
前記第1方向および前記第2方向に変位可能な第3慣性体と、
前記第1方向および前記第2方向に変位可能な第4慣性体と、
前記第1慣性体を支持する第1接続部と、
前記第2慣性体を支持する第2接続部と、
前記第3慣性体を支持する第3接続部と、
前記第4慣性体を支持する第4接続部と、
前記第1慣性体と前記第2慣性体と前記第3慣性体と前記第4慣性体との間に設けられ、かつ、前記第1慣性体と前記第2慣性体と前記第3慣性体と前記第4慣性体を接続する接続体と、
を備える、ジャイロスコープ。 - 第1方向および前記第1方向と直交する第2方向に変位可能な複数の慣性体と、
前記複数の慣性体の其々を支持する接続部と、
前記複数の慣性体の間に設けられ、かつ、前記複数の慣性体を接続するカップリングスプリングと、
を備える、ジャイロスコープ。 - 前記カップリングスプリングは、
円環状の弾性体で構成される、
請求項8記載のジャイロスコープ。 - 前記複数の慣性体は、
前記円環状の弾性体の中心に対して、点対称に配置されており、さらに、前記円環状の弾性体の円周方向に均等に配置されている、
請求項9記載のジャイロスコープ。 - 前記接続部は、
基体に固定されたアンカーと、
前記アンカーに接続され、前記アンカーに対して相対的に、前記第1の方向に変位可能、かつ、前記第2の方向に前記第1の方向より変位しにくく構成された第1シャトルと、
前記アンカーに接続され、前記アンカーに対して相対的に、前記第2の方向に変位可能、かつ、前記第1の方向に前記第2の方向より変位しにくく構成された第2シャトルと、
を備え、
前記第1シャトルは前記慣性体に接続され、前記慣性体に対して相対的に、前記第2の方向に変位可能、かつ、前記第1の方向に前記第2の方向より変位しにくく構成され、
前記第2シャトルは前記慣性体に接続され、前記慣性体に対して相対的に、前記第1の方向に変位可能、かつ、前記第2の方向に前記第1の方向より変位しにくく構成される、
請求項8記載のジャイロスコープ。 - 前記複数の慣性体は、
前記円環状の弾性体の内側に配置されている、
請求項8記載のジャイロスコープ。 - 前記複数の慣性体は、
等価な質量を有している、
請求項8記載のジャイロスコープ。 - 前記慣性体のそれぞれは、
前記慣性体を振動させる駆動振動部を有し、
前記駆動振動部は前記円環状の弾性体をcos2θ共振モードに励振する、
請求項8記載のジャイロスコープ。 - 前記慣性体のそれぞれは、
前記慣性体の振動を検出するセンサ部を有し、
前記センサ部の出力信号に基づいて、
前記駆動振動部による駆動振動軸と与えられた回転による新たな振動軸との間の角度を測定することにより、与えられた回転の角度を検出する、
請求項14記載のジャイロスコープ。
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