(57)【要約】高い信号対雑音比と動的安定性を提供するコンパクト、軽量、コスト的に有利で自己内蔵型の予備用エレクトロニクスナビゲーションシステム（１００）を提供する。このシステムは、複数の回転速度信号を提供する第一のセンサモジュール（１２２）、複数の補償信号を提供する第二のセンサモジュール（１２４）、および回転速度信号および補償信号を処理して、信号をディスプレイ（１０２）に送り、単一のスクリーン上に高度情報、方向情報、および旋回調整情報を同時に表示するマイクロコントローラモジュール（１２６）を含む。一つの実施態様においては、第一センサモジュール（１２２）は、圧電素子でできた複数の回転センサを含む。圧電素子（Ｘ１〜Ｘ４、Ｙ１〜Ｙ４、Ｚ１〜Ｚ８）は、一様な特性をもつように圧電材料の単一シートからつくられ、回転速度センサに通常存在する系統的ドリフトおよび不規則雑音を低下させるために配置される。
2005517916.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電素子を形成する圧電材の単一シートをもつソリッドステートジャイロをもち、ジャイロスコープナビゲーション姿勢情報、方向情報および旋回調整情報を、ディスプレイ上に同時に表示することができるシステム。
【請求項２】
複数の回転速度信号の提供のための、複数の電気的な回転速度センサを
もつ、第一のセンサモジュール、
複数の補償信号の提供のための、複数の電気的な補償センサをもつ、第
二のセンサモジュール、
回転速度信号および補償信号の処理のための、第一のおよび第二のセン
サモジュールに結合された、マイクロコントローラモジュール、および、
姿勢情報、方向情報および旋回調整情報の同時表示のための、マイクロ
コントローラモジュールに結合された、ディスプレイ、
を含む、ジャイロスコープナビゲーションシステム。
【請求項３】
回転速度センサが圧電素子でつくられ、圧電素子が単一シートの圧電材料からつくられる、請求項２のシステム。
【請求項４】
回転センサの一つが方向ジャイロであり、もう一つの回転センサが姿勢ジャイロである、請求項３のシステム。
【請求項５】
方向および姿勢ジャイロのそれぞれが、
検証質量をもつ基板、
検証質量が膜に懸垂する膜、
膜上に作製される単一の共通電極層、
単一の共通電極層上に作製される単一シートの圧電材料、および
単一シートの圧電材料上に作製される複数の電極、電極を通って出力さ
れる回転速度信号、ここで電極、圧電材料、および単一の共通電極層のそれぞ
れが複数の圧電素子を形成する、
を含む三次元ソリッドステートジャイロである、請求項４のシステム。
【請求項６】
圧電素子が、複数の圧電素子の対によって、円形に配置されて構成され、対の中の一つの素子が円形の内側のリング上に作製され、対の中の他の素子が円形の外側のリング上に作製される、請求項５のシステム。
【請求項７】
対の二つの素子が等しい面積をもつ、請求項６のシステム。
【請求項８】
圧電素子のそれぞれの対が、検証質量の中心を通る軸の反対側に作製された圧電素子の鏡像対をもつ、請求項７のシステム。
【請求項９】
圧電素子が、複数の圧電素子の対によって、楕円形に配置されて構成され、対の中の一つの素子が楕円形の内側のリング上に作製され、対の中の他の素子が楕円形の外側のリング上に作製される、請求項５のシステム。
【請求項１０】
対の二つの素子が等しい面積をもつ、請求項９のシステム。
【請求項１１】
圧電素子のそれぞれの対が、検証質量の中心を通る軸の反対側に作製された圧電素子の鏡像対をもつ、請求項１０のシステム。
【請求項１２】
加速度、磁場、および温度に起因する相関雑音を軽減するために、補償センサが加速度、磁場、および温度補償信号を提供する、請求項２のシステム。
【請求項１３】
電源管理モジュールをさらに含み、電源管理モジュールが第一のセンサモジュール、第二のセンサモジュール、マイクロコントローラモジュール、およびディスプレイに接続されて電力を供給し、電源管理モジュールは、主電源とバッテリ電源との間を切替えられるスイッチを含み、正常な条件下では、スイッチは主電源に接続するように切替えられ、主電源が不足する事態では、スイッチはバッテリ電源に切替えられ、バッテリ電源が第一および第二センサモジュール、マイクロコントローラモジュール、およびＬＣＤディスプレイに電力を供給する、請求項２のシステム。
【請求項１４】
正常な条件下では、主電源がバッテリ電源のバッテリを充電する、請求項１３のシステム。
【請求項１５】
回転速度信号および補償信号をマイクロコントローラへ送る前に、回転速度信号および補償信号を自動的に変換するための変換器をさらに含む、請求項２のシステム。
【請求項１６】
検証質量をもつ基板、
検証質量が膜に懸垂する膜、
膜上に作製される単一の共通電極層、
単一の共通電極層上に作製される単一シートの圧電材料、および
単一シートの圧電材料上に作製される複数の電極、電極を通って出力
される回転速度信号、ここで電極、圧電材料、および単一の共通電極層のそれ
ぞれが複数の圧電素子を形成する、
を含むソリッドステートジャイロ。
【請求項１７】
圧電素子が、複数の圧電素子の対によって、円形に配置されて構成され、対の中の一つの素子が円形の内側のリング上に作製され、対の中の他の素子が円形の外側のリング上に作製される、請求項１６のジャイロ。
【請求項１８】
対の二つの素子が等しい面積をもつ、請求項１７のジャイロ。
【請求項１９】
圧電素子のそれぞれの対が、検証質量の中心を通る軸の反対側に作製された圧電素子の鏡像対をもつ、請求項１８のジャイロ。
【請求項２０】
圧電素子が、複数の圧電素子の対によって、楕円形に配置されて構成され、対の中の一つの素子が楕円形の内側のリング上に作製され、対の中の他の素子が楕円形の外側のリング上に作製される、請求項１６のシステム。
【請求項２１】
対の二つの素子が等しい面積をもつ、請求項２０のシステム。
【請求項２２】
圧電素子のそれぞれの対が、検証質量の中心を通る軸の反対側に作製された圧電素子の鏡像対をもつ、請求項２０のシステム。
【請求項２３】
機械式姿勢ジャイロ、機械式方向ジャイロ、機械‐電気式旋回コーデ
ィネータ／スリップ‐スキッドインジケータを含む複数の航空機主計器、
主計器とは独立に接続された予備ジャイロスコープナビゲーション
システム、
主電源は主計器および予備ジャイロスコープナビゲーションシステムに電力を供給し、主電源が不足するとき、姿勢情報、方向情報、および旋回調整情報を提供するために、予備バッテリ電源が予備ジャイロスコープナビゲーションシステムに電力を供給する、主電源およびバッテリ電源をもつ電力、
を含む航空機計器システム。
【請求項２４】
予備のジャイロスコープナビゲーションシステムが、
複数の回転速度信号の提供のための、複数の電気的な回転速度センサ
をもつ、第一のセンサモジュール、
複数の補償信号の提供のための、複数の電気的な補償センサをもつ、
第二のセンサモジュール、
回転速度信号および補償信号の処理のための、第一のおよび第二のセ
ンサモジュールに結合された、マイクロコントローラモジュール、および、
姿勢情報、方向情報および旋回調整情報の同時表示のための、マイク
ロコントローラモジュールに結合された、ディスプレイ、
を含む、請求項２３のシステム。
【請求項２５】
回転速度センサが圧電素子でつくられ、圧電素子が単一シートの圧電材料からつくられる、請求項２４のシステム。
【請求項２６】
回転センサの一つが方向ジャイロであり、もう一つの回転センサが姿勢ジャイロである、請求項２５のシステム。
【請求項２７】
方向および姿勢ジャイロのそれぞれが、
検証質量をもつ基板、
検証質量が膜に懸垂する膜、
膜上に作製される単一の共通電極層、
単一の共通電極層上に作製される単一シートの圧電材料、および
単一シートの圧電材料上に作製される複数の電極、電極を通って出力
される回転速度信号、ここで電極、圧電材料、および単一の共通電極層のそれ
ぞれが複数の圧電素子を形成する、
を含む三次元ソリッドステートジャイロである請求項２６のシステム。
【請求項２８】
圧電素子が、複数の圧電素子の対によって、円形に配置されて構成され、対の中の一つの素子が円形の内側のリング上に作製され、対の中の他の素子が円形の外側のリング上に作製される、請求項２７のシステム。
【請求項２９】
対の二つの素子が等しい面積をもつ、請求項２７のシステム。
【請求項３０】
圧電素子のそれぞれの対が、検証質量の中心を通る軸の反対側に作製された圧電素子の鏡像対をもつ、請求項２９のシステム。
【請求項３１】
圧電素子が、複数の圧電素子の対によって、楕円形に配置されて構成され、対の中の一つの素子が楕円形の内側のリング上に作製され、対の中の他の素子が楕円形の外側のリング上に作製される、請求項２７のシステム。
【請求項３２】
対の二つの素子が等しい面積をもつ、請求項３１のシステム。
【請求項３３】
圧電素子のそれぞれの対が、検証質量の中心を通る軸の反対側に作製された圧電素子の鏡像対をもつ、請求項３２のシステム。
【請求項３４】
加速度、磁場、および温度に起因する相関雑音を軽減するために、補償センサが加速度、磁場、および温度補償信号を提供する、請求項２４のシステム。
【請求項３５】
回転速度信号および補償信号をマイクロコントローラへ送る前に、回転速度信号および補償信号を自動的に変換するための変換器をさらに含む、請求項２４のシステム。
【請求項３６】
楕円形内の複数の圧電素子を形成する圧電材の単一シートをもつソリッドステートジャイロをもち、ジャイロスコープナビゲーション情報を、ディスプレイ上に表示することができるシステム。
【請求項３７】
単一の複数センサチップ上に複数のセンサを構成し、ジャイロスコープナビゲーション情報をディスプレイ上に表示することができる、ジャイロスコープナビゲーションシステム。
【請求項３８】
センサが、共有された下部電極層および共有された圧電層をもつソリッドステートジャイロおよび補償センサを含む、請求項３７のシステム。
【請求項３９】
センサが、個別の下部電極層および個別の圧電層をもつソリッドステートジャイロおよび補償センサを含む、請求項３７のシステム。
【請求項４０】
システムが、姿勢情報、方向情報、および旋回調整情報を含む、ジャイロスコープナビゲーション情報をディスプレイ上に同時に表示する、請求項３７のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、一般的に航空計器に関し、より詳しくは、姿勢インジケータ（ＡＩ）、方向ジャイロ（ＤＧ）、および回転コーディネータ（ＴＣ）／スリップ‐スキッドインジケータ等の、小型航空機の主計器用のジャイロスコープナビゲーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
（発明の背景）
全ての航空機は、大小、あるいは商業生産機か実験機かにかかわらず、さまざまなナビゲーションデータについて、ジャイロスコープに依存する。ほとんどの航空機は、機種方位および姿勢等の情報を導くために、機械式すなわち回転質量ジャイロを利用する。多くの場合、離れた場所に収容された航空機ジャイロ（複数のこともある）は、コックピットへデータを供給し、データはさまざまな機器に表示される。
【０００３】
試験用飛行機または一般飛行に用いられる航空機等の、小型航空機中の標準的な主計器は、姿勢インジケータ、機首方位インジケータおよび旋回コーディネータ／スリップ‐スキッドインジケータを含む。人工的水平線としても知られている、姿勢インジケータは、航空機の水平面に対する機首および翼の関係を示す。さらに、これまた方向ジャイロとして知られている、機首方位インジケータは、旋回、速度変化および乱流の間、磁気コンパス中で発生するエラーを打ち消すために用いられる。旋回コーディネータ／スリップ‐スキッドインジケータは、旋回の速度および性質を計る。ＩＦＲ（計器飛行規則）飛行の間、これらの計器、特に姿勢インジケータは、航空機の状況を決定するパイロットの手段である。
【０００４】
小型航空機中の標準的な主計器は、現在、真空または電気駆動の機械式ジャイロスコープを含む。とくに計器飛行の間、真空または電力の不足は、これらの計器を無力なものに変えてしまい、パイロットの方向感覚の喪失、時には、致命的な墜落に至る。
【０００５】
航空産業の内部では、機械的ジャイロスコープの不良および適当なバックアップシステムの欠如について、関心が高まりつつある。ＦＡＡは、最近、「音のない非常事態（Ｓｉｌｅｎｔ  Ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ）」と題する安全性パンフレットを発表し、小型航空機のパイロットが自分たちの航空機用にバックアップシステムを据付けるよう強調して述べている。さらに、試験航空機協会（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  Ａｉｒｃｒａｆｔ  Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ、ＥＡＡ）も、予備のジャイロスコープナビゲーションシステムの採用を積極的に推進している。
【０００６】
予備のジャイロスコープナビゲーションシステムは、多くの商用航空機で用いられてきた。商用の航空機では通常、どちらかのシステムの真空または電力が使用できない場合に、正しく機能するジャイロスコープが少なくとも一セットあることを保証するために、予備のナビゲーションシステムとして、主計器の第二セットが独立に据付けられている。しかし、主計器の第二セットをもつコストは、小さい航空機の場合には、極端に高価である。さらに、小型航空機は、余分な重量に極めて敏感である。その上、コックピットの大きさおよび計器板の空間は、小型航空機では非常に限られる。
【０００７】
他の型の予備ナビゲーションシステム、たとえば、グッドリッチのＥＳＩＳ  ＧＨ−３０００システムが開発された。グッドリッチシステムは、エレクトロニクス予備計器システムである。このシステムは、姿勢、高度、飛行速度、機首方位等のようなナビゲーション情報を提供し、情報はスクリーンディスプレイ上に示される。しかし、このシステムはユーザーフレンドリーではない。グッドリッチシステムのパイロットガイド（Ｐｉｌｏｔ  Ｇｕｉｄｅ）によると、姿勢、高度、飛行速度、機首方位および他のナビゲーション特性は、ＬＣＤスクリーンディスプレイ上に同時には表示されない。グッドリッチシステムは、モードセレクタによって選ばれた種々のスクリーン上で、ナビゲーション特性を表示する。パイロットは、飛行中に種々のナビゲーション特性を得るために、スクリーンを変えなければならない。これは、パイロットのコックピット管理の負担を増やし、その結果、全体的なパイロットの注意力を減らす。これは、小さい航空機の操縦においては危険であると考えられる。さらに、グッドリッチシステムは、一般的に小型航空機用には重すぎ、高価すぎる。
【０００８】
電子計器システムの性能に関連する主なパラメータの一つは、信号対雑音比である。一般的に、雑音には、不規則雑音および相関雑音の二種類がある。不規則雑音は、一般的には、センサの感度等の装置の特性に起因する。相関雑音に寄与する因子は、温度、振動、電磁場等を含む。信号と雑音との間の判別は、電子計器システムの性能を決定する。
【０００９】
電子計器の性能に関連するもう一つのパラメータは、しばしば動的安定性と呼ばれる指示値のドリフトである。例えば、航空機が一定角度で旋回し、その角度を保つと、ジャイロ計器もその角度への保持を示すはずである。しかし、ジャイロ計器は、不安定さのため、ある時間だけ保持して、その後水平位置にドリフトして戻る傾向がある。航空機が３分間より長く旋回してある角度を保持することは、通常はないとはいえ、ドリフトは性能の重要なパラメータである。一般的に、既存の予備計器システムは、水平位置へドリフトして戻る前に約３−４分間保持できる。より長い保留時間をもつシステムをもつことが望ましい。
【００１０】
したがって、改良された電子ナビゲーションシステムに対する需要がある。より詳しくは、より高い信号対雑音比およびより良い動的安定性をもつ、小型、軽量、費用効果のよい電子ナビゲーションシステムに対する需要がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（発明の要約）
上記および他の問題を解決するために、本発明は、内部バッテリーバックアップをもつジャイロスコープナビゲーションシステムを提供する。本システムは、航空機の主真空および電気系統から独立した予備ジャイロスコープナビゲーションシステムとして機能し、主計器の重大な故障の場合には、姿勢インジケータ、方向ジャイロおよび回転コーディネータ／スリップ‐スキッドインジケータ等の、通常は航空機の主計器によって提供される、重要なナビゲーション情報を提供する。本システムはまた、主ジャイロスコープナビゲーションシステムとしても機能する。
【００１２】
本発明の一つの実施態様においては、予備のジャイロスコープナビゲーションシステムが、一例として開示される。
【００１３】
さらに一つの実施態様においては、予備のジャイロスコープナビゲーションシステムは、バッテリ駆動され、航空機の主パワー系統からは、電気系からも真空系からもともに独立に機能する、三次元、ソリッドステートのジャイロスコープナビゲーションシステムである。本ジャイロスコープナビゲーションシステムは、高性能ソリッドステートジャイロスコープ、オンボード信号処理エレクトロニクス、カラー液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、およびバックアップバッテリを含む。
【００１４】
さらに、本発明の一つの実施態様においては、予備ジャイロスコープナビゲーションシステムは、複数の回転速度信号を提供する第一のセンサモジュール、複数の補償信号を提供する第二のセンサモジュール、回転速度信号および補償信号を処理し、処理した信号をディスプレイへ送り、通常は、姿勢ジャイロ、方角ジャイロおよび旋回コーディネータ／スリップ‐スキッドインジケータ等の航空機の主計器によって提供される、姿勢情報、方角情報、および旋回調整情報等のナビゲーション情報を、ディスプレイに表示するマイクロコントローラモジュールを含む。
【００１５】
また一つの実施態様においては、予備ジャイロスコープナビゲーション装置は、第一センサモジュール、第二センサモジュール、マイクロコントローラモジュール、およびＬＣＤディスプレイ等に電力を供給するための電源管理モジュールを含む。電源管理モジュールは、主電源と充電池電源との間を切り替えることができるスイッチを含む。正常な条件下では、スイッチは主電源側に接続され、このとき、主電源を用いて充電池電源を充電する。主電源が故障する事態では、スイッチは自動的に充電池電源を接続するよう切り替る。そうすると、充電池電源は第一および第二センサモジュール、マイクロコントローラモジュール、およびＬＣＤ等に電力を供給する。
【００１６】
さらに一つの実施態様においては、第一センサモジュールは、ピッチ、ロールおよびヨー角度のための回転速度を提供する一組の回転速度センサを含む。第二センサモジュールは加速度、磁場、および温度補償信号を提供するための一組のセンサを含む。
【００１７】
さらにまた一つの実施態様においては、待機ジャイロスコープナビゲーション装置は、信号をマイクロコントローラに送る前に、回転速度信号および補償信号をデジタル信号に変換するためのトランスジューサを含む。さらにまたもう一つの実施態様においては、提供されるナビゲーション情報はディスプレイの単一のスクリーン上に同時に表示される。
【００１８】
さらに一つの実施態様においては、回転速度センサは、圧電素子でつくられたソリッドステート、高性能回転速度センサである。圧電素子は、素子が一様な特性をもつように単一のシートの圧電材料からつくられている。
【００１９】
一つの実施態様においては、圧電素子は、懸垂された膜上に作製された内側のリングおよび外側のリングによって円形に配置されて構成される。外側のリングおよび内側のリング上の圧電素子は、差分対であり、円形の反対側の圧電素子の対に電気的にそれぞれ接続される。このような配置は、ジャイロ回転速度センサ中に通常存在する系統的なドリフトおよび不規則ノイズを低下させる。あるいは、圧電素子は楕円形に配置されて構成される。Ｘ方向の共鳴周波数は、Ｙ方向の共鳴周波数に対して、楕円形の長さ対幅の比に大体等しい比に比例してシフトする。共鳴周波数のオフセットは、表面に平行な共鳴振動モードが密接に結合しないため、装置の安定性をさらに高める。
【００２０】
さらにもう一つの本発明の実施態様においては、ジャイロおよび補償センサ等のジャイロスコープナビゲーション装置のセンサは、複数センサシリコンチップ上に形成される。この実施態様の利点は、補償信号が回転センサまたはジャイロ信号に高度に相関することである。センサが物理的に非常に近いところに位置し、それらの類似の構造により、温度およびエレクトロニクスノイズにより、同じように影響される。システムまたはサブシステムレベルで、複数センサチップはまた正確さおよび補償の改善度合を提供する。
【００２１】
さらに、姿勢、方向およびバンク角度情報が単一画面に表示される。本発明の一つの利点は、装置が自律的なことである。装置は航空機の電力系に接続されているが、故障が起きたときには、装置は充電池電力に切り替る。ソリッドステートジャイロのめざましい電力効率によって、装置は充電池電力で何時間も稼動できる。本発明のもう一つの利点は、装置がプラグアンドプレイで、メンテナンスフリー装置であることである。可動部品がないので、ソリッドステートジャイロは、従来のジャイロとは異なり、極めて長い寿命をもっている。本発明のジャイロは一般的にオーバーホールを必要とせず、したがって著しくコストを低減する。
【００２２】
本発明のさらなる利点は、装置が軽量なことである。多くの操縦士、特に小型高性能航空機の操縦士は、余計な重量には特に神経質である。装置の重量は好ましくは約２．０ポンド以下、より好ましくは１．０ポンド以下である。
【００２３】
本発明のもう一つの利点は、装置が頑丈であり、１０００Ｇ以上の衝撃に耐えることである。
【００２４】
本発明のさらにもう一つの利点は、あとからの装置の据付けが簡単なことである。装置はコンパクトで、航空機の操縦席の標準的な計器板の空きにおさまる。
【００２５】
予備ナビゲーション装置の心臓部、すなわちジャイロ、に関して、本発明の原理に合致する装置は、ソリッドステートマイクロジャイロスコープ（または「ジャイロ」）を含む。ジャイロは、振動、熱勾配、および電磁干渉により生まれる偽のノイズを排除しながら、回転速度に比例する電圧出力を発生する。ジャイロはピッチ、ロールおよびヨー等の回転を検出するために複数の高精度の薄膜圧電素子を利用する。正常な運転中には、ジャイロ上の選ばれた圧電素子が周期的な信号により駆動されて制御された機械的な振動を作り出す。ジャイロがピッチ、ロールまたはヨー等の回転運動に会うとと、コリオリ効果によって、ジャイロ上の他の圧電素子の間に特性電圧が生まれる。これらの電圧は増幅され平滑化されて、回転の速度に比例する高忠実度信号が取り出される。
【００２６】
一般的に、圧電材料は各種のセンサおよびアクチュエータに用いられる。圧電材料は機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換し、あるいは逆の変換をする。たとえば、圧電結晶に圧力が加えられると、それに比例する電圧が発生し、センサの機能を生み出す。加えられた力または圧力に応える電気信号の発生は、「一次圧電効果」として知られる。同様に、圧電結晶に電圧が加えられると、それに応じてアクチュエータとして膨張する。加えられた電場に応える幾何学的な変形（膨張または収縮）は「二次圧電効果」として知られる。センサとして機能しようと、アクチュエータとして機能しようと、結晶上に導電性の電極を適正に配置して、電気的エネルギーをそれぞれ捕集または加えなければならない。それゆえ、圧電センサ／アクチュエータは一般的に、ａ）一部の圧電材料、およびｂ）増幅器／外部電源のような電気回路へ／から電気エネルギーを取出／供給する適当に配置した導電性の電極を含む。
【００２７】
圧電材料は、当分野では、さまざまな単純なセンサおよびアクチュエータをつくり出すために、利用されてきた。センサの例は、振動センサ、マイクロフォン、および超音波センサを含む。アクチュエータの例は、超音波トランスミッタおよび線形位置決めデバイスを含む。しかし、これらの分野の例のほとんどでは、大まかなやり方で、バルクの圧電材料が機械加工され、あまり複雑でない素子に組立てられている。
【００２８】
これとは対照的に、本発明の原理によるジャイロスコープナビゲーション装置は、圧電材料を薄膜形で利用する。薄膜は、はるかに高い程度の複雑さをもつ正確なトランスジューサを可能とする。薄膜は以下の重要な特長を提供する。
【００２９】
１．    整合性  −  薄膜圧電材は、半導体産業では一般的な製作プロセス
を利用し、原子レベルで作製して、一定の形状に形成される。その
結果、従来のバルク機械加工されたデバイスよりも、素子のマッチ
ングが何百倍も優れた薄膜圧電素子が確実に製造される
２．    密度  ―  薄膜圧電素子は、極めて小さな（０．００１ｍｍ、すな
わち１ミクロンよりも小さい）大きさのものの画き込みを確実にか
つ制御して可能にするプロセスであるマイクロリソグラフィーを
用いて形成される。その結果、非常に多数の精密な圧電素子が単一
の微視的なトランスジューサ装置上に形成され、雑音、たとえばド
リフトを低減する差分配置を可能とする。
【００３０】
３．    正確さ  ―  薄膜形状では、圧電材料は低減された不規則雑音を示
す。システムレベルでは、雑音が低ければ、その効果はより正確な
読みとなる。
【００３１】
４．    低コスト  ―  薄膜圧電素子は、半導体産業では一般的なバッチ処
理技法を用いて形成される。単一のシリコンウエハー上への一般的
な薄膜化、パターン転写、およびエッチングのシーケンスは、文字
通り、数千個のトランスジューサ上に何百万もの精密圧電素子を形
成する。
【００３２】
上記の、および他の特長は、本発明に固有であって、デバイスよびシステムの総体的な性能を向上させる、新規な構成および独自の外観を可能とする。
【００３３】
複数の実施態様が開示されるが、それでも、実例として、発明を実行するために企図される最善モードである、発明の実施態様だけが示され説明される以下の詳細な説明から、本発明の他の実施態様は、当業者にとっては明らかであろう。本発明は、実感されるように、さまざまな明らかな様相において、すべて本発明の精神および範囲から逸脱することなく、修正が可能である。したがって、図面および詳細な説明は、性質として、例示的なものであり、限定を目的とするものではないとみなされるべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
（好ましい実施態様の詳細な説明）
一例として、本発明の好ましい実施態様における、予備ジャイロスコープナビゲーションシステム１００が開示される。本発明によるシステムは、一次ナビゲーションシステムとして用いられることがあると理解される。本発明の好ましい実施態様は、電池で駆動され、電気系でも真空系でも航空機の主パワー系統から独立して機能する、三次元、ソリッドステートのジャイロスコープナビゲーションシステムを提供する。
【００３５】
予備ジャイロスコープナビゲーションシステム１００の好ましい実施態様は、図１−１０で示されるように、高性能ソリッドステートジャイロスコープ、オンボード信号処理エレクトロニクス、カラー液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、バックアップバッテリ、および磁力計等の他のセンサを含む。
【００３６】
本発明は、単一のディスプレイ上での複数の機能の表示によってパイロットの作業負担を減らす傾向を反映する。システム１００は、伝統的に三つの個別の計器、すなわち、姿勢インジケータ（「ＡＩ）、方向ジャイロ）（「ＤＧ」）および旋回コーディネータ（「ＴＣ）／スリップ‐スキッドインジケータによって提供されているデータを、単一のディスプレイ上に同時に表示する。さらに、これらの伝統的にアナログ的な計器はデジタル的にシミュレーションされ、それによって、伝統的なアナログ計器から最新の全デジタルシステムへの転換を容易にする。
【００３７】
図１は、本発明の原理による、予備ジャイロスコープナビゲーションシステム１００の一つの実施態様の模式図を図示する。システムｌ００は、ミニチュアでコンパクトな自己内蔵型軽量ユニットである。システム１００は、好ましくは、ハウジング１０４中にインストールされるＬＣＤディスプレイ１０２を含む。ディスプレイ１０２は、通常は航空機の主計器によって提供されるジャイロスコープナビゲーション情報を提供する。ナビゲーション情報は、ＡＩ情報１０６、ＤＧ情報１０８およびＴＣ／スリップ‐スキッド情報１１０を含む。リセット押しボタン１１２およびダイヤル回転／押しボタン１１４は、ハウジング１０４上に配置され、飛行前の設定および飛行中の調整のプログラム化のために用いられる。これらのジャイロスコープのナビゲーション情報は、好ましくはＬＣＤディスプレイ１０２の単一の、明らかな、読みやすいスクリーン上に同時に示される。三つの主ナビゲーション計器を単一ディスプレイにまとめることにより、計器飛行の間に注視されなければならない計器の数、ならびに姿勢および機首方位等の航空機の物理的状況に関する不確実さを大いに減らす。
【００３８】
ＤＧ情報１０８は、飛行中の航空機の現機首方位を表示するはめ込みデジタル読み出し１１８をもつ、シミュレーションされたアナログの方向「テープ」を提供する。この構成は、デジタルデバイスの正確さと精密さとをもつ、標準的な回転式ＤＧに類似の読みを表示する。
【００３９】
ＡＩ情報１０６は、標準のアナログＡＩのデジタルシミュレーションを提供する。水平線に対するピッチ（すなわち、航空機の機首の傾き）および、ロール（すなわち、航空機の翼の傾き）は、ともにアナログ計器と調和した方法で表示される。
【００４０】
ＴＣ／スリップ‐スキッド情報１１０は、一般的にアナログ回転コーディネータ／スリップ‐スキッドインジケータに組み込まれる、回転コーディネータ／スリップ‐スキッドボールのデジタルシミュレーションを提供する。アナログ回転コーディネータ／スリップ‐スキッドインジケータ中では、機械的なスリップ/スキッドボールが、「ヨー」運動として知られる、航空機のＺ軸のまわりの航空機の運動に関連して動く。本発明のシステムは、非機械式のデジタル形式でこの測定を再現し、十分に受け入れられた視覚形式で、より正確なヨーの読みをパイロットに一目で示す。
【００４１】
システム１００は、好ましくは２．０ポンドより軽く、より好ましくは１．０ポンドより軽く、最高１，０００Ｇの衝撃に耐えられる。システム１００は、好ましくは、標準的な計器パネルの開口部におさまるように設計される。さらに、システム１００の深さは、好ましくは、ほんの２インチでしかない。示されているように、システム１００は、一組のねじ１１６または他の類似の取付け手段によって、航空機パネルの上へ確実に取付けられる。他の適切な大きさおよび重量が、発明の範囲から逸脱することなくシステム１００のために用いられることが、当業者には理解される。
【００４２】
ディスプレイ１０２のスクリーンは、好ましくは、人工水平線の上下の区域を識別するために、二つの色をもつ。一つの実施態様においては、人工水平線の上の色は青であり、下の色は褐色である。本発明の範囲内で、スクリーンの他のカ色の配置が用いられることが理解される。
【００４３】
図１に示されるように、予備ジャイロスコープナビゲーションシステム１００は、飛行中の航空機が、ほぼ１０度で左へ旋回しつつあり、またこの航空機がほぼ３度の角度で上昇しつつあることを示している。さらに、回転コーディネータ／スリップ‐スキッドインジケータ１１０のボールは中央にあり、飛行中に航空機の調和が取れていることを示す。
【００４４】
また、方向読み出しボックス１１８は、航空機の機首方位が３６０°であることを示す。これは、パイロットが、方向マーカー１２０を読み、または数えることなく、すばやく航空機の機首方位を認知することを可能にする。
【００４５】
図２は、本発明の原理による、予備ジャイロスコープナビゲーションシステム１００の一つの実施態様の、機能ブロック図を図示する。システム１００は、ピッチ、ロール、ヨー、信号、等のような適切な飛行情報を集め、処理し、および表示するいくつかの重要なモジュールを統合する。システム１００は、複数の回転速度信号を提供する第一のセンサモジュール１２２、複数の補償信号を提供する第二のセンサモジュール１２４、回転速度信号および補償信号を処理して、処理された信号をディスプレイドライバ１２８に送るマイクロコントローラモジュール１２６を含む。ディスプレイドライバ１２８は、通常は、姿勢ジャイロ、方向ジャイロおよび回転コーディネータ／スリップ‐スキッドインジケータ等の、航空機の主計器によってディスプレイ１０２上に提供される信号およびディスプレイジャイロナビゲーション情報を処理する。
【００４６】
第一センサモジュール１２２は、複数の回転速度センサまたはマイクロジャイロ１３６を含む。センサ１３６の一つは方向ジャイロ１３２用であり、他の一つは、姿勢ジャイロ１３０（図３を参照）用である。ドライバ１３４、たとえば、振動子が、回転速度センサ１３６へ振動信号を提供し、フィルタ１６０からフィードバックを受け取る。回転速度センサ１３６は、航空機のピッチ、ロール、およびヨー角度のための回転速度を提供する。回転速度センサ１３６の出力電圧信号は、ピッチ、ロール、およびヨー方向の回転速度に比例する。
【００４７】
第二センサモジュール１２４は、複数の補償センサを含む。補償センサの一つは、温度センサ１４０である。もう一つの補償センサは、加速度、振動または重力を測定するＤＣ加速度計１４２である。第三の補償センサは、磁場の大きさおよび方向を測定する磁力計１４４である。補償センサは、加速度、磁場、および温度補償信号を提供する。補償センサの出力電圧信号は、低周波線形（すなわちＤＣ）加速度、温度、および磁場方位に比例する。磁力計１４４等の補償センサは、システム１００のハウジングの外に置かれることがあると理解される。たとえば、外部磁力計は航空機の尾部に置かれることがある。同じように、図２および３においては、システム１００の他の構成部品が、システム１００のハウジングの外に置かれることがあると理解される。
【００４８】
アナログ‐デジタル変換器（ＡＤＣ）１３８は、ジャイロセンサ１３６および補償センサ１４０、１４２、１４４からの出力電圧信号をデジタル信号に変換して、データ処理のためにマイクロコントローラ１２６へ情報を送る。
【００４９】
さまざまなセンサデータにもとづいて、マイクロコントローラ１２６は航空機の実際の姿勢、方向および回転調整情報を提供し、ＬＣＤディスプレイ１０２へ情報を送る。マイクロコントローラ１２６は、メモリー１４９中に記憶された適当なソフトウェア１５０またはファームウェアの指示にもとづいて、変換器１３８からの信号を処理する複数の機能を実施する。マイクロコントローラ１２６のＣＰＵプロセッサ１４６は、姿勢および機首方位基準を決定する。メモリー１４８は、あらかじめ決められた工場トリム姿勢情報を提供する。メモリー１４８、１４９は、ＥＰＲＯＭ等の任意の適当なメモリーでよく、マイクロコントローラ１２６の外または中に実装される。
【００５０】
予備ジャイロスコープナビゲーションシステム１００はまた、第一センサモジュール１２２、第二センサモジュール１２４、マイクロコントローラモジュール１２６およびディスプレイ１０２に電源を供給するために、電力管理モジュール１５２を含む。電力管理モジュール１５２は、主電源１５４と電池電源１５６との間の切替えができるスイッチ１５３を含む。正常な状態では、スイッチは主電源１５４側につながっており、主電源１５４は合間にバッテリ電源１５６のバッテリを充電する。主電源１５４が不足することがあると、スイッチはバッテリ電源１５６につながるために切替えられる。そのときバッテリ電源１５６は、第一および第二センサモジュール１２２、１２４、マイクロコントローラモジュール１２６およびディスプレイｌ０２、等に電力を供給する。したがって、電力管理モジュール１５２は、主電源１５４が利用できるときにはバッテリ電源１５６を充電し、主電源１５４が不足すると、バッテリ電源１５６に戻って、システム１００へ一定の電圧供給を提供する。
【００５１】
正確に航空機の姿勢を決定するために、マイクロコントローラ１２６はいくつかのセンサ入力および補償法に依存する。センサからの生データは、マイクロジャイロの差分的な性質（詳細は下を見よ）のため、比較的「きれい」（すなわち、信号対雑音比が高い）である。振動、直線加速、高度および温度の変動に起因する信号摂動を除くことによって、正確さをさらに向上させられる。また、本発明においては、電磁遮蔽（ＥＭＩ）、耐衝撃性、断熱、および、圧力変動や湿気等、他の環境異常からの保護のために、外部ハウジングが提供されることがある。さらに、統合された磁力計が、長いセトリング時間上でも、正確な方向情報を提供する。
【００５２】
マイクロコントローラ１２６に送られるデータ信号ＸＡ、ＸＢ、ＸＣが図３に示される。Ｚ軸出力に比例する基準信号ＸＤ、ＸＥもまたそれぞれのジャイロから送られることに注意せよ。これらの基準信号ＸＤ、ＸＥはジャイロ動作の尺度であり、生のジャイロ出力を測り、データが妥当かを決定するためにマイクロコントローラ１２６によって、分析される。内蔵自己検査（ＢＩＳＴ）ルーチンはまた、ジャイロが正しく機能し、データ信号が妥当であることを保証するために、これらの基準信号を吟味する。
【００５３】
マイクロコントローラ１２６は、補償、データスケーリングおよび姿勢抽出法を含む操作プログラムフローから、機能する。システム１２０の全体的な操作フローは、あとで図９中に示される。
【００５４】
ジャイロ出力のそれぞれは、ある程度、すべての他センサ出力に応答して変化するため、非常に正確なデータを達成するためには、補償しなければならない。
たとえば、ピッチ信号は、飛行中の航空機の実際のピッチ速度にもっとも強く関連するが、直線加速（またはｇ‐力）、温度、および航空機のロール速度によってさえ影響される。下の表１は、マイクロコントローラ１２６へのセンサ入力ＸＡ‐ＸＪを定義し、表２は、それらの間の関係を定義する。ここで、係数ｉｊは任意の二つのセンサ信号間の直線相関の比例定数である。本発明の範囲内で、直線相関の他に、たとえば、指数関数、多項式、対数関係などの関数が用いられることは、当業者には理解される。
【００５５】
（表１：センサデータ変数の定義）
【００５６】
【表１】
2005517916.tif 000003
【００５７】
（表２：パラメータの関係）
【００５８】
【表２】
2005517916.tif 000004
【００５９】
一例として、補償されたピッチ速度ＹＡ（度／秒）に対する係数は
αＡＡ＝０．１００、  αＡＢ＝−０．１００、  αＡＣ＝−０．１００、
αＡＤ＝０．９００、  αＡＥ＝−０．０００、
αＡＦ＝−０．００１度／秒／Ｔ、  αＡＧ＝−０．００１度／秒／Ｔ、
αＡＨ＝−０．００１度／秒／Ｔ、  αＡＩ＝−０．１００度／秒／ｇ、
αＡＪ＝−０．０１０度／秒／ｇ、  αＡＫ＝−０．０１０度／秒／ｇ、
αＡＬ＝−０．０１０度／秒／℃。
である。
【００６０】
本発明の範囲内で、他の適当な因子が用いられることが理解される。
【００６１】
システム１００の正常な動作下では、好ましくは、操作プログラムが、連続ループ内で動く。各ループ内で、第一段階は、システムの条件を評価することである。データが予測範囲内にはいるかどうか、システムが決定するように、データが集められる。データが予測範囲内に入らなければ、エラー信号が発生され、プログラムは、ユーザーに可能な不良を急報する警告信号に戻る。データが妥当なら、次の階段は、数回のループ値、例えば、およそ十（１０）のループ値の平均を実施することである。この平均算出動作は、データをなめらかにして、アナログ‐デジタル変換時に発生する雑音を減らす傾向がある。平均されたデータは、それから表１および表２中に概略が示されるような、補償法に委ねられる。最終的な補償演算は、非常に長い時定数、たとえば近似的に１０分間にわたって平均して、速度信号中の系統的なオフセットを決定することである。それからこの最終平均化演算によって決定された残留オフセットが、速度信号から減じられる。これらの補償シーケンスの後、三つの主回転速度、ＹＡ、ＹＢおよびＹＣは、最終的な姿勢角度を得るために積分される。この姿勢情報は、ＬＣＤディスプレイ１０２に送られる。システムの動作は、後で図９に示されるフローチャート中でさらに説明される。
【００６２】
さらに、図３において、第一センサモジュール１２２中で、ドライバ１３４からの信号の第一の集合は、変調器１６２によってキャリヤー周波数で変調され、姿勢ジャイロ１３０へ送られる。姿勢ジャイロ１３０は、ピッチ角およびロール角のために回転速度信号を提供する。信号は、それから、増幅されるために低雑音増幅器（ＬＮＡ）１５８に送られ、不規則電気雑音を減らすためにフィルタ１６０に送られる。フィルタを通った信号は、復調器１６４に出力される。信号はそこで、キャリヤー周波数をフィルタで除いて、ピッチおよびロール角を表す信号を得るために、復調器１６４によって復調される。フィルタ１６０からの信号はまた、変調器１６２にも送り返される。説明の目的で、ジャイロ１３０および１３２は、二つの別々のデータ経路で示される。本発明の範囲内で、ジャイロ１３０および１３２は、一つのデータ経路内に実装され得ることが理解される。
【００６３】
また、図３においては、姿勢ジャイロ１３０と同様に、ドライバ１３４からの信号は、変調器１６２にキャリヤー周波数によって変調され、方向ジャイロ１３２へ送られ、方向ジャイロ１３２はヨー角度のために回転速度信号を提供する。信号は、それから増幅されるために低雑音増幅器（ＬＮＡ）１５８に送られ、不規則電気雑音を減らすために、フィルタ１６０へ送られる。フィルタを通った信号は、復調器１６４に出力される。信号は、そこで、キャリヤー周波数をフィルタで除いて、ヨー角を表す信号を得るために、復調器１６４によって復調される。フィルタ１６０からの信号はまた、変調器１６２にも送り返される。
【００６４】
第二センサモジュール１２４において、加速度計１４２は、ｘ‐ｙ‐ｚ座標にそれぞれ沿った、線形低周波加速度の読みを提供する。磁力計１４４は、ｘ‐ｙ‐ｚ座標に沿った方向の磁場の読みをそれぞれ提供する。加速度の読みおよび方向の読みは、それぞれ、加速度、振動および磁場に起因する相関雑音を補償するために用いられる。さらに、温度センサ１４０は、温度に起因する相関雑音を補償するために、信号を提供する。補償信号は、それから変換器１３８に送られ、デジタル信号に変換された後、マイクロコントローラ１２６に送られる。
【００６５】
回転速度センサは、圧電素子でできたソリッドステート、高性能回転速度センサであることが理解される。圧電素子は、素子が均一特性を所有するように、圧電材の単一のシートからつくられる。図４に示される一つの実施態様においては、本発明の原理による予備ジャイロスコープナビゲーションシステム１００のマイクロジャイロ１６６が、提供される。マイクロジャイロ１６６は、半導体産業では一般的な製造プロトコルを利用して、シリコンウエハー上で作製された固体デバイスである。シリコン集積回路（ＩＣ）に類似して、マイクロジャイロ１６６は、一般的に厚さが１ミクロン（０．００１ｍｍ）より少ないかまたは同程度の、一連の薄膜によって造り上げられる。
【００６６】
図４および５中に示されるように、マイクロジャイロ１６６は、シリコン基板１６５および、ドーナッツ形薄膜１７０に懸垂された、円筒形シリコンの検定質量１６８（多くの場合、「慣性質量」または「地震質量」と呼ばれる）を含む。シリコン基板１６５は、薄膜１７０とベース基板１６７の間で支えられる。マイクロジャイロ１６６がより良い耐衝撃性をもつように、検定質量１６８とシリコン基板１６５との間には、すき間１６９が提供される。
【００６７】
膜１７０の上には、たとえば、図４においては、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ｘ４、および図５においては、Ｘ１‐Ｘ４およびＹ１‐Ｙ４、およびＺ１‐Ｚ８のように、複数の薄膜圧電素子が配置される。検証質量１６８の高さは、好ましくは、約５００ミクロン、検証質量１６８の直径は、好ましくは、約４００ミクロンであり、膜１７０の外径は、好ましくは、約７００ミクロンである。膜１７０は、柔軟性、疲労強度、および周囲のシリコン基板との良好な熱膨張率の適合を示す、さまざまな異なる材料でつくられる。膜１７０のための好ましい材料は、好ましくは典型的な厚さが１ミクロンの、多結晶シリコンまたは窒化シリコンである。
【００６８】
圧電素子は、共通の下部電極層１７１を形成する金属、好ましくは、厚さ約０．１ミクロンの白金の単一の層、および圧電薄膜、好ましくは、厚さ約０．５ミクロンのＰＺＴの単一の層１７２から作製される。下部電極層１７１および圧電薄膜１７２のために、単一の共通の層を利用することによって、素子と素子密度との間の整合が増大し、これらの因子がジャイロの信号忠実度を改善する。さらに、単一の共通電極層１７１および圧電薄膜の単一層１７２を用いることによって、電気的接続の数およびコストが減らされ、デバイスの信頼性が改善される。圧電素子は、上部金属電極１７４、好ましくは、厚さ約０．１ミクロンの白金によって形状が定義される。圧電薄膜１７２は非導電性なので、圧電素子は、それぞれ上部電極１７４だけで定義され、素子間の電気的交信は無視できる。
【００６９】
図５は、予備ジャイロスコープナビゲーションシステム１００のマイクロジャイロ１６６の一つの実施態様の平面図を図示し、本発明の原理による、圧電素子配置の一つの例となる配置を示す。圧電素子Ｘ１‐Ｘ４、Ｙ１‐Ｙ４、およびＺ１‐Ｚ８は、内周リング１７６および外周リング１７８によって張られた、懸垂されたドーナッツ形膜１７０上で、円形に配置され、構成される。圧電素子の配置は、膜１７０の内側区域と外側区域とで隣り合って位置する差分対（すなわち、Ｘ１およびＸ２）を含む。それぞれの対は、最適の整合のために構成され、それによって、不規則雑音を最小にする。たとえば、圧電素子Ｘ１およびＸ２は、同一の電極面積をもち、最小間隔で置かれる。等しい面積をもつ素子は同じ材料特性ならびに同じ温度‐電気応答をもつため、素子の等しい面積は、デバイスが整合したインピーダンスをもつことを可能にする。
【００７０】
さらに、検証質量１６８の反対側には、同一の鏡像対（すなわち、Ｘ１／Ｘ２およびＸ３／Ｘ４）が配置される。作動中に、これらの四つ組（２Ｘ２）は、指定された座標軸に沿った運動と関連する電圧を発生させる。差分的な性質および座標軸に沿った対称的な配置は、他の方向の運動の混入を排除することを可能にし、それによって、信号の正確さは増大する。「軸外れ排除」の量は、主に対の対称性、素子の整合、および精密配置によって決まる。そのような配置は、回転速度センサに普通存在する系統的ドリフトおよび不規則雑音を減らし、それによって、システム１００の性能を劇的に改善する。
【００７１】
システム１００の検知動作は、コリオリの効果（Ｃｏｒｉｏｌｉｓ  Ｅｆｆｅｃｔ）にもとづく。通常の動作では、素子Ｚ１、Ｚ３、Ｚ５およびＺ７に周期電圧が印加される。二次圧電効果（発明の要約中の定義を見よ）によって、これら  四つのＺ‐素子の下の膜１７０は偏向され、検証質量１６８は、印加電圧と同じ周期的な速度で、Ｚ軸（図５中で表面に垂直）に沿って振動させられる。Ｘ軸のまわりに回転が加わると、Ｙ軸方向にコリオリの力が生じる。同じように、Ｙ軸のまわりに回転が加わると、Ｘ軸方向にコリオリの力が生じる。コリオリの力は、検証質量１６８の重量、振動周波数、振動の大きさおよび回転の速度に比例する。圧電素子Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、およびＸ４は、Ｙ軸の周りの回転に関連する、Ｘ軸に沿ったコリオリの力を検出する。同じように、圧電素子Ｙ１、Ｙ２、Ｙ３、およびＹ４は、Ｘ軸のまわりの回転に関連する、Ｙ軸に沿ったコリオリの力を検出する。
【００７２】
素子Ｚ２、Ｚ４、Ｚ６およびＺ８は、いくつかの異なる機能のために用いられる。図６に示される一つの実施態様においては、これらの素子は、素子Ｚ１、Ｚ３、Ｚ５およびＺ７に対して、１８０°位相をずらした周期的な電圧で駆動される。出力電圧Ｖｏｐ、Ｖｏｒ（「ｐ」は「ピッチ」を、「ｒ」は「ロール」を表す）がフィルタ１６０に送られる。好ましい実施態様においては、図７に示されるように、素子Ｚ２、Ｚ４、Ｚ６およびＺ８は、Ｚ軸に沿った振動に比例する出力電圧を提供するセンサとして機能させられる。さらに、もう一つの実施態様においては、Ｚ軸に沿った振動は、図８に示されるように、振動モード中の非理想特性をさらに減らすために、Ｚ‐素子のそれぞれを独立に検知させ、駆動させることによって、同調されイコライズされる。図７および図８の実施態様においては、Ｚ２、Ｚ４、Ｚ６およびＺ８素子から発生する出力電圧Ｖｏｒｅｆ、Ｖｏｒｅｆ１、Ｖｏｒｅｆ２、Ｖｏｒｅｆ３、Ｖｏｒｅｆ４は、フィードバックループ中で周期的な駆動信号を制御するために用いられる。このフィードバック動作モードは、温度変化および他の環境異常に対する防御力を提供し、ジャイロ性能の総体的な忠実度を改善する。圧電整合の品質および対称性が、この動作モードを可能にする。
【００７３】
ミクロジャイロ１６６は、さまざまな適用可能な産業界で、本発明の原理によって、微妙な動きの運動を検出するために用いられ得ることが理解される。たとえば、ミクロジャイロ１６６は、自動車産業においては、ロールオーバーの動き、アンチロックブレーキの動き等の検出のため、消費者エレクトロニクス産業においては、パーソナルデータアシスタント（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄａｔａ  Ａｓｓｉｓｔａｎｔ、ＰＤＡ）デバイス、携帯電話等の動きによる電源投入のため、リモートデータ入力等のため、またはカメラの動きにもとづくレンズの補償等のため、医療デバイス産業においては、患者の行動、生物応答の監視のため、除細動器、ペースメーカー等のデバイスの自動調整のため、あるいは、防衛産業においては、衛星アンテナの動きの検出等のために、用いられ得る。航空計器用のジャイロスコープナビゲーションシステム１００へのミクロのジャイロ１６６の利用は、多数の用途の単なる一つの例でしかない。
【００７４】
図９は、本発明の原理による、予備ジャイロスコープナビゲーション動作１８０の動作フロー図を示す。動作１８０は、システム電源投入の動作１８２およびシステムのチェック動作１８４で始まる。判定動作１８６から、システムが正常な状態で動作していなければ、システムは動作１８８においてエラーを表示する。判定動作１８６から、システムが正常状態で動作していれば、システムは、動作１９０においてリセットされ、以前の姿勢情報はすべてクリアされる。それから、動作１９２において、ディスプレイの情報が更新される。次に、動作１９４において、すべてのセンサデータが集められる。判定動作１９６から、検出データが妥当でなければ、システムは、動作１８８においてエラーを表示する。判定動作１９６から、検出データが妥当であれば、動作１９８において、直前の時間範囲（たとえば、１ｍｓ（ミリ秒））にわたるＸＬに対するＸＡについて平均データが計算される。で計算される。
【００７５】
それから、動作２００において、システムは表１に示されるような交差結合項を補償する。たとえば、ＹＡの交差結合項は、ＸＢ対ＸＬである。次に、動作２０２において、ある時間、たとえば１０分間のＹＡ対ＹＣの平均データが計算される。それから、システムは、動作２０４において、ピッチ、ロールおよびヨーを含む姿勢情報を得るために、速度を積分する。次に、システム検査動作２０６が実施される。判定動作２０８から、システムが正常状態で機能していれば、システムは、動作１９２において、更新された姿勢情報を表示する。判定動作２０８から、システムが正常状態で機能していなければ、システムは、動作１８８において、エラーを表示する。
【００７６】
これらの動作は、航空機がその運転を停止するまで、続く。システムがエラーを表示すると、システムは、動作２０９において、再開させられ、あるいは、その動作を停止させられる。動作２０２においては、さらに長い時間が計算され得ること理解される。したがって、航空機が一定の角度旋回し、その角度を保つとき、さらに長い保留時間が実現され得る。したがって、動的安定性が著しく改善される。
【００７７】
図１０は、予備ジャイロスコープナビゲーションシステム１００のマイクロジャイロ１６６′の圧電素子の代替配置を示す。円形に配置され、構成される代わりに、圧電素子Ｘ１′‐Ｘ４′、Ｙ１′‐Ｙ４′、およびＺ１′‐Ｘ８′は、内周リング１７６′および外周リング１７８′によって張られた、懸垂されたドーナッツ形膜１７０上で、楕円形に配置され、構成される。
【００７８】
図５中に示される配置に類似して、図１０における配置は、内側区域と外側区域とで隣り合って位置する差分対を含む。それぞれの対は、不規則雑音を最小にすることによって、そこで最適の整合のため構成される。また、対は、同一の電極面積をもち、最小間隔で置かれる。
【００７９】
さらに、検算質量１６８′の反対側に、同一の鏡像対が置かれる。電極およびそれらのそれぞれの機能は、円形の実施態様と同一である。しかし、Ｘ‐方向の共鳴振動周波数は、図１０において示されるように、Ｙ‐方向の共鳴振動周波数に対して、比Ｃ：Ａに比例してシフトする。Ｃは楕円形の長さ、Ａは楕円形の幅である。図１１（ａ）は、円形配置の場合の共鳴挙動を示し、図１１（ｂ）は、オーバル、すなわち、楕円形の配置の場合の共鳴挙動を示す。周波数オフセットｄｆは、比Ｃ：Ａに比例する。そのような共鳴周波数のオフセットは、素子表面に平行な共鳴振動モードが密接に結合しないため、システム１００の安定性をさらに増大させる。
【００８０】
さらに、上記で説明されたジャイロスコープナビゲーションシステムは、本発明の原理によって、複数センサチップ上に構成され得る。ジャイロおよび他の補償センサ、例えば加速度センサは、単一のシリコン基板上に構成され、作製される。補償センサは、一般的に総体的な正確さを増すために用いられる。この実施態様の長所は、補償信号が回転センサ信号と高度に相関していることである。高い相関は、必ずしもそれに限られないが、センサが物理的に非常に接近して置かれ、同じ効果を経験し、同じ作製段階を用いて製造され、類似の構造のために温度および電子性雑音によって同じように影響を受けたという事実から達成される。システムまたはサブシステムレベルで、複数センサチップはまた、改善された度合いの正確さおよび補償を提供する。
【００８１】
図１２（ａ）および１２（ｂ）は、複数センサチップ２１０の二つの異なる実施態様を示す。図１２（ａ）は、下部電極層２１２を共有し、圧電層２１４を共有する二つのセンサ２１６、２１８をもち、複数センサチップ２１０上に構成されたジャイロスコープナビゲーションシステムを示す。図１２（ｂ）は、下部電極層２１２を個別にもち、圧電層２１４を個別にもつ二つのセンサ２１６、２１８をもち、複数センサチップ２１０上に構成されたジャイロスコープナビゲーションシステムを示す。本発明の範囲内で、複数センサチップ２１０上に構成されたセンサの数は、変えられることが理解される。
【００８２】
図１３は、センサ２１６および２１８、ならびに出力ボンディングのための複数のエレクトロニクスボンディングパッド２２０、２２２を含む、複数センサチップ２１０の平面図である。図に示されるように、センサ２１６および２１８は円形に配置されている。センサは、図１０に示される楕円形のような、他の多数の形状に構成されることが理解される。
【００８３】
図１４は、複数センサチップ２１０上に構成されたジャイロスコープナビゲーションシステムの一つの実施態様の機能ブロック図である。第一のセンサ２１６は、ジャイロスコープまたは回転速度センサ１２２として機能するために、上記で図２および３において説明されたように、振動フィードバック回路に結線される。第二のセンサ２１８は、ＤＣ加速度計１４２等の、補償センサとして機能するために、上記で図２および３において説明されたように、増幅回路に結線され、加速度出力を提供する。
【００８４】
本発明は、好ましい実施態様を参照して、説明されたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形および細目における変化が加えられることを、当業者は認識するであろう。たとえば、ジャイロが、石英ソリッドステートジャイロ等の、ソリッドステートジャイロの他の種類であり得ることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】図１は、本発明の原理による、ジャイロスコープナビゲーションシステムの一つの実施態様の模式図であり、ジャイロスコープナビゲーションシステムのＬＣＤディスプレイを示す。
【図２】図２は、本発明の原理による、ジャイロスコープナビゲーションシステムの一つの実施態様の機能ブロック図である。
【図３】図３は、本発明の原理による、ジャイロスコープナビゲーションシステムのセンサモジュールおよびデータ信号の一つの実施態様の機能ブロック図である。
【図４】図４は、本発明の原理による、ジャイロスコープナビゲーションシステムのマイクロジャイロの一つの実施態様の断面図である。
【図５】図５は、本発明の原理による、ジャイロスコープナビゲーションシステムのマイクロジャイロの一つの実施態様の平面図であり、圧電素子の一つの配置を示す。
【図６】図６は、本発明の原理による、対称差動素子の並列接続のためのジャイロの電気的な構成の第一の実施態様の模式図であり、ｚ軸振動制御用フィードバックをもたない。
【図７】図７は、本発明の原理による、対称差動素子の並列接続のためのジャイロの電気的な構成の第二の実施態様の模式図であり、ｚ軸振動制御用フィードバックをもつ。
【図８】図８は、本発明の原理による、対称差動素子の並列接続のためのジャイロの電気的な構成の第三の実施態様の模式図であり、適応可能なｚ軸振動制御用フィードバックをもつ。
【図９】図９は、本発明の原理による、ジャイロスコープナビゲーションシステムの動作の動作フローである。
【図１０】図１０は、本発明の原理による、ジャイロスコープナビゲーションシステムのマイクロジャイロの実施態様の平面図であり、圧電素子の代替配置を示す。
【図１１（ａ）】図１１（ａ）は、圧電素子の円形の配置と楕円形の配置との間の、共鳴振動周波数比較の模式図である。
【図１１（ｂ）】図１１（ｂ）は、圧電素子の円形の配置と楕円形の配置との間の、共鳴振動周波数比較の模式図である。
【図１２（ａ）】図１２（ａ）は、本発明の原理による、複数センサチップ上に、共有の下部電極層および共有の圧電層を用いて構成されたジャイロスコープナビゲーションシステムの断面模式図である。
【図１２（ｂ）】図１２（ｂ）は、本発明の原理による、複数センサチップ上に、共有の下部電極層および個別の圧電層を用いて構成されたジャイロスコープナビゲーションシステムの断面模式図である。
【図１３】図１３は、本発明の原理による、複数センサチップ上に構成されたジャイロスコープナビゲーションシステムの一つの実施態様の平面模式図である。
【図１４】図１４は、本発明の原理による、複数センサチップ上に構成されたジャイロスコープナビゲーションシステムの一つの実施態様の機能ブロック図である。
【図１】
2005517916.tif 000005
【図２】
2005517916.tif 000006
【図３】
2005517916.tif 000007
【図４】
2005517916.tif 000008
【図５】
2005517916.tif 000009
【図６】
2005517916.tif 000010
【図７】
2005517916.tif 000011
【図８】
2005517916.tif 000012
【図９】
2005517916.tif 000013
【図１０】
2005517916.tif 000014
【図１１（ａ）】
2005517916.tif 000015
【図１１（ｂ）】
2005517916.tif 000016
【図１２（ａ）】
2005517916.tif 000017
【図１２（ｂ）】
2005517916.tif 000018
【図１３】
2005517916.tif 000019
【図１４】
2005517916.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成16年2月2日(2004.2.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜状である複数の圧電素子を形成する圧電材料のシートを有するソリッドステートジャイロを有するシステムであって、ジャイロスコープナビゲーション姿勢情報、方向情報および旋回調整情報をディスプレイ上に同時に表示することが可能なシステム。
【請求項２】
検証質量を有する基板と、
膜であって、該検証質量が該膜に懸垂する、膜と、
該膜上に作製される共通電極層と、
該共通電極層上に作製される薄膜状である圧電材料のシートと、
該圧電材料のシート上に作製される複数の電極であって、回転速度信号が該電極を通って出力され、該電極、該圧電材料および該共通電極層の各々が複数の圧電素子を形成する、複数の電極と
を含むソリッドステートジャイロ。
【請求項３】
前記圧電素子が、複数の圧電素子の対によって円形に配置されて構成され、対のうちの一つの素子が該円形の内側のリング上に作製され、該対のうちの他の素子が該円形の外側のリング上に作製される、請求項２のジャイロ。
【請求項４】
前記対の二つの素子が等しい面積を有する、請求項３のジャイロ。
【請求項５】
圧電素子のそれぞれの対が、検証質量の中心を通る軸の反対側に作製された圧電素子の鏡像対を有する、請求項４のジャイロ。
【請求項６】
前記圧電素子が、複数の圧電素子の対によって、楕円形に配置されて構成され、対のうちの一つの素子が該楕円形の内側のリング上に作製され、該対のうちの他の素子が該楕円形の外側のリング上に作製される、請求項２のシステム。
【請求項７】
前記対の二つの素子が等しい面積を有する、請求項６のシステム。
【請求項８】
圧電素子のそれぞれの対が、前記検証質量の中心を通る軸の反対側に作製された圧電素子の鏡像対を有する、請求項６のシステム。
【請求項９】
楕円形内の複数の圧電素子を形成する薄膜状である圧電材料のシートを有するソリッドステートジャイロを有するシステムであって、ジャイロスコープナビゲーション情報をディスプレイ上に表示することが可能なシステム。
【国際調査報告】
2005517916.tif 000021
2005517916.tif 000022
2005517916.tif 000023
2005517916.tif 000024