(57)【要約】３軸センサであって、実質的にリングまたはフープ形構造を有する実質的に平面の振動共振器（２）、共振器（２）を平面内のcos2θの振動モードで振動させる駆動手段（４）、前記駆動手段に応答して、共振器の運動を感知するための搬送波モードのピックオフ手段（５）、ｚ軸の周りを回転することによって引き起こされる平面内のsin2θの共振器の運動を感知するためのピックオフ手段（６）、前記運動をゼロにするための駆動手段（７）、ｘ軸の周りを回転することによって引き起こされる平面外のsin3θの共振器の運動を感知するためのピックオフ手段（８）、前記運動をゼロにするための駆動手段（９）、ｙ軸の周りを回転することによって引き起こされる平面外のcos3θの共振器の運動を感知するためのピックオフ手段(10)、前記運動をゼロにするための駆動手段（11）、および共振器を柔軟に支持するための支持手段（９）が構成されていて、支持手段が、Ｌ≠２Ｊ×３Ｋ、Ｊ＝０、１、または２、Ｋ＝０または１、およびＬ＜２４として、Ｌ本のみの桁を有する３軸レートセンサ。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３軸センサであって、共通軸の周りに延びている、内周部および外周部を有する実質的にリングまたはフープ形構造を有する実質的に平面の振動共振器、共振器を平面内のcos2θの振動モードで振動させる駆動手段、前記駆動手段に応答して、共振器の運動を感知するための搬送波モードピックオフ手段、ｚ軸の周りを回転することによって引き起こされる平面内のsin2θの共振器の運動を感知するためのピックオフ手段、前記運動をゼロにするための駆動手段、ｘ軸の周りを回転することによって引き起こされる平面外のsin3θの共振器の運動を感知するためのピックオフ手段、前記運動をゼロにするための駆動手段、ｙ軸の周りを回転することによって引き起こされる平面外のsin3θの共振器の運動を感知するためのピックオフ手段、前記運動をゼロにするための駆動手段、および共振器を柔軟に支持するための支持手段であって、駆動手段および加えられた回転に応答して、支持手段に相関して共振器を振動させることができる支持手段が構成されていて、支持手段が、Ｌ≠２Ｊ×３Ｋ、Ｊ＝０、１、または２、Ｋ＝０または１、およびＬ＜２４として、Ｌ本のみの支持桁を有する３軸レートセンサ。
【請求項２】
３軸センサであって、共通軸の周りに延びている、内周部および外周部を有する実質的にリングまたはフープ形構造を有する実質的に平面の振動共振器、共振器を平面内のcos3θの振動モードで振動させる駆動手段、前記駆動手段に応答して、共振器の運動を感知するための搬送波モードピックオフ手段、ｚ軸の周りを回転することによって引き起こされる平面内のsin3θの共振器の運動を感知するためのピックオフ手段、前記運動をゼロにするための駆動手段、ｙ軸の周りを回転することによって引き起こされる平面外のcos2θの共振器の運動を感知するためのピックオフ手段、前記運動をゼロにするための駆動手段、および共振器を柔軟に支持するための支持手段であって、駆動手段および加えられた回転に応答して、支持手段に相関して共振器を振動させることができる支持手段が構成されていて、支持手段が、Ｌ≠２Ｊ×３Ｋ、Ｊ＝０、１、または２、Ｋ＝０または１、およびＬ＜２４として、Ｌ本のみの支持桁を有する３軸レートセンサ。
【請求項３】
Ｌ＜２４である請求項１または２記載のレートセンサ。
【請求項４】
各支持桁には、円弧状部分の対向する末端部から延びている第１および第２の直線状部分が構成されている請求項１ないし３の何れか１項記載のレートセンサ。
【請求項５】
支持桁が、実質的に等しい角度間隔を空けている請求項１ないし４の何れか１項記載のレートセンサ。
【請求項６】
支持手段には、突起ボスを有するベースが構成されていて、実質的にリングまたはフープ形構造の内周部が、支持桁によってボスに接続され、支持桁が、リングまたはフープ形構造の内周部から突起ボスへ延びていて、したがってリングまたはフープ形構造が、ベースから離れている請求項１ないし５の何れか１項記載のレートセンサ。
【請求項７】
支持桁の全剛性が、リングまたはフープ形構造の剛性よりも弱い請求項１ないし６の何れか１項記載のレートセンサ。
【請求項８】
添付の図面の図６および７を参照して、または実質的に示されているように、あるいはこの両者で、上述で実質的に記載されているレートセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３本の軸に対して加えられたレートを感知するためのレートセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
コリオリレートセンサにおいて平面リング形共振器を使用することは、よく知られている。第GB 9620982.0号には、図１ａおよび１ｂに示されているような平面内のsin2θ/cos3θの振動モードの対を、図２ａおよび２ｂに示されている平面外のsin3θ/cos3θの対と組合せて使用する装置が記載されている。平面内のcos2θのモードは、一般に一定の振動振幅を維持する搬送波モードとして励起される。装置が、リングの面に垂直な軸（ｚ軸）の周りを回転すると、コリオリ力が引き起こされ、対応する平面内のsin2θモードへエネルギーが結合される。装置が、リングの面内のｙ軸の周りを回転すると、コリオリ力が引き起こされ、平面外のcos3θの応答モードへエネルギーが結合される。装置が、リングの面内のｘ軸の周りを回転すると、コリオリ力が引き起こされ、平面外のsin3θ応答モードへエネルギーが結合される。引き起こされた応答モードの運動の振幅は、適切な入力軸の周りにおける加えられた回転レートに正比例する。第GB 9620982.0号には、３軸レートセンサ装置であって、図３ａおよび３ｂに示されているような平面内のsin3θ/cos3θの振動モードの対を、図４ａおよび４ｂに示されている平面外のsin2θ/cos3θの対と組合せて使用する３軸レートセンサ装置も記載されている。平面内のcos3θモードは、一般に一定の振動振幅に維持される搬送波モードとして励起される。装置が、リングの面に垂直な軸（ｚ軸）の周りを回転すると、コリオリ力が引き起こされ、対応する平面内のsin3θのモードへエネルギーが結合される。装置が、リングの面内のｙ軸の周りを回転すると、コリオリ力が引き起こされ、平面外のcos2θの応答モードへエネルギーが結合される。装置が、リングの面内のｘ軸の周りを回転すると、コリオリ力が引き起こされ、平面外のsin2θの応答モードへエネルギーが結合される。引き起こされた応答モードの運動の振幅は、適切な入力軸の周りの加えられた回転レートに正比例する。
【０００３】
これらの装置において、搬送波モード振動数および３つの応答モード振動数は、名目上、同じでなければならない。これらの振動数が正確に整合するときは、応答モードの振動の振幅が、構造の機械的品質因数（mechanical quality factor, Q）によって増幅される。これは、構造公差は必然的により厳密にする。実際には、適切な位置に材料を加えるか、または取り除くかによって、振動構造または共振器のバランスを精密に調整することが必要である。これにより、モードに対する剛性または質量のパラメータを調節し、モード振動数を差別的にずらす。これらの振動数が整合しないとき、Ｑの増幅は起こらず、ジャイロスコープが適切に働くのに十分な感度をピックオフに与えなければならない。
【０００４】
半径方向に等方性の材料から組立てられる全く支持されていないリング構造において、Ｎを任意の値として、平面内または平面外のsinN/cosNのモードの所与の対は、同じ振動数である。なお、Ｎは、モードの次数である。この縮退は、リングを支持するレッグ構造の要件によって摂動される。従来技術の３軸レートセンサの設計では、平面内および平面外のsinNθ/cosNθモードの両者の対称性を維持するように、支持レッグの数および間隔を決めて、支持レッグの適切な構成を得る。これは、次に示す式、すなわち、
Ｌ＝Ｎ×Ｎ，×４
にしたがうレッグ数を用いるときに実現する。なお、Ｎは、平面内のモードの次数であり、Ｎ，は、平面外のモードの次数である。sin2θ/cos2θモードとsin3θ/cos3θモードの組合せを使用するときに、これは、２４本の等しく角度間隔を空けたレッグに対する要件を示す。共振器の寸法は、平面内のモードの対の振動数を平面外モードの対の振動数へ整合するように設定される。
【０００５】
これらのレッグ構造は、リングをつるさなければならないが、平面内および平面外の両者の振動における本質的に減衰されていない発振において、リングを振動させることもできなければならない。レッグの全剛性は、平面内および平面外の運動の影響を受けるときは、リング自体の剛性よりも相当に弱くなければならず、したがってモードの振動はリング構造によって決まる。要求されるコンプライアンス比を実現するには、レッグは、リングのリムの幅よりも相当に薄くなければならない。図５ａおよび５ｂは、第GB 9620982.0号から採用した２つの適切な支持レッグ構成を示しており、２４本のレッグが使用されている。この構成では、Ｓ字形またはＣ字形のレッグ３が与えられており、中心ボス13からリング２の内周部へ外方向に延びている。これらのレッグは、平面内の半径方向および接線方向の運動と平面外の運動とにしたがわなければならない。当業者には、詳細なレッグ設計に対する他の変更は、同じ目的を実現するならば、可能であることが分かるであろう。これらには、リングの外周部から外側支持フレーム（図示されていない）へ半径方向に延びている外側レッグ支持部を使用することが含まれる。このように寸法が小さくなると、これらの構造は、機械的構造の生成プロセスにおいて寸法公差の影響をより受け易くなる。したがって、これらの支持レッグ要素の質量および剛性が変化し、モードの動力の対称性が乱され、平面内モードの対および平面外モードの対の両者において望ましくない振動数スプリッティングが引き起こされることになる。
【０００６】
従来技術に記載されている構造は、多数のプロセスを使用して、種々の材料で組立てられる。このような装置は、金属から組立てられるとき、ワイヤ侵食技術を使用して、高精度に機械加工され、要求される精密な寸法公差を実現することが好都合である。このプロセスには、各レッグの縁端部およびリング構造の周りの材料を連続的に機械加工することが含まれる。機械加工時間と生成コストとは、レッグ数に比例して増加する。したがって、レッグ数を最少化することが、非常に有益である。他の材料から、代わりのプロセスを使用して組立てられる構造も、同様と考えられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
平面リング構造であって、比較的に多数の支持レッグが構成されている従来技術の構造と比べて、必要な支持レッグ数は、より少ないが、リング構造の振動は（従来技術の構造ほどは）より大きく影響を与えない平面リング構造を設計できることが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様にしたがって、３軸センサであって、共通軸の周りに延びている、内周部および外周部を有する実質的にリングまたはフープ形構造を有する実質的に平面の振動共振器、共振器を平面内のcos2θの振動モードで振動させる駆動手段、前記駆動手段に応答して、共振器の運動を感知するための搬送波モードピックオフ手段、ｚ軸の周りを回転することによって引き起こされる平面内のsin2θの共振器の運動を感知するためのピックオフ手段、前記運動をゼロにするための駆動手段、ｘ軸の周りを回転することによって引き起こされる平面外のsin3θの共振器の運動を感知するためのピックオフ手段、前記運動をゼロにするための駆動手段、ｙ軸の周りを回転することによって引き起こされる平面外のcos3θの共振器の運動を感知するためのピックオフ手段、前記運動をゼロにするための駆動手段、および共振器を柔軟に支持するための支持手段であって、駆動手段および加えられた回転に応答して、支持手段に相関して共振器を振動させることができる支持手段が構成されていて、支持手段が、Ｌ≠２Ｊ×３Ｋ、Ｊ＝０、１、または２、Ｋ＝０または１、およびＬ＜２４として、Ｌ本のみの支持桁を有する３軸レートセンサを提供する。支持桁は、例えば、５本または７本であってもよい。
【０００９】
本発明の第２の態様にしたがって、３軸センサであって、共通軸の周りに延びている、内周部および外周部を有する実質的にリングまたはフープ形構造を有する実質的に平面の振動共振器、共振器を平面内のcos3θの振動モードで振動させる駆動手段、前記駆動手段に応答して、共振器の運動を感知するための搬送波モードピックオフ手段、ｚ軸の周りを回転することによって引き起こされる平面内のsin3θの共振器の運動を感知するためのピックオフ手段、前記運動をゼロにするための駆動手段、ｘ軸の周りを回転することによって引き起こされる平面外のsin2θの共振器の運動を感知するためのピックオフ手段、前記運動をゼロにするための駆動手段、ｙ軸の周りを回転することによって引き起こされる平面外のcos2θの共振器の運動を感知するためのピックオフ手段、前記運動をゼロにするための駆動手段、および共振器を柔軟に支持するための支持手段であって、駆動手段および加えられた回転に応答して、支持手段に相関して共振器を振動させることができる支持手段が構成されていて、支持手段が、Ｌ＃２Ｊ×３Ｋ、Ｊ＝０、１、または２、Ｋ＝０または１、およびＬ＜２４として、Ｌ本のみの支持桁を有する３軸レートセンサを提供する。支持桁は、例えば、５本または７本であってもよい。
【００１０】
製造プロセスを簡単にするために、支持桁は２４本未満であることが好ましい。
各支持桁には、円弧状部分の対向する末端部から延びている第１および第２の直線状部分が構成されている。
実施形態では、支持桁は、実質的に等しい角度間隔を空けている。
【００１１】
支持手段には、突起ボスを有するベースが構成されていて、実質的にリングまたはフープ形構造の内周部が、支持桁によってボスに接続され、支持桁が、リングまたはフープ形構造の内周部から突起ボスへ延びていて、したがってリングまたはフープ形構造が、ベースから離れていることが好都合である。
【００１２】
実施形態では、支持桁の全剛性は、リングまたはフープ形構造の剛性よりも弱い。
上述の方式は、リングまたはフープ形構造の動力を、レッグの運動の影響を含めて、詳細に解析した結果として得られた。本発明では、設計の融通性を向上して、（リングに対する）レッグのコンプライアンスをより大きくし、一方で（リングの平面において）より大きい寸法のレッグを用いる。このような設計では、寸法公差の影響を受け難く、かつより経済的に組み立てることができる。
【００１３】
本発明をよりよく理解し、かつ本発明をどのように実行するかを示すために、ここで、添付の図面を参照することにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
添付の図面の図８は、３本の軸に対して加えられたレートを感知するためのセンサの平面図を示している。この既知のセンサは、例示的に示されているだけであり、本発明の実施形態にしたがって、他の構成も使用されることが分かるであろう。
この例では、平面内のsin2θ/cos2θのモードを、平面外のsin3θ/cos3θのモードと組合せて使用している。リング２の位置は、点線で示されている。この平面内のCos2θの搬送波モードは、駆動要素４を使用して発振され、その実効中心は、リング２の外周部の周りにおいて、固定基準軸Ｒに対して０°および１８０°に位置する。各要素において、リング２の面に垂直で、リングの周囲に面している表面は、コンデンサの一方の板を形成し、リングの周囲の向き合っているセグメントは、他方の板を形成している。リング２は、駆動要素４に対して一定の電位に維持される。搬送波モード振動数において駆動要素板に発振電圧が印加されると、静電力が発生し、リング２を発振へ設定する。ピックオフ要素５は、搬送波モードにおいて、固定基準軸Ｒに対して９０°および２７０°に位置し、向き合っているリングのセグメントとコンデンサを同様に形成し、コンデンサのギャップが変化するとき、リング２の運動を検出するのに使用される。ジャイロスコープがｚ軸の周りを回転するとき、軸Ｒに対して４５°および２２５°に位置するピックオフ要素６は、平面内のSin2θの応答モードの振幅を検出する。軸Ｒに対して１３５°および３１５°に位置するｚ軸駆動要素を使用して、モードの運動をゼロにして、ジャイロスコープがフォースドフィードバック構成において動作できるようにしている。このモードで動作するとき、ゼロにする駆動は、加えられたレートに比例する。この動作モードの性能は、開ループモードよりも優れている。
【００１５】
ｘ軸のレートの感度を与えるCos3θの平面外の応答モードにおいて、腹（antinode）は、リング周囲において、軸Ｒに対して０°、６０°、１２０°、１８０°、２４０°、および３００°の位置にある。sin3θのｙ軸応答モードの腹は、軸Ｒに対して３０°、９０°、１５０°、２１０°、２７０°、および３３０°にある。駆動要素およびピックオフ要素は、これらの位置に隣接して適切な組合せで位置する。１２枚の板状要素は、リムの直下に位置付けられ、前記板と、リングの底表面の並行する向かい合っているセグメントとの間にコンデンサを形成することが好都合である。板は、リングのリムの内側縁端部および外側縁端部を越えて延びていることが好都合である。したがって、搬送波モードの平面内の運動によって、有効板領域が変わることはなく、これらの板状要素は、不注意でそれを検出しないことがある。０°、１２０°、および２４０°に位置付けられている要素８は、ｘ軸のピックオフ要素として使用される。これらの要素からの信号は同相になり、これらを加算すると、モードの運動を検出するときの感度が向上することが好都合である。軸Ｒに対して６０°、１８０°、および３００°に位置する板状要素９は、駆動要素として使用され、これらの全要素に同じ駆動電圧を印加して、運動をゼロにして、フォースフィードバック動作を促す。同様に、軸Ｒに対して３０°、１５０°、および２７０°に位置する板状要素10は、ｙ軸のピックオフ要素であり、Ｒ軸に対して９０°、２１０°、および３３０°に位置する板状要素11は、このモードに対する駆動要素を形成する。
【００１６】
図９は、図８の共振器リング２の中心の、ｙ軸に沿う断面図であって、駆動構造を付加的に詳しく示している。ｘ軸およびｙ軸の駆動要素およびピックオフ要素は、電気絶縁基板層12の表面上に置かれた導電性サイトである。これらの要素のサイトは、トラックを介してボンドパッド（図示されていない）へ接続され、ボンドパッドは、制御回路へ電気的に接続される。リング２は、支持レッグ３を介して、中心の支持ペデスタル13へ取付けられる。このペデスタルは、リング２の下から延びていて、基板層12へ固定的に取付けられ、リングおよび支持レッグは、基板層の上に、障害を受けずに、つるされる。平面内のモードの駆動要素およびピックオフ要素は、トラッキングを用いて基板12へ固定的に取付けられ、ボンドパッドは、要求に応じて制御回路への接続を可能にする。
【００１７】
この構造は変更可能である。共振器リング２の上に、追加の第２の絶縁基板層をしっかりと固定して、平面外の駆動要素およびピックオフ要素のコンデンサの板配列を複製することにより、ｘ軸およびｙ軸に沿うジャイロスコープの感度が向上する。これは組立てプロセスを複雑にするが、ジャイロスコープの本質的な設計の特徴または機能は変えない。
【００１８】
既知の３軸ジャイロスコープは、Sin3θおよびCos3θの平面内のモードを、Sin2θおよびCos2θの平面外の応答モードと共に使用して、組立てられる。この実施形態では、平面内のSin3θおよびCos3θのモードの対と平面外のSin2θおよびCos2θのモードの対の両者の縮退を維持しなければならない。図１０には、駆動要素およびピックオフ要素の向きの模式図が示されている。ジャイロスコープの配置は、駆動要素およびピックオフ要素の配置を除いて、上述の例と、ほぼ同じである。Cos3θの平面内の搬送波駆動手段要素14は、固定基準軸Ｒに対して０°、１２０°、および２４０°に位置し、ピックオフ手段要素15は、軸Ｒに対して６０°、１８０°、および３００°に位置する。ｚ軸のsin3θの平面内の応答駆動要素16は、軸Ｒに対して３０°、１５０°、および２７０°に位置し、ピックオフ要素17は、軸Ｒに対して９０°、２１０°、および３００°に位置する。平面外のCos2θのｘ軸の応答モードのピックオフ要素18は、０°および１８０°に位置し、ゼロにする駆動要素19は、Ｒ軸に対して９０°および２７０°に位置する。ｙ軸の平面外のSin2θのピックオフ要素20は、軸Ｒに対して４５°および２２５°に位置し、ゼロにするｙ軸の駆動要素21は、軸Ｒに対して１３５°および３１５°に位置する。
【００１９】
３軸ジャイロスコープでは、図１ａおよび１ｂに示されている平面内のcos2θ/sin2θの振動モードの対を、図２ａおよび２ｂに示されている平面外のcos3θ/sin3θの振動モードの縮退の対と組合せて使用する。平面内のcos2θのモードは、一般に一定の振動振幅で維持される第１の搬送波モードとして働く。装置が、リングの面に垂直な軸（ｚ軸）の周りを回転すると、コリオリ力が引き起こされ、相補的な平面内のsin2θの応答モードへエネルギーが結合される。装置が、リングの面内のｙ軸の周りを回転すると、コリオリ力が引き起こされ、平面外のcos3θの応答モードへエネルギーが結合される。装置が、リング平面内のｘ軸の周りを回転すると、コリオリ力が引き起こされ、平面外のsin3θの応答モードへエネルギーが結合される。引き起こされた応答モードの運動の振幅は、適切な入力軸の周りの加えられた回転レートに正比例する。
【００２０】
リングの動力を、レッグの運動の作用を含めて、詳細に解析することにより、望ましい振動モードの対の振動数整合を維持するのに必要な、実質的に等しい間隔を空けた支持レッグの数に関して有効なオプションの範囲を定める簡単な方式を展開することができる。
【００２１】
解析により、レッグ数の要件は、既に示したものよりも、制限が相当に緩いことが分かった。何れのモードが、所定数の均等に間隔を空けた支持レッグに対して振動数スプリットするかを示す簡単な方式が得られた。これらの方式は、平面内モードと平面外モードとの両者に適用可能であり、Ｌ＞２において有効である。Ｌ≦２であるときは、全てのモードがスプリットする。レッグＬが偶数であるときは、Ｋを整数として、次の式、すなわち、
Ｎ＝ＬＫ／２
が満たされるときのみ、次数Ｎのモードに対して振動数スプリッティングが生じる。最大振動数スプリッティングは、Ｋ＝１のときのみ生じ、Ｋが大きくなると、低減する。レッグＬが奇数であるときは、
Ｎ＝ＬＫ
であるときのみ、振動数スプリッティングが生じる。ここでも、最大振動数スプリッティングは、Ｋ＝１のときに生じ、Ｋの値が大きくなると、低減する。
【００２２】
これらの原理は、本明細書に記載されているように、平面内のsin2θ/cos2θのモードを、平面外のsin3θ/cos3θと共に使用して、および平面内のsin3θ/cos3θを、sin2θ/cos2θの平面外のモードと共に使用して、共振器の設計に適用される。したがって、これらの構造におけるレッグ数は、最早、２４本に制限されないことになる。Ｊを、値０、１、または２の定数とし、Ｋを、値０または１の定数とし、Ｌ＜２４として、次の規則、すなわち、
Ｌ≠２Ｊ×３Ｋ
にしたがう平面共振器構造が構成される。レッグには、等しい角度間隔が空けられている。図６に示されているように、７２°の間隔で５本のレッグが構成されている本発明の支持構造、図７に示されているように、５１．４°の間隔で７本のレッグが構成されている支持構造、などが使用され、これらは、平面内のモードと平面外のモードとの必要モード振動数整合を維持している。より多くの支持レッグを使用することもできるが、既に記載した理由のために、より少ない数のレッグを用いるのが好都合である。
【００２３】
図６および７に示されている支持レッグ構造は、より少ない数の支持レッグを使用するときのみ実現可能である。これらの構造は、中心ボス13から外方向へ延びている直線状の半径方向のセグメント９’と、リングの内周部から中心へ延びており、かつ第１のセグメントから半径方向にずれている第２の直線状セグメント９'''とが構成されている。これらの２つのセグメントは、円弧状セグメント９''によって接続され、３つのセグメントは一体成形されている。共振器構造の平面内の半径方向の剛性は、円弧状セグメント９''によって、だいたい判断される。平面内の接線方向の剛性は、直線状セグメント９’および９'''によって、だいたい判断される。平面外の剛性を判断するときは、全てのセグメントが役割を果たす。多数のレッグが要求されるときは、円弧状セグメント９''の長さは、隣り合うレッグが近いことによって、相当に狭くなる。したがって、支持レッグが２４本よりも相当に少ないときは、これらのレッグ構造では、平面内の半径方向のコンプライアンスを維持することはできない。このレッグ設計は、従来技術においてよく知られている。
【００２４】
全ての共振器設計において、支持レッグの結合剛性は、リングの剛性よりも弱くなければならない。支持レッグの結合剛性がリングの剛性よりも弱いときは、モードの振動は、リング構造によって決まり、かつ構造のハブ13を介して熱により引き起こされる応力結合の影響（これは、性能に悪影響を与える）から、共振器を切り離すのを助けることが保証される。より少ない数の支持レッグを用いるとき、要求されるレッグ対リングのコンプライアンス比は、より広い幅とより長い長さとを備えた支持レッグ構造を使用することによって維持される。これにより、これらの構造は、組立てプロセス中に発生する寸法公差の誤差の影響を受け難くなる。このような誤差により、cos2/sin2θのモードの対とcosθ/sinθのモードの対との間に振動数スプリッティングが引き起こされ、センサの性能が損われる。したがって、一般に、所望の性能レベルを実現するのに、機械的調整手続きを使用することが不可欠である。このために、コストおよび組立て時間に関して、この調整手続きの要件を緩和することが非常に望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】平面内のsin2θおよびcos2θのモードを示す図（図１のａおよびｂ）。
【図２】平面外のsin3θおよびcos3θのモードを示す図（図２のａおよびｂ）。
【図３】平面内のsin3θおよびcos3θのモードを示す図（図３のａおよびｂ）。
【図４】平面外のsin2θおよびcos2θのモードを示す図（図４のａおよびｂ）。
【図５】従来技術にしたがって２つの可能な２４本の支持レッグ構成を示す図（図５のａおよびｂ）。
【図６】本発明にしたがう５本の支持レッグが構成されている共振器の平面図。
【図７】本発明にしたがう７本の支持レッグが構成されている共振器の平面図。
【図８】従来技術の３軸レートセンサの平面図。
【図９】図８のセンサの断面図。
【図１０】従来技術の代わりの３軸センサの平面図。
【符号の説明】
【００２６】
２・・・共振器リング、３・・・支持レッグ、４、７、９、11、14、16、19、21・・・駆動手段、５、６、８、10、15、17、18、20・・・ピックオフ手段、９・・・セグメント、12・・・基板層、13・・・支持ペデスタル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年9月4日(2003.9.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
これらのレッグ構造は、リングをつるさなければならないが、平面内および平面外の両者の振動における本質的に減衰されていない発振において、リングを振動させることもできなければならない。レッグの全剛性は、平面内および平面外の運動の影響を受けるときは、リング自体の剛性よりも相当に弱くなければならず、したがってモードの振動はリング構造によって決まる。要求されるコンプライアンス比を実現するには、レッグは、リングのリムの幅よりも相当に薄くなければならない。図５ａおよび５ｂは、第GB 9620982.0号から採用した２つの適切な支持レッグ構成を示しており、２４本のレッグが使用されている。この構成では、Ｓ字形またはＣ字形のレッグ３が与えられており、中心ボス13からリング２の内周部へ外方向に延びている。これらのレッグは、平面内の半径方向および接線方向の運動と平面外の運動とにしたがわなければならない。当業者には、詳細なレッグ設計に対する他の変更は、同じ目的を実現するならば、可能であることが分かるであろう。これらには、リングの外周部から外側支持フレーム（図示されていない）へ半径方向に延びている外側レッグ支持部を使用することが含まれる。このような寸法が小さくなると、これらの構造は、機械的構造の生成プロセスにおいて寸法公差の影響をより受け易くなる。したがって、これらの支持レッグ要素の質量および剛性が変化し、モードの動力の対称性が乱され、平面内モードの対および平面外モードの対の両者において望ましくない振動数スプリッティングが引き起こされることになる。
第WO-A-0153776号は、振動平面リング共振器を使用する多軸ジャイロスコープとして動作する振動センサを開示している。これは、共振器の支持手段のための要件に対処していない。
第EP-A-0836 073号は、可撓性レッグ上で支持される振動平面リング共振器を使用しているが、Cos２θの平面内のモードを、１θの平面外のロッキングモードと組合せて動作する２および３軸の加えられるレートセンサについて記載している。
第WO-A-99 47890号は、Cos2θ/Cos3θの振動モードで動作する可撓性レッグ上で支持される振動リング共振器を採用している多軸レート感知ジャイロスコープを開示している。これは、レッグ数に対する特定の要件に対処していない。


【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明の第１の態様にしたがって、３軸センサであって、共通軸の周りに延びている、内周部および外周部を有する実質的にリングまたはフープ形構造を有する実質的に平面の振動共振器、共振器を平面内のcos2θの振動モードで振動させる駆動手段、前記駆動手段に応答して、共振器の運動を感知するための搬送波モードピックオフ手段、ｚ軸の周りを回転することによって引き起こされる平面内のsin2θの共振器の運動を感知するためのピックオフ手段、前記運動をゼロにするための駆動手段、ｘ軸の周りを回転することによって引き起こされる平面外のsin3θの共振器の運動を感知するためのピックオフ手段、前記運動をゼロにするための駆動手段、ｙ軸の周りを回転することによって引き起こされる平面外のcos3θの共振器の運動を感知するためのピックオフ手段、前記運動をゼロにするための駆動手段、および共振器を柔軟に支持するための支持手段であって、駆動手段および加えられた回転に応答して、支持手段に相関して共振器を振動させることができる支持手段が構成されていて、支持手段が、Ｌ≠２Ｊ×３Ｋ、Ｊ＝０、１、または２、Ｋ＝０または１、およびＬ＜２４として、Ｌ本のみの支持桁を有することを特徴とする３軸レートセンサを提供する。支持桁は、例えば、５本または７本であってもよい。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明の第２の態様にしたがって、３軸センサであって、共通軸の周りに延びている、内周部および外周部を有する実質的にリングまたはフープ形構造を有する実質的に平面の振動共振器、共振器を平面内のcos3θの振動モードで振動させる駆動手段、前記駆動手段に応答して、共振器の運動を感知するための搬送波モードピックオフ手段、ｚ軸の周りを回転することによって引き起こされる平面内のsin3θの共振器の運動を感知するためのピックオフ手段、前記運動をゼロにするための駆動手段、ｘ軸の周りを回転することによって引き起こされる平面外のsin2θの共振器の運動を感知するためのピックオフ手段、前記運動をゼロにするための駆動手段、ｙ軸の周りを回転することによって引き起こされる平面外のcos2θの共振器の運動を感知するためのピックオフ手段、前記運動をゼロにするための駆動手段、ｘ軸の周りを回転することによって引き起こされる平面外のSin2θの共振器の運動を感知するためのピックオフ手段、前記運動をゼロにするための駆動手段、および共振器を柔軟に支持するための支持手段であって、駆動手段および加えられた回転に応答して、支持手段に相関して共振器を振動させることができる支持手段が構成されていて、支持手段が、Ｌ＃２Ｊ×３Ｋ、Ｊ＝０、１、または２、Ｋ＝０または１、およびＬ＜２４として、Ｌ本のみの支持桁を有することを特徴とする３軸レートセンサを提供する。支持桁は、例えば、５本または７本であってもよい。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
各支持桁には、円弧状部分の対向する末端部から延びている第１および第２の直線状部分が構成されている。
実施形態では、支持桁は、実質的に等しい角度間隔を空けている。


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
図９は、図８の共振器リング２の中心の、ｙ軸に沿う断面図であって、駆動構造の詳細を付加的に示している。ｘ軸およびｙ軸の駆動要素およびピックオフ要素は、電気絶縁基板層12の表面上に置かれた導電性サイトである。これらの要素のサイトは、トラックを介してボンドパッド（図示されていない）へ接続され、ボンドパッドは、制御回路へ電気的に接続される。リング２は、支持レッグ３を介して、中心の支持ペデスタル13へ取付けられる。このペデスタルは、リング２の下から延びていて、基板層12へ固定的に取付けられ、リングおよび支持レッグは、基板層の上に、障害を受けずに、つるされる。平面内のモードの駆動要素およびピックオフ要素は、トラッキングを用いて基板またはベース12へ固定的に取付けられ、ボンドパッドは、要求に応じて制御回路への接続を可能にする。


【手続補正６】
【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】
３軸センサであって、共通軸（Ｒ）の周りに延びている、内周部および外周部を有する実質的にリングまたはフープ形構造を有する実質的に平面の振動共振器（２）、共振器（２）を平面内のcos2θの振動モードで振動させる駆動手段（４）、前記駆動手段（４）に応答して、共振器（２）の運動を感知するための搬送波モードピックオフ手段（５）、ｚ軸の周りを回転することによって引き起こされる平面内のsin2θの共振器の運動を感知するためのピックオフ手段（６）、前記運動をゼロにするための駆動手段（７）、ｘ軸の周りを回転することによって引き起こされる平面外のsin3θの共振器の運動を感知するためのピックオフ手段（８）、前記運動をゼロにするための駆動手段（９）、ｙ軸の周りを回転することによって引き起こされる平面外のsin3θの共振器の運動を感知するためのピックオフ手段（10）、前記運動をゼロにするための駆動手段（11）、および共振器（２）を柔軟に支持するための支持手段（３）であって、駆動手段および加えられた回転に応答して、支持手段（３）に相関して共振器を振動させることができる支持手段（３）が構成されていて、支持手段（３）が、Ｌ≠２Ｊ×３Ｋ、Ｊ＝０、１、または２、Ｋ＝０または１、Ｌ＜２４として、Ｌ本のみの支持桁を有することを特徴とする３軸レートセンサ。
【請求項２】
３軸センサであって、共通軸（Ｒ）の周りに延びている、内周部および外周部を有する実質的にリングまたはフープ形構造を有する実質的に平面の振動共振器（２）、共振器（２）を平面内のcos3θの振動モードで振動させる駆動手段（14）、前記駆動手段（14）に応答して、共振器（２）の運動を感知するための搬送波モードピックオフ手段（15）、ｚ軸の周りを回転することによって引き起こされる平面内のsin3θの共振器の運動を感知するためのピックオフ手段（17）、前記運動をゼロにするための駆動手段（16）、ｙ軸の周りを回転することによって引き起こされる平面外のcos2θの共振器の運動を感知するためのピックオフ手段（18）、前記運動をゼロにするための駆動手段（19）、ｘ軸の周りを回転することによって引き起こされる平面外のSin2θの共振器の運動を感知するためのピックオフ手段（20）、前記運動をゼロにするための駆動手段（21）、および共振器を柔軟に支持するための支持手段であって、駆動手段および加えられた回転に応答して、支持手段に相関して共振器を振動させることができる支持手段が構成されていて、支持手段（３）が、Ｌ≠２Ｊ×３Ｋ、Ｊ＝０、１、または２、Ｋ＝０または１、Ｌ＜２４として、Ｌ本のみの支持桁を有することを特徴とする３軸レートセンサ。
【請求項３】
各支持手段（３）が、円弧状部分（９１１）の対向する末端部から延びている第１および第２の直線状部分（９１，９１１１）が構成されているビームである請求項１または２記載のレートセンサ。
【請求項４】
支持桁が、実質的に等しい角度間隔を空けている請求項３記載のレートセンサ。
【請求項５】
支持手段（３）には、突起ボス（13）を有するベースが構成されていて、実質的にリングまたはフープ形構造の内周部が、支持桁によってボス（13）に接続され、支持桁が、リングまたはフープ形構造の内周部から突起ボス（13）へ延びていて、したがって共振器（２）のリングまたはフープ形構造が、ベース（12）から離れている請求項１ないし４の何れか１項記載のレートセンサ。
【請求項６】
支持手段の全剛性が、共振器（２）のリングまたはフープ形構造の剛性よりも弱い請求項１ないし５の何れか１項記載のレートセンサ。
【国際調査報告】
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