(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、
ハウジングとの間に柔軟で制動された複数のパッドを介在させてハウジング内に配置される取付プレートと、
駆動軸を中心とする回転振動を発生するように配置される第１の駆動部材と、第１の駆動部材に連結される第１の検出装置と、
第１の駆動部材に連結されて第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る第２の駆動部材と、
第２の駆動部材に連結されて第１の検出装置と実質的に同一の形状にされる第２の検出装置と
を備えてなる回転センサシステムにおいて、
更に、取付プレートから延びる中央ハブを備え、
第１の駆動部材は中央ハブに連結され、
第１の検出装置は第１の駆動部材に連結されて駆動軸を中心とする第１の駆動部材の回転振動が伝達されるようにした第１の支承部材を包有し、
第１の検出装置は更に、駆動軸を中心として第１の支承部材と共に振動するように第１の支承部材に連結される第１の検出素子を包有し、
第１の検出素子は第１の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入力回転速度に対し駆動軸に直角な第１の検出軸を中心として第１の支承部材に対し回転して振動するように設けられ、
第１の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ており、
更に、第１の検出軸を中心とする第１の検出素子の振動の振幅の関数として入力回転速度を表す信号を発生する装置を備え、
第２の検出装置は第２の駆動部材に連結される第２の支承部材と、駆動軸に直角な第２の検出軸を中心として第２の支承部材に対し回転して振動するように設けられる第２の検出素子とを有し、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表す信号を発生する装置を包有する
ことを特徴とする回転センサシステム。
【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の回転センサシステム。
【請求項３】
第１の駆動部材は第１の組の駆動電極を包有し、第２の駆動部材は第２の組の駆動電極を包有し、第１と第２の駆動部材は対向して配置され、第１および第２の組の駆動電極の対応する部材は互いに角度的に変位されて配置されて第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、駆動軸を中心として一平面上で駆動部材を回転振動させるように配置されてなる請求項１又は２の回転センサシステム。
【請求項４】
第１と第２の検出装置は、駆動部材に装着されて駆動部材の回転振動を一対のねじりバー部材を介して検出素子に伝達させる外部支承リングと、外部支承リングと検出素子との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請求項１から３のいずれかの回転センサシステム。
【請求項５】
第１と第２の駆動部材上に形成される第１の金属化部と、第１と第２の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１から４のいずれかの回転センサシステム。
【請求項６】
第１および第２の金属化部に連結され、フィードバッ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更に備えてなる請求項５の回転センサシステム。
【請求項７】
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、第１および第２の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更に備え、第１と第２の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５の回転センサシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は航海のような用途に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。
【０００２】
【従来の技術】
従来の微細加工されたコリオリ回転セン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。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかして本発明の目的は高精度の航海級の回転センサシステムを、低廉化を図りつつ高信頼性を維持して、提供するにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明においてはハウジングと、ハウジングとの間に柔軟で制動された複数のパッドを介在させてハウジング内に配置される取付プレートと、駆動軸を中心とする回転振動を発生するように配置される第１の駆動部材と、第１の駆動部材に連結される第１の検出装置と、第１の駆動部材に連結されて第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る第２の駆動部材と、第２の駆動部材に連結されて第１の検出装置と実質的に同一の形状にされる第２の検出装置とを備えてなる回転センサシステムにおいて、更に、取付プレートから延びる中央ハブを備え、第１の駆動部材は中央ハブに連結され、第１の検出装置は第１の駆動部材に連結されて駆動軸を中心とする第１の駆動部材の回転振動が伝達されるようにした第１の支承部材を包有し、第１の検出装置は更に、駆動軸を中心として第１の支承部材と共に振動するように第１の支承部材に連結される第１の検出素子を包有し、第１の検出素子は第１の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入力回転速度に対し駆動軸に直角な第１の検出軸を中心として第１の支承部材に対し回転して振動するように設けられ、第１の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ており、更に、第１の検出軸を中心とする第１の検出素子の振動の振幅の関数として入力回転速度を表す信号を発生する装置を備え、第２の検出装置は第２の駆動部材に連結される第２の支承部材と、駆動軸に直角な第２の検出軸を中心として第２の支承部材に対し回転して振動するように設けられる第２の検出素子とを有し、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表す信号を発生する装置を包有することを特徴とする回転センサシステムを提供して上記の目的を実現する。
【０００５】
【作用】
しかして上述の本発明の回転センサにあつては、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。
【０００６】
更に本発明にあつては、入力軸は検出軸お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。
【０００７】
回転センサには更に第１の駆動部材に連結される第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。
【０００８】
本発明による回転センサは基部から延び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。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１を参照するに、本発明による回転センサ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。
【００１０】
回転センサ２０は好ましくは同一の一対のセンサ部材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。
【００１１】
図１は夫々速度検出部材３４、３６の対向面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４２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４０に結合される。
【００１２】
駆動部材３８は簡単化のため全体として矩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。
【００１３】
図５は駆動部材３８の底部を示す。駆動部材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、１１２は夫々トルク電極２２７ａ〜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、トルク電極はフィードバックトルクを検出素子１１０、１１２に与えるために使用される。
【００１４】
図１および図６を併照するに、４群の電極装置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７０〜７３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。
【００１５】
駆動部材４０が旋回されて対応する電極間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。
【００１６】
２個の中央駆動部材３８、４０は反対方向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。
【００１７】
図１、図３および図７を参照するに、駆動部材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５０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。
【００１８】
図１、図２および図７を参照するに、センサ部材３４、３６は夫々検出素子１１０、１１２を有している。速度検出部材３４は中央部１２０と、中央部１２０から検出素子１１０へ延びる複数の柔軟板バネ１２２〜１２５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１２１は検出素子１１２より薄く、検出素子１１２は板バネ１３０〜１３３より厚いことは図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、１１２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。
【００１９】
図７には駆動部材３８、４０を共に結合し、次に速度センサ部材３４、３６を夫々駆動部材３８、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、４０と結合される。これにより板バネ１２１〜１２５、１３０〜１３３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。
【００２０】
図１および図７を参照するに、駆動部材３８、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３８、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。
【００２１】
回転センサ２０が完全に組み立てられて駆動電圧が駆動部材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１１０、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、１１２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。
【００２２】
Ｘ軸あるいはＹ軸を中心とする入力回転速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。
【００２３】
図１および図７において、駆動部材４０の中央部は符号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。
【００２４】
図８は容量性信号ピツクオフ部の略図である。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、１６８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１７０〜１７３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。
【００２５】
図９を参照するに、Ｘ、Ｙ軸のそれぞれに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２０４、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２０８、２１０は量子化器２１２に対しＸ，Ｙ軸回転信号に与える。
【００２６】
Ｘ軸センサ素子２００〜２０６は同一にし得る。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。
【００２７】
ピツクオフ装置２１４の出力は増幅器２３０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２３８、２４０は各々の入力信号をｓｉｎωＤｔおよびｃｏｓωＤｔ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２４２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。
【００２８】
図１１には両検出素子からの信号を１捕獲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２６０、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。
【００２９】
被駆動部材のサーボオシレータ２７４は復調器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２７６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。
【００３０】
図１１はフイードバツクトルクが印加される前に加算されおよび差が求められているセンサ部材３４、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。
【００３１】
本発明による回転センサ２０は振動修正誤差を低減し、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
【００３２】
第１に両方の軸に対する線形振動の同相阻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。
【００３３】
駆動部材３８、４０の機械的振動により、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５２、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。
【００３４】
機械的オシレータの固有周波数は、全回転センサおよび基部マウントの柔軟部材の共振周波数が１ＫＨｚ台であるとき、５ＫＨｚ台である。従つて５００Ｈｚの所望バンド幅が容易に満足できる。
【００３５】
ここで動作を説明するに上部速度検出部材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。
【００３６】
信号処理回路は同相信号および二乗信号の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。
【００３７】
図９の量子化器２１２を参照するに、高速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１０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。
【００３８】
回転センサ２０は好ましくは検出軸が旋回されて、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。
【００３９】
振動駆動動作あるいはその結果としての応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。
【００４０】
本発明によれば、線形振動の固有同相阻止が実現される。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。
【００４１】
共振周波数が５０００Ｈｚでピーク速度が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。
【００４２】
回転センサ２０の動作を説明するに、速度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。
【００４３】
図１２〜図１６は本発明の簡略化された機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ＥＤＭにより作成可能である。
【００４４】
回転センサ３００には基部３０２と駆動素子３０４とセンサ部材３０６とが包有される。基部３０２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は開口上端部とベースプレート３１２を備える下端部とを有する。ベースプレート３１２は中央ハブ３１４を有する。一組の連結された駆動電極３１６は金属化法によりベースプレート３１２上に形成される。
【００４５】
駆動素子３０４は基部３０２の中空円筒領域３１０内で嵌合する外部トルク・ピツクオフリング３２０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３０４および基部３０２間にトルクが発生される。
【００４６】
図１２および図１４は駆動部材３０４の上面を示す。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３３０、３３１は信号ピックオフおよびセンサ部材３０６へのフィードバックトルクの印加の際に使用され得る。
【００４７】
駆動部材３０４には基部３０２の中央ハブ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。
【００４８】
２組の駆動電極３１６、３２２の相互作用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３６０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。
【００４９】
検出素子３６２は半径方向に延びた一対のねじれバー部材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３６４、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。
【００５０】
回転センサ３００が駆動軸を中心として振動すると、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３３０、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。
【００５１】
金属化電極３３０、３３１及び検出素子３６２の底面もまたフィードバックトルクを検出素子３６２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がそのニュ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３６２をそのニュ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。
【００５２】
検出素子３６２が駆動周波数と異なるニユ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。
【００５３】
図２０Ａは本発明による２−軸デユアル、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。
【００５４】
角速度センサ４００にはハウジンク４０４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。
【００５５】
取付プレート４０２の膨出した中央ハブ４１０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４１０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。
【００５６】
上部駆動体４１６および上部検出素子４１８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。
【００５７】
下部検出部材４１２は検出素子４６０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４５４、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。
【００５８】
駆動部材４１４、４１６は駆動電極４７０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４７８〜４８１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。
【００５９】
図２０Ｂは単軸回転速度センサ４００ａを示す。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４１８ａ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。
【００６０】
検出素子４１８ａは夫々ねじれバー部材４６２、４６４と平行なねじれバー部材４６２ａ、４６４ａを有する。これにより２つの検出素子４１８、４１８ａ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。
【００６１】
図２１には結合領域４１１ａ〜４１１ｄで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。
【００６２】
図２２は本発明の別の実施態様を示す。図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。
【００６３】
駆動素子５０２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た基板５０９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５０２は好ましくは中央矩形結合領域５１３を有する。
【００６４】
図２４は駆動素子５０２と対向する被駆動素子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５１０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。
【００６５】
被駆動素子の中央部は半径方向に延びる２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。
【００６６】
図２２に示すように被駆動素子５０４の上面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５３３を被覆することが好ましい。
【００６７】
検出部材５０６は全体として矩形の外側フレーム５４０を有する。検出素子５４２はフレーム５４０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。
【００６８】
ピツクオフ・トルク素子５０８は好ましく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５５０、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５４２の開口部５４８を通過するように設けられる。
【００６９】
検出素子５４２のピツクオフ動作検出およ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。
【００７０】
図２３は角速度センサ５００のような２つ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６０６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。
【００７１】
結合素子６０８はケース６０２へと延びる一対のフランジ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。
【００７２】
【発明の効果】
本発明によれば、上述の独特の構成をとることにより、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明による固体２−軸回転センサの分解斜視図である。
【図２】図２は図１の回転センサに含まれる速度検出素子の斜視図である。
【図３】図３は図１の装置に含まれる駆動部材の部分斜視図である。
【図４】図４は図３の装置に含まれる柔軟ビームの断面図である。
【図５】図５は図１の装置に含まれる駆動部材およびセンサピツクオフ・トルク電極の底部平面図である。
【図６】図６は図１および図５の駆動部材の上部の平面図である。
【図７】図７は図１の装置に含まれる容量性信号ピツク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。
【図８】図８は図７の装置のバイアス・電気信号ピツクオフ部の略図である。
【図９】図９は各軸に対し独立的に捕獲される各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である。
【図１０】図１０は図９の回路の追加特徴を示すブロツク図である。
【図１１】図１１は各軸に対し１捕獲ループで組合わさ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。
【図１２】図１２は本発明による固体単軸回転センサの分解斜視図である。
【図１３】図１３は図１２の実施例に含まれるセンサ素子の頂部平面図である。
【図１４】図１４は図１２の実施例に含まれる駆動部材の頂部平面図である。
【図１５】図１５は図１４の駆動部材の底部平面図である。
【図１６】図１６は図１４の線１６−１６に沿つた断面図である。
【図１７】図１７は図１２および図１３の検出素子に含まれるねじり部材の断面図である。
【図１８】図１８は図１２および図１３の検出素子に含まれるねじり部材の断面図である。
【図１９】図１９は図１２および図１３の検出素子に含まれるねじり部材の断面図である。
【図２０Ａ】図２０Ａは本発明による２−軸デユアル反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。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは本発明によるデユアル単軸回転センサの分解斜視図である。
【図２１】図２１は図２０Ａの装置の断面図である。
【図２２】図２２は本発明による固体単軸回転センサの他の実施態様の分解斜視図である。
【図２３】図２３は本発明による２軸デユアル反対振動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。
【図２４】図２４はアノード結合領域および複数の駆動電極を示す図２２の被駆動素子の１側部の斜視図である。
【符号の説明】
２０              回転センサ
２２              基部
２３              底部カバー部材
２４〜２７        基部マウント
３４              検出素子
３６              振動素子
３８、４０        駆動部材
４２、４４        対向面
５０              フレーム
５２              振動部材
５４              上側面
５５〜５８        側縁部
６０〜６３        柔軟フレーム
７０〜７３        電極装置
８０〜８８        電極
９０              隅部
１５０  １００      フレーム
１１０、１１２      検出素子
１２０、１２１      中央部
１２２〜１２５      板バネ
１３０〜１３３      板バネ
１１３              中央開口部
１５２、１５４      柔軟ビーム
１６０              オシレータ
１６２、１６４      コンデンサ
１６６、１６８      コンデンサ
１７０〜１７３      電気リード線
２００〜２０６      Ｘ軸センサ素子
２０８              加算器
２１０              加算器
２１２              量子化器
２１４              ピツクオフ装置
２２７ａ〜２２７ｄ  トルク電極
２２８ａ〜２２８ｄ  トルク電極
２３０              増幅器
２３２、２３６      復調器
２３４、２３７      サーボ補償回路
２３８、２４０      トルク変調器回路
２４２              加算器
２５４、２５６      ピツクオフ回路
２６０、２６２      増幅器
２６４              加算器
２６６              加算器
２７２              サーボ補償回路
２７６              変調・加算回路
３０２              基部
３０４              駆動部材
３０６              センサ部材
３１０              中空円筒領域
３１２              ベースプレート
３１４              中央ハブ
３１６、３２２      駆動電極
３２０              外部リング
３２２              駆動電極
３３０、３３１      金属化電極
３４０              中央取付ハブ
３５０〜３５３      ビーム
３６０              支承リング
３６４、３６６      ねじれバー部材
４００              角速度センサ
４０２              取付プレート
４０４              ハウジング
４０６              パツド
４０８              ベースプレート
４１０              中央ハブ
４１４、４１６      駆動部材
４２０              キヤツプ
４３８              中央取付部材
４４０              中央通路
４４２              外部リム
４４４              外部リム
４４６              中央取付部材
４５０              外部リム
４５２              外部リム
４５４、４５６      ねじれバー部材
４６０              検出素子
４６２、４６４      ねじれバー部材
４６６              検出素子
４７０              駆動電極
４７２              トルク電極
４７８〜４８１      ビーム
４８４〜４８７      ビーム
５００              角速度センサ
５０２              駆動素子
５０４              被駆動素子
５０６              検出部材
５０８              ピツクオフ・トルク素子
５０９              基板
５１０              駆動電極
５１２              駆動ピツクオフ電極
５１３              中央矩形結合領域
５１４              面
５１６              電極
５１７              溝
５２０〜５２３      ビーム
５３１              酸化物層
５３３              酸化物層
５４０              フレーム
５４２              検出素子
５４４、５４６      ねじれバー部材
５４８              開口部
５５０、５５２      金属化部
５５７、５５９      電極
５５４、５５６      ワイヤ
５６０              中央通路
６０２              ケース
６０４              上部検出ユニツト
６０６              下部検出ユニツト
６０８              結合素子
６１０、６１２      フランジ
６１４、６１６      ブラケツト
６２０              マウント
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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