(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２軸上の角速度を検知するジャイロスコープであって、
内周部及び外周部が共通の軸線周囲に延在する実質的にリング又はフープ状形構造を有する実質的に平らな振動共振器（２）と、
該共振器をCos n1θ（n1の値が２以上である）平面内搬送波モードで振動させる搬送波モード駆動手段（４，１４，２２）と、
前記共振器を柔軟に支持し、関連する前記搬送波モード駆動手段に対応して前記共振器を振動させる支持手段（３）と、
前記共振器の平面内運動を検知する搬送波モードピックオフ手段（５，１５，２３）と、
Ｘ軸周囲の前記ジャイロスコープの回転に関連する前記共振器の平面外Cos nθレスポンスモード運動を検知するＸ軸レスポンスモードピックオフ手段（８，１８，２６）と、及び
Ｙ軸周囲の前記ジャイロスコープの回転に関連する前記共振器の平面外Sin nθレスポンスモード運動を検知するＹ軸レスポンスモードピックオフ手段（１０，２０，２８）を備えているジャイロスコープにおいて、
nの値がCos nθ及びSin nθレスポンスモードの場合と同一数値であり、ｎは１より大きく、かつn1＋１またはn1−１であり、前記共振器（２）及び支持手段（３）はCos n1θ平面内搬送波モード振動数が平面外Sin nθ及びCos nθレスポンスモード振動数に整合するように寸法化されていることを特徴とするジャイロスコープ。
【請求項２】
前記共振器の前記Ｘ軸レスポンスモード運動を無効にして、前記ジャイロスコープが強制フィードバック構成で動作することを可能にするＸ軸レスポンスモード駆動手段を備える請求項１に記載のジャイロスコープ。
【請求項３】
前記共振器の前記Ｙ軸レスポンスモード運動を無効にして、前記ジャイロスコープが強制フィードバック構成で動作することを可能にするＹ軸レスポンスモード駆動手段を備える、請求項１又は２に記載のジャイロスコープ。
【請求項４】
２軸周囲の角速度を検知するため、前記支持手段が、前記共振器を支持部に柔軟に接続する複数の可撓性脚部を備え、該脚部の数NTがNT＝4nにより与えられ、前記脚部間の角度分離が360°/NTにより与えられる、請求項１〜３の何れか１項に記載のジャイロスコープ。
【請求項５】
３軸周囲の角速度を検知するため、Ｚ軸周囲の前記ジャイロスコープの回転に関連する前記共振器の平面内Sin n1θレスポンスモード運動を検知するＺ軸レスポンスモードピックオフ手段を備え、n1の値が、平面内搬送波モードの場合と同じ２以上の整数値であり、かつ、前記共振器及び支持手段が、平面内Cos n1θ搬送波モード振動数が平面内Sin n1θレスポンスモード振動数に整合するように寸法化されている、請求項１〜３の何れか１項に記載のジャイロスコープ。
【請求項６】
前記共振器のＺ軸レスポンスモード運動を無効にして、前記ジャイロスコープが強制フィードバック構成で動作することを可能にするＺ軸レスポンスモード駆動手段を備える、請求項５に記載のジャイロスコープ。
【請求項７】
前記支持手段が、前記共振器を支持部に柔軟に接続する複数の可撓性脚部を備え、前記脚部の数NTがN＝4nn1により与えられ、前記脚部間の角度分離が360°/NTにより与えられる、請求項５又は６に記載のジャイロスコープ。
【請求項８】
前記搬送波モードが平面内Cos ２θモードであり、前記搬送波モード駆動手段が、前記搬送波モード運動を開始するために前記共振器の前記平面内の固定基準軸線に対して０°及び180°に位置する２個の駆動要素を備え、前記搬送波モードピックオフ手段が、前記搬送波モード運動を検出するために前記固定基準軸線に対して90°及び270°に位置する２個のピックオフ要素を備え、前記Ｘ軸レスポンスモードがCos ３θモードであり、Ｘ軸ピックオフ手段が、前記固定基準軸線に対して０°、120°及び240°に位置する３個のピックオフ要素を備え、前記Ｘ軸駆動手段が、前記固定基準軸線に対して60°、180°及び300°に位置する３個の駆動要素を備え、Ｙ軸レスポンスモードがSin ３θモードであり、Ｙ軸ピックオフ手段が、前記固定基準軸線に対して30°、150°及び270°に位置する３個のピックオフ要素を備え、前記Ｙ軸駆動手段が、前記固定基準軸線に対して90°、210°及び330°に位置する３個の駆動要素を備え、Ｘ軸及びＹ軸駆動要素並びにピックオフ要素が、前記レスポンスモード運動を検出して無効にするように作動できる、２軸周囲の角速度を検知する請求項４に記載のジャイロスコープ。
【請求項９】
前記搬送波モードが平面内Cos ３θモードであり、前記搬送波モード駆動手段が、前記共振器の平面内の固定基準軸線に対して０°、120°及び240°に位置する３個の駆動要素を備え、前記搬送波モードピックオフ手段が、前記固定基準軸線に対して60°、180°及び300°に位置する３個のピックオフ要素を備え、Ｘ軸レスポンスモードがCos ２θモードであり、Ｘ軸ピックオフ手段が、前記固定基準軸線に対して０°及び180°に位置する２個のピックオフ要素を備え、Ｘ軸駆動手段が、前記固定基準軸線Sin ２θモードであり、Ｙ軸ピックオフ手段が、前記固定基準軸線に対して45°及び225°に位置する２個のピックオフ要素を備え、Ｙ軸駆動手段が、前記固定基準軸線に対して135°及び315°に位置する２個の駆動要素を備える、請求項４又は７に記載のジャイロスコープ。
【請求項１０】
前記搬送波モードが平面内Cos ３θモードであり、前記搬送波モード駆動手段が、共振器の平面内の固定基準軸線に対して０°、120°及び240°に位置する３個の駆動要素を備え、前記搬送波モードピックオフ手段が、前記固定基準軸線に対して60°、180°及び300°に位置する３個のピックオフ要素を備え、前記Ｘ軸レスポンスモードがCos ４θモードであり、前記Ｘ軸ピックオフ手段が、前記固定基準軸線に対して０°、90°、180°及び270°に位置する４個のピックオフ要素を備え、前記Ｘ軸駆動手段が、前記固定基準軸線に対して45°、135°、225°及び315°に位置する４個の駆動要素を備え、前記Ｙ軸レスポンスモードがSin ４θモードであり、前記Ｙ軸ピックオフ手段が、前記固定基準軸線に対して22.50°、112.5°及び292.5°に位置する４個のピックオフ要素を備え、前記Ｙ軸駆動手段が、前記固定基準軸線に対して67.5°、157.5°、247.5°及び337.5°に位置する４個の駆動要素を備える、請求項４又は７に記載のジャイロスコープ。
【請求項１１】
３軸上の角速度を検知するジャイロスコープであって、前記共振器の平面内Sin ２θレスポンスモード運動を検知し、前記固定基準軸線に対して45°及び225°に位置する２個のピックオフ要素を備えるＺ軸ピックオフ手段と、前記固定基準軸線に対して135°及び315°に位置する２個の駆動要素を有するＺ軸レスポンスモード駆動手段とを備える請求項５，６及び７のいずれか１項に記載のジャイロスコープ。
【請求項１２】
共振器の平面内Sin ３θレスポンスモード運動を検知し、前記固定基準軸線に対して90°、210°及び330°に位置する３個のピックオフ要素を備えるＺ軸レスポンスモードピックオフ手段と、前記固定基準軸線に対して30°、150°及び270°に位置する３個の駆動要素を有するZ軸レスポンスモード駆動手段とを備える３軸上の角速度を検知する請求項９又は10記載のジャイロスコープ。
【請求項１３】
前記共振器が金属、石英、ポリシリコーン又は塊状シリコーンから製造される、請求項１〜１２の何れか１項に記載のジャイロスコープ。
【請求項１４】
前記駆動手段及び前記ピックオフ手段が、静電気、電磁気又は圧電気である、請求項１〜13の何れか１項に記載のジャイロスコープ。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、少なくとも２軸上で、好ましくは３軸上で角速度を検知するのに適したジャイロスコープに関するものである。
背景技術
振動構造のジャイロスコープは、共振要素などのような各種の構造を使って製造することができる。これらの構造としては、ビーム、調整フォーク、シリンダ、半球シェル及びリングなどがある。商業的に満足に活用できるかどうかは、装置の性能を最適化するとともにコストを最小限にできるかどうかによって決まる。用途によっては、さらに他の目標として装置のサイズを減少させることが挙げられる。
従来のいくつかの振動構造ジャイロ構成は、現代の微細機械加工技術を使って製造するのに適する。こうした構成は、塊状シリコーン、ポリシリコーン又は電鋳金属から製造することができる。これらの製造方法によって、高容量かつ低価格の小型ジャイロを製造する能力が得られる。
ジャイロスコープ装置の多くの用途には、３軸すべての周囲の角速度感度が必要である。従来の振動構造ジャイロは１軸の角速度感度しか供給しないので３つの装置が必要であり、これらの装置を直交軸線に沿って整合配置しなければならない。したがって、本質的に３軸周囲を同時に検知できる共振器構造を組み込まれている振動構造のジャイロはきわめて有利である。したがって、１つの装置が３つの従来の１軸ユニットに取って代わり、コストの点でも明らかに有利である。また、３個の１軸ジャイロを取り付けて整合配置する工程は不要になる。
したがって、少なくとも２軸上で角速度を検知できる改良ジャイロスコープに対するニーズがある。
発明の開示
本発明の第１の形態によれば、少なくとも２軸上で角速度を検知するジャイロスコープが提供され、このジャイロスコープは、共通軸周囲に延在する内周及び外周を有する実質的にリング状又はフープ状構造を有する実質的に平らな振動共振器と、共振器をCos n1θ(n1は２以上の整数値)の平面内搬送波モードで振動させる搬送波モードの駆動手段と、共振器を柔軟に支持する支持手段であって、この支持手段に関連する搬送波モード駆動手段に対応して共振器を振動させる支持手段と、共振器の平面内運動を検知する搬送波モードピックオフ手段と、Ｘ軸周囲のジャイロスコープの回転に関連する共振器の平面外Cos nθレスポンスモード運動(nの値はn1＋1又はn1−1)を検知するＸ軸レスポンスモードピックオフ手段と、Ｙ軸周囲のジャイロスコープの回転に関連する共振器の平面外Sin nθレスポンスモード運動(nの値は、Ｘ軸レスポンスモードの場合と同じn1＋1又はn1−1)を検知するＹ軸レスポンスモードピックオフ手段とを備える。
好ましくは、このジャイロスコープは、共振器のＸ軸レスポンスモード運動を無効にして、ジャイロスコープが強制フィードバック構成で動作することを可能にするＸ軸レスポンスモード駆動手段を備えることが好ましい。
さらに、このジャイロスコープは、共振器のＹ軸レスポンスモード運動を無効にして、ジャイロスコープが強制フィードバック構成で動作することを可能にするＹ軸レスポンスモード駆動手段を備えている。
また、２軸周囲の角速度を検知するには、支持手段は、共振器を支持部に柔軟に接続する複数の可撓性脚部を備えることが好ましく、脚部の数NTはNT＝4nによって与えられ、脚部間の角度分離は360°/NTによって与えられる。
さらに、３軸周囲の角速度を検知するには、ジャイロスコープは、Ｚ軸周囲のジャイロスコープの回転に関連する共振器の平面内Sin n1θレスポンスモード運動(n1の値は、平面内搬送波モードの場合と同じ２以上の整数値)を検知するＺ軸レスポンスモードピックオフ手段を備えることが好ましい。
さらに、３軸周囲の角速度を検知するジャイロスコープは、共振器のＺ軸レスポンスモード運動を無効にして、ジャイロスコープが強制フィードバック構成で動作することを可能にするＺ軸レスポンスモード駆動手段を備える。
また、支持手段は、共振器を支持部に柔軟に接続する複数の可撓性脚部を備えることが好ましく、脚部の数NTはNT＝4nn1により与えられ、脚部間の角度分離は360°/NTにより与えられる。
また、２軸周囲の角速度を検知する本発明のジャイロスコープの場合、搬送波モードは平面内Cos2θモードであり、搬送波モード駆動手段は、搬送波モード運動を開始するために共振器の平面内の固定基準軸線に対して０°及び180°に位置する２つの駆動要素を備え、搬送波モードピックオフ手段は、搬送波モード運動を検出するために固定基準軸線に対して90°及び270°に位置する２つのピックオフ要素を備え、Ｘ軸レスポンスモードはCos ３θモードであり、Ｘ軸ピックオフ手段は、固定基準軸線に対して０°、120°、240°に位置する３つのピックオフ要素を備え、Ｘ軸駆動手段は、固定基準軸線に対して60°、180°、300°に位置する３つの駆動要素を備え、Ｙ軸ピックオフ手段は、固定基準軸線に対して30°、150°、270°に位置する３つのピックオフ要素を備え、Ｙ軸駆動手段は、固定基準軸線に対して90°、210°、330°に位置する３つの駆動手段を備え、Ｘ軸及びＹ軸駆動要素及びピックオフ要素は、レスポンスモード運動を検出して無効にするように作動可能である。
あるいは、搬送波モードは平面内Cos ３θモードであり、搬送波モード駆動手段は、共振器の平面内の固定基準軸線に対して０°、120°、240°に位置する３つの駆動要素を備え、搬送波モードピックオフ手段は、固定基準軸線に対して60°、180°、300°に位置する３つのピックオフ要素を備え、Ｘ軸レスポンスモードはCos 2θモードであり、Ｘ軸ピックオフ手段は、固定基準軸線に対して０°及び180°に位置する２つのピックオフ手段を備え、Ｘ軸駆動手段は、固定基準軸線に対して90°及び270°に位置する２つの駆動要素を備え、Ｙ軸レスポンスモードはSin 2θモードであり、Ｙ軸ピックオフ手段は、固定基準軸線に対して45°及び225°に位置する２つのピックオフ要素を備え、Ｙ軸駆動手段は、固定基準軸線に対して135°及び315°に位置する２つの駆動要素を備える。
また、搬送波モードは平面内Cos 3θモードであり、搬送波モード駆動手段は、共振器の平面内の固定基準軸線に対して０°、120°、240°に位置する３つの駆動要素を備え、搬送波モードピックオフ手段は、固定基準軸線に対して60°、180°、300°に位置する３つのピックオフ要素を備え、Ｘ軸レスポンスモードはCos 4θであり、Ｘ軸ピックオフ手段は、固定基準軸線に対して０°、90°、180°、270°に位置する４つのピックオフ要素を備え、Ｘ軸駆動手段は、固定基準軸線に対して45°、135°、225°、315°に位置する駆動要素を備え、Ｙ軸レスポンスモードはSin 4θであり、Ｙ軸ピックオフ手段は、固定基準軸線に対して22.5°、112.5°、292.5°に位置する４つのピックオフ要素を備え、Ｙ軸駆動手段は、固定基準軸線に対して67.5°、157.5°、247.5°、337.5°に位置する４つの駆動要素を備える。
さらに、３軸の角速度を検知するジャイロスコープは、共振器の平面内Sin 2θレスポンスモード運動を検知するＺ軸レスポンスモードピックオフ手段であって、このＺ軸ピックオフ手段が固定基準軸線に対して45°及び225°に位置する２つのピックオフ要素を備えるＺ軸レスポンスモードピックオフ手段と、固定基準軸線に対して135°及び315°に位置する２つの駆動要素を有するＺ軸レスポンスモード駆動手段とを備えると有利である。
また、３軸の角速度を検知するジャイロスコープは、共振器の平面内Sin 3θレスポンスモード運動を検知するＺ軸レスポンスモードピックオフ手段であって、このＺ軸ピックオフ手段が固定基準軸線に対して90°、210°、330°に位置する３つのピックオフ要素を有するＺ軸レスポンスモードピックオフ手段と、固定基準軸線に対して30°、150°、270°に位置する３つの駆動要素を有するＺ軸レスポンスモード駆動手段とを備えることが好ましい。
また、共振器は、金属、石英、ポリシリコーン又は塊状シリコーンから製造すると有利である。
さらに好ましくは、駆動手段及びピックオフ手段は、静電気、電磁気又は圧電気であると有利である。
発明を実施するための最良の形態
本発明をさらに理解するため、そして本発明がどのように実施され得るかを示すため、例として添付の図面を参照して説明する。
従来の振動構造のジャイロ構成すべてに共通の特徴は、共振搬送波モードの振動を維持することである。この特徴により、ジャイロが適切な軸線周囲で回転するときに、コリオリ力Fcを生成する線形運動量が得られる。この力の大きさは、以下の式により与えられる。
Fc＝2Ωmv  (1)
ここで、Ωは加わる角速度、mは質量、vは線速度である。速度、回転及び力のベクトルは、添付図面の図1a及び図1bに示す相互に対角線状の軸線に沿って存在する。
振動構造ジャイロの最も単純な実施の形態の１つは、図1aに示すビーム１である。
搬送波モード振動は、図1a及び図1bに示すxz平面内の曲げ運動である。ビーム１(z軸)の軸線周囲に加わる回転は、搬送周波数においてビーム１をyz平面内の運動に設定するコリオリ力を生成する。この軸線内の運動の振幅は、加わる回転速度に比例する。こうした装置の感度は、コリオリ力によって共振モードが直接砺起されるように構造を設計して強化することができる。次に、運動の振幅をレスポンスモードのQだけ増幅する。これは、等方性材料から製造される単純なビームの場合、X及びYの寸法が一致する方形断面のビームを使用して達成される。
Ｙ軸周囲の回転には、ビーム１内のコリオリ力も含まれる。これらの力は、ビーム(z軸)の長さに沿って作用する。ビームは、この方向においてきわめて剛性であり、したがってこれらの力に対して不感受性である。しかし、１軸に沿ったこの単純な線形振動は、２軸周囲の回転にレスポンスすることができる。これらのレスポンスに基づく実用ジャイロスコープの実施の形態には、これらのコリオリ力成分が適切な軸線に沿ってレスポンスモードに直接結合することを可能にする共振器構造が必要である。
３軸に沿って角速度を検知することができるジャイロスコープを製造するには、搬送波モード運動は、２本の直交軸線に沿った速度成分を含まなければならない。この構造はさらに、各軸線周囲の回転の結果として誘発されるコリオリ力が、共振周波数が搬送周波数と一致するレスポンスモードに結合するように設計しなければならない。Cos n1θ平面内搬送波モードを使用する平らなリング構造は、この用途に特に適する。ここで、θは固定基準に対するリング円周周囲の角度位置であり、n1は２以上の一定の整数値である。n1＝モードは、リング共振器の剛性本体の並進であり、したがって１軸に沿ってのみ速度成分を有するので、適切な搬送波ではない。
完全なリング共振器構造の場合、Cos n1θ平面内振動モードは、(90/n1)°の相互角度で縮退対として存在する。形式的なダイヤグラムのθ＝０°の基準軸線Rは、正方向にＹ軸に沿っている。この固定基準線を使用すると、モードの対は、Cos n1θ及びSin n1θの径方向変位を表す形状を有する。n1＝2のモード形状を図2a及び図2bに示す。１つの振動サイクル時の非砺起リング位置からの最大変位の２つの極限を対の各モードについて示す。これらの軸線は、半径1.0(任意の単位)のリングの非砺起リング位置からの変位を示す。モードは、45°の相互角度で存在する。n1＝3のモードの形状を同様に図3a及び図3bに示す。これらの形状は、30°の相互角度で存在する。n1＝4モードの対応する形状は、図4a及び図4bに示し、22.5°の相互角度で存在する。
リング構造を使用し、１軸周囲の角速度を検知できる振動構造ジャイロ構成は、十分に公知である。これらの構成は、平面内Cos n1θモードの対(一般にn1＝2)の１つを搬送波として使用する。リング平面に垂直な軸(z軸)周囲の回転はエネルギーを結合して第２のモードの対になり、誘発された運動振幅は加わる角速度に比例する。
これらの搬送波モードを使用すると、リング平面内の軸周囲の回転も、コリオリ力を生じさせる。これらのコリオリ力はz軸に沿って作用し、リングを平面外運動に設定する傾向がある。これらの力の分布は、角位置θに応じて変化し、Ｙ軸周囲の回転の場合、ΩYは、以下の式により与えられる。
Fc(θ)＝Fn1+1ΩYSin(n1＋1)θ＋Fn1-1ΩYSin(n1−1)θ  (2)
パラメーターFn1＋1及びFn1−1は、リング及び支持手段の幾何学的形状、材料並びにn1の値によって決まる。したがって、平面外コリオリ力は、Sin(n1＋1)θ及びSin(n1−1)θに応じて変化する成分を有する。同じ搬送波モードの場合、Ｘ軸周囲の回転は、以下により与えられるコリオリ力を誘発する。
Fc(θ)=Fn1+1ΩXCos(n1＋1)θ＋Fn1-1ΩYCos(n1−1)θ  (3)
この場合の平面外コリオリ力は、Cos(n1＋1)θ及びCos(n1−1)θに応じて変化する成分を有する。一例として、搬送波が、図2aに示すCos2θの平面内モードである場合、Ｙ軸周囲の回転はSinθ及びSin3θに応じて変化する力の成分を生成する。これらの力の成分を各々図5a及び図5bに示す。Ｘ軸周囲の回転は、Cosθ及びCos3θに応じて変化する成分を生成する。これらの成分を図6a及び図6bに示す。
平面外モードのＺ軸変位もCosnθ角度依存性を示し、これらのモードは、平面内モードと同様、(90/n)°の相互角度で縮退対として存在する。n＝1のモード形状は、90°の相互角度で存在し(つまり、Sinθ及びCosθ径方向変位)、図7a及び図7bに示す。以前の形式的なダイヤグラムの場合と同様、運動の２つの極限を、破線で示すリングの他の部分とともに示す。n＝2、３及び４モードの場合の対応する図を図8a、図8b、図9a、図9b、図10a及び図10bに示す。
図5a及び図6aに示すコリオリ力成分の汎関数形態は、図7a及び図7bに示すn＝1平面外モードの汎関数形態と一致する。同様に、図5b及び図6bに示すコリオリ力成分の形態は、図9a及び図9bに示すn＝3平面外モードの形態と正確に一致する。これらのモードが、回転を誘発するコリオリ力の結果として直接砺起されることは明らかである。
方程式２及び３の例は、どのCosn1θ平面内搬送波モードも、適切な軸周囲で回転した場合、Cos(n1＋1)θ、Sin(n1＋1)θ、Cos(n1−1)θ及びSin(n1−1)θ平面外モードに結合できることを示す。ジャイロ構成で実際に使用するには、生成される運動の振幅は、ジャイロ感度を最大限にするためにできる限り大きくなければならない。これは、搬送波のモード周波数及び選択する対の平面外レスポンスモードを一致させることにより達成される。したがって、結果として得られる運動は、レスポンスモード振動のＱだけ増幅する。平面内モード周波数は、リングの奥行き(つまりＺ軸の寸法)を変えても影響を受けない。平面外モード周波数は、このパラメーターに直接感応し、したがって個々に調節することができる。リング共振器及び支持構造の寸法を正しく調節することにより、Cos(n1＋1)θ及びSin(n1＋1)θ又はCos(n1−1)θ及びSin(n1−1)θ平面外モードを一致させることができる。したがって、様々な搬送波及びレスポンスモードの組合せを使って多軸ジャイロスキーマを設計することができる。
Cos2θ搬送波モードは、Sinθ、Cosθ、Sin3θ及びCos3θ平面外レスポンスモードに結合することができる。これらのモードを各々図7a、図7b、図9a及び図9bに示す。本発明によりSin3θ及びCos3θレスポンスモードと組み合わせてCos2θ搬送波を使用すると、３軸角速度検知器として実施することができる。
振動構造ジャイロ内の共振器は、リング又はフープ状共振器構造２を有する実質的に平面であり、内周及び外周が、共振器構造２の平面内の固定基準軸線Ｒに垂直な共通軸Ａ周囲に延在し、この軸ＲはＹ軸方向に延在することが好ましい。リング構造は、複数の可撓性支持脚部３を備える支持手段により支持される。Cos2θ搬送波モードで駆動される場合、リング及び支持脚部の両方が運動する。しかし、リング２は支持脚部３に比べて非常に剛性であり、搬送周波数は主にリングの寸法によって設定される。その結果、共振器は取付部から効率的に分離し、環境に対する感受性が減少する。
Sinθ及びCosθ平面外モード(図7a及び図7b参照)は、支持脚部３に著しい撓み及び応力を生じ、リング２がわずかに歪むことになる。脚部のコンプライアンスにより、このCosθモードは、Cos 2θ搬送波より著しく低い周波数で自然に発生する。Sin 3θ及びCos 3θレスポンスモード(図9a及び図9b)は、リングを著しく変形させて応力を加える。したがって、リングの自然モード周波数は、Cosθモードの周波数より著しく高い。したがって、Cos 2θ搬送波並びにSin 3θ及びCos 3θレスポンスモード周波数は、脚部とリングの剛性比をかなり低く調整して一致させせるができる。これは、ジャイロスコープの環境能力を維持するのに役立つ。
平面外Cosθレスポンスモードを使用する場合、脚部３は、リング２が入力回転軸周囲で揺動する際に、常にゼロではないトルクを支持構造に伝達する。これと対照的に、平面外Sin 3θ及びCos 3θレスポンスモードは、適切な数の脚部を使用すると、正味レスポンス力を支持構造に伝達しない。これは、すべてのCosnθモード(n>1)に該当することである。
本発明の実用ジャイロスコープは、より上位の平面内搬送波モードを使用して構成することができる。Cos 3θ平面内モード(図3b)は、Cos 2θ及びSin 2θ又はCos 4θ及びSin 4θ平面外レスポンスモードの何れかと組み合わせて搬送波として使用することができる。これらのレスポンスモードを図8a、図8b、図10a、図10bに示す。Cos 4θ搬送波(図4a)は、Sin 3θ、Cos 3θ、Sin 5θ及びCos 5θレスポンスモードに結合する。上位の対応する組合せも可能である。しかし、実際には、より上位のモードの組合せは実施がより面倒になる。このモードの形状は徐々に複雑になり、より多くの個々の駆動要素及びピックオフ要素を砺起させて、振動を検知する必要がある。また、支持脚部３は、このモードの周波数を摂動させる点状のばね質量として作用する。これらの脚部の数及び位置は、モード対称に調和させて、縮退モード周波数の分割が誘発されるのを防がなければならない。必要な脚部の数は、モードの程度に応じて徐々に増加するので、構造によっては小規模なジャイロスコープで実施することができなくなる。
本発明による３軸ジャイロスコープは、Sin 2θ及びCos 2θ平面内モード及びSin 3θ及びCos 3θ平面外モードの組合せを使用して構成することができる。このジャイロスコープは、４種類のモードの周波数を一致させる必要がある(１つの搬送波モード及び３つのレスポンスモード)。しかし、厚さが均一で完全に対称なリング２の場合、Sin 2θ及びCos 2θモードの対は、同じ周波数を有する。同様に、Sin 3θ及びCos 3θモードの対も一致する。したがって、高度の対称性により、共振器の寸法の設計では、実際には２つの周波数のみを一致させれば良いことになる(つまり、２つの縮退モード対の周波数)。１軸動作のために設計されるリング共振器に一般に使用される寸法の場合、Cos 3θ平面外モード周波数及びCos 2θ搬送波モード周波数は、周波数が比較的密接に一致して自然に発生する。リングの奥行き(Z軸の寸法)を調節しても、平面内周波数は変わらない。しかし、リングは、平面外周波数の別個の作用を有する。したがって、Sin 2θ、Cos 2θ、Sin 3θ及びCos 3θモード周波数は、１個のリングの寸法を適切に調節して達成することができる。
モードの力学の点で、支持脚部３は、モード周波数を作動的に摂動させる取付位置で作用する点状ばね質量と考えられる。周波数の分割を防ぎ、モードの位置的な不確定性を維持するため、脚部の数及び位置はモード対称に調和させなければならない。そのため、任意のSin n1θ及びCos n1θモード対の場合、等角度で離間配置された4n1の脚部を使用する必要がある(ここで、n1は２以上)。したがって、Sin 2θ及びCos 2θ平面内モードは、等間隔の８個の脚部を必要とする。Sin 3θ及びCos 3θ平面外モードは、その不確定性を維持するために12個の脚部が必要である。この要件を同時に両方のモード対に関して満たすことは、リング２周囲に15°の間隔で等しく離間配置された24個の脚部を使用することを意味する。この数は、平面内及び平面外脚部の数の最小公倍数であり、任意の３軸ジャイロモードの組合せについて以下の式から導くことができる。
脚部の数NT＝nxn1×4  (4)
これらの脚部の角度間隔は、［360/NT］°により与えられる。
平らなリング共振器構造の場合、支持脚部３は、モード作用がリングの特性により左右されるように設計する。そのためには、脚部は、リング自体に比べて径方向及び接線方向に可撓性である必要がある。これらの要件を満たす多くの設計変更が可能である。図11a及び図11bは、本発明の一実施の形態に関する24個の支持脚部構造に関する２つの可能性を示す。これらの構造は、より多数の支持脚部３を使用することと矛盾しない。
本発明の振動構造ジャイロスコープは、標準の製造及び機械加工技術を用いて構成することができる。これらは、微小機械加工技術を使用する製造にも適する。動作原理並びに駆動及びピックオフの配列は、製造ルートに関係なく同じである。共振器は、適切な機械的特性を有する任意の材料、たとえば金属、石英、ポリシリコーン又は塊状シリコーンから構成することができる。リング２は、各種の駆動手段を用いて揺動させることができる。こうした駆動手段としては、静電気、電磁気、圧電気又は光手段がある。運動の振幅は、静電気、電磁気、圧電気手段を用いて同様に検出することができる。
好適な３軸ジャイロスコープ実施の形態は、静電気駆動及びピックオフ手段を使用する。この実施の形態の駆動及びピックオフ要素の整列を図12に示す。リング２の位置は破線で示す。平面内Cos 2θ搬送波モードは、有効中心が固定基準軸線Rに対してリング２の外周部周囲の０°及び180°に位置する駆動要素４を使用して揺動される。各々の要素では、リング円周に面するリング２の平面に垂直な表面がコンデンサの一方のプレートを形成し、リング円周の対面部分が他方のプレートを形成する。リング２は、駆動要素４に対して固定電位に維持される。搬送波モード周波数において駆動要素プレートに印加される振動電圧は、リング２を揺動させる静電力を生成する。ピックオフ要素５は、固定基準軸線Rに対して90°及び270°に位置する搬送波モードの場合、同様に対面リング部分とともにコンデンサを形成し、コンデンサの隙間が変化するときにリング２の運動を検出するために使用される。固定基準軸線Rに対して45°及び225°に位置するピックオフ要素６は、ジャイロスコープがＺ軸周囲で回転するときに平面内Sin 2θレスポンスモードの振幅を検出する。固定基準軸線Rに対して135°及び315°に位置するＺ軸駆動要素７はモード運動を無効にするので、ジャイロスコープは強制フィードバック構成で動作することができる。このモードで動作する場合、無効化駆動要素は加わる角速度に比例する。この動作モードは、開放ループモードに比べて性能上の利点を提供する。
Ｘ軸の角速度感度を提供するCos 3θ平面外レスポンスモードは、固定基準軸線Rに対してリング円周周囲の０°、60°、120°、180°、240°及び300°位置に波腹を有する。Sin 3θのＹ軸レスポンスモードは、固定基準軸線Ｒに対して30°、90°、150°、210°、270°及び330°に波腹を有する。駆動要素及びピックオフ要素は、これらの位置に隣接して任意の適切な組合せで配置することができる。従来の方法では、12個のプレート状要素をリムの真下に配置して、これらのプレートとリング下面の平行に対面する部分との間にコンデンサを形成する。従来の方法では、これらのプレートは、リングリムの内側及び外側縁部を越えて延在しなければならない。したがって、搬送波モードの平面内運動は、有効なプレート面積を変えず、プレート状要素によって不正確に検出されることはない。０°、120°及び240°に配置される要素８は、Ｘ軸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位相であり、従来の方法で一緒に合計されて、モード運動を検出する際に高度の感度を与える。固定基準軸線Rに対して60°、180°及び300°に位置するプレート状要素９は駆動要素として使用され、同じ駆動電圧がこれらのすべての要素に印加されて運動を無効にし、力のフィードバック動作を促進する。同様に、固定基準軸線Rに対して30°、150°及び270°に位置するプレート状要素10はＹ軸ピックオフ要素であり、固定基準軸線Rに対して90°、210°及び330°に位置するプレート状要素11は、当該モードの駆動要素を形成する。
図13は、Ｙ軸に沿って共振器リング２の中心を貫通する断面図であり、さらに装置構造の詳細を示す。Ｘ軸及びＹ軸駆動要素及びピックオフ要素は、電気絶縁基板層12の表面に配置される導電性部位である。これらの要素部位は、導電路を介して接着パッド(図示しない)に接続され、これらのパッドは、制御回路に電気的に接続することができる。リング２は、支持脚部３を介して中心の支持ペデストラル13に取り付けられる。このペデストラルは、リング２の下に延在して基板層12に一体に取り付けられるので、リング及び支持脚部は、基板層の上に自由に懸架する。平面内モード駆動要素及びピックオフ要素は、制御回路に接続することを可能にする必要がある場合、導電パッド及び接着パッドを使って基板12に一体に取り付けられる。
この構造の部分的変更は可能である。第２の絶縁基板層を共振器リング２の上に一体に取り付けて追加すると、平面外駆動要素及びピックオフ要素のコンデンサプレート配列が二重になり、Ｘ軸及びＹ軸に沿ったジャイロスコープの感度を強化することができる。しかし、その結果、製造工程が複雑になり、ジャイロスコープの本質的な構造の特徴又は機能性を変更することにはならない。
本発明による２軸ジャイロスコープは、同じCos 2θ平面内搬送波モード並びにSin 3θ及びCos 3θ平面外レスポンスモードを使用して製造することができる。この実施の形態の場合、共振器は、平面内Sin 2θ及びCos 2θモードの周波数が意図的に分離されるように設計する。有利なことに、こうした周波数の分離によって、搬送波モード位置は、搬送波モード駆動手段及びピックオフ手段に整合配置する公知の角度位置に固定される。搬送波モード周波数は、平面外レスポンスモードの周波数にさらに一致しなければならない。12個の支持脚部３を使用すると、Cos 3θモードの対称性が維持される。しかし、この場合、平面内Sin 2θ及びCos 2θモードが分離して、モード位置は必要に応じて固定される。一般に、２軸ジャイロスコープの場合、支持脚部の必要数は以下の式により与えられる。
脚部の数NT＝n×4  (5)
角度間隔は［360/NT]°である。
この実施の形態は、Ｘ軸及びＹ軸の周囲にのみ角速度感度を提供する。したがって、平面内レスポンスモード駆動手段及びピックオフ手段は不要である。図14は、この実施の形態に関するジャイロスコープの配置の略図を示す。この実施の形態は、Ｚ軸平面内レスポンスモード駆動要素７及びピックオフ要素６がないこと、並びに支持脚部の数が異なること以外、図12及び図13の３軸実施の形態と本質的に同じなので、類似の参照符号を使用した。したがって、さらに説明はしない。
２軸又は３軸ジャイロスコープは、Sin 2θ及びCos 2θ平面外レスポンスモードに関連してSin 3θ及びCos 3θ平面内モードを使用して製造することができる。３軸実施の形態の場合、平面内Sin 3θ及びCos 3θ並びに平面外Sin 2θ及びCos 2θモード対の両方の縮退を維持しなければならない。したがって、共振器リング２上に24個の支持脚部を使用する必要がある。駆動要素及びピックオフ要素の整列を図15に示す。このジャイロスコープの形態は、駆動要素及びピックオフ要素の配置を除いて、上記の実施の形態とだいたい同じである。Cos 3θ平面内搬送波駆動手段要素14は、固定基準軸線Rに対して０°、120°及び240°に位置し、ピックオフ手段要素15は、固定基準軸線Rに対して60°、180°及び300°に位置する。Ｚ軸のSin 3θ平面内レスポンスモード駆動要素16は、固定基準軸線Rに対して30°、150°及び270°に位置し、ピックオフ要素17は、固定基準軸線Rに対して90°、210°及び330°に位置する。平面外Cos 2θのＸ軸レスポンスモードピックオフ要素18は、固定基準軸線Rに対して90°及び180°に位置し、無効化駆動要素19は固定基準軸線Rに対して90°及び270°に位置する。Ｙ軸平面外Sin 2θピックオフ要素20は、固定基準軸線Rに対して45°及び225°に位置し、無効化Ｙ軸駆動要素21は、固定基準軸線Rに対して135°及び315°に位置する。
このCos 3θ平面内搬送波モード並びに平面外Sin 2θ及びCos 2θレスポンスモードの組合せの２軸実施の形態の場合、平面内モードの縮退を上昇させる必要がある。これは、８個の支持脚部を使用して達成される。あるいは、この実施の形態が３軸実施の形態と異なるのは、平面内レスポンスモード駆動要素16及びピックオフ要素17が省略されている点だけである。駆動手段及びピックオフ手段の配置を図16に示す。
本発明の２軸又は３軸ジャイロスコープは、Sin 3θ及びCos 3θ平面内モード及びSin 4θ及びCos 4θ平面外モードの組合せを使用して製造することができる。３軸実施の形態の場合、すべての適切なモード対称性を維持するために48個の支持脚部３を使用する必要がある。この実施の形態を図17に図式的に示す。
Cos 3θ平面内搬送波モード駆動要素22は、固定基準軸線Rに対して０°、120°及び240°に位置し、ピックオフ要素23は固定基準軸線Rに対して60°、180°及び300°に位置する。平面内Ｚ軸のSin 3θレスポンスモード駆動要素24は、固定基準軸線Rに対して30°、150°及び270°に位置し、Ｚ軸Cos 3θモード平面内ピックオフ要素25は、固定基準軸線Rに対して90°、210°及び300°に位置する。
Ｘ軸のCos 4θ平面外レスポンスモードピックオフ要素26は、固定基準軸線Rに対して０°、90°、180°及び270°に位置し、Ｘ軸のCos 4θ平面外レスポンスモード無効化駆動要素27は、固定基準軸線Rに対して45°、135°、225°及び315°に位置する。Ｙ軸のSin 4θ平面外レスポンスモードピックオフ要素28は、固定基準軸線Rに対して22.5°、112.5°、202.5°及び292.5°に位置し、Ｙ軸のSin 4θ平面外レスポンスモード無効化駆動要素29は、固定基準軸線Rに対して67.5°、157.5°、247.5°及び337.5°に位置する。
本発明の対応する２軸ジャイロスコープ実施の形態の場合、16個の支持脚部３が必要である。あるいは、図18に示すこの実施の形態の配置は、Ｚ軸平面内レスポンスモード駆動要素24及びピックオフ要素25が省略されている点を除いて図17の３軸実施の形態と同じである。類似の部品は、図17についても類似の参照符号で示し、さらに説明しない。
２軸及び３軸角速度検知器は、より上位の平面内及び平面外モードの組合せを使用して製造することができる。これらの組合せでは、必要なモード対称性を維持するために徐々に多数の支持脚部、並びにより多数の駆動要素及びピックオフ要素が必要である。その結果、これらの実施の形態は実行可能ではあるが、特に小型ジャイロスコープの場合、製造が徐々に複雑になる。
さらに、２軸周囲の角速度を検知する本発明のジャイロスコープの場合、共振器２及び支持手段は、Cos n1θ平面内搬送波モード周波数並びにSin nθ及びCos nθ平面外レスポンスモード周波数が一致するように寸法を決め、３軸周囲の角速度を検知する場合は、Cos n1θ平面内搬送波モード、Sin n1θ平面内レスポンスモード並びにSin nθ及びCos nθ平面外レスポンスモード周波数が一致するように寸法をきめる。
【図面の簡単な説明】
図1aは、本発明によらない振動構造ジャイロスコープの概略図である。
図1bは、図1aの構造で速度、回転及び力のベクトルが各軸線に沿って位置する３本の直交軸線を示す。
図2a及び図2bは、n1＝2の場合のCos n1θ及びSin n1θの径方向変位を表すモードの対の形状を図式的に示す。
図3a及び図3bは、n＝3の場合の図2a及び図2bの形状に類似する図式的形状である。
図4a及び図4bは、図2a及び図2b並びに図3a及び図3bの形状に類似するが、n1＝４の場合の図式的形状である。
図5a及び図5bは、Cos 2θ平面内搬送波モードの場合に、Ｙ軸周囲の本発明によるジャイロスコープの回転により生成される力の成分に関する３軸上の図式的表現である。
図6a及び図6bは、図5a及び図5bに類似する図式的表現だが、Ｘ軸周囲の回転を表す。
図7a及び図7bは、n＝１の場合のCos nθ及びSin nθ平面外変位を表す振動モード形状の３軸上の図式的表現である。
図8a及び図8bは、図7a及び図7bに類似するが、n＝2の場合の図式的表現である。
図9a及び図9bは、図8a及び図8bに類似するが、n＝3の場合の図式的表現である。
図10a及び図10bは、図9a及び図9bに類似するが、n＝4の場合の図式的表現である。
図11aは、本発明によるジャイロスコープに使用するのに適する共振器及び支持脚部の略示的な例の平面図である。
図11bは、本発明によるジャイロスコープに使用する他の共振器及び支持脚部構造の平面図である。
図12は、本発明の第１の実施の形態によるジャイロスコープの部分の略平面図であり、駆動要素及びピックオフ要素を示す。
図13は、図12に示す構造の対角線上の断面図であり、さらに詳細を示す。
図14は、本発明の第２の実施の形態によるジャイロスコープの部分の略平面図である。
図15は、本発明の第３の実施の形態によるジャイロスコープの部分の略示的平面図である。
図16は、本発明の第４の実施の形態によるジャイロスコープの部分の略示的平面図である。
図17は、本発明の第５実施の形態によるジャイロスコープの部分の略示的平面図である。
図18は、本発明の第６の実施の形態によるジャイロスコープの部分の略示的平面図である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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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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