(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、質量と、前記質量に作動的に結合された第１数Ｎｄの第1のセグメントを含み、第1の駆動信号を受信し且つ該第1の駆動信号の受信に応答して駆動軸に沿って駆動力Ｆｄを発生させると共に、該駆動力により前記質量を前記基板に対して該駆動軸に沿って振動させる構成となっている第１セグメント駆動系と、前記質量に作動的に結合された第２数Ｎｆの第２のセグメントを含み、該第２のセグメントが、前記第1のセグメントと同じ形態であって該第１のセグメントに対して横断する方向に向いており、第２の駆動信号を受信し且つ該第２の駆動信号の受信に応答して感知軸に沿ってフィードバック力Ｆfを発生させ、Ｆｄ／ＦｆがＮｄ／Ｎｆに比例する構成となっている横断セグメント駆動系と、レート感知軸回りに印加された角速度に応じて感知軸に沿って発生するコリオリの力であって、該感知軸に沿って発生された前記フィードバック力Ｆfによって相殺される前記コリオリの力により該感知軸に沿って生じる前記質量の変位の大きさに比例した大きさを持つ感知信号を発生する構成となっている変位センサと、を含む機械式センサであって、前記駆動軸と前記感知軸と前記レート感知軸とは、それぞれ相互に直交している前記機械式センサと、
入力信号として前記感知信号を受信するとともに基準信号として前記第1の駆動信号を受信して、同期復調信号を発生する同期復調器と、
前記同期復調器からの前記同期復調信号を受信して該同期復調信号を平均化することによって、平均化された同期復調信号を発生する低域通過フィルタと、
コンパレータと、Ｄ型フリッププロップと、クロススイッチと、を含む制御回路と、
を具備する機械式レートジャイロスコープであって、
前記コンパレータは、前記低域通過フィルタからの前記平均化された同期復調信号を受信して、前記コリオリの力と前記フィードバック力Ｆｆとの間の差の時間平均値をあらわすデジタル信号を発生し、
前記Ｄ型フリッププロップは、前記コンパレータからの前記デジタル信号をデータ入力として受信するとともにクロック入力として前記第1の駆動信号の基本周波数成分を受信して、前記印加された角速度に比例するパルス反復周波数を有する出力信号を発生し、
前記クロススイッチは、入力信号として前記第1の駆動信号を受信するとともに前記Ｄ型フリッププロップからの前記出力信号を制御信号として受信して、前記第1の駆動信号の完全サイクルの複数を備える第２の駆動信号を前記横断セグメント駆動系へ供給し、
前記横断セグメント駆動系は、前記クロススイッチからの前記第２の駆動信号を受信し且つ該第２の駆動信号の受信に応答して、前記感知軸に沿って前記フィードバック力Ｆｆを発生して、前記コリオリの力を相殺する構成になっていることを特徴とする機械式レートジャイロスコープ。
【請求項２】
前記第１セグメント駆動系が第１の静電式セグメント駆動系を具備し、前記横断セグメント駆動系が横断静電式セグメント駆動系を具備し、前記第1の駆動信号が電圧駆動信号を備える請求項１記載の機械式レートジャイロスコープ。
【請求項３】
前記第１セグメント駆動系が第１の電磁式セグメント駆動系を具備し、前記横断セグメント駆動系が横断電磁式セグメント駆動系を具備し、前記第1の駆動信号が電流駆動信号を備える請求項１記載の機械式レートジャイロスコープ。
【請求項４】
同期復調器と、低域通過フィルタと、制御回路と、によって制御される機械式センサであって、前記機械式センサは、
基板と、
質量と、
前記質量を前記基板に対し結合する構成となっている懸垂系と、
前記質量に作動的に結合された第１数Ｎｄのセグメントを含み、第1の駆動信号を受信し且つ該第1の駆動信号の受信に応答して駆動軸に沿って駆動力Ｆｄを発生させると共に、該駆動力により前記質量を前記基板に対して前記駆動軸に沿って振動させる構成となっている第１セグメント駆動系と、
前記質量に作動的に結合された第２数Ｎｆの第２のセグメントを含み、前記第２のセグメントが、前記第1のセグメントと同じ形態であって該第１のセグメントに対して横断する方向に向いており、第２の駆動信号を受信し且つ該第２の駆動信号の受信に応答して感知軸に沿ってフィードバック力Ｆfを発生させ、Ｆｄ／ＦｆがＮｄ／Ｎｆに比例する構成となっている横断セグメント駆動系と、
レート感知軸回りに印加された角速度に応じて前記感知軸に沿って発生するコリオリの力であって、前記感知軸に沿って発生された前記フィードバック力Ｆfによって相殺される前記コリオリの力により該感知軸に沿って生じる前記質量の変位の大きさに比例した大きさを持つ感知信号を発生する構成となっている変位センサと、を具備するとともに、前記駆動軸と前記感知軸と前記レート感知軸とが、それぞれ相互に直交している機械式センサであって、
前記制御回路は、コンパレータと、Ｄ型フリップフロップと、クロススイッチと、を含み、
前記同期復調器は、前記感知信号を入力信号として受信するとともに前記第1の駆動信号を基準信号として受信して同期復調信号を発生し、
前記低域通過フィルタは、前記同期復調器からの前記同期復調信号を受信するとともに該同期復調信号を平均化して、平均化された同期復調信号を発生し、
前記コンパレータは、前記低域通過フィルタからの前記平均化された同期復調信号を入力信号として受信して、前記コリオリの力と前記フィードバック力Ｆｆとの間の差の時間平均値をあらわすデジタル信号を発生し、
前記Ｄ型フリッププロップは、前記コンパレータからの前記デジタル信号をデータ入力として受信するとともに前記第1の駆動信号の基本周波数成分をクロック入力として受信して、前記印加された角速度に比例するパルス反復周波数を有する出力信号を発生し、
前記クロススイッチは、前記第1の駆動信号を入力信号として受信するとともに前記Ｄ型フリッププロップからの前記出力信号を制御信号として受信して、前記第1の駆動信号の完全サイクルの複数を備える第２の駆動信号を前記横断セグメント駆動系へ供給し、
前記横断セグメント駆動系は、前記クロススイッチからの前記第２の駆動信号を受信し且つ該第２の駆動信号の受信に応答して、前記感知軸に沿って前記フィードバック力Ｆｆを発生して、前記コリオリの力を相殺することを特徴とする機械式センサ。
【請求項５】
前記第１セグメント駆動系が第１の静電式セグメント駆動系を具備し、前記横断セグメント駆動系が横断静電式セグメント駆動系を具備し、前記第1の駆動信号が電圧駆動信号を備える請求項４記載の機械式センサ。
【請求項６】
前記第１セグメント駆動系が第１の電磁式セグメント駆動系を具備し、前記横断セグメント駆動系が横断電磁式セグメント駆動系を具備し、前記第1の駆動信号が電流駆動信号を備える請求項４記載の機械式センサ。
【請求項７】
機械式センサと、同期復調器と、低域通過フィルタと、制御回路とを含む機械式レートジャイロスコープの動作方法であって、前記機械式センサは、駆動軸と、感知軸と、レート感知軸と、基板と、質量と、変位センサと、第１セグメント駆動系と、横断セグメント駆動系と、を有するとともに、前記駆動軸と、前記感知軸と、前記レート感知軸とは、それぞれ相互に直交しており、前記制御回路は、コンパレータと、Ｄ型フリップフロップと、クロススイッチと、を備え、前記動作方法が、
前記第１セグメント駆動系によって、前記第1の駆動信号の受信に応答して駆動軸に沿って駆動力Ｆｄを発生させると共に、該駆動力により前記質量を前記基板に対して前記駆動軸に沿って振動させるステップと、
前記レート感知軸回りに印加された角速度に応じて前記感知軸に沿って発生するコリオリの力であって、前記感知軸に沿って発生されたフィードバック力Ｆfによって相殺される前記コリオリの力によって前記感知軸に沿って引き起こされる前記質量の変位の大きさに比例した大きさを持つ感知信号を、前記変位センサによって発生するステップと、
前記同期復調器によって、前記感知信号を入力信号として受信するとともに前記第1の駆動信号を基準信号として受信して同期復調信号を発生するステップと、
前記低域通過フィルタによって、前記同期復調器からの前記同期復調信号を受信するとともに該同期復調信号を平均化して、平均化された同期復調信号を発生するステップと、
前記コンパレータによって、前記低域通過フィルタからの前記平均化された同期復調信号を受信して、前記コリオリの力と前記フィードバック力Ｆｆとの間の差の時間平均値をあらわすデジタル信号を発生するステップと、
前記Ｄ型フリッププロップによって、前記コンパレータからの前記デジタル信号をデータ入力として受信するとともに前記第1の駆動信号の基本周波数成分をクロック入力として受信して、前記印加された角速度に比例するパルス反復周波数を有する出力信号を発生するステップと、
前記クロススイッチによって、前記第1の前記駆動信号を入力信号として受信するとともに前記Ｄ型フリッププロップからの前記出力信号を制御信号として受信して、前記第1の駆動信号の完全サイクルの複数を備える第２の駆動信号を前記横断セグメント駆動系へ供給するステップと、
前記横断セグメント駆動系によって、前記クロススイッチからの前記第２の駆動信号の受信に応答して前記感知軸に沿って前記フィードバック力Ｆｆを発生させて前記コリオリの力を相殺するステップと、
を備える機械式レートジャイロスコープの動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、１９９９年１０月１３日出願のレートジャイロスコープ用フィードバック機構と題する米国特許仮出願６０／１５９，２７９号の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、一般的に機械的レートジャイロスコープに関し、詳細にはジャイロスコープの機械的及び電気的特性に対する感応度の小さい変換係数を有する機械式レートジャイロスコープに関する。
【背景技術】
【０００３】
機械式レートジャイロスコープは、コリオリの効果を利用して、印加された角速度の測定値を与えることが知られている。在来の機械式レートジャイロスコープにおいては、質量、ｍ、を有する本体を、堅固な加速度計枠から柔軟な懸架システムで支える。堅固な枠が本体速度に直交するレート感知軸の周りに、印加された角速度、ΩＩＮ、で回転するとき、本体は、駆動力Ｆｄにより、速度ｖで振動させられる。振動と角度変位の複合により、本体には、速度とレート感知軸の双方に直交する方向に、コリオリの加速度、Ａｃ＝２ｖΩＩＮ、を生じる。したがって、コリオリの力、Ｆｃ＝ｍＡｃ、が本体に与えられ、それにより本体はコリオリの加速度の方向に変位する。
【０００４】
在来の機械式レートジャイロスコープにおいては、本体のこのような変位は、一般的に機械的又は電気的いずれかの抑制力、例えば、ばね常数、ｋ、を有する機械式ばねなどにより、抑制される。したがって、コリオリの加速度の方向への本体の変位は、一般的に式、ｙ＝Ｆｃ／ｋ、により定まる。さらに、本体の変位は、一般的に、コンデンサの平行板の間の距離の変化が起こす容量変化を測定する装置などの変位センサを用いて測定される。コンデンサの平行板のうち１つを本体に作動的に結合し他の板を堅固な枠に固定しておくと、板の間の距離の変化が本体の変位に比例する。このような変位センサは、印加された角速度、ΩＩＮ、に比例する出力を生じるので、比例定数、ｋ、は普通にレートジャイロスコープの感度と言われる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
在来の機械式レートジャイロスコープの感度、ｋ、には、一般的に複数の変換係数が含まれる。これらは、機械的寸法、材料特性、及びジャイロスコープとそれに対する補助回路の電気的利得、並びにそれらに加わる電圧、電流、及び電磁場の関数である。在来の機械式レートジャイロスコープの出力は、したがって、これら変換係数の各種不確実性と不安定性の影響を受ける。このような不確実性と不安定性は、一般的に、製造工程中に変換係数を測定して調整することによって、及び／又はジャイロスコープ出力に専用信号調整回路を設けることによって出来るだけ小さくする。しかし、このような余分の製造工程及び信号調整回路を付け加えることは、機械式レートジャイロスコープ、特に微細加工の機械式レートジャイロスコープのサイズと原価を著しく増加することがある。
【０００６】
したがって、ジャイロスコープの機械的及び電気的特性に対する感応度の小さい変換係数を有する改良機械式レートジャイロスコープを有するのが望ましい。このような改良機械式レートジャイロスコープはサイズが小さく簡単な製造工程を用いて加工され、それによりジャイロスコープの全体原価を引き下げる。在来のシリコン微細加工技術を用いて製造することの出来る改良機械式レートジャイロスコープを有することもまた望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明にしたがうと、ジャイロスコープの機械的及び電気的特性に対する感応度の小さい変換係数を有する機械式レートジャイロスコープが提供される。この機械式レートジャイロスコープは、質量に対して振動を与えるため使用される第１セグメント駆動系、及び同様のセグメントから形成されジャイロスコープが角度変位を受けたとき質量に加わるコリオリの力を相殺するフィードバック力を発生するため使用される横断セグメント駆動系を含む。
【０００８】
この機械式レートジャイロスコープはさらに、第１駆動系が利用する駆動信号の完全サイクル少なくも１つを横断駆動系に与えるため使用される力−フィードバック制御機構を含む。この力−フィードバック制御機構は、横断駆動系に与えられる駆動信号の完全サイクルの極性を制御するため使用されるフィードバック信号を発生する。このフィードバック信号は、印加された角速度に比例するパルス反復周波数を有する。印加された角速度をパルス反復周波数に関係付ける比例定数には、ジャイロスコープの機械的及び電気的特性に対する感応度の低い変換係数が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に従う機械式レートジャイロスコープの構成図である。
【図２】図１の機械式レートジャイロスコープの第１代替実施例の構成図である。
【図３】図１の機械式レートジャイロスコープの第２代替実施例の構成図である。
【００１０】
この機械式レートジャイロスコープの他の特性、機能、及び様相は、本発明に関する以下の詳細説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図面との関連で以下の本発明の詳細説明を参照すると本発明がいっそう完全に理解されるであろう。
【００１２】
１９９９年１０月１３日申請の米国特許仮出願６０／１５９，２７９号を参照によりここに合併する。
【００１３】
図１は、本発明にしたがう機械式レートジャイロスコープ１００の説明的実施例の構成図である。図１に示すように、機械式レートジャイロスコープ１００には機械式センサ１０２が含まれる。これは、上述の米国特許仮出願６０／１５９，２７９号に記述するようにシリコン微細加工センサ構造から成る。明細に言うと、機械式センサ１０２には、堅固な加速度計枠から複数の撓み体により懸垂された本体１０６が含まれる。堅固な枠は、シリコン基板に対し複数のアンカー点で複数の横方向撓み体を用いてアンカー止めされている。堅固な枠、複数の撓み体、及び機械式センサ組立体を基板にアンカー止めするためのアンカーは、上記の米国特許仮出願６０／１５９，２７９号に詳しく記述されている。
【００１４】
本体１０６は、静電式又は電磁式セグメント駆動系として実現されるセグメント駆動系１１４により、駆動軸、ｘ、に沿って振動させられる。図示の実施例においては、駆動系１１４の各々は静電式セグメント駆動系であって、本体１０６に一体で結合された駆動セグメントの第１セット１１８（即ち、電極又は「指」）、及び基板にアンカー止めされ駆動セグメントの第１セット１１８と互いにかみ合う駆動セグメントの第２セット１２０（即ち、電極又は「指」）を含む。本体１０６は、駆動指の第１セット１１８と第２セット１２０との間に印加された静電駆動力、Ｆｄ、に反応して、駆動軸、ｘ、に沿って速度、ｖ、で振動する。静電駆動力、Ｆｄ、は、駆動系１１４に対しそれぞれの伝送路１７８と１８０の上で与えられる交流電圧からなる駆動信号を用いて発生される。代替実施例においては、磁場の存在下で交流電流を適切な電磁式駆動系に印加することにより電磁駆動力が発生される。
【００１５】
差動容量変位センサ１１６が、本体１０６の振動を感知してそれぞれの伝送路１４３と１４９の上に信号を与え、それらが振動する本体１０６の振動を持続させるのに用いられる。この例示的実施例において、変位センサ１１６は、本体１０６に一体で結合された少なくも１つの感知指と、それに対応して基板にアンカー止めされた少なくも１つの感知指を含む。振動する本体に持続振動を与えるため適切な静電式駆動系は、横方向駆動共鳴微細構造体と題する１９９１年６月１８日付でＴａｎｇ等に発行された米国特許５，０２５，３４６に記述されており、それをここに参照により合併する。
【００１６】
当業者は、本体１０６が駆動軸、ｘ、に沿って振動する一方で、堅固な枠が駆動ｘ軸に直交するレート感知軸、ｚ、の周りで回転すると、本体１０６は、駆動軸及びレート感知軸双方に直交する感知軸、ｙ、に沿ってコリオリの加速度、Ａｃ、を受けることを理解するであろう。その結果、堅固な枠が角度変位を受けたとき、明確なコリオリの力、Ｆｃ、が振動する本体１０６に印加され、それにより、振動する本体１０６が感知軸、ｙ、に沿って偏る。
【００１７】
この例示的実施例においては、機械式センサ１０２の堅固な枠は、堅固な枠を基板から懸垂する横方向撓み体の少なくとも一部により、駆動軸、ｘ、の方向に動かないようになっている。さらに、本体１０６の感知軸、ｙ、の方向への変位は、機械的ばねなど少なくも１つの横方向撓み体により抑制されている。好適実施例においては、振動する本体１０６は、堅固な枠に対し駆動軸、ｘ、の方向にだけ動くよう束縛されており、堅固な枠は、基板に対し感知軸、ｙ、の方向にだけ動くよう束縛されている。
【００１８】
振動する本体１０６の、感知軸、ｙ、に沿う変位は、差動容量変位センサ１１７を用いて測定する。この差動容量変位センサは、堅固な枠に一体で結合された感知指の第１セット１４２と、それに対応して基板に固定された感知指の第２セット１４４及び第３セット１４６を含む。堅固な枠と感知指の第１セット１４２は、振動する本体１０６が基板及び固定感知指の第２セット１４４と第３セット１４６に対して感知軸、ｙ、の方向に変位するとき、振動する本体１０６と共に運ばれることが認められる。変位センサ１１７は、感知軸、ｙ、に沿う本体１０６の偏変位を感知し、感知信号をぞれぞれの伝送路１５２と１５４の上に生じ、その大きさは変位の大きさに比例する。
【００１９】
上述のように、変位センサ１１６は、信号を伝送路１４３及び１４９の上に生じ、それらは、機械式レートジャイロスコープ１００が振動する本体１０６の振動を持続するため用いる。その行き先に、機械式レートジャイロスコープ１００は、差動増幅器１２６と分路フィードバック抵抗器１３０及び１３２を含む相互抵抗増幅器１２５を有する。明細に言うと、変位センサ１１６は、伝送路１４３及び１４９の上で相互抵抗増幅器１２５のそれぞれの入力に対し信号を与える。相互抵抗増幅器は、これらから逆極性の信号を生じてコンパレータ１６０に送る。このコンパレータは、それぞれの伝送路１７８及び１８０の上で駆動系１１４に対し駆動信号を与える。
【００２０】
好適実施例においては、駆動信号が駆動系１１４に与えられて、本体１０６を機械的共鳴で振動させる。機械式センサ１０２，相互抵抗増幅器１２５，及びコンパレータ１６０はこうして発振回路を形成する。この発振回路では、共鳴する本体１０６が周波数決定要素であり、相互抵抗増幅器１２５が、機械的共鳴における本体１０６の振動の持続に必要な位相前進（即ち９０度位相シフト）を与える。
【００２１】
また上述したように、変位センサ１１７は、感知軸、ｙ、に沿う本体１０６の変位の大きさに比例する大きさを有する感知信号を伝送路１５２と１５４の上に発生する。この感知信号は、差動増幅器１２８及び分路フィードバックコンデンサ１３４と１３６を含む増幅器１２７により増幅される。増幅器１２７は、それぞれの伝送路１５２と１５４の上の感知信号を、その位相を保ったまま増幅し、増幅感知信号をクロススイッチ１３８に与える。このクロススイッチは、図示の実施例では同期復調装置として働く。
【００２２】
明細に言うと、クロススイッチ１３８は、増幅感知信号を入力信号として、伝送路１７８と１８０の上の信号を基準信号として受信し、同期的に復調された信号を低域通過フィルタ１４０に与える。これが復調信号を平均する。好適実施例において、フィルタ１４０は、積分フィルタとして実現される。フィルタ１４０は、復調信号からオフセット及びリプルを除去し、復調／平均信号をコンパレータ１５６にそれぞれの伝送路１８６と１８８の上で与える。
【００２３】
当業者は、機械式レートジャイロスコープの感度は、ジャイロスコープの機械的寸法、材料特性、及び電気的利得、及び／又はジャイロスコープの各種構成部品に印加される電圧、電流、及び電磁場などの関数である複数の変換係数から成ることを理解するであろう。機械式レートジャイロスコープ１００の説明的実施例においては、コンパレータ１５６、Ｄ−型フリップフロップ１５８、クロススイッチ１６４、及び横断駆動系１６６と１６８を含む力−フィードバック制御機構を用いて、変換係数がジャイロスコープの機械的及び電気的特性に対する感応度を小さくしている。
【００２４】
明細に言うと、コンパレータ１５６が復調／平均信号を入力信号として受信し、デジタル信号をＤ−型フリップフロップ１５８のＤ−入力に与える。このデジタル信号は、横断駆動系１６６と１６８が発生して振動する本体１０６に感知軸、ｙ、に沿って印加されるフィードバック力、Ｆｆ、と見掛け上のコリオリの力、Ｆｃ、との間の差の時間平均値をあらわす。その結果、Ｄ−型フリップフロップ１５８のラッチされた出力は、極性が交互に代わる（即ち、正と負の）複数のパルスから成る。このパルスは、機械式センサ１０２に印加された角速度、ΩＩＮ、に比例するパルス反復周波数（ＰＲＦ）を有する。上述の力−フィードバック制御機構を含む機械式レートジャイロスコープ１００は、デルタ−シグマ復調器として働くことが認められる。
【００２５】
コンパレータ１６０は、相互抵抗増幅器１２５が発生した信号を、その差動入力に受信し、これら信号の基本周波数成分から成るデジタル出力を、伝送路１７８と１８０の上でクロススイッチ１６４に与える。コンパレータ１６０はまた、信号のこの基本周波数成分を伝送路１７８の上でＤ−型フリップフロップ１５８のクロックの入力に与える。
【００２６】
その結果、Ｄ−型フリップフロップ１５８は、駆動信号のサイクル毎にＤ入力でデジタル信号をラッチし、そのＱ−出力にあるラッチされた信号を、クロススイッチ１６４に与える。Ｄ−型フリップフロップ１５８はまた、ラッチされた信号の逆転型、ＶＯＵＴ、をそのノットＱ−出力から与える。クロススイッチ１６４は、このラッチされた信号を使用し、伝送路１７８と１８０の上で横断駆動系１６６と１６８に対する駆動信号の供給を制御する。明確には、クロススイッチ１６４は、横断駆動系１６６と１６８に対しそれぞれの伝送路１８２と１８４の上に作られる駆動信号の完全サイクルの極性を制御する。横断駆動系１６６と１６８は、この駆動信号を利用して、フィードバック力、Ｆｆ、を発生し、機械式センサ１０２が角度変位を受けたとき振動する本体１０６に印加されるコリオリの力の効果を相殺する。
【００２７】
コンパレータ１５６の発生するデジタル信号は、その値に限界はあるが機能的制限のないエラー信号の形を取ることが、認められる。さらに、Ｄ−型フリップフロップ１５８の出力は、その平均値と角速度との間の長期にわたる機能的マッピング、及び平均値と角速度との間の短期的な概略マッピングを有するフィードバック信号である。上記のエラー信号は、この近似の目安である。
【００２８】
駆動系１１４と同様に、横断駆動系１６６及び１６８は、静電式又は電磁式セグメント駆動系として実現されるセグメント駆動系である。図示の実施例において、横断駆動系１６６は、本体１０６に一体として結合された少なくも１つの駆動セグメント１７０（即ち、電極又は指）と、基板にアンカー止めされ、駆動セグメント１７０とかみ合う複数の駆動セグメント１７２（即ち、電極又は指）とを含む静電式セグメント駆動系である。同様に、横断駆動系１６８は、本体１０６に一体として結合された少なくとも１つの駆動指１７４と、基板にアンカー止めされ駆動指１７４とかみ合う複数の駆動指１７６を含む静電式セグメント駆動系である。機械式レートジャイロスコープ１００の或る実施例においては、駆動系１１４に伴う周縁電磁場に整合させるため、横断駆動系１６６及び１６８の作動指１７０及び１７４の近くにそれぞれ不作動指を付け加える必要があることを認めなければならない。機械式レートジャイロスコープにおける周縁電磁場整合は、上に参照した米国特許仮出願６０／１５９，２７９に記述されている。
【００２９】
機械式レートジャイロスコープ１００の作動は、以下の解析を参照すると、さらに良く理解されるであろう。上述のように、機械式センサ１０２の本体１０６は、駆動系１１４が駆動軸、ｘ、に沿って印加される駆動力、Ｆｄ、に応じ、速度、ｖ、で振動する。明細に言うと、駆動力、Ｆｄ、と速度、ｖ、との関係は、本体１０６の質量を“ｍ”とし、本体１０６を有するシステムの特性周波数応答を“ωｃ”とするとき、式
【００３０】
Ｆｄ  ＝  ｍｖωｃ                              （１）
にしたがう。２次システムの自然共鳴周波数を“ω０”とし、自然共鳴周波数、ωｏ、における周波数応答の品質係数を“Ｑ”とすると、一般的に、２次システムの特性周波数応答、ωｃ、は、次式であらわされる。
【００３１】
ωｃ  ＝  ［ωｏ２＋ｊω（ωｏ／Ｑ）−ω２］／ω    （２）
さらに、品質係数、Ｑ、は、次式であらわされる。
【００３２】
Ｑ  ＝  ωｏ／ＢＷ                                （３）
ここで、ＢＷは、自然共鳴周波数、ωｏ、に中心を置く３−ｄＢ帯域幅である。
【００３３】
本体１０６から成る２次機械式システムに関し対応する速度応答ω〜は、本体１０６の変位を感知軸、ｙ、に沿って制限する機械式ばねのばね定数を“ｋＤ”とし、本体１０６と基板との間のせん断粘性による減衰を“Ｄ”とすると、次式によってあらわされることが認められる。
ω〜＝ω（Ｆｄ／ｍ）／［ｋＤ／ｍ＋ｊω（Ｄ／ｍ）−ω２］  （４）
上の（２）と（４）で類似の係数を等しいとすると、自然共鳴周波数、ωｏ、及び品質係数、Ｑ、を機械式センサ１０２の機械的特性を用いて、次のようにあらわすことができる。
【００３４】
ωｏ２  ＝  ｋＤ／ｍ                                （５）
及び
【００３５】
ωｏ／Ｑ  ＝Ｄ／ｍ．                              （６）
【００３６】
また上述のように、本体１０６の駆動軸、ｘ、に沿う振動は、機械式センサ１０２のレート感知軸、ｚ、の周りの回転と結合して、感知軸、ｙ、に沿って生じる見掛けのコリオリの力、Ｆｃ、のため、本体１０６にコリオリの加速度、Ａｃ、を受けさせる。明細に言うと、コリオリの力、Ｆｃ、は、次式にしたがって、コリオリの加速度、Ａｃ、に対応する。
【００３７】
Ｆｃ  ＝  ｍＡｃ                                （７）
Ａｃ  ＝２ｖΩ、コリオリの力、Ｆｃ、は、機械式センサ１０２をレート感知軸、ｚ、の周りで回転させるため印加される角速度を“ΩＩＮ”とすると、次式にしたがって、速度、ｖ、に対応するからである。
【００３８】
Ｆｃ  ＝  ２ｍｖΩＩＮ                            （８）
【００３９】
したがって、上記に定義した（１）と（２）を用いて、コリオリの力、Ｆｃ、の駆動力、Ｆｄ、に対する比は、次式となる。
【００４０】
Ｆｃ／Ｆｄ  ＝  ２ΩＩＮ／ωｃ・                    （９）
【００４１】
駆動力、Ｆｄ、は、駆動指の第１セット１１８と第２セット１２０との間に印加され、フィードバック力、Ｆｆ、は、横断駆動指１７０と１７２との間及び横断駆動指１７４と１７６との間に印加される。したがって、駆動力、Ｆｄ、のフィードバック力、Ｆｆ、に対する比は、駆動系１１４と横断駆動系１６６及び１６８の中の指（一般的に、セグメント）の各数Ｎｄ，Ｎｆの比Ｎｄ／Ｎｆを“Ｎ”と定義すると、数値、Ｎ、に比例する。
【００４２】
Ｆｄ／Ｆｆ  ∝  Ｎ                              （１０）
好適実施例においては、各駆動系１１４のための複数の駆動指１１８が本体１０６に一体となって結合されており、単一の駆動指１７０と単一の駆動指１７４が同様に本体１０６に一体となって結合されている。例えば、数値、Ｎ、を４００とし、フィードバック力、Ｆｆ、は、７０度／秒の角速度、ΩＩＮ、に等しいとする。
【００４３】
当然の帰結として、フィードバック力、Ｆｆ、は、駆動力、Ｆｄ、を数値、Ｎ、で割ったものに比例する。
【００４４】
Ｆｆ  ∝  Ｆｄ／Ｎ                              （１１）
上に定義した（１１）を用いると、フィードバック力、Ｆｆ、は、したがって次のようにあらわされる
【００４５】
Ｆｆ  ＝  Ｒ（Ｆｄ／Ｎ）                        （１２）
ここで“Ｒ”は、横断駆動系１６６及び１６８が駆動信号を受信して必要なフィードバック力、Ｆｆ、を生じる間の時間量に比例する数値である。
【００４６】
フィードバック力、Ｆｆ、の大きさは、コリオリの力、Ｆｃ、の大きさに等しいと認められる。したがって、上に定義した（１２）を用いると、コリオリの力、Ｆｃ、の駆動力、Ｆｄ、に対する比もまた、次式であらわされる。
【００４７】
Ｆｃ／Ｆｄ  ＝  Ｒ／Ｎ                          （１３）
上に定義した（９）及び（１３）を用いると、レート感知軸、ｚ、の周りで回転させるため機械式センサ１０２に印加される角速度、ΩＩＮ、は次式であらわされる。
【００４８】
ΩＩＮ  ＝（Ｒ／２Ｎ）ωｃ                      （１４）
【００４９】
上述のように、駆動信号を伝送路１７８及び１８０の上で駆動系１１４に与えて、機械式センサ１０２を機械的共鳴で作動させるのが好適である。特性周波数、ωｃ、は、したがって、自然共鳴周波数、ωｏ、に中心のある３−ｄＢ帯域幅、ＢＷ、に対応する。即ち、
【００５０】
ωｃ  ＝  ＢＷ．                                （１５）
上に定義した（３）及び（１５）を用いると、特性周波数、ωｃ、は、次のようにあらわされる。
【００５１】
ωｃ  ＝  ωｏ／Ｑ．                            （１６）
したがって、上に定義した（１４）及び（１６）を用いると、機械式センサ１０２が機械的共鳴で作動するとき機械式センサ１０２に印加される角速度、ΩＩＮ、は次のようにあらわされる。
【００５２】
ΩＩＮ  ＝  Ｒ（ωｏ／２）（１／ＮＱ）            （１７）
【００５３】
この解析において、コンパレータ１５６が発生するデジタルフィードバック信号のＰＲＦは、説明を判り易くするため、角周波数、ωｓ、であらわす。さらに、上述のように、この例示的実施例の機械式レートジャイロスコープ１００は、デルタ−シグマ変調器として機能する。１−ビットＡ−Ｄ変換を持つデルタ−シグマ変調器（即ちコンパレータ）のフィートバック流は、正と負の量子だけから成る。入力信号が全く無いと、正と負の量子が交互に繰り返されて、平均値がゼロ（０）になる。フィードバック流を変えることの出来る唯一の方法は、量子を反対極性のものと置き換えることである。したがって、フィードバック流の値は、量子二つ（２）の増し分でだけ変更することが出来る。この場合、量子は、ωｏの全サイクル又はそれらの逆位相等価物を構成し、ゼロフィードバック波形は、ωｏ成分のない、
【００５４】
ωｏ／２                                      （１８）
のように見えるようになる。当然の帰結として、量子がωｓに同等のＰＲＦにおいてこのように変えられると、フィードバックの時間平均は、次のようにあらわされる。
【００５５】
Ｒ  ＝  ２ωｓ／ωｏ．                          （１９）
したがって、上に定義した（１７）及び（１９）を用いると、角周波数、ωｓ、は次のようにあらわされる。
【００５６】
ωｓ  ＝ｋ１ΩＩＮ                                （２０）
ここで、
【００５７】
Ｋ１  ＝  ＮＱ                                  （２１）
である。
【００５８】
角周波数、ωｓ、はしたがって、印加された角速度、ΩＩＮ、に比例する。加えて、比例定数、Ｋ１、は変換係数Ｎ及びＱから成り、これらは機械式レートジャイロスコープ１００の増幅回路又は電気−機械インターフェースからの不確実性を全く含まない。
【００５９】
図示した実施例において、駆動信号は駆動系１１４にもまた与えられ、機械式センサ１０２を自然共鳴周波数、ωｏ、から離れて作動させる。例えば、機械式センサ１０２を、自然共鳴周波数、ωｏ、より上の角周波数、ω、で作動させる。この場合、特性周波数共鳴、ωｃ、は次のようにあらわされる。
【００６０】
ωｃ  ＝ω、ω＞ωｏ                            （２２）
したがって、上に定義した（１４）及び（２２）を用いると、機械式センサ１０２が自然共鳴周波数、ωｏ、より上で作動するとき機械式センサ１０２に加わる角速度、ΩＩＮ、は、次式であらわされる。
【００６１】
ΩＩＮ＝Ｒ（ω／２）（１／Ｎ）  、ω＞ωｏ．    （２３）
【００６２】
さらに、Ｄ−型フリップフロップ１５８のクロック入力に与えられる駆動信号の角周波数は、印加された角周波数、ω（ω＞ωｏ）、に等しいので、この角周波数、ωｓ、は次のようにあらわされる。
【００６３】
ωｓ  ＝Ｒ（ω／２）、ω＞ωｏ．              （２４）
上に定義した（２３）及び（２４）を用いると、この角周波数、ωｓ、は次のようにあらわされる。
【００６４】
ωｓ  ＝Ｋ２ΩＩＮ、ω＞ωｏ                      （２５）
ここで
【００６５】
Ｋ２  ＝  Ｎ．                                  （２６）
である。
【００６６】
角周波数、ωｓ、は、したがって、印加された角速度、ΩＩＮ、に比例する。しかし、この場合、比例定数、Ｋ２、は変換係数、Ｎ、だけから成り、これは、機械式レートジャイロスコープ１００の増幅回路又は電気−機械インターフェースからの不確実性を全く含まない。
【００６７】
機械式レートジャイロスコープ１００は、ジャイロスコープの機械的及び電気的特性に対して感応度が低いか又はその影響を全く受けない変換係数を有するので、変換係数を測定するとともに調節してその不確実性と不安定性を減少する工程段階を簡略化するか又は省略することが出来、それにより、機械式レートジャイロスコープ１００の全体製造工程が簡単になる。その上、これら不確実性と不安定性を減少するため専用の信号調節回路もまた、簡略化するか又は省略することができるので、それにより、機械式レートジャイロスコープ１００の大きさが小さくなる。
【００６８】
上の機械式レートジャイロスコープ１００の説明的実施例を記述したので、別の代替実施例又は変形を行うことが出来る。例えば、図２は、機械式レートジャイロスコープ１００に対し小型にした機械式レートジャイロスコープ２００を示す。このような小型化は、相互抵抗増幅器１２５をＤ−型フリップフロップ２１０及び２１２で置き換えることにより、果たされる。Ｄ−型フリップフロップ２１０は、そのクロック入力に、外部発生のクロックを受信する。さらに、Ｄ−型フリップフロップ２１２が、反対極性の駆動信号を、クロススイッチ１６４に与える。そして伝送路１７８の上に与えられた駆動信号を用いて、クロススイッチ１３８を制御し、Ｄ−型フリップフロップ１５８をクロックする。Ｄ−型フリップフロップ２１０及び２１２は、上述の共鳴が、この代替実施例において駆動信号とフィードバック信号との間に必要な９０度位相シフトを生じるため、必要とする。
【００６９】
図３は、小型化した機械式レートジャイロスコープ３００を示す。この代替実施例においては、増幅器１２７をスイッチキャパシタ増幅器３２０で置き換えており、これが相互抵抗増幅器の働きをする。スイッチキャパシタ増幅器３２０が９０度位相シフトを生じるので、クロススイッチ１３８及びＤ−型フリップフロップ１５８の制御入力及びクロック入力は、このときＤ−型フリップフロップ２１０によりそのＱ出力から与えられる。増幅器１２７もまた、このような９０度位相シフトを生じる別の増幅器構成に置き換えてよいことが理解される筈である。
【００７０】
当業者はさらに、ここに記述した新規概念から逸脱することなく上述の機械式レートジャイロスコープの変形及び修正をおこない得ることを、理解するであろう。したがって、本発明は付属請求項の範囲及び精神のみにより制限されるべきものである。
【図１】
0004971490.tif 000002
【図２】
0004971490.tif 000003
【図３】
0004971490.tif 000004