JP5560451B2 - マイクロジャイロスコープ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の一般的な用語に係るマイクロジャイロスコープに関する。

一般的に、マイクロジャイロスコープは、回転座標のｘ軸、ｙ軸、ｚ軸周りの回転運動を決めるのに用いられている。このため、三軸それぞれの周りの回転運動を決めるには、三つのマイクロジャイロスコープが必要とされる。これは費用が掛かり、また制御やデータの評価に時間が掛かるという問題がある。

そこで、三軸全ての運動を決定できる三次元マイクロジャイロスコープが提案されている。ディー・ウッドその他による１９９６年の文献「同時に三軸を感知できる一体構造シリコンジャイロスコープ」では、中央アンカ周囲にリング状振動マスを有する、コリオリ力に対する傾斜運動や回転運動を感知可能なジャイロスコープが提案されている。しかし、この欠点として、このようなセンサを製造することと、動くマスを駆動させることの両者は困難かまたは不可能であった。このため、ディー・ウッドその他による意図は単なる理論的なものであった。

ナン・チュアン・ツァイ著、文献「カップリング効果に対する革新的マイクロジャイロスコープの態様と力学」においても、三次元ジャイロスコープが提案されているが、しかし、この欠点は、内部ディスク、外部リング及び４つの運動マスを有することである。特に、内部ディスクの偏向を決めるのは非常に難しい。

ディー・ウッドその他による１９９６年の文献「同時に三軸を感知できる一体構造シリコンジャイロスコープ」 ナン・チュアン・ツァイ著、文献「カップリング効果に対する革新的マイクロジャイロスコープの態様と力学」

このため、本発明は、精密な記録が可能で安価に製造することのできる三次元マイクロジャイロスコープを提供することを目的とする。

この目的は、特徴を有する請求項１のマイクロジャイロスコープにより達成される。

この利点は、振動マスに加え、さらに少なくとも一つのマスがアンカ上に間接的に搭載されることである。コリオリ力による偏向は、振動マス及び付随マスに割り当てられたセンサ要素によって検知される。これらの旋回運動や回転運動は、この方法で検知される。アンカは複数の部品または単一の部品により製造することができる。複数の部品で製造される場合、各振動マスは、これらの部分アンカの一の上に配置することができる。重要な点として、最初に、振動マスはアンカから接近離間する放射方向の運動が可能であることであり、次いで、振動マスはアンカ周囲の傾斜及び回転運動が可能であることである。

この結果として、一方で振動マスは駆動マスとして作用することができ、他方で各マスへの運動はコリオリ力によって伝達される。これにより、ｘ軸、ｙ軸またはｚ軸周りのジャイロスコープの回転（例えば、特に基板の）を検知することが、対応して割り当てられたセンサ要素と共に可能となる。

好ましく、そして何ら限定を伴うことなく、振動マスの偏向を検知するセンサ要素は、後者の下に配置される、換言すれば、振動マスと基板の間に配置される。この場合、センサ要素は、例えばこれらが容量型の場合、振動マスの偏向を電圧の変化を通じて検知する。

付随マスの回転運動を検知するセンサ要素は、付随マスに接続された容量センサまたはこのセンサ要素の静止要素への距離によって変化を決定する等価センサの何れかを通じて決定することができる。

特に有利な点としては、付随マスがリングまたは枠として振動マスを取り囲むことである。これにより、振動マスの外部周囲は付随マスに締結されて支持される。この結果、外部衝撃に耐えることができる安定したシステムが提供できる。

付随マスが湾曲バネにより基板に締結される場合、当該マスは、外部からシステムに及ぶ衝撃を吸収したり、誤った計測を回避するように、当該マス自体を適切に支持する。

湾曲バネが付随マスのｚ軸周りの回転を可能にする場合、それらは、各コリオリ力（付随マスを回転させる）を、阻害することなく容易に、付随マスの偏差に伝達する。

好ましくは、一つのアンカは４つの回転軸の良好で均一な偏向を可能とするために中央に配置される。

振動マスが中央アンカに締結される場合、再度、良好な均一で対称なシステムが供給され、全ての３つの回転オプションの均一な検知を提供できる。

本発明の特に有利な点は、中心ディスクが振動マスと中央アンカの間に配置されていることである。この中心ディスクは、振動マスの傾斜及び回転運動や、これらの上に配置される付随マスの傾斜及び回転運動を特に良好に実行することができる。中心ディスクが自在継手のようにアンカに締結されている場合、この締結はｘ軸およびｙ軸周りのマスの揺れを可能とする。

振動マスの放射状の運動を可能とするには、これらを中央ディスクにバネで取り付けるか、あるいは中央ディスクがない場合には、さらなるバネによりアンカおよび／または付随マスに直接取り付けるのが有利である。

このため、振動マスは、ｘ−ｙ面に沿って前後に揺動することができる。バネは、振動マスのｚ軸内での動きを防止することができるように設計されていることが好ましく、特に、振動マスが、今度は動きを許容する方法で載置される中央ディスクに締結されている場合も同様である。バネがｚ軸方向で相対的に柔軟性がない場合、振動マスが中央ディスクに弾性的に取り付けられており、付随マスがこの方向で振動マスに堅固に接合されている場合にだけ、振動マスのｚ軸における偏位が可能である。

振動マスの均一な揺動を可能とするために、有利には振動マスを互いに連結する同期バネが備えられる。同期バネは、一方で、アンカ周りの周方向のある程度の弾性変形を許容し、振動マスは、放射方向の直線的な動作において、互いに若干離間することができる。他方で、振動マスが、均等で同期した状態で外側及び内側に揺動しないような場合には、これらは振動マスの動きを妨げる。

振動マスと付随マスおよび／または中央ディスクがｚ軸の周りに、特に適当なバネにより、移動可能に取り付けられている場合、振動マスおよび付随マスは、適切な方向のこれらのマスの動きによって、ｚ軸に作用するコリオリ力により生ずる回転運動の表示が可能である。この結果、この回転運動はセンサ要素によって検知され値を求められる。

電極、特にフォーク状または櫛状の電極は、振動マスを駆動するために優先的に提供される。これらの電極は、振動マスの適切な揺動を促し、所定の周波数を有する目標の揺動を生じさせる。

本発明の更なる利点および本発明に関連する他の着想を、以下の実施例の記載に提示する。

図１は、本発明の概略図である。 図２は、図１に係るジャイロスコープの作動原理を示す。 図３は、本発明の他の実施例を示す。 図４は、図３に係る態様の駆動構造を示す。 図５は、図３に係る態様の中央ディスクを示す。 図６は、図３に係る態様の外枠を示す。

図１は、本発明に係るマイクロジャイロスコープの可能な実施例を示すものである。４個の振動駆動マス（ｍａｓｓ）２は、図示平面に横たわっている基板に締結される中央アンカ１上に配置される。マス２はバネ３によりアンカ１に取り付けられ、バネは、第１に図示平面内のアンカ１の周りに回転可能であり、また平面上に存在する回転軸の周りを揺動する。ここでダイヤ型の記号で表されるバネ３は、駆動マス２が放射方向に沿って中央アンカに対して接近離間するのを可能にする。このため、駆動マスは放射状に振動する。

これを達成するため、駆動要素（図示せず）には、例えばマス２の振動運動を維持する駆動電極が備えられる。駆動マス２は、本実施例では環４である付随マスにより囲まれている。この環４は、バネ５によってマス２に連結されている。バネ５は、一方では、マス２の振動運動をできるだけ小さく阻害するように配置され方向付けされるが、他方では、環４と駆動マス２との回転方向および揺動方向における結合が起きるように配置され方向付けされる。駆動マス２と環４がコリオリ力が生じることにより偏向した場合、振動マスと環４の形状を有する付随マスとは共に互いに結合して、同じ偏向を生じる。したがって、バネ５は放射方向には収縮することができるが、他の方向へは堅固であるように作製される。しかし他の態様では、これらは、付随マスや環４ではなく、振動マスを傾斜させることが可能である。この場合、バネ５は、ｚ軸周りの回転方向を除き柔軟である。ここでは、環４に関するｘ軸またはｙ軸の周りの傾斜運動が存在する場合振動マスが動き、この環４はｘ−ｙ平面では傾斜しない。

同期バネ６は４つの駆動マス２の間に配されている。これらの同期バネ６は、駆動マス２の同期揺動を支持する。したがって、これらは駆動マス２が外側に放射状に動いて二つの駆動マス２の間の距離が増加する時及び駆動マスが中心に向かって戻り距離が減少する時に、一定の回転を可能にする。一方、同期バネは、駆動マスが不均一に振動しようとする場合には堅いままである。

距離の変化を検知するセンサ電極は、駆動マス２の下方に配置され、環４の領域内、特にその周囲に沿って配置される。これらのセンサ電極は、例えば、中央アンカ１の周りのシステムの回転運動や、あるいは図示平面上にある軸の一つの周りの傾斜運動を検知する容量的な効果を有するディスクにより構成される。

図２は、図１に示すマイクロジャイロスコープの様々な方向の動きを示す。４つの駆動マスの放射方向の振動運動を通じて、中央アンカ１からの推進が起こる。駆動マス２は、平面内、換言すればｘ−ｙ軸内で同調して振動する。最初に、バネ３、５及び６が駆動マス２を安定させ、次に平滑な振動運動を可能にする。このとき環４は初期状態にある。

システムをｘ軸周りに回転させるコリオリ力が発生する場合、上方又は下方にあるマス２はＵｐ方向（浮く方向）またはＤｏｗｎ方向（沈む方向）に動く。バネ５が適切に機能する場合、環４はこの方向に動く、換言すれば、駆動マス２と環４からなる全システムが、ｘ軸周りをＵｐ方向又はＤｏｗｎ方向に揺動する。バネ５の他の例では、環４が平面内で揺動しない状態で、マス２のみがＵｐ方向およびＤｏｗｎ方向に揺動するだけである。

中央の図に示すように、コリオリ力がシステムをｙ軸周りに回転させる場合、左右にあるマス２は、他方のマスまたは適切な態様のバネ５と共に動き、環４と共にでなくてもｙ軸周りを動き、これによりＵｐ方向又はＤｏｗｎ方向に揺動する。

システムを平面から突出するｚ軸周りに回転させるコリオリ力が検知された場合、システムは中央アンカ１周りを動く。もしこれが生じた場合には、マス２と環４の両者が、バネ５の剛性を通じて、ｚ軸周りを該当方向に共に動く。

本発明に係るシステムにより、マイクロジャイロスコープのｘ軸、ｙ軸及びｚ軸の三つの軸内の動きを比較的容易に判断することができる。各偏向は、偏向したマス内に配置されたセンサ電極により検知される。

図３には、本発明の他の実施例に係るセンサの概略が示されている。公知のミクロ機械加工で製造されるセンサは、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸の三つの軸周りの回転加速を検知することができる三次元ミニチュアジャイロスコープである。本発明の本質的特徴は、外部回転速度の影響下で動きが変化する４つの同期駆動マス２にある。この動きの変化は、電極と容量変化により検知される。同期マス２は、関連する電子機器内の一つの単一制御ループを可能にする結果、構造が容易で経済的なシステムとなる。

この（マイクロジャイロスコープの）センサシステムと評価電子機器のコストを低減するべく、本発明に係るセンサの態様は、センサ電極が照会された時のタイムシェアリングを可能にする。ｘ軸、ｙ軸及びｙ軸周りの角速度は同時かつ単一のチャンネルで読むことができ、独立した角速度は、異なる時間区分（ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ）において連続的に照会される。この結果、全評価電子機器は、システムの精度を犠牲にすることなく、より経済的に製造できる。以下の図にセンサがより詳細に示されている。

図４は、センサの駆動構造を示す。電極のごとき駆動素子（図示せず）は、半径方向内の４つの振動駆動マス２を高周波数で駆動する。各駆動マスはバネ３、５及び６が取り付けられている。この実施例では、バネ３は、接点上で中央ディスクに締結されており（以下に説明する）、この接点は、マス２に締結されたバネ３の二つの追加固着用ポイントの間の中央に配置される。

この結果として、放射方向内で特定の弾性を持つシステムが提供される。さらに、マス２は、二つのｚ字状のバネ５を介して外枠７に締結される。これら二つのバネは、放射方向内でマス２を弾性的に装着し、マス２が振動するのを可能とする。

一方、バネ５は、ｘ軸またはｙ軸周りの傾斜運動に関する枠７との堅固にまたは平滑に連結させる異なる態様を有することができる。ｚ軸周りの回転運動に関しては、マス２と枠７は、バネ５を介して主に堅固に互いに連結されている。ｘ軸、ｙ軸またはｚ軸周りを動く力が生じた場合、システムはマス２と枠７に連結でき、両者は均一に偏向できる。しかし、ｚ軸周りの一の回転運動のみを含む堅固な連結の態様も可能である。この態様でｘ軸またはｙ軸周りの運動が生じた場合、動いたマス２のみが傾斜し、枠７は傾斜しない。

周囲のマス２は同期バネ６により連結され、振動様式で揺動することができる。同期バネ６は、二つの周囲のマス２間の隙間に配置されており、マスがセンサの中央に接近するか離間するかによって、二つの周囲マス２間の隙間を増減させることができる。

一方、同期バネ６は、隣接するマスが非同期的に揺動しようとする場合には、安定しており堅固である。したがって、マス２の一つが周囲のマス２よりもセンサに近づくことはない。

４つの駆動マス２は、図面の矢印に示す如く揺動する。言うまでもなく、マス２の態様はここで示されたものとは異なるものとすることができる。このため、マスは異なる形状と駆動電極を有することができる。特に、例えばこれらの電極はマスの内部で一体化することもできる。駆動マス２は、フォーク状、櫛状、平行な電極その他形状の電極とともに静電気的に駆動することができる。マス２の周囲に配置可能な駆動監視電極は、駆動の動きを監視する。これらの形状は、櫛状や又は平行な電極あるいは他の形状とすることができる。これらの電極は、マス２が所定の周波数で適切に駆動しているかをチェックすることができる。

プレート電極８は各駆動マス２の下に配置されるのが好ましく、これによりｘ軸またはｙ軸周りの偏向が検知される。

図５は、中央ディスク１０をより詳細に示している。中央ディスク１０は、自在継手と類似の構造を持ち、互いに同心状に配置される二つの枠よりなる。図５の場合、中央ディスク１上に位置する内枠は、ｘ軸方向に配向したバネとリンクしている。外枠は、前記バネと同じ態様のｙ軸方向に配向したバネを介して内枠と連結しており、この結果、外枠は内枠とともにｘ軸周りをさらに容易に揺動することができる。これは、次いで中央ディスク、特に中央ディスク１０の外部リングに連結されるマス２と枠７とを、ｘ軸またはｙ軸周りにしたがって揺動することを可能とする。このため、このような偏向を生じさせるコリオリ力を検知することが可能となる。通常、マス２は中央アンカ１に他の方法で取り付けることもできる。中央アンカ１に直接締結することも、例えば適切な態様のバネにより可能である。

中央ディスク１０は、駆動マス２のバネ３を締結するのに使用される。外枠を内枠に締結し、次いでこれを中央アンカ１に締結する締結バネが、適切な態様の場合、中央ディスク１０は、ｘ軸およびｙ軸の周りを揺動することができる。さらに、中央ディスク１０は、特に、外部からのシステムへの衝撃に関して、非常に安定しているという利点を有する。このため、マス２と枠７が基板に衝突し誤った結果を提供するような僅かな衝撃による偏向性の傾向を伴うことなしに、マス２と枠７を取り付けることを確保する。中央ディスク１０は、中央アンカ１を介してセンサ基板に締結される。

図６は、センサの外枠７をより詳細に示す。外枠７は、バネ５を介して動くマスに締結されている。また、外枠７は、例えば（図１および２に示すように）リング状や、独立した隣接するマス２を互いに連結するリングや枠セグメントのような態様をもつことができる。枠１０は、枠バネ１１により基板に取り付けられており、これら枠バネ１１が、枠１０をｚ軸周りに回転することを可能にする。この枠バネは、このような回転運動のためにより柔軟に作成されている。

枠から離間した端部には、枠バネ１１が、バネアンカ１２により基板に締結されている。外枠７の回転は、枠周縁１２に沿って配置された枠センサ電極で検知できる。これらの電極は、指状とすることができ、放射状に配置でき、あるいは放射状に配置された対の櫛状とすることができる。

本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の請求項と詳細な説明の範囲内で様々に改変することができる。また、これらの独立した実施態様の部品を組合せることも可能である。

Claims (10)

1. ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸周りの回転運動を検知するマイクロジャイロスコープであって、
   少なくとも一つの中央アンカが締結されている基板と、
   前記アンカに対して放射状に振動する複数の、特に４つの振動マスと、
   基板が偏向した際にコリオリ力を生じさせるために、ｘ軸またはｙ軸内で前記振動マスを振動揺動させるための駆動要素と、
   前記コリオリ力の発生によって生じる前記基板に対する振動マスの偏向を検知するためのセンサ要素とを有し、
   ｘ軸周りに回転させるコリオリ力が発生する場合、ｙ軸方向に沿って配置してある振動マスはｘ軸周りに傾斜し、
   ｙ軸周りに回転させるコリオリ力が発生する場合、ｘ軸方向に沿って配置してある振動マスはｙ軸周りに傾斜し、
   前記振動マスは、少なくとも一つの付随マスに連結され、前記付随マスは振動することなく前記振動マスとともに基板上で、少なくとも一のアンカの周りで回転可能であり、
   ｚ軸周りに回転させるコリオリ力が発生する場合、前記付随マスはｚ軸周りに回転し、
   前記振動マスは、バネにより前記中央アンカに締結されており、
   前記付随マスは、前記振動マスの外部周囲を取り囲む環状であり、放射方向に柔軟なバネにより前記振動マスに締結されており、
   前記コリオリ力の発生によって生じる付随マスの回転を検知するための付随センサ要素が前記付随マスに割り当てられていることを特徴とするマイクロジャイロスコープ。
2. センサ要素が、前記振動マスの偏向を検知するために前記振動マスの下方に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロジャイロスコープ。
3. 前記付随マスが、湾曲バネで前記基板に取り付けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロジャイロスコープ。
4. 前記湾曲バネが、前記付随マスをｚ軸周りで回転可能にすることを特徴とする請求項３に記載のマイクロジャイロスコープ。
5. 中央ディスクが、前記振動マスと前記中央アンカの間に配置されていること特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のマイクロジャイロスコープ。
6. 前記中央ディスクが、自在継手により前記アンカに締結され、前記マスのｘ軸およびｙ軸周りでの揺動を可能にすることを特徴とする請求項５に記載のマイクロジャイロスコープ。
7. 前記振動マスが、前記中央ディスクにバネにより締結されていることを特徴とする請求項５または６に記載のマイクロジャイロスコープ。
8. 前記振動マスが、同期バネにより互いに連結されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のマイクロジャイロスコープ。
9. 前記振動マスと前記付随マスおよび／または前記中央ディスクがｚ軸周りで軸支されていることを特徴とする請求項５から８のいずれかに記載のマイクロジャイロスコープ。
10. 前記振動マスの前記駆動要素が、電極、特にフォーク状の電極であることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のマイクロジャイロスコープ。
    
    

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