JP2000503756A

JP2000503756A - ２軸のナビゲーショングレードのミクロ機械加工回転センサシステム

Info

Publication number: JP2000503756A
Application number: JP8-506629A
Authority: JP
Inventors: スチュワート，ロバート・イー; ワイズ，スタンリー・エフ; ファーシュト，サミュエル・エイチ
Original assignee: リットン・システムズ・インコーポレイテッド
Priority date: 1994-07-29
Filing date: 1995-07-28
Publication date: 2000-03-28
Anticipated expiration: 2015-07-28

Abstract

(57)【要約】ディジタルデルタシータ出力信号を与える２軸閉ループ角速度センサ。駆動部材は１対の対向する平坦な表面を備える単一のシリコンウエハから形成される。駆動部材はフレームと、フレームに接続される駆動部材中央部分とを含み、駆動部材中央部分はシリコンウエハの平坦な表面に垂直な軸に関しフレームと中央部分との間に回転のコンプライアンスが生じるように配置される。駆動信号が中央部分の複数の電極に与えられ、シリコンウエハの平坦な表面に垂直な駆動軸に関する駆動部材中央部分の回転振動を生じさせる。シリコン検出部材が駆動部材に接続される。検出部材は駆動部材中央部分に接続される中央サポート部材を備え、駆動部材中央部分の回転振動が検出部材中央部分に伝達される。検出部分は検出部材中央サポート部材に接続されて駆動軸に関して振動し、駆動軸に垂直な軸に関する入力回転速度が検出部分の面外振動を生じさせる。信号処理装置は、検出部分の面外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ために検出部分に接続される。

Description

【発明の詳細な説明】２軸のナビゲーショングレードのミクロ機械加工回転センサシステム発明の背景本発明は包括的にナビゲーションなどの応用例において使用するための回転センサに関する。本発明は具体的には、再突入飛翔体などの加速度および振動が大きな環境で動作する際でも非常に正確性の高い回転センサシステムに関する。本発明はより具体的には、２つの直交する検出軸に関する回転速度を測定するためのコリオリ加速度センサを含むシリコンチップに基づいた回転センサシステムに関する。既知のミクロ機械加工されたコリオリ回転センサシステムのバイアス再現性は１０゜ないし１０００゜／時間の範囲である。この概念の分析によれば、このシステムの性能が３ないし５オーダ向上し非常に正確なナビゲーショングレード装置が生み出され、一方では本発明の回転センサシステムに対し設定されているコストが低くかつ信頼性が高いという目的を達成することは確実性がないように思われる。発明の概要本発明に従う回転センサの設計は、共振ロータジャイロの多数の性能上の利点を含み入れる一方で、ミクロ機械加工の低コストおよび信頼性という利点を利用するものである。実際回転センサは、「ロータ（回転子）」が「スピン軸」に関し一定に回転するのではなくスピン軸に関して角度的に振動するということを除き、２軸チューンドロータジャイロスコープとしてみることができる。角運動量ベクトルは一定のままではなく正弦状に振動する。ロータは、スピン速度でではなく振動周波数でその出力軸に関し共振するように同調された慣性同調検出素子である。回転センサは、ディジタルデルタシータ出力信号を与える２軸閉ループ角速度センサである。本発明に従うマイクロ慣性回転センサは、揚抗比が高い再突入飛翔体および超音速の補助的軍需品に関連する加速度および振動が大きな環境で動作する一方で、１ｎｍ／時間のナビゲーションシステムをサポートするように設計されている。本発明に従う回転センサは、少なくとも１つの固体のミクロ機械加工された検出素子を含む。本発明はまた、小型、軽量、低コスト、低電力であり、信頼性が高く、かつ商用および軍用双方の応用例において使用されるように設計されている。本発明に従う回転センサは、ベースと、ベースに装着され、対向する１対の平坦な表面を有する１つのシリコンウェハからなる駆動部材とを含む。駆動部材はフレームとフレームに接続される駆動部材中央部分とを含み、駆動部材中央部分はシリコンウェハの平坦な表面に垂直な軸に関しフレームと中央部分との間で回転のコンプライアンスを有するように配置される。駆動部材はさらに、中央部分の少なくとも一方側に形成される複数の電極と、駆動信号を複数の電極に与えるための駆動装置とを含む。電極は、駆動信号によりシリコンウェハの平坦な表面に垂直な駆動軸に関し駆動部材中央部分の回転振動が生じるように配置される。本発明に従う回転センサはさらにシリコン検出部材を含み、シリコン検出部材は検出部材中央サポート部材を含み、検出部材中央サポート部材は駆動部材中央部分の回転振動が検出部材中央部分に伝達されるように駆動部材中央部分に接続される。検出部分が検出部材中央サポート部材に接続され、検出部分が駆動軸に関して振動すること、および駆動軸に垂直な軸に関する入力回転速度により検出部分の面外振動が発生することが可能になる。信号処理装置が、入力回転速度を検出部分の面外振動の周波数の関数として示す信号を発生するために検出部分に接続される。好ましくは本発明に従う回転センサはさらに、フレームと駆動部材中央部分との間に接続された複数のフレクシャビームを含む。好ましくは本発明に従う回転センサはさらに、複数の一般に平坦な板ばねを含み、板ばねは、検出部分における面外振動が板はね部材の面に垂直となるように検出部材中央サポート部材と検出部分との間に接続される。好ましくは、容量性ピックオフが、検出部分の面外振動が容量性ピックオフにおいて容量の変化をもたらすように検出部分に形成される。好ましくは本発明に従う回転センサはさらに、ベースと駆動部材のフレームとの間に接続される複数のベースマウントを含む。各ベースマウントは好ましくは、回転センサにおける単一の機械的共振周波数発生および外部振動入力減衰のための減衰コンプライアント素子を含むように形成される。信号処理装置は、容量性ピックオフに接続され入力回転速度を示す信号を受取るように配置される第１の加算回路を含んでもよい。第１の変調回路が第１の加算装置に接続され、入力回転速度信号を駆動信号周波数の余弦を示す信号で変調するために配置されてもよい。第２の変調回路が、四分円動的誤差を駆動信号周波数の正弦を示す信号で変調するために配置されてもよい。第２の加算回路が接続され、第１および第２の変調回路からの信号出力を加算し、駆動部材にフィードバック信号を与えてもよい。第１の復調器回路が、センサ素子応答信号を駆動周波数の余弦で復調するために容量性ピックオフに接続されてもよい。第１の補償回路が接続されて第１の復調器回路から出力された信号を受取り、第２の復調器回路がセンサ素子応答信号を駆動周波数の正弦で復調するために容量性ピックオフに接続されてもよい。第２の補償回路が接続されて第２の復調器回路からの信号出力を受取ってもよい。第１のトルキング変調器回路が第１の補償回路に接続され、第２のトルキング変調器回路が第２の補償回路に接続されてもよい。信号処理装置はさらに、第１および第２のトルキング変調器回路から出力された信号を加算するための第３の加算回路を含んでもよく、第３の加算回路は駆動部材の複数の電極に入力されるフィードバック信号を発生する。本発明に従う２軸回転センサはまた、向かい合う関係でともに装着される１対の同一の駆動部材／検出部分の組合せを含んでもよい。各駆動部材および検出部分は上記の態様で形成される。駆動信号により検出部分は反対方向に振動する。好ましくは信号処理装置は、第１の容量性ピックオフを含み、第１の容量性ピックオフは第１の検出部分の面外振動が第１の容量性ピックオフにおける容量の変化を生じさせるように検出部分に形成され、信号処理装置はさらに第２の容量性ピックオフを含み、第２の容量性ピックオフは第２の検出部分の面外振動が第２の容量性ピックオフにおいて容量の変化を発生させるように検出部分に形成される。信号処理装置はさらに、第１の検出部分に接続されそこから出力された回転応答信号を増幅する第１の増幅器と、第２の検出部分に接続されそこから出力される回転応答信号を増幅する第２の増幅器とを含む。第１の加算回路が第１および第２の増幅器に接続され、増幅された回転信号の総和を示す和信号を発生するように配置される。第２の加算回路が第１および第２の増幅器に接続され、増幅された回転信号の差を示す差信号を発生するように配置される。変調回路が、和および差信号の同相および直角位相変調のために第１および第２の加算回路に接続される。サーボ補償回路が変調回路に接続され、そこから同相および直角位相変調された和および差信号を受取り、第１の軸に関する入力回転のための測定された速度信号を発生する。同相および直角位相トルク変調および加算回路がサーボ補償回路に接続されてそこからの信号を受取る。発振器サーボが、自動利得制御を与えるために、同相および直角位相トルク変調および加算回路、ならびに同相および直角位相復調回路に接続される。第３の加算回路が同相および直角位相トルク変調および加算回路にそこからの変調された信号を受取るために接続される。本発明の目的の理解、ならびにその構造および動作方法のより完璧な理解は、以下の好ましい実施例の説明について考察し、添付の図面を参照することによりもたらされるであろう。図面の簡単な説明図１Ａは本発明に従う固体２軸回転センサの分解斜視図である。図１Ｂは、図１Ａの回転センサに含まれ得る速度検出素子の斜視図である。図２は、図１の装置に含まれ得る駆動部材の一部の斜視図である。図３は図２の装置に含まれ得るフレクシャビームの断面図である。図４は図１の装置に含まれ得る駆動部材、センサピックオフおよびトルキング電極の下面平面図である。図５は図１および４の駆動部材の上面平面図である。図６は、図１の装置に含まれ得る容量性信号ピックオフを含む回転センサアセンブリの図４の線６−６に沿う断面図である。図７は図６の装置のためのバイアスおよび電気信号ピックオフを概略的に示す。図８は各軸に対し独立してキャプチャリングされる各検出素子を備えるコリオリ回転センサから出力された信号を処理するための回路を示す。図９は図８の回路のさらなる特徴を示すブロック図である。図１０は、コリオリ回転センサから出力される信号を処理するための回路の一般化されたブロック図であり、検出素子はどちらも各軸に対する１つのキャプチュアループで組合されている。好ましい実施例の説明図１Ａを参照して、本発明に従う回転センサ２０は、下部カバー２３と好ましくは下部カバー２３と実質的に同一である上部カバー（図示せず）とを備えるベース２２を含む。ベース２２の断面は一般には矩形である。ベース２２はコーナー２８−３１でそれぞれベース２２の内側に装着されたベースマウント２４−２７を含む。回転センサ２０は好ましくは同一である１対の速度検出部材３４および３６を含む。速度検出部材３４および３６の各々は好ましくは、ミクロ機械加工処理によって単一シリコン結晶から形成される。回転センサ２０はさらに、同一でありかつ各々が単一シリコン結晶から形成される１対の駆動部材３８および４０を含む。図１Ａは速度検出部材３４および３６それぞれの対向面４２および４４を示す。図１に示されるように、回転センサ２０を組立てるときには速度検出部材３４の表面４２は駆動部材３８の下面に結合される。同様に、速度検出部材３６の下面は駆動部材４０に結合される。駆動部材３８は図示の便宜上一般に矩形として示される周辺フレーム５０を含む。フレーム５０はその他の形状であってもよい。図２を参照して、駆動部材３８の上面５４の中央部分５２はフレーム５０よりも薄い。図１および２を参照して、中央部分５２はフレクシャビーム６０−６３によりフレーム５０に接続されるサイドエッジ５５−５８を有する。フレクシャビーム６０−６３は好ましくはサイドエッジ５５−５８の中央部からフレーム５０へと延在する。図２では、駆動部材３８の一部は省略されており、中央部分５２およびフレクシャビーム６０ −６３がより明確に示されている。図３はシリコン結晶をエッチングすることにより形成されるフレクシャビーム６０の断面を示す。好ましくは、図１−３および６で示されるようにフレクシャビーム６０−６３は同一であり垂直面における曲げへの抵抗が大きい。フレクシャビーム６０−６３は水平の面における曲げに対する抵抗は小さいため、中央部分５２はその幾何学的中心を通る垂直軸に関し小さな振幅の回転運動で振動し得る。図１Ａおよび５を参照して、駆動部材３８を形成する結晶の一部の適切なドーピングにより、４つのグループの電極アセンブリ７０−７３が駆動部材３８に形成される。電極アセンブリはフレクシャビーム６０−６３間で中央部分５２に接続される。図５を参照して、たとえば電極アセンブリ７０の網状の陰影をつけた部分は別個の電極８０−８８を示している。電極８０−８８は、同一の駆動部材４０内では対応する電極が互いに角度的に変位するように、電極アセンブリ７０のコーナー９０に関して位置決めされる。対応する電極間の変位は、同一の駆動部材４０を裏返し、電極アセンブリが向かい合うように配置したときに生じる。２つの駆動部材３８および４０における電極の角変位により、電極は与えられた周波数の２倍の周波数で振動の態様で互いに反発し、駆動部材の電極および対応する中央部分の反対方向の回転振動が生じる。電気信号ソースが２つの駆動部材に接続されて電極に駆動信号を与える。好ましくは、駆動信号は共振周波数で各駆動部材を駆動する。好ましくは駆動部材３８および４０の共振周波数は同一であり一般には約５ｋＨｚである。２つの中央の駆動部材３８および４０はともに逆回転捩じれ共振機械的発振器を形成する。２つの外側の速度検出部材３４および３６はともに、２軸同調慣性速度検出素子を形成する。図１Ａ、１Ｂおよび６を参照して、駆動部材３８の中央部分５２の厚みはフレーム５０の厚みよりも小さい。駆動部材４０の中央部分１５０はまたそのフレーム１００よりも薄い。中央部分とフレームとの厚みの違いにより、駆動部材３８のフレーム５０と駆動部材４０のフレーム１００とを結合したときに中央部分間に小さな空隙が生じる。図１Ａ、１Ｂおよび６を参照して、速度検出部材３４および３６はそれぞれ検出素子１１０および１１２を備える。速度検出部材３４は中央部分１２０と、中央部分１２０から検出素子１１０へと延在する複数のコンプライアント板ばね１２２−１２５を含む。同様に、速度検出部材３６は中央部分１２１から検出素子１１２へと延在する板ばね１３０−１３３を含む。検出素子１１２は好ましくは、一般的に矩形の中央の空き１１３を有する概して薄い矩形構造として形成される。図１Ｂおよび６で示されるように、中央部分１２１は検出素子１１２よりも厚みが大きく、検出素子１１２は板ばね１３０−１３３よりも厚みが大きい。図６は、駆動部材３８および４０を結合し次に速度検出部材３４および３６をそれぞれ駆動部材３８および４０の後面の中央部分に結合した結果としての構造を示す。速度検出部材３４および３６の最も厚みの大きな中央部分１２０および１２１のみがそれぞれ対応する駆動部材３８および４０に結合される。このようにして板ばね１２１−１２５および１３０−１３３は、図１Ａおよび１Ｂで示されるようにＺ軸に沿い、かつ図６で示されるようにこの紙面で小さな振幅で自由に振動する。図１および６を参照して、駆動部材３８および４０ならびに速度検出部材３４および３６は結合された後にベース２２に配置され、駆動部材３８および４０のコーナーがベースマウント２４−２７に接触する。好ましくは、ベースマウント２４−２７は各々、機械的発振器サポートベース２２と駆動部材３８のフレーム５０との間で減衰コンプライアント素子を含むように形成される。このコンプライアント素子は、逆回転機械的発振器が１つの共振周波数を有することを確実とするために必要である。コンプライアント素子はまた外部振動入力を減衰するというさらなる利点をもたらす。回転センサ２０が完全に組立られ、駆動電圧が双方の駆動部材３８および４０の電極アセンブリに与えられると、回転センサ２０は図１ＡのＸおよびＹで示された面内の軸に関する回転の検出に使用できる。ＸまたはＹ軸に関する回転入力によって、速度検出素子１１０および１１２において面外振動が発生する。この面外振動は、面における軸に関する物体の回転により面において振動する物体で発生する面外のコリオリ力により生じるものである。板ばね１２２−１２５および１３０−１３３により、入力回転に応答し面内の軸に関する適量の面外振動が生じる。好ましくは、２つの速度検出部材３４および３６は実質的に等しいＸ軸共振周波数を有する。同様に、好ましくは、速度検出部材３４および３６のＹ軸共振周波数は同じである。これら共振周波数は好ましくは駆動部材の振動周波数と等しい。ＸまたはＹ軸いずれかに関する入力回転速度により生じる面外振動は、駆動部材３８および４０と対応する速度検出部材３４および３６との間の相対的変位を変化させる。この変化する変位は容量における変化として考えることができ、以下で説明される容量性ピックオフがもたらされる。図１Ａおよび６において、駆動部材４０の中央部分は参照番号１５０で示される。駆動部材４０はまた、駆動部材３８のフレクシャビーム６１および６３にそれぞれ対応するフレクシャビーム１５２および１５４を有するものとして示される。図７は概略的に容量性信号ピックオフを示す。発振器１６０は速度検出部材３４および３６に基準励振信号を与える。基準励振の電圧は約１０ボルトであり、周波数は約２５０ｋＨｚである。キャパシタ１６２および１６４が駆動部材３８と速度検出部材３４との間に形成される。キャパシタ１６６および１６８は駆動部材４０と速度検出部材３６との間に形成される。約＋１０ボルトの駆動電圧がキャパシタ１６２および１６６に与えられる。約−１０ボルトの駆動電圧がキャパシタ１６４および１６８に与えられる。電気リード線１７０−１７３は回転速度を示す振動性信号を以下で述べる信号処理回路に運ぶ。図８を参照して、信号処理は基本的な形式として、速度検出部材３４および３６双方についてのＸおよびＹ軸に関する回転速度を示す信号からなるセンサ入力を受取る。センサ入力はそれぞれ第１および第２のＸ軸センサキャプチュアループ回路２００および２０２に、かつそれぞれ第１および第２のＹ軸センサキャプチュアループ回路２０４および２０６に与えられる。第１および第２のＸ軸センサキャプチュアループ回路２００および２０２の出力はそれぞれ加算器２０８に入力される。同様に、第１および第２のＹ軸センサキャプチュアループ回路２０４および２０６の出力はそれぞれ加算器２１０に入力される。加算器２０８および２１０は量子化器２１２にＸおよびＹ軸回転信号を与える。センサ回路２００−２０６は同一でもよい。４つのセンサ回路２００−２０６各々についての構造が図９に示される。角速度入力信号および同位相動的誤差を示す信号が加算器２２０で組合される。加算器２２０の出力は周波数ω_D で逆回転駆動振動からのコリオリ発生力により動的に変調される入力を表わす。この同位相信号は任意的に駆動信号の余弦関数として示すことができる。四分円動的誤差を示す信号は駆動信号の正弦関数として特徴づけることができる。ブロック２２２および２２４は振動周波数での入力速度信号の動的変調を表わす。ブロック２２２および２２４からの信号の総和は加算器２２６によって示される。加算器２２６の出力は角速度入力へのセンサ素子応答を示すブロック２２８によって示される回路に入力される。ブロック２２８の出力は増幅器２３０により増幅される。増幅器２３０は信号をｃｏｓω_D ｔおよびｓｉｎω_D ｔでそれぞれ復調する１対の復調器２３２および２３６への出力をもたらす。復調器２３２および２３３の出力はそれぞれ対応するサーボ補償回路２３４および２３３に入力される。サーボ補償回路２３４の信号出力は図８の適切な加算器２０８または２１０に送られる角速度信号である。サーボ補償回路２３４および２３６からの信号出力はまた、入力された信号をそれぞれｃｏｓω_D ｔおよびｓｉｎω_D tで変調するトルキング変調器回路２３８および２４０に入力される。トルキング変調器回路２３８および２４０から出力された信号は加算器２４２に入力される。加算器２４２の出力は検出素子トルキング電極２２７ａ−２２７ｄに与えられ、加算器２２６を通して検出素子にフィードバックトルクを与える。図１０は、双方の検出素子からの信号が１つのキャプチュアループで組合される信号処理回路を示す。Ｘブロック２５２へのＸ速度入力信号は、駆動周波数ω_D でコリオリ力によって変調される。ブロック２５２の出力はトルキング加算器２５０への入力として示される。ピックオフ回路２５４および２５６は周波数ω_D で第１および第２の速度検出部材３４および３６の振幅応答を発生する。増幅器２６０および２６２はそれぞれ回路２５４および２５６から出力された信号を増幅する。加算器２６４は回路２５４および２５６から出力された信号の総和を示す信号を発生し、加算器２６６は回路２５４および２５６から出力された信号の差を示す信号を発生する。和および差信号は次に、同位相および直角復調を行なう復調器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、Ｘ軸に関する測定された回転速度がもたらされる。駆動部材のサーボ発振器２７４からの信号は、復調器２７０と、同位相および直角トルク変調および加算をもたらす変調および加算回路２７６とに接続される。変調および加算回路２７６はサーボ補償回路２７２から信号を受取り、加算器２５０にフィードバックトルキング信号を与える。図１０の回路は、Ｘ軸について上述した構成要素と同一の構成要素を有するＹ軸についての第２の部分２８０を含む。図１０では、双方の部材からの信号については、フィードバックトルクが与えられる前に総和および差分がとられる。この方策により、出力軸同調のＱが向上する。各検出部材が独立してキャプチャリングされるならば、各部材に対する反作用トルクの釣り合いが互いにとれている逆振動モードでフィードバックトルクを位相同期させないことにより、Ｑは減衰するであろう。各部材が独立してキャプチャリングされるならばベースマウントでエネルギが浪費されるであろう。センサの偏向を完全にキャプチャリングするためには、和および差信号だけでなく、同位相および直角信号をともに０にしなければならない。速度を表わす信号は、差分をとられた信号の同位相成分である。他のフィードバックトルクは、望ましくないクロス結合入力および角加速度入力からの同相および直角トルクを補正する。回転センサ２０についての性能および環境に関する詳細な必要条件は、０．０１゜／時間のバイアス再現性、２０ＰＰＭのスケールファクタ誤差、０．００１゜／√時間の角度ランダムウォーク、および０．０１゜／時間／Ｇ未満の感度である。本発明に従う回転センサ２０には、振動整流誤差を減少させバイアス再現性を向上させるといういくつかの重要で独自の特徴がある。第１に、両方の軸についての線形的な振動の同相除去は、検出素子の重心をその懸垂中心と一致させることにより可能となる。振動速度センサのその他の機械化において使用されるような、独立した加速度センサの位相および利得の整合およびトラッキングの心配はない。第２に、慣性速度検出素子は、バイアス誤差をもたらす面外の駆動力からは機械的に分離されている。第３に、各駆動部材および関連する検出素子は単一のユニットとして一緒に移動するため、慣性速度検出素子とそのピックオフとの間には相対運動は生じない。第４に、捩じり機械的発振器アセンブリは釣り合っているので、バイアス誤差に至る可能性がある外部機械的インピーダンスにおける変化への感度が減じられる。機械的発振器は、２軸コリオリ角速度検出に必要な振動速度励起をもたらす。４つのフレクシャ素子６０−６３のばね定数、駆動部材４０のその他の４つのフレクシャ素子と結合する振動素子５２および３４の慣性、ならびに振動素子３６および１５０の慣性により発振器の共振周波数が確立され、一方ピーク速度振幅は発振器のピックオフにより検出され、信号を発振プレートの対向する面の駆動電極に与える駆動エレクトロニクスにより制御される。振動プレートの対向面には、慣性速度検出素子の各々の軸を再び釣り合わせるのに用いられるピックオフ／強制電極がある。なお、すべての駆動、ピックオフ／強制電極および電気コンタクトは機械的発振器に限られる。機械的発振器の固有周波数は５キロヘルツのオーダであり、全回転センサチップおよびベースマウントのコンプライアント素子の共振周波数は１キロヘルツのオーダである。したがって、５００ヘルツという所望の帯域幅を容易に達成することができる。動作においては、上側の速度検出部材３６と下側の速度検出部材３４とは機械的発振器素子３８および４０により１８０°相が異なるように駆動される。速度検出素子の上側および下側の速度検出部材は、入力軸および機械的発振器双方に垂直である軸に関する振動により、機械的発振器の軸に垂直な軸に関する角速度の入力に応答する。速度検出素子のこのコリオリにより誘起される振動の成分が、ＸおよびＹ軸容量性ピックオフにより検出される。このピックオフ信号は、電圧をフィードバックして速度検出素子を静電的に０に強制する回転センササーボエレクトロニクスのＸおよびＹチャネルに与えられる。各軸についての電圧フィードバックの大きさは、入力角速度のＸおよびＹ成分に線形的に比例する。信号処理回路は、角速度に比例するＤＣ信号を与える一方でループが機械的発振器周波数ω_D で積分利得を有することを可能にする態様で、同位相および直角信号双方をサーボする。図８の量子化器２１２を参照して、高速のオーバーサンプリングを伴う２重レンジ変換方法が用いられる。ダイナミックレンジが高い、４次デルタ−シグマ変調器はアナログ速度信号を直列ビットストリームに変換し、各ビットはデルタシータを表わしている。このデルタシータは次に、１０のファクタ分帯域幅よりも高い５ｋＨｚでプロセッサにより加算およびサンプリングされ、高速平均化が行なわれる。信号は雑音を含んでいるため、このプロセスの結果分解能が向上する。オーバーサンプリング後の１．５ａｒｃ−ｓｅｃという分解能を伴う１８０゜／ｓｅｃという精密な範囲が達成される。精密でない範囲は４倍に増大して７２０゜／ｓｅｃとなり、分解能は６．０ａｒｃ−ｓｅｃである。この回転センサの評価は基本的には同じ理論を用い、チューンドロータジャイロ（ＴＲＧ）と同じ伝達関数を有する。検出素子振動のＱはＴＲＧ動的時定数に類似し、駆動周波数とセンサ出力固有周波数との差は、同調された速度と異なるＴＲＧのスピン速度に等しい。本発明のいくつかの重要な特徴について以下に述べる。センサ２０は閉ループモードで動作して検出軸を同調させ、開ループ装置に対しランダムウォークを何オーダも減じることができる。たとえば開ループの音叉ジャイロのランダムウォークはその帯域幅に比例して劣化する、というのも音叉の振動周波数から離れるようにさらに同調されより大きな帯域幅が得られるにつれてピックオフ感度は減少し続けるからである。駆動力は感応素子に直接作用しない。感応素子を直接駆動することは、シャフトおよびジンバル構造を通して駆動する代わりにＴＲＧのモータを直接ロータ素子に装着することと同じである。感応素子そのものが駆動される場合、振動のための駆動力がコリオリ検出軸の方向にわずかな量だけでも不整合になっているならば、バイアス誤差の直接の源が生じるだろう。クロス結合される力の位相は速度入力により発生されるものと等しく、したがって実際の速度入力と区別することができない。この力は、圧力、アライメント、またはヒステリシス損失が変化すれば時間および温度とともに変化するだろう。センサが懸垂を通して駆動される設計においてさえ、検出軸方向におけるスチフネスが高くなければ、通常の力は検出素子に伝達される。これは「表面」ミクロ機械加工方法を適用する設計の場合であろう、というのも懸垂では「深さ」というものはもたらされずクロス面の方向ではスチフネスが高くなるからである。振動駆動運動、または結果として生じる応力はピックオフには現れない。変位ピックオフのベースが検出素子とともに動くようにすることによって、最も被害を大きくする誤差の源の１つが完璧に排除できる。全体としてこの特徴は、感応素子がピックオフの上で振動する際の感応素子の振動面での不完全性のコヒーレント結合を排除する。ミクロ機械加工されたシリコンの表面仕上げが０．０２マイクロインチのオーダであっても、０．０１度／時間の性能に対し分解するのに必要な運動の振幅よりも何オーダも大きい。この移動ピックオフ技術はまた、ミクロ機械加工中の感応素子の何らかの公称のチルトによる効果を排除する。このようなチルトからの信号はチルトおよび角度振動振幅の積に比例する出力に結合するだろう。その他多くのコリオリ検出装置では、コリオリ力を検出するためにピエゾ抵抗、または圧電応力検出変換器を用いる。不運にもこうしたピックオフは、０．０１度／時間の分解に必要な応力よりも数十億倍も大きい駆動振動の全応力を反結合しなければならない。本発明により線形の振動の固有の同相除去がもたらされる。各検出素子は、重心が懸垂中心にあるように本来釣り合わされている。大抵のその他の設計のように片持ち梁形式のものではない。したがって線形の振動入力に対しては出力は発生されない。片持ち梁形式の耐性の高い固まりについては、２つの出力からの信号の差分がとられて振動への感度が除去される。このことはこうした消去のためには利得および位相の整合に優れることが重要であることを示している。５０００Ｈｚの共振周波数および０．５メートル／秒のピーク速度に対し、ピークコリオリ加速度は０．０１゜／時間入力速度に対して０．００５マイクロＧである。５０００Ｈｚでのこの加速度に対するピーク出力軸偏位軸変位は、５．１×１０^-11 ミクロンである。出力軸に関する５００という控えめなＱの値に対し、この運動は増幅して２．５×１０^-8ミクロンとなる。公称のギャップが１０ミクロンというピックオフは、５ボルトのブリッジソースに対し１．２ｎＶ、およびギャップ容量の５倍もの推定される浮遊およびバックプレーン容量を発生する。これにより゜／時間につき１２０ｎＶのスケールファクタが生じる。４ｎＶ／√Ｈｚの雑音よりも優れた現在の計測増幅器では、回転センサの白色雑音は０．０５゜／時間／√Ｈｚよりも優れており、ＲＭＳへの変換および全波復調が可能であろう。この雑音は０．００１゜／√時間よりも優れたランダムウォークに変換する。Ｑがより高くされれば、この数字は比例して小さくなるであろう。動作においては、振動の軸に垂直な軸に関し速度が与えられるとコリオリ力が発生し、これが感応素子に面外で角度的に振動させる。この運動を測定する検出素子に近接してプレートに設けられたピックオフからの信号が増幅され、フィードバックトルクを発生させてコリオリ力の効果を打消すのに用いられる。検出素子を０に保つのに必要なトルクは、入力速度の尺度である。ベースをシステムに追従するように装着し、センサを外部振動から分離することが所望されるならば、２つの感応素子をともに位相同期がとられるループにキャプチャリングすることにより、出力軸に関し高いＱを維持することが重要である。そのためには、フィードバックトルクが与えられる前に双方の検出素子からのピックオフ信号について総和および差分がとられる。各検出素子が独立してキャプチャリングされたならば、各素子に対する反作用トルクが互いに釣り合っている平衡モードにおいてフィードバックトルクの位相同期が行なわれるようにすることによってＱは減衰されるだろう。この技術は２つの検出素子がコンプライアントフレームマウントを通して結合されることにより１つの独自の振動周波数に駆動される駆動メカニズムと等価である。本明細書で開示する構造および方法は本発明の原理を示している。本発明をその精神または本質的な特性から逸脱させることなくその他の具体的な形式で実現することができる。ここで説明された実施例はすべての観点において制限的なものではなく例示的なものであると考えられるべきである。したがって、前述の説明よりも添付の請求の範囲が本発明の範囲を規定するものである。クレームの等価物の意味および範囲内である本明細書で説明した実施例のすべての変形例が、本発明の範囲において包含される。

【手続補正書】【提出日】１９９７年１月２８日（１９９７．１．２８）【補正内容】請求の範囲１．回転センサであって、ベースと、駆動装置とを含み、駆動装置は、ベースに装着された第１のフレームを有する第１の駆動部材を含み、第１の駆動部材は第１の１対の対向する平坦な表面を備える単一のシリコンウエハから形成され、第１の駆動部材はさらに、フレームに接続される第１の駆動部材中央部分を有し、シリコンウエハの平坦な表面に垂直な軸に関しフレームと中央部分との間で回転のコンプライアンスが存在するようにされ、第１の駆動部材はさらに第１の駆動部材中央部分の少なくとも片側に形成される第１の複数の電極を有し、駆動装置はさらに、第１のフレームに装着される第２のフレームを有する第２の駆動部材を含み、第２の駆動部材は第２の１対の対向する平坦な表面を備える単一のシリコンウエハで形成され、第２の駆動部材はさらに、フレームに接続される第２の駆動部材中央部分を有し、シリコンウエハの平坦な表面に垂直な軸に関しフレームと中央部分との間で回転のコンプライアンスが存在するようにされ、第２の駆動部材はさらに第２の駆動部材中央部分の少なくとも片側に形成される第２の複数の電極を有し、回転センサはさらに、駆動信号周波数を有する駆動信号を複数の電極に与えるための駆動信号装置を含み、複数の電極は、駆動信号によりシリコンウエハの平坦な表面に垂直な駆動軸に関し駆動部材中央部分の回転振動が生じるように配置され、回転センサはさらに、シリコン検出部材を含み、シリコン検出部材は、第２の駆動部材中央部分に接続される検出部材中央サポート部材を有し、それにより第２の駆動部材中央部分の回転振動が検出部材中央部分に伝達され、シリコン検出部材はさらに検出部材中央サポート部材に接続された検出部分を有し、前記検出部分は駆動軸に関して振動し、駆動軸に垂直である軸に関する入力回転速度が検出部分の面外振動を発生させ、回転センサはさらに、検出部分に接続され検出部分の面外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ための信号処理装置を含む、回転センサ。２．第１の駆動部材はさらに第１のフレームと第１の駆動部材中央部分との間に接続される第１のフレクシャビームを含み、第２の駆動部材はさらに第２のフレームと第２の駆動部材中央部分との間に接続される第２の複数のフレクシャビームを含む、請求項１に記載の回転センサ。３．検出部材中央サポート部材と検出部分との間に接続される複数の一般的に平坦な板ばね部材をさらに含み、検出部分における面外振動が板ばね部材の面に垂直となる、請求項１に記載の回転センサ。４．第２の駆動部材と検出部分との間に形成される容量性ピックオフをさらに含み、検出部分の面外振動により容量性ピックオフの容量に変化が生じセンサ素子応答信号が形成される、請求項３に記載の回転センサ。５．検出部材中央サポート部材と検出部分との間に接続される複数の一般的に平坦な板はね部材をさらに含み、検出部分における面外振動か板はね部材の面に垂直となる、請求項２に記載の回転センサ。６．第２の駆動部材と検出部分との間に形成される容量性ピックオフをさらに含み、検出部分の面外振動により容量性ピックオフの容量に変化が生じセンサ素子応答信号が形成される、請求項５に記載の回転センサ。７．ベースと駆動部材のフレームとの間に接続される複数のベースマウントをさらに含み、各ベースマウントは回転センサにおいて単一の機械的共振周波数を与えるためかつ外部振動入力を減衰させるための減衰コンプライアント素子を含むように形成される、請求項５に記載の回転センサ。８．信号処理装置は、容量性ピックオフに接続され入力回転速度を示す信号を受取るように配置される第１の加算回路と、第１の加算装置に接続され駆動信号周波数の余弦を示す信号で入力回転速度信号を変調するために配置される第１の変調回路と、駆動信号周波数の正弦を示す信号で四分円動的誤差を変調するために配置される第２の変調回路と、第１および第２の変調回路から出力された信号を加算し検出部材の電極にフィードバック信号を与えるように接続される第２の加算回路と、容量性ピックオフに接続され駆動周波数の余弦でセンサ素子応答信号を復調するための第１の復調器回路と、第１の復調器回路から出力された信号を受取るように接続される第１の補償回路と、容量性ピックオフに接続され駆動周波数の正弦でセンサ素子応答信号を復調するための第２の復調器回路と、第２の復調器回路から出力された信号を受取るように接続される第２の補償回路と、第１の補償回路に接続される第１のトルキング変調器回路と、第２の補償回路に接続される第２のトルキング変調器回路と、第１および第２のトルキング変調器回路から出力された信号を加算するための第３の加算回路とを含み、第３の加算回路は検出部材の複数の電極に入力されるフィードバック信号を発生する、請求項６に記載の回転センサ。９．信号処理装置は、入力回転速度を示す信号を受取るように配置される第１の加算回路と、第１の加算装置に接続され駆動信号周波数の余弦を示す信号で入力回転速度信号を変調するために配置される第１の変調回路と、駆動信号周波数の正弦を示す信号で四分円動的誤差を変調するために配置される第２の変調回路と、第１および第２の変調回路から出力された信号を加算し検出部材にフィードバック信号を与えるように接続される第２の加算回路と、検出部分に接続され駆動周波数の余弦でセンサ素子応答信号を復調するための第１の復調器回路と、第１の復調器回路から出力される信号を受取るように接続される第１の補償回路と、検出部分に接続され駆動周波数の正弦でセンサ素子応答信号を復調するための第２の復調器回路と、第２の復調器回路から出力される信号を受取るように接続される第２の補償回路と、第１の補償回路に接続される第１のトルキング変調器回路と、第２の補償回路に接続される第２のトルキング変調器回路と、第１および第２のトルキング変調器回路から出力される信号を加算するための第３の加算回路とを含み、第３の加算回路は検出部材の複数の電極に入力されるフィードバック信号を発生する、請求項１に記載の回転センサ。１０．回転センサであって、ベースと、ベースに装着され、第１の１対の対向する平坦な表面を備える第１の単一のシリコンウエハから形成される第１の駆動部材とを含み、第１の駆動部材は、第１のフレームと、第１のフレームに接続される第１の駆動部材中央部分とを備え、前記第１の駆動部材中央部分は第１のシリコンウエハの平坦な表面に垂直な軸に関し第１のフレームと第１の駆動部材中央部分との間で回転のコンプライアンスを有するように配置され、第１の駆動部材はさらに第１の中央部分の少なくとも一方側に形成される第１の複数の電極を備え、回転センサはさらに、駆動信号周波数を有する駆動信号を第１の複数の電極に与えるための第１の駆動信号装置を含み、第１の複数の電極はシリコンウエハの平坦な表面に垂直な駆動軸に関し駆動信号により第１の駆動部材中央部分の回転振動が生じるように配置され、回転センサはさらに、第１のシリコン検出部材を含み、第１のシリコン検出部材は、第１の駆動部材中央部分に接続される第１の検出部材中央サポート部材を備え、それにより第１の駆動部材中央部分の回転振動が第１の検出部材中央部分に伝達され、第１のシリコン検出部材はさらに第１の検出部材中央サポート部材に接続された第１の検出部分を備え、前記第１の検出部分は駆動軸に関して振動し、駆動軸に垂直な軸に関する入力回転速度が第１の検出部分の面外振動を生じさせ、回転センサはさらに、第１の駆動部材に装着され、第２の１対の対向する平坦な表面を備える第２の単一のシリコンウエハで形成される第２の駆動部材を含み、第２の駆動部材は、第２のフレームと、第２のフレームに接続される第２の駆動部材中央部分とを備え、第２の駆動部材中央部分は第２のシリコンウエハの平坦な表面に垂直な軸に関し第２のフレームと第２の駆動部材中央部分との間で回転のコンプライアンスを有するように配置され、第１および第２の駆動部材中央部分は対向する関係で接続され、第２の駆動部材はさらに、第２の中央部分の少なくとも一方側に形成される第２の複数の電極を備え、回転センサはさらに、駆動信号周波数を有する駆動信号を第２の複数の電極に与えるための第２の駆動信号装置を含み、第２の複数の電極は駆動信号によりシリコンウエハの平坦な表面に垂直な駆動軸に関し第２の駆動部材中央部分の回転振動が生じるように配置され、回転センサはさらに、第２のシリコン検出部材を含み、第２のシリコン検出部材は、第２の駆動部材中央部分に接続される第２の検出部材中央サポート部材を備え、それにより第２の駆動部材中央部分の回転振動が第２の検出部材中央部分に伝達され、第２のシリコン検出部材はさらに第２の検出部材中央サポート部材に接続された第２の検出部分を備え、前記第２の検出部分は駆動軸に関して振動し、駆動軸に垂直な軸に関する入力回転速度により第２の検出部分の面外振動が生じ、回転センサはさらに、第１および第２の検出部分に接続され検出部分の面外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ための信号処理装置を含む、回転センサ。１１．第１および第２の検出部分は入力回転速度に応答して反対方向に振動するように配置される、請求項１０に記載の回転センサ。１２．第１および第２の駆動部材各々はフレームと駆動部材中央部分との間に接続される複数のフレクシャビームを含む、請求項１０に記載の回転センサ。１３．第１および第２の検出部分の各々は検出部材中央サポート部材と検出部分との間に接続される複数の一般に平坦な板ばね部材を含み、検出部分の面外振動が板ばね部材の面に垂直となるようにされる、請求項１２に記載の回転センサ。１４．検出部分に形成される第１の容量性ピックオフさらに含み、第１の検出部分の面外振動が第１の容量性ピックオフの容量の変化を生じさせ、さらに、検出部分に形成される第２の容量性ピックオフを含み、第２の検出部分の面外振動により第２の容量性ピックオフに容量の変化が生じる、請求項１３に記載の回転センサ。１５．第１の検出部材中央サポート部材と第１の検出部分との間に接続される第１の複数の一般に平坦な板ばね部材をさらに含み、第１の検出部分における面外振動が第１の板ばね部材の面に垂直となるようにされ、さらに第２の検出部材中央サポート部材と第２の検出部分との間に接続される第２の複数の一般に平坦な板ばね部材を含み、第２の検出部分における面外振動が第２の板ばね部材の面に垂直となるようにされる、請求項１０に記載の回転センサ。１６．第１の検出部分と第１の駆動部材との間に形成される第１の容量性ピックオフさらに含み、第１の検出部分の面外振動が第１の容量性ピックオフの容量に変化を生じさせ、さらに第２の検出部分と第２の駆動部材との間に形成される第２の容量性ピックオフを含み、第２の検出部分の面外振動が第２の容量性ピックオフの容量に変化を生じさせる、請求項１５に記載の回転センサ。１７．ベースと第１の駆動部材のフレームとの間に接続される複数のベースマウントをさらに含み、各ベースマウントは回転センサにおいて単一の機械的共振周波数を与えるためかつ外部振動入力を減衰するための減衰コンプライアント素子を含むように形成される、請求項１５に記載の回転センサ。１８．信号処理装置は、第１の検出部分に接続されそこから出力される回転応答信号を増幅する第１の増幅器と、第２の検出部分に接続されそこから出力される回転応答信号を増幅する第２の増幅器と、第１および第２の増幅器に接続され、増幅された回転信号の総和を示す和信号を発生するように配置される第１の加算回路と、第１および第２の増幅器に接続され、増幅された回転信号の差を示す差信号を発生するように配置される第２の加算回路と、第１および第２の加算回路に接続され和および差信号の同相および直角位相変調を与えるための変調回路と、変調回路に接続されそこからの同相および直角位相変調された和および差信号を受取るためかつ第１の軸に関する入力回転のための測定された速度信号を発生するためのサーボ補償回路と、サーボ補償回路に接続されそこからの信号を受取る同相および直角位相トルク変調および加算回路と、同相および直角位相トルク変調および加算回路ならびに同相および直角位相復調回路に接続され自動利得制御を与えるための発振器サーボと、同相および直角位相トルク変調および加算回路に接続されそこからの変調された信号を受取るための第３の加算回路とを含む、請求項１０に記載の回転センサ。１９．回転センサを動作させるための方法であって、ベースを与えるステップと、駆動装置を形成するステップとを含み、駆動装置を形成する方法は、ベースに装着される第１のフレームを形成することにより第１の１対の対向する平坦な表面を備える単一のシリコンウエハから第１の駆動部材を形成し、フレームに接続される第１の駆動部材中央部分をさらに含むように第１の駆動部材を形成し、シリコンウエハの平坦な表面に垂直な軸に関しフレームと中央部分との間で回転のコンプライアンスが存在するようにし、第１の駆動部材中央部分の少なくとも一方側に第１の複数の電極を形成するステップと、ベースに装着される第２のフレームを形成することにより第２の１対の対向する平坦な表面を備える単一のシリコンウエハから第２の駆動部材を形成し、フレームに接続される第２の駆動部材中央部分をさらに含むように第２の駆動部材を形成し、シリコンウエハの平坦な表面に垂直な軸に関しフレームと中央部分との間で回転のコンプライアンスが存在するようにし、第２の駆動部材中央部分の少なくとも一方側に第２の複数の電極を形成するステップと、第２の駆動部材のフレームを第１の駆動部材のフレームに装着するステップとを含み、回転センサを動作させるための方法はさらに、第１および第２のシリコンウエハの平坦な表面に垂直な駆動軸に関する第１および第２の駆動部材中央部分の回転振動を駆動信号が生じさせるように第１および第２の駆動部材の電極を配置するステップと、駆動信号周波数を有する駆動信号を複数の電極に与えるステップと、シリコン検出部材を与えるステップとを含み、シリコン検出部材を与えるプロセスは、検出部材中央サポート部材を駆動部材中央部分に接続し、駆動部材中央部分の回転振動が検出部材中央部分に伝達されるようにするステップと、検出部分を検出部材中央サポート部材に接続して、検出部分か駆動軸に関し振動し、駆動軸に垂直な軸に関する入力回転速度か検出部分の面外振動を生じさせるようにするステップとを含み、回転センサを動作させるための方法はさらに、検出部分から出力された信号を処理し、検出部分の面外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ために信号処理装置を検出部分に接続するステップを含む、回転センサを動作させるための方法。２０．フレームと駆動部材中央部分との間に複数のフレクシャビームを接続するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。２１．検出部材中央サポート部材と検出部分との間に複数の一般に平坦な板ばね部材を接続し、検出部分における面外振動が板ばね部材の面に垂直となるようにするステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。２２．検出部分に形成される容量性ピックオフをさらに含み、検出部分の面外振動が容量性ピックオフにおける容量の変化を生じさせセンサ素子応答信号が形成されるようにする、請求項３に記載の方法。２３．検出部材中央サポート部材と検出部分との間に複数の一般に平坦な板ばね部材を接続し、検出部分における面外振動が板ばね部材の面に垂直となるようにするステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。２４．検出部分と複数の電極との間に容量性ピックオフを接続し、検出部分における面外振動が容量性ピックオフにおける容量の変化を生じさせセンサ素子応答信号が形成されるようにするステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。２５．ベースと駆動部材のフレームとの間に複数のベースマウントを接続するステップと、回転センサにおける単一の機械的共振周波数を与えるためおよび外部振動入力を減衰するために減衰コンプライアント素子を含むように各ベースマウントを形成するステップとをさらに含む、請求項１９に記載の方法。２６．信号処理ステップは、第１の加算回路を容量性ピックオフに接続して入力回転速度を示す信号を受取るステップと、駆動信号周波数の余弦を示す信号で入力回転速度信号を変調するために第１の変調回路を第１の加算回路に接続するステップと、駆動信号周波数の正弦を示す信号で四分円動的誤差を変調するために配置される第２の変調回路を与えるステップと、第２の加算回路を与えて第１および第２の変調回路から出力された信号を加算し、検出部材にフィードバック信号を与えるステップと、駆動周波数の余弦でセンサ素子応答信号を復調するために第１の復調器回路を容量性ピックオフに接続するステップと、第１の補償回路を与えて第１の復調器回路から出力される信号を受取るステップと、駆動周波数の正弦でセンサ素子応答信号を復調するために第２の復調器回路を容量性ピックオフに接続するステップと、第２の補償回路を与えて第２の復調器回路から出力される信号を受取るステップと、第１のトルキング変調器回路を第１の補償回路に接続するステップと、第２のトルキング変調器回路を第２の補償回路に接続するステップと、第１および第２のトルキング変調器回路から出力された信号を加算し、検出部材の複数の電極に入力されるフィードバック信号を発生するための第３の加算回路を与えるステップとを含む、請求項２３に記載の方法。２７．信号処理ステップは、第１の加算回路を容量性ピックオフに接続して入力回転速度を示す信号を受取るステップと、駆動信号周波数の余弦を示す信号で入力回転速度信号を変調するために第１の変調回路を第１の加算回路に接続するステップと、駆動信号周波数の正弦を示す信号で四分円動的誤差を変調するために配置される第２の変調回路を与えるステップと、第２の加算回路を与えて第１および第２の変調回路から出力される信号を加算し検出部材にフィードバック信号を与えるステップと、駆動周波数の余弦でセンサ素子応答信号を復調するために第１の復調器回路を容量性ピックオフに接続するステップと、第１の補償回路を与えて第１の復調器回路から出力される信号を受取るステップと、駆動周波数の正弦でセンサ素子応答信号を復調するために第２の復調器回路を容量性ピックオフに接続するステップと、第２の補償回路を与えて第２の復調器回路から出力される信号を受取るステップと、第１のトルキング変調器回路を第１の補償回路に接続するステップと、第２のトルキング変調器回路を第２の補償回路に接続するステップと、第１および第２のトルキング変調器回路から出力される信号を加算するための第３の加算回路を与えるステップとを含み、第３の加算回路は検出部材の複数の電極に入力されるフィードバック信号を発生する、請求項１９に記載の方法。２８．回転センサを動作させるための方法であって、ベースを与えるステップと、第１の１対の対向する平坦な表面を備える第１の単一のシリコンウエハの第１の駆動部材を形成するステップとを含み、第１の駆動部材を形成する方法は、第１のフレームを与えるステップと、第１の駆動部材中央部分を第１のフレームに接続するステップと、第１の駆動部材を配置し第１のシリコンウエハの平坦な表面に垂直な軸に関し第１のフレームと第１の駆動部材中央部分との間に回転のコンプライアンスが生じるようにするステップと、第１の中央部分の少なくとも一方側に第１の複数の電極を形成するステップとを含み、回転センサを動作させるための方法はさらに、第１の駆動部材をベースに装着するステップと、駆動信号周波数を有する駆動信号を第１の複数の電極に与えるステップとを含み、第１の複数の電極は駆動信号によりシリコンウエハの平坦な表面に垂直な駆動軸に関する第１の駆動部材中央部分の回転振動が生じるように配置され、回転センサを動作させるための方法はさらに、第１のシリコン検出部材を形成するステップを含み、第１のシリコン検出部材を形成する方法は、第１の検出部材中央サポート部材を第１の駆動部材中央部分に接続し、第１の駆動部材中央部分の回転振動が第１の検出部材中央部分に伝達されるようにするステップと、第１の検出部分を第１の検出部材中央サポート部材に接続して第１の検出部分が駆動軸に関して振動し、駆動軸に垂直な軸に関する入力回転速度が第１の検出部分の面外振動を生じさせるようにするステップとを含み、回転センサを動作させるための方法はさらに、第１の駆動部材に第１の駆動部材と同じ第２の駆動部材を装着するステップと、信号周波数を有する駆動信号を第２の駆動部材に与えてシリコンウエハの平坦な表面に垂直な駆動軸に関する振動を生じさせるステップと、第２の駆動部材に第１の検出部材と同じ第２のシリコン検出部材を装着するステップと、検出部分の面外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ために第１および第２の検出部分から出力される信号を処理するステップとを含む、回転センサを動作させるための方法。２９．第１および第２の検出部分を配置して入力回転速度に応答して反対方向に振動させるステップを含む、請求項２８に記載の方法。３０．フレームと駆動部材中央部分との間に複数のフレクシャビームを含むように第１および第２の駆動部材を形成するステップを含む、請求項２９に記載の方法。【図１】【図１】【図２】【図３】【図４】【図５】【図７】【図６】【図８】【図９】【図１０】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者ワイズ，スタンリー・エフアメリカ合衆国、91316 カリフォルニア州、エンシーノ、アロンゾ・アベニュ、 4610 (72)発明者ファーシュト，サミュエル・エイチアメリカ合衆国、91604 カリフォルニア州、ステューディオ・シティー、ブエナ・パーク・ドライブ、3749

Claims

【特許請求の範囲】１．回転センサであって、ベースと、駆動装置とを含み、駆動装置は、ベースに装着された第１のフレームを有する第１の駆動部材を含み、第１の駆動部材は第１の１対の対向する平坦な表面を備える単一のシリコンウエハから形成され、第１の駆動部材はさらに、フレームに接続される第１の駆動部材中央部分を有し、シリコンウエハの平坦な表面に垂直な軸に関しフレームと中央部分との間で回転のコンプライアンスが存在するようにされ、第１の駆動部材はさらに第１の駆動部材中央部分の少なくとも片側に形成される第１の複数の電極を有し、駆動装置はさらに、第２のフレームに装着される第２のフレームを有する第２の駆動部材を含み、第２の駆動部材は第２の１対の対向する平坦な表面を備える単一のシリコンウエハで形成され、第２の駆動部材はさらに、フレームに接続される第２の駆動部材中央部分を有し、シリコンウエハの平坦な表面に垂直な軸に関しフレームと中央部分との間で回転のコンプライアンスが存在するようにされ、第２の駆動部材はさらに第２の駆動部材中央部分の少なくとも片側に形成される第２の複数の電極を有し、回転センサはさらに、駆動信号周波数を有する駆動信号を複数の電極に与えるための駆動信号装置を含み、複数の電極は、駆動信号によりシリコンウエハの平坦な表面に垂直な駆動軸に関し駆動部材中央部分の回転振動が生じるように配置され、回転センサはさらに、シリコン検出部材を含み、シリコン検出部材は、第２の駆動部材中央部分に接続される検出部材中央サポート部材を有し、それにより第２の駆動部材中央部分の回転振動が検出部材中央部分に伝達され、シリコン検出部材はさらに検出部材中央サポート部材に接続された検出部分を有し、前記検出部分は駆動軸に関して振動し、駆動軸に垂直である軸に関する入力回転速度が検出部分の面外振動を発生させ、回転センサはさらに、検出部分に接続され検出部分の面外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ための信号処理装置を含む、回転センサ。２．フレームと駆動部材中央部分との間に接続される複数のフレクシャビームをさらに含む、請求項１に記載の回転センサ。３．検出部材中央サポート部材と検出部分との間に接続される複数の一般的に平坦な板ばね部材をさらに含み、検出部分における面外振動が板ばね部材の面に垂直となる、請求項１に記載の回転センサ。４．検出部分に形成される容量性ピックオフをさらに含み、検出部分の面外振動により容量性ピックオフの容量に変化が生じる、請求項３に記載の回転センサ。５．検出部材中央サポート部材と検出部分との間に接続される複数の一般的に平坦な板ばね部材をさらに含み、検出部分における面外振動が板ばね部材の面に垂直となる、請求項１に記載の回転センサ。６．検出部分と複数の電極との間に形成される容量性ピックオフをさらに含み、検出部分の面外振動により容量性ピックオフの容量に変化が生じる、請求項５に記載の回転センサ。７．ベースと駆動部材のフレームとの間に接続される複数のベースマウントをさらに含み、各ベースマウントは回転センサにおいて単一の機械的共振周波数を与えるためかつ外部振動入力を減衰させるための減衰コンプライアント素子を含むように形成される、請求項５に記載の回転センサ。８．信号処理装置は、容量性ピックオフに接続され入力回転速度を示す信号を受取るように配置される第１の加算回路と、第１の加算装置に接続され駆動信号周波数の余弦を示す信号で入力回転速度信号を変調するために配置される第１の変調回路と、駆動信号周波数の正弦を示す信号で四分円動的誤差を変調するために配置される第２の変調回路と、第１および第２の変調回路から出力された信号を加算し駆動部材にフィードバック信号を与えるように接続される第２の加算回路と、容量性ピックオフに接続され駆動周波数の余弦でセンサ素子応答信号を復調するための第１の復調器回路と、第１の復調器回路から出力された信号を受取るように接続される第１の補償回路と、容量性ピックオフに接続され駆動周波数の正弦でセンサ素子応答信号を復調するための第２の復調器回路と、第２の復調器回路から出力された信号を受取るように接続される第２の補償回路と、第１の補償回路に接続される第１のトルキング変調器回路と、第２の補償回路に接続される第２のトルキング変調器回路と、第１および第２のトルキング変調器回路から出力された信号を加算するための第３の加算回路とを含み、第３の加算回路は駆動部材の複数の電極に入力されるフィードバック信号を発生する、請求項５に記載の回転センサ。９．信号処理装置は、入力回転速度を示す信号を受取るように配置される第１の加算回路と、第１の加算装置に接続され駆動信号周波数の余弦を示す信号で入力回転速度信号を変調するために配置される第１の変調回路と、駆動信号周波数の正弦を示す信号で四分円動的誤差を変調するために配置される第２の変調回路と、第１および第２の変調回路から出力された信号を加算し駆動部材にフィードバック信号を与えるように接続される第２の加算回路と、検出部分に接続され駆動周波数の余弦でセンサ素子応答信号を復調するための第１の復調器回路と、第１の復調器回路から出力される信号を受取るように接続される第１の補償回路と、検出部分に接続され駆動周波数の正弦でセンサ素子応答信号を復調するための第２の復調器回路と、第２の復調器回路から出力される信号を受取るように接続される第２の補償回路と、第１の補償回路に接続される第１のトルキング変調器回路と、第２の補償回路に接続される第２のトルキング変調器回路と、第１および第２のトルキング変調器回路から出力される信号を加算するための第３の加算回路とを含み、第３の加算回路は駆動部材の複数の電極に入力されるフィードバック信号を発生する、請求項１に記載の回転センサ。１０．回転センサであって、ベースと、ベースに装着され、第１の１対の対向する平坦な表面を備える第１の単一のシリコンウエハから形成される第１の駆動部材とを含み、第１の駆動部材は、第１のフレームと、第１のフレームに接続される第１の駆動部材中央部分とを備え、前記第１の駆動部材中央部分は第１のシリコンウエハの平坦な表面に垂直な軸に関し第１のフレームと第１の駆動部材中央部分との間で回転のコンプライアンスを有するように配置され、第１の駆動部材はさらに第１の中央部分の少なくとも一方側に形成される第１の複数の電極を備え、回転センサはさらに、駆動信号周波数を有する駆動信号を第１の複数の電極に与えるための第１の駆動信号装置を含み、第１の複数の電極はシリコンウエハの平坦な表面に垂直な駆動軸に関し駆動信号により第１の駆動部材中央部分の回転振動が生じるように配置され、回転センサはさらに、第１のシリコン検出部材を含み、第１のシリコン検出部材は、第１の駆動部材中央部分に接続される第１の検出部材中央サポート部材を備え、それにより第１の駆動部材中央部分の回転振動が第１の検出部材中央部分に伝達され、第１のシリコン検出部材はさらに第１の検出部材中央サポート部材に接続された第１の検出部分を備え、前記第１の検出部分は駆動軸に関して振動し、駆動軸に垂直な軸に関する入力回転速度が第１の検出部分の面外振動を生じさせ、回転センサはさらに、第１の駆動部材に装着され、第２の１対の対向する平坦な表面を備える第２の単一のシリコンウエハで形成される第２の駆動部材を含み、第２の駆動部材は、第２のフレームと、第２のフレームに接続される第２の駆動部材中央部分とを備え、第２の駆動部材中央部分は第２のシリコンウエハの平坦な表面に垂直な軸に関し第２のフレームと第２の駆動部材中央部分との間で回転のコンプライアンスを有するように配置され、第１および第２の駆動部材中央部分は対向する関係で接続され、第２の駆動部材はさらに、第２の中央部分の少なくとも一方側に形成される第２の複数の電極を備え、回転センサはさらに、駆動信号周波数を有する駆動信号を第２の複数の電極に与えるための第２の駆動信号装置を含み、第２の複数の電極は駆動信号によりシリコンウエハの平坦な表面に垂直な駆動軸に関し第２の駆動部材中央部分の回転振動が生じるように配置され、回転センサはさらに、第２のシリコン検出部材を含み、第２のシリコン検出部材は、第２の駆動部材中央部分に接続される第２の検出部材中央サポート部材を備え、それにより第２の駆動部材中央部分の回転振動が第２の検出部材中央部分に伝達され、第２のシリコン検出部材はさらに第２の検出部材中央サポート部材に接続された第２の検出部分を備え、前記第２の検出部分は駆動軸に関して振動し、駆動軸に垂直な軸に関する入力回転速度により第２の検出部分の面外振動が生じ、回転センサはさらに、第１および第２の検出部分に接続され検出部分の面外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ための信号処理装置を含む、回転センサ。１１．第１および第２の検出部分は入力回転速度に応答して反対方向に振動するように配置される、請求項１０に記載の回転センサ。１２．第１および第２の駆動部材各々はフレームと駆動部材中央部分との間に接続される複数のフレクシャビームを含む、請求項１２に記載の回転センサ。１３．第１および第２の検出部分の各々は検出部材中央サポート部材と検出部分との間に接続される複数の一般に平坦な板ばね部材を含み、検出部分の面外振動が板ばね部材の面に垂直となるようにされる、請求項１２に記載の回転センサ。１４．検出部分に形成される第１の容量性ピックオフさらに含み、第１の検出部分の面外振動が第１の容量性ピックオフの容量の変化を生じさせ、さらに、検出部分に形成される第２の容量性ピックオフを含み、第２の検出部分の面外振動により第２の容量性ピックオフに容量の変化が生じる、請求項１３に記載の回転センサ。１５．第１の検出部材中央サポート部材と第１の検出部分との間に接続される第１の複数の一般に平坦な板ばね部材をさらに含み、第１の検出部分における面外振動が第１の板ばね部材の面に垂直となるようにされ、さらに第２の検出部材中央サポート部材と第２の検出部分との間に接続される第２の複数の一般に平坦な板ばね部材を含み、第２の検出部分における面外振動が第２の板ばね部材の面に垂直となるようにされる、請求項１０に記載の回転センサ。１６．第１の検出部分と第１の複数の電極との間に形成される第１の容量性ピックオフさらに含み、第１の検出部分の面外振動が第１の容量性ピックオフの容量に変化を生じさせ、さらに第２の検出部分と第２の複数の電極との間に形成される第２の容量性ピックオフを含み、第２の検出部分の面外振動が第２の容量性ピックオフの容量に変化を生じさせる、請求項１５に記載の回転センサ。１７．ベースと第１の駆動部材のフレームとの間に接続される複数のベースマウントをさらに含み、各ベースマウントは回転センサにおいて単一の機械的共振周波数を与えるためかつ外部振動入力を減衰するための減衰コンプライアント素子を含むように形成される、請求項１５に記載の回転センサ。１８．信号処理装置は、第１の検出部分に接続されそこから出力される回転応答信号を増幅する第１の増幅器と、第２の検出部分に接続されそこから出力される回転応答信号を増幅する第２の増幅器と、第１および第２の増幅器に接続され、増幅された回転信号の総和を示す和信号を発生するように配置される第１の加算回路と、第１および第２の増幅器に接続され、増幅された回転信号の差を示す差信号を発生するように配置される第２の加算回路と、第１および第２の加算回路に接続され和および差信号の同相および直角位相変調を与えるための変調回路と、変調回路に接続されそこからの同相および直角位相変調された和および差信号を受取るためかつ第１の軸に関する入力回転のための測定された速度信号を発生するためのサーボ補償回路と、サーボ補償回路に接続されそこからの信号を受取る同相および直角位相トルク変調および加算回路と、同相および直角位相トルク変調および加算回路ならびに同相および直角位相復調回路に接続され自動利得制御を与えるための発振器サーボと、同相および直角位相トルク変調および加算回路に接続されそこからの変調された信号を受取るための第３の加算回路とを含む、請求項１０に記載の回転センサ。１９．回転センサを形成するための方法であって、ベースを与えるステップと、駆動装置を形成するステップとを含み、駆動装置を形成する方法は、ベースに装着される第１のフレームを形成することにより第１の１対の対向する平坦な表面を備える単一のシリコンウエハから第１の駆動部材を形成し、フレームに接続される第１の駆動部材中央部分をさらに含むように第１の駆動部材を形成し、シリコンウエハの平坦な表面に垂直な軸に関しフレームと中央部分との間で回転のコンプライアンスが存在するようにし、第１の駆動部材中央部分の少なくとも一方側に第１の複数の電極を形成するステップと、ベースに装着される第２のフレームを形成することにより第２の１対の対向する平坦な表面を備える単一のシリコンウエハから第２の駆動部材を形成し、フレームに接続される第２の駆動部材中央部分をさらに含むように第２の駆動部材を形成し、シリコンウエハの平坦な表面に垂直な軸に関しフレームと中央部分との間で回転のコンプライアンスが存在するようにし、第２の駆動部材中央部分の少なくとも一方側に第２の複数の電極を形成するステップと、第２の駆動部材のフレームを第１の駆動部材のフレームに装着するステップとを含み、回転センサを形成するための方法はさらに、駆動信号周波数を有する駆動信号を複数の電極に与えるステップと、第１および第２のシリコンウエハの平坦な表面に垂直な駆動軸に関する第１および第２の駆動部材中央部分の回転振動を駆動信号が生じさせるように第１および第２の駆動部材の電極を配置するステップと、シリコン検出部材を与えるステップとを含み、シリコン検出部材を与えるプロセスは、検出部材中央サポート部材を駆動部材中央部分に接続し、駆動部材中央部分の回転振動が検出部材中央部分に伝達されるようにするステップと、検出部分を検出部材中央サポート部材に接続して検出部分が駆動軸に関し振動し、駆動軸に垂直な軸に関する入力回転速度が検出部分の面外振動を生じさせるようにするステップとを含み、回転センサを形成するための方法はさらに、検出部分の面外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ために信号処理装置を検出部分に接続するステップを含む、回転センサを形成するための方法。２０．フレームと駆動部材中央部分との間に複数のフレクシャビームを接続するステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。２１．検出部材中央サポート部材と検出部分との間に複数の一般に平坦な板ばね部材を接続し、検出部分における面外振動が板ばね部材の面に垂直となるようにするステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。２２．検出部分に形成される容量性ピックオフをさらに含み、検出部分の面外振動が容量性ピックオフにおける容量の変化を生じさせるようにする、請求項３に記載の方法。２３．検出部材中央サポート部材と検出部分との間に複数の一般に平坦な板ばね部材を接続し、検出部分における面外振動が板ばね部材の面に垂直となるようにするステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。２４．検出部分と複数の電極との間に容量性ピックオフを接続し、検出部分における面外振動が容量性ピックオフにおける容量の変化を生じさせるようにするステップをさらに含む、請求項１９に記載の方法。２５．ベースと駆動部材のフレームとの間に複数のベースマウントを接続するステップと、回転センサにおける単一の機械的共振周波数を与えるためおよび外部振動入力を減衰するために減衰コンプライアント素子を含むように各ベースマウントを形成するステップとをさらに含む、請求項１９に記載の方法。２６．信号処理ステップは、第１の加算回路を容量性ピックオフに接続して入力回転速度を示す信号を受取るステップと、駆動信号周波数の余弦を示す信号で入力回転速度信号を変調するために第１の変調回路を第１の加算回路に接続するステップと、駆動信号周波数の正弦を示す信号で四分円動的誤差を変調するために配置される第２の変調回路を与えるステップと、第２の加算回路を与えて第１および第２の変調回路から出力された信号を加算し、駆動部材にフィードバック信号を与えるステップと、駆動周波数の余弦でセンサ素子応答信号を復調するために第１の復調器回路を容量性ピックオフに接続するステップと、第１の補償回路を与えて第１の復調器回路から出力される信号を受取るステップと、駆動周波数の正弦でセンサ素子応答信号を復調するために第２の復調器回路を容量性ピックオフに接続するステップと、第２の補償回路を与えて第２の復調器回路から出力される信号を受取るステップと、第１のトルキング変調器回路を第１の補償回路に接続するステップと、第２のトルキング変調器回路を第２の補償回路に接続するステップと、第１および第２のトルキング変調器回路から出力された信号を加算し、駆動部材の複数の電極に入力されるフィードバック信号を発生するための第３の加算回路を与えるステップとを含む、請求項６に記載の方法。２７．信号処理ステップは、第１の加算回路を容量性ピックオフに接続して入力回転速度を示す信号を受取るステップと、駆動信号周波数の余弦を示す信号で入力回転速度信号を変調するために第１の変調回路を第１の加算回路に接続するステップと、駆動信号周波数の正弦を示す信号で四分円動的誤差を変調するために配置される第２の変調回路を与えるステップと、第２の加算回路を与えて第１および第２の変調回路から出力される信号を加算し駆動部材にフィードバック信号を与えるステップと、駆動周波数の余弦でセンサ素子応答信号を復調するために第１の復調器回路を容量性ピックオフに接続するステップと、第１の補償回路を与えて第１の復調器回路から出力される信号を受取るステップと、駆動周波数の正弦でセンサ素子応答信号を復調するために第２の復調器回路を容量性ピックオフに接続するステップと、第２の補償回路を与えて第２の復調器回路から出力される信号を受取るステップと、第１のトルキング変調器回路を第１の補償回路に接続するステップと、第２のトルキング変調器回路を第２の補償回路に接続するステップと、第１および第２のトルキング変調器回路から出力される信号を加算するための第３の加算回路を与えるステップとを含み、第３の加算回路は駆動部材の複数の電極に入力されるフィードバック信号を発生する、請求項１９に記載の方法。２８．回転センサを形成するための方法であって、ベースを与えるステップと、第１の１対の対向する平坦な表面を備える第１の単一のシリコンウエハの第１の駆動部材を形成するステップとを含み、第１の駆動部材を形成する方法は、第１のフレームを与えるステップと、第１の駆動部材中央部分を第１のフレームに接続するステップと、第１の駆動部材を配置し第１のシリコンウエハの平坦な表面に垂直な軸に関し第１のフレームと第１の駆動部材中央部分との間に回転のコンプライアンスが生じるようにするステップと、第１の中央部分の少なくとも一方側に第１の複数の電極を形成するステップとを含み、回転センサを形成するための方法はさらに、第１の駆動部材をベースに装着するステップと、駆動信号周波数を有する駆動信号を第１の複数の電極に与えるステップとを含み、第１の複数の電極は駆動信号によりシリコンウエハの平坦な表面に垂直な駆動軸に関する第１の駆動部材中央部分の回転振動が生じるように配置され、回転センサを形成するための方法はさらに、第１のシリコン検出部材を形成するステップを含み、第１のシリコン検出部材を形成する方法は、第１の検出部材中央サポート部材を第１の駆動部材中央部分に接続し、第１の駆動部材中央部分の回転振動が第１の検出部材中央部分に伝達されるようにするステップと、第１の検出部分を第１の検出部材中央サポート部材に接続して第１の検出部分が駆動軸に関して振動し、駆動軸に垂直な軸に関する入力回転速度が第１の検出部分の面外振動を生じさせるようにするステップとを含み、回転センサを形成するための方法はさらに、第１の駆動部材に第１の駆動部材と同じ第２の駆動部材を装着するステップと、信号周波数を有する駆動信号を第２の駆動部材に与えてシリコンウエハの平坦な表面に垂直な駆動軸に関する振動を生じさせるステップと、第２の駆動部材に第１の検出部材と同じ第２のシリコン検出部材を装着するステップと、検出部分の面外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ために第１および第２の検出部分から出力される信号を処理するステップとを含む、回転センサを形成するための方法。２９．第１および２の検出部分を配置して入力回転速度に応答して反対方向に振動させるステップを含む、請求項２８に記載の方法。３０．フレームと駆動部材中央部分との間に複数のフレクシャビームを含むように第１および第２の駆動部材を形成するステップを含む、請求項２９に記載の方法。