JP2015513095A - 振動リング構造 - Google Patents

Abstract

振動リング構造（１０）の中立軸上または近辺に配置された、実質的に同一の大きさの一対の微調整孔（１６）について角度間隔を決定し、決定された角度間隔で振動リング構造（１０）内に一対の微調整孔（１６）を形成する、ことを含み、角度の偏りは、目標の通常モードと、目標の通常モードに対して角度的に偏るさらなる通常モードとの間の振動数間隔を、許容可能なレベルまで減少させるように選択される、振動リング構造を調整する方法が記載される。この方法で調整またはバランスされたリング構造、例えばジャイロスコープも開示される。

Description

本発明は、バランスの向上した振動リング構造、およびそのような振動リング構造をバランスさせる方法に関する。本発明はさらに、そのような振動リング構造を備えるジャイロスコープに関する。

振動リングジャイロスコープは、内部でリングが一次駆動手段により一次曲げモードで振動されるものとして知られている。リング軸周りのジャイロスコープの回転は、一次曲げモードの二次曲げモードへのコリオリ結合をもたらす。二次モードでの振動は、二次ピックオフ手段により検出され、またジャイロスコープの回転に関連する。閉ループ制御を使用して、一次モードを特定の振幅に保持し、および二次モードをゼロにする構成が知られている。

振動リングジャイロスコープではｃｏｓ２θ面内曲げモードが通常は使用され、二次モードが一次モードに対して４５°角度的に偏っている。完全な等方性の材料からなる幾何学的に完全なリングは、振動数が完全に整合した一次および二次ｃｏｓ２θモードを有し、従ってあらゆる任意の方向でｃｏｓ２θモードが励起されうる。しかし実際には、リング構造は幾何学的に完全ではなく、それらの材料は等方性でないかもしれない。

ジャイロスコープを、例えば、［１１１］結晶面（この面内ではシリコンは等方性である）にわずかな角度の偏りでシリコン内に形成し、それによってリング周辺にヤング率のｃｏｓ４θの変動をもたらしてもよい。そのようなシリコンジャイロスコープを形成するのに使用されるエッチング処理は、装置にわたる変動を受けるかもしれず、溝幅、側壁の輪郭またはノッチ形成の変動につながる。リング構造とそれが取り付けられた他の構成要素との間の熱膨張差が、リング構造に印加される異方性応力を生じさせることになるかもしれない。これらの不完全さは、リングの至る所で質量および／または剛性の分布にばらつきを引き起こす。これらの不完全さは、特定の角度で固定された通常の面内ｃｏｓ２θモード、および通常モードに対して４５°の角度での、より高い固有振動数を有するさらなる通常の面内ｃｏｓ２θモードを生じさせる。

前述の欠陥は制御が困難であり、従ってリングのこれらの通常のｃｏｓ２θモードが一次および二次駆動およびピックオフ手段の整列と一致するのを確実にするのは難しい。一次駆動によるリングの励起からもたらされる振動は、リングの固有モード両方の重なった応答であるが、結果として生じる振動は、通常モードのうちの１つとかなり近似する傾向がある。

以下の一次および二次応答モードの記述は、一次または二次駆動手段のそれぞれによるリングの励起から生じる振動をいう。

一次および二次駆動手段と一次および二次応答モードの間のずれは直交バイアスエラーを引き起こし、それが今度はレートバイアスエラーを引き起こす。このようなバイアスエラーは、ジャイロスコープの性能における主要な性能上の制約である。バイアスエラーは温度とともに変化するが、バイアスエラーを決定する主な要因は通常モードの最初の振動数の整合および整列である。さらに、一次および二次モードの間のコリオリ結合は、これらの間の振動数間隔が小さいとき向上する。従って、一次および二次モードの振動数を整合させ、通常モードを一次および二次駆動および検出手段と整列させる、振動リング構造の調整方法が望ましい。

振動リング構造を調整する多数の方法が提案されてきた。欧州特許第ＥＰ１７７５５５１号で、リングのモードを調整するために容量性トランスデューサが使用された振動リングジャイロスコープが開示されている。米国特許第ＵＳ５７３９４１０号および英国特許第ＧＢ２４６０９３５号は、物質をリングの中立軸に追加しまたは除去し、それによって有効質量のみを変更することにより振動リング構造を調整する方法を開示する。同様に、「レーザアブレーションを用いた振動リングの多モード調整」；機械工学者協会会報第Ｃ部、機械工学科学雑誌、２００３年１月１日、ギャラカーら（“Ｍｕｌｔｉｍｏｄａｌ Ｔｕｎｉｎｇ ｏｆ ａ Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ Ｒｉｎｇ ｕｓｉｎｇ Ｌａｓｅｒ Ａｂｌａｔｉｏｎ”；Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ Ｐａｒｔ Ｃ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ ２００３−０１−０１，Ｇａｌｌａｃｈｅｒ ｅｔ ａｌ．）は、振動リング構造の調整に使用するためのレーザアブレーション技術を記している。

実行が簡単であること、および、一次および二次モード振動数の整合において高度の正確性を可能にすることの両方を備えた、振動リング構造を調整する実用的方法が望ましい。

本発明によれば、振動リング構造の中立軸上または近辺に配置された、実質的に同一の大きさの一対の微調整孔について角度間隔を決定し、決定された角度間隔で振動リング構造内に一対の微調整孔を形成する、ことを含み、角度の偏りは、目標の通常モードと、目標の通常モードに対して角度的に偏るさらなる通常モードとの間の振動数間隔を、許容可能なレベルまで減少させるように選択される、振動リング構造を調整する方法が提供される。

このような構成は、それが、リング構造のバランスに単純かつ好都合な仕方で高い度合いの正確性を付与する点で有益である。

一対の微調整孔は、目標の通常モードの半径方向の波腹から実質的に等しい角度の偏りで都合良く配置される。例えば、それらを目標の通常モードの半径方向の波腹周りに実質的に対称的に形成してもよい。微調整孔の間の角度の偏りは、４５度未満が望ましい。

方法は、粗い調整またはバランス手順と併せて都合良く使用される。例えば、方法は、少なくとも１つの粗調整孔の形成を含んでもよい。粗調整孔は、微調整孔と実質的に同一の大きさであることが望ましい。結果として、粗調整孔と微調整孔の両方を形成するために、同一の機器を使用してもよい。調整孔は、レーザアブレーションによって都合良く形成される。

方法は、ｃｏｓ２θモードのバランスを達成するのに都合良く使用される。

本発明はさらに、上に定義した方法を用いて調整された振動リング構造に関する。

本発明の他の態様によれば、リング本体の中立軸上または近辺に配置された、実質的に同一の大きさの一対の微調整孔の形成によって調整されたリング本体を備え、微調整孔は、リング本体の目標の通常モードとさらなる通常モードとの間の振動数間隔を、許容可能なレベルまで減少させるように選択された、互いに対する角度の偏りで配置され、さらなる通常モードは、目標の通常モードに対して角度的に偏る、振動リング構造が提供される。

振動リング構造は、ジャイロスコープの一部を形成してもよい。

本発明をさらに、一例として、以下の添付の図面を参照して記載する。

公知のバランス技術が適用されたリング構造を示す図である。 装置のサンプルについて温度範囲にわたる直交バイアスの変化を示すグラフ。 図１のリング構造への本発明の実施例によるバランス技術の適用を示す。 リング構造上の異なる位置からの物質の除去を示す。 リング構造上の異なる位置からの物質の除去を示す。 異なる位置からの物質の除去の効果を示すグラフ。

振動リング構造のｃｏｓ２θモード間の振動数間隔を整合させまたは減少させるように使用される既存のレーザ調整またはバランス処理は、通常モードの半径方向の波腹またはそれに近いところで、低い振動数でリングの中立軸から物質を除去しまたはアブレーションすることを含む。リング構造は、９０度の角度間隔で、４つのそのような半径方向の波腹を有する。一次および二次応答モードの方向および固有振動数がリング構造の通常モードと近似するので、一次および二次駆動手段をそれぞれ用いてリング構造を励起することによって、２つの通常モードの方向および振動数を決定可能である。

それぞれのレーザ「発射」またはその適用ごとに特定の一定量の物質を除去する、パルスレーザを使用してもよい。孔の輪郭の一定性を確保し、従ってそれぞれの「発射」で除去される物質の量が安定して繰り返し可能なので、一定のレーザ条件の使用が製造に有益である。一例として、それぞれの「発射」が振動数間隔をおよそ０．４Ｈｚずつ変更するような仕方で、レーザを設定してもよい。

中立軸上または近辺の物質が、どちらの通常モードの有効剛性にも寄与しないことが理解されるだろう。従って目標モードの半径方向の波腹において質量を除去することが、有効質量を減少させ、（この位置における半径方向の波節を有する）他のモードに実質的に影響することなく、目標モードの固有振動数を増加させる。このようにして除去されるそれぞれの物質の量が、特定量でリングの通常モード間の間隔を調節し、一次および二次応答モードのそれらの関連する駆動およびピックオフ手段との整列を、向上させる傾向がある。この調整処理の量子化された性質が、モードが整合可能な程度を、振動数間隔が調節される量の半分の最悪の場合の振動数間隔に限定する。例えば、それぞれの調整孔がおよそ０．４Ｈｚずつ振動数間隔を減少させれば、調整後の最悪の場合の振動数間隔は０．２Ｈｚになる。

図１を参照すると、実際問題としてこの技術を採用するリング構造１０をバランスさせるのに使用される方法は、一次および二次応答モードの固有振動数および方向をそれぞれ測定するように一次および二次駆動手段（図示せず）を用いてリング構造１０を励起させ、目標モードの半径方向の波腹１２の位置を決定し、必要とされるレーザバランス孔１４の数を計算すること、計算された数のバランス孔１４の形成によって目標モードの半径方向の波腹における（または近辺の）質量を除去するようにレーザを使用し、バランスの正確性を確認するように応答モードの振動数および方向を再測定し、振動数間隔が予め定められた閾値を超えたままである場合に処理を繰り返す、ことを含む。

レーザバランス処理を、完全に自動化された機器を用いてウエハレベルで実行してもよい。一例として、製作処理で、±５Ｈｚ内に整合するモードを有し、従って１２個までの孔１４を必要とし、それぞれが０．４Ｈｚずつ間隔を調節して、通常モードを調整しまたはバランスさせる装置を製造してもよい。

レーザ機械加工処理で一貫性を得るために孔１４の重なりを避けることが重要であり、従って孔１４は予め定められた最小角度の離隔があってもよい。一例として、隣接した孔１４間の最小の角度の離隔は１°であってもよい。

目標モードの半径方向の波腹１２は４つしかないので、１．６Ｈｚより大きい振動数間隔で装置を調整するために、波腹１２のうち少なくとも１つの近辺に複数の調整孔１４を配置しなければならない。従って少なくともいくつかの孔１４は目標モードの半径方向の波腹と正確に整列されずに、むしろ、小さい角度でそれらから離間される。そのような孔１４の調整効果は、調整孔１４の設定が正確に半径方向の波腹１２にあることで生じる予め定められた調整量より小さいものになる。これは、モードの半径方向の移動量が減少する位置における質量の除去により、目標モードの有効質量の変化が少なくなるからであり、また目標の半径方向の波腹１２と整列しない孔１４により、非目標モードの有効質量が減少するからである。調整処理がこれを考慮しなければ、この変化は調整の誤りにつながる可能性がある。

図２は、前述の方法を用いて調整された振動リング構造１０のサンプルについて−４０から＋８５°Ｃの温度範囲にわたる直交バイアスの変化を示す。この温度範囲にわたる直交バイアスの変化は、通常およそ２０°／ｓであることをみることができる。対照的に、調整後の最初の直交バイアスの変化は８０°／ｓまでであり、これは一般的な装置についての直交バイアスが、最初の直交バイアスを設定するモード調整の精度および正確性（またはその欠如）に影響されることを示す。

性能が向上したこの種のジャイロスコープの必要性によって、調整処理での対応する改良の要求が押し進められる。１つの方法は、大きさが可変の最終調整孔を使用し、それによって通常の調整量より小さい調整分解能を得ることであろう。これはレーザパワーを調節する必要があるだろうが、それは、以下のいくつかの理由、すなわち、
既存の機器が、レーザパワーを動的に調節することが不可能かもしれない、
レーザスポットサイズが、既存の機器で調節可能でないかもしれない、
レーザが、与えられた作動条件まで安定するのに時間を必要とするかもしれない、
質量除去が、レーザパワーとともに直線的に変化しないかもしれない、
振動数間隔のわずかな調節（例えば、＜０．１Ｈｚ）が、正確性をもって達成するのが困難かもしれない、
という理由によって実際的でない。

既存の機器を用いて正確性の高い調整を達成可能な処理が、非常に望ましい。

本発明によれば、図３に示すように、半径方向の波腹１２またはその近辺に配置された調整孔１４（以下粗調整孔１４と呼ぶ）を、前述のように使用して振動数間隔を比較的低レベルまで減少させ、また、目標モードの半径方向の波腹１２から予め定められた角度の偏りに一対の微調整孔１６を配置し、角度の偏りは固有モードの振動数間隔を最小化するように選択される。一対の微調整孔１６は、都合良く、関連する半径方向の波腹１２から実質的に均等に離間される。両方の孔１６が同一の半径方向の波腹１２に関連付けられる場合、孔１６が都合良く波腹１２周りに実質的に対称的に配置されることが理解されるだろう。しかし、必要に応じて孔１６を異なる波腹１２に関連付けてもよい。

上述のように、調整孔が半径方向の波腹１２の位置に正確に配置されない場合、そのような孔の調整効果は減少することが知られている。図４ａで図示されるように、一対の孔２０ａ、２０ｂが両方ともそれぞれの波腹１２において形成され、両方の孔が振動数間隔に０．４Ｈｚの効果を有する場合、振動数間隔におけるこれらの孔の正味の効果は０．８Ｈｚの変化になるであろう。他方で、図４ｂで図示されるように、波腹１２において１つの孔２０ａが形成され、第２の孔２０ｂが波腹１２から４５°移動した位置に形成される場合、２つの孔の存在により生ずる振動数間隔の変化は等しくかつ反対方向になり、よって孔２０ａ、２０ｂは振動数間隔に正味の効果を有さない。従って、よい度合いの正確性でリング構造のバランスを補助するように、適切に選択された角度間隔の一対の微調整孔１６の設置を用いることができることが理解される。図５は、角度間隔の範囲における一対の微調整孔の設置により得られる振動数間隔の変化を示す。

図３に戻って参照すると、一連の粗調整孔１４が波腹１２またはその近辺に形成されているのが見られる。粗調整孔１４は、振動数間隔を０．８Ｈｚ以下の値まで減少させるのに使用される。図３に示された実施例で、リング構造１０の最初の振動数間隔が１．６５Ｈｚであると仮定する。この実施例では、３つの粗調整孔１４が設けられ、振動数間隔をおよそ０．４５Ｈｚまで減少させる。しかし、これは単なる実施例に過ぎず、設けられる孔１４の数はバランス処理の開始前のリング構造の振動数間隔に応じて決まることが理解される。この実施例では３つの粗調整孔１４だけが必要とされるので、それらをそれぞれの波腹の位置１２に正確にそれぞれ配置することが可能である。そのような孔１４が５つ以上必要とされるならば、前述の方法と同様に、いくつかの孔１４をそれぞれの波腹の位置１２からわずかに離して間隔を空けなければならないだろう。

粗調整孔１４の形成によって振動数間隔がこの比較的低レベルまで減少されると、リング構造１０の最終的なバランスを達成するために、一対の微調整孔１６が形成される。

角度間隔ε₂を有する一対の微調整孔１６の形成によって生じる振動数間隔（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐｌｉｔ）の変化（ΔＦ_split）は、
ΔＦ_split＝２．ΔＦ_hole・ｃｏｓ（２．ε₂） （１）
によって与えられ、ここでΔＦ_holeは、波腹１２における孔のうちの１つの形成により得られるであろう振動数間隔の名目上の変化である。

図３に戻って参照すると、３つの粗調整孔１４が形成されると、応答モードの振動数および方向が再測定され、残りの振動数間隔を決定する。振動数間隔を実質的に除去するように、またはそれを許容可能なレベルまで減少させるように、式（１）を用いて、一対の微調整孔１６の必要とされる角度間隔を決定可能である。上述のように、リング構造のバランスを達成するのに０．４５Ｈｚの振動数間隔の補正が必要とされる。図５に見られるように、０．４５Ｈｚの振動数間隔の変化を達成するには、微調整孔１６がおよそ２８°の角度間隔で形成される必要があり、それで、微調整孔は波腹１２のうちの１つの周りに対称的におよそ１４°でそれから偏ることが必要とされる。必要とされる角度間隔が決定されると、リング構造１０をバランスさせるために、一対の微調整孔１６が必要とされる位置で形成される。

非対称の調整から生じる二次的影響の可能性を防ぐために、微調整孔１６が目標モードの波腹１２のうちの１つの周りに対称的であることが望ましい。しかし、これは必ずしも常にそうである必要はなく、それらを異なる波腹１２に関連付けることが可能である。

調整孔がリング上に配置されることに伴う角度分解能を、限定してもよい。例えば、孔を形成するのに使用される機器は、孔が１°の角度で形成されることのみを可能にしてもよい。そのような機器が使用される場合、正確なバランスが必ずしも可能ではありえないことが理解されるだろう。しかし、図１に関連して前述した技術だけの使用と比較して、リング構造１０がバランス可能な度合は、大幅に高まる。バランスが得られる正確性をさらに向上させるために、例えば、波腹１２の一方の側への微調整孔１６を波腹１２の反対側への微調整孔１６の位置決めと１°異なる角度で取り付け可能にするように、例えば、微調整孔を＋２１°および−２２°でそれぞれ（または逆に）取り付け可能にするように、目標モードの半径方向の波腹１２周りの微調整孔１６の正確な対称性についての必要条件を緩和してもよい。

最終的な孔が微調整孔である処理を記載したが、重要なのは調整孔の正味の効果であり、それらが形成される順序ではないこと、および、いくつかの実施例では微調整孔を他の孔の前に形成してもよいことが理解されるだろう。さらに、リング構造１０の最初のバランスによって、いずれの粗調整孔１４も形成する必要がない可能性があり、それで存在するのは一対の微調整孔１６のみの可能性がある。

前述の孔は必ずしも貫通孔ではなく、比較的浅いアブレーション凹部であってもよい。

ｃｏｓ２θ振動モードに関連して方法を記載したが、方法をまたｃｏｓ３θモードのような他のリング曲げモードに適用してもよいことが理解されるだろう。本発明の範囲から逸脱することなく、前述の構成に広範囲の改良および修正がなされうる。

Claims (16)

1. 振動リング構造を調整する方法であって、
   振動リング構造の中立軸上または近辺に配置された、実質的に同一の大きさの一対の微調整孔について角度間隔を決定し、
   決定された角度間隔で振動リング構造内に一対の微調整孔を形成する、
   ことを含み、
   角度の偏りは、目標の通常モードと、目標の通常モードに対して角度的に偏るさらなる通常モードとの間の振動数間隔を、許容可能なレベルまで減少させるように選択されることを特徴とする、振動リング構造を調整する方法。
2. 一対の微調整孔は、目標の通常モードの半径方向の波腹から実質的に等しい角度の偏りで配置されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 一対の微調整孔は、目標の通常モードの半径方向の波腹周りに実質的に対称的に形成されることを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 微調整孔の間の角度の偏りは、４５度未満であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 少なくとも１つの粗調整孔の形成をさらに含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 粗調整孔は、微調整孔と実質的に同一の大きさであることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 調整孔は、レーザアブレーションによって形成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 微調整孔は、ｃｏｓ２θモードのバランスを達成するように配置されることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の方法を用いて調整された振動リング構造。
10. 振動リング構造であって、
    リング本体の中立軸上または近辺に配置された、実質的に同一の大きさの一対の微調整孔の形成によって調整されたリング本体を備え、
    微調整孔は、リング本体の目標の通常モードとさらなる通常モードとの間の振動数間隔を、許容可能なレベルまで減少させるように選択された、互いに対する角度の偏りで配置され、
    さらなる通常モードは、目標の通常モードに対して角度的に偏ることを特徴とする振動リング構造。
11. 一対の微調整孔は、目標の通常モードの半径方向の波腹から実質的に等しい角度の偏りで配置されることを特徴とする請求項１０記載の構造。
12. 一対の微調整孔は、目標の通常モードの半径方向の波腹周りに実質的に対称的に形成されることを特徴とする請求項１１記載の構造。
13. 少なくとも１つの粗調整孔をさらに備えることを特徴とする請求項１０〜１２に記載の構造。
14. 粗調整孔は、微調整孔と実質的に同一の大きさであることを特徴とする請求項１３記載の構造。
15. 微調整孔は、ｃｏｓ２θモードのバランスを達成するように配置されることを特徴とする請求項１０〜１４のいずれかに記載の構造。
16. リング本体は、ジャイロスコープの一部を形成することを特徴とする請求項１０〜１５のいずれかに記載の構造。

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