WO1999031464A1 - Vibrating gyroscope - Google Patents

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WO1999031464A1
WO1999031464A1 PCT/FR1998/002720 FR9802720W WO9931464A1 WO 1999031464 A1 WO1999031464 A1 WO 1999031464A1 FR 9802720 W FR9802720 W FR 9802720W WO 9931464 A1 WO9931464 A1 WO 9931464A1
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WO
WIPO (PCT)
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substrate
mass
vibrating gyroscope
gyroscope according
plane
Prior art date
Application number
PCT/FR1998/002720
Other languages
French (fr)
Inventor
Michel Dufour
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat A L'energie Atomique filed Critical Commissariat A L'energie Atomique
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Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5719Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using planar vibrating masses driven in a translation vibration along an axis
    • G01C19/5733Structural details or topology
    • G01C19/5755Structural details or topology the devices having a single sensing mass

Definitions

  • the present invention relates to a vibrating gyroscope. It relates in particular to a micromachined gyroscope on silicon.
  • the aerospace industries are generally very demanding with regard to the accuracy of information, whereas on the contrary, in a field like the automobile, the level of electromechanical performance can be much less decisive than the cost price of the device when choosing a product.
  • microtechnologies are preferred because they allow to consider the production of precise gyroscopes and inexpensive gyroscopes, see both at the same time.
  • Mass production favors the reduction of costs, while the mechanical properties of the basic materials of microelectronics, in particular those of silicon, are particularly suitable for the manufacture of high-performance sensors.
  • Mechanical gyroscopes compatible with microtechnologies can be grouped into three categories: single oscillators, multiple oscillators (double, triple or more) or tuning forks and shell or Bryan effect resonators.
  • tuning forks have a better insensitivity to linear accelerations than the other two categories, but their resolution is often limited.
  • Shell resonators take advantage of the establishment of standing waves along a closed structure with symmetry of revolution.
  • Document EP-A-0 619 471 discloses an apparatus of this type.
  • the standing wave generated on the periphery of the hull, is the result of a double excitation of a ring according to the mode of order 2, of type "cos 2 ⁇ ".
  • the Coriolis force due to the speed of rotation to be measured, modifies the position of the standing wave. This displacement can be detected.
  • These devices are characterized by the deformation and not the displacement of the mass formed by the shell.
  • the simple oscillators group together all the structures characterized by a displacement of the vibrating mass in resonance or not.
  • the mass which does not deform, generally put into vibration at its own pulsation, is subjected to a Coriolis force under the action of external rotation, which can be detected.
  • it is simpler to carry out the linear movements which have been privileged.
  • the mass moves along a constant axis.
  • the detection is carried out in the same plane, which may not be that of the substrate.
  • the gyroscope according to the invention belongs to the category of simple oscillators since it has a vibrating mass. It can be defined by analogy with the Foucault pendulum but adapted to a planar structure.
  • the gyroscope according to the invention is in fact based on an axial movement of the vibrating mass. The axis of this movement is caused to rotate in the plane perpendicular to the rotation vector to be measured, under the effect of the Coriolis force. The movement of this axis is therefore a precession.
  • the speed of rotation of the mass oscillation axis provides direct information on the speed of rotation to be measured. It is a frequency detection.
  • the invention differs from the category of shell resonators insofar as it is precisely the property that the mass presents not to deform but on the contrary to move freely in the plane which is used. Like shell resonators, the structure can have radial symmetry.
  • the subject of the invention is therefore a vibrating gyroscope comprising a mobile mass relative to a substrate and intended to measure a rotation vector perpendicular to the plane of the substrate, the mobile mass being attached to the substrate by return means having an identical stiffness whatever either the direction of movement of the moving mass in a plane parallel to the plane of the substrate and allowing movement of the mass in all directions of said plane, the gyroscope comprising means of electrical excitation of the mobile mass to make it vibrate at a determined pulsation in the plane of the substrate, the gyroscope also comprising detection means making it possible to supply information on the position of the mobile mass relative to the plane of the substrate.
  • the mobile mass and the return means can be located in a recess produced from one face of a substrate.
  • the mobile mass can also be located above one face of the substrate, the return means connecting the mobile mass to anchoring means integral with the substrate.
  • the anchoring means are advantageously constituted by an anchoring point located in the center of the ring.
  • the return means may consist of flexible arms or by a bellows.
  • the means for returning the mobile mass are arranged so as to provide the mobile mass with an isotropic return force in the plane of the substrate.
  • the electrical excitation means may be capacitive excitation means constituted by means forming electrodes, some linked to the moving mass facing the other, integral with the substrate.
  • the detection means can be capacitive detection means constituted by means forming electrodes, some linked to the moving mass facing the others secured to the substrate.
  • Means for controlling the moving mass can also be provided. These control means can be capacitive control means constituted by means forming electrodes, one linked to the moving mass facing the other, integral with the substrate.
  • the means forming electrodes linked to the moving mass can be conductive parts of the moving mass itself.
  • the detection and / or excitation means can also include strain gauges located on the return means.
  • FIG. 1 represents a first variant of a vibrating gyroscope according to the present invention
  • FIG. 2 represents a second variant of a vibrating gyroscope according to the present invention
  • FIG. 3 represents a third variant of a vibrating gyroscope according to the present invention
  • FIG. 4 represents a fourth variant of a vibrating gyroscope according to the present invention
  • FIGS. 7 and 8 represent gyroscopes according to the third variant embodiment, equipped with means for exciting the moving mass
  • FIG. 9 shows a gyroscope according to the third embodiment, equipped with means of excitation, detection and control of the moving mass.
  • the inertial force acts on a mobile having a relative speed with respect to a reference point itself in rotation with respect to a fixed reference point.
  • this relative movement is a periodic movement of pulsation ⁇ 0 .
  • the intensity of the inertial force is proportional to the sine of the angle between the relative speed vector and the axis of the rotation vector. It is therefore advantageous, for optimization questions, to design devices in which the relative speed is perpendicular to the rotation vector.
  • ⁇ ⁇ ⁇ - x 2 X [cos ( ⁇ 0. t) .cos ( ⁇ . t) + - sin ( ⁇ 0. t). sin ( ⁇ . t)]
  • the value of the amplitude X is determined by the initial pulse, the stiffness of the return device and the friction losses. In practice, it may be advantageous to increase this amplitude by working at the resonant frequency of the device.
  • FIG. 1 represents a first variant of a vibrating gyroscope according to the invention, obtained for example by micromachining of a substrate 1. From a plane face of the substrate 1, defining the plane (x, y), a mobile mass 2 has been obtained housed in a recess 4 of the substrate and attached to the substrate by three return arms 3 regularly distributed and of curved shape. The moving mass can have an indifferent shape. In Figure 1, the moving mass is circular.
  • the return means of the mobile mass must provide an isotropic return force in the plane (x, y) of the substrate. It is preferable that the return elements of the movable mass have an angular periodicity in their arrangement and that they are at least three in number.
  • the return elements can be arms or beams, straight or not, in one or in several segments.
  • FIG. 2 represents a second variant of a vibrating gyroscope according to the invention.
  • a flat substrate 5 provided with a recess 6 in which is housed the movable mass 7.
  • the movable mass is, in this example, of square shape.
  • the return elements 8 are this time four in number and each formed from several segments arranged end to end. They are regularly distributed to provide an overall isotropic stiffness in the plane (x, y) of the substrate.
  • FIG. 3 represents a third variant of a vibrating gyroscope according to the invention.
  • the mobile mass 11 is in a plane parallel to the plane of the substrate 10 but, unlike the first two variants, the mobile mass, which has a ring shape, is located above the substrate.
  • the mobile mass 11 is attached to the substrate 10 by a central anchoring point 12 to which it is connected by flexible arms 13. As before, the flexible arms 13 are evenly distributed to provide an overall isotropic stiffness.
  • FIG. 4 represents a fourth variant of a vibrating gyroscope according to the invention.
  • the circular mobile mass 16 is this time in the plane of the substrate 15 but the return means are constituted by a continuous bellows type medium 17.
  • gyroscopes according to the present invention can be manufactured by micromachining process steps well known to those skilled in the art. Since the mobile mass must be produced on the front face of a substrate, it is possible to start by etching the rear face of the substrate in order to give the mobile mass the desired thickness. Then, an etching step via the front face of the substrate makes it possible to delimit the mobile mass and the return means.
  • the steps described above are supplemented or modified according to the nature of the means provided for obtaining the excitation of the mobile mass and the detection of its movement. These means will put the seismic mass in motion relative to the support and will detect its position in the plane (x, y). These two functions can possibly be dissociated.
  • the position of the moving mass can be detected by a family of displacement or stress detectors. These detectors can be capacitors with variable capacity, by varying the size of the air gap or the surface of the electrodes actually facing each other. They can also be devices with piezoresistive or piezoelectric strain gauges, or devices using, for example, Laplace force according to a principle already listed in the prior art. Detectors may or may not be associated with the suspension device.
  • FIG. 5 An example of detection by a strain gauge is shown in Figure 5.
  • This figure is a detail view of Figure 1. It shows the connection of a return arm 3 on the substrate 1.
  • a gauge constraint 20 has been formed. Each of its ends is connected to a conductor 21, 22 intended to transmit the information collected.
  • the strain gauge 20 can be formed by doping the substrate at the very start of the process for producing the gyroscope.
  • the conductors 21 and 22 can be produced, at the end of the process, by depositing a metal layer and etching this layer. To vibrate the moving mass at the pulsation ⁇ 0 , a single electrode may suffice.
  • the conventional techniques of excitation of microtechnologies are suitable. We can cite the capacitive type excitation.
  • Figures 6 and 7 illustrate two possible embodiments.
  • Figure 6 illustrates a gyroscope of the type of Figure 1, seen from above.
  • the mobile mass 26 completely or partially conductive (for example by doping the silicon substrate) constitutes one of the electrodes of an excitation capacitor.
  • This minimum configuration can advantageously be supplemented by the addition of additional excitation electrodes intended, for example, to obtain better control of the vibration or of the position of the mass, or any other function.
  • FIG. 7 illustrates a gyroscope of the type of FIG. 3, seen from above.
  • the seismic mass is completely or partially conductive and constitutes one of the electrodes of an excitation capacitor.
  • the second electrode 34 of the excitation capacitor, which is attached to the substrate 30, can be located outside of the moving mass 31. It can also be located inside the moving mass 31. shows such an electrode, referenced 35, in broken lines.
  • the detection must provide the position information of the moving mass at all times.
  • the evolution of this position over time results in a movement dependent on the vibration ⁇ 0 and the precession at the frequency ⁇ .
  • Frequency analysis therefore makes it possible to calculate the angular speed sought.
  • the detectors are such that the variation of the electrical quantity measured, for example an impedance, is a strictly monotonic function of the distance "d" between a fixed point which is attached to them and the center of gravity of the whole of the mobile structure .
  • the minimum configuration necessary for determining the position of the mass requires two electrodes not aligned with the center of gravity.
  • One of these electrodes can optionally also be used alternately for the excitation of the moving mass.
  • the conventional means for detecting microtechnologies can be used and among them capacitive detection.
  • the addition of an additional electrode 29, not aligned with the electrode 28, is sufficient if the movable mass 26 constitutes another electrode opposite the electrode 29.
  • the moving mass 26 constitutes, as for the excitation, a reference.
  • the electrodes 28 and 29 make it possible to determine the distance separating them from the moving mass.
  • FIG. 8 illustrates a gyroscope of the type of FIG. 3, seen from above.
  • the mobile mass being conductive, n capacitive detection capacitors are formed by regularly placing n electrodes 44 facing the mobile mass 41, inside the mobile mass. Instead of placing them inside, these detection electrodes can be placed outside. This is the role of the electrodes 45 shown in dashed lines and angularly equidistant.
  • FIGS. 6 and 8 are not limiting and, for each structure, two electrodes (not aligned with the center of gravity) with n electrodes can be arranged relative to the mobile mass.
  • the increase in the number of electrodes can advantageously be envisaged to increase the resolution of the sensor or improve the signal / noise ratio.
  • the structure can advantageously be slaved in position using electrodes used for excitation and detection.
  • the servo-control can advantageously be carried out using additional electrodes which can also be of the capacitive type and arranged around the moving mass.
  • Enslavement consists in the creation of a force which opposes the detected Coriolis force and maintains the moving mass along its trajectory initial resulting from its vibration at its pulsation ⁇ 0 along an axis defined by the excitation electrode (s).
  • FIG. 9 shows an example of a gyroscope according to the invention, of the type of FIG. 3, comprising detection, servo-control and excitation electrodes.
  • the substrate 50 and the moving mass 51 attached elastically to the anchor point 52 by return arms 53 symbolically represented.
  • the moving mass 52 constitutes as many capacitor electrodes for the electrodes which are placed opposite it.
  • the mobile mass 41 is excited by applying an appropriate voltage, at the resonant frequency, between the mobile mass 41 and, alternately, between the electrodes 54 and 55. An oscillating movement of the mobile mass is obtained. the pulse ⁇ 0 .
  • Control can be obtained by electrodes 56 and 57 or 58 and 59 in association with the conductive moving mass. Under the effect of the Coriolis force, the mobile mass, oscillating in the direction of an axis passing through the electrodes 54 and 55, tends to rotate around the anchor point 52. An excitation force is then created offset which maintains the excitation in the direction defined by the electrodes 54 and 55.
  • the same electrodes (54 and 55 and possibly 56 and 57, 58 and 59) in association with the moving mass can be used to detect the position of the moving mass from which the angular speed orthogonal to the plane can be calculated.
  • the structure can also be slaved in frequency by requesting all of the excitation to produce a rotating force field so as to maintain the overall movement of the mobile mass, that is to say its oscillation with precession.
  • the frequency of rotation of the rotating field is controlled by the precession frequency of the mobile.

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Abstract

The invention concerns a vibrating gyroscope comprising a mass (2) mobile relative to a substrate (1) and designed for measuring a rotation vector perpendicular to the substrate plane, the mobile mass (2) being connected to the substrate (1) by return means (3) having a constant degree of stiffness identical whatever the displacement direction of the mobile mass (2) in a plane parallel to the substrate (1) plane, the gyroscope comprising means for electrically exciting the mobile mass (2) to cause it to vibrate at a predetermined angular velocity, the gyroscope also comprising sensing means for supplying each time data concerning the position of the mobile mass (2) relative to the substrate (1).

Description

GYROSCOPE VIBRANT VIBRATING GYROSCOPE
Domaine techni-queTechnical area
La présente invention concerne un gyroscope vibrant. Elle concerne en particulier un gyroscope micro-usiné sur silicium.The present invention relates to a vibrating gyroscope. It relates in particular to a micromachined gyroscope on silicon.
Les industries intéressées par le guidage ou le contrôle de la trajectoire de mobiles sont aujourd'hui demandeuses de dispositifs miniaturisés permettant de situer, d'agir ou de faire l'historique du mouvement de l'objet. Parmi les domaines concernés on peut citer la navigation aérienne, l'automobile, le contrôle d'appareils de mesure ou de prise de vue. A cette fin, plusieurs générations d* accéléromètres linéaires ont été développés dans le cadre des microtechnologies au cours des dernières décennies. La demande s'oriente aujourd'hui en direction de micro-gyroscopes permettant de mesurer des déplacements angulaires. Un historique complet de la trajectoire du mobile est dès lors envisageable.Industries interested in guiding or controlling the trajectory of mobiles are today demanding miniaturized devices making it possible to locate, act or make the history of the movement of the object. Among the fields concerned, we can cite air navigation, the automobile, the control of measuring or taking cameras. To this end, several generations of linear accelerometers have been developed in the context of microtechnologies over the past decades. The demand is now directed towards micro-gyroscopes allowing to measure angular displacements. A complete history of the trajectory of the mobile is therefore possible.
Pour les applications envisagées, les industries aérospatiales sont en général très exigeantes quant à la précision de l'information, alors qu'à l'inverse, dans un domaine comme l'automobile, le niveau des performances électromécaniques peut être beaucoup moins décisif que le prix de revient du dispositif lors du choix d'un produit.For the envisaged applications, the aerospace industries are generally very demanding with regard to the accuracy of information, whereas on the contrary, in a field like the automobile, the level of electromechanical performance can be much less decisive than the cost price of the device when choosing a product.
Dans cette optique, les microtechnologies sont privilégiées car elles permettent d'envisager la production de gyroscopes précis et de gyroscopes bon marché, voir les deux à la fois. En effet, la production de masse favorise la diminution des coûts, alors que les propriétés mécaniques des matériaux de base de la micro-électronique, en particulier celles du silicium, sont particulièrement propices à la fabrication de capteurs performants.In this perspective, microtechnologies are preferred because they allow to consider the production of precise gyroscopes and inexpensive gyroscopes, see both at the same time. Mass production favors the reduction of costs, while the mechanical properties of the basic materials of microelectronics, in particular those of silicon, are particularly suitable for the manufacture of high-performance sensors.
Etat de la techniqueState of the art
Les gyroscopes mécaniques compatibles avec les microtechnologies peuvent être regroupés en trois catégories : les oscillateurs simples, les oscillateurs multiples (doubles, triples ou plus) ou diapasons et les résonateurs à coque ou à effet Bryan.Mechanical gyroscopes compatible with microtechnologies can be grouped into three categories: single oscillators, multiple oscillators (double, triple or more) or tuning forks and shell or Bryan effect resonators.
Les oscillateurs multiples, comme par exemple les diapasons, présentent, par rapport aux deux autres catégories, une meilleure insensibilité aux accélérations linéaires que peut subir la structure mais leur résolution est souvent limitée.Multiple oscillators, such as tuning forks, have a better insensitivity to linear accelerations than the other two categories, but their resolution is often limited.
Les résonateurs à coque tirent parti de l'établissement d'ondes stationnaires le long d'une structure fermée présentant une symétrie de révolution. Le document EP-A-0 619 471 divulgue un appareil de ce type. En pratique, l'onde stationnaire, générée sur le pourtour de la coque, est la résultante d'une double excitation d'un anneau suivant le mode d'ordre 2, de type "cos 2θ" . La force de Coriolis, due à la vitesse de rotation à mesurer, modifie la position de l'onde stationnaire. Ce déplacement peut être détecté. Ces appareils sont caractérisés par la déformation et non le déplacement de la masse formée par la coque.Shell resonators take advantage of the establishment of standing waves along a closed structure with symmetry of revolution. Document EP-A-0 619 471 discloses an apparatus of this type. In practice, the standing wave, generated on the periphery of the hull, is the result of a double excitation of a ring according to the mode of order 2, of type "cos 2θ". The Coriolis force, due to the speed of rotation to be measured, modifies the position of the standing wave. This displacement can be detected. These devices are characterized by the deformation and not the displacement of the mass formed by the shell.
Les oscillateurs simples regroupent toutes les structures caractérisées par un déplacement de la masse vibrant en résonance ou non. La masse, qui ne se déforme pas, mise en vibration en général à sa pulsation propre, est soumise à une force de Coriolis sous l'action de la rotation extérieure, ce qui peut être détecté. En microtechnologies, il est plus simple de réaliser les mouvements linéaires qui ont été privilégiés. En l'absence de rotation, la masse se déplace suivant un axe constant. La détection est effectuée dans le même plan, qui peut ne pas être celui du substrat.The simple oscillators group together all the structures characterized by a displacement of the vibrating mass in resonance or not. The mass, which does not deform, generally put into vibration at its own pulsation, is subjected to a Coriolis force under the action of external rotation, which can be detected. In microtechnologies, it is simpler to carry out the linear movements which have been privileged. In the absence of rotation, the mass moves along a constant axis. The detection is carried out in the same plane, which may not be that of the substrate.
Exposé de l'inventionStatement of the invention
Le gyroscope selon l'invention appartient à la catégorie des oscillateurs simples puisqu'il possède une masse vibrante. Il peut être défini par analogie avec le pendule de Foucault mais adapté à une structure planar. Le gyroscope selon l'invention repose en effet sur un mouvement axial de la masse vibrante. L'axe de ce mouvement est amené à tourner dans le plan perpendiculaire au vecteur rotation à mesurer, sous l'effet de la force de Coriolis. Le mouvement de cet axe est donc une précession. La vitesse de rotation de l'axe d'oscillation de la masse renseigne directement sur la vitesse de rotation à mesurer. Il s'agit d'une détection de fréquence. L'invention se distingue de la catégorie des résonateurs à coque dans la mesure où c'est justement la propriété que présente la masse de ne pas se déformer mais au contraire de se déplacer librement dans le plan qui est utilisée. Comme les résonateurs à coque, la structure peut présenter une symétrie radiale.The gyroscope according to the invention belongs to the category of simple oscillators since it has a vibrating mass. It can be defined by analogy with the Foucault pendulum but adapted to a planar structure. The gyroscope according to the invention is in fact based on an axial movement of the vibrating mass. The axis of this movement is caused to rotate in the plane perpendicular to the rotation vector to be measured, under the effect of the Coriolis force. The movement of this axis is therefore a precession. The speed of rotation of the mass oscillation axis provides direct information on the speed of rotation to be measured. It is a frequency detection. The invention differs from the category of shell resonators insofar as it is precisely the property that the mass presents not to deform but on the contrary to move freely in the plane which is used. Like shell resonators, the structure can have radial symmetry.
L'invention a donc pour objet un gyroscope vibrant comportant une masse mobile par rapport à un substrat et destiné à mesurer un vecteur rotation perpendiculaire au plan du substrat, la masse mobile étant rattachée au substrat par des moyens de rappel présentant une raideur identique quelle que soit la direction du déplacement de la masse mobile dans un plan parallèle au plan du substrat et permettant un déplacement de la masse dans toutes les directions dudit plan, le gyroscope comportant des moyens d'excitation électrique de la masse mobile pour la faire vibrer à une pulsation déterminée dans le plan du substrat, le gyroscope comportant également des moyens de détection permettant de fournir à chaque instant des informations sur la position de la masse mobile par rapport au plan du substrat.The subject of the invention is therefore a vibrating gyroscope comprising a mobile mass relative to a substrate and intended to measure a rotation vector perpendicular to the plane of the substrate, the mobile mass being attached to the substrate by return means having an identical stiffness whatever either the direction of movement of the moving mass in a plane parallel to the plane of the substrate and allowing movement of the mass in all directions of said plane, the gyroscope comprising means of electrical excitation of the mobile mass to make it vibrate at a determined pulsation in the plane of the substrate, the gyroscope also comprising detection means making it possible to supply information on the position of the mobile mass relative to the plane of the substrate.
La masse mobile et les moyens de rappel peuvent être situés dans un évidement réalisé à partir d'une face d'un substrat. La masse mobile peut aussi être située au-dessus d'une face du substrat, les moyens de rappel rattachant la masse mobile à des moyens d'ancrage solidaires du substrat. Dans ce cas, si la masse mobile a une forme annulaire, ou toute autre forme de type annulaire telle un polygone évidé, les moyens d'ancrage sont avantageusement constitués par un point d'ancrage situé au centre de l'anneau.The mobile mass and the return means can be located in a recess produced from one face of a substrate. The mobile mass can also be located above one face of the substrate, the return means connecting the mobile mass to anchoring means integral with the substrate. In this case, if the mobile mass has an annular shape, or any other shape of the annular type such as a hollowed out polygon, the anchoring means are advantageously constituted by an anchoring point located in the center of the ring.
Selon les cas, les moyens de rappel peuvent être constitués de bras flexibles ou par un soufflet. Avantageusement, les moyens de rappel de la masse mobile sont disposés de façon à assurer à la masse mobile une force de rappel isotrope dans le plan du substrat.Depending on the case, the return means may consist of flexible arms or by a bellows. Advantageously, the means for returning the mobile mass are arranged so as to provide the mobile mass with an isotropic return force in the plane of the substrate.
Les moyens d'excitation électrique peuvent être des moyens d'excitation capacitifs constitués par des moyens formant électrodes, les uns liés à la masse mobile faisant face aux autres, solidaires du substrat.The electrical excitation means may be capacitive excitation means constituted by means forming electrodes, some linked to the moving mass facing the other, integral with the substrate.
Les moyens de détection peuvent être des moyens de détection capacitifs constitués par des moyens formant électrodes, les uns liés à la masse mobile faisant face aux autres solidaires du substrat.The detection means can be capacitive detection means constituted by means forming electrodes, some linked to the moving mass facing the others secured to the substrate.
Il peut en outre être prévu des moyens d'asservissement de la masse mobile. Ces moyens d'asservissement peuvent être des moyens d'asservissement capacitifs constitués par des moyens formant électrodes, les uns liés à la masse mobile faisant face aux autres, solidaires du substrat.Means for controlling the moving mass can also be provided. These control means can be capacitive control means constituted by means forming electrodes, one linked to the moving mass facing the other, integral with the substrate.
Les moyens formant électrodes liés à la masse mobile peuvent être des parties conductrices de la masse mobile elle-même.The means forming electrodes linked to the moving mass can be conductive parts of the moving mass itself.
Les moyens de détection et/ou d'excitation peuvent aussi comporter des jauges de contrainte situées sur les moyens de rappel.The detection and / or excitation means can also include strain gauges located on the return means.
Brève description des dessinsBrief description of the drawings
L'invention sera mieux comprise au moyen de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels :The invention will be better understood by means of the description which follows, given by way of nonlimiting example, accompanied by the appended drawings among which:
- la figure 1 représente une première variante de gyroscope vibrant selon la présente invention,FIG. 1 represents a first variant of a vibrating gyroscope according to the present invention,
- la figure 2 représente une deuxième variante de gyroscope vibrant selon la présente invention,FIG. 2 represents a second variant of a vibrating gyroscope according to the present invention,
- la figure 3 représente une troisième variante de gyroscope vibrant selon la présente invention, - la figure 4 représente une quatrième variante de gyroscope vibrant selon la présente invention,FIG. 3 represents a third variant of a vibrating gyroscope according to the present invention, FIG. 4 represents a fourth variant of a vibrating gyroscope according to the present invention,
- la figure 5 montre un détail du gyroscope représenté à la figure 1, - la figure 6 représente un gyroscope selon la première variante de réalisation, équipé de moyens d'excitation de la masse mobile et de moyens de détection de la position de la masse mobile, - les figures 7 et 8 représentent des gyroscopes selon la troisième variante de réalisation, équipés de moyens d'excitation de la masse mobile,- Figure 5 shows a detail of the gyroscope shown in Figure 1, - Figure 6 shows a gyroscope according to the first embodiment, equipped with means for exciting the moving mass and means for detecting the position of the mass mobile, FIGS. 7 and 8 represent gyroscopes according to the third variant embodiment, equipped with means for exciting the moving mass,
- la figure 9 représente un gyroscope selon la troisième variante de réalisation, équipé de moyens d'excitation, de détection et d'asservissement de la masse mobile.- Figure 9 shows a gyroscope according to the third embodiment, equipped with means of excitation, detection and control of the moving mass.
Description détaillée de modes de réalisation de 1 'inventionDetailed description of embodiments of the invention
La force d'inertie, dite de Coriolis, agit sur un mobile doté d'une vitesse relative par rapport à un repère lui-même en rotation par rapport à un repère fixe. En pratique ce mouvement relatif est un mouvement périodique de pulsation Ω0. L'intensité de la force d'inertie est proportionnelle au sinus de l'angle entre le vecteur vitesse relative et l'axe du vecteur rotation. On a donc intérêt, pour des questions d'optimisation, de concevoir des dispositifs dans lesquels la vitesse relative est perpendiculaire au vecteur rotation.The inertial force, known as Coriolis, acts on a mobile having a relative speed with respect to a reference point itself in rotation with respect to a fixed reference point. In practice, this relative movement is a periodic movement of pulsation Ω 0 . The intensity of the inertial force is proportional to the sine of the angle between the relative speed vector and the axis of the rotation vector. It is therefore advantageous, for optimization questions, to design devices in which the relative speed is perpendicular to the rotation vector.
S 'agissant de gyroscopes relevant des microtechnologies, il est commode de raisonner en rattachant un repère cartésien (x, y, z) au substrat, les axes x et y étant dans le plan du substrat et l'axe z lui étant perpendiculaire. Le vecteur rotation désigne alors le vecteur optimalement détecté. En effet, sa composante parallèle au vecteur vitesse relative ne génère pas de force de Coriolis. On peut donc appeler de façon générique "vecteur rotation" la composante de la rotation qui demeure perpendiculaire à la fois à la vitesse relative imposée au mobile et à la direction selon laquelle on mesure la force de Coriolis. Si l'on appelle ω la pulsation de rotation on montre que, dans le plan (x, y) , les coordonnéesIn the case of microtechnology gyroscopes, it is convenient to reason by attaching a Cartesian coordinate system (x, y, z) to the substrate, the x and y axes being in the plane of the substrate and the z axis being perpendicular to it. The rotation vector then designates the optimally detected vector. Indeed, its component parallel to the relative speed vector does not generate a Coriolis force. One can thus call in a generic way "rotation vector" the component of the rotation which remains perpendicular both to the relative speed imposed on the mobile and to the direction according to which the Coriolis force is measured. If we call ω the pulsation of rotation we show that, in the plane (x, y), the coordinates
(x2, y2) en fonction du temps t d'une masse animée d'un mouvement oscillant par rapport à sa position de repos, sont décrites par le système d'équation suivant :(x 2 , y 2 ) as a function of time t of a mass with an oscillating movement relative to its rest position, are described by the following system of equation:
^ ω ^- x2=X [cos (Ω0. t) .cos (ω. t) + — sin (Ω0. t) . sin (ω. t) ] ^ ω ^ - x 2 = X [cos (Ω 0. t) .cos (ω. t) + - sin (Ω 0. t). sin (ω. t)]
x2=X [cos (Ω0. t) . sin (ω. t) - — sin (Ω0. t) . cos (ω . t) ]x 2 = X [cos (Ω 0. t). sin (ω. t) - - sin (Ω 0. t). cos (ω. t)]
La valeur de l'amplitude X est déterminée par l'impulsion initiale, la raideur du dispositif de rappel et les pertes par frottements. En pratique, il peut être avantageux d'augmenter cette amplitude en travaillant à la fréquence de résonance du dispositif.The value of the amplitude X is determined by the initial pulse, the stiffness of the return device and the friction losses. In practice, it may be advantageous to increase this amplitude by working at the resonant frequency of the device.
C'est à partir de la position de la masse dans le plan (x, y) que l'on peut calculer l'angle de rotation de l'ensemble du dispositif par rapport à un repère fixe. Comme le montre le système d'équations du mouvement, la position fait intervenir un produit de fonctions temporelles dépendant de la pulsation de vibration et de celle de rotation.It is from the position of the mass in the plane (x, y) that we can calculate the angle of rotation of the entire device with respect to a fixed reference. As the system of equations of movement shows, position involves a product of temporal functions depending on the pulsation of vibration and that of rotation.
Par traitement du signal, il est possible de dissocier les effets relatifs aux deux pulsations. En pratique, ceci signifie qu'un seul et même dispositif électrique peut assurer les deux fonctions d'excitation du mouvement de la masse et de détection de celui de précession. Il peut être cependant avantageux, dans certaines applications, de prévoir deux systèmes distincts l'un pour l'excitation, l'autre pour la détection. La figure 1 représente une première variante de gyroscope vibrant selon l'invention, obtenu par exemple par micro-usinage d'un substrat 1. A partir d'une face plane du substrat 1, définissant le plan (x, y) , on a obtenu une masse mobile 2 logée dans un évidement 4 du substrat et rattachée au substrat par trois bras de rappel 3 régulièrement répartis et de forme incurvée . La masse mobile peut avoir une forme indifférente. A la figure 1, la masse mobile est circulaire .By signal processing, it is possible to dissociate the effects relating to the two pulses. In practice, this means that a single electrical device can perform the two functions of excitation of the movement of the mass and detection of that of precession. It may however be advantageous, in certain applications, to provide two separate systems, one for excitation, the other for detection. FIG. 1 represents a first variant of a vibrating gyroscope according to the invention, obtained for example by micromachining of a substrate 1. From a plane face of the substrate 1, defining the plane (x, y), a mobile mass 2 has been obtained housed in a recess 4 of the substrate and attached to the substrate by three return arms 3 regularly distributed and of curved shape. The moving mass can have an indifferent shape. In Figure 1, the moving mass is circular.
Les moyens de rappel de la masse mobile doivent assurer une force de rappel isotrope dans le plan (x, y) du substrat. Il est préférable que les éléments de rappel de la masse mobile présentent une périodicité angulaire dans leur disposition et qu'ils soient au moins au nombre de trois. Les éléments de rappel peuvent être des bras ou des poutres rectilignes ou non, en un ou en plusieurs segments.The return means of the mobile mass must provide an isotropic return force in the plane (x, y) of the substrate. It is preferable that the return elements of the movable mass have an angular periodicity in their arrangement and that they are at least three in number. The return elements can be arms or beams, straight or not, in one or in several segments.
La figure 2 représente une deuxième variante de gyroscope vibrant selon l'invention. On retrouve un substrat plan 5 pourvu d'un évidement 6 dans lequel est logée la masse mobile 7. La masse mobile est, dans cet exemple, de forme carrée. Les éléments de rappel 8 sont cette fois au nombre de quatre et formés chacun de plusieurs segments disposés bout à bout. Ils sont régulièrement répartis pour procurer une raideur d'ensemble isotrope dans le plan (x, y) du substrat.FIG. 2 represents a second variant of a vibrating gyroscope according to the invention. We find a flat substrate 5 provided with a recess 6 in which is housed the movable mass 7. The movable mass is, in this example, of square shape. The return elements 8 are this time four in number and each formed from several segments arranged end to end. They are regularly distributed to provide an overall isotropic stiffness in the plane (x, y) of the substrate.
La figure 3 représente une troisième variante de gyroscope vibrant selon l'invention. La masse mobile 11 est dans un plan parallèle au plan du substrat 10 mais, contrairement aux deux premières variantes, la masse mobile, qui a une forme en anneau, est située au-dessus du substrat. La masse mobile 11 est rattachée au substrat 10 par un point d'ancrage central 12 auquel elle est raccordée par des bras souples 13. Comme précédemment, les bras souples 13 sont régulièrement répartis pour procurer une raideur d'ensemble isotrope.FIG. 3 represents a third variant of a vibrating gyroscope according to the invention. The mobile mass 11 is in a plane parallel to the plane of the substrate 10 but, unlike the first two variants, the mobile mass, which has a ring shape, is located above the substrate. The mobile mass 11 is attached to the substrate 10 by a central anchoring point 12 to which it is connected by flexible arms 13. As before, the flexible arms 13 are evenly distributed to provide an overall isotropic stiffness.
La figure 4 représente une quatrième variante de gyroscope vibrant selon l'invention. La masse mobile circulaire 16 est cette fois dans le plan du substrat 15 mais les moyens de rappel sont constitués par un milieu continu de type soufflet 17.FIG. 4 represents a fourth variant of a vibrating gyroscope according to the invention. The circular mobile mass 16 is this time in the plane of the substrate 15 but the return means are constituted by a continuous bellows type medium 17.
Ces gyroscopes selon la présente invention peuvent être fabriqués par des étapes de procédé de micro-usinage bien connues de l'homme de l'art. La masse mobile devant être réalisée sur la face avant d'un substrat, on peut commencer par graver la face arrière du substrat afin de conférer à la masse mobile l'épaisseur désirée. Ensuite, une étape de gravure par la face avant du substrat permet de délimiter la masse mobile et les moyens de rappel.These gyroscopes according to the present invention can be manufactured by micromachining process steps well known to those skilled in the art. Since the mobile mass must be produced on the front face of a substrate, it is possible to start by etching the rear face of the substrate in order to give the mobile mass the desired thickness. Then, an etching step via the front face of the substrate makes it possible to delimit the mobile mass and the return means.
Les étapes décrites ci-dessus sont complétées ou modifiées en fonction de la nature des moyens prévus pour obtenir l'excitation de la masse mobile et la détection de son déplacement. Ces moyens permettront de mettre la masse sismique en mouvement relativement au support et permettront de détecter sa position dans le plan (x, y) . Ces deux fonctions peuvent être éventuellement dissociées. La position de la masse mobile peut être détectée par une famille de détecteurs de déplacement ou de contraintes. Ces détecteurs peuvent être des condensateurs à capacité variable, par variation de la dimension de l'entrefer ou de la surface des électrodes effectivement en regard. Il peut également s'agir de dispositifs à jauges de contraintes piezoresistives ou piézo-électriques, ou encore de dispositifs utilisant par exemple la force de Laplace suivant un principe déjà répertorié dans l'art antérieur. Les détecteurs peuvent être, on non associés au dispositif de suspension.The steps described above are supplemented or modified according to the nature of the means provided for obtaining the excitation of the mobile mass and the detection of its movement. These means will put the seismic mass in motion relative to the support and will detect its position in the plane (x, y). These two functions can possibly be dissociated. The position of the moving mass can be detected by a family of displacement or stress detectors. These detectors can be capacitors with variable capacity, by varying the size of the air gap or the surface of the electrodes actually facing each other. They can also be devices with piezoresistive or piezoelectric strain gauges, or devices using, for example, Laplace force according to a principle already listed in the prior art. Detectors may or may not be associated with the suspension device.
Un exemple de détection par jauge de contrainte est représenté à la figure 5. Cette figure est une vue de détail de la figure 1. Elle montre le raccordement d'un bras de rappel 3 sur le substrat 1. A cet endroit, une jauge de contrainte 20 a été formée. Chacune de ses extrémités est reliée à un conducteur 21, 22 destiné à transmettre l'information recueillie. La jauge de contrainte 20 peut être formée par dopage du substrat au tout début du procédé de réalisation du gyroscope. Les conducteurs 21 et 22 peuvent être réalisés, en fin de procédé, par dépôt d'une couche métallique et gravure de cette couche. Pour faire vibrer la masse mobile à la pulsation Ω0, une seule électrode peut suffire. Les techniques classiques d'excitation des microtechnologies conviennent. On peut citer l'excitation de type capacitive. Les figures 6 et 7 illustrent deux exemples de réalisation possibles. La figure 6 illustre un gyroscope du type de la figure 1, vu de dessus. On reconnaît le substrat 25, la masse mobile 26 réalisée dans un évidement du substrat et rattachée élastiquement à ce substrat par des bras de rappel 27 représentés symboliquement. La masse mobile 26, complètement ou partiellement conductrice (par exemple par dopage du substrat en silicium) constitue l'une des électrodes d'un condensateur d'excitation. Une seconde électrode 28, fixe par rapport au substrat, a été prévue lors du procédé de réalisation du gyroscope. Elle est située en regard de la masse mobile 26 et forme, avec cette masse mobile, un condensateur. Si un signal d'excitation est appliqué entre l'électrode 28 et la masse mobile 26, la masse mobile est alternativement attirée et relâchée (ou repoussée) de façon à vibrer à sa pulsation propre. Cette configuration minimale peut avantageusement être complétée par l'ajout d'électrodes supplémentaires d'excitation destinées, par exemple, à obtenir un meilleur contrôle de la vibration ou de la position de la masse, ou toute autre fonction.An example of detection by a strain gauge is shown in Figure 5. This figure is a detail view of Figure 1. It shows the connection of a return arm 3 on the substrate 1. At this location, a gauge constraint 20 has been formed. Each of its ends is connected to a conductor 21, 22 intended to transmit the information collected. The strain gauge 20 can be formed by doping the substrate at the very start of the process for producing the gyroscope. The conductors 21 and 22 can be produced, at the end of the process, by depositing a metal layer and etching this layer. To vibrate the moving mass at the pulsation Ω 0 , a single electrode may suffice. The conventional techniques of excitation of microtechnologies are suitable. We can cite the capacitive type excitation. Figures 6 and 7 illustrate two possible embodiments. Figure 6 illustrates a gyroscope of the type of Figure 1, seen from above. We recognize the substrate 25, the moving mass 26 produced in a recess of the substrate and attached elastically to this substrate by return arms 27 symbolically represented. The mobile mass 26, completely or partially conductive (for example by doping the silicon substrate) constitutes one of the electrodes of an excitation capacitor. A second electrode 28, fixed relative to the substrate, was provided during the process for producing the gyroscope. It is located opposite the mobile mass 26 and forms, with this mobile mass, a capacitor. If an excitation signal is applied between the electrode 28 and the moving mass 26, the moving mass is alternately attracted and released (or repelled) so as to vibrate at its own pulsation. This minimum configuration can advantageously be supplemented by the addition of additional excitation electrodes intended, for example, to obtain better control of the vibration or of the position of the mass, or any other function.
La figure 7 illustre un gyroscope du type de la figure 3, vu de dessus. On reconnaît le substrat 30 et la masse mobile 31 rattachée élastiquement au point d'ancrage 32 par des bras de rappel 33 représentés symboliquement. Comme précédemment, la masse sismique est complètement ou partiellement conductrice et constitue l'une des électrodes d'un condensateur d'excitation. Dans ce cas, la seconde électrode 34 du condensateur d'excitation, qui est rattachée au substrat 30, peut être située à l'extérieur de la masse mobile 31. Elle peut aussi être située à l'intérieur de la masse mobile 31. On a représenté une telle électrode, référencée 35, en traits interrompus.FIG. 7 illustrates a gyroscope of the type of FIG. 3, seen from above. We recognize the substrate 30 and the movable mass 31 attached elastically to the anchor point 32 by return arms 33 symbolically represented. As before, the seismic mass is completely or partially conductive and constitutes one of the electrodes of an excitation capacitor. In this case, the second electrode 34 of the excitation capacitor, which is attached to the substrate 30, can be located outside of the moving mass 31. It can also be located inside the moving mass 31. shows such an electrode, referenced 35, in broken lines.
La détection doit fournir à chaque instant les informations de position de la masse mobile. L'évolution de cette position dans le temps se traduit par un mouvement dépendant de la vibration Ω0 et de la précession à la fréquence ω. L'analyse fréquentielle permet donc de calculer la vitesse angulaire recherchée.The detection must provide the position information of the moving mass at all times. The evolution of this position over time results in a movement dependent on the vibration Ω 0 and the precession at the frequency ω. Frequency analysis therefore makes it possible to calculate the angular speed sought.
Les détecteurs sont tels que la variation de la grandeur électrique mesurée, par exemple une impédance, est une fonction strictement monotone de la distance "d" entre un point fixe qui leur est attaché et le centre de gravité de l'ensemble de la structure mobile. On peut alors montrer qu'il existe de tels détecteurs. Un condensateur tel que ceux envisagés précédemment pour l'excitation, c'est-à-dire une électrode fixe et l'autre constituée par la masse mobile, convient. Si on suppose que, sous l'effet du déplacement de la masse, la superficie des électrodes en regard ne varie pas, la valeur de la capacité ε. S s'écrit alors C= ce qui est bien une fonction e(d) strictement monotone de "d". Il faut utiliser au moins deux détecteurs de ce genre pour déterminer parThe detectors are such that the variation of the electrical quantity measured, for example an impedance, is a strictly monotonic function of the distance "d" between a fixed point which is attached to them and the center of gravity of the whole of the mobile structure . We can then show that there are such detectors. A capacitor such as those envisaged previously for excitation, that is to say a fixed electrode and the other constituted by the moving mass, is suitable. If it is supposed that, under the effect of the displacement of the mass, the surface of the opposite electrodes does not vary, the value of the capacity ε. S is then written C = which is indeed a strictly monotonic function e (d) of "d". At least two such detectors must be used to determine by
"triangulation" et de façon univoque la position de la masse mobile dont le déplacement du centre de gravité est inscrit dans le cercle dont le centre est sa position au repos, et le rayon sa distance à un détecteur ."triangulation" and unequivocally the position of the mobile mass whose displacement of the center of gravity is inscribed in the circle whose center is its position at rest, and the radius its distance from a detector.
La configuration minimale nécessaire à la détermination de la position de la masse nécessite deux électrodes non alignées avec le centre de gravité. L'une de ces électrodes peut éventuellement être également utilisée alternativement pour l'excitation de la masse mobile. Les moyens classiques de détection des microtechnologies peuvent être employés et parmi eux la détection capacitive. Ainsi, dans le cas de la figure 6, l'ajout d'une électrode supplémentaire 29, non alignée avec l'électrode 28, suffit si la masse mobile 26 constitue une autre électrode en vis-à-vis de l'électrode 29. La masse mobile 26 constitue, comme pour l'excitation, une référence. Les électrodes 28 et 29 permettent de déterminer la distance les séparant de la masse mobile.The minimum configuration necessary for determining the position of the mass requires two electrodes not aligned with the center of gravity. One of these electrodes can optionally also be used alternately for the excitation of the moving mass. The conventional means for detecting microtechnologies can be used and among them capacitive detection. Thus, in the case of FIG. 6, the addition of an additional electrode 29, not aligned with the electrode 28, is sufficient if the movable mass 26 constitutes another electrode opposite the electrode 29. The moving mass 26 constitutes, as for the excitation, a reference. The electrodes 28 and 29 make it possible to determine the distance separating them from the moving mass.
Par construction géométrique on déduit la position relative de la masse à un instant donné. On peut avantageusement augmenter le nombre d'électrodes. On peut également avantageusement disposer les électrodes équidistantes angulairement les unes des autres comme cela est représenté sur la figure 8 qui illustre un gyroscope du type de la figure 3, vu de dessus. On reconnaît le substrat 40 et la masse mobile 41 rattachée élastiquement au point d'ancrage 42 par des bras de rappel 43 représentés symboliquement. La masse mobile étant conductrice, n condensateurs de détection capacitive sont constitués en disposant régulièrement n électrodes 44 en vis-à-vis de la masse mobile 41, à l'intérieur de la masse mobile. Au lieu de les disposer intérieurement, ces électrodes de détection peuvent être disposées extérieurement. C'est le rôle des électrodes 45 représentées en traits interrompus et équidistantes angulairement.By geometric construction we deduce the relative position of the mass at a given instant. The number of electrodes can advantageously be increased. It is also advantageously possible to arrange the electrodes equidistant angularly from one another as shown in FIG. 8 which illustrates a gyroscope of the type of FIG. 3, seen from above. We recognize the substrate 40 and the movable mass 41 attached elastically to the anchor point 42 by return arms 43 symbolically represented. The mobile mass being conductive, n capacitive detection capacitors are formed by regularly placing n electrodes 44 facing the mobile mass 41, inside the mobile mass. Instead of placing them inside, these detection electrodes can be placed outside. This is the role of the electrodes 45 shown in dashed lines and angularly equidistant.
Les configurations des figures 6 et 8 ne sont pas limitatives et, pour chaque structure, de deux électrodes (non alignées avec le centre de gravité) à n électrodes peuvent être disposées par rapport à la masse mobile. L'augmentation du nombre d'électrodes peut être envisagé avantageusement pour augmenter la résolution du capteur ou améliorer le rapport signal/bruit. Il peut être avantageux qu'un ou plusieurs dispositifs d'excitation contribuent à la fois à l'excitation et à la détection. En effet, dans la mesure où les signaux d'excitation et la précession caractéristique de la rotation sont à des fréquences différentes, on peut, par exemple, utiliser un effet de multiplexage.The configurations in FIGS. 6 and 8 are not limiting and, for each structure, two electrodes (not aligned with the center of gravity) with n electrodes can be arranged relative to the mobile mass. The increase in the number of electrodes can advantageously be envisaged to increase the resolution of the sensor or improve the signal / noise ratio. It may be advantageous for one or more excitation devices to contribute to both the excitation and the detection. Indeed, insofar as the excitation signals and the precession characteristic of the rotation are at different frequencies, it is possible, for example, to use a multiplexing effect.
La structure peut avantageusement être asservie en position à l'aide d'électrodes utilisées pour l'excitation et la détection. L'asservissement peut avantageusement être réalisé à l'aide d'électrodes supplémentaires pouvant être également de type capacitif et disposées autour de la masse mobile. L'asservissement consiste en la création d'une force qui s'oppose à la force de Coriolis détectée et maintient la masse mobile suivant sa trajectoire initiale résultant de sa vibration à sa pulsation Ω0 suivant un axe défini par l'électrode (ou les électrodes) d'excitation.The structure can advantageously be slaved in position using electrodes used for excitation and detection. The servo-control can advantageously be carried out using additional electrodes which can also be of the capacitive type and arranged around the moving mass. Enslavement consists in the creation of a force which opposes the detected Coriolis force and maintains the moving mass along its trajectory initial resulting from its vibration at its pulsation Ω 0 along an axis defined by the excitation electrode (s).
La figure 9 montre un exemple de gyroscope selon l'invention, du type de la figure 3, comprenant des électrodes de détection, d'asservissement et d'excitation. On reconnaît le substrat 50 et la masse mobile 51 rattachée élastiquement au point d'ancrage 52 par des bras de rappel 53 représentés symboliquement. Comme précédemment, la masse mobile 52 constitue autant d'électrodes de condensateur pour les électrodes qui lui sont placées en regard.FIG. 9 shows an example of a gyroscope according to the invention, of the type of FIG. 3, comprising detection, servo-control and excitation electrodes. We recognize the substrate 50 and the moving mass 51 attached elastically to the anchor point 52 by return arms 53 symbolically represented. As before, the moving mass 52 constitutes as many capacitor electrodes for the electrodes which are placed opposite it.
L'excitation de la masse mobile 41 se fait en appliquant une tension appropriée, à la fréquence de résonance, entre la masse mobile 41 et, alternativement, entre les électrodes 54 et 55. On obtient un mouvement d'oscillation de la masse mobile à la pulsation Ω0.The mobile mass 41 is excited by applying an appropriate voltage, at the resonant frequency, between the mobile mass 41 and, alternately, between the electrodes 54 and 55. An oscillating movement of the mobile mass is obtained. the pulse Ω 0 .
L'asservissement peut être obtenu par les électrodes 56 et 57 ou 58 et 59 en association avec la masse mobile conductrice. Sous l'effet de la force de Coriolis, la masse mobile, oscillant dans la direction d'un axe passant par les électrodes 54 et 55, a tendance à tourner autour du point d'ancrage 52. On crée alors une force d'excitation décalée qui maintient l'excitation suivant la direction définie par les électrodes 54 et 55.Control can be obtained by electrodes 56 and 57 or 58 and 59 in association with the conductive moving mass. Under the effect of the Coriolis force, the mobile mass, oscillating in the direction of an axis passing through the electrodes 54 and 55, tends to rotate around the anchor point 52. An excitation force is then created offset which maintains the excitation in the direction defined by the electrodes 54 and 55.
Les mêmes électrodes (54 et 55 et éventuellement 56 et 57, 58 et 59) en association avec la masse mobile peuvent servir de détection de position de la masse mobile à partir de laquelle on peut calculer la vitesse angulaire orthogonale au plan.The same electrodes (54 and 55 and possibly 56 and 57, 58 and 59) in association with the moving mass can be used to detect the position of the moving mass from which the angular speed orthogonal to the plane can be calculated.
La structure peut aussi être asservie en fréquence en sollicitant l'ensemble de l'excitation pour produire un champ de force tournant de façon à entretenir le mouvement global de la masse mobile, c'est-à-dire son oscillation avec précession. Dans ce cas, la fréquence de rotation du champ tournant est asservie à la fréquence de précession du mobile. The structure can also be slaved in frequency by requesting all of the excitation to produce a rotating force field so as to maintain the overall movement of the mobile mass, that is to say its oscillation with precession. In this case, the frequency of rotation of the rotating field is controlled by the precession frequency of the mobile.

Claims

REVENDICATIONS
1. Gyroscope vibrant comportant une masse (2, 7, 11, 16, 26, 31, 41, 51) mobile par rapport à un substrat (1, 5, 10, 15, 25, 30, 40, 50) et destiné à mesurer un vecteur rotation perpendiculaire au plan du substrat, la masse mobile étant rattachée au substrat par des moyens de rappel (3, 8, 13, 17, 27, 33, 43, 53) présentant une raideur identique quelle que soit la direction du déplacement de la masse mobile dans un plan parallèle au plan du substrat et permettant un déplacement de la masse dans toutes les directions dudit plan, le gyroscope comportant des moyens d'excitation électrique de la masse mobile pour la faire vibrer à une pulsation déterminée dans le plan du substrat, le gyroscope comportant également des moyens de détection permettant de fournir à chaque instant des informations sur la position de la masse mobile par rapport au plan du substrat.1. Vibrating gyroscope comprising a mass (2, 7, 11, 16, 26, 31, 41, 51) movable relative to a substrate (1, 5, 10, 15, 25, 30, 40, 50) and intended for measure a rotation vector perpendicular to the plane of the substrate, the mobile mass being attached to the substrate by return means (3, 8, 13, 17, 27, 33, 43, 53) having an identical stiffness whatever the direction of movement of the moving mass in a plane parallel to the plane of the substrate and allowing a displacement of the mass in all directions of said plane, the gyroscope comprising means of electrical excitation of the moving mass to make it vibrate at a determined pulsation in the plane of the substrate, the gyroscope also comprising detection means making it possible to supply information at all times on the position of the moving mass relative to the plane of the substrate.
2. Gyroscope vibrant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse mobile (2, 7) et les moyens de rappel (3, 8) sont situés dans un évidement2. vibrating gyroscope according to claim 1, characterized in that the movable mass (2, 7) and the return means (3, 8) are located in a recess
(4, 6) réalisé à partir d'une face d'un substrat (1, 5) .(4, 6) produced from one face of a substrate (1, 5).
3. Gyroscope vibrant selon la revendication 1, caractérisé en ce que la masse mobile (11) est située au-dessus d'une face du substrat (10), les moyens de rappel (13) rattachant la masse mobile (11) à des moyens d'ancrage (12) solidaires du substrat.3. Vibrating gyroscope according to claim 1, characterized in that the mobile mass (11) is located above one face of the substrate (10), the return means (13) connecting the mobile mass (11) to anchoring means (12) integral with the substrate.
4. Gyroscope vibrant selon la revendication 3, caractérisé en ce que la masse mobile (11) ayant une forme annulaire, les moyens d'ancrage sont constitués par un point d'ancrage (12) situé au centre de l'anneau. 4. Vibrating gyroscope according to claim 3, characterized in that the mobile mass (11) having an annular shape, the anchoring means consist of an anchoring point (12) located in the center of the ring.
5. Gyroscope vibrant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de rappel sont constitués de bras flexibles (3, 8, 13) .5. Vibrating gyroscope according to claim 1, characterized in that the return means consist of flexible arms (3, 8, 13).
6. Gyroscope vibrant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de rappel sont constituées par un soufflet (17) .6. Vibrating gyroscope according to claim 1, characterized in that the return means consist of a bellows (17).
7. Gyroscope vibrant selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de rappel de la masse mobile sont disposés de façon à assurer à la masse mobile une force de rappel isotrope dans le plan du substrat.7. Vibrating gyroscope according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the means for returning the moving mass are arranged so as to provide the moving mass with an isotropic restoring force in the plane of the substrate.
8. Gyroscope vibrant selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens d'excitation électrique sont des moyens d'excitation capacitifs constitués par des moyens formant électrodes, les uns liés à la masse mobile (26, 31) faisant face aux autres (28, 34) solidaires du substrat (25, 30) .8. Vibrating gyroscope according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the electrical excitation means are capacitive excitation means constituted by means forming electrodes, some linked to the moving mass (26, 31 ) facing the others (28, 34) integral with the substrate (25, 30).
9. Gyroscope vibrant selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens de détection sont des moyens de détection capacitifs constitués par des moyens formant électrodes, les uns liés à la masse mobile faisant face aux autres solidaires du substrat. 9. vibrating gyroscope according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the detection means are capacitive detection means constituted by means forming electrodes, some linked to the movable mass facing the others secured to the substrate .
10. Gyroscope vibrant selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens d'asservissement de la masse mobile.10. Vibrating gyroscope according to any one of claims 1 to 7, characterized in that it further comprises means for controlling the mobile mass.
11. Gyroscope vibrant selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens d'asservissement sont des moyens d'asservissement capacitifs constitués par des moyens formant électrodes, les uns liés à la masse mobile faisant face aux autres solidaires du substrat. 11. Vibrating gyroscope according to claim 10, characterized in that the servo means are capacitive servo means constituted by means forming electrodes, some linked to the moving mass facing the others secured to the substrate.
12. Gyroscope vibrant selon l'une quelconque des revendications 8, 9 et 11, caractérisé en ce que les moyens formant électrodes liés à la masse mobile sont des parties conductrices de la masse mobile elle-même.12. Vibrating gyroscope according to any one of claims 8, 9 and 11, characterized in that the means forming electrodes linked to the moving mass are conductive parts of the moving mass itself.
13. Gyroscope vibrant selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens de détection et/ou d'excitation comportent des jauges de contrainte (20) situées sur les moyens de rappel (3) .13. Vibrating gyroscope according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the detection and / or excitation means comprise strain gauges (20) located on the return means (3).
14. Gyroscope vibrant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est constitué à partir d'un substrat en silicium. 14. Vibrating gyroscope according to any one of the preceding claims, characterized in that it is formed from a silicon substrate.
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