JP2001509588A - 振動構造センサにおけるバイアスエラー低減方法 - Google Patents
振動構造センサにおけるバイアスエラー低減方法Info
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Abstract
Description
のに適した振動構造センサにおけるバイアスエラーの低減方法及び振動構造セン
サに関する。
又は平坦な構造体を用いて構成され得る。これらは、概して、cos2θ共振モ
ードで励振される。完全に対称な振動構造体の場合には、40°の相互角度で振
動モードの減衰対(a degenerate pair of vibration modes)として実際に存在す
る。図1A及び図1Bは、この振動を概略的に示している。これらのモードの一
方(図1A)は、キャリアーモードとして励振される。その構造体が、振動構造
体の平面に垂直な軸周りで回転させられる時に、コリオリの力がエネルギを応答
モード(図1B)に結びつける。キャリアーモード振動は、典型的には、ピーク
応答周波数で一定の振幅で維持される。センサ本体が回転させられる時に、コリ
オリの力がエネルギを応答モードに結びつける。応答モードの動きの大きさは、
適用される回転速度に正比例する。
は熱膨張的手段を含む様々な駆動手段によって駆動され共振し得る。同様に、誘
導運動は、電磁気的手段、圧電気的手段、又は光学的手段を含む様々なピックオ
フ手段によって検出され得る。図2には、共振構造体の周りの駆動手段及びピッ
クオフ手段の方位が概略的に示されている。第一の駆動手段1は、共振キャリア
運動を励起する。共振キャリア運動は、第一の駆動手段1に対して90°の位置
に配置された手段2によって検出される。通常、共振構造体は、第一のピックオ
フ手段の出力によって駆動される。第一のピックオフ手段の出力は一定であり、
一定なキャリアモード振幅を維持する。第二のピックオフ手段3は、第一駆動手
段1から135°の位置に配置され、応答モード運動を検出するために用いられ
る。完全に径方向に対称な振動構造体の場合には、回転を加えなければ応答モー
ド運動は発生しない。第二のピックオフ信号出力は加えられた回転速度に正比例
する。第一の駆動手段1に対して45°の位置に付加的に第二の駆動手段4が設
けられる。この第二の駆動手段4は、強制フィードバック又は閉ループモードで
センサを駆動させるために用いられ得る。このモードでは、第二の駆動手段4に
エネルギを加えることによって、第二のピックオフ出力はゼロにされる。加えれ
るエネルギは、コリオリの力によって引き起こされる回転力と等しく、かつ、そ
れとは逆方向の力なので、応答モード運動は生じない。
から特徴づけられる。一般的に、センサは、開ループ構造よりもスケール要素の
性能が高い閉ループ構造で作動させるのが好ましい。これは、応答モード運動が
ゼロの場合には、その力学的な作用が速度応答に影響を及ぼさないので、ある温
度範囲にわたる特性要素の変動がスケール要素の応答に影響を及ぼさないからで
ある。
る。 図3では、システムは、第一の駆動増幅器5、第一のピックオフ増幅器6、第
二の駆動増幅器7、及び第二のピックオフ増幅器8を備えている。第一の駆動入
力9は、キャリアモード共振を励振し、一定の信号を維持する。このため、第一
の共振11に対する第一のピックオフ出力10において、一定の振幅の運動が維
持される。そうして、符号12で示す引加速度(applied rate)Ωがコリオリの力
を生じさせ、このコリオリの力が、第一のキャリアモードから第二の共振モード
又は応答モード13にエネルギを結びつける。図3では、この結合は、実質的に
乗算器14によって表されている。コリオリの力Fcは、式(1)によって与え
られる。 式中、PPOは第一モード振幅であり、ωpは第一駆動周波数であり、Kは定
数である。この運動は、第二のピックオフ増幅器8によって検出され増幅される
。開ループモードでは、この信号振幅が、引加速度の直接の測定量となる。閉ル
ープモードでは、第二のピックオフ信号出力15は第二の駆動入力16にフィー
ドバックされる。第二の駆動入力は、第二のピックオフ出力15がゼロになるよ
うな応答モードで駆動するエネルギを加える。何のエラーもないときには、この
力は、コリオリの力に等しく、かつ、それとは逆方向の力になり、従って、応答
モード運動は生じない。加えられたエネルギの振幅は、引加速度Ωに比例する。
、定量化することを可能にする。バイアスエラーの主要な要因は、第一駆動9と
第二ピックオフ15との間のミスアライメント角度εr(即ち、135°からの
偏差)から生じることが分る。バイアスに対するエラーメカニズムの影響は次式
により与えられる。 式中、fは共振周波数である。このエラーの大きさはfに正比例し、Qとは反
比例する。実際には、センサfは、作動温度範囲に渡って比較的安定である。し
かし、Q値は、固有の材料特性であり、作動温度の範囲にわたって大きく変化し
得、従って、大きなバイアス変動を引き起こす原因となる。システムのブロック
図(図3)では、このエラーは、第一チャネルと第二チャネルとの間にある第一
モード運動の一部を第二ピックオフ出力15に加える連結器によって表されてい
る。ピックオフ出力15をゼロに維持するために、応答モードは、運動がエラー
の合計と等しく、かつ、その逆方向になるように駆動されなければならない。応
答モード共振に対する入力はゼロにはならず、また、第二駆動は引加速度Ωを正
しく表示しない。
ングしていると仮定している。実際には、材料異方性及び製造交差が、これらの
周波数にある程度のミスマッチを生じさせる。これらの周波数を平衡させるため
の技術は、既に公知であり、例えば、EP411489B1及びGB22720
53Aで開示されている。一般的な方法は、駆動装置を用いてこれらのモードを
調節し、これらの共振周波数間のずれを所定の交差まで取り除くことを要件とす
る。構造体の周りの適当なポイントで、硬度と質量とを制御しながら調節するこ
とによって達成される。
ーεrを最小にする必要がある。これは、振動構造の平衡処理の一部として実行
され、第一駆動手段1又は第二ピックオフ手段3のどちらかの実際の位置を調節
することによって達成される。平衡処理は、開ループを効果的に作動するセンサ
を用いて行われる。第一駆動手段1が共振している場合、第二ピックオフ出力1
5は、キャリアモードアライメント角度に対する第一駆動に依存して変化する。 図4には、周波数ずれ0.2Hz及びQ値5000の場合の5kHzのキャリ
アモード周波数に対するミスアライメントエラーのない第二ピックオフ応答が示
されている。これらは、公知の振動構造センサに対する典型的な共振モードパラ
メータである。応答は、キャリアモード運動に関する矩象成分(ライン19)と
同位相成分(ライン18)とに分解される。同位相成分18は速度出力信号を与
える。どちらかのモードが駆動と整合している場合には、同位相信号18及び矩
象信号19は両方共ゼロである。モード角度を伴う信号変動の振幅は周波数のず
れのレベルに依存し、完全な平衡モードの場合には全ての点でゼロになる傾向が
ある。実際には、常に、残差周波数ずれになり、従って、モード角度を伴う第二
ピックオフ信号の変動になる。
きの影響を示している。この影響により、同位相応答18の平均値はずれる。こ
れにより、同位相バイアスは、モードアライメント及び第二ピックオフアライメ
ントの両方の関数となる。従って、第二ピックオフのアライメントを正確に設定
するために(εr→0)、始めに、キャリアモードアライメントに対する第一駆
動を設定する必要がある。矩象信号19はピックオフのミスアライメントには反
応を示さず、この信号19は、通常、平衡中のモードアライメントの設定におけ
るエラー信号として用いられる。 所望の性能を得るためには、第二ピックオフアライメントエラーを、1°より
小さい単位で制御する必要がある。この精密さのレベルは達成するのが非常に困
難であり、常に製造後のある程度の調節が要求される。EP411489B1及
びGB2272053Aは、アライメントを実行するために分割駆動及びピック
オフ変換器を使用することを開示している。これは、変換器の二つの半体のゲイ
ンを特異的に調節して、実際の中心を移動させることによって達成される。これ
らの技術は、標準的でない変換器を使用することを必要とする。幾つかの振動構
造ジャイロの設計では、変換器はそれ自身の共振器上に固定される。標準的でな
い変換器は、何れも、二つのcos2θモード間の力学的な対称性に好ましくな
い影響を及ぼし、周波数のずれ、即ち、ジャイロ性能に不都合な影響があり得る
。
のあるモードアライメントで要求公差が得られる。モードのアライメント及び周
波数のマッチングは、幾つかの工程を要件とする反復処理である。より細かい公
差の設定は、必ずさらなる反復を必要とし、その結果、より長い時間を必要とす
る。 将来の商業的市場で要求される低コスト化及び高容積化を達成するために、平
衡処理の必要性を無くすことが強く望まれる。
うに、シリコンから平面リング共振器を生産する可能性が提案されている。しか
し、これは達成し得るが、キャリアモードアライメントに対する第一駆動が正確
に制御できるかが疑わしい。所望の性能を得るためには、第二ピックオフ角度エ
ラーを取り除くことが依然として必要とされる。 従って、振動構造センサにおけるバイアスエラーを低減させるための改良方法
が必要であり、好ましくは、モードアライメントの初期設定を行うことなく第二
ピックオフ整合を調整することができる方法が必要である。有利には、このよう
な調節は、標準的でない変換器を用いることなしに達成できるようにするべきで
ある。
輪状の振動構造体と、振動構造体を共振で振動させるための第一及び第二の駆動
手段と、振動構造体の振動を検出するための第一及び第二のピックオフ手段とを
備え、前記第一及び第二のピックオフ手段が振動構造体に対して一定の角度で分
離されている振動構造センサにおけるバイアスエラーを低減させる方法であって
、第二ピックオフ手段出力信号に第一ピックオフ手段出力信号の大きさを加算す
るか、又は第二ピックオフ手段出力信号から第一ピックオフ手段出力信号の大き
さを減算し、振動構造体からの速度出力信号をゼロに設定し、それにより、バイ
アスエラーを最小にするのに十分な量だけ、第一駆動手段からの第二ピックオフ
手段の分離角度を効果的に増減させる工程を含んでいることを特徴とする振動構
造センサにおけるバイアスエラーの低減方法が提供される。 好都合には、一定の分離角度は45°である。 本発明の第二の特徴によれば、実質的に円筒形又は実質的に平坦なリング又は
輪状の振動構造体と、振動構造体を共振で振動させる第一及び第二の駆動手段と
、振動構造体の振動を検出するための第一及び第二のピックオフ手段とを備え、
前記第一及び第二のピックオフ手段が振動構造体から一定の角度で分離されてい
る振動構造センサであって、振動構造体からの速度出力信号をゼロに設定し、そ
れによりバイアスエラーを最小限にするのに十分な量だけ、第一駆動手段からの
第二ピックオフ手段の効果的な分離角度を調節する手段を備えていることを特徴
とする振動構造センサが提供される。
施するかを示すために、添付図面に基づいて実施例を説明する。
的に平坦なリング又は輪状振動構造体と、振動構造体を共振で振動させるための
第一及び第二の駆動手段1、4と、振動構造体の振動を検出するための第一及び
第二のピックオフ手段2、3を備えた振動構造センサに用いるのに適している。
手段1,2,3,4は、図2に示すように配置されており、第一及び第二ピック
オフ手段2,3は、一定の角度、好ましくは、振動構造体に対して45°の角度
で分離されている。 本発明の目的のために、ピックオフ手段応答の開ループモデリングは、第二
ピックオフ手段出力10をゼロにする作用を含むまで拡張され得る。この場合、
第二駆動手段4の同位相要素及び矩象要素は重要になる。図6は、1°のエラー
を含む発明性のない図4の従来例の場合と同じ振動構造モードパラメータに対す
るモード角度アライメントの関数として第二駆動要素を示している。矩象駆動は
、図4の開ループ矩象ピックオフ信号の作用と同じ関数形状、即ち、ライン19
aを有する。しかし、同位相応答要素ライン18aは、著しく異なり、モード角
度感度がないことを明白にしている。εrの大きさで一定のオフセットレベルが
決められる。従って、閉ループ構成において機能するセンサを用いて第二ピック
オフ調節を行うことにより、モードを正確に整合する必要なしに、エラー源を取
り除くことができる。
手段3の実際の位置をフィードバックループ内で調節する必要がある。図2に示
すように、第一ピックオフ手段2は、第二ピックオフ手段3から45°の位置に
配置されている。従って、第二ピックオフ手段2の実際の中心点は、第一信号の
大きさを第二信号に加えることで、この方向に移動され得る。第二ピックオフ手
段3からの他の方向における45°の点での振動構造運動は、第一ピックオフ手
段2での運動による位相と180°離れるが、他の点では一致する。従って、第
二ピックオフ手段の実際の位置は、第一ピックオフの大きさを減算することで他
の方向に移動され得る。 従って、バイアスエラーを低減させるための本発明の方法は、第一ピックオフ
手段出力信号10の大きさを第二ピックオフ手段出力信号15に加えるか、又は
第二ピックオフ手段出力信号15から第一ピックオフ手段出力信号10の大きさ
を減算するかして、振動構造対からの速度出力信号をゼロに設定し、それにより
バイアスエラーを最小にするのに十分な大きさで第一駆動手段1からの第二ピッ
クオフ手段3の分離角度を増減させる。 本発明によるこの補償システムは、図7に示すシステムブロック図に組み込ま
れ得る。図7に示すシステムブロック図は、図3のブロック図と基本的には同じ
なので、図3の構成部材と類似する部材には同じ符号を付して、それらの詳細な
説明は省略する。図7に示すように、振動構造からの速度出力信号をゼロに設定
し、それによりバイアスエラーを最小にするのに十分な大きさで、第一駆動手段
1からの第二ピックオフ手段3の分離角度を調節する手段が、第一ピックオフ出
力10と、第二ピックオフ出力15との間に設けられている。この後述した手段
は、除去手段20であり、これにより、第二ピックオフ角度の削減が、速度出力
信号をゼロに設定するために調節される。この結果、回転がないときには応答モ
ードを励起する正味の力は加わらない。これにより、振動構造体に加えられる力
は、引加速度を正確に表すことになる。
EP411489B1及びGB2272053Aに開示されている発明より有利
な特有の利点を有する。本発明は、標準的な変換器を使用することができ、従っ
て、cos2θモードの運動と密接に結びついた対称性を維持することができる
。また、標準的なモジュールを使用することは、温度に依存するゲインのような
任意のスケーリング変化が全てのモジュールに対して広範囲に一致し、従って、
結果として生じるエラーがキャンセルされる傾向にあるので有利である。
来の振動構造センサのリング共振器に対する振動のキャリアモード及び応答モー
ドを説明する線図である。
方位を説明する概略図である。
ブロック図である。
を示すモードアライメント角度に対するピックオフレベルを表すグラフである。
すグラフであるが、図4と同じ振動構造パラメータに対して1°の第二ピックオ
フアライメントエラーを導入した影響を示している。
て第二駆動の同位相要素と矩象要素とを示すグラフであるが、本発明の方法によ
るものである。
方法のブロック図である。
ための第一及び第二の駆動手段と、振動構造体の振動を検出するための第一及び
第二のピックオフ手段とを備え、前記第一及び第二のピックオフ手段が振動構造
体に対して一定の角度で分離されている振動構造センサにおけるバイアスエラー
を低減させる方法において、振動構造体が、実質的に円筒形又は実質的に平坦な
リング又は輪状構造であり、第二ピックオフ手段出力信号に第一ピックオフ手段
出力信号の大きさを加算するか、又は第二ピックオフ手段出力信号から第一ピッ
クオフ手段出力信号の大きさを減算し、振動構造体からの速度出力信号をゼロに
設定し、それにより、バイアスエラーを最小にするのに十分な量だけ、第一駆動
手段からの第二ピックオフ手段の分離角度を効果的に増減させる工程を含んでい
ることを特徴とする振動構造センサにおけるバイアスエラー低減方法が提供され
る。 好都合には、一定の分離角度は45°である。 本発明の第二の特徴によれば、振動構造体と、振動構造体を共振で振動させる
第一及び第二の駆動手段と、振動構造体の振動を検出するための第一及び第二の
ピックオフ手段とを備え、前記第一及び第二のピックオフ手段が振動構造体から
一定の角度で分離されている振動構造センサにおいて、振動構造体が、実質的に
円筒形又は実質的に平坦なリング又は輪状構造であり、振動構造体からの速度出
力信号をゼロに設定し、それによりバイアスエラーを最小限にするのに十分な量
だけ、第一駆動手段からの第二ピックオフ手段の効果的な分離角度を調節する手
段を備えていることを特徴とする振動構造センサが提供される。
手段3の実際の位置をフィードバックループ内で調節する必要がある。図2に示
すように、第一ピックオフ手段2は、第二ピックオフ手段3から45°の位置に
配置されている。従って、第二ピックオフ手段2の実際の中心点は、第一信号の
大きさを第二信号に加えることで、この方向に移動され得る。第二ピックオフ手
段3からの他の方向における45°の点での振動構造運動は、第一ピックオフ手
段2での運動による位相と180°離れるが、他の点では一致する。従って、第
二ピックオフ手段の実際の位置は、第一ピックオフの大きさを減算することで他
の方向に移動され得る。 従って、バイアスエラーを低減させるための本発明の方法は、振動構造対から
の速度出力信号をゼロに設定し、それによりバイアスエラーを最小にするのに十
分な大きさで第一駆動手段1からの第二ピックオフ手段3の分離角度を増減する
ことと等価になるように、第一ピックオフ手段出力信号10の大きさを第二ピッ
クオフ手段出力信号15に加えるか、又は第二ピックオフ手段出力信号15から
第一ピックオフ手段出力信号10の大きさを減算する。 本発明によるこの補償システムは、図7に示すシステムブロック図に組み込ま
れ得る。図7に示すシステムブロック図は、図3のブロック図と基本的には同じ
なので、図3の構成部材と類似する部材には同じ符号を付して、それらの詳細な
説明は省略する。図7に示すように、振動構造からの速度出力信号をゼロに設定
し、それによりバイアスエラーを最小にするのに十分な大きさで、第一駆動手段
1からの第二ピックオフ手段3の分離角度を調節する手段が、第一ピックオフ出
力10と、第二ピックオフ出力15との間に設けられている。この後述した手段
は、除去手段20であり、これにより、第二ピックオフ角度の削減が、速度出力
信号をゼロに設定するために調節される。この結果、回転がないときには応答モ
ードを励起する正味の力は加わらない。これにより、振動構造体に加えられる力
は、引加速度を正確に表すことになる。
Claims (5)
- 【請求項1】 実質的に円筒形又は実質的に平坦なリング又は輪状の振動構造
体と、振動構造体を共振で振動させるための第一及び第二の駆動手段と、振動構
造体の振動を検出するための第一及び第二のピックオフ手段とを備え、前記第一
及び第二のピックオフ手段が振動構造体に対して一定の角度で分離されている振
動構造センサにおけるバイアスエラーを低減させる方法であって、第二ピックオ
フ手段出力信号に第一ピックオフ手段出力信号の大きさを加算するか、又は第二
ピックオフ手段出力信号から第一ピックオフ手段出力信号の大きさを減算し、振
動構造体からの速度出力信号をゼロに設定し、それにより、バイアスエラーを最
小にするのに十分な量だけ、第一駆動手段からの第二ピックオフ手段の分離角度
を効果的に増減させる工程を含んでいることを特徴とする振動構造センサにおけ
るバイアスエラー低減方法。 - 【請求項2】 一定の分離角度は45°であることを特徴とする請求項1に記
載の方法。 - 【請求項3】 発明の詳細な説明で説明され、かつ、図2による改良が加えら
れた、又は図2による改良が加えられていない図6及び図7に示したような振動
構造センサにおけるバイアスエラー低減方法。 - 【請求項4】 実質的に円筒形又は実質的に平坦なリング又は輪状の振動構造
体と、振動構造体を共振で振動させる第一及び第二の駆動手段と、振動構造体の
振動を検出するための第一及び第二のピックオフ手段とを備え、前記第一及び第
二のピックオフ手段が振動構造体から一定の角度で分離されている振動構造セン
サであって、振動構造体からの速度出力信号をゼロに設定し、それによりバイア
スエラーを最小限にするのに十分な量だけ、第一駆動手段からの第二ピックオフ
手段の効果的な分離角度を調節する手段を備えていることを特徴とする振動構造
センサ。 - 【請求項5】 発明の詳細な説明で説明され、かつ、図2による改良が加えら
れた、又は図2による改良が加えられていない図6及び図7に示したような振動
構造センサ。
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
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AT (1) | ATE247817T1 (ja) |
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