JP2005530124A - 静電的整列および同調を有するクローバーリーフマイクロジャイロスコープ - Google Patents
静電的整列および同調を有するクローバーリーフマイクロジャイロスコープ Download PDFInfo
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Abstract
制御電圧Vtyによる閉ループ動作を有するマイクロジャイロスコープ10は、感知電極S1、S2の出力信号により復調され、出力軸y軸でのマイクロジャイロスコープ10の変位を防止するためコリオリトルクの再平衡を行う。本発明は整列および同調を検出し調節するために別々のセンサとアクチュエイタを使用することによりマイクロジャイロスコープの独立した整列と同調を行う。直角位相振幅信号は誤整列の検出に使用され、静電バイアス調節によりゼロに補正される。直角位相信号雑音レベルまたは伝達関数試験信号は残留する誤同調を検出するために使用され、これは第2の静電バイアス調節によりゼロに補正される。
Description
本発明は、マイクロ機械加工された電子機械システムに関し、特に閉ループ出力を有するMEMS振動性ジャイロスコープに関する。
ここで説明されている本発明は、NASAの契約下での動作性能において行われ、契約者が権利を保持するように選任されている法律96−517(35 U.S.C.202)の規定を受ける。
マイクロジャイロスコープは、宇宙および地上応用の両者における通信、制御、ナビゲーションシステムを含む多数の応用で使用されているがそれに限定されない。これらの非常に特別化された応用は高い性能と価格が効率的なマイクロジャイロスコープを必要とする。
マイクロ宇宙船応用のために設計されているマイクロ機械加工された電子機械的振動性ジャイロスコープが技術で知られている。ジャイロスコープは1996年6月にサウスカロナイナ州ヒルトンヘッドのSolid State Sensors and Actuator Workshopで発行された技術文献(“Silicon Bulk Micro-machined Vibratory Gyroscope”)で説明され記載されている。
従来技術のジャイロスコープは単一結晶のシリコンから製造され、リム、4つのシリコンリーフ、4つのソフトな支持体、またはカンチレバーからなる“クローバーリーフ”構造を有する共振器を有している。金属ポストはシリコンリーフの平面に垂直な平面において共振器の中心と、シリコンリーフのクローバーリーフパターンに一致する電極のパターンを有する水晶ベースプレートにスチフネスに取付けられている。電極は2つの駆動電極と2つの感知電極を含んでいる。
マイクロジャイロスコープは静電的に付勢され、感知電極は容量的にシリコンリーフのコリオリの誘起運動を検出する。ジャイロスコープの応答特性は共振周波数に反比例し、低い共振周波数は装置の応答性を増加する。
マイクロジャイロスコープは、ドリフトとスケール係数の安定性に関して性能を劣化する電気干渉を受ける。マイクロジャイロスコープはしばしば簡単な電子回路を可能にするために同じ周波数で駆動および感知信号を動作する。しかしながら、両方の機能に対して共通の周波数を使用すると比較的強力な駆動信号が比較的弱い感知信号へ不注意に電気的に結合することを可能にする。
クローバーリーフのマイクロジャイロスコープの残留する機械的な不平衡は出力軸に対する駆動動作の誤整列または結合を生じる。現在、感知および制御軸を機械軸と整列するように電子的に回転することにより機械的なモード軸の任意の誤整列を補正することが知られている。
しかしながら、感知および制御軸が機械的なモード軸と整列される電子整列は、AGC位相調節によるように第2高調波と電子同調を生じ、例えば高いQ共振器で限定された同調範囲を有し、同調は制動または温度の変化で変化する。静電的同調およびAGC同調は直角位相振幅をゼロにすることにより動作することが技術で知られている。しかしながら、直角位相振幅信号はさらに適切に誤整列に関し、それによって誤整列が存在しないとき、依然として残留する誤同調が存在するが、直角位相信号は存在しない。
本発明は、閉ループ動作を有するクローバーリーフマイクロジャイロスコープの静電的整列および同調方法である。閉ループ出力に対しては、差動感知信号(S1−S2)は線形の電子フィルタにより補償され、2つの駆動電極(D1−D2)の電圧を差動的に変化することにより、直接フィードバックされ、それによってコリオリトルクを再度平衡し、直角位相運動を抑圧し、感知軸の共振の制動を増加する。結果的なフィードバック信号はコリオリ力の測定値と慣性レート入力を発生するために駆動軸信号(S1+S2)と同位相に復調される。
マイクロジャイロスコープおよび本発明の整列および同調方法は、直角位相信号振幅によりクローバーリーフマイクロジャイロスコープの残留する機械的不平衡を検出し、機械的不平衡ではなく静電気バイアス調節手段により整列をゼロに補正する。同位相バイアスはまた駆動軸トルクの成分を出力軸に電子的に結合することによってゼロにされる。残留する誤同調は直角位相信号雑音レベルまたは伝達関数試験信号により検出され、静電気バイアス調節手段により補正される。本発明では、直角位相振幅は誤整列の指示として使用され、直角位相雑音レベルまたは試験信号レベルは同調の静電的調節の同調インジケータとして使用される。
本発明の目的は、閉ループマイクロジャイロスコープ性能を改良することである。本発明の別の目的は、マイクロジャイロスコープ整列および同調の正確度を改良することである。
本発明のさらに別の目的は、振動性マイクロジャイロスコープの閉ループ動作の静電的整列および同調を行うことである。本発明のさらに別の目的は誤整列の指示として直角位相振幅を使用することである。本発明のさらに別の目的は同調インジケータとして直角位相雑音レベルまたは試験信号レベルを使用することである。本発明のさらに別の目的は独立した整列制御と、閉ループマイクロジャイロスコープの同調とを行うことである。
本発明の他の目的および特徴は添付図面および特許請求の範囲と関連した好ましい実施形態の詳細な説明を考慮して明白になるであろう。
本発明の方法は閉ループマイクロジャイロスコープに適用可能である。好ましい実施形態では、閉ループマイクロジャイロスコープを図1乃至3と関連して説明する。例示目的で、簡潔にするために、好ましい実施形態の閉ループ制御は4つの電極を有するクローバーリーフマイクロジャイロスコープにしたがって説明される。
図1は、マイクロジャイロスコープ10の分解図である。クローバーリーフマイクロジャイロスコープ10は1,2,3,4と符号を付けられたペタルを有するクローバーリーフ形状の共振器プレート14に取付けられたポスト12を有している。クローバーリーフ形状の共振器プレート14は弾性的に外部フレーム16から懸架されている。
共振器プレート14下に位置されている4個の電極のセット18は共振器プレートを付勢して共振器プレート14のキャパシタンスを感知する。駆動電極D1、D2は共振器プレート14の運動を付勢し、感知電極S1、S2はキャパシタンスを感知する。1組の軸はマイクロジャイロスコープの動作を示すためにx、y、zと符号を付けられている。
x軸を中心とするポスト12のロッキングはマイクロジャイロスコープ10を付勢する。ロッキング運動は、駆動電極D1とD2へ与えられる電圧によって静電力をペタル1および4へ与えることにより実現される。一定の慣性レートに対しては、z軸または入力軸に沿って、y軸または出力軸を中心とする変位が存在し、これは感知電極S1―S2の差動出力またはVthyにより感知されることができる。y軸を中心とする変位は反作用の力により抑制されることが必要なコリオリの力を誘起する回転の影響によるものである。
図2を参照して、マイクロジャイロスコープの広帯域の閉ループ動作を説明する。閉ループ制御回路は線形にされた静電的トルクによりy軸を中心とする変位をゼロにする。静電トルクは制御電圧に比例する。2つの駆動電極D1およびD2は制御電圧VtxとVtyに比例するxおよびy軸を中心とする線形静電トルクを生成する。D1とD2は次式のように規定される。
D1=V0―Vty+Vtx
D2=V0+Vty+Vtx
ここでV0はバイアス電圧である。
D1=V0―Vty+Vtx
D2=V0+Vty+Vtx
ここでV0はバイアス電圧である。
線形化されたトルクは次式のように規定される。
Tx=KTVtx
Ty=KTVty
ここで、トルク定数は、
KT=[2r0C0V0][d0]−1
r0はx軸またはy軸から制御または駆動電極の中心までのオフセットであり、C0は1つの制御電極のキャパシタンスであり、V0はバイアス電圧であり、d0は電極平面と共振器平面との間の公称上の分離距離である電極ギャップである。
Tx=KTVtx
Ty=KTVty
ここで、トルク定数は、
KT=[2r0C0V0][d0]−1
r0はx軸またはy軸から制御または駆動電極の中心までのオフセットであり、C0は1つの制御電極のキャパシタンスであり、V0はバイアス電圧であり、d0は電極平面と共振器平面との間の公称上の分離距離である電極ギャップである。
制御電圧Vtxは駆動振幅の自動利得制御を行わせる。制御電圧Vtyはコリオリのトルクの再平衡を行わせる。出力軸(y軸)利得と位相補償は計算または測定された伝達関数G(s)に基づいて、VtyからVthxを選択される。Vtyの復調に使用される基準信号は駆動軸レート信号ωxと同位相であるVthxである。
図2を参照すると、本発明のマイクロジャイロスコープの閉ループ動作はz軸を中心とする慣性レートΩを測定する。信号S1とS2は感知電極S1とS2に取付けられている前置増幅器20からの出力である。
マイクロジャイロスコープはポストをx軸を中心に振動させる駆動ループ22による運動で設定される。ポストは揺動運動をし、x軸を中心とする回転レートを有する。D1およびD2は同位相の電圧を供給し、それ故、これらはx軸でトルクTxを生成する共振器平面(図-2では図示せず)をプッシュプルする。
z軸に慣性レートが存在しないとき、S1とS2に差動運動はない。この場合、Vthy=S1―S2=0である。S1とS2は同位相でありx軸を中心とする回転を示す。Vthx=S1+S2はVthxからVtxへ駆動するために自動利得制御ループ22、25、27で補償される振幅および利得位相である。振幅基準レベルVrは、比較器23により振幅検出器22の出力と比較され、これはVthxの振幅を決定する。結果的な振幅エラーは25で利得および位相を補償されており、利得として自動利得制御乗算器27へ与えられる。これによりVthxに比例する駆動電圧Vtxは決定され、これは振動駆動の振幅を調節する。
慣性レートが与えられるとき、Vthyに等しいS1とS2間の差を生成する。従来技術では、Vthyはマイクロジャイロスコープのレートに比例するような単なる感知された開ループであった。本発明では、Vthyは計算されまたは測定された伝達関数G(s)に基づいて補償された利得および位相である。結果的な閉ループ出力電圧Vtyはコリオリトルクを平衡するために静電トルクTyを発生し、それによって出力軸の運動をゼロにする。
入力レートΩに比例するマイクロジャイロスコープの出力信号Voutを得るため、再平衡トルク電圧Vtyは出力軸復調器29により駆動基準信号Vthxで復調され、その後、復調器およびフィルタ回路26により処理される。復調器の出力信号のDC成分Voutは回転レートΩに比例する。
前述の閉ループ制御では、駆動軸がy軸で妨害を発生するならば、前述の出力の復調方式を使用しても感知される。閉ループ動作は差動的にD1とD2を供給することにより与えられるフィードバック24によりy軸における任意のロッキングを阻止する。D1とD2はVtyおよびVtxに応答する。
VthxとVthyは次式のように規定される。
Vthx=S1+S2
Vthy=S1−S2
VthxとVthyの両者は駆動軸レート、即ちVthx=Kω―ωxと、出力軸レートωx=KωΘxに直接比例し、Kωは次式のように規定される。
Kω=[2r0C0V0R][d0]−1
Rは前置増幅器20からのトランスインピーダンスである。
Vthx=S1+S2
Vthy=S1−S2
VthxとVthyの両者は駆動軸レート、即ちVthx=Kω―ωxと、出力軸レートωx=KωΘxに直接比例し、Kωは次式のように規定される。
Kω=[2r0C0V0R][d0]−1
Rは前置増幅器20からのトランスインピーダンスである。
共振器プレートのクローバーリーフとS1とS2電極下の基体は駆動周波数において良好に接地され、容量駆動フィードスルーは減少され、安定性のマージンは改良される。
図3は閉ループ感知/開ループ駆動動作のための1例の概略図である。しかしながら、本発明は開ループまたは閉ループ駆動動作に応用可能である。図3で示されている構成では、2つの感知信号S1とS2は減算されて差が形成され、濾波され、増幅されることに留意すべきである。フィルタは安定な閉ループ動作を行うために残留する第2高調波を除去し、ループ位相を調節するのを助ける。後続する増幅器は閉ループ出力フィードバック信号を開ループ駆動信号と結合し、正確な信号を電極D1とD2へ与える役目を行う。コリオリ力の再平衡と、出力軸共振の頑丈な制動はこの広帯域の閉ループ設計により行われる。
本発明の方法は、図4で示されている8個の電極のマイクロジャイロスコープ100を参照して最良に説明される。閉ループ制御は図1乃至3に関連して説明したことと非常に類似している。しかしながら、8個の電極を有するマイクロジャイロスコープでは、明白に4つの付加的な電極Q1、Q2、T1、S3が存在する。D1およびD2はy軸の閉ループ制御で差動的に、x軸制御で共通のモードで使用される。S1およびS2は差動y軸出力感知に専用である。S3は駆動またはx軸の運動を感知し、T1はx軸での同調に使用され、Q1およびQ2はマイクロジャイロスコープを整列するために使用される。
マイクロジャイロスコープは慣性マトリックスJと、スチフネスマトリックスKと、xおよびy軸を中心とする回転運動を規定する制動マトリックスDとを有している。動作において、マイクロジャイロスコープは感知またはy軸への駆動運動のコリオリ結合によりz軸を中心とする慣性レートを感知するためにx軸を中心として駆動される。前述したように、本発明の好ましい実施形態では、感知軸の運動は線形のフィードバックトルクuyによりゼロにされ、ここでトルクは慣性レートΩの測定結果である。
マイクロジャイロスコープは近く同調された動作を有することも好ましい。緊密に同調される動作は最大の機械的利得の感知軸自然共振周波数に近く選択された駆動周波数を有する。マイクロジャイロスコープの対称設計および正確な構造は2つのロッキングモードの自然周波数が類似であるようにするために重要である。例えばAGCループのようなx軸を中心とする自己共振駆動は小さいトルク制御による大きい駆動運動を許容する。
原子の正確度のマイクロジャイロスコープの製造方法は現在のところ知られていない。それ故、マトリックスJ、D、Kの非対称および不平衡は誤ったコリオリレートの指示につながることは避けられない。本発明はマイクロジャイロスコープの整列および同調を独立に制御する。y軸を中心とする制御トルクuyはゼロの慣性レート出力で検出される。
本発明の方法100を図5を参照にして説明する。誤整列はVoutにおける直角位相信号振幅の存在により102で検出される。誤整列は電極Q1またはQ2への静電バイアスの調節により104で補正される。
残留する誤同調は108で検出され、電極T1への静電バイアスの調節により110で補正される。検出108は直角信号雑音レベルまたは伝達関数試験信号の存在に注意することにより実現される。
適切に補償されたトランスインピーダンスバッファ、電子振幅、バイアスされた静電駆動(即ち図3)により、sKにほぼ等しいループ補償G(s)を提供することが可能であり、それによってuyは次式のように展開されることができる。
ここでK=KωKcKTは補償利得Kcにより設定されることができ、それによって閉ループ帯域幅ωc=K/Jyy/2=ωOL/δcと開ループ帯域幅ωOL=Dyy/Jyy/2を実現する。
ψc=(Jyyω0 2−Kyy)/(K(1+δc)ω0)
Q0=−(−(Jyx−δRJyy)ω0 2+(Kyx−δRKyy))/ω0
I0=(Jyy2kΩ+Dyx−δRDyy−δTDxx)
uyに比例するフィードバック電圧Vtyの駆動基準値Vthxによる復調は、uyの実数成分によるΩプラス同位相レートバイアス項に比例する出力を発生し、次式により与えられる。
Ωbi=(Dyx−δRDyy−δTDxx+ψc(−(Jyx−δRJyy)ω0 2+(Kyx−δRKyy))/ω0)/2kJyy
直交位相の信号によるVthxへのフィードバック電圧Vtyの復調は直交位相レートバイアスを発生し、これは次式により与えられる。
ψc=(Jyyω0 2−Kyy)/(K(1+δc)ω0)
Q0=−(−(Jyx−δRJyy)ω0 2+(Kyx−δRKyy))/ω0
I0=(Jyy2kΩ+Dyx−δRDyy−δTDxx)
uyに比例するフィードバック電圧Vtyの駆動基準値Vthxによる復調は、uyの実数成分によるΩプラス同位相レートバイアス項に比例する出力を発生し、次式により与えられる。
Ωbi=(Dyx−δRDyy−δTDxx+ψc(−(Jyx−δRJyy)ω0 2+(Kyx−δRKyy))/ω0)/2kJyy
直交位相の信号によるVthxへのフィードバック電圧Vtyの復調は直交位相レートバイアスを発生し、これは次式により与えられる。
Ωbq=(―ψ(Dyx−δRDyy−δTDxx)+(−(Jyx−δRJyy)ω0 2+(Kyx−δRKyy))/ω0)/2kJyy
y軸における小さい運動の前述の解析の場合、本発明の方法はセンサ誤整列をゼロ、即ちδR=0に電子的に設定し、誤整列トルクを消去するために静電交差結合ばねKe xyを導入することによりマイクロジャイロスコープを静電的に整列する。例えば、
y軸における小さい運動の前述の解析の場合、本発明の方法はセンサ誤整列をゼロ、即ちδR=0に電子的に設定し、誤整列トルクを消去するために静電交差結合ばねKe xyを導入することによりマイクロジャイロスコープを静電的に整列する。例えば、
残留する同位相バイアス成分Ωbiもゼロにされることができる。これは自動利得制御電圧の相対的な利得不一致δT≠0を各駆動電極D1とD2に導入することにより実現されることができる。これは有限のモード制動から生じる誤ったレートと、制動軸の誤整列を補償し、即ちDxy−δDxx=0を設定する。例えばバルク温度変化により生じるような、両軸に影響する制動の任意の体系的変化に対しても補償が適用される。
図1で示されているような4つの電極のクローバーリーフマイクロジャイロスコープでは、交差結合された静電的スチフネスは多かれ少なかれバイアス電圧を駆動電極D1またはD2の1つへ供給することにより誘起されることができる。同位相レートバイアスエラーもまた前述したようにゼロにされる。
本発明の好ましい閉ループ動作では、補償はG(s)=sKになるように設定され、Kはループの安定度と一貫するように最大にされる。このような場合、スケール係数と位相シフトの機械的な応答への依存性は最小にされる。さらに、十分に同調された動作では、
ωnx 2=Kxx/Jxx=ωny 2Kyy/Jyy=ω0 2
閉ループ位相エラーは存在せず、ψc≠0である。同調された状態では、最大の機械的利得と最大のループ利得が生じる。それ故、入力電子雑音による雑音は最小にされる。
ωnx 2=Kxx/Jxx=ωny 2Kyy/Jyy=ω0 2
閉ループ位相エラーは存在せず、ψc≠0である。同調された状態では、最大の機械的利得と最大のループ利得が生じる。それ故、入力電子雑音による雑音は最小にされる。
8個の電極設計では、図4に示されているように、整列の目的に対して静電交差結合のスチフネスKe xyはQ1またはQ2のいずれかのバイアス電圧の変形により導入されることができる。同調の目的に対して実質量のKxxの静電的変更は同様にバイアス電圧T1を増加または減少することにより実現されることができる。
例えば、ωnx>ωnyならば、T1に与えられるバイアス電圧はS1およびS2に与えられる電圧よりも大きくされる。総合的なスチフネスは弾性スチフネスプラス静電的スチフネスである。x軸を中心とする全スチフネスは低くされ、それによってωnxもまた低くされ、ωnyと同調される。これに関して、本発明はバイアス電圧の1つがrms雑音の最小値が得られるまで、または伝達関数が同調を示すまで増加または減少される振動マイクロジャイロスコープの同調方法を提供する。代わりに、試験信号は最大にされてもよい。
8個の電極設計では、Q1またはQ2のバイアスは交差軸静電スチフネスを誘起する。ジャイロスコープを整列するため、Q1のバイアスは直角位相振幅がゼロにされるまで調節される。δTはレート出力がゼロにされるまで調節される。
本発明にしたがってマイクロジャイロスコープを独立して同調するため、静電同調バイアス、電極T1は閉ループ直角位相または同位相雑音または別の同調信号が最小にされるまで調節される。
本発明の特別な実施形態を示し説明したが、多数の変化および代わりの実施形態は当業者により行われよう。したがって、本発明は特許請求の範囲に関してのみ限定されることが意図される。
Claims (18)
- 駆動軸、出力軸、感知軸の閉ループ制御を有するマイクロジャイロスコープの整列方法において、
前記マイクロジャイロスコープの誤整列を検出し、
静電気バイアスの調節により誤整列をゼロに補正するステップを含んでいる方法。 - 誤整列を検出する前記ステップはさらに、直角位相の信号を使用して、前記駆動軸のレート信号へ前記出力軸の信号を復調することにより得られる直角位相信号振幅によって誤整列を検出するステップを含んでいる請求項1記載の方法。
- さらに、同位相バイアスをゼロにするステップを含んでいる請求項1記載の方法。
- 同位相バイアスをゼロにする前記ステップはさらに、前記駆動軸のトルク成分を前記出力軸と電子的に結合することによりゼロにすることを含んでいる請求項3記載の方法。
- 駆動軸、出力軸、感知軸の閉ループ制御を有するクローバーリーフマイクロジャイロスコープを同調する方法において、
信号により残留する誤同調を検出し、
静電気バイアス調節により前記残留する誤同調をゼロに補正するステップを含んでいる方法。 - 残留する誤同調を検出する前記ステップはさらに、直角位相信号雑音レベルによる検出を含んでいる請求項5記載の方法。
- 残留する誤同調を検出する前記ステップはさらに、伝達関数試験信号による検出を含んでいる請求項5記載の方法。
- 駆動軸、出力軸、感知軸の閉ループ制御を有するクローバーリーフマイクロジャイロスコープを独立に整列し、同調する方法において、
直角位相信号振幅により前記マイクロジャイロスコープの誤整列を検出し、
静電気バイアス調節により前記誤整列をゼロに補正し、
信号により残留する誤同調を検出し、
静電気バイアス調節により前記残留する誤同調を補正するステップを含んでいる方法。 - 残留する誤同調を検出する前記ステップはさらに、直角位相信号雑音レベルによる残留する誤同調の検出を含んでいる請求項8記載の方法。
- 残留する誤同調を検出する前記ステップはさらに、伝達関数試験信号による残留する誤同調の検出を含んでいる請求項8記載の方法。
- さらに、同位相バイアスをゼロにするステップを含んでいる請求項8記載の方法。
- ゼロにする前記ステップはさらに前記駆動軸のトルク成分を電子的に前記出力軸に結合するステップを含んでいる請求項11記載の方法。
- 前記マイクロジャイロスコープ閉ループ制御はさらに、
前記誤整列を補正する前記ステップと前記残留する誤同調を補正する前記ステップのために別々のセンサおよびアクチュエイタを使用している請求項8記載の方法。 - 前記誤整列を補正する前記ステップはさらに、前記誤整列を消去するために、静電的交差結合ばねKe xyを導入するステップを含んでいる請求項8記載の方法。
- さらに、前記駆動軸上の別の駆動電極へのバイアス電圧とは異なるバイアス電圧を前記駆動軸上の駆動電極へ与えるステップを含んでいる請求項14記載の方法。
- 相対的な利得の不一致δT≠0を前記駆動軸上の各駆動電極へ導入するステップをさらに含んでいる請求項8記載の方法。
- さらに、スチフネスマトリックスKを最大にするステップを含んでいる請求項8記載の方法。
- 前記残留する誤同調をゼロに補正する前記ステップはさらに、前記マイクロジャイロスコープの全体的なスチフネスの調節を含んでいる請求項8記載の方法。
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2004
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