JP2006503306A - 電子センサにおける信号抽出方法及び装置 - Google Patents

Abstract

検知素子（５２）を有する電子センサ（５０）において信号群から成分群を抽出する方法。検知素子（５２）は第１信号（６０）及び第２信号（６２）を生成する。この方法は、イベントの周波数を有する第１信号（６０）を検知素子（５２）から受信する工程と、イベントの周波数に基づいて検知素子（５２）からの第２信号（６２）をサンプリングする工程であって、第２信号（６２）は複数の成分を有し、複数の成分の内の一つが着目する第１成分（１１２，１１４）である工程と、時間領域の同期第２信号を生成する工程であって、第２信号（６２）が複数の成分を有する工程と、時間領域の同期第２信号（１００）から周波数領域の複素データ（１１０）を生成する工程と、着目する第１成分（１１２，１１４）を複素データ（１１０）から求める工程と、を備える。上述した方法に従った電子センサ（５０）におけるシステムも提供される。

Description

本発明は概して電子センサにおける信号抽出に関し、特にジャイロスコープのような電子センサにおける信号抽出を行なう周波数ベースの技術を使用する方法及び装置に関する。

ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）技術により製造される電子センサは多くの分野で重要な役割を果たしている。例えば、マイクロメカニカルジャイロスコープにより輸送及び商用アプリケーションにおける幾つかの重要な制御システムが実現されてきた。ＭＥＭＳ技術により製造される圧力センサ、加速度計、アクチュエータ、及び共振器のような他のマイクロデバイスも多くの分野で使用される。

マイクロジャイロスコープ分野では、ジャイロスコープに外部から誘起される角速度を示す信号成分のような着目する成分を信号から抽出するための改良技術に対するニーズがある。マイクロジャイロスコープの一つの種類は、２つの可動プルーフマスを含む。これらのプルーフマスはジャイロスコープのモーターにより所定の周波数で同一平面（面内）で振動される。モーターは、同じ平面のプルーフマス群が振動するように駆動する電極を含む。プルーフマス群の振動は、プルーフマス群の共振周波数近傍の周波数になるように制御される。

一連のプルーフマス及び駆動電極に加えて、ジャイロスコープはプルーフマス群の周辺に、各プルーフマスの動きを示す信号を通知するセンス電極群も含む。特に、ある電極群はプルーフマス群の面内の動きを検知する。他の電極群はプルーフマス群の面外の動きを検知する。適切な信号処理／抽出回路により、プルーフマス群の面外の動きを検知する電極群からの通知信号から角速度成分を取り出すことができる。

ジャイロスコープ内において着目する信号を抽出するために、種々の技術が適用されてきた。しかしながらこれらの技術には、精度、信頼性、及びコストの面で限界がある。特に、面外電極群からの信号の角速度成分は、モーター駆動フィードスルー、直交成分、モーター駆動フィードスルーの共振、及び他のシステム共振及びノイズのような幾つかの外来成分から隔離して、抽出しなければならない。これらの外来成分の幾つかは角速度成分よりも大きく成り得る。また、信号の角速度成分は、振幅及び周波数において、ジャイロスコープの全動作範囲に亘って大きく変化する。デバイス間にはばらつきもあり、このばらつきが信号における角速度成分の他の成分に対する関係に影響する。

ジャイロスコープから信号を隔離し、抽出する現在の方法は、デュアルウィンドウ機能を使用して、デバイスに外部から誘起される角速度を抽出する。例えば、ジャイロスコープ素子２０から、通知角速度信号２２を抽出するための公知の一の技術を図１に示す。この技術においては、２つの信号２４，２６がジャイロスコープ素子２０から生成される。第１信号２４は、プルーフマス群と同一平面に存在する電極群（面内電極群）から通知される。第１信号２４は、面内運動で移動するジャイロスコープの振動を示す。第１信号は、一つの用途として、制御ループとなるモーター駆動制御回路２８に使用され、この制御ループは、プルーフマス群の振動をプルーフマス群の共振周波数近傍の周波数に維持する。第２信号２６は、プルーフマス群と同じ平面にはない電極群（面外電極群）から通知される。第２信号２６は、ジャイロスコープ素子２６に外部から誘起された角速度を表す信号成分を含む。しかしながら、第２信号２６は他の外来信号成分も含む。

この場合、信号処理回路はバンドパスフィルタ３０を含み、このフィルタは第２信号２６を受信し、選択された周波数範囲内にある特定の信号成分群を通過させる。バンドパスフィルタ３０の出力は、その時間領域におけるフィルタリングされた複素第２信号３２であり、この信号は角速度成分及び直交成分を含む。フィルタリングされた複素第２信号３２の角速度成分はジャイロスコープの着目する信号成分群の内の一つである。フィルタリングされた複素第２信号３２の直交成分は、ジャーロスコープが楕円運動で面外振動するときに、ジャイロスコープの駆動力により生じる誤差である。角速度成分と直交成分とは９０度ずれている。

ここにおけるシステムは２つのウィンドウを生じさせるデュアルウィンドウ機能を使用する。２つのウィンドウはフェーズロックループ３４により生成される。これらのウィンドウは、２つの信号成分を捕捉できるように、互いに位相が９０度ずれるように設定される。特に直交成分は、フィルタリングされた複素第２信号３２を第１乗算器３６に入力することにより抽出することができる。第１乗算器３６は、フィルタリングされた複素第２信号３２に第１信号２４の関数である基準信号３８を乗算することにより、フィルタリングされた複素第２信号３２を復調する。基準信号３８は基本的には基準シヌソイドであり、このシヌソイドはプルーフマス群の面内信号振幅及び共振周波数を含む。基準信号３８はフェーズロックループ３４から生成される。第１乗算器３６の出力から算出直交信号４０が供給され、この信号はモーター駆動制御回路２８に送信される。

角速度成分は、フィルタリングされた複素第２信号３２を第２乗算器４２に入力することにより抽出することができる。第２乗算器４２は、フィルタリングされた信号３２に、基準信号３８とは９０度異なる位相シフト信号４４を乗算することにより、フィルタリングされた複素第２信号３２を復調する。位相シフト信号４４は、基準信号３８を９０度位相シフター４６に結合することにより生成される。第２乗算器４２の出力から、ジャイロスコープ素子２０に外部から誘起される回転速度を示す通知角速度信号２２が供給される。ローパスフィルタ４８を使用して全ての余分な高周波の信号成分を除去することができる。

しかしながらこの種のシステムには限界がある。例えば、システムは非常に高精度の狭帯域バンドパスフィルタを必要とする。狭帯域バンドパスフィルタを使用すると所望範囲の周波数内の信号成分のみを通過させることができる。狭帯域バンドパスフィルタを使用すると、ウィンドウを遅延させてフィルタにより誘起される信号遅延と一致させる必要がある。バンドリジェクションフィルタを使用する場合には、直交信号及び速度信号にノイズ成分が含まれ、最終値が信号のＤＣオフセットに影響され易くなる。また、システムは角速度の関係に影響し得るるデバイス間のばらつきを考慮していない。

ジャイロスコープセンサの出力信号から角速度成分を抽出する改良システムが必要とされている。従って、前述した問題の全てではないにしてもほとんどを解決する信号抽出の改良手順及び改良システムの提供が望まれる。

本発明に種々の変形を加え、種々の別の構成を適用することは容易に行なえるが、本願においては、例として特定の実施形態を図面に示し、詳細に記載する。しかしながら、本発明は開示する特定の構成に制限されるものではないことが理解されると考えられる。むしろ本発明は、全ての変形、等価物、及び代替物を添付の特許請求の範囲が定義する本発明の技術思想及び技術範囲に包含するものである。

本願に記載するのは、ジャイロスコープのような電子センサにおける信号抽出のための改良された手順及びデバイスに関するものである。この目的を達成するために、一実施形態において、検知素子を有する電子センサにおいて信号から成分を抽出する方法が提供される。検知素子は第１信号及び第２信号を生成する。この方法は、イベントの周波数を有する第１信号を検知素子から受信する工程と、イベントの周波数に基づいて検知素子からの第２信号をサンプリングする工程であって、第２信号が複数の成分を含み、その複数の成分の内の一つが着目する第１成分である工程と、時間領域の同期された第２信号（以下、「同期第２信号」）を生成する工程であって、その同期第２信号は複数の成分を有する工程と、前記時間領域の同期第２信号から、周波数領域の複素データを生成する工程と、複素データから着目する第１成分を求める工程とを備える。

複数の成分はさらに、着目する第２成分を含み得る。この方法はさらに、複素データから着目する第２成分を求める工程を備える。検知素子から第１信号を受信する工程は、フェーズロックループの第１信号を受信することを含む。検知素子からの第２信号をサンプリングする工程においては、アナログ−デジタル変換器により第２信号をサンプリングすることができる。このサンプリングはさらに、第２信号のサンプリングがイベントの周波数の倍数で行なわれるように行なわれ得る。周波数領域の複素データを生成する工程は、フーリェ変換を使用して行なわれ得る。この方法はさらに、着目する第１成分から着目する通知成分を求める工程を含み、着目する第１成分は、着目する第１成分の所定のオフセットに基づいて求められる。

別の実施形態においては、一組のプルーフマス付きの検知素子を有するジャイロスコープセンサにおける角速度の抽出方法が提供される。この方法は、検知素子から、第１平面におけるプルーフマス群の第１の動きを表す第１信号を受信する工程と、検知素子から、第２平面におけるプルーフマス群の第２の動きを表す第２信号を受信する工程と、第１信号の周波数に基づいて、検知素子からの第２信号をサンプリングする工程と、時間領域の同期第２信号を生成する工程であって、同期第２信号は複数の成分を含み、その複数の成分の内の一つが角速度である工程と、時間領域の同期第２信号から、周波数領域の複素データを生成する工程であって、前記複素データは複数の成分を含む工程と、複素データから角速度を求める工程とを備える。

信号群から着目する成分群を抽出する電子センサにおけるシステムも提供される。このシステムは、検知素子と、フェーズロックループと、シグナルサンプラーと、スペクトラムアナライザと、デコーダとを備える。検知素子は第１信号及び第２信号を通知する。第１信号はイベントにおける周波数を有する。フェーズロックループは第１信号を受信し、イベントの周波数を求める。シグナルサンプラーは第２信号を受信し、時間領域の同期第２信号を生成する。シグナルサンプラーはまた、フェーズロックループが求めたイベントの周波数に基づいて、第２信号をサンプリングする機能を有する。スペクトラムアナライザは時間領域の同期第２信号を受信し、周波数領域の複素データを生成する。デコーダは周波数領域の複素データを受信し、複素データから着目する第１成分を生成する。

一実施形態においてジャイロスコープ用システムが提供される。このシステムにおいては、検知素子が少なくとも一組の可動プルーフマスを有し、第１信号及び第２信号はプルーフマス群の振動運動を示し、着目する第１成分は検知素子の角速度である。デコーダはさらに、プルーフマス群の直交成分のような着目する第２成分を生成することができる。シグナルサンプラーは、アナログ−デジタル変換器であり得る。シグナルサンプラーはさらに、フェーズロックループが求めるイベントの周波数の倍数に基づいて、第２信号をサンプリングする。スペクトラムアナライザはフーリェ変換を使用して、複素データを生成することができる。スケーリングユニットは、所定のオフセットに基づいて、着目する算出成分から着目する通知成分を生成するように構成され得る。

図面を参照すると、図２は検知素子５２及びデジタル処理ユニット５４を有する電子センサ５０の一実施形態を示している。本発明を示すために、電子センサ５０の例示的な実施形態としてマイクロジャイロスコープセンサを用いる。しかしながら、本開示により恩恵を受けることとなるこの技術分野の当業者であれば、本発明の方法及びデバイスを他のタイプの電子センサ及びデバイスに使用することができることに想到するであろう。

一実施形態においては、デジタル処理ユニット５４は、以下にさらに詳細に記載する多くの機能ブロックを含むデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）制御装置として実施され得る。一般的に、一実施形態においては、デジタル処理ユニット５４は、検知素子５２にモーター駆動信号５６を送信することにより、一平面内での検知素子５２のプルーフマスの動きを制御することができる。別の構成として、この技術分野の当業者に公知のように、独立アナログシステムを使用して検知素子５２のプルーフマスの動きを制御することができる。デジタル処理ユニット５４はまた、検知素子５２に対して外部から誘起される角速度を反映した角速度５８を抽出し、通知する。角速度５８を抽出し、通知するために、本発明はデジタル処理ユニット５４を使用して検知素子５２から第１信号６０及び第２信号６２を受信する。以下にさらに記載するように、第１信号６０は、プルーフマス群と同一平面に存在する検知電極から通知される。第２信号６２はプルーフマス群と同一平面には無い検知電極から通知される。

図３及び図４を参照すると、検知素子５２は一般的に一組の可動プルーフマス６４ａ，６４ｂ、一組の外側櫛部６６ａ，６６ｂ、一組の内側櫛部６８ａ，６８ｂ、及び一組の面外検知電極７０ａ，７０ａを含む。図３は検知素子５２の上面図であり、図４は検知素子５２の断面図である。検知素子５２の構成要素群は、基板７２に搭載され、好ましくは真空封止キャビティ内に収容される。

図３に示すように、一組のプルーフマス６４ａ，６４ｂは一連の駆動ビーム７４、ベースビーム７６、及びトーションビーム７８に取り付けられる。ビーム７４，７６，７８は、プルーフマス６４ａ，６４ｂを一連のアンカーポイント８０に対して動くことを許容する。これらのアンカーポイントは基板７２に固定されている。プルーフマス６４ａ，６４ｂは、少なくとも２つの平面内で動くことが許容される。第１平面（面内）は図４に示すようにｘ軸で定義される。第２平面（面外）はｙ軸で定義される。

一組の外側櫛部６６ａ，６６ｂは、ｘ軸で定義される第１平面内でプルーフマス６４ａ，６４ｂを駆動する電極である。一組の外側櫛部６６ａ，６６ｂは基板７２に搭載されてもよい。一組の外側櫛部６６ａ，６６ｂは、デジタル処理ユニット５４が生成するモーター駆動信号５６により駆動される、或いは別の構成として、別個のアナログシステムによって駆動される。駆動信号５６は、閉ループで生成され、プルーフマス６４ａ，６４ｂをプルーフマス６４ａ，６４ｂの共振周波数近傍の周波数で振動させる。

一組の内側櫛部６８ａ，６８ｂはプルーフマス６４ａ，６４ｂと同一平面内に存在する。一組の内側櫛部６８ａ，６８ｂは基板７２に搭載されてもよい。一組の内側櫛部６８ａ，６８ｂは、ｘ軸方向のプルーフマス６４ａ，６４ｂの動きを検知する電極である。一組の内側櫛部６８ａ，６８ｂを使用して、第１信号６０をデジタル処理ユニット５４に通知する。

一組の面外検知電極７０ａ，７０ｂはプルーフマス６４ａ，６４ｂの面外の動きを検知する。一組の面外検知電極７０ａ，７０ｂは一組のプルーフマス６４ａ，６４ｂの下に位置させることができる。一組の面外検知電極７０ａ，７０ｂを使用して第２信号６２をデ
ジタル処理ユニット５４に通知する。以下にさらに詳細に記載されるように、第２信号６２は検知素子５２に外部から誘起される角速度を反映した角速度成分を含む。第２信号６２はプルーフマス６４ａ，６４ｂのｙ軸方向の動きを示し、この動きは外部から誘起されるｚ軸における回転速度により生じる。これは、図４において、入力速度（Ω）として示される。以下にさらに詳細に説明するように、デジタル処理ユニット５４は第２信号６２を受信し、角速度成分を抽出して角速度５８を通知する。

上述したように、デジタル処理ユニット５４は、幾つかの機能ブロックを含むデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）制御装置として実施され得る。図５を参照すると、一実施形態において、デジタル処理ユニット５４は、一般的にフェーズロックループ８２と、シグナルサンプラー８４と、スペクトラムアナライザ８６と、デコーダ８８と、スケーリングユニット９０とを備え得る。デジタル処理ユニット５４はさらに、モーター駆動制御子９２を有し、この制御子によりプルーフマス６４ａ，６４ｂのｘ軸方向の振動を制御する。別の構成として、モーター駆動制御子９２は、当業技術において公知のものと同様なアナログシステムを使用して実施され得る。これらの機能ブロックは、デジタル処理ユニット５４の動作命令としてプログラムされるマイクロコード化された信号処理ステップであり得る。

一実施形態において、デジタル処理ユニット５４は、第１信号６０を受信して、モーター駆動制御子９２及びフェーズロックループ８２に入力する。モーター駆動制御ユニットは閉制御ループの第１信号６０を使用して検知素子５２用のモーター駆動信号５６を生成する。検知素子５２のモーターはｆ／２の周波数で駆動しなければならない。励振による検知素子５２の電気機械的相互作用により、検知素子５２は周波数ｆで振動する。モーター駆動制御子９２の目的は、プルーフマス６４ａ，６４ｂの共振周波数ｆ_ＲＥＳにおいてｘ軸に沿った一定の振幅を維持することである。一実施形態における図３及び図４に示すものと同様なデザインにおいては、共振周波数ｆ_ＲＥＳは１５ｋＨｚ≦ｆ_ＲＥＳ≦２２ｋＨｚの制限を受けた。

プルーフマス６４ａ，６４ｂの共振周波数ｆ_ＲＥＳでの励振及び動作を実現するために、モーター駆動制御子９２において、独立したフェーズロックループを使用して素子の共振周波数を検出し、その共振周波数に一致させることができる。フェーズロックループを使用して、励振周波数ｆ_ＲＥＳ／２で駆動することができる。モーター駆動制御子９２の制御ループを使用して、駆動信号５６の振幅を制御する。

デジタル処理ユニット５４は、第２信号６２を使用して通知された角速度５８の角速度成分を抽出する。上述したように、プルーフマス６４ａ，６４ｂのｙ軸方向の運動は、面外検知電極７０ａ，７０ｂによって、第２信号６２を通じてデジタル処理ユニットに通知される。ｙ軸方向の運動は少なくとも２つの主要な成分、すなわち、（１）モーター駆動信号から生じるｘ軸方向の直交成分と、（２）コリオリ効果によってｙ軸方向の運動を生じさせる、ｚ軸を中心とした回転入力により生じる角速度成分とを含む。ｘ軸方向の運動からの直交成分はｘ軸方向と同相（ｉｎ−ｐｈａｓｅ）である。ｚ軸を中心とした回転により誘起される運動は９０度ずれる。

第２信号６２は、通常、モーター駆動フィードスルー、他の共振ソース及びノイズソースのような他の外来成分を含む。２つの面外検知電極の各々から通知される運動の例を図６及び７のチャートに示す。これらのチャートは、検知素子５２が、２５°／秒の増分で、−１００°／秒〜１００°／秒の間の角速度を受ける試験の間に観察されたデータの幾つかを示している。図示のためと明瞭にするために、図６及び図７のチャートには増分のうち３つのみを示している。各チャートは面外検知電極７０ａ，７０ｂの内の一つが通知するｙ軸方向の運動を示している。

図６において、観察される主要シヌソイドは実際は、周波数ｆ_ＲＥＳ／２の駆動信号フィードスルーである。着目する信号群は波形の隆起である。隆起はポイント９４（信号の中心近傍）及びポイント９６，９８（信号の頂点及び谷）に見ることができる。図７において、駆動信号フィードスルーは波形の急峻な変化として非常に目立つ。この信号は、ｆ_ＲＥＳ／２で大きな成分を有するだけでなく、３ｆ_ＲＥＳ／２，５ｆ_ＲＥＳ／２，７ｆ_ＲＥＳ／２などの高調波でも大きな成分を有する。

一実施形態においては、角速度成分を第２信号６２から、フェーズロックループ８２、シグナルサンプラー８４、スペクトラムアナライザ８６、デコーダ８８、及びスケーリングユニット９０を使用することにより抽出する。

一実施形態においては、シグナルサンプラー８４は、第２信号６２をサンプリングし、第２信号６２をデジタル処理ユニット５４でさらに処理できる形式に変換する。例えば、シグナルサンプラー８４は第２信号６２をサンプリングし、それをデジタル信号に変換する。一実施形態においては、シグナルサンプラー８４は増幅器及びアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器のような構成要素群を含む。図５のシグナルサンプラー８４をデジタル処理ユニット５４の一部として示しているが、これらの構成要素群はデジタル処理ユニット５４の他の構成要素群に直接入力を行なう独立ユニットとすることもできる。

本発明の一態様においては、フェーズロックループ８２を使用して、シグナルサンプラー８４のサンプリング周波数を検知素子５２に適合させる。言い換えれば、フェーズロックループ８２の出力を使用して、第２信号６２をプルーフマス６４ａ，６４ｂの特定の共振周波数に同期させる。シグナルサンプラー８４がアナログ−デジタル変換器を含む場合、アナログ−デジタル変換器がフェーズロックループ８２からの入力に基づいて、電圧信号を測定し、サンプリングする。好適な実施形態においては、第２信号６２に対して、プルーフマス６４ａ，６４ｂの共振周波数に基づいて、オーバーサンプリングが行なわれる。例えば、シグナルサンプラー８４は、８＊ｆ_ＲＥＳのような共振周波数の倍数でオーバーサンプリングを行なうように設定され得る。これにより、１２８サンプルの収集が可能となる。検知素子の共振周波数範囲が１５ｋＨｚ≦ｆ_ＲＥＳ≦２２ｋＨｚである場合、サンプリング範囲は０．７２７〜１．０６６ｍｓとなる。主要な計算、制御、及び通知ループは２．０ｍｓで行なわれることになる。シグナルサンプラー８４は、４＊ｆ_ＲＥＳ、１６＊ｆ_ＲＥＳのような他のオーバーサンプリングレートに設定されてもよい。

シグナルサンプラー８４の出力は、デジタル同期第２信号１００であり、時間の関数となるであろう。シグナルサンプラー８４が生成する同期された第２信号１００は直交成分及び角速度成分を含む複合信号を含む。サンプリングされた信号の他の成分はモーター駆動フィードスルー及び他のシステム共振及びシステムノイズを含む。

本発明の好適な実施形態においては、スペクトラムアナライザ８６を使用して、（時間領域の）同期第２信号１００を周波数領域に変換する。一実施形態においては、スペクトラムアナライザ８６は、ＤＳＰベースの技術を使用して、高速フーリェ変換（ＦＦＴ）と、特に離散フーリェ変換（ＤＦＴ）とを実行する。ＤＦＴは、数学的技法を適用して、時間領域関数を解いて周波数スペクトラムにっするので、スペクトラムアナライザに適した技法である。

一般的に、スペクトラムアナライザは、波形または関数を異なる周波数のシヌソイド群に分解または分割し、それらのシヌソイド群は合計すると元の波形になる。言い換えれば、アナライザは、異なる周波数のシヌソイド群及びそれらの各振幅を特定し、区別する。この場合、例えば、図７に示す第２信号を、本発明のスペクトラムアナライザに通すと、
図８及び９に示すスペクトラムと同様なスペクトラムとなる。この場合、第１の一連のピーク１０２は第２信号６２のモーター駆動スルー成分を表す。第２の一連のピーク１０４は第２信号６２の２つの合成成分、すなわち、直交成分及び角速度成分を表す。第２の一連のピーク１０４の振幅が検知素子５２に外部から加えられた角速度の大きさに従って変化することに注目することが重要である。この現象は図９に最も端的に示され、この場合、異なる角速度に対して描いた３つのプロットの間でピークの高さに相違が生じる。第３，４，５及び６の一連のピーク１０６は第２信号６２のフィードスルーの共振を表す。残りのピーク群はシステムにおける第２信号６２の他のさらなる共振成分及びノイズ成分を表す。

しかしながらこの場合、着目する全周波数スペクトラムに亘ってフーリェ変換を全体的に行なうと、着目する特定の周波数を調査するために非常に長い計算時間が必要となると考えられる。例えば、上述したように、検知素子５２の一実施形態において見出された着目する総合範囲は１５ｋＨｚ≦ｆ_ＲＥＳ≦２２ｋＨｚの範囲、すなわちプルーフマス群の共振周波数範囲であった。

このようにして好適な実施形態においては、上述したように、本発明は、第１信号６０にフェーズロックループ８２を使用してシグナルサンプラー８４のサンプリング周波数を適合させる。これにより、システムが、時間ベースのサンプリング方法の代わりに、イベントベースのサンプリング方法を使用できるという利点がある。言い換えれば、フェーズロックループ８２をシグナルサンプラー８４のサンプリングクロックの一部として使用することにより、本システムはオフ周波数成分を拒否し、同じ周波数で生じる２つの合成（直交及び角速度）成分を分離することができる。このように第２信号６２をサンプリングすることにより幾つかの利点をもたらすことができる。第１に、着目する信号群が、常にイベントベースの周波数スペクトラムの同じポイントに位置する。これにより、検知素子群間のわずかなばらつきに起因して着目周波数サーチに必要となる余分な計算時間を無くすことができる。第２に、波形の特定のイベント群で信号をサンプリングすることにより、第２信号の直交成分及び角速度成分を互いに分離して個々に測定することができる。

スペクトラムアナライザ８６を使用して同期第２信号１００の振幅及び位相を求める。離散フーリェ変換を使用する場合、一般的な変換は次の等式（１）で表される。

しかしながら本発明においては、上述したイベントベースのサンプリング方法を使用して、Ｘ（ｋ）のみをＮポイントではなく単一ポイントについて算出すればよい。これによりＤＦＴの結果は等式（２）の形で表される複素数となる。

Ｘ＝Ｘ_ＲＥＡＬ＋ｊＸ_{ＣＯＭＰＬＥＸ} （２）
従って一実施形態においては、スペクトラムアナライザ８６の出力は図５に示すように複素データ１１０となる。複素データ１１０は、選択周波数における２つの成分、すなわち角速度成分及び直交成分の和となる。次に、スペクトラムアナライザ８６の出力はデコーダ８８に入力される。

デコーダ８８は、スペクトラムアナライザ８６から受信した複素データ１１０から算出角速度成分１１２及び算出直交速度成分１１４を求める。上述したように、本発明の一実施形態において、複素データ１１０はイベントベースの周波数における２つの成分の和で
ある。２つの信号成分は互いに９０度だけ物理的にずれており、上述のシステム及び方法を使用すると複素データ１１０の成分群も互いに９０度ずれることになる。

換言すれば、デコーダ８８は、複素データ１１０をその角速度成分と、その直交成分とに分解する。これは、図１０に関連してさらに示される。角度（Θ）は上述したイベントベースのサンプリング方法により一定となる。算出角速度成分１１２及び直交成分１１４を複素データ１１０から得るために、等式（３）にあるような式を有する角射影／角回転が用いられる。

デコーダ８８は着目する２つの成分、すなわち算出角速度成分１１２及び算出直交成分１１４を生成する出力群を有する。算出角速度成分１１２はデジタル処理ユニット５４から外部に通知される。別の構成として、以下にさらに記載するように、算出角速度成分１１２を、さらなる処理のために、スケーリングユニット９０に送信することができる。算出直交成分１１４をモーター駆動制御子９２に送信して駆動信号５６の生成を援助させてもよい。

比較的固定した直交値及び変化する角速度を有するシステムでは、異なる角速度に亘って、単一の周波数に対して生成されたデコーダ８８からの算出角速度成分１１２は一般的に直線の形となることが判明した。これを図１１に示す。図１１は実験の間に面外検知電極７０ａ，７０ｂの内の一つから得られたデータを示している。幾つかの用途においては、直線を形成しないポイント群となるばらつきが生じる可能性があることに注目することが重要である。これは直交成分が実際はテスト間で変わる可能性があるということに起因し得る。

従って、本発明の一実施形態においては、デジタル処理ユニット５４はさらに、算出角速度成分１１２を通知角速度５８に変換するスケーリングユニット９０を含む。次に、通知角速度５８はデジタル処理ユニット５４から出力される。

スケーリングユニット９０は多くの方法で実現することができる。図１２は、算出角速度信号１１２を通知角速度５８に変換する際に使用することができるグラフの一例を示している。このグラフは入力角速度対算出角速度の関係を示している。図１２のグラフは、図３及び４に示すものと同様な検知素子からの実験データを通して得られた。同様なグラフは異なるセンサに対して作成することができる。このデータを使用して算出角速度信号１１２に対するオフセット（ずれ）を求めることができる。オフセットは、特定のサンプリング方法に起因する、または検知素子５２の他の製造誤差に起因する測定誤差が存在する幾つかの用途において、必要となり得る。オフセットを用いた場合、このオフセットを適用するのに適切な式は等式（４）である。

今まで記載してきた内容は電子センサの出力信号から角速度成分を抽出する改良方法及
び改良システムに関するものである。この方法及びシステムにより狭帯域フィルタの必要が無くなる。またこの方法及びシステムにより、計算もデジタルバンドパスフィルタよりも少なくて済む。この方法及びシステムにより、電子センサの精度、速度及びコストが改善される。この方法及びシステムによりノイズスペクトラム効果が減り、モーター駆動フィードスルー効果が著しく低減される。この方法及びシステムによれば、離散フーリェ変換をフェーズロックループを加えて一緒に使用しながら使用することによりサンプリング周波数を特定の電子センサに適合させることができるという利点が生じる。離散フーリェ変換の係数はフェーズロックサンプリング方法、サンプリング数、及び波形当たりのオーバーサンプリング量に基づいて演繹的に説明されている。さらにこの方法及びシステムは、時間ベースのサンプリング方法に代えて効率的で強固なイベントベースのサンプリング方法を提供する。さらに本発明は検知素子群の間のばらつきを考慮した方法を取り入れている。

本発明の以上の記載は単に例示的なものであり、本出願から生み出される全ての特許の技術範囲を制限するためのものではない。本発明は次に示す請求項の広い技術範囲によってのみ制限されるものである。

先行技術による検知素子から角速度を抽出するシステムのブロック図。 本発明の電子センサの一実施形態のハイレベルブロック図。 本発明の検知素子の一実施形態の上面図。 ライン４−４に沿った図３の検知素子の断面図。 本発明の電子センサの一実施形態のブロック図。 時間領域における異なる入力角速度の図３の検知素子の検知電極からの出力チャート。 時間領域における異なる入力角速度の図３の検知素子の検知電極からの出力チャート。 周波数領域における図７の出力チャート。 周波数領域における図７の出力チャート。 検知素子からの信号及びその成分を周波数領域で示す図。 検知素子から得られる実験データのグラフ。 入力角速度対算出角速度をプロットした実験データの別のグラフ。

Claims (10)

1. 第１信号及び第２信号を生成する検知素子を有する電子センサにおいて信号群から成分群を抽出する方法であって、
   イベントの周波数を有する前記第１信号を前記検知素子から受信する工程と、
   前記イベントの前記周波数に基づいて、前記検知素子からの前記第２信号をサンプリングする工程であって、前記第２信号は複数の成分を有し、前記複数の成分の内の一つが着目する第１成分である工程と、
   時間領域の同期第２信号を生成する工程であって、その第２信号は複数の成分を有する工程と、
   前記時間領域の同期第２信号から、周波数領域の複素データを生成する工程と、
   前記複素データから着目する前記第１成分を求める工程とを備える方法。
2. 前記検知素子からの前記第２信号をサンプリングする工程において、前記第２信号を前記イベントの周波数の倍数でサンプリングする請求項１記載の方法。
3. 前記時間領域の前記同期第２信号から前記周波数領域の複素データを生成する工程が、フーリェ変換を使用して複素データを生成することを含む請求項１記載の方法。
4. 前記電子センサはジャイロスコープであり、前記検知素子は少なくとも一組の可動プルーフマスを有し、前記第１信号及び第２信号は前記プルーフマスの振動運動を示し、着目する前記第１成分は前記検知素子の角速度である請求項１記載の方法。
5. 着目する前記第１成分から着目する通知成分を求める工程をさらに備え、前記着目する通知成分は着目する前記第１成分の所定のオフセットに基づいて求められる請求項１記載の方法。
6. 信号群から着目する成分群を抽出するための電子センサのシステムであって、
   イベントの周波数を有する第１信号及び第２信号を通知する検知素子と、
   前記第１信号を受信し、前記イベントの周波数を求めるフェーズロックループと、
   前記第２信号を受信し、時間領域の同期第２信号を生成するシグナルサンプラーであって、前記フェーズロックループによって求められた前記イベントの周波数に基づいて、前記第２信号をサンプリングすることが可能であるシグナルサンプラーと、
   前記時間領域の同期第２信号を受信し、周波数領域の複素データを生成するスペクトラムアナライザと、
   前記周波数領域の複素データを受信し、着目する第１成分を生成するデコーダとを備え、前記着目する第１成分は前記周波数領域の複素データの成分であるシステム。
7. 前記電子センサはジャイロスコープであり、前記検知素子は少なくとも一組の可動プルーフマスを有し、前記第１信号及び第２信号は前記プルーフマスの振動運動を示し、前記着目する第１成分は前記検知素子の角速度である請求項６記載のシステム。
8. 前記デコーダはさらに、前記プルーフマスの直交成分である着目する第２成分を生成する請求項６記載のシステム。
9. シグナルサンプラーはさらに、前記フェーズロックループにより求められた前記イベントの周波数の倍数に基づいて、前記第２信号をサンプリングすることが可能である請求項６記載のシステム。
10. 前記着目する第１成分から、所定のオフセットに基づいて、着目する通知成分を生成す
    ることが可能であるスケーリングユニットをさらに備える請求項６記載のシステム。

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