JP2009042221A - 開ループ読み出し装置を有するマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ及びその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】固定体に対して、第1の軸に沿って振動しうる第1の質量体107と、この第1の質量体に対し、ジャイロスコープの回転に応答して第2の軸に沿って振動するように構成された第2の質量体108を有する慣性センサ6とを有する。前記第1の質量体に結合された駆動装置103が、この第1の質量体を共振振動数で振動状態に維持する制御ループを構成する。前記第2の軸に沿う前記第2の質量体の変位を検出する読み出し装置が、前記慣性センサによって発生される電荷パケット(QRS)を電荷積分信号に変換する電荷増幅器と、低域フィルタとを有する。校正段は、前記第2の質量体と前記固定体との間の電圧(VB)を、前記電荷積分信号における前記共振振動数の2倍の振動数の成分を最小にするように変更しうるようになる。
【選択図】図4
Description
FC =2MS ΩX′
で与えられる。ここで、MS は検出質量体108の値であり、Ωは微細構造体102の角速度であり、X′は第1の軸Xに沿う2つの質量体107及び108の線速度である。共振振動数ωR で駆動される結果として、ジャイロスコープの回転により生ぜしめられ、角速度に相関性がある検出信号は、両側波帯抑圧搬送波信号(DSB‐SC;この場合、搬送波は駆動質量体の振動の線速度X′であり、機械的な共振振動数ωR に等しい周波数を有している)の形態をしている。
VS1(t)=VP sin(ωR t+φ)+VB (1)
VS2(t)=−VP sin(ωR t+φ)+VB (2)
ここで、VP はピーク値であり、φは位相であり、VB は可動質量体108とステータ109との間の直流バイアス電圧(図5a及び5bではゼロ)である。更に、式(1)及び(2)において、以下の説明では、時間を表す変数tは不連続であるものとする。
YQ =KQ cosωR t
により与えられる。ここで、KQ は比例定数である。更に、直角電荷変化は直角変位YQ に相当し、
101 支持体
102 微細構造体
103 駆動装置
104 読み出し装置
105 帰還制御ループ
107 駆動質量体
108 検出質量体
109 ステータ
110 トランスインピーダンス増幅器
111 帰還段
120、122 検出キャパシタンス
121 作動キャパシタンス
130 読み出し信号発生器
131 フェーズジェネレータ
132 処理ライン
133 電荷増幅器
134 アナログ処理段
135 フィルタ
136 サンプリング段
138 校正ユニット
140 校正回路網
141、142 ステータ電極
143 検出電極
200 システム
210 コントローラ
220 入力/出力装置
240 ワイヤレスインタフェース
250 バス
260 メモリ
280 バッテリ
Claims (18)
- マイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープであって、このマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープが、
固定体(109)に対して、第1の軸(X)に沿って振動しうる第1の質量体(107)と、
この第1の質量体(107)によって駆動され、前記マイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ(100)の回転(Ω)に応答して第2の軸(Y)に沿って振動するように構成された第2の質量体(108)を有する慣性センサ(6)と、
前記第1の質量体(107)に結合され、帰還制御ループ(105)を形成するとともに、前記第1の質量体(107)を共振振動数(ωR )で振動状態に維持するように構成した駆動装置(103)と、
前記慣性センサ(6)に結合され、前記第2の軸(Y)に沿う前記第2の質量体(108)の変位を検出する開ループ読み出し装置(104)であって、前記慣性センサ(6)からの電荷パケット(QRS)を受けて、この電荷パケット(QRS)を電荷積分信号(SQI)に変換する電荷増幅器(133)と、この電荷積分信号(SQI)を濾波する低域フィルタ(135)とを有する当該開ループ読み出し装置(104)と
を具えるマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープにおいて、
前記第2の質量体(108)と前記固定体(109)との間のバイアス電圧(VB )を、前記電荷積分信号(SQI)における前記共振振動数(ωR )の2倍の振動数の成分(2ωR )を最小にするように変更する校正段(138、140)が設けられていることを特徴とするマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ。 - 請求項1に記載のマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープにおいて、前記校正段(138、140)は、前記電荷増幅器(133)に結合され前記電荷積分信号(SQI)を検出する校正ユニット(138)と、この校正ユニット(138)により制御されるとともに前記第2の質量体(108)に結合され校正電圧(VOCAL)を生じる校正回路網(140)とを具えているマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ。
- 請求項2に記載のマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープにおいて、前記校正回路網(140)は、可変分割比を有する抵抗分割器を具えており、前記電荷増幅器(133)は、前記第2の質量体(108)に接続された第1の入力端(6b)と、前記校正回路網(140)の出力端(140a)に接続された第2の入力端とを有する演算増幅器(133a)を具えているマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ。
- 請求項2又は3に記載のマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープにおいて、前記校正ユニット(138)は、前記共振振動数(ωR )の2倍の振動数の成分(2ωR )を前記電荷積分信号(SQI)から抽出するように構成されているマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ。
- 請求項2〜4のいずれか一項に記載のマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープにおいて、前記校正回路網(140)は、可変分割比を有する抵抗分割器を具えているマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載のマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープにおいて、前記開ループ読み出し装置(104)は、前記慣性センサ(6)の“シングルエンド”型の読み出しを実行するように構成されているマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ。
- 請求項6に記載のマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープにおいて、このマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープが、第1の読み出し信号(VS1)及び第2の読み出し信号(VS2)を、前記第2の質量体(108)に容量結合された前記慣性センサ(6)のそれぞれの端子(6a)に供給する読み出し信号発生器(130)を具えており、前記第1及び第2の読み出し信号(VS1、VS2)は、前記第1の軸(X)に沿う前記第1の質量体(107)の振動に対しそれぞれ同相及び180°の移相をもって共振振動数(ωR )で正弦波状に変化する振幅を有する方形波の形態となるようにしたマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ。
- 請求項7に記載のマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープにおいて、前記駆動装置(103)は、前記第1の質量体(107)が振動する速度を表す検出信号(VRD1 、VRD2 )を生じるトランスインピーダンス増幅器(110)を具えており、前記読み出し信号発生器(130)は、それぞれの検出信号(VRD1 、VRD2 )を受ける前記トランスインピーダンス増幅器(110)のそれぞれの出力端に接続された入力端を有しているマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ。
- 請求項7又は8に記載のマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープにおいて、前記読み出し信号発生器(130)はサンプラーを有しており、前記第1及び第2の読み出し信号(VS1、VS2)は、それぞれの検出信号(VRD1 、VRD2 )をサンプリングすることにより発生されるようになっているマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ。
- 請求項9に記載のマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープにおいて、前記読み出し信号発生器(130)は、共振振動数(ωR )に対して非同期で前記検出電圧信号(VRD1 、VRD2 )をサンプリングするようにタイミング調節されているマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ。
- 制御ユニット(210)を有するシステム(200)において、このシステムが請求項1〜10のいずれか一項に記載のジャイロスコープ(100)を有しているシステム。
- マイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープを制御する方法において、この方法が、
第1の軸(X)に沿って振動しうる第1の質量体(107)を設ける工程と、
この第1の質量体(107)によって駆動され、前記マイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ(100)の回転(Ω)に応答して第2の軸(Y)に沿って振動するように、第2の質量体(108)を有する慣性センサ(6)を前記第1の質量体(107)に結合する工程と、
前記第1の質量体(107)を共振振動数(ωR )で振動状態に維持するように、この第1の質量体(107)の運動を帰還制御する工程と、
前記第2の軸(Y)に沿う前記第2の質量体(108)の変位を開ループ検出する検出工程であって、前記慣性センサ(6)により発生される電荷パケット(QRS)を電荷積分信号(SQI)に変換する処理と、この電荷積分信号(SQI)を低域通過濾波する処理(135)とを有する当該検出工程と
を有する方法において、
この方法が、前記第2の質量体(108)と固定体(109)との間のバイアス電圧(VB )を、前記電荷積分信号(SQI)における前記共振振動数(ωR )の2倍の振動数の成分(2ωR )を最小にするように変更する変更工程を有していることを特徴とする方法。 - 請求項12に記載の方法において、前記変更工程が、前記電荷積分信号(SQI)を検出する処理と、この電荷積分信号(SQI)と相関性のある校正電圧(VOCAL)を前記第2の質量体(108)に供給する処理とを有する方法。
- 請求項13に記載の方法において、この方法が、前記共振振動数(ωR )の2倍の振動数の成分(2ωR )を前記電荷積分信号(SQI)から抽出する工程を有する方法。
- 請求項12〜14のいずれか一項に記載の方法において、この方法が、前記慣性センサ(6)の“シングルエンド”型の読み出しを実行する工程を有する方法。
- 請求項15に記載の方法において、この方法が、第1の読み出し信号(VS1)及び第2の読み出し信号(VS2)を、前記第2の質量体(108)に容量結合された前記慣性センサ(6)のそれぞれの端子(6a)に供給する工程を有し、前記第1及び第2の読み出し信号(VS1、VS2)は、前記第1の軸(X)に沿う前記第1の質量体(107)の振動に対しそれぞれ同相及び180°の移相をもって共振振動数(ωR )で正弦波状に変化する振幅を有する方形波の形態とする方法。
- 請求項16に記載の方法において、この方法が、前記第1の質量体(107)が振動する速度を表す検出信号(VRD1 、VRD2 )を生じる工程と、これらの検出信号(VRD1 、VRD2 )をサンプリングして前記第1及び第2の読み出し信号(VS1、VS2)を発生させる工程とを有する方法。
- 請求項17に記載の方法において、前記検出電圧信号(VRD1 、VRD2 )を共振振動数(ωR )に対して非同期でサンプリングする方法。
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