JP2013160758A - 振動ビーム加速度計 - Google Patents

Abstract

【課題】用途を問わずに高い精度のコモンモードキャンセルをもたらす、改善された振動ビーム加速度計を提供すること。
【解決手段】複数の共振モードを使用することによって、振動ビーム加速度計（ＶＢＡ）において、コモンモードキャンセルを改善するためのシステムおよび方法。ＶＢＡ（２０）は、２つの両終端音叉（ＤＥＴＦ）（１３６、１３８）を含む。付加的な発振器（１４０、１４２、１５０、１５２）が、ＤＥＴＦを特別な共振モードに至らせる。このことが、コモンモード除去を２つのモードから４つのモードに増加させる。加えて、追加のモードの尺度因子は、従来の設計より大きな尺度因子をもたらすことができる。
【選択図】図１

Description

本願発明は、振動ビーム加速度計に関する。

[0001]振動ビーム加速度計（ＶＢＡ）デバイスは、面内異相モード（in-plane, out-of-phase mode）で動作する２つのデュアルビーム共振子（dual beam resonator）を使用する。

課題を解決するための課題

２つの共振周波数の差が、力または加速度を測定するために使用される。共振周波数の合計が、温度、放射、湿度、経年変化、又は静電荷等によって生成される外力を追跡するために使用される。この差は、通常コモンモードと呼ばれ、コモンモードは、非加速度（g）誤差（non acceleration (g) error）を低減するために使用される。いくつかの用途に対して、コモンモードは、十分な精度をもたらさない。

[0002]本発明は、複数の共振モードを使用することによって、振動ビーム加速度計（ＶＢＡ）におけるコモンモードキャンセルを改善するためのシステムおよび方法を提供する。ＶＢＡは、２つの両終端音叉（double-ended tuning fork）（ＤＥＴＦ）を含む。追加の発振器が、ＤＥＴＦを特別な（extra）共振モードに至らせる。このことが、コモンモード除去を２つのモードから４つのモードに増加させる。加えて、追加のモードの尺度因子（scale factor）が、従来の設計より大きな尺度因子をもたらすことができる。

[0003]本発明の好ましい代替実施形態が、以下の図面を参照して、以下に詳細に説明される。

[0004]本発明の一実施形態によって形成された例示的な振動ビーム加速度計（ＶＢＡ）の部分斜視図である。 [0005]図１に示されるＶＢＡを操作するための例示的なプロセスの流れ図である。 [0006]図２に示されるプロセスを実施するための例示的なシステムのブロック図である。

[0007]図１は、改善されたコモンモードキャンセルをもたらす、例示的な振動ビーム加速度計（ＶＢＡ）２０の部分斜視図である。ＶＢＡ２０は、フレクシャ（図示されず）を介して基底部３２に接続されるプルーフマス３０を含む。２つの両終端音叉（ＤＥＴＦ）３６、３８が、プルーフマス３０と基底部３２との間に取り付けられる。一方のＤＥＴＦ３６は、プルーフマス３０の頂部と基底部３２とに取り付けられ、他方のＤＥＴＦ３８は、プルーフマス３０の底部と基底部３２とに取り付けられる。ＤＥＴＦ３６、３８は、異なる周波数において共振するように設計される。ＤＥＴＦ３６、３８は、２つの異なる共振モード（たとえばモード１およびモード３）において駆動され、それにより、モード間の干渉を避けるためにわずかに異なる周波数であるが、２つの共振モードにおいて、出力信号を生じさせる。これらの出力された信号は、温度、放射、湿度、経年変化、静電荷、および他のコモンモード異常（anomaly）のような、より大きなコモンモード除去を有する力／加速度信号を生じさせるために使用される。

[0008]図２は、ＶＢＡ２０を動作させるために使用される例示的なプロセス４０の流れ図を示す。最初に、ブロック４４で、第１のＤＥＴＦ３６が、２つの異なる共振モードにおいて駆動される。同時に、ブロック４６で、第２のＤＥＴＦ３８が、同様に、２つの異なる共振モードにおいて駆動される。第２のＤＥＴＦ３８の２つの共振モードを駆動するために使用される周波数は、第１のＤＥＴＦ３６の２つの共振モードを駆動するために使用される周波数とは異なる。２つの共振モード、たとえばモード１およびモード３は、同じである。他の共振モードが使用されてよい。

[0009]ブロック５０で、加速事象（すなわち、センサ信号（sensor reading）が要求される時）の間、ＤＥＴＦ３６、３８それぞれのための２つのモードに対する共振周波数のサンプルが得られる。ブロック５２で、改善された加速度の値が、４つのサンプリングされた共振周波数に基づいて生成される。より詳細な例が、以下に示される。

[0010]図３は、例示的なＶＢＡシステム１２０のブロック図である。システム１２０は、２つのＤＥＴＦ１３６、１３８を含む。一実施形態では、ＤＥＴＦ１３６、１３８は、ＤＥＴＦ１３６、１３８の歯（tine）上に電極のパターンを含む。駆動電極パッド１４６、１５８が、ＤＥＴＦ１３６、１３８上の電極パターンに隣接して配置される。駆動電極パッド１４６は２つの発振器１４０、１４２から入力信号を受け、駆動電極パッド１５８は、２つの発振器１５０、１５２から入力信号を受ける。第１の発振器１４０は、第１の共振モードにおいてＤＥＴＦ１３６を発振させる第１の信号をパッド１４６に供給し、第１の発振器１５０は、第１の共振モードにおいてＤＥＴＦ１３８を発振させる第１の信号をパッド１５８に供給する。第２の発振器１４２は、第２の共振モードにおいてＤＥＴＦ１３６を発振させる第２の信号をパッド１４６に供給し、第２の発振器１５２は、第２の共振モードにおいてＤＥＴＦ１３８を発振させる第２の信号をパッド１５８に供給する。第１の信号の周波数は異なり、第２の信号の周波数は異なる。ＤＥＴＦ１３６、１３８は、わずかに異なる周波数において共振するように、（たとえば、わずかに異なるビーム幅に）構成される。

[0011]ＤＥＴＦ３６によって出力されたアナログ信号が、２つの帯域通過フィルタ１６０、１６２によってフィルタリングされ、ＤＥＴＦ３８によって出力されたアナログ信号が、２つの帯域通過フィルタ１７２、１７４によってフィルタリングされる。帯域通過フィルタ１６０、１６２は、ＤＥＴＦ１３６がおかれる（experience）２つの共振周波数モードに従って選択され、帯域通過フィルタ１７２、１７４は、ＤＥＴＦ１３８がおかれる２つの共振周波数モードに従って選択される。フィルタ１６０、１６２からの出力が、デジタルカウンタを有するアナログデジタル変換機（ＡＤＣ）１６４、１６６によってデジタル周波数の値に変換され、フィルタ１７２、１７４からの出力が、デジタルカウンタを有するアナログデジタル変換機（ＡＤＣ）１７６、１７８によってデジタル周波数の値に変換される。生成されたデジタル周波数の値は、次いで、プロセッサ１７０に送られる。プロセッサ１７０は、デジタル周波数の値とシステムメモリ内に予め記憶された所定の係数とに基づいて、加速度の値を生成する。

[0012]一実施形態では、以下のように
− Ａ／Ｄ １６４の第１のモードの出力をｆ_１１として
− Ａ／Ｄ １６６の第２のモードの出力をｆ_１２として
− Ａ／Ｄ １７６の第１のモードの出力をｆ_２１として
− Ａ／Ｄ １７８の第２のモードの出力をｆ_２２として
みなす。

[0013]プロセッサ１７０は、デジタル周波数の値における以下の演算
− Ｆ_ｍｏｄ１＝ａ＊ｆ_１１＋ｂ＊ａｆ_１２
− Ｆ_ｍｏｄ２＝ｃ＊ｆ_２１＋ｄ＊ａｆ_２２
− Ｃｏｍｍｏｎ Ｍｏｄｅ Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｅｓｔｉｍａｔｅ＝ｕ＊Ｆ_ｍｏｄ１＋ｖ＊Ｆ_ｍｏｄ２＋ｑ
を実施する。

[0014]係数ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｕ、ｖ、ｑは、システムメモリ内に記憶された表形式の校正係数である。一実施形態では、係数は、計器をシステム１２０に接続する前に、一連の校正試験において確定される。一実施形態では、これらの係数の値に対する第１の推測がなされ、カルマンフィルタが、校正用連続落下試験（calibration tumble test）の間にそれらの値を適応させるために使用される。

[0015]本発明の実施形態の独占的な使用権または特権は、添付の特許請求の範囲において規定される。

Claims (3)

1. プルーフマス（３０）と支持基底（３２）との間で、前記プルーフマスおよび前記支持基底の第１の側面上に結合される第１の共振子（３６）と、
   前記プルーフマスと前記支持基底との間で、前記プルーフマスおよび前記支持基底の第２の側面上に結合される第２の共振子（３８）と、
   前記第１の共振子の第１の共振モードに基づいて、第１の周波数において第１の駆動信号を生成するように構成された第１の発振器（１４０）と、
   前記第１の共振子の第２の共振モードに基づいて、第２の周波数において第２の駆動信号を生成するように構成された第２の発振器（１４２）と、
   前記第２の共振子の第１の共振モードに基づいて、第３の周波数において第３の駆動信号を生成するように構成された第３の発振器（１５０）と、
   前記第２の共振子の第２の共振モードに基づいて、第４の周波数において第４の駆動信号を生成するように構成された第４の発振器（１５２）と、
   前記生成された第１および第２の駆動信号に基づいて、前記第１および第２の共振モードにおいて前記第１の共振子を共振させるように構成された第１の駆動機構（１４６）と、
   前記生成された第３および第４の駆動信号に基づいて、前記第１および第２の共振モードにおいて前記第２の共振子を共振させるように構成された第２の駆動機構（１５８）と、
   前記第１および第２の共振子によって出力された信号に基づいて、加速度の値を生成するように構成された処理デバイス（１７０）と、を備えるシステム（１２０）であって、
   前記第１および第２の共振子が両終端音叉（ＤＥＴＦ）を備え、
   前記第１の周波数と前記第３の周波数とが異なり、前記第２の周波数と前記第４の周波数とが異なる、システム。
2. 前記第１の共振子に関連する前記第１の共振モードに基づいて前記第１の共振子によって出力された前記信号をフィルタリングするように構成された第１の帯域通過フィルタ（１６０）と、
   前記第１の共振子に関連する前記第２の共振モードに基づいて前記第１の共振子によって出力された前記信号をフィルタリングするように構成された第２の帯域通過フィルタ（１６２）と、
   前記第２の共振子に関連する前記第１の共振モードに基づいて前記第２の共振子によって出力された前記信号をフィルタリングするように構成された第３の帯域通過フィルタ（１７２）と、
   前記第２の共振子に関連する前記第２の共振モードに基づいて前記第２の共振子によって出力された前記信号をフィルタリングするように構成された第４の帯域通過フィルタ（１７４）と、
   前記第１の帯域通過フィルタの出力を第１のデジタル周波数に変換するように構成された第１のアナログデジタル変換機（ＡＤＣ）（１６４）およびデジタルカウンタと、
   前記第２の帯域通過フィルタの出力を第２のデジタル周波数に変換するように構成された第２のアナログデジタル変換機（ＡＤＣ）（１６６）およびデジタルカウンタと、
   前記第３の帯域通過フィルタの出力を第３のデジタル周波数に変換するように構成された第３のアナログデジタル変換機（ＡＤＣ）（１７６）およびデジタルカウンタと、
   前記第４の帯域通過フィルタの出力を第４のデジタル周波数に変換するように構成された第４のアナログデジタル変換機（ＡＤＣ）（１７８）およびデジタルカウンタと、をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
3. 第１の共振子を駆動して第１の共振モードにおいて共振させる、第１の発振器を使用するステップと、
   前記第１の共振子を駆動して第２の共振モードにおいて共振させる、第２の発振器を使用するステップと、
   第２の共振子を駆動して前記第１の共振モードにおいて共振させる、第３の発振器を使用するステップと、
   前記第２の共振子を駆動して前記第２の共振モードにおいて共振させる、第４の発振器を使用するステップと、
   処理デバイスにおいて、前記第１および第２の共振子によって出力された信号に基づいて、加速度の値を生成するステップと、
   前記第１の共振子に関連する前記第１の共振モードに基づいて、前記第１の共振子によって出力された前記信号をフィルタリングするステップと、
   前記第１の共振子に関連する前記第２の共振モードに基づいて、前記第１の共振子によって出力された前記信号をフィルタリングするステップと、
   前記第２の共振子に関連する前記第１の共振モードに基づいて前記第２の共振子によって出力された前記信号をフィルタリングするステップと、
   前記第２の共振子に関連する前記第２の共振モードに基づいて、前記第２の共振子によって出力された前記信号をフィルタリングするステップと、
   第１のアナログデジタル変換機（ＡＤＣ）およびデジタルカウンタにおいて、第１の帯域通過フィルタの出力を第１のデジタル周波数に変換するステップと、
   第２のアナログデジタル変換機（ＡＤＣ）およびデジタルカウンタにおいて、第２の帯域通過フィルタの出力を第２のデジタル周波数に変換するステップと、
   第３のアナログデジタル変換機（ＡＤＣ）およびデジタルカウンタにおいて、第３の帯域通過フィルタの出力を第３のデジタル周波数に変換するステップと、
   第４のアナログデジタル変換機（ＡＤＣ）およびデジタルカウンタにおいて、第４の帯域通過フィルタの出力を第４のデジタル周波数に変換するステップと、を含む方法であって、
   前記第１および第２の共振子が両終端音叉（ＤＥＴＦ）を備え、
   前記第１の周波数と前記第３の周波数とが異なり、前記第２の周波数と前記第４の周波数とが異なる、方法。

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