JP2018514785A - ジャイロスコープの位相に基づく測定及び制御 - Google Patents

Abstract

ジャイロスコープは、共振器と、トランスデューサと、比較器とを含む。比較器は、トランスデューサから入力信号を受信し、及び入力信号を基準信号と比較して出力信号を生成するように設計される。出力信号の立ち上がり及び立ち下がりエッジ遷移は、トランスデューサの検知軸に沿った共振器の運動と実質的に同期される。【選択図】 図２Ａ

Description

本発明の実施形態は、信号位相に基づくジャイロスコープの検知及び制御スキームに関する。

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、集積回路（ＩＣ）と結合された１つ又は複数の機械構成要素からなる小型デバイスである。ＭＥＭＳジャイロスコープ（又はジャイロ）は、角速度を測定するように設計されたＭＥＭＳデバイスである。例えば、十分に正確なジャイロは、地球の回転速度（約１５度／時）を測定することができる。ＭＥＭＳジャイロは、携帯電話、タブレット、カメラなどの家電において、ますます至る所に存在するようになっている。このような適用に含まれるには、ジャイロは、消費電力、物理的大きさ、及び性能に関する厳しい要件を忠実に守らなければならない。

ＭＥＭＳジャイロは、一般的に、モードと呼ばれる複数の振動自由度を有する小型機械共振器を含む。三軸ＭＥＭＳジャイロは、１つの駆動モード及び３つの検知モードを含み得る。このようなデバイスでは、駆動モードは、駆動アクチュエータを用いてその特性周波数で共振に至り、ロール、ピッチ、ヘッディングなどの直交方向に配向した３つの検知モードの運動が検知トランスデューサを用いて測定される。外部印加角速度にさらされると、駆動モードの振動運動の一部が検知モードの１つ又は複数を機械的に振動させる。従って、検知モードの運動の測定によって角速度を決定することができる。ＭＥＭＳジャイロスコープの設計を提供する一例を、米国特許第６，６２６，０３９号に見出すことができ、その開示は全内容が本明細書に援用される。

ＭＥＭＳジャイロの全体的な信号対雑音（Ｓ／Ｎ）は、アナログフロントエンド（ＡＦＥ）回路網のダイナミックレンジ及び雑音特性に大きく左右される。一般に、ＡＦＥ雑音を減少させるには消費電力の増加が必要とされる。従って、ＭＥＭＳジャイロは、通常、消費電力と性能との間のトレードオフを示す。ＭＥＭＳジャイロのＡＦＥは、一般的に、高利得を提供する高インピーダンスフィードバックネットワークを有する増幅器フロントエンドからなる。抵抗フィードバックネットワークは、単純な受動ネットワークを提供するが、熱雑音に直面する。スイッチドキャパシタネットワークは、能動的にリセットされなければならず、レジスタの熱雑音に大きさが類似する雑音折り返し効果に直面する。好ましいフィードバックネットワークにもかかわらず、出力は、最良でも増幅器の電源電圧レール（Ｖｓｓ、Ｖｄｄ）に制限され、最終的に、達成可能なダイナミックレンジを制限する。

本明細書に提示される実施形態では、ジャイロスコープの様々な検知及び制御スキームが記載される。検知及び制御スキームは、アナログフロントエンド（ＡＦＥ）及びフィードバック制御回路網を用いて実施され得る。本明細書に提示される測定及び制御スキームは、消費電力と性能との間の通常のトレードオフを回避し、低電力及び低雑音動作の両方を可能にする。これは、低電力、低雑音、及び小型で動作する位相に基づくＡＦＥ回路網、及びＳ／Ｎを実質的に増加させる位相に基づく閉ループ動作を用いて達成される。

ある実施形態では、ジャイロスコープは、共振器と、トランスデューサと、比較器とを含む。比較器は、トランスデューサから入力信号を受信し、及び入力信号を基準信号と比較して出力信号を生成するように設計される。出力信号の立ち上がり及び立ち下がりエッジ遷移は、トランスデューサの検知軸に沿った共振器の運動と実質的に同期される。

別の実施形態では、ジャイロスコープは、アクチュエータと、トランスデューサと、比較器と、駆動モジュールとを含む。比較器は、トランスデューサから入力信号を受信し、及び入力信号を基準信号と比較して出力信号を生成する。駆動モジュールは、出力信号を受信し、及びアクチュエータに印加される駆動信号を生成する。

別の実施形態では、ジャイロスコープは、共振器、位相検出及びフィードバック制御回路網を含み、及び外部印加角速度に応じて位相シフトを示す。フィードバック信号は、共振器に印加されて位相シフトを打ち消し、一定の（又はゼロ）位相を維持する。位相シフトを打ち消すために必要とされるフィードバックの大きさは、外部印加角速度の測定値を提供する。

本明細書に包含され、且つ本明細書の一部を形成する添付の図面は、本発明の実施形態を示し、及び説明と共に本発明の原理を解説し、且つ当業者が本発明を製造及び使用することを可能にするのにさらに役立つ。

ある実施形態による共振器システムのブロック図を示す。 ある実施形態による、１つの比較器を用いた位相に基づくジャイロスコープ測定スキームを示す。 ある実施形態による、１つの比較器を用いた位相に基づくジャイロスコープ測定スキームを示す。 ある実施形態による、１つの比較器を用いた位相に基づくジャイロスコープ測定スキームを示す。 ある実施形態による、複数の比較器を用いた位相に基づくジャイロスコープ測定スキームを示す。 ある実施形態による、複数の比較器を用いた位相に基づくジャイロスコープ測定スキームを示す。 ある実施形態による比較器のデューティサイクル動作を示す。 ある実施形態による、デューティサイクル比較器を用いたジャイロスコープ測定及び制御スキームを示す。 ある実施形態による、フィードバックを用いたジャイロスコープ制御スキームを示す。 ある実施形態による、フィードバックを用いたジャイロスコープ制御スキームを示す。 ある実施形態による、フィードバックを用いたジャイロスコープ制御スキームを示す。 ある実施形態による、位相に基づく閉ループジャイロスコープの図を示す。 ある実施形態による、位相に基づく閉ループジャイロスコープの図を示す。 ある実施形態による、図５Ａ〜５Ｂの例に関する波形例を示す。

本発明の実施形態は、添付の図面を参照して説明される。

詳細な説明
具体的な構成及び配置が説明されるが、これは、単なる説明目的で行われることを理解されたい。当業者は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、他の構成及び配置を用い得ることを認識するであろう。本発明を様々な他の適用にも用い得ることが当業者に明らかとなるであろう。

本明細書における、「一実施形態」、「ある実施形態」、「実施形態例」等への言及は、記載される実施形態が特定の特徴、構造、又は特性を含み得るが、全ての実施形態が必ずしもその特定の特徴、構造、又は特性を含まなくてもよいことを示すことに留意されたい。また、このような語句は、必ずしも同じ実施形態を指さない。さらに、特定の特徴、構造、又は特性がある実施形態との関連で記載される場合、明示的に記載されるか否かにかかわらず、他の実施形態との関連でそのような特徴、構造、又は特性を生じさせることは当業者の知識の範囲内であろう。

図１は、ある実施形態による例示的ジャイロスコープシステム１００を示す。ジャイロスコープシステム１００は、共振器１０２、少なくとも１つのトランスデューサ１０４、及びトランスデューサ１０４とインタフェースで接続する回路１０６を含む。トランスデューサ１０４は、１つ又は複数のトランスデューサを表す。共振器１０２は、例えば、微小加工音叉、バルク音響波（ＢＡＷ）共振器、表面音響波（ＳＡＷ）共振器、又は他の種類の共振器などのＭＥＭＳ共振器であり得る。ここで、共振器の識別に多自由度ＭＥＭＳジャイロ共振器が使用されるが、他の共振器構造が同様に使用され得ることを理解されたい。

トランスデューサ１０４は、あるエネルギー形態から別のエネルギー形態へと変換することができる任意の構成要素であり得る。例えば、トランスデューサ１０４は、機械的運動に比例する電気信号を生成し得る。このようなトランスデューサは、センサとして知られている場合がある。別の例では、トランスデューサ１０４は、受信した電気信号に比例する力を生じさせ得る。このようなトランスデューサは、アクチュエータとして知られている場合がある。一般的なジャイロスコープは、ロール、ピッチ、及びヘッディングを測定するために直交方向に配向された複数の検知トランスデューサと共に、１つ又は複数の駆動アクチュエータを含む。一般的に、２つの駆動アクチュエータが駆動モード軸に沿った反対方向に配向され、２つの検知トランスデューサが各検知モード軸に沿って反対方向に配向される。トランスデューサ１０４は、共振器１０２の一体的部分と見なされ得、又は回路１０６の構成要素と見なされ得る。

回路１０６は、直接トランスデューサ１０４とインタラクトするフロントエンド回路網であり得る。ある実施形態によれば、回路１０６は、トランスデューサ１０４の検知軸に沿って共振器１０２の運動を検出する比較器を含む。回路１０６は、全アナログ構成要素、アナログ及びデジタル構成要素の混合、又はアナログ−デジタル変換器を用いた全デジタル構成要素を含み得る。共振器１０２がＭＥＭＳ共振器である例では、回路１０６は、共振器１０２の製作に使用されるものと同じ半導体基板にモノリシックに集積され得る。回路１０６の信号対雑音比を最大にすることにより、共振器システム１００全体のより良い性能がもたらされる。回路１０６の様々な実施形態が本明細書にさらに記載される。回路１０６の出力１０８は、１つ又は複数の追加の回路によって受信され得る。一例では、出力１０８は、共振器１０２のアクチュエータを制御して閉ループフィードバックを提供するために共振器１０２にフィードバックされ得る。

ジャイロ共振器の場合、検知軸トランスデューサによって検出される運動は、必ずしも単一モードの運動に限定されない。意図されるか否かにかかわらず、検知軸トランスデューサが、通常、駆動モードの構成要素を測定する事実により、直角位相が生じる。振動駆動モード運動を実現及び維持し、且つ振動検知モード信号を使用可能な出力に変換するため、一部のジャイロは、位相ロックループ（ＰＬＬ）として知られるシステムを使用する場合がある。ＰＬＬは、高周波発振器（又は均等物）を駆動モード運動に同期させる。同期クロックは、駆動モード刺激の生成及び振動検知モード出力の復調の時間的基礎を提供する。復調の目的は、直角位相を除去し、関心のある周波数帯域（例えば、１ｋＨｚ未満）の角速度に比例する出力信号を提供することである。しかしながら、機械共振器に対する発振器のいかなる非同期も最終出力に大きい誤差をもたらし得る。

ある実施形態によれば、位相に基づくジャイロ構造は、ＰＬＬ又は高周波同期発振器に依存しない。代わりに、機械共振器が駆動及び検知システムの両方にそれ自体の時間的基礎を提供し、電気システムに時間的基礎を提供する必要があるいずれの発振器も機械共振器の運動と非同期であり得る。

ある実施形態によれば、位相に基づく方法を最大限に活用するために、比較器フロントエンド（ＣＦＥ）回路網が、通常非常に高い利得を有する増幅器からなる従来の回路網の代わりに使用され得る。これは、重要な信号経路において、振幅ではなく位相情報のみが必要とされることから可能である。比較器は、入力信号を基準と比較することによって混合信号波形（ＭＳＷ）を生成する回路である。入力信号が基準信号よりも大きい場合に出力が高く（又はその逆も同様）、入力信号が基準信号よりも小さい場合に出力が低い（又はその逆も同様）。従って、比較器は、出力が高又は低レール（Ｖｄｄ又はＶｓｓ）である飽和状態で動作するように設計される点で増幅器と異なる。また、フィードバックループの欠如は、雑音を低減し、回路網を単純化する。さらに、振幅情報の代わりに位相が使用されるため、ＣＦＥのダイナミックレンジ（位相で測定）は、振幅を測定する従来の回路のものよりもはるかに高くすることができる。

図２Ａは、ある実施形態による、回路２００に結合された例示的共振器２０４を示す。なお、この図及び後続の図では、トランスデューサは回路の構成要素と見なされる。ただし、トランスデューサは共振器２０４の構成要素と見なされ得る。

共振器２０４は、ジャイロスコープシステムの要素であり得る。ある実施形態では、共振器２０４はＭＥＭＳ共振器である。回路２００は、比較器２０１及びトランスデューサ２０２を含む。トランスデューサ２０２は、共振器２０４に関連付けられた機械信号２０５を、比較器２０１によって受信される電気信号２０６に変換するために使用され得る。

ある実施形態では、トランスデューサ２０２は、共振器２０４の検知軸に沿ってアライメントされ、及び共振器２０４の１つ又は複数のモードの運動（変位又は速度）を検出するように配向される。比較器２０１は、受信した電気信号２０６を基準電源２０３によって生成された基準信号２０７（電流又は電圧）と比較する。基準電源２０３は電流又は電圧源であり得る。比較器２０１は、トランスデューサ２０２の検知軸に沿った共振器２０４の運動に同期された遷移（立ち上がり及び立ち下がりエッジ）を有する出力信号２０８を生成する。一例では、出力信号２０８は混合信号波形（ＭＳＷ）である。そのため、出力信号２０８は、振幅に関してデジタル及び時間に関してアナログと見なすことができる。

基準電源２０３は、基準信号２０７が入力信号２０６とコモンモード誤差を共有するように選択され得る。その場合、比較動作中の相殺によって生じる出力信号２０８から誤差を実質的に取り除くことができる。一般的にこのように相殺されるコモンモード誤差は、電圧源雑音又は温度に関する変動などの他の相関誤差を含む。

図２Ｂは、ある実施形態よる、別の回路２２０と結合された共振器２０４を示す。回路２２０は、単一の入力信号２０６を受け取るシングルエンド比較器２０１を含む。基準電源２０９及び基準信号２１０は、比較器２０１に内在する。例えば、基準電源２０９は、内部電圧バイアス（電圧モード比較器の場合）、又はH. Traeff, “Novel approach to high speed CMOS current comparators” Electronics Letters 28.3, (1992), pp. 310-311に記載されるもののような、電流モード比較器の第１のレッグにおける静止電流であり得る。比較器２０１は、基準信号２１０と比較した入力信号２０６の電流又は電圧レベルに基づく出力信号２１１を生成する。

図２Ｃは、ある実施形態による、別の回路２３０と結合された共振器２０４を示す。ある外部電源から基準電圧を受け取るのではなく、比較器２０１は、トランスデューサ２０２及び２１３の差動対に結合され、信号を名目上２倍にしながら、トランスデューサによって共有されるコモンモード誤差を相殺する利点を有する。トランスデューサ２０２及び２１３の各々は、共振器２０４の異なる軸に沿ってアライメントされ得る。このような構成では、トランスデューサ２１３が基準信号２１４を提供する間、トランスデューサ２０２は入力信号２０６を供給する。一例では、トランスデューサ２０２及び２１３は、名目上逆平行の検知軸の周りの運動を検知する。比較器２０１は、基準信号２１４と比較した入力信号２０６の電流又は電圧レベルに基づく出力信号２１５を生成する。

一例では、トランスデューサ２０２の検知軸を共振器２０４の駆動モードに配向させることにより、駆動運動と同期されたＭＳＷが生成される。この駆動同期信号は、システムにおいて多くの同期／トリガ目的で利用することができ、基本的にシステムクロックの目的を果たす。別の例では、トランスデューサ２０２の検知軸を共振器２０４の検知モードに配向させることにより、検知運動と同期されたＭＳＷが生成される。この検知同期信号は、駆動同期信号又は外部印加角速度による別の検知同期信号に対して位相シフトされた状態となり得る。誘起位相シフトは、印加角速度に比例し、最終ジャイロスコープ出力の生成に使用される。

図２Ｄは、ある実施形態による、別の回路２４０と結合された共振器２０４を示す。この例では、回路２４０は、２つの検知トランスデューサ２０２及び２１６と、２つの比較器２０１及び２１７（シングルエンドとして示されるが、必須ではない）とを含む。比較器の出力は、パルス幅が第１及び第２の比較器出力（Ｂ１及びＢ２）間の位相シフトに比例する出力信号（Ｃ１及びＣ２）を生成する位相検出回路２１８に供給される。図２Ｅは、回路２４０内の様々な信号間の関係を描く。図２Ｅに描かれる実施形態では、位相検出回路２１８は、Ｃ１のパルス幅がＢ１とＢ２との間の位相に比例し、Ｃ２のパルス幅がＢ２とＢ１との間の位相に比例するように、相補パルス幅変調（ＰＷＭ）信号Ｃ１及びＣ２を生成する。このように、ある実施形態によれば、相補信号Ｃ１及びＣ２は、示差測定の基礎を提供する。

ある実施形態によれば、回路２４０は、信号処理モジュール２１９を含む。信号処理モジュール２１９を用いて、位相検出信号を受信し、それらに対して利得及び／又はフィルタリング動作などの信号処理動作を行い、印加角速度に比例する低周波（例えば、＜１ｋＨｚ）出力信号を生成することができる。

一例では、検知トランスデューサ２０２が共振器２０４の検知軸とアライメントされ、及び検知トランスデューサ２１６が共振器２０４の駆動モードとアライメントされる。比較器２０１は、直角位相による検知軸に沿った運動と実質的に同期されたＭＳＷを生成するように設計され得、比較器２１７は、駆動モード運動と実質的に同期されたＭＳＷを生成するように設計され得る。角速度が印加された状態では、図２Ｅに示されるように、比較器出力Ｂ１及びＢ２は、ある実施形態によれば、位相検出回路２１８によって検出される位相シフトされた状態となる。

別の例では、検知トランスデューサ２０２及び２１６は、共振器２０４の逆平行の検知軸対とアライメントされ、及び共通構成要素駆動モード運動を検知するように部分的にアライメントされる。角速度が印加されていない状態では、比較器出力Ｂ１及びＢ２は、図２Ｅの２番目の列に描かれるように、名目上同相にある。角速度が印加された状態では、ある実施形態によれば、図２Ｅの３番目の列に描かれるように、比較器出力Ｂ１及びＢ２は、反対方向に位相シフトされた状態となり、この位相シフトは印加角速度に比例する。

フロントエンド回路網に比較器を使用する利点の１つは、全デューティサイクルの大部分の間、比較器の出力が一定値（高（Ｖｄｄ）又は低（Ｖｓｓ））を維持することである。さらに、多くの共振器に関して、比較器によって受信される入力信号は、非常に安定した明確に規定された周波数を有する。これは、比較器の動作のデューティサイクリングを可能にする。

図３Ａは、ある実施形態による比較器２０１の例示的入力信号３０２及び生成された出力信号３０３を示す。第１の位相信号（φａ）３０４は、予期されるゼロ交差付近で規定され得、第２の位相信号（φｂ）３０５は、出力信号３０３が一定のままであると予期されるデューティサイクルの部分中に規定され得る。第２の位相信号３０５が論理HIGHの間、例えば、消費電力を低減するために比較器及び関連の回路網の電源をオフにすること、又は力フィードバック信号を適用した運動の任意の必要な作動により検出を多重化することなどの他の動作が可能である。後者の場合、検知トランスデューサ及びフィードバックアクチュエータを単一の構成要素に統合し、従って複雑さを低減し、及び共振器上の貴重なスペースを節約することができる点で魅力的である。

図３Ｂは、ある実施形態による、別の回路３００に結合された共振器２０４を示す。回路３００は、比較器２０１のデューティサイクル動作を制御するための第１のスイッチ３０９及び第２のスイッチ３１０を含む。なお、比較器２０１の基準信号は、この図には示されていない。第１のスイッチ３０９は、第１の位相信号３０４によって制御され得、一方、第２のスイッチ３１０は、第２の位相信号３０５によって制御される。各スイッチは、それに対応する制御信号が論理HIGH電圧である間、閉と見なすことができ、それに対応する制御信号が論理LOW電圧である間、開と見なすことができる。第１の位相信号３０４及び第２の位相信号３０５は、所望の量だけ遅延された駆動同期信号（上述の通り）によってトリガされ得る。

ある実施形態によれば、回路３００は、センサ及びアクチュエータの両方として機能するトランスデューサ３０６も含む。トランスデューサ３０６は、それが共振器２０４の軸に沿ってアライメントされたセンサ及び共振器２０４の１つ又は複数のモードを励起するアクチュエータの両方として機能するように、機械エネルギーを電気エネルギーに、及び電気エネルギーを機械エネルギーに変換することが可能であり得る。ある実施形態によれば、スイッチ３０９及び３１０の動作は、トランスデューサ３０６の動作状態を決定する。例えば、第１のスイッチ３０９が閉であり、且つ第２のスイッチ３１０が開である場合、トランスデューサ３０６は、電気信号を比較器２０１に提供する検知トランスデューサとして機能する。第１のスイッチ３０９が開であり、且つ第２のスイッチ３１０が閉である場合、トランスデューサ３０６は、アクチュエータとして機能し、共振器２０４に与えるトランスデューサ３０６の機械エネルギーレベルを決定する制御信号３０８を受信する。制御信号３０８は、回路３００に結合された別の回路からのフィードバック信号であり得る。比較器２０１は、出力信号３０７を生成する。

比較器の使用に関する潜在的問題点の１つは、雑音の多い入力信号の存在下でのその挙動である。より具体的には、理想的な入力が単一の遷移を生じさせる瞬間において、入力に対する雑音の存在は、複数の誤った遷移をもたらし得る。これはチャタリングとして知られ、比較器設計に閾値ヒステリシスを導入することによって克服することができる。

図４Ａは、ある実施形態による、別の回路４００に結合された共振器２０４を示す。回路４００は、比較器２０１（シングルエンドとして示されるが、必須ではない）、共振器２０４の駆動モードとアライメントされたトランスデューサ２０２、駆動モードとアライメントされたアクチュエータ４０１、及び駆動モジュール４０２を利用する正のフィードバック駆動モード励起を提供する。一実施形態では、駆動モジュール４０２は、比較器２０１からの出力信号４０３によってトリガされる、低電圧（Ｖ１）と高電圧（Ｖ２）との間のトグリングによって一定振幅の駆動信号４０６を生成する。その結果生じる駆動信号４０４は、アクチュエータ４０１に印加され得、駆動モード運動に同期された印加力を生じさせる。運動が変位であるか又は速度であるかに応じて、共振器２０４を共振で駆動させるための印加力の正しい位相及び極性を実現するために、トランスデューサ２０２及びアクチュエータ４０１の設計及び選択に注意が必要である。例えば、出力信号４０３が、電流モード比較器に供給する容量性速度−電流トランスデューサによって生成される場合、正しい位相整合を実現することができる。その結果生じる駆動同期は、極性が負ではなく正のフィードバックを生成するのに正しい場合、容量性電圧−力アクチュエータに印加された際に共振で駆動するのに正しい位相である。さらに、意図した適用の動態及び他の特性によって必要とされるフィルタリング、利得、及び／又は遅延などの追加の処理が駆動信号４０４に行われ得る。

位相に基づく方法は、重要なデータ経路において振幅情報を必要としないが、何らかの補助機能性又は制御が振幅測定を必要とし得る。通常、このような測定は、名目上の動作点に関する小さい逸脱に対して行われるのみでよい。従って、広い範囲にわたる直線性は必要とされない。図４Ｂは、ある実施形態による、振幅測定も利用する別の回路４２０に結合された共振器２０４を示す。ある実施形態によれば、比較器２０１内部からの既存の（又は容易に得られる）信号を用いてピーク振幅検出を実施することができる。例えば、全波整流器は、比較器２０１の内部のミラー及び／又は誘導電流によって給電することができる。次に、その結果がローパスフィルタリングされることにより、比較器の入力信号２０６の振幅に比例する信号４０６を提供し得る。

ある実施形態によれば、回路４２０は、駆動モード励起のための自動利得制御（ＡＧＣ）ループを含む。共振器２０４の駆動モードとアライメントされたトランスデューサ２０２の出力が比較器２０１（シングルエンドとして示されるが、必須ではない）の入力に供給される。比較器２０１は、出力信号４０５及び振幅信号４０６を生成する。振幅信号４０６は、ＡＧＣ回路４０７内の目標値と比較されて、駆動信号４０９の振幅を規定するＡＧＣ出力４０８を生成する。

例えば、図３Ｂの回路３００によって示されるように、駆動モジュール４０２と一緒の比較器２０１の動作はデューティサイクリングされ得る。

図４Ｃは、ある実施形態による、比較器２０１及び駆動モジュール４０２のデューティサイクル動作を含む別の回路４３０と結合された共振器２０４を示す。第１のスイッチ３０９及び第２のスイッチ３１０は、図３Ａ及び３Ｂを参照して先に述べたものと類似の方式で動作し得る。比較器２０１からの出力信号４１１が駆動モジュール４０２に供給される。駆動モジュール４０２は、第２のスイッチ３１０が閉の場合に共振器２０４のアクチュエータを励起するフィードバック制御信号４１２を生成する。

位相ロックループ（ＰＬＬ）に類似した閉ループ方式でシステムを動作させることにより、性能を大きく向上させることができる。この構成では、検知軸毎に、角速度に応答して生じる位相シフトを打ち消すために、検知軸アクチュエータにフィードバック信号が印加される。定位相を維持するために必要とされるフィードバックの大きさをモニタリングすることにより、外部印加角速度の表示が提供される。この位相に基づく閉ループ動作は、フィードバック信号が速度による信号にのみ影響を与える一方、直角位相などの他の存在する信号が影響を受けない点において、従来の力再平衡閉ループ動作を上回る利点を有する。従って、位相に基づく閉ループ動作は、複雑な同期復調及び／又は直角位相ヌリングスキームを回避し、比較的単純な回路網を用いて実施することができる。

ジャイロスコープの信号対雑音（Ｓ／Ｎ）は、駆動モードと検知モードとの間の小さい周波数分離で動作することによって大きく増加させることができる。これを達成する方法の１つは、上述の位相に基づく閉ループ実装形態を用いることである。類推により、これは、ＭＥＭＳ共振器がＶＣＯに取って代わり、同期に使用される基準信号も生成するＰＬＬ回路に類似する。位相に基づく閉ループジャイロスコープの場合、外部印加角速度によって生じる位相シフトは、共振器に印加されるフィードバックによって打ち消される。位相シフトを打ち消すために必要とされるフィードバックの大きさを用いて、印加速度を決定することができる。従来の閉ループジャイロスコープは、フィードバックが完全ヌル検知運動に適用される力再平衡方法を用いる。この方法は、速度による信号と、直角位相などの不要の信号とを区別する追加の機能性を必要とする。それに対して、位相に基づく閉ループ方法は、速度による信号をゼロにするのみであり、速度による信号を直角位相などの不要の信号から本質的に分離する。

図５Ａは、ある実施形態による、基本的な位相に基づく閉ループジャイロスコープを示す。この例では、外部印加角速度が、２つの検知モジュールの出力である信号Ｂ１とＢ２との間の位相シフトを生じさせるように、検知モジュール５０１が共振器２０４の検知軸とアライメントされ、及び検知モジュール５０２が共振器２０４の別の（例えば、同一線上にない）軸とアライメントされる。図５Ｃに描かれるように、信号Ｂ１及びＢ２は、ある実施形態によれば、混合信号波形（ＭＳＷ）である。位相検出回路５０３が信号Ｂ１及びＢ２間の位相シフトを測定し、フィードバック制御回路５０４が、測定された位相シフトに比例してフィードバック信号を生成する。ある実施形態によれば、アクチュエータ５０５は、フィードバック信号を受信し、位相シフトが打ち消されるように共振器に機械的に影響を与える。一例では、アクチュエータは、速度による位相シフトを打ち消すための振動機械力を生成する。別の例では、アクチュエータは、速度による位相シフトを打ち消す静電減衰を生じさせる。別の例では、アクチュエータは、速度による位相シフトを打ち消す静電剛性を生じさせる。

ある実施形態では、検知モジュール５０１は、名目上、共振器２０４の検知軸とアライメントされ、及び検知モジュール５０２は、名目上、共振器の駆動モードとアライメントされる。角速度の非印加時、検知軸の直角位相及び駆動モードの運動による応答が一定の（又はゼロ）位相シフトを有する。角速度の印加時、検知モジュール５０１の出力は、検知モジュール５０２の出力に対して位相シフトされた状態となり、この位相シフトは外部印加角速度に比例する。

ある実施形態では、検知モジュール５０１及び５０２は、共振器の逆平行の検知軸と名目上アライメントされる。加えて、コモンモード応答が名目上同相にあり、且つ類似の大きさを有するように、検知モジュールは、部分的にコモンモード軸とアライメントされる。一例では、検知モジュールは、コモンモード信号を生成する駆動モードと部分的にアライメントされる。別の例では、検知モジュールは、コモンモード信号を生成する共振器の補助モードと部分的にアライメントされる。角速度の非印加時、検知モジュールの出力Ｂ１及びＢ２が一定の（又はゼロ）位相シフトを有する。角速度の印加時、出力Ｂ１及びＢ２は、互いに対して位相シフトされた状態となり、この位相シフトは外部印加角速度に比例する。

図５Ｂは、ある実施形態による、二次制御ループが駆動モードと検知モードとの間の一定周波数分離を維持する、位相に基づく閉ループ構成を示す。この例では、検知モジュール５０１及び５０２が逆平行の検知軸とアライメントされ、位相検出回路網５０３が位相シフトに応答してＰＷＭ信号Ｄ１及びＤ２を生成し、フィードバック制御回路網５０４が、位相シフトを打ち消すためのアクチュエータ５０５によって受信されるフィードバック信号を生成する。加えて、ある実施形態によれば、第３の検知モジュール５０６が駆動モードとアライメントされ得、及び第２の位相検出回路５０７が、駆動同期信号Ｂ３と、２つの検知モード検知モジュール５０１及び５０２の出力の論理結合との間の位相シフトを検出する。第２の位相検出回路５０７の出力Ｄ３は、平均値が駆動及び検知モードの運動間の位相オフセットに比例する別のＰＷＭ信号であり得る。フィードバック制御回路網５０８は、位相検出出力Ｄ３を受信し、第２のアクチュエータ５０９によって受信されるフィードバック信号を生成する。ある実施形態では、アクチュエータ５０９は、共振器２０４の検知モードに印加される静電剛性を変調することにより、駆動モードと検知モードとの間の一定周波数分離を維持する。別の実施形態では、アクチュエータ５０９は、共振器２０４の検知モードに対する振動力を生じさせることにより、駆動モードと検知モードとの間の一定周波数分離を維持する。

容量性、圧電性、ピエゾ抵抗性、トランジスタベースの、又は振動運動（変位又は速度）に比例する電気信号（電流又は電圧）を生成するその他の技術を含む様々な検知トランスデューサ技術がマイクロジャイロにおける実施に適している。入力ドメイン（変位又は速度）は、出力の位相に対する影響を有する。従って、意図された適用に対して正しい位相を実現するようにトランスデューサの選択が行われるべきである。出力ドメイン（電流又は電圧）は、使用される回路の種類に関して密接な関係を有する。同様に、容量性又は圧電性などの様々なアクチュエータ技術も利用可能であり、共振器の励起の正しい位相整合に関して密接な関係を有する。

概要及び要約の項目ではなく、詳細な説明の項目は、特許請求の範囲を解釈するために使用されることが意図されることを認識されたい。概要及び要約の項目は、本発明者によって企図された本発明の１つ又は複数の（ただし、全てではない）例示的実施形態を記載するものであり、従って、本発明及び添付の特許請求の範囲を限定することを決して意図しない。

特定の機能及びそれらの関係性の実施を示す機能構成ブロックを用いて、本発明の実施形態を上記に説明した。これらの機能構成ブロックの境界線は、説明の便宜上、本明細書において任意に規定されたものである。特定の機能及びそれらの関係性が適切に行われる限り、別の境界線を規定することができる。

具体的な実施形態の上述の説明は、本発明の一般的性質を完全に明らかにするため、他の人々は、本発明の一般概念から逸脱することなく、過度の実験なしに当該技術分野の技術の範囲内の知識を適用することにより、様々な用途のために、上記の具体的な実施形態を容易に変更及び／又は適応させることができる。従って、このような適応形態及び変更形態は、本明細書に提示された教示及び指導に基づく開示の実施形態の均等物の意味及び範囲内であることが意図される。本明細書における表現又は専門用語は、説明のためのものであり、限定を目的としたものではなく、本明細書の専門用語又は表現は、教示及び指導を考慮して当業者によって解釈されるものとする。

本発明の広がり及び範囲は、上記の例示的な実施形態のいずれによっても限定されるものではなく、以下の請求項及びそれらの均等物に従ってのみ規定されるものとする。

Claims (43)

1. 共振器と、
   トランスデューサと、
   前記トランスデューサから入力信号を受信し、及び前記入力信号を基準信号と比較して出力信号を生成するように構成された比較器と
   を含み、
   前記出力信号の立ち上がり及び立ち下がりエッジ遷移が、前記トランスデューサの検知軸に沿った前記共振器の運動と実質的に同期される、ジャイロスコープ。
2. 前記出力信号が混合信号波形（ＭＳＷ）である、請求項１に記載のジャイロスコープ。
3. 前記トランスデューサの前記検知軸が前記共振器の駆動モードとアライメントされる、請求項１に記載のジャイロスコープ。
4. 前記トランスデューサの前記検知軸が前記共振器の検知モードとアライメントされる、請求項１に記載のジャイロスコープ。
5. 前記基準信号が、前記入力信号と共有される少なくとも１つのコモンモード誤差を含む、請求項１に記載のジャイロスコープ。
6. 前記コモンモード誤差が電圧源雑音である、請求項５に記載のジャイロスコープ。
7. 前記コモンモード誤差が温度変動によって引き起こされる、請求項５に記載のジャイロスコープ。
8. 前記比較器が前記比較器の外部の基準電源から前記基準信号を受信する、請求項１に記載のジャイロスコープ。
9. 前記比較器が前記比較器内の基準電源から前記基準信号を受信する、請求項１に記載のジャイロスコープ。
10. 前記トランスデューサと前記比較器の入力との間の電気経路を開又は閉にするように構成された第１のスイッチと、
    前記ジャイロスコープのアクチュエータと外部信号源との間の電気経路を開又は閉にするように構成された第２のスイッチと
    をさらに含む、請求項１に記載のジャイロスコープ。
11. 前記第１のスイッチが前記出力信号の前記立ち上がり及び立ち下がりエッジ遷移中に閉じられ、及び前記第１のスイッチが、前記出力信号が実質的に一定の電圧を有する期間中に開かれているように、前記第１のスイッチが第１の制御信号によって制御される、請求項１０に記載のジャイロスコープ。
12. 前記比較器が、前記出力信号が実質的に一定の電圧を有する期間中に電源をオフにされる、請求項１に記載のジャイロスコープ。
13. 前記第２のスイッチが前記出力信号の前記立ち上がり及び立ち下がりエッジ遷移中に開かれており、及び前記第２のスイッチが、前記出力信号が実質的に一定の電圧を有する期間中に閉じられるように、前記第２のスイッチが第２の制御信号によって制御される、請求項１０に記載のジャイロスコープ。
14. 前記外部信号源が、前記第２のスイッチが閉であるときに前記アクチュエータによって前記共振器の運動を引き起こすように構成された信号を生成する、請求項１３に記載のジャイロスコープ。
15. 前記基準信号が、前記比較器の第２の入力において、前記ジャイロスコープの第２のトランスデューサから受信される、請求項１に記載のジャイロスコープ。
16. 前記第１のトランスデューサ及び前記第２のトランスデューサが、名目上逆平行の検知軸の周りの運動を検知するように構成される、請求項１５に記載のジャイロスコープ。
17. 前記出力信号が第１の出力信号であり、及び前記ジャイロスコープが、
    第２のトランスデューサと、
    前記第２のトランスデューサから第２の入力信号を受信し、及び前記第２の入力信号を第２の基準信号と比較して第２の出力信号を生成するように構成された第２の比較器と
    をさらに含み、
    前記第２の出力信号の立ち上がり及び立ち下がりエッジ遷移が、前記第２のトランスデューサの検知軸に沿った前記共振器の運動と実質的に同期され、
    前記第１の出力信号と前記第２の出力信号との間の位相シフトが外部印加角速度に比例する、請求項１に記載のジャイロスコープ。
18. 前記第１の出力信号及び前記第２の出力信号を受信し、及び前記第１の出力信号と前記第２の出力信号との間の前記位相シフトに比例するパルス幅を有する１つ又は複数の追加の出力信号を生成するように構成された位相検出モジュールをさらに含む、請求項１７に記載のジャイロスコープ。
19. 前記１つ又は複数の追加の出力信号を受信し、
    前記受信された１つ又は複数の追加の出力信号に対して信号処理機能を行い、及び
    前記外部印加角速度に比例する処理された出力信号を生成するように構成された信号処理モジュールをさらに含む、請求項１８に記載のジャイロスコープ。
20. 前記１つ又は複数の追加の出力信号が相補出力信号を含み、第１の相補出力信号のパルス幅が、前記第２の出力信号の位相に対する前記第１の出力信号の位相に比例し、及び第２の相補出力信号のパルス幅が、前記第１の出力信号の前記位相に対する前記第２の出力信号の前記位相に比例する、請求項１８に記載のジャイロスコープ。
21. 前記第１のトランスデューサが前記共振器の検知軸とアライメントされ、及び前記第２のトランスデューサが前記共振器の駆動モードとアライメントされる、請求項１７に記載のジャイロスコープ。
22. 前記第１及び第２のトランスデューサが、名目上逆平行の検知軸の周りの運動を検知し、及びコモンモード運動を検知するように構成される、請求項１７に記載のジャイロスコープ。
23. 前記コモンモード運動が駆動モード運動である、請求項２２に記載のジャイロスコープ。
24. 前記コモンモード運動が補助共振器モードの運動である、請求項２２に記載のジャイロスコープ。
25. アクチュエータと、
    トランスデューサと、
    前記トランスデューサから入力信号を受信し、及び前記入力信号を基準信号と比較して出力信号を生成するように構成された比較器と、
    前記出力信号を受信し、及び前記アクチュエータに印加される駆動信号を生成するように構成された駆動モジュールと
    を含むジャイロスコープ。
26. 前記駆動モジュールが、第１の電圧と第２の電圧との間をトグルで切り換える駆動信号を生成するように構成される、請求項２５に記載のジャイロスコープ。
27. 前記比較器からピーク振幅信号を受信し、
    前記ピーク振幅信号を目標値と比較し、及び
    前記駆動モジュールによって受信され、及び前記駆動信号の振幅を制御するように構成された駆動振幅信号を生成するように構成された利得制御モジュールをさらに含む、請求項２５に記載のジャイロスコープ。
28. 前記トランスデューサと前記比較器の入力との間の電気経路を開又は閉にするように構成された第１のスイッチと、
    前記アクチュエータと前記駆動モジュールとの間の電気経路を開又は閉にするように構成された第２のスイッチと
    をさらに含む、請求項２５に記載のジャイロスコープ。
29. 共振器と、
    第１のトランスデューサ及び第２のトランスデューサであって、前記第１のトランスデューサが前記共振器の第１の軸とアライメントされ、及び前記第２のトランスデューサが前記共振器の第２の軸とアライメントされる、第１のトランスデューサ及び第２のトランスデューサと、
    前記第１のトランスデューサの出力と前記第２のトランスデューサの出力との間の位相シフトを検出するように構成された位相検出回路であって、前記位相シフトが外部印加角速度に比例する、位相検出回路と、
    前記検出された位相シフトに基づいてフィードバック信号を生成するように構成されたフィードバック制御回路であって、前記フィードバック信号が、前記共振器の動作に影響を与えることにより、前記検出された位相シフトを打ち消す、フィードバック制御回路と
    を含む、ジャイロスコープ。
30. 前記第１のトランスデューサの前記出力が、前記共振器の前記第１の軸に沿った運動と実質的に同期された第１の電気信号であり、及び前記第２のトランスデューサの前記出力が、前記共振器の前記第２の軸に沿った運動と実質的に同期された第２の電気信号である、請求項２９に記載のジャイロスコープ。
31. 前記第１の軸が前記共振器の検知軸と名目上アライメントされ、及び前記第２の軸が前記共振器の駆動モードと名目上アライメントされる、請求項３０に記載のジャイロスコープ。
32. 前記第１及び第２の軸が逆平行の検知軸と主にアライメントされ、及び前記共振器のコモンモード軸と部分的にアライメントされる、請求項３０に記載のジャイロスコープ。
33. 前記コモンモード軸が前記共振器の駆動モードである、請求項３２に記載のジャイロスコープ。
34. 前記コモンモード軸が前記共振器の補助モードである、請求項３２に記載のジャイロスコープ。
35. 前記フィードバック信号を受信するように構成されたアクチュエータをさらに含む、請求項２９に記載のジャイロスコープ。
36. 前記アクチュエータが、前記共振器に対する振動力を生じさせることによって前記位相シフトを打ち消すように構成される、請求項３５に記載のジャイロスコープ。
37. 前記アクチュエータが、前記共振器に対する静電減衰を生じさせることによって前記位相シフトを打ち消すように構成される、請求項３５に記載のジャイロスコープ。
38. 前記アクチュエータが、前記共振器に対する静電剛性を生じさせることによって前記位相シフトを打ち消すように構成される、請求項３５に記載のジャイロスコープ。
39. 前記共振器の駆動モードとアライメントされる第３のトランスデューサと、
    前記第１及び第２のトランスデューサの前記出力と、前記第３のトランスデューサの出力とに基づいて第２の位相シフトを検出するように構成された第２の位相検出回路と、
    前記検出された第２の位相シフトに基づいて第２のフィードバック信号を生成するように構成された第２のフィードバック制御回路であって、前記第２のフィードバック信号が前記共振器の前記駆動モードと検知モードとの間の実質的に一定の周波数分離を維持する、第２のフィードバック制御回路と
    をさらに含む、請求項２９に記載のジャイロスコープ。
40. 前記第２のフィードバック信号が前記駆動モードと前記検知モードとの間の一定の位相シフトも維持する、請求項３９に記載のジャイロスコープ。
41. 前記第２のフィードバック信号を受信するように構成された第２のアクチュエータをさらに含む、請求項３９に記載のジャイロスコープ。
42. 前記第２のアクチュエータが、前記第２のフィードバック信号に基づいて前記共振器に対する振動力を生じさせるように構成される、請求項４１に記載のジャイロスコープ。
43. 前記第２のアクチュエータが、前記第２のフィードバック信号に基づいて前記共振器に対する静電剛性を生じさせるように構成される、請求項４１に記載のジャイロスコープ。