JP2022066141A - 振動構造ジャイロスコープ、振動構造ジャイロスコープの作動方法、およびジャイロスコープの較正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 改善された振動構造ジャイロスコープおよびその作動方法を提供する。【解決手段】 振動構造ジャイロスコープ（３０）は、１次駆動電極からの刺激を受けて振動するように構成された共振構造（１０）を備える。駆動システムが、共振周波数で振動構造を振動させるように構成されている。自動利得制御装置（３４）は、１次駆動信号（ＰD）の振幅を変化させる。コントローラ（４４）は、第１の動作モードでは、自動利得制御装置（３４）が、上限及び下限によって定義される動作範囲の間で駆動信号（ＰD）の振幅を変化させるように、ジャイロスコープ（３０）を動作させる。コントローラ（４４）はまた、第２の動作モードでジャイロスコープ（３０）を動作させることができ、この第２の動作モードでは、自動利得制御装置（３４）が、駆動信号（ＰD）の振幅を動作範囲の範囲外である所定のレベルにセットする。【選択図】図２

Description

本開示は、振動構造ジャイロスコープ、特に、例えば慣性計測装置（ＩＭＵ）内で角速度（複数可）を測定するための微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ベースの振動構造ジャイロスコープに関する。本開示は、限定されるものではないが、特に誘導型ジャイロスコープに関する。

ジャイロスコープは、角速度（すなわち回転速度）を測定するセンサである。ジャイロスコープは、慣性航法、ロボット工学、航空電子工学、及び自動車を含む多くの用途で使用されている。慣性航法の用途では、ジャイロスコープは、「慣性計測装置」（ＩＭＵ）と呼ばれている自己内蔵型システムに搭載され得る。ＩＭＵは、典型的には複数の加速度計及び／またはジャイロスコープを含んでおり、ジャイロスコープ（複数可）及び／または加速度計（複数可）の出力に基づいて、角速度、加速度、姿勢、位置、及び速度などの対象物の移動パラメータの推定値を提供する。

ＭＥＭＳベースのジャイロスコープは、近年、広く普及してきており、多くの場合、従来のマクロ的な対応物よりも、はるかに効果的なものである。ＭＥＭＳベースのジャイロスコープは、典型的には振動構造を用いて実装されており、当技術分野では「振動構造ジャイロスコープ」または「ＶＳＧ」と呼ばれることが多い。振動構造ジャイロスコープは、一般に、マイクロマシンニング加工が施された質量体を含み、それが振動するように構成されている。振動構造ジャイロスコープの代表例としては、振動リングジャイロスコープ、振動音叉ジャイロスコープがあり、さらに他には例えばビーム、シリンダ、半球シェル、及びディスクを含む振動構造もある。

通常の動作では、マイクロマシンニング加工が施された質量体は、事前に規定された振動モードで、典型的にはｃｏｓ ｎθの振動モード（例えばｎ＝２）で振動するように駆動される。この駆動される振動モードは、通例、１次モードと呼ばれる。ジャイロスコープが回転すると、振動する質量体にコリオリの力が作用し、この力によって質量体が１次モードとは異なる２次振動モードで振動し得る。一般的には、２次振動モードは１次モードに加えて発生し、２次モードでは、事前に規定された１次モードの振動とは異なる方向に沿って質量体が振動することになる。

２次モードの振動の振幅は回転速度に比例するので、適切なセンサ（例えば誘導性または容量性のトランスデューサ）を使用して、２次振動の振幅を直接検出することにより角速度（例えば、１秒あたりの度で測定される）を求めることができる（これは「開ループ測定」と呼ばれている）。あるいは、２次モードでの振動を打ち消し、それによって質量体が１次モードのみで振動し続けるように復元力を加えることから角速度を測定することもできる。復元力は、通例、検出された２次振動の振幅に基づいている。復元力は加えられた角速度に比例するので、２次モードを無効にするために必要な信号の振幅は角速度の尺度を提供する。この後者の構成は、当技術分野では「閉ループ測定」として知られている。例えば、ＵＳ５，４１９，１９４及びＵＳ８，３４７，７１８の中で、角速度を測定する方法の例が説明されている。

振動構造ジャイロスコープの問題は、一旦ジャイロスコープに組み込まれた共振器（例えばシリコンリング）の「品質係数」（「Ｑファクタ」または単に「Ｑ」と呼ばれることが多い）を求めるのが難しいことである。この難しさは、共振器をジャイロスコープとして使用できるようにするために必要な、駆動及びピックオフの両方をサポートする電子機器との相互作用が原因で生じ、共振器をジャイロスコープとして使用する際にはまた、速度の測定またはＱの測定に必要な各種の信号を区別することが困難である。

当業者であれば、ジャイロスコープのＱが、共振器によって達成される共振の質の尺度であることを理解するであろう。すなわち、Ｑが高いということは、減衰が比較的少なく、共振器が共振周波数において比較的高い振幅で比較的長い時間、振動することを意味し、一方、Ｑが低いということは、減衰が比較的多く、したがって振動がより早く減衰して消失することを意味する。一般に、ジャイロスコープとしては、Ｑが高いことが好ましい。

ジャイロスコープのＱを求めることができれば、いくつかの理由から有益となり得る。そのような理由の１つは、ジャイロスコープが、一般に誤差補償プロセスによって解決されなければならない「スケールファクタ誤差」を被る可能性があることである。ジャイロスコープにおける「スケールファクタ誤差」とは、ジャイロスコープによって検出される角速度が、実際の角速度よりもある割合だけ低く見積もられるか、または高く見積もられ過ぎてしまう誤差であり、パーセント値が用いられる。例えば、６０°／ｓの角速度で０．１％のスケールファクタ誤差は、０．０６°／ｓの絶対誤差を招くことになる。このようなスケールファクタ誤差を補償するために、通常は、ジャイロスコープに印加される１次駆動信号に対して調節が行われて、スケールファクタ誤差を相殺する。

一部のジャイロスコープ、例えば誘導型ジャイロスコープでは、永久磁石が利用され、共振構造が永久磁石のＢ場の中に、もっぱら当技術分野で公知の様式にならって配置される。Ｂ場の強さが低下すると、一般に、結果として生じるスケールファクタの変化を補正するために必要な１次駆動レベルの増加をもたらす。

一般に、特定の振幅に対しての１次駆動レベルは、磁場強度及び共振器のＱの両方によって決まる。ただし、磁場強度はスケールファクタに直接関係するが、Ｑは関係しないので、Ｂ場のスケールファクタ補正が機能するためには、Ｑの変動が特性化または測定のいずれかによって説明付けられなければならない。当業者であれば、共振器のＱは、一般的には、温度によって大きく変化するが、デバイスの耐用年数にわたって変化する可能性もあることを理解されよう。

従って、本発明は、改善された振動構造ジャイロスコープおよびその作動方法を提供する。

本開示によれば、振動構造ジャイロスコープであって、
１次駆動電極からの刺激を受けて振動するように構成された共振構造と、
振動構造を共振周波数で振動させるように構成された駆動システムであって、駆動システムが、振動構造に運動を誘導するように構成された１次駆動電極と、振動構造の運動をセンスするように構成された１次センス電極とを備える、駆動システムと、
１次駆動電極に印加される駆動信号の振幅を変化させるように構成された自動利得制御装置と、
ジャイロスコープを動作させるように構成されたコントローラであって、
第１の動作モードでは、自動利得制御装置が、下限と上限とによって定義される動作範囲の間で駆動信号の振幅を変化させること、及び
第２の動作モードでは、自動利得制御装置が、駆動信号の振幅を動作範囲の範囲外である所定のレベルにセットすること、
を行うようにジャイロスコープを動作させる、コントローラとを備え、
ジャイロスコープが第２の動作モードで動作しているとき、コントローラが、
所定期間の経過後に、１次センス電極からのセンス信号の振幅を測定すること、
所定期間中の振動サイクル数を求めること、及び
測定した振幅と振動サイクル数とからジャイロスコープの品質係数を求めること、を行う、振動構造ジャイロスコープが提供される。

本開示の第１の態様はまた、上記の振動構造ジャイロスコープを含む慣性計測装置（ＩＭＵ）にも及ぶ。本開示の第１の態様は、上記の振動構造ジャイロスコープを含む電子デバイスにまで、さらに及ぶ。

この本開示の第１の態様は、振動構造ジャイロスコープを動作させる方法に及び、振動構造ジャイロスコープが、
１次駆動電極からの刺激を受けて振動するように構成された共振構造と、
振動構造を共振周波数で振動させるように構成された駆動システムであって、駆動システムが、振動構造に運動を誘導するように構成された１次駆動電極と、振動構造の運動をセンスするように構成された１次センス電極とを備える、駆動システムと、
１次駆動電極に印加される駆動信号の振幅を変化させるように構成された自動利得制御装置と、を備えており、
方法が、
ジャイロスコープを、
第１の動作モードでは、自動利得制御装置が、下限と上限とによって定義される動作範囲の間で駆動信号の振幅を変化させること、及び
第２の動作モードでは、自動利得制御装置が、駆動信号の振幅を動作範囲の範囲外である所定のレベルにセットすること、を行うように動作させることを含み、
ジャイロスコープを第２の動作モードで動作させるとき、方法が、
所定期間の経過後に、１次センス電極からのセンス信号の振幅を測定すること、
所定期間中の振動サイクル数を求めること、及び
測定した振幅と振動サイクル数とからジャイロスコープの品質係数を求めること、をさらに含む。

本開示の第１の態様はまた、プロセッサによって実行されると、上記の振動構造ジャイロスコープを動作させる方法をプロセッサに実行させる命令を含む非一時的コンピュータ可読媒体にも及ぶ。本開示の第１の態様はまた、プロセッサによって実行されると、上記の振動構造ジャイロスコープを動作させる方法をプロセッサに実行させる命令を含むコンピュータソフトウェア製品にまで、さらに及ぶ。

したがって、本開示の実施例では、自動利得制御（ＡＧＣ）装置が「オーバライド」されて、１つ以上の１次駆動電極（複数可）に固定振幅を印加する、改良されたジャイロスコープ及びその動作方法を提供することが理解されよう。それによって、共振構造が共振し、結果として生じる共振がセンス電極を使用して測定される。駆動電極（複数可）に印加される信号は「駆動信号」と呼ばれることが多く、センス電極（複数可）から得られる信号は「ピックオフ信号」または「センス信号」と呼ばれることが多いことを理解されたい。より具体的には、これらの信号は、それぞれ「１次駆動信号」及び「１次ピックオフ／センス信号」である。

テストモードでは、ＡＧＣは、１次駆動信号の振幅（すなわち「レベル」）を、通常動作範囲の範囲外である固定値にセットする。第２のモードで駆動信号にセットされる所定の振幅は上限よりも高くてもよいが、一組の好ましい実施例では、第２のモードで振幅にセットされる所定のレベルは下限よりも小さい。そのような一組の実施例では、この「テスト振幅」はゼロであってもよい。

本開示の構成のさらなる利点は、求められたジャイロスコープのＱを、ジャイロスコープの全体的な「健全性」の指標として用いることができることである。ジャイロスコープのＱの変化は、例えば、ジャイロスコープの物理的劣化の早期指摘として用いることができ、それによってデバイスのメンテナンスまたは交換が必要であることを示してもよい。したがって、Ｑの変化を補償するように１次駆動を調節できるので、ジャイロスコープは正常に機能し続けることができ、一方、本開示では、このＱの変化が、例えばデバイスの故障前に予防措置を講じることができるように、早期に検出されるようにすることができる。

共振構造は、少なくともいくつかの実施例では、実質的に平面のリング構造を含んでもよい。重複する可能性のある一組の実施例では、共振構造はシリコンから作られる。

本開示は、例えば、誘導型ジャイロスコープ、容量式ジャイロスコープ、及び圧電式ジャイロスコープに適用することができる。しかしながら、本開示の原理は、誘導型ジャイロスコープに適用される場合に、特に有利であることが分かっている。したがって、少なくともいくつかの実施例では、ジャイロスコープは誘導型ジャイロスコープである。そのようないくつかの実施例では、ジャイロスコープは永久磁石を備えており、共振構造が、永久磁石の磁場の中に配置される。

一般に、誘導型ジャイロスコープでは、誘導型ジャイロスコープに使用されている磁石の磁場（すなわちＢ場）の変動のため、スケールファクタ誤差が生じ得る。これらの変動は、例えば、もっぱら当技術分野で公知の１次駆動補償手法を使用して補償することができ、この１次駆動は、ジャイロスコープのＱとＢ場との両方の変動に敏感であることが分かっている。本出願人は、本開示の原理が、これらの寄与を分離できるという効果があり、スケールファクタの変動をより良く補償し、それによってスケールファクタ誤差を減らし、誘導型ジャイロスコープの全体的な精度を向上させるには１次駆動をどのように変化させたらいいかを判定する際に、Ｑの変動を考慮することができることを理解している。

具体的には、磁石が（例えば、材料が古くなるにつれて時間の経過とともに自然に）劣化すると、磁場が弱くなる。その結果、振動構造に誘発される運動の振幅が小さくなり、１次センス電極で検出されるピックオフ信号の振幅が小さくなる。いくつかの実施例では、本ジャイロスコープは、磁石の劣化係数を求めるように構成されている。限定されない実施例として、磁石の劣化を判定するための好適な方法がＵＳ２０２０／０２００５３６に記載されており、その内容が参照により本明細書に組み込まれる。

振幅の（例えばＱの変動と、少なくとも誘導型ジャイロスコープの場合は、潜在的に、磁石のＢ場の弱化に対応する磁石の劣化係数とに起因する）変動を補償するために、ＡＧＣ装置は自動的に利得を上げる。したがって、駆動制御ループの利得は、磁石の劣化の尺度として使用することができ、その磁石の劣化によってもたらされるスケールファクタの変化を補償するために使用することができる。使用時の駆動制御ループの利得を、較正時に得られた駆動制御ループの利得の基準値と比較することにより、基準値からの利得の変化を用いて、較正以降のスケールファクタの変化を計算することができる。

本開示のジャイロスコープは、ジャイロスコープのＱを独立して求めるので、Ｑの変動から生じる誘導型ジャイロスコープの１次駆動の変化を「打ち消す」ことが可能であり、１次駆動の残りの変化を磁石の劣化に帰することができ、この磁石の劣化を補償できるようにする。したがって、このプロセスにより、ジャイロスコープのスケールファクタを、磁石が経時劣化するに従って、その寿命全体を通して正確に、補償できるようになる。磁石の磁場強度のほとんどの変化は経年変化のプロセスによるものと予想されるが、磁場強度は、外部の磁場環境への暴露、激しい衝撃、またはその他の損傷などの他の要因によって影響を受ける可能性もあることを留意されたい。磁石を弱める変化はまた、駆動制御ループにおける利得の対応する増加をもたらすようになり、Ｑのいかなる変動にも無関係に、このシステムによって適切に補償されることになる。

本開示によって促進されるテスト手順は、ジャイロスコープを第２のモードに切り替えることによって実施され得る。これは、起動時（すなわち、ジャイロスコープの電源投入時）に行われてもよいが、追加として、または代替として、ジャイロスコープの通常の動作中に、ジャイロスコープが所定の期間にわたって第１のモードから第２のモードに切り替えられ、その後、第１のモードに切り替えられ戻るように、断続的に、例えば、周期的に実施されてもよい。

そのようないくつかの実施例では、コントローラは、ジャイロスコープの動作を第１のモードと第２のモードとの間で交互に行うように構成されている。そのような一組の実施例では、コントローラは、特定のデューティサイクルに従って、この交互の反復を実行する。言い換えれば、ジャイロスコープは、第１のモード（すなわち「通常」モード）でＸ％の時間にわたって動作し、第２のモード（すなわち「Ｑ測定」モード）で（１００－Ｘ）％の時間にわたって動作する。デューティサイクル（すなわちＸの値）は、ジャイロスコープの通常動作が実質的に妨げられずに確実に継続し得るように、すなわち、ある割合の動作時間がＱの測定に費やされても引き続き角速度の測定が可能になるように、必要に応じて選択することができる。

Ｑファクタの割り出しは、いくつかの実施例では、単一の割り出しステップで行われてもよいが、いくつかの実施例では、コントローラは、第２のモードでのＡＧＣ装置の複数の動作にわたってＱファクタを求めるように構成されている。コントローラは、少なくともいくつかのそのような実施例では、Ｑファクタを複数、連続して求めることにローパスフィルタなどのフィルタを適用してもよい。このようにして、いくつかのＱの測定値を平均化（または「平滑化」）することにより、Ｑのより良い推定値を得ることができる。

本開示は、開ループ及び閉ループのジャイロスコープシステムの両方に適用することができる。開ループシステムでは、センス電極（複数可）から取得される信号が角速度の尺度として使用される。閉ループシステムでは、ジャイロスコープは、１次センス電極に応じて１次駆動電極を制御する駆動制御ループをさらに含み得る。

本振動構造ジャイロスコープの駆動システムは、製品の耐用年数にわたって、異なる温度及び異なる動作条件にわたって、ジャイロスコープの振動構造の共振運動の正しい振幅を維持しようとするＡＧＣ装置を含むフィードバックループ（または「駆動制御ループ」）を含み得る。１次センス電極（１次ピックオフ電極とも呼ばれている）は、振動構造の運動から信号を生成する。必要なフィードバックを提供するために、駆動制御ループは、１次センス電極からの信号を測定し、１次駆動電極に比例信号を印加しなければならない。この増幅に必要な利得の量が、共振運動の所望の振幅を達成して維持するように、ＡＧＣによって調節されることになる。このように、ＡＧＣ装置は、好ましくは、安定した共振を維持するように利得を調節するものである。駆動制御ループはまた、少なくともいくつかの実施例では、１次駆動電極に提供される駆動信号の位相及び周波数を、共振構造の共振周波数と同じ位相及び周波数に維持するように構成された位相ロックループ（ＰＬＬ）をも含む。

駆動制御ループの利得は、もっぱら当技術分野で公知の、いくつかの異なる方法で測定することができる。例えば、ループの利得係数は、ＡＧＣまたは同様のものから導出され得る。これは、アナログ信号またはデジタル値として測定または出力され得る。したがって、ジャイロスコープが誘導型ジャイロスコープである一組の実施例では、次いで駆動制御ループの利得を表す信号を、磁石の劣化量の指標として用いることができ、ひいては磁石の劣化係数を生成するために（直接的または間接的に）用いることができる。

いくつかの実施例では、ジャイロスコープは、求められたＱファクタを受け取り、求められたＱファクタに基づいてスケールファクタ補正を出力するように構成された補償装置をさらに備える。そのような特定の一組の実施例では、スケールファクタ補正は、求められたＱファクタと、１次駆動電極に印加される駆動信号（すなわち１次駆動信号）とに基づき得る。

ジャイロスコープが誘導型ジャイロスコープであり、磁石の劣化係数が求められる一組の実施例では、磁石の劣化係数は、スケールファクタ補正を生成する際に補償装置によって使われることもあり、または磁石の劣化係数に基づいて追加のスケールファクタ補正を生成するのに使われてもよい。

一般に、温度はジャイロスコープの動作に影響を与え得る。スケールファクタならびに利得、駆動信号、及び／またはピックオフ信号もまた、温度によって変化し得る。したがって、補償装置は、温度依存性信号を（例えば温度センサから）受け取るように、かつ駆動システムからの信号と温度依存性信号との両方に基づいてスケールファクタ補正を出力するように、構成されてもよい。そのために、補償装置は、求められたＱファクタと温度依存性信号との両方（及び必要な場合には、任意選択でＢ場のスケールファクタ補正）に応じてスケールファクタ補正値を提供するように構成された好適な補償機構を含み得る。いくつかの実施例では、補償機構は、ルックアップテーブルまたは多項式を含む。温度依存性信号は温度センサによって提供されてもよいが、いくつかの実施例では、温度依存性信号は、ジャイロスコープによって生成される別の信号の温度依存性成分として抽出される。

本ジャイロスコープは、振動構造の振動をセンスするように構成され、かつセンスされた振動に基づいて角速度信号を出力するように構成されたセンシングシステムをさらに備えてもよく、この振動構造ジャイロスコープは、スケールファクタ補正を角速度信号に適用して、この振動構造ジャイロスコープの出力を提供するように構成されている。センシングシステムは、２次振動モード（これは、振動リングジャイロスコープでは、ジャイロスコープがｃｏｓ２θモードで動作している場合、通常は１次（駆動）振動モードに対して４５度の角度である）を検出するために用いられ、その振幅はジャイロスコープの回転速度に関係している。

本開示の別の態様によれば、ジャイロスコープを較正する方法であって、
上記のジャイロスコープを提供することと、
ジャイロスコープの起動プロセス中及び／または通常動作中にジャイロスコープのＱファクタを求めることと、
求められたＱファクタに基づいて、Ｑファクタからスケールファクタ補正の定量を可能にする情報を保存することと、を含む、方法が提供される。

この情報は、（提供されている場合には）補償装置に、またはメモリに、保存され得る。Ｑファクタを求めるステップは、温度の範囲にわたってＱファクタを求めることを含んでもよい。保存するステップは、ルックアップテーブルに情報を保存することを含んでもよい。

次に、限定されない実施例として、添付の図を参照しながら、１つ以上の非限定的な実施例を説明する。

誘導方式による振動構造ジャイロスコープの例示的な構成を示す図である。 本開示の実施例による、Ｑファクタを求めるように構成されたジャイロスコープの実施例を示す図である。 図２のジャイロスコープの単一サイクルにわたってシミュレートされた性能評価を示すグラフである。 図３のシミュレーションから求められたフィルタ処理されていないＱの推定値を示すグラフである。 毎サイクル、推定値がリセットされる、図３のシミュレーションから求められたフィルタ処理されているＱの推定値を示すグラフである。 推定値が複数のサイクルにわたってフィルタ処理される、図３のシミュレーションから求められたフィルタ処理されているＱの推定値を示すグラフである。

図１を参照すると、誘導方式による振動構造型リングジャイロスコープ１が示されている。リング状の共振器１０（すなわち共振構造）が、柔軟な支持脚（図示せず）によって支持フレーム１２に取り付けられている。この支持脚は、共振器１０の外周から支持フレーム１２まで延在し、共振器１０が１次振動モード及び２次振動モードで振動することを可能する。支持フレーム１２はガラス台座１４に取り付けられ、ガラス台座１４はガラス基板１６上に取り付けられている。

磁石アセンブリ１８が、下部磁極片２０と、上部磁極片２４と、下部磁極片２０と上部磁極片２４との間に設置された（または「挟まれた」）永久磁石２２とを備える。下部磁極片は共振器１０の下の基板１６に取り付けられ、上部磁極片２４はキャップとして形成され、そのキャップの縁は共振器１０の上に形成される。永久磁石２２によって生成された磁場が、共振器１０中に向けられる。

振動リング１０は、上部磁極片２４と下部磁極片２０との間に、これらの２つの磁極片の間に形成された磁場の中に置かれるように、設置されている。振動リング１０は、リング１０の半径方向外側の端部から支持フレーム１２まで延在する外部取り付け脚（図示せず）を介して、上記のように振動することができるように、取り付けられる。支持フレーム１２は、一般的にはガラス台座１４に取り付けられ、ガラス台座１４は、一般的にはガラス基板１６上に取り付けられる。

使用時には、磁束線がジャイロスコープ構造（すなわちリング１０）を通過する。ジャイロスコープ構造上には導電性のトラックが形成されている（通常は取り付け脚の１つを通った後に、リング構造の局所的な部分でループを作ってから、同じかまたは異なる取り付け脚に沿って戻る）。ジャイロスコープ構造上のこれらの導電性トラックをＡＣ電流が通り抜け、それによって対応する交流磁場が作り出される。この交流磁場と永久磁石との間の引力及び反発力により、ジャイロスコープ構造のうちに振動がもたらされる。代表的な一構成では、そのような８つのループが（直径に沿って対向するループをペアにして）４つのペアにされている。これらのペアは、１次振動モードを駆動すること、１次振動モードをセンス（すなわち「ピックオフ」）すること、２次振動モードをセンスすること、及び（閉ループ動作の場合）リング構造を駆動して２次振動モードを無効にすることに用いられる。

ジャイロスコープ１のスケールファクタは、磁石２２の磁場（または「Ｂ場」）の強さによって決まる。スケールファクタの変動は、１次駆動を用いて補償することができる。ただし、ジャイロスコープ１の１次駆動は、ジャイロスコープ１のＱファクタ（または「Ｑ」）と、磁石２２のＢ場の強さとの両方に影響される。１次駆動を用いて、Ｂ場の変化についてスケールファクタを適切に補償することができるためには、Ｑが既知である必要がある。

特定の振幅に対しての１次駆動レベルは、共振器の磁場強度及びＱの両方によって決まる。永久磁石の磁場強度（すなわちＢ場）が低下すると、一般に、結果として生じるスケールファクタの変化を補正するために必要な１次駆動レベルの増加をもたらすようになる。

ただし、Ｂ場はスケールファクタに直接関係するが、Ｑは関係しない。したがって、Ｂ場のスケールファクタ補正が機能するためには、Ｑの変動が特性化または測定のいずれかによって説明付けられなければならない。

ジャイロスコープ１のＱに関しては、これは短期と長期の両方で変動する可能性がある。Ｑに影響を与える可能性のある短期的要因としてはデバイスの温度が挙げられ、一方、長期的要因としてはデバイスの経年劣化が挙げられる。このＱの変化は、ジャイロスコープ１の性能に重大な悪影響を与え得る。

磁石２２が経年劣化するにつれて、その磁場強度もまた、一般に、時間とともにゆっくりと減衰するようになる。それによってジャイロスコープ１のスケールファクタ誤差が徐々に増加する。磁石２２の磁場強度の変化は短期的には小さいが（一般的には、高温などのかなり過酷な動作条件下でも、年間１００ｐｐｍ～１０００ｐｐｍの間）、この変化は時間の経過とともに蓄積されて、スケールファクタに大きく寄与することになり得る。例えば、一部のジャイロスコープは、２０年の耐用年数を有するように設計されている。このような時間スケールの間に、磁石の磁場強度の変化により、最大で約４％のスケールファクタ変化が生じ得る（磁場強度が２％変化すると、２次駆動及び１次ピックオフに対する複合効果により、スケールファクタが４％変化することになる）。高精度で高感度のジャイロスコープの場合、このスケールファクタの変化は大きな影響を与える可能性があり、一般的には、フィードバックループで制御される１次駆動を調節することにより、この変化を低減させることが望まれる。

１次駆動を磁石の劣化の尺度として用いるためには、１次駆動の変化が、どの程度までジャイロスコープ１のＱによるものかを知り、これらを磁石の劣化による変化から分離できるようにすることが重要である。

図２は、誘導方式による振動構造ジャイロスコープ３０を、その制御及び検出システムと共に示す。ジャイロスコープ３０の共振器１０及び磁石アセンブリ１８の物理的構造は、図１に示すとおりのものであってもよい。

駆動システム３１が、１次駆動電極（実際には、これは直径に沿って対向する電極対であり得る）に駆動信号Ｐ_Dを提供するように構成されている。駆動電極から共振器リング１０を９０度回った位置にある１次ピックオフ電極（１次センス電極）により、ピックオフ信号Ｐ_Pが生成される。ピックオフ信号Ｐ_Pは、増幅器３２によって増幅され、電圧制御発振器（ＶＣＯ）及び位相ロックループ（ＰＬＬ）回路３３に提供されており、この回路は、信号の位相及び周波数を調節して、１次振動モードを維持するように共振器１０の共振周波数にロックする。調節された１次駆動信号Ｐ_Dは、増幅器３５を通して１次駆動電極に提供されて、共振が維持される。ピックオフ信号Ｐ_Pは、共振の振幅が確実に維持されるように増幅器３５の利得を調節する自動利得制御（ＡＧＣ）回路３４にも並列に提供される。

ＡＧＣ３４の動作は、コントローラ４４によって制御される。このコントローラ４４は、個別のハードウェア装置であってもよく、または適切なプロセッサ上で動作するソフトウェアもしくはファームウェア（この目的に特化していてもよく、または、必要に応じて、ジャイロスコープの動作に関する他の１つ以上の機能を実行してもよい）によって実行されてもよい。具体的には、コントローラ４４は、ＡＧＣ３４を第１の「通常」動作モードと第２の「Ｑ測定」動作モードとの間で切り替えるように動作する。

その第１の、すなわち「通常」の動作モードでは、ＡＧＣ３４は、増幅器３２によって増幅された１次ピックオフ信号Ｐ_Pを受け取り、それを閾値と比較する。ピックオフ信号Ｐ_Pの大きさが閾値よりも小さい場合、ＡＧＣ３４はアンプ３５の利得を増加させ、一方、ピックオフ信号Ｐ_Pの大きさが閾値よりも大きい場合、ＡＧＣ３４はアンプ３５の利得を減少させる。それにより１次駆動信号Ｐ_Dの大きさが変化し、そのため共振器の振動の振幅が変化し、したがってピックオフ信号Ｐ_Pの振幅が変化する。このようにして、１次駆動制御ループ（増幅器３２、ＶＣＯ／ＰＬＬ３３、ＡＧＣ３４、及び増幅器３５を含む）は、共振器１０を共振させて適正な振幅の運動に維持するように、常に信号を調節する。

増幅器３２は、１次ピックオフ信号Ｐ_Pの振幅（具体的には、信号の「実」成分）を測定するものであり、そしてこの振幅が、「通常」及び「Ｑ測定」モードの両方で、ＡＧＣセットレベルの変化による１次振幅の変化を補償するための速度スケール生成に使われる。増幅器３２の出力は、以下に概説するように、速度出力を生成するサミングポイント３９に与えられる。

この速度信号は、２次ピックオフ電極及び増幅器４０から取得される２次ピックオフ信号Ｓ_Pを介して取得される。

２次ピックオフからの出力Ｓ_Pは、観測信号中の「実」成分及び「直交」成分の両方を含んでおり、これらの成分は、位相が直交しており、１次ループからの周波数入力によって求められる。「実」成分は、適用される実際の速度の望ましいジャイロスコープ出力を提供する。「直交」成分は、エネルギーを２次的運動に結合させるシステムの不完全さを通じて生成され、この直交（つまり９０°）成分は速度出力には寄与しない。

開ループの実施例では、増幅器４０の出力が復調器４２に通されて実成分が抽出され、それが速度出力として用いられる。図２に示すような閉ループの実施例では、増幅器４０の出力が復調器４３にも通されて、直交成分が抽出される。この実成分と直交成分とは、再結合され、増幅器４１を介して２次駆動信号Ｓ_Dを生成するのに用いられ、この２次駆動信号Ｓ_Dは、共振器１０の２次モードの運動を無効にするために２次駆動電極に印加される。そして、この運動を無効にするために必要な信号の実部の大きさが、速度出力（以下に、さらに詳しく概説するように、３９でスケールファクタ補正３７’によって補正されてもよい）として使用される。

ＡＧＣ３４の利得はまた、例えば、ルックアップテーブル、多項式、または他の任意の好適な補償機構であってもよい補償機構３８を実施する補償装置３６に提供される出力として提供される。補償装置３６は、コントローラ４４によって求められるＱに基づいてスケールファクタ補正３７を出力し、以下に概説するように、スケールファクタ補正３７をＡＧＣ３４に供給する。

補償装置３６（及び関連する補償機構３８）は、実際には、コントローラ４４の機能であってもよく、すなわち、単一のハードウェア装置（例えば、プロセッサ、マイクロコントローラ、または類似物）が、コントローラ４４及び補償装置３６の役割を果たしてもよいことが理解されよう。もちろん、システムの設計によっては、そうしないで、これらを別々の装置にしてもよい。しかしながら、説明及び参照を容易にするために、これらを図２では別個の機能ブロックとして示す。

第２の動作モード、すなわち「Ｑ測定」モードでは、ＡＧＣ３４の出力は、ＡＧＣ３４が、１次駆動信号Ｐ_Dのレベルを第１のモード中に使用される大きさの範囲外である所定の（すなわち固定の）レベルにセットするように、オーバライドされる。この第２の動作モードで実行されるステップを、以下に、さらに詳しく概説する。

ＡＧＣ３４は、温度変化などの他の動作条件を補償することもできることが理解されよう。例えば、補償装置３６は、温度依存的な入力を有することもあり、この特定の実施例では、この入力は、温度センサ５０から得られるが、温度依存的な成分を有する別の信号から抽出されてもよい。そのような実施例では、補償装置３６は温度をも考慮に入れる。例えば、補償機構３８は、温度依存的なスケールファクタ補正を提供することができる。補償機構３８がルックアップテーブルである場合には、このルックアップテーブルは、例えば、いくつかの異なる利得レベルのエントリを有することができ、各利得レベルについて、複数の温度のそれぞれに対してスケールファクタ補償出力を提供することができる。

本システムによれば、磁石２２が経年劣化及び／または性能低下しつつあるなかで、Ｑの変化にかかわらず、ジャイロスコープ３０のスケールファクタを製品の耐用年数全体を通して補正することができる。コントローラ４４によってＱが求められると、磁石の劣化によるスケールファクタの変化を補償するように、１次駆動信号Ｐ_Dに適切な変更が加えられ得る。

コントローラ４４によって求められたＱの大きさは、ジャイロスコープ３０の健全性監視として使用することもできる。具体的には、コントローラ４４は、ジャイロスコープ３０の全体的な健全性に関する情報を提供する健全性指標信号４５を出力してもよい。この指標信号４５は、Ｑが閾値を超えて悪化した場合に生成される警報信号（すなわちフラグ）であってもよく、及び／または特定のスケールに従って健全性を表示する好適なメトリック（例えば、Ｑから導出されるメトリック）を伝達してもよい。いくつかの構成では、健全性指標信号４５は、求められたＱ値そのものであってもよい。指標信号４５の状態は、例えば、ジャイロスコープ３０のメンテナンスまたは交換が必要かどうかを判断するのに使用することができる。

上記で概説したように、コントローラ４４がジャイロスコープ３０を第２の動作モード、すなわち「Ｑ計測」動作モードで動作させるとき、ＡＧＣ３４は、１次駆動信号Ｐ_Dのレベルを所定の固定値にセットする。コントローラ４４は、特定のデューティサイクルに従って、第１のモードと第２のモードとの間で動作を交互に切り替える。いくつかの実施例では、コントローラは、０．５～１．０秒の所定期間にわたって、ジャイロスコープ３０を第２のモードに切り替えてもよく、その所定期間の経過後に、１次ピックオフ電極（複数可）を用いて振動振幅の測定を行ってもよい。もちろん、必要に応じて、異なる期間を用いてもよいことが理解されよう。この所定期間の終わりに、コントローラ４４は、ジャイロスコープ３０を再び第１の（すなわち、通常の）動作モードに切り替え、その時点で、ＡＧＣ３４は、以前に概説した利得の制御に再び取り掛かる。

第２のモードでの動作を長くすることで、より正確にＱを測定することが可能になるが、第１のモードの範囲外での動作が長過ぎると過度の減衰が生じる可能性があり、それが第１のモードで行われる角速度の測定に影響を与えることが分かっている。したがって、一般に、コントローラ４４は、Ｑ測定値を経時的に平均してもよく、デューティサイクルは、通常の動作が実質的に妨げられずに継続できるように選択されてもよい。この動きを可能にする特定のデューティサイクルは、例えば、実際に使用されているデバイス、ならびにその材料及び構造特性によって決まり得る。

図２に見られるように、コントローラ４４は、ＡＧＣ３４に接続されており、ＡＧＣ３４の出力を所望のレベルにセットするコマンドを、ＡＧＣ３４に発行することができる。これは、必要に応じて、アナログ制御信号またはデジタル制御信号であってよい。ＡＧＣ３４のレベルは、通常の動作範囲の範囲外（すなわち、第１のモードで使用される上限及び下限によって範囲を定められた値の範囲の範囲外）の値にセットされる。この固定のレベルは上限よりも大きいこともあり得るが、この特定の実施例では、この固定レベルは下限よりも小さい（ゼロであってもよい）。

この１次駆動信号Ｐ_Dのレベルの段階的変化により、共振構造１０（すなわちシリコンリング）の共振が引き起こされる。コントローラ４４は、結果として生じる共振の振幅を経時的に測定するように構成されている。この特定の実施例では、コントローラ４４は、増幅器３２の出力に接続されており、したがって（すなわち、センスもしくはピックオフまたは「センス」電極からの）１次ピックオフ信号Ｐ_Pの増幅されたバージョンを受け取る。所定期間の終わりに、１次ピックオフ信号Ｐ_Pから振動振幅ｕ（ｔ）が測定される。

ＡＧＣ３４の出力が所定のレベルにセットされている所定の期間全体を通して、コントローラ４４は、振動サイクルの発生した回数Ｎをカウントする、すなわち、その期間中の１次ピックオフ信号Ｐ_Pに「パルス」がいくつ存在するかをカウントする。

コントローラ４４は、以下にさらに詳しく説明するように、測定された振動振幅ｕ（ｔ）及び振動サイクル数ＮからＱを求め、その求められたＱを補償装置３６に供給する。

振動の振幅ｕ（ｔ）は、以下の式１の式によって与えられ得ることが理解されよう。

式１：振動振幅ｕ（ｔ）
上式で、ｕ（ｔ）は時刻ｔでの振動振幅、Ｕ０は初期振幅、ωは振動の角周波数、Ｑはジャイロスコープ３０のＱファクタ、φは位相オフセットである。

サイクル数Ｎは、以下の式２によって与えられる。

式２：振動回数Ｎ
上式で、Ｎは振動回数、ｔは時間、Ｔは以下の式３のとおり、振動の周期である。

式３：振動周期Ｔ
そして、コントローラ４４は、式１に式２及び式３を代入することで、所定期間中の振動振幅ｕ（ｔ）及び振動サイクル数Ｎから、ジャイロスコープ３０のＱを求めることができる。Ｑを解くために並べ変えて式を簡略化すると、以下の式４になる。

式４：振動振幅及び振動回数の関数としてのジャイロスコープ３０のＱファクタ
上記で概説したように、求められたＱは、コントローラ４４によって補償装置３６に供給される。補正機構３８を用いることで、補償装置３６は、コントローラ４４によって供給される求められたＱファクタから、スケールファクタ補正３７を計算する。このスケールファクタ補正３７はＡＧＣ３４に供給され、ＡＧＣ３４は、１次駆動増幅器３５の利得を変調することにより、１次駆動信号Ｐ_Dのレベルを適切に調節する。

追加として、または代替として、図２の３６と３９との間の破線によって示すように、スケールファクタ補正３７’を３９で速度信号に適用して、ジャイロスコープ３０の補正された速度出力（図２の「速度」）を提供してもよい。これは、スケールファクタを適用するより「直接的な」方法であり、ＡＧＣ３４にスケールファクタを供給することの代わりに用いることができる。両方のアプローチを組み合わせて使用することもできるが、これは、ＡＧＣ３４で行われる変更が３９での入力に影響を与え、そのため３９で適用される補償は、ＡＧＣ３４で適用される補償を考慮したものでなければならず、逆の場合も同様であるため、より複雑になる可能性がある。

本開示の実施例による、そのＱファクタを求めるように構成されたジャイロスコープのシミュレートした性能を、図３～図６に関して以下に概説する。図３～図６の全体を通して、種々のプロット図は、本開示の実施例によるジャイロスコープのシミュレートされた動作を示す。

図３～図６は、図２のジャイロスコープ３０のシミュレートされた性能評価を示すグラフである。図３は、変調処理の実施例を示しており、ここで上段のプロット図は１次駆動（Ｐ_D）信号、下段のプロット図は１次ピックオフ（Ｐ_P）信号を示す。

図３に見られるように、コントローラ４４は、初めにジャイロスコープを第１の通常モードで動作させ、１次駆動信号Ｐ_Dは、ＡＧＣ３４によって制御された振幅で印加され、これは図３の上段のプロット図にパルスとして示されている。断続的に、コントローラ４４はジャイロスコープを第２のモードに切り替えてＱを測定し、ＡＧＣ３４は１次駆動信号Ｐ_Dの振幅をゼロにセットする。

第２のモードに入ると、図３の下段のプロット図に見られるように、１次ピックオフ信号Ｐ_Pが減衰し始める。コントローラ４４は、前に概説したように、振動振幅及び振動回数を測定し、図４のグラフに示すように、フィルタ処理されていないＱの推定値を求める。これらのＱの推定値は、各サイクルの間中に実際の値に近づく傾向があるが、ノイズの影響を受ける。

好適なフィルタを使用してサイクルにわたってＱの推定値を平均することにより、コントローラ４４は、図５に示すように、フィルタ処理されたＱの推定値を取得する（Ｑの推定値は各サイクルの後にリセットされる）。複数のサイクルにわたって連続的にフィルタ処理することにより、Ｑの推定値は、図６のグラフに見られるように、時間とともに特定の値になる傾向がある。

このように、本開示の実施例は、サイクルの一部の間ＡＧＣをオーバライドし、ピックオフ電極からセンスされた信号に関連する結果として生じる振動振幅及び振動回数を観測することによってＱを測定することができる、改良されたジャイロスコープ及びその動作方法を提供していることが理解されよう。これにより、有利にも、通常の動作中にＱを測定できるようになる可能性があり、それと同時に今までどおり角速度を求めることができ、そのうえ、Ｑの変動による１次駆動の変化への寄与を磁石の劣化に起因する変動から分離できるようになるので、その磁石の劣化に起因するスケールファクタの変化を適宜に補償することができる。本開示は、有利にも、デバイスの故障前にジャイロスコープのメンテナンスまたは交換を行うことができるように、ジャイロスコープの全体的な健全性を監視する機構を提供することもできる。

このプロセスとは別に、またはこのプロセスに加えて、同様に補償することができる他のスケールファクタ誤差の原因が存在することを理解されたい。

Claims (14)

1. 振動構造ジャイロスコープであって、
   １次駆動電極からの刺激を受けて振動するように構成された共振構造と、
   前記振動構造を共振周波数で振動させるように構成された駆動システムであって、前記駆動システムが、前記振動構造に運動を誘導するように構成された前記１次駆動電極と、前記振動構造の運動をセンスするように構成された１次センス電極とを備える、前記駆動システムと、
   前記１次駆動電極に印加される駆動信号の振幅を変化させるように構成された自動利得制御装置と、
   前記ジャイロスコープを動作させるように構成されたコントローラであって、
   第１の動作モードでは、前記自動利得制御装置が、下限と上限とによって定義される動作範囲の間で前記駆動信号の振幅を変化させること、及び
   第２の動作モードでは、前記自動利得制御装置が、前記駆動信号の前記振幅を前記動作範囲の範囲外である所定のレベルにセットすること、
   を行うように前記ジャイロスコープを動作させる、前記コントローラと、
   を備え、
   前記ジャイロスコープが前記第２の動作モードで動作しているとき、前記コントローラが、
   所定期間の経過後に、前記１次センス電極からのセンス信号の振幅を測定すること、
   前記所定期間中の振動サイクル数を求めること、及び
   前記測定した振幅と前記振動サイクル数とから前記ジャイロスコープの品質係数を求めること、
   を行う、振動構造ジャイロスコープ。
2. 前記第２のモードで前記振幅にセットされる前記所定のレベルは、前記下限よりも小さく、任意選択で前記所定のレベルはゼロである、請求項１に記載の振動構造ジャイロスコープ。
3. 前記共振構造は、実質的に平面のリング構造を含む、請求項１または請求項２に記載の振動構造ジャイロスコープ。
4. 前記共振構造はシリコンを含む、請求項１～３のいずれかに記載の振動構造ジャイロスコープ。
5. 誘導型ジャイロスコープを備える、請求項１～４のいずれかに記載の振動構造ジャイロスコープ。
6. 永久磁石を備えており、前記共振構造が、前記永久磁石の磁場の中に配置される、請求項５に記載の振動構造ジャイロスコープ。
7. 前記コントローラは、前記ジャイロスコープの動作を前記第１のモードと前記第２のモードとの間で交互に行うように構成されている、請求項１～６のいずれかに記載の振動構造ジャイロスコープ。
8. 前記コントローラは、前記第２のモードでの前記ＡＧＣ装置の複数の動作にわたって前記Ｑファクタを求めるように構成されている、請求項７に記載の振動構造ジャイロスコープ。
9. 前記コントローラは、前記Ｑファクタを複数、連続して求めることにフィルタを適用して、フィルタ処理されたＱファクタ推定値を生成するように構成されている、請求項８に記載の振動構造ジャイロスコープ。
10. 前記自動利得制御装置と、前記１次駆動電極に提供される前記駆動信号の位相及び周波数を、前記共振構造の前記共振周波数と同じ位相及び周波数に維持するように構成された位相ロックループとを含む駆動制御ループを備える、請求項１～９のいずれかに記載の振動構造ジャイロスコープ。
11. 前記求められたＱファクタを受け取り、前記求められたＱファクタに基づいてスケールファクタ補正を出力するように構成された補償装置を備える、請求項１～１０のいずれかに記載の振動構造ジャイロスコープ。
12. 前記振動構造の前記振動をセンスするように構成され、かつ前記センスされた振動に基づいて角速度信号を出力するように構成されたセンシングシステムを備えており、
    前記振動構造ジャイロスコープが、前記スケールファクタ補正を前記角速度信号に適用して、前記振動構造ジャイロスコープの出力を提供するように構成されている、請求項１～１１のいずれかに記載の振動構造ジャイロスコープ。
13. 振動構造ジャイロスコープの作動方法であって、前記振動構造ジャイロスコープが、
    １次駆動電極からの刺激を受けて振動するように構成された共振構造と、
    前記振動構造を共振周波数で振動させるように構成された駆動システムであって、前記駆動システムが、前記振動構造に運動を誘導するように構成された前記１次駆動電極と、前記振動構造の運動をセンスするように構成された１次センス電極とを備える、前記駆動システムと、
    前記１次駆動電極に印加される駆動信号の振幅を変化させるように構成された自動利得制御装置と、を備えており、
    前記方法が、
    前記ジャイロスコープを、
    第１の動作モードでは、前記自動利得制御装置が、下限と上限とによって定義される動作範囲の間で前記駆動信号の振幅を変化させること、及び
    第２の動作モードでは、前記自動利得制御装置が、前記駆動信号の前記振幅を前記動作範囲の範囲外である所定のレベルにセットすること、を行うように動作させることを含み、
    前記ジャイロスコープを前記第２の動作モードで動作させるとき、前記方法が、
    所定期間の経過後に、前記１次センス電極からのセンス信号の振幅を測定すること、
    前記所定期間中の振動サイクル数を求めること、及び
    前記測定した振幅と前記振動サイクル数とから前記ジャイロスコープの品質係数を求めること、
    をさらに含む、方法。
14. ジャイロスコープの較正方法であって、
    上記のジャイロスコープを提供することと、
    前記ジャイロスコープの起動プロセス中及び／または通常動作中に前記ジャイロスコープのＱファクタを求めることと、
    前記求められたＱファクタに基づいて、前記Ｑファクタからスケールファクタ補正の定量を可能にする情報を保存することと、
    を含む、方法。

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