JP4620055B2 - コリオリの角速度計を用いて回転速度／加速度を測定する方法およびこの目的に適ったコリオリの角速度計 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、回転速度コリオリ角速度計を用いる加速度の測定方法およびこの目的に適ったコリオリの角速度計に関する。

コリオリの角速度計（振動ジャイロともいう）は、ナビゲーションを目的としてますます広範囲で使用されている。コリオリの角速度計は、振動する質点系を有している。質点系は、一般的に、最初は相互に独立している、多数の振動モードをそれぞれ有している。コリオリの角速度計を操作するためには、質点系の特定の振動モードを人工的に励起する。このことを、以下の文章では、「励起振動」と呼ぶ。コリオリの角速度計が回転する場合、コリオリの力が生じる。これらのコリオリの力は、質点系の励起振動(以下の文章では「読み取り振動」と呼ぶ)からエネルギーを取り出し、質点系の更なる振動モードへ転送する。コリオリの角速度計の回転を決定するために、読み取り振動をタップオフし、相当する読み取り信号を調べて、コリオリの角速度計の回転の指標である読み取り振動の振幅に変化が生じたかどうかを判定する。コリオリの角速度計は、開ループ系としても、閉ループ系としても実現することができる。閉ループ系では、各制御回路を介して、読み取り振動の振幅を、継続的に固定値（好ましくは０）にリセットし、リセット力を測定する。

コリオリの角速度計の質点系（以下の文章では、「共振器」とも呼ぶ）は、この場合、様々な方法で設計されていてもよい。例えば、一体型に形成された質点系を用いることも可能である。あるいは、質点系を、バネ系を介して相互に結合し、相互に相対運動を行える２つの発振器に分割することも可能である。特に、２つの線形発振器からなる結合系を備える線形二重発振器系では、高い測定精度を達成することができる。二重発振器系では、２つの線形発振器を相互に結合するバネ系は、通常、２つの線形発振器が第１振動軸に沿って振動でき、このとき、第２発振器は第１振動軸に対して直角である第２振動軸に沿ってさらに振動できるように設計されている。この場合、第２振動軸に沿った第２発振器の動きは、読み取り振動とされ、第１振動軸に沿った第１発振器および第２発振器の動きは、励起振動とされる。

線形二重発振器系の欠点は、第１振動軸に沿った２つの線形発振器の振動が角速度計フレームへ振動または影響する可能性がある点である。この場合、「角速度計フレーム」を機械的な非振動構造と解釈する。この構造では、発振器が例えばシリコンウエハーの非振動部分に「埋設」されている。角速度計フレームへの振動または影響は、発振器の動きに対する妨害（例えば、減衰効果）となる可能性がある。したがって、例えば、第１発振器および第２発振器の第１振動軸に沿った振動は、第１振動軸に沿って作用する外部の振動および加速度によって妨害される可能性がある。これと同様に、第２振動軸の方向に作用する外部の振動および加速度は、この振動軸に沿った第２線形発振器の振動を妨害する可能性がある。このことにより（具体的には、上記の全ての他の生じた妨害影響と同様に）、測定される回転速度が正しくなくなる。

本発明の目的は、上記の妨害の影響の結果として、読み取り振動の、すなわち、第２振動軸の方向の第２線形発振器の振動が妨害されるのを、大幅に回避するために使用する角速度計を提供することである。

この目的を達成するために、本発明は、特許請求項１に記載のコリオリの角速度計を提供する。さらに、本発明は、回転速度コリオリの角速度計を用いて加速度／回転速度を測定する、特許請求項７に記載の方法を提供する。本願の発明の有利な発展形態および開発形態は、独立請求項に記載されている。

本発明のコリオリの角速度計は、第１および第２共振器を備え、上記第１および第２共振器は、第１および第２線形発振器からなる結合系としてそれぞれ形成されており、上記第１共振器と上記第２共振器とが機械的に／静電的に接続／結合されていることにより、これらの２つの共振器は共通の振動軸に沿って相互に逆位相に振動可能である。

したがって、本発明のコリオリの角速度計は、２つの二重発振器系（すなわち２つの共振器）または４つの線形発振器を有する１つの質点系を備えている。この場合、２つの共振器の相互に逆位相の振動は、２つの共振器が適切に設計されている場合は質点系の重心を維持し続ける。その結果、この質点系の振動は、減衰／反映の形の妨害となるであろう外部の振動を生成できない。さらに、共通の振動軸の方向の外部の振動および加速度は、共通の振動軸に沿って生じる２つの共振器の逆位相運動に対して、影響を及ぼさない。

第１共振器と第２共振器との結合を、第１共振器と第２共振器とを接続している例えばバネ系を介して行える。あるいは、第１共振器と第２共振器とを、静電場を介して結合することもできる。上記２つの結合の仕方を別々に使用しても、組み合わせて使用してもよい。例えば２つの共振器が１つの共通の基板に形成されている場合は充分である。その結果、共通の基板によって当然生じる機械的な接続が機械的な結合となる。

第１および第２共振器は、質量および形状が同じであるように構成されていることが好ましい。この場合、２つの共振器を、共通の振動軸に対して垂直である対称軸に対して、相互に軸対称に配置することができる。すなわち、第１共振器は対称軸で第２共振器に転写される。しかしながら、本発明はこれに制限されておらず、２つの共振器の形状が異なるように形成されていても、その質量が同じ場合は充分である。

既述のように、結合された共振器は、１つの共振器の２つの線形発振器が第１振動軸に沿って逆位相に振動でき（励起振動）、第２線形発振器が、第２振動軸に沿ってさらに振動できる（読み取り振動）ように設計されている。第１および第２振動軸が相互に垂直であり、２つの共振器が第１振動軸（共通の振動軸）に沿って相互に逆位相に振動する場合は、第２発振器は、コリオリの角速度計の回転時に対向する方向へ転向される（逆位相転向）。これに対し、コリオリの角速度計の加速時には、第２線形発振器は、同じ方向へ転向される（同相転向）。このことにより、加速度または回転を選択的に測定することができる。同相振動を評価することにより、加速度が測定され、逆位相振動を評価することにより回転速度が測定される。「同相」および「逆位相」という用語は、以下のことを意味している。つまり、座標の励起方向をｘで、読み取り方向をｙとする場合、同相振動に対してはｘ１＝ｘ２，ｙ１＝ｙ２が当てはまり、逆位相振動に対してはｘ１＝−ｘ２，ｙ１＝−ｙ２が当てはまることを意味している（ただし、指数「１」は第１発振器を示し、指数「２」は第２発振器を示す）。

したがって、本発明は、回転速度および加速度を、選択的に、または、同時に測定する方法を提供する。この方法では、第１および第２共振器を備え、上記第１および第２共振器が第１および第２線形発振器からなる結合系として形成されている回転速度コリオリの角速度計が用いられる。また、この方法では、判定される回転速度は、上記第２発振器の転向をタッピングおよび評価することによって決定されるものである。

この方法は、上記２つの共振器を共通の振動軸に沿って相互に逆位相に振動させる工程と、上記第２共振器の上記転向を相互に比較して、測定される回転速度の指標である逆位相転向成分、および／または、測定される加速度の指標である共通の同相転向成分を判定する工程と、上記逆位相転向成分／同相転向成分から測定される回転速度／加速度を計算する工程とを含んでいる。

共通の同相転向成分を、以下のように判定することが好ましい。すなわち、第１共振器中で生じる第１直交バイアスと、第２共振器中で生じる第２直交バイアスとを決定する。次に、第１および第２直交バイアスを加算および除算し、共通の直交バイアス成分(同相成分)と異なる直交バイアス成分(逆位相成分)とを決定する。共通の直交バイアス成分は、測定される加速度に比例しており、共通の同相転向成分に相当している。異なる直交バイアス成分（差分）は、逆位相転向成分に相当している。したがって、異なる直交バイアス成分により、回転速度と加速度とを同時に測定することができる。

上記加速度測定原理をよりよく理解するために、以下の文章では、線形二重発振器系の例を参考にして、コリオリの角速度計の物理的基本をもう一度短く説明する。

一般的に、コリオリの角速度計は、直交バイアス、すなわちゼロエラーを有している。この場合、直交バイアスは、複数の直交バイアス成分からなる。この直交バイアス成分の１つは、第１および第２線形発振器の相互のアライメントエラーによって生じる。これらのアライメントエラーは、製造ばらつきによるもので避けられない。２つの発振器のアライメントエラーは、測定される回転速度信号においてゼロエラーを生成する。

コリオリの力は、

である。

コリオリの力に反応する質量と、振動する質量とが同じであり、発振器が固有周波数ωによって駆動される場合は、

が当てはまる。

発振器速度は

である。

したがって、発振器加速度およびコリオリ加速度には

が当てはまる。

２つの加速ベクトルは、空間的に相互に垂直になっており、時間関数において相互に９０度オフセットされている（空間的および時間的な直行性）。

これらの２つの条件を使用して、発振器加速度ベクトルａ_ｓを、コリオリ加速度ベクトルａ_ｃ発振器加速度から分離できる。上記加速度振幅ａ_ｃ・ａ_ｓの比率は
ａ_ｃ／ａ_ｓ＝２Ω／ω（５）
となる。

回転速度Ω＝５°／ｈおよび発振器の固有周波数ｆ_ｓ＝１０ＫＨｚに対しては
ａ_ｃ／ａ_ｓ＝７．７・１０^−１０（６）
となる。

５°／ｈの精度に対して、第１発振器と第２発振器との望ましくない連結は、７．７・１０^−１０以下であるか、または、この値で一定になっている必要がある。バネ素子を介して相互に結合されている２つの線形発振器からなる質点系を使用する場合に、空間的な直交性の精度は、振動モードと測定モードとの間のバネ素子のアライメントエラーにより制限される。達成可能な精度（製造ばらつきにより制限される）は、１０^−３〜１０^−４である。時間的な直交性の精度は、電子装置の位相精度により例えば１０ＫＨｚに制限されており、同じく１０^−３〜１０^−４以下にしか維持され得ない。その結果、加速度比率は、上記定義で規定できなくなる。

現実的には、測定される加速度比率のエラーａ_ｃ／ａ_ｓは、
ａ_ｃ／ａ_ｓ＝１０^−６〜１０^−８（７）
となる。

空間的なエラーは、時間的なフェーズエラーΔφを用いてバイアスＢが得られる、いわゆる直交バイアスＢ_Ｑとなる。
Ｂ_Ｑ＝６．５・１０^６°／ｈ〜６．５・１０^５°／ｈ
Δφ＝１０^−３〜１０^−４（８）
Ｂ＝Ｂ_Ｑ・Δφ＝６．５００°／ｈ〜６５°／ｈ
したがって、直交バイアスは測定精度を大幅に制限する。この場合、上記誤り解析は、振動モードから読み取りモードへの直接の結合のみを考慮するものであることが分かる。例えば他の振動モードとの結合によって生じる他の直交バイアス成分は残ったままである。

コリオリの角速度計が、第１発振器が第１バネ素子を介してコリオリの角速度計の角速度計フレームに接続されており、各第２発振器が第２バネ素子を介して各第１発振器と接続されるように設計されている場合は、測定される加速度は、第２発振器に対する第１発振器の相互アライメントの変化を引き起こす。この変化は、特に、第２バネ素子のアライメントの変化において顕著である。第２バネ素子のアライメント変化は、この場合、「不自然な」直交バイアス成分、すなわち直交バイアス信号における「エラー」を生成する。したがって、直交バイアスを決定することで、対応する「不自然な」直交バイアス成分を引き起こした測定される加速度も間接的に推定できる。

第１および第２バネ素子は、相互に垂直に配置されていることが好ましい。バネ素子の形状は任意である。

「第１直交バイアス」および「第２直交バイアス」を、それぞれ、１つの共振器の総合直交バイアスであると解釈することが好ましい。しかしながら、本発明の加速度測定方法では、各共振器で、直交バイアス成分を１つずつ判定することもできる。この場合は、判定された直交バイアス成分が、測定される加速度または測定される回転によって引き起こされる成分を少なくとも有している必要がある。

コリオリの角速度計は、第１共振器において生じる第１回転速度信号および直交バイアス信号と、第２共振器において生じる第２回転速度信号および直交バイアス信号と、を判定するための装置を備えていることが好ましい。さらに、コリオリの角速度計は、角速度計フレームに対する第１バネ素子のアライメント角度を変更でき、および／または、第１発振器に対する第２バネ素子のアライメント角度を変更できる静電場を生成する装置を備えていてもよい。適切な制御ループを備えることにより、静電場のアライメント／強度を、第１および第２直交バイアスがそれぞれ最小となるように制御できる。計算ユニットを用いて、第１および第２回転速度信号／直交バイアス信号から回転速度を判定し、第１および第２直交バイアスを補償する静電場の同相成分から、測定される加速度を推定できる。

つまり、直交バイアスは、発生場所で排除されていることが好ましい。すなわち、２つの発振器の相互の機械的なアライメントエラー、 および、測定される加速度／回転によって引き起こされる、２つの発振器の相互のアライメントの変化は、１つの発振器または２つの発振器に対して作用し、静電場によって生成される静電力によって補償される。このような直交バイアス補償の利点は、回転速度と加速度との双方をより高い測定精度で判定できる点である。

特に好ましい実施形態では、第１および第２バネ素子のアライメントが相互に直交になるように、第１および第２バネ素子のアライメント角度を電場により変更する。このような直交化を行う場合は、これによって生成される直交バイアス（成分）が補償される。直交性に対するエラー角度は、直交バイアスに対する他の寄与分によって、総合直交バイアスが消滅するように調節される。第１発振器に対する第２バネ素子のアライメント角度は、静電場によって変更され、コリオリの角速度計の角速度計フレームに対する第１バネ素子のアライメント角度は、変更されないことが好ましい。しかしながら、静電場は、第１バネ素子のアライメント角度のみを変更することも、第１および第２バネ素子の双方のアライメント角度を変更することもできる。

本発明のコリオリの角速度計の特に好ましい形態は、結合された２つの第１（線形）発振器（「サブ共振器」）からなるシステムとして実現されており、これらの第１発振器が逆位相に励起され、第２線形読み取り発振器をそれぞれ備えている、（「総合」）共振器と、上記結合された２つの第１発振器の第２（読み取り）発振器に対するアライメントを変更するために用いられる少なくとも１つの静電場を生成するための装置と、２つの発振器の励起発振器に対するアライメントエラーと他の結合メカニズムとに起因する読み取り発振器の直交バイアスを判定するための装置と、少なくとも１つの静電場の強度を、この静電場の強度に対応する少なくとも１つの制御信号を用いて、それぞれ、判定される直交バイアスが最小となるように制御する制御ループと、少なくとも１つの制御信号の差分および合計をその都度形成し、差分および合計から回転速度および加速度を判定する計算ユニットとを備えている。

基本的に、判定された直交バイアスのみに基づいて加速度または回転速度を計算することができる。すなわち、直交バイアスを判定するために、第１および第２直交バイアスを必ずしも補償する必要はない。しかしながら、測定精度のためには上記第１および第２直交バイアスを補償することが推奨される。なぜなら、位相許容範囲により、回転速度および直交は、相互に混合されているからである。本発明は、２つの選択肢を有している。

共振器において、それぞれ第２発振器を、第１発振器に、「一方から」固定する／押さえつけることが有利だと証明された。「一方から押さえつける」とは、ここでは、文言どおりにも一般的な意味にも解釈できる。一般的に、「一方から」固定するまたは押さえつける、とは、第１発振器から第２発振器へ、本質的には第１発振器の１つの「側面」から力を加えることを意味している。また、発振器系の構成が、第２発振器が第１発振器によって囲まれており、第２バネ素子によって第１発振器に接続されているとすれば、一方から押さえつけるまたは固定する、とは、第１発振器が第２バネ素子を用いて第２発振器を交互に「押す」または「引く」ことにより、第２発振器を第１発振器の動きに再調整することを示唆している。

第１発振器に対して第２発振器を一方から押さえつけることの利点は、静電力が第２発振器に作用する場合に生じる第２発振器のアライメント変化／ポジション変化によって第２バネ素子を簡単に曲げることができるので第２バネ素子の対応するアライメント角度を簡単に変更できる点である。例えば、第１発振器の動作と同時に第２発振器が第２バネ素子によって「引かれ」および「押され」るように、第２発振器に第２バネ素子がさらに取り付けられているとすれば、第２発振器が第１発振器に「二方から」押さえつけられるまたは固定されることとなる（第１発振器の対向する２つの側面から第２発振器への力の導入）。この場合、他の第２バネ素子が、静電場を印加するときに、対応する拮抗力を生成し、その結果、上記第２バネ素子のアライメント角度を変更しにくくなる。しかしながら、上記他の第２バネ素子がこれらバネ素子の影響を受けにくいように設計されており、全てのバネ素子がここでも簡単に曲げることができる場合、すなわち、実際には一方から押さえつけられていることと同義である場合には、二方から押さえつけるということも可能である。発振器構造の設計に応じて、更なる第２バネ素子の「影響」（力の導入）が４０％以下である場合には、一方から押さえつけることが効果的である。しかしながら、この値は、本発明を制限するものではなく、第２バネ素子の影響が４０％を上回っていることも考えられる。一方からの押さえつけは、例えば、第２発振器を第１発振器と接続している全ての第２バネ素子が一平面に相互に平行に配置されているように実現できる。第２バネ素子の全ての始点および終点は、それぞれ、第１または第２発振器の同じ側に固定されている。この場合、第２バネ素子の始点および終点は、それぞれ、第２バネ素子を直角に交差する共通の軸上にあることが好ましい。

第２発振器が第１発振器に一方から固定されているまたは押さえつけられている場合には、第１バネ素子は、第１発振器が角速度計フレームに二方から（ここでは「一方から」および「二方から」という概念は同じように使用される）押さえつけるように設計されていることが好ましい。しかしながら、上記のような設計の代わりに、第１バネ素子は、第１発振器を一方から押さえつけるようにも設計される。例えば、第１発振器をコリオリの角速度計の角速度計フレームに接続する全ての第１バネ素子が一平面に相互に平行に配置されていてもよく、この場合は、第１バネ素子の始点および終点は、それぞれ、共通軸上にあることが好ましい。同じく、第１発振器が角速度計フレームに一方から押さえつけられ、かつ、第２発振器が第１発振器によって二方から押さえつけられるように、バネ素子を設計することもできる。２つの発振器を二方から押さえつけることもできる。直交バイアス補償のために、２つの発振器の少なくとも１つが一方から押さえつけられていることが有利であると証明された。

以下で、例示的実施形態の図を参考にして本発明を詳しく説明する。

図１は、第１発振器を励起する役割を果たす制御ループに相当する２つの線形発振器からなる質点系の一実施形態を示す図である。図２は、回転速度Ωおよび直交バイアスＢ_Ｑに対する測定ループおよび制御ループと、直交バイアスＢ_Ｑを補償するための補助制御ループとに相当する２つの線形発振器からなる質点系の一実施形態を示す図である。図３は、回転速度Ωおよび直交バイアスＢ_Ｑに対する測定ループおよび制御ループと、直交バイアスＢ_Ｑを補償するための補助制御ループとに相当する４つの線形発振器からなる本発明の質点系の概略図である。図４は、図３に示す制御系の好ましい実施形態を示す図である。

図１は、対応する電極を有する線形二重発振器１の概略的構成、および、線形二重発振器１の評価／励起電子装置２のブロック図を示す。線形二重発振器１は、エッチングプロセスによってシリコンウエハーから生成され、第１線形発振器３と、第２線形発振器４と、第１バネ素子５_１〜５_４と、第２バネ素子６_１・６_２と、中間フレームの一部７_１・７_２と、角速度計フレーム７_３・７_４とを備えていることが好ましい。第２発振器４は、振動可能なように第１発振器３の内側に配置されており、第２バネ素子６_１・６_２を介して第１発振器３に接続されている。第１発振器３は、第１バネ素子５_１〜５_４を介して角速度計フレーム７_３・７_４と接続されており、中間フレーム７_１・７_２と接続されている。

さらに、第１励起電極８_１〜８_４と、第１読み取り電極９_１〜９_４と、第２励起電極１０_１〜１０_４と、第２読み取り電極１１_１〜１１_２とが備えられている。全ての電極は、角速度計フレームと機械的に接続されているが、電気的に絶縁されている。「角速度計フレーム」を、シリコンウエハーの非振動性の部分に発振器が「埋設」されている、機械的な非振動性の構造と解釈する。

第１発振器３が、第１励起電極８_１〜８_４によって、Ｘ１方向に振動励起される場合、この動きは、第２バネ素子６_１・６_２を介して、第２発振器４へ転送される（交互の「引き」および「押し」）。第１バネ素子５_１〜５_４が垂直に配置されているので、第１発振器３は、Ｘ２方向に動けない。しかしながら、第２バネ素子６_１・６_２は水平に配置されているので、第２発振器４により垂直な振動が行われる。したがって、相当するコリオリの力が生じる場合には、第２発振器４は、Ｘ２方向に振動励起される。

読み取り信号は、第１読み取り電極９_１〜９_４によって読み出され、第１発振器３のＸ１方向の振幅／周波数に比例しており、適切な増幅素子２１・２２・２３を介して、アナログ／デジタル変換器２４へ供給される。アナログ／デジタル変換器２４から出力される適切にデジタル化された出力信号は、第１復調器２５と第２復調器２６との双方を介して、適切な出力信号に復調される。この場合、２つの復調器は、相互に９０°シフトされて作動する。第１復調器２５の出力信号は、励起振動（Ｘ１方向における質点系１の振動）の周波数を制御するための第１制御器２７に供給される。第１制御器２７の出力信号は、周波数生成器３０を制御することにより、復調器２５の後に生じる信号をゼロに制御する。これと同様に、第２復調器２６の出力信号は、エレクトロニクスコンポーネント２９により予め決められている一定の値に制御される。第２制御器３１は、励起振動の振幅を制御する役割を果たす。周波数生成器３０と振幅制御器３１との出力信号は、乗算器３２によって相互に乗算される。乗算器３２の出力信号は、第１励起電極８_１〜８_４に印加される力に比例しており、デジタル力信号からデジタル電圧信号を生成する第１力／電圧変換器３３と第２力／電圧変換器３４との双方に入力される。力／電圧変換器３３・３４のデジタル出力信号は、第１および第２デジタル／アナログ変換器３５・３６を介して、相当するアナログ電圧信号に変換される。次に、このアナログ電圧信号は、第１励起電極８_１〜８_４に入力される。第１制御器２７と第２制御器３１とを介して、第１発振器３の固有周波数の周波数が再調整され、励起振動の振幅は、特定の所定の値に設定される。

コリオリの力が生じる場合は、コリオリの力から生じる第２発振器４のＸ２方向の動き（読み取り振動）が、第２読み取り電極１１_１・１１_２によって認識され、読み取り振動の動きに比例する読み取り信号は、対応する増幅素子４０・４１・４２を介して、アナログ／デジタル変換器４３に入力される(図２参照)。アナログ／デジタル変換器４３のデジタル出力信号は、第３復調器４４によって、直接バイアス信号と同相に復調されるとともに、第４復調器４５によって、９０°シフトして復調される。第１復調器４４の対応する出力信号は、第３制御器４６に入力される。第３制御器４６の出力信号は、補償信号であり、測定される回転速度Ωに相当している。第４復調器４５の出力信号は、第４制御器４７に入力され、第４制御器４７の出力信号は補償信号であり、補償される直交バイアスに比例している。第３制御器の出力信号は、第１変調器４８を用いて変調される。これと同様に、第４制御器４７の出力信号は、第２変調器４９を用いて変調される。その結果、振幅制御された信号が生じる。振幅制御された信号の周波数は、Ｘ１方向の振動の固有周波数（ｓｉｎ≒０°、ｃｏｓ≒９０°）に相当している。変調器４８・４９の相当する出力信号は、加算器段５０において加算される。加算器段５０の出力信号は、第３力／電圧変換器５１と、第４力／電圧変換器５２との双方に入力される。力／電圧変換器５１・５２の相当する出力信号は、デジタル／アナログ変換器５３・５４に供給される。デジタル／アナログ変換器５３・５４のアナログ出力信号は、第２励起電極１０_２〜１０_３に入力され、第２発振器４の振動振幅をリセットする。

第２励起電極１０_１・１０_４を介して生成される静電場（または、電極対１０_１・１０_３と１０_２・１０_４とを介して生成される２つの静電場）は、第２発振器４のＸ２方向におけるアライメント／ポジション変化を引き起こす。その結果、第２バネ素子６_１〜６_２のアライメントも変化する。第４制御器４７は、第２励起電極１０_１・１０_４に入力される信号を、第４制御器４７の補償信号に含まれる直交バイアスが最小になる、または、消滅するように制御する。このために、第５制御器５５と、第５および第６力／電圧変換器５６・５７と、２つのアナログ／デジタル変換器５８・５９とが使用される。

第４制御器４７の出力信号は、直交バイアスに対する指標であり、第５制御器５５に入力される。第５制御器５５は、２つの励起電極１０_１・１０_４によって生成される静電場を、直交バイアスＢ_Ｑが消滅するように制御する。このため、第５制御器５５の出力信号は、第５および第６力／電圧変換器５６・５７にその都度供給される。第５および第６力／電圧変換器５６・５７は、第５制御器のデジタル力／出力信号から、デジタル電圧信号を生成する。これらのデジタル電圧信号は、続いて、アナログ／デジタル変換器５８・５９において、アナログ電圧信号に変換される。アナログ／デジタル変換器５８のアナログ出力信号は、第２励起電極１０_１または１１_１に入力される。アナログ／デジタル変換器５９のアナログ出力信号は、第２励起電極１０_４または１１_２に入力される。

第２発振器４は、第２バネ素子６_１〜６_２のみによって押さえつけられている（一方から押さえつけられている）ので、これらのバネ素子のアライメントを、静電場によって問題なく変更することができる。さらに、他の第２バネ素子を備えることも可能である。これらの他の第２バネ素子は、これらの他のバネ素子を適切に配置することで一方から効果的に押さえつけられているということが確実になっている限り、第２発振器４を二方から押さえつけることとなる。バネ素子５_１・５_２またはバネ素子５_３・５_４に対しても同じ効果がえられるように、第３および第４バネ素子５_３・５_４または第１および第２バネ素子５_１・５_２を省くことができ、それゆえ、（ここには図示していない、対応して変更された電極構成とともに）第１発振器３が一方から押さえつけられることとなる。 このような場合には、第２発振器４は、二方から押さえつけられるように、さらに他のバネ素子によって第１発振器に固定されていてもよい。

以下の説明では、図３を参照して、本発明のコリオリの角速度計の好ましい一実施形態およびその操作方法を詳しく説明する。

図３は、第１共振器７０_１と第２共振器７０_２とからなる結合系１’の概略的な構成を示す。第１共振器７０_１は、機械的な結合素子７１すなわちバネを介して第２共振器７０_２と結合されている。第１および第２共振器７０_１，７０_２は、共通の基板上に形成されており、共通の振動軸７２に沿って相互に逆位相に振動できる。第１および第２共振器７０_１・７０_２は、同一であり、対称軸７３を介して相互に配置される。第１および第２共振器７０_１・７０_２の構成は、図１および図２に関連して既に説明したので再度説明はしない。同一のまたは相互に対応する部品または部品群には同じ符号が付されている。ただし、異なる共振器に属する同一の部品には異なる印が付されている。

図３に示す二重発振器と図１および図２に示す二重発振器との主な違いは、個々の電極の複数が１つの総合電極に物理的にまとめられる点である。それゆえ、例えば図３の部材番号８_１・８_２・９_１・９_２の付された個々の電極は、１つの共通の電極を形成する。さらに、部材番号８_３・８_４・９_３・９_４の付された個々の電極は、１つの共通の電極を形成し、部材番号１０_４・１０_２・１１_２および部材番号１１_１・１０_３・１０_１の付された個々の電極は、それぞれ、１つの総合電極を形成する。同様のことが、他の二重発振器系にも当てはまる。
本発明の結合系１’の動作時に、２つの共振器７０_１・７０_２は、共通の振動軸７２に沿って逆位相に振動する。したがって、結合系１’は、外部の妨害、または、共振器７０_１・７０_２が設けられている基板で結合系１’自身によって生じる妨害の影響を受けにくい。

結合系１’が回転する場合は、第２発振器４_１・４_２は、相互に反対方向に（Ｘ２方向、および、Ｘ２方向とは反対の方向に）転向される。結合系１’の加速度が生じる場合は、第２発振器４_１・４_２は、加速度がＸ２方向またはＸ２方向とは反対側の方向に作用することを条件に、それぞれ同じ方向へ、つまり、加速度の方向へ転向される。したがって、同時に、または、選択的に、加速度および回転が測定される。測定方法を行っている間に、同時に、直交バイアス補償を、共振器７０_１・７０_２において行える。しかしながらこのことは、必ずしも必要ではない。

基本的に、結合系１’を、図１および図２に記載の評価／励起電子装置２を基礎として操作できる。しかしながら、図３に示す実施形態では、代わりの方法（搬送周波数方法）が使用される。この操作方法について以下で説明する。

部材番号２’の付された評価／励起電子装置２は、３つの制御ループ、すなわち、共通の振動軸７２に沿った第１発振器３_１・３_２の逆位相振動を励起および／または制御するための第１制御ループと、Ｘ２方向に沿って第２発振器４_１の振動をリセットおよび補償するための第２制御ループと、Ｘ２方向に沿って第２発振器４_２の振動をリセットおよび補償するための制御ループとを備えている。上記３つの制御ループは、増幅器６０、アナログ／デジタル変換器６１、信号分離モジュール６２、第１〜第３復調モジュール６３_１〜６３_３、制御モジュール６４、電極電圧計算モジュール６５、搬送周波数加算モジュール６７、および、第１〜第６デジタル／アナログ変換器６６_１〜６６_６を備えている。

この場合、第２発振器４_１・４_２の逆位相振動または振動をタッピング励起するための搬送周波数を、複数の方法、すなわち、ａ）３つの異なる周波数を使用し、制御ループに周波数を１つずつ割り当てること、ｂ）方形波信号を時分割マルチプレックス方法において使用すること、または、ｃ）ランダム位相スクランブル（統計的な変調方法）を使用すること、によって、電極８_１〜８_８・９_１〜９_８・１０_１〜１０_８・１１_１〜１１_４に供給することができる。電極８_１〜８_８・９_１〜９_８・１０_１〜１０_８・１１_１〜１１_４には、関連信号ＵｙＡｏ・ＵｙＡｕ（第２発振器４_１に対して）、および、Ｕｘｌ・Ｕｘｒ（第１発振器３_１〜３_２の逆位相共振に対して）、および、ＵｙＢｕ・ＵｙＢｏ（第２発振器４_２に対して）を介して、搬送周波数が供給される。なお、上記関連信号は、搬送周波数加算モジュール６７において生成され、上記周波数信号に対して逆位相を励起するものである。第１および第２発振器３_１・３_２・４_１・４_２の振動は、部材番号７_７・７_９・７_１１・７_１３の付されている角速度計フレーム部分を介してタップオフされる。なお、上記部分は、ここでは、質点系の緩衝点としての機能以外に、タッピング電極としての機能も果たしている。このため、２つの共振器７０_１・７０_２は、好ましくは全てのフレーム、バネ、および接続によって、導電性に設計されていることが有利である。角速度計フレーム部分７_７・７_９・７_１１および７_１３によってタップオフされ、増幅器６０へ入力される信号は、全ての３つの振動モードについての情報を含んでおり、アナログ／デジタル変換器６１によって、デジタル信号に変換される。デジタル信号に変換された信号は、信号分離モジュール６２へ入力される。信号分離モジュール６２では、まとまった信号が、異なる３つの信号、すなわち、ｘ（逆位相振動についての情報を含んでいる）と、ｙＡ（第２発振器４_１の転向についての情報を含んでいる）と、ｙＢ（第２発振器４_２の転向についての情報を含んでいる）とに分離される。信号分離は、使用される搬送周波数方法（上記ａ）〜ｃ）を参照）の種類に応じて異なっており、使用される搬送周波数方法に相当する信号を用いる復調によって行われる。信号ｘ・ｙＡ・ｙＢは、復調モジュール６３_１〜６３_３へ入力される。復調モジュール６３_１〜６３_３は、これらの信号ｘ・ｙＡ・ｙＢを、逆位相振動の動作周波数によって、０°および９０°に復調する。信号Ｆｘｌ／ｒまたはＵｘｌ／ｒを制御／計算するための制御モジュール６４および電極電圧計算モジュール６５は、図１に示す電子モジュール２と同様にそれぞれ設計されていることが好ましい。信号ＦｙＡｏ／ｕ・ＵｙＡｏ／ｕおよびＦｙＢｏ／ｕ・ＵｙＢｏ／ｕを制御／計算するための制御モジュール６４および電極電圧計算モジュール６５は、図２に示す電子モジュール２と同様に設計されていることが好ましい。

図４に、部材番号６４の付された図３の制御系の好ましい一実施形態を示す。この制御系６４は、第１〜第３部分６４_１〜６４_３を備えている。第１部分６４_１は、第１制御器８０と、周波数生成器８１と、第２制御器８２と、エレクトロニクスコンポーネント８３と、加算器段８４と、乗算器８５とを備えている。第１部分の操作方法は、図１に示す電子モジュール２の操作方法にほぼ相当しており、それゆえ、ここで再度説明はしない。第２部分６４_２は、第１制御器９０と、第１変調器９１と、第２制御器９２と、第２変調器９３と、第３制御器９４とを備えている。さらに、第１および第２加算器段９５・９６が備えられている。第１制御器９０の出力部において、回転速度信号Ωを判定し、第３制御器９４の出力部において、直交バイアスＢＱ _１ の補償信号と加速度Ａとからなる、まとまった信号を判定することができる。制御系６４の第３部分６４_３は、第１制御器１００と、第１変調器１０１と、第２制御器１０２と、第２変調器１０３と、第３制御器１０４とを備えている。さらに、第１および第２加算器段１０５・１０６が備えられている。第１制御器１００の出力部において、負の符号を有する回転速度信号Ωをタップオフし、第３制御器１０４の出力部において、負の符号を有する直交バイアスＢＱ _２ の補償信号と加速度信号Ａとからなる、まとまった信号をタップオフすることができる。第２および第３部分６４_２・６４_３の操作方法は、図２に示すエレクトロニクスモジュール２の操作方法に相当しており、それゆえ、ここで再度説明はしない。

動作周波数を増加した後の回転速度および直交をリセットする信号のみ、直交補助制御器のためのＤＣ電圧とともに、１つの結合された電極対に入力される。したがって、２つの信号が加算され、その結果、電極電圧の計算は、振動周波数でのリセット信号と、直交制御のためのＤＣ信号とを含んでいる。このようにして計算された電極電圧Ｕｘｌ／ｒ・ＵｙＡｏ／ｕ・ＵｙＢｏ／ｕは、搬送周波数信号に加算され、アナログ／デジタル変換器６６_１〜６６_６を介して、電極にまとめて入力される。

上記で説明した逆位相励起を用いる搬送周波数方法の利点は、線形発振器３_１・３_２・４_１・４_２が転向される場合のみ増幅器６０に信号が印加される点である。励起に使用される周波数信号は、離散周波数または方形波信号であってもよい。生成および処理がより簡単なので、方形波励起が好ましい。

以下で、本発明の加速度測定方法の測定精度についての複数の検討をさらに述べる。

回転速度は、コリオリの角速度計の動作周波数において、発振器４_１・４_２の逆位相転向を引き起こす。これに対し、加速度は、発振器４_１・４_２の同相転向を引き起こす。この場合、加速度は、０Ｈｚ〜約５００Ｈｚの周波数範囲において、５０ｍｇ〜５０μｇの測定精度で測定することができる。

同相で測定される転向は、
α＝ａ／（ｌ・ω^２）
となる。
ただし、
αは転向角度
ａは加速度
ｌはバネの長さ
ωは発振器４_１〜４_２の固有周波数
である。

コリオリの角速度計の典型的な固有周波数ω＝２＊πｆ＝６０００ｒａｄ／ｓ〜６００００ｒａｄ／ｓ、および、バネの長さｌ＝１ｍｍである場合は、例えば５ｍｇ測定精度に対して、
α＝１・４＊１０^−６〜１．４＊１０^−８ｒａｄまたはｘ_２＝ｘ_ｌ＝１．４ｎｍ〜１４ｐｍ
である。

このようなわずかな転向は、０Ｈｚ〜５００Ｈｚ域の周波数範囲においては測定が困難である。本発明のマルチセンサーに対しては、さらに電気的な複雑さが少なくとも必要である。なぜなら、電子装置では、１Ｈｚ〜１０ＫＨｚの角速度計機能（回転速度測定）の動作域と、０Ｈｚ〜５００Ｈｚの加速度を測定するための動作域との双方において、非常に正確に測定される必要があるからである。

この欠点は、本発明によれば、２つの線形発振器（図１および図２）からなる質点系のための上記で説明した直交制御を、４つの線形発振器(図３)からなる質点系に応用することにより回避される。加速度は、直交性エラーを狂わせ、発振器４_１・４_２における動作周波数で顕著に生じる同相直交信号は、
Ω_Ｑ＝（ａ_Ｑ／ａ_Ｓ）・（ω／２）＝α（ω／２）
ただし、Ω_Ｑは直交回転速度であり、ａ_Ｑは直交加速度であり、ａ_Ｓは発振器加速度である。

例えば５ｍｇ（α＝１．４．１０^−６ｒａｄ）の測定精度に対しては、
Ω_Q＝０．００４２（ｒａｄ／ｓ）＝０．２５°／ｓ＝８６６°／ｈ（固有周波数が１ｋHzの場合）
Ω_Ｑ＝４．２・１０^−５（ｒａｄ／ｓ）／０．００２５°／ｓ＝８．７°／ｈ（固有周波数が１０ｋＨｚの場合）
となる。

５°／ｈの回転速度センサーに対して、同じ電子装置では、８６６°／ｈの直交回転速度が確実に証明された。これに対し、固有周波数が１０ＫＨｚである場合は、８．７°／ｈの直交回転速度では、５°／ｈの回転速度センサーの証明限界は、ほぼなくなっている。この測定が長期間安定しているかどうかは、直交回転速度の長期安定性に依存している。実際の直交回転速度は、逆位相信号である。したがって、加速度測定の安定性は、発振器４_１〜発振器４_２の直交回転速度、および、その安定性に依存している。２つの発振器は、相互に近接して配置されており、１つのプロセス工程で完成されるので、５０ｍｇ〜５０μｇの低い精度を有する領域をカバーできるであろう。

第１発振器を励起する役割を果たす制御ループに相当する２つの線形発振器からなる質点系の一実施形態を示す図である。 回転速度Ωおよび直交バイアスＢ_Ｑに対する測定ループおよび制御ループと、直交バイアスＢ_Ｑを補償するための補助制御ループとに相当する２つの線形発振器からなる質点系の一実施形態を示す図である。 回転速度Ωおよび直交バイアスＢ_Ｑに対する測定ループおよび制御ループと、直交バイアスＢ_Ｑを補償するための補助制御ループとに相当する４つの線形発振器からなる本発明の質点系の概略図である。 図３に示す制御系の好ましい実施形態を示す図である。

Claims (3)

1. 第１および第２共振器（７０_１，７０_２）を備え、
   上記第１および第２共振器（７０_１，７０_２）が、第１および第２線形発振器（３_１，３_２，４_１，４_２）からなる結合系としてそれぞれ形成されており、
   上記第１共振器（７０_１）と上記第２共振器（７０_２）とが、機械的に接続されているとともに静電的に結合されていることにより、これらの２つの共振器は共通の振動軸（７２）に沿って相互に逆位相に振動可能であり、
   上記第１発振器（３_１，３_２）は、第１バネ素子（５_１−５_８）を介してコリオリの角速度計の角速度計フレーム（７_１−７_１４）にそれぞれ接続されており、
   上記第２発振器（４_１，４_２）は、第２バネ素子（６_１−６_４）を介して上記第１発振器（３_１，３_２）の１つに接続され、
   上記角速度計フレームに対する上記第１バネ素子（５_１−５_８）のアライメント角度を変更でき、または上記第１発振器（３_１，３_２）に対する上記第２バネ素子（６_１−６_４）のアライメント角度を変更できる静電場を生成する装置と、
   第１共振器（７０_１）において生じる、回転速度および第１直交バイアスのための第１信号、および、第２共振器（７０_２）において生じる、回転速度および第２直交バイアスのための第２信号を判定可能な装置（１０_１−１０_８，１１_１−１１_４）と、
   上記第１および第２直交バイアスがそれぞれ最小となるように静電場の強度を制御できる制御ループ（６０−６７）と、
   上記第１および第２信号から、回転速度を判定し、
   上記第１および第２直交バイアスを補償する静電場の同相成分から、上記測定される加速度を判定する計算ユニットとを備えることを特徴とするコリオリの角速度計（１’）。
2. 上記第１および第２共振器（７０_１，７０_２）の構成は、同一であり、
   上記共振器（７０_１，７１_２）は、対称軸（７３）に対して相互に軸対称に配置されており、
   上記対称軸は、上記共通の振動軸（７２）に対して垂直であることを特徴とする請求項１記載のコリオリの角速度計（１’）。
3. 第１および第２共振器（７０_１，７０_２）を備え、
   上記第１および第２共振器（７０_１，７０_２）が、第１および第２線形発振器（３_１，３_２，４_１，４_２）からなる結合系としてそれぞれ形成されている回転速度コリオリの角速度計（１’）を用いて、
   上記第２発振器（４_１，４_２）の転向を用いておよび評価することによって決定される回転速度および加速度を、続けてまたは同時に測定する方法であって、
   上記第１および第２発振器（３_１，３_２，４_１，４_２）の相互アライメントを変更するための静電場を生成し、
   上記２つの共振器（７０_１，７０_２）を共通の振動軸（７２）に沿って相互に逆位相に振動させる工程と、
   上記第２発振器（４_１，４_２）の上記転向を相互に比較して、測定される回転速度の指標である逆位相転向成分、および、測定される加速度の指標である共通の同相転向成分を判定する工程と、
   上記逆位相転向成分から測定される回転速度を計算する工程と、
   上記同相転向成分から測定される加速度を計算する工程とを含み、
   上記共通の同相転向成分は、
   上記第１共振器（７０_１）において生じる第１直交バイアスを決定し、
   上記第２共振器（７０_２）において生じる第２直交バイアスを決定し、
   上記第１および第２直交バイアスが最小となるように上記静電場の強度を制御し、
   測定される加速度に比例しており、上記電場の同相成分により補償される共通の直交バイアス成分を上記第１直交バイアスおよび上記第２直交バイアスを用いて計算することによって判定されることを特徴とする方法。

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