JP4970729B2 - 振動構造ジャイロスコープでのスケール係数変動を測定するための方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は振動構造ジャイロスコープのスケール係数変動を測定するための方法および装置に関する。

振動構造ジャイロスコープ(vibrating structure gyroscopes)（ＶＳＧ）の多くの既知の実現形態がある。これらは、振動ばり(vibrating beams)、音叉(tuning forks)、半球体のシェルと平面環を含む多種多様の共振構造を利用する。これらは、一連の材料を使用して多数の技法を使用して製造されてよい。ミクロ機械加工技法を使用してシリコンから製造される構造体は高度の性能を維持しつつ、大量に、低コストで製造できるという際立った利点を有する。このことから、それらは多数の低コストセンサを要する応用に特に適している。１つのこのような応用は自動車用高度ブレーキシステムにおけるヨーレート(yaw rate)検知を対象にしている。

これらのセンサのための応用の多くは車両の安全な運転にとって欠かせない。ジャイロスコープ出力の完全性は、それがこのようなシステムの機能性を制御するために使用されるので最も肝要である。高度ブレーキ系応用では、この信号がブレーキの適用を制御するために使用される。したがって、システム設計者はこのようなセンサに対する非常に高度の組込み試験(Built in Test)（ＢＩＴ）範囲を要求する。このような装置の基本的な機能性を試験するための技法は既知であり、例えば米国特許第５，８６６，７９６号と米国特許第５，８８９，１９３号に開示されている。これらの既知の技法は良好なレベルの範囲(coverage)を提供する一方で、それらはスケール係数（指定適用された回転速度に反応するセンサ出力の、変化である、スケーリング）に関連付けられた故障について試験することはできない。このようなエラーは、真の回転とは大きく異なる、あるいはいくつかの状況ではまったく存在しないことさえあるセンサの速度測定表示を生じさせ得る場合がある。これにより、システムは動作することができない、あるいは誤って動作し、潜在的に破滅的な結果を起こすことがある。

したがって、ＶＳＧセンサの正確なスケール係数動作のＢＩＴ範囲(coverage)を提供するための手段または技法に対するニーズがある。好ましくは、この機能性は、追加のハードウェアを必要とせず、追加の費用なしで提供されなければならない。

本発明の第１の態様に従って、振動構造体と、該振動構造体を振動共鳴に入れ、維持するための固定された一次駆動手段と固定された二次駆動手段と、該振動構造体の振動を検出するための固定された一次ピックオフ手段と固定された二次ピックオフ手段とを有する、振動構造ジャイロスコープの所定値からスケール係数の変動を測定するための方法が提供され、該駆動手段とピックオフ手段が該振動構造体の周りに放射状に配置され、該駆動手段とピックオフ手段からの出力が結合され、分解された搬送波モードと応答モードの駆動とピックオフを生じさせ、分解搬送波モードと応答モードの駆動軸とピックオフ軸は、スケール係数ＳＦ_ＣＡＬが振動幾何学形状と振動モード形状により設定される定数であるブライアン係数Ｇ_Ｂで除算される所定のスケール係数値ＳＦ_ＲＡＴＥに等しい既知の速度で、振動構造の中心軸に関して該振動構造体の周りに均一に角変位される。

好ましくは、振動構造体は実質的に平面的であり、実質的にリング形状であり、実質的に同一の搬送波モードと応答モードを有する。

好都合なことに、角度αで結果として生じる搬送波モード駆動力を提供するために、駆動信号Ｖ_ＣＤｃｏｓ２αは、０°という角度で固定された一次駆動手段に適用され、信号Ｖ_ＣＤｓｉｎ２αは４５°という角度で固定された二次駆動手段に適用される。

有利なことに、角度（α＋４５°）で結果として生じる応答モード駆動力を提供するために、駆動信号−Ｖ_ＲＤｓｉｎ２αは０°という角度で固定された一次駆動手段に適用され、信号Ｖ_ＲＤｃｏｓ２αは４５°という角度で固定された二次駆動手段に適用される。

好ましくは、０°という角度での固定された一次ピックオフ手段の、および角度４５°の固定された二次ピックオフ手段の出力が結合され、角度（α＋２７０°）で分解される振動運動の振幅を表す搬送波モードピックオフ信号Ｖ_ＣＰＯ＝（Ｖ_ＰＰＯｃｏｓ２α＋Ｖ_ＳＰＯｓｉｎ２α）を与える。

好都合なことに、０°という角度で固定された一次ピックオフ手段の、および角度４５°での固定された二次ピックオフ手段の出力が結合され、角度（α＋１３５°）で分解される振動運動の振幅を表す応答モードピックオフ信号Ｖ_ＲＰＯ＝（Ｖ_ＳＰＯｃｏｓ２α−Ｖ_ＰＰＯｓｉｎ２α）を与える。

有利なことに、所定のスケール係数値ＳＦ_ＲＡＴＥは、振動構造ジャイロスコープを従来の試験方式で回転するときに測定されるスケール係数である。

好ましくは、搬送波モードと応答モードの駆動軸とピックオフ軸は固定された角度を通して固定された速度で振動構造体の周りで均一に角変位され、それから同じ速度で開始位置に戻される。

好都合なことに、搬送波モードと応答モードの駆動軸とピックオフ軸は単一方向で一定の速度で振動構造体の周りに角変位される。

有利なことに、搬送波モードと応答モードの駆動軸とピックオフ軸は、固定された開始位置のいずれかの側で振動様式で固定角度を通して固定速度で振動構造体の周りで均一に角変位される。

本発明の第２の態様に従って、好ましくは実質的に平面的な、実質的にリング形状の振動構造体と、該振動構造体を振動共鳴に入れ、維持するための固定された一次駆動手段および固定された二次駆動手段と、駆動手段とピックオフ手段が該振動構造体の周りに放射状に位置する、該振動構造体の振動を検出するための固定された一次ピックオフ手段および固定された二次ピックオフ手段と、直角位相成分ループシステムおよび実成分ループシステムと、自動利得制御システムおよび位相ロックループシステムと、一次ピックオフ手段と二次ピックオフ手段から信号を受信するため、および直角位相成分ループシステムと実成分ループシステムへおよび自動利得制御システムと位相ロックループシステムへ信号を出力するための正弦／余弦ピックオフレゾルバと、直角位相成分ループシステムと実成分ループシステムから、および自動利得制御システムと位相ロックループシステムから出力信号を受信するため、および一次駆動手段と二次駆動手段に制御信号を供給するための正弦／余弦駆動レゾルバと、既知の速度での振動構造体の中心軸に関して振動構造体の周りの斜めの、分解された搬送波モードと応答モードの駆動軸とピックオフ軸の均一な変位を制御するために正弦／余弦駆動レゾルバとピックオフレゾルバに角変位制御信号を供給するための角変位制御とを有する、振動構造ジャイロスコープのための所定値からスケール係数の変動を測定するための装置が提供される。

好ましくは、振動構造体は実質的には平面的、実質的にはリング形状であり、実質的に同一の搬送波モードと応答モードを有する。

好都合なことに、装置は、正弦／余弦ピックオフレゾルバから信号を受信するため、および直角位相成分ループシステムと実成分ループシステムに復調された信号を出力するための復調器と、直角位相成分ループシステムと実成分ループシステムから出力信号を受信し、変調し直すためのリモデュレータと、正弦／余弦ピックオフレゾルバから信号を受信するため、および自動利得制御システムと位相ロックループシステムに復調された信号を出力するための復調器と、自動利得制御システムと位相ロックループシステムにより出力される信号を受信し、変調し直すため、および正弦／余弦駆動レゾルバに変調し直された出力信号を渡すためのリモデュレータとを含む。

本発明をさらによく理解するために、および本発明がどのようにして実施されてよいのかを示すために、例証として添付図面を参照する。

本出願人の英国特許第２，３２２，１９６号は、ミクロ機械加工技法を使用して製造されてよく、高信頼性大容量アプリケーションでの使用に適しているセンサデバイスを説明している。該センサは、外部フレーム上に８本の可撓性の(compliant support)脚により外部に取り付けられる結晶シリコンの平面的なリングＲから構成されている。この既知のセンサは、通常、添付図面の図１Ａと図１Ｂに概略して示されているようにｃｏｓ２θの振動モードで駆動される。１つのモード（図１Ａ）は、搬送波モードとして励起される。センサがリングの平面に垂直な軸の周りで回転すると、応答モードにエネルギーを結合するコリオリの（Coriolis）力Ｆｃが生み出される（図１Ｂ）。力の大きさは、
Ｆ_ｃ＝２ｍｖΩ_ａｐｐ （１）
によって示され、ここでｍはモード質量(modal mass)であり、ｖは有効速度であり、Ω_ａｐｐは適用される回転速度である。搬送波モード振動振幅は、通常固定されたレベルで維持される。これは、固定されたレベルで速度ｖを維持し、したがって生み出されたコリオリの力が回転速度Ω_ａｐｐに正比例することを確実にする。これらのコリオリの力により生じる運動の振幅は、搬送波モードと応答モードの共振周波数を正確に整合することにより強化される。次に運動は強化した装置感度を与える応答モードのＱによって増幅される。この開ループモードで動作しているとき、装置の感度（スケール係数）は、動作温度範囲で大きく変化する可能性がある二次モードのＱ（蓄積エネルギーとエネルギーの消散速度間の関係）に依存する。この依存性は、閉ループ（フォースフィードバック(force feedback)）モードでセンサを動作することにより排除されてよい。このモードでは、引き起こされた応答モードの運動は、現在回転速度に対して正比例しているこれを達成するために必要とされる適用された力で能動的にゼロにされる。

閉ループ動作は、通常、添付図面の図２に概略して示されている制御ループを使用して従来どおりに実現されてよい。搬送波モードの運動は一次駆動１によって励起され、一次ピックオフ２で検出される。信号は、搬送波モード制御ループに適用する前にそれぞれ実成分と直角位相成分を分離する復調器２ａと２ｃで復調される。次に、信号は一次駆動１に適用される前にリモデュレータ(remodulator)２ｂで変調し直される。位相ロックループ３は、一次ピックオフ信号と一次駆動信号の相対位相を比較し、適用された駆動と共鳴器運動の間で９０度の移相を維持するために電圧制御発振器４の周波数を調整する。これは、共鳴最大値で運動を維持する。一次ピックオフ信号は、信号レベルを固定基準レベルＶ_０に比較する自動利得制御ループ５にも適用される。リモデュレータ２ｂレベルでの一次駆動は、一次ピックオフ２での固定信号レベル（したがって運動の振幅）を維持するために調整される。

応答モード運動は二次ピックオフ６で検出される。この信号はそれぞれクワッドループフィルタ７と実ループフィルタ８に適用される信号の実成分と直角位相成分を分離するために復調器６ａと６ｂで復調される。実成分は、搬送波モード運動と同期しているものである。適用された回転速度により引き起こされる運動は実信号成分９を生成する。直角位相成分１０は、モード周波数が正確に整合されないために生じる誤差項である。必要とされるシステム性能（帯域幅等）を達成するために、ループフィルタリングがこれらの復調されたベースバンド（ＤＣ）信号に適用される。次に、結果として生じる信号はリモデュレータ１１ａ、１１ｂで変調し直され、二次ピックオフ６でヌル(null)を維持する目的で二次駆動１３に適用するために加算器１２により合計される。二次駆動１３を介して共鳴器リングＲに適用される応答モード駆動の実成分に正比例する実ベースバンド信号、ＳＤ（実）はスケーリングされ、速度出力信号１５を生成するために出力フィルタ１４でフィルタリングされる。

この動作モードの場合、適用される回転速度に応じたスケール係数は、

によって示され、ここでＶ_０は搬送波モード振幅設定レベルであり、ωは搬送波モード共振周波数であり、ｋは共鳴器寸法を含む定数であり、Ｇ_Ｂはブライアン係数（モード結合粘性係数）であり、ｇ_ＰＰＯは一次ピックオフ利得であり、ｇ_SDは二次駆動利得である。

英国特許第２，３２２，１９６号に説明されているセンサデバイスも、英国特許第２，３２９，４７１号に説明されるようなデジタル電子制御システムとともに使用してよい。この方式は添付図面の図３に示されている。この実現形態の場合、一次ピックオフと二次ピックオフ２、６からの信号は、アナログ／デジタル変換器１６、１７において直接的にデジタル化される。次に、復調は、二次ピックオフ６の場合、復調器１８での実チャネル用、および復調器１９での直角位相チャネルのための、および復調器２０での実チャネル用および復調器２１での直角位相チャネル用の一次ピックオフ２のためのソフトウェアで実現される。位相ロックループ機能と自動利得制御ループ機能は、ソフトウェア機能として実現される。

直角位相チャネル復調器２１は、アナログ／デジタル変換器１７から信号の直角位相成分を分離し、それを位相ロックループフィルタ２２に、そこからアナログ電圧制御発振器回路２３に適用する。ＶＣＯ回路２３は、デジタル制御ワードによって搬送波モード共振周波数で駆動され、変調および駆動の更新のタイミングを制御する。実チャネル復調器２０は、アナログ／デジタル変換器１７から信号の実成分を分離し、それを、それが自動利得制御設定レベル信号２５と、自動利得制御フィルタ２６に渡された、結果として生じる信号とで合計される加算器２４に適用する。ＡＧＣフィルタ２６からの出力は、ＶＣＯ２３により駆動されるリモデュレータ２７に渡され、それがデジタル／アナログ変換器２８を介して渡される一次駆動１のための駆動レベルを形成する。

直角位相チャネル復調器１９は、二次ピックオフ６出力信号の直角位相成分を分離し、それをクワッドループフィルタ２９に、そこからリモデュレータ３０に適用する。同様に、二次ピックオフ６出力信号は、実成分を分離し、それを実ループフィルタ３１に、そこからリモデュレータ３２に適用する実チャネル復調器１８に渡される。リモデュレータ３０、３２からの出力信号は、その出力がデジタル／アナログ変換器３４を介して駆動信号を二次駆動１３に提供する加算器３３により合計される。実チャネルループフィルタ３１からの出力信号も、適切な特性を与え、速度出力信号３６を形成するために、出力フィルタ３５を通して渡される。

従来、英国特許第２，３２２，１９６号のセンサデバイスのスケール係数は、速度テーブルにそれを取り付け、受感軸(sensitive axis)の周りに既知の回転速度を適用することにより測定されてよい。次に、センサ出力は、通常、ミリボルト単位で、またはデジタルインプリメンテーションの場合には回転の毎秒あたりの度毎にビット単位で定義される較正済みのスケール係数を与えるために調整できる。この手順は、通常、最終的なアプリケーションシステムでのセンサの設置前に実行される。この較正は、以後、ジャイロスコープを外すためにシステムを取り外さずに、あるいは構造体全体を正確に既知の回転速度にさらすことなしに確認することはできない。

これらのようなセンサデバイスのスケール係数が、センサの動作温度範囲で、ある程度まで変化することは既知である。英国特許第２，３２２，１９６号に説明されているセンサデバイスの場合、この変動は主として一次ピックオフ、ｇ_ＰＰＯの変化、および二次駆動、ｇ_ＳＤ、利得に起因し、搬送波モード共振周波数ωの変動のためでもある。共鳴要素Ｒの機械的な故障または電子回路構成要素の完全な無機能性（ｎｏｎ−ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ）を構成する壊滅的な故障は、通常、米国特許第５，８６６，７９６号に説明されるような従来のＢＩＴ技法を使用して検出できる。しかしながら、これらの技法は例えば、利得の変化が指定限度を超えるスケール係数を生じさせる「ソフト」故障を検出しない。

センサの回転は、慣性(inertial)空間に関して回転するリング形状の振動構造体上の固定された位置で維持される搬送波モードを生じさせる。現在、この同じ結果は、リングに関して搬送波モードと応答モードの駆動軸とピックオフ軸を回転することによって達成できることが判明している。これには、搬送波モードの振動パターンを強制的にリングの周りで前進させ、搬送波モードの駆動軸との配列を維持する効果がある。応答モードピックオフ軸は、搬送波モード駆動軸に対して固定角分離を維持するために同様に回転されてもよい。振動運動の慣性は、搬送波モード駆動がリングの周りで回転されるにつれ、振動パターンが元の振動方向に沿って持続する傾向があるほどである。開ループシステムでは、応答モード軸に沿った運動の振幅は、搬送波駆動の回転速度に正比例する。閉ループシステムでは、この残留運動は、コリオリ(Coriols)力により引き起こされる動作が従来の運動でゼロにされるのと同じように応答モード駆動ループによりゼロにされる。

図２と図３に示されている従来の回路設計は、図４に図示されるように適切なモードの軸回転能力を提供するために本発明に従って修正されてもよい。図４では、図２と図３にすでに特定されている構成要素には類似した符号が与えられている。図４では、正弦／余弦(sin/cos)駆動レゾルバ(resolver)３７が、一次駆動手段と二次駆動手段１、１３変換器の間で搬送波モードの駆動信号を以下の割合で分配しており、
ＰＤ＝Ｖ_ＣＤｃｏｓ２α （３）
ＳＤ＝Ｖ_ＣＤｓｉｎ２α （４）
ここで、Ｖ_ＣＤは、駆動レゾルバ３７への入力における搬送波モード駆動レベルであり、ＰＤは一次駆動信号、ＳＤは二次駆動信号である。これにより、図４に図示されるように、α＝０°が一次駆動１変換器軸の方向にある場合に角度αで作用する搬送波モード駆動力が与えられる。通常の動作では、搬送波モード駆動は一次駆動変換器１に純粋に適用される（つまり、α＝０°）。

応答モード駆動は、搬送波モード駆動軸に関して４５°の角度で適用される。これは、以下のように駆動信号を適用することにより達成される。

ＰＤ＝−Ｖ_ＲＤｓｉｎ２α （５）
ＳＤ＝Ｖ_ＲＤｃｏｓ２α （６）
ここで、Ｖ_ＲＤは駆動レゾルバ３７に対する入力における応答モードの駆動レベルである。通常の運転では、応答モード駆動は二次駆動変換器１３に純粋に適用される（つまり、α＝４５°で）。

正弦／余弦ピックオフレゾルバ３８は、復調器２ａと２ｃにピックオフ信号３９入力を以下のように提供し、
Ｖ_ＣＰＯ＝（Ｖ_ＰＰＯｃｏｓ２α＋Ｖ_ＳＰＯｓｉｎ２α） （７）
ここで、Ｖ_ＣＰＯは搬送波電圧であり、Ｖ_ＰＰＯは一次ピックオフ電圧であり、Ｖ_ＳＰＯは二次ピックオフ電圧である。電圧Ｖ_ＣＰＯは角度（α＋２７０°）で分解された振動運動を表す信号を提供する。復調器２ａ、２ｃからの出力は、搬送波モードループ５と３に入力を提供する。

ピックオフレゾルバ３８は、以下のとおりに復調器６ａと６ｂへの適用のために信号３９ａも提供し、
Ｖ_ＲＰＯ＝（Ｖ_ＳＰＯｃｏｓ２α−Ｖ_ＰＰＯｓｉｎ２α） （８）
ここで、Ｖ_ＲＰＯは応答電圧であり、Ｖ_ＳＰＯは二次ピックオフ電圧であり、Ｖ_ＰＰＯは一次ピックオフ電圧である。電圧Ｖ_ＲＰＯは角度（α＋１３５°）で分解された振動運動を表す信号を提供する。復調器６ａと６ｂは、応答モードループ７と８への適用のために信号Ｖ_ＲＰＯの実成分と直角位相成分を分離する。

分解要素が、技法の基本的な機能を変更することなく復調されたピックオフ信号に代わりに適用されてよいことが当業者により理解されるであろう。

駆動手段軸の変位に対応するスケール係数は以下により示され、

ここでＳＦ_ＣＡＬはスケール係数であり、Ｖ_Ｏは搬送波モード振幅設定レベルであり、ωは搬送波モード共振周波数であり、ｋは振動構造体寸法を含む定数であり、ｇ_ＰＰＯは一次ピックオフ利得であり、ｇ_ＳＤは二次駆動利得である。

したがって、駆動手段回転の指定された速度の場合、スケール係数はセンサ自体の回転のためのスケール係数の１／Ｇ_Ｂ倍に等しい。ブライアン係数Ｇ_Ｂは、センサ構造の幾何学形状および振動モード形状（英国特許第２，３２２，１９６号のセンサ設計の場合はＧ_Ｂ〜０．３３）により設定された定数である。この係数Ｇ_Ｂはすべての条件下できわめて安定しており、センサデバイスの完全動作温度範囲（−４０から＋８５℃）で１００ｐｐｍ未満変化することが示された。

スケール係数に関する情報を引き出すためには、角度αは既知の速度α．ｄｔで変化しなければならない。駆動レゾルバブロックとピックオフレゾルバブロック３７、３８がアナログ成分を使用して実現される場合、α−制御ブロック４０は、αが値の必要とされる範囲を超えて変化してよいように調整されてよい電圧レベルを出力するであろう。デジタル方式の場合、α制御４０機能と駆動レゾルバブロック及びピックオフレゾルバブロック３７、３８の両方ともがソフトウェア機能として実現される。したがって、デジタル方式は、スケール係数自己較正機能を、追加のハードウェアを全く必要とせず、追加の費用なしで実現できるという利点を有する。

多くの異なるＢＩＴ試験戦略が利用されてもよい。好適な実施形態では、分解された搬送波モードと応答モードの駆動軸とピックオフ軸は固定された角度を通して振動構造体Ｒの周りで角変位され、次に同じ速度で開始位置に戻される。この技法は、それによりバイアスオフセットの影響を排除できるため特に有利である。バイアスは、適用された速度が存在しない場合に出力でエラーを生じさせる。このバイアスは正の駆動回転と負の駆動回転の両方にとって一定の極性オフセット信号Ｖ_Ｂを提供する。正の回転の場合、出力は以下により示される。

Ｖ_ｏｕｔ＝Ω_ＣＡＬ×ＳＦ_ＣＡＬ＋Ｖ_ＢＩＡＳ （１０）
負の回転の場合、以下により示される。

Ｖ_ｏｕｔ＝−Ω_ＣＡＬ×ＳＦ_ＣＡＬ＋Ｖ_ＢＩＡＳ （１１）
その場合、これらの２つの信号の差異は以下である。

Ｖ_ＤＩＦＦ＝（Ω_ＣＡＬ×ＳＦ_ＣＡＬ＋Ｖ_ＢＩＡＳ）−（−Ω_ＣＡＬ×ＳＦ_ＣＡＬ＋Ｖ_ＢＩＡＳ）＝２×Ω_ＣＡＬ×ＳＦ_ＣＡＬ （１２）
したがって、この測定はバイアスオフセットにより影響を受けない。次に、動作の較正モードでのスケール係数が以下により示される。

したがって、速度スケール係数は以下のように定められる。

ＳＦ_ＲＡＴＥ＝ＳＦ_ＣＡＬ×Ｇ_Ｂ （１４）
動作中、この較正手順は周期的に実行されてもよく、結果は、通常製造工程の間に設定される工場較正値である基準値に比較されてもよい。アナログ電子インプリメンテーションの場合、これは専用回路構成の追加を必要とする。デジタルインプリメンテーションでは、この機能性は再びソフトウェアの中で達成できる。特定された限度外のどんな偏差も警報機能をトリガし、サービスデバイスの故障を示すために使用されてよい。アナログシステムの場合、通常、警報ステータスは固定されたあらかじめ決められた値に出力電圧を設定することによって示されるであろう。デジタルシステムでは、このステータスは指定された出力ワードにより示される。

この較正手順はさらに、組込み試験応用での使用を超える追加の利点を有する。これは、速度テーブル上で試験を行う必要なくセンサデバイスのスケール係数を初期に較正するために使用されてもよい。任意のジャイロスコープデバイスの典型的なセットアップ手順はデバイスを速度テーブル上に配置し、それを既知の回転速度でその受感軸の周りで回転することである。次に出力での信号利得は調整され、回転の毎秒あたりの度毎の所定の出力電圧を示す。このプロセスは時間がかかり、高価な試験装置を必要とする。ここに説明されている自己較正手順は、試験装置を全く必要としなくてもこの機能を高い精度で実行できる。スケール係数は、内部で固定基準値に比較でき、出力利得は必要とされる値を達成するために自動的に調整できる。

この技法を利用するときの追加の利点とは、それが動作中使用でき、したがって温度変動またはエージング影響により引き起こされるスケール係数の変動を補償するために使用できるという点である。両方の係数ともこのようなデバイスの性能特性を変更することが知られている。この技法は、重要なジャイロスコープ性能パラメータの安定性を大幅に改善する方法となる。

代替実施形態では、搬送波モードと応答モードの駆動とピックオフは、単一の方向で一定の速度で角変位されてもよい。一定の速度でのαの変位は、センサデバイスに適用される実回転により生じる出力と見分けがつかないセンサ出力での一定のオフセットを重ね合わせる。しかしながら、この技法は、センサが静止していることが知られているときに使用されてもよい。自動車ブレーキの応用では、ホイール回転センサなどの他のセンサが設置される場合に、この情報が入手できる。

代替手法は、固定搬送波モード駆動位置（通常α＝０°）の周りのモード位置をディザする(dither)ためにα制御機能に発振入力を適用することである。これは発振速度信号をセンサ出力に重ね合わせる。発振入力を使用するには、応答モード駆動で引き起こされた応答が、適用された発振信号に関して正確に復調される必要がある。これには、ＢＩＴ試験プロセスにかなりの複雑さを追加するという不利な点がある。再び、この信号は、それが、センサプラットホームが静止していることが分かっているときにだけ活性化されるように制御できるであろう。代わりに、課される発振速度の周波数は、この周波数でのあらゆる信号がＢＩＴ試験により発生することが知られるようにセンサの通常の動作帯域幅の外となるように設定できる。

本発明の方法および装置は、ｃｏｓ２θ振動モード形状とともに平面的なリング形状の共鳴器を活用するＶＳＧ設計に対する適用とともに説明されてきた。当業者は、該方法が多様な振動モード組を利用する一連のＶＳＧ共鳴器構造にも適用できることを理解するであろう。該方法は、通常、理論的には異なる搬送波モードと応答モードの形状（例えば音叉）を使用して操作される構造体に適用されてよいが、ここに説明されているような同一の搬送波モードと応答モードを利用する共鳴器に最も都合よく適用される。

従来のシリコン振動構造ジャイロスコープの搬送波モード振動パターンのグラフ図である。 従来のシリコン振動構造ジャイロスコープの応答モードの振動パターンのグラフ図である。 振動構造ジャイロスコープのための従来のアナログ閉ループ制御システムの概略図である。 振動構造ジャイロスコープのための従来のデジタル電子制御システムの概略図である。 本発明に従った回路設計の概略図である。

Claims (12)

1. リング形状の振動構造体と、該振動構造体を振動共鳴に入れ、維持するための固定された一次駆動手段と固定された二次駆動手段と、該振動構造体の振動を検出するための固定された一次ピックオフ手段と固定された二次ピックオフ手段と、を有する振動構造ジャイロスコープのスケール係数値ＳＦ _ＲＡＴＥ における、スケール係数値ＳＦ _ＲＡＴＥ の所定の値からの変動（変化量）を測定する方法であって、前記駆動手段とピックオフ手段は前記振動構造体の周りで放射状に配置され、
   前記一次駆動手段及び前記二次駆動手段の出力、及び前記一次ピックオフ手段及び前記二次ピックオフ手段の出力が、分解された搬送波モードと応答モードの励起と、それぞれの選択可能な角度方向での感知軸を生成するために結合され、
   前記分解された搬送波モードと応答モードの駆動軸とピックオフ軸が、既知の回転速度において、前記振動構造体の中心軸に関して、前記振動構造体の周りに一様に角度変位され、
   その場合の、スケール係数値ＳＦ_ＣＡＬが、前記振動構造体の幾何学形状と振動モード形状により設定される定数であるブライアン係数Ｇ_Ｂにより除算された所定のスケール係数値ＳＦ_ＲＡＴＥに等しいことを用いて、スケール係数値ＳＦ _ＲＡＴＥ の変動（変化量）を測定する方法。
2. 前記振動構造体は、ほぼ類似した搬送波モードと応答モードを有し、実質的に平面的で、実質的にリング形状である、請求項１に記載の方法。
3. 角度αで結果として生じる搬送波モード駆動力を提供するために、駆動信号Ｖ_ＣＤｃｏｓ２αが、０°という角度で固定された一次駆動手段に適用され、信号Ｖ_ＣＤｓｉｎ２αが４５°という角度で固定された二次駆動手段に適用される、請求項２に記載の方法。
4. 角度（α＋４５°）で結果として生じる応答モード駆動力を提供するために、駆動信号−Ｖ_ＲＤｓｉｎ２αが０°という角度で固定された一次駆動手段に適用され、信号Ｖ_ＲＤｃｏｓ２αが４５°という角度で固定された二次駆動手段に適用される、請求項２に記載の方法。
5. ０°という角度での固定された一次ピックオフ手段の、および角度４５°での固定された二次ピックオフ手段の前記出力は、角度（α＋２７０°）で分解された振動運動の振幅を表す搬送波モードピックオフ信号Ｖ_ＣＰＯ＝（Ｖ_ＰＰＯｃｏｓ２α＋Ｖ_ＳＰＯｓｉｎ２α）を与えるために結合される、請求項３または４に記載の方法。
6. ０°という角度での固定された一次ピックオフ手段の、および角度４５°での固定された二次ピックオフ手段の前記出力は、角度（α＋１３５°）で分解された振動運動の振幅を表す応答モードのピックオフ信号Ｖ_ＲＰＯ＝（Ｖ_ＳＰＯｃｏｓ２α−Ｖ_ＰＰＯｓｉｎ２α）を与えるために結合される、請求項３または４に記載の方法。
7. 前記搬送波モードと応答モードの駆動軸とピックオフ軸は、固定された角度の間を固定された速度で前記振動構造体の周りに一様に角度で測って転置され、次に同じ速度で開始位置に戻される、請求項２に記載の方法。
8. 前記搬送波モードと応答モードの駆動軸とピックオフ軸は、単一方向で一定速度で前記振動構造体の周りに角度で測って転置される、請求項２に記載の方法。
9. 前記搬送波モードと応答モードの駆動軸とピックオフ軸は、固定された開始位置のいずれかの側で振動様式で固定角度の間を固定速度で前記振動構造体の周りに一様に角度で測って転置される、請求項２に記載の方法。
10. リング形状の振動構造体と、該振動構造体を振動共鳴に入れ、維持するための固定された一次駆動手段と固定された二次駆動手段と、駆動手段とピックオフ手段が振動構造体の周りに放射状に配置される振動構造体の振動を検出するための固定された一次ピックオフ手段と固定された二次ピックオフ手段と、直角位相成分ループシステムおよび実成分ループシステムと、自動利得制御システムおよび位相ロックループシステムと、前記一次ピックオフ手段と前記二次ピックオフ手段から信号を受信するため、および前記直角位相成分ループシステムと前記実成分ループシステムとに、かつ前記自動利得制御システムと前記位相ロックループシステムとに信号を出力するための正弦／余弦ピックオフレゾルバーと、前記直角位相成分ループシステムと前記実成分ループシステムから、および前記自動利得制御システムと前記位相ロックループシステムから出力信号を受信するため、および前記一次駆動手段と前記二次駆動手段に制御信号を供給するための正弦／余弦駆動レゾルバーと、既知の回転速度において、前記振動構造体の中心軸に関して、前記振動構造体の周りに角度で測って、前記分解された搬送波モードと応答モードの駆動軸とピックオフ軸の一様な角度変位を制御するために、前記正弦／余弦駆動レゾルバーとピックオフレゾルバーに角度変位制御信号を供給するための角度変位制御手段とを有する、リング形状の振動構造ジャイロスコープのための所定の値からスケール係数値ＳＦ _ＲＡＴＥ の変動を測定するための装置。
11. 前記振動構造体は実質的に平面的で、実質的にリング形状であり、ほぼ同様の搬送波モードと応答モードとを有する、請求項１０に記載の装置。
12. 前記正弦／余弦ピックオフレゾルバーから信号を受信するため、および前記直角位相成分システムと前記実成分ループシステムに復調された信号を出力するための復調器と、前記直角位相成分ループシステムと前記実成分ループシステムから出力信号を受信し、変調し直すためのリモデュレータと、前記正弦／余弦ピックオフレゾルバーから信号を受信するため、および前記自動利得制御システムと前記位相ロックループシステムに復調された信号を出力するための復調器と、前記自動利得制御システムと前記位相ロックループシステムにより出力される信号を受信し、変調し直すため、および変調し直された出力信号を前記正弦／余弦駆動レゾルバーに渡すためのリモデュレータとを含む、請求項１０または１１に記載の装置。

Images