JP5554930B2

JP5554930B2 - 自己較正を備えた容量性バルク弾性波ディスク・ジャイロスコープ

Info

Publication number: JP5554930B2
Application number: JP2009002270A
Authority: JP
Inventors: ロバート・イー・スチュアート
Original assignee: LITTONSYSTEMS, INC.
Current assignee: LITTONSYSTEMS, INC.
Priority date: 2008-01-08
Filing date: 2009-01-08
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2029-01-08
Also published as: EP2078925A3; EP2078925A2; JP2009162760A; US7874209B2; EP2078925B1; US20090173157A1

Description

関連発明

この出願は、以下の米国出願の主題と関係する主題を含む。これらの米国出願は本出願と同じ被譲渡人に譲渡されている。

すなわち、２００６年８月７日に出願された“Bias and Quadrature Reduction in Class II Coriolis Vibratory Gyros”と題する米国特許出願第１１／４９９，９５７号（ＮＧＣ−２７９／００１０３９−１９９）、２００６年２月２８日に出願された"Self-Calibration for an Inertial Instrument Biased On Real Time Bias Estimator"と題する米国特許出願第１１／３６４，３１６号（ＮＧＣ−２７４／０００８５６−１９９）、２００２年３月１４日に出願された"Self-Calibrating Accelerometer"と題する米国特許出願第１０／０９７，７５４号（ＮＧＣ−３２０／００１２３４−１９９）、２００２年３月７日に出願された"Self-Calibration of Scale Factor for Dual Resonator Class II Coriolis Vibratory Gyros"と題する米国特許出願第１０／１４０，１５０号（ＮＧＣ−３２６／００１２２６−１９９）、及び２００２年４月１０日に出願された"Self-Calibrating Nuclear Magnetic Resonance Gyro"と題する米国特許出願第１０／１２０，０３８号（ＮＧＣ−３３４／００１６８９−１９９）である。

本発明は、広くは、容量性バルク弾性波ディスク・ジャイロに関し、更に詳しくは、自己較正型の容量性バルク弾性波ディスク・ジャイロに関する。

駆動軸と感知軸とが相互に交換されるとジャイロ・バイアスの極性が反転される特定のクラスのジャイロが存在する。この特定のクラスのジャイロは、クラスのＩＩのコリオリ振動ジャイロ（ＣＶＧ）と称され、本質的に平衡状態にあり、入力軸に関して対称的で、直交する減衰（退化）振動モード（orthogonal degenerate vibration mode）を有することを特徴とする。角速度入力が変動するジャイロ・バイアスの自己較正は、２つのジャイロを用いて角速度を測定しシーケンシャルにジャイロ・バイアスを反転させることにより達成される。角速度入力が一定であるジャイロ・バイアスの自己較正は、北の方位を発見するためのジャイロコンパスなどの応用例において、単一のジャイロを用いて達成される。ジャイロからのデータのシーケンスは、アルゴリズムにおいて処理され、ジャイロ・バイアスが求められ、求められたジャイロ・バイアスが測定された速度から減算される。２つの自己較正されたジャイロの角速度の測定値は、平均化され、角度のランダム・ウォークが除去される。

半円形共振器ジャイロ（ＨＲＧ）の概念実証（proof-of-concept）テストによると、クラスＩＩのコリオリ振動ジャイロ（ＣＶＧ）の場合には、駆動モードと感知モードとを相互に交換すると、ジャイロの極性が反転されるが、その際、ジャイロ・バイアスは不変なままに維持されることが示されている。方位確定（pointing）の応用例におけるジャイロコンパスのように角速度が静止している環境では、単一のジャイロを用いて北に対する方位を決定することができ、その際に、ジャイロの感知軸を機械的に反転させることは不要である。走行中の車両や飛行中の航空機など角速度が動的な環境では、軸ごとに極性が交代する２つのジャイロを用いて、それぞれのジャイロのバイアスを連続的に導き、車両又は航空機の位置と速度と方位との慣性系の決定における誤差源としてのジャイロ・バイアスを排除する。プルーフマスの重心位置をサスペンションの中心線のいずれかの側に交代させて加速度計の極性を反転させることにより、加速度計のバイアスを決定するためにも、類似のアプローチが提案されている。

今日では、最新のマイクロマシン加工された振動型のジャイロスコープは、低周波（例えば、３−３０ｋＨｚ）で動作し、質量増加と励起振幅とに依存して、ノイズ・フロアを減少させ、バイアス安定性を改善する。低電力及び小型の場合には達成が難しい質量と駆動振幅との増加なくして、振動型ジャイロのフリッカ・ノイズ・フロアすなわちバイアス不安定性を縮小することが望まれている。

本発明による方法及び装置のある１つの実施例は、装置を含む。この装置は、閉ループ・モードで動作する容量性バルク弾性波ジャイロを有する。容量性バルク弾性波ジャイロの例は、Houri Johari and Farrokh Ayazi "High-Frequency Capacitive Disk Gyroscope in (100) and (111) Silicon", MEMS 2007 Conference in Kobe, Japanという論文に記載がある。自己較正システムが、容量性バルク弾性波ディスク・ジャイロスコープに動作的に結合される。このジャイロのジャイロ・バイアスの自己較正は、ジャイロのアンチノーダルすなわち駆動軸とノーダルすなわち感知軸とを相互に交換することによって実現される。

本発明による方法及び装置の別の実施例は、方法を含む。この方法は、容量性バルク弾性波ディスク・ジャイロを閉ループ・モードで動作させるステップと、ジャイロのアンチノーダルすなわち駆動軸とノーダルすなわち感知軸とを相互に交換してジャイロの自己較正を実現するステップとを含む。

本発明による方法及び装置の実施例の特徴は、特許請求の範囲に記載されている。これらの実施例は、以下の説明を図面を参照して考慮することによって最もよく理解することができる。なお、図面においては、同様の参照番号は同様の構成要素を示している。
本発明による方法及び装置と共に用いるコリオリ・ベースのＢＡＷジャイロスコープを示している。本発明の方法及び装置によるノーマル・モードにおける（１００）シリコンの場合のピックオフ及び強制電極構成の図解である。リバース・モードにおける（１００）シリコンの場合のピックオフ及び強制電極構成の図解である。本発明の方法及び装置によるノーマル・モードにおける（１１１）シリコンの場合のピックオフ及び強制電極構成の図解である。リバース・モードにおける（１１１）シリコンの場合のピックオフ及び強制電極構成の図解である。本発明による方法のある１つの実施例を流れ図として示している。

本発明による方法及び装置の実施例は、閉ループ・モードで容量性バルク弾性波（ＢＡＷ）ディスク・ジャイロスコープを動作させ、自己較正技術を用いてパフォーマンスを改善し応用例を増加させることに向けられたものである。容量性バルク弾性波ｚ軸ジャイロスコープは、（１００）及び（１１１）の両方のシリコン基板において設計され実現される。容量性ＢＡＷディスク・ジャイロは、減衰（degenerative）バルク弾性モードで動作する静的な装置であり、その振動振幅は非常に小さい（２０ｎｍ未満）。高周波ＢＡＷジャイロの利点は、サイズが小さいこと、Ｑが高いためにノイズ及びバイアス安定性が改善されること、帯域幅が大きいこと、ショック抵抗性が改善されていること、などである。更に、高いＱは空中でも維持され、よって、ジャイロスコープのウエハ・スケールでのパッケージングのコスト及び複雑さを低減させることができる。

本発明による方法及び装置の実施例では、ジャイロの共振器をｎ＝３のモードで駆動して、（１００）単結晶シリコンの機械的な対称性を一致させることができる。ピックオフには３つの電極が要求され、全体で第１及び第２のの電極のための駆動軸及び感知軸の両方に対する強制のために３つが要求される。ジャイロ・バイアスの自己較正は、アンチノーダル軸とノーダル軸とを相互に交換することによって、このジャイロにおいて実現される。電極の位置合わせ（アライメント）のズレに起因する誤差を回避するためには、アンチノーダル駆動電極とノーダル・ピックアップ電極とが相互に交換され、アンチノーダル・ピックアップ電極とノーダル駆動電極とが相互に交換されることが要求される。動的動作条件にある慣性系では、極性が反転する２つのジャイロか、又は、反転する極性を備えた２つの共振器を有する単一のジャイロが、軸ごとに要求される。

自己較正技術を容量性のバルク弾性波（ＢＡＷ）ジャイロスコープに応用することは、１オーダーを超えてパフォーマンスを改善し、応用例の数を増加させる潜在性を有している。容量性のバルク弾性波（ＢＡＷ）ジャイロスコープの開ループでの動作に加えて、このジャイロスコープは、閉ループで動作する又は再平衡（リバランス、rebalance）モードに強制するように構成されている。

図１に示されているように、コリオリ・ベースのＢＡＷジャイロスコープ１００は、容量結合された駆動又は強制電極１０４と感知又はピックオフ電極１０６と制御又はチューニング電極１０８とを備えた中心サポート型（center-supported）のディスク構造１０２から構成されている。容量性ＢＡＷディスク・ジャイロは、単結晶シリコン（ＳＣＳ）において実現され、一次又は二次のどちらか一方の減衰楕円バルク弾性モードで動作するように設計されている。

ＳＣＳの異方性により、空間的に３０度だけ離間している（１００）ＳＣＳディスクの二次楕円モードだけが、同一の周波数を有する（図２）。（１１１）ＳＣＳディスク・ジャイロでは、ディスクの一次楕円（primary elliptical）モード（３０度ではなくて、４５度のオフセットである）が同一の周波数を有する。結果的に、電極は、感知及び駆動変換を最大化するためには、（１００）ＳＣＳの場合には３０度ごとに、（１１１）ＳＣＳの場合には４５度ごとに、ディスクの円周の周囲に配置されなければならない。

コリオリ・ジャイロスコープを設計する際の重要なパラメータの１つに、角度ゲインがある。角度ゲイン（angular gain）は、与えられる回転角に対する振動パターン角の変化率として定義される。角度ゲインは、センサ構造と動作における共振モードのタイプとに左右される。ソリッド・ディスク構造の角度ゲインは、二次楕円モードに対する場合よりも一次楕円モードの場合の方が１．８培大きく導かれる。感度は角度ゲインに対して線形に比例するから、（１１１）シリコンにおけるＢＡＷディスク・ジャイロは、（１００）シリコンにおける同一の装置と比較すると、より高い感度を有している。しかし、（１００）シリコン基板は、ＣＭＯＳ互換性の点で長所を有し、（１１１）シリコン基板と比較して有用性を有する。

図２は、ノーマル・モードの（１００）シリコンの場合のピックオフ及び強制（forcer）電極構成を図解している。共振器２００は、ｎ＝３モードで駆動されて、（１００）単結晶シリコンの機械的対称性と一致する。３つの電極がピックオフに提供され、全体で１２個の電極に対する駆動及び感知の両方の軸に対する強制に対して３つが提供される。電極関数を識別するのに、以下の用語が用いられる。

ＡＮＤ：共振器を所望の振幅まで駆動するアンチノーダル駆動及び強制である。

ＡＮ−ＰＯ：駆動振幅を感知するアンチノーダル・ピックアップである。

ＮＤ：角回転に起因する感知軸におけるコリオリ力を再平衡化するノーダル駆動及び強制である。

ＮＰＯ：コリオリ誘導された変位を感知するノーダルピックオフ及びピックオフである。

図３は、共振器３００に対するリバース・モードの（１００）シリコンの場合のピックオフ及び強制電極を図解している。アンチノーダル駆動はノーダル・ピックオフと相互に交換され、アンチノーダル・ピックオフはノーダル駆動と相互に交換される。クラスＩＩのコリオリ振動ジャイロにおいて駆動軸と感知軸とを相互に交換すると、ジャイロ・スケール・ファクタが極性を反転させるが、他方で、ジャイロ・バイアス極性は不変のままである。この効果により、ジャイロ・バイアスを、リアルタイムで観察されることが可能になり、また、２００３年６月２日に出願された“Bias and Quadrature Reduction in Class II Coriolis Vibratory”と題する米国特許出願第１０／４５２，６８６号（ＮＧＣ−２７９／００１０３９）と、２００６年２月２８日に出願された"Self-Calibration For An Inertial Instrument Biaseds On Real Time Bias Estimator"と題する米国特許出願第１１／３６４，３１６号（ＮＧＣ−２７４／０００８５６−１９９）とに記載があるように、誤差源として取り除かれることになる。これらの米国出願は、この出願において援用される。

図４には、共振器４００に対するノーマル・モードの（１１１）シリコンの場合のピックオフ及び強制電極構成が図解されている。共振器４００は、ｎ＝２モードで駆動され、（１１１）単結晶シリコンの機械的対称性と一致する。ピックオフには２つの電極が要求され、全体で８個の電極に対する駆動及び感知の両方の軸に対する強制には２つが要求される。

図５は、共振器５００に対するリバース・モードの（１１１）シリコンの場合のピックオフ及び強制電極を図解している。アンチノーダル駆動はノーダル・ピックオフと相互に交換され、アンチノーダル・ピックオフはノーダル駆動と相互に交換される。

本発明による方法及び装置の実施例では、ジャイロ・バイアスの自己較正は、アンチノーダル軸とノーダル軸とを相互に交換することによって、このジャイロにおいて実現される。電極の位置合わせ（アライメント）のズレに起因する誤差を回避するためには、アンチノーダル駆動電極とノーダル・ピックアップ電極とが相互に交換され、アンチノーダル・ピックアップ電極とノーダル駆動電極とが相互に交換されることが要求される。本発明による方法及び装置の実施例では、動的動作条件にある慣性系では、極性が反転する２つのジャイロか、又は、反転する極性を備えた２つの共振器を有する単一のジャイロが、軸ごとに要求される。これら２つのジャイロ出力信号は、カルマン・フィルタを用いて慣性系で処理される。

図６には、本発明による方法のある実施例を流れ図の形で図示している。この方法は、第１のステップ６０１として、容量性バルク弾性波ディスク・ジャイロを閉ループ・モードで動作させ、第２のステップ６０２として、ジャイロのアンチノーダル軸とノーダル軸とを相互に交換してこのジャイロの自己較正を実現させる。

本発明による装置は、ある例では、電子コンポーネントとハードウェア・コンポーネントとコンピュータ・ソフトウェア・コンポーネントとの中の１又は複数など、複数のコンポーネントから構成されうる。これらのコンポーネントの多くは、本装置の中で組み合わされ又は分離されている。

本発明による方法及び装置は、以上で説明した実施例の特定の詳細には限定されず、これ以外の修正例や応用例も考えることができる。以上で説明した実施例に対しては、本発明による方法及び装置の精神及び範囲から逸脱することなく、変更を加えることが可能である。従って、以上で説明した内容は、例示であって制限を意味しないものと理解すべきである。

Claims

閉ループ・モードで動作される容量性バルク弾性波ディスク・ジャイロと、
前記容量性バルク弾性波ディスク・ジャイロに動作的に結合された自己較正システムと、
を備えており、前記ジャイロのジャイロ・バイアスの自己較正は、前記ジャイロのアンチノーダル軸とノーダル軸とを相互に交換することによって実現されることを特徴とする装置。
請求項１記載の装置において、前記ジャイロは、ノーダル・ピックオフ電極と、アンチノーダル・ピックオフ電極と、ノーダル強制電極と、アンチノーダル強制電極とを含む複数の電極を有し、前記アンチノーダル強制電極は前記ノーダル・ピックオフ電極と相互に交換され、前記アンチノーダル・ピックオフ電極は前記ノーダル強制電極と相互に交換されて、前記ジャイロの前記アンチノーダル軸と前記ノーダル軸との相互交換が実現されることを特徴とする装置。
単結晶シリコン（１００）の機械的対称性を有する共振器を有する容量性バルク弾性波ディスク・ジャイロと、
前記共振器に動作的に結合されておりｎ＝３モードで前記共振器を駆動する駆動システムと、
前記共振器と前記駆動システムとに動作的に結合された自己較正システムと、
を備えており、前記ジャイロのジャイロ・バイアスの自己較正は、前記ジャイロのアンチノーダル軸とノーダル軸とを相互に交換することによって実現されることを特徴とする装置。
請求項３記載の装置において、前記ジャイロは減衰的なバルク弾性モードで動作されることを特徴とする装置。
請求項３記載の装置において、前記ジャイロは駆動軸と感知軸とを有し、前記ジャイロは複数の電極を有し、前記駆動軸と前記感知軸とは、それぞれ、前記複数の電極の中で、ピックオフ電極である３つの電極と強制電極である更に３つの電極とを有することを特徴とする装置。
請求項３記載の装置において、前記ジャイロはピックオフ電極と強制電極とを含む複数の電極を有し、アンチノーダル強制電極はノーダル・ピックオフ電極と相互に交換され、アンチノーダル・ピックオフ電極はノーダル強制電極と相互に交換されて、前記ジャイロの前記アンチノーダル軸と前記ノーダル軸との相互交換が実現されることを特徴とする装置。
請求項３記載の装置において、動的な動作条件にある慣性系では、交代する極性を有する２つのジャイロを更に備えていることを特徴とする装置。
請求項３記載の装置において、動的な動作条件にある慣性系では、軸ごとに交代する極性を有する２つの共振器を備えた単一のジャイロを更に備えていることを特徴とする装置。
請求項３記載の装置において、前記ジャイロにおけるアンチノーダル軸とノーダル軸とを相互に交換することにより、ジャイロ・スケール・ファクタは極性を反転させるのに対し、ジャイロ・バイアス極性は変化することなく維持されることを特徴とする装置。
単結晶シリコン（１１１）の機械的対称性を有する共振器を有する容量性バルク弾性波ディスク・ジャイロと、
前記共振器に動作的に結合されておりｎ＝２モードで前記共振器を駆動する駆動システムと、
前記共振器と前記駆動システムとに動作的に結合された自己較正システムと、
を備えており、前記ジャイロのジャイロ・バイアスの自己較正は、前記ジャイロのアンチノーダル軸とノーダル軸とを相互に交換することによって実現されることを特徴とする装置。
請求項１０記載の装置において、前記ジャイロは減衰的なバルク弾性モードで動作されることを特徴とする装置。
請求項１０記載の装置において、前記ジャイロは駆動軸と感知軸とを有し、前記ジャイロは複数の電極を有し、前記駆動軸と前記感知軸とは、それぞれ、前記複数の電極の中で、ピックオフ電極である２つの電極と強制電極である更に２つの電極とを有することを特徴とする装置。
請求項１０記載の装置において、前記ジャイロはピックオフ電極と強制電極とを含む複数の電極を有し、アンチノーダル強制電極とノーダル・ピックオフ電極とが相互に交換され、アンチノーダル・ピックオフ電極とノーダル強制電極とが相互に交換され、前記ジャイロの前記アンチノーダル軸と前記ノーダル軸との相互交換が実現されることを特徴とする装置。
請求項１０記載の装置において、動的な動作条件にある慣性系では、交代する極性を有する２つのジャイロを更に備えていることを特徴とする装置。
請求項１０記載の装置において、動的な動作条件にある慣性系では、軸ごとに交代する極性を有する２つの共振器を備えた単一のジャイロを更に備えていることを特徴とする装置。
請求項１０記載の装置において、前記ジャイロにおけるアンチノーダル軸とノーダル軸とを相互に交換することにより、ジャイロ・スケール・ファクタは極性を反転させるのに対し、ジャイロ・バイアス極性は変化することなく維持されることを特徴とする装置。
閉ループ・モードで容量性弾性波ディスク・ジャイロを動作させるステップと、
前記ジャイロのアンチノーダル軸とノーダル軸とを交換して前記ジャイロのジャイロ・バイアスの自己較正を実現するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
請求項１７記載の方法において、前記ジャイロはピックオフ電極と強制電極とを含む複数の電極を有し、アンチノーダル強制電極とノーダル・ピックオフ電極とが相互に交換され、アンチノーダル・ピックオフ電極とノーダル強制電極とが相互に交換され、前記ジャイロの前記アンチノーダル軸と前記ノーダル軸との相互交換が実現されることを特徴とする方法。
請求項１７記載の方法において、前記ジャイロにおけるアンチノーダル軸とノーダル軸とを相互に交換することにより、ジャイロ・スケール・ファクタは極性を反転させるのに対し、ジャイロ・バイアス極性は変化することなく維持されることを特徴とする方法。
請求項１７記載の方法において、前記容量性バルク弾性波ディスク・ジャイロは単結晶シリコンにおいて実現されることを特徴とする方法。