JP5639685B2 - 自己較正型加速度計 - Google Patents

Description

本発明は、加速度計に関し、更に詳しくは自己較正型の加速度計に関する。
なお、本出願は、本出願と同じ被譲渡人に譲渡されている以下の出願の内容と関連する内容を含む。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）と、２００６年８月７日に出願された“Method for Modifying the Location of Nodal Points of a Vibrating Beam”と題する米国特許出願第１１／４９９，９５６号（ＮＧＣ−２０２／００１０４７−１９９）と、２００５年２月１１日に出願された“Oscillation of Vibrating Beam in a First Direction for a First Time Period and a Second Direction for a Second Time Period to Sense Angular Rate of the Vibrating Beam”と題するRobert E. Stewartによる米国特許出願第１１／０５７，３２４号（ＮＧＣ−０１６７／０００６０２−１９９）と、２００４年１２月１３日に出願された"Coplanar Proofmasses Employable To Sense Acceleration Along Three Axes"と題する米国特許出願第１１／０１０，５８８号（ＮＧＣ−１６５／０００５５４−１９９）と、２００６年２月２８日に出願された"Self-Calibration For An Inertial Instrument Biases 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、である。

ジャイロの場合には、駆動軸と感知軸とが相互に交換されるときにジャイロ・バイアスが極性を反転す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のコリオリ震動性ジャイロであると識別され、本質的に平衡状態にあり、入力軸に関して対称的で、直交する退化振動モードを有することを特徴とする。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。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、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。

加速度バイアスの自己較正は、ジャイロ・バイアスの自己較正と同様の態様で達成することができる。加速度計の場合には、スケール・ファクタの極性が反転される。加速度計のスケール・ファクタの極性を反転させる方法は、"High Accuracy Accelerometer"と題する米国特許第４，５９９，８９６号に示されている。加速度計バイアスの自己較正は、２つの加速度計を用いて加速度を測定し加速度計のスケール・ファクタをシーケンシャルに反転させることによって達成される。加速度計バイアスの極性は変更されないまま維持され、加速度計からのデータのシーケンスは上述したアルゴリズムにおいて処理され、加速度計バイアスが求められ、求められた加速度計バイアスが測定された加速度から減算される。２つの自己較正型加速度計による加速度の測定値は、平均化され、速度ランダム・ウォークが減少される。

加速度計バイアスの不確定性は、慣性測定及びナビゲーション・システムにおける主たる誤差源である。バイアスの不確定性は、オンされるときの過渡的な振る舞いや、ヒステリシスと単純に時間経過に伴う傾向とを含むバイアス対温度特性のモデル化不可能性及び不安定性とに起因して生じる。加速度計バイアスの不確定性を縮小することにより、慣性測定及びナビゲーション・システムの性能を著しく向上させることになると思われる。

本発明は、上記した従来例の問題点に鑑みてなされたものであり、したがって本発明の目的は、上記した問題を解決することができる自己較正型加速度計を提供することである。

本発明による方法及び装置の実施例は装置を含む。この装置は、バイアスを有する加速度計のための感知要素であって、横向き中心線（transverse center line）を中心とする回転を許容するフレクシュア（flexures）によって支持された矩形のプレートを有する感知要素と、サスペンション中心線（centerline of suspension）によって定義された回転軸のそれぞれの側に１つずつ２つの安定的な位置を有する前記感知要素の質量中心（ＣＧ）と、プルーフマスの内部にあり平面内を並進して前記質量中心を移動させることにより、動的な動作条件の下で加速度計のバイアスを連続的に測定し零化する自己較正機構を有効にする二次質量と、を備えている。

本発明による方法及び装置の実施例は方法を含む。この方法は、静的条件と動的条件との両方の下で加速度計バイアスを連続的に自己較正することにより誤差源としての加速度計バイアスを除去するステップと、シーケンシャルに極性を交代する２つの加速度計によって継続的かつ同時的に加速度を測定するステップと、デジタル信号プロセッサにおいてリアルタイムのバイアス評価アルゴリズムを用いて前記加速度計の出力からの測定された加速度を処理することによりバイアスの自己較正を有効にするステップと、を含む。

本発明の方法及び装置による自己較正型加速度の１つの実施例の概略図である。 本発明の方法及び装置による自己較正型加速度の別の実施例の概略図である。 本発明の方法及び装置によるＺ軸感知要素の平面図である。 本発明の方法及び装置によるＸ及びＹ軸感知要素の平面図である。 本発明の方法及び装置によるＭＥＭＳ３軸平面加速度計の展開図である。 ２つの加速度計が並列的に動作する場合に直接的に観測可能な加速度計バイアス誤差に関するタイミング・シーケンスを示す。

本発明による方法及び装置の実施例の特徴は、特に、特許請求の範囲の記載に記載されている。これらの実施例は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより最もよく理解できるはずである。図面においては、類似する構成要素には類似する参照番号が付されている。

本発明の方法及び装置の実施例と共に用いられる様々な技術を、以下で開示する。
加速度計の出力は、２００６年２月２８日に出願された米国特許出願第１１／３６４，３１６号に記載されたリアルタイムのバイアス評価アルゴリズムを用いたデジタル信号プロセッサにおいて処理される。

Ｘ、Ｙ及びＺ軸の感知要素が、２００４年１２月１３日に出願された米国特許出願第１１／０１０，５８８号に記載された直交する組を形成するように構成される。
また、ＭＥＭＳ３軸平面加速度計も、２００４年１２月１３日に出願された米国特許出願第１１／０１０，５８８号に記載されている。

質量変調の原理は、米国特許開示００１２３４−１９９（米国特許出願公開第２００８／０２３６２４２号として公開され、米国特許第７，６４０，７８６号として特許された）に開示されている。
パルス幅変調された電荷制御サーボを用いて静電力再平衡化されているプルーフマスは、米国特許第５，１４２，９２１号に記載されている。付勢方法は、"Bi-stable Micro Actuator and Optical Switch"と題する米国特許第６，５９１，０２７号に記載されている。質量変調の原理は、"High Accuracy Accelerometer"と題する米国特許第４，５９９，８９６号に記載されている。

以下では、自己較正型の加速度計について説明する。本発明の方法及び装置による実施例は単一の加速度計として実現可能であるが、３軸平面加速度計構成が、１つの実施例として説明されている。この自己較正機構は、動的な動作条件の下で加速度計のバイアスを連続的に測定し零化する。本発明の方法及び装置の実施例は短軸平面加速度計構成としても用いることができる点を注意してほしい。

図１は、自己較正型加速度計の１つの実施例の概略図であり、感知要素１０２の平面に垂直な感知又は入力軸（ＩＡ）を備えたＺ軸を有している。感知要素１０２は、横向きの中心線を中心とする回転を許容するフレクシュアによって支持される矩形のプレートでありうる。三角形１０３の頂点は、このサスペンション中心線（ＣＳ）を基板１０１によって支持される支点として示している。感知要素１０２の質量中心（ＣＧ）は、サスペンション中心線によって定義される回転軸のそれぞれの側に１つずつ存在する２つの安定的な位置を有するように示されている。プルーフマス内部の二次質量は、平面内を並進して、質量中心を左右に移動させる。この機構の詳細は後述する。質量中心の位置を変更する機能は、質量変調と呼ばれる。質量中心をサスペンション中心線の一方の側から他方の側に再配置することにより、入力軸の極性が反転され、加速度計バイアスの自己較正が可能になる。加速度の下で、感知要素は、ＣＧ１位置における質量中心に関してはサスペンション中心線（ＣＳ）を中心にして時計回りに、ＣＧ２位置における質量中心に関しては反時計回りに回転する。プルーフマスは、例えば、パルス幅変調された電荷制御サーボを用いて、静電力により再平衡化される。

図２は、自己較正型加速度計の別の実施例の概略図であり、その感知又は入力軸（ＩＡ）が平面内にあるＸ及びＹ軸を有する場合である。加速度計の極性を変更するには、２つの質量中心（ＣＧ１及びＣＧ２）は、この場合には、感知要素２０２に関するサスペンション中心線（ＣＳ）の上下にある２つの双安定位置の間を垂直方向に移動可能である。すなわち、これは、二次質量を平面外に上下に並進させることによって達成される。静電力により、Ｚ軸構成に関して上述したのと同じ態様で、サーボ機能が再平衡化される。

歴史的には、時間及び温度の経過に伴うバイアス安定性及び反復可能性が、達成するのが最も困難な加速度計の性能に関する要求であった。自己較正型の加速度計に関する本発明の方法及び装置による実施例では、静的条件と動的条件との両方の下で加速度計バイアスを連続的に自己較正することにより誤差源としての加速度計バイアスを除去することによって、この困難を克服している。バイアス自己較正には、シーケンシャルに交代する極性を有する２つの加速度計による加速度の継続的かつ同時的な測定が必要である。加速度計の出力は、上述した特許出願０００８５６−１９９に記載されているリアルタイムのバイアス評価アルゴリズムを用いたデジタル信号プロセッサにおいて処理される。極性の交代的な反転は、感知要素の質量中心の位置を上述したように支持中心線の対向する側に交代させることによって達成される。

図３は、本発明の方法及び装置によるＺ軸感知要素３０４の平面図である。感知要素３０４は、サスペンション中心線３０２の周囲にあるこの感知要素３０４へのフレクシュア３０７によって支持されるプルーフマス３０３でありうる。プルーフマス３０３の内部には、２つの双安定位置の一方にある様子が示されている二次質量３０５がある。この二次質量３０５は、圧縮されて保持されている４つの座屈フレクシュア要素３０６によって支持されている。熱アクチュエータ（図示せず）が、二次質量３０５を他方の双安定位置に並進させる臨界的な座屈力（buckling force）よりも小さくなるまで圧縮力を減少させる。入力軸は感知要素の平面と垂直であり、加速度へのプルーフマスの回転応答は反転され、他方で、感知要素に対する加速度に依らずに誘導されるトルクは、質量中心が２つの双安定位置の間で並進するさいに反転しない。

図４は、本発明の方法及び装置によるＸ及びＹ軸感知要素の平面図である。図４の感知要素は、図３に示されている感知要素と同一のコンポーネントから構成されている。プルーフマス３０３の内部にある二次質量３０５は、二次質量３０５の２つの双安定位置を中立的な平面内の位置の上下に移動させる座屈（buckled）ビーム・フレクシュア３０６によって支持される。この場合の質量中心ＣＧ１は、サポート中心の上又は下のいずれかにある。入力軸は、従って、感知要素３０４の平面内にあり、サスペンション中心線と質量中心とを含む平面に対して垂直である。

図５は、ＭＥＭＳ３軸平面加速度計の展開図である。示されている実施例では、質量変調されていない感知要素５０５を有していないプルーフマス構造が示されている。質量変調を有する１対のこれらの３軸加速度計は、入力軸極性が交代する３つの直交軸に沿った加速度を同時的に測定するのに用いられる。加速度計の出力は、リアルタイムのバイアス評価アルゴリズムに与えられ、それぞれの加速度計のバイアスが決定され零化される。この実施例では、底部カバー５０１は、誘電層５０３を介して中心要素５０４に動作的に結合されている。中心要素５０４は、プルーフマス５０５を有する。頂部カバー５０７は、別の誘電層５０６を介して中心要素５０４に動作的に結合されている。

図６は、２つの加速度計が並列的に動作する場合に直接的に観測可能な加速度計バイアス誤差に関するタイミング・シーケンスを示している。リアルタイムのバイアス評価アルゴリズムの１つの実施例について、以下で説明する。

加速度計バイアス誤差は、２つの加速度計が並列的に動作している場合には、直接的に観測可能である。そのようなタイミング・シーケンスが、加速度計Ａ及び関連するバイアス６０１と加速度計Ｂ及び関連するバイアス６０２とについて、図６に示されている。

この実施例では、加速度計は、共に、測定間隔Ｍｅａｓ１（測定１）〜Ｍｅａｓ４（測定４）のそれぞれにおいて安定的に動作している。両方の加速度計は、同じ軸に沿った加速度を感知している。それぞれのｉ番目の測定間隔の間にそれぞれの加速度計（Ａ及びＢ）によって得られた観測値は、次の通りである。

ＭｅａｓＡ（ｉ）＝Ｗｉｎ（ｉ）＋／−ＢｉａｓＡ
ＭｅａｓＢ（ｉ）＝Ｗｉｎ（ｉ）＋／−ＢｉａｓＢ
第１及び第２の測定間隔に関しては、次の通りである。
ＭｅａｓＡ（１）＝Ｗｉｎ（１）＋ＢｉａｓＡ
ＭｅａｓＢ（１）＝Ｗｉｎ（１）＋ＢｉａｓＢ
ＭｅａｓＡ（２）＝Ｗｉｎ（２）−ＢｉａｓＡ
ＭｅａｓＢ（２）＝Ｗｉｎ（２）＋ＢｉａｓＢ

上記した観測行列及びその逆行列は次の通りである。

観測行列は、それぞれの間隔における入力に対する評価と、観測間隔１及び２におけるＢｉａｓＡ（加速度計Ａのバイアス）及びＢｉａｓＢ（加速度計Ｂのバイアス）の値とを与える。間隔３及び４における追加的な観測値は、それぞれの加速度計におけるバイアスの連続的な評価を維持するために再帰的フィルタにおいて用いることができる過渡に展開された解を与える。

ある１つの例における本発明による装置は、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又は複数などの複数のコンポーネントから構成される。多数のこれらのコンポーネントが本発明による装置において組み合わされる又は分割される。

本発明の方法及び装置は、説明された実施例の特定の詳細には限定されず、これ以外の修正や応用が考えられる。この出願において開示された本発明による方法及び装置の真の技術的思想及び範囲から逸脱することなく、上述した実施例に対して変更をなすことが可能である。従って、以上の説明は例示的なものであって制限的な意味は有していないものと解釈されるべきである。

Claims (6)

1. 加速度計バイアスを自己較正する方法であって、
   静的条件及び動的条件の両方の下で継続的に加速度バイアスを自己較正して、ノイズ源としての加速度バイアスを削除するステップと、
   ２つの加速度計それぞれの極性を、各加速度計の感知要素の支持中心線の対向する側に、該感知要素の質量中心の位置を交互に移動させることによって、シーケンシャルに交代させつつ、該２つの加速度計によって連続的かつ同時的に加速度を測定する測定ステップと、
   デジタル信号プロセッサにおいて、リアルタイムのバイアス評価アルゴリズムを用いて、２つの加速度計の出力からの測定された加速度を処理して、加速度計のバイスを自己較正するステップと
   からなることを特徴とする方法。
2. 請求項１記載の方法において、測定ステップは、プルーフマス内にある二次質量を平面内で移動させて、質量中心を左右に移動させるステップを含むことを特徴とする方法。
3. 請求項２記載の方法において、測定ステップは、質量中心を、支持中心線の一方の側から他方の側に再配置することにより、入力軸の極性を反転させるステップを含むことを特徴とする方法。
4. 請求項２記載の方法において、測定ステップは、加速度下において、感知要素を、質量中心が第１の質量中心位置（ＣＧ１）にある場合は支持中心線を中心にして時計回りに、質量中心が第２の質量中心位置（ＣＧ２）にある場合は支持中心線を中心にして反時計回りに回転させるステップを含んでいることを特徴とする方法。
5. 請求項４記載の方法において、２つの加速度計の極性の変更は、質量中心を、第１の質量中心位置（ＣＧ１）及び第２の質量中心位置（ＣＧ２）の間で、感知要素の支持中心線（ＣＳ）の上下に移動させることにより実行されることを特徴とする方法。
6. 請求項５記載の方法において、二次質量は、平面の上下に移動することを特徴とする方法。

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