JP6655139B2 - ジャイロスコープにおいてモードを整合させるための周波数整合検出方法 - Google Patents

Description

本出願は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープに関する。

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープは、コリオリの力によって生成された加速度を感知することによって角運動を検出するように構成されている。コリオリの力は、ＭＥＭＳジイロスコープの共振質量体が角運動に供されると生じる。

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープにおける周波数不整合を検出するための方法が記載されている。駆動信号と感知信号との間の周波数不整合の検出は、出力信号であって、そのスペクトルがジャイロスコープの物理的特性を反映する、出力信号を生成し、出力信号を使用して感知信号の周波数ｆ_Ｃを決定することによって遂行され得る。出力信号は、ランダムまたは擬似ランダムノイズ信号を応答信号と相互相関させることによって生成され得、ジャイロスコープの周波数応答を模倣するノイズ伝達関数を有するように設計されたシステムにノイズ信号を通過させることによって応答信号を得ることができる。ノイズ信号はランダムまたは擬似ランダムであるため、ノイズ信号を応答信号と相互相関させることは、ジャイロスコープのスペクトル特性を明らかにする。計算効率を改善するために、相互相関をノイズ信号および応答信号の復調されたバージョンについて遂行することができる。

いくつかの実施形態は、ジャイロスコープにおける周波数不整合を検出するための方法を提供する。本方法は、駆動信号をジャイロスコープに適用することと、感知信号をジャイロスコープから受信することと、駆動信号と感知信号との間の周波数不整合を検出することとを含み得、検出は、ノイズ信号を生成すること、ノイズ信号を復調すること、感知信号から得られた応答信号を復調すること、復調されたノイズ信号を復調された応答信号と相関させること、および相関の結果を使用して周波数不整合を検出することを含む。

いくつかの実施形態は、微小電気機械（ＭＥＭＳ）装置を提供する。ＭＥＭＳ装置は、ジャイロスコープと回路とを備え、回路は、ジャイロスコープに連結され、駆動信号をジャイロスコープに適用し、感知信号をジャイロスコープから受信し、駆動信号と感知信号との間の周波数不整合を、ノイズ信号を生成すること、ノイズ信号復調すること、感知信号から得られた応答信号を復調すること、復調されたノイズ信号を復調された応答信号と相関させること、および相関の結果を使用して周波数不整合を検出することによって検出するように構成されている。

いくつかの実施形態は、微小電気機械（ＭＥＭＳ）装置を提供する。ＭＥＭＳ装置は、感知信号を生成するように構成されたジャイロスコープと、ジャイロスコープに連結され、感知信号を受信するように構成された第１の入力、およびノイズ発生器の出力に連結された第２の入力を有するノイズシェーパと、ノイズ発生器の出力に連結された第１の復調器と、ノイズシェーパの出力に連結された第２の復調器と、第１の復調器および第２の復調器に連結された相関器と、を備え得る。

本出願の様々な態様および実施形態は、以下の図を参照して記載される。図は必ずしも縮尺通りではないことを理解されたい。複数の図に現れるアイテムは、それらが現れるすべての図において同じ参照番号によって示される。
本明細書に記載される技術のいくつかの実施形態による微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープを例証するブロック図である。 本明細書に記載される技術のいくつかの実施形態による駆動信号および感知信号のスペクトル特性を例証するプロットである。 本明細書に記載される技術のいくつかの実施形態による例証となるＭＥＭＳジャイロスコープの概略図である。 本明細書に記載される技術のいくつかの実施形態による、駆動信号周波数と感知信号周波数との不整合に関してＭＥＭＳジャイロスコープを補正するための例証となるシステムのブロック図である。 本明細書に記載される技術のいくつかの実施形態によるＭＥＭＳジャイロスコープにおける周波数不整合を検出するための例示的なシステムの一部を例証するブロック図である。 本明細書に記載される技術のいくつかの実施形態による、図４Ａのシステムの別の部分のブロック図である。 本明細書に記載される技術のいくつかの実施形態による、図４Ｂのシステムの出力のスペクトルを例証するプロットである。 本明細書に記載される技術のいくつかの実施形態による、図４Ｂのシステムに代替的に使用され得る図４Ａのシステムの別の部分である。 本明細書に記載される技術のいくつかの実施形態による、図４Ａのシステムのスペクトル特性を例証するプロットである。 本明細書に記載される技術のいくつかの実施形態による、図４Ｄのシステムの出力のスペクトル特性を例証するプロットである。 本明細書に記載される技術のいくつかの実施形態による、周波数不整合が位相の関数としてプロットされている例示的な較正曲線を例証するプロットである。 本明細書に記載される技術のいくつかの実施形態による、駆動信号が非ゼロ帯域幅を有する場合を例証するノイズ伝達関数のプロットである。 本明細書に記載される技術のいくつかの実施形態による、非ゼロ帯域幅を有する駆動信号の存在下で周波数不整合を検出するためのシステムのブロック図である。 本明細書に記載される技術のいくつかの実施形態による、非ゼロ帯域幅を有する駆動信号の存在下で周波数不整合を検出するための別のシステムのブロック図である。

本発明者は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープの角運動に対する応答が周波数不整合の存在によって悪影響を受けることがあると認識するに至った。本明細書では「周波数不整合」という表現を使用して、（本明細書において「駆動信号」と称される）信号であって、それによってジャイロスコープの共振器が励起される、信号の周波数と、コリオリの力に応答して生成された（本明細書において「感知信号」と称される）信号の周波数との間の差を示す。周波数不整合が生じると、感知信号の振幅が低減され得るか、および／または感知信号がジャイロスコープの不正確な性能をもたらすノイズによって影響され得る。感知信号の周波数は、ジャイロスコープの物理的特性（例えば、製造プロセスに起因する温度、設計の変動など）に基づいて変化することがあり、結果として、ジャイロスコープの動作中に周波数不整合が生じるかどうかは不明である。

本発明者は、周波数不整合の存在および／または大きさを検出することを使用して、例えば、駆動周波数を調整することおよび／またはバイアス電圧を印加することによって周波数不整合を補正することができると認識するに至った。したがって、本明細書に記載される技術のいくつかの態様は、温度および／またはプロセスの変動の存在下であってもＭＥＭＳジャイロスコープにおける周波数不整合を検出するための方法およびシステムに関する。

いくつかの実施形態では、駆動信号と感知信号との間の周波数不整合の検出は、出力信号であって、そのスペクトルがジャイロスコープの物理的特性を反映する、出力信号を生成し、出力信号を使用して感知信号の周波数ｆ_Ｃを決定することによって遂行されてもよい。本明細書において説明されるように、出力信号のスペクトル分析は、本明細書に記載される実施形態に従って遂行されるとき、周波数ｆ_Ｃの特徴（例えば、ピークまたはディップ）を明らかにし得る。

一態様によれば、出力信号を生成して、相互相関動作の特性を活用することによってジャイロスコープの特性を反映することができる。例えば、出力信号は、ランダムまたは擬似ランダムノイズ信号を応答信号と相互相関させることによって生成されてもよく、応答信号は、ジャイロスコープの周波数応答を模倣するノイズ伝達関数を有するように設計されたシステムにノイズ信号を通過させることによって得られる（システムの少なくとも一部は、少なくともいくつかの実施形態では、デルタシグマ変調器として実装されてもよい）。ノイズ信号はランダムまたは擬似ランダムである（およびそのようなものとして、その自己相関がデルタ関数であるか、またはデルタ関数でよく近似されている）ため、ノイズ信号を応答信号と相互相関させることは、ジャイロスコープのスペクトル特性を明らかにする。

本発明者は、ジャイロスコープのスペクトル特性を検出することが計算的に高価であり得、そのようなものとして、異なる目的のために別様に開放され得る計算ソースを不必要に利用し得るとさらに認識するに至った。したがって、本発明者は、ジャイロスコープのスペクトル特性の限定された部分（例えば、単一の周波数または別個の数の周波数）を単離するため、およびこの限定された部分に基づいて周波数不整合を検出するための技術を開発した。一態様によれば、限定された部分の単離は、駆動信号の周波数に実質的に等しい担体を有する信号でノイズ信号および応答信号を復調することによって、および復調された信号を互いに相互相関されることによって遂行される。周波数不整合の検出は、少なくともいくつかの実施形態では、所定の基準周波数において特定の挙動が生じるかどうか（例えば、相互相関の結果の位相が、直流（ＤＣ）成分、すなわち、ｆ＝０で９０^０であるかどうか）を決定することによって達成されてもよい。

いくつかの実施形態では、駆動信号と感知信号との間の周波数不整合の検出は、そのような周波数が互いに実質的に等しいかどうかを決定することを含む。一部では、駆動信号と感知信号との間の周波数不整合の検出は、２つの周波数が互いにオフセットされる量を決定することをさらに含む。いくつかの実施形態では、周波数が互いにオフセットされる量が決定され、この量を使用して周波数不整合の存在に関してジャイロスコープを補正することができる。例えば、周波数不整合がΔｆに等しくなると決定されると、補正を、駆動信号の周波数をΔｆまで移動させること、および／または大きさがΔｆに依存するバイアス電圧を印加することによって遂行することができる。

図１は、いくつかの実施形態によるジャイロスコープ１００を例証するブロック図である。ジャイロスコープ１００は、共振器１０２とセンサ１０４とを備える。共振器１０２は、周波数ｆ_Ｒを有する駆動信号によって駆動されると周期的に共振するように構成されている。センサ１０４（いくつかの実施形態では、加速度計であり得る）は、角速度を感知するように構成されている。したがって、ジャイロスコープ１００が角運動に供されるとき（例えば、ジャイロスコープが軸に対して回転しているとき）、角運動が生じる角率（例えば、回転率）を、センサ１０４を使用して感知することができる。

いくつかの実施形態では、ジャイロスコープ１００は、コリオリ効果から生じる加速度を検出することによって角速度を感知するように構成されている。コリオリ効果、ゆえにコリオリの力は、１）共振器１０２が共振するとき、および２）ジャイロスコープが角運動に供されるときに生じる。これらの状況では、センサ１０４は、コリオリ効果に起因する加速度を検出し得る。角運動に関連付けられる角率は、例えば、センサ１０４に連結された感知回路を使用することによって、加速度から推測されてもよい。

いくつかの実施形態では、コリオリの力に応答してセンサ１０４によって生成される（本明細書では「感知信号」と称される）信号のスペクトル成分は、センサ１０４の物理的特性（例えば、センサが作製される幾何学的形状または材料もしくは複数の材料）に少なくとも部分的に依存する。例えば、いくつかの実施形態では、センサ１０４は、共振を示すスペクトル応答を有し得、その結果、感知信号のスペクトルは、共振における（局所または広域）ピークを有し得る。

本明細書で論じられるように、角運動に対する応答の大きさを、駆動信号の周波数を感知信号のピーク周波数に整合させることによって高めることができる。しかしながら、これらの周波数を互いに整合させる能力は、センサ１０４の特性がジャイロスコープの動作前に知られていないことがあり、結果として、周波数ｆ_Ｃが不明であるという事実に限定されることがある。その結果、周波数ｆ_Ｃおよびｆ_Ｒ（駆動信号の周波数）は、互いに等しくないかまたは実質的に等しくないことがある。１つのそのような例が図１Ｂに示されており、駆動信号のスペクトル１１２および感知信号のスペクトル１１４を例証する。示されるように、この場合、周波数ｆ_Ｒはｆ_Ｃとは異なる。

共振器１０２およびセンサ１０４を任意の好適な方法で配置することができる。いくつかの実施形態では、共振器１０２はある質量体を含み、センサ１０４は別個の質量体を含む。他の実施形態では、共振器１０２およびセンサ１０４は、同じ質量体を共有する。

ジャイロスコープ１００の１つの例示的な実装例を図２に例証する。この例では、ジャイロスコープ２００は、ｘ軸に平行な方向で共振し、ｙ軸に平行な方向でコリオリの力を検出するように構成されている。本明細書に記載されるタイプのジャイロスコープは、共振または検出の任意の特定の方向に限定されないことを理解されたい。ジャイロスコープ２００は、（アンカー２１４を介して下層基板に固定された）固定フレーム２１０と、プルーフ質量体２０２と、固定電極２２０とを含む。プルーフ質量体２０２は、連結器２１２を介して固定フレーム２１０に弾性的に連結されている。連結器２１２は弾性であり得るため、固定フレーム２１０に対するプルーフ質量体２０２の運動が可能になる。この例では、プルーフ質量体２０２は共振器１０２として機能する。したがって、プルーフ質量体２０２に連結された１つ以上の電極（図２には示さず）に駆動信号が印加されると、プルーフ質量体２０２はｘ軸に沿って前後に振動し、振動の周期性は駆動信号の周波数ｆ_Ｒによって決定される（例えば、等しい）。

プルーフ質量体２０２は、複数の自由端ビーム２２２を含み、これらはそれぞれの固定された電極２２０と複数の感知コンデンサを形成する。感知コンデンサは、感知コンデンサの静電容量がプルーフ質量体の加速度に依存するように、ｙ軸に沿ってプルーフ質量体の運動を感知し得る。したがって、自由端ビーム２２２および固定された電極は集合的に、センサ１０４として機能し得るセンサ２０４を形成する。

ジャイロスコープ２００がｘ軸の周りで角運動に供され、プルーフ質量体２０２がｘ軸に沿って振動するように駆動されると、ｙ軸に沿ったコリオリの力が生じ、プルーフ質量体がｙ軸に沿って移動する。センサ２０４を使用してｙ軸に沿ってプルーフ質量体２０２の加速度を検出することによって、角速度を推測することができる。上記で論じられるように、センサ２０４によって生成される信号（感知信号）の周波数と駆動信号の周波数とを互いにオフセットすることができる。

いくつかの実施形態では、ジャイロスコープ２００は、駆動信号の周波数と感知信号の周波数との間の周波数不整合に関して補正されてもよい。周波数不整合に関してジャイロスコープ１００を補正するためのシステムの一例を図３に示す。いくつかの実施形態では、感知信号は、駆動信号と入力角回転率Ωとの積によって与えられる。例証されるように、ジャイロスコープ１００は、周波数不整合検出器３０２および制御回路３０４に連結されている。周波数不整合検出器３０２は、センサ１０４から感知信号を受信し、周波数不整合を検出する（例えば、周波数が互いに実質的に等しくなるかどうかを決定する、および／またはそれらが不整合となる量を決定する）。周波数不整合検出器３０２が不整合の量を決定する実施形態のうちの少なくともいくつかにおいて、制御回路３０４を使用して、共振器１０２に印加される駆動信号の周波数を調整することができる。いくつかの実施形態では、周波数ｆ_Ｒがその初期値に対して移動される量は、周波数ｆ_Ｒおよびｆ_Ｃが互いにオフセットされる量に依存する。例えば、不整合が大きくなればなるほど、周波数ｆ_Ｒが移動される程度が大きくなる。周波数不整合検出器の例を以下にさらに提供する。制御回路３０４は、比例（Ｐ）制御器、積分（Ｉ）制御器、微分（Ｄ）制御器、またはこれらの任意の好適な組み合わせを含むが、これらに限定されない任意の好適な方法で実装されてもよい。ジャイロスコープ１００、周波数不整合検出器３０２、および制御回路３０４は、同じ基板（例えば、シリコンチップ）上または別個の基板上に配設されてもよい。

いくつかの実施形態では、駆動信号と感知信号との間の周波数不整合の検出は、ノイズ信号を生成すること、ノイズ信号および感知信号から得られた応答信号を復調すること、復調されたノイズ信号を復調された応答信号と相関させること、ならびに相関の結果を使用して周波数不整合を検出することを含み得る。周波数不整合を検出するためのシステム４００の一例を図４Ａに示す。システム４００は、（センサ１０４を表し得る）センサ４０２と、ノイズシェーパ４０４と、ノイズ発生器４０６と、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）４１４とを含む。いくつかの実施形態では、ノイズシェーパ４０４は、増幅器４０５と、（集合的に積分器などの低域通過フィルタを形成し得る）コンデンサＣと、量子化器４１０と、ＤＡＣ４１２とを含む。

ノイズシェーパ４０４は、センサ４０２のスペクトル特性に少なくとも部分的に依存するようにシステム４００のノイズ伝達関数を成形するように構成されてもよい。例えば、センサ４０２が周波数ｆ_Ｃでピークを示す場合、システム４００のノイズ伝達関数は周波数ｆ_Ｃでディップを示してもよい。増幅器４０５、コンデンサＣ、量子化器４１０、およびＤＡＣ４１２は集合的に、デルタシグマ変調器を形成し得る。ノイズシェーパ４０４は、他の実装例も可能であるため、デルタシグマ変調器に限定されない。システムのスペクトル特性は、例として、電力スペクトル密度、周波数応答、伝達関数、インパルス応答、自己相関関数などを含む任意の好適な方法で表現されてもよい。

センサ４０２は、入力としてコリオリの力を受信し得、それに応答して感知信号を生成し得る（ただし対応する共振器が共振されていることを条件とする）。感知信号は、ノイズシェーパ４０４を通過する。いくつかの実施形態では、ノイズ発生器４０６を使用して生成されたノイズ信号は、ノイズシェーパ４０４内（例えば、増幅器４０５の出力と量子化器４１０の入力との間）に注入される。ノイズ信号は、低い自己相関を有するランダム信号（例えば、ホワイトノイズまたはピンクノイズ）であり得る。いくつかの実施形態では、ノイズ発生器４０６は疑似ランダムビット配列（ＰＲＢＳ）発生器として実装され、ノイズ信号はＰＲＢＳである。

ノイズシェーパ４０４が量子化器４１０を含む実施形態では、量子化器４１０を使用して、感知信号の（例えば、増幅器４０５およびコンデンサＣを使用して）フィルタリングされたバージョンをノイズ信号と組み合わせることによって得られた信号をサンプリングすることができる。量子化器４１０のサンプリング周波数ｆ_Ｓは、感知信号の周波数ｆ_Ｃの少なくとも２倍であり得る。ノイズシェーパ４０４によって出力された信号は、本明細書において「応答信号」と称される。応答信号は、コリオリの力の大きさ、したがって、ジャイロスコープが供される角速度の大きさの象徴であってもよい。ＤＡＣ４１４は、フィードバックループを形成してもよく、周波数ｆ_Ｃとｆ_Ｒとが整合している場合、別様に過度に狭くなり得るシステム４００の帯域幅を拡張するように構成されてもよい。

いくつかの実施形態では、周波数ｆ_Ｃは、システム４００のノイズ伝達関数を決定することによって決定されてもよい。システム４００のノイズ伝達関数を決定するための１つの方法は、応答信号をノイズ信号と相互相関させることである。図４Ｂは、図４Ａのノイズ信号および応答信号を受信する相互相関器４３０を例証する。システム４００は、伝達関数Ｈ_０を有する同義ブロックとしてモデル化されてもよい。（原点において狭いインパルスを備える自己相関を有する）ノイズ信号を応答信号と相互相関させることにより、Ｈ_０に実質的に等しいスペクトルを有する出力信号ｈ_０を生成する。したがって、ノイズ伝達関数（ゆえに周波数ｆ_Ｃ）を、出力信号ｈ_０のスペクトルを検出することによって検出することができる。

例示的な出力信号ｈ_０のスペクトルを図４Ｃの周波数の関数として例証する。例証されるように、スペクトルは、センサ４０２がｆ_Ｃでピークを有するという事実に起因して、周波数ｆ_Ｃでディップを示す。したがって、周波数ｆ_Ｃは、ディップが生じる周波数を検出することによって検出されてもよい。ｆ_Ｃとｆ_Ｒとの間の周波数不整合を順に、ｆ_Ｃをｆ_Ｒから減算する（または逆も同様である）ことによって得ることができる。図４Ｃからさらに理解することができるように、この例ではノイズシェーパ４０４がデルタシグマ変調器として実装されているため、スペクトルは広域通過挙動を示す。

いくつかの実施形態では、周波数不整合は、ノイズ伝達関数の拡張されたスペクトル部分を決定する必要はないが、単に対象領域に焦点を当てることによって検出されてもよい。このようにして、計算効率を改善することができる。周波数不整合を検出しつつ、計算効率を改善するためのシステムの一例を図４Ｄに示す。この例では、応答信号およびノイズ信号は、ｆ_Ｒに実質的に等しい（例えば、９０％〜１１０％またはｆ_Ｒ）担体を有する復調信号によって復調される。復調信号は、駆動信号に由来し得る。応答信号およびノイズ信号の復調は、これらの信号を、混合器４２１および４２２をそれぞれ使用して復調信号と混合することによって遂行されてもよい。任意選択で、得られた信号を、低域通過フィルタ４３１および４３２を使用してフィルタリングし、それに伴ってスペクトルの高周波数部分を除去することができる。

いくつかの実施形態では、復調された信号は、（１超のデシメート係数Ｍを有する）デシメータ４４１および４４２を通過してもよい。このようにして、復調された信号を表現するために使用されるデータサンプルの数が低減されるため、計算効率が改善する。次いで、復調された信号は、相関器４５０を使用して相互相関されてもよい。

いくつかの実施形態に従って、図５Ａは、システム４００のノイズ伝達関数の振幅（プロット５０２）および位相（プロット５０４）を例証し、図５Ｂは、相関器４５０を通じて得られた信号の振幅（プロット５１２）および位相（プロット５１４）を例証する。示されるように、システム４００のノイズ伝達関数は、周波数ｆ_Ｃでディップを示す。それに応じて、位相は９０^０に等しい。図５Ｂに示されるように、応答信号およびノイズ信号がｆ_Ｒに実質的に等しい周波数で復調されるため、相関器の出力におけるディップは周波数ｆ_Ｃ−ｆ_Ｒで生じる。それに応じて、相関器の出力の位相は、周波数ｆ_Ｃ−ｆ_Ｒで９０^０に等しい位相を示す。

いくつかの実施形態では、周波数不整合は、基準周波数における相互相関の振幅および／または出力の位相を決定することによって決定されてもよい。このようにして、処理される必要があるデータポイントの量は、スペクトルの拡張部分が処理される場合と比べ実質的に減少する。一例では、周波数不整合の検出は、ｆ＝０における相関器の出力の位相を検出することによって遂行されてもよい。例えば、ｆ＝０における位相が９０^０である場合、周波数ｆ_Ｃとｆ_Ｒとは整合していると決定されてもよい。対照的に、位相が９０^０超または未満である場合、周波数は互いにオフセットされていると決定されてもよい。ｆ ＝０における位相は、少なくともいくつかの実施形態では、相関器の出力の積分を計算することによって決定されてもよい。積分の結果が、実際の部分がゼロに等しくなるような場合、位相が９０^０に等しいこと、およびｆ_Ｃ＝ｆ_Ｒであることが決定されてもよい。

いくつかの実施形態では、ｆ_Ｃとｆ_Ｒとの不整合の量は、位相が９０^０と異なる量を検出することによって検出されてもよい。このために、較正手順は、周波数不整合が相互相関の出力の位相にマッピングされ得るように遂行されてもよい。このような較正手順で得られた較正曲線の一例を図４Ｅに示し、これは周波数不整合ｆ_Ｃ−ｆ_Ｒ対ｆ＝０（Φ_ｆ＝０）における位相をプロットする。例えば、Φ_ｆ＝０が１０６^０に等しい場合、周波数不整合は１０ＫＨｚに等しいと決定されてもよい。他の実施形態では、ｆ＝０以外の基準周波数を使用して周波数不整合を検出することができる。

いくつかの実施形態では、入力角回転率Ωと関連付けられる信号は、ノイズ伝達関数の形状を歪めるようにノイズ伝達関数の帯域幅に対して十分に広いスペクトルを示し得る。これらの状況下では、本明細書で論じられる周波数不整合を検出するための技法の精度は悪影響を受けることがある。周波数ｆ_Ｒがノイズ伝達関数のディップの帯域幅内である場合、この影響は重大であり得る。このシナリオは図６の例で示されており、ノイズ伝達関数は数字６００で示され、周波数ｆ_Ｒは数字６０２で示され、数字６０４は追加のトーンを示す。追加のトーンの存在は、上記の技法を使用して周波数不整合を正確に検出する能力に影響を及ぼし得るスペクトル拡大を生成する。

この影響を低減するために、いくつかの実施形態では、ＰＲＢＳを、第１のサブ配列ｄ_１（ｎ）および第１のサブ配列とは反対の第２のサブ配列ｄ_２（ｎ）を含むノイズ信号として使用することができる。例えば、第１のサブ配列ｄ_１（ｎ）が値＋１、＋１、−１、＋１、−１・・・−１を含む場合、第２のサブ配列ｄ_２（ｎ）は値−１、−１、＋１、−１、＋１・・・＋１を含む。いくつかの実施形態では、ＰＲＢＳを配列ｄ_１（ｎ）、ｄ_２（ｎ）、ｄ_１（ｎ）、ｄ_２（ｎ）、ｄ_１（ｎ）・・・によって定義することができる。このようにして、非ゼロ帯域幅の影響を相殺（または少なくとも限定）することができる。

非ゼロ帯域幅の影響を限定するための例示的なシステムを図７Ａに例証し、この中においてｈ_１（ｎ）はセンサ４０２のインパルス応答を表し、ｈ_０（ｎ）はシステム４００のインパルス応答を表す。ここで、ｘ（ｎ）はコリオリの力を指し、ｙ（ｎ）は感知信号を指し、ｄ（ｎ）は（ｄ_１（ｎ）、ｄ_２（ｎ）、ｄ_１（ｎ）、ｄ_２（ｎ）、ｄ_１（ｎ）・・・を含む）ノイズ信号を指し、ｚ（ｎ）は応答信号を指し、ｖ（ｎ）は中間信号を指し、ｗ（ｎ）は出力信号を指す。記号ＸおよびＣはそれぞれ、コンボリューション演算子および相関演算子を示すために使用されるであろう。

この場合、ｖ（ｎ）は、（ｄ（ｎ）＝ｄ_１（ｎ）およびｄ（ｎ）＝ｄ_２（ｎ）であるときにそれぞれ定義される）２つの成分ｖ_１（ｎ）およびｖ_２（ｎ）を含む。ここで、ｖ_１（ｎ）およびｖ_２（ｎ）は以下の式によって与えられる。
ｖ_１（ｎ）＝ｘ（ｎ）Ｘｈ_１（ｎ）＋ｄ_１（ｎ）Ｘｈ_０（ｎ）
ｖ_２（ｎ）＝ｘ（ｎ）Ｘｈ_１（ｎ）＋ｄ_２（ｎ）Ｘｈ_０（ｎ）
同様に、ｗ（ｎ）は、（ｄ（ｎ）＝ｄ_１（ｎ）およびｄ（ｎ）＝ｄ_２（ｎ）であるときにそれぞれ定義される）２つの成分ｗ_１（ｎ）およびｗ_２（ｎ）を含む。ここで、ｗ_１（ｎ）およびｗ_２（ｎ）は以下の式によって与えられる。
ｗ_１（ｎ）＝ｄ_１（ｎ）Ｃｖ_１（ｎ）＝ｄ_１（ｎ）Ｃ［ｘ（ｎ）Ｘｈ_１（ｎ）＋ｄ_１（ｎ）Ｘｈ_０（ｎ）］＝ｈ_０（ｎ）＋［ｄ_１（ｎ）Ｃｘ（ｎ）Ｘｈ_１（ｎ）］
ｗ_２（ｎ）＝ｄ_２（ｎ）Ｃｖ_２（ｎ）＝ｄ_２（ｎ）Ｃ［ｘ（ｎ）Ｘｈ_１（ｎ）＋ｄ_２（ｎ）Ｘｈ_０（ｎ）］＝ｈ_０（ｎ）＋［ｄ_２（ｎ）Ｃｘ（ｎ）Ｘｈ_１（ｎ）］
ｄ_２（ｎ）＝−ｄ_１（ｎ）であるため、次いで
ｗ_２（ｎ）＝ｈ_０（ｎ）−［ｄ_１（ｎ）Ｃｘ（ｎ）Ｘｈ_１（ｎ）］
ｗ１（ｎ）をｗ２（ｎ）に加えると、以下の式をもたらし、
ｗ_１（ｎ）＋ｗ_２（ｎ）＝２ｈ_０（ｎ）
これは、単にｈ_０（ｎ）に依存する。したがって、ｗ_１（ｎ）＋ｗ_２（ｎ）の計算結果は、入力角回転率Ωと関連付けられた信号の帯域幅の影響を受けない。

上記の場合と同様に、周波数不整合の検出は、ｈ_０（ｎ）の拡張されたスペクトル部分を検出する必要なしに遂行されてもよい。これは、図４Ｄに関連して記載されるように、同じ様式で復調スキームを使用することによって達成されてもよい。得られたシステムが図７Ｂに示されており、この中で混合器４２１および４２２は復調のために使用されている。任意選択で、低域通過フィルタ４３１および４３２ならびに／またはデシメータ４４１および４４２が使用される。いくつかの実施形態では、信号復調時の高周波数トーンなどの高周波数スプリアス成分をさらに限定するために、一対の低域通過フィルタ４５１および４５２を相関器４５０の前に使用することができる。

本明細書に記載される技術の態様は、１つ以上の利点であって、これらのうちのいくつかが前もって記載されている、１つ以上の利点を提供し得る。ここに記載されるものは、そのような利点のうちのいくつかの非限定的な例である。必ずしもすべての態様および実施形態がここに記載される利点のすべてを提供しないことを理解されたい。さらに、本明細書に記載される技術の態様は、ここに記載されるものに追加的な利点を提供し得ることを理解されたい。

本明細書に記載される技術の態様は、ＭＥＭＳジャイロスコープにおける周波数不整合を検出するための計算的に効率的な方法を提供する。この方法を使用して周波数不整合に関してＭＥＭＳジャイロスコープを補正し、それに伴って角運動を検出するジャイロスコープの能力を著しく改善することができる。

「およそ」、「実質的に」、および「約」という用語を使用して、いくつかの実施形態では目標値の±２０％以内、いくつかの実施形態では目標値の±１０％以内、いくつかの実施形態では目標値の±５％以内、およびいくつかの実施形態では目標値の±２％以内を表すことができる。「およそ」および「約」という用語は、目標値を含み得る。

１００ ジャイロスコープ
１０２ 共振器
１０４ センサ
１１２ 駆動信号のスペクトル
１１４ 感知信号のスペクトル
２００ ジャイロスコープ
２０２ プルーフ質量体
２０４ センサ
２１０ 固定フレーム
２１２ 連結器
２１４ アンカー
２２０ 固定電極
２２２ 自由端ビーム
３０２ 周波数不整合検出器
３０４ 制御回路
４００ システム
４０２ センサ
４０４ ノイズシェーパ
４０５ 増幅器
４０６ ノイズ発生器
４１０ 量子化器
４１４ デジタル−アナログ変換器
４２１ 混合器
４２２ 混合器
４３１ 低域通過フィルタ
４３２ 低域通過フィルタ
４４１ デシメータ
４４２ デシメータ
４５０ 相関器
４５１ 低域通過フィルタ
４５２ 低域通過フィルタ

Claims (20)

1. ジャイロスコープにおける周波数不整合を検出するための方法であって、本方法は、
   駆動信号を前記ジャイロスコープに適用することと、
   感知信号を前記ジャイロスコープから受信することと、
   前記駆動信号と前記感知信号との間の周波数不整合を検出することと、を含み、前記検出は、
   ノイズ信号を生成すること、
   前記ノイズ信号を復調すること、
   前記感知信号と前記ノイズ信号とから得られた応答信号を復調すること、
   前記復調されたノイズ信号を前記復調された応答信号と相関させること、および
   前記相関の結果を使用して前記周波数不整合を検出すること、を含む、方法。
2. 前記ノイズ信号および前記応答信号を復調することが、前記駆動信号の周波数によって前記ノイズ信号および前記応答信号を復調することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記ノイズ信号の前記生成が、疑似ランダムビット配列（ＰＲＢＳ）を生成することを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記ＰＲＢＳが、第１のサブ配列および前記第１のサブ配列とは反対の第２のサブ配列を含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記応答信号が、前記感知信号をデルタシグマ変調器で変調させることによって得られる、請求項１に記載の方法。
6. 前記相関の前記結果を使用して前記周波数不整合を検出することが、前記相関の前記結果を積分することによって位相応答を決定することを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記位相応答を使用して前記周波数不整合の大きさを決定することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記位相応答に少なくとも部分的に基づいて前記駆動信号の周波数を調整することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
9. 前記駆動信号と前記感知信号との間の周波数不整合を検出することが、前記駆動信号および前記感知信号が実質的に等しい周波数で振動するかどうかを決定することを含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記復調されたノイズ信号および前記復調された応答信号をデシメートすることをさらに含み、前記復調されたノイズ信号を前記復調された応答信号と相関させることが、前記デシメートされた復調されたノイズ信号を前記デシメートされた復調された応答信号と相関させることを含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記デシメートされた復調されたノイズ信号を低域通過フィルタリングすることをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 微小電気機械（ＭＥＭＳ）装置であって、
    ジャイロスコープと、
    回路と、を備え、前記回路は、前記ジャイロスコープに連結され、
    駆動信号を前記ジャイロスコープに適用し、
    感知信号を前記ジャイロスコープから受信し、
    前記駆動信号と前記感知信号との間の周波数不整合を、
    ノイズ信号を生成すること、
    前記ノイズ信号を復調すること、
    前記感知信号と前記ノイズ信号とから得られた応答信号を復調すること、
    前記復調されたノイズ信号を前記復調された応答信号と相関させること、および
    前記相関の結果を使用して前記周波数不整合を検出することによって検出するように構成されている、微小電気機械（ＭＥＭＳ）装置。
13. 前記回路が、前記ノイズ信号を生成するように構成された擬似ランダムビット配列（ＰＲＢＳ）発生器を備える、請求項１２に記載のＭＥＭＳ装置。
14. 前記ＰＲＢＳ発生器が、第１のサブ配列および前記第１のサブ配列とは反対の第２のサブ配列を生成することによって前記ノイズ信号を生成するように構成されている、請求項１３に記載のＭＥＭＳ装置。
15. 前記回路が、前記応答信号を前記感知信号から生成するように構成されたノイズシェーパを備える、請求項１２に記載のＭＥＭＳ装置。
16. 前記回路が、前記応答信号をデシメートするための第１のデシメータと、前記ノイズ信号をデシメートするための第２のデシメータと、を備える、請求項１２に記載のＭＥＭＳ装置。
17. 微小電気機械（ＭＥＭＳ）装置であって、
    感知信号を生成するように構成されたジャイロスコープと、
    前記ジャイロスコープに連結され、前記感知信号を受信するように構成された第１の入力、およびノイズ発生器の出力に連結された第２の入力を有する、ノイズシェーパと、
    前記ノイズ発生器の前記出力に連結された第１の復調器と、
    前記ノイズシェーパの出力に連結された第２の復調器と、
    前記第１の復調器および前記第２の復調器に連結された相関器と、を備える、微小電気機械（ＭＥＭＳ）装置。
18. 前記第１の復調器および前記相関器に連結された第１のデシメータと、前記第２の復調器および前記相関器に連結された第２のデシメータと、をさらに備える、請求項１７に記載のＭＥＭＳ装置。
19. 前記第１の復調器および前記相関器に連結された第１の低域通過フィルタと、前記第２の復調器および前記相関器に連結された第２の低域通過フィルタと、をさらに備える、請求項１７に記載のＭＥＭＳ装置。
20. 前記ノイズシェーパが、デルタシグマ変調器を備える、請求項１７に記載のＭＥＭＳ装置。

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