JP7159012B2 - 振動構造ジャイロスコープ - Google Patents

Description

本開示は、振動構造ジャイロスコープに関し、排他的ではないが特に、コリオリ型ジャイロスコープに関する。

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ－Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を使用して作製された振動構造ジャイロスコープは、誘導及び制御のために航空宇宙応用における使用を見出している。典型的なコリオリ型振動構造ジャイロスコープは、静電駆動信号に応答して平面内で振動するために柔軟脚によって支持された環状共振器を備える。環状共振器は、例えば、ＷＯ２００６／００６５９７に記載されるようにｃｏｓ２θ振動対を使用して動作できる。動作時、駆動トランスデューサは、通常共振周波数、例えば、１４ｋＨｚで運動の主軸に沿って１次キャリア振動を励起する。ジャイロスコープが環状共振器の平面に垂直な軸の周りに回転するとき、コリオリ力が発生し、コリオリ力は、主軸に対して４５°に配向する運動の２次軸に沿う２次応答振動になるようにエネルギーを結合する。図１に概略的に示す完全に環状の共振器の理論的な事例において、１次運動は、励起周波数によらず、主軸に常に整列する。コリオリ誘起式２次応答振動は、４５°で２次軸に整列し、周波数スプリットは全く存在しない。

しかし、実際には、共振器の環状形状において幾何学的不完全が存在し、これは、所与の共振周波数（例えば、１４ｋＨｚ）における１次キャリア振動が、２つの直交モード、すなわち、わずかに高い周波数ｆ_Hにシフトした高周波数モード（ＨＦＭ：ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｅ）及びわずかに低い周波数ｆ_Lにシフトした低周波数モード（ＬＦＭ：ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｅ）の重ね合わせである。不完全が、異なる周波数を有するモードをもたらすため、一方は、他方に比べて必然的に高い周波数である。しかし、高いモード周波数ｆ_Hは、モード周波数が同じである完全な場合に比べて高くてもよく、高くなくてもよい。周波数スプリットΔｆは、ＨＦＭの周波数とＬＦＭの周波数との差、すなわち、Δｆ＝ｆ_H－ｆ_Lである。ｃｏｓ２θ振動対の場合、直交する高周波数モード及び低周波数モードは、互いに対して常に４５°にあるが、基準軸として通常使用される主軸に対して任意の角度位置αにあり得る。角度αの値は、共振器の不完全に依存することになる。

ＭＥＭＳ設計及び作製プロセスは、高周波数モードと低周波数モードとの間のいずれの周波数差をも最小にしようと試みて微細公差を有する平面シリコンリング共振器を生産することが可能である。しかし、環状共振器の幾何形状における小さな不完全さえもが、通常、残留周波数スプリットを生じることになる。

ＭＥＭＳリングジャイロスコープの性能は、製造時に達成され得るのに比べて、高周波数モード及びの低周波数モードの正確な平衡化によって改善され得る。１つのアプローチにおいて、環状共振器の質量または剛性分散は、例えば、製造後の材料のレーザ除去を使用して調整される。ＷＯ２０１３／１３６０４９に記載されるレーザ平衡化は、通常、誘導性ジャイロスコープについての生産プロセスの一部として使用される。これは、改善された性能を与えるが、動作及び寿命中のいずれの変動にも対処できない。

容量性ジャイロスコープにおいて、静電平衡スキームは、通常、環状共振器の周りに配置された幾つかの平衡電極板を使用するため、平衡は、リングの周りの任意の位置に対して分解され得る。初期の静的静電平衡補正は、板の１つまたは複数の板に対して適用されて、局所的に、環状共振器の剛性を調整し、製造公差を補償し得る。しかし、動作中に静電平衡電圧を制御することも知られている。例えば、ＷＯ２００６／００６５９７は、ジャイロスコープの動作中の振動周波数調整のために使用される１６の平衡電極板を記載する。静電平衡は、剛性の局所的低減を適用し、剛性の局所的低減は、リングと平衡板との間の電圧差の２乗に比例する周波数減少を生成する。これは、高周波数モード及び低周波数モードが、正確な整合を達成しようとして差動的に調整され得ることを意味する。環状共振器の周りに位置する４つの平衡板の群に固定ＤＣ電圧を適用することによって、周波数スプリットΔｆは、１Ｈｚ未満まで低減され得る。ＨＦＭの周波数とＬＦＭの周波数との間に０．４２４Ｈｚスプリットを有する３３，０００Ｑ値ジャイロスコープの例が図２に見られる（α＝０°）。

静電平衡が容量性ジャイロスコープに関して使用されたが、平衡板に印加されるデジタル制御式電圧は、デジタル－アナログ変換器（ＤＡＣ）、及び、その規定されたＬＳＢ（最下位ビット）、すなわち、連続するアナログ出力の間のステップによってセットされる離散的アナログ出力値を有する。電圧を線形に変化させるデジタル手段を使用すると、平衡効果の分解能は、印加される電圧差の増加に伴って減少する。これは、平衡の２乗の性質により、周波数スプリットΔｆは２乗された電圧に関連する。動的平衡が、大きな静的平衡補正と組合せて実装される場合、利用可能な分解能は低下し、それが、全体のジャイロスコープ性能を制限する。

容量性ジャイロスコープの動作中に、改善された静電周波数平衡を達成する欲求が残ったままである。

振動構造ジャイロスコープが本明細書で開示され、振動構造ジャイロスコープは、
静電駆動力に応答して平面内で振動するために配置された環状共振器と、
静電駆動力を生成する電圧を印加して、１次周波数ｆ_Pで主軸に沿う１次ｃｏｓｎθ共振を励起するために配置された静電容量駆動電極のセットであって、それにより、平面外軸の周りに印加される角速度から生じるコリオリ力が、２次周波数ｆ_Sで２次軸に沿う２次ｃｏｓｎθ共振を誘起する、静電容量駆動電極のセットとを備え、
環状共振器の幾何形状は、１次周波数ｆ_Pが高周波数モードｆ_H及び直交低周波数モードｆ_Lの重ね合わせであり、Δｆ＝ｆ_H－ｆ_Lとして規定される周波数スプリットΔｆを有することをもたらし、
振動構造ジャイロスコープは、
周波数ｆ_Hを周波数ｆ_L未満で小さな周波数オフセットｆ_Oだけ下げて、オフセット周波数ｆ_H’にする、すなわち、ｆ_H’＝ｆ_H－Δｆ－ｆ_Oにするために、静的静電平衡力を生成する第１の静的平衡電圧を印加するために配置されたデジタル制御式の第１のセットの容量性平衡電極と、
周波数ｆ_Lを同じ小さな周波数オフセットｆ_Oだけ下げて、オフセット周波数ｆ_L’にする、すなわち、ｆ_L’＝ｆ_L－ｆ_Oにするために、小さな静的静電平衡力を生成する第２の静的平衡電圧を印加するために配置されたデジタル制御式の第２のセットの容量性平衡電極とを更に備え、
第２のセットの容量性平衡電極は、微細周波数調整±δｆを提供する動的静電平衡力を生成する微細平衡電圧を動的に印加して、微細周波数調整±δｆをオフセット周波数ｆ _L ’に適用し、それにより、動作中にｆ _L ’をｆ _H ’に維持するために配置される。

実際には、１次周波数ｆ_Pが高周波数モードｆ_H及び直交する低周波数モードｆ_Lの重ね合わせであることを、環状共振器の不完全な幾何形状が残念ながらもたらすことが理解されるであろう。低周波数モードｆ_Lは、数学的に直交する、すなわち、高周波数モードｆ_Hのノード位置と比較してアンチノード位置にある。１次ｃｏｓ２θ共振の場合、高周波数モードｆ_Hと直交する低周波数モードｆ_Lとの間に４５°の角度が存在する。１次ｃｏｓ３θ共振の場合、高周波数モードｆ_Hと直交する低周波数モードｆ_Lとの間に３０°の角度が存在する。もちろん、高次ｃｏｓｎθ共振を励起することができ、高周波数モードｆ_Hと直交する低周波数モードｆ_Lとの間の角度は、９０°／ｎの一般的なルールによって与えられる。

本開示によれば、第１のセットのデジタル制御式平衡電極は、（Δｆ＋ｆ_O）だけ周波数ｆ_Hを下げるために静的静電平衡力を生成する第１の静的平衡電圧を印加する。したがって、先にわかったように、周波数スプリットΔｆを除去しようと試みて周波数ｆ_Lに整合するために周波数ｆ_Hを単に下げるのではなく、第１のセットの平衡電極によって高周波数モードｆ_Hに適用される更なる周波数オフセットｆ_Oが存在する。本開示によれば、第２のセットのデジタル制御式平衡電極は、周波数ｆ_Lを同じ小さな周波数オフセットｆ_Oだけ下げるために使用される。これは、高周波数モードｆ_H及び低周波数モードｆ_Lがここで共に、周波数平衡を適用可能な新しい周波数位置に小さな周波数オフセットｆ_Oだけシフトされることを意味する。Δｆ及びｆ_Oを提供する静的平衡が、著しく非線形であり、アナログ領域で正確に達成することが非常に難しいことに留意されたい。第２のセットの平衡電極は、同様に、微細平衡電圧を動的に印加するために使用され、これがここで周波数オフセットｆ_Oの周りで適用されるため、従来技術の周波数平衡スキームと比較して、微細周波数調整±δｆが達成される。動的微細平衡（アナログまたはデジタル領域で実施される）は、低周波数モードｆ_Lに対して小さな周波数オフセットｆ_Oを適用するために使用されるのと同じ第２のセットの電極を使用する。これは、動的平衡の分解能が、周波数スプリットΔｆを除去するために印加される第１の静的平衡電圧の大きさによらず、改善されることを保証する。こうした動的微細平衡は、ジャイロスコープの通常動作中にまたジャイロスコープの寿命にわたって経験される動作上の不平衡によりよく対処し得る。

種々の例において、第２のセットの容量性平衡電極は、第１のセットの容量性平衡電極によって印加される第１の静的平衡電圧より小さい第２の静的平衡電圧を印加するために配置される。小さな周波数オフセットｆ_Oによって意味されるものは、周波数オフセットｆ_Oが周波数スプリットΔｆと比較して小さいことである。そのため、種々の例において、ｆ_O＜Δｆ、好ましくは、ｆ_O＜＜Δｆであることが認識されるであろう。動的微細平衡は、通常動作中に予測される変動の範囲を補正する必要があるだけであるため、周波数オフセットｆ_Oは、周波数スプリットΔｆと比較してきわめて小さい可能性がある。幾つかの例において、ｆ_Oは、約Δｆ／５、Δｆ／６、Δｆ／７、Δｆ／８、Δｆ／９、Δｆ／１０、またはΔｆ／１０未満として選択される。周波数オフセットｆ_Oが小さければ小さいほど、分解能がよくなる。微細周波数調整±δｆの利用可能な範囲は、周波数オフセットｆ_Oに等しい最大値までである。

種々の例において、第２のセットのデジタル制御式容量性平衡電極は、微細周波数調整±δｆを提供する動的静電平衡力を生成する微細平衡電圧を動的に印加するために動的に制御される。幾つかの例において、ジャイロスコープは、第２のセットのデジタル制御式容量性平衡電極に接続され、微細周波数調整±δｆを提供するために第２のセットの容量性平衡電極を動的に制御するために配置されたデジタル制御回路を備えることができる。幾つかの例において、ジャイロスコープは、第２のセットのデジタル制御式容量性平衡電極に接続され、微細周波数調整±δｆを提供するために第２のセットの容量性平衡電極を動的に制御するために配置されたアナログ信号制御回路を備えることができる。種々の例において、第２のセットの容量性平衡電極は、第１のセットの容量性平衡電極と独立に制御される。例えば、ジャイロスコープは、第１のセットの容量性平衡電極と独立に第２のセットのデジタル制御式容量性平衡電極を制御するために配置されたデジタル制御システムを備えることができる。第１及び第２のセットの平衡電極は、以下で更に論じるように、その角度位置は別として物理的に同一であることができる。

１つまたは複数の例において、第１のセットの容量性平衡電極は平衡電極の４つの群を備え、４つの群は、環状共振器の周りに等角度で、すなわち、互いに９０°で配置される。一般に、４つの群はそれぞれ、ｎ／２またはｎの平衡電極を備える。各群内の１つまたは複数の平衡電極は、同じ電圧を印加するために共に接続される。平衡電極のこれらの４つの群のうちの１つの群は、高周波数モードｆ_Hの軸に整列するか、またがるか、または隣接する。主軸に沿って励起される１次ｃｏｓ２θ共振の例の場合、４つの群は、それぞれ１つまたは２つの平衡電極を備える、すなわち、全部で４つまたは８つの電極を備える。

１つまたは複数の例において、第２のセットの容量性平衡電極は、平衡電極の別の４つの群を備え、４つの群は、環状共振器の周りに等角度で、すなわち、互いに９０°で配置される。一般に、４つの群はそれぞれ、別のｎ／２またはｎの平衡電極を備える。各群内の１つまたは複数の平衡電極は、同じ電圧を印加するために共に接続される。平衡電極のこれらの４つの群のうちの１つの群は、低周波数モードｆ_Lの軸に整列するか、またがるか、または隣接する。第２軸に沿って誘起される２次ｃｏｓ２θ共振の例の場合、４つの群は、それぞれ１つまたは２つの平衡電極を備える、すなわち、全部で４つまたは８つの電極を備える。

ｃｏｓ２θ共振の例の場合、本明細書で開示するジャイロスコープが、１６全ての容量性平衡電極をおそらくは使用して、静的及び動的静電平衡力を環状共振器に印加し、一方、従来技術の静電平衡スキームにおいて、１６の平衡電極のうちの８つの平衡電極だけが、任意の時点で一度に使用されることが認識されるであろう。

１つまたは複数の例において、駆動電極は、第１及び／または第２のセットの平衡電極と独立に制御される。幾つかの例において、駆動電極は、アナログ励起電圧を印加するために配置することができる。幾つかの例において、駆動電極は、デジタル制御式励起電圧を印加するために配置することができる。容量性駆動電極のセットは、適したデジタル制御回路に接続することができる。容量性駆動電極のセットは、環状共振器の内部にまたは外部に配置され得る。

１つまたは複数の例において、ジャイロスコープは、例えば、２次周波数ｆ_Sを示す電圧を検知することによって、誘起された２次ｃｏｓｎθ共振を測定するために配置された容量性センス電極のセットを更に備える。これは、ジャイロスコープが印加される角速度を決定することを可能にする。開ループ動作において、容量性センス電極は、２次周波数ｆ_Sを示す電圧を直接検知することができる。閉ループ動作において、容量性センス電極は、２次ｃｏｓｎθ共振をゼロにするためにフィードバック信号を提供することができる。したがって、駆動電極は、１次及び２次駆動電極を備えることができる。こうした閉ループ動作は、例えば、ＵＳ６，２８２，９５８に記載されるようによく知られており、その内容は参照により本明細書に組込まれる。容量性センス電極のセットは、環状共振器の内部にまたは外部に配置され得る。

種々の例において、振動構造ジャイロスコープは、容量性電極の各セットに接続されたデジタル制御回路を備えることができる。少なくとも１つのデジタル制御回路は、第１のセットの容量性平衡電極に接続することができ、少なくとも１つの他のデジタル制御回路は、第２のセットの容量性平衡電極に接続することができる。デジタル制御回路は、第１及び第２のセットの容量性平衡電極を独立に制御するために接続することができる。各デジタル制御回路は、平衡電圧を発生するために配置されたデジタル－アナログ変換器（ＤＡＣ）、例えば、デジタル制御式平衡電圧を発生するために配置された８ビット（またはそれより大きなビット、例えば、１６ビット）ＤＡＣを備えることができる。

１つまたは複数の例において、第１のセットの容量性平衡電極はＤＡＣに接続され、第２のセットの容量性平衡電極は別の独立制御式ＤＡＣに接続される。先に論じたように、第１のセットは４つの群を備えることができ、各群は、２つの独立制御式平衡電極を備えることができる。これらの例において、第１のセットの容量性平衡電極は第１及び第２のＤＡＣに接続される。先に同様に論じたように、第２のセットは４つの群を備えることができ、各群は、２つの独立制御式平衡電極を備えることができる。これらの例において、第２のセットの容量性平衡電極は第３及び第４のＤＡＣに接続される。これらの例において、４つの各群に印加される電圧が調整されることを可能にする４つの独立制御式ＤＡＣが存在する。

容量性駆動電極の角度位置が、主軸を規定するために使用され得ることが理解されるであろう。各容量性平衡電極の角度位置は、主軸に対して規定され得る、例えば、角度的に３６０°まで移動し得る、または、環状共振器の周りに±１８０°になり得る。幾つかの例において、ジャイロスコープは、４つの平衡電極の群において環状共振器の周りで等間隔の角度位置にＮ（例えば、Ｎ＝１６）の容量性平衡電極を備え、４つの群は互いに９０°に配置される。平衡電極のこれらの４つの群内の平衡電極の１つまたは複数は、それぞれの第１及び第２のセットの平衡電極を提供する。Ｎの容量性平衡電極は、環状共振器の内部及び／または外部に配置され得る。平衡電圧と周波数調整との間に２乗関係が存在するため、印加電圧が、環状共振器に関して正であるか、負であるか、すなわち、環状共振器の内部に位置決めされた平衡電極に印加されたか、外部に位置決めされた平衡電極に印加されたかは問題ではない。

Ｎの容量性平衡電極は、環状共振器の周りに等間隔に配置されたＮ／２またはＮ／４の平衡電極を備えて、静的平衡電圧を印加するために使用可能な第１のセットの容量性平衡電極を提供することができる。Ｎの容量性平衡電極は、環状共振器の周りに等間隔に配置された別のＮ／２またはＮ／４の平衡電極を備えて、微細平衡電圧を印加するために使用可能な第２のセットの容量性平衡電極を提供することができる。先に開示したように、第１及び第２のセットの容量性平衡電極はそれぞれ、４つの群の平衡電極を備え、４つの群は、環状共振器の周りに等角度で、すなわち、互いに９０°で配置される。各群は、同じ電圧を印加するために共に電気的に接続される１つ、２つ、または３つ以上の平衡電極を備えることができる。

幾つかの例において、容量性駆動電極のセットは、静電駆動力を生成する電圧を印加して、主軸に沿って１次ｃｏｓ２θ共振を励起するために配置される。これらの例において、ジャイロスコープは、４つの平衡電極の４つの群において環状共振器の周りで等間隔の角度位置において１６の容量性平衡電極を備え、４つの群は互いに９０°に配置される。こうした例において、第１のセットの容量性平衡電極は、４つの群のそれぞれにおいて４つの平衡電極の１つまたは２つの平衡電極からなり、第２のセットの容量性平衡電極は、４つの群のそれぞれにおいて４つの平衡電極の別の１つまたは２つの平衡電極からなる。

以下の議論によって理解されことになるように、Ｎの平衡電極のうちのどの平衡電極が第１のセットに属するか、また、どの平衡電極が第２のセットに属するかは、予め決定されるのではなく、動的に決定される。４つの群の平衡電極は、Ｎの平衡電極の中で、所与の時点で第１のセットまたは第２のセットに属し得る。幾つかの例において、ジャイロスコープは、任意の所与の時点で、どの４つの群の容量性平衡電極が第１のセットを提供するか、また、どの４つの群の容量性平衡電極が第２のセットを提供するかを決定するために配置されたデジタル制御システムを備える。第１及び第２のセットの平衡電極は互いに排他的である。

幾つかの例において、主軸に対する高周波数モードｆ_Hの角度位置αは、変化しない場合があり、そして、どの４つの群の容量性平衡電極が第１のセットを提供するか、また、どの４つの群の容量性平衡電極が第２のセットを提供するかは変化しない。

幾つかの例において、周波数スプリットを除去するために使用される容量性平衡電極は、所与のジャイロスコープの寿命の所与の時点で決定することができる。この決定は、主軸に対する高周波数モードｆ_Hの角度位置αに依存することができる。角度位置αは、変形環の理論的場合と比較してリングが物理的にどのように変形するかに応じて変化し得る変数である。したがって、ジャイロスコープは、主軸に対する高周波数モードｆ_Hの角度位置αを決定するために配置された制御システムを備えることができる。制御システムは、どの４つの群が、Ｎの容量性平衡電極の中で、角度位置αに基づいて任意の所与の時点で第１のセット及び第２のセットをそれぞれ提供するかを決定することができる。幾つかの例において、第１のセットの容量性平衡電極は、平衡電極の４つの群のうちの少なくとも１つの群が、高周波数モードｆ_Hの軸に整列するか、またがるか、または隣接するように選択される。幾つかの例において、第２のセットの容量性平衡電極は、平衡電極の４つの群のうちの少なくとも１つの群が、低周波数モードｆ_Lの軸に整列するか、またがるか、または隣接するように選択される。

幾つかの例において、高周波数モードｆ_Hは主軸に整列し、それによりα＝０である。これらの例において、高周波数モード及び低周波数モードは、主軸に整列する第１のセットの平衡電極に静的平衡電圧を印加することによって平衡し得る、すなわち、ｆ_H’がｆ_L’に整合し得る。代替的に、これらの例において、高周波数モード及び低周波数モードは、主軸にまたがるまたは隣接する、例えば、主軸に対して、ｃｏｓ２θ共振について±９０°／４ｎ、例えば、±１１．２５°で位置決めされる第１のセットの平衡電極の対に静的平衡電圧を印加することによって平衡し得る、すなわち、ｆ_H’がｆ_L’に整合し得る。これは、主軸に沿って静的静電平衡力を分解することを可能にする。

幾つかの例において、高周波数モードｆ_Hは主軸に整列せず、それによりαは非ゼロ値である。こうした例において、高周波数モードｆ_Hは主軸に対して角度αにあり、それにより、１次周波数ｆ_P及び２次周波数ｆ_Sは、
ｆ_P＝（ｆ_Hｃｏｓ２α＋ｆ_Lｓｉｎ２α）／２
及び
ｆ_S＝（ｆ_Lｃｏｓ２α＋ｆ_Hｓｉｎ２α）／２
として規定され得る。

これらの例において、高周波数モード及び低周波数モードは、主軸に対して角度位置αに整列する第１のセットの平衡電極に静的平衡電圧を印加することによって平衡し得る、すなわち、ｆ_H’がｆ_L’に整合し得る。代替的に、これらの例において、高周波数モード及び低周波数モードは、角度位置αにまたがるまたは隣接する、例えば、ｃｏｓ２θ共振について±９０°／４ｎ、例えば、±１１．２５°で位置決めされる第１のセットの平衡電極の対に静的平衡電圧を印加することによって平衡し得る、すなわち、ｆ_H’がｆ_L’に整合し得る。

α＝２２．５°（２α＝４５°）の場合について、成分ｓｉｎ２α及びｃｏｓ２αは等しいため、非ゼロ周波数スプリットが存在しても、主軸振動及び第２軸振動は、（２つのモードの重ね合わせによって）同じ中間周波数で共振するように見える。この場合、高周波数モード及び低周波数モードは、ｃｏｓ２θ共振について主軸から、２２．５±４５°に、すなわち、－２２．５°または６７．５°に位置決めされる第２のセットの平衡電極に微細平衡電圧を印加することによって平衡し得る、すなわち、ｆ_H’がｆ_L’に維持され得る。

幾つかの例において、高周波数モードｆ_Hは第２軸に整列し、それによりα＝４５°である。これらの例において、高周波数モード及び低周波数モードは、第２軸に整列する第１のセットの平衡電極に静的平衡電圧を印加することによって平衡し得る、すなわち、ｆ_H’がｆ_L’に維持され得る。代替的に、これらの例において、高周波数モード及び低周波数モードは、第２軸にまたがるまたは隣接する、例えば、第２軸に対して、ｃｏｓ２θ共振について±９０°／４ｎ、例えば、±１１．２５°で位置決めされる第１のセットの平衡電極の対に静的平衡電圧を印加することによって平衡し得る、すなわち、ｆ_H’がｆ_L’に維持され得る。これは、第２軸に沿って静的静電平衡力を分解することを可能にする。

１つまたは複数の非制限的な例は、単に例としてまた添付図を参照してここで述べられる。

コリオリ型振動構造ジャイロスコープについての主振動軸及び第２振動軸を概略的に示す図である。 典型的なコリオリ型振動構造ジャイロスコープについての残留周波数スプリットを示す図である。 静電周波数平衡が従来技術による振動構造ジャイロスコープにどのように実装されるかを概略的に示す図である。 静電周波数平衡が従来技術による振動構造ジャイロスコープにどのように実装されるかを概略的に示す図である。 静電周波数平衡が従来技術による振動構造ジャイロスコープにどのように実装されるかを概略的に示す図である。 静電周波数平衡が本開示の例による振動構造ジャイロスコープにどのように実装されるかを概略的に示す図である。 静電周波数平衡が本開示の例による振動構造ジャイロスコープにどのように実装されるかを概略的に示す図である。 静電周波数平衡が本開示の例による振動構造ジャイロスコープにどのように実装されるかを概略的に示す図である。 静電周波数平衡が本開示の例による振動構造ジャイロスコープにどのように実装されるかを概略的に示す図である。 平衡電極の対が駆動軸にまたがる振動構造ジャイロスコープにおける容量性電極の第１の例示的な配置構成を提供する図である。 平衡電極が駆動軸に整列する振動構造ジャイロスコープにおける容量性電極の第２の例示的な配置構成を提供する図である。 デジタル制御式電圧についての平衡周波数関係を示す図である。 動的周波数シフトの関数としての周波数シフト分解能を示す図である。

主軸Ｐに沿う励起式１次ｃｏｓ２θ共振２及び主軸Ｐに対して４５°の第２軸Ｓに沿うコリオリ誘起式２次ｃｏｓ２θ共振４を有する環状共振器が図１に概略的に示される。幾何学的に完全な共振器の場合、周波数スプリットは全く存在せず、平衡が全く必要とされない。実際には、環状共振器の不完全な幾何形状は、残念ながら、１次ｃｏｓ２θ共振２の１次周波数ｆ_Pが高周波数モードｆ_H及び直交する低周波数モードｆ_Lの重ね合わせであることをもたらす。

図２は、１４Ｈｚの公称周波数の駆動式１次ｃｏｓ２θ共振を有するシリコンＭＥＭＳ振動構造ジャイロスコープについての実際の一例を示す。高周波数モード（ＨＦＭ）の周波数と低周波数モード（ＬＦＭ）の周波数との間に０．４２４Ｈｚスプリットが存在する。この例では、α＝０°である。

本開示の例による振動構造ジャイロスコープは、図５または図６に見られるように、容量性電極配置構成を備えることができる。環状共振器６は、８の容量性駆動またはセンス電極８によって外側を囲まれる。環状共振器６は、４つのセットでグループ化された１６の容量性平衡電極１０のセットによって内側を囲まれる。図５及び図６において、容量性平衡電極１０は、主軸Ｐ及び第２軸Ｓに対して異なる角度位置を有するが、制御ロジックは同じである。動作中、静的またはデジタル制御式平衡電圧は、１６の容量性平衡電極１０のうちの４つの電極の任意の群に独立に印加され得る。こうしたジャイロスコープの動作原理は、例えば、ＵＳ７，６３７，１５６から知られており、その内容は参照によりその全体が本明細書に組込まれる。

従来技術による静電周波数平衡スキームにおいて、残留周波数スプリットΔｆ＝ｆ_H－ｆ_Lは、動作中に検出され（図３Ａ）、その後、静的平衡－Δｆが印加されて、ｆ_Hを下げ、それにより、ｆ_Lに整合する（図３Ｂ）。第１のセットの電極、すなわち、図５及び図６に見られる１６の電極のうちの４つの電極の群は、静的平衡電圧を印加するために使用される。ジャイロスコープの寿命中のｆ_Hとｆ_Lとの間の偏差に対処するために、動的平衡調整±δｆが、高周波数モードｆ_Hに適用されて、ｆ_Hをｆ_Lに整合した状態で維持することができる（図３Ｃ）。しかし、高周波数モードｆ_Hを調整するために静電平衡力を生成する電圧をデジタル制御するとき、平衡効果の分解能は、電圧差の増加と共に減少する。

本開示の例による静電周波数平衡スキームにおいて、図４Ａ～図４Ｄによって示すように、動的平衡の前に印加された更なるオフセット平衡が存在する。これまでと同様、残留周波数スプリットΔｆ＝ｆ_H－ｆ_Lは、動作中に検出され（図４Ａ）、その後、静的平衡－Δｆが印加されて、ｆ_Hを下げ、それにより、ｆ_Lに整合する（図４Ｂ）。第１のセットの電極、すなわち、図５及び図６に見られる１６の電極のうちの４つの電極の群は、静的平衡電圧を印加するために使用される。図４Ｃの新しい静的平衡ステップにおいて、更なる周波数オフセットｆ_Oが、第１のセットの電極を使用して印加されて、周波数ｆ_Hを、周波数ｆ_Lより小さく、オフセット周波数ｆ_H’、すなわち、ｆ_H’＝ｆ_H－（Δｆ＋ｆ_O）まで下げる。第２のセットの電極、すなわち、図５及び図６に見られる１６の電極のうちの４つの電極の別の群は、低周波数モードｆ_Lに同じ周波数オフセットｆ_Oを適用するために使用され、周波数ｆ_Lは、同様に、同じ周波数オフセットｆ_Oだけ下げられオフセット周波数ｆ_L’、すなわち、ｆ_L’＝ｆ_L－ｆ_Oになる。周波数オフセットｆ_Oは、周波数スプリットと比較して小さい。動的平衡ステップが、図４Ｄにおいてその後続くと、動的平衡は、微細周波数調整±δｆを提供し、微細周波数調整±δｆはオフセット周波数ｆ_L’に適用されて、ｆ_L’がｆ_H’に保たれることを維持する。この微細周波数調整±δｆは、同じ第２のセットの電極によって印加される。微細周波数調整±δｆは、周波数オフセットｆ_Oの最大までの任意の値を有し得る。トリムが十分に微細であると、小信号近似が適用される可能性があるため、この微細動的平衡がアナログ領域で実施される可能性があることに留意されたい。こうした静電周波数平衡スキームは、図５及び図６に見られる１６の電極のうちの４つの電極の少なくとも２つの群、すなわち、少なくとも８の平衡電極を、また、通常、４つの電極の各群が電極の対を備えるとき、平衡電極の１６全てを使用する。

図５に見られる例において、主軸Ｐにまたがる平衡電極（ＥＳＢ－１１．２５及びＥＳＢ１１．２５）の対が存在する、すなわち、電極（ＥＳＢ－１１．２５及びＥＳＢ１１．２５）のそれぞれは主軸Ｐに隣接する。これは、同じ平衡電圧を印加するために使用される４つの電極の群内の１つの対である。ｃｏｓ２θ共振についてα＝０の場合を考えると、静的平衡電圧は、主軸に対して±１１．２５°で第１のセットの平衡電極の対に印加される。周波数オフセットｆ_O用の小さな静的平衡電圧及び微細周波数調整±δｆ用の微細平衡電圧は共に、第２軸Ｓにまたがる平衡電極（ＥＳＢ３３．７５及びＥＳＢ５６．２５）の別の対に印加される、すなわち、電極（ＥＳＢ３３．７５及びＥＳＢ５６．２５）のそれぞれは、第２軸Ｓに隣接する。やはり、これは、第２のセットを提供する４つの電極の群内の１つの対である。

図６に見られる例において、主軸Ｐに整列した平衡電極ＥＳＢ０が存在する。これは、同じ平衡電圧を印加するために使用される４つの電極の群内の１つの平衡電極である。ｃｏｓ２θ共振についてα＝０の場合を考えると、静的平衡電圧は、主軸に整列した第１のセットの平衡電極に印加される。周波数オフセットｆ_O用の小さな静的平衡電圧及び微細周波数調整±δｆ用の微細平衡電圧は共に、第２軸Ｓに整列した別の平衡電極（ＥＳＢ４５）に印加される。やはり、これは、第２のセットを提供する４つの電極の群内の電極である。

より一般的に、ジャイロスコープの動作中に、モード位置α、すなわち、主軸に対する高周波数モードｆ_Hの角度位置αを決定するデジタル制御システムが存在する。モード位置αがわかっている場合、高周波数モードｆ_Hに整列する（または、またがる、または、隣接する）電極の群は、静的平衡用の第１のセットを提供するために使用される。したがって、第２のセットの電極は、低周波数モードｆ_Lに整列する（または、またがる、または、隣接する）電極の他の群である。図５及び図６を参照すると、１６の平衡電極のうちのどの平衡電極が第１のセットとして指定されるか、また、どの平衡電極が第２のセットとして指定されるかは、ジャイロスコープの寿命における所与の時点においてモード位置αに応じて動的に決定される。

［実施例］
この例証的な実施例において、振動構造ジャイロスコープは、１４ｋＨｚの１次周波数ｆ_Pで励起された１次ｃｏｓ２θ共振を有し、８Ｈｚの残留周波数スプリットΔｆを有する。図４Ａ～図４Ｄによって示す静電平衡スキームに続いて、８Ｈｚの静的平衡（図４Ｂ）、０．１Ｈｚの小さな周波数オフセットｆ_O（図４Ｃ）が印加され、微細平衡電圧は、±δｆとして示す動的微細周波数平衡調整を可能にする（図４Ｄ）。微細周波数調整δｆは、最大でｆ_Oまでの値をとり得る、すなわち、δｆ＝±０．１Ｈｚ以下、例えば、δｆ＝±０．０５Ｈｚまたはδｆ＝±０．０１Ｈｚであり得る。

ｎ（ＬＳＢ）のＤＡＣ値を有するＤＡＣの場合、ＤＡＣ出力電圧Ｖ（ｎ）＝ｋｎである。ＤＡＣは、ｎが０から２^Nまで変化するにつれて、平衡電圧を０Ｖ～Ｖ₀まで制御し得る。ここで、Ｎは、ＤＡＣのビット数である、すなわち、８ビットＤＡＣはＮ＝２５６を有する。平衡効率η_Bは、２乗関係によって電圧差ΔＶ＝Ｖ₀－Ｖ（ｎ）に関連する、すなわち、η_BはΔＶ²に依存する。ｎ＝１２でかつＶ₀＝１０Ｖの例の場合、η_B＝１０ΔＶ²／Ｈｚが得られる。

ｎの変化に対する感度、すなわち、分解能は、下記の通りである。

これは、分解能がｎの関数であることを示すため、ｎが小さいとき、より微細な分解能が達成される。

図７において、グラフ上のポイントＡ（小さなｎ）は、８Ｈｚの静的平衡の周りの、すなわち、図３Ｃによる、動的周波数平衡調整δｆ＝±０．０５Ｈｚを示し、一方、グラフ上の領域Ｂ（大きなｎ）は、０．１Ｈｚの周波数オフセットｆ_Oの周りの、すなわち、
図４Ｄによる、動的周波数平衡調整δｆ＝±０．０５Ｈｚを示す。図８は、結果として得られる周波数シフト分解能が、Ａと比較してＢについてどれほど微細であるかを示す。分解能の向上は８．８１である。

この実施例は、動的平衡調整が、比較的大きな静的平衡補正、例えば、８Ｈｚと組合せて実装されると、利用可能な分解能が低下し、それが、全体のジャイロスコープ性能を制限する（図３）ことを示す。一方、高周波数モードと低周波数モードの両方に適用される更なる周波数オフセットｆ_O＝０．１Ｈｚは、図４によれば、動的周波数平衡調整の分解能が、初期の静的平衡によらず、維持されることを保証する。これは、異なるジャイロスコープの範囲にわたる改善を提供する。

Claims (15)

1. 振動構造ジャイロスコープであって、
   静電駆動力に応答して平面内で振動するために配置された環状共振器と、
   静電駆動力を生成する電圧を印加して、１次周波数ｆ_Pで主軸に沿う１次ｃｏｓｎθ共振を励起するために配置された静電容量駆動電極のセットであって、それにより、平面外軸の周りに印加される角速度から生じるコリオリ力が、２次周波数ｆ_Sで２次軸に沿う２次ｃｏｓｎθ共振を誘起する、静電容量駆動電極のセットとを備え、
   前記環状共振器の幾何形状は、前記１次周波数ｆ_Pが高周波数モードｆ_H及び直交低周波数モードｆ_Lの重ね合わせであり、Δｆ＝ｆ_H－ｆ_Lとして規定される周波数スプリットΔｆを有することをもたらし、
   振動構造ジャイロスコープは、
   前記周波数ｆ_Hを前記周波数ｆ_L未満で小さな周波数オフセットｆ_Oだけ下げて、オフセット周波数ｆ_H’にする、すなわち、ｆ_H’＝ｆ_H－Δｆ－ｆ_Oにするために、静的静電平衡力を生成する第１の静的平衡電圧を印加するために配置されたデジタル制御式の第１のセットの容量性平衡電極と、
   前記周波数ｆ_Lを同じ小さな周波数オフセットｆ_Oだけ下げて、オフセット周波数ｆ_L’にする、すなわち、ｆ_L’＝ｆ_L－ｆ_Oにするために、小さな静的静電平衡力を生成する第２の静的平衡電圧を印加するために配置されたデジタル制御式の第２のセットの容量性平衡電極とを更に備え、
   前記第２のセットの容量性平衡電極は、微細周波数調整±δｆを提供する動的静電平衡力を生成する微細平衡電圧を動的に印加して、前記微細周波数調整±δｆを前記オフセット周波数ｆ _L ’に適用し、それにより、動作中にｆ _L ’をｆ _H ’に維持するために配置される、ジャイロスコープ。
2. 前記小さな周波数オフセットは、ｆ_O＜Δｆ、好ましくは、ｆ_O＜＜Δｆを満たす、請求項１に記載のジャイロスコープ。
3. 前記第１のセットの容量性平衡電極と独立に前記第２のセットの容量性平衡電極を制御するために配置されたデジタル制御システムを備える、請求項１または２に記載のジャイロスコープ。
4. 前記高周波数モードｆ_Hの角度位置αを前記主軸に対して決定するために配置された制御システムを備える、請求項１～３のいずれかに記載のジャイロスコープ。
5. Ｎの容量性平衡電極を備え、前記制御システムは、前記Ｎの容量性平衡電極の中で平衡電極のどの４つの群が、前記角度位置αに基づいて任意の所与の時点で前記第１のセット及び前記第２のセットをそれぞれ提供するかを決定する、請求項４に記載のジャイロスコープ。
6. 前記第１のセットの容量性平衡電極は、平衡電極の前記４つの群のうちの少なくとも１つの群が、前記高周波数モードｆ_Hの軸に整列するか、またがるか、または隣接するように選択される、請求項５に記載のジャイロスコープ。
7. 前記第２のセットの容量性平衡電極は、平衡電極の前記４つの群のうちの少なくとも１つの群が、前記低周波数モードｆ_Lの軸に整列するか、またがるか、または隣接するように選択される、請求項５または６に記載のジャイロスコープ。
8. 前記第２のセットのデジタル制御式容量性平衡電極に接続され、前記微細周波数調整±δｆを提供するために前記第２のセットの容量性平衡電極を動的に制御するために配置されたアナログ信号制御回路を備える、請求項１～７のいずれかに記載のジャイロスコープ。
9. 前記第２のセットのデジタル制御式容量性平衡電極に接続されたデジタル制御回路を備え、前記デジタル制御回路は、前記小さな周波数オフセットｆ_Oを生成するデジタル制御式電圧を発生するために配置されたデジタル－アナログ変換器（ＤＡＣ）を備える、請求項１～８のいずれかに記載のジャイロスコープ。
10. 前記第２のセットのデジタル制御式容量性平衡電極に接続された前記デジタル制御回路は、前記微細周波数調整±δｆを提供するために前記第２のセットの容量性平衡電極を動的に制御するために配置される、請求項９に記載のジャイロスコープ。
11. 前記第１のセットのデジタル制御式容量性平衡電極に接続されたデジタル制御回路を備え、前記デジタル制御回路は、前記第１の静的平衡電圧を生成するデジタル制御式電圧を発生するために配置されたデジタル－アナログ変換器（ＤＡＣ）を備える、請求項１～１０のいずれかに記載のジャイロスコープ。
12. 前記誘起された２次ｃｏｓｎθ共振を測定するために配置された容量性センス電極のセットを更に備える、請求項１～１１のいずれかに記載のジャイロスコープ。
13. 静電容量駆動電極の前記セットは、前記主軸に沿って１次ｃｏｓ２θ共振を励起するために静電駆動力を生成する電圧を印加するために配置される、請求項１～１２のいずれかに記載のジャイロスコープ。
14. ４つの平衡電極の４つの群で前記環状共振器の周りに等間隔の角度位置において１６の容量性平衡電極を備え、４つの群は互いに９０°に配置される、請求項１３に記載のジャイロスコープ。
15. 前記第１のセットの容量性平衡電極は、前記４つの群のそれぞれにおいて前記４つの平衡電極のうちの１つまたは２つの平衡電極からなり、前記第２のセットの容量性平衡電極は、前記４つの群のそれぞれにおいて前記４つの平衡電極のうちの別の１つまたは２つの平衡電極からなる、請求項１４に記載のジャイロスコープ。

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