KR20200078317A

KR20200078317A - 자이로스코프

Info

Publication number: KR20200078317A
Application number: KR1020190137147A
Authority: KR
Inventors: 매튜 윌리엄슨; 존 케이트 셔드; 크리스 그레고리
Original assignee: 애틀랜틱 이너셜 시스템스 리미티드
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2020-07-01
Also published as: JP2020101546A; GB2580116A; US11243077B2; JP7465653B2; US20200200536A1; GB2580116B; GB201821021D0; EP3671117A1

Abstract

진동 구조 자이로스코프는 영구 자석; 영구 자석의 자기장에 배치되고 적어도 하나의 기본 구동 전극의 자극 하에 진동하도록 배치된 구조; 구동 시스템; 및 구동 제어 루프의 이득을 대표하는 구동 시스템으로부터의 신호를 수신하도록 배치되고 그 신호에 기초하여 스케일 팩터 보정을 출력하도록 배치된 보상부를 포함하고, 구동 시스템은: 진동 구조에서 운동을 유도하도록 배치된 적어도 하나의 기본 구동 전극, 진동 구조에서 운동을 감지하도록 배치된 적어도 하나의 기본 감지 전극; 및 기본 감지 전극에 의존하여 기본 구동 전극을 제어하는 구동 제어 루프를 포함한다. 자석은 열화됨에 따라(예: 소재가 노화함에 따라 자연스럽게 시간이 지남에 따라) 자기장이 약해진다. 그 결과, 진동 구조에서 유도된 운동의 진폭이 감소하고 기본 감지 전극에서 감지된 픽오프 신호의 진폭도 감소한다. 이를 보상하기 위해 기본 구동 제어 루프가 자동으로 이득을 증가시킨다. 따라서, 구동 제어 루프에서의 이득은 자석 열화의 척도로 사용될 수 있고, 그 자석의 열화로 야기되는 스케일 팩터의 변화를 보상하는데 사용될 수 있다. 사용 시의 이득을 교정시 획득한 기준 이득 값과 비교함으로써, 이득의 변화는 자석 열화로 인한 교정 이후 스케일 팩터의 변화를 계산하는 데 사용될 수 있다.

Description

자이로스코프{GYROSCOPE}

본 발명은 진동 구조 자이로스코프, 특히 각 속도(들) 측정을 위한 미세 전자 기계 시스템(MEMS: Microelectromechanical Systems) 기반 진동 구조 자이로스코프, 예컨대 관성 측정 장치(IMU: inertial measurement unit),에 관한 것이다. 본 발명은 특히 유도성 자이로스코프에 관한 것이다.

자이로스코프는 각속도(즉, 회전 속도)를 측정하는 센서이다. 자이로스코프는 관성 항법, 로봇 공학, 항공 전자 공학 및 자동차를 포함한 많은 응용 분야에서 사용된다. 관성 항법 응용 분야에서, 자이로스코프는 "관성 측정 장치"(IMU)로 알려진 독립적인 시스템에서 찾을 수 있다. IMU는 일반적으로 복수의 가속도계 및/또는 자이로스코프를 포함하고, 자이로스코프(들) 및/또는 가속도계(들)의 출력에 기초하여 각속도, 가속도, 자세, 위치 및 속도와 같은 물체의 이동 파라미터의 추정치를 제공한다.

MEMS 기반 자이로스코프는 최근에 아주 흔하며 기존의 육안 대응물보다 훨씬 더 효과적일 때가 많다. MEMS-기반 자이로스코프는 일반적으로 진동 구조를 사용하여 구현되며, 당 업계에서 종종 “진동 구조 자이로스코프(vibrating structure gyroscopes)” 또는 “VSG”로 지칭된다. 진동 구조 자이로스코프는 일반적으로 진동하도록 배열된 미세 가공된 매스(mass)를 포함한다. 진동 구조 자이로스코프의 일반적인 예에는 진동 링 자이로스코프, 진동 튜닝 포크 자이로스코프 및 빔, 실린더, 반구형 쉘 및 디스크 등을 포함하는 다른 진동 구조도 포함된다.

일반적인 동작시, 미세 가공된 매스는 미리 정의된 진동 모드, 일반적으로 cos nθ 진동 모드(예: n=2),에서 진동하도록 구동된다. 구동 진동 모드는 일반적으로 기본 모드라고 한다. 자이로스코프가 회전할 때 코리올리 힘이 진동 매스에 가해지며, 이 힘으로 인해 기본 모드와 다른 2차 진동 모드에서 매스가 진동할 수 있다. 일반적으로, 기본 모드에 더하여 2차 진동 모드가 발생하고, 2차 모드는 기본 모드의 사전 정의된 진동과 다른 방향을 따라 매스가 진동하게 한다.

2차 모드에서 진동의 진폭은 회전 속도에 비례하기 때문에, 적절한 센서(예: 유도성 또는 용량성 트랜스듀서와 같은 트랜스듀서)를 사용하여 2차 진동의 진폭을 직접 감지함으로써 각속도(예: 초당 각도로 측정)가 결정될 수 있다-이것은 “개방 루프 측정”이라고 한다. 또는, 각속도는 2차 모드에서 진동에 대항하기 위해 복원력을 인가함으로써 측정할 수 있으며, 그에 따라 매스가 기본 모드에서만 진동하게 한다. 복원력은 일반적으로 2차 진동의 감지된 진폭에 기초한다. 복원력은 인가된 각속도에 비례하기 때문에, 2차 모드를 무효화하는 데 필요한 신호의 진폭이 각속도의 측정치를 제공한다. 이 후자 방식은 당 업계에서 "폐쇄 루프 측정"으로 알려져 있다. 각속도를 측정하는 방법의 예는 예컨대 US 5,419,194호 및 US 8,347,718호에서 논의된다.

영구 자석을 사용하는 진동 구조 자이로스코프의 문제점은 시간이 지나면서 자석이 열화하므로 자이로스코프의 성능이 저하될 수 있다는 것이다. 유도성(용량성 또는 압전과 달리) 자이로스코프는 작동의 일부로 자기장을 생성하기 위해 영구 자석을 사용한다. 유도성 자이로스코프 구조의 일 예가 도 1에 도시되어 있다. 유도성 자이로스코프(1)는 하부 폴 피스(20), 상부 폴 피스(24) 및 이들 사이에 끼워진 영구 자석(22)을 포함한다. 진동 링(10)은 이 2개의 피스 사이에 형성된 자기장 내에 놓이도록 상부 폴 피스(24)와 하부 폴 피스(20) 사이에 위치한다. 진동 링(10)은 전술한 바와 같이 진동할 수 있도록 링(10)의 반경 방향 외측 에지로부터 지지 프레임(12)까지 연장되는 외부 장착 레그(미도시)를 통해 장착된다. 지지 프레임(12)은 일반적으로 유리 받침대(14)에 장착되고, 이는 결국 유리 기판(16) 상에 일반적으로 장착된다.

사용 시, 자속선은 자이로스코프 구조(즉, 링(10))를 통과한다. 전도성 트랙은 자이로스코프 구조(일반적으로 장착 레그 중 하나를 따라 통과한 후, 동일하거나 다른 장착 레그를 따라 복귀하기 전에 링 구조의 국부적인 부분에 루프를 형성함) 상에 형성된다. AC 전류는 상응하는 교류 자기장을 생성하는 자이로스코프 구조 상에서 이러한 전도성 트랙을 통과한다. 이것과 영구 자석 사이의 흡인력과 반발력은 자이로스코프 구조 내에서 진동을 생성한다. 일반적인 하나의 방식에서, 8개의 이러한 루프가 4쌍으로 형성된다(정반대에 위치한 루프가 한 쌍을 형성함). 이 쌍들은 기본 진동 모드를 구동하고, 기본 진동 모드를 감지(즉, 픽오프)하고, 2차 진동 모드를 감지하고(폐쇄 루프 작동의 경우) 링 구조를 2차 진동 모드를 무효화(null) 구동하는 데 사용한다.

자이로스코프의 스케일 팩터는 시스템의 기본 구동 이득, 즉 진동 구조의 진동 진폭을 유지하는 구동 루프의 이득,에 따라 달라진다. 진동 구조 상의 힘이 자기장의 강도에 의존하고 기본 구동 픽오프 신호의 강도 또한 자기장의 강도에 의존하기 때문에 영구 자석의 강도는 이 이득에 대한 구동 요인 중 하나이다. 유사하게, 2차 픽오프의 출력은 2차 구동이 진동 구조상에 미치는 영향과 같이 자기장의 강도에 의존한다.

자석이 노화됨에 따라, 그 자기장의 강도는 시간이 지남에 따라 천천히 감소한다. 이로 인해 자이로스코프의 스케일 팩터 오류가 점차 증가한다. 자기장 강도의 변화는 단기적으로는 작지만(일반적으로 고온과 같이 아주 열악한 작동 조건 하에서도 매년 100ppm~1000ppm), 시간이 지남에 따라 축적되어 스케일 팩터에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어 일부 자이로스코프는 20년의 수명을 갖도록 설계된다. 이러한 시간 척도에 걸쳐, 자기장 강도의 변화는 최대 약 4%의 스케일 팩터 변화를 야기할 수 있다(자기장 강도의 2% 변화는 2차 구동과 2차 픽오프의 결합 효과로 인해 스케일 팩터에 있어 4%의 변화를 초래할 것이다). 정확도가 높고 민감한 자이로스코프의 경우 이러한 스케일 팩터의 변화는 상당할 수 있으며 이런 변화를 줄이는 것이 바람직하다.

자석의 노화를 보상할 때 주된 문제는 보상이 시간에 따라 달라지지만, 자이로스코프에는 초기 공장 교정(calibration)부터 시간을 측정하는 시계가 없다는 것이다(그리고 시계를 도입하는 것은 실용적이지도 않고 바람직하지도 않다). 따라서, 자기장의 열화는 교정 중에(예를 들어, 제조시) 확인된 원래 스케일 팩터와 비교하여 알려지지 않은 스케일 팩터의 열화를 야기한다. 기존 시스템은 대신에 제품 수명 기간 동안 노화의 전반적인 영향에 대해 사전에 계산된 추정치를 취하고 평균값을 취하여 이를 일정한 스케일 팩터 보상으로 적용하여, 자이로스코프의 스케일 팩터 보상이 수명의 약 절반 때에 최적의 값에 접근함에 따라 수명의 전반기 동안 개선되고 수명의 후반기 동안 다시 저하된다. 높은 정확도가 필요하지 않은 시스템의 경우 이 방법이 매우 적합하다. 그러나 정확도가 높은 시스템에서는 제품 수명이 다할 때까지 정확도에 제한을 둔다.

본 발명에 따르면, 다음을 포함하는 진동 구조 자이로스코프가 제공된다.

영구 자석;

상기 영구 자석의 자기장에 배치되고 적어도 하나의 기본 구동 전극으로부터의 자극 하에 진동하도록 배치된 구조;

공진 주파수에서 상기 진동 구조를 진동하도록 배치된 구동 시스템,

구동 제어 루프에서 이득을 대표하는 상기 구동 시스템으로부터의 신호를 수신하도록 배치되고 그 신호에 기초하여 스케일 팩터 보정을 출력하도록 배치된 보상부를 포함하고, 상기 구동 시스템은:

상기 진동 구조에서 운동을 유도하도록 배치된 적어도 하나의 상기 기본 구동 전극;

상기 진동 구조에서 운동을 감지하도록 배치된 적어도 하나의 기본 감지 전극; 및

상기 기본 감지 전극에 의존하여 상기 기본 구동 전극을 제어하는 상기 구동 제어 루프;를 포함한다.

진동 구조 자이로스코프의 구동 시스템에는 피드백 루프(구동 제어 루프)가 포함되어 있어 제품 수명에 걸쳐 상이한 온도와 상이한 작동 조건에 따라 자이로스코프의 진동 구조의 정확한 운동 진폭을 유지하려고 한다. 기본 감지 전극(기본 픽오프 전극이라고도 함)은 진동 구조의 운동으로부터 신호를 생성한다. 필요한 피드백을 제공하기 위해, 구동 제어 루프는 기본 감지 전극으로부터의 신호를 측정하고 기본 구동 전극에서 비례하는 신호를 인가해야 한다. 이 증폭에 필요한 이득의 양은 원하는 공진 운동의 진폭을 달성하고 유지하도록 조정될 것이다. 따라서, 구동 제어 루프는 일반적으로 안정적인 공진을 유지하도록 이득을 조정하는 자동 이득 제어(AGC: Automatic Gain Control)를 포함한다. 구동 제어 루프는 또한 진동 구조의 공진 주파수와 동일한 위상과 주파수에서 기본 구동 전극에 대한 구동 신호의 위상과 주파수를 유지하기 위해 일반적으로 위상 고정 루프(PLL: Phase Locked Loop)를 포함한다.

자석은 열화됨에 따라(예: 소재가 노화함에 따라 자연스럽게 시간이 지남에 따라) 자기장이 약해진다. 그 결과, 진동 구조에서 유도된 운동의 진폭이 감소하고 기본 감지 전극에서 감지된 픽오프 신호의 진폭도 감소할 것이다. 이를 보상하기 위해 기본 구동 제어 루프가 자동으로 이득을 증가시킨다. 따라서, 구동 제어 루프의 이득은 자석 열화의 척도로 사용할 수 있고, 그 자석의 열화로 야기되는 스케일 팩터의 변화를 보상하는데 사용할 수 있다. 사용 시 구동 제어 루프의 이득을 교정 시 획득한 구동 제어 루프의 이득의 기준값과 비교함으로써, 자석 열화로 인한 교정 이후 기준값으로부터 이득 변화는 스케일 팩터의 변화를 계산하는데 사용할 수 있다. 따라서 이 과정을 통해 자이로스코프의 스케일 팩터가 자석이 노화함에 따라 수명 전체에 걸쳐 정확하게 보상될 수 있다. 자기장 강도의 대부분의 변화는 노화 과정에서 비롯될 것으로 예상하지만, 심한 충격이나 다른 손상과 같은 다른 요인에 의해 자기장 강도가 감소할 수 있다. 자석을 약화시키는 이런 변화는 또한 구동 제어 루프에서 상응하는 이득 증가를 초래할 것이며 이 시스템에 의해 적절히 또한 보상될 것이다.

구동 제어 루프의 이득은 여러 가지 다른 방식으로 측정할 수 있다. 예를 들어, 구동 시스템으로부터의 신호는 기본 구동 전극에 대한 구동 신호의 진폭; 기본 감지 전극으로부터의 신호의 진폭; 구동 제어 루프의 이득 중 하나 이상을 포함한다. 이득 측정 방법의 선택은 구동 시스템 설정 방법에 따라 다르다. 예를 들어, 구동 시스템이 소정 레벨의 구동 신호를 유지하도록 설정되면, 자석 강도의 열화는 점차 더 약한 픽오프 신호를 초래할 것이다. 감소한 픽오프 신호를 상쇄하고 구동 신호를 원하는 레벨로 유지하기 위해 증가된 이득이 인가될 것이다. 이러한 예에서, 픽오프 신호의 크기 또는 이득을 측정하면 적합할 것이다. 다른 예에서, 구동 시스템이 소정 레벨의 픽오프 신호를 유지하도록 설정된 경우, 자석 강도의 열화는 구동 제어 루프에서 이득을 증가시킴으로써 얻어질, 점차 증가하는 구동 신호의 필요를 초래할 것이다. 이러한 예에서, 구동 신호의 크기 또는 이득을 측정하면 적합할 것이다. 다른 예에서, 진동 구조의 물리적 진동의 진폭을 감지하는 별도의 센서를 사용하는 것이 가능할 수 있다. 위의 예들에서, 이것은 또한 구동 신호의 강도와 자기장의 강도에 따라 변할 것이고, 따라서 구동 제어 루프에서의 이득을 또한 나타낸다. 또는, 구동 제어 루프가 진동 구조의 일정한 진동 크기를 유지하도록 배치된다면, 구동 제어 신호의 크기 또는 픽오프 신호의 크기(또는 둘 다)가 시스템에서 이득의 지표로 사용될 수 있다.

가장 바람직한 방식에서, 루프의 이득 팩터는 예컨대 AGC 등과 같은 증폭기로부터 얻어진다. 이것은 아날로그 신호 또는 디지털 값으로 측정되거나 출력될 수 있다.

구동 제어 루프에서 이득을 대표하는 신호는 자석에서 열화 양의 지표이다. 일부 응용에서는 이것이 자석의 전체 전류 강도를 나타내기 위해 알려진 표준 참조와 결합하여 잠재적으로 취해질 수 있고 그러므로 스케일 팩터에 대한 전체 변경이 발생할 수 있지만, 참조는 특정 유닛(예 : 특정 장치의 특정 자석)에 의존할 가능성이 높다. 따라서, 바람직하게는 보상부는 구동 시스템으로부터의 신호 및 교정 절차 동안 획득된 상기 신호의 저장된 기준값에 기초하여 스케일 팩터 보정을 출력하도록 배치된다. 이러한 교정 절차는 제조 중 또는 직후에 수행할 수 있으며(재교정이 필요한 경우 나중에 수행할 수도 있음) 해당 시점에서 스케일 팩터를 계산하고 기본적으로 0으로 하도록 유닛의 특성을 측정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 기본 구동 신호의 크기(자석의 강도에 의존함)는 기준값으로 측정되고 저장될 수 있어 기본 구동 신호의 크기에 대한 모든 후속 변경이 이 기준 및 자기장 강도의 변화를 계산하는 데 사용된 기준값과의 차이 그러므로 스케일 팩터의 변화와 비교될 수 있다. 보상부는 상기 신호 레벨, 자기장 강도 및 스케일 팩터 오류 사이의 알려진 관계에 더 기초하여 스케일 팩터 보정을 출력하도록 배치될 수 있다.

자이로스코프는 입력(이득 및 임의의 저장된 기준값을 나타내는 측정값)을 취하여 계산된 스케일 팩터 보정을 출력하는 수식 또는 계산 프로세스로서 관계를 저장할 수 있다. 그러나, 처리 효율을 위해, 보상부는 구동 시스템으로부터의 입력 신호에 따라 스케일 팩터 보정 값을 제공하도록 배치된 룩업 테이블을 포함할 수 있다. 이러한 룩업 테이블은 작동 속도가 빠르고 입력 범위에 해당하는 개별 값들의 모음만 제공하지만, 일반적으로 상당한 저장 공간을 요구하지 않고 적절한 보정을 제공할 것이다(즉, 출력 값의 좋은 해결을 위해 룩업 테이블의 크기가 매우 클 필요는 없다). 물론 추가적인 해결이 필요하고 저장 공간이 문제가 되면 보간 기법이 조회 테이블과 함께 사용될 수 있다.

룩업 테이블의 값은 교정시 생성된 미리 계산된 값일 수 있다. 이들 값은 자이로스코프가 테스트 리그(rig)에 장착되고 알려진 회전 속도(예: 제로 회전 및/또는 하나 이상의 고정 회전 속도)를 수행하는 동안 자석의 존재 하에서 구동 제어 루프 및/또는 진동 구조의 특성의 측정에 기초하여 계산될 수 있다. 이들 값은 자석 강도의 열화 속도와 구동 제어 루프의 적절한 특성의 대응하는 변화 속도 사이의 알려진 관계에 기초하여 계산될 수 있다. 이러한 관계는 사전 연구를 통해 확립되었을 수 있다. 또는, 적절하다면, 교정 중인 유닛에서 특정 자석의 강도 및/또는 열화 속도는 교정 프로세스의 일부로 테스트될 수 있고 룩업 테이블에 대한 값 계산에 사용될 수 있다(또는 룩업 테이블이 아닌 경우 저장된 수식 또는 알고리즘에 사용하기 위해 저장됨).

대부분의 경우 온도가 자이로스코프의 작동에 영향을 미치므로 스케일 팩터 및 이득/ 구동 신호/픽오프 신호도 온도에 따라 달라질 것이다. 따라서, 보상부는 온도 신호(예: 온도 센서로부터)를 수신하고 구동 시스템으로부터의 신호와 온도 신호 모두에 기초하여 스케일 팩터 보정을 출력하도록 배치될 수 있다. 그에 따라 보상부는 구동 시스템으로부터의 신호와 온도 신호에 따라 스케일 팩터 보정 값을 제공하도록 배치된 룩업 테이블을 포함할 수 있다.

고온에 장기간 노출되면(특정 보관 조건에서 또는 장기간 작동을 통해 발생할 수 있음) 자기장의 강도가 더 빨리 열화될 수 있다는 것이 또한 알려져 있다. 자기장 강도의 저하(어떤 이유로든)는 구동 제어 루프에서의 상응되는 변화를 초래하므로 시스템은 다시 자동으로 이를 조정할 수 있다.

진동 구조 자이로스코프는 다음을 더 포함할 수 있다: 상기 진동 구조의 진동을 감지하도록 배치되고 상기 감지된 진동에 기초하여 각속도 신호를 출력하도록 배치된 감지 시스템;그리고 여기서 상기 진동 구조 자이로스코프는 상기 진동 구조 자이로스코프의 출력을 제공하기 위해 상기 각속도 신호에 상기 스케일 팩터 보정을 인가하도록 배치된다. 감지 시스템은 2차 진동 모드(진동 링 자이로스코프에서, cos 2θ 모드에서 작동될 때 일반적으로 기본(구동) 진동 모드에 대해 45도 각도인)를 감지하는 데 사용되며, 이 진동 모드의 진폭은 자이로스코프의 회전 속도와 관련이 있다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 다음을 포함하는 자이로스코프 교정 방법이 제공된다:

상기 개시된 바와 같이 자이로스코프를 제공하는 단계;

상기 자이로스코프가 회전하지 않는 동안 테스트 환경에서 상기 구동 시스템의 강도를 평가하는 단계; 및

상기 구동 시스템의 신호로부터 상기 스케일 팩터 보정을 결정할 수 있는 상기 평가에 기초하여 정보를 상기 보상부에 저장하는 단계.

이 평가는 구동 시스템의 전류 강도를 자석의 전류 강도와 관련시키므로, 구동 강도의 미래 변화가 자기장 강도의 변화에 기인하는 것을 허용한다. 보상부에 저장된 정보는 구동 강도의 변화가 자기장 강도의 변화에 어떻게 대응하는지에 대한 정보를 포함할 수 있다. 이것은 예컨대 수식 또는 룩업 테이블일 수 있다. 이 정보는 한 유닛에서 다른 유닛로 변경될 것으로 예상되지 않는 교정 전에 보상부 내에 사전 프로그래밍되거나 사전 로딩될 수 있다. 또는, 이 정보는 교정 프로세스의 일부로 저장될 수 있어, 특정 또는 업데이트된 정보가 유닛에서 사용되는 특별한 자석 또는 자석 묶음과 더 긴밀하게 일치하도록 로딩될 수 있다. 그러므로 바람직하게는 상기 방법은 구동 시스템의 강도와 영구 자석 자기장의 강도 사이의 관계에 대한 정보를 보상부에 저장하는 단계를 더 포함한다.

자이로스코프와 관련하여 위에서 논의한 바와 같이, 상기 평가하는 단계는 온도 범위에 걸쳐 상기 구동 시스템의 강도를 평가하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 저장하는 단계는 상기 정보를 룩업 테이블에 저장하는 단계를 포함할 수 있다.

하나 이상의 비제한적인 실시예가 이제 단지 실시예로서 그리고 첨부 도면을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 유도성 진동 구조 자이로스코프의 예시적인 방식을 도시한다.
도 2는 스케일 팩터 보상을 갖는 자이로스코프의 예를 도시한다.

도 1을 참조하면, 유도성 진동 링 자이로스코프(1)가 도시되어 있다. 링형 공진기(10)는 공진기(10)의 외주부터 지지 프레임(12)까지 연장되고 공진기(10)가 기본 진동 모드와 2차 진동 모드에서 진동하게 하는 가요성 지지 레그(미도시)에 의해 지지 프레임(12)에 부착된다. 지지 프레임(12)은 유리 받침대(14)에 장착되고, 이는 결국 유리 기판(16) 상에 장착된다.

자석 조립체(18)는 하부 폴 피스(20), 상부 폴 피스(24) 및 하부 폴 피스(20)와 상부 폴 피스(24) 사이에 위치한 영구 자석(22)을 포함한다. 하부 폴 피스는 공진기(10) 아래의 기판(16)에 장착되고, 상부 폴 피스(24)는 캡(cap)으로 형성되며, 그 테두리(rim)는 공진기(10) 위에 형성된다. 영구 자석(22)에 의해 생성된 자기장은 공진기(10)를 통해 유도된다.

도 2는 제어 및 감지 시스템과 함께 유도성 진동 구조 자이로스코프(30)를 도시한다. 자이로스코프(30)의 공진기(10)와 자석 조립체(18)의 물리적 구조는 도 1에 도시된 바와 같을 수 있다.

구동 시스템(31)은 기본 구동 전극 P_D에 구동 신호를 제공하도록 배치된다(실제로 이것은 정반대에 위치한 전극 쌍일 수 있다). 픽오프 신호는 구동 전극 P_D로부터 공진기 링(10)의 90도 위치에 위치한 기본 픽오프 전극 P_P (기본 감지 전극)에 의해 생성된다. 픽오프 신호는 증폭기(32)에 의해 증폭되고 기본 진동 모드를 유지하도록 공진기(10)의 공진 주파수에 고정하기 위해 신호의 위상 및 주파수를 조정하는 전압 제어 발진기/ 위상 고정 루프 회로(33)에 제공된다. 조정된 신호는 공진을 유지하기 위해 증폭기(35)를 통해 기본 구동 전극 P_D에 제공된다. 픽오프 신호는 또한 공진의 진폭이 유지되는 것이 보장되도록 증폭기(35)의 이득을 조정하는 자동 이득 제어(AGC) 회로(34)에 병렬로 제공된다.

도 2의 예에서, AGC(34)는 픽오프 신호(실제로는 증폭기(32)로부터 출력된 픽오프 신호의 증폭된 버전)를 수신하고 이를 임계값과 비교한다. 픽오프 신호의 크기가 임계값보다 작으면 증폭기(35)의 이득을 증가시키고, 픽오프 신호의 크기가 임계값보다 크면 증폭기(35)의 이득을 감소시킨다. 이는 구동 신호의 크기를 변경하고, 그 결과 공진기 진동의 진폭을 변경하고, 그 결과 픽오프 신호의 진폭을 변경한다. 따라서, 기본 구동 제어 루프(증폭기(32), VCO/PLL(33), AGC(34) 및 증폭기(35)를 포함하는)는 공진기(10)를 공진 및 정확한 운동 진폭으로 유지하도록 신호를 계속 조정한다.

AGC(34)의 이득은 또한 보상부(36)에 제공되는 출력으로 제공된다. 보상부(36)는 AGC(34)의 입력에 기초하여 스케일 팩터 보정(37)을 출력한다.

일부 예에서, 보상부(36)는 오로지 AGC(34)의 입력 및 저장된 정보(수식 및 알려진 파라미터 값)에만 기반하여 스케일 팩터 보정(37)을 계산할 수 있다. 다른 예에서, 보상부는 교정 절차 중에 획득 및 저장되고, 교정 시에 요구된 AGC 이득을 나타내는(따라서 그 시점의 자석 상태를 나타내는) 기준값(Ref)을 추가로 고려할 수 있다. 일부 다른 예에서, 보상부(36)는 교정시에 보상부(36) 내에 미리 계산되어 저장된 룩업 테이블(38)에서 AGC(34)의 현재 이득 값의 검색(lookup)을 수행할 수 있다. 룩업 테이블에는 특정 자석 강도에 상응하고 따라서 AGC(34)의 특정 이득 레벨에 상응하는, 미리 계산된 스케일 팩터 보정이 있다.

스케일 팩터 보정(37)은 자이로스코프(30)의 보정된 레이트 출력(도 2의 "레이트")을 제공하기 위해 39에서 레이트 신호로 인가된다.

레이트 신호는 2차 픽오프 전극 S_P 및 증폭기(40)를 통해 획득된다.

2차 픽오프의 출력에는 관측된 신호의 ‘리얼(Real)’ 및 ‘직교(Quadrature)’ 성분이 모두 포함되는데, 이는 위상이 직교하며 기본 루프의 주파수 입력을 통해 결정된다. ‘리얼’ 성분은 인가된 실제 비율의 원하는 자이로스코프 출력을 제공한다. ‘직교’ 성분은 에너지가 2차 운동에 결합되도록 하는 시스템 내의 불완전성을 통해 생성되고 이 직교(예: 90°) 성분은 레이트 출력에 영향을 미치지 않는다.

개방 루프 예에서, 증폭기(40)의 출력은 리얼 성분을 추출하기 위해 복조기(42)를 통과하고, 이것은 레이트 출력(39에서 스케일 팩터 보정(37)에 의해 보정될)으로 사용된다. 도 2에 도시된 바와 같은 폐쇄 루프 예에서, 증폭기(40)의 출력 또한 직교 성분을 추출하기 위해 복조기(43)를 통과한다. 리얼 및 직교 성분은 재결합되어 공진기(10)의 2차 모드 운동을 무효화하도록 2차 구동 전극 SD에 인가되는 증폭기(41)를 통해 2차 구동 신호를 생성하는데 사용된다. 이 운동을 무효화하는데 필요한 신호의 리얼 부분의 크기는 레이트 출력(39에서 스케일 팩터 보정(37)에 의해 보정될)으로 사용된다.

AGC(34)는 온도 변화와 같은 다른 작동 조건 또한 보상할 것이라는 것이 이해될 것이다. 이를 고려하여, 보상부(36)는 온도 센서(50)로부터 입력된 온도 또한 가질 수 있다. 이러한 예들에서, 보상부(36)에 저장된 수식이나 룩업 테이블(38) 또한 온도를 고려한다. 예를 들어, 룩업 테이블(38)은 다수의 상이한 이득 레벨에 대한 엔트리를 가질 수 있고, 각각의 이득 레벨에 대해 복수의 온도 각각에 대한 스케일 팩터 보상 출력을 제공할 수 있다.

이 시스템에 따르면, 자이로스코프의 스케일 팩터는 자석이 노화 및/또는 열화됨에 따라 제품 수명 기간 내내 보정될 수 있다. 이것은 다음과 같이 달성될 수 있다.

첫째, 제조하는 동안 자이로스코프의 기본 구동 레벨은 온도에 따라 특징지어진다. 이것은 잘 제어된 환경에서 자이로스코프를 사용하여 알려진 회전 상태(예: 정지 또는 알려진 각속도로 회전)로 테스트 리그(rig) 상에서 수행될 수 있다.

둘째, 사용하는 동안 자이로스코프는 자이로스코프에 필요한 기본 구동 레벨을 측정하여(예: 직접 또는 AGC의 이득을 통해) 교정 중에 얻은 정보와 비교한다.

셋째, 자이로스코프는 이 데이터와 비교를 사용하여 제조 이후(또는 교정 이후) 자석의 노화로 인한 스케일 팩터의 변동을 수정한다. 기본 구동의 증가는 자석 강도의 감소와 상관관계가 있고, 따라서 스케일 팩터의 플러스 증가와 관련이 있다.

교정 정보(온도 및 구동 레벨)를 자이로스코프에 저장할 수 있도록 하기 위해 자이로스코프에 데이터 전송 인터페이스가 제공될 수 있다. 이것은 사용 중에 자이로스코프 데이터의 출력도 허용하는 양방향 통신 인터페이스의 형태일 수 있다.

이 스케일 팩터 보상 방식은 특히 고성능 자이로스코프에 적합하다. 스케일 팩터 개선은 특정 자이로스코프 설계에 따라 달라지지만, 예컨대 수명이 20년이고 자석의 열화가 해마다 100ppm인 기존 자이로스코프에서 기존 방식은 제품 수명의 시작과 끝에서 약 1000ppm 벗어난 일정한 스케일 팩터 보정을 갖는다. 본 발명에서 제공한 보정은 스케일 팩터에 대한 이 원인(contributor)을 완전히 또는 거의 완전히 상쇄할 수 있고, 따라서 기존 시스템에 비해 최대 1000ppm의 스케일 팩터가 개선된다.

일 특정 예에서, SmCo 자석은 165℃의 비교적 고온에서 작동할 때 노화 계수가 시간당 약 0.0532ppm인 것으로 밝혀졌다(고온은 자석에서 노화 효과를 증가시키는 것으로 알려져 있다). 20년 제품 수명에 걸쳐 이것은 9300ppm, 즉 거의 1%, 이상에 해당한다. 이 열화는 고성능 자이로스코프에 중요한 스케일 팩터의 변화를 생성하며, 본 발명은 스케일 팩터의 이러한 변화를 추적하고 보상하는 방법을 제공한다.

이 프로세스와 별도로 또는 이 프로세스에 추가하여 보상될 수 있는 스케일 팩터 오류에 대한 다른 소스가 있다는 것이 이해될 것이다.

Claims

진동 구조 자이로스코프에 있어, 상기 진동 구조 자이로스코프는:
영구 자석;
상기 영구 자석의 자기장에 배치되고 적어도 하나의 기본 구동 전극으로부터의 자극 하에 진동하도록 배치된 구조;
공진 주파수에서 상기 진동 구조를 진동하도록 배치된 구동 시스템,
구동 제어 루프에서 이득을 대표하는 상기 구동 시스템으로부터의 신호를 수신하도록 배치되고 그 신호에 기초하여 스케일 팩터 보정을 출력하도록 배치된 보상부를 포함하고, 상기 구동 시스템은:
상기 진동 구조에서 운동을 유도하도록 배치된 상기 적어도 하나의 기본 구동 전극;
상기 진동 구조에서 운동을 감지하도록 배치된 적어도 하나의 기본 감지 전극; 및
상기 기본 감지 전극에 의존하여 상기 기본 구동 전극을 제어하는 상기 구동 제어 루프;
를 포함하는, 진동 구조 자이로스코프.
제1항에 있어서, 상기 구동 시스템으로부터의 신호는:
상기 기본 구동 전극에 대한 상기 구동 신호의 진폭;
상기 기본 감지 전극 신호으로부터의 상기 신호의 진폭; 및
상기 구동 제어 루프의 이득 중 하나 이상을 포함하는, 진동 구조 자이로스코프.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 보상부는 상기 구동 시스템으로부터의 신호 및 교정(calibration) 절차 동안 획득된 상기 신호의 저장된 기준값에 기초하여 상기 스케일 팩터 보정을 출력하도록 배치되는, 진동 구조 자이로스코프.
제3항에 있어서, 상기 보상부는 상기 신호 레벨, 자기장 강도 및 스케일 팩터 오류 사이의 알려진 관계에 더 기초하여 상기 스케일 팩터 보정을 출력하도록 배치되는, 진동 구조 자이로스코프.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 보상부는 상기 구동 시스템으로부터의 입력 신호에 따라 스케일 팩터 보정 값을 제공하도록 배치된 룩업 테이블을 포함하는, 진동 구조 자이로스코프.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 보상부는 온도 신호를 수신하고 상기 구동 시스템으로부터의 신호와 상기 온도 신호 모두에 기초하여 스케일 팩터 보정을 출력하도록 배치된, 진동 구조 자이로스코프.
제6항에 있어서, 상기 보상부는 상기 구동 시스템으로부터의 신호와 상기 온도 신호 모두에 따라 스케일 팩터 보정 값을 제공하도록 배치된 룩업 테이블을 포함하는, 진동 구조 자이로스코프.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 진동 구조의 진동을 감지하도록 배치되고 상기 감지된 진동에 기초하여 각속도 신호를 출력하도록 배치된 감지 시스템을 더 포함하며,
상기 진동 구조 자이로스코프는 상기 진동 구조 자이로스코프의 출력을 제공하기 위해 상기 각속도 신호에 상기 스케일 팩터 보정을 인가하도록 배치되는, 진동 구조 자이로스코프.
자이로스코프 교정 방법에 있어,
제1항 또는 제2항에 따른 자이로스코프를 제공하는 단계;
상기 자이로스코프가 회전하지 않는 동안 테스트 환경에서 상기 구동 시스템의 강도를 평가하는 단계; 및
상기 구동 시스템으로부터의 신호로부터 상기 스케일 팩터 보정을 결정할 수 있는 상기 평가에 기초하여 정보를 상기 보상부에 저장하는 단계를 포함하는, 자이로스코프 교정 방법.
제9항에 있어서, 상기 구동 시스템의 강도와 상기 영구 자석 자기장의 강도 사이의 상기 관계에 대한 정보를 상기 보상부에 저장하는 단계를 더 포함하는, 자이로스코프 교정 방법.
제9항에 있어서, 상기 평가하는 단계는 온도 범위에 걸쳐 상기 구동 시스템의 강도를 평가하는 단계를 포함하는, 자이로스코프 교정 방법.
제9항에 있어서, 상기 저장하는 단계는 상기 정보를 룩업 테이블에 저장하는 단계를 포함하는, 자이로스코프 교정 방법.