JP2012252024A - 振動回転レートセンサー及びその動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】振動回転レートセンサー及びその動作方法を提供する。
【解決手段】復元素子と結合され及び共振逆位相運動で駆動される２つの振動体を有する２軸回転レートセンサーを有し、前記２つの振動体は、等しくしかし単一の軸に沿って逆の振幅を有し振動する。振動構造はまた、振動軸と直交する平面内の振動体の運動を有する。この平面内の２軸での振動体の運動の測定は、２つの直交軸の周りのセンサーの回転に直接応答する信号を提供する。測定及び駆動は、磁性体の利用及び電磁気駆動及び検知トランスデューサーにより実現される。
【選択図】図４

Description

本発明は、共鳴振動子を含む回転レートセンサーの分野に関する。

本出願は、２００４年３月１２日に出願された仮出願第６０／５５２６５２「Ｄｕａｌ Ａｘｉｓ Ｖｉｂｒａｔｏｒｙ Ｒａｔｅ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ」に基づき優先権を主張する。

共鳴振動子を有する回転レートセンサーは、「振動レートジャイロスコープ」とも称され、センサーの回転に応じて振動子により生じる力を検知することにより回転レートを直接に測定する。振動ジャイロスコープで利用するために、宙吊りの音叉構造、振動梁及び振動リングを含む振動子の種々の構成が開発されている。これらの素子は励振され、回転に応じた素子の動きが測定され、素子にかかる力及びセンサーの回転が決定される。

特許文献１は、１９９７年１２月１６日、Ｓｔｅｖｅｎ Ｐ Ｈｏｔｅｌｌｉｎｇ及びＢｒｉａｎ Ｒ Ｌａｎｄにより出願された。特許文献１は、音叉素子を有する振動レートジャイロスコープを説明している。Ｈｏｔｅｌｌｉｎｇ−Ｌａｎｄのジャイロスコープは、２つの振動子を利用し、１つが２つの異なる回転軸のそれぞれに関する動きを検出する。しかしながら、この設計は２つの音叉を利用する必要があるだけでなく、２つの音叉は異なる周波数で動作し装置間のクロストークを最小限に抑えなければならない。複雑さと小型化の観点からすれば、振動子を１つだけで良い、２軸の周りの回転を検知可能なジャイロスコープが望ましい。

振動レートセンサーが有するある課題は、駆動される振動は回転から生じる力及び動きと比較して非常に大きいという事実から生じる。機械的なトランスデューサーの僅かなずれが、結果として大きな運動を駆動し、他の軸で検知される小さい信号に誤りを生じ得る。これらの誤りは、一般に、センサーを調整することにより及び／又は振動子から材料を削ることにより機械的に補正される。しかしながら、このような機械的に削ること及び調整することは、時間及びコストを要する。電子的な自動誤り補正を提供し、種々の動作条件を補償する補正を更に提供することが望ましい。

また、小型で安価に製造でき、種々の用途に適用可能な、そして超小型電子機器と統合し易い回転レートセンサーを提供することが望ましい。このような適応性は、センサーの帯域を調整し及び複数のセンサーから均一の出力を提供することが望ましい。

米国特許第５６９８７８４号明細書

複雑さと小型化の観点からすれば、振動子を１つだけで良い、２軸の周りの回転を検知可能なジャイロスコープが望ましい。
電子的な自動誤り補正を提供し、種々の動作条件を補償する補正を更に提供することが望ましい。

また、小型で安価に製造でき、種々の用途に適用可能な、そして超小型電子機器と統合し易い回転レートセンサーを提供することが望ましい。このような適応性は、センサーの帯域を調整し及び複数のセンサーから均一の出力を提供することが望ましい。

本発明は、これらの利点を提供する。

本発明の好適な実施例は、復元素子に関して対称に配置され及び共振逆位相動作で駆動される２つの振動体を有する２軸回転レートセンサーを有し、前記２つの振動体は、等しくしかし単一の軸に沿って逆の振幅を有し振動する。振動構造では、振動体は振動軸と直交する面内で運動する。またこの直交する面内の２軸に沿った振動体の運動が測定され、２軸の周りのセンサーの回転に直接対応する信号を提供する。

振動部品１００の分解図である。 梁素子１５０の上面図である。 組み立てられた振動部品を示す。 逆位相の運動を説明する振動部品１００の側面図である。 ｘ及び／又はｙ軸の周りの回転に応じた、振動部品１００の「検知モード」と称される運動を説明する透視図である。 「同位相」モードの振動部品１００の動きを説明する側面図である。 取り付け板７００に取り付けられた振動部品１００の透視図である。 分解図の駆動側部品８００の透視図である。 分解図の検知側部品９００の透視図である。 信号ＰＣＢ１０１０の分解図である。 宙吊り部品１１１０の分解図である。 最終組立部品１２００の分解図である。 ＡＳＩＣ１０３０の論理ブロック図である。 結合及びスケーリングＤＡＣｓ１３４０及び隣接回路の詳細図である。

本発明の特徴及び利点は、本発明の原理による回転レートセンサーの例として与えられる以下の説明から明らかであろう。
図１は、振動部品１００の分解図である。振動部品１００は、円筒永久磁石１１０及び１２０、磁石ホルダー１３０及び１４０、及び平面梁構造１５０を有する。磁石１１０及び１２０は、望ましくは図示されたように配置され、それらの磁界が互いに強め合うよう、極が共通の方向に向けられる。

図２は、梁構造１５０の上面図を示す。梁構造１５０は、軸対称の六角形の形状を有し、ｚ軸の周りに対称形の複数の曲がりくねった蛇紋梁を有する。梁２１０−２６５は、スプリングアームのように動作し、振動部品１００に復元力を提供する。梁の端にある接点２１０ｃ−２３５ｃは、２つの磁石ホルダー１３０及び１４０の取り付け位置を提供する。取り付け点２４０ｍ−２６５ｍは、外部部品へ固定するための位置を提供する。

図１から図３を参照すると、３個の蛇紋梁２１０、２１５及び２２０は、磁石ホルダー１３０に２１０ｃ、２１５ｃ及び２２０ｃにおいて結合される。磁石ホルダー１４０は、同様に３個の梁の端２２５ｃ、２３０ｃ及び２３５ｃを介し、梁構造１５０の反対側で結合される。この取り付け部、及び磁石ホルダー１３０及び１４０の突起は、磁石ホルダー１３０及び１４０に、梁構造１５０の面内及び面外の両方に互いに自由に動くことを可能にする。特に磁石ホルダー１３０及び１４０は、振動部品１００の動作のための十分な距離を妨害することなく、互いにｚ軸方向に動くことが可能である。

磁石ホルダー１３０及び１４０は、特定のステンレス鋼のような非磁性材料から構成され、そして梁構造１５０に取り付けられる。磁石１１０及び１２０は、磁石ホルダー１３０及び１４０の内側に固定される。残りの６個の蛇紋梁は、取り付け点２４０ｍ、２４５ｍ、２５０ｍ、２６０ｍ及び２６５ｍにおいて、外部部品に取り付けられる。

動作中には、磁石１１０及び１２０は、図４に示されるようにｚ軸に沿って逆位相運動に駆動される。逆位相運動は、ｚ軸に沿った強制共振正弦運動であり、磁石１１０及び１２０は、順次ｚ軸に沿って離れ、そして近付く。

一般に、振動回転レートセンサーは、センサーの回転する基準枠内で直線方向に運動する物体に及ぼされる力を検知することにより、センサーの回転レートを測定する。この力は一般に「コリオリ力」と称され、以下の式で記述される。

（数１）Ｆ_{Ｃｏｒｉｏｉｉｓ}＝−２ｍ（ωｘｖ）
ｍは運動する物体の質量、ｖは運動する物体の速度ベクトル、そしてωは系の回転の角速度である。

振動部品１００がｘ又はｙ軸の周り（又はｘ−ｙ平面内の如何なる軸の周り）を回転する場合、力は、磁石１１０及び１２０に、数１に与えられるように、回転軸及び振動軸の両方と直交する方向に及ぼされる。この力は、回転の角速度ωに比例し、結果として磁石１１０及び１２０のｘ−ｙ平面内の運動を生じる。この運動は、検出され、ｘ及びｙ軸に関する回転レートを決定する。より詳細には、図４の座標系を参照すると、強制された逆位相振動の軸は、ｚ軸である。示されるように磁石１１０が＋ｚ方向に動く場合、振動部品１００がｘ軸又はｙ軸の何れかの周りを回転すると、運動する磁石１１０及び１２０に対して力が生成される。振動部品１００がｘ軸の周りを図４に示された方向「Ｒ」に回転する場合、角速度ωは、＋ｘ軸方向のベクトルである。この結果、磁石１１０にかかる＋ｙ方向の力が生じ（「右手の法則」による）、磁石１１０は＋ｙ方向に動く。磁石１２０にかかる力も同様に解析され、磁石１２０は（同時に）−ｚ方向に動く。振動部品１００はｘ軸の周りを図４に示された方向Ｒに回転するので、磁石１２０にかかる力は−ｙ方向であり、結果として磁石１２０は（同時に）−ｙ方向に動く。

図５に示されるように、振動部品１００がｙ軸の周りを回転すると、結果として磁石１１０及び１２０はｘ軸と平行に動き、この動きの振幅が検知され、ｙ軸の周りの回転レートが測定される。特に、磁石１１０及び１２０は、ｘ軸と平行又はｘ軸方向の運動成分を有するように示され、この運動成分は、ｙ軸周りのセンサーの回転に対応する。ｘ−ｙ面内の運動は、振動部品１００の回転レートを測定するために検知されるので、ｘ−ｙ面内の磁石１１０及び１２０の運動は、「検知運動（ｓｅｎｓｅ ｍｏｔｉｏｎ）」と称される。

以上の説明及び図４に示されるように、振動部品１００の要求される共振逆位相運動を確立するため、磁石１１０は、ｚ軸方向に逆位相モードの共振周波数１８００Ｈｚで駆動される。この運動の振幅は、最大振幅で約５０ミクロンであり、共振は約２０００である品質係数「Ｑ」により特徴付けられる。高い値のＱは、系が時間の経過と共に僅かなエネルギーしか損失していないことを示す。高い値のＱ及び駆動周波数が振動部品と共振することにより、逆位相の運動が、比較的小さい強制力で駆動される。

磁石１２０は、磁石１１０の運動に応じて対称的な共振運動を得る。ｘ−ｙ面内の駆動されていない磁石１２０の運動が検知され、ｘ及びｙ軸周りの振動部品１００の回転が検出される。代案として、同一の磁石又は振動体は、適切な時間系列を利用することにより駆動及び検知され得る。しかしながら、好適な実施例は、より多くの設計で駆動及び検知機能を置換可能である。

図２を再び参照する。梁構造１５０は、振動部品１００の所望の共振周波数の確立に必要な復元力を提供する。梁構造１５０はまた、ｘ−ｙ面内で放射形対称を設けるよう設計されるので、磁石１１０及び１２０は回転に応じてｘ−ｙ面内で対称に運動する。特に、梁構造１５０は６回軸対称である。つまり、梁構造１５０が６個の６０°の部分に分割された場合、これらの部分は同じであり、同一の回転を維持する。この対称的な形状は、駆動軌道の不整合誤差、交差軸誤差を最小限に抑え、及びｘ−ｙ面内の如何なる方向の磁石の運動も等しくする。

６個の蛇紋梁２１０、２１５、２２０、２２５、２３０及び２３５は、磁石／磁石ホルダーの対に接点２１０ｃ、２１５ｃ、２２０ｃ、２２５ｃ、２３０ｃ及び２６０ｃにおいて結合する。これら梁は、約１８００Ｈｚの逆位相の共振を確立する復元力を提供する。梁を蛇紋形状にすることにより、共振周波数を１８００Ｈｚに低下させるために必要な長さの長い梁を小型に設計することを可能にしている。

梁構造１５０はまた、発振の不要なモードを低減することを特徴とする形状を有する。特に、この形状は、図６に示される振動の「同位相」モードを最小限に抑える。同位相モードでは、磁石１１０及び１２０は両方とも＋ｚ方向に運動し、次に両方とも−ｚ方向に運動する。この動作モードは振動部品１００の内外に取り付け位置２４０ｍ―２６５ｍにおいて不平衡力を結合するので、この動作モードは望ましくない。同位相モードは、同位相モードの共振周波数が逆位相共振と十分離れるよう梁構造１５０を設計することにより最小限に抑えられる。これは、梁構造１５０を外部部品に取り付け位置２４０ｍ−２６５ｍにおいて結合する６個の梁２４０−２６５の梁の長さを適切に選択することにより達成される。これら梁は、逆位相モードに含まれることは少ないが、同位相モードに含まれる。これは、音叉の腕が同位相で運動する場合、音叉のハンドルが含まれる場合と類似している。これら６個の梁を長くすることは、同位相モードの共振周波数を低くし、同位相モードと駆動周波数の間で結合されるエネルギーを減少させ、所望の逆位相モードと一致するよう選択される。梁２４０−２６５の長さは、同位相の共振周波数が駆動周波数より有意に低い１４００Ｈｚになるよう選択される。この２０％より大きい間隔は、フィルターに同位相の周波数を除去させるために十分な間隔より大きい。

梁構造１５０は平面の単一要素形状を有するので、製造が容易であり、多くの望ましい機械的特徴を有する。平面の梁スプリング構成は、化学エッチング又は種々の半導体又は微小機械製造技術、又はエッチング、精密打ち抜き、スタンピング又は放電加工により容易に製造可能である。スパッタリングのような物理的気相成長法処理もまた、所望の梁形状を生成するために利用されて良い。望ましくは、振動周波数がセンサーの動作温度範囲で適切に一定に保たれるよう、梁構造１５０の材料は、温度に対し一定の弾性を有する要素である。この材料は、望ましくは、エリンバー、ステンレス鋼、ベリリウム、銅、バネ鋼又は他の適切な合金のような金属を含み、梁要素１５０と同質及び適した材料である。代案として、石英又はシリコンが利用され従来のフォトリソグラフィーエッチング処理を通じて形成されて良い。

本発明の特定の実施例で復元力を提供するため、他の機構が開発され得る。しかしながら、平面の梁構造、及び更に詳細には可変長の梁スプリングを有する蛇紋梁構造により、例えば、梁構造１５０の低損失の同種の設計の結果得られる極めて高いＱのような、特別な利点が本発明の好適な実施例に提供される。

図５を再び参照する。検知運動は、振動部品１００の回転により生じる回転力に反応する。検知運動は、逆位相運動の周波数において駆動され回転レート及び逆位相運動の振幅の両方に比例する振幅を有する正弦波運動である。検知運動の固有共振周波数は、「検知モード」と称され、逆位相モードの駆動周波数の近くに選択される。検知モードの固有共振周波数は、望ましくは逆位相モードの駆動周波数に近く、好適な実施例では約１７００Ｈｚである。検知モードの共振を駆動された逆位相モード運動の周波数に近くすると、検知運動の大きさを増幅する。検出されるべき運動の大きさは非常に小さいので、これは望ましい。この周波数は、逆位相運動の駆動周波数に十分近く、約１０の有意な物理的共振の拡大倍率を達成する。更に高い倍率及び感度は、検知モードの共振が駆動された逆位相運動の周波数に近い又は一致するよう選択される場合、可能である。しかしながら、この設計では、類似の入力に等しく応答するセンサーの数を調整すること、従って倍率曲線の傾きが十分小さく装置間の変位が直ちに補償できるよう周波数が選択されることが望ましい。

梁構造１５０は、従って所望の逆位相モードの復元力を提供し、そして部品の回転を示すために検出される、振動軸と直交する面内の振動（「検知運動」と称される）を許容する。更に、梁構造１５０は、逆位相モードで高いＱの共振（Ｑは約２０００）を確立し、逆位相モードの駆動された周波数に近い検知モードの共振を確立する。

図７は、外部金属取り付け板７００に取り付けられた梁部品を示す。梁構造１５０は、６個の蛇紋梁２４０―２６５の取り付け点２４０ｍ−２６５ｍ（図２を参照）を取り付け板７００の隆起した突出部に固定することにより、取り付け板７００に取り付けられる。これらの突出部（示されない）は、取り付け板７００の半歯（ｓｅｍｉ−ｐｉｅｒｃｉｎｇ）として形成され、梁構造１５０を取り付け板７００から約０．２３ｍｍに保持し、梁構造１５０の全ての梁が自由に振動できるようにする。

図８は、駆動側部品８００の分解図を示す。駆動側部品８００は、磁石１１０及び磁石ホルダー１３０（図１、３−７に示される）と隣接する駆動コイル８１０を取り付けられ、及び駆動コイル８１０の取り付け位置を有するプラスチックの駆動型８２０を有する。磁気を透過可能な鉄板８３０は、駆動型８２０の裏に取り付けられ、磁石１１０により生成される磁束線の通過を支援し、駆動コイル８１０と磁石１１０の間の結合を向上する。板８３０はまた、追加の慣性を系に提供し、不要な運動を低減する。棒８４０は、駆動型８２０に取り付けられ、電気信号を駆動側部品８００へ及び駆動側部品８００から伝達する。

図９は、検知側部品９００の分解図を示す。検知側部品９００は、磁石１２０と隣接し、梁構造１５０の駆動部品８００と反対側の側面に取り付けられる。検知コイル９１０及び９１５の２つの対は、検知型９２０に取り付けられる。平坦な楕円型の検知コイルの２つの対は、９０°ずれた方向に置かれ、完全に組み立てられた時、磁石１３０に隣接するよう配置される。コイル９１０及び９１５は、それぞれｘ−ｙ面内に取り付けられ、磁石１２０のｘ−ｙ面内の運動を検出するために利用される。一方の対はｘ軸方向の運動を検知し、他方の対はｙ軸方向の運動を検知する。特に、図９に示されるｘ−ｙ座標に関し、検知コイル９１０は、ｘ軸方向の磁石１２０の運動が一方のコイル内の磁束を全体に増加し、及び他方の磁束を減少するような方向に位置付けられる。信号は磁石１２０のｘ座標に対応する。コイルを楕円形にすることにより、ｘ方向の運動に対するコイルの感度を上げている。一般には磁石１２０のｚ軸の駆動運動から生じる磁束の変化が相殺されるよう、各コイル対は、異極性に接続される（反対の方向に巻かれている）。しかしｘ軸方向の運動は付加的である。

図１０は、信号プリント基板（ＰＣＢ）１０１０の分解図である。信号ＰＣＢ１０１０には、電気的消去可能ＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）１０２０及び特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）１０３０が取り付けられる。容量性の遮蔽板１０４０は、信号ＰＣＢ１０１０に取り付けられ、検知コイル９１０及び９１５並びに信号ＰＣＢ１０１０の種々の配線及びピンとの間の容量性結合を防止する。容量性遮蔽板１０４０は、リン青銅のような導電性及び非磁化材料から成る。ＡＧＣコイル１０５０は、信号ＰＣＢ１０１０の裏面に取り付けられる。以下に詳細に説明されるように、ＡＧＣコイル１０５０は、ｚ軸方向の駆動逆位相運動の振幅と正確な位相を検知し、駆動、誤差補正及び信号復調回路にフィードバックを提供する。コイル８１０、９１０、９１５及び１０５０は、絶縁された銅のような導電性の線を、後で取り外される軸に巻き付けることにより製造される。コイルはまた、複数のＰＣＢ層の配線を螺旋状に形成しコイル構造を生成することにより、又は金属薄膜を基板に蒸着しそしてコイルの巻線をフォトリソグラフィー法によりエッチングすることにより形成され得る。この設計の１つの利点は、平坦コイルの利用を修正でき、安価且つ容易に製造されることである。代案として、他の種類のトランスデューサーが利用され、振動運動を駆動及び検知し得る。

図１１は、宙吊り部品１１１０の分解図である。駆動側部品８００は、取り付け板７００に突起７１０を介し取り付けられる。取り付け板７００は、検知側部品９００に突起７２０を介し更に取り付けられる。結果として得る小型の統合された部品では、駆動コイル８１０は磁石１１０に隣接して配置される。またＡＧＣコイル１０５０及び検知コイル９１０及び９１５は、磁石１２０に隣接して配置される。種々の相互接続ピンは、信号ＰＣＢ１０１０に差し込まれ（半田付けされ）、宙吊り部品１１１０へ通じる電気的経路を確立する。

図１２は、最終組立部品１２００の分解図である。基底部品１２１０は、プラスチックの差し込み形成品、基板型１２２０を有する。基板型１２２０は、４本のピン１２２５を有し、基底部品１２１０に取り付けられる。導電性金属底板１２３０は、基板型１２２０に取り付けられる。ガスケット１２４０は、型抜きされたシリコンゴムであり、示されるように、基板型１２２０と底板１２３０の間に挿入される。４個のつる巻バネ１２５０は、ピン１２２５と接続される。つる巻バネ１２５０は、つる巻バネの形状に巻かれた導電性材料から成る。宙吊り部品１１１０は、４個のつる巻バネ１２５０の上に配置され、半田付け、溶接、ろう付け又は機械的な固定により取り付けられる。

つる巻バネ１２５０は２つの機能を実行する。第１に、４個の導電性バネは、信号ＰＣＢ１０１０と基板型１２２０の間で電気信号を通過させるために利用される。更に、バネ１２５０は、宙吊り部品１１１０と基板型１２２０の間で振動を隔離する。この隔離は、振動部品１００と結合されることから生じる不要な振動（線形加速、質量不一致による効果）を防止する。最後に、缶１２６０は、底板１２３０に取り付けられ、閉じられた容器を形成し、センサーを望ましくない干渉源から遮蔽する。ガスケット１２４０は缶を密閉し、湿気が部品内に侵入するのを防ぐ。

図１３を参照する。ＡＳＩＣ１０３０は、回転レートセンサーの信号処理を実行する。ＥＥＰＲＯＭ１０２０は、種々の較正係数及びＡＳＩＣ１０３０により利用される他のデータを格納する。図１３は、ＡＳＩＣ１０３０のシステム論理ブロック図である。

最終組立部品１２００のコイル８１０、９１０、９１５及び１０５０は、トランスデューサー部１３０５に図示される。振動部品１００は、交流駆動電流（ＤＰ−ＤＭ）を駆動コイル８１０に印加することにより固有共振周波数で駆動される。これは、振動部品１００にｚ軸方向の正弦波運動を生じ、この運動はＡＧＣコイル１０５０により検知される。ＡＧＣコイル１０５０は、正弦波ＡＧＣ信号（ＡＧＰ−ＡＧＭ）を生じる。正弦波ＡＧＣ信号（ＡＧＰ−ＡＧＭ）の振幅は、ｚ軸方向の振動部品１００の振動の所望の物理的振幅を提供するために拡大縮小される。駆動電流の周波数及び位相は、逆位相モードで振動部品１００の周波数と一致するよう調整され、従って駆動運動を最大にする。ヨー運動（ｘ軸周り）は、検知コイル９１０により検出され、ヨー信号（ＹＷＰ−ＹＷＭ）を生成する。同様に、ピッチ運動（ｙ軸周り）は、検知コイル９１５により検出され、ピッチ信号（ＰＷＰ−ＰＷＭ）を生成する。

ヨー及びピッチ前置増幅器１３２０及び１３３０及びＡＧＣ前置増幅器及び振動発振器１３１０のＡＧＣ前置増幅器部は、コイル９１０、９１５及び１０５０からの低位電圧信号をオンチップの変換抵抗を利用して差動電流に変換する。これら前置増幅器は、最小の位相遅延特性を有し、ヨー、ピッチ及びＡＳＩＣ１０３０により利用されるＡＧＣ信号の正確な位相関係を維持する。代案として、位相特性は整合され得る。それぞれの場合に、信号間の位相関係は正確に維持される。

差動アナログＡＧＣ信号（ＡＧＰ−ＡＧＭ）は、ＡＧＣ前置増幅器及び振動発振器１３１０と結合される。ＡＧＣ前置増幅器及び振動発振器１３１０の振動発振器部は、ＡＧＣコイル１０５０からＡＧＣ信号（ＡＧＰ−ＡＧＭ）からの位相及び振幅のフィードバックを利用し、駆動電流（ＤＰ−ＤＭ）を駆動コイル８１０に印加することにより、振動部品１００をその共振周波数において発振させる。ＡＧＣ信号（ＡＧＰ−ＡＧＭ）は、半周期毎に統合される。その結果は温度補償されたバンドギャップ基準（ＢＧ）から導出された電圧基準と比較され、そして差分は、適切な大きさの量を制限された駆動信号をＤＰ及びＤＭ出力において生成するために利用される。信号（ＤＰ−ＤＭ）は、一般に、方形波のような波形を有し、名目上はＡＧＣ信号と同位相である。アナログ差動ＡＧＣ信号（ＡＧＰ−ＡＧＭ）は、増幅されそして結合及びスケーリングＤＡＣｓ１３４０へ信号（ＡＧ１Ｐ−ＡＧ１Ｍ）として出力される。位相、基準信号ＡＤＰＣＯＭＰはまた、ＡＧＣ信号のゼロ交差に応じて、ＡＤＣクロック合成装置及びカウンター１３２５へ供給される。

スケーリング及び結合ＤＡＣｓ１３４０は、アナログのヨー（ＹＷＰ−ＹＷＭ）及びピッチ（ＰＷＰ−ＰＹＭ）検知信号を調整し、直流オフセットを前置増幅器から除去し、寄生直角位相誤差信号を除去し、そして交差軸誤差を除去し装置間の変位を補償する。従ってＡＤＣブロックに現れる信号は、装置間変位に関し正規化される。直流オフセット及び寄生直角位相誤差信号は、シリアルインターフェース及びＲＡＭ１３５５内のデジタルレジスタに格納された較正値を利用し、プログラム可能なデジタルアナログ変換器（ＤＡＣｓ）により合成された、等しく且つ相対するアナログ信号を印加することにより除去される。交差軸誤差は、同様の方法で補償されるが、基準として検知チャネル信号を直接に利用する。留意すべき点は、スケーリングＤＡＣｓ１３４０及びシリアルインターフェース及びＲＡＭ１３５５を相互接続するＣＯＭＣＡＬバス線は、スケーリングＤＡＣｓ１３４０に、シリアルインターフェース及びＲＡＭ１３５５のＰＩＮＰＨ、ＰＯＦＳＴ、ＰＣＡＸ、ＰＳＦ、ＹＩＮＰＨ、ＹＯＦＳＴ、ＹＣＡＸ及びＹＳＦレジスタへのアクセスを提供する。これらレジスタの利用は、以下に詳細に説明される。

図１４は、結合及びスケーリングＤＡＣｓ１３４０及び隣接回路の詳細図である。ヨー入力信号は、ヨー入力ピンＹＷＰ及びＹＷＭ間の電圧の差分である。差動アナログヨー信号（ＹＷＰ−ＹＷＭ）は、不要な誤差信号と共にヨー回転の所望のレート信号を有するコンポジット信号である。具体的には、次式で示される。

（数２）Ｖｙａｗ＝Ｖ（ＹＷＰ）−Ｖ（ＹＷＭ）
所望の及び誤差成分を表すヨー信号は、次式の通り、理論的に決定される。

（数３）ＶｙａｗＮＯＭ＝ＩｎｐｈＹａｗ＊ＳＩＮ（２π＊Ｆｖｉｂ＊ｔ）−ＣｒｏｓｓＹａｗ＊ＲａｔｅＰｉｔｃｈ＊Ｃ０Ｓ（２π＊Ｆｖｉｂ＊ｔ）−（ＲａｔｅＹａｗ＋ＭＲＯｙａｗ）＊ＹＳＦ＊Ｃ０Ｓ（２π＊Ｆｖｉｂ＊ｔ）
上式のＳＩＮ項は、駆動振動運動のトランスデューサーのずれから生じる望ましくない誤差成分である同位相信号（ＡＧＣ信号に対して）である。ＩｎｐｈＹａｗは、この同位相のヨー信号の振幅として決定される。この誤差は、ＹＩＮＰＨ ＤＡＣ １４１０により提供される等しく且つ相対する信号を、検知されたヨー信号（ＹＷＰ−ＹＷＭ）に加算器１４１１０において加算することにより除去される。ＹＩＮＰＨ ＤＡＣ １４１０は、ＡＧＣ信号（ＡＧＰ−ＡＧＭ）を有するその出力を調整する。ＡＧＣ信号（ＡＧＰ−ＡＧＭ）は、ＹＩＮＰＨ較正係数により増大される。デジタル化の前に検知信号を補正することにより、及びアナログＡＧＣ信号を直接利用し振動運動と検知運動の間の位相関係を維持することにより、同位相の誤差成分は、有意に低減される。

第１のＣＯＳ項は、ヨーとピッチ軸間の結合から生じる望ましくない誤差信号である。ＣｒｏｓｓＹａｗは、この交差軸（ピッチ）誤差信号の振幅として決定される。この交差軸誤差は、等しく且つ相対する信号を、検知されたヨー信号（ＹＷＰ−ＹＷＭ）に加算器１４１１０において加算することにより補正される。ＹＣＡＸ ＤＡＣ １４３０により提供される補正信号は、ピッチ信号（ＰＷＰ−ＰＹＭ）を有するその出力を調整する。ピッチ信号（ＰＷＰ−ＰＹＭ）は、ＹＣＡＸ較正係数により増大される。デジタル化の前に検知信号を補正することにより、及びアナログピッチ信号を直接利用し誤差源と補正信号の間の位相関係を維持することにより、交差軸誤差成分は、有意に低減される。

第２のＣＯＳ項は、ヨー角速度により変調された、所望の信号を有する。この信号は、振動部品１００の所望のヨー角速度運動を示す。しかしながら、この項はまた、調整誤差から生じる不要な機械的レートのオフセット（ＭＲＯｙａｗ）を有する。

結合及びスケーリングＤＡＣｓ１３４０のピッチ信号成分の動作は、ヨー信号回路に関して説明された動作と同様である。ＤＡＣデジタル較正レジスタのデジタル値は、ＤＡＣに倍率を提供する。更に、表１に、補償信号源、誤差要因の説明、及び定常状態信号の決定の基準によりそれぞれ補償される誤差の説明を示す。

加算器１４１１０においてアナログを付加されることにより、誤差信号が電子的に除去された後、所望のヨー検知信号は、混合器１４１４０において余弦波信号（ＡＧＣ信号と直角位相）で復調され、所望のヨー信号を復調し、そして残存する不要な正弦波成分を更に除去する。混合器１４１４０は、正弦波信号又は直流信号の何れかを有するヨー検知信号を更に選択的に復調し得る。これらのモードは、以下に示されるように較正値を決定するために利用される。

ヨーアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）１３５０及びピッチＡＤＣ１３６０は、同時にそれぞれＡＧＣ信号と同期したアナログデジタル変換を実行する。ピッチＡＤＣ１３６０は、以下に示されるように、ヨーＡＤＣ１３５０と同様の方法で動作する。補正されたヨー信号は、混合器１４１４０に印加され、余弦波信号（ＡＧＣ信号と直角位相）と混合されることにより復調される。復調された信号は、次に整流され、そしてヨーＡＤＣ１３５０によりデジタルレベルに変換される。好適な実施例では、ヨーＡＤＣ１３５０は、シグマデルタ変換器１４１５０を利用する。シグマデルタ変換器１４１５０は、ＡＤＣクロック合成装置及びカウンター１３２５からのＨＳＣＬＫ信号に応じ、復調されたヨー信号を高いレートで、各周期で多数回サンプリングする。各１．８ｋＨｚ周期に２回、整流されたサンプルは、ＡＤＣクロック合成装置及びカウンター１３２５からのＣＬＫ信号と同期して積分器１４１６０により積分される。ＣＬＫ信号は、ＡＧＣ信号から直接引き出され、物理発振器と厳密な位相関係を保つ。この同期した復調及び変換は、特定の誤差信号を更に除去することにより、検知信号の信号対雑音を更に向上する。

ＹＩＮＰＨ ＤＡＣ １４１０及びＰＩＮＰＨ ＤＡＣ １４６０に印加されるデジタル値は、検知チャネルの正弦波復調を実行し及び同相信号の大きさを２つの検知チャネルのそれぞれで最小化するようＹＩＮＰＨ ＤＡＣ １４１０及びＰＩＮＰＨ ＤＡＣ １４６０の倍率を調整する自動補正ループにより引き出される。特に、選択可能な同相の調整モードは、混合器１４１０４への正弦波入力を選択し、正弦波を有する補正されたヨー信号を復調する。結果として生じる、ヨーＡＤＣ１３５０からの正弦波の復調されたデジタル信号は、ＹＩＮＰＨ係数の値を決定する。ＹＩＮＰＨ係数は、ＹＩＮＰＨレジスタ１４２０に読み込まれ、ＹＩＮＰＨ ＤＡＣ １４１０を調整し通常動作の間に正弦波誤差信号を除去するために利用される。ＰＩＮＰＨ自動補正ループは、同様の方法で動作する。

ＹＣＡＸ ＤＡＣ １４３０及びＰＣＡＸ ＤＡＣ １４８０のデジタル値は、工場の較正手順から引き出される。工場の較正手順では、完成した部品は回転され、そして対応するチャネルの交差軸が測定される。これらのデジタル値は、次にＥＥＰＲＯＭ１０２０及びＡＳＩＣ１０３０のデジタルレジスタに読み込まれる。

ＹＯＦＳＴ及びＰＯＦＳＴは、直流オフセット誤差の補正信号である。ＹＯＦＳＴ及びＰＯＦＳＴのデジタル値はまた、自動補正ループにより決定される。加算器１４１１０からの出力は、積分器１４１９０に印加される。積分器１４１９０は、ＡＤＣクロック合成装置及びカウンター１３２０からのＣＬＫ信号に同期し、加算器１４１１０からの出力をＡＧＣ信号の所定数の周期に亘り積分する。積分された値は、比較器１４２００で基準値（通常はゼロ）と比較される。結果はカウンター１４５０へ印加される。このカウンターは、ＹＯＦＳＴ ＤＡＣ １４４０に格納されたＹＯＦＳＴ値を調整する。ＹＯＦＳＴ ＤＡＣ １４４０は、加算器１４１１０に印加される直流信号を調整し、直流誤差補正を提供する。ＰＯＦＳＴループは、同様の方法で動作する。動作中、これらループは、ＹＯＦＳＴ及びＰＯＦＳＴの倍率を調整し、検知チャネルの直流信号の大きさを最小化する。

図１３を再び参照する。ＡＤＣクロック合成装置及びカウンター１３２０は、アナログＡＧＣＣＯＭＰ信号をＡＧＣ前置増幅器及び振動発振器１３１０から受信し、そしてデジタル回路及びサンプリングを振動部品の発振と正確に同期させるために利用されるデジタルクロック信号ＣＬＫ及びＣＯＵＮＴを提供する。これは、高周波発振器を用いることにより達成される。高周波は、振動部品１００の固有振動周波数に一致する周波数に分割され、そしてＡＧＣ信号ＡＧＰＣＯＭＰの位相基準（例えばゼロ交差点）に固定される。

ＣＬＫ／ＣＯＵＮＴ信号はＡＧＣＣＯＭＰ信号から同相で９０度シフトされ、検知信号の角速度情報の抽出を容易にする。従って、ＣＬＫ／ＣＯＵＮＴ信号は振動部品１００の固有振動と正確に同期する。ＣＬＫ信号と同期し及び高い周波数を有する高速ＨＳＣＬＫ信号も提供される。較正中、９０度の位相シフトは、ＹＩＮＰＨ及びＰＩＮＰＨ較正値を決定するため、選択的に解除される。

ＡＳＩＣ１０３０及びＥＥＰＲＯＭ１０２０は、外部マイクロプロセッサーと、シリアル２線インターフェースを用い通信する。シリアル２線インターフェースは、例えばフィリップス社のＩ２Ｃインターフェースであり、シリアルインターフェース及びＲＡＭブロック１３５５に含まれる。２線インターフェースは、外部パッケージ及び宙吊り部品の間に必要な接続の数を節約する。実際、宙吊り部品への電気的接続は４本だけである。これは、外部プロセッサーに結果レジスタからデジタル値を読み込むこと、及び較正値と状態値を入力レジスタに書き込むことを可能にする。

工場での較正の間、誤差信号が測定され、適切な倍率がＥＥＰＲＯＭ１０２０に格納される。通常動作の初期化中に、外部マイクロプロセッサーは、格納された較正値をＥＥＰＲＯＭ１０２０から読み出し、そしてそれらをＡＳＩＣ１０３０のレジスタに書き込む。ＡＳＩＣ１０３０は、これら格納された値を用い、以上に説明された誤差補正を実行するために利用される適切なＤＡＣレベルを設定する。

値ＹＩＮＰＨ、ＰＩＮＰＨ、ＹＯＦＳＴ、ＰＯＦＳＴ、ＹＣＡＸ、ＰＣＡＸ、ＹＳＦ、ＰＳＳＦ、ＲＣＣ、ＣＮ及びＡＧＳは、＜ＰＩＮＰＨ＞、＜ＹＩＮＰＨ＞、＜ＰＯＦＳＴ＞、＜ＹＯＦＳＴ＞、＜ＹＣＡＸ＞、＜ＰＣＡＸ＞、＜ＹＳＦ＞、＜ＰＳＳＦ＞、＜ＲＣＣ＞、＜ＣＮ＞、＜ＡＧＳ＞レジスタにそれぞれ格納される。工場での較正の間、これらレジスタ値は、外部プロセッサーにより永久記録媒体のＥＥＰＲＯＭ１０２０に書き込まれる。以後の起動時に、これら値は、ＡＳＩＣ１０３０のレジスタに再び読み込まれ（シードされ）、ループ処理時間を最小化する。ＲＣＣ及びＡＧＣの値は、ＡＧＣ前置増幅器及び振動発振器１３１０と関連付けられたレジスタにシードされる。ＲＣＣは時定数較正であり、発振器の中心周波数を調整し、ＡＳＩＣのプロセス変動を補償するために利用される。ＡＧＳは、振幅を検出する前にＡＧＣ信号を調整する振幅較正値である。従って、ＡＧＳ値の修正は、駆動された逆位相運動の物理的な振幅を変化させる。これらの値を、オンボードの宙吊り部品１１１０であるＡＳＩＣ１０３０内のアクティブなレジスタにシード（プレロード）すると、各センサーは、電子的に較正され起動時間を向上し得る。

デジタル及びアナログフィルタリングは、信号に存在する不要な低及び高周波数成分を除去するため、回路を通じ従来の方法で更に実行される。この回路は図示されない。

ＡＳＩＣ１０３０は、温度センサー１３８０及び電位検出器１３９０を更に有する。温度センサー１３８０及び電位検出器１３９０は、電圧／温度ＡＤＣ１３７０へ供給され、電源電圧と同様にセンサーの温度を報告し得る。これらの値は、利用可能にされ、以後の温度及び電圧に依存する現象の高次誤差補正を可能にする。

本発明は好適な実施例を参照して説明されたが、特許請求の範囲に記載された本発明の精神と範囲から逸脱することなく種々の変更がされ得ることが明らかである。

本願の原出願の出願当初の特許請求の範囲を記載しておく。
〔請求項１〕
振動回転レートセンサーであって、
共通の軸に沿って振動する、前記軸に沿って対称に配置された振動体の対を有する振動素子、
少なくとも１つの振動体と結合され、前記軸に沿って前記振動体に周期的運動を生じさせる駆動装置、
少なくとも１つの前記振動体と結合され、前記振動軸と直交する１つの方向の前記振動体の運動を検知する第１の検知回路、及び
少なくとも１つの前記振動体と結合され、前記振動軸と直交する別の方向の前記振動体の運動を検知する第２の検知回路
を有する、振動回転レートセンサー。
〔請求項２〕
前記駆動装置は、前記振動体の間に逆位相運動を生じさせる、請求項１記載の振動回転レートセンサー。
〔請求項３〕
前記振動体は磁気要素を有し、及び前記駆動装置及び前記検知回路は電磁気要素を有する、請求項１記載の振動回転レートセンサー。
〔請求項４〕
前記駆動装置は一方の振動体と結合され、及び前記検知回路は他方の振動体と結合される、請求項１記載の振動回転レートセンサー。
〔請求項５〕
前記駆動装置は一方の振動体と周期的に結合され、及び前記検知回路は前記駆動装置が結合されない間、同一の振動体と結合される、請求項１記載の振動回転レートセンサー。
〔請求項６〕
前記一方及び他方の方向は、同一平面上にあり及び一様に互いに直交している、請求項１記載の振動回転レートセンサー。
〔請求項７〕
前記振動軸に沿った振動体の運動の振幅及び位相を検知する運動センサーを有し、前記運動センサーは前記駆動装置と結合され、及び前記駆動装置は前記振動体を前記検知された振幅及び位相に応じて反復可能な方法で駆動する、請求項１記載の振動回転レートセンサー。
〔請求項８〕
一方の振動体と結合された弾力性のある第１の要素及び他方の振動体と結合された弾性力のある第２の要素を有する平面復元要素を更に有する、請求項１記載の振動回転レートセンサー。
〔請求項９〕
前記振動体のそれぞれと結合された弾性力のある第１の要素を有する単一の同種の復元要素を更に有する、請求項８記載の振動回転レートセンサー。
〔請求項１０〕
前記弾性力のある第１及び第２の要素は、それらがそれらの両端の直線距離より長い長さを有するよう伸長される、請求項８記載の振動回転レートセンサー。
〔請求項１１〕
前記復元要素は、前記振動部品を外部取り付け具に接続する、復元力のある取り付け要素を更に有する、請求項８記載の振動回転レートセンサー。
〔請求項１２〕
前記逆位相運動及び前記検知された運動の共振は、前記検知モード運動を増大させるために周波数が十分に近く、及び他の共振モードは、それらが効果的にフィルタリングにより除去され得るよう周波数が十分に離れている、請求項１記載の振動回転レートセンサー。
〔請求項１３〕
前記平面復元要素は、半径方向にＸ回対称であり、Ｘは整数３以上である、請求項８記載の振動回転レートセンサー。
〔請求項１４〕
振動回転レートセンサー動作方法であって、
前記レートセンサーは、共通の軸に沿って振動する、前記軸に沿って対称に配置された振動体の対を有し、前記方法は、
前記軸に沿って前記振動体に周期的運動を生じさせる、少なくとも１つの振動体を駆動する段階、
前記振動軸と直交する１つの方向の、少なくとも１つの前記振動体の運動を検知する段階、及び
前記振動軸と直交する別の方向の、少なくとも１つの前記振動体の運動を検知する段階
を有する、振動回転レートセンサー動作方法。
〔請求項１５〕
前記駆動する段階は、前記振動体の間に逆位相運動を生じさせる、請求項１４記載の振動回転レートセンサー動作方法。
〔請求項１６〕
前記振動体は磁気要素を有し、及び前記検知する段階は電磁気的に行われる、請求項１４記載の振動回転レートセンサー動作方法。
〔請求項１７〕
前記駆動装置は一方の振動体と結合され、及び前記検知回路は他方の振動体と結合され、前記駆動する段階は振動体の１つを駆動し、及び前記検知する段階は他方の振動体の運動を検知する、請求項１４記載の振動回転レートセンサー動作方法。
〔請求項１８〕
前記駆動する段階は一方の振動体を断続的に駆動し、及び前記検知する段階は前記一方の振動体が駆動されていない時間中に、前記一方の振動体の運動を検知する、請求項１４記載の振動回転レートセンサー動作方法。
〔請求項１９〕
前記一方及び他方の方向は、同一平面上にあり及び一様に互いに直交している、請求項１４記載の振動回転レートセンサー動作方法。
〔請求項２０〕
前記振動軸に沿った少なくとも１つの振動体の運動の振幅及び位相を検知する段階を更に有し、及び前記駆動する段階は、前記振動体を前記検知された振幅及び位相に応じて反復可能な方法で駆動する、請求項１４記載の振動回転レートセンサー動作方法。

Claims (21)

1. 振動回転レートセンサーであって、
   共通の軸に沿って振動する、前記軸に沿って対称に配置された、かつ平面梁構造に機械的に結合された振動体の対を有する振動要素と、
   １つのみの振動体と結合され、前記軸に沿って前記対の振動体両方に周期的運動を生じさせる駆動装置と、
   前記振動体の少なくとも１つと結合され、前記振動の軸と直交する方向の前記振動体の運動を検知する検知回路と、及び
   を有する、振動回転レートセンサー。
2. 前記駆動装置は、前記振動体の間に逆位相運動を生じさせる、請求項１記載の振動回転レートセンサー。
3. 前記振動体は磁気要素を有し、前記駆動装置及び前記検知回路は電磁気要素を有する、請求項１記載の振動回転レートセンサー。
4. 前記駆動装置は一方の振動体と結合され、前記検知回路は他方の振動体と結合される、請求項１記載の振動回転レートセンサー。
5. 前記駆動装置は一方の振動体と周期的に結合され、前記検知回路は前記駆動装置が結合されない間、同じ振動体と結合される、請求項３記載の振動回転レートセンサー。
6. 前記検知回路がさらに、前記振動の軸と直交する第１の方向の運動を検知する第１の検知回路と、前記振動の軸と直交する第２の方向の運動を検知する第２の検知回路とを含む、請求項１記載の振動回転レートセンサー。
7. 前記第１の方向及び前記第２の方向は、同一平面上にあり、互いに直交している、請求項６記載の振動回転レートセンサー。
8. 前記振動の軸に沿った振動体の運動の振幅及び位相を検知する運動センサーを有し、前記運動センサーは前記駆動装置と結合され、前記駆動装置は前記振動体を前記検知された振幅及び位相に応じて反復可能な方法で駆動する、請求項１記載の振動回転レートセンサー。
9. 前記平面梁構造が前記共通の軸に対して略直交であり、一方の振動体と結合された弾力性のある第１の部材、他方の振動体と結合された弾力性のある第２の部材、及び前記振動要素を前記振動要素の外部に取り付けるための弾力性のある取り付け部材を有する平面復元要素を更に有する、請求項１記載の振動回転レートセンサー。
10. 前記弾力性のある第１及び第２の部材は、それらがそれらの両端の直線距離より長い長さを有するよう屈曲されている、請求項９記載の振動回転レートセンサー。
11. 前記逆位相運動及び前記検知された運動の共振は、前記検知モード運動を増大させるために周波数が十分に近く、他の共振モードは、それらが効果的にフィルタリングにより除去され得るよう周波数が十分に離れている、請求項１記載の振動回転レートセンサー。
12. 前記平面復元要素は、Ｘ回回転対称性をもち、Ｘは整数３以上である、請求項９記載の振動回転レートセンサー。
13. 振動回転レートセンサー動作方法であって、
    前記レートセンサーは、共通の軸に沿って振動する、前記軸に沿って対称に配置された振動体の対を有し、前記方法は、
    前記軸に沿って前記対の振動体の両方に周期的運動を生じさせるよう、１つのみの振動体を駆動する段階と、
    前記周期的運動の共振を確立する復元力を提供する段階であって、前記復元力は、前記振動体に結合された弾力性のある部材によって与えられる、段階と、
    前記振動軸と直交する少なくとも１つの方向の、前記振動体の少なくとも一方の運動を検知する段階と
    を有する、振動回転レートセンサー動作方法。
14. 前記駆動する段階は、前記振動体の間に逆位相運動を生じさせる、請求項１３記載の振動回転レートセンサー動作方法。
15. 前記振動体は磁気要素を有し、及び前記検知する段階は電磁気的に行われる、請求項１３記載の振動回転レートセンサー動作方法。
16. 前記駆動する段階は前記振動体の１つを駆動し、前記検知する段階は他方の振動体の運動を検知する、請求項１３記載の振動回転レートセンサー動作方法。
17. 前記駆動する段階は一方の振動体を断続的に駆動し、前記検知する段階は前記一方の振動体が駆動されていない時間中に、前記一方の振動体の運動を検知する、請求項１３記載の振動回転レートセンサー動作方法。
18. 前記検知する段階が、前記振動軸と直交する第１の方向の、前記振動体のうちの少なくとも一つの振動体の運動を検知し、前記振動軸と直交する第２の方向の、前記振動体のうちの少なくとも一つの振動体の運動を検知することを含む、請求項１３記載の振動回転レートセンサー動作方法。
19. 前記一方及び他方の方向は、同一平面上にあり互いに略直交である、請求項１８記載の振動回転レートセンサー動作方法。
20. 前記振動軸に沿った少なくとも１つの振動体の運動の振幅及び位相を検知する段階を更に有し、前記駆動する段階は、前記振動体を前記検知された振幅及び位相に応じて反復可能な方法で駆動する、請求項１３記載の振動回転レートセンサー動作方法。
21. 前記弾力性のある部材が前記共通の軸に対して略直交である平面梁構造をなし、前記振動体のうちの一方に結合された弾力性のある第１の部材と、前記振動体のうちの他方に結合された弾力性のある第２の部材と、前記平面梁構造を前記平面梁構造の外部の取り付け具に取り付けるための弾力性のある取り付け部材とを含む、
    請求項１３記載の振動回転レートセンサー動作方法。

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