(57)【要約】      （修正有）【課題】ジャイロスコープをモニタリングするためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】テスト信号生成器１２４は、テスト信号を生成し、当該テスト信号をＭＥＭＳジャイロスコープ１１０のレート・フィードバック・ループ１１２に印加するように構成されている。テスト信号検出器１２６は、ＭＥＭＳジャイロスコープの直交フィードバックループ１１４に結合されており、直交フィードバックループから直交出力信号を受信するように構成されている。テスト信号検出器は、テスト信号の効果を検出するために直交出力信号を復調する。最後に、テスト信号検出器は、直交出力信号におけるテスト信号の検出された効果に少なくとも部分的に基づいてセンシングデバイスの動作を示すモニタ出力を生成するように構成されている。【選択図】図１
2014174167.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センシングデバイスの動作をモニタリングするためのシステムであって、前記センシングデバイスは、微小電気機械（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープと、該ＭＥＭＳジャイロスコープに結合されているレート・フィードバック・ループと、前記ＭＥＭＳジャイロスコープに結合されている直交フィードバックループとを含み、該システムは、
テスト信号生成器であって、該テスト信号生成器は、テスト信号を生成し、該テスト信号を前記ＭＥＭＳジャイロスコープの動作中に前記レート・フィードバック・ループに印加するように構成されている、テスト信号生成器と、
テスト信号検出器であって、該テスト信号検出器は前記直交フィードバックループに結合されており、該直交フィードバックループから直交出力信号を受信し、前記直交出力信号内の前記テスト信号の効果を検出するように構成されており、該テスト信号検出器は前記テスト信号の前記検出された効果に少なくとも部分的に基づいて前記センシングデバイスの前記動作を示すモニタ出力を生成するようにさらに構成されている、テスト信号検出器とを備える、システム。
【請求項２】
前記テスト信号生成器は前記テスト信号検出器に復調信号を提供するために前記テスト信号検出器に結合されており、前記復調信号は前記テスト信号と等価であり、前記テスト信号検出器は、前記復調信号を使用して前記直交出力信号を復調することによって、前記直交出力信号内の前記テスト信号の前記効果を検出するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記テスト信号生成器によって生成される前記テスト信号は変調信号である、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記テスト信号生成器によって生成される前記テスト信号は、前記ＭＥＭＳジャイロスコープにフィードバックされるレートフィードバック信号上のキャリアに対して直交位相にあるキャリアを有して生成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記テスト信号生成器は、前記テスト信号を生成するために方形波を異なる周波数と組み合わせる、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記テスト信号生成器は、前記テスト信号の振幅を設定するようにさらに構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記テスト信号検出器は、前記検出されたテスト信号の前記振幅を検出するようにさらに構成されている、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記テスト信号検出器は、前記テスト信号生成器から受信された復調信号を使用して前記直交出力信号を復調することによって、前記直交出力信号内の前記テスト信号の前記効果を検出するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記テスト信号検出器は比較器およびアキュムレータを含み、前記テスト信号検出器は、前記比較器を使用して前記復調された出力信号を閾値と比較し、前記テスト信号検出器は、前記アキュムレータを使用して前記比較器の出力を累積し、前記モニタ出力は前記比較器の前記累積された出力に少なくとも部分的に基づいて生成される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
センシングデバイスであって、
微小電気機械（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープと、
前記ＭＥＭＳジャイロスコープに結合されているレート・フィードバック・ループであって、該レート・フィードバック・ループはレート出力信号を生成し、レートフィードバック信号を前記ＭＥＭＳジャイロスコープにフィードバックする、レート・フィードバック・ループと、
前記ＭＥＭＳジャイロスコープに結合されている直交フィードバックループであって、該直交フィードバックループは直交出力信号を生成し、直交フィードバック信号を前記ＭＥＭＳジャイロスコープにフィードバックする、直交フィードバックループと、
テスト信号生成器であって、該テスト信号生成器はテスト信号および復調信号を生成するように構成されており、前記テスト信号は前記レートフィードバック信号のキャリアの位相に対して直交位相にあるキャリアを有して生成され、該テスト信号生成器は該センシングデバイスの動作中に前記テスト信号を前記レート・フィードバック・ループに印加するように構成されている、テスト信号生成器と、
テスト信号検出器であって、該テスト信号検出器は、前記直交フィードバックループから前記直交出力信号を受信し、前記テスト信号の効果を検出するために前記復調信号を使用して前記直交出力信号を復調するように構成されており、該テスト信号検出器は、前記テスト信号の前記検出された効果に少なくとも部分的に基づいて該センシングデバイスの前記動作を示すモニタ出力を生成するようにさらに構成されている、テスト信号検出器とを備える、センシングデバイス。
【請求項１１】
前記テスト信号生成器は、前記テスト信号を生成するために方形波を異なる周波数と組み合わせる、請求項１０に記載のセンシングデバイス。
【請求項１２】
前記テスト信号検出器は、前記テスト信号の前記検出された効果の大きさの測度を求めるようにさらに構成されている、請求項１１に記載のセンシングデバイス。
【請求項１３】
前記テスト信号検出器は比較器およびアキュムレータを含み、前記テスト信号検出器は、前記比較器を使用して前記復調された出力信号を閾値と比較することによって前記テスト信号の効果を検出し、前記テスト信号検出器は、前記アキュムレータを使用して前記比較器の出力を累積し、前記モニタ出力は前記比較器の前記累積された出力に少なくとも部分的に基づいて生成される、請求項１０に記載のセンシングデバイス。
【請求項１４】
センシングデバイスの動作をモニタリングする方法であって、前記センシングデバイスは、微小電気機械（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープと、該ＭＥＭＳジャイロスコープに結合されているレート・フィードバック・ループと、前記ＭＥＭＳジャイロスコープに結合されている直交フィードバックループとを含み、該方法は、
テスト信号を生成するステップと、
前記テスト信号を前記ＭＥＭＳジャイロスコープの動作中に前記レート・フィードバック・ループに印加するステップと、
前記直交フィードバックループから直交出力信号を受信するステップと、
前記直交出力信号内の前記テスト信号の効果を検出するステップと、
前記テスト信号の前記検出された効果に少なくとも部分的に基づいて前記センシングデバイスの前記動作を示すモニタ出力を生成するステップとを備える、方法。
【請求項１５】
前記直交出力信号内の前記テスト信号の効果を検出するステップは、前記テスト信号と等価な復調信号を使用して前記直交出力信号を復調するステップを備える、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記テスト信号は変調信号を備える、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記テスト信号を印加するステップは、前記ＭＥＭＳジャイロスコープにフィードバックされるレートフィードバック信号上のキャリアの位相に対して直交位相においてキャリアを変調するステップを備える、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記テスト信号を生成するステップは、前記テスト信号の振幅を設定するステップを備え、前記直交出力信号内の前記テスト信号の効果を検出するステップは、前記テスト信号の前記検出された効果の大きさの測度を求めるステップを備える、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記テスト信号の前記検出された効果に少なくとも部分的に基づいて前記センシングデバイスの前記動作を示す前記モニタ出力を生成するステップは、前記テスト信号の前記検出された効果の前記大きさの前記求められた測度に基づいて前記モニタ出力を生成するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記テスト信号の前記検出された効果に少なくとも部分的に基づいて前記センシングデバイスの前記動作を示す前記モニタ出力を生成するステップは、比較器を使用して前記テスト信号の前記検出された効果を閾値と比較するステップと、前記比較器の出力を累積するステップとを備える、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスに関する。より具体的には、本発明は、ＭＥＭＳジャイロスコープの動作をモニタリングすることに関する。
【背景技術】
【０００２】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術は、非常に小さな機械構造を作成し、従来のバッチ半導体処理技法を使用して単一の基板上に電気デバイスとこれらの構造を積載する方法を提供するため、近年において広く高い評判を勝ち得ている。ＭＥＭＳの１つの一般的な用途が、センサデバイスの設計および製造である。ＭＥＭＳセンサは、自動車、慣性誘導システム、家庭用電化製品、ゲームデバイス、さまざまなデバイスのための保護システム、ならびに、多くの他の産業、科学、および工学システムのような用途に広く使用されている。
【０００３】
ＭＥＭＳセンサの１つの例が、ＭＥＭＳジャイロスコープである。代替的に「角速度センサ」、「ジャイロスコープ」、「ジャイロメータ」、「振動ジャイロスコープ」、「ジャイロスコープセンサ」、または「ヨー・ピッチ・ロール・レート・センサ」と称される角速度センサは、１つ以上の軸を中心とした角速度または運動速度を感知する。ＭＥＭＳジャイロスコープは、さまざまなセンシング用途に広く使用されている。たとえば、車両または自動車用途は、車両エアバッグを展開するか、または安定制御システムおよび／もしくはトラクション・コントロール・システムを起動するときを決定するためにＭＥＭＳジャイロスコープを使用する場合がある。加えて、ビデオ・ゲーム・コントローラ、パーソナル・メディア・プレーヤ、携帯電話、およびデジタルカメラのような家庭用電子機器も、デバイスの向きを検出し、かつ／またはその回転運動に応答するためにさまざまな用途においてＭＥＭＳジャイロスコープを使用する。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
以下の図面と併せて考察して詳細な説明および請求項を参照することで、より完全に本発明を理解することができる。なお、これらの図面は必ずしも原寸に比例して描かれてはおらず、これらの図面では図面全体にわたって同様の参照符号は類似の項目を示している。
【０００５】
【図１】本発明の一実施形態に応じたモニタリングを有するＭＥＭＳジャイロスコープの感知部分の概略図。
【図２】本発明の一実施形態に応じたモニタリングを有するＭＥＭＳジャイロスコープの感知部分の概略図。
【図３】本発明の一実施形態に応じたテスト信号生成器の概略図。
【図４】本発明の一実施形態に応じたテスト信号検出器の概略図。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
下記の詳細な記載は本来説明のためのものに過ぎず、本主題の実施形態またはこのような実施形態の適用および使用を限定することを意図しない。さらに、上記技術分野、背景技術、または以下の詳細な説明で提示される、いかなる表示または暗示された理論によっても束縛されることは意図されていない。
【０００７】
以下の記載は、ともに「接続される」または「結合される」ものとして要素もしくはノードまたは特徴に言及している。本明細書において使用される場合、別途明確に述べられていない限り、「接続される」とは、１つの要素が別の要素に直接的に結び付けられている（または直接的にそれと通信する）ことを意味し、必ずしも機械的にではない。同様に、別途明確に述べられていない限り、「結合される」とは、１つの要素が別の要素に直接的にまたは間接的に結び付けられている（または直接的にもしくは間接的にそれと通信する）ことを意味し、必ずしも機械的にではない。従って、図面に示されている概略図は要素の例示的な構成を図示しているが、追加の介在する要素、デバイス、特徴、または構成要素が図示される主題の実施形態において存在してもよい。
【０００８】
簡潔にするために、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）作成および開発、ＭＥＭＳセンシング、アナログ回路設計、ならびにシステムの他の機能的態様（およびシステムの個々の動作構成要素）に関連する従来の技法は、本明細書において詳細に説明されていない場合がある。さらに、本明細書に含まれるさまざまな図面において示されている接続線は、さまざまな要素間の機能的関係および／または物理結合を表すように意図されている。なお、多くの代替形態または追加の機能的関係または物理接続が本主題の一実施形態において存在してもよい。本明細書に記載の回路は、シリコンもしくは別の半導体材料、または代替的にそのコード表現のいずれかにおいて実装されてもよいことは理解されたい。加えて、特定の専門用語は以下の説明においては参考のみを目的として使用されている場合もあり、従って、限定であるようには意図されておらず、構造を指す「第１の」、「第２の」といった用語、および他のこのような数に関する用語は文脈において明確に指示されていない限り、並びまたは順序を暗示してはいない。
【０００９】
本明細書に記載のさまざまな実施形態は、センシングデバイスの動作をモニタリングするための、特にＭＥＭＳジャイロスコープの動作をモニタリングするためのシステムおよび方法を提供する。これらの実施形態において、レート・フィードバック・ループおよび直交フィードバックループがＭＥＭＳジャイロスコープに結合されている。テスト信号生成器およびテスト信号検出器が提供される。テスト信号生成器は、テスト信号を生成し、当該テスト信号をＭＥＭＳジャイロスコープのレート・フィードバック・ループに印加するように構成されている。テスト信号検出器は、ＭＥＭＳジャイロスコープの直交フィードバックループに結合されており、直交フィードバックループから直交出力信号を受信するように構成されている。テスト信号検出器は、テスト信号の効果を検出するために直交出力信号を復調する。最後に、テスト信号検出器は、直交出力信号におけるテスト信号の検出された効果に少なくとも部分的に基づいてセンシングデバイスの動作を示すモニタ出力を生成するように構成されている。このように、システムは、ＭＥＭＳジャイロスコープの動作の継続的なモニタリングを提供することが可能である。
【００１０】
具体的には、モニタ出力信号を使用してＭＥＭＳジャイロスコープが適切に機能しており、良好なデータを提供していることを継続的に検証することができる。この自己モニタリングによって、事実上システム全体を、特にＭＥＭＳジャイロスコープ内の信号処理、フィードバックループ、および出力回路をカバーすることができる。このモニタリングは、ＭＥＭＳジャイロスコープの動作に対する継続的なチェックを提供することができ、従って、事実上システム全体を自己モニタリングするのに使用することができる。
【００１１】
ＭＥＭＳジャイロスコープの動作をモニタリングするためのそのようなシステムは、ＭＥＭＳジャイロスコープを使用するデバイスおよびシステムについてシステム全体の信頼性を増大させることができる。たとえば、ＭＥＭＳジャイロスコープが、能動的安定制御が起動される必要があるときを判断するのに使用される車両安定制御の用途においてである。そのようなシステムにおいて、さまざまな実施形態によって提供される自己モニタリングは、車両安定制御の適切な機能をより良好に保証する能力を提供し、従って、動力車に一般的に見られる過酷で厳しい環境により良好に対処することができる。
【００１２】
一般的なＭＥＭＳジャイロスコープは、２次元平面、すなわち、振動平面内で共振するように駆動される小さい振動質量部（駆動質量部と称されることがある）を採用している。振動平面が回転すると、コリオリの力によって、振動質量部が回転速度に比例する量だけ振動平面から変位される。回転速度を求めるために、この変位が測定されて、振動質量部と同じ共振周波数で振動する電気信号に変換される。この電気信号の同相成分は回転速度に比例し、一般的にレート信号またはレート成分と称される。
【００１３】
一般的なＭＥＭＳジャイロスコープに伴う１つの問題は、一般的に直交成分または直交誤差と称される望ましくない干渉信号が存在することである。直交誤差は一般的にＭＥＭＳジャイロスコープにおいては、駆動振動に感知質量部内での動きを誘起させる製造欠陥に起因して発生する。これは、コリオリの加速度、およびひいては回転速度と混同される可能性がある、感知軸を中心とした振動をもたらす。不都合なことに、そのような直交誤差の結果として、デバイスに対してオフセット誤差がもたらされ、ダイナミックレンジが低減し、ノイズが増大する可能性がある。大きな直交誤差は、デバイスが激しく振動する（ｒａｉｌ）ようにする可能性さえあり、それによって、感知質量は導電性電極と接触し、場合によっては短絡のような衝突に関連する損傷がもたらされる。
【００１４】
そのような直交誤差は、直交成分誤差信号として現れ得る。この直交成分は、同相レート信号に対して９０度位相シフトされている。回転速度を求めるために、いくつかのＭＥＭＳジャイロスコープは、共振周波数にあるキャリア信号を使用して電気信号を同相成分および直交成分に復調する。
【００１５】
さらに、いくつかのＭＥＭＳジャイロスコープシステムは、回転によって引き起こされる変位に対応し、直交運動と関連付けられる誤差を低減するために、適切な周波数および位相のキャリアを変調した後、同相および直交成分を振動質量部に与える閉ループ制御システムを使用する。これを達成するために、ＭＥＭＳジャイロスコープは、レート・フィードバック・ループおよび直交フィードバックループの両方を使用し、レート・フィードバック・ループは同相またはレート情報を振動質量部に与えるのに使用され、直交フィードバックループは直交情報を振動質量部に与えるのに使用される。本明細書に記載の実施形態に応じて、これらの同じフィードバックループがＭＥＭＳジャイロスコープのモニタリングに使用される。具体的には、テスト信号生成器は、テスト信号を生成し、当該テスト信号をレート・フィードバック・ループに印加するように構成されている。同様に、テスト信号検出器は、ＭＥＭＳジャイロスコープの直交フィードバックループに結合されており、直交フィードバックループから直交出力信号を受信するように構成されている。テスト信号検出器は、直交フィードバックループ内のテスト信号の効果を検出するために直交出力信号を復調する。
【００１６】
ここで図１を参照すると、自己モニタリングを有するＭＥＭＳジャイロスコープ１１０を含むセンシングデバイス１００の簡略概略図が示されている。一実施形態において、ＭＥＭＳジャイロスコープ１１０は、測定された回転速度に比例する出力を生成するレートジャイロスコープを含む。しかしながら、他の実施形態において、ＭＥＭＳジャイロスコープ１１０は全角度ジャイロスコープを含み得る。ＭＥＭＳジャイロスコープ１１０はレート・フィードバック・ループ１１２および直交フィードバックループ１１４に結合されている。この単純化された例において、レート・フィードバック・ループ１１２は、レート復調ブロック１１６と、混合器１１８とを含み、直交フィードバックループ１１４は、直交復調ブロック１２０と、混合器１２１とを含む。レート復調ブロック１１６は信号処理１２２から出力を受信し、レート出力信号を生成するために信号を復調する。レート出力信号は、混合器１１８においてレートキャリアを変調し、結果として生じるレートフィードバック信号がＭＥＭＳジャイロスコープ１１０にフィードバックされる。同様に、直交復調ブロック１２０は信号処理１２２から出力を受信し、直交出力信号を生成するために信号を復調する。直交出力信号は混合器１２１において直交キャリアを変調し、結果として生じる直交フィードバック信号がＭＥＭＳジャイロスコープ１１０にフィードバックされる。ここでも、図１は概念図であり、従って一般的な実施多様のすべての要素を示していない。たとえば、一般的な実施態様は、フィードバックループに各々の中に追加の信号処理要素を含む。
【００１７】
混合器１１８の出力におけるレートフィードバック信号は、振動質量部の運動速度と同相である成分を有し、一方で、混合器１２１の出力における直交フィードバック信号は、振動質量部の位置または変位と同相である成分を有する。直交フィードバックループ１１４は、この直交フィードバック信号がＭＥＭＳジャイロスコープ１１０にフィードバックされることを可能にし、当該信号は、振動質量部における直交運動を相殺するのに使用されることができる。
【００１８】
本明細書に記載の実施形態に応じて、テスト信号生成器１２４およびテスト信号検出器１２６が設けられる。テスト信号生成器１２４は、テスト信号を生成し、当該テスト信号をＭＥＭＳジャイロスコープ１１０のレート・フィードバック・ループ１１２に印加するように構成されている。特に、テスト信号生成器１２４は、テスト信号によって直交位相キャリアを変調するために混合器１１８を使用し、レート出力信号によって変調された同相キャリアにその結果を加えることによって、テスト信号を印加する。テスト信号検出器１２６は、ＭＥＭＳジャイロスコープ１１０の直交フィードバックループ１１４に結合されており、直交フィードバックループ１１４から直交出力信号を受信するように構成されている。テスト信号検出器１２６は、直交出力内のテスト信号の効果を検出するために直交出力信号を復調する。最後に、テスト信号検出器１２６は、テスト信号の検出された効果に少なくとも部分的に基づいてセンシングデバイスの動作を示すモニタ出力を生成するように構成されている。
【００１９】
モニタ出力は、システムの動作の指示を提供し、従って、ＭＥＭＳジャイロスコープが適切に機能しており、良好なデータを提供していることを検証する自己モニタリングを提供する。さらに、テスト信号はレート・フィードバック・ループ１１２内に注入され、その後ＭＥＭＳジャイロスコープ１１０にフィードバックされ、その後最終的に直交フィードバックループ１１４から検出されるため、この自己モニタリングは事実上システム全体をカバーすることができる健全性の指示を提供する。特に、モニタリングは、ＭＥＭＳジャイロスコープ１１０、信号処理１２２、フィードバックループ１１２および１１４、ならびに復調ブロック１１６および１２０の健全性および動作の指示を提供することができる。さらに、通常動作中テスト信号はレート・フィードバック・ループ１１２内に注入され、直交フィードバックループ１１４内で検出されるため、このモニタリングはＭＥＭＳジャイロスコープ１１０および関連構成要素の動作に対する継続的なチェックを提供することができる。このように、システムは、ＭＥＭＳジャイロスコープ１１０の動作を妨げることなく、ＭＥＭＳジャイロスコープ１１０の動作の継続的なモニタリングを提供することが可能である。
【００２０】
概して、テスト信号生成器１２４は、ＭＥＭＳジャイロスコープ１１０の通常動作を妨げることなく、レート・フィードバック・ループに注入されることができるテスト信号を生成するように構成されている。さらに、自然発生的な妨害要因によって模倣されることに相対的に影響されないテスト信号を使用することが望ましい。この理由から、テスト信号生成器は、変調テスト信号を生成するように構成されることができる。１つの具体例において、テスト信号生成器１２４は、変調技法を使用してテスト信号として使用するための方形波を生成する。
【００２１】
さらに、テスト信号生成器１２４は、レートフィードバック信号上のキャリアに対して直交位相にあるキャリアを有するテスト信号を生成するように構成されることができる。この場合、テスト信号は、レート・フィードバック・ループに注入されながら、直交フィードバック信号と同相であるように生成される。テスト信号を直交位相において注入することによって、処理されたテスト信号が直交ループの出力に現れ、一方で直交フィードバックループは注入されたテストトーンを相殺するための信号を生成する。このように、レートおよび直交電極の両方がモニタリングされ、テスト信号がレート出力信号を破損することはない。
【００２２】
１つのさらなる変形形態において、テスト信号生成器１２４は、テスト信号の振幅を制御するように構成されている。たとえば、テスト信号生成器１２４は、テスト信号の振幅を変調するようにさらに構成されることができる。下記により詳細に説明するように、テスト信号検出器１２６は、直交出力信号から復調されたテスト信号の振幅を検出するように構成されることができる。これから、ＭＥＭＳジャイロスコープ１１０の駆動振幅を求めることができる。具体的には、この実施形態の一般的な実施態様において、レートフィードバックの直交位相キャリアは固定振幅を有し、一方で直交フィードバックの直交位相キャリアは、駆動振幅に応じた振幅を有する。それゆえ、注入されたテスト信号を相殺するための直交フィードバックループによって生成される信号の振幅は、駆動振幅が低い場合にはより大きく、駆動振幅が高い場合にはより低い。従って、直交出力信号から復調されたテスト信号の振幅を検出することによって、駆動振幅を求めることができる。
【００２３】
ここで図２を参照すると、自己モニタリングを有するＭＥＭＳジャイロスコープ２１０を含むセンシングデバイス２００の概略図が示されている。ＭＥＭＳジャイロスコープ２１０はレート・フィードバック・ループ２１２および直交フィードバックループ２１４に結合されている。この例において、レート・フィードバック・ループ２１２は、レート復調器２２０と、レート復調器フィルタ２２２と、レート制御ブロック２２４と、混合器２２６と、加算器２２８と、増幅器２２９とを含む。直交フィードバックループ２１４は同様に、直交復調器２３０と、直交復調器フィルタ２３２と、直交制御ブロック２３４と、混合器２３６と、増幅器２３９とを含む。両方のフィードバックループに、キャパシタンス−電圧（Ｃ／Ｖ）変換器２４０、増幅器２４２およびバンドパスフィルタ２４４も含まれている。センシングデバイス２００の動作中、ＭＥＭＳジャイロスコープ２１０内の質量部が振動するように駆動され、振動平面が回転すると、コリオリの力によって、振動質量部が、回転速度に比例する量だけ振動平面から変位させられる。この変位がキャパシタンスの変化を引き起こし、これはＣ／Ｖ変換器２４０によって、振動質量部と同じ共振周波数で振動する電気信号に変換される。この電気信号の同相成分は回転速度に比例し、ここでも一般的にレート信号またはレート成分と称される。この電気信号の直交成分は直交運動に比例し、ここでも一般的に直交成分または直交信号と称される。
【００２４】
同相および直交成分の両方を含むこの電気信号は、増幅器２４２によって増幅されてバンドパスフィルタ２４４によってフィルタリングされる。結果生じる信号はレート・フィードバック・ループ２１２および直交フィードバックループ２１４に渡される。レート・フィードバック・ループ２１２において、レート復調器２２０は信号を復調してレート成分を抽出し、これはその後レート復調フィルタ２２２およびレート制御ブロック２２４に渡される。復調フィルタ２２２は復調器（一般的にローパスフィルタとして動作する）によって生成された無関係な成分を除去し、レート制御ブロック２２４は所望の制御法則、たとえば、ＰＩＤコントローラを実装する。この結果として、レート出力信号が生成される。ここでも、このレート出力信号はＭＥＭＳジャイロスコープ２１０内の振動質量部によって測定されるものとしての回転速度に比例し、ジャイロスコープの出力を生成するのに使用することができる。
【００２５】
回転の測度を提供するのに加えて、レート出力信号は、混合器２２６を使用して同相キャリアを変調し、加算器２２８を使用してテスト信号と加算され、増幅器２２９によって増幅され、レートフィードバック信号としてＭＥＭＳジャイロスコープ２１０にフィードバックされる。なお、増幅器２２９の出力は、レート情報およびテスト信号の両方を含む。レート情報をセンサに適切な位相でフィードバックすることによって、ＭＥＭＳジャイロスコープの同相運動が理想的に相殺される。さらに、増幅器２２９の出力におけるテスト信号の位相は直交位相にある（レート情報から９０度オフセットされている）ため、直交ループ２１４は結果生じるＭＥＭＳジャイロスコープの直交位相運動を相殺するように補償する。
【００２６】
直交フィードバックループ２１４において、直交復調器２３０は信号を復調して直交成分を抽出し、これはその後、復調フィルタ２３２および直交制御ブロック２３４に渡される。直交復調フィルタ２３２は復調器（一般的にローパスフィルタとして動作する）によって生成された無関係な成分を除去し、直交制御ブロック２３４は所望の制御法則、たとえば、ＰＩＤコントローラを実装する。この結果として、直交出力信号が生成される。この直交出力信号は、混合器２３６を使用して直交位相キャリアを変調し、増幅器２３９によって増幅され、直交フィードバック信号としてＭＥＭＳジャイロスコープ２１０にフィードバックされ、直交フィードバック信号はＭＥＭＳジャイロの自然直交運動およびテスト信号注入の結果として生じる直交運動を相殺するのに使用される。
【００２７】
この実施形態に対する一変形形態において、変調が機械的領域において実行される場合、システムは混合器２３６なしに実装され、振動質量部が直交位相キャリアである。
【００２８】
本明細書に記載の実施形態に応じて、センシングデバイス２００は、テスト信号生成器２５０およびテスト信号検出器２６０をも含む。テスト信号生成器２５０は、テスト信号を生成し、当該テスト信号をレート・フィードバック・ループ２１２に印加するように構成されている。特に、テスト信号は、混合器２５２を使用して直交位相キャリアを変調し、加算器２２８を用いてレート成分と加算され、増幅器２３９によって増幅され、ＭＥＭＳジャイロスコープ２１０にフィードバックされる。下記により詳細に説明するように、混合器２５２によって出力される変調テスト信号は、好ましくは直交成分と同相であるように構成され、従って、同相レート成分と干渉せず、直交フィードバックループ２１４において検出されることができる。
【００２９】
具体的には、テスト信号がＭＥＭＳジャイロスコープ２１０にフィードバックされる効果は振動質量部において現れ、当該信号は対応するキャパシタンスの変化を生成し、これはＣ／Ｖ変換器２４０によって変換される。テスト信号は直交成分と同相であるため、テスト信号の効果は直交フィードバックループ２１４を通過して直交出力において現れる。直交出力はテスト信号検出器２６０に渡される。テスト信号検出器２６０は、出力信号内のテスト信号の効果を検出するために直交出力を復調する。最後に、テスト信号検出器２６０は、テスト信号の検出された効果に少なくとも部分的に基づいてセンシングデバイスの動作を示すモニタ出力を生成するように構成されている。
【００３０】
モニタ出力は、システムの動作の指示を提供し、従って、ＭＥＭＳジャイロスコープ２１０が適切に機能しており、良好なデータを提供していることを検証する自己モニタリングを提供する。さらに、テスト信号はレート側に注入され、その後最終的に直交側から検出されるため、この自己モニタリングは事実上センシングシステム全体をカバーすることができる健全性の指示を提供する。さらに、通常動作中テスト信号はレート・フィードバック・ループ２１２内に注入され、直交フィードバックループ２１４内で検出されるため、このモニタリングはＭＥＭＳジャイロスコープ２１０および関連構成要素の動作に対する継続的なチェックを提供することができる。
【００３１】
ここで図３を参照すると、例示的なテスト信号生成器３００が示されている。概して、テスト信号生成器３００は、ＭＥＭＳジャイロスコープの通常動作を妨げることなく、レート・フィードバック・ループに注入されることができるテスト信号を生成するように構成されている。さらに、この実施形態において、テスト信号生成器３００は、直交出力信号からテスト信号を復調するのに使用することができる復調信号を生成するようにも構成されている。この実施形態において、生成される復調信号は、テスト信号に機能的に等価であるが、独立して生成される。復調信号はテスト信号に等価であるため、復調信号は、直交出力信号を復調し、テスト信号を検出するのに使用することができる。
【００３２】
図３の実施形態において、テスト信号生成器は、第１のクロック３０２と、第２のクロック３０４と、分割器３０６、３０８、３１０、および３１２と、混合器３１４、３１６および３１８と、制御可能オフセット電圧３２０とを含む。概して、クロック３０２は、分割器３０６および３０８に入力を提供し、当該分割器は、クロック信号をそれぞれＭおよびＮで分割し、結果としての分割クロック信号は混合器３１４によってともに排他的論理和をとられる。同様に、クロック３０４は、分割器３１０および３１２に入力を提供し、当該分割器は、クロック信号をそれぞれＭおよびＮで分割し、結果としての分割クロック信号は混合器３１８によってともに排他的論理和をとられる。各場合において、結果は、自然発生する妨害要因によって模倣される可能性が高くない変調方形波である。また、テスト信号および復調信号の両方を生成するのに同じ手順が使用されるため、復調信号は、直交出力信号からテスト信号を復調するのに使用することができる。
【００３３】
制御可能オフセット電圧３２０および混合器３１６は、テスト信号の振幅の制御を容易にするために設けられる。下記により詳細に説明するように、テスト信号検出器は、直交出力信号から復調されたテスト信号の振幅を測定するように構成されることができる。これから、ＭＥＭＳジャイロスコープ１１０の駆動振幅の性能を求めることができる。
【００３４】
上述のように、テスト信号生成器３００は、直交出力信号からテスト信号を復調するのに使用することができる復調信号を生成するようにも構成されている。示されている実施形態において、復調信号は、テスト信号から独立して生成される。これによって、テストシステムにおいて検出不能な故障の可能性が低減する。具体的には、テスト信号と復調信号とが独立して生成されるため、それらが両方とも同時に失敗する可能性は高くない。これによって、テスト信号生成器がテスト信号を生成できないことが、システムが適切に動作していることの証拠として解釈される可能性が低減する。
【００３５】
最後に、テスト信号生成器３００は使用することができるタイプのテスト信号生成器の一例にすぎないことに留意されたい。別の例として、一定の周波数を有する振幅変調方形波を提供するのに方形波クロックおよびＤＣ信号を使用することができる。そのような相対的に単純な振幅変調方形波はテスト信号として使用することができ、干渉が問題となる可能性は高くなく、従って、図３の２つの分割器を使用して生成されるような変調方形波の必要性は必要とされない。
【００３６】
ここで図４を参照すると、例示的なテスト信号検出器４００が示されている。概して、テスト信号検出器４００は、直交出力信号内のテスト信号の効果を検出するために直交出力を復調するように構成されている。さらに、テスト信号検出器４００は、テスト信号の検出された効果に少なくとも部分的に基づいてセンシングデバイスの動作を示すモニタ出力を生成するように構成されている。この場合、復調直交出力が指定閾値よりも大きいか否かを継続的に評価して、その後この比較結果をアキュムレータを用いてフィルタリングすることによってこれが行われる。テスト信号検出器４００は、アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）４０２と、バンドパスフィルタ４０４と、制御可能遅延４０６と、混合器４０８と、ＬＰＦ／ノッチフィルタ４１０と、比較器４１２と、アキュムレータ４１４とを含む。ＡＤＣ４０２は、直交フィードバックループから直交出力信号を受信し、それをデジタル信号に変換する。バンドパスフィルタ４０４は、変換された信号を復調のために適切に調整するために、この信号をフィルタリングする。制御可能遅延４０６は、テスト信号生成器から復調信号を受信し、テスト信号によって取られる経路において発生する遅延に等しくなるように、信号を制御可能な量だけ遅延させる。従って、この制御可能遅延は、復調信号が、混合器４０８によって、変換された直交出力信号を復調し、存在し得る一切のテスト信号を抽出するために使用されることを可能にする。
【００３７】
混合器４０８の前に存在するテスト信号は、上記混合器および復調プロセスによって周波数においてＤＣに変換され、ＬＰＦ／ノッチフィルタ４１０に渡され、当該フィルタは、テスト信号周波数外の一切の信号を除去するためにテスト信号をフィルタリングする。具体的には、ＬＰＦ／ノッチフィルタ４１０は、混合器４０８によってより高い周波数に変換されている、概して大きい自然発生的な直交成分を除去する。直交出力信号内にあった一切のテスト信号が抽出されることによって、比較器４１２は、残りの信号を閾値と比較して、テスト信号が存在するか否かを判定する。この比較の結果を示す出力がアキュムレータ４１４に提供される。アキュムレータはこれらの出力を記録し、ＭＥＭＳジャイロスコープの動作を示すモニタ出力を提供する。
【００３８】
一例として、比較器４１２およびアキュムレータ４１４は、比較器が所定のサイクル数にわたってテスト信号を感知することができなかったときにジャイロスコープの故障の指示を提供するようにのみ構成されることができる。たとえば、比較器４１２は、テスト信号の効果が適切に検出されなかったときに出力パルスを生成するように実装されることができる。そのとき、アキュムレータ５１４は、これらのパルスをカウントし、パルスの累積数が第２の閾値に達したときにのみ故障の指示を提供するように実装されることができる。これによって、モニタ出力が、テスト信号が存在しなかったという断続的でしかない指示に対してセンサ故障の指示を生成することが防止され、従って、モニタリングが、ジャイロスコープが故障したと不適切に識別することが防止される。
【００３９】
無論、テスト信号検出器４００は直交出力信号内のテスト信号を検出するのに使用することができるタイプのデバイスの一例に過ぎず、他の検出デバイスも使用され得る。たとえば、テスト信号の効果を検出するのに加えて、テスト信号検出器は、直交出力信号から復調されたテスト信号の振幅を検出するように構成されることができる。これから、ＭＥＭＳジャイロスコープ１１０の駆動振幅の性能を求めることができる。具体的な一例として、テスト信号は、ベースバンドＤＣ信号に復調されることができ、「漏れのある」積分器を用いてＤＣ信号が取得され、取得された信号の振幅が比較器を用いて求められる。この実施形態において、比較器は、より高い精度が必要とされる場合、複数の閾値を含み得る（マルチビット比較器）。そのような実施態様において、比較器によって提供される振幅の測度が、システムがどのように動作しているかを示す。従って、この出力は駆動振幅のようなパラメータがシフトしているか否かを判定するのに使用されることができる。
【００４０】
このように、本明細書に記載のさまざまな実施形態は、センシングデバイスの動作をモニタリングするための、特にＭＥＭＳジャイロスコープの動作をモニタリングするためのシステムおよび方法を提供する。これらの実施形態において、テスト信号生成器は、テスト信号を生成し、当該テスト信号をＭＥＭＳジャイロスコープのレート・フィードバック・ループに印加するように構成されている。テスト信号検出器は、ＭＥＭＳジャイロスコープの直交フィードバックループに結合されており、直交フィードバックループから直交出力信号を受信するように構成されている。テスト信号検出器は、テスト信号の効果を検出するために直交出力信号を復調する。最後に、テスト信号検出器は、直交出力信号におけるテスト信号の検出された効果に少なくとも部分的に基づいてセンシングデバイスの動作を示すモニタ出力を生成するように構成されている。このように、システムは、ＭＥＭＳジャイロスコープの動作の継続的なモニタリングを提供することが可能である。
【００４１】
一実施形態において、センシングデバイスの動作をモニタリングするためのシステムが提供され、センシングデバイスは、微小電気機械（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープと、ＭＥＭＳジャイロスコープに結合されているレート・フィードバック・ループと、ＭＥＭＳジャイロスコープに結合されている直交フィードバックループとを含み、システムは、テスト信号生成器であって、当該テスト信号生成器は、テスト信号を生成し、当該テスト信号をＭＥＭＳジャイロスコープの動作中にレート・フィードバック・ループに印加するように構成されている、テスト信号生成器と、テスト信号検出器であって、当該テスト信号検出器は直交フィードバックループに結合されており、直交フィードバックループから直交出力信号を受信し、テスト信号の効果を検出するように構成されており、当該テスト信号検出器はテスト信号の検出された効果に少なくとも部分的に基づいてセンシングデバイスの動作を示すモニタ出力を生成するようにさらに構成されている、テスト信号検出器とを備える。
【００４２】
別の実施形態において、センシングデバイスが提供され、センシングデバイスは、微小電気機械（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープと、ＭＥＭＳジャイロスコープに結合されているレート・フィードバック・ループであって、当該レート・フィードバック・ループはレート出力信号を生成し、レートフィードバック信号をＭＥＭＳジャイロスコープにフィードバックする、レート・フィードバック・ループと、ＭＥＭＳジャイロスコープに結合されている直交フィードバックループであって、当該直交フィードバックループは直交出力信号を生成し、直交フィードバック信号をＭＥＭＳジャイロスコープにフィードバックする、直交フィードバックループと、テスト信号生成器であって、当該テスト信号生成器はテスト信号および復調信号を生成するように構成されており、テスト信号はレートフィードバック信号のキャリアの位相に対して直交位相にあるキャリアを有して生成され、当該テスト信号生成器はセンシングデバイスの動作中にテスト信号をレート・フィードバック・ループに印加するように構成されている、テスト信号生成器と、テスト信号検出器であって、当該テスト信号検出器は、直交フィードバックループから直交出力信号を受信し、テスト信号の効果を検出するために復調信号を使用して直交出力信号を復調するように構成されており、当該テスト信号検出器は、テスト信号の検出された効果に少なくとも部分的に基づいてセンシングデバイスの動作を示すモニタ出力を生成するようにさらに構成されている、テスト信号検出器とを備える。
【００４３】
別の実施形態において、センシングデバイスの動作をモニタリングする方法が提供され、センシングデバイスは、微小電気機械（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープと、ＭＥＭＳジャイロスコープに結合されているレート・フィードバック・ループと、ＭＥＭＳジャイロスコープに結合されている直交フィードバックループとを含み、方法は、テスト信号を生成するステップと、テスト信号をＭＥＭＳジャイロスコープの動作中にレート・フィードバック・ループに印加するステップと、直交フィードバックループから直交出力信号を受信するステップと、直交出力信号内のテスト信号の効果を検出するステップと、テスト信号の検出された効果に少なくとも部分的に基づいてセンシングデバイスの動作を示すモニタ出力を生成するステップとを備える。
【００４４】
本発明の好ましい実施形態が詳細に例示および記載されてきたが、本発明の精神または添付の特許請求項の範囲から逸脱することなく、そこにさまざまな改変を行うことができることが当業者には容易に明らかとなろう。従って、例示的な実施形態は例に過ぎず、本発明の範囲、適用性または構成を限定することは意図されていないことが理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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