(57)【要約】アンテナネットワークにより制御電圧（ＶTx,ＶTy）に対して電子調整変換を行うことにより電子整列を有し、それによって出力（Ｖｔｈx,Ｖｔｈy）から第１および第２高調波信号を消去するマイクロジャイロスコープである。マイクロジャイロスコープはジャイロスコープの変化を補正するために与えられた直角位相エラーに基づいて自動電子補償により同調される。
2005527783.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械的なｘ軸とｙ軸とを有する共振器を具備しているマイクロジャイロスコープにおいて、
中心ハブを中心にして間隔を隔てられ、電気出力を有する複数の電極を具備し、前記機械的なｘ軸の１つの側の少なくとも２つの電極は駆動電極であり、前記機械的なｘ軸の他方の側の少なくとも２つの電極は感知電極であり、前記共振器は前記複数の電極の上方にそれから隔てられて位置され、それによって前記共振器の運動は前記駆動電極により誘起され、前記感知電極により感知され、
さらに、前記電極の前記電気出力を前記機械的な軸に整列させ、第１高調波信号を除去するためにマイクロジャイロスコープの制御および感知電圧を電子的に変換する制御回路を具備しているマイクロジャイロスコープ。
【請求項２】
前記制御回路はさらに、予め定められた周波数の第１高調波を除去するように調節可能な減衰器のネットワークを具備している請求項１記載のマイクロジャイロスコープ。
【請求項３】
さらに、前記駆動信号について少なくとも１つの減衰器と、前記感知信号について少なくとも１つの減衰器とを具備している請求項２記載のマイクロジャイロスコープ。
【請求項４】
さらに、駆動信号の第２高調波を消去する少なくとも１つの減衰器を具備している請求項２記載のマイクロジャイロスコープ。
【請求項５】
さらに、前記マイクロジャイロスコープで２つの直交するロッキングモードを同調し、自動利得制御ループを有する制御回路を具備している請求項１記載のマイクロジャイロスコープ。
【請求項６】
前記制御回路はさらに、前記制御回路中の直角位相を除去するため前記自動利得制御ループの位相を調節する直角位相補償装置を具備している請求項５記載のマイクロジャイロスコープ。
【請求項７】
減衰器のネットワークを有するマイクロジャイロスコープを電子的に整列する方法において、
機械的駆動軸および機械的感知軸と整列された駆動および感知モードの自然周波数ωｘとωｙを決定し、
全ての減衰器を公称値に設定し、
マイクロジャイロスコープ制御回路中の全ての和および差関数がωｘとωｙで重大な位相シフトをもたないことを確認し、
減衰器の前記ネットワークで予め定められた減衰器を調節することにより前記駆動電極の電気出力を整列させ、
減衰器の前記ネットワークで予め定められた減衰器を調節することにより前記感知電極の電気出力を整列させるステップを含んでいる方法。
【請求項８】
前記駆動電極の電気出力を整列する前記ステップはさらに、
周波数ωｙの正弦波電圧で第１の駆動電極を励起し、
感知信号の第１高調波成分が最小になるまで前記予め定められた減衰器を調節し、
周波数ωｘの正弦波電圧により第２の駆動電極を励起し、
第２の感知信号の第１高調波成分が最小になるまで前記予め定められた減衰器を調節するステップを含んでいる請求項７記載のマイクロジャイロスコープ。
【請求項９】
第１および第２の駆動電極を励起し、減衰器を調節する前記ステップは整列を向上させるために反復される請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記感知電極を整列する前記ステップはさらに、
周波数ωｘの正弦波電圧により第１の駆動電極を励起し、
感知信号の第１高調波成分が最小になるまで前記予め定められた減衰器を調節し、
周波数ωｙの正弦波電圧により第２の駆動電極を励起し、
第２の感知信号の第１高調波成分が最小になるまで前記予め定められた減衰器を調節するステップを含んでいる請求項８記載の方法。
【請求項１１】
第１および第２の駆動電極を励起し、前記予め決定された減衰器を調節する前記ステップは整列を向上させるために反復される請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
さらに、前記第１の感知電極の第２高調波成分を電子的に消去するステップを含んでいる請求項７記載の方法。
【請求項１３】
第２高調波成分を電子的に消去する前記ステップはさらに、
駆動信号を二乗し、
前記感知された信号から前記二乗にされた信号の部分を差し引くステップを含んでいる請求項１２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ機械加工された電子機械システムに関し、特に電子的な同調と整列を有するＭＥＭＳ振動性ジャイロスコープに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロジャイロスコープは、宇宙および地上応用の両者における通信、制御、ナビゲーションシステムを含む多数の応用で使用されているがそれに限定されない。これらの非常に特別化された応用は高い性能と価格が効率的なマイクロジャイロスコープを必要とする。
【０００３】
これらはマイクロ宇宙船応用用に設計されているマイクロ機械加工された電子機械的振動性ジャイロスコープが技術で知られている。ジャイロスコープは1996年６月にサウスカロナイナ州ヒルトンヘッドのSolid State Sensors and Actuator Workshopで与えられた技術文献（“Silicon Bulk Micro-machined Vibratory Gyroscope”）および米国特許第5,894,090号明細書で説明され記載されている。
【０００４】
典型的なジャイロスコープは単一結晶のシリコンから製造され、リム、４つのシリコンリーフ、４つのソフトな支持体、またはカンチレバーからなる“クローバーリーフ”構造を有する共振器を有している。４つの支持体は機械的支持と、構造の高調波動作のための復元力を与える。金属のバトンはシリコンリーフの平面に垂直な平面において共振器の中心と、シリコンリーフから隔てられた水晶ベースプレートに剛性で取付けられている。水晶ベースプレートはシリコンリーフのクローバーリーフパターンに一致する電極のパターンを有する。電極は２つの駆動電極と２つの感知電極を含んでいる。
【０００５】
マイクロジャイロスコープは静電的に付勢され、感知電極は容量的にシリコンリーフのコリオリの誘起動作を検出する。マイクロジャイロスコープは金属ポストの大きい質量とソフトなカンチレバーのために低い共振周波数を有する。ジャイロスコープの応答は共振周波数に反比例する。それ故、低い共振周波数は装置の応答性を増加する。
【０００６】
クローバーリーフは静電駆動と容量感知のために大きい領域を与える。ＡＣ電圧を駆動電極に関連されるキャパシタに与えることにより共振器が励振される。これは駆動軸を中心にして回転θｘを励起し、リーフに対してロッキング状の変位θｙを励起する。
【０００７】
ポストは剛性構造でリーフに取付けられるので、リーフのロックキング運動はバトンの運動に変換される。リーフが駆動モードで振動するとき、ポストの変位はｙ方向でリーフ表面にほぼ平行である。回転率がｚ軸を中心にして与えられるとき、コリオリ力は振動ポスト上に作用し、ｘ方向で変位を生じる。バトンの変位はリーフのロッキング運動θｙに変換して戻される。バトンは２つの直交するロッキングモード間でエネルギを転送する大きいコリオリ結合を行う。
【０００８】
マイクロジャイロスコープに関連する制御電子装置は基本的に、駆動共振モードに固定されたマイクロジャイロスコープ周辺の発振器である付勢回路を含んでいる。感知電極からの信号はそれらの間の差動信号と感知共振の応答をフィードバックループから除去するために合計される。他方で、感知回路は共通のモード駆動信号を除去するために感知電極から信号を排除する。
【０００９】
マイクロジャイロスコープはドリフトおよびスケール係数の安定性に関して性能を劣化する電気干渉を受ける。マイクロジャイロスコープはしばしば、簡単な電子回路を可能にするために同じ周波数で駆動および感知信号を動作する。しかしながら、両機能に対して共通の周波数を使用すると、比較的強力な駆動信号が比較的弱い感知信号へ不注意に電気的に結合することを可能にする。
【００１０】
典型的に、従来技術のマイクロジャイロスコープは開ループであり同調されていない。駆動周波数が高いＱの感知軸共振に近く同調されるならば、大きい機械的利得と、センサ雑音に対する低い感度が可能である。高いＱは低いレートのドリフトも生じる。
【００１１】
しかしながら、近い同調は開ループ応答の利得および位相における大きい不確実性につながる。位相変化は直角位相信号のピックアップのためにドリフトエラーのレートを付加し、利得変化はレートスケール係数エラーにつながる。近い同調方法における開ループマイクロジャイロスコープの動作は機械的位相シフトのためにスケール係数エラーとレートエラーを高くし、敏感な軽く制動された共振についての応答を遅くする。さらに、開ループマイクロジャイロスコープの応答時間は感知共振の制動時定数Ｑに比例する。レートドリフトを減少するため、非常に長い自然制動時定数が必要とされ、応答時間を遅くする。
【００１２】
駆動周波数が高いＱ感知軸共振に近く同調されるならば、多数の再平衡ループで複雑な復調器と変調器を含む圧力―再平衡方法が必要である。変調器および復調器は駆動周波数を変調する信号だけに対してコヒーレントなフィードバックを与え、それ故独立した感知共振振動のアクチブな制動を与えない。これらの振動は駆動周波数に正確に一致しないならば、アクチブな制動は行われず、誤ったレート信号または雑音を生じる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
電子回路の雑音およびドリフトはマイクロジャイロスコープ性能を限定する。それ故、従来技術のマイクロジャイロスコープは不適切に実行し、感度の高い宇宙応用では信頼性がない。従来の開ループ動作は２つのロッキングモード周波数間で意図的に分割される。それ故、ロッキングモード軸はばね軸と電極感知および制御軸と整列する傾向がある。
【００１４】
閉ループ制御はロッキングモードの近い同調を可能にする。しかしながら、残留する不平衡はロッキングモード軸の電極軸との不整列を生じる。これは大きい直角位相エラー信号および第２高調波を出力軸センサで発生し、これは与えられることができる増幅量と閉ループ利得を限定する。大きい直角位相エラー信号はまた復調での位相エラーにより誤ったレートの指示を生じる。ばねの不一致による２つのモードに同調がないことは、センサの機械的な利得を減少し、レート雑音を増加する。
【００１５】
本発明の目的は、ロッキングモードのコリオリマイクロジャイロスコープの整列および同調を改良することである。本発明の別の目的は電子調節により感知および制御軸を電子的に整列することである。
【００１６】
さらに本発明の目的はＡＧＣループの調節により駆動および感知モード周波数を同調することである。
【００１７】
本発明の他の目的および特徴は添付図面および特許請求の範囲と関連した好ましい実施形態の詳細な説明を考慮して明白になるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明はセンサ軸および制御軸を電子的にモード軸と整列し、ＡＧＣループ位相の調節によって感知モード周波数に駆動周波数を同調する方法である。クローバーリーフマイクロジャイロスコープは典型的に電極に電気的に結合された制御回路を使用する。この回路はリーフ構造を振動するために電極を駆動し、リーフ構造を外部の物理的な現象に対する振動の応答を検出するために感知電極からの感知信号を受信するために駆動信号を提供する。
【００１９】
本発明では、電子調整変換が減衰器ネットワークを使用し、電子的にマイクロジャイロスコープの駆動軸および感知軸を整列して、制御電圧と感知電圧について行われる。
【００２０】
マイクロジャイロスコープは設計の対称と正確な製造のために電子的に同調される。しかしながら僅かな温度または圧力の変化は同調または整列変化とバイアスドリフトにつながる。本発明はこれらの変化を補正するために直角位相エラーに基づいて電子的補償を行う。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明が良好に理解されるように、実施例により与えられたその実施形態を添付図面を参照にして説明する。  
通常、振動性マイクロジャイロスコープは入力または駆動モードで振動するように最初に駆動される回転感知機械エレメントを有する。回転下では、コリオリ加速は入力モードから典型的に出力または感知モードと呼ばれる第２の振動モードへエネルギ転送を誘起し、感知エレメントを励起させる。最適の性能は振動モード、駆動および感知モードが同一の周波数と高品質またはＱ係数を有するときに実現される。コリオリの加速に対する応答はその後、共振のＱ係数により機械的に増幅される。
【００２２】
図１は、４つのリーフ（図示せず）を有するクローバーリーフマイクロジャイロスコープに適用されるときの本発明の電子整列回路10のブロック図である。４つのリーフのマイクロジャイロスコープはここでは例示により説明されているが、別の対称の平面パターンを置換することも可能であることに注意すべきである。例えば６または８のリーフのクローバーリーフが使用されるか別のより複雑なパターンが使用されてもよい。本発明により記載された機能はアナログ電子装置またはデジタル信号プロセッサで実行されてもよいことにも注意すべきである。
【００２３】
図１を参照すると、２つの駆動電極Ｄ１、Ｄ２と２つの感知電極Ｓ１、Ｓ２を含んでいる４つの電極のセットが示されている。電極Ｄ１、Ｄ２とＳ１、Ｓ２はポスト12により相互に接続されているシリコンのクローバーリーフ（図示せず）の下に位置されている。ポスト12は電極Ｄ１、Ｄ２とＳ１、Ｓ２の平面に垂直に位置されている。電極Ｄ１、Ｄ２とＳ１、Ｓ２はクローバーリーフ（図示せず）またはポスト12に電気的に接続されていないことに注意すべきである。
【００２４】
駆動電圧ＶTxは駆動モード周波数ωxの主要な機械的なｘ軸に沿って静電的トルクを適用するために使用される。駆動電圧はＶthxにより容量的に測定された正弦波運動を設定する。ジャイロスコープのレート出力は機械的なｚ軸としても知られている入力軸を中心とする惰性レートと、機械的なｘ軸としても知られている駆動軸を中心とする駆動運動振幅回転とに比例する。結果的なコリオリ力は主要な機械的ｙ軸またはＶthyにより感知される感知軸を中心とする運動を発生する。
【００２５】
駆動電力ＶＴyは駆動モード周波数ωｙの主要な機械的ｙ軸に沿って静電的トルクを供給するために使用される。駆動電圧はＶthｙにより容量的に測定された正弦波運動を設定する。
【００２６】
信号ＶＴｘとＶＴｙは駆動信号をＤ１へ与えるために16で減算される。信号ＶＴｘとＶＴｙは駆動信号をＤ２へ与えるために18で合計される。感知電極Ｓ１はマイクロジャイロスコープの動作を感知し、20で増幅され、22で感知電極Ｓ２からの信号と合計される信号を提供し、感知出力信号Ｖｔｈｘを出力する。感知電極Ｓ２は24で増幅され、26でＳ１からの増幅された感知された信号から差し引かれる信号を感知し、出力信号Ｖｔｈｙを出力する。
【００２７】
マイクロ製造の限定のために、２つの振動性ロッキングモードの主要な機械的軸は電極軸と整列されることができない。したがって電子調整変換が減衰器ネットワーク14を使用して制御電圧ＶＴｘとＶＴｙについて行われる。
【００２８】
減衰器ネットワーク14は図１に示されているように、駆動軸に専用の減衰器ａ11、ａ21、ａ12、ａ22と、感知軸に専用の減衰器ｂ11、ｂ21、ｂ12、ｂ22を有する。駆動軸はＶＴｘに関連する減衰器ａ11、ａ21を含んでいる。減衰器ａ12、ａ22はＶＴｙと関連されている。感知軸はＶｔｈｘに関連するｂ11、ｂ21とＶｔｈｙに関連する減衰器ｂ12、ｂ22を有する。
【００２９】
マイクロジャイロスコープを整列する手順は以下のようになる。最初に、伝達関数は整列前に機械的な駆動軸（ｘ軸）と整列する駆動モードωxの自然周波数と、機械的な感知軸（ｙ軸）と整列する感知モードωｙの自然周波数を決定するために使用される。全ての整列係数、即ち減衰器は公称値、即ちａii＝ｂii＝１に設定される。乗算器e２はゼロに設定される。全ての和と差の関数はωｘとωｙで大きな位相シフトをもたないよう確認されるべきである。
【００３０】
駆動軸整列は周波数ωｘで正弦波電圧によりＶTxを励起し、ωｙのＶｔｈｙの第１高調波成分が最小になるまで、ａ11またはａ12を１から下降させて調節することにより実現される。ＶＴｙはその後、周波数ωｘで正弦波電圧により励起され、Ｖｔｈｘの第１高調波成分がωｘで最小になるまで、ａ２1またはａ２2を１から下降させて調節される。
【００３１】
感知軸整列では、ＶTｙは周波数ωｘで正弦波電圧により励起され、Ｖｔｈｙの第１高調波成分がωｙで最小になるまで、ｂ11またはｂ12は１から下降させて調節される。ＶＴｙを周波数ωｙで正弦波電圧により励起し、Ｖｔｈｘの第１高調波成分が最小になるまで、ｂ２1またはｂ２2を１から下降させて調節する。
【００３２】
感知および駆動軸に対するＶTｘとＶTｙの励起ステップは所望ならば改良された整列のために反復されることができる。第２高調波成分はＶｔｈｘで観察され、電子的に消去されることができる。例えば駆動信号Ｖｔｈｘを二乗し、Ｖｔｈｙから二乗された信号の部分e２を差し引くことにより第２高調波成分を消去する。
【００３３】
図２を参照すると、本発明の電子同調回路30のブロック図が示されている。２つの直交するロッキングモードは機械的な設計と対称および正確な製造によって固有に近同調される。しかしながらこの同調は十分に正確ではないことがしばしばである。僅かな温度または圧力の変化がタイミングまたは整列変化とバイアスドリフトにつながる。本発明にしたがって適用された直角位相エラーに基づく自動電子補償はロッキングモードのジャイロスコープのこれらの変化を補正し、雑音およびバイアスドリフトを減少する。
【００３４】
駆動軸は任意の適切な方法で振動に駆動される。本発明の例では、これは自動利得制御（ＡＧＣ）ループ32により実現される。駆動周波数は、ジャイロスコープが効率的に同調されるまで、即ち感知軸の運動が固定された入力レートで駆動軸運動と同位相になるまで調節される。駆動周波数はＡＧＣループ32内で電子位相シフトΔψの調節により調節される。
【００３５】
感知軸（ｙ軸）信号34（４つのリーフのクローバーリーフのＳ１−Ｓ２）は基準値として駆動軸運動信号38（Ｓ１＋Ｓ２）を使用して36で復調される。この同位相信号は高調波を除去するため40で濾波され、入力レートに比例する。
【００３６】
直角位相補償装置44の出力42は46で濾波され、直角位相出力をゼロにするように実験的に選択された極性および利得により、ＡＧＣループ位相Δψへ自動比例調節を適用するために使用される。出力バイアスドリフトのレートは減少される。
【００３７】
図３のａおよびｂ、図４のａおよびｂは本発明の整列および同調手順を使用した実験結果を示している。直角位相信号は直角位相信号とその積分に比例するフィードバックを使用して多時間にわたってゼロにされた。ジャイロスコープのレート出力（図２の48）の同位相信号100と、直角位相信号102または直角位相出力（図２の44）は１度／秒のステップでそれぞれ図３のａおよびｂで示されている。図３のａのステップでは、図３のｂの直角出力102はジャイロスコープが整列され同調された状態を示している。
【００３８】
同位相信号100と直角位相信号102は図４のａおよびｂで長い静止監視期間において示されている。直角位相信号102はジャイロスコープが整列され同調された状態を示している。
【００３９】
本発明を好ましい実施形態で説明したが、特許請求の範囲を逸脱せずに本発明を偏向することが可能であることに注意すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明にしたがったクローバーリーフマイクロジャイロスコープの電気および機械軸の整列に関連する電子装置のブロック図。
【図２】本発明にしたがったクローバーリーフマイクロジャイロスコープの直角位相補償装置のブロック図。
【図３】本発明の整列および同調電子装置を使用した１度／秒ステップの同位相信号と直角位相信号のグラフ。
【図４】本発明の整列および同調電子装置を使用した静止監視中の同位相信号と直角位相信号のグラフ。
【図１】
2005527783.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2005527783.tif 000007
2005527783.tif 000008