(57)【要約】  コリオリの角速度計の直交バイアスを補償するための方法に関するものであり、このコリオリの角速度計の共振器（１）は、第１および第２の線形発振器（３，４）からなる結合系として構成されており、コリオリの角速度計の直交バイアスが決定される。その後、２つの発振器（３，４）の相互のアライメントを補正するための静電場を生成し、決定された直交バイアスが最小となるように、２つの発振器（３，４）のアライメント／強度を制御する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振器（１）が第１および第２の線形発振器（３，４）からなる結合系として設計されているコリオリの角速度計において直交バイアスを補償する方法であって、
上記第１発振器（３）は、第１バネ素子（５１−５４）によって上記コリオリの角速度計の角速度計フレームに取り付けられており、
上記第２発振器（４）は、第２バネ素子（６１，６２）によって上記第１発振器（３）に取り付けられており、
上記コリオリの角速度計の上記直交バイアスを決定する工程と、
上記２つの発振器（３，４）の相互のアライメントを変更するための静電場を生成し、この静電場は、上記第１バネ素子（５１−５４）のアライメントを変化させる、および／または、上記第２バネ素子（６１，６２）のアライメントを変化させる定荷重（Gleichkraft）を生成するものであり、上記静電場のアライメント／強度を制御して、上記決定される直交バイアスを最小にする工程と、
を含む方法。
【請求項２】
上記静電場により上記第１発振器（３）の位置／アライメントを変更することにより、上記第１バネ素子（５１−５４）のアライメントを変更し、
上記静電場により上記第２発振器（４）の位置／アライメントを変更することにより、上記第２バネ素子（６１，６２）のアライメントを変更することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記電場は、上記第１および第２バネ素子（６１，６２，５１−５４）のアライメントを相互に直交化する請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
第１共振器（１）を有し、上記第１共振器（１）が第１および第２の線形発振器（３，４）からなる結合系として設計されており、上記第１発振器（３）が、第１バネ素子（５１−５４）によって上記コリオリの角速度計の角速度計フレームに取り付けられており、上記第２発振器（４）が、第２バネ素子（６１，６２）によって上記第１発振器（３）に取り付けられているコリオリの角速度計であって、
上記双方の発振器（３，４）のアライメントを相互に変更することのできる静電場（１１１’，１１２’，１０１−１０４）を生成し、この静電場は、上記角速度計フレーム（７３，７４）に対する上記第１バネ素子（５１−５４）のアライメント角度、および／または、上記第１発振器（３）に対する上記第２バネ素子（６１，６２）のアライメント角度を変更する定荷重（Gleichkraft）を生成する装置と、
コリオリの角速度計の直交バイアスを決定するための装置（４５，４７）と、
上記決定された直交バイアスが最小になるように、上記静電場の強度を上記決定された直交バイアスに応じて制御する制御ループ（５５，５６，５７）とを有することを特徴とするコリオリの角速度計。
【請求項５】
上記第２発振器（４）を上記第１発振器（３）に接続している全ての第２バネ素子（６１−６２）は、上記第１発振器（３）から上記第２発振器（４）への力の導入を、原則的に上記第１発振器（３）の一方側から行うことを特徴とする請求項４に記載のコリオリの角速度計。
【請求項６】
上記第１発振器（３）を上記コリオリの角速度計の上記角速度計フレーム（７３，７４）に接続している全ての第１バネ素子（５１−５４）は、一平面に相互に平行に配置されており、
上記第１バネ素子（５１−５４）の上記始点および上記終点は、１つの共通の軸上にそれぞれあることを特徴とする請求項４に記載のコリオリの角速度計。
【請求項７】
第２共振器（７０１，７０２）を特徴とし、
上記第２共振器（７０１，７０２）が、第１および第２線形発振器（３１，３２，４１，４２）からなる結合系としてそれぞれ形成されており、
上記第１共振器（７０１）と上記第２共振器（７０２）とが機械的に／静電的に接続／結合されていることにより、これらの２つの共振器は共通の振動軸（７２）に沿って相互に逆位相に振動可能である請求項４〜６のいずれか１項に記載のコリオリの角速度計（１’）。
【請求項８】
上記第１および第２共振器（７０１，７０２）の構成は、同一であり、
上記共振器（７０１，７１２）は、対称軸（７３）に対して相互に軸対称に配置されており、
上記対称軸は、上記共通の振動軸（７２）に対して垂直であることを特徴とする請求項７に記載のコリオリの角速度計（１’）。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、コリオリの角速度計において直交バイアスを補償するための方法、および、これに適したコリオリの角速度計に関するものである。
【０００２】
コリオリの角速度計（振動ジャイロともいう）は、ナビゲーションを目的としてますます広範囲で使用されている。コリオリの角速度計は、振動する質点系を有している。質点系は、一般的に、最初は相互に独立している、多数の振動モードをそれぞれ有している。コリオリの角速度計を操作するためには、質点系の特定の振動モードを人工的に励起する。このことを、以下の文章では、「励起振動」と呼ぶ。コリオリの角速度計が回転する場合、コリオリの力が生じる。これらのコリオリの力は、質点系の励起振動(以下の文章では「読み取り振動」と呼ぶ)からエネルギーを取り出し、質点系の更なる振動モードへ転送する。コリオリの角速度計の回転を決定するために、読み取り振動をタップオフし、相当する読み取り信号を調べて、コリオリの角速度計の回転の指標を表す読み取り振動の振幅に変化が生じたかどうかを判定する。コリオリの角速度計は、開ループ系としても、閉ループ系としても実現することができる。閉ループ系では、各制御回路を介して、読み取り振動の振幅を、継続的に固定値（好ましくは０）にリセットし、リセット力を測定する。
【０００３】
コリオリの角速度計の質点系（以下の文章では、「共振器」とも呼ぶ）は、この場合、様々な方法で設計されていてもよい。例えば、一体型に形成された質点系を用いることも可能である。あるいは、質点系を、バネ系を介して相互に結合し、相互に相対運動を行える２つの発振器に分割することも可能である。例えば、２つの線形発振器からなる結合系（線形二重発振器系とも呼ばれる）を用いることが知られている。このような結合系を使用する場合は、製造誤差があるので、２つの発振器の相互のアライメントエラーを避けることはできない。双方の発振器の相互のアライメントエラーは、共通の回転速度信号中にゼロエラー成分、いわゆる、「直交バイアス」（より詳しく言えば、直交バイアス成分）を生成する。
【０００４】
本発明の目的は、上記のような直交バイアス成分を補償することのできる方法およびコリオリの角速度計を提供することである。
【０００５】
この目的は、本発明に基づき、特許請求項１に記載の２つの線形発振器を有する共振器のための直交バイアス成分を補償するための方法によって達成される。さらに、本発明は、上記方法に適した特許請求項６に記載のコリオリの角速度計の一形態を提供する。コリオリの角速度計の他の適した形態は、特許請求項１２に記載されている。本発明の構想の有利な形態または発展形態は、従属請求項にそれぞれ記載されている。
【０００６】
本発明の方法の技術的背景をよりよく理解するために、以下で、線形二重発振器系の例を参照してコリオリの角速度計の物理的な原理について短く説明する。
【０００７】
コリオリの力は、
【０００８】
【数１】
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【０００９】
である。
【００１０】
コリオリの力に反応する質量と、振動する質量とが同じであり、発振器が固有周波数ωによって駆動される場合は、
【００１１】
【数２】
2007513344.tif 000004
【００１２】
が当てはまる。
【００１３】
発振器速度には
【００１４】
【数３】
2007513344.tif 000005
【００１５】
が当てはまる。
【００１６】
したがって、発振器加速度およびコリオリ加速度には
【００１７】
【数４】
2007513344.tif 000006
【００１８】
が当てはまる。
【００１９】
２つの加速ベクトルは、空間的に相互に垂直になっており、時間関数において相互に９０度オフセットされている（空間的および時間的な直行性）。
【００２０】
これらの２つの条件を使用して、発振器加速度ベクトルａｓを、コリオリ加速度ベクトルａｃから分離できる。上記加速度振幅ａｃ・ａｓの比率は
ａｃ／ａｓ＝２Ω／ω（５）
となる。
【００２１】
回転速度Ω＝５°／ｈおよび発振器の固有周波数ｆｓ＝１０ＫＨｚに対しては
ａｃ／ａｓ＝７．７・１０−１０（６）
となる。
【００２２】
５°／ｈの精度に対して、第１発振器と第２発振器との望ましくない連結は、７．７・１０−１０以下であるか、または、この値で一定になっている必要がある。バネ素子を介して相互に結合されている２つの線形発振器からなる質点系を使用する場合に、空間的な直交性の精度は、振動モードと測定モードとの間のバネ素子のアライメントエラーにより制限される。達成可能な精度（製造ばらつきにより制限される）は、１０−３〜１０−４である。時間的な直交性の精度は、エレクトロニクスの位相精度により例えば１０ＫＨｚに制限されており、同じく１０−３〜１０−４以下にしか維持され得ない。その結果、加速度比率は、上記定義で規定できなくなる。
【００２３】
現実的には、測定される加速度比率のエラーａｃ／ａｓは、
ａｃ／ａｓ＝１０−６〜１０−８（７）
となる。
【００２４】
空間的なエラーは、時間的なフェーズエラーΔφを用いてバイアスＢが得られる、いわゆる直交バイアスＢＱとなる。
【００２５】
【数５】
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【００２６】
したがって、直交バイアスは測定精度を大幅に制限する。この場合、上記エラーの解析は、振動モードから読み取りモードへの直接の結合のみを考慮するものであることが分かる。例えば他の振動モードとの結合によって生じる他の直交バイアス成分は残ったままである。
【００２７】
直交バイアスを補償するための本発明の方法は、共振器が少なくとも１つの第１線形発振器と少なくとも１つの第２線形発振器とからなる結合系として設計されているコリオリの角速度計において使用されるものであり、
発振器系の直交バイアスを決定する工程と、
２つの発振器の相互のアライメントを変更するための静電場を生成し、上記静電場のアライメント／強度を制御して、上記決定された直交バイアスを最小にする工程とを含んでいる。
【００２８】
この場合に、共振器系の合計の直交バイアスが決定されることが好ましい。このことは、読み出し電極によって生成される読み出し信号を、０°および適切なリセットによって、復調することにより行われることが好ましい。もしくは、双方の線形発振器の相互のエラーアライメントによって引き起こされる直交バイアスの一部のみに目的を絞って決定することができる。「直交バイアス」という概念は、双方の選択肢を含んでいる。
【００２９】
つまり、直交バイアスは、発生場所で排除されていることが好ましい。すなわち、２つの発振器の相互の機械的なアライメントエラーは、１つの発振器または２つの発振器に対して作用し、静電場によって生成される静電力によって補償される。
【００３０】
好ましい一形態では、コリオリの角速度計は、第１バネ素子と第２バネ素子とを備えている。第１発振器は、第１バネ素子によって、コリオリの角速度計の角速度計フレームに接続されている。第２発振器は、第２バネ素子によって、第１発振器に接続されている。この場合、静電場は、第１バネ素子のアライメントの変化、および／または、第２バネ素子のアライメントの変化を引き起こすものである。静電場によって第２発振器の位置／アライメントを変更することにより、第２バネ素子のアライメントを変更することが好ましい。これと同様に、静電場によって第１発振器の位置／アライメントを変更することにより、第１バネ素子のアライメントを変更することが好ましい。この場合、発振器の位置／アライメントが変化することにより、発振器に固定されているバネ素子が湾曲する。これにより、第２バネ素子に対する第１バネ素子のアライメント角度を適切に修正することができる。
【００３１】
特に好ましい一形態では、電場により、第１および第２のバネ素子のアライメント角度が変更され、第１および第２のバネ素子の相互のアライメントが直交化される。このような直交化が行われていれば、アライメントエラーによって生じる直交バイアス（成分）は補償されている。直交バイアスに対してさらに働きかける場合は、エラー角度が直交化されるように調整し、合計の直交バイアスがなくなるようにする。第１発振器に対する第２バネ素子のアライメント角度は、静電場によって変更され、コリオリの角速度計の角速度計フレームに対する第１バネ素子のアライメント角度は、変更されないことが好ましい。しかしながら、静電場によって、第１バネ素子のアライメント角度だけを変更することができ、または、第１バネ素子と第２バネ素子との双方のアライメント角度を変更することができる。
【００３２】
さらに、本発明の方法は、共振器が少なくとも１つの第１線形発振器と少なくとも１つの第２線形発振器
とからなる結合系として設計されており、
双方の発振器の相互のアライメントを変更することのできる静電場を生成するための装置と、
双方の発振器の相互のエラーアライメントおよび他の結合メカニズムによって引き起こされる直交バイアスを決定するための装置と、
上記決定された直交バイアスが最小になるように、上記静電場の強度を上記決定された直交バイアスに応じて制御する制御ループと、を備えるコリオリの角速度計を提供する。
【００３３】
上記共振器が、第１線形発振器と第２線形発振器とで構成されている場合は、コリオリの角速度計は、第１バネ素子と第２バネ素子とを備えていることが好ましい。第１バネ素子は、第１発振器を、コリオリの角速度計の角速度計フレームに接続し、第２バネ素子は、第２発振器を、第１発振器に接続している。この場合、第１バネ素子と第２バネ素子とのアライメントは、相互に垂直に延びていることが好ましい。この場合、これらのバネ素子の形状は任意である。
【００３４】
第２発振器を、第１発振器に、「一方から」固定するまたは押さえつけることが有利だと証明された。「一方から押さえつける」とは、ここでは、文言どおりにも一般的な意味にも解釈できる。一般的に、「一方から」固定するまたは押さえつける、とは、第１発振器から第２発振器へ、本質的には第１発振器の１つの「側面」から力を加えることを意味している。また、例えば、発振器系の構成が、第２発振器が第１発振器によって囲まれており、第２バネ素子によって第１発振器に接続されているとすれば、一方から押さえつけるまたは固定する、とは、第１発振器が第２バネ素子を用いて第２発振器を交互に「押す」または「引く」ことにより、第２発振器を第１発振器の動きに再調整することを示唆している。第１発振器に対して第２発振器を一方から押さえつけることの利点は、静電力が第２発振器に作用する場合に生じる第２発振器のアライメント変化／ポジション変化によって第２バネ素子を簡単に曲げることができるので第２バネ素子の対応するアライメント角度を簡単に変更できる点である。例えば、第１発振器の動作と同時に第２発振器が第２バネ素子によって「引かれ」および「押され」るように、第２発振器に第２バネ素子がさらに取り付けられているとすれば、第２発振器が第１発振器に「二方から」押さえつけられるまたは固定されることとなる（第１発振器の対向する２つの側面から第２発振器への力の導入）。この場合、他の第２バネ素子が、静電場を印加するときに、対応する拮抗力を生成し、その結果、上記第２バネ素子のアライメント角度を変更しにくくなる。しかしながら、上記他の第２バネ素子がこれらバネ素子の影響を受けにくいように設計されており、全てのバネ素子がここでも簡単に曲げることができる場合、すなわち、実際には一方から押さえつけられていることと同義である場合には、二方から押さえつけるということも可能である。発振器構造の設計に応じて、更なる第２バネ素子の「影響」（力の導入）が４０％以下である場合には、一方から押さえつけることが効果的である。しかしながら、この値は、本発明を制限するものではなく、第２バネ素子の影響が４０％を上回っていることも考えられる。一方からの押さえつけは、例えば、第２発振器を第１発振器と接続している全ての第２バネ素子が一平面に相互に平行に配置されているように実現できる。この場合、第２バネ素子の全ての始点および終点は、それぞれ、第１または第２発振器の同じ側に固定されている。この場合、第２バネ素子の始点および終点は、それぞれ、第２バネ素子を直角に交差する共通の軸上にあることが好ましい。
【００３５】
第２発振器が第１発振器に一方から固定されているまたは押さえつけられている場合には、第１バネ素子は、第１発振器が角速度計フレームに二方から（ここでは「一方から」および「二方から」という概念は同じように使用される）押さえつけるように設計されていることが好ましい。しかしながら、上記のような設計の代わりに、第１バネ素子は、第１発振器を一方から押さえつけるようにも設計される。例えば、第１発振器をコリオリの角速度計の角速度計フレームに接続する全ての第１バネ素子が一平面に相互に平行に配置されていてもよく、この場合は、第１バネ素子の始点および終点は、それぞれ、共通軸上にあることが好ましい。同じく、第１発振器が角速度計フレームに一方から押さえつけられ、かつ、第２発振器が第１発振器によって二方から押さえつけられるように、バネ素子を設計することもできる。２つの発振器を二方から押さえつけることもできる。直交バイアス補償のために、２つの発振器の少なくとも１つが一方から押さえつけられていることが有利であると証明された。
【００３６】
本発明のコリオリの角速度計の他の好ましい一形態は、第１および第２共振器を備え、上記第１および第２共振器は、第１および第２線形発振器からなる結合系としてそれぞれ形成されており、上記第１共振器と上記第２共振器とが機械的に／静電的に接続／結合されていることにより、これらの２つの共振器は共通の振動軸に沿って相互に逆位相に振動可能である。
【００３７】
したがって、この形態は、２つの二重発振器系（すなわち２つの共振器）または４つの線形発振器を有する１つの質点系を備えている。この場合、２つの共振器の相互に逆位相の振動は、２つの共振器が適切に設計されている場合は質点系の重心を維持し続ける。その結果、この質点系の振動は、減衰／反映の形の妨害となるであろう外部の振動を生成できない。さらに、共通の振動軸の方向の外部の振動および加速度は、共通の振動軸に沿って生じる２つの共振器の逆位相運動に対して、影響を及ぼさない。
【００３８】
第１共振器と第２共振器との結合を、第１共振器と第２共振器とを接続している例えばバネ系を介して行える。あるいは、第１共振器と第２共振器とを、静電場を介して結合することもできる。上記２つの結合の仕方を別々に使用しても、組み合わせて使用してもよい。２つの共振器が１つの共通の基板に形成されている場合は充分である。その結果、共通の基板によって当然生じる機械的なバネ接続が機械的な結合となる。
【００３９】
この形態でも、コリオリの角速度計は、線形発振器の相互のアライメントを変更することのできる静電場を生成するための装置と、コリオリの角速度計の直交バイアスを決定するための装置と、決定された直交バイアスが最小となるように、静電場の強度を制御する制御ループと、を備えていることが好ましい。
【００４０】
第１および第２共振器は、同じように構成されていることが好ましい。この場合、２つの共振器を、共通の振動軸に対して垂直である対称軸に対して、相互に軸対称に配置することが有利である。すなわち、第１共振器は対称軸で第２共振器に転写される。
【００４１】
以下で、例示的実施形態を示す添付図を参考にして本発明を詳しく説明する。
【００４２】
図１は、第１振動を励起する機能を果たす適切な制御ループを有し、２つの線形発振器からなる本発明の質点系の概略図である。
【００４３】
図２は、回転速度Ωと、直交バイアスＢＱと、バイアスＢＱを補償するための補助制御ループとのための対応する測定および制御ループを有し、２つの線形発振器からなる本発明の質点系の概略図である。
【００４４】
図３は、回転速度Ωおよび直交バイアスＢＱに対する対応する測定ループおよび制御ループと、直交バイアスＢＱを補償するための補助制御ループとを有する４つの線形発振器からなる本発明の質点系の概略図である。
【００４５】
図４は、図３に示す制御モジュールの好ましい一実施形態の概略図である。
【００４６】
図１は、対応する電極を有する線形二重発振器１の概略的構成、および、線形二重発振器１の評価／励起電子装置２のブロック図を示す。線形二重発振器１は、エッチングプロセスによってシリコンウエハーから生成され、第１線形発振器３と、第２線形発振器４と、第１バネ素子５１〜５４と、第２バネ素子６１・６２と、中間フレームの一部７１・７２と、角速度計フレーム７３・７４とを備えていることが好ましい。第２発振器４は、振動可能なように第１発振器３の内側に配置されており、第２バネ素子６１・６２を介して第１発振器３に接続されている。第１発振器３は、第１バネ素子５１〜５４を介して角速度計フレーム７３・７４と接続されており、中間フレーム７１・７２と接続されている。
【００４７】
さらに、第１励起電極８１〜８４と、第１読み取り電極９１〜９４と、第２励起電極１０１〜１０４と、第２読み取り電極１１１〜１１２とが備えられている。全ての電極は、角速度計フレームと機械的に接続されているが、電気的に絶縁されている。「角速度計フレーム」を、例えばシリコンウエハーの非振動性の部分に発振器が「埋設」されている、機械的な非振動性の構造と解釈する。
【００４８】
第１発振器３が、第１励起電極８１〜８４によって、Ｘ１方向に振動励起される場合、この動きは、第２バネ素子６１・６２を介して、第２発振器４へ転送される（交互の「引き」および「押し」）。第１バネ素子５１〜５４が垂直に配置されているので、第１発振器３は、Ｘ二方向に動けない。しかしながら、第２バネ素子６１・６２は水平に配置されているので、第２発振器４により垂直な振動が行われる。したがって、相当するコリオリの力が生じる場合には、第２発振器４は、Ｘ２方向に振動励起される。
【００４９】
読み取り信号は、第１読み取り電極９１〜９４によって読み出され、第１発振器３のＸ１方向の動きに比例しており、適切な増幅素子２１・２２・２３を介して、アナログ／デジタル変換器２４へ供給される。アナログ／デジタル変換器２４から出力される適切にデジタル化された出力信号は、第１復調器２５と第２復調器２６との双方を介して、適切な出力信号に復調される。この場合、２つの復調器は、相互に９０°シフトされて作動する。第１復調器２５の出力信号は、励起振動（Ｘ１方向における質点系１の振動）の周波数を制御するための第１制御器２７に供給される。第１制御器２７の出力信号は、周波数生成器３０を制御することにより、復調器２５の後に生じる信号をゼロに制御する。これと同様に、第２復調器２６の出力信号は、エレクトロニクスコンポーネント２９により予め決められている一定の値に制御される。第２制御器３１は、励起振動の振幅を制御する役割を果たす。周波数生成器３０と振幅制御器３１との出力信号は、乗算器３２によって相互に乗算される。乗算器３２の出力信号は、第１励起電極８１〜８４に印加される力に比例しており、デジタル力信号からデジタル電圧信号を生成する第１力／電圧変換器３３と第２力／電圧変換器３４との双方に入力される。力／電圧変換器３３・３４のデジタル出力信号は、第１および第２デジタル／アナログ変換器３５・３６を介して、相当するアナログ電圧信号に変換される。次に、このアナログ電圧信号は、第１励起電極８１〜８４に入力される。第１制御器２７と第２制御器３１とを介して、第１発振器３の固有周波数の周波数が再調整され、励起振動の振幅は、特定の所定の値に設定される。
【００５０】
コリオリの力が生じる場合は、コリオリの力から生じる第２発振器４のＸ２方向の動き（読み取り振動）が、第２読み取り電極１１１・１１２によって認識され、Ｘ２方向の読み取り振動の動きに比例する読み取り信号は、対応する増幅素子４０・４１・４２を介して、アナログ／デジタル変換器４３に入力される(図２参照)。アナログ／デジタル変換器４３のデジタル出力信号は、第３復調器４４によって、直接バイアス信号と同相に復調されるとともに、第４復調器４５によって、９０°シフトして復調される。第１復調器４４の対応する出力信号は、第３制御器４６に入力される。第３制御器４６の出力信号は、補償信号であり、測定される回転速度Ωに相当している。第４復調器４５の出力信号は、第４制御器４７に入力され、第４制御器４７の出力信号は補償信号であり、補償される直交バイアスに比例している。第３制御器の出力信号は、第１変調器４８を用いて変調される。これと同様に、第４制御器４７の出力信号は、第２変調器４９を用いて変調される。その結果、振幅制御された信号が生じる。振幅制御された信号の周波数は、Ｘ１方向の振動の固有周波数（ｓｉｎ＾＝０°、ｃｏｓ＾＝９０°）に相当している。変調器４８・４９の相当する出力信号は、加算器段５０において加算される。加算器段５０の出力信号は、第３力／電圧変換器５１と、第４力／電圧変換器５２との双方に入力される。力／電圧変換器５１・５２の相当する出力信号は、デジタル／アナログ変換器５３・５４に供給される。デジタル／アナログ変換器５３・５４のアナログ出力信号は、第２励起電極１０２〜１０３に入力され、第２発振器４の振動振幅をリセットする。
【００５１】
第２励起電極１０１・１０４を介して生成される静電場（または、電極対１０１・１０３と１０２・１０４とを介して生成される２つの静電場）は、第２発振器４のＸ２方向におけるアライメント／ポジション変化を引き起こす。その結果、第２バネ素子６１〜６２のアライメントも変化する。第４制御器４７は、第２励起電極１０１・１０４に入力される信号を、第４制御器４７の補償信号に含まれる直交バイアスが最小になる、または、消滅するように制御する。このために、第５制御器５５と、第５および第６力／電圧変換器５６・５７と、２つのアナログ／デジタル変換器５８・５９とが使用される。
【００５２】
第４制御器４７の出力信号は、直交バイアスに対する指標であり、第５制御器５５に入力される。第５制御器５５は、２つの励起電極１０１・１０４によって生成される静電場を、直交バイアスＢＱが消滅するように制御する。このため、第５制御器５５の出力信号は、第５および第６力／電圧変換器５６・５７にその都度供給される。第５および第６力／電圧変換器５６・５７は、第５制御器のデジタル力／出力信号から、デジタル電圧信号を生成する。これらのデジタル電圧信号は、続いて、アナログ／デジタル変換器５８・５９において、アナログ電圧信号に変換される。アナログ／デジタル変換器５８のアナログ出力信号は、第２励起電極１０１または１１１に入力される。アナログ／デジタル変換器５９のアナログ出力信号は、第２励起電極１０４または１１２に入力される。
【００５３】
第２発振器４は、第２バネ素子６１〜６２のみによって押さえつけられている（一方から押さえつけられている）ので、これらのバネ素子のアライメントを、静電場によって問題なく変更することができる。さらに、他の第２バネ素子を備えることも可能である。これらの他の第２バネ素子は、これらの他のバネ素子を適切に配置することで一方から効果的に押さえつけられているということが確実になっている限り、第２発振器４を二方から押さえつけることとなる。バネ素子５１・５２またはバネ素子５３・５４に対しても同じ効果がえられるように、第３および第４バネ素子５３・５４または第１および第２バネ素子５１・５２を省くことができ、それゆえ、（ここには図示していない、対応して変更された電極コンフィギュレーションとともに）第１発振器３が一方から押さえつけられることとなる。このような場合には、第２発振器４は、二方から押さえつけられるように、さらに他のバネ素子によって第１発振器に固定されていてもよい。
【００５４】
図１および図２に示す電極構造は、多様化されてもよい。例えば、図１および図２において、部材番号８１・９１・９２・８２および８３・９３・９４・８４の付されている電極を、代替として、それぞれ１つの電極にまとめることができる。適切な搬送周波数方法を使用することにより、このようにまとめられた１つの電極に、複数のタスクを割り当てることができる。すなわち、電極は、読み出し機能と、励起機能と、補償機能とを同時に備えている。さらに、部材番号１１１・１０１・１０３および１１２・１０２・１０４の付されている電極を、代替として、それぞれ１つの電極にまとめることができる。
【００５５】
以下の説明では、図３を参照して、本発明のコリオリの角速度計の他に考えられる一実施形態およびその操作方法を詳しく説明する。
【００５６】
図３は、第１共振器７０１と第２共振器７０２とからなる結合系１’の概略的な構成を示す。第１共振器７０１は、機械的な結合素子７１すなわちバネを介して第２共振器７０２と結合されている。第１および第２共振器７０１，７０２は、共通の基板上に形成されており、共通の振動軸７２に沿って相互に逆位相に振動できる。第１および第２共振器７０１・７０２は、同一であり、対称軸７３を介して相互に配置される。第１および第２共振器７０１・７０２の構成は、図１および図２に関連して既に説明したので再度説明はしない。同一のまたは相互に対応する部品または部品群には同じ符号が付されている。ただし、異なる共振器に属する同一の部品には異なる印が付されている。
【００５７】
図３に示す二重発振器と図１および図２に示す二重発振器との主な違いは、個々の電極の複数が１つの総合電極に物理的にまとめられる点である。それゆえ、例えば図３の部材番号８１・８２・９１・９２の付された個々の電極は、１つの共通の電極を形成する。さらに、部材番号８３・８４・９３・９４の付された個々の電極は、１つの共通の電極を形成し、部材番号１０４・１０２・１１２および部材番号１１１・１０３・１０１の付された個々の電極は、それぞれ、１つの総合電極を形成する。同様のことが、他の二重発振器系にも当てはまる。
【００５８】
本発明の結合系１’の動作時に、２つの共振器７０１・７０２は、共通の振動軸７２に沿って逆位相に振動する。したがって、結合系１’は、外部の妨害、または、共振器７０１・７０２が設けられている基板で結合系１’自身によって生じる妨害の影響を受けにくい。
【００５９】
結合系１’が回転する場合は、第２発振器４１・４２は、相互に反対方向に（Ｘ２方向、および、Ｘ２方向とは反対の方向に）転向される。結合系１’の加速度が生じる場合は、第２発振器４１・４２は、加速度がＸ２方向またはＸ２方向とは反対側の方向に作用することを条件に、それぞれ同じ方向へ、つまり、加速度の方向へ転向される。したがって、同時に、または、選択的に、加速度および回転が測定される。
【００６０】
基本的に、結合系１’を、図１および図２に記載の評価／励起電子装置２を基礎として操作できる。しかしながら、図３に示す実施形態では、代わりの方法（搬送周波数方法）が使用される。この操作方法については以下で説明される。
【００６１】
部材番号２’の付された評価／励起電子装置２は、３つの制御ループ、すなわち、共通の振動軸７２に沿った第１発振器３１・３２の逆位相振動を励起および／または制御するための第１制御ループと、Ｘ２方向に沿って第２発振器４１の振動をリセットおよび補償するための第２制御ループと、Ｘ２方向に沿って第２発振器４２の振動をリセットおよび補償するための制御ループとを備えている。上記３つの制御ループは、増幅器６０、アナログ／デジタル変換器６１、信号分離モジュール６２、第１〜第３復調モジュール６３１〜６３３、制御モジュール６４、電極電圧計算モジュール６５、搬送周波数加算モジュール６７、および、第１〜第６デジタル／アナログ変換器６６１〜６６６を備えている。
【００６２】
この場合、第２発振器４１・４２の振動の逆位相振動をタッピング／励起（タッピング励起）するための搬送周波数を、複数の方法、すなわち、ａ）３つの異なる周波数を使用し、制御ループに周波数を１つずつ割り当てること、ｂ）方形波信号を時分割マルチプレックス方法において使用すること、または、ｃ）ランダム位相スクランブル（統計的な変調方法）を使用すること、によって、電極８１〜８８・９１〜９８・１０１〜１０８・１１１〜１１４に供給することができる。電極８１〜８８・９１〜９８・１０１〜１０８・１１１〜１１４には、関連信号ＵｙＡｏ・ＵｙＡｕ（第２発振器４１に対して）、および、Ｕｘｌ・Ｕｘｒ（第１発振器３１〜３２の逆位相共振に対して）、および、ＵｙＢｕ・ＵｙＢｏ（第２発振器４２に対して）を介して、搬送周波数が供給される。なお、上記関連信号は、搬送周波数加算モジュール６７において生成され、上記周波数信号に対して逆位相を励起するものである。第１および第２発振器３１・３２・４１・４２の振動は、部材番号７７・７９・７１１・７１３の付されている角速度計フレームを介してタップオフされる。なお、上記部分は、ここでは、質点系の緩衝点としての機能以外に、タッピング電極としての機能も果たしている。このため、２つの共振器７０１・７０２は、全てのフレーム、バネ、および接続素子によって、導電性に設計されていることが有利である。角速度計フレーム部分７７・７９・７１１および７１３によってタップオフされ、増幅器６０へ入力される信号は、全ての３つの振動モードについての情報を含んでおり、アナログ／デジタル変換器６１によって、デジタル信号に変換される。デジタル信号に変換された信号は、信号分離モジュール６２へ入力される。信号分離モジュール６２では、まとまった信号が、異なる３つの信号、すなわち、ｘ（逆位相振動についての情報を含んでいる）と、ｙＡ（第２発振器４１の転向についての情報を含んでいる）と、ｙＢ（第２発振器４２の転向についての情報を含んでいる）とに分離される。信号分離は、使用される搬送周波数方法（上記ａ）〜ｃ）を参照）の種類に応じて異なっている。この場合、信号分離は、使用される搬送周波数方法に相当する信号を用いる復調によって行われる。信号ｘ・ｙＡ・ｙＢは、復調モジュール６３１〜６３３へ入力される。復調モジュール６３１〜６３３は、これらの信号ｘ・ｙＡ・ｙＢを、逆位相振動の動作周波数によって、０°および９０°に復調する。信号Ｆｘｌ／ｒまたはＵｘｌ／ｒを制御／計算するための制御モジュール６４および電極電圧計算モジュール６５は、図１に示す電子モジュール２と同様にそれぞれ設計されていることが好ましい。信号ＦｙＡｏ／ｕ・ＵｙＡｏ／ｕおよびＦｙＢｏ／ｕ・ＵｙＢｏ／ｕを制御／計算するための制御モジュール６４および電極電圧計算モジュール６５は、回転速度と、作動周波数を掛け算した後の直交とをリセットするための信号が、直交補助制御器のためのＤＣ電圧と共に、１つにまとめられた電極対へ出力される、ということ以外は、図２に示す電子モジュール２と同様に設計されていることが好ましい。したがって、２つの信号が加算され、その結果、電極電圧の計算は、発振周波数のリセット信号と、��交制御および周波数同調のためのＤＣ信号とを含んでいる。次に、こうして計算された電極電圧Ｕｘｌ／ｒ・ＵｙＡｏ／ｕ・ＵｙＢｏ／ｕは、搬送周波数信号に加算され、アナログ／デジタル変換機６６１〜６６６を介して、共に、電極へ出力される。
【００６３】
図４に、部材番号６４の付された図３の制御系の好ましい一実施形態を示す。この制御系６４は、第１〜第３部分６４１〜６４３を備えている。第１部分６４１は、第１制御器８０と、周波数生成器８１と、第２制御器８２と、エレクトロニクスコンポーネント８３と、加算器段８４と、乗算器８５とを備えている。第１部分の操作方法は、図１に示す電子モジュール２の操作方法にほぼ相当しており、それゆえ、ここで再度説明はしない。第２部分６４２は、第１制御器９０と、第１変調器９１と、第２制御器９２と、第２変調器９３と、第３制御器９４とを備えている。さらに、第１および第２加算器段９５・９６が備えられている。第１制御器９０の出力部において、回転速度信号Ωを判定し、第３制御器９４の出力部において、直交バイアスＢＱと加速度Ａとからなる、まとまった信号を判定することができる。制御系６４の第３部分６４３は、第１制御器１００と、第１変調器１０１と、第２制御器１０２と、第２変調器１０３と、第３制御器１０４とを備えている。さらに、第１および第２加算器段１０５・１０６が備えられている。第１制御器１００の出力部において、負の符号を有する回転速度信号Ωをタップオフし、第３制御器１０４の出力部において、負の符号を有する直交バイアスＢＱと加速度信号Ａとからなるまとまった信号をタップオフすることができる。第２および第３部分６４２・６４３の操作方法は、図２に示すエレクトロニクスモジュール２の操作方法に相当しており、それゆえ、ここで再度説明はしない。
【００６４】
上記で説明した逆位相励起を用いる搬送周波数方法の利点は、線形発振器３１・３２・４１・４２が転向される場合のみ増幅器６０に信号が印加される点である。励起に使用される周波数信号は、離散周波数または方形波信号であってもよい。生成および処理がより簡単なので、方形波励起が好ましい。
【００６５】
線形二重発振器は、ウエハー平面における線形の動きによる特に高い品質を特徴とする。少なくとも１つの発振器が一方から押さえつけられている線形共振器では、バネの直交化を調整することにより、本発明に基づいて広範囲で直交バイアスを補償できる。このことは、一方側から押さえつけられている発振器のバネの角度を、直流電圧によって、測定される直交バイアスＢＱが０になるように変更することにより行われる。このために、上記で説明したように、対応する制御ループを動作させる。この制御ループは、上記直流電圧を、ＢＱ＝０になるように制御する。この制御ループにより、発生場所の直交バイアスが補償され、線形発振角速度計の精度が大幅に改善される。
【００６６】
共振器の線形発振器を、二重共振でそれぞれ作動されることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】第１振動を励起する機能を果たす適切な制御ループを有し、２つの線形発振器からなる本発明の質点系の概略図である。
【図２】回転速度Ｑと、直交バイアスＢＱと、バイアスＢＱを補償するための補助制御ループとのための対応する測定および制御ループを有し、２つの線形発振器からなる本発明の質点系の概略図である。
【図３】回転速度Ωおよび直交バイアスＢＱに対する対応する測定ループおよび制御ループと、直交バイアスＢＱを補償するための補助制御ループとを有する４つの線形発振器からなる本発明の質点系の概略図である。
【図４】図３に示す制御モジュールの好ましい一実施形態の概略図である。
【図１】
2007513344.tif 000008
【図２】
2007513344.tif 000009
【図３】
2007513344.tif 000010
【図４】
2007513344.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成17年10月24日(2005.10.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
コリオリの角速度計の質点系（以下の文章では、「共振器」とも呼ぶ）は、この場合、様々な方法で設計されていてもよい。例えば、一体型に形成された質点系を用いることも可能である。あるいは、質点系を、バネ系を介して相互に結合し、相互に相対運動を行える２つの発振器に分割することも可能である。例えば、２つの線形発振器からなる結合系（線形二重発振器系とも呼ばれる）を用いることが知られている。このような結合系を使用する場合は、製造誤差があるので、２つの発振器の相互のアライメントエラーを避けることはできない。双方の発振器の相互のアライメントエラーは、共通の回転速度信号中にゼロエラー成分、いわゆる、「直交バイアス」（より詳しく言えば、直交バイアス成分）を生成する。例えば文献ＵＳ−Ａ−２００３／０６１８７７、ＷＯ−Ａ−０３／０５８１６７およびＵＳ−Ａ−６０６７８５８に記載されているような方法を使用して、直交バイアスを補償することができる。他の力を使用して、この方法における直交バイアスを補償することができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
この目的は、本発明に基づき、特許請求項１に記載の２つの線形発振器を有する共振器のための直交バイアス成分を補償するための方法によって達成される。さらに、本発明は、上記方法に適した特許請求項４に記載のコリオリの角速度計の一実施形態を提供する。本発明の構想の有利な形態または発展形態は、各従属請求項に記載されている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
コリオリの角速度計は、第１バネ素子と第２バネ素子とを備えている。第１発振器は、第１バネ素子によって、コリオリの角速度計の角速度計フレームに接続されている。第２発振器は、第２バネ素子によって、コリオリの角速度計の角速度計フレームに接続されている。この場合、静電場は、第１バネ素子のアライメントの変化、および／または、第２バネ素子のアライメントの変化を引き起こす。静電場によって第２発振器の位置／アライメントを変更することにより、第２バネ素子アライメントを変更することが好ましい。これと同様に、静電場によって第１発振器の位置／アライメントを変更することにより、第１バネ素子のアライメントを変更することが好ましい。この場合、発振器の位置／アライメントの変化は、発振器に固定されているバネ素子の湾曲を引き起こす。これにより、第２バネ素子に対する第１バネ素子のアライメント角度を適切に修正することができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
コリオリの角速度計は、第１バネ素子と第２バネ素子とを備えている。第１バネ素子は、第１発振器を、コリオリの角速度計の角速度計フレームに接続し、第２バネ素子は、第２発振器を、第１発振器に接続している。第１バネ素子と第２バネ素子とのアライメントは、この場合、相互に垂直に延びていることが好ましい。この場合、これらのバネ素子の形状は任意である。
【手続補正書】
【提出日】平成18年8月10日(2006.8.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６３】
図４に、部材番号６４の付された図３の制御系の好ましい一実施形態を示す。この制御系６４は、第１〜第３部分６４１〜６４３を備えている。第１部分６４１は、第１制御器８０と、周波数生成器８１と、第２制御器８２と、エレクトロニクスコンポーネント８３と、加算器段８４と、乗算器８５とを備えている。第１部分の操作方法は、図１に示す電子モジュール２の操作方法にほぼ相当しており、それゆえ、ここで再度説明はしない。第２部分６４２は、第１制御器９０と、第１変調器９１と、第２制御器９２と、第２変調器９３と、第３制御器９４とを備えている。さらに、第１および第２加算器段９５・９６が備えられている。第１制御器９０の出力部において、回転速度信号Ωを判定し、第３制御器９４の出力部において、直交バイアスＢＱ１の補償信号と加速度Ａとからなる、まとまった信号を判定することができる。制御系６４の第３部分６４３は、第１制御器１００と、第１変調器１０１と、第２制御器１０２と、第２変調器１０３と、第３制御器１０４とを備えている。さらに、第１および第２加算器段１０５・１０６が備えられている。第１制御器１００の出力部において、負の符号を有する回転速度信号Ωをタップオフし、第３制御器１０４の出力部において、負の符号を有する直交バイアスＢＱ２の補償信号と加速度信号Ａとからなる、まとまった信号をタップオフすることができる。第２および第３部分６４２・６４３の操作方法は、図２に示すエレクトロニクスモジュール２の操作方法に相当しており、それゆえ、ここで再度説明はしない。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2007513344.tif 000012
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2007513344.tif 000013
【国際調査報告】
2007513344.tif 000014
2007513344.tif 000015
2007513344.tif 000016
2007513344.tif 000017
2007513344.tif 000018
2007513344.tif 000019