(57)【要約】【課題】慣性計測ユニットへのさらに迅速な入力を供給するためにプルーフマスがその振動の自然共振周波数に到達するまで有効間隔中の角速度をモニタすることが可能な装置および方法を提供する。【解決手段】ＭＥＭＳジャイロスコープのための信号プロセッサ３０３は、ＭＥＭＳジャイロスコープ１００からモーターピックオフ信号を受信するためのモーターピックオフ入力部と、ＭＥＭＳジャイロスコープから感知ピックオフ信号を受信するための感知ピックオフ入力部と、前記感知ピックオフ信号を前記モーターピックオフ信号に関係付けることで位相角を作り出すために位相角を決定する位相比較器３０９と、感知ピックオフ信号の振幅を決定するための振幅比較器３１２とを有し、さらに有効間隔の満了に応答するための切り換えネットワーク３１５をさらに有する。【選択図】図１
2008134244.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＭＳジャイロスコープからモーターピックオフ信号を受信するためのモーターピックオフ入力部と、
ＭＥＭＳジャイロスコープから感知ピックオフ信号を受信するための感知ピックオフ入力部と、
前記感知ピックオフ信号を前記モーターピックオフ信号に関係付けることで位相角を作り出すために位相角を決定する位相比較器と、
前記感知ピックオフ信号の振幅を決定するための振幅比較器と
を有する、ＭＥＭＳジャイロスコープのための信号プロセッサ。
【請求項２】
有効間隔の満了に応答するための切り換えネットワークをさらに有し、
前記有効間隔が時間的間隔またはモーターピックオフ周波数に相対した周波数間隔のうちの一方を含む、請求項１に記載の信号プロセッサ。
【請求項３】
前記位相比較器はアナログ／デジタル変換器または高速フーリエ変換器のうちの一方を含む、請求項１に記載の信号プロセッサ。
【請求項４】
前記振幅比較器は整流器およびローパスフェルタを含む、請求項１に記載の信号プロセッサ。
【請求項５】
前記振幅と位相の関係に基づいて回転速度を取り出すためにルックアップエンジンをさらに含む、請求項１に記載の信号プロセッサ。
【請求項６】
ＭＥＭＳジャイロスコープからのモーターピックオフから受信されるモーターピックオフ信号を受信するステップと、
ＭＥＭＳジャイロスコープからの感知ピックオフから受信される感知ピックオフ信号を受信するステップと、
前記モーターピックオフ信号と前記感知ピックオフ信号との間の位相関係であって回転速度の方向を示す前記位相関係を決定するステップと、
前記感知ピックオフ信号の振幅であって回転速度の大きさを示す前記振幅を決定するステップと
を含む、角速度の大きさと方向を導き出すための方法。
【請求項７】
前記位相関係と前記振幅に基づいて角速度を取り出すステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記振幅を決定する前記ステップは、整流された感知ピックオフ信号を作り出すために前記感知ピックオフ信号を整流するステップおよび前記振幅に対応する概してＤＣの電圧を作り出すために前記整流されたピックオフ信号をローパスフィルタによってフィルタ処理するステップまたは前記振幅によって角速度を決定するステップのうちの１つを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記位相関係を決定するステップは、前記モーターピックオフ信号と前記感知ピックオフ信号との間の関係が先行または遅行で構成される群のうちの１つであることを決定するステップおよび前記位相関係によって回転の方向を決定するステップを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
有効間隔に従って切り換えるステップをさらに含み、
前記有効間隔は時間的間隔またはモーターピックアップ周波数に相対した周波数間隔のうちの一方を含む、請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープが多様なプラットフォームで用途を見出された。少なくとも１つの用途では、装置が電力供給された後に可能な限り早急に回転速度および方向を含めた角度情報が必要とされる。例えば、兵器を発射するまでＭＥＭＳジャイロスコープが休止状態である軍事用途では、兵器が飛行中に自分の位置を確認することを可能にすることが有利である。航行システムへの回転データの高速の流布は飛行中の航法を容易にする因子である。
【背景技術】
【０００２】
従来式のＭＥＭＳジャイロスコープはモーターピックオフにおけるモーターピックオフ信号（「ＭＰＯ」信号）に対して感知ピックオフ信号（「ＳＰＯ」信号）を復調することによって角速度を決定する。モーターピックオフ信号はモーター軸（ｘ軸）に沿ったプルーフマスの振動を開始させるためにモータードライブを駆動する。概して、プルーフマスが自然共振周波数で適切に振動するまで情報は復調されない。プルーフマスがその振動の自然共振周波数に到達する以前のＭＰＯ信号に対するＳＰＯ信号の復調は使用にとって不正確過ぎると見なされてきた。多くのタイプの復調器があり、各々がそれぞれの利点と欠点（スピード、コスト、振動に対する感度）を有するが、各々が概して、ＭＥＭＳジャイロスコープの自然共振周波数での使用のためにのみ標準化される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
必要とされるものは、慣性計測ユニットへのさらに迅速な入力を供給するためにプルーフマスがその振動の自然共振周波数に到達するまで有効間隔中の角速度をモニタすることが可能な装置である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
角速度を導き出すためのシステムおよび方法はＭＥＭＳジャイロスコープからのモーターピックオフから受信されるモーターピックオフ信号を受信するステップを含む。ＭＥＭＳジャイロスコープからの感知ピックオフから受信される感知ピックオフ信号を受信するステップがモーターピックオフ信号と感知ピックオフ信号との間の位相関係の決定を可能にする。角速度の決定は感知ピックオフ信号の振幅に基づく。角速度の正負符号が正であるか負であるかの決定はモーターピックオフから受信されるモーターピックオフ信号に相対するＭＥＭＳジャイロスコープからの感知ピックオフ信号の位相関係に基づく。
【０００５】
ＭＥＭＳジャイロスコープが通電されると、感知ピックオフ（ＳＰＯ）とモーターピックオフ（ＭＰＯ）の各々からの信号がＭＥＭＳジャイロスコープにおけるプルーフマスの運動によって作り出される。ＳＰＯとＭＰＯ信号との間の位相関係の決定は角速度の方向を示すであろう。ＭＥＭＳジャイロスコープの回転がＭＰＯ信号に先行するＳＰＯ信号の位相を結果として生じる場合、角速度は正であると適宜指定されることが可能である。逆にＭＥＭＳジャイロスコープの回転がＭＰＯ信号から遅れるＳＰＯ信号の位相を結果として生じる場合、同じ慣例が負として角速度を記述する。
【０００６】
付け加えると、ＳＰＯ信号の振幅はＭＥＭＳジャイロスコープが経験している角速度の大きさを示す。信号プロセッサの一実施形態がＭＰＯ信号に対するＳＰＯ信号の位相関係とＳＰＯ信号の振幅の両方をモニタすることでＭＥＭＳジャイロスコープが経験している角速度を記述する情報を作り出す。このプロセッサは、従来式の復調器がＳＰＯおよびＭＰＯ信号から適切なデータを生じさせることが可能になる前にさえ有用な情報を生じさせる。指定された有効間隔が満了すると、システムはＭＰＯ信号に対してＳＰＯ信号を復調するためにプロセッサを使用するステップから従来式の復調へと切り換わる。
【０００７】
一実施形態では、有効間隔は時間的な間隔、限定ではない例を挙げると動作の最初の０．５秒であり、この後にさらに従来式（かつさらに高性能）の検波の仕組みに従って復調が起こる。概して、ＳＰＯおよびＭＰＯ信号は立ち上がり手順の間（ＭＰＯ信号が安定であると見なされる有効間隔の満了まで）も標準較正値に従った復調に適合しない。限定ではない実施形態で、プロセッサは結果をさらに線形にするために、ＳＰＯ信号の振幅をＭＰＯ信号の振幅で除算することによって有効間隔中の多様な性能を補償する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の好ましい、および代替選択肢の実施形態が添付の図面を参照して下記に詳しく述べられる。
図１は一例の実施形態による動作のために構成された微小電気機械システム（「ＭＥＭＳ」）ジャイロスコープ１００の平面図である。限定ではない例を挙げると、基板がＭＥＭＳジャイロスコープ１００を形成し、少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂ；複数の支持ビーム１０４；少なくとも１つのクロスビーム１０６ａ、１０６ｂ；少なくとも１つのモータードライブ櫛状部１０８ａ、１０８ｂ；少なくとも１つのモーターピックオフ櫛状部１１０ａ、１１０ｂ；少なくとも１つの感知プレート１１２ａ、１１２ｂ；および少なくとも１つのアンカー１１４ａ、１１４ｂを有する。図１は２つのプルーフマスを示しているが、しかし１つまたは複数のプルーフマスが使用されることが可能である。
【０００９】
少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂは概して、ＭＥＭＳジャイロスコープ１００の微小電気機械加工（マイクロマシニング）の過程の中で適切に形成されるいずれかのマスである。一実施形態では、少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂはシリコンのプレートを含む。マイクロマシニング技術に適合する他の材料が使用されることもやはり可能である。
【００１０】
少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂは実質的に、少なくとも１つのモータードライブ櫛状部１０８ａ、１０８ｂと少なくとも１つのモーターピックオフ櫛状部１１０ａ、１１０ｂとの間に置かれる。少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂは少なくとも１つのモータードライブ櫛状部１０８ａ、１０８ｂと少なくとも１つのモーターピックオフ櫛状部１１０ａ、１１０ｂの両方に延びる複数の櫛状電極を有する。少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂは図１に描かれるように１０本の電極を有するが、少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂ上の電極の数は１０本よりも多くても少なくてもよい。
【００１１】
少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂは複数の支持ビーム１０４によって少なくとも１つの感知プレート１１２ａ、１１２ｂの上に支えられる。８本の支持ビーム１０４が図１に描かれているが、使用される支持ビームの数は８本よりも多くても少なくてもよい。複数の支持ビーム１０４は少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂがモーター軸（ＭＥＭＳジャイロスコープを３次元空間で配向させる目的のｘ軸と慣習的に称される）に沿って移動することを可能にするバネの群の役目を果たす。感知軸（慣習的にｙ軸と称される）に沿った偏向は配向軸（慣習的にｚ軸と称される）の周りでの回転の指標である。（軸情報について図１参照。）感知軸に沿った偏向は少なくとも１つの感知プレート１１２ａ、１１２ｂにおける電圧として測定され、感知ピックオフで供給される。
【００１２】
複数の支持ビーム１０４は配向軸もしくはｚ軸に概して平行であり、モーター軸もしくはｘ軸に概して平行に配向した少なくとも１つのクロスビーム１０６ａ、１０６ｂへと接続される。少なくとも１つのクロスビーム１０６ａ、１０６ｂは少なくとも１つのアンカー１１４ａ、１１４ｂへと接続され、それによってプルーフマス１０２ａ、１０２ｂをＭＥＭＳジャイロスコープ１００内で吊るす。２つのアンカー１１４ａ、１１４ｂが図１に描かれているが、アンカーの数は２つよりも多くても少なくてもよい。限定ではない一例の実施形態では、少なくとも１つのアンカー１１４ａ、１１４ｂはＭＥＭＳジャイロスコープ１００へのバネ付きサポートを供給する方式で少なくとも１つのクロスビーム１０６ａ、１０６ｂに沿って位置付けられる。
【００１３】
少なくとも１つのモータードライブ櫛状部１０８ａ、１０８ｂは少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂに向かって延びる複数の櫛状電極を有する。少なくとも１つのモータードライブ櫛状部１０８ａ、１０８ｂは図１に描かれるように４本の電極を有するが、少なくとも１つのモータードライブ櫛状部１０８ａ、１０８ｂの電極の数は４本よりも多くても少なくてもよい。少なくとも１つのモータードライブ櫛状部１０８ａ、１０８ｂの電極の数は少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂ上の電極の数によって決定されてもよい。
【００１４】
少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂの複数の櫛状電極は少なくとも１つのモータードライブ櫛状部１０８ａを形成する電極と互いに入り込む。反対の電荷が少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂの電極と少なくとも１つのモータードライブ櫛状部１０８ａ、１０８ｂを形成する電極に置かれると、結果として生じる構造は少なくとも１つのコンデンサの構造である。小規模のＭＥＭＳジャイロスコープ１００を前提とすると、少なくとも１つのモータードライブ櫛状部１０８ａを形成する電極と互いに入り込む少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂの複数の櫛状電極の間のクーロン力は、適切に帯電すると少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂの駆動を支配および可能にする。
【００１５】
駆動用電子装置（図１に示されていない）が駆動振動周波数で少なくとも１つのモータードライブ櫛状部１０８ａ、１０８ｂに適切に電荷を供給する。駆動振動周波数で交番電荷を少なくとも１つのモータードライブ櫛状部１０８ａ、１０８ｂに供給することによって、駆動用電子装置は少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂを、自然または共振周波数で振動する音叉を模倣する方式で、少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂと少なくとも１つのモータードライブ櫛状部１０８ａ、１０８ｂの複数の互いに入り込んだ櫛状電極によって形成されるコンデンサの帯電に応答してモータードライブ軸（ｘ軸）に沿って振動させる。
【００１６】
少なくとも１つのモーターピックオフ櫛状部１１０ａ、１１０ｂは少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂに向かって延びる複数の櫛状電極を有する。少なくとも１つのモーターピックオフ櫛状部１１０ａ、１１０ｂは図１に描かれるように４本の電極を有するが、少なくとも１つのモーターピックオフ櫛状部１１０ａ、１１０ｂ上の電極の数は４本よりも多くても少なくてもよい。少なくとも１つのモーターピックオフ櫛状部１１０ａ、１１０ｂの電極の数は概して、少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂ上の電極の数に対応する。
【００１７】
少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂと少なくとも１つのモーターピックオフ櫛状部１１０ａ、１１０ｂの複数の互いに入り込んだ櫛状電極は、上述したような少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂと少なくとも１つのモータードライブ櫛状部１０８ａ、１０８ｂを形成する電極と同様の方式でコンデンサを形成する。いずれかの極性の帯電を駆動電極に印加するとプルーフマスを引き付けることのみが可能となる。それゆえに、駆動電圧は実際のモーター運動の周波数の半分である。少なくとも１つのモータードライブ櫛状部１０８ａ、１０８ｂ上に置かれる電荷は静電力を使用して少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂを励起する。電荷は少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂに相対して少なくとも１つのモータードライブ櫛状部１０８ａ、１０８ｂに駆動信号を印加することによって置かれる。少なくとも１つのモーターピックオフ櫛状部１１０ａ、１１０ｂは、少なくとも１つのモーターピックオフ櫛状部１１０ａ、１１０ｂ上の電極にＭＰＯ信号を作り出すことによって少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂの励起または振動をモニタする。少なくとも１つのモーターピックオフ櫛状部１１０ａ、１１０ｂは、少なくとも１つのモーターピックオフ櫛状部１１０ａ、１１０ｂの近傍で出入りする少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂの物理的運動によって加えられる静電力に応答した電圧を経験し、進行する電圧変化がＭＰＯ信号である。
【００１８】
ＭＥＭＳジャイロスコープ１００の通常の動作では、少なくとも１つのモーターピックオフ櫛状部１１０ａ、１１０ｂは正弦波の電圧を駆動電子装置１２０（図１）に供給し、この電子装置がＭＥＭＳジャイロスコープ１００の動作周波数を決定して少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂの振動の共振周波数からの逸脱を示す。少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂが共振周波数に一致するには速過ぎるかまたは遅過ぎる振動を始めると、駆動電子装置１２０（図１）は少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂが再び共振周波数で振動するように駆動振動周波数を調整する。
【００１９】
ＭＥＭＳジャイロスコープ１００の残りの部分を参照すると、少なくとも１つの感知プレート１１２ａ、１１２ｂは少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂと感知用コンデンサを形成する。少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂがモーター軸（ｘ軸）に沿って振動しているときにＭＥＭＳジャイロスコープ１００に配向軸（ｚ軸）の周りでの角速度が加えられれば、感知軸（ｙ軸）に沿ってコリオリ力が検出されることが可能である。ＭＥＭＳジャイロスコープ１００は少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂ上に作用するコリオリ力の結果として角速度を感知する。このコリオリ力がプルーフマスをモーター軸に対して直角方向にモーター周波数で、最大モーター速度における最大圧力で「押す」。速度情報はモーター周波数でかつ最大モーター速度と同相の、感知軸方向のプルーフマスの移動に比例する容量性信号である。この感知用コンデンサは少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂと呼応する少なくとも１つの感知プレート１１２ａ、１１２ｂを含む。感知軸（ｙ軸）に沿った少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂの運動は感知ピックオフ信号またはＳＰＯ信号として知られている交番電圧を供給する。ＭＥＭＳジャイロスコープ１００の出力はこのＳＰＯ信号を含む。少なくとも１つの感知プレート１１２ａ、１１２ｂは感知電子装置（図１に示されていない）にこのＳＰＯ信号を供給するように適切に接続される。感知電子装置は少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂが少なくとも１つの感知プレート１１２ａ、１１２ｂに向かうかまたは遠ざかるように移動するときの容量の変化の指標であるＳＰＯ信号を受け取り、普通の復調動作でＳＰＯ信号の振幅に基づいて角速度を構築する。
【００２０】
上記で検討されたように、ＭＥＭＳジャイロスコープ１００の動作中に、少なくとも１つの感知プレート１１２ａ、１１２ｂ上での少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂの共振周波数での駆動された運動から結果として生じるＳＰＯ信号の復調がＳＰＯ信号を作り出し、同時に、少なくとも１つのモーターピックオフ櫛状部１１０ａ、１１０ｂに相対した運動によってＭＰＯ信号が作り出され、したがってＭＰＯはｘ軸に沿った直線運動の指標である。少なくとも１つの感知プレート１１２ａ、１１２ｂが少なくとも１つのモーターピックオフ櫛状部１１０ａ、１１０ｂに相対して幾何学的に固定されると、ＭＰＯ信号とＳＰＯ信号は両方共に少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂの運動に関連付けられるので同じ周波数を概して共有する。ＭＰＯ信号とＳＰＯ信号との間の関係は少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂの物理的移動によってｚ軸の周りでの回転速度に起因して変えられる。そのような速度は、少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂが振動し続けているときの少なくとも１つの感知プレート１１２ａ、１１２ｂに向かうかまたは遠ざかる運動に起因してＳＰＯ信号を進めるかまたは遅らせると見込まれる。
【００２１】
少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂの振動の周波数が変化している場合でさえ、ＭＰＯ信号とＳＰＯ信号の周波数は少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂの振動の周波数の関数であり、したがって、これらの周波数の両方が対応して変化する。少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂの振動の周波数が変われば、ＳＰＯ信号はＭＰＯ信号に相対して調べられる。ＭＰＯ信号に相対したＳＰＯ信号のどのようなタイミングの変動もｙ軸に沿った少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂの移動の結果である。
【００２２】
概して述べると、ＭＰＯ信号は調和運動を述べるパラメータ方程式によって十分に述べられ、
ＶＭＰＯ＝ｘ＝Ａ×ｓｉｎ（ａｔ＋δ）
式中、Ａは振幅であり、ａは周波数であり、δはｙ軸に沿った少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂの移動によって導入される信号間のオフセットである。
【００２３】
同様に、ＳＰＯ信号は調和運動を述べる同様のパラメータ方程式によって十分に述べられる。
ＶＳＰＯ＝ｙ＝Ｂ×ｓｉｎ（ｂｔ）
次いで図２を参照すると、ＭＥＭＳジャイロスコープ１００（図１）によって作り出されたＳＰＯ信号に対するＭＰＯ信号に関連するリサージュ図形１５０は概して楕円形状を有する。数学的には、リサージュ曲線（リサージュ図またはボウディッチ曲線）は複雑な調和運動に関連するパラメータ方程式の系のグラフである。この部類の曲線は１８１５年にＮａｔｈａｎｉｅｌ  Ｂｏｗｄｉｔｃｈによって調べられ、後にＪｕｌｅｓ  Ａｎｔｏｉｎｅ  Ｌｉｓｓａｊｏｕｓによってさらに詳しく調べられた。
【００２４】
リサージュ図形１５０はＳＰＯ信号の瞬間的な電圧に対するＭＰＯ信号の瞬間的な電圧をプロットしている。リサージュ図形１５０の横座標１５３は少なくとも１つのモーターピックオフ櫛状部１１０ａ、１１０ｂ（図１）でモニタされたＭＰＯ信号の電圧の変動を表わし、その一方で縦座標１５６は少なくとも１つの感知プレート１１２ａ、１１２ｂ（図１）でモニタされたＳＰＯを表わす。リサージュ図形１５０の外観は周波数の比ａ／ｂに極めて左右される。以前に検討されたようにＭＰＯ信号とＳＰＯ信号の周波数は概して等しいので、図２に描かれるような導き出されたリサージュ図形１５０は、図形が非限定的な一例の振幅の比Ｂ／Ａのさらに大きい度合いに起因してｙ軸に沿って延びた楕円形である。ＭＰＯ信号に対するＳＰＯから導き出されるどのようなリサージュ図形１５０も円（Ａ＝Ｂ、δ＝π／２ラジアン）を含めた特殊なケースを伴う楕円に結び付くであろう。たとえａとｂが時間と共に変わるとしても、周波数の比が原因で、ｂに対するａは殆どａ＝ｂの関係を保つ。
【００２５】
都合の良いことに、その後、立ち上がりの期間中に少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂ（図１）の振動の周波数はゼロからその自然共振周波数の範囲にあるので、結果的に生じるリサージュ図形１５０は楕円形を保つであろう。したがってＭＰＯ信号に対するＳＰＯ信号の関係は、少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂの振動の周波数がその自然共振周波数に到達する前でさえ回転速度の導出を可能にするであろう。
【００２６】
理想的な楕円形１５９がリサージュ図形１５０に重ね合わされている。第１の反復１６２と第２の反復１６５などの実際の軌道は理想的な楕円形１５９からの逸脱を示す。そのような逸脱はＭＰＯ信号（横座標１５３にプロット）に相対したＳＰＯ信号（縦座標１５６にプロット）の相対的な先行および遅延の結果である。共時性からのこれらの逸脱の測定はｚ軸の周りでのＭＥＭＳジャイロスコープ１００（図１）の回転速度に対応する信号を生み出す。
【００２７】
図３はモーターピックオフおよび感知ピックオフで感知される電圧の関係に基づいてＭＥＭＳジャイロスコープの回転速度を解くための方法２００を例示しており、ＭＰＯ信号がモーターピックオフからプロセッサに受け取られるブロック２０１で始まる。共振周波数でのプルーフマスの運動はプルーフマスに作用するコリオリ力から結果として生じる回転速度を測定するために必要である。プルーフマスの規則的な回帰運動がモーターピックオフで感知され、モーターピックオフから受信される信号はこの規則的回帰運動の指標となる電圧を含む。
【００２８】
ブロック２０４で、ＳＰＯ信号が感知ピックオフからプロセッサに受信される。このＳＰＯ信号はブロック２０１で受信されるＭＰＯ信号と概して同じ周波数であるが、感知プレートからのプルーフマスの接近または離反の移動に基づいて振幅と位相で異なる。
【００２９】
ブロック２０７で、位相関係を決定するためにＳＰＯ信号がＭＰＯ信号と比較される。この位相関係はＳＰＯ信号の出だしをＭＰＯ信号と比較することによって検出されることが可能である。限定ではない実施形態では、ＳＰＯ信号とＭＰＯ信号の各々がデジタルパルスへと変換される。従来式のデジタル信号処理が容易にデジタルパルスの出だしを決定し、それにより、ＳＰＯとＭＰＯ信号のどちらが先行しているかを決定する。
【００３０】
リサージュ図形１５０（図２）の作成と調和する方式でアナログ信号処理が使用されることが可能であり、それにより、ＳＰＯ信号がＭＰＯ信号を先行していると言われるかまたは遅れていると言われるかを決定する。先行または遅行信号はｚ軸の周りでのＭＥＭＳジャイロスコープ１００（図１）の回転速度の方向の指標を与え、左または右のどちらかへの楕円の「傾き」によって証明される。
【００３１】
ブロック２１０でＳＰＯ信号の振幅が決定される。１つの非限定的な実施形態では、ＳＰＯ信号の振幅はＳＰＯ信号を全波整流器に通し、続いてローパスフィルタに通すことによって検出されることが可能であり、結果として概してＤＣの電圧につながる。この概してＤＣの電圧はアナログ／デジタル変換器の使用により変換される。このアナログ／デジタル変換器の出力は回転速度の大きさに対応し、速度を直接読み取るために適切に補償されることが可能である。この振幅はｚ軸の周りでのＭＥＭＳジャイロスコープ１００（図１）の回転速度の大きさの指標である。
【００３２】
ブロック２１０で、振幅と位相の関係に基づいて、ｚ軸の周りでのＭＥＭＳジャイロスコープ１００（図１）の回転速度の指標である値が取り出される。１つの非限定的な実施形態では、回転速度の値は導き出された振幅と位相の関係に基づいたルックアップテーブルから取り出される。
【００３３】
図４を参照すると、ＭＥＭＳジャイロスコープのモーターピックオフで感知されるＭＰＯ信号および感知ピックオフ信号で感知されるＳＰＯ信号を解くためのシステム３００はＭＥＭＳジャイロスコープ１００、プロセッサ３０３、およびプロセッサで読み取り可能なメモリ３０６を含む。ＭＥＭＳジャイロスコープ１００に相対したｚ軸の周りでの回転速度へのＭＰＯ信号とＳＰＯ信号の解を容易にするためのプロセッサ３０３に対する命令が、プロセッサで読み取り可能なメモリ３０６上に有る。プロセッサ３０３は場合によっては単一のプロセッサまたはプロセッサのアセンブリを含んでもよい。限定ではない実施形態で、プロセッサ３０３は従来式の動作でＭＰＯ信号に従ってＳＰＯ信号を復調するために使用されるものと同じプロセッサである。
【００３４】
動作時では、ＭＥＭＳジャイロスコープ１００はＭＰＯ信号とＳＰＯ信号の両方をプロセッサ３０３に供給する。信号がプロセッサの入力部に存在するとき、プロセッサはプロセッサで読み取り可能なメモリ３０６に保存された命令に従って信号処理を開始する。プロセッサ３０３はＳＰＯ信号がＭＰＯ信号よりも先行するか遅行するかを決定するための位相比較器３０９を有する。アナログまたはデジタル手段のどちらかが使用される。１つの非限定的な実施形態では、ＭＰＯおよびＳＰＯ信号は位相比較器３０９内で一連のデジタルパルスへとデジタル化され、これらのデジタルパルスの出だしが比較される。他の非限定的な実施形態では、ＭＰＯとＳＰＯ信号の両方を分解するために高速フーリエ変換などのフーリエ変換が使用される。ＭＰＯ信号とＳＰＯ信号の相対的位相がこの変換の適用の結果として比較される。
【００３５】
プロセッサで読み取り可能なメモリ３０６に保存された命令の実行に応答してプロセッサ３０３は今度はＳＰＯ信号を振幅比較器３１２に通す。場合によってはこの振幅比較器３１２は、一実施形態では、全波整流されたＳＰＯ信号を発生させるためにＳＰＯ信号を整流する整流器であってもよい。付け加えると、全波整流されたＳＰＯ信号はＳＰＯ信号の振幅を表わす概してＤＣの信号を導き出すためにローパスフィルタを通して追加的にフィルタ処理されてもよい。
【００３６】
振幅と回転速度との間に概して１対１の関係が存在するので、メモリ３０６に保存されたルックアップテーブルが振幅を速度に関連付けるために使用されるために使用されることが可能である。さらなる実施形態では、ルックアップテーブルはＭＰＯまたはＳＰＯ信号のどちらかの感知された周波数に従った速度のさらなる解を含んでもよい。そのような方式で、回転速度の大きさはプロセッサ３０３から直接出力されることも可能である。回転速度の方向もやはり位相関係によって決定され、正または負のどちらかとして直接出力されることが可能である。場合によっては、ルックアップテーブルがＭＰＯ信号に対するＳＰＯ信号の位相関係に従って取り出されることもやはり可能である。
【００３７】
プロセッサ３０３はまた、場合によっては、共振周波数でのプルーフマスの運動がプルーフマスへのコリオリ力を測定するために必要である。プルーフマスの規則的な回帰運動がモーターピックオフで感知され、モーターピックオフから受信される信号は、規則的回帰運動がＭＰＯとＳＰＯ信号の解を従来式の手段によるＳＰＯ信号の従来式の復調に切り換える切り換えネットワーク３１５を含むことの指標である電圧を含む。概して、有効間隔はこの切り換え持続時間を決定する。１つの非限定的な実施形態ではこの有効間隔は、ＭＰＯとＳＰＯ信号の解が、１つの非限定的な実施形態では、０．５秒で起こることでＭＥＭＳジャイロスコープ１００内のプルーフマス１０２ａ、１０２ｂ（図１）がその自然共振振動周波数に到達することを可能にするような時間ベースである。他の実施形態では、この有効間隔は、信号がＭＥＭＳジャイロスコープ１００内のプルーフマス１０２ａ、１０２ｂ（図１）の自然共振振動周波数の範囲に入ることを可能にするＭＰＯ信号の周波数に基づいている。有効間隔が満了すると、ＳＰＯ信号の従来式の復調が起こる。
【００３８】
本発明を具体的に示すためにＭＥＭＳ音叉ジャイロスコープが使用されているが、本発明は角速度感知ジャイロスコープなどの回転を検出するためにコリオリ速度を使用する他のＭＥＭＳジャイロスコープにもやはり当てはまる。
【００３９】
独占的な権利または恩恵が主張される本発明の実施形態は添付の特許請求項に規定される。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施形態に従って形成された微小電気機械システム（「ＭＥＭＳ」）ジャイロスコープの平面図である。
【図２】プルーフマスの振動に基づいてＭＥＭＳジャイロスコープの感知ピックオフ信号とモーターピックオフ信号との間の位相関係のグラフィックモデルを示す図である。
【図３】感知ピックアップから角速度を導き出すための方法を示すフローチャートである。
【図４】ＭＥＭＳジャイロスコープの感知ピックオフ信号とモーターピックオフ信号から角速度を導き出すためのシステムのブロック図である。
【符号の説明】
【００４１】
１００  ＭＥＭＳジャイロスコープ
１０２ａ、１０２ｂ  プルーフマス
１０４  支持ビーム
１０６ａ、１０６ｂ  クロスビーム
１０８ａ、１０８ｂ  モータードライブ櫛状部
１１０ａ、１１０ｂ  モーターピックオフ櫛状部
１１２ａ、１１２ｂ  感知プレート
１１４ａ、１１４ｂ  アンカー
１２０  駆動電子装置
１５０  リサージュ図形
１５３  横座標
１５６  縦座標
１５９  理想的な楕円形
１６２、１６５  反復
３００  システム
３０３  プロセッサ
３０６  メモリ
３０９  位相比較器
３１２  振幅比較器
３１５  切り換えネットワーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
2008134244000001.pdf