(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度信号を感知し、前記加速度信号を慣性トルクに変換してクロックヘッダ出力信号とするための石英クロックヘッダと、
クロックヘッダ出力信号をパルス発生装置識別可能な入力信号に変換する読出し装置と、
前記入力信号に対して制御アルゴリズム変換、オーバーサンプリング処理及びデジタル量子化を行うことで量子化された電流パルスを取得し、前記量子化された電流パルスを前記慣性トルクのバランスを取るための電磁トルクに変換するために用いられるパルス発生装置と、
を備えることを特徴とする石英加速度計。
【請求項２】
前記パルス発生装置は、制御アルゴリズム手段、オーバーサンプリング手段、およびデジタル化手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の石英加速度計。
【請求項３】
前記オーバーサンプリング手段は、パルス発生装置認識可能な入力信号に対してオーバーサンプリングを実現し、
前記制御アルゴリズム手段は、オーバーサンプリングされた信号を制御信号に変換し、
前記デジタル量子化手段は、制御信号を出力ビットストリーム信号に量子化する、
ことを特徴とする請求項２に記載の石英加速度計。
【請求項４】
前記制御アルゴリズム手段は、制御アルゴリズムを行い、パルス発生装置認識可能な入力信号を制御信号に変換し、
前記オーバーサンプリング手段は、制御信号に対してオーバーサンプリングを実現し、
前記デジタル量子化手段は、デジタル量子化を行い、オーバーサンプリングされた制御信号を出力ビットストリーム信号に量子化する、
ことを特徴とする請求項２に記載の石英加速度計。
【請求項５】
電磁トルクパルス制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の石英加速度計。
【請求項６】
前記電磁トルクパルス制御手段は、タイミング制御手段、定電流源手段を備えることを特徴とする請求項５に記載の石英加速度計。
【請求項７】
前記電磁トルク制御手段は量子化された電流パルスを受信し、前記タイミング制御手段は定電流源手段の導通方向及び導通の回数を切り替えて制御することで、加速度信号の方向及び大きさを判断し、かつ、電磁トルクのバランスを取るために石英クロックヘッダの電磁トルク手段を帰還して制御する、
ことを特徴とする請求項６に記載の石英加速度計。
【請求項８】
前記量子化された電流パルスはビットストリーム信号であり、前記ビットストリーム信号はオーバーサンプリングされた変調信号であり、前記ビットストリーム信号は前記慣性トルクのバランスを取るための帰還力の大きさ及び極性情報を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の石英加速度計。
【請求項９】
前記クロックヘッダ出力信号は容量信号であり、前記読出し装置は容量信号をパルス発生装置認識可能な電圧信号に変換する、
ことを特徴とする請求項１に記載の石英加速度計。
【請求項１０】
前記制御アルゴリズム手段は補償手段を備え、前記補償手段は前記石英加速度計の閉ループ回路に対して位相補償を行う、
ことを特徴とする請求項３または４に記載の石英加速度計。
【請求項１１】
前記石英クロックヘッダは主に、石英振動子、トルカヨーク、トルカコイル及び磁性鋼を含み、
前記石英振動子とトルカヨークの端面は差動容量を構成し、前記石英振動子の上下２つの金メッキ面は差動容量の可動極板とされ、前記トルカヨークは差動容量の固定極板とされる、
ことを特徴とする請求項１に記載の石英加速度計。
【請求項１２】
量子化された電流パルスをダウンサンプリングし、フィルタリング処理してから、デジタル量信号を出力するフィルタ抽出手段をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の石英加速度計。
【請求項１３】
加速度信号を感知するための石英クロックヘッダを提供し、前記加速度信号を慣性トルクに変換し、
前記慣性トルクをクロックヘッダ出力信号とし、
前記出力信号をパルス発生装置認識可能な入力信号に変換するとともに、パルス発生装置に入力し、
前記パルス発生装置は、入力信号に対して制御アルゴリズム変換、オーバーサンプリング処理及びデジタル量子化を行うことで量子化された電流パルスを取得し、前記量子化された電流パルスを前記慣性トルクのバランスを取るための電磁トルクに変換する、
ことを含むことを特徴とする石英加速度計の閉ループ制御方法。
【請求項１４】
前記パルス発生装置は、前記入力信号に対してオーバーサンプリング処理、制御アルゴリズム変換、及びデジタル量子化電流パルス出力を順次に行う、
ことを特徴とする請求項１３に記載の石英加速度計の閉ループ制御方法。
【請求項１５】
前記パルス発生装置は、前記入力信号に対して制御アルゴリズム変換、オーバーサンプリング処理及びデジタル量子化電流パルス出力を順次に行う、
ことを特徴とする請求項１３に記載の石英加速度計の閉ループ制御方法。
【請求項１６】
前記入力信号に対してオーバーサンプリングを実現するオーバーサンプリング手段を提供し、
前記オーバーサンプリングされた信号を制御信号に変換する制御アルゴリズム手段を提供し、
制御信号を出力ビットストリーム信号に量子化するデジタル量子化手段を提供する、
ことを特徴とする請求項１４に記載の石英加速度計の閉ループ制御方法。
【請求項１７】
入力信号を制御信号に変換する制御アルゴリズム手段を提供し、
前記制御信号をオーバーサンプリングされた制御信号に変換するオーバーサンプリング手段を提供し、
オーバーサンプリングされた制御信号を出力ビットストリームに量子化するデジタル量子化手段を提供する、
ことを特徴とする請求項１５に記載の石英加速度計の閉ループ制御方法。
【請求項１８】
前記クロックヘッダ出力信号は容量信号であり、前記パルス発生装置認識可能な入力信号は電圧信号であり、
前記容量信号は読出し装置によってパルス発生装置認識可能な電圧信号に変換される、
ことを特徴とする請求項１３に記載の石英加速度計の閉ループ制御方法。
【請求項１９】
タイミング制御手段および定電流手段を備える電磁トルクパルス制御手段を提供し、
前記電磁トルク制御手段は量子化された電流パルスを受信し、前記タイミング制御手段は定電流源手段の導通方向及び導通の回数を切り替えて制御することで、加速度信号の方向及び大きさを判断し、かつ、電磁トルクのバランスを取るために石英クロックヘッダの電磁トルク手段を帰還して制御する、
ことを特徴とする請求項１３に記載の石英加速度計の閉ループ制御方法。
【請求項２０】
前記石英加速度計の閉ループ回路に対して位相補償を行う補償手段をさらに提供する、
ことを特徴とする請求項１６または１７に記載の石英加速度計の閉ループ制御方法。
【請求項２１】
前記量子化された電流パルスはビットストリーム信号であり、前記ビットストリーム信号はオーバーサンプリングされた変調波であり、前記慣性トルクのバランスを取るための帰還力の大きさ及び極性情報を含む、
ことを特徴とする請求項１３に記載の石英加速度計の閉ループ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度計に関し、具体的には高精度可撓性加速度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
石英可撓性スイング式加速度計は、石英加速度計と略称し、典型的なフォースバランス型加速度センサであって、慣性航法、石油メジャメント・ホワイル・ドリリングおよびロギング・ホワイル・ドリリング（ＭＷＤ、ＬＷＤ）において既に幅広く応用され、他の作動原理による加速度計と比べて、コスト、精度、環境適応性など総合性能により優れているので、慣性航法、石油メジャメント・ホワイル・ドリリングなどの分野ではマーケットシェアの大半を示している。
【０００３】
石英加速度計は、主に加速度センサ素子（クロックヘッダ）、サーボ処理回路、出力回路などの部分で構成され、そのうち、クロックヘッダの部分には、主に石英振動子、トルカ（torquer）ヨーク、トルカコイル、磁性鋼などの部材が含まれ、そのうち、石英振動子とトルカヨークの端面は差動容量を構成し、石英振動子の上下２つの金メッキ面は差動容量の可動極板とされ、トルカヨークは差動容量の固定極板とされ、外部からの加速度信号が入力されると、石英振動子は慣性の作用で振動し、それにより、差動容量の容量値が変化し、サーボ回路におけるＣ−Ｖ読出し回路により、差動容量の変化を電圧信号の変化に変換させ、そして、信号調整回路により相応な電流を帰還して出力し、トルカコイルを介してトルカに供給することで、外部による慣性加速度で発生した慣性力を相殺するバランストルクを生成し、閉ループシステムのフォースバランスを実現し、トルカに入力される帰還電流の大きさは入力される慣性加速度の値に比例するため、加速度のメトリックを実現する（つまり、帰還電流の大きさ及び極性によって入力加速度の大きさ及び方向を精確に表現できる）。
【０００４】
伝統的なサーボ処理回路は、主にＣ−Ｖ読出し回路、比例‐積分‐微分（ＰＩＤ）制御回路、トランスコンダクタンスアンプ回路、帰還アフターバーナー回路などのモジュールを含み、物理量の変換（Ｃ−Ｖ）、閉ループシステムにおける静的および動的特性の信号調整、および、電圧‐電流変換と駆動能力の実現などを主に実現する。
【０００５】
サーボ処理回路は、アナログ負帰還回路―帰還トルク付与方式がアナログ電流であるもの、および、パルスサーボ負帰還回路―帰還およびトルク付与方式がパルス電流であるもの、を含む。そして、パルス電流はまた、幅変調パルスと間欠パルスなどを含む。
【０００６】
出力回路（デジタル量子化）は、主に加速度計のデジタル化問題を解決するためのものであり、現在、伝統的な出力回路には、電流‐周波数（Ｉ−Ｆ）変換回路方式及びＡ／Ｄ変換方式を採用しており、Ｉ−Ｆ変換は、積分器と定電流源などのモジュールにより、出力電流のメトリック（デジタル化）を実現し、電流信号を周波数信号に変換することで、ナビゲーション計算機によるナビゲーション計算に利便性を図るものであり、Ａ／Ｄ変換方式は、出力電流信号をサンプリング抵抗を介して電圧信号に変換し、それを基に、伝統的なＡＤ変換チップにより、デジタル量に変換するものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来技術１：容量検出、アナログＰＩＤ制御方式、アナログ負帰還方式を採用し、Ｉ−Ｆ変換回路またはＡＤ変換回路を利用してデジタル量子化を実現する。
【０００８】
存在する問題：
１、回路の規模及びコスト。アナログ量の出力には、ナビゲーションソリューションを行う前にデジタル量に変換する必要がある。
現在、主流となる方式は、Ｉ−Ｆ変換を行うことであり、閉ループシステムにおけるサンプリング抵抗に嵌め込む必要がないので、Ｉ−Ｆ変換回路は、測定スケール及び内部パラメータに対してあまり影響を与えず、かつ、Ｉ−Ｆ変換回路とサーボ回路は互いに独立したものであり、互いに影響しないが、石英加速度計の全体的な精度レベルはＩ−Ｆ設計パラメータ及び精度によって直接に決まり、Ｉ−Ｆ変換回路の規模はより複雑で、精度が環境温度及びそれ自体のパラメータの変化による影響を受けやすいので、集積化や小型化およびコスト削減に不利である。
【０００９】
２、システムへの応答。アナログ量が出力されると、帰還した帯域幅は大きく制限されるので、非常に速い応答速度を実現するために、必ず帯域幅を増加する必要があるが、しかし、帯域幅を増加すると、不要なノイズをもたらしてしまい、機器全体の性能レベルに影響を与えた。
【００１０】
３、動的な誤差。アナログ帰還について、作動周波数帯域の電気的剛度（electrical spring constantは応答周波数に関わり、応答周波数の増加につれて、電気的剛度が低下していくので、動的な応答の精度も低下する。本発明について、オーバーサンプリングデジタル帰還技術を採用したので、システムの電気的剛度は有効な周波数帯域において大幅に増加し、さらに、システムの動的な応答精度が向上する。
【００１１】
４、デジタル量子化の精度。ＰＤＭ（パルス密度変調帰還）加速度計を用いた帰還信号は振幅が一定である一連のパルスであり、トルカが発生した可動質量ブロックに作用するリバランストルクは振幅値が一定である一連のトルクパルスであり、１つのパルスは１つの正確な加速度インクリメントを代表し、アナログ帰還加速度計の方式において、アナログ量を出力するには、アナログデジタル変換（例えば、慣性航法にＩＦ変換回路がよく使用され、工業分野ではＡＤ変換がよく使用され、即ち、Ｉ−Ｖ−Ｄ：電流が電圧に変換されてから、電圧量がデジタル化されること）を行う必要があり、しかし、デジタル帰還加速度計では、アナログデジタル変換過程は、加速度計システム回路において完成し、デジタル帰還は直接にはシステムの制御及び帰還量である。そのため、アナログデジタル変換の誤差は小さい。
【００１２】
５、線形度。伝統的なアナログ負帰還の線形度は主にトルカの線形度によって制限され、フルスケールの範囲内において、トルカによるトルク電流の変化範囲が大きい。例えば、測定スケールが±３０ｇで、スケール係数が１．２ｍＡ／ｇである石英加速度計では、１μｇの外部からの入力加速度値を認識できるように、１．２ｍＡ＊１０-6のトルク帰還電流を必要とする。しかし、外部からの入力加速度が３０Ｇである場合、帰還電流が１．２ｍＡ＊３０であり、トルカは、そのような動的な変化範囲において、その線形度への要求も高くなる。また、定電流源の電流増幅能力にも試練を与える。定電流源の精度及びトルカの線形度は、加速度計の線形度を決める。デジタル帰還制御について、入力加速度値を高速で、振幅値及び幅が等しいパルストルクに変調し、入力加速度を出力するパルス密度に量子化する。それにより、トルカによる大きな動的電流の非線形の問題を回避している。
【００１３】
従来技術２：パルス密度変調（ＰＤＭ）またはパルス幅変調（ＰＷＭ）負帰還技術を用いると、以下の問題が存在し、または、以下の問題を依然として解決していない。
従来技術２において、依然として、ナイキストサンプリング法に基づき、その全体的な制御方式は、相変わらず、伝統的なアナログ帰還方式に基づくものであるため、アナログ負帰還による動的な特性の不備も相変わらず存在する。例えば、動的な精度、システムの応答上の問題が存在する。
【００１４】
量子化によるノイズ問題を解決することなく、ノイズ成型（noise shaping）デジタル量で出力した量子化ノイズが比較的大きいことを実現しなく、デジタル化出力のビット数が高くなく、言い換えれば、デジタル量子化が行われた後、システムの精度が逆に損なわれてしまう。
【００１５】
デッドゾーン(Dead-Zone)またはアイドルトーン(Idle Tones)の問題が存在する。従来技術２のパルス密度帰還について、システムの電気的剛度が非常に小さいので、加速度計が比較的小さい入力信号での作動モードにおいて、その出力には、振動リングノイズでもたらされた不安定の問題が生じやすくなる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の問題を効率的に解決するために、本発明は、石英加速度計制御回路において、多次ΔΣ（sigma-delta）変調制御方式が採用され、具体的には、石英加速度計のセンサヘッダを１つの近似二次システムとし、多値ΔΣ変調器（sigma-delta modulator（ＳＤＭと略称する））に嵌め込む。本発明の回路設計、システム安定性の設計によれば、帰還電流のデジタル化を実現する同時に、デジタル帰還を実現し、オーバーサンプリング技術を用いて負帰還を実現し、閉ループシステムの線形度、動的精度を向上するなど有益な効果があり、また、ＳＤＭの応用によって、量子化ノイズの整形（noise shaping）を実現し、量子化ノイズ、デジタル量出力を非常に低くする目的を達成している。
【００１７】
本発明の具体的な技術案は以下の通りである。石英加速度計であって、
加速度信号を感知し、前記加速度信号を慣性トルクに変換してクロックヘッダ出力信号とするための石英クロックヘッダと、
クロックヘッダ出力信号をパルス発生装置識別可能な入力信号に変換する読出し装置と、
前記入力信号に対して制御アルゴリズム変換、オーバーサンプリング処理及びデジタル量子化を行うことで量子化された電流パルスを取得し、前記量子化された電流パルスを前記慣性トルクのバランスを取るための電磁トルクに変換するパルス発生装置とを備える。
【００１８】
さらに、前記パルス発生装置は、制御アルゴリズム手段、オーバーサンプリング手段、およびデジタル化手段を備える。
【００１９】
さらに、前記オーバーサンプリング手段は、パルス発生装置認識可能な入力信号に対してオーバーサンプリングを実現し、
前記制御アルゴリズム手段は、オーバーサンプリングされた信号を制御信号に変換し、
前記デジタル量子化手段は、制御信号を出力ビットストリーム信号に量子化する。
【００２０】
さらに、前記制御アルゴリズム手段は、制御アルゴリズムを行い、パルス発生装置認識可能な入力信号を制御信号に変換し、
前記オーバーサンプリング手段は、制御信号に対してオーバーサンプリングを実現し、
前記デジタル量子化手段は、デジタル量子化を行い、オーバーサンプリングされた制御信号を出力ビットストリーム信号に量子化する。
【００２１】
さらに、前記石英加速度計は電磁トルクパルス制御手段をさらに備える。
さらに、前記電磁トルクパルス制御手段は、タイミング制御手段、定電流源手段を備える。さらに、前記電磁トルク制御手段は量子化された電流パルスを受信し、前記タイミング制御手段は定電流源手段の導通方向及び導通の回数を切り替えて制御することで、加速度信号の方向及び大きさを判断し、かつ、電磁トルクのバランスを取るために石英クロックヘッダの電磁トルク手段を帰還して制御する。
【００２２】
さらに、前記量子化された電流パルスはビットストリーム信号であり、前記ビットストリーム信号はオーバーサンプリングされた変調信号であり、前記ビットストリーム信号は前記慣性トルクのバランスを取るための帰還力の大きさ及び極性情報を含む。
【００２３】
さらに、前記クロックヘッダ出力信号は容量信号であり、前記読出し装置は容量信号をパルス発生装置認識可能な電圧信号に変換する。
さらに、前記制御アルゴリズム手段は補償手段を備え、前記補償手段は前記石英加速度計の閉ループ回路に対して位相補償を行う。
【００２４】
さらに、前記石英クロックヘッダは主に、石英振動子、トルカヨーク、トルカコイル及び磁性鋼を含み、
前記石英振動子とトルカヨークの端面は差動容量を構成し、前記石英振動子の上下２つの金メッキ面は差動容量の可動極板とされ、前記トルカヨークは差動容量の固定極板とされ、
前記タイミング制御手段は定電流源手段の導通方向及び導通の回数を切り替えて制御することで、加速度信号の方向及び大きさを判断し、前記トルカコイルと磁性鋼で発生した帰還トルクは慣性トルクと釣り合う。
【００２５】
さらに、前記石英加速度計は、量子化された電流パルスをダウンサンプリングし、フィルタリング処理してから、デジタル量信号を出力するフィルタ抽出手段をさらに備える。
石英加速度計の閉ループ制御方法であって、
加速度信号を感知するための石英クロックヘッダを提供し、前記加速度信号を慣性トルクに変換し、前記慣性トルクはクロックヘッダ出力信号となり、
前記出力信号をパルス発生装置認識可能な入力信号に変換するとともに、パルス発生装置に入力し、
前記パルス発生装置は、入力信号に対して制御アルゴリズム変換、オーバーサンプリング処理及びデジタル量子化を行うことで量子化された電流パルスを取得し、前記量子化された電流パルスを前記慣性トルクのバランスを取るための電磁トルクに変換することを含む。
【００２６】
さらに、前記パルス発生装置は、前記入力信号に対して制御アルゴリズム変換、オーバーサンプリング処理及びデジタル量子化電流パルス出力を順次に行う。
【００２７】
さらに、前記パルス発生装置は、前記入力信号に対して制御アルゴリズム変換、オーバーサンプリング処理及びデジタル量子化電流パルス出力を順次に行う。
【００２８】
さらに、前記入力信号に対してオーバーサンプリングを実現するオーバーサンプリング手段を提供し、前記オーバーサンプリングされた信号を制御信号に変換する制御アルゴリズム手段を提供し、オーバーサンプリングされた制御信号を出力ビットストリームに量子化するデジタル量子化手段を提供する。
【００２９】
さらに、入力信号を制御信号に変換する制御アルゴリズム手段を提供し、
前記制御信号をオーバーサンプリングされた制御信号に変換するオーバーサンプリング手段を提供し、
オーバーサンプリングされた制御信号を出力ビットストリーム信号に量子化するデジタル量子化手段を提供する。さらに、前記クロックヘッダ出力信号は容量信号であり、前記パルス発生装置認識可能な入力信号は電圧信号であり、
前記容量信号は読出し装置によってパルス発生装置認識可能な電圧信号に変換される。
【００３０】
さらに、タイミング制御手段および定電流手段を備える電磁トルクパルス制御手段を提供し、
前記電磁トルク制御手段は量子化された電流パルスを受信し、前記タイミング制御手段は定電流源手段の導通方向及び導通の回数を切り替えて制御することで、加速度信号の方向及び大きさを判断し、かつ、電磁トルクのバランスを取るために石英クロックヘッダの電磁トルク手段を帰還して制御する。
【００３１】
さらに、前記方法は、前記石英加速度計の閉ループ回路に対して位相補償を行う補償手段をさらに提供する。
【００３２】
さらに、前記量子化された電流パルスはビットストリーム信号であり、前記ビットストリーム信号はオーバーサンプリングされた変調波であり、前記慣性トルクのバランスを取るための帰還力の大きさ及び極性情報を含む。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の有益な効果は以下の通りである。オーバーサンプリング技術を用いて負帰還を実現し、閉ループシステムの線形度、動的精度を大幅に向上し、また、ＳＤＭの応用によって、量子化ノイズの整形（noise shaping）を実現し、量子化ノイズ、デジタル量出力を非常に低くする目的を達成している。本発明は、石英加速度計クロックヘッダを１つの標準的な２次システムとして、ΔΣ変調器（ＳＤＭ）回路（loop）に嵌めあい、１つの新しい多次（２次、３次、４次、５次、６次など）閉ループシステムを構成し、デジタルトルク帰還アフターバーナーの難問、多次ΔΣ全閉ループシステムの安全性の問題、量子化ノイズの最適設計などの難問を解決している。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、本発明の石英加速度計のシステムアーキテクチャ図（スイッチ容量モード）である。
【図２】図２は、本発明の石英加速度計のシステムアーキテクチャ図（連続時間モード）である。
【図３】図３は、６次石英加速度計がＰＳＤ（１６１．２ｄＢ）を出力する概略図である。
【図４】図４は、６次信号伝送関数周波数特性曲線である。
【図５】図５は、６次ノイズ伝送関数周波数特性曲線である。
【図６】図６は、ゼロ極点の概略図である。
【図７】図７は、共振点付きフィードフォワードのアーキテクチャ図である。
【図８】図８は、電磁トルクパルス制御手段のタイミング制御図である。
【図９】（ａ）は石英クロックヘッダの構造概略図の分解図であり、（ｂ）は石英クロックヘッダの構造断面図であり、（ｃ）は石英クロックヘッダの構造側視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
本発明の目的、技術案および利点をより明瞭にするために、以下は、添付図面および実施例を結び付けながら、本発明をさらに詳しく説明する。理解すべきのは、ここで記載の具体的な実施例は、本発明を解釈するためのものに過ぎず、本発明を規制するものではない。
【００３６】
それどころか、本発明は、請求項に定義された本発明の思想および範囲上に行われた代替、補正、等価方法および方案を全部カバーしたものである。さらに、公衆が理解できるように、本発明を分かりやすくするために、後述する本発明の詳細記載において、ある特定の詳細部分について詳しく記述する。当業者にとっては、それらの詳細部分の記載がなくても、本発明を完全に理解できるはずである。
【００３７】
従来技術において、石英加速度計は、主に加速度センサ素子（クロックヘッダ）、サーボ処理回路、出力回路などの部分で構成され、そのうち、クロックヘッダの部分には、主に石英振動子、トルカヨーク、トルカコイル、磁性鋼などの部材が含まれ、そのうち、石英振動子とトルカヨークの端面は差動容量を構成し、石英振動子の上下２つの金メッキ面は差動容量の可動極板とされ、トルカヨークは差動容量の固定極板とされ、外部からの加速度信号が入力されると、石英振動子は慣性の作用で振動し、それにより、差動容量の容量値が変化し、サーボ回路におけるＣ−Ｖ読出し回路により、差動容量の変化を電圧信号の変化に変換させ、そして、信号調整回路により相応な電流を帰還して出力し、トルカコイルを介してトルカに供給することで、外部による慣性加速度で発生した慣性力を相殺するバランストルクを生成し、閉ループシステムのフォースバランスを実現し、トルカに入力される帰還電流の大きさは入力される慣性加速度の値に比例するため、加速度のメトリックを実現している。
【００３８】
一実施例として、図１に示すように、本発明における制御システムアーキテクチャでは、石英加速度計センサクロックヘッダを１つの多次ΔΣ変調器（ＳＤＭ）に嵌め込み、合理的な回路設計、システム安定性の設計によれば、帰還電流の量子化（デジタル化）を実現すると同時に、デジタル帰還を実現している。オーバーサンプリング技術を用いて負帰還を実現しているので、閉ループシステムの線形度、動的精度が大幅に向上し、また、ＳＤＭの応用によって、量子化ノイズの整形（noise shaping）を実現し、量子化ノイズ、デジタル量出力を非常に低くする目的を達成している。
【００３９】
本発明における石英加速度計ＳＤＭ回路の実現方式はスイッチ容量式モード及び連続時間作動モードである。
【００４０】
前記容量式モードの石英加速度計は、石英クロックヘッダ１、Ｃ−Ｖ読み出し回路２、オーバーサンプリング手段３、制御アルゴリズム手段４、デジタル量子化手段５および電磁トルクパルス制御手段７を含み、前記石英クロックヘッダ１、Ｃ−Ｖ読み出し回路２、オーバーサンプリング手段３、制御アルゴリズム手段４、デジタル量子化手段５および電磁トルクパルス制御手段７は順次に接続して回路を構成し、前記容量式モードの石英加速度計はフィルタ抽出手段６をさらに含み、前記フィルタ抽出手段６はダウンサンプリングのフィルタリング処理を採用し、前記フィルタ抽出手段はデジタル量子化手段５の出力端に接続されている。
【００４１】
スイッチ容量の実現モードについて、Ｃ−Ｖ読出し回路２は、外部からの加速度入力による容量極板の差動容量変化を電圧変化に変換し、タイミング制御により、Ｃ−Ｖ読出し回路２のオーバーサンプリングを実現し、オーバーサンプリング率ＯＳＲは、システムレベルの精度レベル要求、パワー、回路の複雑さという要因によって総合的に制約される。一実施例として、例えば、帯域幅が１ＫＨｚである石英加速度計について、サンプリング率が１２８ＫＨｚである場合、そのオーバーサンプリング率が６４となり、オーバーサンプリング率と後述する積分器の次数によって、量子化ノイズに対するシステム信号のＳＮＱＲが直接に決められ、その点について、以下の積分器の次数に関する紹介において詳しく説明する。
【００４２】
明細書の図２を参照して、本発明のもう１つの実施例が明らかになった。連続時間実現モードについて、スイッチ容量実現モードに類似しているが、唯一の区別は、連続時間実現モードにおけるオーバーサンプリングが制御アルゴリズムの後のレベルにあり、つまり、量子化比較回路モードによって、オーバーサンプリングが実現されることである。両者は本質的からすれば一致するが、制御システムの分析角度からすれば、Ｚ域とＳ域の変換となる。以下の分析は、スイッチ容量差動モード（離散域−Ｚ域）に基づく分析であり、その原理も連続時間作動モード（連続域、Ｓ域）に適用できる。
【００４３】
補償回路によって閉ループシステムの位相補償を実現し、多次積分器の作用により、ループには１８０度を超えた位相遅延を発生させ、システムを不安定にさせてしまい、特にＱ値が高い加速度センサヘッダに対して、補償回路がとりわけ重要である。離散システムについて、簡単補償回路の伝送関数は（ｚ−ｚ0）／ｚに等価置換することができ、ゼロ点（ｚ0）の位置およびパラメータを調整することで、位相補償のパラメータ設定を実現する。石英加速度計の閉ループシステムについて、ループには多次積分器が導入され、下図に示すように、例えば、４次、５次、６次ＳＤＭにはそれぞれ、２つ、３つ、４つの積分器が導入されているので、積分器の導入によって、閉ループシステムの安定性に対して多大なチャレンジを与える。５次ＳＤＭを例にすると、３つの積分器が導入されたので、開ループにおける周波数伝送特性曲線に２７度の位相転移を発生させる。また、極めて低いノイズが使用された場合、石英可撓性加速度計センサヘッダを真空包装する必要があり、それにより、その熱ノイズを減少させて、センサヘッダ共振点に１８度の位相転移を発生させる。そうすると、非常に精確な位相補償回路の設計が必要とされる。
【００４４】
ループフィルタ回路は多次積分器で構成され、その伝送関数は、
【数１】
0006342071.tif 000002
となり、そのうち、ｎが積分器の次数である。例えば、ｎ＝４の場合、加速度センサチップヘッダでの近似２次積分を加算したものを６次ＳＤＭと称する。伝統的なＳＤＭにとって、量子化ノイズに対する有用信号のＳＱＮＲは下式により示される：
【数２】
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となる。
【００４５】
これより分かるように、ＳＮＲは積分器の次数Ｎ、オーバーサンプリング率ＯＳＲに関係する。加速度センサデバイスがＳＤＭに嵌め込まれた場合、その量子化ノイズに対する信号のＳＮＲについても、上式が参照されてもよい。
【００４６】
多次積分器から出力された信号はゼロ比較器回路を通過して、１ビットのデータストリームを発生し、そのデータストリームは定電流源制御回路にアップロードされて、タイミング制御により定電流源の導通方向および導通回数を切り換え、入力された加速度信号の方向および大きさを判断し、帰還電流の量子化を実現している。比較器から出力されたビットストリームは、サンプリングされた変調波であり、外部から入力された加速度の情報を含むので、入力加速度のメトリックを実現した。ここまでで、クロックヘッダがＳＤＭに嵌め込まれるという閉ループ作動過程が完成している。
【００４７】
出力されたビットストリームはオーバーサンプリングされたもので、レートが高すぎるデータによってＤＳＰの処理に不利を与える。その他、出力されたビットストリームスペクトルには高周波数のノイズ部分（ノイズ整形結果）が含まれているので、出力されたビットストリームをダウンサンプリングし（ＤＳＰ処理のナイキストサンプリングを満すこと）、フィルタリングする（高周波数量子化ノイズ成分を除去すること）必要がある。ダウンサンプリングのフィルタリング処理が行われたビットストリームによって、入力加速度のメトリックのデジタル化を実現している。
【００４８】
ループフィルタのアーキテクチャ実現は、ＳＤＭアーキテクチャに類似している。石英加速度計の２次クロックヘッダモデルを結び付けながら、６次モデルを例にして、システムアーキテクチャの一実施例は図７に示した通りである。
【００４９】
異なるアーキテクチャを採用した場合について、設計思想はほぼ一致する。一実施例において、共振点が存在するトポロジアーキテクチャについて、エネルギーの角度からすれば、石英加速度計の量子化ノイズ整形能力を向上させている。即ち、量子化ノイズを、作動バンドから高周波数バンドまでに「掘り起こし」、共振点の位置によって、「掘り起こした」量子化ノイズのエネルギーの位置が決められる。
【００５０】
連続時間に基づく制御アーキテクチャについて、ループフィルタのアーキテクチャは類似している。
【００５１】
石英加速度計のヘッダをＳＤＭ閉ループシステムに嵌め込むには、トルカによるトルク付与電流の実現が難題である。図８は、一実施例として、１ビットのデータストリームで制御するパルス密度変調トルク付与方式を挙げている。トルカに付与されたのは一定の電流振幅値と一定の周波数であるが、その極性は変調可能なものである。１つのサンプリング周期において、出力された正パルスと負パルスの和は、加速度としてのメトリックとなる。
【００５２】
図８は、ロジック回路により実現された１ビットのトルク付与方式である。制御アルゴリズム手段から出力された信号は、電磁トルク帰還付勢が付けられた極性および大きさの情報である。極性によりデジタル量子化手段を判断することで、出力を１または−１にさせ、デジタル量子化手段はタイミング制御手段と協働して、電子スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４のオン・オフを制御する。一実施例において、比較器による出力が１である場合、Ｓ２／Ｓ４がオンとなり、Ｓ１／Ｓ３がオフとなり、トルカコイルの電流向きはＡ→Ｂである。逆にいうと、比較器による出力が−１である場合、Ｓ１／Ｓ３がオンとなり、Ｓ２／Ｓ４がオフとなり、トルカコイルの電流向きはＢ→Ａである。トルカコイルの電流向きは、電磁トルクの方向を示し、電磁トルクは外部から入力された加速度で発生した慣性トルクのバランスを取るために用いられる。そのため、デジタル量子化手段から出力されたハイ・ローレベル（１または−１）の個数および極性は、帰還電磁トルクの大きさおよび極性を示し、入力された加速度のメトリックとされてもよい。以上の過程は、いずれも、オーバーサンプリングによって実現される。デジタル量子化手段から出力されたのは、１ビットのビットストリーム信号であり、出力されたビットストリーム信号は、既にセンサ加速度の大きさおよび極性が付けられた情報である。ただし、ビットストリーム信号はオーバーサンプリングされたものであり、データストリームが大きいので、デジタル計算機による計算処理のためにより提供しやすくするために（例えば、３つの石英クロックと３つのジャイロスコープで構成されたＩＭＵシステムについて、石英クロックのデジタル信号を収集して処理する必要がある）、出力されたビットストリーム信号をダウンサンプリングし、フィルタリングする必要がある。一方では、サンプリング率を低減して、出力されたビット数を高め、もう一方では、フィルタ回路はノイズ整形における有用な周波数バンド外の高周波数信号を除去する。それにより、石英クロックによる高精度デジタル出力の目的を実現し、石英クロックのデジタル閉ループ、デジタル出力を実現している。
【００５３】
以上は、本発明のより好ましい実施例に過ぎず、本発明を何らかの形式で制限するものではない。本発明はより好ましい実施例で以上のように挙げられたが、それに限られていない。当業界に詳しい技術者であれば、本発明の技術案の範囲から逸脱しない限り、以上に挙げられた方法や技術内容によって本発明の技術案に対して種々の変動や修飾を行うことができ、または、同等変化した等価実施例に補正することができる。従って、本発明の技術案から逸脱しない内容であれば、本発明の技術実質に基づいて以上の実施例に対して行われた如何なる簡単な補正、同等変化および修飾は、いずれも、本発明の技術案の保護範囲内にあるものに属する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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