(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レート軸に関しての慣性センサの回転運動を検知するための少なくとも１つのプルーフ・マスおよび検知電極を含む前記慣性センサにおける、振動や衝撃により誘導される誤差を低減するための適応回路であって、
少なくとも１つの前記検知電極に電気的に接続され、前記レート軸に関しての前記慣性センサの回転運動に少なくとも部分的に基づいて、対応するプルーフ・マスに電荷を生成するように適合された検知バイアス電圧源と、
それぞれの前記プルーフ・マスに電気的に接続され、前記プルーフ・マスに生成された前記電荷に少なくとも部分的に基づいてレート信号を出力するように適合された少なくとも１つの増幅器と、
前記慣性センサに対する外部振動や衝撃を検出するため及び／又は予測するための手段と、
前記慣性センサに対する外部振動や衝撃に応答して、プルーフ・マス運動を減衰させるように適合されたダンプ用抵抗エレメントと、
外部振動や衝撃が検知されたとき及び／又は予測されるときに、前記ダンプ用抵抗エレメントを選択的に接続させてプルーフ・マス運動を減衰させるようにするためのダンプ用スイッチ・セレクタと
を備える適応回路。
【請求項２】
請求項１に記載の適応回路であって、前記慣性センサに対する外部振動や衝撃を検出するため及び／又は予測するための前記手段が、前記慣性センサの管理システムおよびセンサのうち少なくとも１つからの信号またはコマンドを含む、適応回路。
【請求項３】
請求項１に記載の適応回路であって、前記ダンプ用抵抗エレメントは、複数の固定値抵抗器を含み、前記ダンプ用スイッチ・セレクタは、検出及び／又は予測された外部振動や衝撃の大きさに少なくとも部分的に基づいて、前記複数の固定値抵抗器の１または複数のものを選択的に接続させるように適合される、適応回路。
【請求項４】
請求項１に記載の適応回路であって、前記ダンプ用抵抗エレメントは、少なくとも１つの前記検知電極と前記検知バイアス電圧源との間に直列に配置され、適応回路は、少なくとも１つの前記検知電極へ供給される前記検知バイアス電圧を安定化させるように適合されたスイッチ・コンデンサを更に備え、かつ、前記検知バイアス電圧源に接続された検知抵抗器を流れる電流に少なくとも部分的に基づいて、前記ダンプ用抵抗エレメントを選択的に接続させてプルーフ・マス運動を減衰させるように適合されたコントローラを更に備える、適応回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に慣性センサの分野に関する。より詳細には、本発明は、慣性センサにおける振動により誘導される誤差を低減するための適応回路および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、米国陸軍ＴＡＣＯＭ−ＡＲＤＥＣ契約番号ＤＡＡＥ３０−０１−９−０１００の下で政府に支援されてなされた。政府は本発明における或る種の権利を有する。
【０００３】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）・ジャイロスコープ・デバイスは、１次元または複数次元における慣性運動を検知するために、様々な応用分野で使用される。そのようなデバイスは、運動や加速度の小さな変化を測定および／または検出することが必要であり得る、あるいは、サイズおよび／または重量が重要な設計考慮点である、高い信頼度および精度を要求する応用分野において、特に有用である。例えば、航行システムや通信システムの設計では、そのようなデバイスは、空間を移動する物体の直線運動や回転運動のわずかな変動を測定する際および／または検出する際に有用である。そのようなデバイスは、バッチ半導体生産技術を用いて製造することができるため、従来の製造技術より高い公差および信頼性を達成することができる。
【０００４】
ＭＥＭＳタイプのジャイロスコープの設計は、特定の目的に応じて大きく変わる。例えば、レート・ジャイロスコープは、しばしば、コリオリの力を生成および測定することにより、移動する物体の回転のレート（ｒａｔｅ、速度）を決定するために使用される。振動タイプのレート・ジャイロスコープ、例えば、１または複数のプルーフ・マスを含む駆動システムは、運動が判定される入力軸すなわち「レート軸」に直交する駆動面で、モータ・ピックオフ・コームに対して前後に振動するように構成することができる。プルーフ・マスはそれぞれ幾つかのインターデジタルのコーム・フィンガを含み、これらのコーム・フィンガは、駆動電圧源からの時間変化する信号で静電的に帯電されたときに、互いに移動するように構成される。典型的には、幾つかのサスペンションばねや他の撓むエレメントを使用し、下にある支持基板の上方で、特定の方向における各プルーフ・マスの運動を制約する。
【０００５】
各プルーフ・マスに隣接し且つ平行な基板上に配置された検知電極または他の検知手段を、検知バイアス電圧で荷電させることができる。各プルーフ・マスが基板の上で前後に移動すると、移動体が入力軸の周りで回転したときのその移動体の運動量の保存に起因するコリオリの力により、各プルーフ・マスと検知電極との間の間隔が変化し、それに伴ってキャパシタンスが変化する。プルーフ・マスと検知電極との間のキャパシタンスを測定することにより、移動体の回転運動および／または加速度の量を確かめることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＭＥＭＳジャイロスコープは、しばしば、それらの性能を劣化させる可能性がある過酷な環境で使用される。例えば、幾つかの航行応用分野では、そのようなデバイスは、振動および／または衝撃など環境要因がしばしば存在する航空機やミサイルや他の移動物体の回転を検知および測定するために、慣性センサの一部として使用される。そのような振動および／または衝撃の一例は、例えば何らかの航空機やミサイルの安定化のために使用されるカナードの配備に起因すものであり、それにより、センサ出力に一時的に影響を及ぼす瞬間的な衝撃が引き起こされ得る。比較的大きい外部振動が存在する場合、レートを測定するために幾つかの慣性センサにより使用される電荷増幅器は、比較的大きいセンサ出力により圧倒されて、増幅器が一時的にクリッピング（ｃｌｉｐ）してヌル・レート信号を出力する。他の場合においては、環境内の振動や衝撃により、慣性センサが、センサの真の回転を不正確に反映する飽和信号を出力するおそれがある。多数の従来の慣性検知用デバイスは、環境内のこれらの振動や衝撃を適応可能に補償することができないため、運動または加速度のかすかな変化を正確に検出および測定するこれらのデバイスの能力は、幾つかの状況において損なわれるおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、慣性センサにおける、振動や衝撃により誘導される誤差を低減するための適応回路および方法に関する。本明細書で論じられている適応回路および方法は、振動や衝撃により誘導される誤差を受けやすい多種多様な慣性センサに適用可能である。例えば、幾つかの実施形態では、本明細書で論じられている適応回路および方法は、幾つかの振動するプルーフ・マスと静止した検知電極とを使用して、レート軸に対してのジャイロスコープの回転運動に起因するコリオリの力を検知するＭＥＭＳタイプのレート・ジャイロスコープにおいて、誤差を低減するために使用することができる。しかし、本明細書で論じられている適応回路および方法は、望まれる場合には、他のタイプの慣性センサにおいて使用することもできることを理解されたい。
【０００８】
例示的な実施形態による適応回路は、検知電極と電気的に接続され、対応するプルーフ・マスに電荷を生成する検知バイアス電圧源と、各プルーフ・マスと電気的に接続され、プルーフ・マスで生成された電荷に少なくとも部分的に基づいてレート信号を出力する増幅器と、慣性センサに対する外部振動もしくは衝撃を検出および／または予測（ａｎｔｉｃｉｐａｔｅ）する手段と、慣性センサに対する外部振動や衝撃に応答して、選択的にプルーフ・マス運動のダンプ（減衰）および／または増幅器の利得感度の調整を行う手段とを含むことができる。
【０００９】
幾つかの実施形態では、レート信号の信号飽和を防止するために、固定抵抗器または可変抵抗器などのようなダンプ用（ｄａｍｐｅｎｉｎｇ）抵抗エレメントを使用して、振動や衝撃の期間中にプルーフ・マス運動を減衰することができる。ダンプ用抵抗エレメントは、それぞれのプルーフ・マスと増幅器との間に直列に配置することができる。代替例として、またはそれに加えて、ダンプ用抵抗エレメントは、それぞれの検知電極と検知バイアス電圧源との間に直列に配置することができる。動作中に、ダンプ用抵抗エレメントは、振動や衝撃により生じたプルーフ・マス・エネルギーを吸収して、検知用電子回路の信号飽和を防止するように構成することができる。プルーフ・マス運動の減衰は、例えば、外部振動もしくは衝撃が検出されたときや、外部振動もしくは衝撃が発生することが予測されるときに、行うことができる。
【００１０】
慣性センサにおける振動や衝撃により誘導される誤差の低減は、更に、幾つかの実施形態においては、ジャイロスコープのレートを測定するための検知用電子回路により使用される増幅器の利得感度を調整することにより、行うことができる。例えば、幾つかの実施形態では、利得感度は、環境内に存在する振動や衝撃の量に応じて、増幅器の信号利得を増大または減少させるように、複数のフィードバック・コンデンサ間で切り替えを行うことにより、調整することができる。他の実施形態では、複数の電荷増幅器、また代替例としては、複数のチャネルを有する単一の電荷増幅器を、振動や衝撃の期間中に利得感度を即座に調整するために使用できる複数のレート信号を出力するように、構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下の説明は図面と併せ読むべきであり、様々な図面では、同様のエレメントに同様の符号を付している。図面は、必ずしも原寸に比例せず、選択された実施形態を示しており、本発明の範囲を限定しないものとする。様々なエレメントについての構造、寸法、材料の例が示されているが、当業者であれば、提供されているそれらの例の多くは、使用できる適した代替例を有することを理解するであろう。本明細書で提供されている様々な例は、ＭＥＭＳタイプのレート・ジャイロスコープにおいて、振動や衝撃により誘導される誤差を低減することについて論じるが、本明細書で論じられている適応回路および方法は、そのような振動や衝撃に関連する誤差を受けやすい他のタイプのセンサにおいて使用することもできることを、理解されたい。
【００１２】
次に図１を参照して、ＭＥＭＳタイプのジャイロスコープ１０の概略図について説明する。ジャイロスコープ１０、例えば振動レート・ジャイロスコープは、第１のプルーフ・マス１２と第２のプルーフ・マス１４とを含み、それらのプルーフ・マスのそれぞれは、下にある支持基板１６、即ち、慣性運動が判定されるジャイロスコープの入力軸１８に直交する駆動面における支持基板１６の上方で、前後に振動するように適合される。左右の組の矢印２０により概略的に示されるように、第１のプルーフ・マス１２は、支持基板１６の上で、第１のモータ・ピックオフ・コーム２２と第１の駆動電極２４との間で、前後に振動するように構成することができ、第１のモータ・ピックオフ・コーム２２と第１の駆動電極２４は共に、第１のプルーフ・マス１２の動きを制限するように、支持基板１６の上で静止している。第２のプルーフ・マス１４は、支持基板１６の上方で、第２のモータ・ピックオフ・コーム２６と第２の駆動電極２８との間で、同様に、しかし左右の組の矢印３０により概略的に示されているように、第１のプルーフ・マス１２と１８０度位相がずれて前後に振動するように、構成することができる。
【００１３】
第１のプルーフ・マス１２は、第１の端部３２、第２の端部３４、第１の側部３６、第２の側部３８を有する薄いプレートまたは他の好適な構造を含む。第１のプルーフ・マス１２を、左右の組の矢印２０により示される方向に静電的に駆動するために使用される幾つかのコーム・フィンガ４０、４２が、第１のプルーフ・マス１２のそれぞれの端部３２、３４から外向きに延びている。例えば、図１に示されている例示的なジャイロスコープ１０では、第１のプルーフ・マス１２の第１の端部３２から外向きに延びる第１組のコーム・フィンガ４０は、第１の駆動電極２４に形成された対応するコーム・フィンガ４４の組と互いに噛み合わせる構成（インターデジタルの構成）とすることができる。第１のプルーフ・マス１２の第２の端部３４から外向きに延びる第２の組のコーム・フィンガ４２は、第１のモータ・ピックオフ・コーム２２に形成された対応するコーム・フィンガ４６の組とインターデジタルの構成とすることができる。
【００１４】
第２のプルーフ・マス１４は、第１の端部４８、第２の端部５０、第１の側部５２、第２の側部５４を有し、第１のプルーフ・マス１２と同様に構成することができる。第２のプルーフ・マス１６の第１の端部４８から外向きに延びる第１の組のコーム・フィンガ５６は、第２のモータ・ピックオフ・コーム２６に形成された対応するコーム・フィンガ５８の組とインターデジタルの構成にすることができる。第２のプルーフ・マス１４の第２の端部５０から外向きに延びる第２の組のコーム・フィンガ６０は、第２の駆動電極２８に形成された対応するコーム・フィンガ６２の組とインターデジタルの構成にすることができる。
【００１５】
第１のプルーフ・マス１２および第２のプルーフ・マス１４を、１または複数のサスペンションばねを使用して、下にある支持構造１６の上で１または複数の方向に制限することができる。例えば、図１に示されているように、第１のプルーフ・マス１２は、サスペンションばね６４を使用して支持基板１６に固定または結合することができ、サスペンションばね６４は、それぞれの端部６６で第１のプルーフ・マス１２の４隅と接続する。同様に、第２のプルーフ・マス１４は、第２の組の４つのばね６８を使用して下にある支持基板１６に固定または結合することができ、ばね６８は、それぞれの端部７０で第２のプルーフ・マス１４の４隅と接続する。使用時に、サスペンションばね６４、６８は、入力軸１８の方向の望ましくない垂直運動を低減するために、また、検知用運動７２の方向での直交運動（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  ｍｏｔｉｏｎ）を低減するために、左右の組の矢印２０、３０により概略的に示されている方向への第１のプルーフ・マス１２および第２のプルーフ・マス１４の振動移動を分離するように、構成することができる。支持基板１６上でプルーフ・マス１２、１４を支持することに加えて、サスペンションばね６４、６８はまた、それぞれの始動サイクル中に駆動電圧信号がゼロ点を通過したとき復元力を提供するように、構成することができる。
【００１６】
駆動電圧ＶＤを第１の駆動電極２４および第２の駆動電極２８に印加し、インターデジタル・コーム・フィンガ間で、コーム・フィンガを互いに静電的に移動させる静電気力を生成することができる。駆動電圧ＶＤは、コーム・フィンガへ送られる電荷を交互に入れ替えるように、時間で変化する電圧信号を出力するように構成することができ、それにより、サスペンションばね６４、６８と関連して、第１のプルーフ・マス１２および第２のプルーフ・マス１４が、支持基板１６の上で特定の様式で前後に振動するようにする。典型的には、駆動電圧ＶＤは、第１のプルーフ・マス１２および第２のプルーフ・マス１４の共振周波数に対応する周波数を有することになるが、望ましい場合には、他の所望の駆動周波数を使用することもできる。
【００１７】
１対の検知電極７４、７６を、検知用システムの一部として設けて、入力軸１８に関してのジャイロスコープの運きの結果としての、検知運動方向７２における第１のプルーフ・マス１２および第２のプルーフ・マス１４の面からずれた偏差を検出および測定することができる。図１の破線により示されているように、検知電極７４、７６は、薄い矩形電極プレートを含むことができ、この電極プレートは、プルーフ・マス１２、１４の下に配置され、それぞれの検知電極７４、７６の上面がそれぞれのプルーフ・マス１２、１４の下側に垂直方向に隣接しかつ平行であるように配される。検知電極７４、７６は、周りのコーム・フィンガ４０、４２、５６、６０との電気的な干渉を最小限に抑えて、検知信号への駆動電圧源ＶＤの漏れを防止するように、サイズおよび形状を構成する。
【００１８】
検知電極７４、７６のそれぞれに印加される検知バイアス電圧ＶＳを使用して、第１のプルーフ・マス１２および第２のプルーフ・マス１４上において、それぞれの検知電極７４、７６とプルーフ・マス１２、１４との間のキャパシタンスに比例しての電荷を誘導することができる。検知電極７４、７６は、第１のプルーフ・マス１２および第２のプルーフ・マス１４を形成するために使用される材料（例えば、シリコン・ドープされた導体）と導電性であるシリコンなどのような、好適な材料で形成して、検知バイアス電圧ＶＳと相対して検知電極７４、７６で生成された電荷をプルーフ・マス１２、１４へ送ることを可能にする。
【００１９】
使用中に、入力軸１８に対するジャイロスコープ１０の回転運動により生じるコリオリの力が、第１のプルーフ・マス１２と第２のプルーフ・マス１４を、検知電極７４、７６に対して面がずれるように移動させる。これが発生すると、それぞれの検知電極７４、７６とプルーフ・マス１２、１４との間の間隔の変化が、検知電極７４、７６とプルーフ・マス１２、１４との間のキャパシタンスの変化を誘導し、この変化は、プルーフ・マス１２、１４上の電荷として測定することができる。次いで、プルーフ・マス１２、１４上の受け取られた結果的な電荷は、検知信号として、様々なサスペンションばね６４、６８を介して幾つかのリード７８へ供給される。リード７８は、電荷増幅器８０に電気的に接続させることができ、電荷増幅器８０は、第１のプルーフ・マス１２および第２のプルーフ・マス１４から受け取られた電荷信号、または電流を、コリオリの力を示す対応するレート信号８２へと変換する。
【００２０】
電荷増幅器８０に対する入力をゼロまたは約ゼロで平衡させるのを助けるために、第１のプルーフ・マス１２へ印加される検知バイアス電圧ＶＳは、第２のプルーフ・マス１４へ印加される検知バイアス電圧ＶＳの極性と反対の極性を有することができる。例えば、幾つかの設計では、＋５Ｖと−５Ｖの検知バイアス電圧ＶＳを検知電極７４、７６のそれぞれへ印加して、不均衡な電流が電荷増幅器８０の出力ノード８４へ流れ込むのを防止することができる。プルーフ・マス１２、１４で誘導された電荷を仮想接地の電位に維持するために、望まれる場合には、比較的大きい値の抵抗器８６およびコンデンサ８７を、電荷増幅器８０の出力ノード８４および入力ノード８８の両端間に接続することができる。
【００２１】
モータ・ピックオフ・バイアス電圧ＶＤＣを、第１のモータ・ピックオフ・コーム２２と第２のモータ・ピックオフ・コーム２６の両端間で供給して、駆動電圧源ＶＤを介して誘導されたプルーフ・マス１２、１４の変位を検知および／または測定することができる。場合によっては、２つのモータ・ピックオフ・コーム２２、２６のバイアスは、反対の符号のものであり得る。第１、第２のモータ・ピックオフ・コーム２２、２６のコーム・フィンガ４６、５８に対する第１、第２のプルーフ・マス１２、１４のコーム・フィンガ４２、５６の移動により生じるモータ・ピックオフ電圧ＶＰＩＣＫを使用して、第１のプルーフ・マス１２および第２のプルーフ・マス１４の運動を検出することができる。
【００２２】
ジャイロスコープ１０の動作中に、環境内の外部衝撃または振動により、検知運動７２の方向での第１のプルーフ・マス１２および第２のプルーフ・マス１４の望ましくない運動が生じ、それにより、電荷増幅器８０により出力されるレート信号８２に、プルーフ・マス１２、１４にかかる誘導されたコリオリの力に起因する望まれるレート信号成分と、プルーフ・マス１２、１４に対する外部振動や衝撃による望まれない信号成分とを、共に含ませることになる。場合によっては、レート信号８２中の外部振動や衝撃の成分が、所望のコリオリ信号成分と比べて著しいものであり、それにより、出力されるレート信号８２を飽和させるおそれがある。信号が十分大きいものである場合、電荷増幅器８０および／または他の検知用電子回路のクリッピングが発生し、それにより、慣性センサがヌル信号を出力することになり得る。そのようなデータの損失は、一般に短期間ではあるものの、多数のガイド・システムにより使用される電子回路で誤差を引き起こす可能性がある。
【００２３】
ジャイロスコープ１０に対する外部振動や衝撃の作用を低減するために、多数の従来技術のジャイロスコープは、駆動電圧ＶＤの時間変化および／または振幅の特性を変えることにより、また、プルーフ・マス１２、１４およびサスペンションばね６４、６８の機械的特性を変更することにより、プルーフ・マス１２、１４の運動を補償しようと試みている。例えば、幾つかの技術では、プルーフ・マス１２、１４の共振特性を変えるためにばね６４、６８の一部分を除去するレーザ・トリミング・プロセスを用いて、サスペンションばね６４、６８の機械的特性を変更する。そのような技術は、プルーフ・マス１２、１４を駆動するために必要とされる駆動電子回路のコストおよび複雑さを増大させ、また、製造中に必要とされる作製ステップの数を増大させる。場合によっては、そのような技術は、レートのかすかな変動を検知および測定するジャイロスコープ１０の能力を減少させるおそれがある。
【００２４】
図２は、図１の例示的なジャイロスコープ１０についての、プルーフ・マス１２、１４と、それぞれの検知電極７４、７６との間のダンプ（減衰）に関する関係を示す図である。図２に示されているように、プルーフ・マス１２、１４のそれぞれは質量Ｍを有し、ばねＫおよびダンパＤを介して機械的なグランドに接続される。ばねＫおよびダンパＤは、例えば、本明細書で論じられているように、プルーフ・マス１２、１４を、ジャイロスコープ１０の下にある基板１６に固定するために使用されるサスペンションばね６４、６８を備えることができる。図２に概略的に示されているように、プルーフ・マス１２、１４のそれぞれはまた、プルーフ・マス１２、１４とそれぞれの検知用電子回路７４、７６との間の間隙Ｇの電界に起因する力ＦＣと、入力軸１８に対してのジャイロスコープ１０の回転により誘導されるコリオリの力ＦＣＯＲとを受ける。
【００２５】
検知バイアス電圧源９０は、検知バイアス電圧ＶＳ信号を、下にある検知電極７４、７６へ印加するように構成し、示されるように、それぞれの検知電極７４、７６に電荷Ｑを生成する。プルーフ・マス１２、１４のそれぞれは、電荷増幅器８０上のフィードバック・インピーダンス８６およびコンデンサ８７を介して仮想接地の電位に維持して、間隙Ｇ内でキャパシタンスＣおよび間隙電圧ＥＣを生成する。本明細書で論じられているように、それぞれのプルーフ・マス１２、１４およびそれぞれの検知電極７４、７６へ印加される検知バイアス電圧ＶＳの極性は、検知バイアス電圧ＶＳ信号が電荷増幅器８０へ注入されるのを防止するために、反転させることができる。
【００２６】
次に図３を参照して、慣性センサにおいて振動や衝撃により誘導される誤差をアクティブに低減する例示的な方法を示すブロック図について、説明する。図３において全体的に参照番号９２として示されている方法は、９４で、慣性センサを囲む環境内で外部振動や衝撃があることを検出するステップで開始する。環境内での外部振動や衝撃の検出は、例えば、慣性センサから出力される信号を監視して、現在測定されているレート信号が、慣性センサにより出力された、以前に測定されたレート信号に密接に対応するかを判定することにより、および／または、レート信号を既知の範囲の許容される値と比較することにより、行うことができる。例えば、慣性センサに対する振動や衝撃は、慣性センサにより出力された現在のレート信号を、前に測定した信号と比較して、レート信号の変化が所定の許容される範囲内にあるかを判定することにより、検出することができる。幾つかの実施形態では、望まれる場合には、加速度計などのような別のセンサを使用して、環境内における外部振動や衝撃の存在を直接に検知することができる。
【００２７】
慣性センサに対する振動や衝撃を検出すると、慣性センサ用の管理用電子回路は、判断ブロック９６により概略的に示されているように、その振動や衝撃がセンサ出力に誤差を引き起こすほど著しいかどうかを判断する。例えば、振動や衝撃が誤差を引き起こす可能性が高いと判定された場合、慣性センサの管理システムは、ステップ９８に関連して概略的に示されているように、信号の飽和を防止するために、検知用電子回路の利得感度の調整および／またはプルーフ・マスの減衰の増大を行うように、構成することができる。そうでなく、振動や衝撃がセンサ出力においての誤差を引き起こす可能性が高くないと判定された場合、あるいは、利得感度の調整および／または減衰の調節を行うことが望ましくない場合、慣性センサは、矢印１００により示されているように、検知用電子回路の利得感度に対する調整および／または減衰の調節なしで、通常モードで動作するように構成される。次いで、矢印１０２により概略的に示されているように、環境内における外部振動や衝撃の存在に基づいて電子回路の感度の調整および／または減衰の調節を行う工程は、その衝撃が止むまで１回または複数にわたり回繰り返すことができ、止んだ時点で、利得感度および／または減衰の動作を通常動作へと戻すことができる。
【００２８】
動作中の或る時間に外部振動や衝撃が想定または予測される幾つかの応用分野では、慣性センサ用の管理用電子回路は、その振動や衝撃に先立って、信号の飽和を防止するために、検知用電子回路の信号利得の調整および／またはセンサの減衰の増大を行うように、構成することができる。打上げの後の或る時間にカナードを配置することがしばしば予測される航行応用分野では、例えば、航空機やミサイルの管理用電子回路から受け取られる信号を使用して、センサ応答をダンプしクリッピングを回避するために十分な時間（例えば、５０ミリ秒）の間、検知用電子回路の感度を調整することができる。必要な場合には、慣性センサの感度および／またはダンプを調整するのにかかった時間に失われたデータを検知用電子回路により補間して、航空機やミサイル用の管理用電子回路へ供給されるレート信号の喪失を防止することができる。
【００２９】
外部振動もしくは衝撃が発生したとき又は発生することが予測されるときに、検知用電子回路の利得感度を調整すること、および／またはプルーフ・マスの減衰を行うことにより、慣性センサは、比較的大きな電流が検知用電子回路へ供給されたときに発生し得る信号飽和を、よりよく回避することが可能である。場合によっては、慣性センサが、検出および／または予測された振動や衝撃に少なくとも部分的に基づいて、その利得感度調整および／または減衰を行う能力を有することにより、慣性センサを、通常動作中には高い信号対雑音比で動作させ、振動や衝撃や他のそのようなノイズが存在するときには低い信号対雑音比で動作させることが、可能になる。
【００３０】
次に図４を参照して、図１の例示的なジャイロスコープ１０のプルーフ・マス運動を減衰するための例示的な適応回路１０４について述べる。適応回路１０４は、図１に関連して上記で論じた検知用電子回路と同様のものとすることができ、図面において、同様のエレメントは同様の形で符号が付けられている。例えば、図４に示されているように、適応回路１０４は、出力ノード８４と、入力ノード８８と、抵抗器８６と、コンデンサ８７とを有する電荷増幅器８０を含むことができ、本明細書で論じられているように、プルーフ・マス１２、１４を仮想接地の電位に維持するために使用することができる。
【００３１】
適応回路１０４は、ダンプ用スイッチ・セレクタ１０６を更に含むことができ、このダンプ用スイッチ・セレクタ１０６は、外部振動もしくは衝撃が検出および／または予測されるときにプルーフ・マス運動を減衰するために、ダンプ用抵抗エレメント１０８をプルーフ・マス１２、１４と電荷増幅器８０との間に直列に導入するように、作動させることができる。図４の例示的な実施形態では、ダンプ用スイッチ・セレクタ１０６は、機械的または電気的なスイッチ１１０を含むことができ、スイッチ１１０は、ダンプ用抵抗エレメント１０８を適応回路１０４へ導入して、放熱によりプルーフ・マスのエネルギーを機械的に吸収するように、管理用電子回路または検知用電子回路を介して作動させることができる。例えば、外部振動もしくは衝撃が検出されるか又は発生することが予測される場合、スイッチ１１０を作動させてダンプ用抵抗エレメント１０８を適応回路１０４へ組み入れて、過剰な検知信号電流をプルーフ・マス・リード７８部で放散させることにより、信号飽和または電荷増幅器８０のクリッピングを回避する。また、外部振動もしくは衝撃が検出されないか又は発生することが予測されない場合、スイッチ１１０は、バイパス・ライン１１２を介してダンプ用抵抗エレメント１０８をバイパスするようにし、プルーフ・マス１２、１４の更なる減衰なしに、検知信号を電荷増幅器８０の入力ノード８８へ直接に供給することを可能にする。望まれる場合には、バイパス・ライン１１２とダンプ用抵抗エレメント１０８との間でのスイッチ１１０の活動化の間に発生するデータの損失を検知用電子回路により補間して、信号損失なしにジャイロスコープを動作させることを可能にすることもできる。
【００３２】
プルーフ・マス運動を減衰するために使用されるダンプ用抵抗エレメント１０８の抵抗値は、電荷増幅器８０の信号飽和を防止するのに十分なものとし、また、レート信号８２の所望のコリオリ力の成分が増幅器８０を通過することを可能にするものとすることができる。典型的には、ダンプ用抵抗エレメント１０８の値は、プルーフ・マス１２、１４およびサスペンションばね６４、６８の公称ダンプ特性、検知信号１１０の大きさ、ならびに他の要因に応じて変わる。
【００３３】
図４の例示的な実施形態では、ダンプ用抵抗エレメント１０８は、負荷の下で抵抗の変化に対して比較的変化しない固定値抵抗器として示されている。しかし、望まれる場合には、プルーフ・マス運動を減衰するために、他のタイプの抵抗器を使用することもできることを理解されたい。例えば、幾つかの実施形態では、ダンプ用抵抗エレメント１０８は複数の固定値抵抗器を含むことができ、その抵抗器のそれぞれは、幾つかの異なるダンプ・モード間でのプルーフ・マスの運動を減衰するために使用することができる異なる抵抗値を有する。例えば、第１の比較的高い値のダンプ用抵抗器は、外部振動や衝撃が著しいときに、プルーフ・マスのダンプ量を比較的大きくするために使用することができる。第２の比較的低い値のダンプ用抵抗器は、外部振動や衝撃があまり著しくないとき、プルーフ・マス運動を低レベルで減衰するために使用することができる。プルーフ・マスの減衰のアクティブな調整は、ローカルの信号の状態に基づくものとすること、および／または、管理システムおよび／または検知用電子回路のコマンドによるものとすることが、可能である。
【００３４】
図５は、図１の例示的なジャイロスコープ１０のプルーフ・マス運動を減衰するための、別の例示的な適応回路１１４の概略図である。適応回路１１４は、図１に関連して上記で論じた検知用電子回路と同様のものとすることができ、図面において、同様のエレメントには同様の形で符号が付けられている。しかし、図５の例示的な実施形態では、適応回路１１４は、ジャイロスコープ１０に対する外部振動もしくは衝撃が発生したとき、または発生することが予測されるときに、プルーフ・マス１２、１４の減衰を細かく調整するために使用することができる、ポテンショメータやレオスタットなどのような可変ダンプ用抵抗器１１６を含むことができる。動作中に、可変ダンプ用抵抗器１１６により提供される抵抗は無限の数の位置の間で調節することができ、振動や衝撃の大きさに少なくとも部分的に基づいてプルーフ・マスの減衰の量を変えることができる。抵抗器１１６により提供される抵抗もまた、スイッチを介して高い値から低い値まで変更することができる。幾つかの実施形態では、可変ダンプ用抵抗器１１６により提供される抵抗の大きさは、存在する外部振動や衝撃の大きさに比例することになる。他の実施形態では、可変ダンプ用抵抗器１１６により提供される抵抗の大きさは、振動や衝撃の特性、プルーフ・マス１２、１４およびサスペンションばね６４、６８の機械的特性、ならびに他の要因に応じて、非線形的に変えることもできる。
【００３５】
幾つかの実施形態では、可変ダンプ用抵抗器１１６の値は、予測される振動や衝撃に先立って調整できるようにし、適応回路１１４が、電荷増幅器８０へ供給される電流を一時的に制限することを可能として、信号飽和またはクリッピングが発生するのを防止する。例えば、外部振動や衝撃が発生することが予測される場合、適応回路１１４は、振動や衝撃の期間の直前に、可変ダンプ用抵抗器１１６の抵抗を増大させることにより、ダンプ量を増大させるようにすることができる。また、振動や衝撃が予測されない場合、または補償が望ましくない場合、可変ダンプ用抵抗器１１６は、抵抗を殆ど又は全く提供しないようにして、プルーフ・マス１２、１４の公称の減衰に対する調整なしにジャイロスコープ１０がその通常モードで動作することを可能にする。
【００３６】
図６は、図１の例示的なジャイロスコープ１０のプルーフ・マスの運動を減衰させるための、別の例示的な適応回路１１８を示す概略図である。図６に示されているように、プルーフ・マス１２、１４の減衰の調節は、外部振動もしくは衝撃が検出されたときおよび／または予測されるときにプルーフ・マスの運動を減衰させるために、ダンプ用抵抗エレメント１２２を検知電極７４、７６のそれぞれと検知バイアス電圧源９０との間に直列に導入するように作動されるダンプ用スイッチ・セレクタ１２０を使用して、行うことができる。図６の例示的な実施形態では、ダンプ用スイッチ・セレクタ１２０は、機械的または電気的なスイッチ１２４を含むことができ、スイッチ１２４は、管理用電子回路または検知用電子回路を介して活動化させて、ダンプ用抵抗エレメント１２２を適応回路１１８へ組み入れさせて、放熱によりプルーフ・マスのエネルギーを機械的に吸収するようにする。例えば、外部振動もしくは衝撃が検出された場合または発生することが予測される場合、スイッチ１２４を、ダンプ用抵抗エレメント１２２を適応回路１１８内へ導入するように作動させて、エレメント１２２の両端間で電圧差をδＶＳだけ形成し、これにより、検知プレート７４、７６のそれぞれへ送られた電荷の一部を放散することができる。また、外部振動や衝撃が存在しない場合または発生することが予測されない場合、スイッチ１２４は、バイパス・ライン１２６を介してダンプ用抵抗エレメント１２２を迂回するようにして、プルーフ・マス１２、１４の公称の減衰を変えないようにする。
【００３７】
動作中に、ダンプ用抵抗エレメント１２２の値は、検知用電子回路で信号飽和またはクリッピングが発生するのを防止するために十分な減衰をプルーフ・マス１２、１４へ提供するように構成し、更に、レート信号８２における所望されるコリオリ力の成分を測定することを可能にするようにする。望まれる場合には、バイパス・ライン１２６とダンプ用抵抗エレメント１２２との間でのスイッチ１２４の動作中に起きるデータの損失を検知用電子回路により補間して、信号損失なしにジャイロスコープ１０を動作させることを可能にすることができる。
【００３８】
図６の例示的な実施形態では、ダンプ用抵抗エレメント１２２は、負荷の下で抵抗の変化に対して比較的の変化ない固定値抵抗器として示されている。しかし、望まれる場合には、ダンプ用抵抗エレメント１２２として、プルーフ・マス運動を減衰させるための他のタイプおよび／または数の抵抗エレメントを使用することもできることを、理解されたい。例えば、幾つかの実施形態では、ダンプ用抵抗エレメント１２２は複数の固定値抵抗器を含むことができ、それぞれの固定値抵抗器は、幾つかの異なるダンプモードの間でのプルーフ・マス運動を減衰させるために使用できる異なる抵抗値を有する。本明細書で論じられているように、プルーフ・マスの減衰の調整は、ローカルの信号の状態に基づくものとすること、および／または、管理システムおよび／または検知用電子回路のコマンドによるものとすることができる。
【００３９】
図７は、図１の例示的なジャイロスコープ１０のプルーフ・マス運動を減衰するための、別の例示的な適応回路１２８の概略図である。図７の例示的な実施形態では、適応回路１２８は、ポテンショメータやレオスタットなどのような可変ダンプ用抵抗器１３０を含むことができ、これらは、ジャイロスコープに対する外部振動や衝撃が発生したとき又は発生することが予測されるときに、プルーフ・マス１２、１４の減衰を精細に調節するために使用することができる。動作中に、可変ダンプ用抵抗器１３０により提供される抵抗は、無限の数の位置の間で調整することができ、振動や衝撃の大きさに少なくとも部分的に基づいてプルーフ・マスの減衰の量を変えることができる。抵抗器１３０により提供される抵抗もまた、スイッチを介して高い値から低い値まで変更することができる。幾つかの実施形態では、可変ダンプ用抵抗器１３０により提供される抵抗の大きさは、存在する外部振動や衝撃の大きさに比例する。他の実施形態では、可変ダンプ用抵抗器１３０により提供される抵抗の大きさは、非線形に変えることができる。望まれる場合には、可変ダンプ用抵抗器１３０を、予測される振動や衝撃に先立って調整するようにし、適応回路１２８が、振動や衝撃の期間の直前に、プルーフ・マス運動を一時的に減衰させるようにすることを可能にする。
【００４０】
図８は、図１の例示的なジャイロスコープ１０用の検知用電子回路の利得感度を調整するための例示的な適応回路１３２の概略図である。図８の例示的な実施形態で示されているように、第１のプルーフ・マス１２および第２のプルーフ・マス１４から受け取られた電荷信号または電流を、対応するレート信号８２へと変換するために使用される電荷増幅器８０は、機械的または電気的な利得選択スイッチ１３４を更に含むことができ、このスイッチ１３４は、外部振動もしくは衝撃が検出されたとき及び／又は予測されるときに利得感度（即ち、信号対雑音比）を調整するために、それぞれが互いに異なるキャパシタンスを有する２つのフィードバック・コンデンサ１３６、１３８の間での選択を行うために使用する。例えば、第１のフィードバック・コンデンサ１３６は、外部振動や衝撃が検出されたとき又は予測されるときに電荷増幅器８０の利得感度を低減するように働く比較的高いキャパシタンスを有するものとすることができる。第２のフィードバック・コンデンサ１３８は、振動や衝撃が存在しないときに、電荷増幅器８０が、通常動作中に、増大された感度で動作することを可能にする比較的低いキャパシタンスを有するものとすることができる。第１のフィードバック・コンデンサ１３６および第２のフィードバック・コンデンサ１３８の値は、ジャイロスコープ１０が、振動や衝撃がない期間中に、比較的高いＳＮＲ比で動作するように、また、振動や衝撃の期間中に、信号飽和またはクリッピングを防止するのに十分な低いＳＮＲ比で動作するように、選択することができる。望まれる場合には、切替え中に発生するデータの損失を検知用電子回路により補間して、信号損失なしにシステムを動作させることを可能にすることもできる。
【００４１】
幾つかの実施形態では、それぞれが異なる利得感度で動作する複数のチャネルを有する電荷増幅器を使用して、切替えなしにジャイロスコープ１０に対する外部振動や衝撃を補償するために、２つの別個のレート信号を出力することができる。例えば、図９に示されている１つのそのような実施形態では、適応回路１４０は、マルチ・チャネル電荷増幅器１４２を含むことができ、このマルチ・チャネル電荷増幅器１４２は、比較的高いＳＮＲ比を有する第１のレート信号１４６を生成するための第１の増幅器チャネル１４４と、第１のレート信号１４６と並列に比較的低いＳＮＲ比を有する第２のレート信号１５０を生成するための第２の増幅器チャネル１４８とを有する。
【００４２】
環境内に外部振動や衝撃が存在しない通常動作中に、ジャイロスコープの検知用電子回路は、ジャイロスコープによりレートのかすかな変動を測定して出力することを可能にするために、高い利得感度の第１のレート信号１４６を使用するように構成することができる。しかし、外部振動や衝撃が検出された場合および／または予測される場合、検知用電子回路は、振動や衝撃の期間中にも引き続いてジャイロスコープの運動を測定するために、より低い利得感度の第２のレート信号１５０を使用するように構成することができる。電荷増幅器１４２は、２つの同時のレート信号１４６、１５０を互いに並んで出力することが可能であるため、適応回路１４０は、検知用電子回路の信号飽和を回避するために、ジャイロスコープがレート信号１４６、１５０間で迅速に行ったり来たりの切り替えを行うことを可能にする。場合によっては、そのような構成は、検知用電子回路が増幅器チャネル１４４と１４８とを、データの損失なしに迅速に交換することを可能にする。
【００４３】
増幅器チャネル１４４、１４８それぞれの利得感度は、プルーフ・マス１２、１４を仮想接地の電位で維持するために使用されるフィードバック・コンデンサ１５２、１５４や抵抗器１５６、１５８の値に基づいて変わり得る。例えば、幾つかの実施形態では、第１の増幅器チャネル１４４は、振動や衝撃が存在しない通常動作中に利得感度が大きいレート信号１４６を出力するために、電荷増幅器１４２の出力ノードと入力ノードとの間に比較的低い値のフィードバック・コンデンサ１５２を有することができる。対照的に、第２の電荷増幅器チャネル１４８は、振動や衝撃が存在するとき利得感度が低いレート信号１５０を出力するために、電荷増幅器１４２の出力ノードと入力ノードとの間に比較的高い値のフィードバック・コンデンサ１５４を有することができる。
【００４４】
図９に示されている例示的な実施形態は、２つの別個の（即ち、並列の）レート信号１４６、１５０を出力することが可能な２つの並列の増幅器チャネル１４４、１４８を有する単一の電荷増幅器１４２を使用するが、望まれる場合には、多数の増幅器を使用して多数のレート信号を出力することができることを、理解されたい。更に、図９の例示的な電荷増幅器１４２からは２つのレート信号だけが出力されているように示されているが、望まれる場合には、追加の増幅器チャネルおよび／または増幅器を用いて、追加のレート信号を出力できることを理解されたい。その追加のレート信号はそれぞれ、幾つかの他の検知モード間でセンサ出力の信号対雑音比を調節するために使用できる異なる利得感度を有する。
【００４５】
図１０は、図１の例示的なジャイロスコープ１０のプルーフ・マス運動を減衰させるための、別の例示的な適応回路１６０の概略図である。図１０の例示的な実施形態では、適応回路１６０は、グランド（接地）に接続されたスイッチ１６４を活動化することにより電極７４、７６へ供給される電圧を安定化させるために使用することができるコンデンサ１６２を含む。適応回路１６０のダンプ用抵抗器１６６は、検知バイアス電圧源９０へ直接に接続される。通常動作中には、スイッチ１６４を閉じ、電極７４、７６へ供給される電圧を安定化させるために、コンデンサ１６２を適応回路１６０に組み入れる。しかし、振動や衝撃が予測されるとき又は検知されたとき、スイッチ１６４を開くようにして、それにより、コンデンサ１６２がグランドに接続されないようにする。これが行われたとき、プルーフ・マス１２、１４の運動は、ダンプ用抵抗器１６６を介して電極７４、７６へ供給される抵抗により減衰され、従って、プルーフ・マス１２、１４に十分な減衰を与え、検知用電子回路で信号飽和またはクリッピングが発生するのを防止する。
【００４６】
図１１は、図１の例示的なジャイロスコープ１０のプルーフ・マスの運動を減衰するための、別の例示的な適応回路１６８の概略図である。図１１の例示的な実施形態では、適応回路１６８は、コントローラ１７０を介して、電極７４、７６へ提供される減衰量を変える。コントローラ１７０は、プルーフ・マス運動の量を直接に検出し、振動や衝撃が予測されるとき又は検知されたときに減衰を行うように構成する。検知電圧源ＶＳに接続された比較的小さい値の検知抵抗器（ＲＳ）１７２は、プルーフ・マス１２、１４の振動運動に起因しての電極７４、７６へ送られる電圧の変動を検知するために、コントローラ１７０で使用されることができる。比較的大きい値のダンプ用抵抗器（ＲＤ）１７４は、スイッチ１７６を介して適応回路１６８へ導入することができ、それにより、或る事象が検知抵抗器１７２により検出されたとき、または、振動や衝撃が発生することが予測されるときに、コントローラ１７０がダンプ用抵抗器１７４を選択的に切り替えることを可能にする。
【００４７】
通常動作中に、スイッチ１７６を開くことができ、その結果として、検知抵抗器１７２のみが電極７４、７６に適用されるが、検知抵抗器１７２は、その値が比較的低いので、プルーフ・マス１２、１４の著しい減衰はなされない。しかし、振動、衝撃、もしくは他のそのような事象が予想されるき及び／又は検知されたときに、コントローラ１７０は、プルーフ・マス１２、１４の運動を低減するために抵抗器１７４を切り替える。スイッチ１７６のそのような作動は、例えば、プルーフ・マス運動を検知するために使用される検知用システムで自然飽和が発生したときに、または、プルーフ・マスの減衰が望まれる何らかの他の事象が発生したときに、行うことができる。検知抵抗器１７２を通る電流が再び小さくなり、その事象が静まったことが示されると、コントローラ１７０はスイッチ１７６を再び閉じ、従って、ダンプ用抵抗器１７４をバイパスしてプルーフ・マス１２、１４に適用された減衰を除くようにすることができる。
【００４８】
以上、本発明の幾つかの実施形態について述べたが、本明細書に添付されている特許請求の範囲内に入る他の実施形態を製作し使用することができることを、当業者なら容易に理解するであろう。本書により包含される本発明の多数の利点が、前述の説明で述べられている。この開示は、多くの点に関して例示的なものにすぎないことは理解されよう。本発明の範囲を超えることなしに、本明細書で述べられている様々なエレメントに変更を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１は、例示的なＭＥＭＳタイプのレート・ジャイロスコープの概略図である。
【図２】図２は、図１の例示的なジャイロスコープについての、プルーフ・マスとそれぞれの検知電極との間の減衰の関係を示す図である。
【図３】図３は、慣性センサにおける振動や衝撃により誘導される誤差をアクティブに低減する例示的な方法を示すブロック図である。
【図４】図４は、図１の例示的なジャイロスコープのプルーフ・マス運動を減衰させるための例示的な適応回路の概略図である。
【図５】図５は、図１の例示的なジャイロスコープのプルーフ・マス運動を減衰させるための、別の例示的な適応回路の概略図である。
【図６】図６は、図１の例示的なジャイロスコープのプルーフ・マス運動を減衰させるための、別の例示的な適応回路の概略図である。
【図７】図７は、図１の例示的なジャイロスコープのプルーフ・マス運動を減衰させるための、別の例示的な適応回路の概略図である。
【図８】図８は、図１の例示的なジャイロスコープ用の検知用電子回路の利得感度を調整するための例示的な適応回路の概略図である。
【図９】図９は、図１の例示的なジャイロスコープ用の検知用電子回路の利得感度を調整するための、別の例示的な適応回路の概略図である。
【図１０】図１０は、図１の例示的なジャイロスコープのプルーフ・マス運動を減衰させるための、別の例示的な適応回路の概略図である。
【図１１】図１１は、図１の例示的なジャイロスコープのプルーフ・マス運動を減衰させるための、別の例示的な適応回路の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【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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【図１０】
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【図１１】
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