(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動構造体と、該振動構造体が、実質的に円筒形又は実質的に平坦なリング又は輪状構造であり、振動構造体を共振で振動させるための第一及び第二の駆動手段（１，４）と、振動構造体の振動を検出するための第一及び第二のピックオフ手段（２，３）とを備え、前記第一及び第二のピックオフ手段（２，３）が振動構造体に対して一定の角度で分離されている振動構造センサにおける第二ピックオフエラーに基因するバイアスエラーを低減させる方法において、
第二ピックオフ角度エラーを低減するために、振動構造体からの速度出力信号をゼロに設定し、それにより、第二ピックオフ角度エラーを最小にするのに十分な量だけ、第一駆動手段（１）からの第二ピックオフ手段（３）の分離角度の増減に等しく、第二ピックオフ手段出力信号（１５）に第一ピックオフ手段出力信号（１０）のレベル又はインテンシテイの大きさを加算するか、又は第二ピックオフ手段出力信号から第一ピックオフ手段出力信号のレベル又はインテンシテイの大きさを減算する工程を含んでいる
ことを特徴とする振動構造センサにおけるバイアスエラー低減方法。
【請求項２】
一定の分離角度が、４５°であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
振動構造体と、該振動構造体が、実質的に円筒形又は実質的に平坦なリング又は輪状構造であり、振動構造体を共振で振動させるための第一及び第二の駆動手段（１，４）と、振動構造体の振動を検出するための第一及び第二のピックオフ手段（２，３）とを備え、前記第一及び第二のピックオフ手段（２，３）が振動構造体から一定の角度で分離されている振動構造センサにおいて、
第二ピックオフ角度エラーを低減する手段が、振動構造体からの速度出力信号をゼロに設定し、それにより第二ピックオフ角度エラーを最小限にするのに十分な量だけ、第一駆動手段からの第二ピックオフ手段の分離角度の増減に等しく、第二ピックオフ手段出力信号（１５）に第一ピックオフ手段出力信号（１０）のレベル又はインテンシテイの大きさを加算するか、又は第二ピックオフ手段出力信号から第一ピックオフ手段出力信号のレベル又はインテンシテイの大きさを減算する手段を備えている
ことを特徴とする振動構造センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、限定するわけではないが、特に振動構造ジャイロスコープに用いるのに適した振動構造センサにおけるバイアスエラーの低減方法及び振動構造センサに関する。
【０００２】
ジャイロスコープのような振動構造センサは、振動要素として円筒形の構造体又は平坦な構造体を用いて構成され得る。これらは、概して、ｃｏｓ２θ共振モードで励振される。完全に対称な振動構造体の場合には、４０°の相互角度で振動モードの減衰対(a degenerate pair of vibration modes)として実際に存在する。図１Ａ及び図１Ｂは、この振動を概略的に示している。これらのモードの一方（図１Ａ）は、キャリアーモードとして励振される。その構造体が、振動構造体の平面に垂直な軸周りで回転させられる時に、コリオリの力がエネルギを応答モード（図１Ｂ）に結びつける。キャリアーモード振動は、典型的には、ピーク応答周波数で一定の振幅で維持される。センサ本体が回転させられる時に、コリオリの力がエネルギを応答モードに結びつける。応答モードの動きの大きさは、適用される回転速度に正比例する。
【０００３】
振動構造体は、電磁気的手段、静電気的手段、圧電気的手段、光学的手段、又は熱膨張的手段を含む様々な駆動手段によって駆動され共振し得る。同様に、誘導運動は、電磁気的手段、圧電気的手段、又は光学的手段を含む様々なピックオフ手段によって検出され得る。図２には、共振構造体の周りの駆動手段及びピックオフ手段の方位が概略的に示されている。第一の駆動手段１は、共振キャリア運動を励起する。共振キャリア運動は、第一の駆動手段１に対して９０°の位置に配置された手段２によって検出される。通常、共振構造体は、第一のピックオフ手段の出力によって駆動される。第一のピックオフ手段の出力は一定であり、一定なキャリアモード振幅を維持する。第二のピックオフ手段３は、第一駆動手段１から１３５°の位置に配置され、応答モード運動を検出するために用いられる。完全に径方向に対称な振動構造体の場合には、回転を加えなければ応答モード運動は発生しない。第二のピックオフ信号出力は加えられた回転速度に正比例する。第一の駆動手段１に対して４５°の位置に付加的に第二の駆動手段４が設けられる。この第二の駆動手段４は、強制フィードバック又は閉ループモードでセンサを駆動させるために用いられ得る。このモードでは、第二の駆動手段４にエネルギを加えることによって、第二のピックオフ出力はゼロにされる。加えれるエネルギは、コリオリの力によって引き起こされる回転力と等しく、かつ、それとは逆方向の力なので、応答モード運動は生じない。
【０００４】
センサの性能は、作動範囲にわたってのバイアス安定性及びスケール要素の点から特徴づけられる。一般的に、センサは、開ループ構造よりもスケール要素の性能が高い閉ループ構造で作動させるのが好ましい。これは、応答モード運動がゼロの場合には、その力学的な作用が速度応答に影響を及ぼさないので、ある温度範囲にわたる特性要素の変動がスケール要素の応答に影響を及ぼさないからである。
【０００５】
図３は、従来のセンサ制御システムの働きを簡単化したブロック図を示している。
図３では、システムは、第一の駆動増幅器５、第一のピックオフ増幅器６、第二の駆動増幅器７、及び第二のピックオフ増幅器８を備えている。第一の駆動入力９は、キャリアモード共振を励振し、一定の信号を維持する。このため、第一の共振１１に対する第一のピックオフ出力１０において、一定の振幅の運動が維持される。そうして、符号１２で示す引加速度(applied rate)Ωがコリオリの力を生じさせ、このコリオリの力が、第一のキャリアモードから第二の共振モード又は応答モード１３にエネルギを結びつける。図３では、この結合は、実質的に乗算器１４によって表されている。コリオリの力Ｆｃは、式（１）によって与えられる。
0004303882.tif 000002
式中、ＰＰＯは第一モード振幅であり、ωｐは第一駆動周波数であり、Ｋは定数である。この運動は、第二のピックオフ増幅器８によって検出され増幅される。開ループモードでは、この信号振幅が、引加速度の直接の測定量となる。閉ループモードでは、第二のピックオフ信号出力１５は第二の駆動入力１６にフィードバックされる。第二の駆動入力は、第二のピックオフ出力１５がゼロになるような応答モードで駆動するエネルギを加える。何のエラーもないときには、この力は、コリオリの力に等しく、かつ、それとは逆方向の力になり、従って、応答モード運動は生じない。加えられたエネルギの振幅は、引加速度Ωに比例する。
【０００６】
制御ループ及び共振反応の詳細なモデリングにより、主要なエラー源を見分け、定量化することを可能にする。バイアスエラーの主要な要因は、第一駆動９と第二ピックオフ１５との間のミスアライメント角度εｒ（即ち、１３５°からの偏差）から生じることが分る。バイアスに対するエラーメカニズムの影響は次式により与えられる。
0004303882.tif 000003
式中、ｆは共振周波数である。このエラーの大きさはｆに正比例し、Ｑとは反比例する。実際には、センサｆは、作動温度範囲に渡って比較的安定である。しかし、Ｑ値は、固有の材料特性であり、作動温度の範囲にわたって大きく変化し得、従って、大きなバイアス変動を引き起こす原因となる。システムのブロック図（図３）では、このエラーは、第一チャネルと第二チャネルとの間にある第一モード運動の一部を第二ピックオフ出力１５に加える連結器によって表されている。ピックオフ出力１５をゼロに維持するために、応答モードは、運動がエラーの合計と等しく、かつ、その逆方向になるように駆動されなければならない。応答モード共振に対する入力はゼロにはならず、また、第二駆動は引加速度Ωを正しく表示しない。
【０００７】
上記した問題では、キャリアモード周波数と応答モード周波数が正確にマッチングしていると仮定している。実際には、材料異方性及び製造交差が、これらの周波数にある程度のミスマッチを生じさせる。これらの周波数を平衡させるための技術は、既に公知であり、例えば、ＥＰ４１１８４９Ｂ１及びＧＢ２２７２０５３Ａで開示されている。一般的な方法は、駆動装置を用いてこれらのモードを調節し、これらの共振周波数間のずれを所定の交差まで取り除くことを要件とする。構造体の周りの適当なポイントで、硬度と質量とを制御しながら調節することによって達成される。
【０００８】
ジャイロ性能を最適化するためには、第二ピックオフのミスアライメントエラーεｒを最小にする必要がある。これは、振動構造の平衡処理の一部として実行され、第一駆動手段１又は第二ピックオフ手段３のどちらかの実際の位置を調節することによって達成される。平衡処理は、開ループを効果的に作動するセンサを用いて行われる。第一駆動手段１が共振している場合、第二ピックオフ出力１５は、キャリアモードアライメント角度に対する第一駆動に依存して変化する。
図４には、周波数ずれ０．２Ｈｚ及びＱ値５０００の場合の５ｋＨｚのキャリアモード周波数に対するミスアライメントエラーのない第二ピックオフ応答が示されている。これらは、公知の振動構造センサに対する典型的な共振モードパラメータである。応答は、キャリアモード運動に関する矩象成分（ライン１９）と同位相成分（ライン１８）とに分解される。同位相成分１８は速度出力信号を与える。どちらかのモードが駆動と整合している場合には、同位相信号１８及び矩象信号１９は両方共ゼロである。モード角度を伴う信号変動の振幅は周波数のずれのレベルに依存し、完全な平衡モードの場合には全ての点でゼロになる傾向がある。実際には、常に、残差周波数ずれになり、従って、モード角度を伴う第二ピックオフ信号の変動になる。
【０００９】
図５は、図４と同じ共振パラメータに対してεｒ＝１°のエラーを導入したときの影響を示している。この影響により、同位相応答１８の平均値はずれる。これにより、同位相バイアスは、モードアライメント及び第二ピックオフアライメントの両方の関数となる。従って、第二ピックオフのアライメントを正確に設定するために（εｒ→０）、始めに、キャリアモードアライメントに対する第一駆動を設定する必要がある。矩象信号１９はピックオフのミスアライメントには反応を示さず、この信号１９は、通常、平衡中のモードアライメントの設定におけるエラー信号として用いられる。
所望の性能を得るためには、第二ピックオフアライメントエラーを、１°より小さい単位で制御する必要がある。この精密さのレベルは達成するのが非常に困難であり、常に製造後のある程度の調節が要求される。ＥＰ４１１８４９Ｂ１及びＧＢ２２７２０５３Ａは、アライメントを実行するために分割駆動及びピックオフ変換器を使用することを開示している。これは、変換器の二つの半体のゲインを特異的に調節して、実際の中心を移動させることによって達成される。これらの技術は、標準的でない変換器を使用することを必要とする。幾つかの振動構造ジャイロの設計では、変換器はそれ自身の共振器上に固定される。標準的でない変換器は、何れも、二つのｃｏｓ２θモード間の力学的な対称性に好ましくない影響を及ぼし、周波数のずれ、即ち、ジャイロ性能に不都合な影響があり得る。
【００１０】
平衡処理に第二ピックオフアライメント工程を付加することで、達成する必要のあるモードアライメントで要求公差が得られる。モードのアライメント及び周波数のマッチングは、幾つかの工程を要件とする反復処理である。より細かい公差の設定は、必ずさらなる反復を必要とし、その結果、より長い時間を必要とする。
将来の商業的市場で要求される低コスト化及び高容積化を達成するために、平衡処理の必要性を無くすことが強く望まれる。
【００１１】
近年の微細マッチング技術(micro-matching techniques)では、この目的を達成するのに十分な正確さを得るために、ＵＳ５２２３２１に開示されているように、シリコンから平面リング共振器を生産する可能性が提案されている。しかし、これは達成し得るが、キャリアモードアライメントに対する第一駆動が正確に制御できるかが疑わしい。所望の性能を得るためには、第二ピックオフ角度エラーを取り除くことが依然として必要とされる。
従って、振動構造センサにおけるバイアスエラーを低減させるための改良方法が必要であり、好ましくは、モードアライメントの初期設定を行うことなく第二ピックオフ整合を調整することができる方法が必要である。有利には、このような調節は、標準的でない変換器を用いることなしに達成できるようにするべきである。
【００１２】
本発明の一つの特徴によれば、振動構造体と、該振動構造体が、実質的に円筒形又は実質的に平坦なリング又は輪状構造であり、振動構造体を共振で振動させるための第一及び第二の駆動手段（１，４）と、振動構造体の振動を検出するための第一及び第二のピックオフ手段（２，３）とを備え、前記第一及び第二のピックオフ手段（２，３）が振動構造体に対して一定の角度で分離されている振動構造センサにおける第二ピックオフエラーに基因するバイアスエラーを低減させる方法において、
第二ピックオフ角度エラーを低減するために、振動構造体からの速度出力信号をゼロに設定し、それにより、第二ピックオフ角度エラーを最小にするのに十分な量だけ、第一駆動手段（１）からの第二ピックオフ手段（３）の分離角度の増減に等しく、第二ピックオフ手段出力信号（１５）に第一ピックオフ手段出力信号（１０）のレベル又はインテンシテイの大きさを加算するか、又は第二ピックオフ手段出力信号から第一ピックオフ手段出力信号のレベル又はインテンシテイの大きさを減算する工程を含んでいることを特徴とする振動構造センサにおけるバイアスエラー低減方法が提供される。
好ましくは、一定の分離角度は４５°である。
本発明の第二の特徴によれば、振動構造体と、該振動構造体が、実質的に円筒形又は実質的に平坦なリング又は輪状構造であり、振動構造体を共振で振動させるための第一及び第二の駆動手段（１，４）と、振動構造体の振動を検出するための第一及び第二のピックオフ手段（２，３）とを備え、前記第一及び第二のピックオフ手段（２，３）が振動構造体から一定の角度で分離されている振動構造センサにおいて、
第二ピックオフ角度エラーを低減する手段が、振動構造体からの速度出力信号をゼロに設定し、それにより第二ピックオフ角度エラーを最小限にするのに十分な量だけ、第一駆動手段からの第二ピックオフ手段の分離角度の増減に等しく、第二ピックオフ手段出力信号（１５）に第一ピックオフ手段出力信号（１０）のレベル又はインテンシテイの大きさを加算するか、又は第二ピックオフ手段出力信号から第一ピックオフ手段出力信号のレベル又はインテンシテイの大きさを減算する手段を備えていることを特徴とする振動構造センサが提供される。
【００１３】
本発明をより良く理解できるようにし、かつ、本発明をどのように効果的に実施するかを示すために、添付図面に基づいて実施例を説明する。
【００１４】
バイアスエラーを低減させるための本発明の方法は、実質的に円筒形又は実質的に平坦なリング又は輪状振動構造体と、振動構造体を共振で振動させるための第一及び第二の駆動手段１、４と、振動構造体の振動を検出するための第一及び第二のピックオフ手段２、３を備えた振動構造センサに用いるのに適している。手段１，２，３，４は、図２に示すように配置されており、第一及び第二ピックオフ手段２，３は、一定の角度、好ましくは、振動構造体に対して４５°の角度で分離されている。
本発明の目的のために、ピックオフ手段応答の開ループモデリングは、第二ピックオフ手段出力１０をゼロにする作用を含むまで拡張され得る。この場合、第二駆動手段４の同位相要素及び矩象要素は重要になる。図６は、１°のエラーを含む発明性のない図４の従来例の場合と同じ振動構造モードパラメータに対するモード角度アライメントの関数として第二駆動要素を示している。矩象駆動は、図４の開ループ矩象ピックオフ信号の作用と同じ関数形状、即ち、ライン１９ａを有する。しかし、同位相応答要素ライン１８ａは、著しく異なり、モード角度感度がないことを明白にしている。εｒの大きさで一定のオフセットレベルが決められる。従って、閉ループ構成において機能するセンサを用いて第二ピックオフ調節を行うことにより、モードを正確に整合する必要なしに、エラー源を取り除くことができる。
【００１５】
バイアスエラーの低減処理又は除去処理を実行するためには、第二ピックオフ手段３の実際の位置をフィードバックループ内で調節する必要がある。図２に示すように、第一ピックオフ手段２は、第二ピックオフ手段３から４５°の位置に配置されている。従って、第二ピックオフ手段２の実際の中心点は、第一信号のレベル又はインテンシテイの大きさを第二信号に加えることで、この方向に移動され得る。第二ピックオフ手段３からの他の方向における４５°の点での振動構造運動は、第一ピックオフ手段２での運動による位相と１８０°離れるが、他の点では一致する。従って、第二ピックオフ手段の実際の位置は、第一ピックオフの大きさを減算することで他の方向に移動され得る。
従って、バイアスエラーを低減させるための本発明の方法は、第一ピックオフ手段出力信号１０のレベル又はインテンシテイの大きさを第二ピックオフ手段出力信号１５に加えるか、又は
第二ピックオフ手段出力信号１５から第一ピックオフ手段出力信号１０のレベル又はインテンシテイの大きさを減算するかして、振動構造対からの速度出力信号をゼロに設定し、それによりバイアスエラーを最小にするのに十分な大きさで第一駆動手段１からの第二ピックオフ手段３の分離角度を増減させる。
本発明によるこの補償システムは、図７に示すシステムブロック図に組み込まれ得る。図７に示すシステムブロック図は、図３のブロック図と基本的には同じなので、図３の構成部材と類似する部材には同じ符号を付して、それらの詳細な説明は省略する。図７に示すように、振動構造からの速度出力信号をゼロに設定し、それによりバイアスエラーを最小にするのに十分な大きさで、第一駆動手段１からの第二ピックオフ手段３の分離角度を調節する手段が、第一ピックオフ出力１０と、第二ピックオフ出力１５との間に設けられている。この後述した手段は、除去手段２０であり、これにより、第二ピックオフ角度の削減が、速度出力信号をゼロに設定するために調節される。この結果、回転がないときには応答モードを励起する正味の力は加わらない。これにより、振動構造体に加えられる力は、引加速度を正確に表すことになる。
【００１６】
本発明は、ピックオフ手段に標準的でない変換器を使用することを必要とするＥＰ４１１８４９Ｂ１及びＧＢ２２７２０５３Ａに開示されている発明より有利な特有の利点を有する。本発明は、標準的な変換器を使用することができ、従って、ｃｏｓ２θモードの運動と密接に結びついた対称性を維持することができる。また、標準的なモジュールを使用することは、温度に依存するゲインのような任意のスケーリング変化が全てのモジュールに対して広範囲に一致し、従って、結果として生じるエラーがキャンセルされる傾向にあるので有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１Ａ及び図１Ｂは、各々、ｃｏｓ２θ共振モードに励振される従来の振動構造センサのリング共振器に対する振動のキャリアモード及び応答モードを説明する線図である。
【図２】  従来公知の振動共振構造体の周りの駆動手段及びピックオフ手段の方位を説明する概略図である。
【図３】  本発明によらない従来の振動構造センサ制御システムの簡単化したブロック図である。
【図４】  本発明によらない同位相要素と矩象要素とに分離されるセンサ応答を示すモードアライメント角度に対するピックオフレベルを表すグラフである。
【図５】  図４と同様にモードアライメント角度に対するピックオフ信号を示すグラフであるが、図４と同じ振動構造パラメータに対して１°の第二ピックオフアライメントエラーを導入した影響を示している。
【図６】  図４と同じパラメータに対するモードアライメント角度の関数として第二駆動の同位相要素と矩象要素とを示すグラフであるが、本発明の方法によるものである。
【図７】  エラー補償を含むバイアスエラーを低減させるための本発明による方法のブロック図である。
【図１】
0004303882.tif 000004
【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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