特許 6697557 補助自己試験機能を備えたジャイロスコープ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6697557

(24)【登録日】2020年4月28日

(45)【発行日】2020年5月20日

(54)【発明の名称】補助自己試験機能を備えたジャイロスコープ

(51)【国際特許分類】

   G01C 19/5726 20120101AFI20200511BHJP

   G01C 19/5762 20120101ALI20200511BHJP

   H01L 29/84 20060101ALI20200511BHJP

   B81B 7/02 20060101ALI20200511BHJP

【ＦＩ】

   G01C19/5726

   G01C19/5762

   H01L29/84 Z

   B81B7/02

【請求項の数】19

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2018-530130(P2018-530130)

(86)(22)【出願日】2016年12月9日

(65)【公表番号】特表2019-505769(P2019-505769A)

(43)【公表日】2019年2月28日

(86)【国際出願番号】IB2016057465

(87)【国際公開番号】WO2017098448

(87)【国際公開日】20170615

【審査請求日】2019年3月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005821

【氏名又は名称】パナソニック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002527

【氏名又は名称】特許業務法人北斗特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】コロナート ルカ

(72)【発明者】

【氏名】ガフォレッリ ジャコモ

(72)【発明者】

【氏名】ルオヒオ ヤーッコ

【審査官】 齋藤 卓司

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０１４６４０２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／００４２６６４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｃ １９／５７２６

Ｂ８１Ｂ ７／０２

Ｇ０１Ｃ １９／５７６２

Ｈ０１Ｌ ２９／８４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ジャイロスコープの自己試験を行うためのシステムであって、
装置平面内にある１つ以上の駆動マスと、
前記１つ以上の駆動マスに隣接した１つ以上の駆動電極と、
駆動回路であって、前記１つ以上の駆動電極に前記１つ以上の駆動マスを駆動させて駆動周波数で振動させるように構成された前記駆動回路と、
前記装置平面内にある１つ以上のセンスマスであって、前記１つ以上の駆動マスに結合されて、前記装置平面に垂直な軸のまわりの回転に応じて前記駆動周波数で振動する前記１つ以上のセンスマスと、
前記１つ以上のセンスマスに隣接した１つ以上のセンス電極であって、前記１つ以上のセンス電極と前記１つ以上のセンスマスの間の電圧が、前記１つ以上のセンスマスの前記振動により変化する前記１つ以上のセンス電極と、
前記１つ以上のセンスマスに隣接した１つ以上の補助電極であって、前記１つ以上の補助電極が、前記１つ以上のセンスマスを第１の試験周波数と第２の試験周波数とで駆動し、前記第１の試験周波数が前記駆動周波数と異なり、前記第２の試験周波数が前記駆動周波数及び前記第１の試験周波数と異なり、前記１つ以上のセンス電極が、前記第１の試験周波数での第１の試験応答信号を、及び前記第２の試験周波数での第２の試験応答信号を検出する前記１つ以上の補助電極と、
前記第１の試験応答信号と前記第２の試験応答信号の少なくとも１つに基づいてジャイロスコープ故障を識別するように構成された処理回路とを含み、
前記ジャイロスコープ故障が、前記第１の試験応答信号の第１の利得変化、前記第２の試験応答信号の第２の利得変化、及び前記第１の利得変化と前記第２の利得変化との比率に基づいて識別される、
システム。

【請求項2】

前記第１の利得変化が、前記第１の試験応答信号の大きさと第１のベースラインの大きさの差に基づいて決定され、前記第２の利得変化が、前記第２の試験応答信号の大きさと第２のベースラインの大きさの差に基づいて決定される、
請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記ジャイロスコープ故障は、前記第１の利得変化が第１のしきい値を超え、前記第２の利得変化が第２のしきい値を超え、前記比率が比率しきい値を超えたときに識別される、
請求項１に記載のシステム。

【請求項4】

前記ジャイロスコープ故障は、前記比率が比率しきい値を超え、前記第１の利得変化と前記第２の利得変化の少なくとも１つが利得しきい値を超えるときに識別される、
請求項１に記載のシステム。

【請求項5】

前記ジャイロスコープ故障は、前記第１の利得変化が第１のしきい値を超え、前記第２の利得変化が第２のしきい値を超え、前記比率が比率しきい値より低いときに識別される、
請求項１に記載のシステム。

【請求項6】

前記処理回路は、更に、前記ジャイロスコープ故障が識別されたときに、前記駆動回路に前記１つ以上の駆動電極が前記１つ以上の駆動マスを駆動しなくさせるように構成された、
請求項１に記載のシステム。

【請求項7】

前記処理回路が、更に、前記ジャイロスコープ故障が識別されたときに通知を生成するように構成された、
請求項６に記載のシステム。

【請求項8】

前記第１の試験周波数と前記第２の試験周波数が両方とも、前記１つ以上のセンサマスのセンスモード共振周波数の少なくとも６パーセント、前記センスモード共振周波数から離れている、
請求項１に記載のシステム。

【請求項9】

前記駆動周波数が、前記１つ以上のセンサマスの前記センスモード共振周波数から少なくとも６パーセント離れている、
請求項８に記載のシステム。

【請求項10】

前記第１の試験周波数と関連付けられた第１の試験利得と前記第２の試験周波数と関連付けられた第２の試験利得が両方とも、前記駆動周波数でのセンス利得の７５％以内にある、
請求項１に記載のシステム。

【請求項11】

前記第１の試験周波数と関連付けられた第１の試験利得と前記第２の試験周波数と関連付けられた第２の試験利得の一方が、前記駆動周波数でのセンス利得の２５％以内にある、
請求項１に記載のシステム。

【請求項12】

前記処理回路は、更に、前記１つ以上のセンス電極での前記電圧に基づいて角速度を決定するように構成された、
請求項１に記載のシステム。

【請求項13】

前記第１の試験周波数と前記第２の試験周波数での前記１つ以上のセンサマスの駆動による前記駆動周波数での前記１つ以上のセンスマスの利得の変化が、しきい値より少ない、
請求項１に記載のシステム。

【請求項14】

前記第１の試験周波数での前記１つ以上のセンサマス前記駆動が、第１の大きさにあり、前記第２の試験周波数での前記１つ以上のセンサマスの前記駆動が、第２の大きさにある、
請求項１３に記載のシステム。

【請求項15】

前記１つ以上の補助電極が、前記１つ以上のセンス電極を含む、
請求項１に記載のシステム。

【請求項16】

前記第１の試験周波数と前記第２の試験周波数が両方とも、センスモード共振周波数の同じ側にある、
請求項１に記載のシステム。

【請求項17】

前記第１の試験周波数と前記第２の試験周波数との差が、前記センスモード共振周波数の２パーセントを超え前記センスモード共振周波数の６パーセント未満である、
請求項１６に記載のシステム。

【請求項18】

前記駆動周波数が、前記センスモード共振周波数における前記第１の試験周波数及び前記第２の試験周波数とは反対側にある、
請求項１６に記載のシステム。

【請求項19】

ジャイロスコープの自己試験を行うための方法であって、
駆動回路から１つ以上の駆動電極に駆動信号を提供するステップ；ここで、前記駆動電極は１つ以上の駆動マスに隣接している、
前記駆動信号に基づいて前記１つ以上の駆動マスを駆動周波数で駆動するステップ；
装置平面に垂直な軸のまわりの回転を１つ以上のセンスマスで受けるステップ；ここで、前記１つ以上のセンスマスと前記１つ以上の駆動マスとは前記装置平面内にあり、前記１つ以上のセンスマスは前記１つ以上の駆動マスに結合されて前記受けた回転に応じて前記駆動周波数で振動する、
前記１つ以上のセンスマスを第１の試験周波数と第２の試験周波数で駆動するステップ；ここで、前記第１の試験周波数が前記駆動周波数と異なり、前記第２の試験周波数が前記駆動周波数及び前記第１の試験周波数と異なる、
１つ以上のセンス電極でのセンス電圧を測定するステップ；ここで、前記センス電圧は、前記駆動周波数、前記第１の試験周波数及び前記第２の試験周波数での前記１つ以上のセンスマスの前記振動に応答する、
前記第１の試験周波数と前記第２の試験周波数での前記１つ以上のセンスマスの前記振動に応答するセンス電圧に基づいてジャイロスコープ故障を識別するステップ；
を含み、
前記ジャイロスコープ故障が、前記第１の試験周波数での前記センス電圧の第１の利得変化、前記第２の試験周波数での前記センス電圧の第２の利得変化、及び前記第１の利得変化と前記第２の利得変化との比率に基づいて識別される、
方法。

【発明の詳細な説明】

【背景技術】

【0001】

スマートフォン、スマートウォッチ、タブレット、自動車、ドローン、電気器具、航空機、運動支援装置、ゲームコントローラなどの多くの物品は、その操作中に運動センサを利用できる。多くの用途では、加速度計やジャイロスコープなどの様々なタイプの運動センサが、特定用途の様々な情報を決定するために個別又は一緒に分析されうる。例えば、ジャイロスコープと加速度計は、ゲーム用途（例えば、スマートフォン又はゲームコントローラ）でユーザによる複雑な運動を取得するために使用されることがあり、ドローンや他の航空機は、ジャイロスコープ測定値（例えば、ロール、ピッチ及びヨー）に基づいて向きを決定でき、車両は、方向（例えば、推測航法のため）と安全性（例えば、スリップ又はロールオーバー状況の認識）の決定のために測定値を利用できる。

【0002】

加速度計、ジャイロスコープ、圧力センサ及びマイクロフォンなどの多くのセンサが、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサとして実現される。センサの微小機械構成要素は、シリコン製造技術を使用して作成され、そのような微小機械構成要素は、特定の微小機械構成要素の設計に基づいて、センサによって測定された特定の外部刺激に対して応答する（例えば、動く）。外部刺激に対する微小機械構成要素の応答は、例えば、運動微小機械構成要素を「運動電極」として利用し、「固定電極」に対する運動電極の動きによって生じる電圧変化を測定することによって、測定されうる。センサの設計に基づき、この電圧変化は、測定されるパラメータ（例えば、加速、角速度、圧力など）にスケーリングファクタによって関連付けられる。

【0003】

ＭＥＭＳジャイロスコープの場合、特定の微小機械構成要素が、駆動モード共振周波数を有することがあり、この周波数（即ち、駆動周波数）で振動されうる。幾つかの構成要素が、多くの場合、多数のばねによって物理的に接続され、各ばねは、特定方向の動きを可能にすると同時に他の方向の動きを制限するように設計される。駆動周波数で振動するマスが、回転の結果として駆動方向に垂直な方向のコリオリ力を受けるとき、そのマスは、ばねや他の構造的特徴部分がそのような動きを妨げなければ、この方向（例えば、センス」又は「コリオリ」方向）に駆動周波数で運動する。次に、この運動は、例えば、マス上の運動電極と固定電極の間の電圧変化に基づいて、センス方向のマス（又は、幾つかの用途では、追加ばねによって接続された追加プルーフマス））の運動に基づいて検出されうる。回転は、電圧変化と関連付けられた利得に基づいて測定される。

【0004】

センス振動子を構成するマスは、１つ以上のセンスモード共振周波数とＱ値を有することがある。ジャイロスコープの利得は、運動が測定される周波数（例えば、センスモード共振周波数に対する）とＱ値に依存できる。そのようなパラメータが、設計パラメータと一致しない場合（例えば、製造のばらつきの結果として）、ジャイロスコープの利得が予想利得と異なることがあり、その結果、測定誤差が生じうる。構成要素が時間の経過と共に摩耗するとき、又は構成要素が破損した場合、ジャイロスコープの利得は変化しうる。

【発明の概要】

【0005】

典型的実施形態では、ジャイロスコープの自己試験を行うためのシステムが、装置平面内にある１つ以上の駆動マス、１つ以上の駆動マスに隣接した１つ以上の駆動電極、及び駆動回路を含み、駆動回路は、１つ以上の駆動電極に１つ以上の駆動マスを駆動させて駆動周波数で振動させるように構成される。一実施形態では、システムは、また、装置平面にある１つ以上のセンスマスを含み、１つ以上のセンスマスは、１つ以上の駆動マスに結合されて、装置平面に垂直な軸のまわりの回転に応じて駆動周波数で振動する。一実施形態では、システムは、また、１つ以上のセンスマスに隣接した１つ以上のセンス電極を含み、１つ以上のセンス電極と１つ以上のセンスマスの間の電圧は、１つ以上のセンスマスの振動により変化する。一実施形態では、システムは、また、１つ以上のセンスマスに隣接した１つ以上の補助電極を含み、１つ以上の補助電極は、１つ以上のセンスマスを第１の試験周波数と第２の試験周波数で駆動し、第１の試験周波数は、駆動周波数と異なり、第２の試験周波数は、駆動周波数及び第１の試験周波数と異なり、１以上のセンス電極が、第１の試験周波数での第１の試験応答信号、及び第２の試験周波数での第２の試験応答信号を検出する。一実施形態では、システムは、また、第１の試験応答信号と第２の試験応答信号の少なくとも１つに基づいてジャイロスコープ故障を識別するように構成された処理回路を含む。ジャイロスコープ故障が、第１の試験応答信号の第１の利得変化、第２の試験応答信号の第２の利得変化、及び第１の利得変化と前記第２の利得変化との比率に基づいて識別される。

【0006】

典型的実施形態では、ジャイロスコープの自己試験を行う方法は、駆動回路から１つ以上の駆動電極に駆動信号を提供するステップと、駆動信号に基づいて１つ以上の駆動マスを駆動周波数で駆動するステップと、１つ以上のセンスマスで回転を受けるステップと、を含む。ここで、駆動電極は、１つ以上の駆動マスに隣接している。１つ以上のセンスマスと１つ以上の駆動マスとは駆動平面内にあり、１つ以上のセンスマスは１つ以上の駆動マスに結合されて、装置平面に垂直な軸のまわりの回転に応じて駆動周波数で振動する。一実施形態では、方法は、また、１つ以上のセンスマスを第１の試験周波数と第２の試験周波数で駆動するステップを含む。ここで、第１の試験周波数は駆動周波数と異なり、第２の試験周波数は駆動周波数及び第１の試験周波数と異なる。一実施形態では、方法は、また、駆動周波数、第１の試験周波数及び第２の試験周波数での１つ以上のセンスマスの振動に応答するセンス電圧を１つ以上のセンス電極で測定するステップと、第１の試験周波数と第２の試験周波数での１つ以上のセンスマスの振動に応答するセンス電圧に基づいてジャイロスコープ故障を識別するステップと、を含む。ジャイロスコープ故障が、第１の試験周波数でのセンス電圧の第１の利得変化、第２の試験周波数でのセンス電圧の第２の利得変化、及び第１の利得変化と第２の利得変化との比率に基づいて識別される。

【図面の簡単な説明】

【0007】

本開示の以上その他の特徴、その本質及び様々な利点は、添付図面と関連して行われる以下の詳細な記述を検討することにより明らかになる。

【0008】

【図1】本開示の幾つかの実施形態による典型的な運動処理システムを示す図である。

【図2】本開示の幾つかの実施形態による典型的なジャイロスコープ設計を示す図である。

【図3】本開示の幾つかの実施形態による特定のセンスモード共振周波数を有するジャイロスコープのセンス振動子の典型的な周波数応答を表す図である。

【図4】本開示の幾つかの実施形態による図３のセンス振動子の典型的な利得変化を示す図である。

【図5】本開示の幾つかの実施形態による図３のセンス振動子の典型的周波数シフトを示す図である。

【図6】本開示の幾つかの実施形態による周波数応答試験の典型的ステップを表す図である。

【図7】本開示の幾つかの実施形態による周波数応答自己試験の典型的ステップを表す図である。

【図8】本開示の幾つかの実施形態による周波数応答補償の典型的ステップを表す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

ＭＥＭＳジャイロスコープは、駆動モード共振周波数とセンスモード共振周波数を有するように設計されうる。ＭＥＭＳジャイロスコープの１つ以上のマスは、駆動モード共振周波数で、様々なマスを相互接続するばねの設計と配置に基づいて駆動され、ＭＥＭＳジャイロスコープの１つ以上のセンス振動子（例えば、センスマス、プルーフマス、コリオリマス又はこれらの任意の適切な組み合わせ）は、ジャイロスコープの回転によって生じるコリオリ力に応じてセンス方向に運動できる。ジャイロスコープの回転の角速度は、固定電極に対するセンスマスの運動電極の運動に基づいて決定されてもよく、この運動は、駆動周波数で測定されうる。

【0010】

一実施形態で、センス振動子は、例えばセンス振動子に取り付けられた追加の補助電極によって、複数の試験周波数（例えば、２つの試験周波数）で振動される。試験周波数は、駆動周波数及びセンスモード共振周波数とは異なる。また、試験周波数は互いに異なる。試験周波数によるセンス振動子の周波数応答は、試験周波数で、センス（運動又は固定）電極又は追加のセンス電極によって測定されうる。

【0011】

試験周波数に対するセンス振動子の周波数応答は、センス振動子の周波数応答がどちらの試験周波数で変化したかを決定するために、ベースライン値、しきい値及び／又は前の値と比較されうる。周波数応答が試験周波数で変化した場合、これは、センスモード共振周波数が変化したこと、利得が変化したこと、又はこれらの両方が変化したことを示しうる。各試験周波数で受けた周波数応答の相対変化の比較に基づいて、様々なタイプの変化を区別できる。更に、この結果を様々なしきい値と比較して、ジャイロスコープが故障したかどうか、又はジャイロスコープの周波数応答の変化を補償できるかどうかを決定できる。

【0012】

図１は、本開示の幾つかの実施形態による典型的な運動処理システム１０を示す。図１に特定の構成要素が示されているが、センサ、処理構成要素、メモリ及び他の回路の任意の適切な組み合わせが、必要に応じて様々な用途及びシステムに利用されうることを理解されよう。本明細書に記載されたような一実施形態では、運動処理システムは、少なくともＭＥＭＳセンサ１２と、処理回路１４やメモリ１６などの支援回路を含みうる。幾つかの実施形態では、統合運動処理ユニット（「ＭＰＵ」）（例えば、３軸のＭＥＭＳジャイロスコープ検出、３軸のＭＥＭＳ加速度計検出、マイクロフォン、圧力センサ、及びコンパスを含む）を提供するために、運動処理システム１０内に、１つ以上の追加センサ１８（例えば、追加ＭＥＭＳジャイロスコープ、ＭＥＭＳ加速度計、ＭＥＭＳマイクロフォン、ＭＥＭＳ圧力センサ及びコンパス）が含まれうる。

【0013】

処理回路１４は、運動処理システム１０の要件に基づいて必要な処理を提供する１つ以上の構成要素を含みうる。幾つかの実施形態では、処理回路１４は、ジャイロスコープ１２の動作を制御しかつジャイロスコープ１２の処理の一部を実行するために、ジャイロスコープ１２などのセンサのチップ内（例えば、ＭＥＭＳジャイロスコープの基板又はキャップ上、或いはジャイロスコープに対するチップの隣接部分上）に組み込まれうるハードウェア制御ロジックを含みうる。幾つかの実施形態では、ジャイロスコープ１２は、（例えば、レジスタの値を修正することによって）ハードウェア制御ロジックの動作の一部（例えば、駆動大きさ、試験周波数、測定信号に適用される利得係数など）を修正することを可能にする１つ以上のレジスタを含みうる。他のセンサ１８は、同じように動作できる。幾つかの実施形態では、処理回路１４は、例えばメモリ１６に記憶されたソフトウェア命令を実行するマイクロプロセッサなどのプロセッサを含みうる。マイクロプロセッサは、ハードウェア制御ロジックと相互作用することによってジャイロスコープ１２の動作を制御し、ジャイロスコープ１２から受け取った測定信号を処理できる。マイクロプロセッサは、他のセンサと同じように相互作用できる。

【0014】

幾つかの実施形態（図１に示されていない）では、ジャイロスコープ１２又は他のセンサ１８は、外部回路と（例えば、シリアルバスを介して、又はセンサ出力及び制御入力への直接接続によって）直接通信してもよく、一実施形態では、処理回路１４は、ジャイロスコープ１２及び他のセンサ１８から受け取ったデータを処理し、通信インタフェース２０（例えば、ＳＰＩ又はＩ２Ｃバス、或いは、自動車アプリケーション、コントローラエリアネットワーク（ＣＡＮ）又はローカルインターコネクトネットワーク（ＬＩＮ）バス）を介して外部構成要素と通信できる。処理回路１４は、ジャイロスコープ１２及び他のセンサ１８から受け取った信号を適切な測定ユニットに変換し（例えば、通信バス２０によって通信する他の計算処理ユニットによって提供される設定に基づいて）、より複雑な処理を実行して向きやオイラー角度などの測定値を決定し、幾つかの実施形態では、特定の活動（例えば、徒歩、走行、制動、滑り、ローリングなど）が行われているかどうかをセンサデータから決定できる。

【0015】

幾つかの実施形態では、特定のタイプの情報は、複数のジャイロスコープ１２とセンサ１８からのデータに基づいて、センサフュージョンと呼ばれうるプロセスで決定されうる。様々なセンサからの情報を組み合わせることによって、画像安定化、ナビゲーションシステム、自動車制御及び安全性、推測航法、リモート制御及びゲーム装置、活動センサ、三次元カメラ、産業オートメーション、及び多数の他の用途など、様々な用途に役立つ情報を正確に決定できる。

【0016】

ＭＥＭＳジャイロスコープは、典型的には、軸のまわりの回転（例えば、ピッチ、ロール及び／又はヨー）を測定するために使用される複数の微小機械構成要素を有しうる。微小機械構成要素の１つ以上は、典型的には駆動電極や駆動櫛歯などの静電駆動システムによって、駆動周波数で振動させられる。構成要素（例えば、駆動マスなどの駆動振動子）は、駆動方向に駆動周波数で振動させられる。この駆動周波数は、駆動振動子の駆動モード共振周波数に対応する。駆動振動子から回転を測定できるが、多くのジャイロスコープでは、センス振動子（例えば、コリオリマス、プルーフマス、センスマスなど）が、ばねによって駆動振動子に結合され、このばねは、多くの場合、ばねの設計と配置に基づいて、マスの運動自由度を特定方向に制限する。

【0017】

駆動方向に振動しているマス（例えば、コリオリマス又はセンス振動子のセンスマス）は、軸のまわりのジャイロスコープの回転の結果として力を受けうる。このコリオリの力は、マスに対して、駆動方向とジャイロスコープがまわりを回転している軸の両方に対して垂直の方向（即ち、センス方向）に加えられる。コリオリの力を受けるマス（例えば、センス振動子のセンスマス）が、センス方向に自由に動くとき（例えば、センス振動子の構成に基づいて）、このマスは、センス方向に駆動周波数で振動する。コリオリ力により生じるセンス方向の周波数応答は、検出伝達関数に基づきうる。検出伝達関数は、特定のジャイロスコープの設計に基づいており、ジャイロスコープ設計のセンスモード共振周波数及びＱ値と関連付けられうる。センスモード共振周波数とＱ値に基づいて、利得曲線は、様々な周波数でジャイロスコープ設計が受ける利得を示しうる。幾つかの実施形態では、駆動周波数と試験周波数は、利得が予測可能でかつ容易に測定されるように十分に高い利得曲線の位置に対応するように選択されうる。

【0018】

幾つかの実施形態では、試験周波数と駆動周波数は、類似した利得範囲内になるように選択され、その結果、各試験周波数と特定のセンスモード共振周波数の駆動周波数との予想利得差は、特定用途の許容範囲内になる。一実施形態では、各試験周波数での予想利得は、試験周波数が駆動周波数における利得に対して有用な測定値を提供するために、駆動周波数における利得の７５％以内でよい（例えば、駆動周波数での利得が１０の場合、両方の試験周波数は、少なくとも２．５又は１７．５未満の利得を有する）。しかしながら、多くの実施形態では、試験周波数は、５０％、３３％、２５％、１０％、５％などのより小さい利得差を可能にするように選択されうる。幾つかの実施形態では、試験周波数におけるセンス振動子の駆動が互いに干渉するか駆動周波数に対する検出応答を妨げる可能性などの他の要素が考慮されうる。利得の最適化に加えて、試験周波数が、センスモード共振周波数、駆動周波数及び互いから最小周波数差を少なくとも有するかどうかを考慮したいことがある。幾つかの実施形態では、試験周波数の範囲は、本明細書に記載されたように、駆動周波数におけるセンス測定に影響を及ぼすことなく所望の相対利得特性を提供できる。

【0019】

一実施形態では、各試験周波数は、センスモード共振周波数に近いがセンスモード共振周波数と関連付けられた利得曲線の高利得部分に近づくほど近くない利得曲線上の位置にあるように選択される。駆動モード共振周波数とセンスモード共振周波数は、本開示による任意の適切な方法（例えば、分離モード、一致モードなど）で構成されてもよいが、本明細書に記載された一実施形態では、ジャイロスコープが、異なるセンスモード共振周波数と駆動モード共振周波数を有する分離モードジャイロスコープとして機能できる。

【0020】

本開示により任意の適切な数の試験周波数が利用されうるが、一実施形態では、２つの試験周波数が、例えば周波数シフト、利得変化又はこれらの両方の結果として、様々なエラー及び故障モードの識別を可能できうる。しかしながら、幾つかの実施形態では、１つの試験周波数を使用して周波数応答の変化を識別でき、その機能は、様々なエラー又は故障モードの識別を可能としうる仕方で最適化されうる（例えば、様々な時間における試験周波数を変化させ、結果を比較する）。更に、追加の試験周波数（例えば、３つ以上）を利用して、周波数応答に対する変化についての追加情報を決定できる。

【0021】

一実施形態では、本明細書で述べるように、試験周波数は、駆動周波数からのセンスモード共振周波数から反対側にあってもよい。換言すると、駆動周波数がセンスモード共振周波数より大きい場合は、試験周波数がセンスモード共振周波数より小さくなり、その逆の場合も同様である。しかしながら、幾つかの実施形態では、試験周波数の１つ以上は、センスモード共振周波数の駆動周波数と同じ側にあってもよいことを理解されよう。換言すると、駆動周波数がセンスモード共振周波数より大きい場合は、試験周波数の１つ以上が、やはりセンスモード共振周波数より大きくてもよく、その逆の場合も同様である。いずれの場合も、幾つかの実施形態では、試験周波数は、駆動周波数での検出との干渉を防ぐために必要に応じて、駆動周波数及びセンスモード共振周波数から十分に異なる周波数にあってもよい。一実施形態では、試験周波数を駆動周波数からのセンスモード共振周波数の反対側にすることにより、望ましくない干渉が制限されうる。

【0022】

多くのＭＥＭＳジャイロスコープでは、センス振動子の運動（例えば、センスマス）に基づいて大きさと角速度が測定される。この運動は、駆動周波数でのセンスマスの運動電極と固定センス電極との相対距離に基づいて測定される。幾つかの実施形態では、センス電極は、センスマス（例えば、センス電極として）の下の平行基板に取り付けられてもよく、基板に固定されセンスマス（例えば、センス電極又はセンス櫛歯として）の平面内にあってもよい。センスマスとその反対側のセンス電極は、実質的にキャパシタを構成し、その電圧は、センスマスとセンス電極の間の距離によって変化する。電圧変化の大きさは、コリオリ力の大きさによって変化し、その大きさと角速度を決定するために使用される（例えば、処理回路１４の処理によって）。

【0023】

ジャイロスコープの実際の周波数応答は、ジャイロスコープの設計周波数応答と必ずしも一致しないことがある。製造工程における欠陥は、ジャイロスコープの周波数応答（例えば、モード共振周波数、Ｑ値及び／又は利得曲線）の変化をもたらしうる。場合によって、ジャイロスコープは、動作中に時間の経過と共にある程度の摩耗を受けるか、１つ以上の構成要素（例えば、ばね）が破損することがある。同様に、この摩耗又は破損は、ジャイロスコープのセンスモード共振周波数応答を変化させうる。

【0024】

ジャイロスコープの周波数応答は、様々な形で設計周波数応答と異なりうる。場合によって、周波数応答のセンスモード共振周波数は、周波数応答の中心周波数が異なるようにシフトしうる。他の場合、センスモード共振周波数は同じままでもよいが、周波数応答と関連した利得は変化してもよい。更に他の場合、周波数応答のＱ値が変化してもよく、その結果、利得曲線の形（例えば、傾き）が修正される。更に他の場合、周波数応答に対するこれらの変化は同時に起こりうる。これらの変化又はその組み合わせはどれも、測定されたマグニチュードと角速度の精度を変化させうる。

【0025】

本明細書に述べるように、一実施形態では、ジャイロスコープのセンス振動子（例えば、センスマス）が、駆動及びセンスモード共振周波数の両方と異なる１つ以上の試験周波数で駆動されうる。そのような試験周波数でのセンス振動子の応答が測定され、そのような測定値に基づいて、処理回路（例えば、処理回路１４）は、周波数応答が不適当か変化したかを決定できる。幾つかの実施形態では、この決定は、試験周波数における応答の大きさの測定と比較に基づいて行われる。センスモード共振周波数に関する問題が識別された場合は、更に、修正されたセンスモード共振周波数応答を補償できるかどうか、又はジャイロスコープを故障と識別すべきかどうかが決定されうる。幾つかの実施形態では、駆動力の大きさ、補償センス力（例えば、センス電極からの）、スケーリングファクタ（例えば、センス電極からの測定値の）、増幅器利得（例えば、ハードウェア制御ロジックへの入力に基づき、センス電極の出力に適用される）、センス電極ギャップ、他の適切な要素、又はこれらの任意の組み合わせなどの操作要素が、試験周波数における測定値に基づいてジャイロスコープの動作を補償するために修正されうる。

【0026】

図２は、本開示により利用される典型的なジャイロスコープ設計を示す。特定のジャイロスコープ設計は、本明細書に例示のために描かれ記述されるが、本開示に記述されたシステム及び方法が、例えば、ジャイロスコープのセンス振動子を１つ以上の試験周波数で駆動でき、それらの試験周波数におけるセンス応答を測定できる限り、様々なジャイロスコープ設計と共に利用されうることを理解されよう。したがって、本明細書に示された考察が、ジャイロスコープ設計に一般的であり、特定の設計が単に説明のために提供されることを理解されよう。

【0027】

典型的なジャイロスコープ１００は、基板１０１に平行なＸ−Ｙ平面内に配置される。Ｚ方向は、Ｘ−Ｙ平面に垂直であり、基板１０１は、Ｚ方向のジャイロスコープ１００の下にある。ジャイロスコープ１００は、少なくとも１つのアンカー点１０６ａによって、ばね１０８ａ及び１０８ｂによって基板１０１に柔軟に結合されたガイドアーム１０４ａ及び１０４ｂを有する。２つのガイドアーム１０４ａと１０４ｂが、ばね１０３ａ及び１０３ｂを介してピッチセンスマス１０２に柔軟に結合される。一実施形態では、ピッチセンスマス１０２は、駆動振動子とセンス振動子の両方として機能できる。ピッチセンスマス１０２は、ばね１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ及び１２０ｄを介してヨーセンスマス１１２などの別のセンス振動子に次には結合される。

【0028】

ピッチセンスマス１０２、ガイドアーム１０４ａ及１０４ｂ、アンカー点１０６ａ、及びばね１０３ａ、１０３ｂ、１０８ａ及び１０８ｂが、平面４棒リンク機構を構成する。各ばね１０３ａ、１０３ｂ、１０８ａ及び１０８ｂは、軸のまわりでＺ方向に平面内で従順であり、それにより、各ガイドアーム１０４ａ及び１０４ｂは、平面内で回転でき、同時に、センスマス１０２が、例えばＹ軸のまわりのピッチ回転によって生じるＺ方向のコリオリ力に応じて、Ｘ方向に並進する。

【0029】

ばね１０８ａ及び１０８ｂは、ピッチセンス軸のまわりにＸ方向に従順であり、したがって、ガイドアーム１０４ａ及び１０４ｂは、平面外で回転できる。ばね１０３ａと１０３ｂは、Ｚ方向に堅く、それにより、ガイドアーム１０４ａ及び１０４ｂの平面外回転によって、ピッチセンスマス１０２が、ガイドアーム１０４ａ及び１０４ｂによって平面外で動く。

【0030】

櫛歯駆動部１１１ａ及び１１１ｂなどの静電アクチュエータが、アンカー１０９ａ及び１０９ｂ並びにピッチセンスマス１０２に接続される。櫛歯駆動部１１１ａ及び１１１ｂは集合的に、ピッチセンスマス１０２をＸ軸に沿ってＸ方向に駆動する。この実施形態では、２つの静電アクチュエータが利用される。しかしながら、当業者は、１つの静電アクチュエータを提供でき、１つの静電アクチュエータの使用が、本発明の趣旨及び範囲内にあり、追加の静電アクチュエータが、ピッチセンスマス１０２に関連した様々な位置に配置されうることを容易に理解する。更に、図２の典型的実施形態に示されていないが、一実施形態では、１つ以上の駆動マスが、ピッチセンスマス１０２に結合されてもよく、その結果、駆動マスが、櫛歯駆動部１１１ａ及び１１１ｂによって駆動され、駆動マスとピッチセンスマス１０２の間に結合されＸ方向に剛性である追加ばね（図２に示されていない）によって、駆動運動がピッチセンスマス１０２に与えられる。

【0031】

更に、静電アクチュエータは、本明細書全体にわたって、ガイドマスシステムを駆動するために使用されるアクチュエータとして述べられるが、当業者は、この機能のために様々なアクチュエータを利用でき、使用が本発明の趣旨及び範囲内にあることを理解する。例えば、アクチュエータは、圧電式、温度式又は電磁気式などでよい。

【0032】

一実施形態では、ピッチセンスマス１０２は、駆動振動子の駆動モード共振周波数で、アクチュエータ１０９ａ及び１０９ｂに結合された１つ以上の駆動回路によって駆動されうる。本明細書に記述されたような一実施形態では、駆動周波数は、十分な利得を維持しながらジャイロスコープ１００のセンスモード共振周波数に対して適切な周波数差にある周波数でよい。典型的な実施形態では、周波数差は、センスモード共振周波数の少なくとも３％でよく、幾つかの実施形態では、センスモード共振周波数の７〜１５％の範囲内でよい。他の最小差又は差の範囲が、様々なジャイロスコープ設計・用途に適用されうることを理解されよう。一実施形態では、駆動周波数とセンスモード共振周波数との差の選択は、利得と解像度の所望の範囲に基づいてもよく、駆動周波数における利得は、駆動周波数がセンスモード共振周波数に近いほど上昇し、解像度は、駆動周波数がセンスモード共振周波数から遠いほど上昇する。

【0033】

ジャイロスコープ１００が駆動されるとき、ガイドアーム１０４ａ及び１０４ｂは、平面内で回転し、ピッチセンスマス１０２は平面内でＸ方向に並進する。基板の平面内にありかつＸ方向に直角なＹ方向のピッチ入力軸のまわりの角速度は、コリオリ力をＺ方向のピッチセンスマス１０２に作用させる。コリオリ力は、ジャイロスコープピッチセンスマス１０２並びにガイドアーム１０４ａ及び１０４ｂをピッチセンス軸のまわりに平面外で回転させる。ジャイロスコープ１００の回転の振幅は、ピッチ入力軸のまわりの角速度に比例する。ピッチ変換器１１０は、センスマスの運動を検出でき、容量式、圧電式、光学トランスデューサなどの任意の適切なピッチ変換器１１０でよい。一実施形態では、ピッチセンスマス１０２の下のセンス電極１１０は、ピッチセンスマス１０２（例えば、運動電極を含むか運動電極として働く）とセンス電極１１０との距離の変化による静電容量の変化に基づいて、ピッチセンス軸のまわりのジャイロスコープ１００の回転を検出するために使用される。静電容量のこの変化は、ピッチ入力軸のまわりの角速度の大きさを提供する。

【0034】

ジャイロスコープ１００は、また、Ｚ軸のまわりの回転に対応するヨーセンスマス１１２などのヨーセンス振動子を含む。一実施形態では、ヨーセンスマス１１２は、ばね１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ及び１２０ｄによってピッチセンスマス１０２に結合されうる。図２に４つのばね１２０ａ〜１２０ｄが示されているが、本開示によれば、任意の適切な数のばねが、駆動力をヨーセンスマス１１２に伝達できることが理解されよう。一実施形態では、ばね１２０ａ〜１２０ｄが、駆動方向（即ち、Ｘ方向）に剛性でセンス方向（即ち、Ｙ方向）に柔軟になるように構成されうる。更に、幾つかの実施形態（図２に示されていない）では、ヨー振動子は、ピッチセンスマス１０２から駆動力を受け取るように結合されたコリオリマスと、ヨー回転によりコリオリマスに与えられコリオリ力の方向（例えば、Ｙ方向）に剛性である追加ばねによってコリオリマスに接続された追加プルーフマスなどの、複数のマスとして実現されうることを理解されよう。

【0035】

本明細書に記述されたように、駆動櫛歯１１１ａ及び１１１ｂは、ピッチセンスマス１０２をＸ方向に振動させる。このＸ方向振動は、Ｘ方向に剛性のばね１２０ａ〜１２０ｄによってヨーセンスマス１１２に伝達される。ジャイロスコープ１００が、Ｚ軸のまわりに回転されたとき、ヨーセンスマス１１２上に、駆動周波数のＹ軸振動を引き起こすＹ軸コリオリ力が生じる。ばね１２０ａ〜１２０ｄがＹ方向に柔軟なので、ヨーセンスマス１１２は、コリオリ力及びしたがって角速度に比例する大きさでＹ方向に振動する。ヨー変換器１１４は、センスマスの運動を検出でき、容量式、圧電式、光学トランスデューサなどの任意の適切なヨー変換器１１０でよい。一実施形態では、センス電極１１４は、ヨーセンスマス１１２（例えば、移動電極を含むか移動電極として機能する）とセンス電極１１４の間の距離の変化による静電容量の変化に基づいて、ヨーセンス軸のまわりのジャイロスコープ１００の回転を検出するために、ヨーセンスマス１１２（例えば、基板にしっかり固定され、アンカー１１５を介してセンス回路に電気的に接続された）と共に平面内にある平板電極（幾つかの実施形態では、櫛歯電極などの様々な電極がセンス電極１１４に利用されうるが）でよい。幾つかの実施形態（図２には示されていない）では、センス電極１１４は、ヨーセンスマス１１２の内部キャビティ内にあってもよい。しかしながら、センス電極１１４は、センス電極１１４とヨーセンスマス１１２の間の相対運動による静電容量の変化が、ヨー入力軸のまわりの角速度の大きさを提供するように、実現され構成される。

【0036】

一実施形態では、ヨーセンスマス１１２は、１つ以上の試験信号によって駆動されるように構成されうる。図２の典型的実施形態にはピッチセンスマス１０２が描かれていないが、試験信号がピッチセンスマス１０２上にも同様に加えられることを理解するであろう（例えば、ピッチセンスマス１０２の上又は下にある補助電極に基づいて）。１つ以上の試験信号は、ヨーセンスマス１１２を１つ以上の試験周波数で振動させるために、ヨーセンスマス１１２に加えられてもよい。任意の適切な数の試験信号が、任意の適切な周波数でヨーセンスマス１１２に加えられうるが、一実施形態では、２つの試験信号が、センスモード共振周波数の駆動周波数と反対側の周波数でセンスマスに加えられうる。試験周波数は、センスモード共振周波数に対して任意の適切な周波数にあってもよいが、一実施形態では、両方の試験周波数が、センスモード共振周波数より少なくとも２パーセント高いか低くてもよく、幾つかの実施形態では、センスモード共振周波数より４パーセント高いか低くてもよい。試験周波数は、互いに対して任意の適切な周波数にあってもよいが、一実施形態では、試験周波数の間の周波数差は、センスモード共振周波数の１〜１０パーセントでよく、幾つかの実施形態では、センスモード共振周波数の２〜６パーセントでよい。本明細書に記載されたように、テストモード周波数の適切な周波数は、駆動周波数における利得に対して適切な利得や、駆動周波数におけるセンスマスの応答に対する不干渉などの要素に基づいて選択されてもよく、したがって、特定のジャイロスコープ設計及びその予想周波数応答に基づいて様々な値を有しうる。

【0037】

幾つかの実施形態（図２に示されていない）では、試験信号は、センス電極１１４によってヨーセンスマス１１２に与えられうる。センス電極１１４は、試験信号の提供、試験応答の測定及びコリオリ力の測定を能動的に切り替えるように機能的に多重化されうる。コリオリ力と試験応答を受け取り処理するように設計されたセンス回路に加えて、センス電極は、また、ヨーセンスマス１１２に試験信号を加えるために必要な電圧を提供する駆動回路を含みうる。一実施形態では、補助アクチュエータ１３２ａ〜１３２ｄが、ヨーセンスマス１１２に試験信号を加えうる。補助アクチュエータ１３２ａ〜１３２ｄは、試験信号をヨーセンスマス１１２に加える任意の適切な方法（例えば、圧電、温度、電磁など）を利用でき、一実施形態では、補助アクチュエータ１３２ａ〜１３２ｄは、平面内でかつヨーセンスマス１１２の周囲にある静電気櫛歯アクチュエータでよい。他の実施形態では、補助アクチュエータ１３２ａ〜１３２ｄは、ヨーセンスマス１１２の内部キャビティ内などの他の適切な場所に配置されうる。

【0038】

一実施形態では、櫛歯補助アクチュエータ１３２ａ〜１３２ｄは、それぞれのアンカー１３０ａ〜１３０ｄを介して、基板にしっかり固定され、駆動及び／又はセンス回路に接続されうる。４つのアクチュエータは、図２では２つの試験信号を提供するように描かれているが、様々な実施形態では、任意の適切な数の試験信号を提供するために、任意の適切な数のアクチュエータが利用されうる。例えば、試験信号の数より少ない数のアクチュエータを提供でき、試験信号は多重方式で提供されうる。幾つかの実施形態では、センス電極１１４における試験応答を検出せずに、櫛歯電極１３２ａ〜１３２ｄの１つ以上が、専用又は多重式（例えば、試験信号の作動及び／又は他の試験応答の測定と多重化される）に、試験応答のセンス櫛歯として機能できる。

【0039】

櫛歯補助アクチュエータ１３２ａ〜１３２ｄによってヨーセンスマス１１２に加えられる力は、Ｙ軸に沿って印加され検出され、これは、Ｙ軸方向のばね１２０ａ〜１２０ｄの柔軟性により可能にされる。本明細書に記載されているように、ジャイロスコープの１つ以上の構成要素（駆動電極１１１ａ若しくは１１１ｂ、又はばね１０３ａ、１０３ｂ、１０８ａ、１０８ｂ、１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ若しくは１２０ｄのいずれか）は、時間の経過と共に摩耗又は破損することがあり、ヨーセンスマス１１２の予想周波数応答を変化させうる。本明細書に記載されているように、補助アクチュエータ１３２ａ〜１３２ｄ（又は、幾つかの実施形態では、センス電極１１４）は、ヨーセンスマス１１２を試験周波数で駆動する試験信号を提供でき、センス電極１１４又は補助アクチュエータ１３２ａ〜１３２ｄによって各試験周波数の試験応答が測定されうる。試験応答は、ジャイロスコープ１００の回路と、幾つかの実施形態では処理回路１２とによって処理されうる。試験応答の分析に基づいて、ジャイロスコープ１００が故障したかどうか、又はジャイロスコープ挙動の変化を補償できるかどうかが決定されうる。補償が可能な場合、櫛歯電極１１１ａ及び１１１ｂによって提供される駆動信号の大きさ、アナログ検出回路（例えば、ジャイロスコープ１１４のセンス回路の１つ以上の増幅器）の動作、又は１つ以上のデジタルスケーリングファクタ（例えば、ジャイロスコープ１００又は処理回路１４における）などの、ジャイロスコープ１００の１つ以上の操作パラメータが修正されうる。

【0040】

幾つかの実施形態では、ジャイロスコープ１００などのジャイロスコープが、ジャイロスコープの操作のパラメータを設定するために、様々な時間（例えば、生産中）に試験されうる。試験信号の操作パラメータ（例えば、周波数、大きさなど）は、そのような試験の結果として修正されうる。製造試験の一実施形態では、周波数と大きさは、測定されたセンスモード共振周波数又は利得などの要素と、他のパラメータ（例えば、駆動信号の大きさ）の設定に基づいて修正されうる。

【0041】

図３〜図５は、本開示の幾つかの実施形態によるジャイロスコープの典型的センス振動子の典型的周波数応答を示す。２４ｋＨｚの設計センスモード共振周波数と６００のＱ値を有する典型的ジャイロスコープの周波数応答が示されているが、他のジャイロスコープ設計は、様々なセンスモード共振周波数及び周波数応答を有するが、ジャイロスコープ動作の故障又は変化の結果として同じように（例えば、センスモード共振周波数及び利得の変化）応答しうることを理解されよう。

【0042】

図３は、本開示の幾つかの実施形態によるジャイロスコープの典型的センス振動子の典型的周波数応答を示す。図３に表された特性を有する典型的センス振動子では、典型的センスモード共振周波数が２４ｋＨｚであり、典型的Ｑ値が６００であるが、本開示が、本開示による異なるセンスモード共振周波数、Ｑ値及び利得を有する他のジャイロスコープ設計に適用されうることを理解されよう。図３に表されたグラフの横座標は、キロヘルツの単位であり、縦座標は、標準化された利得値である。

【0043】

図３に表されたように、ジャイロスコープ設計のセンスモード共振周波数Ｆ_ＳＭは、２４ｋＨｚでよい。このセンスモード共振周波数又はこの付近（例えば、図３の特定のセンス振動子の場合は、プラス又はマイナス１ｋＨｚ〜１．５ｋＨｚの範囲内）で、利得は、この周波数範囲で周波数応答の高い勾配に基づいて、比較的不安定か測定困難なことがある。他の範囲が他のジャイロスコープ設計に適用されうることを理解されよう。従って、駆動及び試験周波数を周波数応答上の異なる位置にすることが望ましいことがある。駆動周波数Ｆ_Ｄは、本明細書に記載されたような任意の適切な周波数にあってもよいが、一実施形態では、駆動周波数は２７ｋＨｚでよく、例えば、センスモード共振周波数より３ｋＨｚ高いか、センスモード共振周波数より１２．５％高くてもよい。一実施形態では、駆動周波数Ｆ_Ｄは、ジャイロスコープの駆動モード共振周波数に対応できる。駆動周波数は、ジャイロスコープを駆動しコリオリ力を検出するために利用されることがあり、駆動力の大きさ、スケーリングファクタ（例えば、デジタルスケーリング）及び利得値（例えば、増幅器の）などの駆動周波数の操作パラメータは、駆動周波数におけるジャイロスコープの利得が、図３に表されたものであるという仮定に基づいてもよい（例えば、図３に表された正規化目盛で約５）。

【0044】

本明細書に記載されているように、１つ以上（例えば２つ）の試験信号が、ジャイロスコープ（例えば、ジャイロスコープのセンス振動子）に適用され、試験信号に対するセンス振動子の応答が測定されうる。試験周波数Ｆ_{Ｔ１，Ｔ２}は、本明細書に記載されているようにセンスモード共振周波数Ｆ_ＳＭに対して任意の適切な周波数にあってもよいが、一実施形態では、最も近い試験周波数Ｆ_Ｔ１は、２２ｋＨｚでよく、例えば、センスモード共振周波数Ｆ_ＳＭより２ｋＨｚ低いか、センスモード共振周波数Ｆ_ＳＭより８．２％低くてもよい。このようにして、試験周波数Ｆ_{Ｔ１，Ｔ２}は、利得を一貫して測定するために周波数応答曲線上で、かつ駆動周波数との干渉を回避するためにセンスモード共振周波数の駆動周波数と反対側の適切な位置でありうる。

【0045】

一実施形態では、２つの試験信号は、２つの異なる周波数でセンス振動子（例えば、ジャイロスコープのセンスマス）に印加されうる。試験信号の周波数は、本明細書に記載されているような任意の適切な仕方で選択されうるが、一実施形態では、試験信号周波数Ｆ_Ｔ１及びＦ_Ｔ２は、正常条件下で、駆動周波数における利得の所望範囲内にとどまりながら利得曲線上の実質的に異なる位置になるように、互い対して適切な周波数離隔距離にあってもよい。図３に表されているように、典型的実施形態では、第１の試験信号周波数Ｆ_Ｔ１は、２１．５ｋＨｚでよく、約６の正規化利得と関連付けられてもよく、一方、第２の試験信号周波数Ｆ_Ｔ２は、２２ｋＨｚでよく、約８の正規化利得と関連付けられてもよい。図３の典型的実施形態では、この結果、第１の試験周波数Ｆ_Ｔ１と駆動周波数Ｆ_Ｄの利得差が１になり、第２の試験周波数Ｆ_Ｔ２と駆動周波数Ｆ_Ｄの利得差が３になりうる。しかしながら、図３に提供された試験周波数値は代表例に過ぎず、本明細書に記載されたような任意の適切な仕方で駆動周波数に対して利得を最適化するために、他の試験周波数が選択されうることを理解されよう。

【0046】

図４と図５に示されたように、ジャイロスコープの周波数応答の様々な変化によって、２つの試験周波数での利得の様々な相対変化が生じうる。一実施形態では、試験周波数Ｆ_Ｔ１とＦ_Ｔ２のそれぞれにおける試験信号に対するセンスマスの測定応答（例えば、１つ以上のセンス電極によって検出された電圧の変化）のベースラインの大きさが決定されてもよく、この測定された大きさは、図３に表された正規化利得に比例する。

【0047】

図４は、本開示の幾つかの実施形態による典型的な利得変化を示す。図４の縦座標と横座標は同じ単位（キロヘルツで表した周波数と正規化利得）であり、駆動周波数Ｆ_Ｄ、センスモード共振周波数Ｆ_ＳＭ、第１の試験周波数Ｆ_Ｔ１及び第２の試験周波数Ｆ_Ｔ２は全て、図３に示されたものと同じ周波数にある。図４の実線は、図３に表されたようなジャイロスコープの元の周波数応答を示す。図４の点線は、例えばある期間にわたるジャイロスコープの１つ以上の構成要素の摩耗により、変化した周波数応答を示す。

【0048】

図４で分かるように、駆動周波数の利得は、ジャイロスコープの周波数応答の変化の結果として変更されうる（例えば、高くされうる）。幾つかの実施形態では、そのような利得変化はきわめて大きいので、角速度の測定を失敗させうる。例えば、利得が大きく上昇するとセンス回路が飽和することがあり、その結果、特定の所望範囲の角速度を検出できなくなる。同様に、利得が大きく低下するとセンス回路の分解能が不十分になることがあり、その結果、角速度の所望の変化を正確に検出できなくなる。幾つかの実施形態では、利得が変化した結果、ジャイロスコープが角速度を測定できなくならない場合でも、その利得変化は、例えば検出された電圧変化（利得に比例する）と角速度値の予想相関関係に基づいて、角速度用に受け取った値を修正できる。利得が上昇又は低下するとしきい値との比較に誤りが生じることがあり、しきい値がジャイロスコープの周波数応答の利得に正確に対応しなくなる。

【0049】

駆動周波数における検出電圧が外力によって変化するので（例えば、ジャイロスコープの回転による角速度が、駆動周波数でセンス方向にコリオリ力を発生させる）、駆動周波数での測定値に基づいて利得の変化が生じたかどうか決定できないことがある。駆動周波数での検出電圧の大きく厳しい変化がない限り（例えば、ジャイロスコープの破局的故障により）、利得が正常動作条件下のジャイロスコープの回転の正常変動と区別されるように変化する可能性は低い。

【0050】

試験信号は、ジャイロスコープの周波数応答の変化を識別するために多くの仕方でジャイロスコープ（例えばジャイロスコープのセンス振動子）に適用されうる。一実施形態では、各試験信号は一定の大きさを有することがあり、その結果、ジャイロスコープの周波数応答の変化により利得の大きさの変化が分かりうる。幾つかの実施形態では、各試験周波数は、ある期間にわたって比較されうる複数の一定の大きさで提供されうる。いずれの場合も、試験信号を一定の大きさで提供することによって、利得の変化に基づいて周波数応答の変化が正確に決定されうる（例えば、試験周波数におけるセンス電極での測定電圧変化に基づいて）。

【0051】

図４の実施形態では、各試験周波数で類似の利得変化が検出されうる。これは、利得が変化したが、ジャイロスコープのセンスモード共振周波数が変化しなかったことを示しうる。この利得変化は、１つ以上のしきい値と比較されて、周波数応答の変化を本明細書に記載されたように補償しなければならないか、又はジャイロスコープが故障しておりもう使用すべきでないかどうかが決定されうる。

【0052】

図５は、本開示の幾つかの実施形態による典型的なセンスモード共振周波数変化を示す。図５の縦座標と横座標は同じ単位（キロヘルツで表した周波数と正規化利得）であり、駆動周波数Ｆ_Ｄ、第１の試験周波数Ｆ_Ｔ１及び第２の試験周波数Ｆ_Ｔ２は全て、図３に示されたものと同じ周波数にある。図５で、センスモード共振周波数が、約２４ｋＨｚ（Ｆ_ＳＭ−Ａ）から２４．５ｋＨｚ（Ｆ_ＳＭ−Β）に変化した。図５の実線は、図３に表されたようなジャイロスコープの元の周波数応答を示す。図５の点線は、例えばある期間にわたるジャイロスコープの１つ以上の構成要素の摩耗により、変化した周波数応答を示す。

【0053】

図５で分かるように、駆動周波数の利得は、ジャイロスコープの周波数応答の変化の結果として変更されうる（例えば、高められうる）。図４に関して述べたように、そのような利得変化は、きわめて大きいので、角速度の測定失敗を引き起こし、角速度のために受け取った値を修正し、しきい値を実質的に変化させることがある。更に、駆動周波数における測定値に基づいて周波数応答が変化したかどうかを決定できないことがある。また、利得の変化（例えば、図４に表されたような）とセンスモード共振周波数の変化（例えば、図５に表されたような）を識別できないことがある。例えば、測定された駆動周波数Ｆ_Ｄでの周波数応答の変化は、図４と図５の両方でほぼ同じである。

【0054】

図４と同じように、試験信号は、ジャイロスコープの周波数応答の変化を識別するためにジャイロスコープに適用されうる。図５の実施形態では、試験周波数のそれぞれで異なる利得変化が検出されうる。例えば、第１の試験周波数Ｆ_Ｔ１における利得変化は、第２の試験周波数Ｆ_Ｔ２における利得変化より小さいことがある。２つの試験周波数で検出された利得変化は、ほとんど比例しないので（例えば、ある利得変化が他の利得変化をしきい値以上に超える）、これは、ジャイロスコープのセンスモード共振周波数が変化したことを示しうる。更に、利得変化の符号（正又は負）と、２つの試験周波数における利得変化の相対差を使用して、センスモード共振周波数がどれだけシフトしたかを近似的に決定できる。この推定された周波数シフトは、１つ以上のしきい値と比較されて、本明細書に記載されたような周波数応答の変化を補償しなければならないかどうか、又はジャイロスコープが故障しておりもう使用すべきでないかどうかが決定されうる。

【0055】

図６〜図８は、本開示の幾つかの実施形態による周波数応答試験、故障検出及び補償の典型的なステップを示す。図６〜図８は、本開示の文脈（例えば、運動処理システム１０、ジャイロスコープ１００、及び図３〜図５に表されたような周波数応答を有するジャイロスコープ）で述べられているが、図６〜図８に示された方法及びステップは、任意の適切なジャイロスコープ設計に適用されうることは理解される。図６〜図８に特定の順序及び流れのステップが示されているが、幾つかの実施形態では、ステップの１つ以上が、修正、移動、除去又は追加されてもよく、図６〜図８に表された流れが修正されてもよいことを理解されよう。

【0056】

図６は、本開示の幾つかの実施形態による周波数応答試験の典型的なステップを表す。

【0057】

ステップ６０２で、本明細書に記載されたような周波数応答の試験に使用するために試験周波数が取得されうる。典型的実施形態では、ジャイロスコープの設計センスモード共振周波数は、約２４ｋＨｚなどの周波数でよい。任意の適切な数の試験周波数が提供されうるが、典型的実施形態では、２２ｋＨｚ及び２１．５ｋＨｚの２つの試験周波数が使用されうる。幾つかの実施形態では、試験周波数と振幅は、例えば、処理回路内の修正可能値又はジャイロスコープチップのレジスタ設定に基づいて修正されうる。次に、処理は、ステップ６０４に進みうる。

【0058】

ステップ６０４で、センス振動子のベースライン応答が設定されたかどうか決定されうる。幾つかの実施形態では、ベースライン応答は、製造中の最終試験中、動作中に定期的、ジャイロスコープが電力を受け取るたび、又は他の適切な時間などの様々な時間に設定されうる。このベースラインは、将来の試験結果が測定される利得を表わしうる。適切なベースラインが設定されていない場合、処理はステップ６０６に進んでもよい。ベースラインが設定された場合、処理はステップ６０８に進んでもよい。

【0059】

ステップ６０６で、各試験周波数におけるジャイロスコープのベースラインが決定されうる。センス振動子（例えば、センス振動子の任意のセンスマス）は、所定の大きさ（又は、幾つかの実施形態では、複数の所定の大きさ）を有する試験信号によって、試験周波数（例えば、２１．５ｋＨｚ及び２２ｋＨｚ）で駆動されうる。利得は、測定され（例えば、センスマスのセンス電極による測定に基づいて）、（例えば、ジャイロスコープチップ又は処理回路の）メモリに記憶されうる。次に、処理は、ステップ６０８に進みうる。

【0060】

ステップ６０８で、ジャイロスコープは、例えば、駆動周波数（例えば、２７ｋＨｚ）の駆動信号を提供してジャイロスコープの１つ以上のマス（例えば、駆動マス、コリオリマス、及び／又はセンスマス）を駆動することによって、正常に動作できる。ジャイロスコープが、軸のまわりに回転するとき、駆動方向と回転軸に垂直なコリオリ力が、駆動周波数で検出されうる（例えば、センスマスに隣接した（例えば、センスマスのキャビティの隣又はその内側の）センス電極によって）。センス回路は、外部回路及び装置（例えば、運動処理システムの処理回路）に提供される信号を処理でき、その結果が、しきい値と比較され、他のデータと融合され、及び本明細書に記載されたような様々な用途に他の方法で利用されうる。次に、処理は、ステップ６１０に進みうる。

【0061】

ステップ６１０〜６１６で、試験信号が、センス振動子に印加され（例えば、ジャイロスコープのセンスマスを駆動するために補助アクチュエータの駆動櫛歯によって）、測定される（例えば、１つ以上の共有センス電極又は専用センス電極によって）。これらのステップは、連続に行われるように示されているが、ジャイロスコープが、試験周波数で同時に駆動されてもよく任意の適切なシーケンス又は順序で駆動されてもよいことを理解されよう。

【0062】

ステップ６１０で、センス振動子（例えば、ジャイロスコープのセンスマス）は、補助駆動回路及び補助アクチュエータ（例えば、センスマス及びアンカーにそれぞれ取り付けられた駆動櫛歯）によって第１の試験周波数（例えば、２１．５ｋＨｚ）で駆動されうる。これにより、センス振動子の構成要素（例えば、センスマス）が第１の試験周波数で振動することがあり、この振動の程度は、ジャイロスコープの利得によって変化する。処理は、次に、ステップ６１２に進みうる。

【0063】

ステップ６１２で、センス振動子（例えば、ジャイロスコープのセンスマス）の応答が、センス電極（例えば、平面内にありかつセンスマスに隣接したセンス電極板）によって第１の試験周波数（例えば、２１．５ｋＨｚ）で測定されうる。結果信号は回路を検出するために提供されるかもしれない。それは信号を処理し、第１の周波数のベースライン信号と同じ方法において変倍された大きさの値を提供するかもしれない。処理は、次に、ステップ６１４に進みうる。

【0064】

ステップ６１４で、センス振動子（例えば、ジャイロスコープのセンスマス）は、駆動回路及び補助アクチュエータ（例えば、センスマス及びアンカーにそれぞれ取り付けられた駆動櫛歯）によって、第２の試験周波数（例えば、２２ｋＨｚ）で駆動されうる。これにより、構成要素（例えば、センスマス）が第２の試験周波数で振動でき、この振動の程度は、ジャイロスコープの利得によって変化する。処理は、次に、ステップ６１６に進みうる。

【0065】

ステップ６１６で、センス振動子（例えば、ジャイロスコープのセンスマス）の応答が、センス電極（例えば、平面内にありかつセンスマスに隣接した（センスマスのキャビティの隣又は内側の）センス電極板）によって第２の試験周波数（例えば、２２ｋＨｚ）で測定されうる。得られた信号は、センス回路に提供されてもよく、センス回路は、その信号を処理し、第１の周波数のベースライン信号と同じように変倍された大きさの値を提供できる。次に、処理は、図７のステップに進みうる。

【0066】

図７は、本開示の幾つかの実施形態による周波数応答自己試験の典型的ステップを表す。自己試験は、任意の適切な方法で実行されうるが、一実施形態では、試験周波数からの結果を比較して、利得変化又は周波数シフト試験を行うかどうかを決定できる。各試験は、適用されうる様々なしきい値を有してもよい。図７には試験が特定の順序で行われるように表されているが、自己試験が同時又は任意の適切な順序で行われうることを理解されよう。

【0067】

ステップ７０２で、第１の試験周波数（例えば、２１．５ｋＨｚ）におけるセンス振動子の駆動に対して測定された応答が、第１の試験周波数のベースラインと比較されうる。一実施形態では、測定結果とベースライン結果との差の大きさの変化率及び絶対値などの値が決定されうる。処理は、ステップ７０４に進みうる。

【0068】

ステップ７０４で、第２の試験周波数（例えば、２２ｋＨｚ）におけるセンス振動子の駆動に対して測定された応答が、第２の試験周波数のベースラインと比較されうる。一実施形態では、測定結果とベースライン結果の差の大きさの変化率と絶対値などの値が決定されうる。処理は、ステップ７０６に進みうる。

【0069】

ステップ７０６で、第１と第２の試験周波数での変化の比率が決定されうる。一実施形態で、比率は、各試験周波数の変化の比率又は各試験周波数での絶対値の変化の比率に基づきうる。比率がステップ７０６で計算された後、処理は、ステップ７０８に進みうる。

【0070】

ステップ７０８で、各試験周波数における利得変化が、１つ以上のしきい値と比較されうる。一実施形態で、どちらかの試験周波数の利得変化が単一しきい値を超える場合、自己試験が失敗することがあり、処理が、ステップ７１０に進みうる。別の実施形態では、両方の利得変化が、自己試験が不合格になるしきい値を超えなければならない。更に別の実施形態では、両方の利得変化が、第１の（例えば、下側）しきい値を超えなければならず、利得変化のうちの１つが、自己試験が不合格になる第２の（例えば、もっと高い）しきい値を超えなければならない。そのような実施形態には、比率と絶対値利得変化のどちらか又は両方が使用され、更に他の実施形態では、しきい値及び値比較の他の組み合わせが利用されうる。ステップ７０８で自己試験が不合格の場合、処理は、ステップ７１０に進みうる。ステップ７０８で自己試験が不合格でなかった場合、処理は、ステップ７１２に進みうる。

【0071】

ステップ７１０で、ジャイロスコープは、利得変化試験に失敗する可能性がある。幾つかの実施形態では、２つの試験周波数（例えば、ステップ７０６で決定されたような）の利得変化の比率を分析して周波数シフトが生じたかどうかを決定できる。一実施形態では、利得変化の比率が高いほど、周波数シフトが生じた可能性が高いことを示すことがある。従って、比率は、周波数シフトが生じたかどうか決定するためにしきい値と比較されうる。自己試験の結果が報告され（例えば、処理回路又は他の装置に）、故障したジャイロスコープの動作を停止するなどの修正動作が行われうる。多軸ジャイロスコープの典型的実施形態では、まだ正常に機能している軸が動作し続けることができ、幾つかの実施形態では、センサフュージョン（例えば、複数のジャイロスコープ及び加速度計からの）が、見えない軸の値を推定する試みで使用されうる。次に、図７のステップの処理は、ステップ７１０から終了できる。

【0072】

ステップ７１２で、各試験周波数における利得変化の比率が、１つ以上のしきい値と比較されうる。一実施形態では、比率をしきい値と比較する前に、最初に、試験周波数のうちの１つと関連付けられた利得変化がしきい値（例えば、周波数シフト利得しきい値）を超えるかどうかを決定しなければならない。どちらの利得変化もそのようなしきい値を超えない場合、大きな周波数シフトがあった可能性は低い。次に、ステップ７０６で決定された利得変化の比率が分析されてもよい（例えば、しきい値と比較された）。図５に表されたように、ジャイロスコープのセンスモード共振周波数の変化によって、２つの試験周波数に利得変化の変動が生じる可能性が高い。比率をしきい値と比較することによって、周波数シフトがジャイロスコープが故障したことを示すしきい値を超えたかどうかが決定されうる。ステップ７１２で自己試験が不合格だった場合、処理は、ステップ７１４に進みうる。ステップ７１２で自己試験が不合格でなかった場合、処理は、ステップ７１６に進みうる。

【0073】

ステップ７１４で、ジャイロスコープは、利得遷移試験に不合格だった可能性がある。自己試験の結果が報告され（例えば、処理回路又は他の装置に）、故障したジャイロスコープの動作を停止するなどの修正動作が行われうる。多軸ジャイロスコープの典型的実施形態では、まだ正常に機能している軸が動作し続けることができ、幾つかの実施形態では、センサフュージョン（例えば、複数のジャイロスコープ及び加速度計からの）が、見失った軸の値を推定する試みで使用されうる。次に、図７のステップの処理は終了できる。

【0074】

ステップ７１６で、ジャイロスコープは、利得変化と周波数シフト試験の両方に合格した可能性がある。自己試験の結果が報告され（例えば、処理回路又は他の装置に）、処理はステップ７１８に進みうる。

【0075】

ステップ７１８で、ジャイロスコープが、例えば、ジャイロスコープの１つ以上の操作パラメータを修正して、ジャイロスコープを自己試験に不合格にしなかった利得又は周波数の変化を補償する補償を実行できるかどうかが決定されうる。補償が行われる場合、処理は、図８に進みうる。補償が行われない場合、図７の処理は終了できる。

【0076】

図８は、本開示の幾つかの実施形態による周波数応答試験の典型的ステップを表す。図８には特定の試験及び補償技術が示されているが、本開示及び当業者により任意の適切な試験及び技術が適用されうることを理解されよう。一実施形態では、利得変化の値と２つの試験周波数の比率は、例えば図７のステップ７０２〜７０６で既に決定されていることがある。

【0077】

ステップ８０２で、各試験周波数における利得変化が、１つ以上のしきい値と比較されうる。一実施形態では、どちらかの試験周波数の利得変化が単一しきい値を超える場合、補償が必要とされることがあり、処理は、ステップ８０４に進みうる。別の実施形態では、両方の利得変化は、補償が必要とされるしきい値を超えなければならない。更に別の実施形態では、両方の利得変化が、第１の（例えば、下側）しきい値を超えなければならず、利得変化のうちの１つが、補償が必要とされる第２の（例えば、より高）しきい値を超えなければならない。更に他の実施形態では、様々なしきい値及び様々なしきい値技術を適用して、様々な補償技術を使用すべきかどうかを決定できる。そのような実施形態には、比率及び絶対値利得変化のどちらか又は両方が使用され、更に他の実施形態で、しきい値と値比較の他の組み合わせが利用されうる。ステップ８０２で補償が必要とされる場合、処理は、ステップ８０４に進みうる。ステップ８０２で補償が必要とされない場合、処理は、ステップ８０６に進みうる。

【0078】

ステップ８０４で、ジャイロスコープが受ける利得変化を補償する補償技術がジャイロスコープに適用されうる。補償技術の典型的な実施形態は、ジャイロスコープに適用される駆動信号の大きさ（例えば、ジャイロスコープの駆動マスを駆動する駆動櫛歯の駆動電圧）を修正すること、ジャイロスコープのセンス回路の操作パラメータ（例えばセンス回路の１つ以上の増幅器利得）を修正すること、又は検出信号と関連付けられたスケーリングパラメータ（例えば、ジャイロスコープ又は処理回路の処理回路における検出信号と関連付けられたデジタルスケーリングファクタ）を修正することを含みうる。幾つかの実施形態では、これらのパラメータの複数が修正されうる。ステップ８０４で操作パラメータが更新された後、処理は、ステップ８０６に進みうる。

【0079】

ステップ８０６で、各試験周波数における利得変化の比率が、１つ以上のしきい値と比較されうる。一実施形態では、比率をしきい値と比較する前に、最初に、試験周波数のうちの１つと関連付けられた利得変化がしきい値（例えば、周波数シフト利得しきい値）を超えるかどうかを決定しなければならない。どちらの利得変化もそのようなしきい値を超えない場合、大きな周波数シフトがあった可能性は低い。次に、ステップ７０６で決定された利得変化の比率が分析されてもよい（例えば、しきい値と比較された）。幾つかの実施形態では、様々なしきい値及び様々なしきい値技術を適用して、様々な補償技術を使用すべきかどうかを決定できる。どれかの比率比較しきい値を超えた場合、処理は、ステップ８０８に進みうる。比率比較しきい値を超えない場合、図８の処理は終了できる。

【0080】

ステップ８０８で、比率の変化によって示されたような、ジャイロスコープが受ける周波数シフトを補償する補償技術がジャイロスコープに適用されうる。補償技術の典型的な実施形態は、ジャイロスコープに適用される駆動信号の大きさ（例えば、ジャイロスコープの駆動マスを駆動する駆動櫛歯の駆動電圧）を修正すること、ジャイロスコープのセンス回路の操作パラメータ（例えばセンス回路の１つ以上の増幅器利得）を修正すること、又は検出信号と関連付けられたスケーリングパラメータ（例えば、ジャイロスコープ又は処理回路の処理回路における検出信号と関連付けられたデジタルスケーリングファクタ）を修正することを含みうる。幾つかの実施形態では、これらのパラメータの複数が修正されうる。ステップ８０８で、操作パラメータが更新された後、図８の処理は終了できる。

【0081】

以上の説明は、本開示による典型的実施形態を含む。これらの例は、説明のためのものであり、限定するためのものではない。本開示が、本明細書に明示的に記述され表された形態と異なる形態で実施されてもよく、以下の特許請求の範囲と一致する様々な修正、最適化及び変形が、当業者によって実現されうることを理解されよう。

【符号の説明】

【0082】

１００ ジャイロスコープ
１０２ ピッチセンスマス
１０４ａ、１０４ｂ ガイドアーム
１１０ ピッチ変換器
１１１ ヨー変換器
１１１ａ、１１１ｂ 駆動櫛歯
１１２ ヨーセンスマス
１１４ センス電極
１１５ アンカー
１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ ばね

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】