特許 7267908 振動型角速度センサ

(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】

(24)【登録日】2023-04-24

(45)【発行日】2023-05-02

(54)【発明の名称】振動型角速度センサ

(51)【国際特許分類】

   G01C 19/5684 20120101AFI20230425BHJP

【ＦＩ】

G01C19/5684

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2019226514

(22)【出願日】2019-12-16

(65)【公開番号】P2021028626

(43)【公開日】2021-02-25

【審査請求日】2022-06-17

(31)【優先権主張番号】1911534.4

(32)【優先日】2019-08-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(73)【特許権者】

【識別番号】508296554

【氏名又は名称】アトランティック・イナーシャル・システムズ・リミテッド

【氏名又は名称原語表記】Ａｔｌａｎｔｉｃ Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｌｉｍｉｔｅｄ

【住所又は居所原語表記】Ｃｌｉｔｔａｆｏｒｄ Ｒｏａｄ，Ｓｏｕｔｈｗａｙ，Ｐｌｙｍｏｕｔｈ，Ｄｅｖｏｎ ＰＬ６ ６ＤＥ，Ｕｎｉｔｅｄ Ｋｉｎｇｄｏｍ

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100092613

【弁理士】

【氏名又は名称】富岡 潔

(72)【発明者】

【氏名】クリストファー ポール フェル

【審査官】國田 正久

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１１／０１３４２９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１１－５２８１０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０２７５６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１０－５１９５０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００２－５０９６１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００９／００６４７８２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｃ １９／５６８４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

取付具と、前記取付具に固定された複数の支持構造と、前記取付具に対して弾性的に動くように前記複数の支持構造によって可撓性に支持された振動平面環構造と、を備えたＭＥＭＳ構造と、
一次モードにおいて、前記環構造を前記一次モードの共振周波数で振動させるように構成された少なくとも１つの一次駆動変換器と、
前記一次モードにおいて、前記環構造の振動を検出するように構成された少なくとも１つの一次ピックオフ変換器と、
前記角速度が前記環構造にほぼ垂直な軸を中心に加えられる時、コリオリ力によって誘導される二次モードにおける前記環構造の振動を検出するように構成された少なくとも３つの二次ピックオフ変換器と、
前記二次モードにおいて、前記誘導された振動をゼロにするように構成された少なくとも１つの二次駆動変換器と、
を備えた、振動型角速度センサであって、
二次ピックオフ変換器の数と二次駆動変換器の数とは、奇数であり、前記二次駆動変換器の数は、前記二次ピックオフ変換器の数より小さい、振動型角速度センサ。

【請求項2】

前記少なくとも３つの二次ピックオフ変換器は、電気的に直列に接続される、請求項１に記載のセンサ。

【請求項3】

前記少なくとも３つの二次ピックオフ変換器のそれぞれからの二次ピックオフ信号を受信するように構成された二次ピックオフ信号出力部をさらに含む、請求項１または２に記載のセンサ。

【請求項4】

前記二次ピックオフ信号出力部は、アナログ増幅器を含む、請求項３に記載のセンサ。

【請求項5】

前記二次ピックオフ信号出力部に接続されて、前記加えられた角速度を表す出力を提供する速度出力回路をさらに含む、請求項３または４に記載のセンサ。

【請求項6】

前記二次ピックオフ信号出力部に接続された速度制御ループをさらに含む、請求項３～５のいずれかに記載のセンサ。

【請求項7】

前記速度制御ループは、前記少なくとも１つの二次駆動変換器に二次駆動信号を印加するように構成され、
前記二次駆動信号は、前記二次駆動変換器の数に応じた係数を含む大きさを有する、請求項６に記載のセンサ。

【請求項8】

３つの二次ピックオフ変換器がある時、前記係数は２である、請求項７に記載のセンサ。

【請求項9】

前記変換器は、一次駆動変換器の対と、一次ピックオフ変換器の対と、１つの二次駆動変換器と、３つの二次ピックオフ変換器とからなる、請求項１～８のいずれかに記載のセンサ。

【請求項10】

前記変換器は、前記振動平面環構造の周囲に等角度に間隔をおいて配置された、請求項１～９のいずれかに記載のセンサ。

【請求項11】

各変換器は、誘導式変換器である、請求項１～１０のいずれかに記載のセンサ。

【請求項12】

各変換器は、容量式変換器である、請求項１～１０のいずれかに記載のセンサ。

【請求項13】

前記ＭＥＭＳ構造は、半導体構造、例えば、シリコン構造である、請求項１～１２のいずれかに記載のセンサ。

【請求項14】

センサパッケージと、前記センサパッケージ内に封止された前記ＭＥＭＳ構造と、前記センサパッケージが取り付けられたプリント回路基板と、をさらに含み、
電気接続が、前記プリント回路基板から前記ＭＥＭＳ構造に前記センサパッケージを通して行われる、請求項１～１３のいずれかに記載のセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、一般に、振動型ジャイロスコープと角速度センサに関し、より詳細には、平面環等の振動構造を含むコリオリ式角速度センサと、このような角速度センサのノイズ特性を向上させる方法とに関する。

【背景技術】

【0002】

多くの用途において、振動型角速度センサ（ジャイロスコープとしても知られる）は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術を用いて構築され、ＭＥＭＳ技術においては、デバイスがシリコンウェハから製造され、ガラス基板ウェハに結合されてよい、あるいは、２つのガラス基板層の間に挟まれてよい。

【0003】

典型的に、高性能のＭＥＭＳジャイロスコープの多くで使用されている構造は、幾つかの可撓性または柔軟な支持構造（「脚」としても知られる）に支持された平面環を含み、支持構造は、取付具に取り付けられ、取付具は、剛性シリコンフレームまたは中心ハブからなってよい。フレームまたはハブは、ガラス基板に固く固定される。支持構造の柔軟な性質により、平面環は、例えば、加えた力によって変形される時、シリコン取付具に対して弾性的に動き得る。

【0004】

平面環構造は、環の周囲に配置されたアクチュエータを用いて、共振モードで振動するように構成できることは、先行技術において周知である。実際には、アクチュエータ対は、平面環を一次共振モードに励起することができ、一次共振モードにおいては、一定振幅の運動が、絶えず維持される。環の平面に垂直な軸を中心に回転が加えられる時、コリオリ力が、エネルギーを結合して、二次振動モードになり、振動の振幅は、加えられた角速度に比例する。よって、コリオリ力によって誘導された振動を測定することができ、その振動を使用して、角速度センサが感じる角運動の速度を計算できる。

【0005】

これらの角速度センサは、容量式変換器、圧電変換器、または、電磁変換器を用いて作動させてよく、これらは、振動モードを駆動及び検出するために、典型的に、直径方向に向かい合った変換器の対として構成される。一次共振モード（Ｃｏｓ２θモード）は、例えば、０度と１８０度に整列した駆動変換器の対に印加される共通の一次駆動（ＰＤ）信号を用いて、通常、達成される。同様に、例えば、９０度と２７０度に配置された２つの直径方向に向かい合った一次ピックオフ（ＰＰＯ）検出変換器から導出された信号を用いて、振幅を測定できる。

【0006】

環が回転される時に励起される、コリオリ力によって誘導された二次振動モードの運動は、例えば、１３５度と３１５度に整列した二次ピックオフ（ＳＰＯ）検出変換器の対によって、典型的に検出される。この二次振動運動は、直接、測定されてよい、または、より典型的には、誘導された運動は、例えば、４５度と２２５度に整列した二次駆動（ＳＤ）変換器によってゼロにされる。この「力のフィードバック」動作モードにおいては、加えられたゼロにする力は、加えられた角速度に正比例し、角速度センサが感じる角運動の速度を決定するのを可能にする。

【0007】

先行技術においては、直径方向に向かい合った駆動変換器の対が用いられて、Ｃｏｓ２θモードに励起するように変換器の対が加えた力は、環の剛体の運動を誘導し得る正味の線形の力を加えない。さらに、向かい合った検出変換器の対を使用すると、加えられた衝撃または振動が原因の面内の運動から生じる摂動信号の検出を防止できる。衝撃が原因のこれらのような摂動信号は、向かい合った検出変換器対によって決定されると位相がずれ、よって、信号を合計すると、相殺される。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

振動型ジャイロスコープ及び角速度センサに関する重要な考慮事項は、ノイズ特性であり、ノイズ特性は、ＳＰＯ検出変換器から信号を受信する検出増幅器のノイズが主要であることは既知である。ノイズ特性を向上させる需要がある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本開示の第１の態様によると、振動型角速度センサが提供される。振動型角速度センサは、
取付具と、取付具に固定された複数の支持構造と、取付具に対して弾性的に動くように複数の支持構造によって可撓性に支持され振動平面環構造とを含むＭＥＭＳ構造と、
一次モードにおいて、一次モードの共振周波数で環構造を振動させるように構成された少なくとも１つの一次駆動変換器と、
一次モードにおいて環構造の振動を検出するように構成された少なくとも１つの一次ピックオフ変換器と、
角速度が環構造にほぼ垂直な軸を中心に加えられる時、コリオリ力によって誘導された二次モードの環構造の振動を検出するように構成された少なくとも３つの二次ピックオフ変換器と、
二次モードにおいて誘導された振動をゼロにするように構成された少なくとも１つの二次駆動変換器と、
を含み、
二次ピックオフ変換器の数と二次駆動変換器の数とは奇数で、二次駆動変換器の数は、二次ピックオフ変換器の数より小さい。

【0010】

このような振動型角速度センサにおいては、従来のような駆動変換器の対ではなく、１つの二次駆動変換器のみがあってよい。変換器の物理的な配置を変えることなく、例えば、少なくとも３つの二次ピックオフ変換器があるように、追加の二次ピックオフ変換器を利用可能にしてよい。追加の二次ピックオフ変換器からの検出信号が、既存の検出信号に直接、追加されてよく、それによって、（不要なノイズを加え得る）第２の検出増幅器を用いることなく、信号対ノイズ比を向上させる。

【0011】

本開示によると、奇数の二次駆動変換器とピックオフ変換器とがある。追加の二次ピックオフ変換器は、従来のような対応する直径方向に向かい合った変換器を有さないので、いずれの摂動信号（衝撃が原因の摂動信号等）も、直径方向に向かい合った対に関してのように、相殺されない信号を生成する。しかしながら、これらの摂動信号は、環と共振周波数にないので、振幅が検出増幅器の飽和閾値未満の場合、信号処理電子機器によって拒絶できることに、出願人は気付いた。衝撃及び振動のレベルが低い静的または非動的な環境で測定が行われる時、飽和は一般的には生じないことも、出願人は気付いた。摂動信号が起こりにくい環境、及び／または、比較的長い時間（例えば、１０秒以上）にわたって測定が行われる環境においては、直径方向に向かい合った駆動変換器の対の必要性は少ない。このような状況においては、二次駆動変換器の対のうちの１つを検出変換器として別の目的で使用することによって、直径方向に向かい合った駆動変換器の対の場合と比較して、信号対ノイズ比を向上させ得ることに、出願人は気付いた。

【0012】

このようなセンサは、センサが静止しており、必要な角速度範囲が非常に低い地球の回転速度を測定する真北検知（Ｎｏｒｔｈ Ｆｉｎｄｉｎｇ）等の用途で特に使用されてよい。

【0013】

より多くの二次ピックオフ変換器を有することから利益を得るために、二次ピックオフ変換器からの検出信号を合計してよい。従って、少なくとも一部の例においては、少なくとも３つの二次ピックオフ変換器は、電気的に直列に接続される。

【0014】

二次ピックオフ変換器からの検出信号は、任意の段階で組み合わされてよい。しかしながら、従来のピン接続を保持し、少なくとも３つの二次ピックオフ変換器のそれぞれが共通の出力部に接続されるように配置されることが好ましい。従って、少なくとも一部の例においては、センサは、少なくとも３つの二次ピックオフ変換器のそれぞれから二次ピックオフ信号を受信するように構成された二次ピックオフ信号出力部をさらに含んでよい。

【0015】

二次ピックオフ信号出力部は、アナログ技術またはデジタル技術を用いて、従来のように、その検出信号を増幅してよい。しかしながら、アナログ増幅を適用する時、検出信号の増幅された振幅が、信号対ノイズ比の向上に最も有用であることに、出願人は気付いた。従って、少なくとも一部の例においては、二次ピックオフ信号出力部は、アナログ増幅器を含む。二次ピックオフ信号は、その後、信号がデジタル制御ループに印加される場合でさえ、最初に、アナログ増幅器によって増幅される。

【0016】

閉ループの実施態様において、すなわち、少なくとも１つの二次駆動変換器が二次モードにおいて誘導された振動をゼロにするように構成された実施態様において、二次ピックオフ信号出力部からの検出信号が角速度検出に使用できることは周知である。これは、例えば、米国特許第８，５５５，７１７号に記載されており、その内容を、引用により、本明細書に組み込む。少なくとも一部の例においては、センサは、二次ピックオフ信号出力部に接続された速度制御ループをさらに含む。少なくとも一部の例においては、追加で、または、代わりに、センサは、速度出力回路をさらに含み、速度出力回路は、二次ピックオフ信号出力部に接続され、加えられた角速度を表す出力を提供するように構成される。速度出力回路は、速度制御ループを介して二次ピックオフ信号出力部に接続されてよい。

【0017】

閉ループ動作において、二次モードで誘導された振動をゼロにする大きさに設定された二次駆動信号が、少なくとも１つの二次駆動変換器に印加される。本開示によると、二次駆動変換器の数は、低減され、従来のように二次駆動変換器の対の代わりに、１つの二次駆動変換器が使用されてよい。二次駆動変換器の数に関わらず、一次モードにおいて同じレベルの振動を維持することが望ましい場合がある。よって、二次駆動変換器の対ではなく、１つの二次駆動変換器を用いる時、倍率（すなわち、典型的に１度毎秒である、所与の加えられた角速度をゼロにするのに必要な駆動）は、２倍になる。２つの二次駆動変換器を用いるセンサの値と同じになるように倍率を調整することが望ましい場合がある。これは、速度出力回路のゲインを調整（半分）にすることによって達成されてよい。より一般的には、二次駆動信号に、二次駆動変換器の数に応じた係数を掛けてよい。従って、少なくとも一部の例においては、速度制御ループが、少なくとも１つの二次駆動変換器に二次駆動信号を印加するように構成され、二次駆動信号は、二次駆動変換器の数に応じた係数を含む大きさを有する。例えば、３つの二次ピックオフ変換器がある時、係数は２である。従って、係数は、二次駆動変換器の数に応じて選択された乗数であると理解される。そうでない場合、この速度制御ループは、例えば、上記で既に引用により組み込んだ米国特許第８，５５５，７１７号に記載された例と同じように実施されてよい。

【0018】

センサは任意の適切な数の一次駆動変換器と一次ピックオフ変換器とを含んでよいことは理解されたい。従来は、偶数の一次駆動変換器と偶数の一次ピックオフ変換器を有し、一次駆動変換器の数と一次ピックオフ変換器の数が同じであるのが通常である。少なくとも前述した理由のために、従来は対称的な対であった。最も一般的には、本明細書に開示のセンサにおいては、一次変換器は、一次駆動変換器の対と一次ピックオフ変換器の対とからなってよい。本開示の少なくとも一部の例においては、センサは、従来の８倍の構成の変換器を保持する。ｃｏｓ２θ振動モードを利用する環を用いて４つの変換器の機能（すなわち、一次駆動、一次ピックオフ、二次駆動、及び、二次ピックオフ）のそれぞれが動作するのを、直径方向に向かい合った変換器の対を用いて従来のように実施するのを可能にするのに必要な最小の変換器の数が８なので、このような構成が望ましい。従って、少なくとも一部の例においては、変換器は、一次駆動変換器の対と、一次ピックオフ変換器の対と、１つの二次駆動変換器と、３つの二次ピックオフ変換器とからなる。

【0019】

本開示の様々な例において、変換器は、振動平面環構造の円周に等角度で間隔をおいて配置される。このような構成は、例えば、上記で既に引用により組み込んだ米国特許第８，５５５，７１７号に記載されるように、当分野において周知である。

【0020】

本開示によるセンサは、電磁駆動及び検出スキームに適している。少なくとも一部の例においては、各変換器は、誘導式変換器である。このような構成は、例えば、上記で既に引用により組み込んだ米国特許第８，５５５，７１７号に記載されるように、当分野において周知である。

【0021】

本開示によるセンサは、静電駆動及び検出スキームに適している。少なくとも一部の例においては、各変換器は、容量式変換器である。このような構成は、例えば、米国特許第７，９５８，７８１号に記載ように、当分野において周知であり、その内容を引用により本明細書に組み込む。

【0022】

ＭＥＭＳ構造は、ウェハエッチング技術を用いて好都合に製造される。少なくとも一部の例においては、ＭＥＭＳ構造は、半導体構造、例えば、シリコン構造である。例えば、取付具、支持構造、及び、環構造は全て、一体構造として同じシリコンウェハからエッチングされてよい。ＭＥＭＳ構造は、任意選択で、基板に固定されてよい、または、基板と基板の間に挟まれてよい。このような基板（複数可）は、ガラスまたはシリコンから形成されてよい。

【0023】

本明細書に開示された様々な回路または制御ループは、通常、ＭＥＭＳ構造においては形成されないが、例えば、ビア（ｄｏｗｎｈｏｌｅ ｖｉａ）及びワイヤボンド等、適切な手段によってＭＥＭＳ構造に電気的に接続されてよいことは理解されよう。少なくとも一部の例においては、センサは、センサパッケージと、センサパッケージ内に封止されたＭＥＭＳ構造と、センサパッケージが取り付けられるプリント回路基板とをさらに含んでよく、ここで、プリント回路基板からＭＥＭＳ構造にセンサパッケージを通して電気的接続が行われる。

【0024】

本開示の一定の例示の実施形態を、図面を参照して記載する。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】先行技術に見られる典型的な振動型角速度センサを示す。

【図2】（ａ）、（ｂ）は、振動型角速度センサの振動平面環構造の一次Ｃｏｓ２θ振動モードと、二次Ｓｉｎ２θ振動モードとを、それぞれ、略図で示す。

【図3】先行技術で既知の、振動平面環構造と、関連する制御電子機器との間の接続の標準的な配置を示す。

【図4】先行技術で既知の振動型角速度センサの制御電子機器を概略的に示す。

【図5】本開示の例による、振動平面環構造と、関連する制御電子機器との間の接続の配置を示す。

【図6】本開示の例による、振動型角速度センサの制御電子機器を概略的に示す。

【図7】先行技術で既知の振動型角速度センサと本開示の振動型角速度センサに関して決定されたアラン分散と平均時間との間の関係のグラフによる比較である。

【図8】容量式振動型角速度センサの振動平面環構造の標準的な配置を示す。

【図9】本開示の他の例による、容量式振動型角速度センサの振動平面環構造の配置を示す。

【発明を実施するための形態】

【0026】

図１は、例えば、米国特許第８，５５５，７１７号に記載され、例示的なジャイロスコープ製品（例えば、Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｌｔｄ製、ＣＲＳ３９ジャイロスコープ及びＣＲＨ０２ジャイロスコープ）で使用されていることが知られている先行技術から既知のＭＥＭＳ角速度検出装置１の概略平面図である。

【0027】

角速度検出装置１は、等角度に間隔をおいた８対の柔軟な支持構造５によって支持された平面環３の形態の環状の共振回路からなるＭＥＭＳ構造１０を含み、支持構造５は、平面環３から剛性取付具７に延びる。平面環３、支持構造５、及び、剛性取付具７は、典型的に、半導体材料、例えば、シリコンから形成される。支持構造５は、剛性取付具７及び平面環３と比べて、可撓性または柔軟であり、例えば、加えられた力によって変形される時、平面環３が剛性取付具７に対して弾性的に動くのを可能にする。

【0028】

典型的に、ＭＥＭＳ構造１０は、図１に示すように、封止された金属パッケージのベース８に取り付けられ、剛性取付具７上の各トラッキングループの両端からワイヤボンド９を介してパッケージベース８の分離したピン接続部１１に電気的接続が行われる。パッケージは、電気回路（図１には示さず）に接続するベース８の接続ピン１１を介してプリント回路基板（ＰＣＢ）に取り付けられる。

【0029】

支持構造５上に矢印として概略的に示される８つの導電性のトラッキングループは、ＭＥＭＳ構造１０の表面に構成される。各トラッキングループは、取付具７から、対の第１の脚に沿って、環３の８番目のセグメントを通り、次に、対の隣の脚を介して取付具７に戻る。この例においては、検出装置１は、電磁的に作動される。トラッキングと環３とに垂直な環の円周の周りに磁場ができ、図２ａに示すＣｏｓ２θ振動モードを励起し、電磁的に検出できるようにする。このような誘導式センサは、上記で引用により組み込んだ米国特許第８，５５５，７１７号に詳細に記載されている。角速度Ωの回転が環の平面に垂直な軸１００を中心に加えられる時（すなわち、図２ａのページから）、コリオリ力が、エネルギーを結合して、図２ｂに示す二次振動モードに入り、振動の振幅は、加えられた角速度に比例する。

【0030】

先行技術から既知の角速度検出装置１のピン３０１～３１８の間のＰＣＢ上の電気的接続を図３に示す。一次駆動（ＰＤ）電流が、ＰＣＢ上の回路を介して（図４により詳細に示す）ＰＤ入力部２０でピン３１２に印加される。ＰＤ電流は、ＭＥＭＳ構造１０上の第１のトラッキングループを通ってピン３１１に流れる。従って、ピン３１１、３１２は、第１の一次駆動変換器に対応する。ピン３１１は、ＰＣＢ上のトラッキング２０１を介してピン３０３に接続され、ＰＤ電流は、次に、第２のトラッキングループを通ってピン３０２に流れる。ピン３０２、３０３は、第１の一次駆動変換器と直径方向に向かい合い、一次駆動変換器の対称的な対を形成する第２の一次駆動変換器に対応する。同様に、第１の一次検出またはピックオフ（ＰＰＯ）トラッキングループが、ピン３１６から環の第８のセグメントを通ってピン３１７に接続し、ピン３１７は、ＰＣＢ上のトラッキング２２１を介してピン３０７に電気的に接続される。第２のトラッキングループは、ピン３０７から第２のＭＥＭＳ環セグメントを介してピン３０８につながり、ピン３０８は、次に、ＰＣＢ上のＰＰＯ出力部２２に接続される。ピン３１６、３１７と、３０７、３０８とは、直径方向に向かい合った一次ピックオフ変換器の対称的な対に対応する。

【0031】

２つの二次駆動（ＳＤ）ループセグメントのうち、第１のＳＤループセグメントは、ピン３１０及び３０９に接続され、第２のＳＤループセグメントは、ピン３０１及び３１８に接続される。２つの二次駆動（ＳＤ）ループセグメントは、同様に、ＰＣＢ上のピン３０９と３０１の間のトラッキング２１１によって直列に接続され、ＳＤ入力部２１からピン３１０を介してＳＤ電流が印加される。ピン３０９、３１０と、３０１、３１８とは、直径方向に向かい合った二次駆動変換器の対称的な対に対応する。ピン３１３とピン３１５の間の二次検出またはピックオフ（ＳＰＯ）ループは、ＰＣＢ上のトラッキング２３１によってピン３０４とピン３０６との間の第２のループに接続される。ピン３０６は、ＰＣＢ上のＳＰＯ出力部２３に接続する。ピン３１３、３１５と、３０４、３０６とは、直径方向に向かい合った二次ピックオフ変換器の対称的な対に対応する。ピン３０５及び３１４は、ＭＥＭＳ構造１０をＰＣＢグラウンドに接続する。

【0032】

図４は、先行技術による、角速度検出装置１のための従来の制御電子機器の実施態様の概略図を示す。図３に示すように構成された一次制御ループから導出された一次駆動（ＰＤ）信号は、０度と１８０度で直径方向に向かい合ったＰＤ変換器４１ａ、４１ｂにＰＤ入力部２０を介して印加される。結果として生じる環の運動は、９０度と２７０のＰＰＯ変換器の対４２ａ、４２ｂを用いて検出される。ＰＰＯ信号は、例えば、フロントエンド増幅器を含む出力部２２に印加され、次に、復調されて、位相ロックループ（ＰＬＬ）４５に印加され、ＰＬＬ４５は、ＰＤ入力部２０で印加されたＰＤ信号とＰＰＯ出力部２２からのＰＰＯ信号との間の位相差を測定する。次に、ＰＬＬ出力部を使用して、電圧制御オシレータ（ＶＣＯ）４６を調整し、ＶＣＯ４６は、一次駆動信号周波数を調整して、加えられた駆動力と誘導された共振運動との間の９０度の位相シフトを維持する。復調されたＰＰＯ信号も自動ゲイン制御（ＡＧＣ）ループ４７に印加され、ＡＧＣループ４７は、信号レベルを一定の基準電圧Ｖ０と比較して、ＰＤ信号の振幅を調整して、ＰＰＯ増幅器２２で一定の信号レベル、よって、一定の振幅を維持する。

【0033】

ＳＰＯ変換器４３ａ、４３ｂからの信号は、出力部２３に印加され、次に、復調器４８ａ、４８ｂで復調されて、実信号成分と直交信号成分とを分離する。実成分は、一次モード運動と同位相で、加えられた回転が原因で生じるコリオリ力によって生成される。直交成分は、２つの振動モード間の周波数一致の誤差によって生じ、速度によって誘導された信号と分離する必要がある。

【0034】

復調器４８ａ、４８ｂで復調された後、ＳＰＯの実信号と直交信号は、フィルタリングされて（ブロック４００、４０２）ノイズと帯域幅という点で必要なシステム性能を達成する。速度出力回路４４０において、実成分は、フィルタリングされ（ブロック４０４）、出力されて（ブロック４０６）加えられた角速度を表す出力を提供する。速度制御ループ４５０において、ブロック４００、４０２からのフィルタリングされた実信号成分及び直交信号成分は、次に、変調器４８１ａ、４８１ｂで再変調され、合計され、二次駆動信号ＶＳＤがＳＤ入力部２１に印加されて、二次駆動変換器４４ａ、４４ｂを駆動して、角速度検出装置１の二次モード運動をゼロにする。

【0035】

図３及び図４に示す先行技術の実施態様は、一次駆動変換器４１ａ、４１ｂ、二次駆動変換器４４ａ、４４ｂ、一次検出またはピックオフ変換器４２ａ、４２ｂ、及び、二次検出またはピックオフ変換器４３ａ、４３ｂに関して、直径方向に向かい合った変換器の対を採用する。しかしながら、高い角速度入力が起こりにくい（例えば、真北検知）の適用においては、１つの二次駆動変換器４４ａ、４４ｂで、二次モードをゼロにするのに十分であり、それによって、使用していない二次駆動変換器を検出変換器として別の目的に使用することが可能になることに、出願人は気付いた。

【0036】

図４から分かるように、二次駆動変換器４４ａ、４４ｂは、標準的な二次検出変換器の対４３ａ、４３ｂに対して９０度に配置される。結果として、二次駆動変換器４４ａ、４４ｂのうちの１つが、図６に示すように、追加の二次検出変換器４３ｃとして別の目的で使用されたとすると、検出される信号はいずれも、ｃｏｓ２θ運動のために、二次駆動変換器の対の信号と比べて逆位相となる。

【0037】

図３及び図４に示す角速度センサ等、先行技術で既知の角速度センサの標準的な構成に修正を行って、追加の検出変換器信号が第２の検出チャネルに直接、追加できるようにし、これによって、信号対ノイズ比が３／２倍、向上するのを可能にしてよい。これらの修正が、図５及び図６にそれぞれ示すように、ＰＣＢ接続部及び制御電子機器に行われてよい。

【0038】

図５は、本開示の例による角速度検出装置１の修正された電気的接続のセットを示す。ＭＥＭＳ構造１０は、先行技術に記載した図１に示す構造と同等であるが、ＭＥＭＳ構造１０と制御回路との間の電気的接続は、ピン５０１～５１８の間の適切な接続を変更することによって修正される。

【0039】

図５において、一次駆動（ＰＤ）電流が、（図４により詳細に示す）ＰＤ入力部２０でＰＣＢ上の回路を介してピン５１２に印加される。電流は、ＭＥＭＳ構造１０上の第１のトラッキングループを通ってピン５１１に流れる。ピン５１１は、ＰＣＢ上のトラッキング２０１を介してピン５０３に接続され、次に、電流が、第２のトラッキングループを通ってピン５０２に流れる。同様に、第１の一次検出（ＰＰＯ）トラッキングループが、ピン５１６から環の第８のセグメントを通り、ピン５１７に接続し、ピン５１７は、ＰＣＢ上のトラッキング２２１を介してピン５０７に電気的に接続される。第２のトラッキングループは、ピン５０７から第２の環のセグメントを介して、ピン５０８につながり、ピン５０８は、次に、ＰＰＯ出力部２２に接続される。一次駆動接続部及び一次ピックオフ接続部は、先行技術に記載し、図３に示すものと同じである。

【0040】

二次駆動（ＳＤ）ループセグメントは、先行技術と比較して、修正されている。二次駆動入力部２１は、ピン５１０に接続され、電流は、１つのトラッキングループセグメントを通ってピン５０９に流れる。先行技術とは異なり、二次駆動電流は、１つのトラッキングループセグメント、すなわち、ピン５０９、５１０に対応する１つの二次駆動変換器を介してのみ印加される。トラッキングループ２１１を介したピン５０１及び５１８へのさらなる接続は無い。代わりに、ピン５０１及び５１８は、二次検出ループセグメントに含まれ、よって、追加の二次ピックオフ変換器に対応する。

【0041】

二次検出またはピックオフ（ＳＰＯ）ループは、ＰＣＢ上のＳＰＯ出力部２３からピン５０６とピン５０４との間のループに接続される。ピン５０４は、ピン５１８とピン５０１との間の追加のループにトラッキング２４１によって接続され、追加のループは、トラッキング２５１を介してピン５１５とピン５１３との間のループセグメントにさらに接続される。このように、３つのトラッキングループセグメントが、二次検出ループに含まれる。

【0042】

二次検出ループに追加された追加の二次ピックオフ変換器は、追加の二次ピックオフ変換器信号を二次センサチャネルに提供し、信号対ノイズ比の３／２倍の向上を可能にし得る。信号対ノイズ比のこの向上は、ＭＥＭＳ構造１０もパッケージも変更することなく達成でき、また、図５に関連して記載したもの等、ＰＣＢへの簡単な接続の修正しか必要としない。よって、これらの修正は、非常に簡単に低コストで実施し得る。

【0043】

図６は、本開示の例による角速度検出装置１のため制御電子機器の実施態様の概略図を示す。制御電子機器は、図４に示す先行技術の実施態様に関して記載した制御電子機器とほとんど同じように実施されてよい。

【0044】

一次制御ループから導出された一次駆動（ＰＤ）信号は、０度、１８０度で直径方向に向かい合ったＰＤ変換器４１ａ、４１ｂに入力部（例えば、増幅器）２０を介して印加される。結果として生じる環の運動が、９０度と２７０度のＰＰＯ変換器の対４２ａ、４２ｂを用いて検出される。このＰＰＯ信号は、出力部（例えば、増幅器）２２に印加され、次に、復調され、位相ロックループ（ＰＬＬ）４５に印加され、ＰＬＬ４５は、入力部２０で印加されたＰＤ信号と出力部２２からのＰＰＯ信号との間の位相差を測定する。

【0045】

次に、ＰＬＬ出力部を使用して、電圧制御オシレータ（ＶＣＯ）４６を調整し、ＶＣＯ４６は、駆動周波数を調整して、加えられた駆動力と誘導された共振運動との間の９０度の位相シフトを維持する。復調されたＰＰＯ信号も自動ゲイン制御（ＡＧＣ）ループ４７に印加され、ＡＧＣループ４７は、信号レベルを固定の基準電圧Ｖ０と比較して、ＰＤ信号振幅を調整して、ＰＰＯ出力部２２で一定の信号レベルに、よって、一定の振幅に維持する。

【0046】

図６に示す実施形態においては、ＳＰＯ変換器４３ａ、４３ｂ、４３ｃからの信号は、追加の二次変換器４３ｃからの信号を含み、復調される前に、ＳＰＯ出力部２３に印加されて、実信号成分と直交信号成分を分離する。

【0047】

復調器４８ａ、４８ｂで復調された後、ＳＰＯの実信号と直交信号は、フィルタリングされて（ブロック４００、４０２）、ノイズと帯域幅という点で必要なシステム性能を達成する。速度出力回路４４０において、実成分は、フィルタリングされ（ブロック４０４）、出力されて（ブロック４０６）、加えられた角速度を表す出力を提供する。速度制御ループ４５０において、ブロック４００、４０２からのフィルタリングされた実信号成分と直交信号成分とは、次に、変調器４８１ａ、４８１ｂで再変調され、合計され、二次駆動変換器の数に応じて、係数βが掛けられる。大きさβＶＳＤの二次駆動信号が、次に、ＳＤ入力部２１に印加されて、二次駆動変換器４４ｂを駆動して、角速度検出装置１の二次モードの運動をゼロにする。

【0048】

重要なことは、図４に示す先行技術の制御回路と比較する時、本開示のこの例においては、角速度センサ１の実施のためにフィードバック電子機器を大きく変更する必要が無い。２つではなく、１つの二次駆動変換器４４ｂのみを備えるという事実により、必要なゼロにする力を届けるのに必要な駆動電圧は、２倍になり、従って、図６に示すように、係数β（ここで、β＝２）に対応する倍数で駆動電圧を変更する。必要に応じて、出力スケーリングは、ブロック４０６で出力される前に、係数１／βを掛けることによって調整できる。

【0049】

本開示の例による角速度検出装置のノイズ特性と、先行技術で既知の角速度検出装置のノイズ特性とを図７で比較する。図７は、アラン分散の比較を示し、アラン分散比較は、両対数スケールで速度出力データの時系列の平均時間の関数として、角速度センサの時間当たりの度で出力ノイズを示す。曲線７１は、先行技術から既知の標準的な角速度検出装置のアラン分散を示し、曲線７２は、本開示による、すなわち、追加の二次検出トラッキングループを含む角速度検出装置を用いて測定された結果を示す。

【0050】

本開示の角速度センサのノイズレベルは、先行技術から既知の角速度センサに関して測定されたノイズレベルと比較して、平均時間範囲の大半にわたって、～２／３だけ低減されることが、図７から分かる。これらの向上したノイズ特性は、それに応じて、達成できる真北検知の精度を向上させる。

【0051】

二次駆動変換器を二次検出またはピックオフ変換器として他の目的に使用するという概念は、米国特許第７，９５８，７８１号等に記載する、容量式振動型角速度センサにも適用されてよい。この設計の変換器は、環が共通の蓄電板を形成する別個の蓄電板からなる。既知の誘導式設計と同じように、各駆動及び検出機能のための変換器は、直径方向に向かい合った対からなる。この設計のために、駆動板と検出板とは、環の円周の反対側に位置する。この構成は、米国特許第７，９５８，７８１号に記載の性能の長所を有する。

【0052】

図８（米国特許第７，９５８，７８１号から取った）は、環１４２の内周及び外周のまわりの容量式変換器の構成の概略図を示す。一次駆動変換器１４５ａ及び１４５ｂと、二次駆動変換器１４６ａ及び１４６ｂとは、環の外側に位置し、一次検出変換器１４７ａ及び１４７ｂと二次検出変換器１４８ａ及び１４８ｂは、内側に位置する。本開示の他の例においては、このような構成は、図９に概略的に示すように修正されてよい。二次駆動によってゼロにすることは、１つの二次駆動変換器１４６ａのみを用いて行われてよく、対の他方の変換器は、二次検出変換器の対１４８ａ及び１４８ｂに電気的に接続されて、第３の二次検出またはピックオフ変換器１４８ｃを形成して、ＳＰＯ出力部に入力される信号を１．５倍だけ増加させる。図９に示す修正された構成は、前述し、図７で証明した誘導式センサで達成されたのと同じノイズ低減利益を提供する。

【0053】

本開示の１つまたは複数の特定の例を記載することによって本開示を説明したが、本開示はこれらの例に限らず、多くの変形及び修正が請求項の範囲内で可能であることを当業者は理解されよう。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】