JP2018146570A - ジャイロスコープのフィールド内プログノスティクス - Google Patents

Abstract

【課題】振動型ジャイロスコープが提供される。【解決手段】振動型ジャイロスコープは、駆動力に応答する所定の第一経路及びジャイロスコープの回転に応答する第二経路沿いに振動する可動マス（３）を含む。アクチュエータ（４ａ）は駆動力を加え、トランスデューサ（１０ａ）は感知信号を生成するために第二経路沿いのマスの振動を感知する。復調器（５１ａ）は感知信号を同相信号（５２）及び異相信号（５３）に変換し、同相信号は第一経路沿いのマスの振動に関して同相であり、異相信号は同相信号に関して異相である。第一信号出力（７４）はジャイロスコープの第一動作モードでジャイロスコープの回転速度を測定するために同相信号を出力する。第二信号出力（７２）はジャイロスコープの第二動作モードで（ｉ）第一時間に復調器（５１ａ）により生成される異相信号及び（ｉｉ）つぎの第二時間に復調器（５１ａ）により生成される異相信号を出力する。【選択図】図３

Description

本開示は、振動型ジャイロスコープに関し、特に、たとえば、慣性計測装置（ＩＭＵ）内の、角速度（複数可）の計測のための微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ベースの振動型ジャイロスコープに関する。本開示は、ジャイロスコープのためのフィールド内プログノスティクスに関する。

ジャイロスコープは、角速度（すなわち、回転速度）を計測するセンサである。ジャイロスコープは、慣性航法、ロボット工学、航空電子工学、及び自動車を含む、多くのアプリケーション内に使用される。慣性航法アプリケーションにおいて、ジャイロスコープは、「慣性計測装置」（ＩＭＵ）として既知の自己充足型システム内にみられることができる。ＩＭＵは、一般的に複数の加速度計及び／またはジャイロスコープを含み、ジャイロスコープ（複数可）及び／または加速度計（複数可）の出力に基づき、角速度、加速度、姿勢、位置、及び速度のようなオブジェクトの移動パラメータの推定値を提供する。

ＭＥＭＳベースのジャイロスコープは、近年普及しつつあり、それらの従来の巨視的な対応物よりよくはるかに効率的である。ＭＥＭＳベースのジャイロスコープは、一般的に振動構造を使用して実装され、当該技術分野において「振動型ジャイロスコープ」または「ＶＳＧ」とよく言われる。一般的に振動型ジャイロスコープは、振動するように配置されるマイクロマシニングしたマスを含む。振動型ジャイロスコープの一般的な例は、振動リング・ジャイロスコープ、振動音叉型ジャイロスコープ、ならびにたとえば、ビーム、シリンダ、半球殻、及びディスクを含む他の振動構造も含む。

一般的な動作において、マイクロマシニングしたマスは、所定の振動モード、一般的に、ｃｏｓｎθ振動モード（たとえば、ｎ＝２）内で振動するように駆動される。駆動された振動モードは、通常一次モードと言われる。ジャイロスコープが回転するときに、コリオリ力は、振動マス上に加えられ、この力は、一次モードと異なる、振動の二次モードでマスを振動させることができる。一般的に、振動の二次モードは、一次モードに加えて発生し、二次モードは、一次モードの所定の振動とは異なる方向沿いに振動するマスをもたらす。

二次モードにおける振動の振幅が回転速度に比例するため、角速度（たとえば、度毎秒で計測される）は、これは「開ループ計測」として知られている、適切なセンサ（たとえば、誘導型または容量型トランスデューサのようなトランスデューサ）を使用して二次の振動の振幅を直接検出することにより決定されることが可能である。代替に、角速度は、二次モードにおける振動に抵抗する復元力を加えることにより計測されるため、マスが一次モードのみで振動し続けることができる。この復元力は、通常、検出された二次の振動の振幅に基づく。復元力が適用された角速度に比例するため、二次モードを無効にするために必要な信号の振幅は、角速度の計測値を提供する。この後者の配置は、「閉ループ計測」として当該技術分野において知られている。角速度を計測する方法の例は、たとえば、米国特許第５，４１９，１９４号、及び米国特許第８，３４７，７１８号において考察される。

振動型ジャイロスコープに関する問題は、ジャイロスコープの性能、及び特に振動マスがその寿命とともに劣化する可能性があることである。たとえば、外側筐体、または経時的に膨張する／可撓であるその接合材料（たとえば、エポキシ樹脂ポッティング）によりＩＭＵ内のＶＳＧへ機械的応力を加えることができ、これは、マスを経時的に異なって振動させることができる。また、それは、マスの相対的な方向を基準フレームに関して変化させることができる。これらのような変化は、不正確な角速度計測へつながる可能性があり、その結果、ジャイロスコープを適時に再較正する、保守点検する、交換する、または解体することが可能であるように、センサの応力に誘起された「経年変化」の追跡を続けることは望ましい。

しかしながら、目下、ＶＳＧ経年変化のインディケーションを計測することは、ＶＳＧのバイアス誤差（すなわち、ジャイロスコープが回転を受けていないときの振動の二次モードの計測された信号）、及び／または基準フレームに関するＶＳＧのアライメントにおけるシフト（いわゆるミスアライメント・シフト）における相対変化を計測することを一般的に必要とする。しかしながら、環境要因（たとえば、ジャイロスコープ・ハウジングへ適用される温度及び機械的応力）に対するバイアス誤差及びミスアライメント・シフトの感度により、それらのうちのいずれか１つを正確に計測することは、専門の試験装置を必要とし、制御された工場環境内でのみ可能である。たとえば、バイアス誤差を計測することは、温度に起因した変化の影響を無視するために、長期間にわたり、一定の温度でジャイロスコープからの出力を監視することを一般的に必要とする可能性がある。これらのような計測は、地球速度に起因した誤差を許容するために既知の方向にアライメントをとる試験装置を使用することも必要とする可能性がある。

バイアス誤差及び／またはミスアライメント・シフトを計測するために必要な特別の状態及び装置の結果は、特別の状態及び試験装置の使用なしで、ＶＳＧの状態のプログノスティクス（ｐｒｏｇｎｏｓｉｔｉｃ）分析が動作中の任意の時間に、または整備倉庫、実験室内で、またはエンド・ユーザ環境内の任意の他の時間に行われることが不可能であることである。加えて、このようなプログノスティクス分析は、エンド・ユーザにより、またはジャイロスコープを組み込むことが可能であるオブジェクト（たとえば、車）について原位置で行われることが不可能である。

したがって、その初期出荷時較正後にジャイロスコープまたはＩＭＵの有効寿命を正確に推定する必要がある。

本開示の第一態様により、可動マスを有する振動型ジャイロスコープの動作特性を決定する方法を提供し、この方法は、
所定の第一経路沿いに振動させるようにマスを駆動し、
第二経路沿いにマスを振動させるように振動型ジャイロスコープを回転させ、ここでこの第二経路は所定の第一経路と異なり、
感知信号を生成するために第二経路沿いのマスの振動を感知し、
復調器を使用して感知信号を同相信号及び異相信号に変換し、ここで同相信号は第一経路沿いのマスの振動に関して同相であり、異相信号は同相信号に関して異相であり、
第一動作モードにおいて、同相信号に基づきジャイロスコープの回転速度を決定し、
第二動作モードにおいて、
（ｉ）第一時間、及び（ｉｉ）つぎの第二時間に異相信号を観測し、
第一時間及び第二時間での異相信号に基づきジャイロスコープの動作特性を決定する、
ことを備える、方法。

本開示のさらなる態様により、
（ｉ）駆動力に応答する所定の第一経路、及び（ｉｉ）ジャイロスコープの回転に応答する第二経路沿いに振動するように配置される可動マスと、ここで第二経路は第一経路と異なり、
駆動力を加えるように配置されるアクチュエータと、
感知信号を生成するために第二経路沿いのマスの振動を感知するように配置されるトランスデューサと、
感知信号を同相信号及び異相信号に変換するように配置される復調器と、ここで同相信号は第一経路沿いのマスの振動に関して同相であり、異相信号は同相信号に関して異相であり、
ジャイロスコープの第一動作モードにおいて、ジャイロスコープの回転速度を決定するために同相信号を出力するように配置される第一信号出力と、
ジャイロスコープの第二動作モードにおいて、（ｉ）第一時間に復調器により生成される異相信号、及び（ｉｉ）つぎの第二時間に復調器により生成される異相信号を出力するように配置される第二信号出力と、
を備える振動型ジャイロスコープを提供する。

本開示の別の態様から、
（ｉ）駆動力に応答する所定の第一経路、及び（ｉｉ）ジャイロスコープの回転に応答する第二経路沿いに振動するように配置される可動マスと、ここで第二経路は第一経路と異なり、
駆動力を加えるように配置されるアクチュエータと、
感知信号を生成するために第二経路沿いにマスの振動を感知するように配置されるトランスデューサと、
感知信号を同相信号及び異相信号に変換するように配置される復調器と、ここで同相信号は第一経路沿いのマスの振動に関して同相であり、異相信号は同相信号に関して異相であり、
第一動作モードにおいて、同相信号に基づきジャイロスコープの回転速度を決定し、
第二動作モードにおいて、第一時間での異相信号、及びつぎの第二時間での異相信号に基づきジャイロスコープの動作特性を決定するように配置されるプロセッサと、
を備える、振動型ジャイロスコープ・システムを提供する。

本発明者らは、異なる時間での異相信号に基づき、たとえば、期間にわたる異相信号での変化に基づき、ジャイロスコープの１つ以上の動作特性（たとえば、バイアス誤差またはバイアス・シフトなどのジャイロスコープでの経年変化の影響を表す特性）を決定することができることを理解する。この手法は、振動型ジャイロスコープ（ＶＳＧ）を使用するオブジェクト内に（たとえば、車内に）このジャイロスコープを設置しながら、エンド・ユーザが異相信号（複数可）の観測、及び動作特性（複数可）の決定を行うことができるために有利である。したがって、ジャイロスコープの動作特性（複数可）を決定する従来の技術とは異なり、本明細書の方法及び装置は、バイアス誤差を直接計測すること、及び／またはミスアライメント・シフトを計測することに依存しない。その結果、本明細書の開示は、ジャイロスコープが動作特性（経年変化の影響により経時的に一般的に変化する）を決定するために、オブジェクトから解体され、専門の装置で、専門の試験条件下で分析されることを必要としない。したがって、顧客が現場で（すなわち、工場環境外で）動作中にいつでもジャイロスコープの状態のプログノスティクス分析を実行することを本明細書の開示が可能にすることを理解するであろう。

また本発明者らは、異相信号が一般的なバイアス誤差またはミスアライメント・シフトより一般的にさらに大きいことによりさらに検出しやすいため、異相信号に基づきジャイロスコープの動作特性を決定することが有利であることを理解する。さらに、一般的にＶＳＧの異相信号は、所与の経年変化条件のため経時的にＶＳＧのバイアス誤差またはミスアライメント・シフトより大きく変化する。その結果、異相信号を使用してＶＳＧの動作特性における変化を測定し、観測することは、より容易（及びより良い信号対ノイズ比によりより正確）である。

また、従来のジャイロスコープにおいて、異相信号が誤差項として（たとえば、従来の開ループ構成でのように）一般的に破棄される、またはジャイロスコープの回転に起因する（たとえば、従来の閉ループ構成でのように）マスの二次振動を無効にする力を発生するためにのみ使用されることを理解するであろう。この点において、本開示は、復調器により生成される異相信号の新規で、有益な目的を認識した。

動作特性は、ＶＳＧのバイアス・シフトであることができる。バイアス・シフトは、前回のＶＳＧのバイアス誤差と比較されるようなＶＳＧのバイアス誤差での相対変化の計測値である。好ましくは、バイアス・シフトは、ＶＳＧの動作寿命の開始前に計測されるバイアス誤差と比較される（たとえば、工場の初期化ステップ中に計測されるバイアス誤差と比較される）バイアス誤差での相対変化である。通常、工場較正中にバイアス誤差を計上し、角速度の計測でその影響を減少させる。しかしながら、動作使用中に、一般的にバイアス誤差は、時間とともに増加し、結果として、ＶＳＧは、較正外れになる可能性がある。したがって、角速度計測（複数可）でのその影響を計上することを可能とするために、ＶＳＧのバイアス・シフトの追跡を決定する、及び／または継続することは、一般的に望ましい。

有利に、本明細書の本開示は、経時的なＶＳＧの異相信号の観測に基づきＶＳＧのバイアス・シフトを決定し、追跡することを可能にする。たとえば、（ｉ）ＶＳＧの異相信号の振幅におけるシフト（前回のＶＳＧの異相信号の振幅に関連して）と、（ｉｉ）ＶＳＧのバイアス・シフトとの間に関係が存在することを理解すれば、本発明者らは、経時的なＶＳＧの異相信号の振幅における変化に基づき、ＶＳＧのバイアス・シフトを決定することが可能であることを理解する。いくつかの事例（たとえば、一般的な振動リング・ジャイロスコープについて）において、（ｉ）前回のＶＳＧの異相振幅に関連する異相振幅におけるＶＳＧのシフト（たとえば、いわゆるクワッド（ｑｕａｄ）・シフト）と、（ｉｉ）バイアス・シフトとの間に線形関係を見出す。その結果、本開示の１セットの実施例において、ＶＳＧのバイアス・シフトは、第一時間でのＶＳＧの異相信号と、つぎの第二時間でのＶＳＧの異相信号との間の振幅における変化に基づき決定されることができる。好ましくは、バイアス・シフト、ならびに第一時間での異相信号の振幅、及び第二時間での異相信号の振幅の比較（すなわち、シフト）間の線形関係に基づきＶＳＧのバイアス・シフトを決定する。

また本発明者らは、前回のＶＳＧの異相信号と比較されるＶＳＧの異相信号内の変化速度、相対変化、または絶対変化（たとえば、異相信号内の振幅における変化）が１つ以上の動作特性を表現することができることを理解する。動作特性は、ジャイロスコープまたは可動マス上に機械的に誘起された応力レベルを表すパラメータであることができる。加えて、または代替に、動作特性は、ジャイロスコープまたは可動マスの相対または絶対寿命を表すパラメータであることができる。さらに、または代替に、それは、ジャイロスコープまたは可動マスにおける不具合を表すパラメータであることができる。

したがって、
経時的な振動型ジャイロスコープの機械的応答における変化と、
振動型ジャイロスコープをパッケージまたはホスト・システムへ搭載する搭載の機械的応力レベルと、
振動型ジャイロスコープを収容するパッケージまたはホスト・システムの機械的応力レベルと、
可動マスの機械的応力レベルと、
可動マスの絶対寿命と、
可動マスが振動している時間と、
可動マスにおける不具合を表す診断特性と、
のうちの１つ以上を動作特性が表現することができることを理解するであろう。

１セットの好ましい実施例において、第二時間の異相信号を第一時間の異相信号と比較することができ、この比較に基づき動作特性を決定することができる。

別のセットの実施例において、動作特性は、第一時間での異相信号と第二時間での異相信号との間の振幅における差、及び異相信号の振幅が第一時間と第二時間との間で変化する速度のうちの１つ以上に基づき決定されることができる。好ましくは、動作特性は、所定の閾値と振幅差または変化速度の比較に基づき決定される。所定の閾値は、１つ以上の動作特性の特定の値を示すことができる。

本明細書に開示される方法及び装置は、また（ｉ）振動型ジャイロスコープを交換する、保守点検する、または再較正する必要がある時を示す所定の限界値（たとえば、上限値）と動作特性を比較し、（ｉｉ）所定の限界値と動作特性の比較に基づき振動型ジャイロスコープを交換する、保守点検する、または再較正する必要があることを決定するように用意されることができる。したがって、動作特性に基づき、ＶＳＧが交換される、保守点検される、または再較正される必要がある時の決定を行うことができることを理解するであろう。有利に、たとえば、エンド・ユーザにより、ＶＳＧが使用中でありながら、この決定を行うことが可能である。

したがって、経時的にＶＳＧの異相信号を監視することがＶＳＧの動作特性（複数可）を使用中に決定することを可能にすることを理解するであろう。任意選択で、それは、ＶＳＧが交換される、保守点検される、または再較正される必要がある時の決定も可能にする。

好ましい１セットの実施例において、第一時間での異相信号は、工場出荷時の異相信号である。たとえば、第一時間での異相信号は、製造中にＶＳＧを初期化する、または較正するときに決定される異相信号であることができる。

いくつかの実施例において、第二動作モード（たとえば、プログノシス（ｐｒｏｇｎｏｓｉｓ）動作モード）は、所定の回転速度で振動型ジャイロスコープを回転させることを備えることができる。この所定の回転速度は、０であることができる。第二動作モードは、手動で初期化されることができる。加えて、または代替に、第二動作モードは、第一動作モード中のジャイロスコープの決定された回転速度が所定の回転速度に等しいときに初期化されることができる。この事例において、第二動作モードは、第一動作モードと並行して初期化されることができる、またはＶＳＧは、第一動作モードにおけるジャイロスコープの決定された回転速度が所定の回転速度に等しいときに第二動作モードへ切り替えることができる。

第二動作モード中に所定の回転速度で振動型ジャイロスコープを回転させることは、異相信号（複数可）を観測するための一貫した基準条件を提供する。これは、動作特性のさらに正確な決定をもたらす。

いくつかの実施例において、動作特性は、第二時間での異相信号と、第一時間での異相信号との間の変化を表す所定の関係に基づき決定される。たとえば、上記で言及されるように、この所定の関係は、線形関係であることができる。代替に、それは、減衰関数（たとえば、ｘに依存する指数減衰関数、１／ｘ減衰関数、１／ｘ²減衰関数、またはｘに依存する対数減衰関数、ｘは時間またはバイアス・シフトを表すことができる）により表されることが可能である関係であることができる。所定の関係は、実証に基づき得られた関係であることができる。

１セットの実施例において、振動型ジャイロスコープは、移動体内に設置されることができ、第二動作モードは、振動型ジャイロスコープが移動体内に設置されながら実行されることができる。

好ましくは、異相信号は、同相信号に関して９０°の異相である。その結果、１セットの実施例において、同相信号及び異相信号を含むクワドラチャ（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ）信号対に感知信号を変換することができ、同相信号は、第一経路沿いのマスの振動に関して同相であり、異相信号は、同相信号に関して９０°の異相である。感知信号を変換するために使用される復調器は、クワドラチャ復調器であることができる。

ＶＳＧは、振動リング・ジャイロスコープ（ＶＲＧ）、または振動音叉型ジャイロスコープであることができる。しかしながら、またそれは、可動ビーム、シリンダ、半球殻、またはディスクのうちの１つ以上を含む可動マスを有するいくつかの他の振動型ジャイロスコープであることができる。

好ましい実施例において、
ＶＳＧは振動リング・ジャイロスコープであり、
可動マスは実質的に平板リングであり、
第一経路沿いの振動はリングの平板内の第一軸沿いの駆動振動であり、
第二経路沿いの振動はリングの平板内の第二軸沿いのコリオリ誘起振動であり、第二軸が第一軸に関して角度オフセットされ、
回転はリングの平板へ垂直な軸周りである。

可動マスは、マイクロマシニングしたマス、たとえば、シリコン・マイクロマシニング・マスであることができる。

ＶＲＧの可動マスは、リングの共振周波数で第一軸沿いに振動することができる。確かに、可動マスの共振周波数で第一経路沿いに振動させるように、本明細書に開示されるＶＳＧのうちのいずれかの可動マスを駆動することができることは、理解されるであろう。

可動マスの第二軸及び第一軸間の角度オフセットは、４５°であることができる。

本明細書の実施例において復調器は、感知信号を第一基準信号と混合することにより、及び別個に、感知信号を第二基準信号と混合することにより感知信号を変換することができ、ここで第二基準信号は、第一基準信号と同一の周波数を有し、第二基準信号の位相は、第一基準信号の位相に関して異相である。

好ましくは、さまざまな実施例において、第一基準信号の周波数は、第一経路沿いの振動の周波数に対応する。たとえば、第一基準信号の周波数は、可動マスを第一経路沿いに駆動する共振周波数に対応することができる。

機械的な力、静電力、または電磁力の適用を介して第一経路沿いに振動させるように可動マスを駆動することができる。

アクチュエータは、第一経路沿いに可動マスを振動させるための駆動力を生成するために適切な、容量性アクチュエータ、機械的アクチュエータ、誘導型アクチュエータ、または任意の他のタイプのアクチュエータであることができる。いくつかの実施例において、可動マスは、圧電材料からなることができる。この事例において、マスへ振動電気信号を適用することにより第一経路沿いに振動させるように可動マスを駆動することができる。

トランスデューサは、容量性トランスデューサ、誘導型トランスデューサ、光学式トランスデューサ、または抵抗型トランスデューサであることができる。

本明細書のＶＳＧの可動マスは、１つ以上の可撓性支持脚部により基板へ可動に搭載されることができる。

いくつかの実施例において、可動マスは、ＭＥＭＳ構造内のシリコン基板へ搭載されることができる。

ここで本発明のいくつかの例示的な実施形態は、単なる実施例として、添付の図面を参照して記述される。

本開示の実施例に従い、振動リング・ジャイロスコープ（ＶＲＧ）の概略図を示す。 図１のセンサ２と関連する振動の一次のｃｏｓ２θモードを図示する。 振動の二次モードを図示する。 一次及び二次制御ループと関連する図１のＶＲＧのブロック図を示す。 各本開示に従う７個のＶＳＧについて経時的に図３の二次制御ループからの異相出力をプロットする。 ＶＳＧのバイアス・シフトに対する異相出力におけるシフトの関係をプロットする。

振動型ジャイロスコープ（ＶＳＧ）の動作特性を決定する例示的な方法は、閉ループ構成内で動作する実質的に平板リング形状の振動構造３（すなわち、振動リング・ジャイロスコープ、ＶＲＧ）を有するＶＳＧ２に関する、図１〜５を参照して記述される。しかしながら、閉ループまたは開ループ構成のいずれか一方において動作するＶＳＧの任意のタイプ（たとえば、音叉ベースのＶＳＧ）へ、本明細書に開示される方法、特に振動型ジャイロスコープの動作特性を決定する方法を適用することができることを理解するであろう。

図１は、本開示の実施例に従い、ＶＲＧ２の概略図を示す。ＶＲＧ２は、中央ハブ２７へ接続される８個の半径方向に対応した、可撓性脚部２６を有するシリコン平板リング構造３の形態でマイクロマシニングしたマスを含む。リング構造３周囲に離隔されるのは、一次駆動アクチュエータ４ａ、二次駆動アクチュエータ６ａ、一次ピックオフ・トランスデューサ８ａ、及び二次ピックオフ・トランスデューサ１０ａである。

一次駆動アクチュエータ４ａは、リング構造３の一次軸１２上にあり、リング構造３の中心に面する。二次駆動アクチュエータ６ａは、二次軸１４上にあり、リング構造３の中心に面する。一次及び二次軸１２、１４は、リング構造３の平面内に両方あり、リング構造３の中心で交差する。一次ピックオフ・トランスデューサ８ａは、一次駆動アクチュエータ４ａに垂直に、かつこれと同一平面内にアライメントをとり、リング構造３の中心に面する。二次ピックオフ・トランスデューサ１０ａは、二次駆動アクチュエータ６ａに垂直に、かつこれと同一平面内にアライメントをとり、リング構造３の中心に面する。

一次及び二次軸１２、１４は、リング構造３の振動特性、及び振動のそのモードの相対的な角度分離に依存する角度１６により分離される。この特定の実施例において、振動の一次及び二次モード（以下の図３ａ及び３ｂを参照して記述される）は、４５°で分離されるため、一次及び二次軸１２、１４を分離する角度１６も、４５°である。

リング構造３は、リング構造３が振動の一次及び二次モードにおいて振動することを可能にするために、中央ハブ２７へ接続されるその可撓性支持脚部２６により基板（示されない）上に支持される。リング構造３、支持脚部２６、及び中央ハブ２７は、すべて実際にはモノリシックであり、同一の半導体基板から、たとえば、シリコンから製造されることができる。これは、単に非限定の実施例として、それ自体よく文書化されるように、深掘り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）を使用して達成されることができる。その結果、ＶＲＧ２は、ＭＥＭＳベースのデバイスとして好ましくは製造される。

一次駆動アクチュエータ４ａにより振動の一次モードで振動させるようにリング構造３を駆動することができ、このプロセスは、以下により詳細に記述される。振動の一次モードにおいて、リング構造３は、一次軸１２沿いに振動のｃｏｓ２θモードで振動する。振動の一次モードは、図２ａ及び２ｂ内に示されるようにリング構造３を変形させ、破線３６ａ、３８ａは、一次キャリア・モードＰにおけるリング構造３の運動の極値を示す。ノード点４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄで半径方向の運動が０であることを理解することが可能である。振動のリングの一次モードの振動は、一次ピックオフ・トランスデューサ８ａにより検出される。

リング３の平面に垂直な軸周りにＶＲＧ２を回転させるときに、コリオリ力を発生する。これらの力は、一次軸１４上でリング周囲へ正接で作用し、つぎに、二次軸沿いに、回転速度に比例する振幅で、リング３を振動の二次モードで振動させる。振動の二次モードは、図２ｂに図示されるように、振動のｓｉｎ２θモードであることができる。図２ｂにおいて、破線３６ｂ、３８ｂは、二次応答モードＳ中にリング構造３の運動の極値を示す。回転の結果として、角回転速度の大きさに応じて小さい角度により、ノード４０ａ〜０ｄの位置をシフトさせ、二次ピックオフ・トランスデューサ１０ａの位置に有限振幅がある。振動の二次モードの運動は、二次ピックオフ・トランスデューサ１０ａにより検出される。検出された信号（すなわち、二次ピックオフ信号５１）が回転速度に比例することを理解するであろう。

本実施例は、閉ループ動作を対象とする。しかしながら、ＶＲＧ２が開ループ構成において代替に動作することができることを理解するであろう。

開ループ構成において、二次ピックオフ信号５１は、基準速度信号（たとえば、基準速度信号３７）に関連して、従来の復調技術を使用して、一般的に復調され、二次ピックオフ信号５１の同相及び異相成分を分離する。同相成分は、振動の一次モードと同一の位相を有する成分である。一般的に、回転速度の計測値として同相成分の振幅を使用する。異相成分は、従来、正確にマッチングされないモード周波数に起因する誤差項とみなされるため、一般的に無視される。しかしながら、従来のＶＳＧシステムとは異なり、本開示に従う方法及びシステムは、ＶＳＧのバイアス・シフトのような、ジャイロスコープの動作特性を決定するために、１つ以上の期間にわたり異相成分（たとえば、異相成分の振幅）を監視する。本明細書に開示される方法により決定される動作特性（複数可）は、たとえば、マスに加えられる機械的応力レベル、マスの寿命（たとえば、製造時からのマスの相対寿命）、マスが振動している時間（たとえば、マスが製造時から振動している時間）、マスの不具合を示す診断パラメータ、経時的なＶＳＧの機械的応答での変化、ＶＳＧ及びパッケージ若しくはホスト・システム間への搭載の機械的応力レベル、ＶＳＧを収容するパッケージの機械的応力レベル、またはＶＳＧのバイアス誤差を表すことができる。

閉ループ動作中（図３を参照）に、また二次ピックオフ信号５１は、基準信号（たとえば、１４ｋＨｚまたは２２ｋＨｚの周波数のようなリング３の共振周波数に対応する周波数を有することができる基準速度信号３７）に関連して復調され、同相成分５２を異相成分５３から分離する。この同相信号５２は、振動の一次モードにおける振動と同相でもあり、また異相信号５３は、回転速度を決定するために使用されない誤差項として従来無視される。しかしながら、開ループ構成とは異なり、閉ループ構成は、同相及び異相信号５２、５３を使用して、二次駆動信号６０を生成する。二次駆動信号６０は、振動の二次モードに抵抗することによりこれを無効にする復元力を二次駆動アクチュエータ６ａに生成させる。振動の二次モードを無効にするために必要な加えられた力は、回転速度に正比例する。いくつかの閉ループ配置において、回転速度を決定するために二次駆動信号６０の振幅を使用する。しかしながら、本配置において、同相成分の出力５８に基づき回転速度を決定する。本実施例の閉ループ構成のこの配置を図３でより詳細に記述する。

図３は、一次制御ループ２０、及び二次制御ループ５０と関連する図１のＶＲＧ２のブロック図を示す。便宜上、半径方向に対応した、可撓性脚部２６及び中央ハブ２７を図３内に図示しない。

一次駆動制御ループ２０は、振動の一次モード中にリング３を振動させるために一次駆動アクチュエータ４ａへ送信される一次駆動信号３６を制御する。一次駆動制御ループ２０は、周波数制御ループ２０ａ、及び振幅制御ループ２０ｂを含む。振幅制御ループ２０ｂは、増幅器２２、第一復調器２４、自動利得制御ループ（ＡＧＣ）２６、及び再変調器２９を含む。周波数制御ループ２０ａは、第二復調器３０、位相ロック・ループ（ＰＬＬ）３２、及び電圧制御発振器（ＶＣＯ）３４を含む。

一次ピックオフ・トランスデューサ８ａは、リング３の振動の一次モードに応答する一次ピックオフ信号２１を生成する。一次ピックオフ信号２１は、振動の一次モードを駆動するために（たとえば、リング３の共振周波数で振動の一次モードを駆動するために）所望の周波数に、増幅器２２により増幅され、復調器２４、３０により復調される。ＰＬＬ３２は、復調器３０から復調された信号３１と、一次駆動信号３６との間の相対位相を比較する。位相差に基づき、ＰＬＬ３２は、ＶＣＯ３４の周波数及び位相を調整し、適用された一次駆動信号３６、及び振動の一次モード間で９０°の位相シフトを維持する。ＡＧＣ２６は、復調器２４からの復調されたピックオフ信号２５を固定された基準レベルＶ_AGCと比較し、出力信号２７を提供する。出力信号２７は、固定された振幅で振動の一次モード中にリング３を振動させるように、一次駆動信号３６の振幅を調整する。ＶＣＯ３４からの信号３５、及びＡＧＣ２６からの信号２７は、再変調器２９で再変調され、一次駆動アクチュエータ４ａを駆動させるために一次駆動信号３６を提供する。

二次制御ループ５０は、復調器５１ａ、同相ループ・フィルタ５４、異相ループ・フィルタ５５、加算器５６、同相出力ライン６１、異相出力ライン６２、及び再変調器５７を含む。同相出力ライン６１及び異相出力ライン６２をプロセッサ７０へ接続する。プロセッサ７０は、二次制御ループ５０の部分であることができる、またはそれは、別個のコンポーネントであることができる。

二次ピックオフ・トランスデューサ１０ａは、リング３の振動の二次モードに応答する二次ピックオフ信号５１を生成する。二次ピックオフ信号５１は、復調器５１ａにより基準周波数（たとえば、基準信号３７により提供されることができる）で復調され、二次ピックオフ信号５１を同相成分５２及び異相成分５３に変換する。好ましくは、基準信号３７は、増幅された一次ピックオフ信号２１であり、一次制御ループ２０により提供される。同相成分５２は、リング３の振動の一次モードと同一の位相を有する成分である。同相成分５２及び異相成分５３をそれぞれ、同相ループ・フィルタ５４及び異相ループ・フィルタ５５に通す。これらのループ・フィルタ５４、５５は、「ループを閉じる」ように作用し、既知の技術を使用して二次振動モード中にいずれかの同相及び異相運動を無効にする。この運動を無効にする（すなわち、一次振動モード中にリング構造３が共振し続ける）ために必要な同相信号の振幅は、リング構造３が受けるコリオリ力、すなわち適用された角速度へ正比例である。つぎに同相ループ・フィルタ５４からの同相出力５８、及び異相ループ・フィルタ５５からの異相出力５９は、加算器５６で合計され、再変調器５７へ入力される。また再変調器５７は、基準信号３７を入力として使用することができる。再変調された信号は、二次振動モードの振動を無効にするために二次駆動アクチュエータ６ａに適用される二次駆動信号６０を提供する。

プロセッサ７０が回転速度を決定するように、出力ライン６１を介してプロセッサ７０へ同相出力５８を提供する。プロセッサ７０は、既知の技術を使用して、回転速度を決定する。しかしながら、従来のジャイロスコープとは異なり、出力ライン６２を介してプロセッサ７０へ異相出力５９も提供する。したがって、ＶＲＧ２が従来のような単一の出力ラインの代替に、２本の出力ライン６１、６２を提供することを理解するであろう。好ましくは、少なくともプログノシス動作モードにおいてＶＲＧ２を動作させるときに、異相出力５９をプロセッサ７０へ提供する。プロセッサ７０は、ＶＲＧ２の動作特性を決定するために異相出力５９を使用する。動作特性を７２で出力する。動作特性は、期間にわたり異相出力５９で観測された変化に基づくことができる。この点において、プロセッサ７０は、ＶＲＧ２を所定の速度で回転させるときにさまざまな時間で異相出力５９の記録を保持することができる。所定の回転速度は、プログノシス・モードで動作するときに意図的にエンド・ユーザにより適用されることができる。加えて、または代替に、プロセッサ７０は、ＶＲＧ２が所定の速度で回転していることを検出するときはいつも、異相出力５９を記録することができる。通常の動作モードで、及び／またはプログノシス動作モードでＶＲＧ２を動作させるときに同相出力５８を使用して、回転速度を決定するようにプロセッサ７０を配置することができる。角速度を７４において出力する。好ましくは、通常動作モードで、またはプログノシス動作モードでＶＲＧ２を動作させるときに同相出力５８及び／または異相出力５９を出力するようにＶＲＧ２を配置することができる。

図４は、図１のＶＲＧ２についてさまざまな異なる時間にプロセッサ７０により記録される異相出力５９の振幅の実施例を図示する（図４の関係４１０を参照する）。また図４は、各本開示に従う６個の他のＶＲＧ４２０〜４７０から経時的に異相信号の振幅で観測された変化を示す。異相信号の振幅が角回転速度に直接関連することに基づき、異相信号の振幅を電圧として表す、または度毎秒で提示することができることを理解するであろう。

異相出力５９の振幅（度毎秒で示される）が経時的に非線形で変化することを図４に示す。いくつかの事例において、たとえば、減衰関数（たとえば、指数／対数型減衰を示す関数）は、この変化を表すことができる。本発明者らは、所与の期間にわたる異相出力５９の振幅（たとえば、出荷時較正で計測される異相出力５９の振幅に関連する）での相対及び絶対変化がＶＲＧ２に加えられる機械的応力（たとえば、ＶＲＧ２の筐体上での外力により誘起される機械的応力、及び／またはマスの内部応力での変化）に関連することができると考える。彼らは、ＶＲＧの異相振幅５９が１つ以上の期間にわたり変化する速度がＶＲＧに加えられる機械的応力のインジケータ、使用中にどのタイプの環境にＶＲＧを暴露するか、及びＶＲＧ２の有効寿命を提供することができることも理解する。加えて、彼らは、所与の期間にわたる異相出力５９の振幅での相対及び絶対変化がＶＲＧ２の有効寿命のインジケータも提供することができることを理解する。

図５は、実時間経年変化の９ヶ月の期間にわたり、ＶＲＧのバイアス・シフトの関数（図１のＶＲＧ２に従う）としてプロセッサ７０により記録される異相出力５９の振幅内のシフト（いわゆる「クワッド・シフト」）の実施例を図示する。クワッド・シフトは、ＶＲＧの動作寿命の開始前に計測される異相振幅と比較される異相振幅での相対変化である。しかしながら、クワッド・シフトがいずれかの前回に計測された異相出力の振幅に関連する異相振幅で観測された変化であることができることを理解するであろう。好ましくは、前のバイアス誤差及び異相信号を同時に、または順次に、次々に計測する。

ＶＲＧのバイアス（本明細書でバイアス誤差とも言われる）は、ＶＲＧが回転していないときに二次ピックオフ・トランスデューサ１０ａにより計測される二次ピックオフ信号である。このバイアスは、ＶＲＧが工場から出荷される前に標準的な方法を使用して計測されることが可能であり、ＶＲＧがその動作寿命を開始する前に通常較正される。いわゆる「バイアス・シフト」は、ＶＲＧの動作寿命の開始前に計測されるバイアスと比較されるバイアスにおける相対変化である。しかしながら、バイアス・シフトがいずれかの前回に計測されたバイアスに関連するバイアスで観測された変化であることができることを理解するであろう。

本明細書（すなわち、図５）で実行される試験において、バイアス・シフトは、プログノシス・モードの精度を評価するために異相出力５９のクワッド・シフトに加えて計測された。通常、バイアス及びミスアライメントにおける変化は、小さく、専門のＩＭＵ試験装置でも計測が困難である。対照的に、異相出力５９は、より多くの数量により変化することがわかった。１ｄｅｇ／ｓの一般的なクワッド・シフトは、ＩＭＵ内のＶＲＧの寿命にわたり注目されている。これらのような一般的な大きさにより、この顕著なシフトは、専門の試験装置を必要としないメンテナンス・ベイの状態で容易に計測されることが可能である。

図５において示されるデータは、１４ｋＨｚの共振周波数を有する円形振動リング設計を利用して、誘導型シリコンＭＥＭＳジャイロスコープについてのデータである。２軸運動シミュレータ及びサーマル・チャンバを含む製造適格し、較正された試験装置を使用して、制御された環境内ですべての結果を収集した。図５は、クワッド内のシフト、及びバイアス内のシフト間の強い相関関係で、９ヶ月の実時間経年変化の期間にわたり９ユニットのサンプル内で「クワッド」出力５９及びバイアスの両方がどのようにシフトしているかを示す。

動作中に、図４において示されるように、異相振幅がＩＭＵの寿命にわたり広範な非線形方式で変化し、この変化を使用して、寿命、応力レベル、またはＶＳＧの他の動作特性を特徴付けることができることを理解するであろう。

加えて、経時的な異相振幅での傾き、絶対変化、または相対変化を使用して、制御されない環境で（たとえば、最適でない環境で）ＶＳＧを格納している／使用しているかどうかを示すことができる。たとえば、プロセッサは、２０１５年９月２８日の出荷時較正と、２０１６年１０月７日の時間の間のサンプル４２０についての異相出力５９の振幅における絶対変化または相対変化を、所定の閾値と比較することができ、変化が閾値を超えるかどうかにより、プロセッサは、ＶＲＧが交換される、保守点検される、または再較正される必要があることを示す信号を発することができる。異なるレベルの閾値を使用して、ＶＲＧが交換される、保守点検される、または再較正される必要があるかどうかを判定することができる。加えて、または代替に、プロセッサ７０は、経時的な異相振幅の傾きを所定の閾値の傾きと比較することができる。経時的な異相関係の傾きが閾値を超えるか否かに応じて、プロセッサ７０は、マスの不具合の存在を判定することができる。この点において、異なる傾きを使用して、１つ以上のタイプの不具合の存在を示すことができる。したがって、不具合のインディケーションがマスの診断特性を提供することを理解するであろう。

図５において示されるように、クワドラチャ・シフトがバイアス・シフトをともなう線形方式で広範囲に変化することも理解するであろう。線形変化は、クワドラチャ・シフトの計測に基づきバイアス・シフトを決定することを可能にする。この知見は、さまざまな利点をもたらす。たとえば、動作フィールドにおいて（たとえば、プログノシス動作モードにおいて）クワドラチャ・シフトを計測することにより、エンド・ユーザは、クワドラチャ・シフトを計測し、それらの線形関係に基づきバイアス・シフトを決定することができる。この方式で、エンド・ユーザは、ＶＳＧを取り外す、及び／または専門の装置及び工場状態で試験する必要なしで、より容易に、かつ動的にバイアス・オフセットについて決定し、調整することができる。

加えて、本発明者らは、バイアス・シフトでクワッド・シフトでの変化を表す傾きを使用して、ＶＳＧの動作特性を推測することができることに留意した。たとえば、傾きを使用して、図１のＶＲＧ２に加えられる機械的応力、ＶＲＧ２の絶対／相対寿命、及び／またはＶＲＧ２内の不具合を示す診断パラメータを推測することができる。

経時的な異相出力５９の関係、及び／またはバイアス誤差とクワッド・シフトの関係がＶＳＧの動作特性を決定するために任意のタイプのＶＳＧで使用されることが可能であることを理解するであろう。

また、開ループ構成において、復調された異相成分が動作特性を決定するために、経時的にプロセッサにより、及び／またはバイアス誤差の関数として観測されることができることを理解するであろう。この点において、本明細書の本開示の方法がＶＳＧの開ループ及び閉ループの両方で使用されることができることを理解するであろう。

Claims (15)

1. 可動マスを有する振動型ジャイロスコープの動作特性を決定する方法であって、
   所定の第一経路沿いに振動させるように前記マスを駆動し、
   第二経路沿いに前記マスを振動させるように前記振動型ジャイロスコープを回転させ、ここで前記第二経路は所定の前記第一経路と異なり、
   感知信号を生成するために前記第二経路沿いの前記マスの前記振動を感知し、
   復調器を使用して前記感知信号を同相信号及び異相信号に変換し、ここで前記同相信号は前記第一経路沿いの前記マスの前記振動に関して同相であり、前記異相信号は前記同相信号に関して異相であり、
   第一動作モードにおいて、前記同相信号に基づき前記ジャイロスコープの前記回転速度を決定し、
   第二動作モードにおいて、
   （ｉ）第一時間、及び（ｉｉ）つぎの第二時間に前記異相信号を観測し、
   前記第一時間及び前記第二時間での前記異相信号に基づき前記ジャイロスコープの動作特性を決定する、
   ことを備える、前記方法。
2. 前記動作特性は、前記振動型ジャイロスコープのバイアス・シフトである、請求項１に記載の前記方法。
3. 前記動作特性は、経時的な前記振動型ジャイロスコープの機械的応答での変化、前記振動型ジャイロスコープをパッケージまたはホスト・システムへ搭載する搭載の機械的応力レベル、前記振動型ジャイロスコープを収容するパッケージまたはホスト・システムの機械的応力レベル、前記可動マスの機械的応力レベル、前記可動マスの絶対寿命、前記可動マスが振動している時間、前記可動マス内の不具合を表す診断特性、のうちの１つ以上を表現する、請求項１または２に記載の前記方法。
4. 前記第二時間での前記異相信号を前記第一時間での前記異相信号と比較すること、及び前記比較に基づき前記動作特性を決定することをさらに備える、いずれかの先行請求項に記載の前記方法。
5. 前記動作特性は、前記第一時間での前記異相信号と前記第二時間での前記異相信号間との振幅における差、及び前記異相信号の前記振幅が前記第一時間及び前記第二時間との間で変化する速度、のうちの１つ以上に基づき決定される、請求項４に記載の前記方法。
6. 前記動作特性は、所定の閾値と前記振幅の差、または前記変化の速度の比較に基づき決定される、請求項５に記載の前記方法。
7. 前記振動型ジャイロスコープが交換される、保守点検される、または再較正される必要があるときを示す所定の限界値と前記動作特性を比較し、
   前記振動型ジャイロスコープが前記所定の限界値と前記動作特性の前記比較に基づき交換される、保守点検される、または再較正される必要があると判定する、
   ことをさらに備える、いずれかの先行請求項に記載の前記方法。
8. 前記第一時間での前記異相信号は、工場出荷時の異相信号である、いずれかの先行請求項に記載の前記方法。
9. 前記第二動作モードにおいて所定の回転速度で前記振動型ジャイロスコープを回転させることを備える、いずれかの先行請求項に記載の前記方法。
10. 前記動作特性は、前記第二時間での前記異相信号と前記第一時間での前記異相信号との間の変化を表す所定の関係に基づき決定される、いずれかの先行請求項に記載の前記方法。
11. 前記振動型ジャイロスコープは、移動体内に設置され、前記第二動作モードは、前記振動型ジャイロスコープが前記移動体内に設置されながら実行される、いずれかの先行請求項に記載の前記方法。
12. 前記振動型ジャイロスコープは振動リング・ジャイロスコープであり、
    前記可動マスは実質的に平板リングであり、
    前記第一経路沿いの前記振動は前記リングの前記平板内の第一軸沿いの駆動振動であり、
    前記第二経路沿いの前記振動は前記リングの前記平板内の第二軸沿いのコリオリ誘起振動であり、前記第二軸が前記第一軸に関して角度オフセットされ、
    前記回転は前記リングの前記平板へ垂直な軸周りである、
    いずれかの先行請求項に記載の前記方法。
13. 前記復調器は、前記感知信号を第一基準信号と混合すること、及び別個に、前記感知信号を第二基準信号と混合することにより前記感知信号を変換し、前記第二基準信号は、前記第一基準信号と同一の周波数を有し、前記第二基準信号の前記位相は、前記第一基準信号の前記位相に関して異相である、いずれかの先行請求項に記載の前記方法。
14. 振動型ジャイロスコープであって、
    （ｉ）駆動力に応答する所定の第一経路、及び（ｉｉ）前記ジャイロスコープの回転に応答する第二経路沿いに振動するように配置される可動マスと、ここで前記第二経路は前記第一経路と異なり、
    前記駆動力を加えるように配置されるアクチュエータと、
    感知信号を生成するために前記第二経路沿いに前記マスの前記振動を感知するように配置されるトランスデューサと、
    前記感知信号を同相信号及び異相信号に変換するように配置される復調器と、ここで前記同相信号は前記第一経路沿いの前記マスの前記振動に関して同相であり、前記異相信号は前記同相信号に関して異相であり、
    前記ジャイロスコープの第一動作モードにおいて、前記ジャイロスコープの前記回転速度を決定するために前記同相信号を出力するように配置される第一信号出力と、
    前記ジャイロスコープの前記第二動作モードにおいて、（ｉ）第一時間に前記復調器により生成される前記異相信号、及び（ｉｉ）つぎの第二時間に前記復調器により生成される前記異相信号を出力するように配置される第二信号出力と、
    を備える、前記振動型ジャイロスコープ。
15. 振動型ジャイロスコープ・システムであって、
    （ｉ）駆動力に応答する所定の第一経路、及び（ｉｉ）前記ジャイロスコープの回転に応答する第二経路沿いに振動するように配置される可動マスと、ここで前記第二経路は前記第一経路と異なり、
    前記駆動力を加えるように配置されるアクチュエータと、
    感知信号を生成するために前記第二経路沿いに前記マスの前記振動を感知するように配置されるトランスデューサと、
    前記感知信号を同相信号及び異相信号に変換するように配置される復調器と、ここで前記同相信号は前記第一経路沿いの前記マスの前記振動に関して同相であり、前記異相信号は前記同相信号に関して異相であり、
    第一動作モードにおいて、前記同相信号に基づき前記ジャイロスコープの前記回転速度を決定し、
    第二動作モードにおいて、第一時間での前記異相信号、及びつぎの第二時間での前記異相信号に基づき前記ジャイロスコープの動作特性を決定する、
    ように配置されるプロセッサと、
    を備える、前記振動型ジャイロスコープ・システム。