JP4331211B2 - 振動構造ジャイロスコープにおけるバイアス誤差を低減する方法 - Google Patents

Description

本発明は、振動構造ジャイロスコープにおけるバイアス誤差を低減する方法に関し、この方法は特に、限定はされないが、シリコンから作製されるジャイロスコープで使用するのに適している。

マイクロマシンの振動構造ジャイロスコープ（ＶＳＧ）は低価格で広く入手できる。このようなジャイロスコープは、音叉、平面リング、はり及び発振ディスク構造を含む、広範な振動構造体を使用して作製される。これらジャイロスコープすべての基本動作原理は、振動構造体を共振させてキャリアモード運動を実現するという点で、本質的に同一である。構造体がキャリアモード運動により実現される直線運動と直交する軸の周りで回転すると、コリオリの力が生じる。これらの力は残りの直交軸に沿う方向に向き、振動構造体を応答モードと称される２次モード振動で振動させる。この応答モードの運動はキャリアモードの運動と同相であって、印加される回転速度に正比例する振幅を備える。

このような振動構造ジャイロスコープは、例えば、自動車分野における自動ブレーキシステム、転倒防止及びカーナビゲーションに対してなど、幅広い多様な用途における使用に適する。低価格で小型のこれらの振動構造ジャイロスコープは、慣性航法及びプラットフォームの安定化など、他の用途に対しても魅力あるものとなっている。しかし、後者の用途におけるこれらの使用は、特にバイアスの安定度（印加される速度がない場合の出力）の点で達成できる限定的な性能により制限される。これら振動構造ジャイロスコープの性能を改良して、これらジャイロスコープをより高精度を必要とする用途に適合させる必要がある。

振動構造コリオリジャイロスコープの性能を制限する主な制限事項は、直交バイアス誤差である。直交バイアス誤差は振動構造体の形状の不完全性のために生じる。これらの不完全性により、印加される回転速度により生じる運動に同相直交する（すなわち、９０°の位相関係を有する）応答モードの振動を生じ、ジャイロスコープが回転していないときにも存在する。さらに、これらの信号の大きさは回転速度情報を提供する、必要とされる同相信号に比較して大きい。大きな直交信号がある状態で、必要とされる回転で生じた信号を回復することは、検出システムの位相精度に厳格な要件を課す。正確に位相合わせされた電子回路により、直交信号を実質的に除去できる。しかし、この位相合わせを設定できる精度に関する実際の限界は、この信号の一部が通常残留し、本来の回転で生じた同相信号を汚染することを意味する。この限界が、この種の振動構造ジャイロスコープにおける誤差の主な原因である。

したがって、振動構造コリオリジャイロスコープの性能における直交誤差の影響をさらに小さくする方法の必要性が存在する。

本発明の一態様によれば、振動構造体と、該振動構造体をキャリアモード共振の状態にする１次駆動手段と、キャリアモード運動を検知する１次ピックオフ手段と、印加される回転速度に応じて振動構造の応答モード振動を検知する２次ピックオフ手段と、応答モード運動を制御する力を印加する２次駆動手段と、１次ピックオフ手段において運動の固定振幅を維持し、かつ共振極大において駆動周波数を維持する閉ループ１次制御ループと、２次ピックオフ手段においてゼロを維持する２次制御ループとを有する、振動構造ジャイロスコープにおけるバイアス誤差を低減する方法を提供する。この方法においては、ＳＦ_{ＩＮ−ＰＨＡＳＥ}に対するＳＦ_ＱＵＡＤの比は、２次制御ループから測定され、下記の関係式にもとづいて、Ｓｉｎ（φ_ＳＤ＋φ_ＰＰＯ）の直接測定値を得る。

ここで、ＳＦ_ＱＵＡＤは直交スケールファクタ、ＳＦ_{ＩＮ−ＰＨＡＳＥ}は同相スケールファクタ、φ_ＳＤは２次駆動手段における位相誤差、φ_ＰＰＯは１次ピックオフ手段の位相誤差である。全体位相誤差φ_Ｅを、下記の関係式

に基づいてＳｉｎ（φ _ＳＤ ＋φ _ＰＰＯ ）の測定から直接得て、前記２次駆動手段及び／又は１次ピックオフ手段に対して位相補正を行なうことにより、直交バイアス誤差を低減して、ジャイロスコープの性能を改良する。

このようにして、制御電子回路の位相応答を高精度で調整して、同相速度検出チャネルに対する汚染直交信号のブレークスルーを正確にゼロすることにより、大幅な性能向上を実現する。

上記の方法は、シリコン振動構造体を有するジャイロスコープ、詳細にはほぼ平面の、実質的にリング状の振動構造体を有するジャイロスコープにおいて使用される。

好ましくは、上記方法が可変コンデンサを備えるアナログの１次及び２次制御ループを有するジャイロスコープにおいて使用される場合、２次駆動手段に関連する２次制御ループにおける可変コンデンサの値及び／又は１次ピックオフ手段に関連する１次制御ループにおける可変コンデンサの値を変更することによって、位相補正を適用し、φ_ＳＤ及び／又はφ_ＰＰＯを調整して、φ_Ｅの値を最小にする、すなわち、できる限りゼロに近づけるようにする。

好都合には、上記方法がデジタルの１次及び２次制御ループを有するジャイロスコープにおいて使用される場合、φ_Ｅに等しい位相補正を、２次制御ループを介して２次駆動手段に適用し、これにより、振動構造制御システムにおける位相誤差の総合効果と大きさが等しく向きが反対の量により、同相及び直交駆動チャネルを交差結合するようにする。

あるいは、上記方法がデジタルの１次及び２次制御ループを有するジャイロスコープにおいて使用される場合、φ_Ｅに等しい位相補正を、１次制御ループを介して１次ピックオフ手段に適用し、これにより、振動構造制御システムにおける位相誤差の総合効果と大きさが等しく向きが反対の量により、同相及び直交駆動チャネルを交差結合するようにする。

好都合には、同相及び直交信号成分はそれぞれ、Ｓｉｎφ_ＣＯＲＲ及びＣｏｓφ_ＣＯＲＲを乗算される。ここで、φ_ＣＯＲＲは位相補正、及び下記の加算にもとづいて調整される各同相及び直交チャネルの有効位相である。

有利には、ジャイロスコープの動作温度にもとづいてφ_ＣＯＲＲを調整し、φ_Ｅを最小値に維持する。

本発明をよりよく理解するため、及び同様に実行に移す方法を示すために、次に、例として、添付図面を参照する。

振動構造ジャイロスコープにおけるバイアス誤差を低減する本発明の方法は、閉ループ構成で作動するほぼ平面の実質的にリング状である振動構造体を使用する、コリオリのジャイロスコープ設計を参照して説明される。この方法は、このような閉ループ構成において作動するあらゆる振動構造体に適用できることを理解されたい。

英国特許第２３２２１９６号は、微細加工技術を利用して製造され、高信頼性、大容量用途における使用に適する振動構造ジャイロスコープについて記載している。振動構造ジャイロスコープは、主として、外部フレーム（図示せず）の８つの弾性支持脚の外部に取り付けられた結晶シリコン平面リング振動構造体からなる。このジャイロスコープは通常、図１ａ及び図１ｂに概略的に図示されるとおり、Ｃｏｓ２θ振動モードで駆動される。図１ａに示されている１つのモードはキャリアモードとして励振される。ジャイロスコープがリング状の振動構造体の平面に垂直な軸の周りで回転すると、コリオリの力Ｆ_Ｃが発生し、この力が結合して、図１ｂで示される応答モードを生じる。力の大きさは下記の式により与えられる。

ここで、Ｍはモード質量、ｖは有効速度及びΩ_ａｐｐは印加される回転速度である。キャリアモード振動振幅は通常、固定レベルに維持される。これはまた、速度ｖを固定レベルに維持し、したがって、発生するコリオリの力が回転速度Ω_ａｐｐに正比例することを保証する。これらのコリオリの力により生じる運動の振幅は、キャリアモード及び応答モードの共振周波数を正確に一致させることにより大きくなる。次に、この運動は応答モードのＱにより増幅され、高い装置感度を与える。開ループモードで動作する場合、ジャイロスコープの感度（スケールファクタ）は二次モードのＱに依存し、動作温度範囲全体にわたり大きく変化する。この依存性は、閉ループ（フォースフィードバック）モードにおいて装置を作動することにより解消される。このモードでは、発生した応答モード運動は能動的にゼロであり、このモードを達成するために必要な印加される力は回転速度に正比例する。

閉ループ動作は通常、図２に概略的に示されているとおり、従来技術の制御ループを用いて実現できる。図２においては、リング状の振動構造体１は、運動が１次ピックオフ手段３により検出される１次駆動手段２によって、キャリアモード共振運動に励振される。１次ピックオフ手段３で検出された信号はキャリアモード制御ループ５に印加する前に復調器４で復調され、１次駆動手段２に印加される前に再変調器６で再変調される。キャリアモード制御ループ５は位相ロックループ７を含み、この位相ロックループ７は、１次ピックオフ及び１次駆動信号の相対的な位相を比較し、電圧制御発振器８の周波数を調整して、印加される駆動と振動構造運動の間の位相シフトを９０°に維持する。これは運動を共振極大に維持する。１次ピックオフ信号はさらに、１次ピックオフ信号レベルと固定基準レベルＶ_θとを比較する、自動利得制御ループ９に印加される。このように、１次駆動レベルを調整して、固定信号レベル、したがって１次ピックオフ手段３における振動構造体１の運動の振幅を維持する。

振動構造体１の応答モード運動は２次ピックオフ手段１０で検出される。２次ピックオフ手段１０からの出力信号は復調器１１で復調され、この信号の同相成分と直交成分とに分離され、同相成分は同相ループ１２に送られ、この信号の直交成分は直交ループ１３に送られる。同相成分は、キャリアモード運動と同位相である。印加される回転速度により発生するコリオリの力は、同相及び直交成分の両方を備える運動を生成する。直交成分はモード周波数が正確に一致しないために生じる誤差分である。ループ１２及び１３によりこれらの復調されたベースバンドＤＣ信号にループフィルタリングを適用して、帯域幅など必要なシステムの性能を達成する。次に、結果として得られた信号は再変調器１４で再変調され、加算器１５により加算され、２次駆動手段１６に印加されて、２次ピックオフ手段１０でゼロを維持する。第２駆動手段１６によって振動構造体１に印加される、応答モード駆動の同相成分に正比例する同相ベースバンド信号は倍率変更され、フィルタ１７でフィルタ処理され、速度出力信号１８を生成する。

この動作モードについては、印加される回転速度に対応するスケールファクタは下記の数式により与えられる。

ここで、Ｖ_Ｏは１次モード振幅設定レベル、ωは１次モード共振周波数、ｋは共振器の寸法を含む定数、Ｇ_Ｂはブライアン係数（モード結合係数）、ｇ_ＰＰＯは１次ピックオフ利得、及びｇ_ＳＤは２次駆動利得である。

英国特許第２３２２１９６号に記載されている振動構造ジャイロスコープはさらに、英国特許第２３２９４７１号に説明されているようなデジタル電子制御システムと組み合わせて使用される。この従来のデジタル電子制御システムは、添付図面の図３に示され、図２に関して先に記載されているものと同様の構成要素は同一の参照符号を与えられ、さらに詳細には説明されない。これの実現のために、１次ピックオフ手段３及び２次ピックオフ手段１０からの信号は、それぞれアナログ−デジタル変換器１９で直接デジタル化される。その後、同相チャネル及び直交チャネルの両方に対して、ソフトウェア２０で復調が実現される。位相ロックロープ７及び自動利得制御ループ９の機能はソフトウェア機能として実現される。キャリアモード共振周波数でアナログ電圧制御発振器８回路を駆動するために、デジタル制御ワードが生成され、変調及び駆動の更新のタイミングを制御する。２次モードの同相チャネル及び直交チャネルのそれぞれのループフィルタ１２及び１３もまた、ソフトウェア２０内に実装される。１次及び２次駆動手段２、１６に印加される駆動レベルは、ソフトウェアアルゴリズムにおいて計算され、デジタル−アナログ変換器２１を介して印加される。２次同相チャネル信号は出力フィルタ１７によりフィルタ処理され、速度出力信号１８に適切な特性を与える。図３では、自動利得制御設定レベル入力は２２で示されている。

理想的な場合、すなわち、振動構造体１に対して完全な位相の電子回路、同一キャリア及び応答モード周波数を有する場合には、ジャイロスコープが回転しない場合、２次ピックオフ手段１０で検出される運動は存在しない。実際には、ジャイロスコープの製造工程中に発生する小さな幾何学的不完全性がモード周波数の小さな分離を引き起こす。この分離はまた、１次駆動手段２に対してモードの角度位置を任意の角αで固定する傾向がある。αが０°でない場合、１次駆動力はある範囲まで両方のモードを励振する。位相ロックロープ７は駆動周波数を調整して、１次ピックオフ手段３により検出されるとおり、印加される駆動運動と振動構造体の運動との間の位相シフトを９０°にする。しかし、１次運動に対する直交位相において支配的である、２次軸に沿う大きな運動が存在する。閉ループシステムにおいては、この運動は２次駆動手段１６により印加される直交力成分によりゼロになる。

この信号をゼロにするのに必要な直交駆動レベルは直交バイアスと称され、下記の式により定義される。

ここで、ΔＦはモード周波数スプリット、αは１次駆動軸に対するモード角、Ｋはモード結合係数及び２次駆動及び１次ピックオフ利得の各項を含む定数である。

Ω_ＱＵＡＤは、ジャイロスコープの測定に必要とされる速度信号に比較して大きい。この種類の自動車用ジャイロの典型的な速度測定範囲は±１００°／秒である。直交バイアスは速度信号と比較して大きくてもよく（＞±１００°／秒）、動作温度範囲全体にわたり大幅に変化してもよい。位相誤差φ_Ｅが存在する場合、この信号の一部が速度チャネルに現れる。これが、下記の式により与えられる、速度のバイアス誤差Ω_Ｅｒｒを生じる。

比較的小さな位相誤差であっても、大きなバイアス誤差を引き起こす。０．５度の位相誤差は、１００°／秒の直交バイアス信号に対する速度出力において０．８７度／秒のバイアス誤差をもたらす。直交信号又は位相誤差自体におけるあらゆる温度変化はこのバイアスを変化させ、ジャイロの精度及び安定性を大きく制限する。実際のシステムでは、これらの位相誤差は、回路部品の値（例えば、コンデンサ）、駆動増幅器における立ち上がり時間、及び共振器の動作周波数の変動の精度の限界を含む、多数の要因のために発生する。

温度全体にわたるこのレベルの精度及び安定性を達成することは、あらゆる実際の電子制御システムにおいて、かなりの努力を必要とする。また、従来の技法及び装置を使用してこのレベルの精度で位相シフトを測定することは極めて困難であり、時間を要する。したがって、経済的な方法で従来のＭＥＭＳコリオリのジャイロスコープシステムにおける直交バイアスの除去比を大幅に低減することは不可能である。

位相誤差φ_Ｅの大きさの正確な測定は、２次直交駆動チャネルにおいて利用可能な情報を用いることで可能である。この測定は、ジャイロスコープの出力として通常記録されないが、比較的簡単に、特に英国特許第２３２２４７１号のデジタル制御ループを使用すると、観測できる。ジャイロスコープが回転するときのこの信号のあらゆる変化は位相誤差を表す。この効果の原因は以下に述べられる。

位相誤差φ_Ｅは１次共振運動に関して測定される。位相ロックループ７は、１次ピックオフ手段２により測定される１次運動を連続追跡し、参照として作用する論理信号を生成して、同相及び直交チャネルの両方に対する復調及び再変調プロセスの位相合わせ／タイミングを制御する。ジャイロスコープが回転すると、１次運動と同相のコリオリの力が発生する。完全なシステムでは、この力は、２次駆動手段１６を通して印加される同相の力成分により、直接的にゼロになる。したがって、２次駆動手段１６における位相誤差φ_ＳＤは、直交チャネルに現れるゼロにする力を生成するのに必要な信号の一部をもたらす。同様に、１次ピックオフ手段３における位相誤差φ_ＰＰＯは、電子回路における参照論理信号のタイミングに誤差を生じ、この誤差が２次ループ内に伝搬して同相及び直交チャネルを実質的に交差結合する。２次ピックオフ信号はフォースフィードバックによりゼロに維持され、したがって、この位相応答の精度はあまり問題にされない。１次駆動位相誤差は、１次共振周波数の共振極大からのわずかなずれをもたらす。これは駆動利得のわずかな低下を生じさせるが、これは位相合わせが１次共振運動に戻ることを意味するため、バイアスに影響を与えない。２次ピックオフ及び１次駆動における位相誤差はバイアス誤差を生じず、したがって、あまり問題にされない。

直交信号の速度依存性は下記の式により与えられる。

したがって、同相スケールファクタと直交スケールファクタとの比の測定により、ｓｉｎ（φ_ＳＤ＋φ_ＰＰＯ）の直接測定値が得られ、この測定値から総合位相誤差（φ_Ｅ＝φ_ＳＤ＋φ_ＰＰＯ）を直接得ることができる。この技法を使用する総合位相誤差の測定は、いずれの追加装置又は機械的試験手順も必要とせずに、完全なジャイロスコープアセンブリに関して実行できるという、利点を有する。任意のコリオリのジャイロスコープに対する通常の校正手順は、換算表の既知の回転速度の範囲で回転されるアセンブリを必要とする。この手順は、速度のスケールファクタＳＦ_ＲＡＴＥの測定を可能にし、このパラメータを、公知の技法を用いて事前設定値に調整できる。直交チャネルに関して有効なデータを単に記録することで、ＳＦ_ＱＵＡＤ、したがってφ_Ｅの測定値が得られる。

このように、振動構造体１と、振動構造体１をキャリアモード共振にする１次駆動手段２と、キャリアモード運動を検知する１次ピックオフ手段３と、印加される回転速度に応じて振動構造体１の応答モード振動を検出する２次ピックオフ手段１０と、１次ピックアップ手段３において固定振幅運動を維持し、かつ駆動周波数を共振極大に維持する閉ループ１次制御ループと、２次ピックオフ手段１０においてゼロを維持する２次制御ループと、を有する、振動構造ジャイロスコープにおけるバイアス誤差を低減する本発明の方法は、２次制御ループからＳＦ_{ＩＮ−ＰＨＡＳＥ}に対するＳＦ_ＱＵＡＤの比を測定して、上述の関係式（５）にもとづいてＳｉｎ（φ_ＳＤ＋φ_ＰＰＯ）の直接測定値を得るステップを含む。ここで、ＳＦ_ＱＵＡＤは直交スケールファクタ、ＳＦ_{ＩＮ−ＰＨＡＳＥ}は同相スケールファクタ、φ_ＳＤは２次駆動手段１６における位相誤差、φ_ＰＰＯは１次ピックオフ手段３の位相誤差である。全体位相誤差φ_Ｅは、下記の関係式にもとづいて、Ｓｉｎ（φ_ＳＤ＋φ_ＰＰＯ）から直接得られる。

位相補正を２次駆動手段１６及び／又は１次ピックオフ手段３に適用して、位相誤差φ_Ｅ、したがって直交バイアス誤差を低減して、ジャイロスコープの性能を改良する。

本発明の方法が、可変コンデンサ（図示せず）を備えるアナログの１次及び２次制御ループを有するジャイロスコープに使用される場合、２次駆動手段１６に関連する２次制御ループにおける可変コンデンサの値及び／又は１次ピックオフ手段３に関連する１次制御ループにおける可変コンデンサの値を変更することによって、位相補正を適用し、φ_ＳＤ及び／又はφ_ＰＰＯを調整して、φ_Ｅの値を最小にする。したがって、必要条件がφ_Ｅ＝０である場合、これは好都合には、下記の関係式を前提にして、φ_ＳＤ又はφ_ＰＰＯのどちらかを調整することにより得られる。

英国特許第２３２２１９６号のデジタル電子制御システムを使用することにより、φ_Ｅの調整はより簡単に達成される。位相補正は、補正が２次駆動手段１６に適用される図４に概略的に図示されているとおり、制御ループアルゴリズムのソフトウェア内に導入できる。また、図４においては、図２及び図３で先に示され、及び先に説明されている部品は、同一の参照符号を与えられ、さらに詳細には特に説明されない。したがって、本発明の方法における記述においては、本発明の方法がデジタル１次及び２次制御ループを有するジャイロスコープにおいて用いられる場合、φ_Ｅに等しい位相補正を、２次制御ループを介して２次駆動手段１６に適用し、これにより、振動構造１における位相誤差の総合効果と大きさが等しく向きが反対の量により、同相及び直交駆動チャネルを交差結合するようにする。図４の構成では、φ_ＣＯＲＲは再変調器１４と加算器１５の間で接続された位相補正ユニット２４に適用される。追加の復調器２３が、電圧制御発振器８と自動利得制御フィルタ９の間に配置される。

この補正は、代替方法では、図５に示されているとおり、１次ピックオフ手段３に適用される。図５では、先に説明及び参照されている同一部品には同一の参照符号が与えられ、さらに詳細には説明されない。図５の構成では、位相補正ユニット２４は１次制御ループ内に配置されており、１次ピックオフ手段３に位相補正を適用して、振動構造体１における位相誤差の総合効果と大きさが等しく向きが反対の量により、同相及び直交駆動チャネルを交差結合するようにする。この目的のために、位相補正ユニット２４は、図５に示されているとおり、直交及び同相復調器４と、位相ロックループフィルタ７及び自動利得制御ループフィルタ９との間に配置される。

位相補正の機能は図６に示され、また、先に説明された同一機能は同一の参照符号を与えられ、さらに詳細には説明されない。加算器２５及び減算器（ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｒ）２６が含まれる。

２次駆動に適用される場合、同相及び直交成分はそれぞれ、ｓｉｎφ_ＣＯＲＲ及びｃｏｓφ_ＣＯＲＲ及び下記の加算値を適用することにより調整される各チャネルの有効位相を、それぞれ乗算される。

ジャイロスコープのスケールファクタの情報は、従来は、印加される回転速度の範囲全体にわたり、未校正のジャイロスコープ出力を測定することにより得られる。同相速度チャネルについて得られる典型的なデータセットが図７に示されている。同相についてのスケールファクタは線２７の勾配から得られる。直交チャネルについての同等の線２８もまた図７に示されている。線２８の有限勾配は位相誤差を示す。

ＳＦ_ＱＵＡＤとφ_Ｅとの相関関係が図８に示されている。このデータはφ_ＣＯＲＲの値の範囲全体にわたるＳＦ_ＱＵＡＤ測定値から得られた。オフセットは公知のハードウェア位相誤差に起因する。達成可能な分解能は明確にこのグラフから確認でき、位相を精度＜０．０５°に設定できることを示している。これは、このパラメータの校正精度の大幅な向上を表し、直交バイアス誤差Ω_Ｅｒｒの寄与分を０．８７°／秒から＜０．０８７°／秒に低減するのと同等である。

本発明の方法をデジタル制御電子回路と組み合わせて適用する場合、追加の利点は、ジャイロの周囲温度に応じて位相補償を調整できることである。コリオリのジャイロスコープは、通常用途において−４０℃から＋８５℃の温度範囲で作動する必要がある。ハードウェア内の位相誤差は、この範囲にわたり系統的に変化することが知られている。通常の自動車用センサについて測定される変化が図９に示されている。本発明の方法を用いてこのセンサの位相誤差を補正し、室温でほぼゼロとした。高性能が要求されるあらゆる用途において、通常は、センサの周囲温度の直接測定を実現する。これは、通常、ジャイロスコープ内に又はジャイロスコープに密接して温度センサを組み込むことにより達成される。位相誤差の温度変化が既知である場合、簡単なアルゴリズム関数を使用して、測定された温度に従ってφ_ＣＯＲＲを調製し、φＥ〜０°を維持することができる。高性能の用途に対しては、動作温度の全範囲にわたりセンサの性能を特性決定する必要がある。試験手順は、温度の範囲におけるバイアス及びスケールファクタの測定を含む。直交スケールファクタＳＦ_ＱＵＡＤはまた、この手順の一部として容易に記録され、φ_Ｅの温度変化に関する必要なデータを提供してよい。

本発明によらないＣｏｓ２θキャリア振動モードの概略図である。 本発明によらないＳｉｎ２θ応答振動モードの概略図である。 本発明によらないコリオリの振動構造ジャイロスコープに対する従来の制御システムの概略ブロック図である。 本発明によらないコリオリの振動構造ジャイロスコープにおけるデジタル制御システムの概略ブロック図である。 本発明による、ソフトウェア内の有効２次駆動位相を調整する能力を組み込んでいる、コリオリの振動構造ジャイロスコープにおけるデジタル制御システムの概略ブロック図である。 本発明による、ソフトウェア内の有効な１次ピックオフ位相を調整する能力を組み込んでいる、コリオリの振動構造ジャイロスコープにおけるデジタル制御システムの概略ブロック図である。 図４及び図５の位相補正ブロックの機能を示す概略ブロック図である。 本発明によらない従来のコリオリの振動構造ジャイロスコープにおける、感知軸の周りに印加される回転速度の範囲に対する、振動構造ジャイロスコープの同相速度及び直交出力のグラフである。 本発明によらない従来のコリオリの振動構造ジャイロスコープにおける、位相誤差φ_Ｅの範囲に対する直交スケールファクタの変化のグラフである。 本発明による、一定位相補正が室温で適用されている状態の、従来のコリオリの振動構造ジャイロスコープにおける作動温度範囲全体にわたり測定された位相誤差φ_Ｅの変化のグラフである。

Claims (9)

1. 振動構造体と、前記振動構造体をキャリアモード共振の状態にする１次駆動手段と、キャリアモード運動を検知する１次ピックオフ手段と、印加される回転速度に応じて前記振動構造体の応答モード振動を検知する２次ピックオフ手段と、前記応答モード運動を制御する力を印加する２次駆動手段と、前記１次ピックオフ手段において運動の固定振幅を維持し、かつ共振極大において前記駆動周波数を維持する閉ループ１次制御ループと、前記２次ピックオフ手段においてゼロを維持する２次制御ループと、
   を有する、振動構造ジャイロスコープにおけるバイアス誤差を低減する方法であって、
   この方法においては、ＳＦ_ＱＵＡＤをＳＦ_{ＩＮ−ＰＨＡＳＥ}で除算した比を、前記２次制御ループから測定して、下記の関係式にもとづいて、Ｓｉｎ（φ_ＳＤ＋φ_ＰＰＯ）の直接測定値を得て、
   

   

   ここで、ＳＦ_ＱＵＡＤは直交スケールファクタ、ＳＦ_{ＩＮ−ＰＨＡＳＥ}は同相スケールファクタ、φ_ＳＤは前記２次駆動手段における位相誤差、φ_ＰＰＯは前記１次ピックオフ手段の位相誤差であり、
   全体位相誤差φ_Ｅを、下記の関係式
   

   

   に基づいてＳｉｎ（φ _ＳＤ ＋φ _ＰＰＯ ）の測定から直接得て、前記２次駆動手段及び／又は１次ピックオフ手段に対して位相補正を行なうことにより、前記直交バイアス誤差を低減して、ジャイロスコープの性能を改良する、振動構造ジャイロスコープにおけるバイアス誤差を低減する方法。
2. シリコン振動構造体を有するジャイロスコープにおいて用いられる、請求項１に記載の方法。
3. ほぼ平面の、実質的にリング状の振動構造体を有するジャイロスコープにおいて用いられる、請求項２に記載の方法。
4. 可変コンデンサを備えるアナログの１次及び２次制御ループを有するジャイロスコープにおいて使用される場合、前記２次駆動手段に関連する前記２次制御ループにおける前記可変コンデンサの値、及び／又は前記１次ピックオフ手段に関連する前記１次制御ループにおける前記可変コンデンサの値を変更することによって、前記位相補正を適用し、φ_ＳＤ及び／又はφ_ＰＰＯを調整して、φ_Ｅの値を最小にする、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. デジタルの１次及び２次制御ループを有するジャイロスコープにおいて使用される場合、φ_Ｅに等しい前記位相補正を、前記２次制御ループを介して前記２次駆動手段に適用し、これにより、前記振動構造制御システムにおける前記位相誤差の前記総合効果と大きさが等しく向きが反対の量により、同相及び直交駆動チャネルを交差結合するようにする、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
6. デジタルの１次及び２次制御ループを有するジャイロスコープにおいて使用される場合、φ_Ｅに等しい前記位相補正を、前記１次制御ループによって前記１次ピックオフ手段に適用し、これにより、前記振動構造制御システムにおける前記位相誤差の前記総合効果と大きさが等しく向きが反対の量により、同相及び直交駆動チャネルを交差結合するようにする、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
7. 同相及び直交信号成分がそれぞれ、Ｓｉｎφ_ＣＯＲＲ及びＣｏｓφ_ＣＯＲＲを乗算され、ここで、φ_ＣＯＲＲは位相補正、及び下記の加算式、
   

   

   

   にもとづいて調整される各同相及び直交チャネルの有効位相である、請求項４又は５に記載の方法。
8. 前記ジャイロスコープの動作温度にもとづいてφ_ＣＯＲＲを調整し、φ_Ｅを最小値に維持する、請求項６に記載の方法。
9. 振動構造体と、前記振動構造体をキャリアモード共振の状態にする１次駆動手段と、キャリアモード運動を検知する１次ピックオフ手段と、印加される回転速度に応じて前記振動構造体の応答モード振動を検知する２次ピックオフ手段と、前記応答モード運動を制御する力を印加する２次駆動手段と、前記１次ピックオフ手段において運動の固定振幅を維持し、かつ共振極大において前記駆動周波数を維持する閉ループ１次制御ループと、前記２次ピックオフ手段においてゼロを維持する２次制御ループと、
   を有する、振動構造ジャイロスコープであって、
   ＳＦ_ＱＵＡＤをＳＦ_{ＩＮ−ＰＨＡＳＥ}で除算した比を、前記２次制御ループから測定して、下記の関係式にもとづいて、Ｓｉｎ（φ_ＳＤ＋φ_ＰＰＯ）の直接測定値を得て、
   

   

   ここで、ＳＦ_ＱＵＡＤは直交スケールファクタ、ＳＦ_{ＩＮ−ＰＨＡＳＥ}は同相スケールファクタ、φ_ＳＤは前記２次駆動手段における位相誤差、φ_ＰＰＯは前記１次ピックオフ手段の位相誤差であり、
   全体位相誤差φ_Ｅを、下記の関係式
   

   

   に基づいてＳｉｎ（φ _ＳＤ ＋φ _ＰＰＯ ）の測定から直接得て、前記２次駆動手段及び／又は１次ピックオフ手段に対して位相補正を行なうことにより、前記直交バイアス誤差を低減して、ジャイロスコープの性能を改良している、振動構造ジャイロスコープ。

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