JP7207441B2 - Ｍｅｍｓジャイロスコープ感度補償 - Google Patents

Description

本発明は、微小電気機械（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープに関連する方法および装置に関する。より詳細には、本発明は、ＭＥＭＳジャイロスコープの感度の低速の変化を補償することに関する。

運動は、３つの直交方向の並進および３つの直交する軸を中心とした回転の、６つの自由度を有すると考えることができる。後者の３つは、ジャイロスコープとしても知られる角速度センサによって測定することができる。ＭＥＭＳジャイロスコープは、コリオリ効果を使用して角速度を測定する。質量が一方向に移動しており、回転角運動速度が加えられると、質量はコリオリの力の結果として直交方向の力を受ける。コリオリの力によって引き起こされる結果的な物理的変位を、その後、例えば容量的、圧電的またはピエゾ抵抗的な検知構造から読み取ることができる。

ＭＥＭＳジャイロスコープでは、適切なベアリングの欠如に起因して、従来のジャイロスコープのように、一次運動は通常、連続的な回転ではない。代わりに、機械的振動を一次運動として使用することができる。振動ジャイロスコープが角運動を受けると、波状のコリオリの力が生じる。これは、一次運動に、および角運動の軸に直交する、一次振動の周波数における二次振動運動を生成する。この結合された二次振動運動の振幅は、角運動の測度として使用することができる。

ＭＥＭＳジャイロスコープは、特に自動車産業において多くの重要なシステムに使用されており、したがって、ＭＥＭＳジャイロスコープの重要な内部変動に関する情報を提供する内蔵機能診断が不可欠である。ＭＥＭＳジャイロスコープ内で発生するエラーを検出するための良好な能力を提供する既知の診断方法は、連続自己診断である。

例えば、ナビゲーションアプリケーション、特にセルフナビゲーションアプリケーションは、車両の動きに関する情報を提供するジャイロスコープからの非常に高い精度を必要とする。そのような高精度用途に使用されるＭＥＭＳジャイロスコープデバイスは、正確度を保証するために製造後に個別にトリミングされる必要があることが多い。トリミングは、例えば一般的な製造プロセスの不正確さによって引き起こされる個々のユニット間の変動を相殺することを可能にする。しかしながら、デバイスにおいてその寿命中に発生する小さな変化でさえも、許容できない検出正確度の低下を引き起こす可能性がある。高度な振動ジャイロスコープのラインは、振動センス運動が性能を高めるためにフィードバック制御される閉ループシステムを適用する。

図１は、平行平板コンデンサが駆動素子および検出素子として使用される典型的な断面ＭＥＭＳジャイロスコープ構造を示す。図面の測定値は原寸に比例せず、視覚化を容易にするために調整されている。平行平板コンデンサが、ロータ（１２０）と電極（１３０）との間に設けられ、両方ともトランスデューサ（図示せず）に電気的に結合される（図示せず）。検出機能のために、トランスデューサは、検出された静電容量を電気信号に変換する。この例では、ＭＥＭＳジャイロスコープは、ロータ（１２０）の垂直振動運動がそれぞれの駆動またはセンストランスデューサコンデンサの垂直間隙（ｘ）を変調するように、ロータ（１２０）の面外運動を利用するように設計され、垂直間隙（ｘ）は、ロータ（１２０）と電極（１３０）との間に形成される。トランスデューサは、間隙（ｘ）に影響を及ぼす任意の寄生効果に感受性である。

ここで、平板コンデンサの静電容量は、以下の形態にある。

式中、ε_０は真空の比誘電率であり、ｘは間隙の幅であり、ロータがいかなる外力によっても励起されていないときに測定される一定の間隙ｘ_０と、運動変調間隙（ｘ＝ｘ_０－ｘ_ｍ）の両方を含み、Ａはコンデンサの面積である。他方、作動動作としても参照される駆動動作について、コンデンサを充電するために電気信号が使用され、ロータ（１２０）を運動するように駆動するために使用される静電力が生成される。コンデンサに対する静電力Ｆｃは、以下のように算出することができる。

したがって、力は、間隙（ｘ）の幅および空隙にわたる電圧（Ｖ）の両方の影響を受ける。上記の２つの式において、間隙（ｘ）は、静電容量と静電力の両方の値に影響を及ぼすことが分かる。この電圧（Ｖ）は、ＤＣ電圧部分Ｖ_ＤＣおよび変調電圧部分Ｖ_ＡＣ（Ｖ＝Ｖ_ＤＣ＋Ｖ_ＡＣ）を含むことができる。変調電圧部分Ｖ_ＡＣは、所望のＡＣ周波数で振動力を生成するために利用することができる。

閉ループジャイロスコープでは、本明細書では手短に感度としても参照される角速度感度ＲＡＴＥ_{ＳＥＮＳＩＴＩＶＩＴＹ}は、静電力Ｆｃにほぼ反比例する。

角速度センサの場合、感度は、出力信号と検出角速度との間の関係を示す。例えば、出力を電圧として提供する角速度センサの場合、角速度感度は、出力電圧の変化と検出角速度との間の関係を示し、出力をデジタル信号として提供する角速度センサの場合、角速度感度、略して感度では、例えば１秒当たりの度（ＬＳＢ／ｄｐｓ）または１時間当たりの度（ＬＳＢ／ｄｐｈなど、ある時間期間における回転度当たりの最下位ビット（ＬＳＢ）として表すことができる。これに関連して、最下位ビット（ＬＳＢ）という用語は、信号がデジタル形式で表されている場合の信号変化の可能な最小量を指す。実際には、間隙の幅のナノメートルスケールほどの小ささの不安定性または電圧Ｖのミリボルトレベルの誤差が、ジャイロスコープの感度に過度のシフトを引き起こす可能性がある。このため、感度補償機構が必要とされる。

［先行技術の説明］
特許文献１は、２つの弁別可能な基本周波数を含む自己診断信号がＭＥＭＳジャイロスコープの二次ループに供給される、ＭＥＭＳジャイロスコープの連続自己診断方法を開示している。

特許文献２は、振動一次運動の信号から少なくとも１つの試験入力信号が生成される振動ジャイロスコープにおける連続自己診断を開示している。

フィンランド国特許発明第２０１９５５３７号明細書 米国特許第９８４６０３７号明細書

目的は、ＭＥＭＳジャイロスコープ感度の変化を補償するという課題を解決するための方法および装置を提供することである。感度という用語は、ここでは角速度感度を指す。

本発明の目的は、請求項１に記載の方法によって達成される。本発明の目的は、請求項８に記載のＭＥＭＳジャイロスコープによってさらに達成される。

本発明の好ましい実施形態が、従属請求項に開示されている。

第１の態様によれば、ＭＥＭＳジャイロスコープの感度のドリフトを補償するための方法が提供される。この方法は、生レート信号を生成するために同相搬送波信号によって角速度信号を復調することを含み、角速度信号は、少なくとも１つの試験周波数を含む試験信号成分を含み、少なくとも１つの試験周波数は、ＭＥＭＳジャイロスコープの公称周波数から逸脱する。本方法はまた、角速度信号を処理することによって、または生レート信号をさらに処理することによって生ＤＣ試験信号を取得することと、生試験信号を取得するためにＤＣ試験信号をローパスフィルタリングすることとを含む。方法は、試験信号正規化値からの生試験信号のサンプルの偏差を表すオフセットゼロ化試験信号を生成するために、生試験信号の各サンプルを試験信号正規化値と比較することによって生試験信号のオフセットをゼロ化することと、オフセットゼロ化試験信号および所定の利得係数に基づいて感度補償乗数を決定することと、感度補償レート信号を提供するために生レート信号を感度補償乗数と乗算することによって感度のドリフトを補償することとをさらに含む。

第２の態様によれば、感度補償乗数は、以下の式によって定義される。

または、以下の等価方程式によって定義される。

式中、Ｖ_{ＴＥＳＴ＿ＣＯＭＰ}は試験信号正規化値であり、Ｖ_ＴＥＳＴ（ｉ）は生試験信号の現在のサンプルであり、

または（Ｖ_{ＴＥＳＴ＿ＣＯＭＰ}－Ｖ_ＴＥＳＴ（ｉ））はそれぞれのオフセットゼロ化試験信号であり、Ｋ０は所定の利得係数である。第３の態様によれば、本方法は、感度補償乗数を決定する前にオフセットゼロ化試験信号をローパスフィルタリングすることを含む。

第４の態様によれば、本方法は、オフセットゼロ化試験信号の各サンプルをオフセット閾値と比較することと、オフセットがオフセット閾値以上である場合にサンプルを廃棄すること、またはオフセットがオフセット閾値未満である場合にサンプルを先入れ先出しキューに追加することと、先入れ先出しキュー内のサンプルをオフセットゼロ化試験信号として使用することとを含む。

第５の態様によれば、上記生レート信号をさらに処理することは、ＤＣ試験信号を生成するために生レート信号を試験搬送波信号と乗算することを含む。

第６の態様によれば、上記角速度信号を処理することは、試験信号成分が少なくとも２つの試験周波数を含む振幅変調試験信号を含む場合、ａ）直交位相搬送波信号を使用して角速度信号を復調するステップと、ｂ）ＤＣ試験信号を取得するために復調角速度信号を試験信号搬送波信号と乗算するステップとを実行すること、または、試験信号成分が単一の試験周波数を含む場合、ｂ）ＤＣ試験信号を取得するために角速度信号を試験信号搬送波信号と乗算するステップを実施することを含む。

第７の態様によれば、方法は、ＭＥＭＳジャイロスコープ内の少なくとも１つの試験周波数の位相シフトの影響を緩和するために直交位相搬送波信号を位相トリミングすることと、ステップａ）において復調のために位相トリミングされた直交位相搬送波信号を使用することとをさらに含む。

第８の態様によれば、方法は、直交制御信号を生成するために直交位相搬送波信号を使用して角速度信号を復調することをさらに含む。

第９の態様によれば、方法は、連続感度補償レート信号を生成するために感度補償レート信号をローパスフィルタリングすることをさらに含む。

第１の装置態様によれば、ＭＥＭＳジャイロスコープ自体の感度のドリフトを補償するように構成されている回路を備えるＭＥＭＳジャイロスコープが提供される。ＭＥＭＳジャイロスコープの回路は、生レート信号を生成するために同相搬送波信号によって角速度信号を復調するように構成されている第１の復調器を備え、角速度信号は、少なくとも１つの試験周波数を含む試験信号成分を含み、少なくとも１つの試験周波数は、ＭＥＭＳジャイロスコープの公称周波数から逸脱する。回路は、ＤＣ試験信号を取得するために角速度信号を処理するか、または生レート信号をさらに処理するように構成されている回路と、生試験信号を取得するためにＤＣ試験信号をフィルタリングするように構成されている第１のローパスフィルタと、試験信号正規化値からの生試験信号のサンプルの偏差を表すオフセットゼロ化試験信号を生成するために、生試験信号の各サンプルを試験信号正規化値と比較することによって、生試験信号のオフセットをゼロ化するように構成されているオフセットゼロ化回路とをさらに備える。回路は、オフセットゼロ化試験信号および所定の利得係数に基づいて感度補償乗数を決定し、感度補償レート信号を提供するために生レート信号を感度補償乗数と乗算するように構成されている感度補償回路をさらに備える。

第２の装置態様によれば、感度補償乗数は、以下の式によって定義される。

または、以下の等価方程式によって定義される。

式中、Ｖ_{ＴＥＳＴ＿ＣＯＭＰ}は試験信号正規化値であり、Ｖ_ＴＥＳＴ（ｉ）は生試験信号の現在のサンプルであり、

または（Ｖ_{ＴＥＳＴ＿ＣＯＭＰ}－Ｖ_ＴＥＳＴ（ｉ））はそれぞれのオフセットゼロ化試験信号であり、Ｋ０は所定の利得係数である。第３の態様によれば、本方法は、感度補償乗数を決定する前にオフセットゼロ化試験信号をローパスフィルタリングすることを含む。

第３の装置態様によれば、ＭＥＭＳジャイロスコープは、感度補償乗数を決定する前にオフセットゼロ化試験信号をローパスフィルタリングするように構成されている第２のローパスフィルタを備える。

第４の装置態様によれば、ＭＥＭＳジャイロスコープは、オフセットゼロ化試験信号の各サンプルをオフセット閾値と比較し、オフセットがオフセット閾値以上である場合にサンプルを廃棄し、またはオフセットがオフセット閾値未満である場合にサンプルを先入れ先出しキューに追加するように構成されているＩＦ＆ＦＩＦＯ回路をさらに備える。先入れ先出しキュー内のサンプルは、オフセットゼロ化試験信号として使用されるように構成されている。

第５の装置態様によれば、生試験信号を取得するために生レート信号を処理するように構成されている上記回路は、ＤＣ試験信号を生成するために生レート信号を試験搬送波信号と乗算するように構成されている第１の乗算器を備える。

第６の装置態様によれば、試験信号成分が少なくとも２つの試験周波数を含む振幅変調試験信号を含む場合、生試験信号を取得するために角速度信号を処理するように構成されている上記回路は、直交位相搬送波信号を使用して角速度信号を復調するように構成されている第２の復調器と、ＤＣ試験信号を取得するために復調角速度信号を試験信号搬送波信号と乗算するように構成されている第１の乗算器とを備え、または、試験信号成分が単一の試験周波数を含む場合、生試験信号を取得するために角速度信号を処理するように構成されている上記回路は、ＤＣ試験信号を取得するために角速度信号を試験信号搬送波信号と乗算するように構成されている第１の乗算器を備える。

第７の装置態様によれば、ＭＥＭＳジャイロスコープは、ＭＥＭＳジャイロスコープ内の少なくとも１つの試験周波数の位相シフトの影響を緩和するために直交位相搬送波信号を位相トリミングし、位相トリミングされた直交位相搬送波信号を第２の復調器に提供するように構成されている位相トリミング回路をさらに備える。

第８の装置態様によれば、ＭＥＭＳジャイロスコープは、直交制御信号を生成するために直交位相搬送波信号を使用して角速度信号を復調するように構成されている第３の復調器をさらに備える。

第９の装置態様によれば、ＭＥＭＳジャイロスコープは、連続感度補償レート信号を生成するために感度補償レート信号をローパスフィルタリングするように構成されている第３のローパスフィルタをさらに備える。

本発明は、ジャイロスコープの閉ループ小信号利得および／または位相の周波数依存性と角速度感度との間の相関関係の発見に基づいている。同様の相関は、開ループジャイロスコープの小信号利得および／または位相においても見出される。したがって、本発明は、試験信号の利得および／または位相シフトの変化の検出を有効にする試験信号を使用し、温度変動、ならびに、例えば、ＭＥＭＳジャイロスコープがはんだ付けされるＰＣＢを介して広がる応力効果など、湿度変動、最高温度への長時間の曝露、および／またはＭＥＭＳジャイロスコープが使用される環境の不安定性に起因する、デバイス寿命に関連する比較的低速に作用するメカニズムのうちの少なくとも１つによって引き起こされる感度変動を補償することを有効にする利得係数を決定するために、この試験信号を使用することによって実施される。角速度感度のこのような低速の変化は、角速度感度ドリフト、または略して感度ドリフトと称される場合がある。試験信号（複数可）の周波数は、好ましくは、試験信号（複数可）の変化が可能な限り強くなるように選択される。

本発明は、角速度測定の精度を向上させるという利点を有する。この改善は、長期誤差メカニズムによる角速度センサ正確度のドリフトを改善するために特に有用である。

以下において、添付の図面を参照しながら、好ましい実施形態に関連して、本発明をより詳細に説明する。

平行平板コンデンサを有する典型的なＭＥＭＳジャイロスコープ構造の断面図である。 閉ループジャイロスコープの小信号モデルを示す図である。 出力電圧信号および内部試験信号の感度に対するフロントエンド小信号利得の効果を示すグラフである。 総閉ループ利得の変動を検出するために２つの異なる試験トーンを試験信号に配置する例を示す図である。 開ループローパスＭＥＭＳジャイロスコープの一次周波数と二次周波数との間のわずかな変動の影響を示す図である。 試験信号に基づく総閉ループ利得の温度変化の影響の補償の例を示す図である。 ＭＥＭＳ素子の不安定なバイアス環境の補償効果の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態による回路を示す図である。 ＩＦ＆ＦＩＦＯ回路の動作を説明するフローチャートである。 本発明の第２の実施形態による回路を示す図である。 本発明の第３の実施形態による回路を示す図である。

図２は、サーボジャイロスコープとしても知られる閉ループジャイロスコープの単純化された小信号モデルを示す。

フロントエンド小信号利得Ｇ_ＦＥは、二次信号経路としても知られる検出信号経路、言い換えれば、機械的検出素子から得られる電気信号を提供する信号経路の利得に寄与するすべての要素を含む。出力電圧を提供する容量性ジャイロスコープでは、これらは力－容量利得および容量－電圧利得を含む。閉ループジャイロスコープは、フィードバック信号経路を備える。フィードバック小信号利得Ｇ_ＦＦは、電圧から力領域に戻る感度に影響を与えるすべての項を含む。この典型的なシステムでは、これらの項は、静電力項Ｆｃ、またはより正確には、ＡＣ電圧から静電力Ｆｃへのトランスデューサ利得の線形化バージョンを含む。Ｆ_ＣＯＲはコリオリ力信号を表し、コリオリの力は、ジャイロスコープが受ける検出軸を中心とした外部角回転速度に起因し、Ｖ_ＴＥＳＴは内部試験信号を表し、Ｖ_ＯＵＴは、例えば検出角速度に対応する電圧、試験信号電圧および／または直交電圧など、センスループから受信される任意の出力電圧信号を表す。

線形化された総小信号ループ利得Ｇ_ＦＦ＊Ｇ_ＦＥ＞＞１を仮定すると、利得の小信号閉ループ式は以下のように書くことができる。

また、以下のように書くことができる。

上記の２つの式は、ジャイロスコープの動作を理解するために重要な意味を有する。フィードバック小信号利得Ｇ_ＦＦは、コリオリ力信号Ｆ_ＣＯＲから出力電圧信号Ｖ_ＯＵＴへの小信号利得を決定する。したがって、フィードバック小信号利得Ｇ_ＦＦの任意の不正確さおよび／または不安定性も、出力電圧信号Ｖ_ＯＵＴのそれぞれの不正確さ、したがってレート感度に伝達される。第２の式はまた、内部試験信号の周波数における高い総ループ利得のため、フィードバック小信号利得Ｇ_ＦＦの大きさを測定するためにＶ_ＴＥＳＴを使用することができないことを示す。

線形化された総小信号ループ利得Ｇ_ＦＦ＊Ｇ_ＦＥ≒１の場合、近似はより複雑になり、利得の周波数依存性を考慮する必要がある。

図３は、出力電圧信号Ｖ_ＯＵＴおよび内部試験信号Ｖ_ＴＥＳＴの感度に対するフロントエンド小信号利得Ｇ_ＦＥの効果を示すグラフを示す。公称周波数ｆ_０では、線形化された総閉ループ利得

である。この非限定的な例では、公称周波数ｆ_０は約１６ｋＨｚである。実証目的のために、フロントエンド小信号利得Ｇ_ＦＥを意図的に４つの異なる値に変更し、得られた周波数依存性総閉ループ小信号利得曲線（３００）をプロットした。公称周波数ｆ_０において単位利得に変化がないことが明らかになる。しかしながら、公称周波数ｆ_０の両側には、総閉ループ利得内の２つの明確な利得ピークがあり、ピークの利得および位置は、周波数およびフロントエンド小信号利得Ｇ_ＦＥに依存する。したがって、公称周波数ｆ_０から逸脱した周波数を有する試験信号は、ループ利得の変化に関する情報を提供することになる。

閉ループジャイロスコープに適用される場合、本発明は、ジャイロスコープ感度の変化の補償を有効にするために、図３に示す総閉ループ利得の周波数依存性を利用する。

閉ループジャイロスコープの場合、そのような補償を有効にするために、フロントエンド小信号利得Ｇ_ＦＥおよびフィードバック小信号利得Ｇ_ＦＦの両方が同じ支配的な利得変動源を有することが重要である。当該要件は、例えば、同様のトランスデューサがセンス素子の力フィードバック作動とセンス検出の両方に使用され、かつ／または同じバイアスがセンス検出とフィードバック作動の両方に使用される場合に自動的に満たされる。しかしながら、開ループジャイロスコープはフィードバックを一切含まないが、利得または位相の周波数依存性と角速度感度との間に同様の相関がある。

公称周波数ｆ_０から外れている適切に選択された単一の試験周波数は、感度ドリフト、言い換えれば、連続するレート信号サンプル間で大きく変化しないが、感度の漸進的変化または低速に進行する変化の傾向として現れる感度の変化を検出することを有効にするのに十分である。総閉ループ利得の周波数依存性を利用する１つの方法は、相互に異なる周波数を有する少なくとも２つの異なる試験信号、単一の試験トーンを搬送する単一の試験信号、したがって２つの異なる試験周波数、または２つの異なる試験トーンを搬送する単一の試験信号を使用することであり、したがって４つの異なる試験周波数を含む。適切な試験信号の例は、特許文献１に開示されており、試験信号は、弁別可能な基本周波数を有する少なくとも２つの異なる試験トーンを搬送する試験クロック信号である。

図４は、総閉ループ利得の変動を検出するために２つの異なる試験トーンを試験信号Ｖ_ＴＥＳＴに配置する例を示している。当該例における試験信号Ｖ_ＴＥＳＴは、搬送波信号を２つの試験トーンと乗算（変調）することによって得られる。２つの試験トーンが使用される場合、該トーンは相互に異なる基本周波数を有するように選択されることが好ましい。当該例では、２つの試験トーンは、ｆ_{ｔｅｓｔ１}＝１．６ｋＨｚおよびｆ_{ｔｅｓｔ２}＝２ｋＨｚである。しかしながら、単一の試験トーンのみが、総閉ループ利得の変動の検出を有効にするために必要とされる。試験トーン（複数可）は、実施が容易であるように選択されるべきであり、試験トーン（複数可）は、角速度信号周波数ではなく、二次ループの伝達関数の周波数範囲内に存在するべきである。１つまたは複数の試験トーンの周波数の選択は、所与の例に限定されず、実施態様に応じて、特に特定のジャイロスコープ実施態様の周波数にわたる総閉ループ利得関数の形状に基づいて、任意の適切な１つまたは複数の試験トーンを選択することができる。

公称周波数ｆ_０＝１６ｋＨｚを有する駆動信号Ｖ_{ＤＲＩＶＥ}が試験搬送波として使用され、２つの試験トーンによって変調されるとき、上記の結果として、Ｖ_ＴＥＳＴ＝Ｖ_ＭＯＤ＊Ｖ_{ＤＲＩＶＥ}の形式の試験信号がもたらされ、Ｖ_{ＤＲＩＶＥ}は試験搬送波成分であり、Ｖ_ＭＯＤは搬送波変調周波数を搬送する信号であり、言い換えれば、試験トーンとしても知られる試験周波数信号である。得られた試験信号Ｖ_ＴＥＳＴには、図４に示すように、４つの試験周波数成分、すなわちｆ_０±ｆ_{ｔｅｓｔ１}およびｆ_０±ｆ_{ｔｅｓｔ２}が存在する。図４に示す試験トーン配置は、以下の例で利用される。単一の試験トーンのみ、すなわち試験周波数ｆ_{ｔｅｓｔ１}およびｆ_{ｔｅｓｔ２}のいずれかが使用された場合、変調信号において２つの周波数成分、すなわちｆ_０±ｆ_{ｔｅｓｔ１}またはｆ_０±ｆ_{ｔｅｓｔ２}を検出することができる。

上記の例では特定の周波数が使用されているが、試験搬送波と試験搬送波を変調するために使用される１つまたは複数の試験トーンの両方の実際の周波数は、特定のジャイロスコープデバイスおよびデバイスの特性に応じた設計上の選択事項である。

図５は、本質的に一次周波数と二次周波数との間のわずかな変動を引き起こす、開ループローパスＭＥＭＳジャイロスコープの電極間の間隙のわずかな変動の影響を示す。間隙の変動は、実質的に電気ばねの変化を引き起こし、結果として公称周波数を変化させる。典型的なジャイロスコープの一次共振周波数（ｆ_ＰＲＩＭ）は、１６ｋＨｚである。開ループジャイロスコープでは、典型的には、一次共振器の一次共振周波数（ｆ_ＰＲＩＭ）と二次共振器の二次共振周波数（ｆ_ＳＥＣ）との間に明確な周波数差が設計される。この例では、二次共振周波数は２０ｋＨｚである。したがって、一次共振周波数と二次共振周波数との間には４ｋＨｚの周波数差がある。周波数差の変動は、開ループローパスＭＥＭＳジャイロスコープの共振利得の変動を引き起こす。図５には、３つの異なる二次共振周波数ｆ_ＳＥＣ、ｆ_ＳＥＣ＋Δｆおよびｆ_ＳＥＣ－Δｆにおける開ループジャイロスコープの共振利得を表す３つの曲線がプロットされている。当該例では、ｆ_ＳＥＣ＝２０ｋＨｚ、Δｆ＝２００Ｈｚであり、これは、例えば経年劣化によって経時的に生じる二次共振周波数ｆ_ＳＥＣの１％の変化に対応する。当該例では、一次共振周波数ｆ_ＰＲＩＭ＝１６ｋＨｚが、単一の１ｋＨｚ試験トーンｆ_ｔｅｓｔによって変調された試験搬送波信号ｆ_{ｃａｒｒｉｅｒ}として使用され、結果として、試験信号に２つの試験周波数、すなわちｆ_{ｃａｒｒｉｅｒ}－ｆ_ｔｅｓｔ＝１５ｋＨｚおよびｆ_{ｃａｒｒｉｅｒ}＋ｆ_ｔｅｓｔ＝１７ｋＨｚが現れる。これらの試験周波数の両方または１つのみを使用して、共振利得の変化を検出することができる。代替の実施形態では、試験搬送波信号を試験トーンによって変調することなく、単一の試験周波数を試験信号として使用することができる。例えば、１７ｋＨｚの周波数を有する正弦波試験信号を使用することができる。

図６は、試験信号に基づく総閉ループ利得の温度変化の影響の補償の例を示す。図示の例で使用される試験信号は、第１の試験トーンｆ_{ｔｅｓｔ１}による搬送波の変調に基づく。対応するグラフが、第２の試験トーンｆ_{ｔｅｓｔ２}について生成され得るが、説明を簡潔に維持するために省略される。

視覚化の目的で、結果は選択された点に対して正規化される。当該例では、試験信号Ｖ_ＴＥＳＴ（ＲＴ）は、室温ＲＴにおける当該信号の値に対して正規化される。正規化試験信号Ｖ_{ＴＥＳＴ＿ＳＨＩＦＴ}は、以下の関数によって表すことができる。

式中、Ｖ_ＴＥＳＴ（ＲＴ）は基準値（正規化値）であり、Ｖ_ＴＥＳＴ（ｉ）は受信測定信号を表す。さらに、補償角速度信号は、補償角速度値ＳＥＮＳ_ＣＯＭＰの温度に対する二乗平均平方根誤差が最小化されるように、利得係数Ｋ０を求めることによって計算される。結果として得られる角速度補償関数は、以下のとおりである。

これは、以下のように表すこともできる。

図６に示すグラフは、同じジャイロスコープ製品の２０個の異なるユニットに対して行われた試験を示しており、各デバイスは、－４０℃、＋２５℃および＋１１０℃の点における、－４０℃～＋１１０℃の範囲内の選択された試験温度に温度を変更された。上側のグラフは、各個々のデバイスについて計算された利得係数Ｋ０の値を示している。Ｋ０の適合はプロセスの開始時に１回だけ行われ、ストレス試験は各デバイスについて繰り返されたが、複数の個々のデバイスのすべての利得係数Ｋ０が約３０％の変動ウィンドウ内に収まるため、利得係数Ｋ０の計算は適度に反復可能であることが分かる。

下のグラフは、実際の角速度を一定に保持しながら、室温ＲＴ＝２５℃での値に対して正規化されている、結果として得られる角速度検出結果を示す。正規化測定結果の第１のクラスタ（５０１）は、利得補償なしのジャイロスコープの出力に示される検出角速度を表し、これは、得られた角速度読み値の明確な温度依存性を示す。正規化測定結果の第２のクラスタ（５０２）は、計算された利得係数Ｋ０を有する角速度補償関数（１）または（２）を使用した利得補償を伴う検出レートを表す。検出角速度読み値の温度依存性は明らかに低減され、したがって、角速度検出の正確度は補償によって改善される。室温ＲＴに代えて、任意の基準温度Ｔ０を基準条件として選択してもよい。

図７は、ＭＥＭＳ素子の不安定なバイアス環境の補償効果の例を示す。ＤＣ検出が利用される場合、バイアスは、容量－電流トランスデューサ利得を介してジャイロスコープに影響を及ぼす。静電力がフィードバックに使用される場合、バイアスはフィードバックトランスデューサにも影響を及ぼす。そのような場合、フィードバックコンデンサ間隙にわたるバイアス電圧は、ＤＣバイアスＶ_ＤＣおよびＡＣフィードバック信号Ｖ_ＡＣを含む。さらに、バイアスは、共振利得、言い換えれば、電気ばね効果を介して共振周波数における総閉ループ利得に影響を及ぼし得る。各被試験ジャイロスコープデバイスは、２２０分間のストレス試験期間にわたる同じ感度測定シーケンスならびにバイアス電圧および温度の事前に計画された変動パターンに供され、その間、各デバイスを試験するために同じ角速度が使用された。

図７の下のグラフは、２０個の被試験ユニットの中の各ユニットについて計算された利得係数Ｋ０の値を示す。この例では、利得係数Ｋ０の最大変動は、すべての被試験ユニット間で２０％のレベルにあり、これもまた、利得係数Ｋ０を使用する適合プロセスが十分に再現可能であることを示す。

図７の上側のグラフにおいて、温度正規化項

は、初期測定結果

、言い換えれば、時点０分に受信された測定結果を表す正規化項によって置き換えられる。したがって、上側のグラフは、ＤＣバイアス電圧Ｖ_ＤＣの変化の同じ予めプログラムされた変動パターンを各ジャイロスコープユニットに施しながら、最初に測定された値に対して正規化された角速度検出結果を示している。図７の上側のグラフは、正規化角速度測定結果の２つの明確に弁別可能なクラスタを再び示している。より広いクラスタ（６０１）は、感度補償なしの２０個の異なるユニットによる正規化された角速度測定結果を表す。より小さいクラスタ（６０２）は、それぞれの計算された利得係数Ｋ０を使用する感度補償を使用した正規化角速度測定結果を表し、１０倍を超える、角速度測定結果のバイアス非依存性の明らかな改善が達成される。

さらに、補償角速度信号は、補償角速度値ＳＥＮＳ_ＣＯＭＰの試験時間期間にわたる二乗平均平方根誤差が最小化されるように、利得係数Ｋ０を求めることによって計算される。この例において、結果として得られる角速度補償関数は、以下のとおりである。

またはその等価物は以下のとおりである。

感度ドリフトと試験信号ドリフトとの間の有意な相関の上記の発見は、少なくとも１つの試験トーン、または連続的な自己試験のための弁別可能な基本周波数を有する少なくとも２つの試験トーンをすでに適用するシステムにおいて、本発明による実施形態において有利に利用される。他の自己診断目的に適した試験トーンがシステム内ですでに利用可能である場合、利得係数Ｋ０を見つけることが必要であり、それを実装することはかなり容易であり、新たな試験信号は必要とされない。所望の周波数を有する単一の試験トーンを生成することも容易である。

温度補償がシステムに組み込まれる場合、試験信号はまた好ましくは温度補償される。反復可能な温度効果を補償することは絶対に必要ではないが、全体的な補償スキームを単純化するために行うことができる。より重要なことは、ＭＥＭＳジャイロスコープのトリミング中に存在しない影響を補償することである。トリミングとは、本明細書においては、ジャイロスコープデバイスユニットの製造後に行われるステップを指し、これは、製造後にジャイロスコープデバイスユニットを較正するためにしばしば必要である。トリミングの必要性は、小型ＭＥＭＳデバイスの製造プロセスが一般に、デバイスの物理的特性に影響を及ぼすいくつかの不正確さの原因を含むという事実から生じる。

感度ドリフトの補償の必要性が高まる影響は、例えば、アセンブリ関連の応力変化および他の寿命性能ドリフト源、例えば湿度効果、水分または不純物による漏れ効果、材料の経年劣化、はんだ付け、貯蔵効果、バイアス依存性ならびに／またはイオン移動を含む。利得係数Ｋ０は温度に大きく依存しないため、例えば温度に依存しないものなど、単一の利得係数Ｋ０値を使用すれば十分であり得る。試験は、８５℃から７５℃への典型的な温度シフトでは、利得係数Ｋ０のシフトはわずか約２％であることを示した。

実際には、試験信号を処理するための好ましいステップは、以下のとおりである。１．潜在的にある温度範囲にわたって、所定の基準値に対する試験信号値の任意のオフセットをゼロ化し、２．第１の式で示されたように重み付き利得係数Ｋ０を使用して感度ドリフトを補償する。試験信号生オフセットに大きな温度依存性がある場合、係数Ｋ０に過熱補償および正規化を含めることが実現可能であり得る。

まず、実施形態を説明するために使用される典型的なデバイスの基本機能の全体像を提供するために示されているに過ぎないＭＥＭＳジャイロスコープの部分を紹介する。これらの部分はすべて、図７、図９、および図１０に示される、後に開示される実施形態に共通である。

ＭＥＭＳジャイロスコープセンサ素子（７００）は、駆動部（７０１）およびセンス部（７１１）を備える。駆動部（７０１）は、少なくとも１つの電気制御駆動トランスデューサによって一次運動をするように駆動される少なくとも１つの一次振動素子を備え、これによって、少なくとも１つの一次素子を振動一次運動をするように駆動する力が発生する。駆動部（７０１）に含まれるフロントエンド回路は、少なくとも１つの一次振動素子の一次運動を、駆動ループ回路（７０２）への入力として提供される、駆動検出信号（７１）または一次検出信号（７１）と称される電気信号に変換するトランスデューサ素子を備える。この例では、一次運動の振幅および／または周波数は、駆動ループ回路（７０２）を備えるフィードバックループによって制御される。フィードバックループは、駆動部（７０１）に含まれるバックエンド回路によって駆動部（７０１）に向けて提供されるフィードバック信号（７３）によって駆動運動を制御し、バックエンド回路は駆動トランスデューサを含む。駆動部（７０１）、駆動ループ回路（７０２）、およびそれらの相互接続を含む閉ループは、駆動ループとして参照される場合がある。駆動ループ回路（７０２）は、試験信号（７５）を提供するように構成される。好ましくは、単一の試験周波数の場合、試験信号位相および周波数は、角速度信号（７６）が試験信号成分の復調ＤＣ値を変化させないように選択される。試験信号（７５）自体が、一次周波数において１つまたは複数の基本周波数試験トーンＶ_ＴＯＮＥを乗算した試験搬送波部分Ｖ_{ＰＲＩＭＡＲＹ}を含む乗算ＡＭ変調信号Ｖ_ＴＥＳＴ＝Ｖ_{ＰＲＩＭＡＲＹ}＊Ｖ_ＴＯＮＥである場合、搬送波部分は、位相および周波数が駆動運動と同期している。試験搬送波部分の位相は、一次振動素子の一次運動の位置または速度のいずれかと同期させることができる。搬送波信号が一次運動の位置と同相になるように選択され、二次ループが小さい位相変化のみを生成する場合、試験信号は角速度信号に対して本質的に直交位相のままであり、したがって、直交復調信号（９０Ｑ）に追加の位相トリミングが提供されなくても、外部ノイズを受ける可能性は低い。

ＭＥＭＳジャイロスコープセンサ素子（７００）は、検出素子または二次素子としても知られるセンス素子として称される少なくとも１つの機械的素子を備えるセンス部（７１１）をさらに備える。センス素子は、ＭＥＭＳジャイロスコープが角速度を受けるときにコリオリ力によって二次振動運動をするように結合されるように構成される。センス部（７１１）のフロントエンド回路は、少なくとも１つのセンス素子の二次振動運動を、センスループ回路（７１２）への入力として提供される、センス検出信号（７２）または二次検出信号（７２）と称される電気信号に変換する少なくとも１つのトランスデューサ素子を備える。センス部（７１１）、センスループ回路（７１２）、可能なさらなる回路、例えば増幅器および／または減衰器（７２０、７３０）は、二次ループとしても知られる、センスループと称される閉ループを共に形成する。

センスループの加算素子（７４０）は、センス部（７１１）に含まれるバックエンド回路を用いてセンス部（７１１）に向けて提供される力フィードバック信号（７４）を生成するために、増幅レート検出信号を試験信号（７５）と加算するように構成されてもよい。バックエンド回路は、力フィードバック信号（７４）を、センス素子の振動を調整するために使用される力に変換するフィードバックトランスデューサを備える。センスループは、検出角速度を表す角速度信号（７６）を提供する。次いで、角速度信号（７６）は、同相搬送波信号、言い換えれば駆動運動と同相の搬送波信号を使用してレート復調器（７５０）によって復調される。この復調は、未補償バージョンの角速度検出結果である生レート信号（７８）を生成する。

試験信号（７５）は、力フィードバック信号（７４）に加算されてセンス部に供給される。言い換えれば、試験信号（７５）は力フィードバック信号（７４）内の成分信号であり、角速度信号（７６）は、角速度と、試験信号（７５）に対するセンスループ（７１１、７１２、７２０）の効果の両方に関する情報を含む。角速度信号（７６）はまた、試験信号（７５）の生成に関与する駆動ループ回路（７０２）の部分に関する情報をも含む。

図８は、本発明の第１の実施形態を示している。

試験信号分析の目的のために、生レート信号（７８）は、乗算器（７６０）によって試験搬送波信号（８０）と乗算されて、ＤＣ試験信号（８１）を生成する。単一の試験周波数が試験信号として使用される場合、試験搬送波信号（８０）は、試験トーン自体の周波数、または試験周波数に対応する。好ましくは、試験搬送波信号（８０）の位相は、ＤＣ試験信号の大きさが最大化されるように選択される。したがって、ＤＣ試験信号（８１）という名称は、二次ループから受信される完全に復調された試験信号を指すが、ＤＣ電圧として理解されるべきではない。むしろ、ＤＣ試験信号（８１）は、乗算演算の基本項として特徴付けることができる。二次ループにおけるループ利得および／または位相に元の較正値からの偏差がない場合、ＤＣ試験信号（８１）はＤＣ電圧である。任意の感度および／または位相ドリフトがある場合、ＤＣ試験信号（８１）の大きさは変化し、変化率は発生する感度および／または位相ドリフトの変化率と同等である。第１のローパスフィルタ（７７０）は、ＤＣ試験信号（８１）の信号帯域を例えば５０Ｈｚに制限して、より高い周波数を有するスプリアス信号成分を除去する。この第１のローパスフィルタリングは、試験信号内の試験トーン（複数可）の任意の高調波成分を除去し、試験信号データのすべてのサンプルを含む生試験信号Ｖ_ＴＥＳＴ（ａｌｌ）（８２）が残る。

生試験信号（８２）の任意のオフセットが、既知の条件において取得された基準値を使用して試験信号オフセットゼロ化回路（７７５）によってゼロ化されて、オフセットゼロ化試験信号（８３）を取得する。基準値は、ＭＥＭＳジャイロスコープ要素の較正中のＭＥＭＳジャイロスコープ要素について、ＭＥＭＳジャイロスコープ要素をＭＥＭＳモジュールにパッケージングした後のＭＥＭＳモジュールについて、プリント回路基板（ＰＣＢ）上に設置した後のＭＥＭＳモジュールについて、またはさらには最終用途に設置されたＭＥＭＳデバイスについて取得され得る。上記のすべての状況において、基準値は、設定温度、例えば室温（ＲＴ）において、またはある温度範囲にわたって取得され得る。

したがって、試験信号オフセットゼロ化回路（７７５）の動作は、以下の式のいずれかにおける括弧内の項に実質的に対応する。

言い換えれば、試験信号オフセットゼロ化回路（７７５）は、試験信号正規化値（Ｖ_{ＴＥＳＴ＿ＣＯＭＰ}）からの試験信号サンプルの偏差を計算する。したがって、試験信号正規化値（Ｖ_{ＴＥＳＴ＿ＣＯＭＰ}）は、試験信号オフセットゼロ化のためのオフセットゼロ化ＤＣ値としても使用される。利得係数Ｋ０は、正規化を含む、すなわち元の利得係数Ｋ０を試験信号正規化値（Ｖ_{ＴＥＳＴ＿ＣＯＭＰ}）で除算するように設計することもでき、その場合、ゼロ化演算を正規化する必要はない。この場合、試験信号オフセットゼロ化回路（７５５）のゼロ化動作は、単純に

として表現され、結果、感度補償式は、以下のように表現することができる。

さらに、除算の代わりに、感度補償回路（７９０）のよりハードウェア的に最適な実施態様を可能にする場合、演算は、例えばテイラー級数によって近似されてもよい。これは、試験信号正規化値Ｖ_{ＴＥＳＴ＿ＣＯＭＰ}が一定値である場合に特に実現可能である。

既知の条件は、例えば、室温または温度範囲を参照してもよい。ゼロ化演算

または

は、したがって、現在の試験信号サンプルＶ_ＴＥＳＴ（ｉ）の試験信号正規化値（Ｖ_{ＴＥＳＴ＿ＣＯＭＰ}）からの偏差を計算することに対応し、前者は容易に基準値に正規化され、後者は後の段階で正規化される。

試験信号正規化値（Ｖ_{ＴＥＳＴ＿ＣＯＭＰ}）は、ジャイロスコープ感度も測定および補償することができ、したがって試験信号の大きさの変化、さらにはジャイロ感度の変化の識別を可能にするときに測定される平均Ｖ_ＴＥＳＴ値であってもよい。試験信号正規化値（Ｖ_{ＴＥＳＴ＿ＣＯＭＰ}）は、例えば、上記で与えられている２つの可能な例のうちの１つ、すなわち、任意のプリセット温度Ｖ_ＴＥＳＴ（Ｔ０）における、および／または選択された時点Ｖ_ＴＥＳＴ（０秒）において取得される、および／または所定のバイアス電圧によって取得される基準値であってもよい。オフセットゼロ化試験信号（８３）は、信号チェーンにおいてさらに使用される。

変調試験信号（７５）が使用される場合、連続的な自己診断（図示せず）と感度補償の両方に同じ試験信号（７５）を使用することができる。後者の目的のために、図８に示すように、オフセットゼロ化試験信号（８３）は、「ＩＦおよび先入れ先出し」（ＩＦ＆ＦＩＦＯ）回路（７８０）にさらに供給されてもよく、これにより、オフセットゼロ化試験信号サンプルの大部分から著しく逸脱するオフセットゼロ化試験信号サンプルが感度補償に入ることが防止される。感度ドリフトは漸進的変化に起因することが知られているため、任意の大きく逸脱したサンプルは、感度ドリフト以外の誤差源を反映するものして安全に配置することができる。

ＩＦ＆ＦＩＦＯ回路（７８０）は、ゼロに十分に近いサンプルのみがサンプルキューに入ることを可能にする。ＩＦ＆ＦＩＦＯ回路（７８０）機能の必要性を生じさせる可能性がある実際的な理由は、試験信号周波数のうちの少なくとも１つに近い外部レート信号が存在する可能性があることであり、これにより、試験信号のＤＣレベル、ひいてはまたオフセットゼロ化試験信号（８３）が意図された目標レベルから偏向されることが誤って引き起こされることになる。ＩＦ＆ＦＩＦＯ回路（７８０）の後、受け入れられた試験信号サンプルはさらに、第２のローパスフィルタ（７８５）によって、数Ｈｚ以下程度である最終帯域幅までローパスフィルタリングされてもよい。実施態様に応じて、オフセットゼロ化試験信号（８３、８４）は、試験信号オフセットゼロ化回路（７７５）から受信されるものとして、または、生レート信号（７８）からの感度ドリフト源の影響を相殺するために利得係数Ｋ０を使用して感度補償回路（７９０）によって生レート信号（７８）を感度補償するためのさらなるローパスフィルタリング（７８５）の後に使用されてもよい。感度補償レート信号（８５）は、後処理ローパスフィルタ（７９５）によってさらにローパスフィルタリングすることができる。感度補償回路（７９０）に供給されるフィルタリングされていないオフセットゼロ化試験信号（８３）またはフィルタリングされたオフセットゼロ化試験信号（８４）のデータレートが生レート信号（７８）のデータレートよりも明確に大きくない場合、結果として得られる感度補償レート信号（８５’）が連続信号であることを保証するために、後処理ローパスフィルタ（７９５）が必要とされ得る。さらに、感度補償レート信号（８５）のノイズ帯域幅を決定するために、後処理ローパスフィルタ（７９５）を利用することができる。

感度補償回路（７９０）の機能は、感度補償乗数を定義することと、生レート信号（７８）を感度補償乗数と乗算することとを含むものとして特徴付けることができる。

感度補償乗数は、以下の式に対応するものとして定義することができる。

式中、Ｖ_{ＴＥＳＴ＿ＣＯＭＰ}は、特定のＭＥＭＳデバイスについての定義された基準値であり、Ｖ_ＴＥＳＴ（ｉ）は、受信測定信号を表し、Ｋ０は、利得係数である。代替的な実施態様では、感度補償乗数は、同じ式の代替的な形式に対応するものとして定義されてもよい。

式中、項

は、感度補償回路（７９０）によって計算することができる。これは、項

の任意の部分が変数、例えば温度またはバイアス電圧に依存する場合に特に有用である。項

はまた、メモリに記憶されてもよく、１つの

しかない場合、すなわち、いかなる変数にも依存しない値である場合、特定のＭＥＭＳデバイス専用の単一の値として感度補償乗数の計算に使用されてもよい。

図９は、到達する各試験信号サンプルを一度に処理するループを形成するＩＦ＆ＦＩＦＯ回路（７８０）の機能を示す。ステップ８０１において、試験信号サンプル「ＯＦＦ」が読み取られ、試験信号サンプルはゼロからの試験信号サンプルのオフセットを表す。ステップ８０２において、ゼロからの試験信号サンプルのオフセット値「ＯＦＦ」がオフセット閾値「ＴＨ＿ＯＦＦ」と比較される。オフセット「ＯＦＦ」がオフセット閾値「ＴＨ＿ＯＦＦ」以上である場合、このサンプルはステップ８０４において廃棄される。オフセット値「ＯＦＦ」がオフセット閾値「ＴＨ＿ＯＦＦ」を超えない場合、ステップ８０３においてサンプルが出力キューに追加される。ステップ８０５は、先入れ先出し原理を使用して、キュー内の現在の最初のサンプルを常に出力することを示す。

図１０は、本発明の第２の実施形態を示している。これは、感度補償のために同じ原理の方法を使用するが、生角速度信号（７８）、したがって角速度情報を取得するためにレート信号を復調するために使用されるものとは異なる搬送波信号が、生試験信号（８２）を取得するために試験信号（７５）を変調し、レート信号（７６）を復調するために使用される。

第１の実施形態と比較して、角速度信号および試験信号に異なる搬送波信号を使用する第２の実施形態は、レート信号および試験信号に近い任意の外部レート信号から試験信号を固有に分離することを可能にする。したがって、外部レート信号による補償を妨げるリスクが低減され、ＩＦ＆ＦＩＦＯ回路の必要性が回避される。

所与の例では、試験信号（７５）は、直交位相搬送波信号を使用して生成され得る。このようにして、試験信号の搬送波位相は、角速度信号（７６）の搬送波位相とは異なる。角速度信号（７６）は、生角速度信号（７８）を取得するために同相復調器（７５０Ｉ）によって同相搬送波信号（９０Ｉ）を使用して復調され、角速度信号（７６）は、生試験信号（８２）を取得するために直交位相試験信号復調器（７５０Ｑ’）によって直交位相搬送波信号（９０Ｑ）に基づいて復調される。言い換えれば、直交位相試験信号復調器（７５０Ｑ’）は、角速度信号（７６）の試験信号成分を復調する。このようにして、角速度信号と試験信号との間の固有の分離が達成される。

試験信号（７５）が公称周波数ｆ_０から逸脱する周波数を有する場合、試験信号の位相が公称周波数に最適化されたセンスループ内で変化する可能性が高い。これは、閉ループジャイロスコープの小さい信号利得だけでなく小さい信号位相応答も周波数の関数として変化するためである。したがって、理想的な直交位相復調信号（９０Ｑ）、すなわち同相搬送波信号（９０Ｉ）と比較して正確に直交位相にある直交位相復調信号（９０Ｑ）を得るためには、直交位相復調信号の位相を位相トリミング回路（７４５）によってトリミングする必要があり得る。角速度と試験信号との間の位相分離は、この実施形態では、第１の実施形態の任意選択のＩＦ＆ＦＩＦＯ回路（７８０）を不要にする。しかしながら、第１の実施形態と同様に、オフセットゼロ化試験信号（８３）は、感度補償回路（７９０）に供給される前に、第２のローパスフィルタ（７８５）によって、１Ｈｚ程度である最終帯域幅までローパスフィルタリングされてもよい。

代替の実施形態では、試験信号（７５）は、特定の試験搬送波信号と乗算されない単一の試験周波数のみである。そのような場合、ＤＣ試験信号（８１）を取得するために復調生レート信号をＤＣ化するために直交位相試験信号復調器（７５０Ｑ’）を使用する必要はなく、生試験信号（８２）は、乗算器（７６０）によって角速度信号（７６）を乗算し、ＤＣ試験信号（８１）に残っている任意の高調波周波数を除去するために乗算されたＤＣ試験信号（８１）を第１のローパスフィルタ（７７０）によってフィルタリングすることによって抽出することができる。試験トーンによって変調された試験搬送波または試験トーンではなく単一の試験周波数を使用することにより、二次ループの伝達関数が２つの異なる変調試験周波数において幾分異なるという、かなり可能性の高い状況によって引き起こされる可能性のある問題の発生が回避される。２つの試験周波数が使用されるとき、両方の試験周波数は実際には決して正確に直交位相にないため、位相トリミング回路（７４５）は、実際には、角速度信号を復調するための完全な直交位相を求めることができない。

さらなる代替形態では、ＩＦ＆ＦＩＦＯ回路（７８０）は、第１の実施形態のように、試験信号オフセットゼロ化回路（７７５）と第２のローパスフィルタ（７８５）との間に配置されてもよい。直交位相試験搬送波信号の使用はシステムをより堅牢にするが、ＩＦ＆ＦＩＦＯ回路（７８０）は回路の堅牢性をさらに改善することができる。例えば、角速度信号経路が過範囲の角速度状況に起因して飽和する場合、感度補償は、感度補償回路のフィルタ内で平均化されて低速に回復する著しい誤差状況を経験する可能性がある。そのような場合、ＩＦ＆ＦＩＦＯ回路（７８０）は、生試験信号内の誤ったサンプルを、感度補償において考慮されないようにフィルタリング除去する。

図１１は、本発明の第３の実施形態を示している。

第２の実施形態では、上述したように、試験周波数においていくらかの位相誤差が存在する可能性があり、試験情報を取得するために角速度信号（７６）を復調するために使用される直交位相復調信号（９０Ｑ）は、位相トリミング回路（７４５）による位相トリミング後にもはや正確に直交位相にない。

第３の実施形態は、直交制御に使用される角速度信号（７６）に第３の復調を割り当てることによってこの不正確さに対処する。直交位相復調器（７５０Ｑ）および直交制御回路（７５５）を備える直交制御フィードバック経路は、直交制御信号（８６）を提供し、これは、機械的不均衡を補償するためにセンス部（７１１）にフィードバックされる。このようにして、同相復調器（７５０Ｉ）を備えるレート信号経路および直交位相復調器（７５０Ｑ）を備える直交制御経路が正確に直交する復調搬送波信号（９０Ｉ、９０Ｑ）を有することを保証することができ、一方、試験信号（７５）の搬送波位相はより自由に選択され、位相トリミング回路（７４５）による復調のために調整することができる。典型的な実施態様では、試験信号変調器（７５０Ｑ’）において角速度信号（７６）を復調するための試験信号復調信号が、直交位相搬送波信号（９０Ｑ）に基づいて生成される。試験信号復調信号の位相は、試験信号（７５）に使用されるそれぞれの搬送波信号と同相であり、角速度信号（７６）の試験信号成分を最大に復調する試験信号復調信号を取得するために、位相トリミング回路（７４５）によって調整される。

第２の実施形態と同様に、同じ理由で、第３の実施形態による代替的な実施態様は、１つまたは複数の試験トーンによって変調された試験搬送波信号を有する試験信号ではなく、単一の試験周波数を含む試験信号を使用する。そのような場合、角速度信号（７６）を復調するために別個の直交位相試験信号復調器（７５０Ｑ’）は必要なく、試験周波数は、乗算器（７６０）によって角速度信号（７６）を乗算し、ＤＣ試験信号（８１）に残っている任意の高調波周波数を除去するために乗算されたＤＣ試験信号（８１）を第１のローパスフィルタ（７７０）によってフィルタリングすることによって抽出することができる。試験搬送波信号（８０）は常に単一の試験周波数と同相であるため、試験搬送波信号（８０）の位相を別途トリミングする必要はない。

さらなる代替形態では、ＩＦ＆ＦＩＦＯ回路（７８０）は、第１の実施形態および第２の実施形態のように、試験信号オフセットゼロ化回路（７７５）と第２のローパスフィルタ（７８５）との間で試験信号サンプルをさらにクリーンアップするために使用されてもよい。

第１の実施形態に関連して開示された試験信号オフセットゼロ化回路（７７５）および感度補償回路（７９０）の機能（等価式）の代替的な実施態様が、第２の実施形態および第３の実施形態において等しく適用可能である。

図５および図６に関連して上で開示されたように、利得係数Ｋ０の値は、同じＭＥＭＳジャイロスコープ製品のデバイスごとに大きく変化しない。実際には、これにより、すべての同様のデバイスに利用され得る各タイプのＭＥＭＳジャイロスコープ製品の利得係数Ｋ０を実験的に定義することが可能になる。一実施形態によれば、複数の同様のジャイロスコープデバイスに対して実行されるデバイス寿命試験結果に基づいて、単一の利得係数Ｋ０を定義することができる。場合によっては、温度に依存するように利得係数Ｋ０を定義してもよい。

定義する必要がある感度補償で使用される他の比較パラメータは、基準値Ｖ_ＴＥＳＴである。ＭＥＭＳジャイロスコープを含むＭＥＭＳデバイスの物理的特性は、製造公差に起因してデバイスごとに著しく変化する傾向があるため、各ＭＥＭＳジャイロスコープがトリミングされる必要がある。感度補償に使用される基準値Ｖ_ＴＥＳＴは、トリミングプロセス中に各デバイスに対して定義され、メモリに格納され、結果的に、生角速度信号（７８）の感度ドリフトを補償するために使用される乗算器または除算器を解決するために使用され得る。

補償原理は、主に閉ループジャイロスコープに関連して上述されているが、開ループジャイロスコープにも等しく適用可能である。

技術の進歩とともに、本発明の基本的な着想を様々な方法で実施することができることが、当業者には明らかである。それゆえ、本発明およびその実施形態は上述の例には限定されず、特許請求項の範囲内で様々に変化してもよい。

Claims (14)

1. ＭＥＭＳジャイロスコープの感度のドリフトを補償するための方法であって、
   －少なくとも１つの試験周波数を含む試験信号を含む力フィードバック信号を前記ＭＥＭＳジャイロスコープのセンサ素子のセンス部に供給することと、
   －前記センサ素子の前記センス部から角速度信号を取得することと、
   －生レート信号を生成するために同相搬送波信号によって前記角速度信号を復調することであり、前記角速度信号は、少なくとも１つの試験周波数を含む試験信号成分を含み、前記少なくとも１つの試験周波数は、前記ＭＥＭＳジャイロスコープの公称周波数から逸脱する、復調することと、
   －前記角速度信号を処理することによってＤＣ試験信号を取得することであり、前記角速度信号を処理することは、
   －前記試験信号成分が少なくとも２つの試験周波数を含む振幅変調試験信号を含む場合、
   ａ）直交位相搬送波信号を使用して前記角速度信号を復調するステップと、
   ｂ）前記ＤＣ試験信号を取得するために前記復調角速度信号を試験信号搬送波信号と乗算するステップと
   を実行すること、または
   －前記試験信号成分が単一の試験周波数を含む場合、
   ｂ）前記ＤＣ試験信号を取得するために前記角速度信号を試験信号搬送波信号と乗算するステップを実施することを含む、取得すること、
   または
   －前記生レート信号をさらに処理することによって前記ＤＣ試験信号を取得することであり、前記生レート信号の前記さらなる処理は、
   －前記ＤＣ試験信号を得るために、前記生レート信号を試験搬送波信号と乗算することを含む、取得することと
   を含み、前記方法は、
   －生試験信号を取得するために前記ＤＣ試験信号をローパスフィルタリングすることと、
   －前記試験信号正規化値からの前記生試験信号のサンプルの偏差を表すオフセットゼロ化試験信号を生成するために、前記生試験信号の各サンプルを試験信号正規化値と比較することによって前記生試験信号のオフセットをゼロ化することと、
   －前記オフセットゼロ化試験信号および所定の利得係数に基づいて感度補償乗数を決定することと、
   －感度補償レート信号を提供するために前記生レート信号を前記感度補償乗数と乗算することと
   をさらに含む、方法。
2. 前記感度補償乗数は、以下の式によって定義され、
   

   

   または、以下の等価方程式によって定義され、
   

   

   式中、Ｖ_{ＴＥＳＴ＿ＣＯＭＰ}は前記試験信号正規化値であり、Ｖ_ＴＥＳＴ（ｉ）は前記生試験信号の現在のサンプルであり、
   

   

   または（Ｖ_{ＴＥＳＴ＿ＣＯＭＰ}－Ｖ_ＴＥＳＴ（ｉ））はそれぞれのオフセットゼロ化試験信号であり、Ｋ０は前記所定の利得係数である、請求項１に記載の方法。
3. 前記感度補償乗数を決定する前に、前記オフセットゼロ化試験信号をローパスフィルタリングすることをさらに含む、請求項１または２に記載の方法。
4. －前記オフセットゼロ化試験信号の各サンプルをオフセット閾値と比較することと、
   －前記オフセットが前記オフセット閾値以上である場合に前記サンプルを廃棄すること、または
   －前記オフセットが前記オフセット閾値未満である場合に前記サンプルを先入れ先出しキューに追加することと、前記先入れ先出しキュー内のサンプルを前記オフセットゼロ化試験信号として使用することと
   をさらに含む、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
5. －前記ＭＥＭＳジャイロスコープ内の前記少なくとも１つの試験周波数の位相シフトの影響を緩和するために前記直交位相搬送波信号を位相トリミングすることと、
   －前記ステップａ）において復調のために前記位相トリミングされた直交位相搬送波信号を使用することと
   をさらに含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
6. 直交制御信号を生成するために前記直交位相搬送波信号を使用して前記角速度信号を復調すること
   をさらに含む、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
7. 連続感度補償レート信号を生成するために前記感度補償レート信号をローパスフィルタリングすること
   をさらに含む、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
8. ＭＥＭＳジャイロスコープ自体の感度のドリフトを補償するように構成されているＭＥＭＳジャイロスコープであって、
   －少なくとも１つの試験周波数を含む試験信号を含む力フィードバック信号を前記ＭＥＭＳジャイロスコープのセンサ素子のセンス部に供給するバックエンド回路と、
   －前記センサ素子の前記センス部から角速度信号を取得する回路と、
   －生レート信号を生成するために同相搬送波信号によって前記角速度信号を復調するように構成されている第１の復調器であり、前記角速度信号は、少なくとも１つの試験周波数を含む試験信号成分を含み、前記少なくとも１つの試験周波数は、前記ＭＥＭＳジャイロスコープの公称周波数から逸脱する、第１の復調器と、
   －ｉ）前記角速度信号を処理するように構成されている回路であり、
   －前記試験信号成分が少なくとも２つの試験周波数を含む振幅変調試験信号を含む場合、前記角速度信号を処理するように構成されている前記回路は、
   ａ）直交位相搬送波信号を使用して前記角速度信号を復調するように構成されている第２の復調器と、
   ｂ）ＤＣ試験信号を取得するために前記復調角速度信号を試験信号搬送波信号と乗算するように構成されている第１の乗算器とを備え、
   －前記試験信号成分が単一の試験周波数を含む場合、前記角速度信号を処理するように構成されている前記回路は、
   ａ）前記ＤＣ試験信号を取得するために前記角速度信号を前記試験信号搬送波信号と乗算するように構成されている第１の乗算器を備える、回路、
   または
   －ｉｉ）前記生レート信号をさらに処理するように構成されている回路であり、前記生レート信号をさらに処理するように構成されている前記回路は、前記ＤＣ試験信号を生成するために、前記生レート信号を前記試験搬送波信号と乗算するように構成されている第１の乗算器を備える、回路と
   を備え、
   前記ＭＥＭＳジャイロスコープは、
   －前記生試験信号を取得するために前記ＤＣ試験信号をフィルタリングするように構成されている第１のローパスフィルタと、
   －前記試験信号正規化値からの前記生試験信号のサンプルの偏差を表すオフセットゼロ化試験信号を生成するために、前記生試験信号の各サンプルを試験信号正規化値と比較することによって前記生試験信号のオフセットをゼロ化するように構成されているオフセットゼロ化回路と、
   －感度補償回路であり、
   －前記オフセットゼロ化試験信号および所定の利得係数に基づいて感度補償乗数を決定することと、
   －感度補償レート信号を提供するために前記生レート信号を前記感度補償乗数と乗算することと
   を行うように構成されている、感度補償回路と
   をさらに備える、ＭＥＭＳジャイロスコープ。
9. 前記感度補償乗数は、以下の式によって定義され、
   

   

   または、以下の等価方程式によって定義され、
   

   

   式中、Ｖ_{ＴＥＳＴ＿ＣＯＭＰ}は前記試験信号正規化値であり、Ｖ_ＴＥＳＴ（ｉ）は前記生試験信号の現在のサンプルであり、
   

   

   または（Ｖ_{ＴＥＳＴ＿ＣＯＭＰ}－Ｖ_ＴＥＳＴ（ｉ））はそれぞれのオフセットゼロ化試験信号であり、Ｋ０は前記所定の利得係数である、請求項８に記載のＭＥＭＳジャイロスコープ。
10. 前記感度補償乗数を決定する前に前記オフセットゼロ化試験信号をローパスフィルタリングするように構成されている第２のローパスフィルタをさらに備える、請求項８または９に記載のＭＥＭＳジャイロスコープ。
11. －前記オフセットゼロ化試験信号の各サンプルをオフセット閾値と比較し、前記オフセットが前記オフセット閾値以上である場合に前記サンプルを廃棄し、前記オフセットが前記オフセット閾値未満である場合に前記サンプルを先入れ先出しキューに追加するように構成されているＩＦ＆ＦＩＦＯ回路をさらに備え、前記先入れ先出しキュー内の前記サンプルは前記オフセットゼロ化試験信号として使用されるように構成されている、請求項８～１０のいずれか一項に記載のＭＥＭＳジャイロスコープ。
12. －前記ＭＥＭＳジャイロスコープ内の前記少なくとも１つの試験周波数の位相シフトの影響を緩和するために前記直交位相搬送波信号を位相トリミングし、前記位相トリミングされた直交位相搬送波信号を前記第２の復調器に提供するように構成されている位相トリミング回路
    をさらに備える、請求項８～１１のいずれか一項に記載のＭＥＭＳジャイロスコープ。
13. －直交制御信号を生成するために前記直交位相搬送波信号を使用して前記角速度信号を復調するように構成されている第３の復調器
    をさらに備える、請求項８～１２のいずれか一項に記載のＭＥＭＳジャイロスコープ。
14. 連続感度補償レート信号を生成するために前記感度補償レート信号をローパスフィルタリングするように構成されている第３のローパスフィルタ
    をさらに備える、請求項８～１３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳジャイロスコープ。

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