JP2003505685A - コリオリ効果トランスデューサ - Google Patents
コリオリ効果トランスデューサInfo
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Abstract
Description
トランスデューサのテスト又は較正構造体に関する。
を測定するために使用される。より詳しくは、トランスデューサ本体に対して、
相対的な速度vを有する質量mが、質量の速度に垂直な速度検出軸に対して角速
度ΩINを経験する場合、質量は、速度v及び速度検出軸の両方に対して垂直な
受感軸に沿った、ACOR=2vΩINのコリオリ加速度を経験する。よって、
質量上に、受感軸に沿った、mACORに等しいコリオリの力FCORが生成さ
れる。質量の動きは、機械的なばね又は電気的なサーボ機構などの機械的又は電
気的な抑制部によって、コリオリの力の方向に制限される。質量は、受感軸にそ
って、y=FCOR/kだけ移動し、ここでkは、ばね定数又はばねコンプライ
アンスの逆数などの定数である。この移動量yは、例えば、一方のプレートが該
質量に機械的に結合され、他方のプレートがトランスデューサの本体に対して固
定されている、コンデンサのプレート間ギャップ内の線形の変化(すなわち移動
)によって生成される容量の差を測定する装置などの、いずれの移動量トランス
デューサによって測定されてもよい。装置は次に、この容量の変化に比例した、
電気出力信号VOUTを生成する。よって、このようなコリオリトランスデュー
サは、出力電気信号VOUT=KΩINを生成する。ここで、Kは、トランスデ
ューサの物理的性質及び電気的性質の関数である、比例定数である。
、トランスデューサを速度テーブル上に設定し、速度検出軸に対して既知の入力
角速度ΩIN TESTを与えつつ、出力信号VOUT TESTを測定するこ
とを含む。比例定数Kは、K=VOUT TEST/ΩIN TESTにしたが
って決定される。この較正処理はKを決定できるが、時間がかかり、したがって
、トランスデューサのコストを増加させる。
ランスデューサを提供するために使われる1つの方法として、微小加工が挙げら
れる。このような微小加工されたコリオリトランスデューサの1つが、1995
年6月6日に発行された本発明者による米国特許第5,635,640号に記載
されている。この特許の内容全てを本特許出願に組入れる。
ことが非常に有用である。より詳しくは、このようなセンサが自動車の転覆(au
tomotive rollover)やすべり止め応用法(アンチスキッドアプリケーション)
に使用された場合、このようなセンサは、安全上重要なものとなり、センサが使
用される度に、高い信頼性を持って正確な機能を確立することができれば、セン
サの有効性が高められる。下に説明するように、本発明は、高い信頼性を持って
機能をテストする手段を提供する。
度検出軸に対する角速度に応答して、受感軸に沿って移動する質量mを有する本
体を備えるコリオリトランスデューサをテストする方法が提供される。移動は、
振動及び速度検出軸の両方に対して垂直である。該方法は、質量に、FTEST VIBRATORY 及びFTEST SENSITIVEの力を、それぞれ振
動方向に沿って及び受感軸に沿って、所定の比率Nで与えるステップと、FTE ST VIBRATORY 及びFTEST SENSITIVEの力に応答する
トランスデューサの出力増分VOUT TESTを測定するステップと、を含む
。FTEST VIBRATORYは、通常動作中の振動駆動力と同一である。
、共振構造体の特性周波数の、既知の関数である。よって、比例定数K=VOU T /ΩIN=VOUT TEST/ΩIN TEST SIMは、高価なレート
テーブルテスト無しに計算できる。更に、テストは、トランスデューサが梱包さ
れる前に実行できるため、望ましい比例定数Kを可能にするために、機械的な変
換構造体と同じ半導体ウェーハ上に一体化して形成された電子機器を容易に仕上
げることができる。
に含まれる。テスト又は較正モードの際、力FTEST VIBRATORY及
びFTEST SENSITIVEが質量の共振周波数又はそれに近い周波数を
有し、速度検出軸に対する入力角速度が存在しない場合、質量の速度は、FTE ST VIBRATORY /Dが主となり、ここで、Dは共振構造体内の本体の
減衰定数である。よって、このような条件下では、シミュレートされた入力角速
度ΩIN TEST SIM={FTEST SENSITIVE/FTEST VIBRATORY }{BW/2}がトランスデューサに与えられ、ここでB
Wは、共振構造体の共振帯である。このようなシミュレートされた入力角速度Ω IN TEST SIM ={FTEST SENSITIVE/FTEST V IBRATORY }{BW/2}に応答し、トランスデューサの出力VOUT TEST は、K{BW}/2N、すなわち、K=2N{VOUT TEST}/
BWとなる。質量に、振動方向に沿って振動力FTEST VIBRATORY を与えるために使われる機構と、質量に、受感軸に沿って力FTEST SEN SITIVE を与えるために使われる機構とは、トランスデューサの、近い領域
に作製されるため、一致した物理的特性及び電気的特性を有する。よって、一方
の付力(付勢力)機構の形成中に受ける製作変動は、他方の付力(付勢力)機構
にも生じ、よって、サイズ比Nは、このような製作変動からは独立している。こ
の結果、振動方向力と受感軸力との比率N=FTEST VIBRATORY/
FTEST SENSITIVEが、各々の機構の絶対的な大きさではなく、機
構の大きさ比に関連することにより、このような比率Nが、構造体の設計によっ
て正確に固定できる。つまり、比率Nは、製作許容差から独立している。
から、直ちに、そして迅速に確かめることができる。共振帯BWは、製作変動と
共に変化するが、共振帯は、トランスデューサへ既知の入力角速度を与える必要
の無い周波数応答測定から測定可能である。
力機構FTEST VIBRATORY及びテストモードの際に使われる受感軸
付力機構FTEST SENSITIVEは、静電的に駆動されるフィンガであ
る。よってNは、FTEST SENSITIVEを生成するために使われるフ
ィンガの数と、FTEST VIBRATORYを生成するために使われるフィ
ンガの数との比である。この結果、比例定数Kの正確な決定が達成される。
数ω0よりも低い周波数ωAPPLIEDで与えられる。このような場合、シミ
ュレートされたΩIN TEST SIM={ω0 2}/{2NωAPPLIE D }であり、この場合、固有周波数ω0が測定され、較正のために使われる(す
なわち、測定され、較正に使われる、共振構造体の特性周波数は固有周波数ω0 である)。特に、振動方向力及び受感軸力FTEST VIBRATORY及び
FTEST SENSITIVEが、それぞれNの比率及びΩIN=0でトラン
スデューサに与えられた時に、比例定数K=VTEST OUT/ΩIN TE ST SIM ={2NωAPPLIED/ω0 2}{VTEST OUT}が決
定され、VTEST OUTはトランスデューサの出力において測定される。
る特性周波数は、ωAPPLIEDである。特に、受感方向力及び振動軸力FT EST VIBRATORY 及びFTEST SENSITIVEが、それぞれ
、比率Rで、ΩIN=0でトランスデューサに与えられた場合に、比例定数K=
{2N/ωAPPLIED}{VTEST OUT}が決定され、VTEST OUT は、トランスデューサの出力において測定される。
トランスデューサの、近い領域にある。
は、一致した物理的特性及び電気的な特性を有する。
該トランスデューサは、共振構造体を備え、該共振構造体は、共振構造体内の振
動方向に沿って振動する質量であって、速度検出軸に対する角速度に応答して、
該振動と垂直な受感軸に沿って、振動及び速度検出軸の両方に垂直に移動する質
量を有する。トランスデューサは、通常動作モードとテストモードの両方におい
て、振動方向に沿って、質量に振動方向力FTEST VIBRATORYを与
えるよう適合された振動方向付力機構を含む。また、受感軸付力機構も設けられ
、この機構は、このような受感軸付力機構が質量と結合された時に、振動方向力
と同時に、受感軸に沿って、力FTEST SENSITIVEを質量に与える
ように適合される。テストモードの際に受感軸付力機構と質量とを結合させ、通
常動作モードの際に受感軸付力機構と質量とを分断するよう適合されたスイッチ
が設けられる。
ために有益な概略図である。トランスデューサ10は、一枚の水晶半導体(ここ
ではシリコン)基板12上に超微小加工されている。トランスデューサ10は、
本体つまり質量14を有する。トランスデューサ10は一対のスイッチ13、1
5を有する。通常の動作モード中、スイッチ13は図示するように開状態にあり
、スイッチ15は、入力振動方向付勢機構22(ここでは付勢電極)を 振動軸
出力検出機構40(ここでは検出電極)に接続する。この接続は、微分器31に
よって提供される正のフィードバック関係において行う。このような正のフィー
ドバックループにより質量14は、共振周波数Q0で共振構造体47において共
振する。このような通常の動作モード中、質量14は速度Vで、トランスデュー
サ10の基板12に対して振動する。以下で説明するように、速度Vは共振構造
体47の共振帯域幅BWの関数である。振動する質量14が、質量の動き(ここ
では振動軸21に沿った直線的な動き)の方向に垂直な速度検出軸25の囲りで
角速度ΩINである場合は常に、質量14は、受感軸27に沿ってコリオリ加速
ACOR=2VΩINを受ける。
25の双方に対して垂直である。したがって、質量14上に受感軸27に沿って
、mACORと等しいコリオリ力FCORが生成される。ここで、mは質量14
である。
ーボ機構等であり、ここでは機械的なバネ型の抑制部23で表す)により、コリ
オリ力の方向に制限される。質量は、受感軸27bに沿って変位y=FCOR/
kを受ける。この時kは定数であり、ここではバネ型の抑制部(つまり、撓み部
(flexures)23)のバネ定数(つまり、バネコンプライアンスの逆数)である
。この変位yは、任意の変位トランスデューサで測定してもよい。このトランス
デューサは例えば、差動コンデンサが有する、一枚は質量14と機械的に連結し
、他方はトランスデューサ10の基板12に対して固定されたプレート同士の間
のギャプ24を直線的に変化させる変位によって生じる容量の差を計測する装置
(つまり、受感軸出力検出機構30の検出電極)等でもよい。次にこの装置(例
えば、受感軸出力検出機構30の検出電極)は、信号調整回路28から電気出力
信号VOUTを生成する。出力信号VOUTは容量の変化に比例する。したがっ
て、このようなコリオリトランスデューサ10は、出力電気信号VOUT=KΩ IN を生成する。ここでKは、トランスデューサ10の物理的および電気的特性
の関数である比例定数である。この比例定数Kは、以下に説明するテスト手順お
よびテスト構造で決定される。しかし、ここでは、このテストは周知の入力角速
度ΩINの適用を要せず、したがって、トランスデューサの梱包前に行ってもよ
い、とだけ述べれば十分であろう。
造体47を有する。質量の振動は、機械的または電気的な抑制部(機械的なバネ
または電気的なサーボ機構であり、ここでは機械的なバネ型の抑制部18で表す
)によって制限される。質量14の振動は、質量14と基板12との間のせん断
粘性(shear viscosity)により減衰される。ここでは、このような減衰はダッシ
ュポット19で表す。したがって、共振構造体47は、正規化された振幅特性を
有する二次システムで示されてもよい。
いてBWは、構造的な共振の帯域幅(つまり、共振ピークの3db帯域幅)であ
り、jは−1の平方根であり、ωは質量14の振動周波数である。このような共
振構造体47の伝達関数は周知である。
化された機械的な反応特徴を{K0/m}/[{K0/m}−ω2]+j{D/
m}ωとして表してもよい。この時、K0は抑制部18の堅さであり、mは質量
14であり、Dはダッシュポット19で表されるせん断減衰(Shear damping)
である。
力検出機構(つまり、振動軸出力検出機構40の検出電極)との間で90度の位
相シフトを生じることが分かる。通常の動作モードおよびテストモード中、振動
軸出力検出機構40は微分器31およびスイッチ15を介して入力振動方向付勢
機構22と連結する。ここで微分器31は、振動軸出力検出機構40の差動コン
デンサ出力検出電極を介して質量14と連結する入力を有する増幅器から出来て
いる。したがって、上述のように、正のフィードバック構成が、テストモードお
よび通常の動作モードの双方において、質量14を振動方向に沿って共振周波数
ω0で振動させることが実証される。
り振動方向、ここでは軸21)および受感軸27にそれぞれ沿って、質量14に
適用する。力FTEST VIBRATORYおよびFTEST SENSIT IVE は所定の比率Nで適用される。この適用は、速度検出軸25の囲りに角速
度(ΩIN=0)を故意に適用しない状態で行う。さらに、トランスデューサ出
力VOUTを測定する。テストモード中、このような出力VOUTをVTEST OUT として示す。
FTEST VIBRATORYおよびFTEST SENSITIVEに応じ
て測定する。つまり、テストモード中、力FTEST VIBRATORYを入
力振動方向付勢機構22により質量14に適用する。このような力は、共振構造
体47の周囲にあるスイッチ15および微分器31によって作られる正のフィー
ドバックループによって生成される。同時に、FTEST VIBRATORY を振動方向(ここでは軸21)に沿って質量14に適用するので、FTEST SENSITIVE が、感受軸付勢機構32によって受感軸27に沿って質量1
4に適用される。テストモード中、スイッチ13は、振動軸付勢機構22に適用
される電子信号と同じ電子信号が感受軸付勢機構32に適用されるように、配置
される。これまでに簡単に述べたように、振動軸付勢機構22および感受軸付勢
機構32は双方共、静電気的に連結されたフィンガ(fingers)である。これら
フィンガは、相互に90度ずれているが、同じ物質で同じ形状に形成される。し
たがって、フィンガ22、32は共に同じ電気信号で駆動されるので、FVIB RATORY /VSENSITIVE=Nであり、この時のNは、受感軸付勢機
構のフィンガの数に対する振動方向付勢機構のフィンガの数の比率である。ここ
では、例えばN=270とする。
実質的にFVIBRATORY/Dであることがわかる。したがって、FCOR =2ΩINFVIBRATORY{m/D}および、入力角速度ΩIN=FCO R /[2FVIBRATORY{m/D}]となる。上述のように、比例定数K
=VOUT/ΩINである。したがって、K=VOUT{2FVIBRATOR Y {m/D}}/FCOR。テストモード中、任意の入力角速度をトランスデュ
ーサから除去して(つまり、ΩIN=0)、実際のコリオリ力FCORに代えて
FTEST SENSITIVEを受感軸27に適用すれば(この時、FVIB RATORY /VTEST SENSITIVE=N)、KはVOUT TES T [2N{m/D}と等しくなるであろう。上記の振幅特性の3db点から、D
/m=BWであることがわかる。したがって、K=VOUT TEST[2N/
BW]。この結果、製造時のばらつきのためにパラメータmおよびDはトランス
デューサ毎に異なるので、共振近くで動作する場合に、これらが特性周波数(つ
まりBW)を規定する。
受感軸に沿って適用することで周知のテスト入力角速度ΩIN TEST SI M を模擬する。このようなテスト入力角速度QIN TEST SIMは、測定
された特性周波数の周知の関数である。共振近くでは、この特性周波数は共振の
帯域幅BWである。したがって、比例定数K=VOUT/ΩIN=VOUT T EST /ΩIN TEST SIMは、梱包前に速度テーブル(rate table)を
用いずに算出できる。
共振構造体47の実際の周波数反応を決定することで、決定してもよい。したが
って、図1に示すようにスイッチ13は開状態であり、スイッチ15は、図1に
示すように振動付勢機構22を可変オスシレータ33に接続する。微分器の出力
VOUT FREQ. RESPONSEを測定する。オスシレータ33の周波
数は、VOUT FREQ. RESPONSEを測定して、共振のピーク(つ
まり帯域幅BW)の3db点を決定する間、共振周波数付近ω0で変化する。し
たがって、比例定数Kを決定できる。
質量14は発振または振動する)は、加速度計フレーム16の4つの角の各々に
おいて加速度計フレーム16から撓み部23によって吊られている。この撓み部
23は、同時係属中の「Micromachined Gyros」(1997
年9月2日出願、出願番号08/921,672号、本明細書の譲渡人に譲渡済
み)に開示されたものと同類である。この明細書の全ての主題を引用して援用す
る。フレーム16は、図示するように、固定ポイント11で半導体基板12に固
定されている。質量14は、振動方向付勢機構22の駆動フィンガの電気的誘引
により、振動方向(ここでは軸21)に沿って、振動または発振するように構成
されている。この振動または発振は、通常のモードまたはテストモード中に微分
器31の出力によって、または、共振構造体の周波数反応を測定して共振帯域幅
BWを検出する際のオスシレータ33によって、振動方向付勢機構22の係る駆
動フィンガに供給される交流電流に応じて、なされる。より具体的には、振動方
向付勢機構22に用いられる駆動フィンガの第1の組22aは基板12に固定さ
れ、これと相互にかみ合っており、振動方向付勢機構22に用いられる駆動フィ
ンガの第2の組22bは、質量14に一体的に装着される。交流電流信号を、電
気機械構成体を介して適用する。これと同等の回路を図2に示す。ここでは、振
動方向付勢機構22の駆動フィンガが、振動軸21に沿って、第2の組22bを
第1の組22aに対して振動させる、とだけ述べれば十分である。したがって、
質量14は、図2に示す電気機械構成体によって設定される周波数で、振動軸2
1に沿って振動する。この構成体は、振動方向付勢機構22の駆動フィンガに交
流電流を供給する。テストおよび通常のモードでは、交流電流の周波数は、吊る
された質量14の機械的な共振周波数ω0と同じ周波数である。
21に沿った動きを抑制されている。フレーム16は、ポイント11において基
板12に固定されている。質量14は、フレーム16の内部領域において懸架さ
れ、フレーム16の動きとは独立して、フレーム16に対して振動軸21に沿っ
て運動すべく配置されている。さらに、フレーム16と質量14は、撓み部18
,23の抑制効果により、受感軸(sensitive axis)27に沿って一緒に移動しな
い限りは、受感軸27に対する動きを禁じられている。
14が基板に対して振動(dither)し、振動軸21及び受感軸27いずれに対し
ても垂直な速度検出軸21に沿って角速度ΩINが基板に与えられると、受感軸
27に沿って質量14にコリオリ力FCOR(すなわち、コリオリ加速ACOR )が付与される。このコリオリ力が、ばねのように作用するサスペンション撓み
部18により、受感軸27に沿って質量14からフレーム16に伝わる。受感軸
27に沿った質量14の移動yは、速度検出軸25を中心とする質量14の角速
度ΩINと、撓み部23のばね同様の抑制力のコンプライアンスの両者の関数で
ある。したがって、角速度ΩINに対し、質量14とフレーム16とは受感軸2
7に沿って一緒に移動する。フレーム16は、受感軸27に対して距離yだけ移
動する。この距離yにより、検出軸出力検出機構30のフィンガの出力の組にお
いて容量に変化が生じる。検出軸出力検出機構30の出力フィンガは、基板12
に固定された30aの組と、図示されるようにフレーム16と一体形成され、差
分容量(differential capacitor)を形成する、交互嵌合セット30bとを有す
る。容量の変化は、図2に示され、図1に示されるトランスデューサの機械部分
と共に集積回路として基板12に形成された電子信号調整回路28により検出さ
れる。信号調整回路28(図2)は、電圧または電流である電気信号VOUT(あ
るいは、テストモードにおいてはVTEST OUT)を出力する。よって、ス
ケール(目盛)係数Kは、入力速度ΩINに対する出力信号レベルVOUTの割合
を表す。
わちピックオフ)40、入力振動方向付力機構(付力部材)22、及び共振構造
体47に関連する発振ループの正確な機能に依存するが、これはこのループによ
り検出軸付力機構(すなわちテスト付力部材)32に対する正確な駆動形式が提
供されるためである。この応答は、さらに、検出軸出力検出機構(すなわち、コ
リオリ(振動)加速度計センサ)30の検出電極及びその信号調整回路28の機能
にも依存している。これらのいずれかの機能が部分的にでも禁じられると、応答
は量的に不正確になる。よって、セルフテストをオンにして出力電圧における増
分変化の大きさをチェックすることにより、装置の完全な機能を確認できる。こ
れは、安全アプリケーションにおける大きな効果である。
s)において、両者の物理的及び電気的特性が整合されるようにトランスデュー
サに微細加工されている。よって、これらの付力機構の一方を形成する際に発生
する製造のばらつきは、他方の付力機構に対しても発生する。この場合、両者の
サイズの比は、このような製造のばらつきとは無関係である。したがって、受感
軸と振動方向の力の比Nが、これらの各機構の絶対サイズに対してではなく、こ
れらの機構のサイズ比に関連していれば、この比率Nを簡単かつ正確に決定でき
る。ここで、付力機構は静電的に駆動されるフィンガであるので、Nは単に、力
FTEST VIBRATIONを生成するフィンガの数の、力FTEST S ENSITIVE を生成するフィンガの数に対する割合である。ここで、力FT EST SENSITIVE を生成するためのテストフィンガは能動フィンガを
1つのみ有し、それ以外のフィンガは、力FTEST VIBRATIONを生
成するフィンガに関して生成されたのと同じ静電フリンジ電界効果を能動フィン
ガに対して生成するために設けられている。このように、駆動が整合されている
ことにより、さらには、較正処理に必要なのが、力の割合に対する知識だけであ
り、このような力の絶対的な大きさの知識は不要なので、比例定数Kを正確に決
定することができる。
動型トランスデューサ10’が示されている。まず、トランスデューサ10’は
、トランスデューサ10と同一部材を有し、このような共通の部材にはトランス
デューサ10で用いた符号が付されている。ただし、この場合、トランスデュー
サ10に用いられた静電振動方向付力機構22及び静電受感軸付力機構32を設
ける代わりに、トランスデューサ10’は、電磁振動方向付力機構22’及び電
磁受感軸付力機構32’をそれぞれ備える。
速度検出軸25に沿って生成される(すなわち、磁界は図5の紙面に対して垂直
であり、図5において(x)及び符号50で示されている)。振動方向浮力機構
22’は、それぞれが長さLを有する複数の(ここではN個の)電流搬送導電セ
グメント51を含む。(ここでは、本発明を理解する目的で6つのセグメント5
1だけを示しているが、もちろんこれより多数のセグメントを使用することも可
能である。)複数の電流搬送導電セグメント51は、図示される様に、受感軸2
7の方向に沿って加速度計フレーム16に設けられている。これらのセグメント
51は、図示されるように、コンダクタ53によって直列に電気接続され、最初
と最後のセグメント51は、図示されるように、コンダクタ55によって端子Y
、Y’に接続されている。図6に関連してより詳細に後述するが、通常モードと
テストモードのいずれにおいても、セグメント51には端子Y及びY’を介して
交流電流が印加される。セグメント51を介する磁界50の交流電流に対する効
果は、振動軸21に沿ってセグメント51に振動力FVIBRATORYが生成
されることである。このような振動力により、加速度計フレーム16が振動軸2
1に沿って振動する。テストモードにおいては、振動力は力FTEST VIB RATORY である。テスト及び通常のいずれのモードでも、セグメント51に
かかる力は、磁界、電流及びセグメント51の長さに比例する。ここでは、N個
のセグメント51のそれぞれが同じ長さLを有する。
及びZ’に接続する、長さLの電流搬送導電セグメント52を含む。なお、ここ
では、トランスデューサ10’の動作を理解するために便宜上1つのセグメント
52のみを示しているが、さらなるセグメントを使用することができる。図示さ
れる様に、セグメント52は、振動軸21に沿って加速度計フレーム上に配置さ
れている。図6に関連してより詳細に後述するが、テストモードにおいて、セグ
メント52には端子Z及びZ’を介して交流電流が印加される。セグメント52
を介する磁界50の交流電流に対する効果は、受感軸27に沿ってセグメント5
2に力FTEST SENSITIVEが生成されることである。セグメント5
2に関するこの力FTEST SENSITIVEは、磁界、電流及びセグメン
ト52の長さに比例する。ここでは、前述のように、セグメント52は各セグメ
ント51と同じ長さLを有する。
グメント51と52は、互いに対して90度回転しているが、同じ幾何学的形状
で、同一材料及び同一処理により形成される。したがって、機構22’及び32
’がいずれも同一の電気信号、ここでは図6に関して以下詳細に説明する電流源
56からの電流により駆動されるため、FVIBRATORY/FSENSIT IVE の比は、Nである。ここで、Nは、受感軸方向付力機構におけるセグメン
ト52の数に対する振動方向付力機構におけるセグメント51の数の割合である
。
て、高出力インピーダンス交流電流源56(図6)に接続されている。高出力イン
ピーダンス交流電流源56は、図示されるようにCMOSトランジスタの対T1 ,T2及びT3,T4を含む。ここで、CMOSトランジスタT1,T2は、そ
れぞれNチャネル及びPチャネルトランジスタであり、CMOSトランジスタT 3 ,T4は、それぞれNチャネル及びPチャネルトランジスタである。トランジ
スタT1及びT2のゲートは、図示されるように、スイッチ15の1出力端子に
接続されている。トランジスタT3及びT4のゲートは、図示されるように、イ
ンバータ58を介してトランジスタT1及びT2のゲートに接続されるとともに
、比較器57を介してスイッチ15の1出力端子に接続されている。スイッチ1
5の1出力は可変発振器33に接続され、他端は微分器31に接続されている。
比較器57は、発振器33及び微分器31により生成されたシヌソイド信号を、
CMOSトランジスタT1〜T4のための論理レベル信号に変換する。共振構造
体の周波数応答が共振帯域幅BWを決定するための手段である場合、出力可変発
振器33は、比較器57及びスイッチ15を介して、電流源56に接続される。
微分器31の出力は、通常モードとテストモードのいずれにおいても、比較器5
7及びスイッチ15を介して電流源56に接続されている。
に接続されている。トランジスタT2及びT4のソースは、電流源60に接続さ
れている。電流源60は、差分増幅器64の非反転入力に接続された基準電圧源
62に接続されている。増幅器64の出力は、MOSFET66のゲートに接続
されている。MOSFET66のドレインは、図示されるように、トランジスタ
T2及びT4のソースに接続されている。MOSFET66のドレインは、高イ
ンピーダンス抵抗Rを介して基準電位に接続され、図示されるように、増幅器6
4の反転入力にフィードバックされる。このように、フィードバック構造が増幅
器64を駆動して抵抗Rで発生する電圧を一定に維持し、この結果この抵抗Rに
流れる電流が一定になる。
期において、トランジスタT1及びT4がオンし、トランジスタT2及びT3が
オフする。残りの半周期においては、トランジスタのオンオフ状態は逆になる。
よって、交流電流は、強制的に端子Y,Y’を流れる。テストモードにおいては
、この同じ電流が、端子Y,Y’と同様に端子Z,Z’にも強制的に流れる。電
流の大きさは、いずれの半周期にも、さらに全モード、すなわち通常モード、テ
ストモード、及びB/W決定モードにおいても電流源60により決定する。
向付力機構22’のセグメントに印加される交流電流を生成することである。こ
の電流に対する磁界50の効果により、振動方向21に沿って、加速度計フレー
ム16に振動力が生成される。ここで、コンダクタ53によって生成されたいか
なる磁界効果も相殺できるように、コンダクタ53の交互セグメントを通過する
電流の向きは交互である。テストモードにおいては、この同一の電流がセグメン
ト52をも通過することによりテスト力が生成され、一方接続コンダクタ54の
対からの力は相殺される。しかしながら、セグメント51の端部59においては
フリンジ効果が存在する。これらの効果は、セグメント52の端部におけるフリ
ンジ効果と同じである。これは、両者の長さ及び形状が同じためである。よって
、整合された駆動、ここでは電磁駆動により、さらには較正処理に必要なのが力
の割合に対する知識のみで、これらの力の絶対的な大きさに対する知識ではない
ので、比例定数Kを正確に決定できる。
数ωOが、較正のために測定され使用される。(すなわち、較正のために測定さ
れ、使用される共振構造体の特性周波数は自然周波数ωOである。)より詳細に
は、比例定数K=VTEST OUT/ΩIN TEST SIM = {2Nω
APPLIED /ωO 2}{VTEST OUT}は、振動方向及び受感軸の力
FTEST VIBRATORYとFTEST SENSITIVEのそれぞれが
比率N、ΩIN=0でトランスデューサに与えられ、VOUT TESTが測定
された場合に決定する。一方、印加周波数ωAPPLIEDが、自然共振周波数
ωOより大きい場合、シミュレートされたΩIN TEST SIM=ωAPP LIED /2Nである。その場合、較正に使用される特性周波数はωAPPLI ED である。より詳細には、比例定数K=VTEST OUT/ΩIN TES
T SIM = {2N/ωAPPLIED /ωO 2}{VTEST OUT}は
、振動方向及び受感軸の力FTEST VIBRATORYとFTEST SEN SITIVE のそれぞれが比率N、ΩIN=0でトランスデューサに与えられ、
VOUT TESTが測定された場合に決定する。
有益な概略図である。
拡大して示した平面図である。
るために有用な概略図である。
を駆動するための回路の概略図である。
Claims (12)
- 【請求項1】 共振構造体内の振動方向に沿って振動し、速度検出軸に対す
る角速度に応答して、前記振動に垂直な受感軸に沿って、前記振動及び前記速度
検出軸の両方と垂直に移動する質量を有するコリオリトランスデューサのテスト
方法であって、 質量に、力FTEST VIBRATORY及びFTEST SENSITI VE を、それぞれ、前記振動方向に沿って及び前記検出軸に沿って所定の比率N
で与えるステップと、 前記力FTEST VIBRATORY及びFTEST SENSITIVE に応答するトランスデューサの増分出力VOUT TESTを測定するステップ
と、 を含む、コリオリトランスデューサのテスト方法。 - 【請求項2】 請求項1に記載の方法であって、 前記質量が共振構造体内に含まれ、 前記方法が、前記共振構造体の特性周波数を測定するステップを含む、方法。
- 【請求項3】 請求項2に記載の方法であって、 前記共振構造体が、 [ω0 2−ω]+j[ωω0/Q] に関連する振幅特性を有する二次共振構造体であり、ここで、ω0は共振構造体
の固有共振周波数、Q=ω0/BW、BWは、構造体共振の共振帯(すなわち、
共振ピークの3db帯)、j=−1の平方根、ωは質量の振動周波数であり、 前記測定された特性が、共振帯BWである、方法。 - 【請求項4】 請求項2に記載の方法であって、前記共振構造体の前記特性
周波数が、前記共振構造体内の質量に、既知の振動周波数又は既知の複数の周波
数を与えることにより決定される、方法。 - 【請求項5】 コリオリトランスデューサであって、 共振構造体内の振動方向に沿って振動するよう配置された質量であって、速度
検出軸に対する角速度に応答して、前記振動に垂直な受感軸に沿って、前記振動
及び前記速度検出軸の両方に垂直に移動するよう配置された質量と、 前記振動方向に沿って、前記質量に振動方向力FTEST VIBRATOR Y を与えるための振動方向付力機構と、 前記振動方向力と同時に、前記受感軸に沿って、前記質量に力FTEST S ENSITIVE を与えるための受感軸付力機構と、 を有する、コリオリトランスデューサ。 - 【請求項6】 請求項5に記載のトランスデューサであって、前記振動方向
付力機構及び前記受感軸付力機構が、前記トランスデューサの、近い領域にある
トランスデューサ。 - 【請求項7】 請求項5に記載のトランスデューサであって、前記振動方向
付力機構及び受感軸付力機構が、一致した物理的特性及び電気的特性を有する、
トランスデューサ。 - 【請求項8】 コリオリトランスデューサであって、 共振構造体であって、共振構造体内の振動方向に沿って振動するよう配置され
、速度検出軸に対する角速度に応答して、前記振動に対して垂直な受感軸に沿っ
て、前記振動及び前記速度検出軸の両方に垂直に移動するよう配置された質量を
有する共振構造体と、 通常動作モード及びテストモードの両方において、前記振動方向に沿って、前
記質量に振動方向力FTEST VIBRATORYを与える振動方向付力機構
と、 受感軸付力機構が前記質量に結合されている場合に、前記振動方向力と同時に
、前記受感軸に沿って前記質量に力FTEST SENSITIVEを与える受
感軸付力機構と、 テストモードにおいては、前記受感軸付力機構と前記質量とを結合させ、通常
動作モードにおいては、前記受感軸付力機構を前記質量から分断するよう適合さ
れたスイッチと、 を含むコリオリトランスデューサ。 - 【請求項9】 請求項8に記載のトランスデューサであって、前記振動方向
付力機構及び前記受感軸付力機構が、前記トランスデューサの近い領域にある、
トランスデューサ。 - 【請求項10】 請求項8に記載のトランスデューサであって、前記振動方
向付力機構及び前記受感軸付力機構が、一致した物理的特性及び電気的特性を有
する、トランスデューサ。 - 【請求項11】 コリオリセンサのテスト方法であって、 テスト力をセンサのコリオリ加速軸に与え、センサの量的機能を確認するステ
ップを含む、コリオリセンサのテスト方法。 - 【請求項12】 コリオリセンサであって、 構造体に対するコリオリ加速度に関連する出力を生成するためのコリオリ効果
構造体と、 テスト力を前記コリオリ効果構造体に与えるための、テスト付力構造体と、 前記テスト付力構造体によって前記コリオリ効果構造体に加えられる前記テス
ト力に応答する、前記センサの量的機能を確認する信号を生成する出力と、 を含むコリオリセンサ。
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