JP6157026B2 - 振動ジャイロスコープにおける共振器およびコリオリ軸制御のためのシステム、装置、ならびに方法 - Google Patents

振動ジャイロスコープにおける共振器およびコリオリ軸制御のためのシステム、装置、ならびに方法 Download PDF

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Description

本発明は、概して、振動ジャイロスコープ（例えば、ＭＥＭＳ振動ジャイロスコープ）、ならびにより具体的には、かかる振動ジャイロスコープにおける共振器信号経路およびコリオリ信号経路を制御することに関する。
振動ジャイロスコープシステムは、基準系に対する何らかの慣性質量、および何らかの支持回路の回転を感知するために使用される、センサ（ジャイロスコープ）から成る。振動ジャイロスコープの動作は、コリオリ効果に基づく。したがって、ジャイロスコープは、２つの直交軸を有する。一般的に述べると、慣性質量は、第１の軸に沿っていくらかの速度を有するように駆動され、さらに、質量は、典型的に共振構造であり、そのため、この軸は、共振器軸と称される。コリオリ効果に起因して、質量が観測基準系に対して回転するとき、第２の軸に沿って及ぼされるコリオリ力が存在する。第２の軸は、コリオリ軸と称される。コリオリ軸上の力の効果を感知することができ、回転を計算することができる。
支持回路は、少なくとも２つの機能を提供する。第１に、支持回路は、共振器軸に沿って質量を運動へと駆動する。この回路は、ジャイロスコープとともに、共振器信号経路（ＲＳＰ）、または単純に共振器と称される。第２に、支持回路は、コリオリ軸に沿って信号を感知する。この回路は、ジャイロスコープとともに、コリオリ信号経路（ＣＳＰ）、または加速度計と称される。
多くの現在の振動ジャイロスコープは、ロバスト感度のために開ループＣＳＰおよび閉ループＲＳＰを使用する。これは、システムを、コリオリ軸に沿ったジャイロスコープの品質係数に対して敏感であるままにする。次いで、共振器およびコリオリモードは、周波数において意図的に分割され、そのため、コリオリ軸の励起は共振外であり、かつコリオリ軸Ｑの変動の存在下においてさえも、応答が安定している。この手法は、モード分割が工場において行われ得、寿命の間は十分に安定したままである場合の、低Ｑ共振器に有効である。高Ｑジャイロスコープに関しては、モード分割に起因するＱの低減が、高Ｑ構造を使用することの利益を無効にするであろうことから、これは、許容可能な解決策ではない。別の解決策は、温度に対して感度を較正することであろう。しかしながら、これは、高価であり、例えば、マルチパス自動試験機器（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｅｓｔ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ：ＡＴＥ）試験を伴い、かつ信頼性がより低い。
例示的な実施形態の概要
１つの例示的な実施形態において、共振器質量、およびコリオリ出力レート信号を発生させるための加速度計を有する、振動ジャイロスコープのためのジャイロスコープ制御回路を備える装置が提供され、該ジャイロスコープ制御回路は、共振器信号経路およびコリオリ信号経路を備える。共振器信号経路は、共振器センス信号に含有される振幅情報を使用せずに、共振器センス信号に基づいて、共振器質量の移動を駆動するように構成される、開ループ共振器信号経路制御回路を含む。コリオリ信号経路は、コリオリセンス信号に基づいてコリオリ出力レート信号を生成するように、かつコリオリセンス信号に基づいてフィードバック信号を加速度計に提供するように構成される、閉ループコリオリ信号経路制御回路を含む。
別の例示的な実施形態において、ジャイロスコープおよびジャイロスコープ制御回路を備える、ジャイロスコープシステムが提供される。ジャイロスコープは、共振器質量、およびコリオリ出力信号を発生させるための加速度計を含む。ジャイロスコープ制御回路は、（ａ）共振器センス信号に含有される振幅情報を使用せずに、共振器センス信号に基づいて、共振器質量の移動を駆動するように構成される、開ループ共振器信号経路制御回路を含む、共振器信号経路と、（ｂ）コリオリセンス信号に基づいてコリオリ出力レート信号を生成するように、かつ該コリオリセンス信号に基づいて、フィードバック信号を該加速度計に提供するように構成される、閉ループコリオリ信号経路制御回路を含む、コリオリ信号経路と、を含む。
種々の代替的な実施形態において、ジャイロスコープ制御回路は、ジャイロスコープが動作している間に、共振器信号経路Ｑにおける変動に基づいて、ジャイロスコープ感度における変動を補正するように構成される、Ｑ補正回路をさらに含み得る。Ｑ補正回路は、共振器信号経路Ｑを測定するように構成される、Ｑ測定回路を含み得、その場合、Ｑ補正回路は、測定された共振器信号経路Ｑと、閉ループコリオリ信号経路制御回路によって発生されるコリオリ出力レート信号とを組み合わせて、補正されたコリオリ出力レート信号を生成する、乗算器、または、Ｑ測定回路から開ループ共振器信号経路制御回路までのフィードバックループ（開ループ共振器信号経路制御回路は、共振器信号経路Ｑにおける変動を低減するように、測定された共振器信号経路Ｑに基づいて、共振器駆動信号を調節するようにさらに構成される）のいずれかをさらに含み得る。Ｑ測定回路は、ジャイロスコープが動作的である間に、異なる駆動力に応答して、共振器質量の性能パラメータを評価するように構成され得る。ジャイロスコープは、モード整合され得る。共振器信号経路およびコリオリ信号経路は、ジャイロスコープの感度が、共振器信号経路品質係数（Ｑ）とともに直接変動するように、互いに比例する変換係数を有し得る。
ある実施形態において、共振器制御回路は、ジャイロスコープを含有する別個のＭＥＭＳウエハに結合され得る、ＡＳＩＣウエハ上に実装される。他の実施形態において、共振器制御回路およびジャイロスコープは、共通のウエハ上に実装される。
別の例示的な実施形態において、共振器質量を含む共振器信号経路を有し、かつコリオリ出力レート信号を発生させるための加速度計を含むコリオリ信号経路を有する、振動ジャイロスコープを動作させる方法が提供される。該方法は、共振器センス信号に含有される振幅情報を使用せずに、共振器センス信号に基づいて、共振器質量の移動が駆動される、開ループ制御を使用して、共振器信号経路を動作させることと、コリオリ出力レート信号がコリオリセンス信号に基づき、かつフィードバック信号がコリオリセンス信号に基づいて加速度計に提供される、閉ループ制御を使用して、コリオリ信号経路を動作させることと、を含む。
種々の代替的な実施形態において、該方法は、共振器信号経路品質係数（Ｑ）を測定することと、ジャイロスコープが動作している間に、共振器信号経路Ｑにおける変動に基づいて、ジャイロスコープ感度における変動を補正することと、をさらに含み得る。
追加の実施形態が開示および特許請求され得る。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
共振器質量、およびコリオリ出力レート信号を発生させるための加速度計を有する、振動ジャイロスコープのためのジャイロスコープ制御回路を備える装置であって、前記ジャイロスコープ制御回路が、
共振器センス信号に含有される振幅情報を使用せずに、前記共振器センス信号に基づいて、前記共振器質量の移動を駆動するように構成される、開ループ共振器信号経路制御回路を含む、共振器信号経路と、
コリオリセンス信号に基づいて前記コリオリ出力レート信号を生成するように、かつ前記コリオリセンス信号に基づいてフィードバック信号を前記加速度計に提供するように構成される、閉ループコリオリ信号経路制御回路を含む、コリオリ信号経路と、を備える、装置。
（項目２）
前記ジャイロスコープが動作している間に、共振器信号経路Ｑにおける変動に基づいて、ジャイロスコープ感度における変動を補正するように構成されるＱ補正回路をさらに備える、上記項目に記載の装置。
（項目３）
前記Ｑ補正回路が、
前記共振器信号経路Ｑを測定するように構成されるＱ測定回路を備える、上記項目のいずれか一項に記載の装置。
（項目４）
前記Ｑ補正回路が、
前記測定された共振器信号経路Ｑと、前記閉ループコリオリ信号経路制御回路によって発生される前記コリオリ出力レート信号とを組み合わせて、補正されたコリオリ出力レート信号を生成する、乗算器をさらに備える、上記項目のいずれか一項に記載の装置。
（項目５）
前記Ｑ補正回路が、前記Ｑ測定回路から前記開ループ共振器信号経路制御回路までのフィードバックループをさらに備え、前記開ループ共振器信号経路制御回路が、共振器信号経路Ｑにおける変動を低減するように、前記測定された共振器信号経路Ｑに基づいて、共振器駆動信号を調節するようにさらに構成される、上記項目のいずれか一項に記載の装置。
（項目６）
前記Ｑ測定回路が、前記ジャイロスコープが動作的である間に、異なる駆動力に応答して、前記共振器質量の性能パラメータを評価するように構成される、上記項目のいずれか一項に記載の装置。
（項目７）
前記ジャイロスコープが、モード整合されている、上記項目のいずれか一項に記載の装置。
（項目８）
前記共振器信号経路および前記コリオリ信号経路は、前記ジャイロスコープの感度が共振器信号経路品質係数（Ｑ）とともに直接変動するように、互いに比例する変換係数を有する、上記項目のいずれか一項に記載の装置。
（項目９）
ＡＳＩＣウエハをさらに備え、前記共振器制御回路が、前記ＡＳＩＣウエハ上に形成される、上記項目のいずれか一項に記載の装置。
（項目１０）
ジャイロスコープシステムであって、
共振器質量、およびコリオリ出力信号を発生させるための加速度計を含む、ジャイロスコープと、
（ａ）共振器センス信号に含有される振幅情報を使用せずに、前記共振器センス信号に基づいて、前記共振器質量の移動を駆動するように構成される、開ループ共振器信号経路制御回路を含む、共振器信号経路、および（ｂ）コリオリセンス信号に基づいてコリオリ出力レート信号を生成するように、かつ前記コリオリセンス信号に基づいて、フィードバック信号を前記加速度計に提供するように構成される、閉ループコリオリ信号経路制御回路を含む、コリオリ信号経路を含む、ジャイロスコープ制御回路と、を備える、ジャイロスコープシステム。
（項目１１）
前記ジャイロスコープ制御回路が、前記ジャイロスコープが動作している間に、共振器信号経路Ｑにおける変動に基づいて、ジャイロスコープ感度における変動を補正するように構成される、Ｑ補正回路をさらに含む、上記項目のいずれか一項に記載のジャイロスコープシステム。
（項目１２）
前記Ｑ補正回路が、
前記共振器信号経路Ｑを測定するように構成されるＱ測定回路を備える、上記項目のいずれか一項に記載のジャイロスコープシステム。
（項目１３）
前記Ｑ補正回路が、
前記測定された共振器信号経路Ｑと、前記閉ループコリオリ信号経路制御回路によって生成される前記コリオリ出力レート信号とを組み合わせて、補正されたコリオリ出力レート信号を生成する、乗算器をさらに備える、上記項目のいずれか一項に記載のジャイロスコープシステム。
（項目１４）
前記Ｑ補正回路が、前記Ｑ測定回路から前記開ループ共振器信号経路制御回路までのフィードバックループをさらに備え、前記開ループ共振器信号経路制御回路が、共振器信号経路Ｑにおける変動を低減するように、前記測定された共振器信号経路Ｑに基づいて、共振器駆動信号を調節するようにさらに構成される、上記項目のいずれか一項に記載のジャイロスコープシステム。
（項目１５）
前記Ｑ測定回路が、前記ジャイロスコープが動作的である間に、異なる駆動力に応答して、前記共振器質量の性能パラメータを評価するように構成される、上記項目のいずれか一項に記載のジャイロスコープシステム。
（項目１６）
前記ジャイロスコープが、モード整合されている、上記項目のいずれか一項に記載のジャイロスコープシステム。
（項目１７）
前記共振器信号経路および前記コリオリ信号経路は、前記ジャイロスコープの感度が共振器信号経路品質係数（Ｑ）とともに直接変動するように、互いに比例する変換係数を有する、上記項目のいずれか一項に記載のジャイロスコープシステム。
（項目１８）
前記共振器制御回路が、ＡＳＩＣウエハ上に実装され、前記ジャイロスコープが、前記ＡＳＩＣウエハに結合される別個のＭＥＭＳウエハ上に実装される、上記項目のいずれか一項に記載のジャイロスコープシステム。
（項目１９）
前記共振器制御回路および前記ジャイロスコープが、共通のウエハ上に実装される、上記項目のいずれか一項に記載のジャイロスコープシステム。
（項目２０）
共振器質量を含む共振器信号経路を有し、かつコリオリ出力レート信号を生成するための加速度計を含むコリオリ信号経路を有する、振動ジャイロスコープを動作させる方法であって、
共振器センス信号に含有される振幅情報を使用せずに、前記共振器センス信号に基づいて、前記共振器質量の移動が駆動される、開ループ制御を使用して、前記共振器信号経路を動作させることと、
前記コリオリ出力レート信号がコリオリセンス信号に基づき、かつフィードバック信号が前記コリオリセンス信号に基づいて前記加速度計に提供される、閉ループ制御を使用して、前記コリオリ信号経路を動作させることと、を含む、方法。
（項目２１）
共振器信号経路品質係数（Ｑ）を測定することと、
前記ジャイロスコープが動作している間に、共振器信号経路Ｑにおける変動に基づいて、ジャイロスコープ感度における変動を補正することと、をさらに含む、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
（摘要）
振動ジャイロスコープシステムのためのジャイロスコープ制御回路は、開ループＲＳＰ制御回路と、閉ループＣＳＰ制御回路とを含む。ジャイロスコープ制御回路は、共振器信号経路Ｑにおける変動に起因するジャイロスコープ感度における変動を補正するためのＱ補正回路を任意に含み得る。共振器信号経路およびコリオリ信号経路は、ジャイロスコープの感度が共振器信号経路品質係数（Ｑ）とともに直接変動するように、互いに比例する変換係数を有し得る。
実施形態の前述の特徴は、添付の図面への参照とともに、以下の発明を実施するための形態を参照することによって、より容易に理解されよう。
図１は、当該技術分野において既知のように、ジャイロスコープおよび例示的な開ループＲＳＰ制御回路を有する、ジャイロスコープシステムを示す概略図である。
図２は、当該技術分野において既知のように、ジャイロスコープおよび例示的な閉ループＲＳＰ制御回路を有する、ジャイロスコープシステムを示す概略図である。
図３は、当該技術分野において既知のように、ジャイロスコープおよび例示的な閉ループＣＳＰ制御回路を有する、ジャイロスコープシステムを示す概略図である。
図４は、１つの具体的な例示的実施形態に従う、ジャイロスコープと、共振器軸Ｑの測定された概算に基づいて、後処理補正を実施するように構成されるＱ補正回路を有するジャイロスコープ制御回路とを含む、ジャイロスコープシステムを示す概略図である。
図５は、１つの具体的な例示的実施形態に従う、ジャイロスコープと、共振器軸Ｑ変動を補正するために、ＲＳＰ駆動を調節するように構成されるＱ補正回路を有するジャイロスコープ制御回路とを含む、ジャイロスコープシステムを示す概略図である。
前述の図面およびその中に描写される要素は、必ずしも一貫した縮尺またはいかなる縮尺でも描画されるわけではないことに留意するべきである。別途文脈が示唆しない限り、同様の要素は、同様の数字によって示される。
背景技術において述べられるように、振動ジャイロスコープシステムは、基準系に対する何らかの慣性質量、および何らかの支持回路の回転を感知するために使用される、センサ（ジャイロスコープ）から成る。振動ジャイロスコープの動作は、コリオリ効果に基づく。したがって、ジャイロスコープは、２つの直交軸を有する。一般的に述べると、慣性質量は、第１の軸に沿っていくらかの速度を有するように駆動され、さらに、質量は、典型的に共振構造であり、そのため、この軸は、共振器軸と称される。コリオリ効果に起因して、質量が、観測基準系に対して回転するとき、第２の軸に沿って及ぼされるコリオリ力が存在する。第２の軸は、コリオリ軸と称される。コリオリ軸上の力の効果を感知することができ、回転を計算することができる。
支持回路は、少なくとも２つの機能を提供する。第１に、支持回路は、共振器軸に沿って質量を運動へと駆動する。この回路は、ジャイロスコープとともに、共振器信号経路（ＲＳＰ）、または単純に共振器と称される。第２に、支持回路は、コリオリ軸に沿って信号を感知する。この回路は、ジャイロスコープとともに、コリオリ信号経路（ＣＳＰ）、または加速度計と称される。
一般的に述べると、各信号経路は、本特許出願の目的上、「開」制御、「開ループ」制御、および「閉ループ」制御と称される、３つのタイプの制御機構のうちの１つを使用して動作させることができる。本説明および添付の特許請求の範囲において使用される際、以下の用語は、別途文脈が必要としない限り、示される意味を有するものとする。
「開」ＲＳＰ制御機構または回路（本明細書において、単純に「開ＲＳＰ」と称され得る）は、質量の駆動された運動に基づいて、システム動作の１つ以上のパラメータを調整するように、いかなるフィードバックループも伴わずに、質量の運動を駆動する。ＲＳＰ「開」制御の例は、質量の感知された運動に基づいて、駆動信号を調節するように、いかなるタイプのフィードバックループも伴わずに、共振器軸に沿って質量の運動を誘導するように、駆動信号（例えば、固定振幅クロック）を１組の駆動電極に提供する、駆動回路である。ＲＳＰ「開」制御の別の例は、Ｋ．Ｙ．Ｐａｒｋ，ｅｔ ａｌ．，“Ｌａｔｅｒａｌｌｙ ｏｓｃｉｌｌａｔｅｄ ａｎｄ ｆｏｒｃｅ−ｂａｌａｎｃｅｄ ｍｉｃｒｏ ｖｉｂｒａｔｏｒｙ ｒａｔｅ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｆｉｓｈ ｈｏｏｋ ｓｈａｐｅ ｓｐｒｉｎｇｓ，”Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，ｐｐ．４９４−４９９，１９９７（以降「Ｐａｒｋ参照文献」）において示されており、ここでは、方程式５は、フィードバック信号に言及せずに、１組の駆動電極（「卓立形状コームドライブ」電極と称される）に印加される電圧を説明する。開ＲＳＰにおいて、励起の周波数は、印加された駆動信号によってのみ判定され、慣性質量の特性に必ずしも関係しないことに留意するべきである。
「開ループ」ＲＳＰ制御機構または回路（本明細書において、単純に「開ループＲＳＰ」と称され得る）は、振動の振幅または質量の速度を調整することなく、質量の振動を維持するように、フィードバック経路を含む。図１は、当該技術分野において既知のように、ジャイロスコープ１０２および例示的な開ループＲＳＰ制御回路１２０を有する、ジャイロスコープシステム１００を示す概略図である。開ループＲＳＰ制御回路１２０とジャイロスコープ１０２との組み合わせは、リミットサイクル挙動を使用して振動を維持する、ポジティブフィードバックループを形成する。ループは、ループの周囲の位相シフトがゼロ度に等しい場合、振動を維持する。それによって、開ループＲＳＰの動作は、周波数の関数である、ジャイロスコープにおける位相シフトに対して敏感である。この特性は、開ＲＳＰの動作とは対照的に、ジャイロスコープの共振周波数において、正確に振動を保持するために使用することができる。具体的には、１組の共振器センス電極１０４からの信号は、センス増幅器１２１によって増幅され、位相ロックループ（ＰＬＬ）コントローラ１２２に送給され、これは、次に、駆動増幅器１２３によって１組の共振器駆動電極１０６に提供される、駆動信号周波数および位相を設定する。開ループＲＳＰ制御回路１２０は、共振器質量の振幅または速度を調整しないため、したがって、それがフィードバックループを含むとしても、本特許出願の文脈内では、それは、閉ループよりもむしろ開ループであると見なされる。例えば、Ｃ．Ｔ．−Ｃ．Ｎｇｕｙｅｎ，“Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓ ｆｏｒ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ ａｎｄ ｆｉｌｔｅｒｓ，”Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，ｐｐ．４８９−４９９，１９９５にあるように、共振時に共振器軸を駆動するためにポジティブフィードバックループを使用することもまた、先行技術である。本特許出願の文脈内では、ＮｇｕｙｅｎのＲＳＰ制御回路は、ここでのポジティブフィードバックの使用が、単純に振動を保持するため（即ち、減衰および抵抗に起因するエネルギー損失を置き換えるため）であることから、開ループＲＳＰであると見なされる。
「開ループ」ＣＳＰ制御機構または回路（本明細書において単純に「開ループＣＳＰ」と称され得る）は、質量の感知された運動に基づいて、システム動作の１つ以上のパラメータを調整するように、いかなるフィードバックループも伴わずに、質量の運動を感知する。ＣＳＰ「開」制御の例は、例えば、加速度計試験質量（ＲＳＰの共振質量であり得るか、または別個の質量であり得る）をコリオリ軸に沿った公称位置に戻すため、フィードバックループを伴わない加速度計からのセンス信号を処理して加速度計に戻すセンス回路である。開ループＣＳＰは、例えば、Ｆ．Ａｙａｚｉ，Ｋ．Ｎａｊａｆｉ，“Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ−ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｐｏｌｙｓｉｌｉｃｏｎ ｖｉｂｒａｔｉｎｇ ｒｉｎｇ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ，”Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，ｐｐ．６２１−６２６，１９９８（以降、「Ａｙａｚｉ参照文献」）にあるように、コリオリ信号を読み出すための従来の方法である。この場合、感知電子機器は、コリオリ軸に沿ったジャイロスコープにおけるいかなる変化（この場合、キャパシタンスにおける変化）も観測する。Ａｙａｚｉ参照文献はまた、共振器軸が、駆動電極を介して、正弦波静電力で駆動される、開ループＲＳＰを説明すると思われる。恐らく、この励起は、ほぼ共振器軸の共振周波数である（その中では、プライマリモードとして説明される）。
「閉ループ」ＲＳＰ制御機構または回路（本明細書において、単純に「閉ループＲＳＰ」と称され得る）は、共振器の速度振幅制御のためのネガティブフィードバック回路を含む。図２は、当該技術分野において既知のように、ジャイロスコープ２０２および例示的な閉ループＲＳＰ制御回路２２０を有する、ジャイロスコープシステム２００を示す概略図である。閉ループＲＳＰ制御回路２２０は、共振器質量の共振周波数および共振の振幅の両方を感知し、センス増幅器２２１出力において固定振幅を保持するように、駆動増幅器２２３によって１組の共振器駆動電極２０６に提供される駆動信号を調整する、フィードバックループを含む。具体的には、１組の共振器センス電極２０４からの信号は、センス増幅器２２１によって増幅される。センス増幅器２２１からの出力は、位相ロックループ（ＰＬＬ）コントローラ２２２および振幅検出器２２４の両方に提供される。ＰＬＬ２２２は、駆動増幅器２２３に対する駆動信号周波数および位相を設定する一方、振幅検出器２２４出力は、駆動増幅器２２３の出力電圧を調節するように、自動利得制御電圧（Ｖａｇｃ）と組み合わされる。駆動増幅器２２３の出力は、１組の共振器駆動電極２０６に提供される。閉ループＲＳＰ制御回路２２０は、共振器質量の振幅または速度を調整するため、したがって、本特許出願の文脈内では、それは、閉ループであると見なされる。共振器軸に振幅制御要素を追加することもまた、先行技術であり、例えば、Ｔ．Ｋ．Ｔａｎｇ，ｅｔ ａｌ．，“Ａ ｐａｃｋａｇｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ ＭＥＭＳ ｖｉｂｒａｔｏｒｙ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ ｆｏｒ ｍｉｃｒｏｓｐａｃｅｃｒａｆｔ，”Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，ｐｐ．５００−５０５，１９９７（以降、「Ｔａｎｇ参照文献」）にあるように、これもまた、共振器軸に振幅制御要素を追加する。本特許出願の文脈内では、Ｔａｎｇの振幅制御要素は、ネガティブフィードバックループが、共振器軸に沿って質量のピーク変位をサーボ制御するために使用されるため、閉ループＲＳＰと見なされる。ピーク変位以外のＲＳＰパラメータを制御するためにネガティブフィードバック（閉ループＲＳＰ）を使用することもまた、先行技術である。例えば、閉ループＲＳＰは、Ｒ．Ｌｅｌａｎｄ，“Ａｄａｐｔｉｖｅ ｍｏｄｅ ｔｕｎｉｎｇ ｆｏｒ ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｌ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ，”ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ．１１，ｎｏ．２，ｐｐ．２４２−２４７，Ｍａｒｃｈ ２００３にあるように、共振周波数を制御するために使用することができる。
「閉ループ」ＣＳＰ制御機構（本明細書において、単純に「閉ループＣＳＰ」と称され得る）は、静電力が、コリオリ力を均衡化するように、コリオリ軸に沿って印加される、力フィードバック回路を含む。図３は、当該技術分野において既知のように、ジャイロスコープ３０２および例示的な閉ループＣＳＰ制御回路３１０を有する、ジャイロスコープシステム３００を示す概略図である。閉ループＣＳＰ制御回路３１０は、コリオリ軸に沿った質量の変位を感知し、質量をその自然の位置において保持するようにフィードバック信号を調節する、フィードバックループを含む。具体的には、１組のコリオリ軸センス電極３０８からの信号は、センス増幅器３１１によって増幅され、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）３１２によってデジタル値に変換される。このデジタル値は、ジャイロスコープシステム３００に対する出力レート信号３５０を表し、かつデジタル・アナログ変換器（ＤＡＣ）を介して、１組のコリオリ軸駆動電極３１０に送給し戻される。Ｐａｒｋ参照文献もまた、閉ループＣＳＰ制御の例を提供する。
「組」は、１つ以上の要素を含有する。本特許出願の文脈内で使用される際、１組の電極は、１つの電極を含み得るか、または複数の電極を含み得る。
一部の文脈において、「ジャイロスコープ」という用語は、共振器質量、加速度計試験質量（共振器質量自体または別個の質量であり得る）、ならびに、共振器質量の運動を駆動するため、加速度計試験質量の運動を感知するため、および典型的には他の機能（例えば、開ループＲＳＰもしくは閉ループＲＳＰ制御等のための共振器質量の運動の感知、および／または閉ループＣＳＰ制御等のための加速度計試験質量への力の印加）のために使用される、種々の組の電極等のジャイロスコープシステムの機械的ジャイロスコープ構造を指すために使用される。他の文脈において、「ジャイロスコープ」という用語は、機械的ジャイロスコープ構造および関連するジャイロスコープ制御回路を含む、ジャイロスコープシステム全体を指すために、一般的に使用される。
開または開ループ制御機構を使用する主な利点は、単純性である。しかしながら、ジャイロスコープ等の機械的システムは、しばしば、本質的に不安定であり、温度変化または環境ストレスとともにしばしば変動する。閉ループ制御機構を使用する主な利点は、温度または環境ストレスの効果等の特定のパラメータ（複数を含む）における変動を制御することができるということである。典型的なネガティブフィードバック構成では、ループ利得がユニティよりもはるかに大きいことのみを気にする。この場合、閉ループ利得は、フィードバック係数に依存する。
背景技術において述べられるように、多くの現在の振動ジャイロスコープは、ロバスト感度のために開ループＣＳＰおよび閉ループＲＳＰを使用する。これは、システムをＣＳＰ Ｑに対して敏感であるままにする。次いで、共振器およびコリオリモードは、周波数において意図的に分割され、そのため、コリオリ軸の励起は共振外であり、かつコリオリＱに対して敏感ではない。この手法は、モード分割が工場において行われ得、寿命の間は十分に安定したままである場合の、低Ｑ共振器に対して有効である。高Ｑジャイロスコープに関しては、モード分割に起因するＱの低減が、高Ｑ構造を使用することの利益を無効にするであろうことから、これは、許容可能な解決策ではない。別の解決策は、温度に対して感度を較正することであろう。しかしながら、これは、高価であり、例えば、マルチパス自動試験機器（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｅｓｔ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ：ＡＴＥ）試験を伴い、かつ信頼性がより低い。
例えば、Ｒ．Ｏｂｏｅ，Ｅ．Ｌａｓａｌａｎｄｒａ，“Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａ ｚ−ａｘｉｓ ＭＥＭＳ ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｌ ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ，”ＩＥＥＥ／ＡＳＭＥ Ｔｒａｎｓ． ｏｎ Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ．１０，ｎｏ．４，ｐｐ．３６４−３７０，Ａｕｇｕｓｔ ２００５にあるように、閉ループＲＳＰおよびＣＳＰの両方を同時に使用することもまた既知である。この構成において、システムは、Ｑに対して敏感ではないが、フィードバック経路における変換機構、例えば、フィードバック電圧から、ジャイロスコープに印加される機械的力への変換に対しては敏感である。多くのジャイロスコープシステムは、環境ストレスに対して非常に敏感である変換機構を有する。
本発明の実施形態において、振動ジャイロスコープシステムのためのジャイロスコープ制御回路は、開ループＲＳＰ制御回路と、閉ループＣＳＰ制御回路とを含む。本発明者の知る限り、開ループＲＳＰと閉ループＣＳＰとのこの組み合わせは、振動ジャイロスコープにおいて使用されていないが、以下で述べられるように、有利であり得る。
典型的に（必須ではないが）、ジャイロスコープは、モード整合される。モード整合は、様々な方法のうちのいずれにおいても実施することができる。例えば、ジャイロスコープ機械的構造は、共振器およびコリオリ軸モードが整合するように設計され得るか、またはジャイロスコープ制御回路は、モード整合サーボ（例えば、出願時点で主題特許出願と共同所有されていた、かつそれら全体において参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第８，１５１，６４１号および米国特許第８，６１６，０５５号に説明されるように）を含むことができる。
閉ループＣＳＰでは、利得（コリオリ力からＣＳＰ出力へ）は、ループ利得がユニティよりもはるかに大きい場合、変換係数Ｙ−１（電圧から力へ）の関数である。したがって、ＣＳＰ利得は、Ｑおよび任意の他のＣＳＰ利得が十分に大きい限り、センサ品質係数Ｑに依存しない。以下の方程式は、１つの例示的な実施形態に従う、閉ループＣＳＰに対する感度の概算を提供する。
コリオリ力（ＦＣＯＲ）は、以下の通りに表すことができる：

ＦＣＯＲ＝２ｍＡｇΩｚｖｅｌＲＥＳ

式中、
Ａｇ＝角利得、
ｍ＝質量、および
ｖｅｌＲＥＳ＝共振器軸速度。
フィードバック力（ＦＦＢ）は、以下の通りに表すことができる：

ＦＦＢ＝ＤｏｕｔＶｄａｃＶｂｄＣ／ｄｘ

式中、
Ｄｏｕｔ＝出力ビット、
Ｖｄａｃ＝ＤＡＣフルスケール、
Ｖｂ＝フィードバック電極間隙にわたるバイアス、および
ｄＣ／ｄｘ＝変位に伴うキャパシタンスにおける変化。
フィードバックは、フィードバック力をコリオリ力と同一視することによって作用する。感度（Ｓ）に対する並べ替えは、以下をもたらす：

Ｓ＝Ｄｏｕｔ／Ωｚ＝（２ｍＡｇｄｘ ｖｅｌＲＥＳ）／（Ｖｄａｃ Ｖｂ ｄＣ）。
開ループＲＳＰでは、質量の速度は、変換係数Ｘ（電圧から力へ）、およびセンサ品質係数Ｑの積の関数である（即ち、力から速度に転換する）。以下の方程式は、１つの例示的な実施形態に従う、開ループＲＳＰに対する共振器速度の概算を提供する。
力に変換された固定駆動（ＦＲＥＳ）は、以下の通りに表すことができる：

ＦＲＥＳ＝Ｖｒｄ Ｖｂ ｄＣ／ｄｘ

式中、

Ｖｒｄ＝共振器駆動電圧。
この力は、以下の通りに速度（ｖｅｌＲＥＳ）に転換する：

ｖｅｌＲＥＳ＝（Ｑｒ ＦＲＥＳ）／（ｍ ωｒ）

式中、

ｍ＝共振器質量、
ωｒ＝共振器軸共振、および
Ｑｒ＝共振器軸品質係数。
これらの方程式を組み合わせることにより、以下をもたらす：

ｖｅｌＲＥＳ＝（Ｑｒ／ｍωｒ）Ｖｒｄ Ｖｂ ｄＣ／ｄｘ
上の方程式は、平行板変換を想定する（即ち、所与の軸に対して、ｄＣ／ｄｘ＝εＡ／ｇ２であり、式中、ｇは電極間隙であり、Ａは電極面積である）が、結果は、すべての変換がコームフリンジング（ｃｏｍｂ ｆｒｉｎｇｉｎｇ）で置き換えられた場合（即ち、ｄＣ／ｄｘ＝ｙεｈ／ｇ、式中、「ｙ」は電界のフリンジ部分を表す）、非常に類似するであろうことに留意するべきである。
コリオリ効果は、回転率およびＲＳＰ速度の積に比例する力を説明する。次いで、このコリオリ力は、ＣＳＰによって処理されて、出力信号を発生する。典型的に（必ずではないが）、変換係数ＸおよびＹは、互いに比例し、ＣＳＰおよびＲＳＰが、静電起動のための同様の方法を使用する（例えば、両方が類似のコーム電極を使用するか、または両方が類似の平行板電極を使用する）ことを想定する。このため、上で説明されるように、開ループＲＳＰおよび閉ループＣＳＰを使用すると、全体のシステム感度（入力回転からＣＳＰ出力へ）は、以下の通りにＸ、Ｙ−１、および共振器軸Ｑの積に関連する：

Figure 0006157026
 式中、

ｇｃｄ＝コリオリ軸力フィードバック電極間隙、
Ａｃｄ＝コリオリ軸力フィードバック電極面積、
ｇｒｄ＝共振器軸駆動電極間隙、および
Ａｒｄ＝共振器軸駆動電極面積。
このため、システム感度は、共振器軸Ｑに依存する（例えば、感度は、上の方程式におけるＱｒとともに変動する）。変換係数ＸおよびＹが、ＸおよびＹ−１の積が実質的に一定であるように、互いに比例すると想定すると、システム感度は、本質的に共振器軸Ｑにのみ依存する（例えば、感度は、上の方程式におけるＱｒとともに直接変動する）。
したがって、システム感度を環境変動に関してロバストにするために、ある代替的な実施形態は、共振器軸品質係数（Ｑ）における変動に対して調節するための補正回路をさらに含む。共振器軸Ｑにおける変動は、様々な方法において、補正回路によって調節することができる。
ある実施形態において、補正回路は、共振器軸Ｑの概算を測定するように、および共振器軸Ｑの測定された概算に基づいて後処理補正を実施するように構成される。共振器軸Ｑは、例えば、当該技術分野において既知のように、チャーピング、スイーピング、または曲線フィッティング技術を使用して、測定することができる。位相ロックループシステムにおいて、Ｑは、例えば、バイナリ分周器チェーンにおけるタップからの共振フィードバックに切り替えられた４５度の位相シフトによって誘導される周波数シフトから測定することができる。代替的に、Ｑは、共振からの既知の周波数シフトによって（例えば、共振周波数、およびかつ共振周波数＋／−５％における、共振質量の振幅を測定すること）、または相対的な−３ｄＢ帯域幅の逆数によって誘導される振幅変化から測定することができる。米国特許第８，７０１，４５９号もまた、共振器軸Ｑを測定するための技術を説明しており、この特許は、出願時に主題特許出願と共同所有され、かつその全体において参照により本明細書に組み込まれる。
共振器軸Ｑはまた、Ｑｕａｌｉｔｙ Ｆａｃｔｏｒ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒｓと題する、本出願と同日に出願された関連する米国仮特許出願第６２／１４４，１２６号（その全体において参照により本明細書に組み込まれる）に説明される技術を使用して測定することができる。ここでは、振動ＭＥＭＳ共振器の品質係数を測定することは、ジャイロスコープが動作的である間に、異なる駆動力に応答して、共振器の性能パラメータを評価することを含む。例えば、補正回路は、第１の振幅を有し、かつ第１の持続時間を有する、駆動信号を印加し、次いで、第１の振幅における駆動信号の印加の間の第１の時間に、共振器の運動のパラメータを測定することによって、共振器が振動に駆動される、第１の位相と、第１の振幅未満の第２の振幅における駆動信号を印加し、次いで、第２の振幅における駆動信号の印加の間の第２の時間に、共振器の運動のパラメータを再測定することによって、共振器が駆動される、第２の位相との間で交互し得る。例として、一部の実施形態において、共振器の運動のパラメータは、共振器の運動の振幅である。他の実施形態において、共振器の運動のパラメータは、共振器の速度であり、なお他の実施形態において、共振器の運動のパラメータは、共振器の速度に比例する電流である。
図４は、１つの具体的な例示的実施形態に従う、ジャイロスコープ４０２と、共振器軸Ｑの測定された概算に基づいて、後処理補正を実施するように構成されるＱ補正回路を有するジャイロスコープ制御回路とを含む、ジャイロスコープシステム４００を示す概略図である。ここでは、ジャイロスコープ制御回路は、閉ループＣＳＰ制御回路４１０（例えば、図３に示されるタイプの）と、開ループＲＳＰ制御回路４２０（例えば、図１に示されるタイプの）と、継続的に共振器軸Ｑを測定するＱ測定回路４３０を有するＱ補正回路とを含む。Ｑ補正回路はまた、Ｑ測定回路４３０からの測定された共振器軸Ｑと、閉ループＣＳＰ制御回路４１０によって発生されたコリオリ出力信号とを組み合わせて、出力レート信号４５０を生成する、乗算器４４０を含む。
ある代替的な実施形態において、補正回路は、Ｑ変動を補正するために、即ち、様々な動作パラメータ（例えば、温度）にわたって一定の共振器軸速度を保持しようとするために、ＲＳＰ駆動をさらに調節するように構成される。これは、駆動電圧における変化がジャイロスコープのＱに影響しないであろうことから、依然として開ループＲＳＰであり、そのため、フィードバックループが存在しないことに留意されたい。
図５は、１つの具体的な例示的実施形態に従う、ジャイロスコープ５０２と、共振器軸Ｑ変動を補正するために、ＲＳＰ駆動を調節するように構成されるＱ補正回路を有するジャイロスコープ制御回路とを含む、ジャイロスコープシステム５００を示す概略図である。ここでは、ジャイロスコープ制御回路は、閉ループＣＳＰ制御回路５１０（例えば、図３に示されるタイプの）と、開ループＲＳＰ制御回路５２０（例えば、図１に示されるタイプの）と、継続的に共振器軸Ｑを測定するＱ測定回路５３０を有するＱ補正回路とを含む。Ｑ補正回路はまた、Ｑ測定回路５３０からの測定された共振器軸Ｑと、閉ループＣＳＰ制御回路５１０によって発生されたコリオリ出力信号とを組み合わせて、出力レート信号５５０を生成する、乗算器５４０を含む。Ｑ補正回路は、駆動増幅器５２３によって発生され、Ｑ測定回路５３０からの測定された共振器軸Ｑに基づいて１組の共振器駆動電極５０６に提供される、駆動信号を調節するように、フィードバックループ５６０をさらに含む。
上で述べられるＴａｎｇ参照文献等における、開ループＣＳＰおよび閉ループＲＳＰは、システム感度がコリオリ軸Ｑに比例することを除き、類似であることに留意するべきである。しかしながら、共振器軸とは異なり、コリオリ軸は、その励起がデバイスの回転に依存するため、一般的に、ジャイロスコープの通常動作の間に、継続的に励起されないので、コリオリ軸Ｑを補正することは、より困難である。
上で説明されるタイプのジャイロスコープ制御回路は、機械的ジャイロスコープ構成要素とは別個のデバイスにおいて実装され得る（例えば、ジャイロスコープ制御回路は、機械的ジャイロスコープ構造を含有する別個のＭＥＭＳウエハに後に結合されるＡＳＩＣウエハ上に形成され得る）か、または機械的ジャイロスコープ構成要素と同じデバイスにおいて実装され得る（例えば、ジャイロスコープ制御回路および機械的ジャイロスコープ構造は、統合されたＭＥＭＳプロセス等において、共通のウエハ上に形成され得る）ことに留意するべきである。このため、本発明の実施形態は、ジャイロスコープ制御回路単独、および機械的ジャイロスコープ構造と組み合わせてかかるジャイロスコープ制御回路を含む、ジャイロスコープシステムの両方を含むことができる。
通信、転送、または２つ以上のエンティティを含む他のアクティビティを表すために、図面において、矢印が使用され得ることに留意するべきである。両端矢印は、概して、アクティビティが両方向において生じ得ることを示す（例えば、コマンド／要求が一方の方向において、対応する応答が他方の方向において、またはいずれかのエンティティによって開始されるピアツーピア通信）が、一部の状況において、アクティビティは、必ずしも両方向において生じない場合がある。片端矢印は、概して、排他的または主に一方の方向におけるアクティビティを示すが、ある状況において、かかる方向性のアクティビティは、実際、両方向におけるアクティビティを含み得ることに留意するべきである。このため、特定のアクティビティを表すために特定の図面において使用される矢印のタイプは、例示的であり、制限として見なされるべきではない。
上で説明されるジャイロスコープ制御回路は、多くの異なる形態において具現化され得、かつ関連するプログラマブル論理、個別の構成要素、集積回路（例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ））、またはこれらの任意の組み合わせを含む任意の他の手段を伴う、関連するコンピュータプログラム論理、プログラマブル論理デバイス（例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、もしくは他のＰＬＤ）を伴う、プロセッサ（例えば、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、もしくは汎用コンピュータ）を含み得る。説明される機能性のいくつかまたは全てを実装するコンピュータプログラム論理は、コンピュータが実行可能な形態に変換され、コンピュータが読み取り可能な媒体にそのようなものとして記憶され、オペレーティングシステムの制御下でマイクロプロセッサによって実行される、１組のコンピュータプログラム命令として、典型的に実装される。説明される機能性のいくつかまたは全てを実装するハードウェアベースの論理は、１つ以上の適切に構成されたＦＰＧＡを使用して実装され得る。
本明細書において先で説明される機能性の全てまたは一部を実装するコンピュータプログラム論理は、ソースコード形態、コンピュータが実行可能な形態、および種々の中間形態（例えば、アセンブラ、コンパイラ、リンカ、もしくはロケータによって生成される形態）を含むが、これらに限定されない、種々の形態において具現化され得る。ソースコードは、種々のオペレーティングシステムまたはオペレーティング環境とともに使用するための種々のプログラミング言語（例えば、オブジェクトコード、アセンブリ言語、またはＦｏｒｔｒａｎ、Ｃ、Ｃ＋＋、ＪＡＶＡ（登録商標）、もしくはＨＴＭＬ等の高級言語）のうちのいずれかにおいて実装される、一連のコンピュータプログラム命令を含み得る。ソースコードは、種々のデータ構造および通信メッセージを定義および使用し得る。ソースコードは、コンピュータが実行可能な形態（例えば、インタープリタを介して）であり得るか、またはソースコードは、コンピュータが実行可能な形態に変換され得る（例えば、トランスレータ、アセンブラ、もしくはコンパイラを介して）。
本明細書において先で説明される機能性の全てまたは一部を実装するコンピュータプログラム論理は、単一のプロセッサ上で異なる時間に実行され得る（例えば、同時に）か、または複数のプロセッサ上で同じもしくは異なる時間に実行され得、単一のオペレーティングシステムプロセス／スレッドの下で、もしくは異なるオペレーティングシステムプロセス／スレッドの下で、実行され得る。このため、「コンピュータプロセス」という用語は、概して、異なるコンピュータプロセスが、同じまたは異なるプロセッサ上で実行されるかどうかにかかわらず、かつ異なるコンピュータプロセスが、同じオペレーティングシステムプロセス／スレッドまたは異なるオペレーティングシステムプロセス／スレッドの下で実行されるかどうかに関わらず、１組のコンピュータプログラム命令の実行を指す。
コンピュータプログラムは、半導体メモリデバイス（例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、もしくはフラッシュプログラマブルＲＡＭ）、磁気メモリデバイス（例えば、ディスケットもしくは固定ディスク）、光メモリデバイス（例えば、ＣＤ−ＲＯＭ）、ＰＣカード（例えば、ＰＣＭＣＩＡカード）、または他のメモリデバイス等の有形記憶媒体に永続的または一時的のいずれかで、任意の形態（例えば、ソースコード形態、コンピュータが実行可能な形態、もしくは中間形態）において固定され得る。コンピュータプログラムは、アナログ技術、デジタル技術、光技術、無線技術（例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標））、ネットワーキング技術、およびインターネットワーキング技術を含むが、これらに限定されない、種々の通信技術のうちのいずれかを使用して、コンピュータに伝送可能である信号において、任意の形態において固定され得る。コンピュータプログラムは、添付の印刷もしくは電子文書（例えば、シュリンクラップされたソフトウェア）を伴う取り外し可能な記憶媒体として任意の形態で配布され得るか、コンピュータシステム（例えば、システムＲＯＭもしくは固定ディスク上）でプレロードされ得るか、または通信システム（例えば、インターネットもしくはワールドワイドウェブ）上のサーバもしくは電子掲示板から配布され得る。
本明細書において先で説明される機能性の全てまたは一部を実装するハードウェア論理（プログラマブル論理デバイスとともに使用するためのプログラマブル論理を含む）は、従来の手動的な方法を使用して設計され得るか、あるいはコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）、ハードウェア記述言語（例えば、ＶＨＤＬもしくはＡＨＤＬ）、またはＰＬＤプログラミング言語（例えば、ＰＡＬＡＳＭ、ＡＢＥＬ、もしくはＣＵＰＬ）等の種々のツールを使用して、電子的に設計、捕捉、シミュレーション、もしくは文書化され得る。
プログラマブル論理は、半導体メモリデバイス（例えば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、もしくはフラッシュプログラマブルＲＡＭ）、磁気メモリデバイス（例えば、ディスケットもしくは固定ディスク）、光メモリデバイス（例えば、ＣＤ−ＲＯＭ）、または他のメモリデバイス等の有形記憶媒体に永続的または一時的のいずれかで固定され得る。プログラマブル論理は、アナログ技術、デジタル技術、光技術、無線技術（例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標））、ネットワーキング技術、およびインターネットワーキング技術を含むが、これらに限定されない、種々の通信技術のうちのいずれかを使用して、コンピュータに伝送可能である信号において固定され得る。プログラマブル論理は、添付の印刷もしくは電子文書（例えば、シュリンクラップされたソフトウェア）を伴う取り外し可能な記憶媒体として配布され得るか、コンピュータシステム（例えば、システムＲＯＭもしくは固定ディスク上）でプレロードされ得るか、または通信システム（例えば、インターネットもしくはワールドワイドウェブ）上のサーバまたは電子掲示板から配布され得る。当然のことながら、本発明の一部の実施形態は、ソフトウェア（例えば、コンピュータプログラム製品）およびハードウェアの両方の組み合わせとして実装され得る。本発明のさらに他の実施形態は、完全にハードウェアまたは完全にソフトウェアとして実装される。
重要なことに、本発明の実施形態は、本明細書において説明される非従来の方法を実施するようにプログラムもしくは構成されるときに非従来のデバイスもしくはシステムをもたらす、従来のコンピュータ（例えば、既製ＰＣ、メインフレーム、マイクロプロセッサ）、従来のプログラマブル論理デバイス（例えば、既製ＦＰＧＡもしくはＰＬＤ）、または従来のハードウェア構成要素（例えば、既製ＡＳＩＣもしくは個別のハードウェア構成要素）等の従来の構成要素を採用し得ることに留意するべきである。このため、特殊なプログラミングもしくは構成がなければ、従来の構成要素は、説明される非従来の方法を本質的に実施しないため、実施形態が従来の構成要素を使用して実装されるときでさえ、得られるデバイスおよびシステム（例えば、本明細書において説明されるジャイロスコープ制御回路）は必然的に非従来的であることから、本明細書において説明される本発明に関して従来的なものは何もない。
本発明は、本発明の真の範囲から逸脱することなく、他の具体的な形態において具現化され得、かつ多数の改変および修正は、本明細書の教示に基づいて、当業者には明らかであろう。「発明」へのいかなる言及も、本発明の例示的な実施形態を指すことが意図され、かつ別途文脈が必要としない限り、本発明の全ての実施形態を指すと解釈されるべきではない。説明される実施形態は、全ての点において、制限ではなく例解として考慮されるものとする。

Claims (21)

  1. 共振器質量、およびコリオリ出力レート信号を発生させるための加速度計を有する、振動ジャイロスコープのためのジャイロスコープ制御回路を備える装置であって、前記ジャイロスコープ制御回路が、
    共振器センス信号に含有される振幅情報を使用せずに、前記共振器センス信号に基づいて、前記共振器質量の移動を駆動するように構成される、開ループ共振器信号経路制御回路を含む、共振器信号経路と、
    コリオリセンス信号に基づいて前記コリオリ出力レート信号を生成するように、かつ前記コリオリセンス信号に基づいてフィードバック信号を前記加速度計に提供するように構成される、閉ループコリオリ信号経路制御回路を含む、コリオリ信号経路と、を備える、装置。
  2. 前記ジャイロスコープが動作している間に、共振器信号経路Ｑにおける変動に基づいて、ジャイロスコープ感度における変動を補正するように構成されるＱ補正回路をさらに備える、請求項１に記載の装置。
  3. 前記Ｑ補正回路が、
    前記共振器信号経路Ｑを測定するように構成されるＱ測定回路を備える、請求項２に記載の装置。
  4. 前記Ｑ補正回路が、
    前記測定された共振器信号経路Ｑと、前記閉ループコリオリ信号経路制御回路によって発生される前記コリオリ出力レート信号とを組み合わせて、補正されたコリオリ出力レート信号を生成する、乗算器をさらに備える、請求項３に記載の装置。
  5. 前記Ｑ補正回路が、前記Ｑ測定回路から前記開ループ共振器信号経路制御回路までのフィードバックループをさらに備え、前記開ループ共振器信号経路制御回路が、共振器信号経路Ｑにおける変動を低減するように、前記測定された共振器信号経路Ｑに基づいて、共振器駆動信号を調節するようにさらに構成される、請求項３に記載の装置。
  6. 前記Ｑ測定回路が、前記ジャイロスコープが動作的である間に、異なる駆動力に応答して、前記共振器質量の性能パラメータを評価するように構成される、請求項３に記載の装置。
  7. 前記ジャイロスコープが、モード整合されている、請求項１に記載の装置。
  8. 前記共振器信号経路および前記コリオリ信号経路は、前記ジャイロスコープの感度が共振器信号経路品質係数（Ｑ）とともに直接変動するように、互いに比例する変換係数を有する、請求項１に記載の装置。
  9. ＡＳＩＣウエハをさらに備え、前記ジャイロスコープ制御回路が、前記ＡＳＩＣウエハ上に形成される、請求項１に記載の装置。
  10. ジャイロスコープシステムであって、
    共振器質量、およびコリオリ出力レート信号を発生させるための加速度計を含む、ジャイロスコープと、
    （ａ）共振器センス信号に含有される振幅情報を使用せずに、前記共振器センス信号に基づいて、前記共振器質量の移動を駆動するように構成される、開ループ共振器信号経路制御回路を含む、共振器信号経路、および（ｂ）コリオリセンス信号に基づいて前記コリオリ出力レート信号を生成するように、かつ前記コリオリセンス信号に基づいて、フィードバック信号を前記加速度計に提供するように構成される、閉ループコリオリ信号経路制御回路を含む、コリオリ信号経路を含む、ジャイロスコープ制御回路と、を備える、ジャイロスコープシステム。
  11. 前記ジャイロスコープ制御回路が、前記ジャイロスコープが動作している間に、共振器信号経路Ｑにおける変動に基づいて、ジャイロスコープ感度における変動を補正するように構成される、Ｑ補正回路をさらに含む、請求項１０に記載のジャイロスコープシステム。
  12. 前記Ｑ補正回路が、
    前記共振器信号経路Ｑを測定するように構成されるＱ測定回路を備える、請求項１１に記載のジャイロスコープシステム。
  13. 前記Ｑ補正回路が、
    前記測定された共振器信号経路Ｑと、前記閉ループコリオリ信号経路制御回路によって生成される前記コリオリ出力レート信号とを組み合わせて、補正されたコリオリ出力レート信号を生成する、乗算器をさらに備える、請求項１２に記載のジャイロスコープシステム。
  14. 前記Ｑ補正回路が、前記Ｑ測定回路から前記開ループ共振器信号経路制御回路までのフィードバックループをさらに備え、前記開ループ共振器信号経路制御回路が、共振器信号経路Ｑにおける変動を低減するように、前記測定された共振器信号経路Ｑに基づいて、共振器駆動信号を調節するようにさらに構成される、請求項１２に記載のジャイロスコープシステム。
  15. 前記Ｑ測定回路が、前記ジャイロスコープが動作的である間に、異なる駆動力に応答して、前記共振器質量の性能パラメータを評価するように構成される、請求項１２に記載のジャイロスコープシステム。
  16. 前記ジャイロスコープが、モード整合されている、請求項１０に記載のジャイロスコープシステム。
  17. 前記共振器信号経路および前記コリオリ信号経路は、前記ジャイロスコープの感度が共振器信号経路品質係数（Ｑ）とともに直接変動するように、互いに比例する変換係数を有する、請求項１０に記載のジャイロスコープシステム。
  18. 前記ジャイロスコープ制御回路が、ＡＳＩＣウエハ上に実装され、前記ジャイロスコープが、前記ＡＳＩＣウエハに結合される別個のＭＥＭＳウエハ上に実装される、請求項１０に記載のジャイロスコープシステム。
  19. 前記ジャイロスコープ制御回路および前記ジャイロスコープが、共通のウエハ上に実装される、請求項１０に記載のジャイロスコープシステム。
  20. 共振器質量を含む共振器信号経路を有し、かつコリオリ出力レート信号を生成するための加速度計を含むコリオリ信号経路を有する、振動ジャイロスコープを動作させる方法であって、
    共振器センス信号に含有される振幅情報を使用せずに、前記共振器センス信号に基づいて、前記共振器質量の移動が駆動される、開ループ制御を使用して、前記共振器信号経路を動作させることと、
    前記コリオリ出力レート信号がコリオリセンス信号に基づき、かつフィードバック信号が前記コリオリセンス信号に基づいて前記加速度計に提供される、閉ループ制御を使用して、前記コリオリ信号経路を動作させることと、を含む、方法。
  21. 共振器信号経路品質係数（Ｑ）を測定することと、
    前記ジャイロスコープが動作している間に、共振器信号経路Ｑにおける変動に基づいて、ジャイロスコープ感度における変動を補正することと、をさらに含む、請求項２０に記載の方法。
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