(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面共振子に隣接する複数の容量電極のうちの少なくとも１つの検出電極が、前記平面共振子の寄生振動モードの少なくとも１つのアンチノードに近接して配設された状態で、前記平面共振子の前記寄生振動モードの振幅を検出するステップと、
前記寄生振動モードの前記振幅に対して比例電圧を生成するステップと、
前記平面共振子の前記寄生振動モードの前記少なくとも１つのアンチノードに近接して配設された、前記平面共振子に隣接する前記複数の容量電極のうちの少なくとも１つの駆動電極に対し、前記比例電圧から生成された駆動電圧を印加することにより、前記寄生振動モードを減衰させるステップと、
を含む、平面共振子を作動させる方法。
【請求項２】
前記平面共振子が円板共振子を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記円板共振子が、中央で装着され、かつ円周方向にスロットが設けられた円板を備え、前記複数の容量電極が、前記円板共振子内の埋め込み電極を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つの検出電極が、前記円板共振子を巡る前記少なくとも１つの駆動電極の外周に存在する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記平面共振子の回転を測定するために、前記平面共振子がジャイロとして作動される、請求項１から４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記少なくとも１つの検出電極が、仕切られた複数の検出電極を含んで、前記寄生振動モードの前記振幅を検出する差動検出信号をもたらす、請求項１から５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記平面共振子は、中央装着点を有する円板共振子を含み、前記寄生振動モードの前記振幅を検出する前記仕切られた複数の検出電極が、少なくとも１つの内側寄り検出電極と少なくとも１つの外側寄り検出電極との間に仕切られる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記駆動電圧を印加するステップは、広帯域ＤＣ容量検出を用いて、コモンモードの位置および速度を能動的に制御するステップを含む、請求項１から７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
平面共振子と、
前記平面共振子に隣接し、かつ前記平面共振子の寄生振動モードの少なくとも１つのアンチノードに近接して配設された複数の容量電極であって、前記平面共振子の寄生振動モードの振幅を検出するための少なくとも１つの検出電極を含む、複数の容量電極と、
前記寄生振動モードの前記振幅に対して比例電圧を生成するための検出回路と、
前記平面共振子の前記寄生振動モードの前記少なくとも１つのアンチノードに近接して配設された、前記平面共振子に隣接する前記複数の容量電極のうちの少なくとも１つの駆動電極に対して、前記比例電圧から生成された駆動電圧を印加することにより、前記寄生振動モードを減衰させるためのフィードバックコントローラと、
を備える、センサ。
【請求項１０】
前記平面共振子が円板共振子を含む、請求項９に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記円板共振子が、中央で装着され、かつ円周方向にスロットが設けられた円板を備え、前記複数の容量電極が、前記円板共振子内の埋め込み電極を含む、請求項１０に記載のセンサ。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの検出電極が、前記円板共振子を巡る前記少なくとも１つの駆動電極の外周に存在する、請求項１１に記載のセンサ。
【請求項１３】
前記平面共振子の回転を測定するために、前記平面共振子がジャイロとして作動される、請求項９から１２のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの検出電極が、仕切られた複数の検出電極を含んで、前記寄生振動モードの前記振幅を検出する差動検出信号をもたらす、請求項９から１３のいずれかに記載のセンサ。
【請求項１５】
前記平面共振子が、中央装着点を有する円板共振子を含み、前記寄生振動モードの前記振幅を検出する前記仕切られた複数の検出電極が、少なくとも１つの内側寄り検出電極と、少なくとも１つの外側寄り検出電極との間に仕切られる、請求項１４に記載のセンサ。
【請求項１６】
前記駆動電圧の印加は、広帯域ＤＣ容量検出を用いた、コモンモードの位置および速度の能動的な制御を含む、請求項９から１５のいずれかに記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景
内部で動いているプルーフマスの検出された慣性反応に基づいて、移動しているプラットホームの方向を判定するために、機械式ジャイロが用いられる。通常の電気機械ジャイロは、懸架されたプルーフマスと、ジャイロケースと、ピックオフと、トルカと、読出電子機器とを備える。慣性プルーフマスは、ジャイロケースから内部へと懸架され、該ジャイロケースは、プラットホームに固定されてプラットホームの慣性運動を伝達し、それ以外はプルーフマスを外部擾乱から隔絶する。プルーフマスの慣性運動を検出するピックオフと、この運動を維持または調節するトルカと、プルーフマスのごく近くになければならない読出電子機器とは、ケースの内側に装着され、該ケースはさらに、プラットホーム電子機器および電源への電気貫通接続をもたらす。該ケースは、ジャイロを車輌プラットホームに装着し整合させる標準的な機械的界面ももたらす。ジャイロは、様々な形態で、航空機や宇宙機等の車輌の重要なセンサとして採用されることが多い。これらは一般的に、航行術や、自由物体の方位を自律的に判定する必要があるあらゆる場合に有用である。
【背景技術】
【０００２】
旧型の従来の機械式ジャイロは、現在の標準からすれば非常に重い機構で、比較的大きなスピニングマスを採用していた。数多の最近の技術により、ジャイロの新しい形態がもたらされ、これにはレーザジャイロや光ファイバジャイロ等の光学式ジャイロや、機械式振動ジャイロが含まれる。
【０００３】
宇宙機は概して、姿勢制御の補助を慣性レート検出設備に頼っている。現在これは、高価な従来型のスピニング・マス・ジャイロ（たとえばＫｅａｒｆｏｔｔ社の慣性基準装置）または従来式に加工された振動ジャイロ（たとえばＬｉｔｔｏｎ社の半球共振子ジャイロ慣性基準装置）によって行われることが多い。しかし、これらは共に非常に高価で、大きく、重い。
【０００４】
さらに、従来技術による対称振動ジャイロがいくつか製造されてきたが、これらの振動推進力は、ケースを介して直接車輌プラットホームに伝えられる。この伝達または結合により、外部擾乱およびエネルギ損失が慣性レート入力と区別できなくなり、検出誤差やドリフトを招く。かかる振動ジャイロの一例が、Ｔａｎｇ他の米国特許第５，８９４，０９０号に見出され、該特許は、対称的なクローバ葉状の振動ジャイロの設計を記載している。他の平面音叉ジャイロは、ベースプレートから振動をある程度絶縁し得るが、これらのジャイロは調整された動作に望まれる振動対称性を欠く。
【０００５】
さらに、半球共振子ジャイロや振動薄型リングジャイロ等のシェル・モード・ジャイロが、望ましい絶縁の属性や振動対称性の属性をいくらか有することで知られている。しかし、これらの設計は、薄型平面シリコン微細加工に関して、不適であるか、または重大な制限がある。半球共振子は、半球の広い円筒状の側面を、高感度の静電気検出センサや効果的なアクチュエータに利用している。しかし、その高いアスペクト比と立体的にカーブした形状のために、安価な薄型平面シリコン微細加工には向かない。薄型リングジャイロ（たとえば米国特許第６，２８２，９５８号）は、平面シリコン微細加工には適しているが、デバイスの広い平面の面積を活用した静電気検出センサやアクチュエータを欠いている。さらに、このジャイロのケースは、共振子プルーフマスと材料が同じでないために、ピックオフやトルカの共振子プルーフマスに対するアライメントが温度により変化し、ジャイロドリフトをもたらす結果となる。
【０００６】
ケースの、またはケース内側の共振子の低周波震動支持体を用いた振動絶縁も公知である（たとえば、米国特許第６，００９，７５１号）。しかし、このように絶縁を増強すると、比例的に震動マスが重くなり、かつ／または支持周波数が低くなるという代償が伴う。これらの影響は両方とも、加速状態でプルーフマスがミスアライメントを起こすために、小型の戦術的慣性計測装置（ＩＭＵ）の用途にとって望ましくない。
【０００７】
さらに、以前のシリコンマイクロジャイロ（たとえば、米国特許第５，８９４，０９０号）の規模は、航行術または指向性能に関して最適化できず、望まれるよりも高いノイズとドリフトをもたらす結果となる。この問題は、薄いエピタキシャル成長シリコン屈曲部の面外曲げに依存して、０．１％の厚み精度に制限される臨界振動周波数を定めていることに由来する。したがって、デバイスのサイズは数ミリメータに制限される。かかる設計は、振動の非対称性または不均衡に起因する高いドリフトを呈するとともに、低い質量のために熱機械ノイズが増し、また低い容量センサ面積のためにセンサ電子機器ノイズによるレート誤差が増すことに起因する、高レートのノイズを呈する。
【０００８】
非分離型シリコンマイクロジャイロの規模拡大にも問題があり、これは共振子Ｑに改善が見られず、またケースに感応するドリフトも低減することなしに、外部エネルギ損失が増加するためである。３Ｄ製造精度において何倍もの改良が加えられたｃｍ規模の分離型共振子が、非常に低ノイズの指向性能または航行術性能に関して求められる。
【０００９】
水晶半球ジャイロまたはシェルジャイロ等の従来式に加工された航法グレード共振子は、たとえば３０ｍｍもの大きな規模で最適なノイズおよびドリフト性能と３Ｄ製造精度とを有するが、かかるジャイロは高価で製造に時間がかかる。微細加工シリコン振動ジャイロは、より小規模で損失が低下し、ドリフト性能が向上するが、規模が小さくなると、ピックオフノイズが増加し、機械的精度が低下するので、従来のシリコン設計では規模の縮小に限界がある。機械式共振子の従来のレーザトリミングは、製造精度を幾分かさらに向上できる。しかし、このプロセスは、機械的間隙が狭いマイクロジャイロには不適であり、分解能が限られているため、最終的な調整プロセスにおいてさらに大きな静電バイアス調節を必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
最近、平面共振子ジャイロデバイスがいくつか開発され（たとえば、円板共振子ジャイロ）、これらは実質的に無垢の平面共振子の面内振動モードの励起および検出により作動する。これらの平面共振子は、より容易に製造かつパッケージングされる小型パッケージにおいてより大きな駆動・検出面積を可能とすることにより、たとえば半球共振子またはシェル共振子等の設計よりも特性が向上されている。たとえば、発行日２００５年９月２０日の「ＩＮＴＥＧＲＡＬ  ＲＥＳＯＮＡＴＯＲ  ＧＹＲＯＳＣＯＰＥ」と題するＳｈｃｈｅｇｌｏｖ他による米国特許第６，９４４，９３１号、および発行日２００６年５月９日の「ＩＳＯＬＡＴＥＤ  ＰＬＡＮＡＲ  ＧＹＲＯＳＣＯＰＥ  ＷＩＴＨ  ＩＮＴＥＲＮＡＬ  ＲＡＤＩＡＬ  ＳＥＮＳＩＮＧ  ＡＮＤ  ＡＣＴＵＡＴＩＯＮ」と題するＳｈｃｈｅｇｌｏｖ他による米国特許第７，０４３，１６３号を参照のこと。
【００１１】
上記を鑑み、航行術および宇宙機のペイロード指向、その他の用途について大幅に性能が向上されており、小さく、安価で、製造可能な平面ジャイロに対するニーズが当該技術において存在する。この目的のために、かかるジャイロを作動させてその性能を向上させるシステムおよび方法に対するニーズも存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
概要
性能の改良を得るための平面共振子ジャイロの動作を開示する。高品質平面共振子は、分離型の縮退振動モード対を有するか、または励起されてレート検出誤差を生じさせ得る、慣性レート検出に用いられる差動モード対やその他の寄生振動モードを有する。円板共振子ジャイロ等の平面共振子ジャイロは、容量電極用の広い鉛直方向および水平方向の表面を持つ共振子を有し、振動の１以上の寄生の面内モードまたは面外モードを能動的に減衰させるように作動可能である。電極は、寄生モードのアンチノードにおいて、共振子に隣接する駆動・検出電極の個別の組に配置される。最低周波数面内寄生モード、またはコモンモードに関して、電極の組は、共振子の中央装着点を介して対向する対を構成してよい。よって、該対のうちの一方の電極は、たとえばコモンモードの正のアンチノードに隣接し、該対のうちの他方の電極は、負のアンチノードに隣接する。レート検出に用いられる面内差動モードは、各電極に隣接するアンチノードを有してよいが、これらは常に同じ極性である。駆動差動信号が、駆動電極の対向する対に加えられ、検出差動信号が検出電極の対向する対の間で判定される。したがって、コモンモードに関する差動信号は、好ましくは、ジャイロの作動に使用されて寄生コモンモードを能動的に減衰させる。したがって、差動駆動電極の組に加えられるフィードバック制御信号が検出差動信号に基づいており、慣性レート検出に使用される振動の２つの差動モードに減衰または擾乱が存在しなくなる。このように、寄生面内モードを、アナログオペアンプまたはディジタルフィードバックを介して与える能動的な減衰によって、ジャイロの作動に際して減衰させてよい。
【００１３】
平面共振子を作動するステップを構成する本開示の典型的な方法実施形態は、平面共振子に隣接する複数の容量電極のうちの１以上の検出電極が、平面共振子の寄生振動モードの１以上のアンチノードに近接して配設された状態で、平面共振子の寄生振動モードの振幅を検出するステップと、寄生振動モードの振幅に対して比例電圧を生成するステップと、平面共振子の寄生振動モードの１以上のアンチノードに近接して配設された、平面共振子に隣接する複数の容量電極のうちの少なくとも１以上の駆動電極に対し、比例電圧から生成された駆動電圧を印加することにより、寄生モードを減衰させるステップと、を含む。平面共振子は、円板共振子を含んでよい。さらに、円板共振子は、中央で装着され、かつ円周方向にスロットが設けられた円板を備えてよく、複数の容量電極は、円板共振子内の埋め込み電極を含む。１以上の検出電極を、円板共振子を巡る１以上の駆動電極の外周に配設してよい。通常は、平面共振子の回転を測定するために、平面共振子はジャイロとして作動される。比例電圧をアナログまたはディジタルのいずれかの制御回路により生成して、共振子の制御を行ってよい。駆動電圧を印加するステップは、広帯域ＤＣ容量検出を用いて、コモンモードの位置および速度を能動的に制御するステップを含んでよい。
【００１４】
一部の実施形態では、１以上の検出電極が、仕切られた複数の検出電極を含んで、寄生振動モードの振幅を検出する差動検出信号をもたらしてよい。この場合、平面共振子は、中央装着点を有する円板共振子を含んでよく、寄生振動モードの振幅を検出するための仕切られた複数の検出電極は、１以上の内側寄り検出電極と１以上の外側寄り検出電極との間に仕切られる。
【００１５】
同様に、本開示のセンサ実施形態は、平面共振子と、平面共振子に隣接し、かつ平面共振子の寄生振動モードの１以上のアンチノードに近接して配設された複数の容量電極を含んでよい。複数の容量電極は、平面共振子の寄生振動モードの振幅を検出するための１以上の検出電極を含んでよい。寄生振動モードの振幅に対して比例電圧を生成するために検出回路が用いられ、平面共振子の寄生振動モードの１以上のアンチノードに近接して配設された、平面共振子に隣接する複数の容量電極のうちの少なくとも１以上の駆動電極に対して、比例電圧から生成された駆動電圧を印加することにより、寄生モードを減衰させるために、フィードバックコントローラが用いられる。本開示のセンサ実施形態を、平面共振子を作動させるための本書に記載された方法実施形態と合致するようにさらに変更してよい。
【００１６】
本開示のさらなる実施形態は、平面共振子を作動させる方法を含んでよく、平面共振子の中央装着点を介して対向する駆動対をなすように、少なくとも１組の駆動電極を仕切るステップと、平面共振子の中央装着点を介して対向する検出対をなすように、少なくとも１組の検出電極を仕切るステップと、駆動電極の対向する駆動対間の駆動差動信号を判定するステップと、検出電極の対向する検出対間の検出差動信号を判定するステップと、駆動差動信号と検出差動信号とに基づいて、駆動電極の組に対してフィードバック制御信号を加えるステップと、を含む。平面共振子の回転を測定するために、平面共振子は円板共振子を含んでよく、ジャイロとして作動されてよい。寄生モード減衰用に選択された電極を組み合わせて検出信号および駆動信号を生成することで、レート検出に用いられる差動モードまたはコリオリモードが観測も制御もできなくなるように構成してもよい。
【００１７】
駆動電極の組にフィードバック制御信号を加えるステップは、平面共振子の少なくとも１つの寄生振動モードを能動的に減衰させるステップを含んでよい。平面共振子の少なくとも１つの寄生振動モードを能動的に減衰させるステップに、検出差動信号に適用される比例コントローラを適用してもよい。たとえば、共振子の運動を、埋め込み差動検出電極に接続されたトランスインピーダンスアンプの対により検出する場合には、出力電圧差信号は共振子速度に比例しており、固定の負のフィードバックゲインを用いて対応する差動制御電極に対する電圧駆動をなす。比例コントローラを、アナログまたはディジタル制御回路により実現してよい。
【００１８】
一部の実施形態では、駆動電極の第１組を、平面共振子の第１の振動モードの第１軸に沿って配設してよく、検出電極の第１組を、該第１軸に直交して配設してよい。フィードバック制御信号を加えるステップは、第１の振動モードを駆動して検出するステップを含む。さらに、駆動電極の第２組を、平面共振子の第２の振動モードの第２軸に沿って配設してよく、検出電極の第２組を、該第２軸に直交して配設してよい。フィードバック制御信号を加えるステップは、第２の振動モードを駆動して検出するステップを含む。
【００１９】
一部の実施形態では、フィードバック制御信号を加えるステップは、寄生モード周波数周辺の信号に、第１の狭帯域フィルタリングを施すステップも含んでよく、これにより、寄生モード運動に感応した差動電極における不均衡に起因する、レート検出に用いられるコリオリモードに対するあらゆる擾乱を防ぐ。あるいは、寄生振動モードのアンチノードにおいて平面共振子に隣接する１以上の電極であって、アンチノード運動に比例する信号を生成する差動対をなすことなく接続される電極が、平面共振子を制御するための狭帯域フィルタリングで十分に、レート検出を妨害することなく寄生モードを能動的に減衰させ得る。
【００２０】
円板共振子等の平面共振子は、鉛直方向および水平方向の広い表面を有しており、他の多くの電極配置を能動的な寄生モード減衰に利用できるようにする。たとえば、鉛直方向のリング表面に隣接する、レート検出電極に使用されない個別の埋め込み電極を、寄生面内モード減衰に用いてよく、あるいはベース表面またはキャップ表面上のリングの下部または上部に載置された電極を、円板共振子の第１軸モードまたは第１の２つの揺動モード等の寄生面外モード減衰に用いてよい。
【００２１】
同様に、本開示の他のセンサ実施形態は、平面共振子の中央装着点を介して対向する駆動対をなすように仕切られた少なくとも１組の駆動電極と、平面共振子の中央装着点を介して対向する検出対をなすように仕切られた少なくとも１組の検出電極とを有する、平面共振子と、駆動電極の対向する駆動対間の駆動差動信号を判定し、検出電極の対向する検出対間の検出差動信号を判定し、検出差動信号に基づいて、駆動電極の組に対してフィードバック制御信号を加えるための、制御回路と、を備える。本開示のさらなるセンサ実施
形態を、平面共振子を作動させるための本書に記載の方法実施形態に合致するようにさらに変更してよい。
【００２２】
さて、同様の参照番号が対応の部分を示している図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１Ａ】本開示の実施形態にしたがって作動可能な、ジャイロまたは慣性センサ用の分離型共振子の概略上面図を描出する。
【図１Ｂ】図１Ａの平面共振子ジャイロ例の側面図を描出する。
【図１Ｃ】本開示の実施形態により作動可能な平面共振子構造例のパターンを例示する。
【図１Ｄ】共振子例の第１差動モードに関する従来の電極動作を例示する。
【図２Ａ】円板共振子ジャイロ例の動作原理を例示する。
【図２Ｂ】円板共振子ジャイロ例の第１の面内差動縮退振動モードを例示する。
【図３Ａ】マス運動の中心がある第１の２つの面内コモン縮退振動モードを例示する。
【図３Ｂ】マス運動の中心がある第１の２つの面内コモン縮退振動モードを例示する。
【図４Ａ】マス運動の中心が無い第１の２つの面内差動縮退振動モードを例示する。
【図４Ｂ】マス運動の中心が無い第１の２つの面内差動縮退振動モードを例示する。
【図５】通常差動モード動作に基づいて用いられる検出・制御電極を持つモデルを例示する。
【図６Ａ】本開示による動作に基づいて用いられる拡張的な検出・制御電極を持つモデル例を例示する。
【図６Ｂ】本開示による動作に基づいて用いられる検出・制御電極を持つ第２のモデル例を例示する。
【図６Ｃ】本開示の実施形態のための制御回路例の図である。
【図７】本開示による平面共振子を作動させる方法例のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
好ましい実施形態の詳細な説明
１．概観
好ましい実施形態の以下の説明において、本出願の一部をなし、開示が実施され得る具体的な実施形態を例示により示す添付の図面が参照される。他の実施形態を利用してもよく、構造上の変更が、本開示の範囲を逸脱することなく施されてよいと理解すべきである。
【００２５】
前述のように、本開示の実施形態は、中央剛性軸体に支持され、かつ丈の低い無垢の円筒共振子、または相当量の利用可能な内部共振子容積を有する円板を利用することにより検出能力が実質的に増強された平面共振子に適用でき、所望の共振子内部運動の測定について著しく多くの検出を導入することを可能とする。シェルやリングではなく、円板等の平面素子をこのように使用することにより、相当量の上面および底面の面積と、さらなるセンサを装着するための大きな内部容積がもたらされる。円板は、円筒シェルと同様の好ましいラジアルモードをもたらす。
【００２６】
本開示の実施形態は、概して分離型振動ジャイロを記述する。概して、本開示の実施形態は、埋め込み検出および駆動を採用し、単一の中央ノード支持体と、一体型（および分散型）プルーフマスおよび屈曲サスペンションと、総面積の大きい拡張的な容量電極とを持つ所望の軸対称共振子を有する平面微細加工シリコンジャイロを提供する。本開示による共振子全体、埋め込み電極、および一体的なケース壁は、単一のシリコンウェハから作
製できるという利点がある。
【００２７】
シリコンリング共振子（たとえば米国特許第６，２８２，９５８号）は、大面積の内部容量センサおよびアクチュエータを有さず、また可撓性の支持梁を必要としない。他の水晶半球共振子ジャイロは立体的であるため、微細加工できず埋め込み電極を有しない。支柱マス型共振子ジャイロは、角度ゲインが高く、大面積の検出素子を有し、したがって他の設計よりも優れたノイズ性能を有しているが、単一の中央ノード支持体について共振子分離特性が最適化されておらず、個別に組み立てられた支柱プルーフマスを採用することが多い。さらに、本開示のような、一体的に製造され完全に差動的な埋め込み電極は、より高い熱と振動の性能に関して望ましいものであるが、個別の支柱プルーフマス共振子ジャイロまたは面外ジャイロについては実施不可能である。
【００２８】
リングジャイロの主要な問題は、薄型リング周りの検出面積が元来小さく、支持梁が可撓性であるか、または相互に作用することである。立体半球ジャイロは、より丈高の側面を有して大面積の容量検出に向いているが、別体の円周電極の円筒またはカップの組み込みが、検出と励起のためになお必要である。中央支持体と円周電極を持つ丈高の円筒も、この問題に直面する。中央支持体と、円板の上面または底面に装着された圧電および／または電磁ワイヤセンサおよびアクチュエータとを持つ丈の低い無垢の円筒または円板が、小面積の非埋め込みセンサの問題を解決する。しかし、この開示のある好ましい実施形態は、後述の例示的実施形態において示される、複数のスロットが設けられた円板共振子である。
【００２９】
２．平面共振子ジャイロの例
図１Ａは、本開示の実施形態にしたがって作動可能なジャイロまたは慣性センサ用の分離型共振子の概略上面図を描出する。このジャイロは、剛性中央支持体１０６により支持され面内振動用に設計された、独特の平面共振子１００を備える。この例示的実施形態では、共振子１００は、同心の円周区分１０４Ａ〜１０４Ｅから形成された１１６Ａ〜１１６Ｄ（概して１１６と呼ぶ）等の多数のスロットを含む円板を備える。円周区分１０４Ａ〜１０４Ｅは、径方向区分１０２Ａ〜１０２Ｅにより支持される。共振子の全体の直径は、性能上の要件により異なり得る。たとえば、１６ｍｍ径の共振子では、比較的高い加工精度と低いノイズが得られる。共振子をさらに洗練させることで、大幅に低減されたコストでたった４ｍｍの共振子径が達成できる。
【００３０】
図１Ｂは、ベースプレート１１２に組み立てられた本開示による分離型共振子１００の例の概略側面図を描出する。中央支持体１０６が、ベースプレート１１２上の共振子１００を支持する。共振子１００内のスロット１１６のうち少なくともいくつかは、ベースプレート１１２上の柱１１４にも支持されている埋め込み電極１０８Ａ〜１０８Ｄへのアクセスをもたらす。電極１０８Ａ〜１０８Ｄは、共振子１００の円周区分１０４Ａ〜１０４Ｅのうち少なくともいくつかを備える容量性間隙１１０Ａ〜１１０Ｈ（外側寄り間隙１１０Ａ，１１０Ｃ，１１０Ｆおよび１１０Ｈならびに内側寄り間隙１１０Ｂ，１１０Ｄ，１１０Ｅおよび１１０Ｇ）をなす。これらの電極１０８Ａ〜１０８Ｄは、共振子１００の径方向の励起とともに、共振子１００の検出運動をもたらす。これを容易にするために、電極１０８Ａ〜１０８Ｄの各々は、複数の別個の素子に分割されて、共振子の制御および検出を向上させる。たとえば、図示のような環状電極１０８Ｂは、２以上の素子に分割でき、そのうち少なくとも１つが外側寄り間隙１１０Ｃにわたって作用し、少なくとも１つが内側寄り間隙１１０Ｄにわたって作用する。これらの素子を別々に励起することにより、共振子に振動が誘発されて、電極１０８Ｂの位置において共振子１００にバイアス反応を生起する。
【００３１】
概して、検出の向上のために、励起電極１０８Ｂ，１０８Ｃは、電極１０８Ａ，１０８
Ｄ（すなわち共振子１００の外側スロット内）よりも中央支持体１０６（すなわち共振子１００の内側スロット内）に近く配設される。しかし、励起・検出電極１０８Ａ〜１０８Ｄの配置と分布は、望みどおりに変更できる。さらなる実施形態において、追加の電極も共振子１００にバイアスをかけるために使用可能であり、静電調整または不均一性の除去をもたらす。かかるバイアス電極も、励起・検出電極として複数の別個の素子を備えることができる。
【００３２】
１以上の追加の電極１４０，１４２を平面共振子１００に隣接して配設してよい。電極１４０，１４２は、平面共振子１００の上部と下部にそれぞれ単一の素子として示されているが、各電極は、独立して制御可能な複数の個別の素子を備えてもよい。上部電極１４０は共振子を収容する筐体の内面上に配設されてよく、下部電極１４２はベースプレート１１２上に配設されてよい。下部電極１４２は、埋め込み電極１０８Ａ〜１０８Ｄと剛性中央支持体１０６との間に得られる面積に限定される。追加の電極１４０，１４２は、平面共振子１００の制御を向上させるために使用されてよい。これらの容量電極１４０，１４２は、軸方向加速度または角加速度の測定とともに、円板共振子ジャイロの軸方向モードおよび揺動モードの能動的な減衰のために使用されてよい。
【００３３】
たとえばジャイロの一部としての平面共振子１００の動作を以下の項において記述する。概して、これらの様々な電極（共振子に埋め込まれたもの、または共振子に隣接するもの）は、制御回路１４４が各電極に接続された状態で、平面共振子の振動モードを駆動し、かつ共振子の動きに対するこれらのモードにおける反応を検出するのに用いられる。制御回路１４４の設計は、本書における教示内容にしたがって当業者ならば容易に開発できるであろう。
【００３４】
図１Ｃは、本開示による平面共振子１００の例に関するパターン１２０を例示する。このパターン１２０は、多数の同心の交互配置された円周スロット１２２を採用する。１２２Ａ〜１２２Ｅ等のこれらのスロットのうちのいくつかはより広くなっており、複数の素子電極が収容できるようになっている。たとえば、より広いスロット１２２Ａ，１２２Ｂの外側リングのうちの２つは検出電極用であり、より広いスロットの内側リングのうちの３つは駆動電極用である。残りのスロット１２２は、共振子１００を構造的に調整（たとえば周波数を低下させる）するように機能でき、かつ／または動作中の共振子に能動的にバイアスをかけるために用いられるバイアス電極により占有されてよい。共振子軸およびモード軸１２４が表示されている。パターン１２０が対称的であるので、共振子の動作がそれらの軸を特定する。
【００３５】
共振子１００の例は円板として示されているが、内部検出およびアクチュエーションを用いる他の平面形状も、本開示の原理を応用して可能である。加えて、さらに、単一の中央支持体１０６は共振子を完全に分離できるので望ましいが、１以上のさらなる装着支持体を用いた他の装着構成も可能である。
【００３６】
上述の共振子１００に採用されているように、中央で支持されている無垢の円筒体または円板は、コリオリ検出に適した２つの縮退面内ラジアルモードを有するが、周波数が非常に高く（１００ＫＨｚより大きい）、径方向の容量検出面積が円筒体の高さまたは円板の厚みにしたがって減少する。しかし、図１Ａおよび１Ｂに示す複数のスロットが設けられた円板共振子１００が、これらの問題を克服する。円筒体または円板を貫く複数の環状スロットをエッチングすることによる２つの即効的な利点は、低い周波数（５０ＫＨｚ未満）でのコリオリ検出に適した２つの縮退モードと、大きな検出・バイアス・駆動容量である。低い周波数は、スロットにより径方向での適合度が増すことにより導かれる。大きな検出・バイアス・駆動容量は、共振子へと加工できる多数のスロットによるものである。
【００３７】
図１Ｄは、図１Ｃの共振子の第１の差動モードに関する従来の電極動作を例示する。パターン１２０の共振子１００とともに動作する電極１３６は、左側の図に示されている。パターンの円周を巡って各々９０度の間隔を隔てた電極１２４の４つのグループが用いられる。負の励起素子１２６と正の励起素子１２８は、励起電極の対をなす素子であり、共振子１００を励起するために駆動される。これらの対をなす素子１２６，１２８は、外側寄りの位置における負の素子１２６と、内側寄りの位置における正の素子１２８とで、スロットを共用する。なお、図示のように、対のうちのいくつかは、他の個別の電極対と共通のスロットを共用しており、複数の別々に動作可能な電極が、共通の共振子スロットを共用できることを例示している。検出電極は、より大きい径方向の位置において配設され、負の検出素子１３０と正の検出素子１３２とを備え、これらの素子はともに、共振子１００の運動に関する出力をもたらす。
【００３８】
スロット１１６，１２２間の径方向の均一な間隔が採用できるが、コリオリ検出に適した２つの縮退ラジアルモードが維持されるのならば、他の間隔も用いてよい。加えて、さらなる実施形態では、１０４Ａ〜１０４Ｅのいくつか、または全部の区分に、さらにスロットが設けられて、単一の梁区分が複数の平行な区分を含む複合区分にさらに分割されるようになっている。かかる複合区分の選択的使用を、共振子の周波数の調節とともに、共振子の動作中において区分に応力がかかる間のドリフト性能に対する有害な熱弾性効果を除くことに利用できる。概して、スロットを加えて複合円周区分を形成すると、共振子周波数が低下する。加工誤差の影響は、複数のスロットによっても緩和される。かかる複合区分は、好ましくは円周区分１０４Ａ〜１０４Ｅに適用されるが、この技術は、径方向区分１０２Ａ〜１２０Ｅまたは他の共振子パターンにおける他の区分を用いた設計にも適用できる。
【００３９】
前述の面内設計を採用して、本開示の実施形態は、他の面外ジャイロよりも多くの利点を獲得している。たとえば、中央支持体結合に振動負荷がかからず、あらゆる摩擦力の可能性または保持部による損失のばらつきが排除される。加えて、共振子と電極の同時フォトリソグラフィ加工がスロットを通して達成される。さらに、振動整流（ｖｉｂｒａｔｉｏｎ  ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）を排除するように直径電極容量を合計することができ、軸方向の振動が、容量を第１のオーダーに変化させない。モード対称も、他の設計のようにウェハ厚みによってではなく、主にフォトリソグラフィの対称性によって決まる。（たとえば外側スロットからの）検出容量と（たとえば内側スロットからの）駆動容量の分離と最適化が達成される。本開示の実施形態は、形状的により小さな直径またはより大きな直径、およびより薄いウェハまたはより厚いウェハへと拡張可能な設計をも達成する。加えて、本開示の実施形態を同じ幅のスロットによって全て画定して、加工の均一性と対称性を得ることができる。本開示の実施は、周波数分離を生起するシリコン異方性にも対応できる。たとえば、＜１１１＞シリコンウェハおよび／または異なるスロット幅が使用できる。
【００４０】
上述のように、振動周波数が熱緩和共振に近接することによる高い熱弾性減衰により、短い共振減衰期間と高いジャイロドリフトがもたらされ得る。しかし、スロットの径方向の間隔が、最適な梁幅を画定するように調節でき、多数のスロットが電極間隙を画定するスロット間においてさらにエッチングでき、振動梁幅がさらに低減される。
【００４１】
３．０  平面共振子ジャイロの動作
本開示の実施形態は、性能の改良が得られるように平面共振子ジャイロを作動させる新しい技術に関する。この技術は、平面共振子ジャイロを作動させる原形の技術を、本開示の技術と比較することにより例示することが可能である。以下、本開示の実施形態を、円板共振子ジャイロに関して記述する。しかし、本開示の実施形態は、円板共振子ジャイロ
に限定されない。当業者には、本開示の実施形態が、同じ原理を適用した他の平面共振子に基づくジャイロの動作にも同様に適用可能であることが理解されるであろう。
【００４２】
図２Ａは動作原理を例示し、図２Ｂは円板共振子ジャイロ例（たとえば図１Ａ〜１Ｃに示したもの）の第１の面内差動縮退振動モードを例示する。このモードは、楕円状に整形され、円板共振子２０２の剛性中央支持体に対して反応しない。このモードは、固定の振動振幅で励起され、慣性回転が図２Ａに示すように加えられると、円板共振子２０２構造を構成する相互接続されたリング内に、これらのリングに隣接して埋め込まれた、区分化容量電極を介して、その歳差運動が観察される。歳差運動の量は、慣性回転のうちの厳密に形状的に定められた部分である。図示の例では、定在波振動パターンを、円板共振子２０２のケースを回転させる前の第１の位置２００Ａにおいて例示する。中央で支持される円板共振子２０２に固定されたケースが、表示されているように９０度で回転されるので、歳差運動は、定在波振動パターンを第２の位置２００Ｂ（例ではおよそ３６度時計回り）にずらす。図２Ｂの円板共振子モデル例の第１の面内差動縮退振動モードは、およそｋ＝０．４のコリオリ結合機械的角度ゲインを呈する。検出・制御用の隣接する電極区分は、図２Ｂにおいてリング構造のモデル上に表示されている。
【００４３】
概して、振動ジャイロは、少なくとも１つの振動コリオリモードを能動的に制御して一定の振幅で振動する。第２の出力近傍コリオリモードを能動的に、強制的にゼロ振幅としてもよいし、自由に振動するようにしてもよく、これにより第１モード振動と振動面に垂直な軸沿いの入力慣性レートとの組合せにより生成されるコリオリ力が検出される。振幅をゼロにして再びバランスを取るための閉ループ力、または開ループの歳差運動は、入力慣性レートを表示している。
【００４４】
高品質に、かつ／またはより軽度に減衰された振動を駆動して減衰不均一性による誤ったコリオリレートの表示を回避する、より高性能の振動ジャイロへの要望が高まっている。対称的な、中央で支持された円板共振子ジャイロは、とりわけ等温屈曲部を持つｍｍ規模のシリコン共振子、または断熱屈曲部を持つｃｍ規模の溶融水晶共振子に、本質的に高品質の振動モードをもたらす。しかし、より高い機械品質での振動動作に関する現在の方法の難点は、振動の寄生モードもあまり減衰されておらず、外部の振動または加速に潜在的に強く結びついているということである。
【００４５】
図３Ａおよび３Ｂは、マス運動の中心がある第１の２つの面内縮退振動モードを例示する。これらは、円板共振子例についてのコモンモードであり、寄生モード対の例を図示する。主要なモード軸は、略９０度離されている。ケースの横方向の加速により、直接これらのモードを励起してよい。これらは差動モードと対比できる。
【００４６】
図４Ａおよび４Ｂは、マス運動の中心が無い第１の２つの面内縮退振動モードを例示する。これらは円板共振子例についての差動モードであり、縮退モード対を図示する。これらのモードは、振動ジャイロ動作に関して共通して制御および検出され、ケース加速によって励起できない。主要なモード軸は、略４５度離されている。
【００４７】
高性能のジャイロについて、寄生モードの軽度に減衰された運動を、主要コリオリモード読出電子機器によって検出することがあり、増大されたレートノイズとドリフトにつながる。よって、高性能の振動ジャイロのためには、これらの寄生モードを能動的に減衰または制御することが望ましいであろう。各寄生モードのアンチノードにおいて分離可能な検出・制御電極が存在するように例示的な円板共振子容量駆動・検出電極をさらに仕切ることにより、寄生モードが減衰または制御できることを示すことが出来る。
【００４８】
図５は、典型的動作に基づく検出・制御電極を持つモデル５００を例示する。この有限
要素解析モデル５００は２４４０のノードを含み、隣接する検出または駆動電極にしたがって印を付けられた区分を持つ円板共振子例の内部リングを描いている。図５に示す８つの容量検出電極の区分または組は、円板共振子ジャイロの通常の動作で使用されるように、配線されてＳ１ｐ，Ｓ１ｎ，Ｓ２ｐ，Ｓ２ｎの４つの容量対をなす。この場合、平面共振子の中央装着点を介して対向する検出電極対の各々は、違えられていない。これらの電極対は電気的に接続されている。同様に、制御電極の区分または組は、配線されてＤ１ｐ，Ｄ１ｎ，Ｄ２ｐ，Ｄ２ｎの４つの容量対をなす。ここでも、平面共振子の中央装着点を介して対向する駆動電極対の各々は、違えられていない。なお、電極を、円板共振子を支持するベースプレート上に配設された導電パターンを通して配線してよく、該導電パターンは（たとえば図１Ｂに概略的に示されているような）制御回路に接続される。共振子モデルの個別の領域内の検出・駆動電極は、図５において、「＊」または「＋」により示され、Ｓ１ｐ，Ｓ１ｎ，Ｓ２ｐ，Ｓ２ｎ，Ｄ１ｐ，Ｄ１ｎ，Ｄ２ｐ，またはＤ２ｎの符号が付されている。
【００４９】
円板共振子構造は、電圧ＶＧＢまでバイアスをかけてよく、グランドを基準とした４つのトランスインピーダンス容量検出バッファを、電荷を測定して出力電圧ＶＳ１ｐ，ＶＳ１ｎ，ＶＳ２ｐ，ＶＳ２ｎを生成するために用いてよい。特定された軸１および軸２に関する第１の２つの面内差動モードの検出および制御のために、以下のとおりパラメータを定義してよい。
【００５０】
【数１】
0005389664.tif 000002
【００５１】
このコリオリセンサ界面は、発行日２００２年１０月２２日のＣｈａｌｌｏｎｅｒ他による米国特許第６，４６７，３４６号に記載されている。これに対して、本開示の実施形態は、寄生モードを検出して減衰させるものであり、また駆動・検出電極対を仕切り、各対間の差動信号を利用することで、後述のように、ジャイロの制御を向上させ、性能を改善することが可能である。
【００５２】
図６Ａは、本開示による動作に基づく検出・制御電極を持つモデル例６００を例示する。有限要素解析モデル６００は２０５６のノードを含み、隣接する検出または駆動電極にしたがって印を付けられた区分を持つ円板共振子例の内部リングを描いている。ここで、電極対は、「ａ」と「ｂ」の要素に仕切られ、該要素は電気的に区別されている。第１の２つの面内コモンモードを能動的に減衰させるための検出および制御のために、マスク配線を、８つの容量検出電極（４つの対向する電極対）であるＳ１ｐａ，Ｓ１ｐｂ，Ｓ１ｎａ，Ｓ１ｎｂ，Ｓ２ｐａ，Ｓ２ｐｂ，Ｓ２ｎａ，Ｓ２ｎｂ全てへの個別のアクセスが保たれるように、図５のものから変更してもよい。同様に、駆動電極Ｄ１ｐａ，Ｄ１ｐｂ，Ｄ１ｎａ，Ｄ１ｎｂ，Ｄ２ｐａ，Ｄ２ｐｂ，Ｄ２ｎａ，Ｄ２ｎｂへの個別のアクセスも保たれる。
【００５３】
円板共振子構造は、電圧ＶＧＢまでバイアスをかけてよく、グランドを基準とした８つのトランスインピーダンス容量検出バッファを、電荷を測定して出力電圧ＶＳ１ｐａ，ＶＳ１ｐｂ，ＶＳ１ｎａ，ＶＳ１ｎｂ，ＶＳ２ｐａ，ＶＳ２ｐｂ，ＶＳ２ｎａ，およびＶＳ
２ｎｂを生成するために用いてよい。８つのトランスインピーダンス容量検出バッファ（トランスインピーダンスアンプとも称する）を利用して、電極対間の下記の差動信号を定めることが可能である。米国特許第６，４６７，３４６号に記載されているのと同様の界面を一例にて採用してもよい。
【００５４】
【数２】
0005389664.tif 000003
【００５５】
これらによりコモンモードを完全に観測し制御できる一方、差動モードの完全な可観測性と制御は、下記の信号を定義することにより維持され得る。
【００５６】
【数３】
0005389664.tif 000004
【００５７】
寄生面内コモンモードの各々を減衰させるアンチノード検出・制御容量信号対であるＶＳ１’，ＶＤ１’およびＶＳ２’，ＶＤ２’により、能動的な減衰を実現し得る。この能動的な減衰には、下記の制御法則例を用いたアナログオペアンプまたはディジタルフィードバックを単純に適用してよい。
【００５８】
【数４】
0005389664.tif 000005
【００５９】
フィードバックゲインを選択して減衰期間定数を定義してよい。トランスインピーダンスアンプ信号は、モード速度に比例しているので、この単純な比例容量性力フィードバックで十分である。
【００６０】
トランスインピーダンスアンプの代わりに、高インピーダンス電圧フォロワまたはブートストラップバッファ等の他の容量運動センサを採用してもよい。寄生モード周波数を中心とする狭帯域通過フィルタもフィードバックゲインＫと直列に採用してよく、これにより、寄生コモンモード減衰をもたらすために用いられる差動電極におけるわずかな不整合に起因する、差動モード検出周波数でのあらゆる擾乱を防止する。
【００６１】
円板共振子ジャイロの相互接続されたリングの、たとえば上部および／または下部の、
平面共振子に隣接する容量電極も、円板共振子ジャイロの軸方向モードおよび揺動モードの能動的な減衰のために用いてよい。
【００６２】
図６Ｂは、本開示による動作に基づいて使用される検出・制御電極を持つ第２のモデル例６２０を例示する。この場合、８ｍｍ径の円板共振子例の複数の相互接続されたリングが、モデル６２０において描出されている。様々な埋め込み電極は、明確にするために示されていないが、得られる検出・駆動電極容量が各８分円について示され、以下記述される。
【００６３】
円板共振子ジャイロの通常の区分化電極は、図１Ｄに描出されているとおりであり、共振子円板の複数の相互接続されたリングは、図１Ｃに描出されているとおりである。各８分円の検出・駆動電極は、円周スロット内に埋め込まれ、各電極は、内側寄りの区分および外側寄りの区分にさらに分割される（図１Ｄにて既に示したとおり）。図６Ｂには、明確にするために埋め込み電極は示されていない。内側寄り電極および外側寄り電極は、図６Ｂにおいて隣り合うリング区分上で各々「＋」または「・」によって表示される。図６Ｂの各電極を下記の符号で参照してよい。「ｓ」は検出電極を表示し、「ｄ」は駆動電極を表示する。奇数１，３，５および７は第１軸およびその直交軸周りの電極群を特定する。同様に、偶数２，４，６，および８は、第２軸およびその直交軸周りの電極群を特定する。例として、第１軸の片側の周りの検出電極は、外側寄り検出電極６２２について「Ｃ１ｓｏ」と特定され、内側寄り検出電極６２４について「Ｃ１ｓｉ」と特定される。第１軸の同じ側の周りの駆動電極は、外側寄り駆動電極６２６について「Ｃ１ｄｏ」であり、内側寄り駆動電極については「Ｃ１ｄｉ」である。各８分円における電極は各々、同様に特定される。（「Ｃ」は容量を表示し、全ての電極に適用可能である）。各８分円の内側寄り電極および外側寄り電極は電気的に接続されて、内側寄りの、および外側寄りの検出・駆動容量を生成する。外側寄り電極に対する（隣接するリング区分に対する外側寄り）外向きのリングの運動は、より小さい間隙を形成し、よって外側寄りの容量を増大させる。なお、共振子の周縁の検出電極は、２つのスロットに設定される。これが意味するのは、個々の検出電極の各々について２つの列が示されているということである。この命名法は、以下の動作の説明と制御の式に適用可能である。
【００６４】
２つの縮退差動モードを用いるジャイロとしての動作について、これら２つのモードのための検出・駆動容量を、下記の式により示されるように電気的に接続してよい。
【００６５】
【数５】
0005389664.tif 000006
【００６６】
フィードバック抵抗Ｒｆとともに共振子バイアス電圧ＶＧＢとトランスインピーダンスアンプを用いると、検出コンデンサに関連する出力検出電圧は、下記のとおり与えられ得る。
【００６７】
【数６】
0005389664.tif 000007
【００６８】
このとき、差動モード検出信号ＶＳ１およびＶＳ２は、下記のような出力検出電圧の組合せとして定義される。
【００６９】
【数７】
0005389664.tif 000008
【００７０】
電圧ＶＤ１とＶＤ２に比例する静電駆動力を生起して前記２つの差動モードを制御するには、駆動容量ＣＤ１ｐ，ＣＤ１ｎ，ＣＤ２ｐ，ＣＤ２ｎに印加される電圧が、下記のように与えられる。
【００７１】
【数８】
0005389664.tif 000009
【００７２】
この元の容量の相互接続により、寄生コモンモードは直接観測できない。
容量相互接続配線に変更が加わると、２つの寄生コモンモードのアンチノードが、図６Ｂの４つの奇数に番号付けされた８分円内の電極により、十分に検出かつ減衰できる。８つのトランスインピーダンスアンプを用いて、８つの検出容量を検出かつ結合でき、両方のコモンモードと、第１軸に整合された差動モードとが、以下のように独立して観測できるようになる。
【００７３】
【数９】
0005389664.tif 000010
【００７４】
第１軸に関する差動モード検出電圧は、下記の式により形成される。
【００７５】
【数１０】
0005389664.tif 000011
【００７６】
電圧ＶＤ１に比例する静電駆動力を生起して第１軸差動モードを制御するには、奇数に番号付けされた駆動容量に印加される電圧が下記のように与えられる。
【００７７】
【数１１】
0005389664.tif 000012
【００７８】
第２軸差動モードは、式（１５）から（３０）に記載される原形の構成でのように検出かつ駆動されてよい。
【００７９】
２つの寄生コモンモードを検出し減衰させる目的で、下記の信号が生成される。
【００８０】
【数１２】
0005389664.tif 000013
【００８１】
２つのコモンモード検出電圧が、下記の関係式により与えられる。
【００８２】
【数１３】
0005389664.tif 000014
【００８３】
電圧ＶＤ１’およびＶＤ２’に比例する静電駆動力を生起して２つの寄生コモンモードを制御し、ＶＤ１に比例する静電駆動力を生起して第１軸差動モードを制御するには、奇数に番号付けされた駆動容量に印加される電圧が下記のように与えられる。
【００８４】
【数１４】
0005389664.tif 000015
【００８５】
ＶＳ１’およびＶＳ２’は、容量または共振子速度の変化率に比例するので、２つの寄生コモンモードの能動的な減衰は、比例する負のフィードバックの手段により簡単に実現される。
【００８６】
【数１５】
0005389664.tif 000016
【００８７】
Ｋは固定ゲインであり、Ｆ（ｓ）は、差動モード周波数でのあらゆるフィードバック防止に使用可能なコモンモード周波数を中心とする、任意の狭帯域通過フィルタである。
【００８８】
図６Ｃは、図６Ｂに記載されたような本開示の実施形態に関する制御回路６４０の例の図である。寄生モード減衰用の円板共振子６４２、電極６４４，６４６および回路６４０の配置の略図が例示され、ここでは、円板共振子６４２の２つの共振子リングのみが、寄生モード偏向と並んで示される。検出電極６４６の１つの外側寄り検出容量Ｃ１ｓｉと、駆動電極６４４の１つの外側寄り駆動容量Ｃ１ｄｉのみが示されている。たとえば図６Ｂの例に示すように、さらなる検出・駆動電極を追加して電気的に接続してよい。この検出電極６４６は、中央で装着された円板共振子６４２上の駆動電極６４４の外周にある。バ
イアス電圧６４８（ＶＧＢ）が共振子６４２に印加される。検出電極６４６はＲｆフィードバック抵抗６５２を介して、出力検出電圧ＶＳ１’を生成するトランスインピーダンスアンプ６５０に接続される。この簡略化された場合において、出力検出電圧ＶＳ１’は、比例する負のフィードバックとともに駆動電極６４４に実質的に直接印加されてよい。固定ゲインアンプ６５４を用いて、比例する負のフィードバックをもたらすようにしてもよい。任意で、コモンモード周波数を中心として狭帯域通過フィルタ６５６を備えて、差動モード周波数でのフィードバックを最小化してもよい。
【００８９】
さらに、当業者により理解されるように、本開示の実施形態に同様に適用されてよいディジタルジャイロ制御電子機器の例を、発行日２００５年７月５日のＭ‘Ｃｌｏｓｋｅｙ他による米国特許第６，９１５，２１５号に見ることができる。
【００９０】
図７は、本開示による共振子を作動させる方法の例のフローチャートである。方法７００は、平面共振子に隣接する複数の容量電極のうちの１以上の検出電極を、平面共振子の寄生振動モードの１以上のアンチノードに近接して配設した状態で、平面共振子の寄生振動モードの振幅を検出する動作７０２から開始する。次に、動作７０４において、寄生振動モードの振幅に対する比例電圧が生成される。最後に、動作７０６において、比例電圧から生成された駆動電圧を、平面共振子の寄生振動モードの１以上のアンチノードに近接して配設された、平面共振子に隣接する複数の容量電極のうちの少なくとも１以上の駆動電極に印加することにより、寄生モードを減衰させる。この基本的な方法７００を、上述のようにさらに変更して、たとえば能動的な減衰および／または位置フィードバックを達成するようにしてもよい。
【００９１】
本開示の好ましい実施形態の上記の説明を、例示と説明の目的で提示してきた。網羅的であること、または開示されたものと厳密に同じ形態に本開示を限定することが意図されているのではない。多くの変更および変形が、上記教示に照らして可能である。開示の範囲は、この詳細な説明ではなく、添付の請求の範囲によって定められることが意図される。上記の明細書、実施例およびデータは、製造について完全に記述して本開示が使用できるようにしている。以下に添付する請求の範囲から逸脱することなく、本開示の多くの実施形態が可能である。
【図１Ａ】
0005389664.tif 000017
【図１Ｂ】
0005389664.tif 000018
【図１Ｃ】
0005389664.tif 000019
【図１Ｄ】
0005389664.tif 000020
【図２Ａ】
0005389664.tif 000021
【図２Ｂ】
0005389664.tif 000022
【図３Ａ】
0005389664.tif 000023
【図３Ｂ】
0005389664.tif 000024
【図４Ａ】
0005389664.tif 000025
【図４Ｂ】
0005389664.tif 000026
【図５】
0005389664.tif 000027
【図６Ａ】
0005389664.tif 000028
【図６Ｂ】
0005389664.tif 000029
【図６Ｃ】
0005389664.tif 000030
【図７】
0005389664.tif 000031