(57)【特許請求の範囲】
【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 SENSITIVEを、それぞれ、前記振動方向に沿って及び前記受感軸に沿って予め定められた比率Ｎで同時に与えるステップと、
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、
を含み、
前記力ＦTEST VIBRATORY及びＦTEST SENSITIVEは、それぞれ振動方向付力機構と、受感軸付力機構により発生され、
前記振動方向付力機構および受感軸付力機構は、それぞれ、櫛状のフィンガを備えた一対の電極を、互いのフィンガを噛み合わせて形成され、かつ両付力機構のフィンガの数は比率Ｎに設定されており、両付力機構に同一の交流信号が供給することで、力ＦTEST VIBRATORY及びＦTEST SENSITIVEの比率をＮとする、コリオリトランスデューサのテスト方法。
【請求項２】
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 SENSITIVEを、それぞれ、前記振動方向に沿って及び前記受感軸に沿って予め定められた比率Ｎで同時に与えるステップと、
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、
を含むとともに、
前記質量が共振構造体内に含まれ、
前記方法が、前記共振構造体を共振点付近で振動させ、その共振ピークについての帯域幅を示す特性周波数を測定するステップを含み、
測定された特性周波数と増分出力ＶOUTに基づき、入力角速度ΩINと出力増分ＶOUTの比である比例定数Ｋ＝ＶOUT／ΩINを決定する、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、
［ω02−ω2］＋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 VIBRATORY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 SENSITIVEを与えるための受感軸付力機構と、
を有し、
前記振動方向付力機構および受感軸付力機構は、それぞれ、櫛状のフィンガを備えた一対の電極を、互いのフィンガを噛み合わせて形成され、かつ両付力機構のフィンガの数は比率Ｎに設定されており、両付力機構に同一の交流信号が供給することで、力ＦTEST VIBRATORY及びＦTEST SENSITIVEの比率をＮとする、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、を含み、
前記振動方向付力機構および受感軸付力機構は、それぞれ、櫛状のフィンガを備えた一対の電極を、互いのフィンガを噛み合わせて形成され、かつ両付力機構のフィンガの数は比率Ｎに設定されており、両付力機構に同一の交流信号が供給することで、力ＦTEST VIBRATORY及びＦTEST SENSITIVEの比率をＮとする、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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、コリオリ効果トランスデューサに関し、より詳しくは、このようなトランスデューサのテスト又は較正構造体に関する。
【０００２】
（背景技術）
この分野では知られているように、コリオリ効果トランスデューサは、角速度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。
【０００３】
Ｋを決定するためには、較正処理が使われる。このような較正処理は典型的に、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。
【０００４】
これもまた、この分野では知られているように、比較的低コストなコリオリト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。
【０００５】
また、梱包されたコリオリセンサの量的機能を、最終用途の段階で確認でき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（ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ 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。
【０００６】
（発明の開示）
本発明によれば、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 SENSITIVEを、それぞれ、前記振動方向に沿って及び前記受感軸に沿って予め定められた比率Ｎで同時に与えるステップと、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、を含み、前記力ＦTEST VIBRATORY及びＦTEST SENSITIVEは、それぞれ振動方向付力機構と、受感軸付力機構により発生され、前記振動方向付力機構および受感軸付力駆動機構は、それぞれ、櫛状のフィンガを備えた一対の電極を、互いのフィンガを噛み合わせて形成され、かつ両付力機構のフィンガの数は比率Ｎに設定されており、両付力機構に同一の交流信号が供給することで、力ＦTEST VIBRATORY及びＦTEST SENSITIVEの比率をＮとすることを特徴とする。
【０００７】
このような方法によれば、既知のテスト入力角速度ΩＩＮ  ＴＥＳＴ  ＳＩＭがシミュレートされ、このような速度ΩＩＮ  ＴＥＳＴ  ＳＩＭは、測定された、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＝ＶＯＵＴ／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。
【０００８】
本発明のもう１つの特徴によれば、トランスデューサの質量は、共振構造体内に含まれる。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、ＦＴＥＳＴ  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ＢＷ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ΩＩＮ  ＴＥＳＴ  ＳＩＭ＝｛ＦＴＥＳＴ  ＳＥＮＳＩＴＩＶＥ／ＦＴＥＳＴ  ＶＩＢＲＡＴＯＲＹ｝｛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  ＳＥＮＳＩＴＩＶＥ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。
【０００９】
残りのパラメータ、共振構造体の共振帯ＢＷは、共振構造体の周波数応答測定から、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。
【００１０】
１つの実施の形態では、通常モード及びテストモードの両方の際の振動方向付力機構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。
【００１１】
本発明のもう１つの実施の形態によれば、テストモードの際には、力ＦＴＥＳＴ  ＳＥＮＳＩＴＩＶＥ及びＦＴＥＳＴ  ＶＩＢＲＡＴＯＲＹは、固有共振周波数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＝｛ω０２｝／｛２ＮωＡＰＰＬＩＥＤ｝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  ＴＥＳＴ  ＳＩＭ＝｛２ＮωＡＰＰＬＩＥＤ／ω０２｝｛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。
【００１２】
本発明のもう１つの実施の形態によれば、テストモード中に、力ＦTEST SENSITIVE及びＦTEST VIBRATORYが、固有共振周波数ω0よりも大きい周波数ωAPPLIEDで与えられ、シミュレートされたΩIN TEST SIM＝ωAPPLIED／２Nである。この場合、較正に使われる特性周波数は、ωAPPLIEDである。特に、受感方向力及び振動軸力ＦTEST VIBRATORY及びＦTEST SENSITIVEが、それぞれ、比率Ｎ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。
【００１３】
本発明のもう１つの態様によれば、振動方向付力機構及び受感軸付力機構は、トランスデューサの、近い領域にある。
【００１４】
本発明の更にもう１つの態様によれば、振動方向付力機構及び受感軸付力機構は、一致した物理的特性及び電気的な特性を有する。
【００１５】
本発明のもう１つの態様によれば、コリオリトランスデューサが提供される。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。
【００１６】
（発明を実施するための最良の形態）
図１は、本発明に係る超微小コリオリトランスデューサ１０の動作を理解す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、１５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。
【００１７】
受感軸２７は、速度Ｖ（つまり振動方向、ここでは軸２１）および速度検出軸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。
【００１８】
質量１４の動きは、機械的または電気的な抑制部（機械的なバネや電気的なサーボ機構等であり、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＝ＫΩＩＮ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。
【００１９】
上で簡単に述べたように、トランスデューサ１０は、質量１４を有する共振構造体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。
【００２０】
ω０２／｛［ω０２−ω２］＋ｊ［ωω０／Ｑ］｝
ここで、ω０は共振構造体４７の自然な共振周波数であり、Ｑ＝ω０／ＢＷにおいて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。
【００２１】
二次システムの特徴を述べてきたが、図１に示す特定の共振構造体４７の正規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。
【００２２】
共振ω０において、共振構造体４７は、入力振動方向付勢機構２２と振動軸出力検出機構（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。
【００２３】
トランスデューサ１０をテストつまり較正するために、ＦＴＥＳＴ  ＶＩＢＲＡＴＯＲＹおよびＦＴＥＳＴ  ＳＥＮＳＩＴＩＶＥを同時に、振動の方向（つまり振動方向、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  ＳＥＮＳＩＴＩＶＥ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。
【００２４】
したがって、テストモード中、トランスデューサ１０のＶＴＥＳＴ  ＯＵＴを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１４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、ＦＶＩＢＲＡＴＯＲＹ／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。
【００２５】
共振に近くの特定の共振構造体４７の特性から、振動する質量１４の速度Ｖが実質的に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＝ＦＣＯＲ／［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｛２ＦＶＩＢＲＡＴＯＲＹ｛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、ＦＶＩＢＲＡＴＯＲＹ／ＶＴＥＳＴ  ＳＥＮＳＩＴＩＶＥ＝Ｎ）、ＫはＶＯＵＴ  ＴＥＳＴ［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。
【００２６】
つまり、このようなテスト方法によれば、ＦＴＥＳＴ  ＳＥＮＳＩＴＩＶＥを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  ＳＩＭ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  ＴＥＳＴ／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。
【００２７】
Ｋを決定するためにはＢＷを決定する必要がある。共振構造体４７のＢＷは、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、共振のピークの３ｄｂ点の間（つまり帯域幅ＢＷ）を決定するよう、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。
【００２８】
図２は、トランスデューサ１０をより詳細に示す。この図で質量１４（ここで質量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２１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。
【００２９】
フレーム１６は、サスペンション撓み部２３により、基板１２に対して振動軸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。
【００３０】
振動方向付力機構２２の振動フィンガに印加された振動駆動信号により、質量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２７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。
【００３１】
なお、付与された力に対する応答は、微分器３１、振動軸出力検出機構（すなわちピックオフ）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。
【００３２】
図３及び図４においては、質量に振動方向の力ＦＴＥＳＴ  ＶＩＢＲＡＴＩＯＮを与えるための機構と、質量に受感軸に沿った力ＦＴＥＳＴ  ＳＥＮＳＩＴＩＶＥを与えるための機構とが、トランスデューサに近い領域（ｐｒｏｘｉｍａｔｅ ｒｅｇｉｏｎｓ）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  ＳＥＮＳＩＴＩＶＥを生成するフィンガの数に対する割合である。ここで、力ＦＴＥＳＴ  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。
【００３３】
図５及び図６には、コリオリトランスデューサの別の実施形態である、電磁駆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。
【００３４】
より詳細には、磁界は、永久磁石などの図示されない任意の適当な手段により速度検出軸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５１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２７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２１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  ＶＩＢＲＡＴＯＲＹ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。
【００３５】
受感軸付力機構３２’は、図示されるように、コンダクタ５４によって端子Ｚ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５２に力ＦＴＥＳＴ ＳＥＮＳＩＴＩＶＥが生成されることである。セグメント５２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。
【００３６】
トランスデューサ１０に対して静電力を生成するためのフィンガと同様に、セグメント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／ＦＳＥＮＳＩＴＩＶＥ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。
【００３７】
端子Ｙ，Ｙ’及びＺ、Ｚ’は、テストモード／通常モードスイッチ１３を介して、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Ｔ３，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１５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５７及びスイッチ１５を介して電流源５６に接続されている。
【００３８】
トランジスタＴ１及びＴ３のドレインは、図示されるように、ｄｃ電源ＶＤＤ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６４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。
【００３９】
微分器３１（図６）または発振器３３により生成されたシヌソイド信号の１半周期において、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。
【００４０】
図５における効果は、テストモードと通常モードのいずれにおいても、振動方向付力機構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。
【００４１】
上記以外の実施形態も本発明の範囲にある。例えば、印加周波数ωAPPLIEDが、自然共振周波数ωOより小さい場合、シミュレートされたΩIN TEST SIM＝[ωO2]／[２ＮωAPPLIED]となる。その場合、自然周波数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  ＝  [２ＮωAPPLIED ／ωO2][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＝ωAPPLIED／２Ｎである。その場合、較正に使用される特性周波数はωAPPLIEDである。より詳細には、比例定数Ｋ＝ＶTEST OUT／ΩIN TEST SIM  ＝  [２ＮωAPPLIED ／ωO2][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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るコリオリトランスデューサの動作を理解するために有益な概略図である。
【図２】図１のトランスデューサの一部を示す平面図である。
【図３】本発明によるコリオリトランスデューサの平面図である。
【図４】図３のトランスデューサの、４−４で示した円で囲まれた部分を拡大して示した平面図である。
【図５】本発明の別の実施形態によるコリオリトランスデューサを理解するために有用な概略図である。
【図６】図５のトランスデューサの受感軸付力機構及び振動方向付力機構を駆動するための回路の概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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