(57)【要約】マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）は、振動リング（１１）と、該リングを共振させるように駆動する強制電極（１ａ、１ｂ、５ａ、５ｂ）と、このような強制及びあらゆる外部から適用された力の結果として、該リングの振動に依存する電気的出力信号を与える感知電極（３ａ、３ｂ、７ａ、７ｂ）とを含む基板を備える。正のフィードバック回路は、感知電極（３ａ、３ｂ、７ａ、７ｂ）の出力信号に依存する信号を強制電極（１ａ、１ｂ、５ａ、５ｂ）にフィードバックして、リングの振動を維持するように与えられる。正のフィードバックを用いて強制電極を駆動させ、リングの振動を維持するようにすることは、振動を維持するのに、位相ロックループ回路を用いる場合に生じる位相雑音より大幅に小さい大きさの非常に低い位相雑音を示すシステムを生成するために、このような適用例においては、大いに有利である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動部材と、前記振動部材を共振させるように駆動する強制手段と、このような強制と外部から適用される力の結果としての前記振動部材の振動に依存する電気出力信号を与える電気的感知手段とを含む基板を備え、前記感知手段の出力信号に依存する信号を、前記強制手段にフィードバックして、前記振動部材の振動を維持する正のフィードバック回路が形成されたことを特徴とするマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）。
【請求項２】
前記強制手段が、前記振動部材の周りに２π／ｎラジアンの角度方向間隔で分布された点にほぼ等しい大きさの力を適用するためのｎ個
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の強制器を備え、優先的に撓みモードを刺激するようになった請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記強制手段が、前記振動部材の第１の対称軸に沿った互いに正反対に位置している２つの点にほぼ等しい力を適用するための２つの強制器を含むようになった請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記２つの強制器が、前記点において反対方向に作用するほぼ等しい力を、前記振動部材に適用するように配置された請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記感知手段が、ｐ個の感知要素を備え、
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前記強制器に対して、π／ｎの角度方向の回転だけオフセットされたｐ点において前記振動部材の振動を感知するようになった請求項２、請求項３、又は請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記感知手段が、前記振動部材の周りに、２π／ｎラジアンの角度方向間隔で分布された複数の感知要素を備えるようになった請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記強制手段及び／又は前記感知手段が、少なくとも一対の電極を備え、この対の各電極がほぼ同じ長さであり、前記振動部材のそれぞれの側に設けられて、該振動部材と可変静電容量を形成するようになった前記請求項のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項８】
前記正のフィードバック回路が、前記感知手段の前記出力信号を位相シフトするための位相シフト手段を含み、前記振動部材の振動を維持するフィードバック信号を与えるようになった前記請求項のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項９】
前記位相シフト手段が、所定の強制振幅に対して、前記感知手段の前記出力信号を最大にするように調整可能な位相シフトを適用するようになった請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記位相シフト手段が、前記強制手段に適用される信号の位相を変化させるように調整可能であり、前記振動部材が振動するようにされた周波数において、微調整が与えられるようになった請求項８又は請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記正のフィードバック回路が、前記感知手段及び前記振動部材自体以外に、如何なる周波数選択コンポーネントも含まない請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１２】
前記正のフィードバック回路が、フィルタ手段を含んで、前記強制手段にフィードバックされた信号をフィルタ処理するようになった請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１３】
前記フィルタ手段が、周波数依存位相シフトを導入する全通過フィルタを含み、前記振動部材の振動を維持するようになった請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記フィルタ手段が、高域通過フィルタを含み、誘起された雑音を減衰するようになった請求項１２又は請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記振動部材が、懸架リングのような懸架された塊である前記請求項のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１６】
前記強制手段が、最初のインパルスを前記振動部材に適用する振動開始手段を含んで、該振動部材の振動を開始させるようになった前記請求項のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１７】
前記感知手段が同期復調器を含んで、搬送波信号に基づいて、感知された信号を復調するようになった前記請求項のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
振動部材と、前記振動部材を共振させるように駆動する強制手段と、このような強制及び外部から適用された力の結果として、前記振動部材の振動に依存する電気出力信号を与える電気的感知手段とを含む基板を備え、前記強制手段が、前記振動部材の周りに２π／ｎラジアンの角度方向間隔で分布された点にほぼ等しい力を適用するためのｎ個
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の強制器を備えることを特徴とするマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）。
【請求項１９】
前記強制手段が、前記振動部材の第１の対称軸に沿った点に、ほぼ等しい力を適用するように配置された２つの強制器を備える請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記感知手段が、前記第１の対称軸に対してほぼ垂直な、前記振動部材の第２の対称軸に沿って、互いに正反対に位置された２つの点において、前記振動部材の振動を感知する２つの感知要素を備える請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記振動部材が、ほぼ等しい周波数の２つの直交共振モードを維持し、モード間のあらゆる結合が機械的に増幅されるようになった前記請求項のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２２】
自己共振振動性リングジャイロメータである前記請求項のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２３】
前記振動部材が、周波数が密接に適合する２つの直交する振動モードを有する寸法にされた前記請求項のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２４】
前記強制手段が、閉ループフィードバックシステムにおいて用いられて、前記振動部材の撓みモードを抑圧するようになった前記請求項のいずれか１項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）に関し、より具体的には、これに限るものではないが、自己共振振動性ＭＥＭＳジャイロメータシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書においては、「マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）」という用語は、「マイクロシステム技術（ＭＳＴ）」、「マイクロロボティクス」、及び「マイクロ加工装置」という用語で当業者により説明されるものを含む幅広い範囲のマイクロ電子機械センサ及びアクチュエータを含むように用いられる。
【０００３】
ＷＯ００／１６０４１は、回転速度を測定し、車両制御、スマート軍需品、ロボティクス、仮想現実、レジャー、及び医薬品の分野、並びに、他の分野における用途を有する振動性ＭＥＭＳリングジャイロメータを開示する。
【０００４】
振動性ＭＥＭＳリングジャイロメータの一次機械システムは、典型的には、そのモードの１つにおける共振周波数において１つ又はそれ以上の強制器により刺激されて、一定の振幅で振動するようになる。ジャイロメータがその中心の周りで回転される場合には、結果としてもたらされる速度に依存する結合力は、コリオリの効果に起因して、この周波数において、二次機械システムを励起させる。多軸装置の場合においては、第３及び第４の機械システムがあることになるが、単純さのために、以下の説明は、単一軸のジャイロメータに限定される。リングジャイロメータの場合においては、独立した機械システムは、同じ構造上に共存することができる。
【０００５】
２つの機械システムの共振周波数が近い状態で調整された場合には、結合力に対する二次機械システムの応答は、その周波数において、その関連する共振応答係数により増幅される。２つの機械システムの周波数が密接に適合する場合は、この共振応答係数は、共振システムのＱ係数に対応する。単一軸のリングジャイロメータにおいては、これは、典型的には、この構造の楕円状モード、すなわち、２θに対応する（３軸のリングジャイロメータにおいては、典型的には、２つの２θモード及び２つの３θモードがあり、これは、２００１年１０月、ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．航空宇宙及び電子装置、第３７巻、ｐｐ．１３３３−１３４３において、Ｂ．Ｊ．Ｇａｌｌａｃｈｅｒ、ＪＳ．Ｂｕｒｄｅｓｓ、Ａ．Ｊ．Ｈａｒｒｉｓ、Ｍ．Ｅ．ＭｃＮｉｅによる「多軸振動ジャイロスコープの原理」により開示される）。結果としてもたらされる二次機械システムの振動を感知することにより取得される信号は、理想的にバランスがとられた変調器の出力に等しい。振幅変調された抑圧搬送波信号は、リングジャイロメータ構造の中心の周りの回転速度に対する類似体を取得するように復調される。
【０００６】
この構造により実現されるバランスがとられた変調器は、本質的には機械的なものであり、この出力の電気的類似体は、例えば、容量センサのような適切なセンサを用いて、二次機械システムの振動を感知することにより取得されなければならない。この信号を同期的に復調するのに要求される搬送波信号は、一次機械システムの振動を感知することにより回復することができ、このことは、この信号が、これを生成するのに用いられる搬送波信号のコピーを乗じることを要求する。次いで、低域通過フィルタを用いて、要求されるベースバンドの信号成分を選択する。したがって、同期復調器の利得は、その入力信号を生成するのに用いられる位相と、これに供給される搬送波信号の位相との間の差のコサインに比例する。供給された搬送波信号の位相は、利得の大きさを最大にするように調整することができる。しかしながら、この位相差における一時的な変化は、回復されたベースバンド信号の振幅変調をもたらすことになるため、極めて重要なことである。
【０００７】
一次機械システムは、懸架リングの周囲の１つ又はそれ以上の点において、交番半径方向力を適用することにより刺激することができ、この機能は、一般には、表面加工されたＭＥＭＳ構造において用いられる静電力により実行される。しかしながら、一次機械システムは、種々のモードで振動するように刺激することができ、該一次機械システムを所望のモード（典型的には、単一軸のリングジャイロスコープの場合においては、２θ又は３θ）で振動するのを確実にすることが必要である。このことは、強制器を精密に正しい周波数で駆動することにより達成することができ、一次機械システムは、高Ｑ係数により特徴付けられるため、この場合においては、強制器駆動信号を与えるのに用いられる振動器は、極めて安定していなければならない。
【０００８】
強制器駆動信号を与えるのに電圧制御振動器を用いるのは、一般的なことである。この振動器の周波数は、最初に、要求されるモード（典型的には、２θ又は３θ）の共振周波数を求めるように調整される。これが行われると、電圧制御振動器は、一次機械システムの振動を感知するのに用いられる回路の出力に対して位相ロックされる。一次機械システムの高Ｑ係数は、この振動器の周波数を安定させて、その共振周波数におけるどのような変化も追跡することを確実にする。しかしながら、位相ロックループ回路は、常に、最適な周波数を追跡しなければならず、ループ利得が有限であるので、好ましくない位相雑音を導入する。この位相雑音は、リングジャイロメータのその中心の周りの回転速度の類似体を与える信号の振幅変調をもたらす。
【発明の開示】
【０００９】
本発明の目的は、位相雑音の影響を受けづらい出力を与えるＭＥＭＳを提供することである。
【００１０】
本発明の一態様においては、振動部材と、該振動部材を共振させるように駆動する強制手段と、このような強制及びあらゆる外部から適用された力の結果として、該振動部材の振動に依存する電気出力信号を与える電気的感知手段とを含む基板を備え、該感知手段の出力信号に依存する信号を、該強制手段にフィードバックして、該振動部材の振動を維持する正のフィードバック回路が形成されたマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）が提供される。
【００１１】
振動部材の振動を維持するために、正のフィードバックを用いて強制手段を駆動することは、振動を維持するために位相ロックループ回路を用いる場合に生じる位相雑音より大幅に小さい大きさの非常に低い位相雑音を示すシステムを生成するため、このような適用例において大いに有利である。
【００１２】
これは、２つの関連する競合エネルギの格納機構の間で伝送されるエネルギが、これにより最大になるという事実を受けて、共振システムが、その共振周波数で振動する自然な傾向を有するためである。したがって、振動が正のフィードバックにより維持される場合には、システムは、その固有周波数において優先的に振動する傾向を有する。特定の周波数においてシステムを駆動する外部振動器の使用は、このことを生じさせない。さらに、結果としてもたらされる振動を感知するのに用いられる回路の出力に対して位相ロックされた電圧制御振動器の使用は、２つの信号間で一定の位相関係が維持されていることを要求する。したがって、常に、位相誤差を無効にするように努めるフィードバックループを用いなければならない。このことが原則的に可能であっても、電圧制御振動器を制御する信号に必然的に重畳される電圧雑音は、その周波数をランダムに変化させて、好ましくない位相雑音をもたらすことになる。
【００１３】
このようなシステムにおける正のフィードバックが、限定された周波数範囲にわたり（所望のｎθモードがその範囲内にだけある）、１より大きいループ利得を有するように構成されている場合には、１つ又はそれ以上の強制器を用いて、該ｎθモードを選択的に刺激することができ、１つ又はそれ以上の感知要素を用いて、この運動を検知することができる。この場合においては、強制器及び感知要素は、典型的には、一次モードに対する振動部材の周りに、π／ｎの整数の倍数で分布される。同様に、二次モードと関連する強制器及び感知要素は、典型的には、π／ｎの整数の倍数で分布されるが、一次モードに対してπ／２ｎだけオフセットされている。強制器は、振動部材の内面又は外面に対してほぼ垂直に力を適用することが好ましい。
【００１４】
感知手段の出力信号は、振動部材の変位であるか、又は、該振動部材の変位の変化速度を表すことができる。
【００１５】
代替的な実施形態においては、強制手段は、ほぼ等しい反対方向の力を、振動部材の対称軸の周りにある該振動部材の両側に適用するｎ個
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の強制器を含み、優先的に、並進運動モードを開始するようにする。
【００１６】
本発明の第２の態様においては、振動部材と、該振動部材を共振させるように駆動する強制手段と、このような強制及びあらゆる外部から適用された力の結果として、該振動部材の振動に依存する電気出力信号を与える電気的感知手段とを含む基板を備え、該強制手段が、ほぼ等しい力を、振動部材の周りに、２π／ｎラジアンの角度方向の間隔で分布された点に適用するためのｎ個
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の強制器を備えたマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）が提供される。
【００１７】
このような強制構成を用いることは、振動部材の種々の共振モードの小組を刺激することを可能にするのに有利である。具体的には、強制器がほぼ等しい大きさの力を振動部材の適用する場合には、あらゆる方向における正味の並進運動力はほぼゼロであるため、撓みモードｍ．ｎθ
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が、並進運動モードに優先して、優先的に刺激される。典型的には、このシステムは、最低オーダーの撓みモードが、このシステムの作動において優先的に刺激されることを確実にするように構成されており、このことは、適当な高Ｑの選択、ばね構成、及びフィードバック回路における周波数選択（ループ利得／位相）によりなされる。ｎ＝２の場合においては、２θモード（及び整数の倍数のより高いオーダーのモード、すなわち、４θ、６θ、８θなど）は、振動部材（典型的には懸架リング）の第１の対称軸に沿って、互いに正反対に位置している２つの強制器を用いることにより刺激することができる。このような強制構成は、振動を維持するのに正のフィードバックが用いられていてもいなくても、有利に用いることができる。
【００１８】
ｎ個の強制器が、正味の並進運動力がほぼゼロになる状態で、ほぼ等しい力を振動部材に適用するように示されるように配置されている場合には、感知手段は、該強制器に対してπ／ｎラジアンの角度方向の回転だけ最適にオフセットされているｐ点における振動部材の振動を感知するために、ｐ個の感知要素
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を含むことが好ましく、１つより多い感知要素がある場合には、これらは、該振動部材の周りに、２π／ｐラジアンの角度方向の間隔で分布される。結果として、感知手段の出力部で取得される信号の位相は、モードのオーダー（ｍｎ）に依存する。
【００１９】
感知要素の最適ではない間隔、又は最適な間隔の周りで分割された電極構成もまた、正しいモードが刺激されるのを可能にすることができる。しかしながら、ループ利得は、他の潜在的な振動モードに対して低下することになり、及び／又は、維持フィードバックループの複雑さが増加することになる。あらゆる環式非対称性は、さらに、モード分割を誘起させて、性能を劣化させる。
【００２０】
強制器に対する感知要素の角度方向のオフセットの結果は、取得される信号が、あらゆる所定の感知要素において、強制器とほぼ同相になるか、又は、該強制器に対してほぼ逆位相になる。１つ又はそれ以上の感知要素の備えは、強制器に対する感知信号の位相情報を求めることを可能にし、したがって、正のフィードバックを用いることによって、より小さな曲げ共振モードの小組を、選択的に刺激することができる。このことは、選択的に刺激された最低オーダーのモード（ｎθ）の奇数であるか又は偶数の整数の倍数（ｍ）をもたらす。換言すると、位相情報は、ｍ．ｎθ（ｎ＞２、ｍは奇数）モードに対するループ利得が実数の正数になり、ｍ．ｎθ（ｎ＞２、ｍは偶数）モードに対するループ利得は実数の負数になるか、又は逆もまた同様になるように構成された正のフィードバックループで用いられる。例えば、正のフィードバックループは、２θ（ｎ＝２、ｍ＝１）モードに対するループ利得が実数の整数（＞１）になり、４θ（ｎ＝２、ｍ＝２）モードに対するループ利得は、実数の負数（＜１）になるように構成することができる。
【００２１】
例えば、リングジャイロスコープの場合においては、該ジャイロスコープの二次モード（回転速度信号）に対する感知要素は、２π／ｎラジアンの間隔があるが、強制器に対してｒπ／２ｎラジアンの角度方向の回転だけオフセットされており、強制モードにおいてはノードの中心に位置されるようにすることが好ましい。同様に、強制器は、二次モードにおいては、ノードに中心を置くようにすべきであり、したがって、該二次モードを刺激すべきではない。
【００２２】
ｎ個の分布された強制器と、該強制器が適用される点の間の中間で振動を感知する１つ又はそれ以上の振動感知要素とを組み合わせて用いることは、本質的に、高度の選択性を与えるため、振動部材は、振動を維持するのに用いられる、フィードバックループにおける周波数選択要素を必ずしも用いることなく、選択的刺激することができる。
【００２３】
正のフィードバック回路は、振動部材の振動を維持するフィードバック信号を与えるように、感知手段の出力信号を位相シフトするための位相シフト手段を含むことが好ましい。振動に起因する変位は、刺激されたモードの共振周波数において、正弦波的に変化し、要求される速度類似体は、この周波数において、単に９０°の位相進み角を導入するだけで取得することができるため、振動を維持するために、微分回路を用いて要求される速度類似体を生成する必要はない。導入される位相進み角は、この効果を有するために、感心のある狭い周波数範囲にわたり、９０°であるだけでよい。さらに、要求されるモードの共振周波数において、９０°の位相遅れを導入して信号の極性を反転させることも、同様に効果的である。
【００２４】
最も好ましい位相シフト手段は、全通過フィルタを含むものであり、これは、周波数依存位相シフトを導入して、振動部材の振動を維持する。この全通過フィルタにより導入された周波数依存位相シフトは、これが導入する位相シフトが、要求されるモードの共振周波数において、最適値である９０°にだけ等しくなるように、その時定数を調整することができるため、付加的な選択性を与える。このことは、要求されるモードを優先して、刺激することができる共振モードに対するループ利得の実部を効率的に重み付けする。さらに、本質的に一定の全通過フィルタの利得の大きさは、その出力雑音スペクトルにおいて、どのような不利な重み付けももたらすことはない。
【００２５】
或いは、例えば、トランスインピーダンス増幅器を用いて、変位の変化速度を測定するような（上述の絶対的な変位の測定に対し）特定の他の容量選択技術の場合には、位相シフトは測定工程自体に内在し、したがって、正のフィードバックループにおける別々の位相シフトは、もはや必要ではなくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明をより完全に理解するために、ここで、本発明の好ましい実施形態を、一例として、添付の図面を参照して説明する。
【００２７】
以下の説明は、本発明による自己共振振動性ＭＥＭＳリングジャイロメータに関して与えられる。しかしながら、本発明は、さらに、懸架された塊が所定のモードで共振するように要求される他のＭＥＭＳ構造、特に、１つ又はそれ以上の対称軸をもつ振動構造にも適用可能である。具体的には、本発明は、あらゆる種類の振動性ジャイロ構造に適用可能である。さらに、以下の説明は、強制及び感知が静電技術に基づく構成を参照して与えられるが、電気誘導技術、圧電技術、圧電抵抗技術、及び電熱技術に基づく機構のような他の標準的な強制及び感知機構を本発明の範囲内で用いることができる。
【００２８】
図１を参照すると、リングジャイロメータ１０は、リング１１の周りに４５°の間隔で、８つの懸架リガメント１２により支持された導電性の懸架リング１１を含み、該リガメントは、中央ハブ１４に接続されている。代替的な懸架機構を用いることができるが（例えば、ＷＯ００／１６０４１に示されるような８対のリガメントをもつ内部）、この懸架機構の詳細は、本発明においては重要ではない。８つの電極の対１ａと１ｂ、２ａと２ｂ、３ａと３ｂ、４ａと４ｂ、５ａと５ｂ、６ａと６ｂ、７ａと７ｂ、８ａと８ｂは、リング１１の周りに、等しい距離で分布されて、各対の１つの電極（ｂ）が該リング１１のすぐ内側に位置し、各対の別の電極（ａ）は、該リング１１のすぐ外側に、他方の電極（ｂ）の反対側に位置するようになっている。
【００２９】
したがって、各対の各電極は、リングをもつ１つのコンデンサプレートを形成し、各対の２つの電極により形成される２つのコンデンサは、電極間に延びるリング１１の隣接する部分の半径方向の位置決めによって依存性が異なる静電容量を有する。リングに対する電極の周方向長さは、等しい静電容量をもたらすように等しいものであるべきであり、基板に対する電極領域は、同じ寄生容量を有するように等しいものであるべきであり、特異的な構成における電気フィードスルーの改良された同相モードの削減を可能にするということを注記する。
【００３０】
本例においては、電極対１ａと１ｂ及び５ａと５ｂは、駆動要素又は強制器要素として働いて、リング１１を振動させるようにし、電極対３ａと３ｂ又は７ａと７ｂは、感知要素として働いて、該リング１１の振動に依存した電気出力信号を与えるようにする。リング１１及びそのリガメントは、ＷＯ００／１６０４１に述べられるように、深奥エッチングを用いて、懸架部分をウエハの周囲材料から自由にする製造方法により形成することができる。他の電極２ａと２ｂ、４ａと４ｂ、６ａと６ｂ、８ａと８ｂは、例えば、両方のシステムにおける周波数をチェックするのに設けられた二次システムの１つ又はそれ以上の補助的機能として用いることができ、この場合には、これらの電極２つの対を用いて該二次システムを刺激し、１つ又は２つの対を用いて二次システムの信号を感知することができる。一次システムにおける電極構成と同じものを二次システムにも有することは、二次システム及び一次システムの両方において、等しいダンピングをもたらすことになる。さらに、このことは、これらを互換性のあるものにする。このことはまた、一次システム又は二次システムのいずれかの中に適用されるべき静電調整又はバイアスに対して、必要に応じて、異なるバイアスを一次システム及び二次システムに適用して、モードのバランスをとる（回転させる）ことを可能にする。さらに、これらの電極の対を閉ループモードで作動するように用いて、一次信号の一部をフィードバックすることにより、二次システム上の「ゼロ」信号を維持するようにすることができる。
【００３１】
このようなシステムは、一次機械モード、好ましくは、２θモードを有するように構成され、ここでは、このシステムは、リング１１の円周の１つ又はそれ以上の点において、交番半径方向力を適用する電圧制御振動器により振動するように刺激される。図示例においては、静電力がこの目的のために用いられる。外力がシステムに適用される場合には、リング１１の二次機械モードが励起され、結果としてもたらされる該二次機械モードの振動を感知することにより取得される出力信号が、適用された外力の表示として与えられる。以下に、より完全に説明されるように、リング１１は、強制器要素を作動させるために、感知出力からのフィードバック信号を回路に適用することにより、その２θモードの共振周波数で振動するように刺激される。図３は、リングジャイロメータについての一次（駆動）モード及び二次（検知）モードを周波数ｆの関数として示す。最大感度においては、これらの応答曲線は、はっきりと重なり合うものとなる（しかし、帯域幅を保存するように完全に適合することはない）。
【００３２】
図２及び図４は、このようなシステムを駆動するのに用いることができる代替的な回路構成を示す。図２の回路構成の場合においては、外側の強制電極及び感知電極だけが用いられ、リング１１はアースに接続されており、各々の場合に検知される静電容量は、外側電極とリングとの間のものであり、これは、該外側電極に対する、リング１１の隣接する部分の位置の関数として変化する。より具体的には、正反対に位置する強制器の外側電極１ａ及び５ａは、ｄｃバイアス回路に接続されており、重畳されたａｃ電圧が電極１ａ及び５ａに印加されて、２θモードにおけるリング１１の振動が刺激されるようになる（駆動電圧が同相であると仮定して）。一次振動とあらゆる外部から適用された力との結合に起因する、結果としてもたらされる二次振動は、強制器電極１ａ及び５ａに対して、リング１１の円周の９０°の点に配置された正反対に位置する感知電極３ａ及び／又は７ａにおいて感知される。
【００３３】
感知電極３ａ及び７ａは、振動感知回路を構成するピックオフ増幅器１６に結合され、該増幅器１６は、リングの変位関数の関数（適用された力に起因する）である出力信号を供給する。増幅器は、適切な信号の位相を強制器電極１ａ及び５ａにフィードバックして、所望の振動を維持するようにする位相シフト回路１７に連結される。要求される位相の信号は、次に、増幅器１８により増幅されて、強制器電極１ａ及び５ａを駆動するのに十分なレベルのａｃ信号を与える。任意的に、増幅器１８は、高利得の精密クリッパを含み、ほぼ方形波のａｃ信号を生成することができる。
【００３４】
ほとんどの実施形態においては、ａｃ信号のレベルを制御すること、したがって、一次振動の大きさを制御することが好ましく、利得制御回路１９が必要である。このことは、電位差計と同じくらい単純なものとすることができるが、多くの場合、これは、エネルギが二次機械システムに結合されたときの一次低下を阻止すること、又は、圧力の変化によるＱの変化に対する修正を阻止することにより、回転速度応答の線形を改善する能動回路（一次振動の大きさを監視し、減衰レベルを一定に保持するように減衰を調整する）である。最後に、フィルタ２０を用いて、所望の共振モードが励起されるのを確実にすることができる。例えば、帯域通過フィルタを用いて、特定の範囲の周波数だけが励起されるのを確実にすることができる。前述のように、全通過フィルタが用いられる場合には、これは、位相シフト機能及び周波数フィルタ機能の両方を実行する。しかしながら、さらに、高域通過フィルタ２０を含んで、雑音を減少させるようにすることが望ましい。
【００３５】
図４の代替的な回路構成においては、リング１１は、ここでも、アースと接続されているが、差動電圧が外側及び内側強制器電極１ａと１ｂ及び５ａと５ｂに、ｄｃバイアス回路２５を用いて印加されており、該リング１１をその一次振動モードで刺激するようになっている。さらに、強制器電極１ａと１ｂ及び５ａと５ｂに対して、リング１１の円周の９０°の位置にある外側及び内側感知電極３ａと３ｂ及び７ａと７ｂにより検知される信号は、振動感知回路を構成する差動ピックオフ増幅器２６の差動入力に供給される。このことは、フィードスルーのようなどのような望ましくない同相モード信号も拒否するという利点を加えることになった。コンポーネントブロック２７、２８、２９、及び３０は、本質的に、図２の対応するコンポーネントブロック１７、１８、１９、及び２０と同じ機能を実行するが、図４の実施形態の場合においては、強制器電極の対が、ａｃ信号の逆位相を要求する運動を励起するように用いられることが異なっている。したがって、付加的な位相シフトブロック３１が、電極１ａ及び／又は５ｂに適用された信号に対する電極１ｂ及び／又は５ｂについての逆相を生成するのに必要になる。
【００３６】
このような強制器電極の対称的な構成は、一次運動上に重畳されたあらゆる並進運動コンポーネントを減少させる（並進運動コンポーネントが共振器の特性により機械的に増幅されていない所望のｎθモードに対してＱnθだけ抑圧されていたとしても）。このことは、二次システムにおいては誤差項として示されることになるが、各々の感知電極の組が、リングの反対側に電極を備え、該リングがそれらの間を通る（振動運動のプレーンにおけることが好ましいが、電極はさらに、該プレーンの外に配置することができ、すなわち、該プレーンの上下に配置することができる）一組より多い感知電極を用いることにより、第１のオーダーに対して拒否することができる。このような対称的な構成は、システムが、閉ループフィードバックで作動されている場合には、どのような並進運動力も同様に抑圧されるため、同様に有利である。
電極がアースに接続されており、バイアス電圧がリングに印加されているもの、又は、ａｃ変調搬送波信号がリングに適用されているもののような代替的な回路構成を用いることができる。
【００３７】
上述の構成においては、ｄｃバイアスを用いて、強制器電極を駆動するのに必要とされるａｃ駆動電圧を減少させ、したがって、感知された信号に対する駆動信号のどのような望ましくないフィードスルーも減少させるか、又は、感知された信号の大きさを増加させる。この場合においては、リング上の強制器電極により働かせられた力Ｆは、Ｖac2＋２ＶacＶdc＋Ｖdc2に比例し、ここで、Ｖacは、電極に印加されたａｃ電圧であり、Ｖdcは電極に印加されたｄｃ電圧である。ａｃ電圧が周波数ｆを有する場合には、強制器電極は、ｄｃ電圧が存在しない周波数２ｆにおいてリングを励起させるが、さらにｄｃ電圧が存在する場合には、ｆ及び２ｆの両方の周波数において励起しない。したがって、ｄｃ電圧及びａｃ電圧の両方が存在する場合に、ｄｃ電圧及びａｃ電圧の相対的な大きさ（及び自己共振で作動する場合にはフィードバック回路の伝達機能）を適切に選択することにより、リングの所望の共振モードを刺激するように注意することが重要である。感知電極においてｄｃバイアスを用いることに対する代替的手法は、電極を接地して適切にリングをバイアスするか、又は、例えば２００ｋＨｚの周波数のような高周波数のａｃ変調信号を用いて、感知された周波数を低周波数における１／ｆ雑音からほど遠いものにし、このような雑音の影響を減少させるようにすることである。しかしながら、この代替的手法は、付加的な復調ステージである。
【００３８】
フィードバックループ内のコンポーネントブロックの順番は、必ずしも上述のもののようである必要はないことに注意されたい。例えば、代替的手法として、位相シフトは、ｄｃバイアスを加える前の最後に段階とすることができる。同様に、位相強制器信号と逆相強制器信号との分割は、ループにおいてより早く行うことができる（例えば、利得制御の前に行ってもよく、この場合には、利得制御ブロックは、各アームにおいて必要になる）。別の代替的な手法は、フィードバックループにおいて、ｄｃバイアス回路に代わりに周波数分割器（÷２）を用いて、純粋なａｃ駆動システムを与えることである。さらに、ａｃ変調が用いられる場合には、ループの残りの部分に進む前に、リング応答信号を回復するのに復調ステージ（ピックオフステージ内の）が必要になる。
【００３９】
これらの代替的手法においては、フィードバック信号は、ループ利得の大きさが、異なる周波数においてより大きい場合であっても、その共振周波数において優先的に振動する一次機械システムの振動を維持するように働く。しかしながら、トランス抵抗増幅器は、容量性電源により駆動されるため、これを用いて、一次機械システムの振動を維持するのに要求される速度類似体を生成するときに実現される振動感知回路の感度は、周波数に比例する。これは、好ましくない方法で種々の共振モードに対するループ利得を効率的に重み付けするため、望ましくないことである。これは、リング１１の電極３ａと３ｂ及び７ａと７ｂに対する変位を感知する感知回路の出力が、移相器１７又は２１により位相シフトされるためである。振動に起因する変位は、刺激されたモードの共振周波数において正弦波的に変化するため、この周波数においては、９０°の位相進み角を導入するだけで十分であり、導入される位相進み角は、関心のある狭い周波数範囲にわたり、９０°であるだけでよいため、要求される信号を生成するのに微分器回路を用いる必要はない。或いは、９０°の位相遅れを要求される周波数に導入して、適用された信号の極性を反転させることができる。
【００４０】
この方法により、システムの自己共振振動を確立するのに用いられる実験的なシステムは、実用的なものとなり、要求される９０°の位相シフトを導入する全通過フィルタを用いる維持ループを含み、この時定数は、必要であれば調整することができる。この構成においては、高域通過フィルタは、感知回路により導入された電信雑音及びフリッカ雑音の両方を減衰するのに用いられ、低域通過フィルタは、用いられた増幅器の制限された利得帯域幅生成物の結果として用いられる。維持ループ内に導入された位相シフト全体に対するこれらの付加的なフィルタの影響は最小であり、全通過フィルタの時定数を調整することにより調整することができる。さらに、精密クリッパ回路が振動の振幅を制御するのに用いられ、ループ利得は、該クリッパ回路が非活動状態であるときに、振動を維持するのに必要とされる値を超える。クリッパ回路が活性状態になると、ループ利得は、要求される値まで自動的に減少されて、一定の振幅振動が維持された。
【００４１】
この方法により実現された自己共振振動器は、クリッパ回路が非活性状態であるときに、ループ利得が十分に大きいのであれば、常に、補助なしで起動される。維持ループ内の増幅器により生成される広帯域雑音は、振動を開始させるのに十分に大きいものであり、この雑音は、自己共振振動が確立されたときに、機械システムの応答により迅速に成形された。
【００４２】
正のフィードバックループにおいては、リング自体が、主周波数を決定する要素であるため、共振周波数は自動的に温度を追跡する。さらに、このようなシステムにおいては、正のフィードバックにより維持される振動周波数は、維持ループ内に導入された位相シフトにおける小さな変化に対して、相対的に鈍感であることが分かった。この特性は、振動に起因して伝送されたエネルギを最大化する周波数において、システムが優先的に振動するというこのシステムの自然な傾向に帰するものであった。導入された位相シフトは、感知回路からの出力の振幅が、所定の強制器駆動信号の振幅に対して最大になるように調整することにより最適化された。このようなシステムにおいては、自己共振振動は、インパルスを強制器駆動回路の入力部に適用することによって、より迅速に開始することができ、このインパルスは、弦楽器の弦をかき鳴らす方法により作動する。結果としてもたらされるリングに適用される力は、刺激することができるすべての共振モードを励起させ、次いで、維持ループ固有の選択性は、要求されるモードにおいて振動が維持され、すべての他のモードにおける振動は消滅することを確実にする。
【００４３】
パス周りの位相シフトが０（３６０）度であるときに、システムが共振するようになる本発明の構成においては、感知された信号に適用される位相シフトの調整（すなわち、ループを慎重に離調すること、より具体的には、最適な振幅を与える位相から±１０度の範囲において）を用いて、例えば、１０Ｈｚのオーダーで励起されたモードが共振する周波数の微調整を行うことができる。このことは、典型的には、ソリッドステートセンサ及びアクチュエータに関するＩＥＥＥ国際会議（トランスデューサ’９９）、仙台（日本）、１９９９年６月、第２巻、ｐｐ．１５９０−１５９３において、Ｍ．Ｅ．ＭｃＮｉｅ、Ｊ．Ｓ．Ｂｕｒｄｅｓｓ、Ａ．Ｊ．Ｈａｒｒｉｓ、Ｊ．Ｈｅｄｌｅｙ、及びＭ．Ｙｏｕｎｇにより開示された「絶縁材料上で［１００］シリコンにおいて製造された高アスペクト比のリングジャイロスコープ」のような静電調整、又は、ＧＢ２２９２６０９Ａにより開示された機械的トリミングのいずれかの確立された技術を用いて達成される、共振モードを調整する付加的な機構を表す。一次駆動周波数の微調整は、帯域幅の改良された応答及び／又は精密な定義のために、（分割が製作公差により生じさせられた）二次周波数に対する改良された適合を可能にする。
【００４４】
フィードバックパスにおいて誘起された位相シフトは、機械的要素において刺激された運動の振幅にある程度の変化をもたらすため、自動利得制御（ＡＧＣ）の幾らかの形態は、例えば、クリッピングレベルの調整により、又は、シグマ−デルタ機構を用いることにより、装置間の駆動振幅の均一性を確実にするのに必要になる。ＡＧＣに加えられる利点は、エネルギが、コリオリの力によって、適用された回転速度の下で、一次（駆動された）機械システムから二次機械システムに結合されるため、一次共振の振幅は維持されて、縮尺係数が低下しないことである。
【００４５】
一次機械システムの振動を維持するために、正のフィードバックを用いる上述のシステムは、振動を維持するのに位相ロックループ回路を用いる通常のシステムより、少ない位相雑音を生成するという点が有利である。これは、このような正のフィードバックを用いるシステムが、その共振周波数で優先的に振動する自然な傾向を有するためであるが、特定の周波数において外側の振動駆動システムを用いることは、これが生じるのを可能にしない。さらに、感知回路の出力に対して位相ロックされている電圧制御振動器を用いることは、２つの信号間で、一定の位相関係が維持されていることを必要とする。原則的には、常に位相誤差を無効にすることが可能であるとしても、このような位相ロックループ構成において、電圧制御振動器を制御する信号に、必然的に重畳された電圧雑音は、わずかなランダムな周波数変化を生じさせ、位相雑音をもたらす。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明よる自己共振振動性ＭＥＭＳリングジャイロメータシステムを示す図である。
【図２】図１のシステムにおいて用いられる駆動回路の図である。
【図３】このようなシステムにおける一次モード応答及び二次モード応答を示す図である。
【図４】図１のシステムにおいて用いられる代替的な駆動回路の図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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