(57)【要約】【課題】時間で変動する再平衡用の電圧に結合された１又は複数の電極を用いるＭＥＭＳデバイス及び方法を提供する。【解決手段】一実施形態のＭＥＭＳ慣性センサ（１０、１４２）は、１以上のプルーフ・マス（１２、１４、１７２、１７４）と、各プルーフ・マス（１２、１４、１７２、１７４）に隣接して配された少なくとも１つのセンス電極（７４、７６、７８、８０、１８８、１９０）と、１以上のトルカ電極（８４、８６、８８、９０、１４６、１５０、１５４、１５８）とを含む。トルカ電極にリバランシング電圧を印加して、デバイスのセンス軸（７２）に沿ったプルーフ・マスの直角位相及び／又はコリオリに関連する運動を静電的にゼロにできる。トルカ電極のそれぞれに印加されるリバランシング電圧は、１以上のフォース・リバランシング制御ループからのフィードバックを用いて調節できる。【選択図】図１
2008008884.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＭＳ慣性センサ（１０、１４２）であって、
モータ駆動周波数で振動するように適合された１または複数のプルーフ・マス（１２、１４、１７２、１７４）と、
前記１または複数のプルーフ・マス（１２、１４、１７２、１７４）のそれぞれに隣接して配される少なくとも１つのセンス電極（７４、７６、７８、８０、１８８、１９０）であって、前記１または複数のプルーフ・マス（１２、１４、１７２、１７４）の駆動軸に垂直なセンス軸（７２）に沿った前記プルーフ・マスの運動（２０、３０）を感知するように適合されたセンス電極（７４、７６、７８、８０、１８８、１９０）と、
それぞれの前記センス電極（７４、７６、７８、８０、１８８、１９０）と対応する前記プルーフ・マス（１２、１４、１７２、１７４）との間の固定された静電容量を維持するように適合された１または複数の時間で変動するリバランシング電圧と
を備えるＭＥＭＳ慣性センサ（１０、１４２）。
【請求項２】
ＭＥＭＳ慣性センサであって、
モータ駆動周波数で振動するように適合された１または複数のプルーフ・マス（１２、１４、１７２、１７４）と、
前記１または複数のプルーフ・マス（１２、１４、１７２、１７４）のそれぞれに隣接して配される少なくとも１つのセンス電極（７４、７６、７８、８０、１８８、１９０）であって、前記１または複数のプルーフ・マス（１２、１４、１７２、１７４）の駆動軸に垂直なセンス軸（７２）に沿った前記プルーフ・マスの運動を容量的に感知するように適合されたセンス電極（７４、７６、７８、８０、１８８、１９０）と、
前記１または複数のプルーフ・マス（１２、１４、１７２、１７４）のそれぞれに隣接して配される少なくとも１つの追加の電極（８４、８６、８８、９０、１４６、１５０、１５４、１５８）であって、それぞれが、前記センス軸（７２）に沿った前記プルーフ・マスのコリオリおよび／または直角位相の関連の運動を静電的にゼロにするように適合された１または複数の時間で変動するリバランシング電圧と結合された、追加の電極（８４、８６、８８、９０、１４６、１５０、１５４、１５８）と
を備え、
前記１または複数の追加の電極（８４、８６、８８、９０、１４６、１５０、１５４、１５８）のそれぞれに印加される前記リバランシング電圧が、１または複数のフォース・リバランシング制御ループからのフィードバックに基づいて、それぞれの前記センス電極（７４、７６、７８、８０、１８８、１９０）と対応する前記プルーフ・マス（１２、１４、１７２、１７４）との間の固定された静電容量を維持するように適合される、
ＭＥＭＳ慣性センサ。
【請求項３】
ＭＥＭＳ慣性センサ（１０、１４２）が、モータ駆動周波数で振動するように適合された１または複数のプルーフ・マス（１２、１４、１７２、１７４）と、前記１または複数のプルーフ・マス（１２、１４、１７２、１７４）のそれぞれに隣接して配される少なくとも１つのセンス電極（７４、７６、７８、８０、１８８、１９０）とを含み、それぞれの前記センス電極（７４、７６、７８、８０、１８８、１９０）が、前記１または複数のプルーフ・マス（１２、１４、１７２、１７４）の駆動軸に垂直なセンス軸（７２）に沿った前記１または複数のプルーフ・マス（１２、１４、１７２、１７４）の変位を感知するために、センス・バイアス電圧源（Ｖｓ）に結合されるものである、前記ＭＥＭＳ慣性センサの力をリバランスする方法であって、
それぞれの前記プルーフ・マス（１２、１４、１７２、１７４）に隣接した少なくとも１つの電極（８４、８６、８８、９０、１４６、１５０、１５４、１５８）に、１または複数の時間で変動するリバランシング電圧を印加するステップと、
前記センス軸（７２）に沿った前記１または複数のプルーフ・マス（１２、１４、１７２、１７４）の変位を感知し、前記プルーフ・マスの変位に比例した振幅を有するセンス電圧を出力するステップと、
出力された前記センス電圧に基づいて、前記センス軸（７２）に沿った前記プルーフ・マスの運動を静電的にゼロにするステップと
を備える方法。
【請求項４】
ＭＥＭＳ慣性センサ（１０、１４２）が、モータ駆動周波数で振動するように適合された１または複数のプルーフ・マス（１２、１４、１７２、１７４）と、前記１または複数のプルーフ・マス（１２、１４、１７２、１７４）のそれぞれに隣接して配される少なくとも１つのセンス電極（７４、７６、７８、８０、１８８、１９０）とを含み、それぞれの前記センス電極（７４、７６、７８、８０、１８８、１９０）が、前記１または複数のプルーフ・マス（１２、１４、１７２、１７４）の駆動軸に垂直なセンス軸（７２）に沿った前記１または複数のプルーフ・マス（１２、１４、１７２、１７４）の変位を感知するために、センス・バイアス電圧源（Ｖｓ）に結合されるものである、前記ＭＥＭＳ慣性センサの力をリバランスする方法であって、
前記センス軸（７２）に沿った前記１または複数のプルーフ・マス（１２、１４、１７２、１７４）のコリオリ関連の運動を選択的に制御するように適合された幾つかの第１のトルカ電極（１４６、１５４）へ、第１のリバランシング電圧を供給するステップと、
前記センス軸（７２）に沿った前記１または複数のプルーフ・マス（１２、１４、１７２、１７４）の直角位相関連の運動を選択的に制御するように適合された幾つかの第２のトルカ電極（１５０、１５８）へ、第２のリバランシング電圧を供給するステップと、
前記センス軸（７２）に沿った前記１または複数のプルーフ・マス（１２、１４、１７２、１７４）の変位を感知し、前記プルーフ・マスの変位に比例した振幅を有するセンス電圧を出力するステップと、
出力された前記センス電圧に基づいて、前記センス軸（７２）に沿った前記プルーフ・マスの運動を静電的にゼロにするステップと
を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、マイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）・デバイスの分野に関する。より具体的には、本発明は、時間変動フォース・リバランシング電圧（time-varying force rebalancing voltage、時間で変動する力の平衡用の電圧）を使用して、レート・バイアス誤差およびスケール・ファクタ誤差を低減させるためのデバイスおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、米国陸軍ＣＥＲＤＥＣ契約第Ｗ１５Ｐ７Ｔ−０５−Ｃ−Ｐ６０９号の下で、米国政府の支援を受けて為された。米国政府は本発明の一定の権利を有する。
【０００３】
マイクロエレクトロメカニカル（ＭＥＭＳ）・ジャイロスコープは、共振している幾つかのプルーフ・マス（proof mass）に働くコリオリの力を測定することによって、入力軸についての角回転を検出するために、使用される。典型的なＭＥＭＳジャイロスコープは、懸架ばねによってシリコンまたはガラスの基板に機械的に結合された２つのシリコン・プルーフ・マスを含む。基板にエッチングされた幾つかの凹部は、このシリコン構造の選択された部分が、デバイスの内部で自由に前後に運動することを可能にする。基板上に形成された金属トレースのパターンを使用して、さまざまな電気バイアス電圧および信号出力をデバイスへ送達することができる。
【０００４】
ＭＥＭＳジャイロスコープの駆動システムは、典型的には、コリオリの力が感知される方向に垂直な駆動軸に沿ってプルーフ・マスを前後に振動させる幾つかの駆動エレメントを含む。ジャイロスコープのモータ（motor）・モードは２つのプルーフ・マスを含むことができ、この２つのプルーフ・マスは、等しいが反対向きの速度で、実質的に基板に平行に、プルーフ・マスの中心を結ぶ線に沿って運動する。幾つかの応用では、静電作動によって電気エネルギを機械エネルギに変換するように適合された幾つかのインターデジタルのコーム（comb、くし）駆動フィンガ（finger）を使用して、プルーフ・マスのモータ・モードを、その共振周波数で静電的に駆動することができる。ジャイロスコープが、駆動軸に垂直なその入力軸について回転すると、プルーフ・マスのモータ・モードの速度がコリオリの力を生み出し、そのコリオリの力が、入力軸および駆動軸に垂直なセンス（sense、感知）軸に沿ってプルーフ・マスを駆動する。
【０００５】
ジャイロスコープのセンシング（感知）・システムは１または複数のセンス電極を含むことができ、このセンス電極をＤＣセンス・バイアス電圧で充電して、センス電極とプルーフ・マスとの間の空間に電場を生み出すことができる。ジャイロスコープのセンス共振モードは、典型的には、センス軸に沿っての等しいが反対向きの速度の２つのプルーフ・マスの運動を含む。このモータ速度に起因するコリオリの力は、典型的にはモータ運動の周波数またはその付近で、センス共振モードを駆動する。幾つかの設計では、コリオリの力が、センス・モード・オフ共振（sense mode off-resonance）を駆動する。
【０００６】
それぞれのプルーフ・マスが基板の上方で往復運動すると、入力軸についてのジャイロスコープの回転に起因するコリオリの力によって、プルーフ・マスとセンス電極との間の間隔が変化する。次いで、センス共振モード運動の変位を、時間で変動するセンス静電容量によってプルーフ・マスに誘導された電流を検出することによって、容量的に測定することができる。プルーフ・マス上に生み出された出力電流を測定することによって、ジャイロスコープの回転運動および／または加速の測度をつきとめることができる。
【０００７】
多くのＭＥＭＳ型ジャイロスコープの誤差の重要な源は、プルーフ・マスの直角位相（quadrature）運動に起因するものであり、このプルーフ・マスの直角位相は、コリオリの力によって生み出される運動とは位相が９０°ずれたセンス軸に沿った運動と定義される。このような直角位相運動によって引き起こされる結果として生じる機械的フィードスルー（feedthrough）信号はしばしば直角位相信号と呼ばれ、典型的には、コリオリの力によって生み出される信号とは位相が９０°ずれたジャイロスコープのＡＣ出力信号を含む。このような直角位相は、例えば、駆動システムで使用されるコーム・フィンガおよび懸架ばねの輪郭における欠陥、および製造プロセス中に生み出されるその他の欠陥に、起因する。このような欠陥や誤差により、結果として、モータ運動が、モータ変位と同相であり、従ってモータ速度とは位相がずれた、センス・モード運動での直角位相力を、生み出す。
【０００８】
直角位相の力は、検出可能な最も小さなコリオリの力よりも数桁大きいことがあり、ジャイロスコープの、レート信号の微妙な変動を正確に見分ける能力に影響を及ぼす可能性がある。そのため、典型的には、出力センス信号から直角位相信号を除去するために追加の誤差補正回路が必要となる。ジャイロスコープのレート出力信号に対する直角位相力の影響は、典型的には、それがコリオリの力とは９０°位相がずれていることによって、低減されるが、それにもかかわらず、慣性センサおよび関連の電子回路の小さな位相誤差は、レート出力信号の誤差を生み出し得るものであり、回転を正確に検出し測定するジャイロスコープの能力を低下させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
レート・バイアス誤差（rate bias error）およびスケール・ファクタ誤差（scale factor error）を低減させることが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、時間変動リバランシング電圧（time-varying rebalancing voltage、時間で変動する、平衡を保つため（再平衡用）の電圧）を使用して、レート・バイアス誤差およびスケール・ファクタ誤差を低減させるためのデバイスおよび方法に関する。本発明の例示的な一実施形態に基づくＭＥＭＳ慣性センサは、基板の上方で、駆動軸上を振動するように適合された１または複数のプルーフ・マスと、１または複数のプルーフ・マスのそれぞれに隣接して配置された少なくとも１つのセンス電極と、１または複数のプルーフ・マスのそれぞれに隣接して配置された少なくとも１つのトルカ（torquer、トルク）電極とを含むことができる。
【００１１】
１または複数のトルカ電極に印加される時間変動リバランシング電圧は、駆動軸に垂直なセンス軸に沿ったプルーフ・マスの運動を静電的にゼロにする（null）ように、従って、それぞれのセンス電極と対応するプルーフ・マスとの間の固定された静電容量（キャパシタンス）を維持するように、構成することができる。ある種の実施形態では、それぞれのトルカ電極に印加される時間変動リバランシング電圧は、１または複数のフォース・リバランシング制御ループ（force rebalancing control loop、力の平衡用の制御ループ）からのフィードバックに基づくリバランシング電圧信号成分を有するＡＣリバランシング電圧を、含むことができる。動作時、慣性センサの出力はリバランシング電圧であり、このリバランシング電圧は、プルーフ・マスの変位によって誘導される電流ではなく、プルーフ・マス上のコリオリの力および直角位相の力をゼロにするための必要なフィードバック力を提供するために使用されるものである。
【００１２】
幾つかの実施形態では、１または複数のトルカ電極に印加される正弦波（sinusoidal、シヌソイド）リバランシング電圧を使用して、プルーフ・マスの直角位相およびコリオリに関連する運動を静電的にゼロにすることができる。例えば、例示的な一実施形態では、１または複数のトルカ電極に正弦波リバランシング電圧を印加して、プルーフ・マスの直角位相およびコリオリ関連の運動を打ち消し、従って、それぞれのセンス電極と対応するプルーフ・マスとの間の固定された静電容量を維持することができる。他の実施形態では、それぞれのセンス電極と対応するプルーフ・マスとの間の固定された静電容量の維持は、直角位相運動およびコリオリ運動をリバランスさせるために別個の正弦波電圧を使用することによって達成され、別個の電圧はそれぞれ別個のトルカ電極に印加される。トルカ電極に印加される正弦波リバランシング電圧は、慣性センサの出力から受け取られたフィードバック信号に少なくとも部分的に基づく閉ループ様式で、制御することができる。
【００１３】
ＭＥＭＳ慣性センサの力（フォース）をリバランスする例示的な１つの方法は、１または複数のプルーフ・マスのそれぞれに隣接した少なくとも１つのトルカ電極を配するステップと、１または複数の時間変動リバランシング電圧を少なくとも１つのトルカ電極に印加するステップと、センス軸に沿った１または複数のプルーフ・マスの変位を感知し、そのプルーフ・マスの変位に比例したセンス（感知）電圧を出力するステップと、出力されたセンス電圧に基づいて、センス軸に沿ったプルーフ・マスの運動を静電的にゼロにするステップとを含むことができる。プルーフ・マスの変位を容量的に感知することに関連した非線形性の多くを補償するフォース・リバランシング方法を用いることによって、この慣性センサを、より幅広いダイナミック・レンジにわたって動作し、同時に、センサ性能を低下させる恐れがあるレート・バイアス誤差およびスケール・ファクタ誤差を排除または低減させるように、構成することができる。力のリバランシングを用いて、ある種の状況では、センサ信頼性、センサ寿命および長期ドリフトなどの他の因子も改善できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下の説明は図面を参照して読まれるべきである。図中、異なる図面の同様のエレメントには同様の符号が付されている。必ずしも一律の尺度では描かれていないこれらの図面は、選択された幾つかの実施形態を描いており、これらの図面は本発明の範囲を限定することを意図したものではない。さまざまなエレメントに対して構造、寸法および材料の例が示されるが、提供される例の多くについて、用いることができる適当な代替例があることを、当業者は認識するであろう。例示されるさまざまな図面は、ＭＥＭＳ型の面内（in-plane）ジャイロスコープに関して説明されるが、本明細書中の特徴および方法は、入力回転が基板に対して垂直であるｚ軸または面外（out-of-plane）ジャイロスコープなどのような静電アクチュエータを使用した他のＭＥＭＳデバイスとともに使用することもできることを、理解すべきである。
【００１５】
次に図１を参照して、本発明の例示的な実施形態に基づく例示的なＭＥＭＳ型ジャイロスコープ１０の概略図について説明する。ジャイロスコープ１０、例示的には面内ジャイロスコープ（ＩＰＧ）は、第１のプルーフ・マス１２および第２のプルーフ・マス１４を含み、これらのプルーフ・マスはそれぞれ、その下にある支持基板１６の上方で、慣性運動が決定されるジャイロスコープ１０の入力軸１８に垂直な駆動軸に沿って前後に振動するように、適合される。右／左の組の矢印２０によっておおまかに示されているように、第１のプルーフ・マス１２は、支持基板１６の上で、第１のモータ・ピックオフ・コーム２２と第１の駆動電極２４との間で前後に振動するように構成することができ、第１のモータ・ピックオフ・コーム２２と第１の駆動電極２４はともに、第１のプルーフ・マス１２の運動を制限するために、支持基板１６の上で静止している。同様に、第２のプルーフ・マス１４は、左／右の組の矢印３０によっておおまかに示されているように、支持基板１６の上で、第２のモータ・ピックオフ・コーム２６と第２の駆動電極２８との間で、前後に振動するように構成することができるが、第１のプルーフ・マス１２と振動の位相が１８０°ずれている。
【００１６】
第１のプルーフ・マス１２は、第１の端部３２、第２の端部３４、第１の側部３６および第２の側部３８を有する薄い板または他の適当な構造体を含むことができる。第１のプルーフ・マス１２のそれぞれの端部３２、３４から外側へ、右／左の組の矢印２０によって示された方向に第１のプルーフ・マス１２を静電的に駆動するために使用される幾つかのコーム・フィンガ４０、４２が延びている。例えば、図１に描かれた例示的なジャイロスコープ１０では、第１のプルーフ・マス１２の第１の端部３２から外側へ延びる第１セットのコーム・フィンガ４０を、第１の駆動電極２４に形成された対応するセットのコーム駆動フィンガ４４と、インターデジタルに構成することができる。第１のプルーフ・マス１２の第２の端部３４から外側へ延びる第２セットのコーム・フィンガ４２は、第１のモータ・ピックオフ・コーム２２に形成された対応するセットのコーム・フィンガ４６とインターデジタル構成にする。
【００１７】
第２のプルーフ・マス１４も、第１のプルーフ・マス１２と同様に構成することができ、第１の端部４８、第２の端部５０、第１の側部５２および第２の側部５４を有する。第２のプルーフ・マス１４の第１の端部４８から外側へ延びる第１セットのコーム・フィンガ５６は、第２のモータ・ピックオフ・コーム２６に形成された対応するセットのコーム・フィンガ５８と、インターデジタルにされる。第２のプルーフ・マス１４の第２の端部５０から外側へ延びる第２セットのコーム・フィンガ６０は、第２の駆動電極２８に形成された対応するセットのコーム・フィンガ６２とインターデジタルにされる。
【００１８】
１または複数の懸架ばねを使用して、第１および第２のプルーフ・マス１２、１４を、その下の支持構造１６の上方で、１または複数の方向に拘束することができる。図１に示されているように、例えば、第１のプルーフ・マス１２は、第１セットの４つの懸架ばね６４を使用して、支持基板１６に固定または結合することができ、懸架ばね６４のそれぞれの端部６６を、第１のプルーフ・マス１２の４つの隅部に接続することができる。同様の様式で、第２のプルーフ・マス１４は、第２セットの４つのばね６８を使用して、その下の支持基板１６に固定することができ、ばね６８のそれぞれの端部７０は第２のプルーフ・マス１４の４つの隅部に接続することができる。使用時に、懸架ばね６４、６８は、入力軸１８の方向の望まれていない垂直運動を低減させるため、およびコリオリの力が感知されるジャイロスコープ１０のセンス軸７２に沿った直角位相運動を低減させるために、第１および第２のプルーフ・マス１２、１４の振動運動を、右／左の組の矢印２０、３０のによっておおまかに示された方向へと分離するように、構成することができる。支持基板１６の上方でプルーフ・マス１２、１４を支持することに加えて、懸架ばね６４、６８は更に、プルーフ・マスが駆動軸に沿ったそれらの平衡位置から変位したときに、駆動軸に沿った修復力を提供するように、構成することができる。
【００１９】
第１および第２の駆動電極２４、２８に駆動電圧ＶＤを印加して、インターデジタルのコーム・フィンガ間に静電力を誘導することができ、この静電力によって、コーム・フィンガは互いに対して静電的に運動する。駆動電圧ＶＤは、コーム・フィンガへ送達される電荷を交番させる時間変動電圧信号（time-varying voltage signal、時間で変動する電圧信号）を出力するように構成することができ、これは、懸架ばね６４、６８と相俟って、第１および第２のプルーフ・マス１２、１４を支持基板１６の上で特定の様式で前後に振動させる。典型的には、駆動電圧ＶＤは、第１および第２のプルーフ・マス１２、１４の共振周波数に対応する周波数を有するが、所望される場合には、所望の他の駆動周波数を使用することもできる。
【００２０】
駆動運動の方向２０、３０に沿ったプルーフ・マス１２、１４の変位の検出および／または測定のために、第１および第２のモータ・ピックオフ・コーム２２、２６にモータ・ピックオフ・バイアス電圧ＶＤＣを供給することができる。第１および第２のモータ・ピックオフ・コーム２２、２６のコーム・フィンガ４６、５８に対する、第１および第２のプルーフ・マス１２、１４のコーム・フィンガ４２、５６の運動から結果として得られるモータ・ピックオフ電圧ＶＰＩＣＫを使用して、第１および第２のプルーフ・マス１２、１４の運動を検出することができる。
【００２１】
入力軸１８についてのジャイロスコープの運動の結果としての、センス軸７２に沿った第１および第２のプルーフ・マス１２、１４の面外偏差（out-of-plane deflection）を検出および測定するために、センシング・システムの一部として、幾つかのセンス電極７４、７６を提供することができる。図１の破線によっておおまかに示されているように、センス電極７４、７６は、プルーフ・マス１２、１４の少なくとも一部分の下に配された薄い長方形の電極板を含むことができる。幾つかの実施形態では更に、希望される場合、それぞれのプルーフ・マス１２、１４の上方に、ジャイロスコープ１０の上側基板８２に形成された第２の幾つかのセンス電極７８、８０（図２および３参照）を配することができる。センス信号中への駆動電圧ＶＤ信号の漏れを防ぐために、センス電極７４、７６、７８、８０のサイズおよび形状は、周囲のコーム・フィンガ４２、５６との電気的干渉を最小限に抑えるように構成することができる。
【００２２】
それぞれのセンス電極７４、７６、７８、８０に印加されるＤＣセンス・バイアス電圧Ｖｓを用いて、第１および第２のプルーフ・マス１２、１４に、それぞれのセンス電極７４、７６、７８、８０とプルーフ・マス１２、１４との間の静電容量に比例した電荷を、誘導することができる。
【００２３】
入力軸１８についてのジャイロスコープ１０の回転によって引き起こされるコリオリの力および／または任意の直角位相力によるセンス軸７２に沿ったプルーフ・マス１２、１４の運動を機械的にゼロにするように、幾つかのトルカ電極８４、８６を構成することができる。トルカ電極８４、８６は、センス電極７４、７６、７８、８０と同様に構成することができ、それぞれが、プルーフ・マス１２、１４の少なくとも一部分の下に配された薄い長方形の電極板を含む。幾つかの実施形態では更に、希望される場合、それぞれのプルーフ・マス１２、１４の上に、第２の幾つかのトルカ電極８８、９０を配することができる。トルカ電極８４、８６、８８、９０のサイズおよび形状は、周囲のコーム・フィンガ４０、６０およびセンス電極７４、７６、７８、８０との電気的干渉を最小限に抑えるように構成することができる。
【００２４】
動作中、センス電極７４、７６、７８、８０を使用して、コリオリの力および任意の直角位相力の結果としての、センス軸７２に沿ったプルーフ・マス１２、１４の運動を感知することができる。センス電極７４、７６、７８、８０に印加されたセンス・バイアス電圧Ｖｓは、それぞれのプルーフ・マス１２、１４に、それらの面外変位に比例した電荷を生み出し、電流を発生させ、この電流は、入力ノード９４および出力ノード９６を有する電荷増幅器９２へ供給される。電荷増幅器９２は、時間で変動するセンス静電容量によって生み出された電流を、センス軸７２に沿ったプルーフ・マス１２、１４の変位をゼロに維持するために必要な静電ゼロ化力に比例した出力センス電圧Ｖｓｅｎｓｅへと変換する。幾つかの実施形態では、それぞれのプルーフ・マス１２、１４に結合され、電圧信号ＶＰＭを出力するように適合された第２の電荷増幅器９８を使用して、プルーフ・マス１２、１４を仮想接地に維持することができる。あるいは、そして他の実施形態では、プルーフ・マス１２、１４はハード的に接地される。
【００２５】
それぞれのトルカ電極８４、８６、８８、９０に印加される時間変動リバランシング電圧を用いて、センス軸７２に沿ったプルーフ・マス１２、１４の運動を静電的にゼロにすることができ、それによって、センス電極７４、７６、７８、８０とプルーフ・マス１２、１４との間の固定された静電容量を維持することができる。図３に関して後に詳細に説明されるように、ある種の実施形態では、時間変動リバランシング電圧が、電荷増幅器９２の出力センス電圧Ｖｓｅｎｓｅを１または複数のフィードバック制御ループに通すことによって得られる閉ループＡＣフィードバック制御信号を含むことができる。図１に示されているように、第１のプルーフ・マス１２に隣接したトルカ電極８４に印加されるリバランシング電圧Ｖｓｉｎ（ωｔ／２＋Φ）は、第２のプルーフ・マス１４に隣接したトルカ電極８６に印加されるリバランシング電圧Ｖｃｏｓ（ωｔ／２＋Φ）とは、位相を９０°ずらすことができる。フィードバック制御電子回路は、位相オフセット・ファクタΦを使用して、コリオリの力と直角位相力とを同時にゼロにすることができる。
【００２６】
電荷増幅器９２の出力信号が、プルーフ・マス１２、１４のセンス軸７２に沿った差動運動だけに感応することを保証するために、第１のプルーフ・マス１２の運動を感知するために使用されるセンス・バイアス電圧Ｖｓは、第２のプルーフ・マス１４の運動を感知するために使用されるセンス・バイアス電圧Ｖｓとは反対の極性を有することができる。例えば、ある種の実施形態では、下センス電極７４、７６および上電極７８、８０のそれぞれに、それぞれ、＋５Ｖおよび−５Ｖのセンス・バイアス電圧Ｖｓを印加して、電荷増幅器９２の出力ノード９６の電圧が、プルーフ・マス１２、１４の差動モード運動だけに感応するようにすることができる。
【００２７】
図２は、図１のセンス電極およびトルカ電極の動作を更に詳細に示す側面断面図である。図２に示されているように、下センス電極７６は、ジャイロスコープ１０の下基板１６の表面または内部に配置することができ、下センス電極７６は、その上面１００が、プルーフ・マス１４の下面１０２と垂直方向に隣接し且つプルーフ・マス１４の下面１０２と平行に配置されるような向きに、配置することができる。上センス電極８０は、ジャイロスコープ１０の上基板８２の表面または内部に配置することができ、上センス電極８０は、その下面１０４が、プルーフ・マス１４の上面１０６に垂直方向に隣接し且つプルーフ・マス１４の上面１０６と平行に配置されるような向きに、配置することができる。下および上センス電極７６、８０はそれぞれ、プルーフ・マス１４の下面および上面１０２、１０６から距離Ｄ１およびＤ２だけ離して配置することができる。典型的には、下および上センス電極７６、８０が、プルーフ・マス１４から同じ距離だけ離して配置されるが（即ちＤ１＝Ｄ２）、センス電極７６、８０が、プルーフ・マス１４から異なる距離だけ離して配置される（即ちＤ１≠Ｄ２）他の実施形態も企図される。
【００２８】
下および上トルカ電極８４、８６、８８、９０は、基板１６、８２の表面または内部に配置することができ、センス軸７２に沿ったプルーフ・マスの運動を機械的にゼロにする静電力をプルーフ・マス１２、１４に提供するような様式で、配置することができる。例えば、描かれた例示的な実施形態では、下トルカ電極８６を、ジャイロスコープ１０の下基板１６の表面または内部に配置することができ、下トルカ電極８６を、その上面１０８が、プルーフ・マス１４の下面１０２に垂直方向に隣接し且つプルーフ・マス１４の下面１０２と平行に配置されるような向きに、配置することができる。上トルカ電極９０は、ジャイロスコープ１０の上基板８２の表面または内部に配置することができ、上トルカ電極９０は、その下面１１０が、プルーフ・マス１４の上面１０６に垂直方向に隣接し且つプルーフ・マス１４の上面１０６と平行に配置されるような向きに、配置することができる。センス電極７６、８０をトルカ電極８６、９０から電気的に分離するために、それぞれのトルカ電極８６、９０と水平方向に隣接したセンス電極７６、８０との間に、小さな非導電性のギャップ１１２、１１４を提供することができる。
【００２９】
動作中、入力軸１８についてのジャイロスコープ１０の回転運動に起因するコリオリの力、ならびに駆動システムの不規則性に起因する任意の直角位相力によって、第１および第２のプルーフ・マス１２、１４は、センス電極７４、７６に対して面外へ動く。このような面外変位は、プルーフ・マス１４の電荷を変化させ、電荷増幅器９２の入力ノード９４で電流を発生させる。
【００３０】
電荷増幅器９２から出力された電圧Ｖｓｅｎｓｅの大きさに基づいて、トルカ電極８６、９０に印加されるリバランシング電圧を、プルーフ・マス１４の面外変位に逆らうように調節して、センス電極７６、８０とプルーフ・マス１４との間の固定された容量性距離Ｄ１、Ｄ２を維持するように作用する静電力Ｆ１、Ｆ２を生み出すことができる。例えば、センシング・システムが、プルーフ・マス１４の上方向の面外運動を検出した場合には、下向きの静電力Ｆ１をプルーフ・マス１４に加えるように、下トルカ電極８６へ印加されるリバランシング電圧を構成することができる。同様の様式で、上トルカ電極９０に印加されるリバランシング電圧を、この電圧の時間で変動する特性によって、示されている下向きの静電力Ｆ２をプルーフ・マス１４に加えるように構成することができる。幾つかの実施形態では、下トルカ電極と上トルカ電極８６、９０の両方に同時に適用されるリバランシング電圧は、複数のリバランシング力Ｆ１、Ｆ２をプルーフ・マス１４に同時に加えるように構成することができ、これは、この力をリバランシングする過程の対称性のレベルを向上させる。
【００３１】
図２に描かれた例示的な実施形態は、それぞれのプルーフ・マス１２、１４の上と下とにある複数のセンス電極７４、７６、７８、８０およびトルカ電極８４、８６、８８、９０を用いるが、ジャイロスコープ１０を、それぞれのプルーフ・マス１２、１４に対して単一のトルカ電極およびセンス電極だけを使用して機能するように構成することもできることが理解されるべきである。例えば、ある種の実施形態では、ジャイロスコープ１０が、それぞれのプルーフ・マス１２、１４の上方に配置された一つのトルカ電極、およびそれぞれのプルーフ・マス１２、１４の下方に配置された一つのセンス電極を含むようにしてもよい。センス電極およびトルカ電極が、それぞれ、それぞれのプルーフ・マス１２、１４の上および下に配置されるようにした、反対の配置を使用することもできる。図５〜７に関して後述されるように、幾つかの実施形態では、希望される場合には、それぞれのプルーフ・マス１２、１４上のコリオリの力と直角位相に関連した力との両方を同時に別々に補償するために、下基板１６および／または上基板８２の表面または内部に複数のトルカ電極を配することができる。
【００３２】
図３は、図１のＭＥＭＳジャイロスコープ１０を制御する際に使用する例示的な力リバランス用制御ループを示す簡素化された電気機械ブロック図を表す。図３に示されているように、電荷増幅器９２から出力されるセンス電圧Ｖｓｅｎｓｅは復調器１１６へ供給することができ、復調器１１６は、電荷増幅器９２からのセンス電圧Ｖｓｅｎｓｅ出力信号を、駆動モータ速度クロック１２０からの出力信号１１８を用いて復調して、これらの２つの入力信号の周波数の和および差を有する信号１２２を生成する。結果として生じる電圧信号１２２は、次いで、さまざまなフォース（力）・リバランス制御ロジック（例えば、利得増幅器、移相器、フィルタ、制御変数など）を有するフォース・リバランス・コントローラ１２４（例えば、プロポーショナル−インテグラル−デリバティブ（ＰＩＤ）・コントローラ）へ供給され、フォース・リバランス・コントローラ１２４は、ＤＣリバランシング電圧ＶＲＥＢ（ｄｃ）を出力する。
【００３３】
フィードスルーの影響を低減させるため、フォース（力）・リバランス・コントローラ１２４によって出力されるＤＣリバランシング電圧ＶＲＥＢ（ｄｃ）を、第２のミキサ１２６へ供給することができ、第２のミキサ１２６は、ＤＣリバランシング電圧ＶＲＥＢ（ｄｃ）をモータ速度クロック信号１１８で変調して、時間で変動するリバランシング電圧ＶＲＥＢ（ｔ）を生成する。リバランシング電圧ＶＲＥＢ（ｔ）信号を、モータ速度クロック信号１１８から切り離すために、モータ速度クロック信号１１８の角周波数（ω）を、周波数分割器１２８を使用して１／２にすることができ、従ってモータ速度クロック信号１１８の周波数の半分の周波数を有する信号１３０を出力することができる。フォース・リバランス・コントローラ１２４は、ブロック１２９で位相調節信号Φを出力することができる。この位相調節信号Φは、後に論じられるように、ＤＣリバランシング電圧ＶＲＥＢ（ｄｃ）信号に後に加えられたときに、コリオリの力と直角位相力とを同時にゼロにするために使用することができる。
【００３４】
ブロック１２９で出力された、周波数分割され位相調節された信号１３１は、信号１３１の位相を９０°または他の所望の量だけ移相させる移相器１３２へ供給することができる。次いで、移相された信号１３４をミキサ１２６へ供給し、フォース・リバランス・コントローラ１２４から出力されたＤＣリバランシング電圧ＶＲＥＢ（ｄｃ）と組み合わせて、モータ速度クロック信号１１８の周波数の半分の周波数を有する時間変動リバランシング電圧ＶＲＥＢ（ｔ）信号成分を生み出すことができる。駆動システムのモータ周波数（ω）の半分の周波数でリバランシング電圧ＶＲＥＢ（ｔ）を変調することによって、システム内の電気フィードスルーの影響をかなり減らすことができる。なぜなら、モータ変位を測定するために使用されるセンス・ピックオフ電子回路が、典型的には、モータ周波数（ω）での位相感応検出を使用し、従って、モータ周波数の半分の周波数の信号には感応しないからである。
【００３５】
図３に更に示されているように、ブロック１２９からの出力信号１３１を更に、ミキサ１３６によって、外部ＤＣキャリア電圧ＶＣ（ｄｃ）信号と組み合わせて、時間変動キャリア電圧ＶＣ（ｔ）信号成分を生み出すことができる。それぞれのトルカ電極８４、８６、８８、９０に加えられる正味のリバランシング電圧Ｖ（ｔ）は、典型的には、時間変動キャリア電圧ＶＣ（ｔ）信号成分とリバランシング電圧ＶＲＥＢ（ｔ）信号成分との和を含み、一般に下記の式によって表すことができる。
【００３６】
【数１】
2008008884.tif 000003
【００３７】
上記の式において、
ＶＣは、時間で変動するキャリア電圧信号成分、
ＶＲＥＢは、時間で変動するリバランシング信号成分、
ωは、プルーフ・マスのモータ・モード運動の角周波数、
ｓｑ（θ）は、位相θおよび振幅±１の方形波
を表す。
【００３８】
従って、上式（１）から理解されるように、それぞれのトルカ電極８４、８６、８８、９０に加えられるリバランシング電圧Ｖ（ｔ）は、矩形波キャリア電圧ＶＣ（ｔ）信号成分と、このキャリア電圧ＶＣ（ｔ）信号成分と９０°位相がずれた矩形波リバランシング電圧ＶＲＥＢ（ｔ）信号成分とを含む。上式（１）によって生み出される波形の表現が図４に示されている。この図は、キャリア電圧ＶＣ（ｔ）信号成分とリバランシング電圧ＶＲＥＢ（ｔ）信号成分との和によって生み出された変更された矩形波信号１４０を示す。
【００３９】
トルカ電極８４、８６、８８、９０へのリバランシング電圧Ｖ（ｔ）の印加は、それぞれのプルーフ・マス１２、１４に時間変動静電リバランシング力を生み出し、これは、図３の上／下の矢印１３８によっておおまかに示された方向に差動センス共振モード運動を拘束するように作用する。式（１）の印加電圧Ｖ（ｔ）の結果としてセンス軸７２に沿ってプルーフ・マス１２、１４上に誘導される静電リバランシング力の成分Ｆｙは一般に、下式によって表すことができる。
【００４０】
【数２】
2008008884.tif 000004
【００４１】
上記の式において、ｄＣ／ｄｙは、センス軸７２に沿ったプルーフ・マス運動に関するトルカ電極の静電容量の微分である。
【００４２】
上記の式（２）から理解されるように、静電リバランス力ＦｙのＡＣ成分は、リバランシング電圧ＶＲＥＢにおいて直線的であり、従って、フォース・リバランス・コントローラ１２４によって使用される制御電子回路を単純化する。その上、静電リバランシング力ＦｙのＡＣ成分は駆動システムのモータ周波数（ω）のところにあり、これは、モータ周波数ωにある直角位相力およびコリオリの力を静電的にゼロにするために必要であるからである。
【００４３】
リバランス力Ｆｙの位相は、リバランシング電圧Ｖ（ｔ）のリバランシング電圧ＶＲＥＢ（ｔ）信号成分および／またはキャリア電圧ＶＣ（ｔ）信号成分の位相を調節することによって、変化させることができ、このことは、コリオリおよび／または直角位相に関連する力を選択的にリバランシングまたは制御することを可能にする。例えば、ある種の実施形態では、コリオリの力および直角位相力の選択的制御を、例えば、フォース・リバランス・コントローラ１２４によってリバランシング電圧ＶＲＥＢ（ｔ）の位相Φを変化させることによって、または、キャリア電圧ＶＣ（ｔ）信号成分に対して別個の移相器を使用すること（例えばミキサ１３６への入力で）によって、または、他の適当な手段によって、達成することができる。リバランシング電圧ＶＲＥＢ（ｔ）は、典型的には、モータ速度クロック信号１１８と位相が９０°ずれて維持されるが、所望される場合には、リバランシング電圧ＶＲＥＢ（ｔ）を別の量だけ移相させることができることを、理解すべきである。
【００４４】
フォース・リバランス・コントローラ１２４は、典型的には、比較的高い制御ループ帯域幅にわたって動作し、リバランシング電圧ＶＲＥＢ（ｔ）信号成分へもたらす雑音レベルは比較的低いものであるように適合された制御電子回路を含み、それによって、ジャイロスコープ１０は、広いダイナミック・レンジにわたってコリオリの力を正確に検出することができる。例えば、ある種の実施形態では、雑音レベルは、０．０１度／時間の低い回転レートも５００度／秒の高い回転レートも正確に感知できるようなレベルでなければならない。しかし、ジャイロスコープ１０のダイナミック・レンジは、特定の応用に応じて変更する。
【００４５】
ジャイロスコープ１０を、プルーフ・マスの変位に起因する電圧を測定する代わりに、ゼロ検出器として動作させることによって、従来の多くのＭＥＭＳジャイロスコープよりも大きなダイナミック・レンジにわたって動作するようにジャイロスコープ１０を構成することができる。その上、センス共振モードの減衰によって生み出される直角位相運動の移相がしばしば原因となるバイアス安定性は、プルーフ・マス１２、１４をフォース・リバランスさせる（プルーフ・マス１２、１４の力のバランスをとりなおす）ことによって更に向上させることができ、幾つかのケースでは２桁以上の大きさの向上が可能である。この出力信号はコリオリの力の直接の測度であり、従って、この出力信号はジャイロスコープ１０の共振周波数から独立しているので、プルーフ・マス１２、１４をフォース・リバランスさせることによって、スケール・ファクタ誤差の発生を更にかなり低下させることができる。ある種の状況では、センサ信頼性、センサ寿命および長期ドリフトなどの他の因子も改善させることができる。
【００４６】
図５は、センス軸運動のコリオリ位相と直角位相の両方を同時に制御するために別個の電極を使用する、本発明の例示的な他の実施形態に基づく例示的なＭＥＭＳ型ジャイロスコープ１４２の概略図である。ジャイロスコープ１４２は前述のジャイロスコープ１０と同様であり、図中の同様のエレメントには同様の符号が付されている。しかし、図５の例示的な実施形態では、ジャイロスコープ１４２が、センス軸７２に沿ったプルーフ・マス１２、１４のコリオリ関連の運動を機械的にゼロにするように適合された第１のセットの電極１４４、１４６と、センス軸７２に沿ったプルーフ・マス１２、１４の直角位相関連の運動を機械的にゼロにするように適合された第２のセットの電極１４８、１５０とを含む。
【００４７】
トルカ電極１４４、１４６、１４８、１５０は、図１〜２に関して以前に説明されたトルカ電極８４、８６と同様に構成することができ、それぞれが、プルーフ・マス１２、１４の少なくとも一部分の下に配される薄い長方形の電極板を含む。幾つかの実施形態では更に、プルーフ・マス１２、１４に隣接する位置からコリオリおよび直角位相の力を制御するために、コリオリ関連トルカ電極１５２、１５４および直角位相関連トルカ電極１５６、１５８を含む別のセット（図６〜７参照）を、それぞれのプルーフ・マス１２、１４の上方に配することができる。
【００４８】
プルーフ・マス１２、１４のコリオリの力と直角位相力との両方を同時に制御するため、ジャイロスコープ１４２は、複数のフォース・リバランシング制御ループを用いることができ、それぞれのフォース・リバランシング制御ループが、第１セットのトルカ電極１４４、１４６、１５２、１５４と、第２セットのトルカ電極１４８、１５０、１５６、１５８とを独立に制御するために別個のリバランシング電圧信号を生成するように構成される。例えば、図５の例示的な実施形態では、第１セットのトルカ電極１４４、１４６、１５２、１５４へ印加される時間変動リバランシング電圧ＶＣｏｒｉｏｌｉｓ（ｓｉｎ（ωｔ／２））、ＶＣｏｒｉｏｌｉｓ（ｃｏｓ（ωｔ／２））を用いて、センス軸７２に沿ったプルーフ・マス１２、１４のコリオリ関連の運動を静電的にゼロにすることができる。第２セットのトルカ電極１４８、１５０、１５６、１５８に印加される別個の時間変動リバランシング電圧Ｖｑｕａｄ（ｓｉｎ（ωｔ／２＋π／４））、Ｖｑｕａｄ（ｃｏｓ（ωｔ／２＋π／４））を用いて、センス軸７２に沿ったプルーフ・マス１２、１４の直角位相関連の運動を静電的にゼロにすることができる。
【００４９】
図６は、図５のセンス電極およびトルカ電極の動作をより詳細に示す側面断面図である。図６に示されているように、センス軸７２に沿ったプルーフ・マスのコリオリ関連の運動を機械的にゼロにするように作用する静電力ＦＣ１、ＦＣ２をプルーフ・マス１２、１４に生み出すように、第１セットの下および上のトルカ電極１４６、１５４を、基板１６、８２の表面または内部に配置することができる。同様の様式で、センス軸７２に沿ったプルーフ・マスの直角位相関連の運動を機械的にゼロにするように作用する追加の静電力ＦＱ１、ＦＱ２をプルーフ・マス１２、１４に生み出すように、第２のセットの下および上のトルカ電極１５０、１５８を、基板１６、８２の表面または内部に配することができる。
【００５０】
図７Ａ〜７Ｂは、図５〜６のＭＥＭＳジャイロスコープ１４２を制御するための複数のフォース・リバランシング・ループの使用を示す、単純化された電気機械ブロック図を表す。図７Ａに示されているように、電荷増幅器９２から出力された出力センス電圧Ｖｓｅｎｓｅは、第１の復調器１１６ａへ供給することができ、第１の復調器１１６ａは、このセンス電圧Ｖｓｅｎｓｅを、駆動モータ速度クロック１２０からの出力信号１１８を用いて復調して、第１の電圧信号１２２ａを生み出す。電荷増幅器９２から出力されたセンス電圧Ｖｓｅｎｓｅは更に、第２の復調器１１６ｂに供給することができ、第２の復調器１１６ｂは、駆動モータ速度クロック１２０からの出力信号１１８を復調して、第２の電圧信号１２２ｂを生み出す。示されているように、移相器１１９によって第２の電圧信号１２２ｂの位相を第１の信号１２２ａから９０°ずらすことができる。
【００５１】
復調器１１６ａから出力された第１の電圧信号１２２ａは、第１のフォース・リバランス・コントローラ１６０へ供給することができ、第１のフォース・リバランス・コントローラ１６０は、プルーフ・マスのコリオリ関連の運動をゼロにするためにジャイロスコープ１４２が使用する第１のＤＣリバランシング電圧ＶＲＥＢ（ＣＯＲ）（ｄｃ）を出力するように適合される。復調器１１６ｂから出力された第２の電圧信号１２２ｂは、第２のフォース・リバランス・コントローラ１６２へ供給することができ、第２のフォース・リバランス・コントローラ１６２は、プルーフ・マスの直角位相関連の運動をゼロにするためにジャイロスコープ１４２が使用する第２のＤＣリバランシング電圧ＶＲＥＢ（ＱＵＡＤ）（ｄｃ）を出力するように適合される。第１および第２のフォース・リバランス・コントローラ１６０、１６２は、物理的に別個のコントローラとして実現することができ、また、破線のボックス１６４によっておおまかに示されているように、単一のコントローラとして組み合わせることができる。例えば、幾つかの実施形態では、希望される場合には、マルチ入力マルチ出力（ＭＩＭＯ）コントローラを使用して、直角位相リバランシング電圧ＶＲＥＢ（ＱＵＡＤ）（ｄｃ）とコリオリ・リバランシング電圧ＶＲＥＢ（ＣＯＲ）（ｄｃ）との両方を制御することができる。
【００５２】
フォース・リバランス・コントローラ１６０、１６２内のさまざまな制御ロジックに供給した後、第１および第２のＤＣリバランシング電圧ＶＲＥＢ（ＣＯＲ）（ｄｃ）、ＶＲＥＢ（ＱＵＡＤ）（ｄｃ）はそれぞれ対応するミキサ１６６、１６８へ供給することができ、ミキサ１６６、１６８はそれらのＤＣ電圧を変調して、それぞれの時間変動リバランシング電圧ＶＲＥＢ（ＣＯＲ）（ｔ）およびＶＲＥＢ（ＱＵＡＤ）（ｔ）を生成する。ＤＣリバランシング電圧ＶＲＥＢ（ＣＯＲ）（ｄｃ）は、例えば、示されているように、ブロック１３２によって出力される位相調節された信号１３４と混合することができる。ＤＣリバランシング電圧ＶＲＥＢ（ＱＵＡＤ）（ｄｃ）は、示されているように、位相調節ブロック１７１からの出力信号１６９と混合することができる。図７Ａに更に示されているように、ブロック１７３の第２の移相は、直角位相リバランシング電圧ＶＲＥＢ（ＣＯＲ）（ｔ）を４５°移相させることができる。次いで、リバランシング電圧ＶＲＥＢ（ＣＯＲ）（ｔ）およびＶＲＥＢ（ＱＵＡＤ）（ｔ）を、それぞれ、ミキサ１３６および１３７でそれぞれ生成された変調されたキャリア電圧ＶＣ（ｔ）と組み合わせることができ、次いで、これらを、図７Ｂに示されるさまざまなトルカ電極へ印加することができる。
【００５３】
動作中、トルカ電極へのリバランシング電圧ＶＲＥＢ（ＣＯＲ）（ｔ）およびＶＲＥＢ（ＱＵＡＤ）（ｔ）の印加は、それぞれのプルーフ・マス１２、１４上に、コリオリの力および直角位相力による差動センス共振モード運動１３８を拘束するように作用する幾つかの時間変動静電リバランシング力を生み出す。複数のフォース・リバランシング制御ループを使用することによって、センス軸７２に沿ったプルーフ・マス運動のコリオリと直角位相の相の両方を同時にゼロにするように、ジャイロスコープ１４２を構成することができる。
【００５４】
図８Ａ〜８Ｂは、図１〜２に描かれたセンサと同様のＭＥＭＳ慣性センサをセンス電極に印加される正弦波リバランシング電圧を使用して制御する他の例示的なフォース・リバランシング制御ループを示す、単純化された電気機械ブロック図を表す。図８Ａに示されているように、この慣性センサのセンス電子回路は、慣性センサのそれぞれのプルーフ・マス１７２、１７４に接続された第１の増幅器１７０を含むことができ、プルーフ・マス１７２、１７４から受け取られた電流に基づいて電圧信号ＶＰＭを出力するように適合されている。第１の増幅器１７０は、例えば、増幅器１７０の入力ノードと出力ノード１８２、１８４の間に接続された値の大きい抵抗器１７８およびコンデンサ１８０を有する電荷増幅器を含むことができ、この増幅器は、プルーフ・マス１７２、１７４を仮想接地に維持するように作用する。
【００５５】
この慣性センサのセンス電子回路は更に第２の増幅器１８６を含むことができ、第２の増幅器１８６は、センス軸方向１７６のプルーフ・マス１７２、１７４の面外運動に起因する幾つかのセンス電極１８８、１９０から受け取られた電流信号を増幅するように、構成することができる。第２の増幅器１８６は、例えば、増幅器１８６の入力ノードと出力ノード１９６、１９８の間に接続された値の大きい抵抗器１９２およびコンデンサ１９４を有する電荷増幅器を含むことができる。
【００５６】
それぞれのセンス電極１８８、１９０に印加されるＤＣセンス・バイアス電圧Ｖｓを用いて、それぞれのセンス電極１８８、１９０とプルーフ・マス１７２、１７４との間の静電容量に比例した電荷を、プルーフ・マス１７２、１７４上に誘導することができる。第２の増幅器１８６へのセンス・バイアス入力をゼロまたはゼロ付近にバランスさせるのを助けるために、それぞれのセンス電極１８８、１９０に印加されるセンス・バイアス電圧Ｖｓは、互いに反対の極性を有することができ、そして、示されているように、それぞれの抵抗器２００、２０２およびコンデンサ２０４、２０６に接続することができる。例えば、ある種の実施形態では、それぞれのセンス電極１８８、１９０に、＋５Ｖおよび−５Ｖのセンス・バイアス電圧Ｖｓをそれぞれ印加して、第２の増幅器１８６の出力信号が、センス軸１７６に沿ったプルーフ・マス１７２、１７４の差動モード運動だけに感応することを保証することができる。
【００５７】
図８Ｂは、図８Ａに示されたプルーフ・マス１７２、１７４をフォース・リバランスさせるために使用することができるフィードバック制御電子回路（例えば、デジタル信号処理電子回路）を示す、単純化された電気機械ブロック図を表す。図８Ｂに更に示されているように、第２の増幅器１８６から受け取られた増幅された信号２０８を、２つの別個の信号２１０、２１２に分割することができ、これらの信号は、プルーフ・マス１７２、１７４上の直角位相力とコリオリの力との両方を補償するためにこの制御電子回路によって使用される。増幅器１８６からの第１の信号２１０は、例えば、第１の復調器２１４、ロー・パス・フィルタ２１６およびＰＩＤコントローラ２１８に供給され、プルーフ・マス１７２、１７４の直角位相関連の運動を補償するために後に使用することができる直角位相信号２２０を生み出すことができる。増幅器１８６の第２信号２１２は、第２の復調器２２２、ロー・パス・フィルタ２２４およびＰＩＤコントローラ２２６へ供給することができ、プルーフ・マス１７２、１７４のコリオリ関連の運動を補償するために後に使用することができるコリオリ信号２２８を生み出すことができ、また、慣性センサの所望のレート出力信号２３０を提供する。第２の復調器２２２は、増幅器１８６からの第２の信号２１２を、第１の復調器２１４へ供給される信号２１０と９０°位相をずらして復調するように、構成することができる。例えば、幾つかの実施形態では、第１の復調器２１４が、増幅された信号２１０を正弦波関数を使用して復調し、第２の復調器２２２が、増幅された信号２１２を余弦関数を使用して復調することができる。
【００５８】
増幅された信号２１０、２１２が変調され、フィルタリングされ、補償された後、結果として生じる信号２２０、２２８を、これらの２つの信号２２０、２２８を処理してそれぞれの信号２３６および２３８を形成する幾つかの関数ルーチン２３２、２３４に通すことができる。例えば、第１の関数ルーチン２３２は、直角位相関連の信号およびコリオリ関連の信号２２０、２２８の位相を決定し、第２の増幅器１８６からの出力信号２０８の位相の半分（即ち、θ／２）の位相を有する出力信号２３６を生み出すように、構成することができる。幾つかの実施形態では、第１の関数ルーチン２３２は、下記の式に基づいて位相を決定することができる。
【００５９】
【数３】
2008008884.tif 000005
【００６０】
上記の式において、
「Ｂ」は、コリオリ関連の信号２２８、
「Ａ」は、直角位相関連の信号２２０
である。
【００６１】
第２の関数ルーチン２３４は、プルーフ・マス１７２、１７４の直角位相およびコリオリ関連の運動を打ち消すのに必要な静電リバランシング力Ｆの振幅を決定するように、構成することができる。例えば、１つのそのような実施形態では、第２の関数ルーチン２３４を、静電力Ｆの振幅を下記の式に基づいて決定するように、構成することができる。
【００６２】
【数４】
2008008884.tif 000006
【００６３】
上記の式において、
「Ｂ」は、コリオリ関連の信号２２８、
「Ａ」は、直角位相関連の信号２２０
である。
【００６４】
上記の式（４）から決定される静電力Ｆは、次いで、静電力Ｆの平方根をとるボックス２４０へ供給される。結果として生じる力信号２４２は、次いで、ボックス２４４で定数Ｇ１で利得調節される。利得調節された力信号２４６は、次いで、ミキサ２４８へ供給され、ミキサ２４８は、調節された信号２４６を、モータ速度クロック２５２によって生み出されたクロック信号２５０で変調して、時間変動リバランシング電圧信号２５４を生み出す。リバランシング電圧信号２５４をモータ速度クロック信号２５０から切り離すために、モータ速度信号２５０の角周波数（ω）を、周波数分割器２５６を使用して１／２にし、従って、モータ速度クロック信号２５０の周波数の半分の周波数を有する信号２５８を出力する。
【００６５】
次いで、ミキサ２４８から出力されたリバランシング電圧信号２５４を分割し、これらを、互いに９０°位相がずれたリバランシング電圧信号２６４、２６６を生み出す幾つかの移相器２６０、２６２へ供給する。例えば、第１の移相器２６０へ供給されたリバランシング電圧信号２５４の成分は、信号２６８によって９０°（即ち、π／２）移相させることができ、信号２３６を介してのモータ周波数ωの半分と一致する周波数を有する。第２の移相器２６２へ供給されたリバランシング電圧信号２５４の成分は、第１のリバランシング信号２６４と９０°位相がずれて維持され、また信号２３６を介してのモータ周波数ωの半分と一致する周波数を有する。幾つかの実施形態では、希望される場合には、位相調節器２７０を使用して、第１および／または第２の移相器２６０、２６２によって提供される位相を調節することができる。
【００６６】
再び図８Ａを参照することによって更に理解されるように、時間変動リバランシング電圧信号２６４、２６６は、次いで、プルーフ・マス１７２、１７４上のコリオリの力および直角位相力を静電的にゼロにするために、それぞれのトルカ電極２７２、２７４へ供給される。例えば、第１のリバランシング電圧信号２６４は、プルーフ・マス１７２上のコリオリの力および直角位相力を打ち消すために、第１のトルカ電極２７２に印加する。第２のリバランシング電圧信号２６４は、プルーフ・マス１７４上のコリオリの力および直角位相力を打ち消すために、第２のトルカ電極２７４に印加する。リバランシング電圧信号２６４、２６６の位相を適切に調節することによって、これらの信号は、プルーフ・マス１２、１４のコリオリ関連の運動と直角位相関連の運動との両方を同時に制御する。それぞれの電極２７２、２７４に対応して供給されるリバランシング電圧信号２６４、２６６は、モータ周波数の半分の周波数で、互いに９０°位相がずれた正弦波リバランシング電圧であり、静電力は、印加される電圧の２乗に比例するため、結果として生じるプルーフ・マス１７２、１７４上の力は、モータ周波数で、互いに１８０°位相がずれている。従って、これらの静電リバランシング力は、モータ周波数でのプルーフ・マス１７２、１７４の差動運動（即ち、コリオリおよび直角位相に関連の運動）をゼロにすることができる。
【００６７】
図９Ａ〜９Ｂは、別個の正弦波コリオリおよび直角位相リバランシング電圧を使用してＭＥＭＳ慣性センサを制御するための複数のフォース・リバランシング制御ループの使用を示す、単純化された電気機械ブロック図を表す。図９Ａ〜９Ｂに示されているように、慣性センサのセンス電子回路は、図８Ａ〜８Ｂに描かれているものと同様であり、同様のエレメントには同様の符号が付されている。
【００６８】
しかし、図９Ａ〜９Ｂの例示的な実施形態では、ＰＩＤコントローラ２１８、２２６から出力された直角位相およびコリオリ関連の信号２１８、２２６は、別個の制御ループの部分であり、これによってこの電子回路は、直角位相力およびコリオリの力を互いに独立して補償することができる。例えば、プルーフ・マスの直角位相関連の運動を補償するために使用されるＰＩＤコントローラ２１８から出力される直角位相信号２２０は、それ自体の利得調節器２７６へ供給され、信号２２０を定数Ｇ２によって調節する。利得調節器２７６によって出力された直角位相リバランシング電圧２７８は、次いで、加算器２８４、２８６によってそれぞれバイアス電圧Ｖ０および−Ｖ０を加えた後に、２つの別個のＤＣ直角位相リバランシング信号２８０、２８２へと分割することができる。図９Ａを再び参照することによって理解されるように、直角位相リバランシング信号２８０、２８２は、次いで、プルーフ・マス１７２、１７４の直角位相関連の運動を静電的にゼロにするために、幾つかのトルカ電極２８８、２９０へ印加される。例えば、面内ジャイロスコープ（ＩＰＧ）構成では、プルーフ・マスの直角位相関連の運動を静電的にゼロにするために、プルーフ・マス１７２、１７４の上方および下方にトルカ電極２８８、２９０を配置することができる。あるいは、面外ジャイロスコープ（ＯＰＧ（out-of-plane gyroscope））などのような他の構成では、トルカ電極２８８、２９０を、ピックオフ・コーム電極および／または駆動コーム電極の間などの他の位置に、配置することができる。
【００６９】
図９Ｂに更に示されているように、プルーフ・マスのコリオリ関連の運動を補償するために使用されるＰＩＤコントローラ２２６によって出力されるコリオリ関連の信号２２８は、信号２２８の平方根をとるボックス２９２へ供給される。結果として生じる信号２９４は、次いで、定数Ｇ１で利得を調節する利得調節器２９６へ供給される。利得調節された信号２９８は、次いで、分割されて第１のミキサ３００へ供給され、第１のミキサ３００は、調節された信号２９８を、モータ速度クロック３０４によって生み出されたクロック信号３０２で変調して、時間変動リバランシング電圧信号３０６を生み出す。リバランシング電圧信号３０６の周波数は、周波数分割器３０８を使用して１／２にすることができる。リバランシング電圧信号３０６は更また、移相器３１０を使用して９０°移相させることができる。幾つかの実施形態では、希望される場合には、リバランシング電圧信号３０６の位相を変化させるために、第２の移相器３１２を配置することができる。
【００７０】
利得調節された信号２９８は更に、第２のミキサ３１４へ供給され、第２のミキサ３１４は、信号２９８を、モータ速度クロック３０４によって生み出されたクロック信号３０２で変調して、第１のミキサ３００によって出力された時間変動リバランシング電圧信号３０６とは９０°位相がずれた第２の時間変動リバランシング電圧信号３１６を生み出す。必要ならば、位相調節器３１２を使用して、第２の時間変動リバランシング電圧信号３１６の位相を調節することができる。図９Ａに更に示されているように、時間変動リバランシング電圧信号３０６、３１６は、次いで、プルーフ・マス１７２、１７４上のコリオリの力を静電的にゼロにするために、それぞれのトルカ電極２７２、２７４へ供給される。
【００７１】
図１０は、図９Ａ〜９ＢのＭＥＭＳ慣性センサの例示的なセンスおよびトルカ電極構成を示す側面断面図である。図１０に描かれた面内ジャイロスコープ（in-plane gyroscope）構成では、慣性センサのセンス軸に沿ったプルーフ・マス１７１、１７４の運動を感知するために使用されるセンス電極５００、５０２、５０４、５０６を、対応するそれぞれのプルーフ・マス１７２、１７４の上方および下方に配置する。例えば、第１のプルーフ・マス１７２に関しては、それぞれ反対のセンス・バイアス電圧＋Ｖｓおよび−Ｖｓでそれぞれ充電される上センス電極５００および下センス電極５０２を使用して、センス軸に沿った第１のプルーフ・マス１７２の運動を感知することができる。同様の様式で、それぞれ反対のセンス・バイアス電圧−Ｖｓおよび＋Ｖｓでそれぞれ充電される上センス電極５０４および下センス電極５０６を使用して、センス軸に沿った第２のプルーフ・マス１７４の運動を感知することができる。
【００７２】
図１０の例示的な実施形態では、プルーフ・マス１７２、１７４の直角位相関連の運動をゼロにするために、それぞれのプルーフ・マス１７２、１７４に対して、上および下のトルカ電極の２つのセットを提供することができる。例えば、第１のプルーフ・マス１７２に関しては、第１のセットの上および下のトルカ電極５０８、５１０を使用して、駆動軸に沿った１つの方向のプルーフ・マス１７２の運動中の直角位相関連の運動をゼロにすることができ、第２のセットの上および下のトルカ電極５１２、５１４を使用して、反対方向のプルーフ・マス１７２の運動中の直角位相関連の運動をゼロにすることができる。同様に、第１のセットの上および下のトルカ電極５１６、５１８を使用して、駆動軸に沿った１つの方向の第２のプルーフ・マス１７４の運動中の直角位相関連の運動をゼロにすることができ、第２のセットの上および下のトルカ電極５２０、５２２を使用して、反対方向のプルーフ・マス１７４の運動中の直角位相関連の運動をゼロにすることができる。それぞれのプルーフ・マス１７２、１７４に対してのトルカ電極の２つのセットが示されているが、他の数および／または構成を使用することもできることを理解すべきである。更に、それぞれのトルカ電極に印加される電圧を、図１０に示された電圧から変更することもできる。
【００７３】
センス軸に沿ったプルーフ・マス１７２、１７４のコリオリ関連の運動をゼロにするために、それぞれのプルーフ・マス１７２、１７４に対して上および下のトルカ電極のセットを提供することができる。例えば、第１のプルーフ・マス１７２に関しては、上トルカ電極５２４および下トルカ電極５２６を使用して、センス軸方向に沿ったプルーフ・マス１７２のコリオリ関連の運動をゼロにすることができる。同様の様式で、上トルカ電極５２８および下トルカ電極５３０を使用して、センス軸方向に沿った第２のプルーフ・マス１７４のコリオリ関連の運動をゼロにすることができる。電極へ印加される電圧を含めての、トルカ電極の数および構成は、図１０に示されたものから変更することができる。
【００７４】
本明細書に記載された例示的な実施形態では、特にＭＥＭＳ型の面内ジャイロスコープ（ＩＰＧ）を記述したが、他のタイプの慣性センシング・デバイスが、本明細書に記載の１または複数の特徴を使用できることを理解すべきである。例えば、ある種の実施形態では、トルカ電極およびＡＣリバランシング力を、「ＭＥＭＳ  Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ  Ｗｉｔｈ  Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｌｙ  Ｏｒｉｅｎｔｅｄ  Ｄｒｉｖｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ」という名称の米国特許第７０３６３７３号に記載されているものなどのようなＭＥＭＳ型の面外ジャイロスコープ（ＯＰＧ）とともに、使用することができる。上記の文献は、その内容全体をこの参照によって本明細書に組み込むものとする。面外ジャイロスコープの１つの実施形態では、トルカ電極を、コリオリの力および／または直角位相力によるセンス軸に沿った任意の運動をゼロにするために使用することができる横方向の静電力をプルーフ・マスに加えるように、構成することができる。面内ジャイロスコープと同様に、面外ジャイロスコープの出力は、プルーフ・マスの変位によって誘導される電圧ではなく、コリオリの力および／または直角位相力をゼロにするための必要なフィードバック力を提供するために使用されるリバランシング電圧である。
【００７５】
以上に、本発明の幾つかの実施形態を説明したが、本明細書に添付された特許請求の範囲の範囲内に含まれるその他の実施形態を作って使用することもできることを、当業者は直ちに理解するであろう。上記の説明には、本明細書によってカバーされるこの発明の数多くの利点が記載されている。多くの点で、この開示が例示にすぎないことが理解されよう。本発明の範囲を越えることなく、細部の変更、特に部品の形状、サイズおよび配置に関しての変更を実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】図１は、本発明の例示的な一実施形態に基づく例示的なＭＥＭＳ型ジャイロスコープの概略図である。
【図２】図２は、図１の線２−２に沿った例示的なジャイロスコープの側面断面図である。
【図３】図３は、図１〜２のＭＥＭＳジャイロスコープを制御する際に使用する例示的なフォース・リバランシング制御ループを示す、単純化された電気機械ブロック図である。
【図４】図４は、トルカ電極に印加されるリバランシング電圧信号の時間変動波形を表す。
【図５】図５は、センス軸運動のコリオリおよび直角位相の相を同時にゼロにするために別個のトルカ電極を用いる、例示的な他のＭＥＭＳ型ジャイロスコープを示す概略図である。
【図６】図６は、図５の線６−６に沿った例示的なジャイロスコープの側面断面図である。
【図７Ａ】図７Ａ〜７Ｂは、図５〜６のＭＥＭＳジャイロスコープを制御するための複数のフォース・リバランシング制御ループの使用を示す、単純化された電気機械ブロック図である。
【図７Ｂ】図７Ａ〜７Ｂは、図５〜６のＭＥＭＳジャイロスコープを制御するための複数のフォース・リバランシング制御ループの使用を示す、単純化された電気機械ブロック図である。
【図８Ａ】図８Ａ〜８Ｂは、トルカ電極に印加される正弦波リバランシング電圧を使用してＭＥＭＳ慣性センサを制御するための他の例示的なフォース・リバランシング制御ループを示す、単純化された電気機械ブロック図である。
【図８Ｂ】図８Ａ〜８Ｂは、トルカ電極に印加される正弦波リバランシング電圧を使用してＭＥＭＳ慣性センサを制御するための他の例示的なフォース・リバランシング制御ループを示す、単純化された電気機械ブロック図である。
【図９Ａ】図９Ａ〜９Ｂは、別個の正弦波のコリオリおよび直角位相リバランシング電圧を使用してＭＥＭＳ慣性センサを制御するための複数のフォース・リバランシング制御ループの使用を示す、単純化された電気機械ブロック図である。
【図９Ｂ】図９Ａ〜９Ｂは、別個の正弦波のコリオリおよび直角位相リバランシング電圧を使用してＭＥＭＳ慣性センサを制御するための複数のフォース・リバランシング制御ループの使用を示す、単純化された電気機械ブロック図である。
【図１０】図１０は、図９Ａ〜９ＢのＭＥＭＳ慣性センサの例示的なセンスおよびトルカ電極の構成を示す側面断面図である。
【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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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【外国語明細書】
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