(57)【要約】      （修正有）【課題】時間変動再平衡電圧を使用して、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するためのデバイスおよび方法を提供する。【解決手段】ＭＥＭＳ慣性センサは、１つまたは複数のプルーフマス、各プルーフマスに隣接して配置される少なくとも１つのセンス電極、プルーフマスの直角位相に関連した運動およびコリオリに関連した運動を静電的に相殺するための複数のトルク電極、およびプルーフマス上にポンピング力を生成するための複数のトルク電極を含むことができる。デバイスのセンス軸に沿ったプルーフマスの直角位相に関連した運動および／またはコリオリに関連した運動を静電的に相殺するために、いくつかのトルク電極に力再平衡電圧が印加できる。スケールファクタを向上するために、プルーフマスのモータ駆動周波数の約２倍の周波数にあるポンピング電圧が使用でき、センス軸に沿ってプルーフマスをポンピングする。【選択図】図１
2008122371.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータ駆動周波数で振動するように適合された１つまたは複数のプルーフマスと、
前記１つまたは複数のプルーフマスの各々に隣接して配置され、前記１つまたは複数のプルーフマスの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検知するように適合された少なくとも１つのセンス電極と、
時間変動再平衡電圧に結合され、前記センス軸に沿ったプルーフマスの運動を静電的に相殺するように適合された少なくとも１つの力再平衡電極と、
ポンプ電圧に結合され、前記プルーフマス上に前記センス軸の方向のポンピング力を生成するように適合された少なくとも１つのポンプ電極と、
を備えるＭＥＭＳ慣性センサ。
【請求項２】
前記少なくとも１つの時間変動再平衡電圧は、各センス電極と対応するプルーフマスの間に一定の静電容量を維持するように適合され、交流再平衡電圧かまたは少なくとも１つの力再平衡制御ループからの出力電圧であり、前記少なくとも１つの力再平衡制御ループは複数の力再平衡制御ループを備え、前記ポンプ電圧によって生成された前記ポンピング力は、前記１つまたは複数のプルーフマスの前記モータ駆動周波数の約２倍の周波数にあり、前記ポンピング力は、前記センス軸に沿って前記１つまたは複数のプルーフマスに及ぼされたコリオリの力をパラメトリック増幅するために、前記慣性センサ内に非線形の機械的および電気的混合を生成するように適合され、前記ポンプ電圧は、前記１つまたは複数のプルーフマスの前記モータ駆動周波数の約２倍の周波数を有し、前記ポンプ電圧は、前記センス軸に沿った前記プルーフマスの共振周波数を調整するように適合された直流バイアス電圧成分および交流ポンプ電圧成分を含み、
交流の力再平衡電圧信号に結合され、前記１つまたは複数のプルーフマスのコリオリに関連した運動を制御するように適合された第１の数の力再平衡トルク電極、および
直流の力再平衡電圧信号に結合され、前記１つまたは複数のプルーフマスの直角位相に関連した運動を制御するように適合された第２の数の力再平衡トルク電極を、前記少なくとも１つの力再平衡電極が備え、前記ＭＥＭＳ慣性センサが面内ＭＥＭＳジャイロスコープまたは面外ＭＥＭＳジャイロスコープである、請求項１に記載のＭＥＭＳ慣性センサ。
【請求項３】
１つまたは複数のプルーフマスをモータ駆動周波数で振動させるステップと、
前記１つまたは複数のプルーフマスの駆動軸に垂直なセンス軸に沿ったセンスモードの振動における、前記１つまたは複数のプルーフマスのあらゆる変位を検知するステップと、
前記１つまたは複数のプルーフマスに、前記センス軸に沿って再平衡力を与えるステップと、
前記１つまたは複数のプルーフマスに、前記センス軸に沿って前記モータ駆動周波数の約２倍の周波数でポンピング力を与えるステップと、
センスモードの振動における前記１つまたは複数のプルーフマス上のコリオリの力を検出するステップと、
を含むＭＥＭＳ慣性センサ上のコリオリの力を測定する方法。
【請求項４】
前記１つまたは複数のプルーフマスに再平衡力を与えるステップは、第１の力再平衡制御ループで前記１つまたは複数のプルーフマスの直角位相に関連した運動を制御するために、また第２の力再平衡制御ループで前記１つまたは複数のプルーフマスのコリオリに関連した運動を制御するために、少なくとも１つの力再平衡制御ループからの電圧信号に基づいてプルーフマスの運動を静電的に相殺するステップ、あるいは
前記１つまたは複数のプルーフマスの前記センス軸に沿ったコリオリに関連する運動を選択的に制御するように適合された第１の数のトルク電極に第１の再平衡電圧を与えるステップ、および
前記１つまたは複数のプルーフマスの前記センス軸に沿った直角位相に関連する運動を選択的に制御するように適合された第２の数のトルク電極に第２の再平衡電圧を与えるステップを含み、前記第１の再平衡電圧は、前記モータ駆動周波数の約半分の周波数を有する時間変動再平衡電圧である、請求項３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に微小電子機械（ＭＥＭＳ）デバイスの分野に関する。より詳細には、本発明は、時間変動する力再平衡電圧およびパラメトリック利得増幅を使用して、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し、スケールファクタをより良くするためのデバイスおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小電子機械（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープは、複数の共振するプルーフマスに及ぼされたコリオリの力を測定することにより、入力軸のまわりの角回転を検出するために使用される。一般的な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。基板中にエッチングされた複数の凹部は、シリコン構造体の選択的な部分が、デバイスの内部で前後に自由に移動することを可能にする。基板上に形成された金属線のパターンが、デバイスに様々なバイアス電圧および信号出力を配送するために使用できる。
【０００３】
ＭＥＭＳジャイロスコープ用の駆動システムは、一般にコリオリの力が検出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複数の駆動要素を含む。ジャイロスコープのモータモードは、プルーフマスの中心をつなぐ線に沿って基板に実質的に平行に、大きさが等しく反対方向の速度で動く２つのプルーフマスを備えてよい。いくつかの用途では、プルーフマスのモータモードは、静電作動によって電気エネルギーを機械エネルギーに変換するのに適合された複数の互いにかみ合わせる櫛形駆動フィンガを使用して、その共振周波数で静電的に駆動できる。ジャイロスコープが駆動軸に垂直なその入力軸のまわりで回転されるとき、プルーフマスのモータモード速度が、駆動軸および入力軸に垂直なセンス軸に沿ってプルーフマスを駆動するコリオリの力をもたらす。
【０００４】
ジャイロスコープのセンシングシステムは、直流センスバイアス電圧で充電できる１つまたは複数のセンス電極を含んでよく、センス電極とプルーフマスの間のスペースに電界を生成する。ジャイロスコープのセンス共振モードは、一般に、センス軸に沿った大きさが等しく反対方向の速度での２つのプルーフマスの運動を含む。モータ速度によるコリオリの力は、一般に、モータ運動の周波数またはその周波数の近傍でセンス共振モードを駆動する。いくつかの設計では、コリオリの力はセンスモードフ共振を駆動する。
【０００５】
各プルーフマスが基板の上で前後に移動するとき、入力軸のまわりのジャイロスコープの回転に起因するコリオリの力がプルーフマスとセンス電極の間の間隔を変化させる。次いで、センス共振モードの運動の変位は、時間変動のセンス容量のためにプルーフマス上に誘起された電流を検出することにより容量的に求められ得る。プルーフマス上に生成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／または加速度の大きさを把握することができる。
【０００６】
多くのＭＥＭＳ型ジャイロスコープにおける誤差の深刻な原因は、コリオリの力によってもたらされた運動に対して９０°位相ずれのセンス軸に沿った運動として定義されるプルーフマスの直角位相の運動に起因する。そのような直角位相の運動の結果として生じる機械的貫通信号はしばしば直交信号と呼ばれ、一般にコリオリの力によって生成された信号に対して９０°位相ずれのジャイロスコープの交流出力信号を含む。例えば駆動システムに使用される櫛形フィンガおよび懸架ばねのプロファイル中の欠陥および製造工程中に生じる他の欠陥から、そのような直角位相が生じる可能性がある。そのような欠陥または誤差は、モータ変位と同相であるセンスモードの運動に直角位相の力を生ずるモータ運動をもたらし、したがってモータ速度に対する位相ずれの原因となり得る。
【０００７】
この直角位相の力は、検知可能な最小のコリオリの力より数桁大きいことがあり、ジャイロスコープがレート信号中の微妙な変化を正確に識別する能力に影響を及ぼす。その結果、出力センス信号から直交信号を除去するために、一般に追加の誤差補正回路が必要とされる。ジャイロスコープのレート出力信号上の直角位相の力の影響は、それがコリオリの力に対して９０°位相ずれであるという事実によって一般に低減されるが、それにもかかわらず関連の電子回路がレート出力信号中に誤差をもたらし得ることや慣性センサの小さな位相誤差が、ジャイロスコープの回転を正確に検出し測定する能力を損なう。
【特許文献１】米国特許第７，０３６，３７３号
【特許文献２】米国特許第６，７１５，３５３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、時間変動再平衡電圧を使用して、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するためのデバイスおよび方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の例示の実施形態によるＭＥＭＳ慣性センサは、基板の上の駆動軸で振動するように適合された１つまたは複数のプルーフマス、１つまたは複数のプルーフマスの各々に隣接して配置されたセンス電極、および１つまたは複数のプルーフマスの各々に隣接して配置された少なくとも１つのトルク電極を含むことができる。
【００１０】
１つまたは複数のトルク電極に印加された時間変動再平衡電圧は、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相殺するように構成でき、したがって各センス電極と対応するプルーフマスの間に一定の静電容量を維持する。ある実施形態では、トルク電極の各々に印加された時間変動再平衡電圧は、１つまたは複数の力再平衡制御ループからのフィードバックに基づく再平衡電圧信号成分を有する交流再平衡電圧を含むことができる。動作中、慣性センサの出力は、プルーフマスの変位によって誘起された電流ではなく、コリオリの力およびプルーフマス上の直角位相の力を相殺するために必要なフィードバック力を与えるために使用される再平衡電圧である。
【００１１】
いくつかの実施形態では、直角位相およびコリオリに関連したプルーフマスの運動を静電的にヌルにすることは、１つまたは複数のトルク電極に加えられた正弦波の再平衡電圧を使用して達成できる。例示の一実施形態では、直角位相およびコリオリの両方に関連したプルーフマスの運動を相殺するために、１つまたは複数のトルク電極に例えば正弦波の再平衡電圧が印加でき、したがって各センス電極と対応するプルーフマスの間に一定の静電容量を維持する。他の実施形態では、各センス電極と対応するプルーフマスの間の一定の静電容量の維持は、各々が個別のトルク電極に印加される個別の電圧で直角位相およびコリオリの運動を再平衡させるための個別の正弦波電圧を使用して達成できる。トルク電極に印加される正弦波の再平衡電圧は、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のやり方で制御できる。
【００１２】
ＭＥＭＳ慣性センサの力再平衡の例示の方法は、１つまたは複数のプルーフマスの各々に隣接して少なくとも１つのトルク電極を設けるステップと、少なくとも１つのトルク電極に１つまたは複数の時間変動再平衡電圧を印加するステップと、センス軸に沿った１つまたは複数のプルーフマスの変位を検知して、そのようなプルーフマスの変位に比例したセンス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あらゆるプルーフマス運動を静電的に相殺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検知することに関連した非線形性の多くを補償する力再平衡法を使用することによって、慣性センサは、センサ性能を損なう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除去または低減する一方で、より広いダイナミックレンジにわたって動作するように構成できる。センサの信頼性、センサ寿命および長時間ドリフトなど他の要因も、一定の環境で力再平衡を使用して改善できる。
【００１３】
いくつかの実施形態では、ＭＥＭＳ慣性センサは、力再平衡トルク電極に加えて第２の数のポンプ電極に印加されるポンプ電圧を使用して、パラメトリック増幅器として動作するようにさらに構成できる。ポンプ電極に印加されたポンプ電圧は、プルーフマスのモータ周波数の約２倍の周波数を有することができ、モータ周波数の２倍の周波数で付随するポンピング力を生成する。いくつかの実施形態では、ポンプ電圧は、センス軸に沿ったプルーフマスの共振周波数を調整するように適合された直流バイアス電圧成分および交流ポンプ電圧成分を含むことができる。動作中に、ポンプ電圧によるポンピング力は、プルーフマスの、コリオリに関連した運動を増幅し、直角位相に関連した運動を抑制するために使用することができる慣性センサ内の非線形の機械的ミキシングおよび／または電気的ミキシングを生成する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下の説明は、図面を参照しながら読まれるべきであり、異なる図面の類似の要素には同様に番号が付けられる。図面は必ずしも原寸に比例せず、選択された実施形態を図示するが、本発明の範囲を限定するようには意図されない。構造、寸法および材料の例が、様々な要素向けに示されるが、当業者なら、提供された多くの例が、利用できる適切な代案を有することを理解するであろう。示された様々な図面はＭＥＭＳ型面内ジャイロスコープに関して説明されるが、本明細書の特徴および方法は、基板に垂直な入力回転を有するＺ軸ジャイロスコープまたは面外ジャイロスコープのような静電アクチュエータを使用する他のＭＥＭＳデバイスに対して用いられ得ることを理解されたい。
【００１５】
次に図１を参照して、本発明の例示の一実施形態による例示のＭＥＭＳ型ジャイロスコープ１０の概略図が説明されることになる。実例の面内ジャイロスコープ（ＩＰＧ）であるジャイロスコープ１０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、各マスは、慣性運動が求められることになってい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支持基板１６を下にしてその上で前後に振動するように適合される。第１のプルーフマス１２は、右方向／左方向１組の矢印２０によって全体的に示されるように、モータピックオフ２２と第１の駆動電極２４の間で支持基板１６の上を前後に振動するように構成できるが、モータピックオフ櫛２２および駆動電極２４はどちらも支持基板１６の上で静止したままであり、第１のプルーフマス１２の動きを制限する。そしてまた、第２のプルーフマス１４は、左方向／右方向１組の矢印３０によって全体的に示されるように、同様に第２のモータピックオフ櫛２６と第２の駆動電極２８の間で支持基板１６の上を前後に振動するように構成できるが、第１のプルーフマス１２に対して位相が１８０°ずれる。
【００１６】
第１のプルーフマス１２は、第１の端３２、第２の端３４、第１の側面３６、および第２の側面３８を有する薄板または他の適切な構造体を含むことができる。右方向／左方向１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のに使用される複数の櫛形フィンガ４０、４２が、第１のプルーフマス１２の各端３２、３４から外に向かって延長する。図１に示された例示のジャイロスコープ１０では、例えば、第１のプルーフマス１２の第１の端３２から外側に延びる櫛形フィンガ４０の第１のセットは、第１の駆動電極２４上に形成された櫛形駆動フィンガ４４の対応するセットと指のように組み合わせられ得る。そしてまた、第１のプルーフマス１２の第２の端３４から外側に延びる櫛形フィンガ４２の第２のセットは、第１のモータピックオフ櫛２２上に形成された櫛形フィンガ４６の対応するセットと指のように組み合わせられ得る。
【００１７】
第２のプルーフマス１４は、第１のプルーフマス１２と同様に構成でき、第１の端４８、第２の端５０、第１の側面５２および第２の側面５４を有する。第２のプルーフマス１６の第１の端４８から外側に延びる櫛形フィンガ５６の第１のセットは、第２のモータピックオフ櫛２６上に形成された櫛形フィンガ５８の対応するセットと指のように組み合わせられ得る。そしてまた、第２のプルーフマス１４の第２の端５０から外側に延びる櫛形フィンガ６０の第２のセットは、第２の駆動電極２８上に形成された櫛形フィンガ６２の対応するセットと指のように組み合わせられ得る。
【００１８】
第１および第２のプルーフマス１２、１４は、１つまたは複数の懸架ばねを使用して、下にある支持構造１６の上で１つまたは複数の方向に拘束できる。図１に示されるように、例えば、第１のプルーフマス１２は固定できるか、そうでなければ、第１のプルーフマス１２の４つの隅に各端６６で接続できる４つの懸架ばね６４の第１のセットを使用して、支持基板１６に結合できる。同様にして、第２のプルーフマス１４は、第２のプルーフマス１４の４つの隅に各端７０で接続できる４つのばね６８の第２のセットを使用して、下にある支持基板１６に固定できる。使用時には、懸架ばね６４、６８は、右方向／左方向１組の矢印２０、３０によって全体的に示された方向への第１および第２のプルーフマス１２、１４の振動運動を絶縁するように構成でき、入力軸１８方向の望ましくない直角位相の運動を低減し、かつコリオリの力が検出されるジャイロスコープ１０のセンス軸７２に沿った直交運動を低減する。懸架ばね６４、６８は、支持基板１６の上のプルーフマス１２、１４を支持することに加えて、プルーフマスが駆動軸に沿ってそれらの均衡点から変位されたとき駆動軸に沿って回復力を与えるようにも構成できる。
【００１９】
駆動電圧ＶＤが、第１および第２の駆動電極２４、２８に印加でき、指のように組み合わせられた櫛形フィンガの間に静電気力を誘起し、静電気によって櫛形フィンガを互いに対して動かす原因となる。駆動電圧ＶＤは、時間的に変化する電圧信号を出力して櫛形フィンガに供給される電荷を交番させるように構成でき、このことが懸架ばね６４、６８と共に、支持基板１６の上で第１および第２のプルーフマス１２、１４を特定のやり方で前後に振動させる原因となる。一般に、駆動電圧ＶＤは、第１および第２のプルーフマス１２、１４の共振周波数に一致する周波数を有することになるが、必要に応じてその他の所望の駆動周波数が使用できる。
【００２０】
モータピックオフバイアス電圧ＶＤＣが、第１および第２のモータピックオフ櫛２２、２６の両端に印加でき、駆動運動の方向２０、３０に沿ったプルーフマス１２、１４の変位を検知かつ／または測定する。第１および第２のモータピックオフ櫛２２、２６上の櫛形フィンガ４６、５８に対する第１および第２のプルーフマス１２、１４上の櫛形フィンガ４２、５６の運動に起因するモータピックオフ電圧ＶＰＩＣＫは、第１および第２のプルーフマス１２、１４の運動を検出するために使用できる。
【００２１】
複数のセンス電極７４、７６がセンシングシステムの一部として設けられ得て、入力軸１８のまわりのジャイロ運動の結果である第１および第２のプルーフマス１２、１４のセンス軸７２に沿った面外振れを検出し測定する。図１中の破線によって全体的に示されるように、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置された長方形の薄い電極プレートを含むことができる。いくつかの実施形態では、ジャイロスコープ１０の上側基板８２上に形成された第２の数のセンス電極７８、８０（図２および図３を参照）は、必要に応じてプルーフマス１２、１４の各々の上にさらに配置できる。センス電極７４、７６、７８、８０は、周囲の櫛形フィンガ４２、５６との電気的干渉を最小化してセンス信号中への駆動電圧ＶＤ信号の漏れを防ぐように、サイズおよび形を構成できる。
【００２２】
各センス電極７４、７６、７８、８０に印加された直流センスバイアス電圧ＶＳは、それぞれのセンス電極７４、７６、７８、８０とプルーフマス１２、１４間の静電容量に比例した電荷を第１および第２のプルーフマス１２、１４に誘起するために利用できる。
【００２３】
複数のトルク電極８４、８６は、入力軸１８のまわりのジャイロスコープ１０の回転によってもたらされたコリオリの力および／またはあらゆる直角位相の力によるプルーフマス１２、１４のセンス軸７２に沿ったあらゆる運動を機械的に相殺するように構成できる。トルク電極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、各々が、プルーフマス１２、１４の少なくとも一部分の下に配置された長方形の薄い電極プレートを備える。いくつかの実施形態では、第２の数のトルク電極８８、９０は、必要に応じてプルーフマス１２、１４の各々の上にさらに配置できる。トルク電極８４、８６、８８、９０は、周囲の櫛形フィンガ４０、６０およびセンス電極７４、７６、７８、８０との電気的干渉を最小化するように、サイズおよび形を構成できる。
【００２４】
動作中に、センス電極７４、７６、７８、８０は、コリオリの力およびあらゆる直角位相の力の結果として生ずるセンス軸７２に沿ったプルーフマス１２、１４の運動を検出するために使用できる。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、各プルーフマス１２、１４上にそれらの面外変位に比例した電荷を生成し、入力ノード９４および出力ノード９６を有するチャージアンプ９２に供給される電流を生成する。チャージアンプ９２は、時間変動センス静電容量によって生成された電流を、センス軸７２に沿ってプルーフマス１２、１４のゼロ変位を維持するのに必要な、静電気の相殺する力に比例した出力センス電圧Ｖｓｅｎｓｅに変換する。いくつかの実施形態では、プルーフマス１２、１４の各々に結合され、電圧信号ＶＰＭを出力するように適合された第２のチャージアンプ９８が、プルーフマス１２、１４を仮想接地に維持するために使用できる。あるいは、また、他の実施形態では、プルーフマス１２、１４は実体の接地でよい。
【００２５】
トルク電極８４、８６、８８、９０の各々に印加された時間変動再平衡電圧は、センス軸７２に沿ったプルーフマス１２、１４のあらゆる運動を静電的に相殺するために利用でき、それによって、センス電極７４、７６、７８、８０とプルーフマス１２、１４の間に一定の静電容量を維持する。ある実施形態では、また、以下で図３を参照しながらより詳細に説明されるように、時間変動再平衡電圧は、１つまたは複数のフィードバック制御ループを介してチャージアンプ９２の出力センス電圧Ｖｓｅｎｓｅを渡すことにより得られる閉ループの交流フィードバック制御信号を含んでよい。図１に示されるように、第１のプルーフマス１２に隣接したトルク電極８４に印加される再平衡電圧Ｖｓｉｎ（ωｔ／２＋Φ）は、第２のプルーフマス１４に隣接したトルク電極８６に印加される再平衡電圧Ｖｃｏｓ（ωｔ／２＋Φ）に対して９０°位相ずれであり得る。位相オフセット係数Φは、フィードバック制御電子回路によってコリオリの力および直角位相の力を同時に相殺するように使用できる。
【００２６】
チャージアンプ９２からの出力信号が、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確実にするために、第１のプルーフマス１２の運動を検出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の運動を検出するために使用されるセンスバイアス電圧ＶＳの逆の極性を有することができる。ある実施形態では、例えば、＋５Ｖおよび−５Ｖのセンスバイアス電圧ＶＳが、それぞれ下側センス電極７４、７６および上側電極７８、８０に印加でき、その結果、チャージアンプ９２の出力ノード９６の電圧は、プルーフマス１２、１４の差動モード運動にのみ感応する。
【００２７】
図２は、図１のセンス電極およびトルク電極の動作をより詳細に示す側断面図である。図２に示されるように、下側センス電極７６は、ジャイロスコープ１０の下側基板１６上またはその中に配置でき、下側センス電極７６の上側の面１００が、プルーフマス１４の底面１０２と垂直方向に隣接して平行するように配向できる。そしてまた、上側センス電極８０は、ジャイロスコープ１０の上側基板８２上またはその中に配置でき、上側センス電極８０の下側の面１０４が、プルーフマス１４の最上面１０６と垂直方向に隣接して平行するように配向できる。下側センス電極７６および上側センス電極８０は、プルーフマス１４の底面１０２および最上面１０６からそれぞれ距離Ｄ１およびＤ２で離隔できる。一般に、下側センス電極７６および上側センス電極８０は、プルーフマス１４から同じ距離だけ離隔されることになる（すなわちＤ１＝Ｄ２）が、センス電極７６、８０がプルーフマス１４からの様々な距離（すなわちＤ１≠Ｄ２）で離隔される他の実施形態も考えられる。
【００２８】
下側トルク電極８４、８６および上側トルク電極８８、９０は、センス軸７２に沿ったあらゆるプルーフマスの運動を機械的に相殺する静電力をプルーフマス１２、１４上に与えるように、それぞれ基板１６、８２上またはその中に配置できる。例えば図示の例示の実施形態では、下側トルク電極８６は、ジャイロスコープ１０の下側基板１６上またはその中に配置でき、下側トルク電極８６の上側の面１０８が、プルーフマス１４の底面１０２と垂直方向に隣接して平行するように配向できる。そしてまた、上側トルク電極９０は、ジャイロスコープ１０の上側基板８２上またはその中に配置でき、上側トルク電極９０の下側の面１１０が、プルーフマス１４の最上面１０６と垂直方向に隣接して平行するように配向できる。各トルク電極８６、９０と横方向に隣接したセンス電極７６、８０の間に配設される小さな非導電性の間隙１１２、１１４が設けられ得て、トルク電極８６、９０からセンス電極７６、８０を電気的に絶縁する。
【００２９】
動作中に、入力軸１８のまわり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整に起因するあらゆる直角位相の力は、センス電極７４、７６に対して第１および第２のプルーフマス１２、１４を面外に移動させる原因となる。そのような面外変位は、プルーフマス１４上の電荷の変化をもたらし、チャージアンプ９２の入力ノード９４に電流を生成する。
【００３０】
トルク電極８６、９０に印加された再平衡電圧は、チャージアンプ９２から出力された電圧Ｖｓｅｎｃｅの大きさに基づいてプルーフマス１４の面外変位を押しとどめるように調整でき、センス電極７６、８０とプルーフマス１４の間に一定の容量距離Ｄ１、Ｄ２を維持するように作用する静電力Ｆ１、Ｆ２を生成する。例えば、センシングシステムが、上向きの方向にプルーフマス１４の面外運動を検出すると、下側トルク電極８６に印加される再平衡電圧が、プルーフマス１４に下方に向けられた静電力Ｆ１を及ぼすように構成できる。同様にして、上側トルク電極９０に印加される再平衡電圧は、示されるように、電圧の時間変動特性のために、プルーフマス１４に下方に向けられた静電力Ｆ２を及ぼすように構成できる。いくつかの実施形態では、下側トルク電極８６および上側トルク電極９０の両方に同時に印加された再平衡電圧が、プルーフマス１４上に同時に複数の再平衡力Ｆ１、Ｆ２を作用させるように構成でき、力再平衡プロセスに高レベルの対称性をもたらす。
【００３１】
図２および図３に示された例示の実施形態が、複数のセンス電極７４、７６、７８、８０およびトルク電極８４、８６、８８、９０を利用し、どちらもプルーフマス１２、１４の各々の上と下にあるが、各プルーフマス１２、１４向けに単一のトルク電極およびセンス電極だけを使用して機能するようにジャイロスコープ１０が構成できることを理解されたい。ある実施形態では、例えば、ジャイロスコープ１０は、各プルーフマス１２、１４の上に配置された単一のトルク電極および各プルーフマス１２、１４の下に配置された単一のセンス電極を含んでよい。各プルーフマス１２、１４に対して、センス電極が上に、トルク電極が下にそれぞれ配置される反対の配置も使用できる。図５〜図７を参照しながら以下で説明されるように、いくつかの実施形態では、必要に応じて、上側および／または下側の基板１６、８２上またはその中に複数のトルク電極が配置でき、各プルーフマス１２、１４上のコリオリの力および直角位相に関連した力の両方を、同時に、または別々に補償する。
【００３２】
図３は、図１のＭＥＭＳジャイロスコープ１０の制御で使用される例示の力再平衡制御ループを示す簡易化された電気機械のブロック図を表す。図３に示されるように、チャージアンプ９２から出力されたセンス電圧Ｖｓｅｎｓｅは、復調器１１６に供給でき、復調器１１６が、駆動モータ速度クロック１２０からの出力信号１１８でチャージアンプ９２からのセンス電圧Ｖｓｅｎｓｅ出力信号を復調して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。次いで、結果として生ずる電圧信号１２２は、様々な力再平衡制御論理（例えば利得増幅器、移相器、フィルタ、制御変数など）を有する力再平衡コントローラ１２４（例えば比例−積分−微分（ＰＩＤ）コントローラ）に供給され、これが、その結果として直流の再平衡電圧ＶＲＥＢ（ｄｃ）を出力する。
【００３３】
貫通の影響を低減するために、力再平衡コントローラ１２４によって出力された直流の再平衡電圧ＶＲＥＢ（ｄｃ）が第２の混合器１２６に供給でき、この混合器がモータ速度クロック信号１１８で直流の再平衡電圧ＶＲＥＢ（ｄｃ）を変調して時間変動再平衡電圧ＶＲＥＢ（ｔ）を生成する。モータ速度クロック信号１１８から再平衡電圧ＶＲＥＢ（ｔ）信号を分離するために、モータ速度クロック信号１１８の角周波数（ω）は、周波数分周器１２８を使用して係数逓減率２で低減でき、したが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。力再平衡コントローラ１２４は、ブロック１２９で位相調整信号Φを出力することができ、この信号が、以下に論じられるように、その後、直流の再平衡電圧ＶＲＥＢ（ｄｃ）信号に印加されたとき、コリオリの力および直角位相の力を同時に相殺するために使用できる。
【００３４】
周波数分周され、位相調整されてブロック１２９で出力される信号１３１は、信号１３１の位相を９０°または他の何らかの所望量だけオフセットする移相器１３２に供給できる。移相された信号１３４は、次いで、混合器１２６に供給され、力再平衡コントローラ１２４から出力された直流の再平衡電圧ＶＲＥＢ（ｄｃ）と結合でき、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再平衡電圧ＶＲＥＢ（ｔ）信号成分を生成する。モータ変位を測定するのに使用されるセンスピックオフ電子回路が、一般にモータ周波数（ω）で位相に感応する検出を用い、したがってモータ周波数の半分のときほど信号に対して感応しないので、駆動システムのモータ周波数（ω）の半分で再平衡電圧ＶＲＥＢ（ｔ）を変調することによって、システム内の電気的な貫通の影響はかなり低減できる。
【００３５】
図３でさらに見ることができるように、ブロック１２９からの出力信号１３０も、混合器１３６によって外部直流キャリア電圧ＶＣ（ｄｃ）信号と結合でき、時間変動キャリア電圧ＶＣ（ｔ）信号成分を生成する。トルク電極８４、８６、８８、９０の各々に印加される最終的な再平衡電圧は、一般に時間変動キャリア電圧ＶＣ（ｔ）と再平衡電圧ＶＲＥＢ（ｔ）信号成分の和を含み、一般に次式によって表現できる。
【００３６】
【数１】
2008122371.tif 000003
【００３７】
上式で、
ＶＣは時間変動キャリア電圧信号成分であり、
ＶＲＥＢは時間変動再平衡信号成分であり、
ωはプルーフマスのモータモード運動の角周波数であり、
ｓｑ（θ）は、位相がθで振幅が±１の矩形波を表す。
【００３８】
上の式（１）から分かるように、トルク電極８４、８６、８８、９０の各々に印加された再平衡電圧Ｖ（ｔ）は、したがって矩形波キャリア電圧ＶＣ（ｔ）信号成分およびキャリア電圧ＶＣ（ｔ）信号成分に対して９０°位相ずれである矩形波再平衡電圧ＶＲＥＢ（ｔ）信号成分を含む。上の式（１）によって生成された波形の表示は図４に見られ得て、この図はキャリア電圧ＶＣ（ｔ）信号成分と再平衡電圧ＶＲＥＢ（ｔ）信号成分の和によって生成された、変更された矩形波信号１４０を示す。
【００３９】
トルク電極８４、８６、８８、９０に再平衡電圧Ｖ（ｔ）を印加すると、プルーフマス１２、１４の各々上に、図３中の上下矢印１３８によって全体的に示された方向の差動のセンス共振モード運動を抑制するように作用する時間変動の静電再平衡力を生成する。式（１）の印加電圧Ｖ（ｔ）の結果としてプルーフマス１２、１４上にセンス軸７２に沿って誘起される静電再平衡力Ｆｙの成分は、一般に次式によって表できる。
【００４０】
【数２】
2008122371.tif 000004
【００４１】
上式で、ｄＣ／ｄｙは、トルク電極の静電容量をセンス軸７２に沿ったプルーフマスの運動に関して微分したものである。
上の式（２）から分かるように、再平衡電圧ＶＲＥＢのなかで静電再平衡力Ｆｙの交流成分は線形であり、したがって力再平衡コントローラ１２４によって使用される制御電子回路が簡単になる。さらに、静電再平衡力Ｆｙの交流成分も、モータ周波数ωにある直角位相の力およびコリオリの力を静電的に相殺するのに必要な、駆動システムのモータ周波数（ω）にある。
【００４２】
再平衡力Ｆｙの位相は、再平衡電圧Ｖ（ｔ）のキャリア電圧ＶＣ（ｔ）および／または再平衡電圧ＶＲＥＢ（ｔ）信号成分の位相を調整することにより変化でき、選択的再平衡あるいはコリオリの力および／または直角位相に関連した力を制御する。ある実施形態では、例えば力再平衡コントローラ１２４によって再平衡電圧ＶＲＥＢ（ｔ）の位相Φを変化させることにより、個別の移相器をキャリア電圧ＶＣ（ｔ）信号成分に使用する（例えば混合器１３６への入力で）ことにより、または他の適当な手段によって、例えばコリオリの力と直角位相の力の選択的制御が達成できる。再平衡電圧ＶＲＥＢ（ｔ）は、一般にモータ速度クロック信号１１８に対して９０°位相ずれを維持されることになっているが、再平衡電圧ＶＲＥＢ（ｔ）が、必要に応じて他の量によってオフセットできることを理解されたい。
【００４３】
力再平衡コントローラ１２４は、一般に、比較的高い制御ループ帯域幅にわたって動作するのに適合される一方で、再平衡電圧ＶＲＥＢ（ｔ）信号成分に比較的低レベルのノイズを注入する制御電子回路を含むことになり、ジャイロスコープ１０が広いダイナミックレンジにわたって正確にコリオリの力を検出することが可能になる。ある実施形態では、例えば、ノイズレベルは、回転レートが０．０１°／ｈｒと低いものや５００°／ｓｅｃと高いものが、正確に検出できるものであるべきである。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用途次第で変化することがある。
【００４４】
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零検出器として動作させることによって、ジャイロスコープ１０は、多くの従来型ＭＥＭＳジャイロスコープより大きなダイナミックレンジにわたって動作するように構成できる。さらに、たいていの場合センス共振モードの減衰により生成される直角位相運動の移相によってもたらされるバイアス安定性は、プルーフマス１２、１４の力再平衡によってさらに改善され、２桁またはそれを上回って改善されることがある。出力信号はコリオリの力の直接測定であり、したがってジャイロスコープ１０の共振周波数に依存しないので、スケールファクタ誤差の発生も、プルーフマス１２、１４の力再平衡によってかなり低減される。センサの信頼性、センサ寿命および長時間ドリフトなど他の要因も、一定の環境で改善できる。
【００４５】
図５は、センス軸のコリオリ運動および直角位相運動の両方を同時に制御するために個別の電極を使用する、本発明の別の例示の実施形態による例示の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に類似しており、図中の同じ要素には同じ番号が付けられている。しかし、図５の例示の実施形態では、ジャイロスコープ１４２は、プルーフマス１２、１４の、センス軸７２に沿ったコリオリに関連する運動を機械的に相殺するように適合された電極１４４、１４６の第１のセットおよびプルーフマス１２、１４の、センス軸７２沿った直角位相に関連する運動を機械的に相殺するように適合された電極１４８、１５０の第２のセットを含む。
【００４６】
トルク電極１４４、１４６、１４８、１５０は、図１〜図２に関して上で説明されたトルク電極８４、８６と同様に構成することができ、各々が、プルーフマス１２、１４の少なくとも一部分の下に配置された長方形の薄い電極プレートを備える。いくつかの実施形態では、コリオリに関連したトルク電極１５２、１５４および直角位相に関連したトルク電極１５６、１５８（図６〜図７参照）の個別のセットは、プルーフマス１２、１４に隣接した位置からコリオリの力および直角位相の力を制御するために、プルーフマス１２、１４の各々の上にさらに配置できる。
【００４７】
プルーフマス１２、１４上のコリオリの力および直角位相の力を両方同時に制御するために、ジャイロスコープ１４２は、各々がトルク電極１４４、１４６、１５２、１５４の第１のセットおよびトルク電極１４８、１５０、１５６、１５８の第２のセットを独立して制御するために個別の再平衡電圧信号を生成するように構成された複数の力再平衡制御ループを利用してよい。図５の例示の実施形態では、例えばトルク電極１４４、１４６、１５２、１５４の第１のセットに印加された時間変動再平衡電圧Ｖｃｏｒｉｏｌｉｓ（ｓｉｎ（ωｔ／２））、Ｖｃｏｒｉｏｌｉｓ（ｃｏｓ（ωｔ／２））は、プルーフマス１２、１４のセンス軸７２に沿ったコリオリに関連するあらゆる運動を静電的に相殺するために利用できる。そしてまた、トルク電極１４８、１５０、１５６、１５８の第２のセットに印加された別個の時間変動再平衡電圧Ｖｑｕａｄ（ｓｉｎ（ωｔ／２）＋π／４）、Ｖｑｕａｄ（ｃｏｓ（ωｔ／２）＋π／４）は、プルーフマス１２、１４のセンス軸７２に沿った直角位相に関連するあらゆる運動を静電的に相殺するために利用できる。
【００４８】
図６は、図５のセンス電極およびトルク電極の動作をより詳細に示す側断面図である。図６に示されるように、下側トルク電極１４６および上側トルク電極１５４の第１のセットは、センス軸７２に沿ったコリオリに関連するあらゆるプルーフマスの運動を機械的に相殺するプルーフマス１２、１４上の静電力ＦＣ１、ＦＣ２を生成するように、それぞれ基板１６、８２上またはその中に配置できる。同様にして、下側トルク電極１５０および上側トルク電極１５８の第２のセットは、センス軸７２に沿った直角位相に関連するあらゆるプルーフマスの運動を機械的に相殺するプルーフマス１２、１４上の追加の静電力ＦＱ１、ＦＱ２を生成するように、それぞれ基板１６、８２上またはその中に配置できる。
【００４９】
図７Ａ〜図７Ｂは、図５〜図６のＭＥＭＳジャイロスコープ１４２の制御用の複数の力再平衡制御ループの用途を示す簡易化された電気機械のブロック図である。図７Ａに示されるように、チャージアンプ９２から出力された出力センス電圧Ｖｓｅｎｓｅは、第１の復調器１１６ａに供給でき、復調器１１６ａが、駆動モータ速度クロック１２０からの出力信号１１８でセンス電圧Ｖｓｅｎｓｅを復調して第１の電圧信号１２２ａを生成する。チャージアンプ９２から出力されたセンス電圧Ｖｓｅｎｓｅも、第２の復調器１１６ｂに供給でき、この復調器が、駆動モータ速度クロック１２０からの出力信号１１８でセンス電圧Ｖｓｅｎｓｅを復調して第２の電圧信号１２２ｂを生成する。示されたように、第２の電圧信号１２２ａは、移相器１１９によって、第１の信号１２２ａに対して９０°位相ずれにできる。
【００５０】
復調器１１６ａから出力された第１の電圧信号１２２ａは、コリオリに関連したあらゆるプルーフマスの運動を相殺するためにジャイロスコープ１４２によって使用できる第１の直流の再平衡電圧ＶＲＥＢ（ＣＯＲ）（ｄｃ）を出力するように適合された第１の力再平衡コントローラ１６０に供給できる。そしてまた、復調器１１６ｂから出力された第２の電圧信号１２２ｂは、直角位相に関連したあらゆるプルーフマスの運動を相殺するためにジャイロスコープ１４２によって使用できる第２の直流の再平衡電圧ＶＲＥＢ（ＱＵＡＤ）（ｄｃ）を出力するように適合された第２の力再平衡コントローラ１６２に供給できる。第１および第２の力再平衡コントローラ１６０、１６２は、物理的に個別のコントローラとして実施できるか、または破線の枠１６４によって全体的に示されるように単一のコントローラへ組み合わせられ得る。いくつかの実施形態では、例えば、マルチ入力−マルチ出力（ＭＩＭＯ）のコントローラは、必要に応じて直角位相の再平衡電圧ＶＲＥＢ（ＱＵＡＤ）（ｄｃ）およびコリオリの再平衡電圧ＶＲＥＢ（ＣＯＲ）（ｄｃ）の両方を制御するために使用できる。
【００５１】
第１の直流再平衡電圧ＶＲＥＢ（ＣＯＲ）（ｄｃ）および第２の直流再平衡電圧ＶＲＥＢ（ＱＵＡＤ）（ｄｃ）は、一旦力再平衡コントローラ１６０、１６２内の様々な制御論理によって供給されると、各々が対応する混合器１６６、１６８に供給でき、これらの混合器が、それぞれ時間変動再平衡電圧ＶＲＥＢ（ＣＯＲ）（ｔ）およびＶＲＥＢ（ＱＵＡＤ）（ｔ）を生成するために直流電圧を変調する。直流の再平衡電圧ＶＲＥＢ（ＣＯＲ）（ｄｃ）は、示されたように、例えばブロック１３２によって出力された位相を調整された信号１３４と混合できる。そしてまた、交流の再平衡電圧ＶＲＥＢ（ＱＵＡＤ）（ｔ）は、示されるように、位相調整ブロック１７１からの出力信号１６９と混合できる。図７Ａにさらに示されるように、ブロック１７３での第２の移相は、直角位相再平衡電圧ＶＲＥＢ（ＣＯＲ）（ｔ）を４５°だけオフセットすることができる。次いで、再平衡電圧ＶＲＥＢ（ＣＯＲ）（ｔ）およびＶＲＥＢ（ＱＵＡＤ）（ｔ）は、各々が混合器１３６および１３７で生成された変調されたキャリア電圧ＶＣ（ｔ）とそれぞれ結合され、次いで図７Ｂに示されるように様々なトルク電極に印加できる。
【００５２】
動作中、トルク電極上に再平衡電圧ＶＲＥＢ（ＣＯＲ）（ｔ）およびＶＲＥＢ（ＱＵＡＤ）（ｔ）を印加すると、プルーフマス１２、１４の各々上に、コリオリの力および直角位相の力による差動センス共振モード運動１３８を抑制するように作用する複数の時間変動静電再平衡力を生成する。複数の力再平衡制御ループを使用することによって、ジャイロスコープ１４２は、プルーフマスのセンス軸７２に沿ったコリオリの運動および直角位相の運動の両方を同時に相殺するように構成できる。
【００５３】
図８Ａ〜図８Ｂは、図１〜図２で説明されたものに類似の、センス電極に印加される正弦波の再平衡電圧を使用してＭＥＭＳ慣性センサを制御するための別の例示の力再平衡制御ループを示す簡易化された電気機械のブロック図を示す。図８Ａに示されるように、慣性センサ用のセンス電子回路は、慣性センサのプルーフマス１７２、１７４の各々に接続され、プルーフマス１７２、１７４から受け取られた電流に基づく電圧信号ＶＰＭを出力するように適合された第１の増幅器１７０を含むことができる。第１の増幅器１７０は、例えば、増幅器１７０の入力ノード１８２と出力ノード１８４にわたって接続された大きな値の抵抗１７８およびコンデンサ１８０を有するチャージアンプを備えてよく、これがプルーフマス１７２、１７４を仮想接地に維持するように作用する。
【００５４】
慣性センサ用のセンス電子回路は、第２の増幅器１８６をさらに含むことができ、これがプルーフマス１７２、１７４のセンス軸の方向１７６の面外運動による、複数のセンス電極１８８、１９０から受け取られた電流信号を増幅するように構成できる。第２の増幅器１８６は、例えば、増幅器１８６の入力ノード１９６と出力ノード１９８にわたって接続された比較的大きな値の抵抗１９２およびコンデンサ１９４を有するチャージアンプを備えることができる。
【００５５】
各センス電極１８８、１９０に印加された直流センスバイアス電圧ＶＳは、各センス電極１８８とプルーフマス１７２間の静電容量ならびにセンス電極１９０とプルーフマス１７４間の静電容量に比例した電荷をプルーフマス１７２、１７４に誘起するために利用できる。第２の増幅器１８６へのセンスバイアス入力がゼロまたはゼロの近くで平衡するのを支援するために、各センス電極１８８、１９０に印加されたセンスバイアス電圧ＶＳは、示されるように、互いから逆の極性を有することができ、それぞれ抵抗２００、２０２およびコンデンサ２０４、２０６に結合できる。ある実施形態では、例えば、＋５Ｖおよび−５Ｖのセンスバイアス電圧ＶＳが、それぞれセンス電極１８８、１９０の各々に印加でき、第２の増幅器１８６の出力信号は、プルーフマス１７２、１７４のセンス軸１７６に沿った差動運動にのみ感応する。
【００５６】
図８Ｂは、図８Ａに示されたプルーフマス１７２、１７４の力再平衡に使用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）を示す簡易化された電気機械のブロック図を表す。図８Ｂにさらに示されるように、第２の増幅器１８６から受け取られた増幅信号２０８は、プルーフマス１７２、１７４上の直角位相の力およびコリオリの力の両方を補償するために制御電子回路によって使用される２つの別個の信号２１０、２１２へ分割できる。増幅器１８６からの第１の信号２１０は、例えば、第１の復調器２１４、低域フィルタ２１６およびＰＩＤコントローラ２１８に供給でき、プルーフマス１７２、１７４の直角位相に関連した運動を補償するために後で使用できる直交信号２２０を生成する。そしてまた、増幅器１８６からの第２の信号２１２は、第２の復調器２２２、低域フィルタ２２４およびＰＩＤコントローラ２２６に供給でき、プルーフマス１７２、１７４のコリオリに関連した運動を補償するために後で使用できるコリオリの信号２２８を生成し、これが慣性センサの所望のレート出力信号２３０を供給する。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に供給された信号２１０に対して９０°位相ずれに復調するように構成できる。いくつかの実施形態では、例えば、第１の復調器２１４は、正弦波関数を使用して増幅信号２１０を復調してよく、第２の復調器２２２が余弦関数を使用して増幅信号２１２を復調してよい。
【００５７】
増幅信号２１０、２１２が、一旦変調され、フィルタリングされ、かつ補償されると、結果として生ずる信号２２０、２２８は、次いで複数の機能ルーチン２３２、２３４を通でき、この処理で、２つの信号２２０、２２８は、それぞれの信号２３６、２３８を形成する。第１の機能ルーチン２３２は、例えば、直角位相に関連した信号２２０およびコリオリに関連した信号２２８の位相を求めるように構成でき、第２の増幅器１８６からの出力信号２０８の位相の半分（すなわちθ／２）の位相を有する出力信号２３６を生成する。いくつかの実施形態では、第１の機能ルーチン２３２は、次式を基に位相を求めることができる。
【００５８】
arctan（B/A)/2
上式で、
「Ｂ」はコリオリに関連した信号２２８であり、
「Ａ」は直角位相に関連した信号２２０である。
【００５９】
そしてまた、第２の機能ルーチン２３４は、プルーフマス１７２、１７４の直角位相に関連した運動およびコリオリに関連した運動を相殺するのに必要な静電再平衡力Ｆの振幅を求めるように構成できる。そのような実施形態の１つでは、例えば、第２の機能ルーチン２３４は、次式を基に静電力Ｆの振幅を求めるように構成できる。
【００６０】
【数３】
2008122371.tif 000005
【００６１】
上式で、
「Ｂ」はコリオリに関連した信号２２８であり、
「Ａ」は直角位相に関連した信号２２０である。
上の式（４）から求められた静電力Ｆは、次いでボックス２４０に供給でき、このボックスは静電力Ｆの平方根を計算する。結果として得られた力信号２４２は、次いでボックス２４４で一定のＧ１で利得調整される。利得調整された力信号２４６は、次いで混合器２４８に供給でき、この混合器が、調整された信号２４６を、モータ速度クロック２５２によって生成されたクロック信号２５０で変調して時間変動再平衡電圧信号２５４を生成する。モータ速度クロック信号２５０から再平衡電圧信号２５４を分離するために、モータ速度信号２５０の角周波数（ω）は、周波数分周器２５６を使用して係数逓減率２で低減でき、したが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。
【００６２】
混合器２４８から出力された再平衡電圧信号２５４は、次いで、分割されて複数の移相器２６０、２６２に供給でき、この移相器が、互いに対して９０°位相ずれである再平衡電圧信号２６４、２６６を生成する。第１の移相器２６０に供給された再平衡電圧信号２５４の成分は、例えば、信号２６８によって９０°（すなわちπ／２）移相でき、また、信号２３６によるモータ周波数ωの半分と一致する周波数を有する。そしてまた、第２の移相器２６２に供給された再平衡電圧信号２５４の成分は、第１の再平衡信号２６４に対して９０°位相ずれに保たれ、また、信号２３６によるモータ周波数ωの半分と一致する周波数も有する。いくつかの実施形態では、位相調整器２７０は、必要に応じて第１の移相器２６０および／または第２の移相器２６２によってもたらされた位相を調整するために使用できる。
【００６３】
図８Ａに戻って参照することによりさらに見られ得るように、時間変動再平衡電圧信号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の力を静電的に相殺するために、それぞれのトルク電極２７２、２７４に供給される。第１の再平衡電圧信号２６４は、例えば、プルーフマス１７２上のコリオリの力および直角位相の力を相殺するために第１のトルク電極２７２に印加できる。そしてまた、第２の再平衡電圧信号２６６は、例えば、プルーフマス１７４上のコリオリの力および直角位相の力を相殺するために第２のトルク電極２７４に印加できる。再平衡電圧信号２６４、２６６の位相を適切に調整することによって、これらの信号は、プルーフマス１２、１４のコリオリの運動および直角位相に関連した運動を両方同時に制御する。各対応する電極２７２、２７４に供給された再平衡電圧信号２６４、２６６が、モータ周波数の半分の周波数で、互いに対して９０°位相ずれの正弦波の再平衡電圧であり、また、静電力が印加電圧の２乗に比例するので、プルーフマス１７２、１７４上に生じる力は、モータ周波数にあり、互いに対して１８０°位相ずれである。したがって、静電再平衡力は、モータ周波数でプルーフマス１７２、１７４の差動運動（すなわちコリオリの運動および直角位相に関連した運動）を相殺することができる。
【００６４】
図９Ａ〜図９Ｂは、個別の正弦波のコリオリ再平衡電圧および直角位相再平衡電圧を使用するＭＥＭＳ慣性センサの制御用の複数の力再平衡制御ループの用途を示す簡易化された電気機械のブロック図を表す。図９Ａ〜図９Ｂに示されるように、慣性センサ用のセンス電子回路は図８Ａ〜図８Ｂに示されたものと類似であり、同じ要素は同じやり方で標識付けされる。
【００６５】
しかし、図９Ａ〜図９Ｂの例示の実施形態では、ＰＩＤコントローラ２１８から出力された直角位相と関連する信号２２０およびＰＩＤコントローラ２２６から出力されたコリオリと関連する信号２２８は、個別の制御ループの一部であり、電子回路が直角位相の力とコリオリの力を互いに独立して補償することが可能になる。直角位相と関連したプルーフマスの運動を補償するために使用されるＰＩＤコントローラ２１８から出力された直交位相信号２２０は、例えば、それ自体の利得調整器２７６に供給でき、この利得調整器は一定のＧ２だけ信号２２０を調整する。次いで、利得調整器２７６によって出力された直角位相再平衡電圧２７８は、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つの別個の直流の直角位相再平衡信号２８０、２８２に分割できる。図９Ａに戻って参照することによって見られるように、直角位相の再平衡信号２８０、２８２は、次いで、プルーフマス１７２、１７４の直角位相に関連したあらゆる運動を静電的に相殺するための複数のトルク電極２８８、２９０に印加できる。面内ジャイロスコープ（ＩＰＧ）構成では、例えばトルク電極２８８、２９０はプルーフマス１７２、１７４の上および下に配置でき、直角位相に関連したプルーフマスの運動を静電的に相殺する。あるいは、面外ジャイロスコープ（ＯＰＧ）などの他の構成では、トルク電極２８８、２９０は、ピックオフ櫛形電極間および／または駆動櫛形電極間など他の位置に配置できる。
【００６６】
図９Ｂにさらに示されるように、コリオリに関連したプルーフマスの運動を補償するために使用されるＰＩＤコントローラ２２６によって出力されたコリオリに関連した信号２２８は、ボックス２９２に供給でき、このボックスは信号２２８の平方根を計算する。次いで、生じた信号２９４が、一定のＧ１で利得を調整する利得調整器２９６に供給される。次いで、利得調整された信号２９８は、分割されて第１の混合器３００に供給でき、この混合器が、調整された信号２９８をモータ速度クロック３０４によって生成されたクロック信号３０２で変調して時間変動再平衡電圧信号３０６を生成する。再平衡電圧信号３０６の周波数は、周波数分周器３０８を使用して係数逓減率２だけ低減できる。再平衡電圧信号３０６も、移相器３１０を使用して９０°だけ移相できる。いくつかの実施形態では、第２の移相器３１２が設けられ得て、必要に応じて再平衡電圧信号３０６の位相を変える。
【００６７】
利得調整された信号２９８は、さらに第２の混合器３１４に供給でき、この混合器が、モータ速度クロック３０４によって生成されたクロック信号３０２で信号２９８を変調して、第１の混合器３００から出力された時間変動再平衡電圧信号３０６に対して９０°位相ずれの第２の時間変動再平衡電圧信号３１６を生成する。必要に応じて、位相調整器３１２は、第２の時間変動再平衡電圧信号３１６の位相を調整するために使用できる。図９Ａにさらに示されるように、時間変動再平衡電圧信号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相殺するために、それぞれのトルク電極２７２、２７４に供給される。
【００６８】
図１０は、図９Ａ〜図９ＢのＭＥＭＳ慣性センサについて例示のセンス電極およびトルク電極の構成を示す側断面図である。図１０に示された面内ジャイロスコープ構成では、慣性センサのセンス軸に沿ったプルーフマス１７１、１７４の運動を検出するために使用されるセンス電極５００、５０２、５０４、５０６は、各対応するプルーフマス１７２、１７４の上および下に配置できる。例えば、第１のプルーフマス１７２に関して、上側センス電極５００および下側センス電極５０２は、それぞれ逆のセンスバイアス電圧＋ＶＳおよび−ＶＳで充電され、センス軸に沿った第１のプルーフマス１７２の運動を検出するために使用できる。同様にして、上側センス電極５０４および下側センス電極５０６は、それぞれ逆のセンスバイアス電圧−ＶＳおよび＋ＶＳで充電され、センス軸に沿った第２のプルーフマス１７４の運動を検出するために使用できる。
【００６９】
図１０の例示の実施形態では、上側トルク電極と下側トルク電極の２つのセットが各プルーフマス１７２、１７４のために設けけることができ、プルーフマス１７２、１７４の直角位相に関連した運動を相殺する。第１のプルーフマス１７２に関して、例えば上側トルク電極５０８と下側トルク電極５１０の第１のセットは、プルーフマス１７２の運動中の直角位相に関連する駆動軸に沿った一方向の運動を相殺するために使用できるが、上側トルク電極５１２と下側トルク電極５１４の第２のセットは、プルーフマス１７２の運動中の直角位相に関連した反対方向の運動を相殺するために使用できる。同様に、上側トルク電極５１６と下側トルク電極５１８の第１のセットは、第２のプルーフマス１７４の運動中の直角位相に関連する駆動軸に沿った一方向の運動を相殺するために使用できるが、上側トルク電極５２０と下側トルク電極５２２の第２のセットは、プルーフマス１７４の運動中の直角位相に関連した反対方向の運動を相殺するために使用できる。各プルーフマス１７２、１７４向けに２組のトルク電極が示されているが、他の数および／または構成が使用できることを理解されたい。さらに、各トルク電極に印加される電圧も、図１０に示されたものから変化できる。
【００７０】
各プルーフマス１７２、１７４に１組の上側トルク電極と下側トルク電極がさらに与えられ得て、プルーフマス１７２、１７４のコリオリに関連するセンス軸に沿った運動を相殺する。例えば、第１のプルーフマス１７２に関して、上側トルク電極５２４および下側トルク電極５２６は、プルーフマス１７２のコリオリに関連するセンス軸の方向に沿った運動を相殺するために使用できる。同様にして、上側トルク電極５２８および下側トルク電極５３０は、第２のプルーフマス１７４のコリオリに関連するセンス軸の方向に沿った運動を相殺するために使用できる。トルク電極の数および構成は、電極に印加される電圧を含んで、図１０に示されたものから変化できる。
【００７１】
本明細書の例示の実施形態では、ＭＥＭＳ型面内ジャイロスコープ（ＩＰＧ）が特に図示されて説明されるが、別タイプの慣性センシングデバイスが、本明細書で説明された１つまたは複数の特徴を使用することができることを理解されたい。ある実施形態では、トルク電極および交流再平衡力は、例えば「ＭＥＭＳ  Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ  Ｗｉｔｈ  Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｌｙ  Ｏｒｉｅｎｔｅｄ  Ｄｒｉｖｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ（水平に標定される駆動電極を備えたＭＥＭＳジャイロスコープ）」という名称の米国特許第７，０３６，３７３号に説明されたＭＥＭＳ型面外ジャイロスコープ（ＯＰＧ）などと共に利用できる。この明細書の内容全体が、参照により本明細書に合体される。面外ジャイロスコープの実施形態では、トルク電極は、コリオリの力および／または直角位相の力によるセンス軸に沿ったあらゆる運動を相殺するために使用できるプルーフマス上の横方向の静電力をもたらすように構成できる。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起された電圧ではなく、コリオリの力および／または直角位相の力を相殺するために必要なフィードバック力を与えるために使用される再平衡電圧である。
【００７２】
次に図１１Ａ〜図１１Ｂを参照して、ＭＥＭＳ慣性センサの制御用の力再平衡およびパラメトリック利得増幅両方の用途を示す簡易化された電気機械のブロック図が次に説明されることになる。慣性センサ用のセンスおよび力再平衡電子回路は、図９Ａ〜図９Ｂに関して説明されたものと類似であり、例えば慣性センサのプルーフマス３２０、３２２の各々に接続され、プルーフマス３２０、３２２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た第１の増幅器３１８を含む。第１の増幅器３１８は、例えば、増幅器３１８の入力ノード３２８と出力ノード３３０にわたって接続された大きな値の抵抗３２４およびコンデンサ３２６を有するチャージアンプを備えてよく、これがプルーフマス３２０、３２２を仮想接地に維持するように作用する。そしてまた、増幅器３３２の入力ノード３３８と出力ノード３４０にわたって接続された大きな値の抵抗３３４およびコンデンサ３３６を有する第２の増幅器３３２（例えばチャージアンプ）が、プルーフマス３２０に隣接したセンス電極３４２、３４４の第１のセットおよびプルーフマス３２２に隣接したセンス電極３４６、３４８の第２のセットから受け取られる電流信号を増幅するために設けられ得る。
【００７３】
センス電極３４２、３４４、３４６、３４８の各々に印加された直流センスバイアス電圧ＶＳは、センス電極３４２、３４４、３４６、３４８と対応して隣接するプルーフマス３２０、３２２の各セット間の静電容量に比例した電荷を第１および第２のプルーフマス３２０、３２２上に誘起するために利用できる。第２の増幅器３３２へのセンスバイアス入力がゼロまたはゼロの近くで平衡するのを支援するために、センス電極の各セットに印加されたセンスバイアス電圧ＶＳは、示されるように、互いから逆の極性を有することができ、それぞれ抵抗３５０、３５２およびコンデンサ３５４、３５６に結合できる。
【００７４】
図１１Ｂは、図１１Ａに示されたプルーフマス３２０、３２２の力再平衡に使用できるフィードバック制御電子回路を示す簡易化された電気機械のブロック図を表す。図１１Ｂにさらに示されるように、第２の増幅器３３２から受け取られた増幅信号３５８は、プルーフマス３２０、３２２上の直角位相の力およびコリオリの力の両方を補償するために制御電子回路によって使用できる２つの別個の信号３６０、３６２へ分割できる。増幅器３３２からの第１の信号３６０は、例えば、第１の復調器３６４、低域フィルタ３６６およびＰＩＤコントローラ３６８に供給でき、プルーフマスの直角位相に関連した運動を補償するために後で使用できる直交信号３７０を生成する。そしてまた、増幅器３３２からの第２の信号３６２は、第２の復調器３７２、低域フィルタ３７４およびＰＩＤコントローラ３７６に供給でき、プルーフマス３２０、３２２のコリオリに関連した運動を補償するために後で使用できるコリオリの信号３７８を生成し、これが慣性センサの所望のレート出力信号３８０を供給する。第２の復調器３７２は、増幅器３３２からの第２の信号３６２を、増幅器３３２から受け取られた第１の信号３６０に対して９０°位相ずれに復調するように構成できる。
【００７５】
直角位相に関連したプルーフマスの運動を補償するために使用されるＰＩＤコントローラ３６８から出力された直角位相と関連する信号３７０は、利得調整器３８２に供給でき、この利得調整器が一定のＧ４だけ信号３７０を調整する。次いで、利得調整器３８２によって出力された直角位相再平衡電圧３８４（すなわちＶｑｒｅｂ）は、加算器３９０、３９２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つの別個の直流直角位相再平衡信号３８６、３８８に分割できる。
【００７６】
コリオリに関連したプルーフマスの運動を補償するために使用されるＰＩＤコントローラ３７６によって出力されたコリオリに関連する信号３７８は、ボックス３９４に供給でき、このボックスは信号３７８の平方根を計算する。次いで、生じた信号３９６が、一定のＧ３で利得を調整する利得調整器３９８に供給される。次いで、利得調整された信号４００は、分割されて第１の混合器４０２に供給でき、この混合器が、調整された信号４００をモータ速度クロック４０６によって生成されたクロック信号４０４で変調して時間変動再平衡電圧信号４０８を生成する。再平衡電圧信号４０８の周波数は、周波数分周器４１０を使用して係数逓減率２だけ低減される。再平衡電圧信号４０８も、移相器４１２を使用して９０°だけ移相できる。いくつかの実施形態では、第２の移相器４１４が設けられ得て、必要に応じて再平衡電圧信号４０８の位相を変える。
【００７７】
利得調整された信号４００は、さらに第２の混合器４１６に供給でき、この混合器が、モータ速度クロック４０６によって生成されたクロック信号４０４で信号４００を変調して、第１の混合器４０２によって出力された時間変動再平衡電圧信号４０８に対して９０°位相ずれの第２の時間変動再平衡電圧信号４１８を生成する。必要に応じて、位相調整器４１４は、第２の時間変動再平衡電圧信号４１８の位相を調整するために使用できる。
【００７８】
図１１Ａに戻ると、フィードバック制御電子回路によって出力された直流の直角位相の再平衡信号３８６、３８８は、プルーフマス３２０、３２２の直角位相に関連したあらゆる運動を静電的に相殺するための複数のトルク電極４２０、４２２、４２４、４２６に印加できる。そしてまた、時間変動再平衡信号４０８、４１８は、プルーフマス３２０、３２２上のコリオリの力を静電的に相殺するために、複数のトルク電極４２８、４３０、４３２、４３４に供給できる。各プルーフマス３２０、３２２に印加されたコリオリに関連する再平衡電圧の位相は、各プルーフマス３２０、３２２に加えられた再平衡力が協働して、センス軸に沿ったプルーフマスの運動を機械的に相殺するように、互いから９０°オフセットできる。例えばプルーフマス３２０に関して、上側トルク電極４２８に印加され、コリオリに関連した運動を相殺するために使用される再平衡電圧信号４０８の位相は、下側トルク電極４３０に印加され、コリオリに関連した運動を相殺するために使用される再平衡電圧信号４１８から９０°オフセットされる。
【００７９】
図１１Ａにさらに見られるように、ＭＥＭＳ慣性センサは、プルーフマス３２０、３２２の、センス軸に沿った、コリオリに関連する運動を増幅し、直角位相に関連した運動を抑制するために、プルーフマス３２０、３２２上にポンピング力を生成するために使用できる複数のポンプ電極４３６、４３８、４４０、４４２をさらに含むことができる。プルーフマス３２０に隣接するポンプ電極４３６、４３８の第１のセットは、例えば、第１のパラメトリック増幅電圧信号ＰＡ１を受け取るように構成でき、この信号が、センス軸に沿ってプルーフマス３２０上に作用するコリオリの力に起因する機械的利得と電気的利得の合成されたものを増加する働きをする。同様にして、プルーフマス３２２に隣接するポンプ電極４４０、４４２の第２のセットは、例えば、第２のパラメトリック増幅電圧信号ＰＡ２を受け取るように構成でき、この信号が、同様に、センス軸に沿ってプルーフマス３２２上に作用するコリオリの力に起因する機械的利得と電気的利得の合成されたものを増加する働きをする。センス電極３４２、３４４、３４６、３４８および力再平衡トルク電極４２８、４３０、４３２、４３４と同様に、パラメトリック増幅ポンプ電極４３６、４３８、４４０、４４２の各々が、プルーフマス３２０、３２２の少なくとも一部分の上および／または下に配置される薄い長方形の電極プレートを含むことができる。ポンプ電極４３６、４３８、４４０、４４２の構成は、図１１Ａに概略的に示されたものから、慣性センサのタイプおよび／または構成次第で変化してよい。
【００８０】
第１および第２のパラメトリック増幅電圧信号ＰＡ１、ＰＡ２は時間変動であり、プルーフマス３２０、３２２のモータ共振周波数の約２倍の周波数（すなわち２ω）で振動し、その結果として、プルーフマス３２０、３２２の有効機械ばね定数の各々を、モータ周波数の２倍の周波数で位相を逆にして振動させる。いくつかの実施形態では、第１および第２のパラメトリック増幅電圧信号ＰＡ１、ＰＡ２は、各々が直流バイアス電圧成分ＶＳおよび交流ポンプ信号成分Ｖｐｃｏｓ（２ωｔ＋Φ）を含むことができ、この式で、ωはモータモード周波数であり、Φは交流ポンプ信号成分の位相角である。いくつかの実施形態では、第１および第２のパラメトリック増幅電圧信号ＰＡ１、ＰＡ２は、一般に、各々が次の両式によって表できる。
（５）ＰＡ１＝＋Ｖｂ＋Ｖｐ×ｃｏｓ（２ωｔ＋Φ）
（６）ＰＡ２＝−Ｖｂ−Ｖｐ×ｃｏｓ（２ωｔ＋Φ）
上の式（５）および（６）から分かるように、パラメトリック増幅電圧信号ＰＡ１、ＰＡ２用の交流ポンプ信号成分Ｖｐｃｏｓ（２ωｔ＋Φ）は、直流バイアス電圧成分Ｖｂに対して加算または減算でき、交流ポンプ信号成分とセンスピックオフ出力信号の相対的位相次第で、センサ出力信号を増強するかまたは抑制する。動作中に、交流ポンプ電圧成分Ｖｐｃｏｓ（２ωｔ＋Φ）は、センスモードの共振周波数を変調し、ポンプ電極４３６、４３８、４４０、４４２によって与えられた静電ポンプ力とセンス軸に沿って加えられた入力の機械的力の間の非線形の混合を生成し、ポンプ力と入力された力の間の差の周波数で力を生成する。この差の周波数は、入力の力の周波数（すなわちモータ周波数ω）と等しく、その結果、入力の力とポンプ力の相対的位相次第で、入力の力に対して加えるかまたは減じて、増幅または減衰のいずれかをもたらす。したがって、慣性センサは、機械的利得が入力駆動力とポンプ電圧の位相角に依存するパラメトリック増幅器として働く。ポンプ電圧信号ＰＡ１、ＰＡ２の位相角Φを選択することによって、所望の通りにコリオリ入力の力が増幅され、直角位相入力の力が減衰できる。
【００８１】
ポンプ電極４３６、４３８、４４０、４４２にポンプ電圧を印加することに起因する機械的利得は、プルーフマス３２０、３２２のセンスモード変位の運動方程式から算定することができる。
【００８２】
【数４】
2008122371.tif 000006
【００８３】
上式で、
ｙ＝（ｙ１−ｙ２）／２はセンスモード変位であって、ｙ１およびｙ２は２つのプルーフマスのセンス軸方向の変位であり、
ｍ＝１つのプルーフマスの質量、
γ＝減衰定数、
ｋ０＝ポンプ電極を除くすべての電極の負の静電ばね定数を含むセンスモードの場合のばね定数、
Ｃｐ＝１つのポンプ電極の静電容量、
Ｖｂ＝直流バイアス電圧、
Ｖｐ＝パラメトリックポンプ電圧の振幅、
ω＝モータ周波数、
Φ＝ポンプ電圧の位相、
Ｆ＝センスモードの入力の機械的力（すなわちプルーフマス上のセンス軸に沿った差動の力）、
Ψ＝入力の機械的力の位相、である。
上の式（７）において、括弧内の量は、ポンプ電圧Ｖｐに比例したモータ周波数の２倍の周波数（すなわち２ω）成分を有するプルーフマス３２０、３２２のセンスモードの場合の時間変動ばね定数を表す。したがって、上記のことから、ばね定数の２ω成分とｙセンスモード変位のω周波数成分の積から非線形の混合が生じることが理解できる。
【００８４】
パラメトリック増幅が力再平衡と共に使用されるとき、パラメトリック増幅の利得係数が慣性センサの静電ばね定数の変化に依存するのであって、センス軸に沿ったプルーフマスの実際の運動に依存するのでないため、プルーフマス３２０、３２２がセンス軸に沿って静止して保たれるときさえ機械的利得の増加が生じる。力再平衡動作中に、パラメトリック利得が、ゼロ位置からプルーフマスの小さな偏位に対するセンサ出力の感度を向上する。結果として、閉ループ出力ノイズに対する電子回路ノイズの寄与が低減される。いくつかの実施形態では、上の式（７）中のセンスモード変位ｙ（ｔ）の測定は、「ＭＥＭＳ  Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ  Ｗｉｔｈ  Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  Ｇａｉｎ（パラメトリック利得を備えたＭＥＭＳジャイロスコープ）」という名称の米国特許第６，７１５，３５３号に説明されたものに類似のやり方で達成できる。この明細書の内容全体が、参照により本明細書に合体される。
【００８５】
パラメトリック増幅が力再平衡と共に使用されるとき、図１１および図１２の構成に示されるように、パラメトリックポンピングおよびプルーフマス位置センシングに個別の電極を使用することが有利である。これらの構成では、プルーフマス位置の電気的なセンシングは、パラメトリックポンプ電圧によって影響されない。結果として、これら２つの機能の性能改善のために、パラメトリック増幅とプルーフマスの位置センシングは、独立して設計できる。このことは、センス電極に印加されたポンプ電圧によってパラメトリック増幅がもたらされた米国特許第６，７１５，３５３号の構成と対照的である。
【００８６】
慣性センサのパラメトリック増幅がいかなる重大なノイズの追加もなく行われるので、パラメトリック増幅が使用されない従来型の慣性センサに対して、角度ランダムウォーク（ＡＲＷ）も改善できる。さらに、パラメトリック増幅による直角位相出力信号の抑制は、センサのバイアスを低減し、バイアス安定性を向上することができ、さらにレートを正確にセンシングするためのセンサの能力を向上する。
【００８７】
図１１Ａにおける様々なセンス電極、トルク電極およびポンプ電極のレイアウトは、センス電極の位置、直角位相の力の再平衡トルク電極、コリオリの力の再平衡トルク電極、ピックオフ電極、ならびに他の要素など、慣性センサの構成次第で変化できる。慣性センサが面内ジャイロスコープ（ＩＰＧ）であるこれらの実施形態では、例えば、パラメトリック増幅に使用されるトルク電極およびポンプ電極は、センス電極に隣接して配置されるか、またはセンス電極からプルーフマスの反対側に配置できる。面外ジャイロスコープ（ＯＰＧ）など他の構成では、センス電極、トルク電極およびポンプ電極は、センス軸のプラスまたはマイナスの方向に沿って静電力をもたらすように配置できる。振動を低減し、ｇ感度を改善するために、センス電極、トルク電極およびポンプ電極は、一般に、プルーフマスに隣接してセンス軸に沿って対称に配置されることになるが、他の構成が可能である。
【００８８】
図１２は、図１１Ａ〜図１１ＢのＭＥＭＳ慣性センサ用の例示のセンス電極およびトルク電極の構成を示す側断面図である。図１２に示された面内ジャイロスコープ（ＩＰＧ）構成では、慣性センサのセンス軸４４４に沿ったプルーフマス３２０、３２２の運動を検出するために使用されるセンス電極３４２、３４４、３４６、３４８は、プルーフマス３２０、３２２の各々に隣接して配置された下側基板４４６上またはその中に配置できる。そしてまた、センス軸４４４に沿ったプルーフマスの運動をパラメトリック増幅するために、ポンプ電圧を静電的に印加するために使用されるポンプ電極４３６、４３８、４４０、４４２は、示されるように、センス電極３４２、３４４、３４６、３４８の反対側にある慣性センサの上側基板４４８上またはその中に配置できる。
【００８９】
図１２の例示の実施形態では、図９に関して上で説明されたのと類似して、プルーフマス３２０、３２２の直角位相に関連した運動とコリオリに関連した運動を別個に相殺するために、個別の直角位相のトルク電極およびコリオリのトルク電極が設けられる。あるいは、他の実施形態では、図８に関して上で説明されたのと類似して、力再平衡トルク電極の各々が、プルーフマスの直角位相に関連した運動とコリオリに関連した運動の両方を静電的に相殺するように構成できる。示されるように、直角位相に関連した運動を静電的に相殺するために使用されるトルク電極４２０、４２２、４２４、４２６は、プルーフマス３２０、３２２の上および下に対称に配置できる。同様にして、示されるように、コリオリに関連した運動を電気的に相殺するために使用されるトルク電極４２８、４３０、４３２、４３４も、プルーフマス３２０、３２２の上および下に対称に配置できる。
【００９０】
動作中に、プルーフマスの直角位相に関連した運動およびコリオリに関連した運動を相殺するために使用されるトルク電極の対称な構成は、プルーフマス３２０、３２２に印加された静電力の非対称性による振動を低減するように構成できる。しかし、センス電極およびトルク電極の特定の配置が、図１２に示されたものと必要に応じて異なり得ることを理解されたい。例えば、米国特許第７，０３６，３７３号に説明されたものなど面外ジャイロスコープ（ＯＰＧ）の構成では、直角位相のトルク電極およびコリオリのトルク電極は、センサ基板の面内のセンス軸に沿ったプルーフマス運動を検出するのに使用される互いにかみ合わせられた櫛形フィンガに類似したやり方で、これに隣接して配置できる。
【００９１】
図１３は、ＭＥＭＳ慣性センサ用の例示のセンス電極、トルク電極およびポンプ電極の構成を示す側断面図である。図１３の実施形態は、図１０に示されたものと類似であり、同じ要素は同じやり方で標識付けされる。しかし、図１３の例示の実施形態では、ＭＥＭＳ慣性センサは、プルーフマスに隣接し、かつその反対側にある複数のポンプ電極ＰＡ１、ＰＡ２をさらに含むことができ、これらの電極は、プルーフマスの運動をパラメトリック増幅するために、ポンプ電圧を静電的に印加するために使用できる。本明細書で説明された他の実施形態と同様に、ポンプ電極ＰＡ１、ＰＡ２に印加された電圧は、示されたように、各プルーフマスに対して交番できる。
【００９２】
このように、本発明のいくつかの実施形態を説明してきたが、当業者なら、ここに添付された特許請求の範囲内にある他の実施形態が作製され使用できることを容易に理解するであろう。本文献の対象にされた本発明の多くの利益が、上記説明で明らかになった。この開示が、多くの点で単に例示であることが理解されよう。特に部品の形状、サイズおよび配置に関して、本発明の範囲を超えることなく、細部にわたって変更が行われ得る。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明の例示の一実施形態による例示のＭＥＭＳ型ジャイロスコープの概略図である。
【図２】図１の線２−２に沿った例示のジャイロスコープの側断面図である。
【図３】図１〜図２のＭＥＭＳジャイロスコープを制御するのに使用される例示の力再平衡制御ループを示す簡易化された電気機械のブロック図である。
【図４】トルク電極に印加された再平衡電圧信号の時間変動波形の図である。
【図５】センス軸運動のコリオリおよび直角位相を同時に相殺するために個別のトルク電極を利用する別の例示のＭＥＭＳ型ジャイロスコープを示す概略図である。
【図６】図５の線６−６に沿った例示のジャイロスコープの側断面図である。
【図７Ａ】図５〜図６のＭＥＭＳジャイロスコープの制御用の複数の力再平衡制御ループの用途を示す簡易化された電気機械のブロック図である。
【図７Ｂ】図５〜図６のＭＥＭＳジャイロスコープの制御用の複数の力再平衡制御ループの用途を示す簡易化された電気機械のブロック図である。
【図８Ａ】トルク電極に印加される正弦波の再平衡電圧を使用してＭＥＭＳ慣性センサを制御するための別の例示の力再平衡制御ループを示す簡易化された電気機械のブロック図である。
【図８Ｂ】トルク電極に印加される正弦波の再平衡電圧を使用してＭＥＭＳ慣性センサを制御するための別の例示の力再平衡制御ループを示す簡易化された電気機械のブロック図である。
【図９Ａ】個別の正弦波のコリオリ再平衡電圧および直角位相再平衡電圧を使用してＭＥＭＳ慣性センサを制御するための複数の力再平衡制御ループの用途を示す簡易化された電気機械のブロック図である。
【図９Ｂ】個別の正弦波のコリオリ再平衡電圧および直角位相再平衡電圧を使用してＭＥＭＳ慣性センサを制御するための複数の力再平衡制御ループの用途を示す簡易化された電気機械のブロック図である。
【図１０】図９Ａ〜図９ＢのＭＥＭＳ慣性センサ用の例示のセンス電極およびトルク電極の構成を示す側断面図である。
【図１１Ａ】ＭＥＭＳ慣性センサの制御用の力再平衡およびパラメトリック利得増幅両方の用途を示す簡易化された電気機械のブロック図である。
【図１１Ｂ】ＭＥＭＳ慣性センサの制御用の力再平衡およびパラメトリック利得増幅両方の用途を示す簡易化された電気機械のブロック図である。
【図１２】図１１Ａ〜図１１ＢのＭＥＭＳ慣性センサについて例示のセンス電極、トルク電極およびポンプ電極の構成を示す側断面図である。
【図１３】ＭＥＭＳ慣性センサについて別の例示のセンス電極、トルク電極およびポンプ電極の構成を示す側断面図である。
【符号の説明】
【００９４】
１０、１４２  ジャイロスコープ
１２、１４、１７２、１７４、３２０、３２２  プルーフマス
１６  支持基板
１８  入力軸
２２、２６  モータピックオフ櫛
２４、２８  駆動電極
３２、３４、４８、５０、６６、７０  端
３６、３８、５２、５４  側面
４０、４２、４４、４６、５６、５８、６０、６２  櫛形フィンガ
６４、６８  懸架ばね
７２、１７６  センス軸
７４、７６、７８、８０、１８８、１９０、３４２、３４４、３４６、３４８、５００、５０２、５０４、５０６  センス電極
８２  上側基板
８４、８６、８８、９０、１４４、１４６、１４８、１５０、１５２、１５４、１５６、１５８、２７２、２７４、２８８、２９０、４２０、４２２、４２４、４２６、４２８、４３０、４３２、４３４、５０８、５１０、５１２、５１４、５１６、５１８、５２０、５２２、５２４、５２６、５２８、５３０  トルク電極
９２  チャージアンプ
９４、１８２、３２８  入力ノード
９６、１８４、３３０  出力ノード
１００、１０２、１０４、１０６、１０８、１１０  面
１１２、１１４  間隙
１１６、２１４、２２２、３６４、３７２  復調器
１２４、１６０、１６２  力再平衡コントローラ
１２６、１３６、１３７、１６６、１６８、２４８、３００、３１４、４０２  混合器
１２８、２５６、３０８、４１０  周波数分周器
１２９、１３２  ブロック
１３２、２６０、２６２、３１０、３１２、４１２、４１４  移相器
１６４  枠
１７０、１８６、３１８、３３２  増幅器
１７１  位相調整ブロック
１７８、１９２、２００、２０２、３２４、３３４、３５０、３５２  抵抗
１８０、１９４、２０４、２０６、３２６、３３６、３５４、３５６  コンデンサ
２１６、２２４、３６６、３７４  低域フィルタ
２１８、２２６、３６８、３７６  ＰＩＤコントローラ
２３２、２３４  機能ルーチン
２４０、２４４、２９２、３９４  ボックス
２７０、３１２  位相調整器
２７６、２９６、３８２  利得調整器
２８４、２８６、３９０、３９２  加算器
３８４  再平衡電圧
４３６、４３８、４４０、４４２  ポンプ電極
【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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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【外国語明細書】
2008122371000001.pdf