(57)【要約】  ２軸音叉ジャイロスコープは、反対に位置する２つの対を成して同一平面上に配置される４つの開放端音叉を含み、第１の対の開放端音叉は第１の軸に沿って互いに反対の位置に配置され、第２の対の開放端音叉は第２の軸に沿って互いに反対の位置に配置され、第１の軸及び第２の軸は互いに対して垂直である。４つの開放端音叉は、４つの開放端音叉が全て周波数及び位相に関して同じように振動するように、機械的に互いに結合される。【選択図】図３
2010501831.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２軸ヨーレートセンサであって、
反対に位置する２つの対を成して同一平面上に配置される４つの開放端音叉を含み、第１の対の開放端音叉は第１の軸に沿って互いに反対の位置に配置され、第２の対の開放端音叉は第２の軸に沿って互いに反対の位置に配置され、該第１の軸及び該第２の軸は互いに対して垂直であり、
前記４つの開放端音叉は、前記４つの開放端音叉は全て周波数及び位相に関して同じように振動するように、機械的に互いに結合される、２軸ヨーレートセンサ。
【請求項２】
前記音叉を固定すると共に、前記音叉が機械的に互いに結合される共通点としての役割を果たすアンカーをさらに備える、請求項１に記載の２軸ヨーレートセンサ。
【請求項３】
前記音叉のうちの少なくとも１つを振動させるように構成される少なくとも一対の駆動電極をさらに備える、請求項２に記載の２軸ヨーレートセンサ。
【請求項４】
前記少なくとも一対の駆動電極を共通の周波数において駆動するための駆動ユニットをさらに備える、請求項３に記載の２軸ヨーレートセンサ。
【請求項６】
前記少なくとも一対の駆動電極は、静電力を生成するように動作する、請求項４に記載の２軸ヨーレートセンサ。
【請求項７】
前記少なくとも一対の駆動電極は、圧電力を生成するように動作する、請求項４に記載の２軸ヨーレートセンサ。
【請求項８】
前記音叉のうちの少なくとも１つの振動を検知するように動作する少なくとも一対の検知電極をさらに備える、請求項４に記載の２軸ヨーレートセンサ。
【請求項９】
前記共通の周波数の前記少なくとも一対の検知電極からの検出信号を処理するための共通検知ユニットであって、前記検出信号は、２つの軸方向におけるヨーレートを表す、共通検知ユニットをさらに備える、請求項８に記載の２軸ヨーレートセンサ。
【請求項１０】
前記少なくとも一対の検知電極は容量性電極として動作する、請求項９に記載の２軸ヨーレートセンサ。
【請求項１１】
前記少なくとも一対の検知電極は圧電性電極として動作する、請求項９に記載の２軸ヨーレートセンサ。
【請求項１２】
前記少なくとも一対の検知電極はピエゾ抵抗性電極として動作する、請求項９に記載の２軸ヨーレートセンサ。
【請求項１３】
ヨーレートセンサであって、
少なくとも２つの軸方向において前記ヨーレートを同時に検知するための単一共振構造であって、該単一共振構造は、少なくとも４つの開放端音叉を含み、該開放端音叉は、該開放端音叉が全て周波数及び位相に関して同じように振動するように共通点において機械的に互いに結合される、単一共振構造を備える、ヨーレートセンサ。
【請求項１４】
前記共通周波数において、前記音叉を振動させるための単一の駆動ユニットをさらに備える、請求項１３に記載のヨーレートセンサ。
【請求項１５】
前記共通周波数において、前記少なくとも２つの軸方向における前記音叉の振動を同時に検知するための単一の検知ユニットをさらに備える、請求項１４に記載のヨーレートセンサ。
【請求項１６】
前記音叉の振動を検知するための複数の検知ユニットであって、該検知ユニットのそれぞれが、少なくとも２つの軸方向のうちの１つの方向において前記ヨーレートを検知する、複数の検知ユニットをさらに備える、請求項１４に記載のヨーレートセンサ。
【請求項１７】
ヨーレートセンサであって、
複数の開放端音叉であって、前記音叉が全て周波数及び位相に関して同じように振動するように機械的に互いに結合される、複数の開放端音叉を備える、ヨーレートセンサ。
【請求項１８】
前記共通周波数において、前記複数の音叉を振動させるための単一の駆動ユニットをさらに備える、請求項１７に記載のヨーレートセンサ。
【請求項１９】
前記共通周波数において、２つ以上の軸方向における前記音叉の振動を同時に検知するための単一の検知ユニットをさらに備える、請求項１８に記載のヨーレートセンサ。
【請求項２０】
前記複数の開放端音叉は、反対に位置する２つの対を成して同一平面上に配置され、第１の対の開放端音叉は第１の軸に沿って互いに反対の位置に配置され、第２の対の開放端音叉は第２の軸に沿って互いに反対の位置に配置され、該第１の軸及び該第２の軸は互いに対して垂直である、請求項１７に記載のヨーレートセンサ。
【請求項２１】
２軸ヨーレートセンサであって、
第１のコリオリ構成要素、第２のコリオリ構成要素、該第１のコリオリ構成要素を駆動する第１の駆動構成要素、及び該第２のコリオリ構成要素を駆動する第２の駆動構成要素を含むＭＥＭＳ装置であって、前記第１の駆動構成要素及び前記第２の駆動構成要素は、それぞれが周波数及び位相に関して同じように振動するように、互いに機械的に結合される、ＭＥＭＳ装置と、
前記第１の駆動構成要素及び前記第２の駆動構成要素を駆動するための共通駆動装置とを備える、２軸ヨーレートセンサ。
【請求項２２】
前記第１のコリオリ装置及び前記第２のコリオリ装置に結合される共通評価装置をさらに備える、請求項２２に記載の２軸ヨーレートセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一の機械的な共振構造を有する２軸ヨ−レート検知ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、動いている物体１００及びコリオリの力に関して、振動ヨーレートセンサの動作原理を示しており、コリオリの力は、以下の公式によって表される。
【０００３】
Ｆ＝２Ω×Ｖ
ここで、Ωは回転座標系ＸＹＺの角速度ベクトルであり、Ｖは回転座標系ＸＹＺ内の動いている物体１００の速度ベクトルである。この関連で、図１に示されるように、動いている物体１００は、回転座標系ＸＹＺに対して固定されている観測者には、速度ベクトルＶ及び角速度ベクトルΩに対して垂直な方向において加速するように見えるであろう。
【０００４】
上記の原理に従って動作する微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープでは、コリオリの力は、その中に含まれる微小機械ビームにかかる応力を変化させることがある。たとえば、圧電又は圧抵抗の原理を用いて、その応力の変化を測定することができる。
【０００５】
ＭＥＭＳジャイロスコープは、自動車用及び民生用の電子機器のような用途を含む、多数の用途において用いられることがある。たとえば、ＭＥＭＳジャイロスコープは、エレクトロニック・スタビリティ・プログラム（ＥＳＰ）、ロールオーバセンサ、ナビゲーションシステム、コンピュータゲーム用入力デバイス、カムコーダ安定化、電子玩具等において用いられることがある。この関連で、集積回路（ＩＣ）製造技術及びＭＥＭＳバッチ工程を使用することにより、低コストで、極めてコンパクトで、集積度が高いジャイロスコープを提供することができ、そのようなジャイロスコープは、大量生産及びコスト重視の用途における従来の機械式又は光学式ジャイロスコープよりも、コスト効率が良く、使いやすい。
【０００６】
ＭＥＭＳジャイロスコープは、振動ジャイロスコープの様態で動作することができる。たとえば、非特許文献１は、振動リングジャイロスコープについて触れており、非特許文献２は、音叉ジャイロスコープについて触れており、非特許文献３は捩れ振動ジャイロスコープについて触れている。捩れ振動ＭＥＭＳジャイロスコープを小型化するために、最小数の共振構造を用いて、２つ以上の方向においてヨーレートを検知することが望ましいであろう。しかしながら、２つの直交する方向における振動モードを結合することは困難であったので、Juneau等の参考文献において触れられている捩れ振動円板形ジャイロスコープを除いて、単一の音叉共振器構造を用いて、２つ以上の軸のヨーレートを検知するＭＥＭＳジャイロスコープは存在しない。
【０００７】
２つ以上の軸方向においてヨーレートを検知するために、同じチップ上に２つの個別の振動ジャイロスコープを配置することができ、各ジャイロスコープは、２つの直交する方向のうちの一方においてヨーレートを検知するように配置される。この場合には、製造工程において固有の振動があるため、２つの全く同じく製造された振動ジャイロスコープであっても、共振周波数は全く同じにはならないであろう。それゆえ、そのようなシステムは、２つの別個の検出回路及び制御回路を必要とする。
【０００８】
図８は１軸システム８００を示しており、そのシステムは、ＭＥＭＳ部８１０と、評価電子回路８２０とを含む。ＭＥＭＳ部８１０は、駆動ＭＥＭＳ８１１と、コリオリＭＥＭＳ８１２とを含む。評価電子回路８２０は、駆動電子回路８２１と、コリオリ検出電子回路８２２と、復調制御回路８２３とを含む。
【０００９】
駆動電子回路８２１は、コリオリの効果を利用するために、ＭＥＭＳ部８１０がその共振周波数において所定の振幅で共振するように駆動し、コリオリの効果は、動いている質量の速度に比例し、その効果の結果として、コリオリ検出電子回路８２２によって測定されることになる力が生成される。この場合、駆動電子回路８２１は、自動利得制御（ＡＧＣ）を設けられる。駆動ＭＥＭＳ８１１と駆動電子回路８２１とを結ぶ破線によって示されるように、その回路はオプションで、閉ループにおいて動作することもできる。
【００１０】
コリオリ検出電子回路８２２は、コリオリの効果に起因して生成される力を測定する。駆動ＭＥＭＳ８１１は、駆動共振周波数において振動しているので、コリオリ信号は、駆動共振周波数と全く同じＡＣ信号である。コリオリ共振周波数が、駆動共振周波数と全く同じであり、且つコリオリＭＥＭＳのＱ値が高い場合には、コリオリ信号は、高い信号対雑音比を有するはずである。コリオリ検出電子回路８２２は、フロントエンド８２４と、復調器８２５と、ＬＰ８２６と備える。コリオリ検出電子回路８２２は、コリオリ検出電子回路８２２とコリオリＭＥＭＳ８１２とを結ぶ破線によって示されるように、オプションで閉ループにおいて動作することができる。
【００１１】
復調制御回路８２３は、駆動共振周波数の信号でコリオリフロントエンド８２４の出力を復調するための制御信号、及びコリオリループにおいてコリオリ信号をフィルタリングして除去するのに適した位相情報を与える。この場合、復調のための制御信号を生成するために、位相同期ループ（ＰＬＬ）を用いることができる。しかしながら、そのような位相同期ループは、かなりの量のチップ面積及び電力を消費することがある。位相同期ループ（ＰＬＬ）の使用は必須ではないが、位相同期ループ（ＰＬＬ）は、付加的なクロックユニットの代わりに用いられることがある。
【００１２】
図９は、２軸システム９００を示しており、そのシステムは、図８の１軸システム８００の電子回路を二重にする。そのように二重にする場合、２軸システム９００は、２つの別個の駆動共振周波数を必要とし、その周波数は等しいという保証はない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】Putty及びNajafi、Tech. Dig. Solid-State Sensor and Actuator Workshop, Hilton Head Island, South Carolina, June 1994, pages213-220
【非特許文献２】Bernstein他、MEMS’93, Fort Lauderdale, Florida, February 1993, pages 143-148
【非特許文献３】Juneau他、Tech. Dig. 9th International Conference on Solid State Sensors and Actuators(Transducers’97), Chicago, Illinois, June 1997, pages 883-886
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の１つの例示的な実施形態は、単一の機械的な共振構造に基づく、１つの例示的な２軸ヨーレート検知ユニットを提供する。すなわち、２つの軸方向においてヨーレートを同時に検知するための少なくとも２つの共振構造を必要とする、他の先行する振動ジャイロスコープとは異なり、本発明の例示的な２軸ヨーレート検知ユニットは、単一の共振構造だけを用いて、２つの軸方向において同時にヨーレートを検知することができる。
【００１５】
本発明の例示的な２軸ヨーレート検知ユニットは、１つのマスクだけを用いて製造することができる。言い換えると、アンカー、個々の音叉、及びその結合部品を画定するのに１つのマスクで十分である。その例示的な２軸ヨーレート検知ユニットは、容量性及び／又は圧電性素子を用いる駆動装置と、容量性、圧電性及び／又はピエゾ抵抗素子を有する検知装置とを含むことができる。
【００１６】
本発明の１つの例示的な実施の形態は、２軸ヨーレートセンサであって、反対に位置する２つの対を成して同一平面上に配置される４つの開放端音叉を含み、第１の対の開放端音叉は第１の軸に沿って互いに反対の位置に配置され、第２の対の開放端音叉は第２の軸に沿って互いに反対の位置に配置され、第１の軸及び第２の軸は互いに対して垂直であり、４つの開放端音叉は、４つの開放端音叉が全て周波数及び位相に関して同じように振動するように、機械的に互いに結合される、２軸ヨーレートセンサを対象とする。
【００１７】
本発明の別の実施の形態は、音叉を固定すると共に音叉が機械的に互いに結合される共通点としての役割を果たすアンカーをさらに備える、２軸ヨーレートセンサを対象とする。
【００１８】
本発明のさらに別の実施の形態は、音叉のうちの少なくとも１つを振動させるように構成される少なくとも一対の駆動電極をさらに備える、２軸ヨーレートセンサを対象とする。
【００１９】
本発明のまた別の実施の形態は、少なくとも一対の駆動電極を共通の周波数において駆動するための駆動ユニットをさらに備える、２軸ヨーレートセンサを対象とする。
【００２０】
本発明のさらに別の実施の形態は、少なくとも一対の駆動電極は、静電力を生成するように動作する、２軸ヨーレートセンサを対象とする。
【００２１】
本発明のまた別の実施の形態は、少なくとも一対の駆動電極は、圧電力を生成するように動作する、２軸ヨーレートセンサを対象とする。
【００２２】
本発明のさらに別の実施の形態は、音叉のうちの少なくとも１つの振動を検知するように動作する少なくとも一対の検知電極をさらに備える、２軸ヨーレートセンサを対象とする。
【００２３】
本発明のまた別の実施の形態は、共通の周波数の少なくとも一対の検知電極からの検出信号を処理するための共通検知ユニットであって、検出信号は、２つの軸方向におけるヨーレートを表す、共通検知ユニットを備える、２軸ヨーレートセンサを対象とする。
【００２４】
本発明のさらに別の実施の形態は、少なくとも一対の検知電極は容量性電極として動作する、２軸ヨーレートセンサを対象とする。
【００２５】
本発明のまた別の実施の形態は、少なくとも一対の検知電極は圧電性電極として動作する、２軸ヨーレートセンサを対象とする。
【００２６】
本発明のさらに別の実施の形態は、少なくとも一対の検知電極はピエゾ抵抗性電極として動作する、２軸ヨーレートセンサを対象とする。
【００２７】
本発明のまた別の実施の形態は、ヨーレートセンサであって、２つの軸方向においてヨーレートを同時に検知するための単一共振構造であって、当該単一共振構造は、４つの開放端音叉を含み、当該開放端音叉は、４つの開放端音叉が全て周波数及び位相に関して同じように振動するように共通点において機械的に互いに結合される、単一共振構造を備える、ヨーレートセンサを対象とする。
【００２８】
本発明のさらに別の実施の形態は、共通周波数において、音叉を振動させるための単一の駆動ユニットをさらに備える、ヨーレートセンサを対象とする。
【００２９】
本発明のまた別の実施の形態は、共通周波数において、２つの軸方向における音叉の振動を同時に検知するための単一の検知ユニットをさらに備える、ヨーレートセンサを対象とする。
【００３０】
本発明のさらに別の実施の形態は、音叉の振動を検知するための２つの検知ユニットであって、２つの検知ユニットのそれぞれが、２つの軸方向のうちの１方の方向においてヨーレートを検知する、２つの検知ユニットをさらに備える、ヨーレートセンサを対象とする。
【００３１】
本発明のまた別の実施の形態は、ヨーレートセンサであって、複数の開放端音叉であって、音叉が全て周波数及び位相に関して同じように振動するように、機械的に互いに結合される、複数の開放端音叉を備える、ヨーレートセンサを対象とする。
【００３２】
本発明のさらに別の実施の形態は、共通周波数において、複数の音叉を振動させるための単一の駆動ユニットをさらに備える、ヨーレートセンサを対象とする。
【００３３】
本発明のまた別の実施の形態は、共通周波数において、２つ以上の軸方向における音叉の振動を同時に検知するための単一の検知ユニットをさらに備える、ヨーレートセンサを対象とする。
【００３４】
本発明のさらに別の実施の形態は、複数の開放端音叉は、反対に位置する２つの対を成して同一平面上に配置され、第１の対の開放端音叉は第１の軸に沿って互いに反対の位置に配置され、第２の対の開放端音叉は第２の軸に沿って互いに反対の位置に配置され、第１の軸及び第２の軸は互いに対して垂直である、ヨーレートセンサを対象とする。
【００３５】
本発明のまた別の実施の形態は、ヨーレートセンサであって、第１のコリオリ構成要素、第２のコリオリ構成要素、第１のコリオリ構成要素を駆動する第１の駆動構成要素、及び第２のコリオリ構成要素を駆動する第２の駆動構成要素を含むＭＥＭＳ装置であって、第１の駆動構成要素及び第２の駆動構成要素は、それぞれが周波数及び位相に関して同じように振動するように、互いに機械的に結合される、ＭＥＭＳ装置と、第１の駆動構成要素及び第２の駆動構成要素を駆動するための共通駆動装置とを備える、ヨーレートセンサを対象とする。
【００３６】
本発明のさらに別の実施の形態は、第１のコリオリ装置及び第２のコリオリ装置に結合される共通評価装置をさらに備える、ヨーレートセンサを対象とする。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】動いている物体及びコリオリの効果に関する振動ヨーレートセンサの動作原理を示す図である。
【図２】単一の共振構造だけを用いて、２つの軸方向においてヨーレートを同時に検知するための例示的なヨーレート検知ユニットの平面図である。
【図３】図２の例示的なヨーレート検知ユニットの例示的な動作モードによる動作を示す図である。
【図４Ａ】容量性原理に従って動作する例示的なヨーレート検知ユニットの平面図である。
【図４Ｂ】図４Ａの例示的なヨーレート検知ユニットの側面図である。
【図５Ａ】圧電性原理に従って動作する例示的なヨーレート検知ユニットの平面図である。
【図５Ｂ】図５Ａの例示的なヨーレート検知ユニットの側面図である。
【図６Ａ】ピエゾ抵抗性原理に従って動作する例示的なヨーレート検知ユニットの平面図である。
【図６Ｂ】図６Ａの例示的なヨーレート検知ユニットの側面図である。
【図７】容量性原理に従って動作する例示的なヨーレート検知ユニットのための例示的な駆動及び検知回路図である。
【図８】従来の１軸システムを示す図である。
【図９】図８の１軸システムの電子回路を二重にする、従来の２軸システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明の１つの例示的な実施形態によれば、本発明の１つの例示的な２軸ヨーレート検知システムは、４つの個別の開放端音叉を含み、それらの音叉はそれぞれ、＋Ｘ、−Ｘ、＋Ｙ及び−Ｙ方向に沿って配置することができる。４つの開放端音叉は、製造工程に差があっても、４つ全ての音叉が周波数及び位相に関して同じように振動することになるように、機械的に互いに結合される。この関連で、音叉が互いに機械的に結合される点は、音叉を固定するための役割も果たすことができる。
【００３９】
４つの個別の開放端音叉の対称で、釣り合ったトポロジに起因して、任意の個別の音叉が振動する結果として、他の音叉が全く同じ周波数で振動し、ジャイロユニットの基本動作を引き起こすことになるので、例示的な２軸ヨーレート検知ユニットの駆動構成及び検知構成はいずれも、他の先行する振動ジャイロスコープに比べて簡単にすることができる。たとえば、−Ｘ軸方向に沿って配置される音叉が駆動される（すなわち、振動する）場合には、＋Ｘ、＋Ｙ及び−Ｙ軸方向に沿って配置される他の３つの音叉も同じ周波数で振動するであろう。代替的に、はっきりした位相を達成するために、駆動音叉として２つの音叉を用いてもよい。たとえば、−Ｘ方向に沿って配置される音叉及び＋Ｙ軸方向に沿って配置される音叉の両方が駆動される場合には、中央での機械的な結合に起因して、＋Ｘ及び−Ｙ軸方向に沿って配置される他の２つの音叉も振動するであろう。こうして、−Ｘ及び＋Ｙ軸方向に沿って配置される音叉が駆動されるとき、＋Ｘ及び−Ｙ方向に沿って配置される他の２つの音叉は検知音叉としての役割を果たす。信号検出に関しては、２方向ヨーレートを検知するための素子が全く同じ周波数において振動するので、その検出信号は、単一の検知ユニットを用いて処理することができる。
【００４０】
図２は、単一の共振構造だけを用いて、２つの軸方向においてヨーレートを同時に検知するための例示的なヨーレート検知ユニット２００の平面図を示す。その例示的なヨーレート検知ユニット２００は、＋Ｘ、−Ｘ、＋Ｙ及び−Ｙ軸方向に沿ってそれぞれ配置される４つの個別の音叉Ｆ１〜Ｆ４を含む。すなわち、個別の音叉Ｆ１は＋Ｘ軸方向に沿って配置され、個別の音叉Ｆ２は−Ｘ軸方向に沿って配置され、個別の音叉Ｆ３は＋Ｙ軸方向に沿って配置され、個別の音叉Ｆ４は−Ｙ軸方向に沿って配置される。
【００４１】
４つの個別の音叉Ｆ１〜Ｆ４は中央の場所においてアンカーを介して機械的に互いに結合され、アンカーは４つの個別の音叉Ｆ１〜Ｆ４を下にある基板に固定することができる。したがって、４つの個別の音叉Ｆ１〜Ｆ４は全く（少なくとも実用的には）同じ周波数において振動する。それゆえ、４つの個別の音叉のうちのいずれか１つが振動する場合には、他の３つの音叉も同じ周波数において振動する。
【００４２】
本発明の１つの例示的な実施形態によれば、＋Ｘ及び−Ｘ軸方向に沿ってそれぞれ配置される２つの個別の音叉Ｆ１及びＦ２を用いて、Ｘ軸に沿ってヨーレートを検知することができ、＋Ｙ及び−Ｙ軸方向に沿ってそれぞれ配置される２つの個別の音叉Ｆ３及びＦ４を用いて、Ｙ軸に沿ってヨーレートを検知することができる。本発明の別の例示的な実施形態によれば、４つの個別の音叉のそれぞれが、個々の駆動電極及び検知電極を有する個別のジャイロスコープとして動作する。駆動電極は、たとえば、容量性及び／又は圧電性原理に従って動作することができる。検知電極は、たとえば、容量性、圧電性及び／又はピエゾ抵抗性原理に従って動作することができる。
【００４３】
図３は、図２の例示的なヨーレート検知ユニットの例示的な動作モードによる動作を示しており、音叉Ｆ１〜Ｆ４が振動して、Ｘ軸及びＹ軸に沿って角速度を検知する。詳細には、音叉Ｆ１及びＦ２が振動して、Ｘ軸に沿った角速度ベクトルΩＸを検知し、音叉Ｆ３及びＦ４が振動して、Ｙ軸に沿った角速度ベクトルΩＹを検知する。
【００４４】
図４Ａ及び図４Ｂはそれぞれ、容量性原理に従って動作する、１つの例示的なヨーレート検知ユニット４００の平面図及び側面図である。その例示的なヨーレート検知ユニット４００は、４つの個別の音叉Ｆ１〜Ｆ４と、駆動電極と、検知電極と、基板とを含む。４つの個別の音叉Ｆ１〜Ｆ４はそれぞれ、＋Ｘ、−Ｘ、＋Ｙ及び−Ｙ軸方向に沿って配置され、中央の場所においてアンカーを介して機械的に互いに結合され、アンカーは４つの個別の音叉Ｆ１〜Ｆ４を基板に固定する。駆動電極は、４つの個別の音叉Ｆ１〜Ｆ４のそれぞれの各共振構造の外側に沿って、対を成して配置される。検知電極は、４つの個別の音叉Ｆ１〜Ｆ４のそれぞれの各共振構造の上下に対を成して配置される。この関連で、各共振構造の下に配置される検知電極は、基板上に直に配置することができる。各共振構造の上に配置される検知電極はオプションにすることができる。ここで、共振構造に対する検知電極の特定の配置が、製造工程を容易にすることができ、且つ／又は雑音を相殺するのを助けることができる。たとえば、共振構造上に検知電極を配置することによって、製造工程の複雑さを低減するのを助けることができ、一方、共振構造の上面及び底面に検知電極を配置することによって、出力信号雑音を相殺するのを助けることができる。
【００４５】
１つの例示的な実施形態によれば、駆動電極を個別に動作させて、単一の音叉、２つの直交する音叉、及び／又は４つ全ての音叉を駆動することができる。
【００４６】
図５Ａ及び図５Ｂはそれぞれ、圧電性原理に従って動作する、１つの例示的なヨーレート検知ユニット５００の平面図及び側面図である。その例示的なヨーレート検知ユニット５００は、４つの個別の音叉Ｆ１〜Ｆ４と、駆動電極と、検知電極とを含む。４つの個別の音叉Ｆ１〜Ｆ４はそれぞれ、＋Ｘ、−Ｘ、＋Ｙ及び−Ｙ軸方向に沿って配置され、中央の場所においてアンカーを介して機械的に互いに結合される。駆動電極は、４つの個別の音叉Ｆ１〜Ｆ４のそれぞれの各共振構造の外側に沿って、対を成して配置される。検知電極は、４つの個別の音叉Ｆ１〜Ｆ４のそれぞれの各共振構造の上下に対を成して配置される。各共振構造の上に配置される検知電極はオプションにすることができる。
【００４７】
１つの例示的な実施形態によれば、駆動電極を個別に動作させて、単一の音叉、２つの直交する音叉、及び／又は４つ全ての音叉を駆動することができる。
【００４８】
検知信号は、４つ全ての個別の音叉Ｆ１〜Ｆ４からもたらされることがあるか、又は２つの直交する音叉だけからもたらされることがある。
【００４９】
図６Ａ及び図６Ｂはそれぞれ、ピエゾ抵抗性原理に従って動作する、１つの例示的なヨーレート検知ユニット６００の平面図及び側面図である。その例示的なヨーレート検知ユニット６００は、４つの個別の音叉Ｆ１〜Ｆ４と、ピエゾ抵抗素子とを含む。４つの個別の音叉Ｆ１〜Ｆ４はそれぞれ、＋Ｘ、−Ｘ、＋Ｙ及び−Ｙ軸方向に沿って配置され、中央の場所においてアンカーを介して機械的に互いに結合される。ピエゾ抵抗素子は、４つの個別の音叉Ｆ１〜Ｆ４のそれぞれの各共振構造の上面及び／又は底面に配置される。
【００５０】
１つの例示的な実施形態によれば、その例示的なヨーレート検知ユニット６００は、静電力又は圧電力を用いて駆動される。検知は、ピエゾ抵抗率を介して達成される。
【００５１】
図７は、容量性原理に従って動作する１つの例示的なヨーレート検知ユニットの１つの例示的な駆動及び検知回路図を示す。ここでは、１つの駆動回路しか必要としない。
【００５２】
図１０は、ただ１つの駆動電子回路と、復調のためのただ１つの制御回路とを有する１つの例示的な２軸ヨーレートシステム１０００を示しており、それはチップ空間要件を緩和し、消費電力を低減する。その例示的な２軸ヨーレートシステム１０００は、ＭＥＭＳ装置又はＭＥＭＳ部１０１０と、評価電子回路１０２０とを含む。ＭＥＭＳ部１０１０は、第１の駆動ＭＥＭＳ１０１１ａと、第２の駆動ＭＥＭＳ１０１１ｂと、第１のコリオリＭＥＭＳ１０１２ａと、第２のコリオリＭＥＭＳ１０１２ｂとを含む。この関連で、第１の駆動ＭＥＭＳ１０１１ａ及び第２の駆動ＭＥＭＳ１０１１ｂは、一方が駆動される（すなわち、振動する）場合には、他方も同じ共振周波数で振動するように、機械的に互いに結合される。評価電子回路１０２０は、駆動電子回路１０２１と、第１のコリオリ検出電子回路１０２２ａと、第２のコリオリ検出電子回路１０２２ｂと、復調制御回路１０２３とを含む。
【００５３】
駆動電子回路１０２１は、コリオリの効果を利用するために、ＭＥＭＳ部１０１０（すなわち、第１の駆動ＭＥＭＳ１０１１ａ及び第２の駆動ＭＥＭＳ１０１１ｂ）がその共振周波数において所定の振幅で共振するように駆動し、コリオリの効果は、動いている質量の速度に比例し、その効果の結果として、第１のコリオリ検出電子回路１０２２ａ及び第２のコリオリ検出電子回路１０２２ｂによって測定される力が生成される。この場合、駆動電子回路１０２１は、自動利得制御（ＡＧＣ）を設けられる。第１の駆動ＭＥＭＳ１０１１ａと駆動電子回路１０２１とを結ぶ破線は、回路がオプションで、閉ループにおいて動作することができることを示す。
【００５４】
第１のコリオリ検出電子回路１０２２ａ及び第２のコリオリ検出電子回路１０２２ｂは、コリオリの効果に起因して生成される力を測定する。第１の駆動ＭＥＭＳ１０１１ａ及び第２の駆動ＭＥＭＳ１０１１ｂは同じ駆動共振周波数において振動しているので、コリオリ信号は、その駆動共振周波数のＡＣ信号である。コリオリ共振周波数が駆動共振周波数と同じであり、コリオリＭＥＭＳのＱ値が高い場合には、コリオリ信号は高い信号対雑音比を有するはずである。第１のコリオリ検出電子回路１０２２ａ及び１０２２ｂはそれぞれ、フロントエンド１０２４ａ又は１０２４ｂと、復調器１０２５ａ又は１０２５ｂと、ＬＰ１０２６ａ又は１０２６ｂとを含む。第１のコリオリ検出電子回路１０２２ａ及び第２のコリオリ検出電子回路１０２２ｂは、第１のコリオリ検出電子回路１０２２ａと第１のコリオリＭＥＭＳ１０１２ａとを結び、第２のコリオリ検出電子回路１０２２ｂと第２のコリオリＭＥＭＳ１０１２ｂとを結ぶ破線によって示されるように、オプションで閉ループにおいて動作することができる。
【００５５】
復調制御回路１０２３は、駆動共振周波数の信号で第１のコリオリフロントエンド１０２４ａ及び第２のコリオリフロントエンド１０２４ｂのそれぞれの出力を復調するための制御信号、及びコリオリループにおいてコリオリ信号をフィルタリングして除去するのに適した位相情報を与える。この場合、復調のための制御信号を生成するために、位相同期ループ（ＰＬＬ）を用いることができる。
【００５６】
図１１は、１つの例示的な２軸ヨーレートシステム１１００を示しており、両方の駆動ループが同じ周波数において動作する場合には、フロントエンド間の多重化が容易に実行されるので、そのシステムが、コリオリループのために使用するのは、ただ１つのフロントエンドと、それに接続される１つのマルチプレクサである。その例示的な２軸ヨーレートシステム１１００は、ＭＥＭＳ部１１１０と、評価電子回路１１２０とを含む。ＭＥＭＳ部１１１０は、第１の駆動ＭＥＭＳ１１１１ａと、第２の駆動ＭＥＭＳ１１１１ｂと、第１のコリオリＭＥＭＳ１１１２ａと、第２のコリオリＭＥＭＳ１１１２ｂとを含む。この関連で、第１の駆動ＭＥＭＳ１１１１ａ及び第２の駆動ＭＥＭＳ１１１１ｂは、一方が駆動される（すなわち、振動する）場合には、他方も同じ共振周波数で振動するように、機械的に互いに結合される。評価電子回路１１２０は、駆動電子回路１１２１と、コリオリ検出電子回路１１２２と、復調制御回路１１２３とを含む。
【００５７】
駆動電子回路１１２１は、コリオリの効果を利用するために、ＭＥＭＳ部１１１０（すなわち、第１の駆動ＭＥＭＳ１１１１ａ及び第２の駆動ＭＥＭＳ１１１１ｂ）がその共振周波数において所定の振幅で共振するように駆動し、コリオリの効果は、動いている質量の速度に比例し、その効果の結果として、コリオリ検出電子回路１１２２によって測定される力が生成される。この場合、駆動電子回路１１２１は、自動利得制御（ＡＧＣ）を設けられる。第１の駆動ＭＥＭＳ１１１１と駆動電子回路１１２１とを結ぶ破線は、回路がオプションで、閉ループにおいて動作することができることを示す。
【００５８】
コリオリ検出電子回路１１２２は、コリオリの効果に起因して生成される力を測定する。第１の駆動ＭＥＭＳ１１１１ａ及び第２の駆動ＭＥＭＳ１１１１ｂは同じ駆動共振周波数において振動しているので、コリオリ信号は、その駆動共振周波数のＡＣ信号である。コリオリ共振周波数が駆動共振周波数と同じであり、コリオリＭＥＭＳのＱ値が高い場合には、コリオリ信号は高い信号対雑音比を有するはずである。コリオリ検出電子回路１１２２は、マルチプレクサ１１２７と、フロントエンド１１２４と、デマルチプレクサ１１２８と、第１の復調器１１２５ａと、第２の復調器１１２５ｂと、第１のＬＰ１１２６ａと、第２のＬＰ１１２６ｂとを含む。コリオリ検出電子回路１１２２は、コリオリ検出電子回路１１２２と、第１のコリオリＭＥＭＳ１１１２ａ及び第２のコリオリＭＥＭＳ１１１２ｂのそれぞれとを結ぶ破線によって示されるように、オプションで閉ループにおいて動作することができる。
【００５９】
復調制御回路１１２３は、駆動共振周波数の信号でコリオリフロントエンド１１２４の出力を復調するための制御信号、及びコリオリループにおいてコリオリ信号をフィルタリングして除去するのに適した位相情報を与える。この場合、復調のための制御信号を生成するために、位相同期ループ（ＰＬＬ）を用いることができる。
【図１】
2010501831.tif 000003
【図２】
2010501831.tif 000004
【図３】
2010501831.tif 000005
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
2010501831.tif 000010
【図６Ｂ】
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【図７】
2010501831.tif 000012
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年4月17日(2009.4.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３７】
【図１】動いている物体及びコリオリの効果に関する振動ヨーレートセンサの動作原理
を示す図である。
【図２】単一の共振構造だけを用いて、２つの軸方向においてヨーレートを同時に検知
するための例示的なヨーレート検知ユニットの平面図である。
【図３】図２の例示的なヨーレート検知ユニットの例示的な動作モードによる動作を示
す図である。
【図４Ａ】容量性原理に従って動作する例示的なヨーレート検知ユニットの平面図であ
る。
【図４Ｂ】図４Ａの例示的なヨーレート検知ユニットの側面図である。
【図５Ａ】圧電性原理に従って動作する例示的なヨーレート検知ユニットの平面図であ
る。
【図５Ｂ】図５Ａの例示的なヨーレート検知ユニットの側面図である。
【図６Ａ】ピエゾ抵抗性原理に従って動作する例示的なヨーレート検知ユニットの平面
図である。
【図６Ｂ】図６Ａの例示的なヨーレート検知ユニットの側面図である。
【図７】容量性原理に従って動作する例示的なヨーレート検知ユニットのための例示的
な駆動及び検知回路図である。
【図８】従来の１軸システムを示す図である。
【図９】図８の１軸システムの電子回路を二重にする、従来の２軸システムを示す図で
ある。
【図１０】本願発明の１つの例示的な実施形態に従って、ただ１つの駆動電子回路と復
調のためのただ１つの制御回路とを有する、２軸ヨーレートシステムを示す図である。
【図１１】本願発明の１つの例示的な実施形態に従って、コリオリループのための１つ
のマルチプレクサが続いて接続される、ただ１つのフロントエンドを用いる２軸ヨーレートシステムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２軸ヨーレートセンサであって、
反対に位置する２つの対を成して同一平面上に配置される４つの開放端音叉を含み、第１の対の開放端音叉は第１の軸に沿って互いに反対の位置に配置され、第２の対の開放端音叉は第２の軸に沿って互いに反対の位置に配置され、該第１の軸及び該第２の軸は互いに対して垂直であり、
前記４つの開放端音叉は、前記４つの開放端音叉は全て周波数及び位相に関して同じように振動するように、機械的に互いに結合される、２軸ヨーレートセンサ。
【請求項２】
前記音叉を固定すると共に、前記音叉が機械的に互いに結合される共通点としての役割を果たすアンカーをさらに備える、請求項１に記載の２軸ヨーレートセンサ。
【請求項３】
前記音叉のうちの少なくとも１つを振動させるように構成される少なくとも一対の駆動電極をさらに備える、請求項２に記載の２軸ヨーレートセンサ。
【請求項４】
前記少なくとも一対の駆動電極を共通の周波数において駆動するための駆動ユニットをさらに備える、請求項３に記載の２軸ヨーレートセンサ。
【請求項５】
前記少なくとも一対の駆動電極は、静電力を生成するように動作する、請求項４に記載の２軸ヨーレートセンサ。
【請求項６】
前記少なくとも一対の駆動電極は、圧電力を生成するように動作する、請求項４に記載の２軸ヨーレートセンサ。
【請求項７】
前記音叉のうちの少なくとも１つの振動を検知するように動作する少なくとも一対の検知電極をさらに備える、請求項４に記載の２軸ヨーレートセンサ。
【請求項８】
前記共通の周波数の前記少なくとも一対の検知電極からの検出信号を処理するための共通検知ユニットであって、前記検出信号は、２つの軸方向におけるヨーレートを表す、共通検知ユニットをさらに備える、請求項７に記載の２軸ヨーレートセンサ。
【請求項９】
前記少なくとも一対の検知電極は容量性電極として動作する、請求項８に記載の２軸ヨーレートセンサ。
【請求項１０】
前記少なくとも一対の検知電極は圧電性電極として動作する、請求項８に記載の２軸ヨーレートセンサ。
【請求項１１】
前記少なくとも一対の検知電極はピエゾ抵抗性電極として動作する、請求項８に記載の２軸ヨーレートセンサ。
【請求項１２】
ヨーレートセンサであって、
少なくとも２つの軸方向において前記ヨーレートを同時に検知するための単一共振構造であって、該単一共振構造は、少なくとも４つの開放端音叉を含み、該開放端音叉は、該開放端音叉が全て周波数及び位相に関して同じように振動するように共通点において機械的に互いに結合される、単一共振構造を備える、ヨーレートセンサ。
【請求項１３】
前記共通周波数において、前記音叉を振動させるための単一の駆動ユニットをさらに備える、請求項１２に記載のヨーレートセンサ。
【請求項１４】
前記共通周波数において、前記少なくとも２つの軸方向における前記音叉の振動を同時に検知するための単一の検知ユニットをさらに備える、請求項１３に記載のヨーレートセンサ。
【請求項１５】
前記音叉の振動を検知するための複数の検知ユニットであって、該検知ユニットのそれぞれが、少なくとも２つの軸方向のうちの１つの方向において前記ヨーレートを検知する、複数の検知ユニットをさらに備える、請求項１３に記載のヨーレートセンサ。
【請求項１６】
ヨーレートセンサであって、
複数の開放端音叉であって、前記音叉が全て周波数及び位相に関して同じように振動するように機械的に互いに結合される、複数の開放端音叉を備える、ヨーレートセンサ。
【請求項１７】
前記共通周波数において、前記複数の音叉を振動させるための単一の駆動ユニットをさらに備える、請求項１６に記載のヨーレートセンサ。
【請求項１８】
前記共通周波数において、２つ以上の軸方向における前記音叉の振動を同時に検知するための単一の検知ユニットをさらに備える、請求項１７に記載のヨーレートセンサ。
【請求項１９】
前記複数の開放端音叉は、反対に位置する２つの対を成して同一平面上に配置され、第１の対の開放端音叉は第１の軸に沿って互いに反対の位置に配置され、第２の対の開放端音叉は第２の軸に沿って互いに反対の位置に配置され、該第１の軸及び該第２の軸は互いに対して垂直である、請求項１６に記載のヨーレートセンサ。
【請求項２０】
２軸ヨーレートセンサであって、
第１のコリオリ構成要素、第２のコリオリ構成要素、該第１のコリオリ構成要素を駆動する第１の駆動構成要素、及び該第２のコリオリ構成要素を駆動する第２の駆動構成要素を含むＭＥＭＳ装置であって、前記第１の駆動構成要素及び前記第２の駆動構成要素は、それぞれが周波数及び位相に関して同じように振動するように、互いに機械的に結合される、ＭＥＭＳ装置と、
前記第１の駆動構成要素及び前記第２の駆動構成要素を駆動するための共通駆動装置とを備える、２軸ヨーレートセンサ。
【請求項２１】
前記第１のコリオリ装置及び前記第２のコリオリ装置に結合される共通評価装置をさらに備える、請求項２１に記載の２軸ヨーレートセンサ。
【国際調査報告】
2010501831.tif 000017
2010501831.tif 000018