(57)【要約】【課題】ＭＥＭＳ型ジャイロスコープの誤差を減少させる装置及び方法を提供する。【解決手段】本発明の実施形態によるＭＥＭＳ型ジャイロスコープは、入力軸についてのジャイロスコープの運動から生じた、１又は複数のプルーフ・マスに作用するコリオリの力を測定するために、検出電極の上方の駆動面で振動するように構成された１又は複数のプループ・マスを備える。１又は複数の直交方向ステアリング電圧部材を、１又は複数のプルーフ・マスのそれぞれに隣接して配置して、検出電極の方向へプルーフ・マスを静電気的に引き付けるように作動させて、直交方向の運動及び／又は温度の影響に起因するプルーフ・マスの任意の不要な運動を減少させる。それぞれの直交方向ステアリング電圧部材へ印加される電圧は、時間変化電圧とすることができ、場合によっては、プルーフ・マスを駆動するために使用される電圧信号と同じ電圧信号から導出することもできる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＭＳ型ジャイロスコープであって、
時間で変化する駆動電圧源に結合され、支持基板の上方の駆動面で振動するように構成される１又は複数のプルーフ・マスと、
前記１又は複数のプルーフ・マスの各々に隣接して配置される少なくとも１つの検出電極と、
前記１又は複数のプルーフ・マスに結合され、前記１又は複数のプルーフ・マスと対応する検出電極との間に電荷を生成するように構成される検出バイアス電圧源と、
前記１又は複数のプルーフ・マスに作用するコリオリの力を測定し、入力軸についての前記ジャイロスコープの回転レートに対応するレート信号を出力する検出手段と、
前記１又は複数のプルーフ・マスの各々に隣接して配置され、それぞれに或る電圧に電気的に結合される１又は複数の直交方向ステアリング電圧部材と
を備えるＭＥＭＳ型ジャイロスコープ。
【請求項２】
請求項１に記載のＭＥＭＳ型ジャイロスコープであって、前記１又は複数の直交方向ステアリング電圧部材に結合される前記電圧がＤＣ電圧である、ＭＥＭＳ型ジャイロスコープ。
【請求項３】
請求項１に記載のＭＥＭＳ型ジャイロスコープであって、前記１又は複数の直交方向ステアリング電圧部材に結合される前記電圧がＡＣ電圧である、ＭＥＭＳ型ジャイロスコープ。
【請求項４】
請求項３に記載のＭＥＭＳ型ジャイロスコープであって、前記ＡＣ電圧が前記駆動電圧源と同相である、ＭＥＭＳ型ジャイロスコープ。
【請求項５】
請求項４に記載のＭＥＭＳ型ジャイロスコープであって、前記１又は複数の直交方向ステアリング電圧部材に結合される前記電圧が、前記駆動電圧源の成分である、ＭＥＭＳ型ジャイロスコープ。
【請求項６】
請求項５に記載のＭＥＭＳ型ジャイロスコープであって、前記１又は複数の直交方向ステアリング電圧部材へ印加される前記電圧の大きさが、前記駆動電圧源の大きさより小さい、ＭＥＭＳ型ジャイロスコープ。
【請求項７】
請求項５に記載のＭＥＭＳ型ジャイロスコープであって、前記１又は複数の直交方向ステアリング電圧部材へ印加される前記電圧の大きさが、前記駆動電圧源の大きさと実質的に等しい、ＭＥＭＳ型ジャイロスコープ。
【請求項８】
請求項５に記載のＭＥＭＳ型ジャイロスコープであって、前記駆動電圧源とそれぞれの前記直交方向ステアリング電圧部材との間に直列に配置された抵抗素子を更に備える、ＭＥＭＳ型ジャイロスコープ。
【請求項９】
請求項８に記載のＭＥＭＳ型ジャイロスコープであって、前記抵抗素子が可変抵抗器である、ＭＥＭＳ型ジャイロスコープ。
【請求項１０】
請求項８に記載のＭＥＭＳ型ジャイロスコープであって、前記抵抗素子が固定型抵抗器である、ＭＥＭＳ型ジャイロスコープ。
【請求項１１】
請求項１に記載のＭＥＭＳ型ジャイロスコープであって、前記１又は複数の直交方向ステアリング電圧部材へ印加される前記電圧がゼロにされる、ＭＥＭＳ型ジャイロスコープ。
【請求項１２】
請求項１に記載のＭＥＭＳ型ジャイロスコープであって、前記検出手段が電荷増幅器を含む、ＭＥＭＳ型ジャイロスコープ。
【請求項１３】
ＭＥＭＳ型ジャイロスコープであって、
時間で変化する駆動電圧源に結合され、支持基板の上方の駆動面で振動するように構成される１又は複数のプルーフ・マスと、
前記１又は複数のプルーフ・マスの各々に隣接して配置される少なくとも１の検出電極と、
前記１又は複数のプルーフ・マスと対応する検出電極との間に電荷を誘起するための検出バイアス電圧と、
各プルーフ・マスに隣接して配置され、前記駆動電圧源と直列に抵抗素子と電気的にそれぞれが結合される１又は複数の直交方向ステアリング電圧部材と、
前記１又は複数のプルーフ・マスに作用するコリオリの力を測定し、入力軸についての前記ジャイロスコープの回転レートに対応するレート信号を出力する検出手段と
を備えるＭＥＭＳ型ジャイロスコープ。
【請求項１４】
ジャイロスコープにおける誤差を低減する方法であって、
検出電極の上方の駆動面で各々が前後に振動するように構成された１又は複数のプルーフ・マスに結合される、時間で変化する駆動電圧源を備えるジャイロスコープを提供するステップと、
前記プルーフ・マスに隣接する１又は複数の直交方向ステアリング電圧部材を提供するステップと、
前記１又は複数のプルーフ・マスの任意の不要な直交方向の運動を減少させるために、時間で変化する電圧を前記１又は複数の直交方向ステアリング電圧部材へ印加して、前記プルーフ・マスを前記検出電極の方向に静電気的に引き付けるステップと
を備える方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であって、前記１又は複数の直交方向ステアリング電圧部材に結合される前記時間で変化する電圧がＡＣ電圧である、方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、前記ＡＣ電圧が前記駆動電圧源と同相である、方法。
【請求項１７】
請求項１４に記載の方法であって、前記１又は複数の直交方向ステアリング電圧部材に結合される前記時間で変化する電圧が、前記駆動電圧源の成分である、方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法であって、前記１又は複数の直交方向ステアリング電圧部材に結合される前記時間で変化する電圧の大きさが、前記駆動電圧源の大きさより小さい、方法。
【請求項１９】
請求項１７に記載の方法であって、前記１又は複数の直交方向ステアリング電圧部材に結合される前記時間で変化する電圧の大きさが、前記駆動電圧源の大きさと実質的に等しい、方法。
【請求項２０】
請求項１４に記載の方法であって、
前記１又は複数のプルーフ・マスの各々に検出バイアス電圧を提供するステップと、
前記１又は複数のプルーフ・マスに作用するコリオリの力を測定し、入力軸についての前記ジャイロスコープの回転レートに対応するレート信号を出力するステップと
を更に備える方法。
【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・システム（ＭＥＭＳ）の分野に関する。より詳細には、本発明はステアリング電極を使用するＭＥＭＳ型ジャイロスコープ装置における誤差の低減に関する。
【０００２】
本発明は、２００５年３月２２日に出願された「Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｉｎ  ＭＥＭＳ  Ｇｙｒｏ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  Ｕｓｉｎｇ  Ｑｕａｄ  Ｓｔｅｅｒｉｎｇ  Ｖｏｌｔａｇｅｓ」と題する米国特許出願第１０／９０７１３１号の一部継続出願である。
【背景技術】
【０００３】
マイクロエレクトロメカニカル・システム（ＭＥＭＳ）・ジャイロスコープ装置は、１又は複数の次元の慣性運動を検出する様々な用途で使用される。このような装置は、運動や加速度の微小な変化を測定及び／又は検出することが必要であったり、或いは寸法及び／又は重量が重要な設計検討事項になるような、高い信頼性及び精度を必要とする用途で特に有用である。ナビゲーション・システムや通信システムの設計では、例えば、空間を移動する物体の直線及び回転運動の僅かな変動を測定及び／又は検出する際に、このような装置が有用になる。このような装置は、バッチ式の半導体製造技術（例えば、フォトリソグラフィ）を使用して製造することができるので、従来の製造技術と比べてより高い公差及び信頼性を達成することができる。
【０００４】
ＭＥＭＳ型ジャイロスコープの設計は、それらの個々の目的に応じて大きく変化する。例えば、レート・ジャイロスコープは、コリオリの力を発生させ測定することによって運動体の回転レートを求めるために使用されることが多い。例えば、振動型のレート・ジャイロスコープでは、１又は複数のプルーフ・マス（proof mass）を含む駆動システムは、運動が測定される入力軸即ち「レート軸」に直交する駆動平面でモータ・ピックオフ・コム（motor pickoff comb）に対して前後に振動するように構成することができる。各プルーフ・マスは、駆動電圧源からの時間で変化する信号により静電気的に荷電されたときに相互に移動するように構成された幾つかのインターデジタルにされたコム・フィンガ（comb finger）を、備えることができる。各プルーフ・マスの運動を、下にある支持基板の上方で特定の方向に制限するために、典型的には幾つかのサスペンション・スプリング又は他の撓みエレメントを使用することができる。
【０００５】
各プルーフ・マスと隣接して平行な基板上に配置された検出電極又は他の検出手段は、検出バイアス電圧によって荷電することができる。各プルーフ・マスは基板の上方で前後に移動するので、運動体が入力軸について回転すると、その運動体の運動量の保存によって生じるコリオリの力は、各プルーフ・マスと検出電極との間の間隔を変化させ、それに付随して静電容量が変化する。このように、プルーフ・マスと検出電極との間の静電容量を測定することによって、運動体の回転運動及び／又は加速度の大きさを求めることができる。
【０００６】
多くのＭＥＭＳ型ジャイロスコープにおける誤差の主要な発生源は、プルーフ・マスが検出電極の上方で前後に振動するときのプルーフ・マスの直交方向の運動（即ち、面外運動）である。このような直交方向の運動は、例えば、駆動システムで使用されるコム・フィンガやサスペンション・スプリングのプロフィールの不完全性や、製造プロセスの間に生じた他の不完全性によってもたらされ得る。このような直交方向の運動は、存在する場合には大きな検出信号を生成し、レート信号の僅かな変動を正確に見分けるジャイロスコープの機能に影響を与える結果となる。このような直交方向の運動は、プルーフ・マスを駆動するために使用される駆動電子回路に干渉することもあり、場合によっては追加の誤差訂正回路を必要とする。駆動システムのこのような不整の結果として、出力検出信号が、所望されるレート信号と不要な直交方向信号との両方を含み、結果としてレート運動を有効に測定するジャイロスコープの機能を損なう可能性がある。
【０００７】
場合によっては、ジャイロスコープをとりまく環境の温度もまた、レート信号の僅かな変動を検出するジャイロスコープの機能に影響を与える可能性がある。一般的には、ジャイロスコープの温度が上昇すると、プルーフ・マスの駆動がより困難になり、その結果として、プルーフ・マスを駆動するために必要な電圧の大きさが増す。設計によっては、熱により、プルーフ・マスが基板表面の上方で検出軸の方向に上昇又は押し上げられる場合があり、検出信号に不要な熱成分がもたらされる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
駆動システムにおける直交方向運動、振動、及び他の不整を補償するために、多くの従来技術による設計は、駆動システム及び／又は検出回路における複雑な誤差訂正技術を使用して、不要な直交方向の信号を抑制する方法及び技術に注目してきた。或る従来技術の設計では、例えば、周波数変換回路を使用して、所定の周波数範囲におけるセンサ出力信号に対する駆動信号の成分を抑制して、従来のフィルタリング技術を使用して検出信号から駆動信号を分離することができるようにする。他の従来技術の設計では、同期復調プロセスによって直交方向誤差が低減されるようにし、そこでは、所望のレート信号が、直交方向信号と位相が９０°外れるように維持される。不要な直交方向信号を補償するためにこのような方法が使用されてきたが、このような技術は、駆動システムの不要な直交方向の運動を除去しない。従って、多くの従来技術のジャイロスコープは、実際には、運動の微小な変化を正確に検出し測定することはできない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、直交方向ステアリング電圧を使用したＭＥＭＳ型ジャイロスコープ装置における直交方向の運動の低減に関する。本発明の一例示的実施形態によるＭＥＭＳ型ジャイロスコープは、支持基板の上方の駆動面で振動するように構成された１又は複数のプルーフ・マスを備える。１又は複数のプループ・マスのそれぞれと隣接し、それと平行に配置された検出電極は、駆動面に実質的に直交する方向のプルーフ・マスの運動を検出するために使用することができる。例えば、或る実施形態では、検出電極又はプルーフ・マスの何れかへ印加される検出バイアス電圧を使用して電荷を生成し、その電荷を使用して、入力軸についてのジャイロスコープの運動によって生じるプルーフ・マスに作用するコリオリの力を測定することができる。次いで、プルーフ・マスと検出電極との間に誘起された結果的な電荷は、電荷増幅器へ供給することができ、この電荷増幅器は、運動体の速度及び／又は加速度を示すレート信号を出力するように構成することができるものである。
【００１０】
プルーフ・マスは、駆動面におけるプルーフ・マスの運動を制限するように働く１又は複数のサスペンション・スプリング又は他の曲げ要素を使用して、下にある支持基板に固定することができる。或る実施形態では、駆動システム内の不平衡電流が電荷増幅器の出力へ流れ込むことを阻止するために、サスペンション・スプリングを使用して、プルーフ・マスを支持基板に接地することができる。他の実施形態では、サスペンション・スプリングを使用して、各プルーフ・マスを電荷増幅器の入力へ電気的に接続することもできる。
【００１１】
駆動システム内の不要な運動を減少させるために、直交方向の運動が生じたときに、１又は複数のプルーフ・マスの各々に隣接して配置された１又は複数の直交方向ステアリング電圧部材を選択的に荷電して、プルーフ・マスを検出電極の方向へ静電気的に引き付けることができる。或る実施形態では、例えば、各プルーフ・マスに隣接して配置された単一の直交方向ステアリング電圧部材を使用して、検出電極から離れるプルーフ・マスの直交方向の運動を静電気的に減少させることができる。他の実施形態では、複数の直交方向ステアリング部材を使用して、プルーフ・マスの直交方向の運動を静電気的に減少させることもできる。それぞれの直交方向ステアリング電圧部材へ印加される電圧は、ＤＣ電圧又は時間変化（time-varying、時間で変化する）電圧の何れかを含むことができる。実施形態によっては、例えば、電圧は、プルーフ・マスを駆動するために使用される同じ信号から導出されるＡＣ信号を含むことができるが、その電圧はポテンショメータ又は他の抵抗素子を使用して下げられる。直交方向ステアリング電圧部材へ印加される電圧は、例えば周囲環境内の熱によって生じるリフト効果を低減するために、プルーフ・マスの運動と同相にすることができる。
【００１２】
実施形態によっては、必要な場合には、検出電極とインターデジタル・コム・フィンガとの間の電位差、並びに直交方向ステアリング電圧部材へ印加される直交方向ステアリング電圧によって生じる浮揚を更に使用して、プルーフ・マスの直交方向の運動を減少させることができる。検出システムへの直交方向ステアリング電圧の注入を低減するために、各々の検出電極又はプルーフ・マスへ印加される電圧の極性を、逆にすることもできる。実施形態によっては、駆動システムにおける接触電位や他の不整を補償するために、それぞれの検出電極又はプルーフ・マスへ印加される電圧の大きさを非対称にすることもできる。
【００１３】
実施形態によっては、直交方向ステアリング電圧部材は、支持基板の上方のプルーフ・マスの位置に応じて、可変量の直交方向ステアリングを提供するように構成することができる。或る実施形態では、例えば、１又は複数の直交方向ステアリング電圧部材のそれぞれは、プルーフ・マスが中心から離れて移動するにつれてより大きな量の静電気力を提供するように構成された幾つかの内部へ突き出たフィンガを備えることができる。他の例示的実施形態では、１又は複数の直交方向ステアリング電圧部材のそれぞれは、プルーフ・マスが中心から離れて移動するにつれて静電気力を変化させるために、検出電極の切り欠き部分に配置された内部へ突き出たフィンガを備えることもできる。
【００１４】
さらなる他の例示的実施形態では、検出電極の一端又は両端に隣接して配置された一連の直交方向ステアリング電圧部材は、直交方向ステアリング電圧部材の幾つかへ様々な直交方向ステアリング電圧を提供することによって、或いは作動サイクルの間の様々な時点で直交方向ステアリング電圧部材のそれぞれを選択的に作動させることによって、プルーフ・マスが中心から離れて移動するにつれてより大きい又はより小さい量の静電気力を提供するように構成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下の説明は図面を参照しながら読むことが望ましい。図面においては、異なる図面に示された同一の要素には、同一の番号が振られている。図面は必ずしも一定の縮尺では描かれていない。また、図面は、選択された実施形態を描いたものであり、本発明の範囲を制限することを意図したものではない。様々な要素に対して構造、寸法、及び材料の例が示されているが、当業者には、示された例の多くが、使用可能な適切な代替案を有していることを理解されよう。
【００１６】
次に、図１を参照しながら、従来技術による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は、例示として振動型のレート・ジャイロスコープであり、下にある支持基板１６の上方で、慣性運動が測定されるジャイロスコープの入力軸１８に直交する駆動面で前後に振動するように各々が構成された、第１のプルーフ・マス１２と第２のプルーフ・マス１４とを備える。全体的に右／左組の矢印２０で示されるように、第１のプルーフ・マス１２は、支持基板１６の上方で、第１のモータ・ピックオフ・コム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・コム２２と第１の駆動電極２４との双方とも、第１のプルーフ・マス１２の移動を制限するように支持基板１６の上方で静止している。第２のプルーフ・マス１４は、同様に支持基板１６の上方で、第２のモータ・ピックオフ・コム２６と第２の駆動電極２８との間で前後に振動するが、全体的に左／右組の矢印３０で示されるように、その振動は第１のプルーフ・マス１２とは１８０度位相がずれるように構成することができる。
【００１７】
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、及び第２の側部３８を有する薄いプレート又は他の適切な構造体を備えることができる。第１のプルーフ・マス１２の各端部３２、３４からは、右／左組の矢印２０によって示される方向に第１のプルーフ・マス１２を静電気的に駆動するために使用される幾つかのコム・フィンガ４０、４２が、外側へと延び出ている。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の端部３２から外側へ延びた第１の組のコム・フィンガ４０は、第１の駆動電極２４に形成された対応する１組のコム駆動フィンガ４４とインターデジタル構成となるようにされる。第１のプルーフ・マス１２の第２の端部３４から外側に延びた第２の組のコム・フィンガ４２は、第１のモータ・ピックオフ・コム２２に形成された対応する１組のコム・フィンガ４６とインターデジタル構成となるようにされる。
【００１８】
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、第１の端部４８、第２の端部５０、第１の側部５２、及び第２の側部５４を有するように構成することができる。第２のプルーフ・マス１６の第１の端部４８から外側へ延びた第１の組のコム・フィンガ５６は、第２のモータ・ピックオフ・コム２６に形成された対応する１組のコム・フィンガ５８とインターデジタル構成となるようにされる。第２のプルーフ・マス１４の第２の端部５０から外側へ延びた第２の組のコム・フィンガ６０は、第２の駆動電極２８に形成された対応する１組のコム・フィンガ６２とインターデジタル構成となるようにすることができる。
【００１９】
第１及び第２のプルーフ・マス１２、１４は、１又は複数のサスペンション・スプリングを使用して、下にある支持構造体１６の上方で１又は複数の方向において制限を課すことができる。図１に示されるように、例えば、第１のプルーフ・マス１２は、第１の組の４つのサスペンション・スプリング６４を使用して、支持基板１６に固定又は結合することができる。第１の組の４つのサスペンション・スプリング６４は、各端部６６で第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。同様にして、第２のプルーフ・マス１４は、第２の組の４つのスプリング６８を使用して下にある支持基板１６に固定することができる。第２の組の４つのスプリング６８は、各端部７０で第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。使用に際して、第１及び第２のプルーフ・マス１２、１４の振動的な運動を右／左組の矢印２０、３０によって全体的に示される方向に分離させるようにサスペンション・スプリング６４、６８を構成して、入力軸１８の方向の不要な垂直運動を低減し、また、検出運動７２方向の直交方向運動を低減することができる。サスペンション・スプリング６４、６８は、プルーフ・マス１２、１４を支持基板１６の上方に支持することに加えて、それぞれの作動サイクルの間の駆動電圧信号がゼロ・ポイントを通過するときに復元力を提供するように構成することもできる。
【００２０】
駆動電圧ＶＤを第１及び第２の駆動電極２４、２８へ印加して、インターデジタルのコム・フィンガ間に静電気力を発生させ、それによってコム・フィンガを静電気的に互いに運動させることができる。駆動電圧ＶＤは、時間変化電圧信号を出力してコム・フィンガへ提供される電荷を交番させ、サスペンション・スプリング６４、６８と共に、第１及び第２のプルーフ・マス１２、１４を、支持基板１６の上方で、特定の様式で前後に振動させるように構成することができる。典型的に、駆動電圧ＶＤは第１及び第２のプルーフ・マス１２、１４の共振周波数に相当する周波数を有するが、必要な場合には、他の所望の駆動周波数を使用することもできる。
【００２１】
入力軸１８についてのジャイロスコープの移動の結果としての、検出運動方向７２における第１及び第２のプルーフ・マス１２、１４の面外偏差を検出および測定するために、検出システムの一部として１対の検出電極７４、７６を提供することができる。図１に破線で示されているように、検出電極７４、７６は、薄い長方形の電極プレートを含むことができる。このプレートは、プルーフ・マス１２、１４の下側に配置され、各検出電極７４、７６の上面がそれぞれのプルーフ・マス１２、１４の下面と垂直に隣接し且つ平行に配置されるように配向される。検出電極７４、７６は、駆動電圧源ＶＤが検出信号へ漏れるのを防止するために、周囲のコム・フィンガ４０、４２、５６、６０との電気的な干渉を最小にするようなサイズおよび形状に構成することができる。
【００２２】
それぞれの検出電極７４、７６へ印加される検出バイアス電圧ＶＳは、第１及び第２のプルーフ・マス１２、１４へ、それぞれの検出電極７４、７６とプルーフ・マス１２、１４との間の静電容量（キャパシタンス）に比例する電荷を誘導するために使用することができる。検出電極７４、７６は、第１及び第２のプルーフ・マス１２、１４を形成するために使用される材料（例えば、シリコン・ドープされた導体）と電気的に伝導するシリコンなど適切な材料から形成することができ、検出バイアス電圧ＶＳに関して検出電極７４、７６に生成された電荷をプルーフ・マス１２、１４へ送ることができるようにする。
【００２３】
動作の間に、入力軸１８についてのジャイロスコープ１０の回転運動から生じたコリオリの力は、検出電極７４、７６に関して、第１及び第２プルーフ・マス１２、１４を面外へと移動させる。このことが生じると、検出電極７４、７６とプルーフ・マス１２、１４とのそれぞれの間の間隔の変化は、検出電極７４、７６とプルーフ・マス１２、１４との間の静電容量の変化をもたらす。この静電容量は、下記の式を用いて、プルーフ・マス１２、１４上の電荷として測定することができる。
【００２４】
ｑ＝ε０ＡＶＳ／Ｄ
【００２５】
上記の式において、Ａは検出電極とプルーフ・マスとのオーバラップする領域、ＶＳは検出電極へ印加される検出バイアス電圧、ε０は誘電定数、Ｄは検出電極７４、７６とそれぞれのプルーフ・マス１２、１４との間の距離、即ち、間隔である。次に、プルーフ・マス１２、１４で受け取った、結果として生じた電荷は、様々なサスペンション・スプリング６４、６８を介して幾つかのリード７８へ供給される。次いで、リード７８は、電荷増幅器８０へ電気的に接続することができ、電荷増幅器８０は、第１及び第２のプルーフ・マス１２、１４から受け取った電荷信号又は電流を、コリオリの力を示す対応するレート信号８２へと変換する。
【００２６】
電荷増幅器８０への入力をゼロ又はほぼゼロにバランスをとるのに役立つように、第１のプルーフ・マス１２へ印加される検出バイアス電圧ＶＳは、第２のプルーフ・マス１４へ印加される検出バイアス電圧ＶＳの極性と逆の極性を有することができる。或る設計では、例えば、＋５Ｖと−５Ｖの検出バイアス電圧ＶＳをそれぞれ検出電極７４、７６へ印加して、不平衡な電流が電荷増幅器８０の出力ノード８４へ流れ込むのを防止することができる。プルーフ・マス１２、１４に誘起される電荷を仮想接地に維持するために、必要な場合には、電荷増幅器８０の入力ノード８８と出力ノード８６との間に比較的大きい値の抵抗器８６を接続することができる。
【００２７】
駆動電圧源ＶＤによって引き起こされたプルーフ・マス１２、１４の変位を検出及び／又は測定するために、モータ・バイアス電圧ＶＤＣを、第１及び第２のモータ・ピックオフ・コム２２、２６に供給することができる。第１及び第２のモータ・ピックオフ・コム２２、２６上のコム・フィンガ４６、５８に対する、第１及び第２のプルーフ・マス１２、１４上のコム・フィンガ４２、５６の運動によって生ずるモータ・ピックオフ電圧ＶＰＩＣＫは、第１及び第２のプルーフ・マス１２、１４の運動を検出するために使用することができる。
【００２８】
ジャイロスコープ１０の作動中に、駆動システムやサスペンション・システムの不完全性により、第１及び第２のプルーフ・マス１２、１４に、直交方向の運動、即ち面外でありモータの運動と同相の運動が生ずる可能性がある。このような直交方向の運動は、例えば、第１及び第２のプルーフ・マス１２、１４を静電気的に駆動するために使用されるコム・フィンガのプロフィールの不均一性から、また、プルーフ・マス１２、１４の移動を支持基板１６の上方で制約するために使用されるサスペンション・スプリングが理想的なものではないことから、生じ得る。また、ジャイロスコープ１４の製造の間に生じた他の不完全性も、プルーフ・マス１２、１４の直交方向の運動を生じさせて、検出システムの感度に影響を与えることがある。場合によっては、不要な直交方向信号が所望のレート信号よりも大きくなり、結果としてジャイロスコープの運動の小さな変化を正確に検出し測定する検出システムの機能を低下させる場合がある。
【００２９】
場合によっては、ジャイロスコープの周囲環境の温度の変動もまた、レートを正確に検出するジャイロスコープの機能に影響を与える可能性がある。駆動電圧ＶＤ信号の振幅、駆動電極２４、２８とプルーフ・マス１２、１４との間の駆動静電容量、モータ・ピックオフ・コム２２、２６とプルーフ・マス１２、１４との間のモータ・ピックオフ静電容量の不整合や、モータ・ピックオフ・コム２２、２６へ印加されるモータ・ピックオフ・バイアス電圧ＶＤＣ信号の電気的特性の不整合などもまた、正確に速度を検出するジャイロスコープの機能に影響を与える場合がある。典型的に、プルーフ・マス１２、１４の温度に起因する直交方向の運動は、プルーフ・マス１２、１４の駆動運動と同相であり、検出運動とは位相がずれている。
【００３０】
この直交方向運動の影響を低減するために、多くの従来技術によるジャイロスコープは、コム駆動フィンガへ印加されるモータ・バイアス電圧ＶＤＣを変化させることによってや、所望されるレート信号から不要な直交方向信号を除去するフィルタ技術を使用することによって、不要な直交方向信号を補償しようと試みる。或る従来技術設計では、例えば、周波数変換回路を使用して所定の周波数の駆動信号成分を抑制して、駆動信号と検出信号とを従来のフィルタ技術を使用して分離することができるようにする。直交方向信号に関する補償を行うために、複雑な誤差修正方法を使用する他の技術も使用されており、それは駆動及び検出電子回路のコストと複雑さを増大する結果となっている。このような技術を使用することで直交方向信号をレート信号から分離することはできるが、このような技術は駆動システムの根本的な直交方向の運動は除去しない。従って、多くのジャイロスコープ装置は、運動の小さな変化を検出及び／又は測定するその機能が制限される。
【００３１】
次に、図２を参照しながら、直交方向ステアリング電圧を使用して直交方向の運動を減少させる、本発明の例示的実施形態によるＭＥＭＳ型ジャイロスコープ９０の概略図について説明する。ジャイロスコープ９０は、図１に関して説明したものと同様に構成することができ、それぞれの図面において、同じエレメントには同じの番号が付されている。しかし、図２の例示的実施形態では、ジャイロスコープ９０は、駆動システムの直交方向の運動を静電気的に補償するために使用できる１又は複数の直交方向ステアリング電圧（ＱＳＶ）部材を更に備え、それによって、検出システムへの直交方向信号の流入を防止することができる。
【００３２】
直交方向ステアリング電圧部材は、第１及び第２のプルーフ・マス１２、１４の一方又は両方の端部及び／又は側部に隣接して配置することができる。図２の例示的実施形態では、例えば、第１のプルーフ・マス１２の第２の端部３４に隣接して配置された第１の直交方向ステアリング電圧部材９２は、検出運動方向７２（即ち、駆動平面に直交する方向）における第１のプルーフ・マス１２の直交方向の運動を減少させるように構成することができる。同様に、第２のプルーフ・マス１４の第１の端部４８に隣接して配置された第２の直交方向ステアリング電圧部材９４もまた、検出運動方向７２における第２のプルーフ・マス１４の直交方向の運動を減少させるように構成することができる。
【００３３】
図２の破線で示されるように、それぞれの直交方向ステアリング電圧部材９２、９４は、第１及び第２のモータ・ピックオフ・コム２２、２６に対する第１及び第２のプルーフ・マス１２、１４の運動を検出するために使用されるコム・フィンガの下側に配置された薄い長方形の電極プレートを備えることができる。検出電極７４、７６と同様に、直交方向ステアリング電圧部材９２、９４は、それぞれの直交方向ステアリング電圧部材９２、９４の上面がコム・フィンガの下面と垂直方向に隣接して平行に配置されるように、配向することができる。
【００３４】
図２から更に分かるように、各直交方向ステアリング電圧部材９２、９４へ直交方向ステアリング電圧ＶＱＳＶを印加することができる。直交方向ステアリング電圧ＶＱＳＶが検出信号へ注入されるのを防止するのに役立つように、各直交方向ステアリング電圧部材９２、９４へ印加される直交方向ステアリング電圧ＶＱＳＶの極性を逆にして、電荷増幅器８０の入力ノード８８での正味の直交方向ステアリング電圧ＶＱＳＶを打ち消すことができる。それぞれの直交方向ステアリング電圧部材９２、９４へ印加される直交方向ステアリング電圧ＶＱＳＶは、同じ大きさで互いに逆極性の電圧でも良いし、或いは、必要な場合には、各プルーフ・マス１２、１４へ異なる直交方向ステアリング電圧を印加できるように、大きさと極性の両方が異なっていても良い。
【００３５】
図３は、単一の直交方向ステアリング電圧部材を使用しての、駆動システムにおける直交方向の運動を減少させる例示的方法９６を示す概略図である。図３に示されるように、図２に関して上述したのと同様のジャイロスコープは、下にある検出電極１００の上方で前後に振動するように構成されたプルーフ・マス９８を備えることができる。理想的には、プルーフ・マス９８は、検出電極１００と実質的に平行に振動して、振動するプルーフ・マス９８と検出電極１００との間の公称距離Ｄが、運動体によって作用されるコリオリの力の変化のみに応答して変化するようにする。しかし、参照番号１０２によって全体的に示されるように、駆動システムの不完全性によっても、振動するプルーフ・マス９８が検出電極１００から離れる方向へ移動することがあり得る。検出信号はプルーフ・マス９８と検出電極１００との間の距離Ｄに依存するので、プルーフ・マス９８の運動の直交方向の運動１０２から生ずる距離Ｄの変化は検出信号へ注入され、コリオリの力の僅かな変化を正確に検出するジャイロスコープの機能を低下させる結果となる。
【００３６】
この直交方向の運動を打ち消すために、直交方向ステアリング電圧部材１０４は、検出電極１００の横方向に隣接して平行に配置することができる。例示の実施形態では、駆動システムで直交方向の運動１０２が検出されたときに、直交方向ステアリング電圧部材１０４を使用してプルーフ・マス９８を下方に検出電極１００の方へ静電的に引き付けることができる。図３に示されるように、例えば、プルーフ・マス９８の初期（即ち、左）位置から中央位置への動きは、駆動軸に直交する方向へのプルーフ・マス９８の不要な直交方向の運動を生じる。この運動を打ち消すために、第１の直交方向ステアリング電圧を直交方向ステアリング電圧部材１０４へ印加して、プルーフ・マス９８と直交方向ステアリング電圧部材１０４との間に、矢印Ｆ１によって全体的に示される静電引力を誘起することができる。作動サイクルの間にプルーフ・マス９８が更に第２（即ち、右）の位置へ移動すると、プルーフ・マスと直交方向ステアリング電圧部材１０４との間のオーバラップの増加によって、より大きい矢印Ｆ２によって全体的に示されるように、静電引力を増大させることができる。
【００３７】
プルーフ・マス９８の直交方向の運動１０２を有効にうち消すために、直交方向ステアリング電圧部材１０４へ印加される直交方向ステアリング電圧は、直交方向の運動１０２によって生じた距離Ｄの変化だけを打ち消すのに十分な大きさにする必要がある。実施形態によっては、例えば、直交方向ステアリング電圧部材１０４によって生成される静電引力をプルーフ・マス９８の直交方向運動の力に等しいか又はほぼ等しくして、検出電極１００によって測定されるコリオリの力の成分だけを検出することを可能にする。用途によっては、このようにして直交方向の運動１０２を打ち消すことが望ましいが、他の所望の様式で直交方向の運動１０２を補償するように直交方向ステアリング電圧部材１０４を構成することができることも理解されたい。
【００３８】
図４は、複数の直交方向ステアリング電圧部材を使用して駆動システムにおける直交方向の運動を減少させる、本発明の他の例示的実施形態によるＭＥＭＳ型ジャイロスコープ１０６の概略図である。ジャイロスコープ１０６は、例示として振動型レート・ジャイロスコープであり、第１のプルーフ・マス１０８と第２のプルーフ・マス１１０を備え、これらの各々は、全体的に右／左組の矢印１１４、１１６によって示されるように、下にある支持基板１１２の上方で互いに反対方向に前後に振動するように構成されている。
【００３９】
第１のプルーフ・マス１０８は、第１の端部１１８、第２の端部１２０、第１の側部１２２、及び第２の側部１２４を有する薄いプレート又は他の適切な構造体を備えることができる。第１のプルーフ・マス１０８の各端部１１８、１２０からは、幾つかのコム・フィンガ１２６、１２８が外側に延びており、これらのコム・フィンガを使用して、右／左組の矢印１１４によって示される方向に第１のプルーフ・マス１０８を静電気的に駆動することができる。図４に示された例示のジャイロスコープ１０６では、例えば、第１のプルーフ・マス１０８の第１の端部１１８から外側に延びた第１の組のコム・フィンガ１２６は、第１の駆動電極１３２に形成された対応する１組のコム・フィンガ１３０とインターデジタル構成とされる。第１のプルーフ・マス１０８の第２の端部１２０から外側に延びたコム・フィンガ１２８は、第１のモータ・ピックオフ・コム１３６に形成された対応する１組のコム・フィンガ１３４とインターデジタル構成とされる。
【００４０】
第２のプルーフ・マス１１０は、第１のプルーフ・マス１０８と同様に構成することができ、第１の端部１４０、第２の端部１４２、第１の側部１４４、及び第２の側部１４６を有する。第２のプルーフ・マス１１０の第１の端部１４０から外側に延びた第１の組のコム・フィンガ１４８は、第２のモータ・ピックオフ・コム１５２に形成された対応する１組のコム・フィンガ１５０とインターデジタル構成となるようにされる。第２のプルーフ・マス１１０の第２の端部１４２から外側に延びた第２の組のコム・フィンガ１５４は、第２の駆動電極１５８に形成された対応する１組のコム・フィンガ１５６とインターデジタル構成となるようにされる。
【００４１】
第１及び第２のプルーフ・マス１０８、１１０は、図１に関して説明した構造と同様の構造で、幾つかのサスペンション・スプリング１６０、１６２又は他の撓みエレメントを使用して、支持基板１１２の上方で、１又は複数の方向における制限を課すことができる。しかし、図４の例示的実施形態では、サスペンション・スプリング１６０、１６２は、幾つかの接地接続部１６４で支持基板１１２に電気的に接地されるが、電荷増幅器１６６には電気的に接続されない。使用に際し、これらの接地接続部１６４は、不平衡電流を検出システムへ漏れさせてレート信号出力１６８に影響を与える可能性がある、駆動システムの振動感度を打ち消すために、役立つ。
【００４２】
駆動電圧ＶＤを第１及び第２の駆動電極１３２、１５８へ印加して、インターデジタル構成のコム・フィンガ間に静電気力を誘起し、それを用いてプルーフ・マス１０８、１１０を静電気的に振動させることができる。本明細書の他の実施形態と同様に、駆動電圧ＶＤは、時間変化電圧信号を出力してコム・フィンガへ供給される電荷を交番させ、それとともにサスペンション・スプリング１６０、１６２を働かせて、第１及び第２のプルーフ・マス１０８、１１０を支持基板１１２の上方で特定の様式で前後に振動させるように構成することができる。
【００４３】
１対の検出電極１７０、１７２は、入力軸についてのジャイロスコープ１０６の動きに応答した第１及び第２のプルーフ・マス１０８、１１０の面外変位を検出および測定するために、提供することができる。図４に破線で示されているように、それぞれの検出電極１７０、１７２は薄い長方形のプレートを含むことができる。そのプレートは、プルーフ・マス１０８、１１０の下側に配置され、それぞれの検出電極１７０、１７２の上面がそれぞれのプルーフ・マス１０８、１１０の下面と垂直方向に隣接して平行に配置されるように配向される。
【００４４】
図１に関して説明したのと同様に、検出バイアス電圧ＶＳは、運動体によって作用されるコリオリの力を示す、検出電極１７０、１７２とプルーフ・マス１０８、１１０との間の静電容量の変動を測定するために使用することができる。図４の例示的実施形態では、検出バイアス電圧ＶＳをそれぞれの検出電極１７０、１７２へ印加して、検出電極１７０、１７２とプルーフ・マス１０８、１１０とのそれぞれの間の静電容量に比例した電荷を、各プルーフ・マス１０８、１１０に誘起させる。図４では、検出バイアス電圧ＶＳは検出電極１７０、１７２へ印加されるように示されているが、検出バイアス電圧ＶＳをプルーフ・マス１０８、１１０へ直接に印加してプルーフ・マス１０８、１１０に電荷を生成し、その電荷を検出電極１７０、１７２を介して移送し、電荷増幅器１６６の入力へ供給することができることも理解されたい。その場合、図４に示されたものとは異なり、電荷増幅器１６６を検出電極１７０、１７２へ結合することができる。
【００４５】
プルーフ・マス１０８、１１０の動きを検出および測定するために、モータ検出バイアス電圧ＶＤＣ信号を第１及び第２のモータ・ピックオフ・コム１３６、１５２の各々へ印加することができる。或る実施形態では、第１及び第２のモータ・ピックオフ・コム１３６、１５２の各々を分割して２つの個別のモータ・ピックオフ・コム１３６ａ、１３６ｂ、１５２ａ、１５２ｂを形成し、その各々を互いに電気的に絶縁することができる。モータ検出バイアス電圧ＶＤＣが検出システムへ注入されるのを防止するために、モータ・ピックオフ・コム半部１３６ａ、１３６ｂ、１５２ａ、１５２ｂのそれぞれへ印加される電圧の極性を、或る所望の様式で逆転又はオフセットさせることができる。図４に示したように、例えば、正のモータ検出バイアス電圧＋ＶＤＣ信号を、分割された上側のモータ・ピックオフ・コム１３６ａへ印加し、負のモータ検出バイアス−ＶＤＣ信号を、分割された下側のモータ・ピックオフ・コム１３６ｂへ印加することができる。このようにして、各モータ・ピックオフ・コム１３６、１５２の極性を逆にすることによって、正味ゼロの電荷をコム・フィンガ１４８に供給して、モータ検出バイアス電圧ＶＤＣ信号が検出システムへ漏れるのを防止することができる。
【００４６】
電荷増幅器１６６への入力をゼロ又はほぼゼロにバランスをとるために、検出電極１７０へ印加される検出バイアス電圧ＶＳは、検出電極１７２へ印加される検出バイアス電圧ＶＳの極性とは逆の極性を有することができる。或る実施形態では、例えば、不平衡電流が電荷増幅器１６６の出力へ流れ込むことを防止するために、＋５Ｖ及び−５Ｖの検出バイアス電圧ＶＳを、それぞれ、検出電極１７０１、７２へ印加することができる。場合によっては、製造プロセスでの不整によって検出電極１０８、１１０の接触電位が変化し、駆動システムにオフセット誤差を生じさせる可能性がある。このような変動を補償するために、必要な場合には、検出バイアス電圧ＶＳの大きさを変化させて（例えば、４．８Ｖや５．２Ｖ）、電荷増幅器１６６の入力での正味検出バイアス電圧ＶＳをゼロにすることができる。
【００４７】
図４で更に分かるように、ジャイロスコープ１０６は、駆動システムにおける直交方向の運動を減少させるように構成される幾つかの直交方向ステアリング電圧部材を更に備えることができる。図４の例示の実施形態では、第１及び第２のプルーフ・マス１０８、１１０の各々は、複数の直交方向ステアリング電圧部材を備えるように示されており、必要な場合には、それらの電圧部材を使用して複数の方向での直交方向の運動を減少させることができる。例えば、第１のプルーフ・マス１０８に関して、第１のプルーフ・マス１０８の第１の端部１１８に横方向に隣接して配置された第１の直交方向ステアリング電圧部材１７４は、第１のプルーフ・マス１０８が作動サイクルの前半に右から左の方向へ移動するときに、第１のプルーフ・マス１０８の直交方向の運動を減少させるように構成することができる。実施形態によっては、第１のプルーフ・マス１１０の第２の端部１２０に横方向に隣接して配置された第２の直交方向ステアリング電圧部材１７６を、第１のプルーフ・マス１０８が作動サイクルの後半に左から右の方向へ移動するときに、第１のプルーフ・マス１０８の直交方向の運動を減少させるように構成することができる。或る場合には、個々の装置で生ずる直交方向の運動に応じて、第１の直交方向ステアリング電圧部材１７４又は第２の直交方向ステアリング電圧部材１７６の何れかが使用され、両方は使用されない。しかし、他の場合には、第１の直交方向ステアリング電圧部材１７４と第２の直交方向ステアリング電圧部材１７６との両方を使用することもできる。第２のプルーフ・マス１１０の端部１４０、１４２に横方向に隣接して配置された同様の直交方向ステアリング電圧部材１７８、１８０の組は、作動サイクルの各段階の間に、第２のプルーフ・マス１１０の直交方向の運動を防止するように構成することができる。
【００４８】
検出信号への直交方向ステアリング電圧ＶＱＳＶの混入を更に減少させるために、直交方向ステアリング電圧部材１７４、１７６、１７８、１８０のそれぞれは、図４で１７４ａ、１７４ｂ、１７６ａ、１７６ｂ、１７８ａ、１７８ｂ、及び１８０ａ、１８０ｂとそれぞれ符号付けされた個々の直交方向ステアリング電圧部材へと分割することができる。モータ・ピックオフ・コム１３６、１５２の場合と同様に、分割された直交方向ステアリング電圧部材１７４ａ、１７４ｂ、１７６ａ、１７６ｂ、１７８ａ、１７８ｂ、１８０ａ、１８０ｂのそれぞれは、互いに電気的に絶縁し、直交方向ステアリング電圧部材のそれぞれの片側にそれぞれ印加される直交方向ステアリング電圧ＶＱＳＶの極性を逆にすることができる。
【００４９】
正味の直交方向ステアリング電圧ＶＱＳＶ信号を更にゼロに近づけるために、プルーフ・マス１０８、１１０のそれぞれの側へ印加される直交方向ステアリング電圧ＶＱＳＶの極性もまた、逆にすることができる。第１のプルーフ・マス１０８に関して、例えば、正の直交方向ステアリング電圧＋ＶＱＳＶを左上の直交方向ステアリング電圧部材１７４ａへ印加することができ、負の直交方向ステアリング電圧−ＶＱＳＶを右上の直交方向ステアリング電圧部材１７６ａへ印加することができる。本明細書の他の実施形態と同様に、直交方向ステアリング電圧部材１７４、１７６、１７８、１８０の各々へ印加される直交方向ステアリング電圧ＶＱＳＶの大きさは、互いに等しくすることも、或る所望の量だけオフセットさせることもできる。
【００５０】
図５は、複数の直交方向ステアリング電圧部材を使用して駆動システムにおける直交方向の運動を減少させる例示的方法１８２を示す概略図である。図５に示されるように、図４に関して説明したのと同様のジャイロスコープは、下にある検出電極１８６の上方で、公称距離Ｄで前後に振動するように構成されたプルーフ・マス１８４を備えることができる。図５に示された特定の図では、プルーフ・マス１８４は、検出電極１８６の上方で、最初（即ち、右の）の位置から中央の位置へ、次いで左の位置へ移動するように示されている。参照番号１８８によって全体的に示されるように、プルーフ・マス１８４の直交方向の運動成分は、プルーフ・マス１８４を検出電極１８６から離れる方向に移動させ、検出信号へ直交方向信号成分をもたらす。
【００５１】
この直交方向の運動１８８を打ち消すために、駆動システムに直交方向の運動１８８が発生したときに、検出電極１８６と横方向に隣接して左側に平行に配置された第１の直交方向ステアリング電圧部材１９０を使用して、プルーフ・マス１８４を下にある検出電極１８６へ向けて下方に静電気的に引き付けることができる。第１の直交方向ステアリング電圧部材１９０へ印加される直交方向ステアリング電圧の大きさは、検出される直交方向運動１８８の量に応じて設定することができる。
【００５２】
矢印ＦＬ１及びＦＬ２によって全体的に示されるように、プルーフ・マス１８４が更に左に移動すると、プルーフ・マス１８４と直交方向ステアリング電圧部材１９０との間のオーバラップが増大することによって、より大きな矢印Ｆ２で全体的に示されるように静電引力を増大させる。実施形態によっては、直交方向ステアリング電圧部材１９０によって生成される静電引力を、プルーフ・マス９８に対する直交方向運動の力に等しいか又はほぼ等しくして、検出電極１８５によって測定されるコリオリの力の成分だけを検出できるようにする必要がある。用途によっては、このようにして直交方向の運動１８８を打ち消すことが望ましいが、直交方向ステアリング電圧部材１９０は、他の所望の様式によって直交方向の運動１８８を補償するように構成することができることも理解されたい。場合によっては、プルーフ・マス１９２が検出電極１８６から離れて右から左へと移動するときの作動サイクルの間の様々な時間に、直交方向ステアリング電圧の大きさを変化させて、直交方向ステアリング電圧部材１９０とプルーフ・マス１８４との間に可変の静電気力を誘起することができる。何れにしても、第１の直交方向ステアリング電圧部材１９０によって生成される静電引力ＦＬ１、ＦＬ２を、プルーフ・マス１８４の直交方向の運動１８０成分によって生じる距離Ｄの変化を打ち消すために十分な大きさとして、運動体によって生じたコリオリの力を検出システムが正確に検出し測定することを可能にすることができる。
【００５３】
図６は、反対方向の直交方向の運動のある場合の図５のシステムを示す他の概略図である。個々の装置の直交方向運動の方向は、駆動システムやサスペンション・システムの不完全性などのような幾つかの要因に依存し得る。図６に示されるように、プルーフ・マス１８４が検出電極１８６の上方で、最初（即ち、左）の位置から中央の位置へ、次いで右の位置へ移動すると、参照番号１９２によって全体的に示された直交方向の運動は、プルーフ・マス１８４を検出電極１８６から離れる方向へと移動させて、検出信号へ直交信号成分をもたらす。
【００５４】
この直交方向の運動１９２を打ち消すために、検出電極１９４と横方向に隣接して右側に平行に配置された第２の直交方向ステアリング電圧部材１９４を使用して、プルーフ・マス１８４を、下にある検出電極１８６に向けて下方へ静電気的に引き付けることができる。左側の直交方向ステアリング電圧部材１９０と同様に、第２の直交方向ステアリング電圧部材１９４によって生成される静電荷の量は、上述のように、検出される直交方向運動の量に基づいて設定することができる。
【００５５】
図７は、複数の直交方向ステアリング電圧部材を使用して駆動システムにおける直交方向の運動を減少させる他の例示的方法１９６を示す概略図である。図７に示されるように、図４に関して説明したジャイロスコープと同様のジャイロスコープは、下にある検出電極２００の上方で、公称距離Ｄで前後に振動するように構成されたプルーフ・マス１９８を備えることができる。図４のコム・フィンガ４０、４２、４４、４６と同様に、プルーフ・マス１９８は、駆動電極（図示せず）に接続された幾つかの駆動コム・フィンガ２０４とインターデジタル構成にされる第１の幾つかのコム・フィンガ２０２と、モータ・ピックオフ・コム（図示せず）に接続された幾つかのコム・フィンガ２０８とインターデジタル構成にされる第２の幾つかのコム・フィンガ２０６とを備えることができる。
【００５６】
図７に示された特定の図では、プルーフ・マス１９８は検出電極２００の上方で、左から右に移動するように示されている。参照番号２１０によって全体的に示されるように、プルーフ・マス１９８の直交方向の運動成分は、プルーフ・マス１９８を検出電極２００から離れる方向に移動させて、検出信号へ直交方向信号成分をもたらし得る。検出電極２００の上方での右から左へのプルーフ・マス１９８の移動によって生じた、類似しているが反対側の位置での直交方向の運動成分は、同様にプルーフ・マス１９８を検出電極２００から離れる方向に移動させて、検出信号へ更に直交方向信号成分をもたらし得る。
【００５７】
直交方向の運動を打ち消すために、駆動システムに直交方向の運動が生じたときに、検出電極２００の横方向に隣接して左側及び右側それぞれに平行に配置された幾つかの直交方向ステアリング電圧部材２１２、２１４を使用して、プルーフ・マス１９８を、下にある検出電極２００に向けて下方へ静電気的に引き付けることができる。実施形態によっては、直交方向ステアリング電圧部材２１２、２１４は、図４に関して説明したものと同様の分割構成を備えることができ、その際、分割された直交方向ステアリング電圧部材のそれぞれは相互に電気的に絶縁され、それぞれの片側にそれぞれ印加される直交方向ステアリング電圧の極性は逆である。
【００５８】
矢印Ｆ１によって全体的に示されるように、プルーフ・マス１９８が検出電極２００の上方で左から右に移動すると、プルーフ・マス１９８と直交方向ステアリング電圧部材２１４との間に静電引力が生じる。図８の第２のビューに更に示されるように、プルーフ・マス１９８が左から右へと更に移動したとき、プルーフ・マス１９８と直交方向ステアリング電圧部材２１４との間のオーバラップは増加して、静電引力Ｆ２を増加させる。このことが生じたとき、プルーフ・マスのコム・フィンガ２０６とモータ・ピックオフ・コムのコム・フィンガ２０８との間のオーバラップ量２１６も増加し、場合によっては、検出電極２００とモータ・ピックオフ・コム・フィンガ２０８との間の電圧が増加する。
【００５９】
或る実施形態では、検出電極２００とモータ・ピックオフ・コム・フィンガ２０８との間の電圧の増加により、プルーフ・マス１９８に対する浮揚力又はリフトＬが生成され、プルーフ・マス１９８を検出電極２００から上方へ離れるように移動させるように構成することがでる。この上方浮揚力を、直交方向ステアリング電圧部材２１４によって生成される下方静電作動力Ｆ１、Ｆ２と共に更に使用して、プルーフ・マス１９８の直交方向の運動によって生じた距離Ｄの変化を打ち消すことによって、検出システムが運動体によって生じたコリオリの力を正確に検出および測定することを可能にすることができる。必要な場合には、作動サイクル中にプルーフ・マス１９８が左から右へと移動するときに、同様の浮揚力をプルーフ・マス１９８に誘起することができる。本明細書の他の実施形態と同様に、直交方向ステアリング電圧部材２１４へ印加される直交方向ステアリング電圧の大きさは、検出される直交方向運動２１０の量に応じて設定することができる。
【００６０】
図９は、本発明の例示的実施形態によるＭＥＭＳ型ジャイロスコープにおける直交方向の運動を減少させる代替のシステム２１８の概略図である。図９に示されるように、システム２１８は、図１に示された構造と同様の構造を有するプルーフ・マス２２０を備え、駆動電極とモータ・ピックオフ・コム（図示せず）との間でプルーフ・マス２２０を前後に静電気的に駆動するために使用することができる第１の組のコム・フィンガ２２２と第２の組のコム・フィンガ２２４とを備える。全体的に破線２２８によって示された形状を有する検出電極２２６は、プルーフ・マス２２０の下側に配置することができ、検出電極２２６の上面がプルーフ・マス２２０の下面と垂直方向に隣接して平行に配置されるように配向することができる。
【００６１】
検出電極２２６と横方向に隣接して平行に配置された１組の直交方向ステアリング電圧部材２３０、２３２は、図５〜６に関して説明したのと同様の様式でプルーフ・マス２２０の任意の直交方向の運動を減少させるように構成することができる。しかし、図９の例示的実施形態では、それぞれの直交方向ステアリング電圧部材２３０、２３２は、幾つかの内側に突き出たフィンガ２３４、２３６を備える。内側に突き出たフィンガ２３４、２３６のそれぞれは非直線的な形状を有することができ、コム・フィンガ２２２、２２４が、内側に突き出たフィンガ２３４、２３６の方へ移動すると、コム駆動フィンガ２２２、２２４と、内側に突き出たフィンガ２３４、２３６と、そして／または検出電極２２６との間のオーバラップ量が非線形的に増加する。このような構成により、プルーフ・マス２２０が支持基板の上方でその中心位置から離れるように駆動されたときに、直交方向ステアリングをより良く制御できる。
【００６２】
図１０は、ＭＥＭＳ型ジャイロスコープにおける直交方向の運動を減少させる他の代替のシステム２３８の概略図である。図１０に示されるように、システム２３８は、図１に示した構造と同様の構造を有するプルーフ・マス２４０を備え、駆動電極とモータ・ピックオフ・コム（図示せず）との間でプルーフ・マス２４０を前後に静電気的に駆動するために使用することができる第１の組のコム・フィンガ２４２と第２の組のコム・フィンガ２４４とを備える。全体的に破線２４８によって示される形状を有する検出電極２４６は、プルーフ・マス２４０の下側に配置することができ、検出電極２４６の上面がプルーフ・マス２４０の下面と垂直方向に隣接して平行に配置されるように配向する。
【００６３】
検出電極２４６の各端部と横方向に隣接して平行になるように配置された１組の直交方向ステアリング電圧部材２５０、２５２は、図９に関して説明したのと同様の様式でプルーフ・マス２４０の任意の直交方向運動を減少させるように構成することができる。しかし、図１０の例示的実施形態では、それぞれの直交方向ステアリング電圧部材２５０、２５２は、検出電極２４６の切り欠き部分２５８、２６０へと延びた、内側に突き出たフィンガ２５４、２５６を備える。使用に際して、内側に突き出たフィンガ２５４、２５６の形状は、プルーフ・マス２４０が支持基板の上方で、その中心位置から遠ざかるように駆動されたときに、プルーフ・マス２４０と検出電極２４６との間に所望の量のオーバラップを生成するように構成することができる。
【００６４】
図１１は、ＭＥＭＳ型ジャイロスコープにおける直交方向運動を減少させる他の代替のシステム２６２の概略図である。図１１に示されるように、システム２６２は、図１に示された構造と同様の構造を有するプルーフ・マス２６４を備え、駆動電極とモータ・ピックオフ・コム（図示せず）との間でプルーフ・マス２６４を前後に静電気的に駆動するために使用することができる第１の組のコム・フィンガ２６６、２６８を備える。全体的に破線２７２によって示された形状を有する検出電極２７０は、プルーフ・マス２６４の下側に配置することができ、検出電極２７０の上面がプルーフ・マス２６４の下面と垂直方向に隣接して平行に配置されるように配向することができる。
【００６５】
検出電極２７０の上方でプルーフ・マス２６４を前後に作動させる間に、直交方向ステアリング電圧部材２７４、２７６の第１及び／又は第２の配列は、直交方向の運動を除去するのに役立つ静電気力を提供することができる。それぞれの直交方向ステアリング電圧部材２７４、２７６は、プルーフ・マスの直交方向の運動を減少させる所望の（恐らくは非線形の）修正力を生成するために、様々な直交方向ステアリング電圧が印加される。場合によっては、直交方向ステアリング電圧部材２７４、２７６は、プルーフ・マス２６４がより多くの個々の直交方向ステアリング電圧部材２７４、２７６の上を移動して行くにつれて、或る場合には段階的な様式で、時間にわたり制御することもできる。このようにして直交方向ステアリング電圧部材２７４、２７６を作動させることによって、作動サイクルの間の様々な段階で、必要に応じて可変量の直交方向ステアリングをプルーフ・マス２６４に適用できる。
【００６６】
図１２は、ＭＥＭＳ型ジャイロスコープにおける直交方向運動を減少させる他の代替のシステム２７８の概略図である。図１２に示されるように、システム２７８は、図１に示された構造と同様の構造を有するプルーフ・マス２８０を備え、駆動電極とモータ・ピックオフ・コム（図示せず）との間でプルーフ・マス２８０を前後に静電気的に駆動するために使用することができる第１の組のコム・フィンガ２８２と第２の組のコム・フィンガ２８４とを備える。全体的に破線２８８によって示される形状を有する検出電極２８６は、プルーフ・マス２８０の下側に配置することができ、検出電極２８６の上面がプルーフ・マス２８０の下面と垂直方向で隣接して平行に配置されるように配向する。
【００６７】
プルーフ・マス２８０が検出電極２８６の上方で前後に振動するときの直交方向の運動を打ち消すために、システム２７８は、幾つかの直交方向ステアリング電極パッド２９０を備えることができ、直交方向ステアリング電極パッド２９０は、検出電極２８６の内部に配置された幾つかの対応する切り欠き２９２の中に形成される。それぞれの電極パッド２９０を直交方向ステアリング電圧ＶＱＳＶに結合する電気リード線２９４を使用して、プルーフ・マス２８０の任意の直交方向運動を静電的に減少させることができる。直交方向ステアリング電圧ＶＱＳＶが検出信号へ注入されるのを防止するために、それぞれの隣接する電極パッド２９０へ印加される直交方向ステアリング電圧ＶＱＳＶの極性を逆にすることができる。
【００６８】
次に、図１３を参照して、ＡＣ直交方向ステアリング電圧を使用して直交方向の運動を減少させる例示的なシステム２９６の概略図について説明する。システム２９６は、図４に関して説明したものと同様に構成することができ、図面では同じエレメントは同様に示されている。しかし、図１３の例示的なシステム２９６では、それぞれの直交方向ステアリング電圧部材１７４、１７６、１７８、１８０に電圧を印加するために使用される直交方向ステアリング電圧源は、駆動電圧源ＶＤ（ｔ）と同相の時間変化（例えば、ＡＣ）電圧ＶＱＳＶ（ｔ）とすることもでき、これは、動作の間に、動作環境内の温度変動に部分的に起因する不要な直交方向運動を減少させることを容易にする。例えば、温度変動により検出軸方向でのプルーフ・マス１０８、１１０の大きな面外移動が生じる可能性がある用途では、ＡＣ直交方向ステアリング電圧ＶＱＳＶ（ｔ）を使用することにより、より少ない電力を使用しながらも、直交方向ステアリング電圧部材１７４、１７６、１７８、１８０とプルーフ・マス１０８、１１０との間により大きな静電気力を生成することができる。これらの増強された静電気力は、プルーフ・マス１０８、１１０の温度に起因する面外運動や、存在し得る他の任意の直交方向運動を克服するのに十分な大きさとすることができる。
【００６９】
直交方向ステアリング電圧ＶＱＳＶ（ｔ）とそれぞれの直交方向ステアリング電圧部材１７４、１７６、１７８、１８０との間に直列に配された可変又は固定値の抵抗器３００、３０２、３０４、３０６は、それぞれの対応する直交方向ステアリング電圧部材１７４、１７６、１７８、１８０へ印加される直交方向ステアリング電圧信号３０８、３１０、３１２、３１４の大きさを調整するために提供することができる。例えば、図１３の例示的実施形態では、それぞれの抵抗器３００、３０２、３０４、３０６はポテンショメータとして示されており、それらは、部分的には直交方向運動の大きさに基づいて直交方向ステアリング電圧部材１７４、１７６、１７８、１８０へ印加される直交方向ステアリング電圧信号３０８、３１０、３１２、３１４の大きさを変化させるために使用することができる。必要な場合には、それぞれの抵抗器３００、３０２、３０４、３０６を選択的に切り替えるために、機械的又は電気的スイッチ３１６、３１８、３２０、３２２を直交方向ステアリング電圧ＶＱＳＶ（ｔ）と直列に設けることもできる。
【００７０】
電荷増幅器１６６の入力ノード８８での正味の直交方向ステアリング電圧ＶＱＳＶ（ｔ）信号をゼロにするために、各プルーフ・マス１０８、１１０へ印加される直交方向ステアリング電圧ＶＱＳＶ（ｔ）の極性を逆にすることができる。図面を見やすくするために図１３には示されていないが、例えば、図４に関して本明細書中で説明したように、それぞれの直交方向ステアリング電圧部材１７４、１７６、１７８、１８０を、互いに電気的に絶縁された個々の直交方向ステアリング電圧部材へと更に分割し、直交方向ステアリング電圧部材のそれぞれの片側部にそれぞれ印加される極性を逆にすることができることも、理解されたい。
【００７１】
図１３の例示的実施形態では、検出バイアス電圧ＶＳは、幾つかのスイッチ３２４、３２６、３２８、３３０を使用して、プルーフ・マス１０８、１１０又は検出電極１７０、１７２の何れかへ印加することができる。第１の組のスイッチ３２４、３２６は、例えば、検出バイアス電圧＋ＶＳ及び−ＶＳを、それぞれ第１及び第２のプルーフ・マス１０８、１１０へ投入するように構成することができる。第２の組のスイッチ３２８、３３０は、検出バイアス電圧＋ＶＳ及び−ＶＳを、それぞれ第１及び第２の検出電極１７０、１７２へ投入するように構成することができる。検出バイアス電圧＋ＶＳ及び−ＶＳが、プルーフ・マス１０８、１１０又は検出電極１７０、１７２の何れかへ印加され、その両方へは印加されないように、第１の組のスイッチ３２４、３２６の位置と第２の組のスイッチ３２８、３３０の位置とを交互に替えることもできる。しかし、他の構成も可能であることを理解されたい。
【００７２】
プルーフ・マス１０８、１１０の運動を制御するために使用されるＡＣ直交方向ステアリング電圧は、本明細書に記載した直交方向ステアリング電圧部材の実施形態の何れにも印加することができる。従って、図１３のＡＣ電圧信号３０８、３１０、３１２、３１４は、実質的に長方形の直交方向ステアリング電圧部材１７４、１７６、１７８、１８０へ結合されるように示されているが、図９〜１２に関して説明したような他の代替構成を実装できることも理解されたい。
【００７３】
図１４は、駆動システム電圧ＶＤ（ｔ）源から導かれたＡＣ電圧を使用して直交方向の運動を減少させる他の代替のシステム３３２を示す概略図である。システム３３２は、上述のシステム２９６と同様に構成することができ、同じエレメントには同じ符号が付けられている。しかし、図１４の例示的実施形態では、それぞれの直交方向ステアリング電圧部材１７４、１７６、１７８、１８０へ印加される直交方向ステアリング電圧信号３３４、３３６、３３８、３４０は、プルーフ・マス１０８、１１０を駆動するために使用される駆動電圧ＶＤ（ｔ）信号の成分を含むことができる。このような構成では、駆動電圧ＶＤ（ｔ）源と直交方向ステアリング電圧部材１７４、１７６、１７８、１８０との間に直列に配された抵抗器３００、３０２、３０４、３０６は、直交方向ステアリング電圧信号３３４、３３６、３３８、３４０の大きさを下げるために使用されて、駆動電圧ＶＤ（ｔ）信号の大きさの何分の一かにする。
【００７４】
それぞれの直交方向ステアリング電圧部材１７４、１７６、１７８、１８０へ印加される時間変化電圧信号３３４、３３６、３３８、３４０は、駆動電圧ＶＤ（ｔ）信号と同相なので、直交方向ステアリング電圧部材１７４、１７６、１７８、１８０とそれぞれのプルーフ・マス１０８、１１０との間に誘起される静電気力は、動作環境内の温度変動から生ずるいかなる直交方向運動とも同相になる。従って、このようにして駆動電圧信号から直交方向ステアリング電圧信号を導出することによって、システム３３２は、温度に起因するプルーフ・マス１０８、１１０のいかなる直交方向の運動も補償することができるようになる。
【００７５】
ここまで本発明の幾つかの実施形態について説明してきたが、当業者ならば、本明細書に添付の特許請求の範囲に含まれる他の実施形態を構成および使用できることを、容易に理解できるであろう。本明細書に包含される本発明の利点の多くについては、これまでの説明の中で述べてきた。この開示が、多くの点で例示に過ぎないことが理解されよう。詳細については、とりわけ部品の形状、サイズ、及び配置に関しては、本発明の範囲を逸脱することなく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、従来技術のＭＥＭＳ型ジャイロスコープの概略図である。
【図２】図２は、直交方向ステアリング電圧を使用して直交方向の運動を減少させる例示的なＭＥＭＳ型ジャイロスコープの概略図である。
【図３】図３は、単一の直交方向ステアリング電圧部材を使用して駆動システムにおける直交方向運動を除去する例示的方法を示す概略図である。
【図４】図４は、複数の直交方向ステアリング電圧部材を使用して駆動システムにおける直交方向運動を減少させるＭＥＭＳ型ジャイロスコープの概略図である。
【図５】図５は、複数の直交方向ステアリング電圧部材を使用して駆動システムにおける直交方向運動を除去する例示的方法を示す概略図である。
【図６】図６は、作動サイクル中の異なる段階における図５の例示的方法を示す別の概略図である。
【図７】図７は、複数の直交方向ステアリング電圧部材を使用して駆動システムにおける直交方向運動を減少させる他の例示的方法を示す概略図である。
【図８】図８は、作動サイクル中の異なる段階における図７の例示的方法を示す別の概略図である。
【図９】図９は、各々に幾つかの内側に突き出たフィンガを備える直交方向ステアリング電圧部材を使用して、駆動システムにおける直交方向運動を減少させる代替のシステムの概略図である。
【図１０】図１０は、各々に単一の内側に突き出たフィンガを備える直交方向ステアリング電圧部材を使用して、駆動システムにおける直交方向運動を減少させる他の代替のシステムの概略図である。
【図１１】図１１は、直交方向ステアリング電圧部材の配列を使用して駆動システムにおける直交方向運動を減少させる他の代替のシステムの概略図である。
【図１２】図１２は、幾つかの直交方向ステアリング電圧電極パッドを使用して駆動システムにおける直交方向運動を減少させる他の代替のシステムの概略図である。
【図１３】図１３は、ＡＣ直交方向ステアリング電圧を使用して直交方向運動を減少させる例示的システムを示す概略図である。
【図１４】図１４は、駆動電圧源から導出されるＡＣ直交方向ステアリング電圧を使用して直交方向運動を減少させる他の代替のシステムを示す概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年7月10日(2007.7.10)
【手続補正１】
【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】
ＭＥＭＳ型ジャイロスコープであって、
時間で変化する駆動電圧源に結合され、支持基板の上方の駆動面で振動するように構成される１又は複数のプルーフ・マスと、
前記１又は複数のプルーフ・マスの各々に隣接して配置される少なくとも１つの検出電極と、
前記１又は複数のプルーフ・マスに結合され、前記１又は複数のプルーフ・マスと対応する検出電極との間に電荷を生成するように構成される検出バイアス電圧源と、
前記１又は複数のプルーフ・マスに作用するコリオリの力を測定し、入力軸についての前記ジャイロスコープの回転レートに対応するレート信号を出力する検出手段と、
前記１又は複数のプルーフ・マスの各々に隣接して配置され、それぞれに或る電圧に電気的に結合される１又は複数の直交方向ステアリング電圧部材と
を備えるＭＥＭＳ型ジャイロスコープ。
【請求項２】
請求項１に記載のＭＥＭＳ型ジャイロスコープであって、前記１又は複数の直交方向ステアリング電圧部材に結合される前記電圧がＤＣ電圧である、ＭＥＭＳ型ジャイロスコープ。
【請求項３】
請求項１に記載のＭＥＭＳ型ジャイロスコープであって、前記１又は複数の直交方向ステアリング電圧部材に結合される前記電圧がＡＣ電圧である、ＭＥＭＳ型ジャイロスコープ。
【請求項４】
請求項３に記載のＭＥＭＳ型ジャイロスコープであって、前記ＡＣ電圧が前記駆動電圧源と同相である、ＭＥＭＳ型ジャイロスコープ。
【請求項５】
請求項４に記載のＭＥＭＳ型ジャイロスコープであって、前記１又は複数の直交方向ステアリング電圧部材に結合される前記電圧が、前記駆動電圧源の成分である、ＭＥＭＳ型ジャイロスコープ。
【請求項６】
請求項５に記載のＭＥＭＳ型ジャイロスコープであって、前記１又は複数の直交方向ステアリング電圧部材へ印加される前記電圧の大きさが、前記駆動電圧源の大きさより小さい、ＭＥＭＳ型ジャイロスコープ。
【請求項７】
請求項５に記載のＭＥＭＳ型ジャイロスコープであって、前記１又は複数の直交方向ステアリング電圧部材へ印加される前記電圧の大きさが、前記駆動電圧源の大きさと実質的に等しい、ＭＥＭＳ型ジャイロスコープ。
【請求項８】
請求項５に記載のＭＥＭＳ型ジャイロスコープであって、前記駆動電圧源とそれぞれの前記直交方向ステアリング電圧部材との間に直列に配置された抵抗素子を更に備える、ＭＥＭＳ型ジャイロスコープ。
【請求項９】
請求項１に記載のＭＥＭＳ型ジャイロスコープであって、前記１又は複数の直交方向ステアリング電圧部材へ印加される前記電圧がゼロにされる、ＭＥＭＳ型ジャイロスコープ。
【請求項１０】
請求項１に記載のＭＥＭＳ型ジャイロスコープであって、前記検出手段が電荷増幅器を含む、ＭＥＭＳ型ジャイロスコープ。
【外国語明細書】
2007304099000001.pdf