(57)【要約】  少なくとも１つの軸周りの角運動を測定するように構成される装置であって、構造体と、振動源と、振動検出器とを備え、前記構造体は、非線形に結合された２つの異なる振動モードを備え、前記２つ異なる振動モードは、検出モード周波数ｆ＿ｓｅｎｓｅを有する検出モードと、駆動モード周波数ｆ＿ｄｒｉｖｅを有する駆動モードであり、前記振動源は、前記駆動モードで質量体が振動するように構成され、前記振動検出器は、前記検出モードの振動を検出するように構成される、装置が提供される。
2018517898.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの軸周りの角運動を測定するように構成される装置であって、
構造体と、振動源と、振動検出器とを備え、
前記構造体は、非線形に結合された２つの異なる振動モードを備え、
前記２つ異なる振動モードは、検出モード周波数ｆ＿ｓｅｎｓｅを有する検出モードと、駆動モード周波数ｆ＿ｄｒｉｖｅを有する駆動モードであり、
前記振動源は、前記駆動モードで質量体が振動するように構成され、
前記振動検出器は、前記検出モードの振動を検出するように構成される、
装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、
前記２つの異なる振動モードが、２次の非線形性を有する、
装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置において、
前記２つの異なる振動モードが３次の非線形性を有する、
装置、
【請求項４】
請求項１に記載の装置において、
前記ｆ＿ｓｅｎｓｅは、前記ｆ＿ｄｒｉｖｅの半分の値である、
装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置において、
前記ｆ＿ｓｅｎｓｅは、前記ｆ＿ｄｒｉｖｅの２倍の値である、
装置。
【請求項６】
請求項１に記載の装置において、
前記周波数のうちの少なくとも１つは、機械的に調整されるか、電子的な閉ループフィードバックによって調整されるか、又はその組み合わせによって調整される、
装置。
【請求項７】
請求項１に記載の装置において、
前記駆動モードには、１つ又は複数の圧電アクチュエータを用いて励起される、
装置。
【請求項８】
請求項１に記載の装置において、
前記検出モードの振動は、１つ又は複数の圧電センサを用いて検出される、
装置。
【請求項９】
請求項１に記載の装置において、
前記検出モードの振動は、１つ又は複数の光学変位センサを用いて検出される、
装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の装置において、
前記検出モードの振動は、１つ又は複数の光学速度センサを用いて検出される、
装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の装置において、
前記駆動モードには、１つ又は複数の静電アクチュエータを用いて励起される、
装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の装置において、
前記検出モードの振動は、１つ又は複数の静電容量式センサを用いて検出される、
装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の装置において、
前記検出モードの振動は、１つ又は複数の圧電抵抗センサを用いて検出される、
装置。
【請求項１４】
請求項１に記載の装置において、
前記駆動モードの発振器は、開ループで動作するように構成される、
装置。
【請求項１５】
請求項１に記載の装置において、
前記駆動モードの発振器は、閉ループで動作するように構成される、
装置。
【請求項１６】
請求項１に記載の装置において、
前記検出モードの発振器は、開ループで動作するように構成されている、
装置。
【請求項１７】
請求項１に記載の装置において、
前記検出モードの発振器は、閉ループで動作するように構成されている、
装置。
【請求項１８】
請求項１に記載の装置において、
前記検出モードの信号は、回転速度を検出するために用いられる、
装置。
【請求項１９】
請求項１に記載の装置において、
前記２つのモード間の非線形性は、フィードバックによって衰退する、
装置。
【請求項２０】
請求項１に記載の装置において、
前記検出信号の相対振幅は、フィルタを用いて駆動周波数に比して増幅される、
装置。
【請求項２１】
請求項１に記載の装置において、
非線形フィードバックを用いて当該装置の帯域幅を増加させるように構成される、
装置。
【請求項２２】
請求項１に記載の装置において、
非線形フィードバックを用いて前記検出モードの平坦領域の形状を強調するように構成される、
装置。
【請求項２３】
請求項１に記載の装置において、
非線形フィードバックを用いて当該装置の品質係数を増加させるように構成される、
装置。
【請求項２４】
請求項１に記載の装置において、
第１及び第２ビーム媒体と、検定質量体とを備え、
前記第１ビーム媒体は、両側をクランプされ、
前記第２ビーム媒体は、
その一端が、前記第１ビーム媒体の中心と接続され、
その他端が、自由であり、
前記検定質量体は、
前記第２ビーム媒体の自由端でのチューニング、及び前記第１及び第２ビーム媒体の接続点でのチューニングのために使用される、
装置。
【請求項２５】
請求項１に記載の装置において、
質量体は、フレームを備え、
前記フレームは、その隅を固定され、
検定質量体は、前記フレームの何れかの側でのチューニングのために使用され、
１つ又は複数の接続が前記フレームの１つ又は複数の側面に含まれる、
装置。
【請求項２６】
請求項１に記載の装置において、
中心を固定されたフレームを備え、
検定質量体は、前記フレームの何れかの側にチューニングするために使用され、
１つ又は複数の接続が前記フレームの１つ又は複数の側面に含まれる、
装置。
【請求項２７】
ジャイロスコープであって、
軸を中心とした回転速度を検出するように構成された請求項１〜請求項２６の何れか１つに記載の装置を備える、
ジャイロスコープ。
【請求項２８】
請求項２６に記載のジャイロスコープにおいて、
前記駆動モードの固有共振周波数の付近の前記検出モードの周波数応答に平坦領域が現れる、
ジャイロスコープ。
【請求項２９】
請求項２６に記載のジャイロスコープにおいて、
前記駆動モードの固有共振周波数の付近の前記検出モードの周波数振幅プロットに平坦領域が現れる、
ジャイロスコープ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願の相互参照＞
本出願は、２０１５年５月８日に出願された米国特許第６２／１５９０５４号による利益を主張し、その開示を全て、参照として本明細書に組み入れる。
【背景技術】
【０００２】
内部共振（ＩＲ）を介した、振動の直接励起モードと間接励起モードとの間のエネルギー伝達が、非線形モード相互作用の結果としてなされる。システムの線形固有周波数が比例又はほぼ比例し且つ、非線形項が構造的なモードに結合している場合、内部共振が存在する。例えば、２自由度（ＤＯＦ）システムでは、線形固有周波数をω＿１とω＿２と定義すると、ω＿１≒２ω＿２又はω＿２≒２ω＿１のときに２次非線形性によって内部共振が生じる。内部共振は、システムに存在する非線形性の結果として生じ、モード間のエネルギー伝達に由来する。伝達されるエネルギー量は、非線形性のタイプ（すなわち、運動方程式を示す２次又は３次の非線形項）によって決まる。非線形の２次結合項は、より高い固有周波数モードによって、低い固有周波数モードの自動パラメトリック励起を引き起こす。内部共振は、幾何的構造と非線形項に依存し、任意の物理系で発生する可能性がある。
【０００３】
内部共振の固有特性を利用した１つの応用領域は、慣性測定である。現在、慣性センサの開発努力として、マイクロマシンジャイロスコープの精度及び精度の改善に向けられていて、これは最も重要で精密な要求の厳しい用途（例えば、軍事、戦術／慣性航法、及び宇宙応用）に使用されうる。
【０００４】
従来のジャイロスコープは、動作の信号振幅（品質係数Ｑ）と帯域幅（ＢＷ）との間に常にトレードオフがある線形領域で動作する。典型的には、高感度を達成するために駆動検出の共振周波数を一致させるように設計及びチューニングされ、装置自体は、応答曲線のピーク又はその近くで動作するように制御される。このようなモードの整合要件を必要とするシステムは、製造上の不完全性及び動作条件によるパラメータ変動に敏感である。内部共振は、動作条件及び製造上の不完全性におけるパラメータ変動に対するジャイロスコープの性能を改善することや、その頑強性を強化するために利用されうる。
【０００５】
応答のゲインを更に向上させ、周波数帯域幅を広くするために、非線形結合項の特性の検討が有用である。例えば、２次及び３次の非線形項をシステムにフィードバックすることで、応答の平坦領域形状も改善されてより広い帯域幅を生成することができる。
【０００６】
制御ベースの解決策の一例として、Ｂｒａｎｄ等は、振動の周波数が入力回転速度によって変化する周波数変調に基づくジャイロスコープを開示している。Ｓｏｎｍｅｚｏｇｌ等は、複雑な電子回路を利用して、従来の振幅変調モード整合ジャイロスコープの帯域幅及び感度を向上させている。
【０００７】
Ａｃａｒ等及びＴｒｕｓｏｖ等は、モードを整合させるという機械的アプローチの例を提示している。当該開示では、帯域幅を広げ、それによってジャイロスコープの頑健性を高めるために、複数の検定質量が導入された。しかしながら、このアプローチは、過度に複雑な機械設計をもたらした。Ｖｙａｓ等は、より高い感度のために内部共振を利用する共振質量センサを開示している。
【０００８】
このように、近年の技術進歩があるものの、現在の応用例を最適化して新しい応用先に拡張するために、振動ジャイロスコープの更なる開発が望まれている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
この概要は、以下の「発明を実施するための形態」で更に説明する概念の選択を簡略化した形で紹介するために提供される。この概要は、特許請求の範囲に記載される特徴を特定することを意図するものではなく、特許請求の範囲を決定する助けとして使用されることも意図していない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、少なくとも１つの軸周りの角運動を測定するように構成される装置であって、構造体と、振動源と、振動検出器とを備え、前記構造体は、非線形に結合された２つの異なる振動モードを備え、前記２つ異なる振動モードは、検出モード周波数ｆ＿ｓｅｎｓｅを有する検出モードと、駆動モード周波数ｆ＿ｄｒｉｖｅを有する駆動モードであり、前記振動源は、前記駆動モードで質量体が振動するように構成され、前記振動検出器は、前記検出モードの振動を検出するように構成される、装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本発明の前述の態様及び付随する多くの利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照することにより、より容易に理解されるであろう。
【００１２】
【図１】本明細書で開示される実施形態に係る、内部共振コリオリ振動ジャイロスコープの原理構造の概略図である。
【図２】本明細書に開示された実施形態に係り、図１に示すような内部共振コリオリ振動ジャイロスコープのマスバネダンパ系モデルの図である。
【図３Ａ】図１に示す構造の概略図であり、第１振動モードを示す。
【図３Ｂ】図１に示す構造の概略図であり、第２振動モードを示す。
【図４】ジャイロスコープ試験のための実験的セットアップを示す概略図である。
【図５】例示的なジャイロスコープの検出モードの応答の実験及びシミュレーション結果を示すグラフであり、２：１内部共振による検出方向の振動エネルギーの上昇を示す。
【図６】デチューンされた内部共振ジャイロスコープ構造の帯域幅及びゲインの増幅を示すグラフである。
【図７Ａ】本明細書に開示される実施形態に係る、内部共振を利用するＭＥＭＳ  Ｔ構造の概略図である。
【図７Ｂ】図７ＡのＭＥＭＳ構造に対する２：１内部共振の検出モードのシミュレーションされた周波数応答を示す図である。
【図７Ｃ】図７ＡのＭＥＭＳ構造に対する２：１内部共振の検出モードの実験的周波数応答を示す。
【図８Ａ】本明細書に開示された実施形態に係る、内部共振を利用するジャイロスコープ構造の概略図である。
【図８Ｂ】時間の関数としての駆動モード及び検出モードのシミュレーションされた応答を示し、これは図８ＡのＭＥＭＳ構造の２：１内部共振による駆動における振動エネルギーの損失及び検出エネルギーの増加を示す。
【図９Ａ】本明細書で開示される実施形態に係る内部共振を利用するジャイロスコープ構造の概略図である。
【図９Ｂ】時間の関数としての駆動モード及び検出モードのシミュレーションされた応答を示し、これは図９ＡのＭＥＭＳ構造に対する２：１内部共振による駆動における振動エネルギーの損失及び検出エネルギーの増加を示す。
【００１３】
【図１０Ａ】図１のように設計された内部共振ベースを利用するジャイロスコープ構造の概略図である
【００１４】
【図１０Ｂ】図１０Ａの２：１内部共振ＭＥＭＳ構造に対する検出モードの実験的周波数応答を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
ある開示された実施形態は、コリオリ振動ジャイロスコープ（ＣＶＧ）のような微細な慣性センサに関し、変調励起振幅及び非線形ダイナミクスに基づいて入力回転速度を測定する。また、更なる開示された実施形態では、帯域幅及び品質係数の向上のための非線形フィードバックに関する。
【００１６】
つまり、開示された実施形態では、慣性センサの設計における内部結合共振システムの非線形動的特性を利用する。代表的な実施形態として、内部共振に基づくサンプルマクロ素子及びマイクロ素子の設計が開示され、本明細書で説明される。一例として、駆動モードの周波数でコリオリの力によって誘導された変位を測定する場合に、大きな振動振幅を得るために、装置の内部共振が使用される。一実施形態では、システムは、１次ビームと、駆動機構と、２次ビームと、検出機構とを含む。内部共振状態を達成するために、駆動モードと検出モードが機械的に結合される。検出モードの周波数応答には２つのピークがあり、駆動モードの固有周波数付近に大きなピークが現れる。この現象によって、より高い帯域幅を提供する駆動モードの周波数において検出ビームの比較的平坦領域を有する応答が生じる。
【００１７】
内部共振現象を使用すれば、駆動モードと検出モードとは、他のほとんどの共振器やコリオリ振動ジャイロスコープで一般的な１：１の比（モード整合要件）である必要がない。その結果、駆動モードの周波数（駆動周波数）と検出モードの周波数（検出周波数）が分離される（例えば、駆動周波数が検出周波数の２倍、すなわち２：１内部共振）。検出された信号は、駆動モードの周波数に近い周波数までフィルタリングされ、検出モードの固有周波数付近のノイズの影響を低減することができる。読み出し回路上の電子ノイズの影響を低減しそれによってセンサの感度を改善することによって、センサの長期安定性という大幅な改善が達成される。感度を高くすると品質が上がって、ノイズの影響が小さくなるので、これは大きな利点といえる。
【００１８】
駆動モードは駆動機構を用いて励起され、検出モードは検出機構を用いて検出される。一実施形態であるマクロスケールの例においては、駆動機構は２つの圧電セラミックパッチ（駆動ビームに取り付けられている）を含み、検出機構は、検出ビームの根元付近に取り付けられた歪みゲージである。別の実施形態であるマイクロスケールの例においては、駆動機構及び検出機構は、静電駆動及び静電容量検出によってそれぞれ提供される。
【００１９】
駆動モードの発振器と検出モードの発振器は、閉ループで動作し、共振周波数間の比率を能動的に監視し維持することができる。駆動モードは閉ループで実行され、これにより発振器の望ましい感度と帯域幅を有するための、システムに非線形性をフィードバックする方法を提供する。
【００２０】
非線形結合マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ）装置を実現する他の実施形態も開示される。あるサンプルの設計では、ＭＥＭＳ装置は静電力を用いて駆動され、検出には静電容量が用いられる。駆動モードの発振器は、信号源を用いて励起される。励起信号の所望の高調波（すなわち、２：１内部共振の第２高調波）が電子的に生成され、検出モードからの信号の復調の基準として使用される。静電的な駆動及び検出の場合、駆動力を線形化するため、又は検出モードの電極変位を直接測定可能にするために、ＤＣ電源がしばしば必要とされる。
【００２１】
駆動モードではあらかじめ設定された振幅で動作させることができ、駆動モードと検出モードの位相差を固定して、システムの適切なリアルタイムチューニングを行うことができる。検出方向の第１固有周波数は、ｙ方向においてｆ＿ｓｅｎｓｅであり、駆動モードの発振器の第１固有周波数は、ｘ方向において（図２に示すように）２ｆ＿ｓｅｎｓｅ＝ｆ＿ｄｒｉｖｅである。
【００２２】
コリオリの力が駆動力に対して１８０度の位相差を有すると仮定すると、制御機構は、位相差を所望値に固定した状態に維持し、共振周波数を調整することができる。フィードバックループは、検出方向における望ましくない影響を抑制し、信号対雑音比を更に増幅するように実施されうる。
【００２３】
更に、非線形フィードバックを利用する場合、応答の感度がより強くなるように、検出モードのゲイン及び帯域幅を操作することができる。非線形項をフィードバックすることによってシステム応答を制御することで、必要な駆動電圧を減少させ、その結果、電気信号の劣化を減少させ、センサ電力消費を改善することができる。
【００２４】
まず、非線形ジャイロスコープシステムの分析と共に、内部共振を有するコリオリ振動ジャイロスコープをモデル化するために使用されうる一般的な数学的モデルを提示する。
【００２５】
＜動作原理＞
最初に説明した装置の動作の詳細な原理について。
開示された実施形態で使用される設計手法は、設計の動きを詳述することによって説明され、その後、理論に基づくいくつかの実施形態が説明される。図１は、本明細書で開示される内部共振型コリオリ振動ジャイロスコープ装置の原理構造の概略図である。図１に示す基本的な装置は、ねじりバネ２８を介して第２質量体１２に結合された第１質量体１０を含む。第１質量体１０は、更に、ねじりバネ１８によって固定端２４に結合されている。図２は、図１の内部共振構造の動的モデルを示す代表的な実施形態の概略図である。例示のモデル１４は、２：１（２対１）内部共振の原理で動作する。
【００２６】
全体を通して、２：１という内部共振の比が議論されているが、これは正確な値からのわずかな偏差を有する場合を含むということに留意されたい。本明細書中で使用される場合、２：１という言葉は、１．９：１〜２．１：１の比を示す。
【００２７】
２：１にどれだけ近いか（例えば２．０００：１にどれくらい近いか）は、減衰比（すなわち、各質量の固有周波数における品質係数（ＱＦ））に依存する。例えば、より高いＱＦ（すなわち、より低い減衰）では、比率は２：１に必然的に近くなる（例えば、２．０１：１）。
【００２８】
実際には、１．９と２．１の間の周波数比を有するシステムは、構造的なモード間でエネルギーの移動を引き起こす可能性があり、その結果、励起振幅によって著しく影響を受ける可能性がある。言い換えれば、２：１からはるかに遠い比率の場合、より大きな強制振幅が必要とされる。現在開示されている装置の１つの独特な特徴として、１．９と２．１との間の比が依然として非線形モード相互作用及びエネルギー遷移をもたらしうるので、正確な２：１比へのチューニングは必要ない。
【００２９】
質量体１０及び１２の質量は、内部共振の２：１という比率を決定する際におけるいくつかの要因のうちの２つの要素である。その他の要素には、長さ、幅、厚さ、材質、バネ定数等がある。基本的には材料の固有振動数に影響するものを使用して比率を調整することができる。
【００３０】
このモデルは、２つの質量体１０及び１２を含む２自由度（ＤＯＦ）マスバネダンパ系である。質量体１０及び１２は、固定慣性基準フレーム（Ｘ、Ｙ、Ｚ）１６に対して駆動揺動方向（Ｘ軸）及び検出振動方向（Ｙ軸）の２つの直交する方向に自由に振動する。質量Ｍ１の質量体１０は、固定端２４から距離２２で対称的に配置され、ねじりバネ１８によって支持される。質量Ｍ２の質量体１２は、質量体１０から距離２６に位置し、１つ又は複数のねじりバネ２８によって質量体１０に結合されている。Ｘ軸に対する質量体１２の角度回転は、角度３４によって導入される。２０及び３０は、それぞれ質量体１０及び１２のねじり減衰を表す。
【００３１】
第１振動モード４０が図３Ａに示され、ここでは質量体１０の変位がゼロであり、質量体１２が駆動軸（すなわちＸ軸）から測定される角度３４だけ回転する。第２振動モード４２が図３Ｂに示されており、質量体１０が駆動軸に沿って垂直に移動する。このモードでは、質量体１２もＺ軸中心の回転３４をせずに移動する。
【００３２】
３次の非線形性により、他の高調波を生成しうる。特殊なケースとして、説明された装置は、２次非線形性を使用して２：１の比で設計されている。駆動モード（２ｆ＿ｓｅｎｓｅ）４２と検出モード（ｆ＿ｓｅｎｓｅ）４０との間の周波数比が２：１であり、且つ運動方程式における非線形結合項があるため、内部共振が生じる。より高い周波数（２ｆ＿ｓｅｎｓｅ）４２で質量体１０を共振させると、駆動が提供され、２次非線形項によって検出モードが結合され、２：１内部共振を介して相互作用する。
【００３３】
＜構造の動き＞
図２に示される２自由度力学系の運動方程式は、ラグランジュ方程式を用いて表される。システムの状態を記述する一般化された座標は、３２及び３４として指定される。速度ベクトル１０及び１２は、次のように定義される。
【数１】
2018517898.tif 000003
【数２】
2018517898.tif 000004
ここで、ｉ＾及びｊ＾はそれぞれＸ及びＹ座標の軸１６の単位ベクトルである。したがって、系の運動エネルギー及びポテンシャルエネルギーが計算され、形態における適切な散逸関数とともにラグランジュ方程式に代入される。
【数３】
2018517898.tif 000005
【００３４】
運動方程式は、以下のように導き出される。
【数４】
2018517898.tif 000006
ここで、Ａは励起振幅、ｆ＿ｒは励起周波数、Ω＿ｒｏｔは構造体に印加される回転速度である。
【００３５】
【数５】
2018517898.tif 000007
上記２つの項は、回転によって誘起されるコリオリの力であり、入力角速度Ω＿ｒｏｔに比例した駆動モードと検出モードとの間の動的結合を引き起こす。上の運動方程式における２次非線形項は、構造の幾何学的形状に対する回転の影響によるものである。内部共振の２つの必要条件、すなわち、振動の２つの第１モードの線形固有周波数が比例し、且つ２次非線形性があるという条件を満たせば、構造的なモード間のエネルギー伝達を高める非線形モード相互作用があることを意味する。
【００３６】
図４に示す実施形態は、２つのビーム（両側がクランプされたビーム（両側クランプビーム）４４と一端がクランプされ且つ他端が自由であるビーム（片側クランプビーム）４６）と、ビーム４４に加えられた質量体６２とを含むＴ字型構造６０である。追加の質量体６２は、２：１の比に向かう更なる調整が装置に必要とされる場合に任意に使用される。主たる質量体と併せて、両方の周波数を制御するために使用しうる。Ｔ字型構造６０は、図１に示された２自由度のマスバネダンパ系１４に近似することができる。ジャイロスコープ構造６０では、両側クランプビーム４４（駆動ビーム）は、駆動方向（Ｘ軸）に沿って自由に振動する（すなわちモーメント及びせん断力はゼロである）。片側クランプビーム４６（検出ビーム）は検出方向（Ｙ軸）に沿って移動することができる。システムの２つのモードは非線形に結合されている。つまり、周波数比が２：１のとき、駆動モードのエネルギーが検出モードに遷移する。
【００３７】
本明細書で使用する「クランプ」という用語は固定端を指し、この場合、偏向及び偏向の分散はゼロであると留意されたい。
【００３８】
動作に係る最初のステップでは、２つの第１振動モードの間に２：１の周波数比を確立する。駆動ビーム４４、検出ビーム４６、及び追加質量体６２の幾何学的仕様は、構造的なモード間の２：１の周波数比を有して決定される。第１及び第２振動モードは、それぞれ図３Ａ及び図３Ｂに示されている。第１モードでは、検出ビーム４６が偏向し、駆動ビーム４４は固定される。第２振動モードは、Ｚ軸を中心とした検出ビーム４６の偏向を伴わずに、駆動方向及び検出ビーム（４４及び４６）の並進運動が駆動方向に現れる。
【００３９】
図３Ａ及び図３Ｂに示すように、装置の駆動機構は、正弦波の外力を提供するものである。一実施形態では、圧電パッチが励起に使用される。再び図４を参照すると、装置の駆動機構は、固定支持部４８に近い駆動ビーム４４の上面及び下面に取り付けられた４つの圧電パッチ５８である。圧電パッチ５８を駆動するのに必要な電圧は、ＡＣ電圧源５６によって供給される。駆動ビーム４４の変位は、追加質量体６２を指し示すレーザ変位センサ５０によって測定される。同様に、検出ビーム４６の偏向は、検出ビーム４６の先端に向けられた別の変位センサ５２を介して得られる。
【００４０】
圧電素子以外の使用可能な他の駆動機構には、電磁シェーカーが含まれる。必要な振動を生成するのであれば、一般的に、あらゆる静電、電磁気、又は熱に係る方法を使用することができる。
【００４１】
駆動ビームの変位を検出するには、任意の既知の又は将来開発される方法を使用して達成することができる。本明細書では、例示的な検出方法としてレーザ変位及び静電容量検出を説明する。追加の方法には、歪みゲージ、電磁センサ、抵抗センサ、及び光センサが含まれうる。
【００４２】
より高いモードの共振周波数（ｆ＿ｒ≒２ｆ＿ｓｅｎｓｅ）４２で内部共振ジャイロスコープ６０を駆動させると、駆動ビーム４４は強制的に共振し、振動エネルギーは２：１内部共振によって検出ビームに伝達される。２次非線形項は、このエネルギー伝達において主要な役割を果たす。検出ビーム４６は、（２ｆ＿ｓｅｎｓｅ）４０の周波数で振動し、定常状態に達するまで成長する。
【００４３】
開示された装置に示される頑健性向上特性は、検出モード応答の周波数掃引によって調査することができる。図５は、構造的な検出モードの応答を駆動周波数の関数として示している。図５で観察されるように、励起振幅を増加させると、検出モードの帯域幅が大きくなる。帯域幅が大きいほど、装置の製造上の不完全性及び動作パラメータの変動に対する感度が低下する。検出応答は、駆動モード及び検出モード周波数のデチューニングの影響を受けにくい。実験の結果とシミュレーションの結果との良好な一致は、運動方程式の妥当性を確認するのに有効であろう。
【００４４】
応答の挙動は、非線形フィードバックシステムを使用して強化されうる。非線形フィードバック項の影響を観測するために、非線形２次項と３次項を励起信号にフィードバックすることができる。運動方程式の既存の非線形項には、一定のゲイン（Ｋ＿ｉ）が割り当てられ、フィードバックの振幅は励起振幅の一部である。
【００４５】
非線形項のフィードバックは、非線形動力学の特性に起因する検出応答の帯域幅を向上させる。非線形ダイナミクスの特性によって、非線形項のフィードバックは、検出応答の帯域幅を向上させる。また、駆動モード及び検出モードの周波数が２：１の比率からデチューンしたときの応答の形状と内部共振も変更される。図６は、デチューニングされたＴ字型構造の応答の帯域幅及びゲインを高めるために、３次項の非線形フィードバックを使用した例を示す。検出ビームの応答の帯域幅は著しく増加するが、応答の形状はより平坦になるという意味で改善されたことが観察される。
【００４６】
開示された装置に使用される特定の周波数に関して、典型的な共振周波数は１０ｋＨｚ〜１０ＭＨｚの範囲にある。この範囲は、典型的には、質量の大きさを制限し、周波数を制限する、ビームサイズ等の製造に関連する実用的な理由によるものである。
【００４７】
図７Ａに示す別の実施形態では、Ｔ字型ＭＥＭＳ装置構造が、マイクロマシニングプロセスを使用して製造される。図７Ａの構造は、６８でクランプされた駆動モード構成要素６４と、検出モード構成要素６６とを含む。駆動モードは、電極７０を用いて静電励起され、一対の検出電極７２は、差動容量検出のために使用される。構造の内部共振挙動の指標として、図７ＡのＭＥＭＳ構造の周波数応答のシミュレーション結果が図７Ｂに示されている。図７Ａに示された構造も製造され、検出モードの周波数応答が図７Ｃに示されている。両方の図は、検出モードのシミュレーション及び実験的応答を示すので、駆動モードから検出モードへのエネルギー遷移が、周波数の２倍の駆動モード励起の帯域幅に対して起こる。
【００４８】
更に別の実施形態は、図８Ａにおいて、別の内部共振設計として提示される。この実施形態では、７６は主たる駆動モード成分であり、検定質量体７８が追加されて、駆動モード及び検出モードの周波数比を２：１に調整する。励起信号は、８４で電極を使用して印加される。検出モード構成要素７４は、８０において両側クランプされ、一対の隣接する電極は８２に配置される。図８Ｂは、このＭＥＭＳ装置のシミュレーション結果を示しており、励起周波数が２ｆ＿ｓｅｎｓｅである場合、駆動ビームの発振器のエネルギーが検出ビームの発振器に伝達される。
【００４９】
装置の更なる別の実施形態を図９Ａに示す。この実施形態では、駆動モード成分は、両端で検出モード構成要素８６に接続された２つのビーム８８と、周波数比を２：１にチューニングさせるための質量体９０とを含む。検出モードの構成要素は９６の中間で支持されている。駆動及び検出モードの構成要素は、それぞれ隣接する電極９２及び９４を有する。
【００５０】
装置の更なる別の実施形態を図１０Ａに示す。この実施形態では、Ｔ字型構造が設計され、つまり駆動モードのビーム１００と検出モードのビーム１０２が接続されているポイント１０４が、検出モードのビーム１０２の残りの部分と比較してより小さい幅を有するように、検出ビームが変形される。駆動ビームに接続された検出ビームが狭くなると、構造上の非線形性を増加させ、結合モード間のエネルギー伝達がよくなる。駆動モード成分は、両端９６でクランプされる。駆動電極１０８及び検出電極１０６は、それぞれ駆動及び検出モード成分に隣接して配置される。
【００５１】
本明細書で開示されるＭＥＭＳ装置の製造に関して、これらのＭＥＭＳ装置は、ＳＯＩＭＵＭＰＳ、ＰｉｅｚｏＭＵＭＰＳ等の様々なシリコンベースのプロセスによって製造することができる。これらのプロセスでは、シリコンは、基本的に装置の本体及び駆動及び検出機構を構成する共通の材料である。関連する典型的な製造プロセスは、シリコン堆積、リソグラフィ、エッチング、及び構造解放である。一般的な製造技術は既知であるが、本明細書で開示される装置は知られていない。
【００５２】
例示的な実施形態を例示し説明してきたが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができることは理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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７Ｃ】
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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１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【国際調査報告】
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