(57)【要約】      （修正有）【課題】微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープ用の、起動時間を短縮したモータ駆動ループ回路を提供する。【解決手段】モータ駆動ループ回路５０は、ＭＥＭＳジャイロスコープにおけるループルーフ・マス１４０を駆動するように構成されたモータ１００と、マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２０とを含む。モータ１００は、プルーフ・マス１４０を主要プルーフ・マス・モードで発振させるように構成される。マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２０は、主要プルーフ・マス・モードに等しいモータ共振周波数においてマイナス９０度の位相を与え、モータの起動中に、モータの望ましくない機械モードにおける共振を抑制し、モータの共振周波数において利得を与えるように構成される。【選択図】図１
2016020904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ)ジャイロスコープ（１１）用のモータ駆動ループ回路（５０）（５０）であって、
前記ＭＥＭＳジャイロスコープにおけるプルーフ・マスを駆動するように構成されたモータ（１００）であって、前記プルーフ・マス（１４０）を主要プルーフ・マス・モードにおいて発振させるように構成される、モータ（１００）と、
マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ（１２０）であって、前記主要プルーフ・マス・モードに等しいモータ共振周波数において、マイナス９０度の位相を与え、前記モータ（１００）の起動中に、前記モータ（１００）の望ましくない機械モードにおける共振を抑制し、前記モータ共振周波数において利得を与えるように構成される、マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ（１２０）と、
を含む、モータ駆動ループ回路（５０）。
【請求項２】
請求項１記載のモータ駆動ループ回路（５０）において、前記マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ（１２０）が、
第２抵抗器（Ｒ２）と直列の第１抵抗器（Ｒ１）と、
第２キャパシタ（Ｃ２）と直列の第１キャパシタ（Ｃ１）であって、前記第第１キャパシタが前記第１抵抗器と並列であり、前記第２キャパシタが前記第２抵抗器と並列である、第１キャパシタ（Ｃ１）と、
前記第１抵抗器および前記第２抵抗器の共通ノード（ＣＮ１）を接地に接続する第３キャパシタ（Ｃ３）と、
前記第１キャパシタおよび前記第２キャパシタの共通ノード（ＣＮ２）を接地に接続する第３抵抗器と、
前記第２抵抗器（Ｒ２）および前記第２キャパシタ（Ｃ２）に連通可能に結合された正入力を有し、更に前記増幅器の出力からのフィードバックを入力するように連通可能に結合された負入力を有する増幅器（２０５）と、
を含む、モータ駆動ループ回路（５０）。
【請求項３】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープ（１１）の望ましくない機械モードを抑制する方法であって、
少なくとも１つのピックオフ信号（３０１）を、前記ＭＥＭＳジャイロスコープにおける少なくとも１つのそれぞれのプルーフ・マス（１４０）を駆動するように構成された少なくとも１つのそれぞれのモータ（１００）から、少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ（１２０）に結合するステップと、
前記少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ（１２０）において、前記ＭＥＭＳジャイロスコープの前記望ましくない機械モードを抑制するステップと、
少なくとも１つのそれぞれの主要プルーフ・マス・モードを、前記少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ（１２０）から前記少なくとも１つのそれぞれのモータ（１００）に渡すステップと、
前記ＭＥＭＳジャイロスコープ（１１）において前記少なくとも１つのそれぞれのプルーフ・マス（１４０）を、前記少なくとも１つのそれぞれのモータ（１００）からの前記少なくとも１つのそれぞれの主要プルーフ・マス・モードにおいて駆動するステップと、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
[0001]  高速微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロ・モータ起動時間は、多くの用途にとって肝要である。ＭＥＭＳジャイロ・モータは、プルーフ・マスを駆動するために使用される主要プルーフ・マス・モードと競合する可能性がある、様々な望ましくない機械モードの振動を有する。これらの望ましくない機械モードの振動は、ＭＥＭＳジャイロ・モータの起動時間を遅らせる。ジャイロスコープ用のモータ駆動制御ループは、発振に必要な−９０度移相を与えるフィルタ機能を内蔵する。モータ駆動制御ループにおけるこのフィルタは、競合するモードを抑制するときに重要な役割を果たす。現在のフィルタ・トポロジによって得られる競合モードの抑制は弱く、これらのモードがＭＥＭＳジャイロ・モータの起動を遅らせてしまう。
【発明の概要】
【０００２】
[0002]  本願は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープ用のモータ駆動ループ回路に関する。このモータ駆動ループ回路は、ＭＥＭＳジャイロスコープにおいてプルーフ・マスを駆動するように構成されたモータと、マイナス９０度移相ツインＴ(twin-tee)ノッチ・フィルタとを含む。モータは、主要プルーフ・マス・モードでプルーフ・マスを発振させるように構成される。マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタは、主要プルーフ・マス・モードに等しいモータ共振周波数においてマイナス９０度の位相を与え、モータの起動中にモータの望ましくない機械モードにおいて共振を抑制し、モータの共振周波数において利得が得られるように構成される。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
[0003]  図面は実施形態例を描画するに過ぎず、したがって範囲を限定するように解釈してはならないことを理解した上で、添付図面の使用を通じて、更に具体的かつ詳細に、実施形態例について説明する。
【図１】図１は、本願によるＭＥＭＳジャイロスコープの一部のブロック図である。
【図２】図２は、本願によるＭＥＭＳジャイロスコープのブロック図である。
【図３Ａ】図３Ａは、本願によるＭＥＭＳジャイロスコープにおけるモータ駆動ループ回路用のツインＴ回路の図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、シミュレートした駆動周波数モード、およびモータ駆動ループ回路に付随する２つの望ましくない機械周波数モードと直列にした図３ＡのツインＴフィルタ回路図である。
【図４】図４Ａは、図３ＢのツインＴフィルタ回路図についての位相対周波数のプロットである。図４Ｂは、図３ＢのツインＴフィルタ回路図についての利得対周波数のプロットである。
【図５】図５Ａは、モータ駆動ループ回路における先行技術のフィルタについての位相対周波数のプロットである。図５Ｂは、モータ駆動ループ回路における先行技術のフィルタについての利得対周波数のプロットである。
【図６】図６Ａ〜図６Ｃは、それぞれ、図３Ｂの回路図に示される、第１および第２の望ましくない機械周波数モードおよび駆動周波数モードについての電圧対時間のプロットである。
【図７】図７Ａ〜図７Ｃは、それぞれ、図３Ｂの回路図に示される、第１および第２の望ましくない機械周波数モードおよび駆動周波数モードについての、電圧対時間のプロットであり、先行技術の−９０度移相フィルタが、本願のフィルタと置き換わっている。
【図８】図８は、ＭＥＭＳジャイロ・モータの起動中にモータ駆動ループ回路の望ましくない機械モードを抑制する方法の流れ図である。
【０００４】
[0015]  慣例にしたがって、種々の説明する特徴は、同じ拡縮率で描かれるのではなく、実施形態例に関連する特定の特徴を強調するように描かれる。参照符号は、図面および本文を通じて、同様のエレメントを示す。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
[0016]  以下の詳細な説明では、添付図面を参照する。添付図面は、本明細書の一部を形成し、その中には具体的な代表的実施形態が例示として示される。しかしながら、他の実施形態も利用できること、そして論理的、機械的、および電気的変更が行われてもよいことは理解されてしかるべきである。更に、図面の図および明細書において提示される方法は、個々のステップを実行できる順序を限定するように解釈してはならない。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で捕らえてはならない。
【０００６】
[0017]  以下で説明する実施形態は、ＭＥＭＳジャイロ・モータ・ループにおいて改良されたフィルタを提供する。このループを、本明細書では、「モータ駆動ループ回路」とも呼ぶ。このフィルタは、「ツインＴ」ノッチ・フィルタ(twin-tee notch filter)技術をＭＥＭＳジャイロ・モータ・ループに組み込むことに基づく。本明細書において説明するマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタの実施形態は、以下の有利な特徴をもたらす。１）より広いモータ周波数の範囲に対処するためにモータ発振に必要とされる、以前のフィルタよりも広い周波数範囲にわたって平坦なマイナス９０度（−９０°）移相。２）発振に必要な電圧利得。３）フィルタ設計によって制御される周波数におけるプラス９０度（＋９０°）位相への素早い位相遷移。４）位相遷移周波数を中心とする狭い範囲での強い振幅応答減衰。
【０００７】
[0018]  ＋９０度移相は、ＭＥＭＳジャイロ・モータ・ループにおけるＭＥＭＳジャイロ・モータの起動時間を短縮するために、位相遷移周波数以上において、望ましくない機械周波数モードの強い抑制をもたらす。先行技術のフィルタでは、減衰および移相における比較的漸進的な増大により、弱い抑制しか得られない。
【０００８】
[0019]  「望ましくない機械周波数モード」および「望ましくない機械モード」という用語は、本明細書では相互交換可能に使用されるものとする。「主要プルーフ・マス・モード」および「駆動周波数モード」という用語は、本明細書では相互交換可能に使用されるものとする。
【０００９】
[0020]  位相遷移周波数を中心とする狭い範囲での強い振幅応答減衰は、その特定の周波数において振動モードの強い抑制をもたらす。改良フィルタ回路は、ジャイロ電子回路に対する変更によって実現することができる。この実施形態の一実施態様では、改良フィルタ回路は、ディスクリート・コンポーネントで実現される。この実施形態の他の実施態様では、改良フィルタ回路は、ジャイロ・アナログ特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）に組み込むことによって実現される。
【００１０】
[0021]  図１は、本願によるＭＥＭＳジャイロスコープの一部１０のブロック図である。ＭＥＭＳジャイロスコープの一部１０は、モータ駆動ループ回路５０、ＭＥＭＳプルーフ・マス１４０、および検知電極１４５を含む。この実施形態の一実施態様では、ＭＥＭＳジャイロスコープの一部１０は、ジャイロスコープ１０全体であり、一方向において力を検知するように構成される。モータ駆動ループ回路５０は、ＭＥＭＳジャイロスコープ１１においてＭＥＭＳプルーフ・マス１４０を駆動するために使用することができる。モータ駆動ループ回路５０は、モータ１００、それぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２０、電荷増幅器(charge amplifier)１１０、および駆動増幅器１３０を含む。
【００１１】
[0022]  モータ１００は、ＭＥＭＳジャイロスコープ１１においてプルーフ・マス１４０を駆動する。モータ１００は、プルーフ・マス１４０を主要プルーフ・マス・モードで発振させる。「モータ」および「ＭＥＭＳジャイロ・モータ」という用語は、本明細書では相互交換可能に使用される。本明細書において定めるように、主要プルーフ・マス・モードは、ジャイロスコープにおけるプルーフ・マスの主要発振モードである。
【００１２】
[0023]  モータ駆動ループ回路５０は、発振に対するバークハウゼン判断基準を満たす。具体的には、ループ利得が１に等しく設定され、モータ駆動ループ回路を中心とする移相が３６０度のｎ倍であり、ｎは正の整数である。マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２０は、少なくとも１つの主要プルーフ・マス・モードに、丁度モータ共振周波数上においてマイナス９０度の位相を与え、ＭＥＭＳジャイロ・モータの起動中にＭＥＭＳジャイロスコープの一部１０の機械モードにおける共振を抑制し、モータ共振周波数において利得を与えるように構成される。
【００１３】
[0024]  ピックオフ信号(pickoff signal)３０１が、電荷増幅器１１０にモータ１００から結合される。マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２０は、主要プルーフ・マス・モード（信号３０４として）を駆動増幅器１３０に渡す。駆動増幅器１３０は、主要プルーフ・マス・モード３０５を、マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２０からモータ１００に渡す。モータ１００は、ＭＥＭＳプルーフ・マス１４０の主要発振モードにおいて発振するＭＥＭＳプルーフ・マス１４０を設定するために、信号３０３をＭＥＭＳプルーフ・マス１４０に供給する。
【００１４】
[0025]  図２は、本願によるＭＥＭＳジャイロスコープ１１のブロック図である。ＭＥＭＳジャイロスコープ１１は、第１ＭＥＭＳプルーフ・マス１４１および第１検知電極１４６と関連付けられた第１モータ駆動ループ回路５１と、第２ＭＥＭＳプルーフ・マス１４２および第１検知電極１４７と関連付けられた第２モータ駆動ループ回路５２とを含む。第１ＭＥＭＳプルーフ・マス１４１および第２ＭＥＭＳプルーフ・マス１４２は、２つの直交する力を検知するように配置される。図２に示すように、第１ＭＥＭＳプルーフ・マス１４１は、第２ＭＥＭＳプルーフ・マス１４２に対して垂直である。
【００１５】
[0026]  第１モータ駆動ループ回路５１および第２モータ駆動ループ回路５２は、図１を参照して先に説明したモータ駆動ループ回路５０と、構造および機能が同様である。ＭＥＭＳジャイロスコープ１１は、ここでは、「ＭＥＭＳプルーフ・マス・ジャイロスコープ１１」とも呼ぶ。この実施形態の他の実施態様では、ジャイロスコープは、３つのプルーフ・マスを含み、これらは互いに垂直な３つの力を検知するように配置される。現在入手可能なプルーフ・マスおよび検知電極は、種々の実施形態において構成可能である。本明細書において説明するプルーフ・マス１４１および１４２は、主要プルーフ・マス・モードで発振するように駆動される。これは、プルーフ・マス１４１および１４２ならびに付随する検知電極１４６および１４７の所与の構成のために必要とされるためである。
【００１６】
[0027]  第１モータ駆動ループ回路５１は、第１モータ１０１、第１電荷増幅器１１１、第１マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２１、および第１駆動増幅器１３１を含む。第１モータ１０１は、第１プルーフ・マス１４１を駆動し、第１プルーフ・マス１４１に、第１種プルーフ・マス・モードで発振させる。第１検知電極１４６は、第１プルーフ・マス１４１の位置を検知する。
【００１７】
[0028]  第２モータ駆動ループ回路５２は、第２モータ１０２、第２電荷増幅器１１２、第２マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２２、および第２駆動増幅器１３２を含む。第２モータ１０２は、第２プルーフ・マス１４２を駆動し、第２プルーフ・マス１４２に第２主要プルーフ・マス・モードで発振させる。第２検知電極１４７は、第２プルーフ・マス１４２の位置を検知する。通例、第１プルーフ・マス１４１および第２プルーフ・マス１４２は、同じ主要プルーフ・マス・モードで発振する。この実施形態の一実施態様では、第１プルーフ・マス１４１および第２プルーフ・マス１４２は、互いに位相外れで発振する。
【００１８】
[0029]  図３Ａは、本願によるＭＥＭＳジャイロスコープにおけるモータ駆動ループ回路内のマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２０のツインＴフィルタ回路の図１２５である。「ツインＴフィルタ回路の図１２５」は、ここでは、「ツインＴ回路１２５」とも呼ぶ。ツインＴフィルタ回路の図１２５は、図１に示したモータ駆動ループ回路５０におけるマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２０に適用可能である。また、ツインＴフィルタ回路の図１２５は、図２に示した第１モータ駆動ループ回路５１における第１マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２１にも適用可能である。また、ツインＴフィルタ回路の図１２５は、図２に示した第２モータ駆動ループ回路５２における第２マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２２にも適用可能である。
【００１９】
[0030]  ツインＴ回路１２５は、第２抵抗器Ｒ２と直列の第１抵抗器Ｒ１、第２キャパシタＣ２と直列の第１キャパシタＣ１を含む。第１キャパシタＣ１は、第１抵抗器Ｒ１と並列であり、第２キャパシタＣ２は第２抵抗器Ｒ２と並列である。第３キャパシタＣ３は、第１抵抗器Ｒ１および第２抵抗器Ｒ２の共通ノードＣＮ１を接地に接続し、第３抵抗器Ｒ３は、第１キャパシタＣ１および第２キャパシタＣ２の共通ノードＣＮ２を接地に接続する。増幅器２０５は、第２抵抗器Ｒ２および第２キャパシタＣ２に連通可能に結合された正入力を有する。増幅器２０５は、増幅器２０５の出力からのフィードバックを入力するように連通可能に結合された負入力を有する。フィードバックは、抵抗器Ｒ２７を介して、負入力に供給される。増幅器２０５の負入力は、抵抗器Ｒ２８を介して接地に接続される。
【００２０】
[0031]  第２マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２２も同様に構成される。
【００２１】
[0032]  図３Ｂは、モータ駆動ループ回路５０（図１）に関連する、シミュレートされた駆動周波数モード（例えば、１０ｋＨｚ）および２つのシミュレートされた望ましくない機械周波数モード（例えば、１１ｋＨｚおよび１３ｋＨｚ）と直列にした、図３ＡのツインＴフィルタ回路の図１２５である。駆動周波数モードをシミュレートするように構成された回路は、破線ブロック２１０の内部に示される。第１機械周波数モード（例えば、第１モータ・モード）をシミュレートするように構成された回路は、破線ブロック２１１の内部に示される。第２機械周波数モード（例えば、第２モータ・モード）をシミュレートするように構成された回路は、破線ブロック２１３の内部に示される。モータ駆動ループ回路５０におけるマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２０のツインＴフィルタ回路の図１２５は、破線ブロック１２５の内部に示される。増幅器２０６は、モータ１００に関連する駆動周波数モード１０ｋＨｚならびに２つの機械周波数モード１１ｋＨｚおよび１３ｋＨｚを、ツインＴフィルタ回路の図１２５の入力に結合する。具体的には、増幅器２０６からの出力が、ツインＴフィルタ回路の図１２５における第１抵抗器Ｒ１および第１キャパシタＣ１に接続される。
【００２２】
[0033]  図４Ａ〜図４Ｂおよび図７Ａ〜図７Ｃにおいて以下で示すモデリングは、図３Ｂに示したセクション２０７において生成される。当業者には理解されようが、抑制しようとするモード、およびＭＥＭＳジャイロ・モータを駆動する主要プルーフ・マス・モードは、マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタを形成するコンポーネントの値に依存する。しかしながら、以下の論述は、１１ｋＨｚおよび１３ｋＨｚにおける望ましくない機械周波数モード、ならびに１０ｋＨｚにおける主要プルーフ・マス・モードを目的とする。何故なら、モデリングはこれらの周波数に基づいたからである。
【００２３】
[0034]  第１機械周波数モード１１ｋＨｚおよび第１機械周波数モード１３ｋＨｚは、これらの周波数が素早く抑制されない場合、ＭＥＭＳジャイロ・モータの起動に必要とされる時間を長引かせる。マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２０（図１）は、第１機械周波数モード１１ｋＨｚおよび第２機械周波数モード１３ｋＨｚを素早く抑制し、ＭＥＭＳジャイロ・モータ１００（図１）の起動に必要とされる時間を短縮するように設計される。
【００２４】
[0035]  図４Ａは、図３ＢのツインＴフィルタ回路の図１２５についての移相対周波数のプロット３５５である。図４Ｂは、図３ＢのツインＴフィルタ回路の図１２５についての利得対周波数のプロット３６５である。図３ＡのツインＴフィルタ回路の図１２５は、利得を与えるマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２０のために設計されたものである。図４Ａに示すように、全体的に３５０で表される周波数領域は、６ｋＨｚから１０ｋＨｚを多少超えるまで広がり、位相は−６７．５度から−９０度までである。図４Ａに示すように、１１ｋＨｚの位相遷移周波数において、−９０度から＋９０度への位相遷移点がある。位相遷移点とは、位相が急速に−９０度と＋９０度との間で遷移するところである。位相遷移点を１１ｋＨｚまたはその付近に位置付けることによって、マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタによって、１１ｋＨｚ以上のモードの強い抑制が得られる。つまり、図３のツインＴフィルタ回路の図１２５は、モータ駆動ループ回路５０（図１）において動作し、主要プルーフ・マス・モードが１０ｋＨｚであループルーフ・マス１４０に、１０ｋＨｚの発振を渡し、１１ｋＨｚ以上のモード周波数を抑制するように設計されている。この実施形態の一実施態様では、１１ｋＨｚ以上のモード周波数は、ＭＥＭＳジャイロスコープの機械モードである。３５１と付番された両方向矢印３５１は、ツインＴフィルタ回路の図１２５における抵抗器およびキャパシタの値を調節することによって、約１１ｋＨｚにおける−９０度から＋９０度への位相遷移点を調節できることを示す。マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２０のためのツインＴ回路１２５の設計者は、シミュレーション・ソフトウェアを実装し、モータ１００の起動中にＭＥＭＳジャイロスコープ１１の機械モードを抑制するために、回路１２０における抵抗器および／またはキャパシタの値を調節する。
【００２５】
[0036]  図４Ｂに示すように、３６２において全体的に表される利得ノッチは、１１ｋＨｚにおいて−２０ｄＢ未満の利得となる。具体的には、利得ノッチ３６２は、図４Ｂに示すように、約１１ｋＨｚにおける−９０度から＋９０度への鋭い遷移において最少化される。図４Ｂに示すように、全体的に３６０で表される周波数領域は、６ｋＨｚから１０ｋＨｚを僅かに超えるまで広がり、利得が３０ｄＢから１５ｄＢになるプロット３５５の鋭い位相遷移を異なる周波数にずらすように、ツインＴフィルタ回路の図１２５における抵抗器およびキャパシタの値を調節すると、利得曲線３６５における利得ノッチ３６２も、同じ周波数に一致するようにずらされる（３６１と付番された両方向矢印を参照のこと）。マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２０のためのツインＴ回路１２５の設計者は、シミュレーション・ソフトウェアを実装し、モータ１００の起動中にＭＥＭＳジャイロスコープ１１におけるプルーフ・マス１４０の主要プルーフ・マス・モードの丁度上の周波数に、利得ノッチ３６２を位置付けるために、回路１２０における抵抗器および／またはキャパシタの値を調節する。
【００２６】
[0037]  図５Ａは、モータ駆動ループ回路における従来技術のフィルタについての、位相対周波数のプロット５５である。図５Ｂは、モータ駆動ループ回路における先行技術のフィルタについての、利得対周波数のプロット６５である。図５Ａに示すように、全体的に５０で表される周波数領域は、６ｋＨｚから１０ｋＨｚを僅かに超えるまで広がり、位相は約−２０度から−６７．５度までである。望ましい−９０度から＋９０度への位相遷移点は、１０ｋＨｚの主要プルーフ・マス・モード付近ではなく、実際には１０ｋＨｚを遙かに超える。同様に、図５Ｂに示すように、モータ駆動ループ回路５０におけるプルーフ・マス１４０の主要プルーフ・マス・モードの丁度上の周波数には、利得ノッチは位置付けられていない。図５Ｂに示すように、全体的に６０で表される周波数領域は、６ｋＨｚから僅かに１０ｋＨｚを超えるまで広がり、殆ど平坦であり、利得は約２１ｄＢである。このように、ＭＥＭＳジャイロスコープにおけるジャイロ・モータ用の先行技術のフィルタは、ＭＥＭＳジャイロ・モータの起動中に望ましくない周波数モードを抑制することができない。
【００２７】
[0038]  図６Ａ〜図６Ｃは、図３Ｂの回路図に示した、１１ｋＨｚおよび１３ｋＨｚにおける２つの望ましくない機械周波数モード、ならびに１０ｋＨｚにおける駆動周波数モードについての電圧対時間のプロット３７０、３７１、および３７２である。図７Ａ〜図７Ｃは、図３Ｂの回路図にそれぞれ示した、第１および第２の望ましくない機械周波数モードならびに駆動周波数モードについての、電圧対時間のプロット３８０、３８１、および３８２である。ここでは、先行技術の−９０度移相フィルタが本発明のフィルタと置き換わっている。
【００２８】
[0039]  図６Ａに示すように、１３ｋＨｚの機械周波数モードは、マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２０によって、約０．１秒で減衰される。図７Ａに示すように、先行技術のフィルタは、１３ｋＨｚの機械周波数モードを同じ程度に減衰させるには、約１秒を要する。実際、先行技術のフィルタは、望ましくない１３ｋＨｚの機械周波数モードを減衰する前に、１３ｋＨｚの機械周波数モードを約０．１秒において増幅する。
【００２９】
[0040]  図６Ｂに示すように、マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２０は、１１ｋＨｚの機械周波数モードを±０．１ボルトに減衰させるのに約０．４秒を要する。マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２０は、１１ｋＨｚの機械周波数モードを本質的に排除するのに０．８秒を要する。図７Ｂに示すように、１秒後、先行技術のフィルタは、１１ｋＨｚ機械周波数モードを±０．２ボルトに減衰させるに過ぎない。実際、先行技術のフィルタは、１１ｋＨｚの機械周波数モードを減衰させる前に、望ましくない１１ｋＨｚ機械周波数モードを０．１５秒において増幅する。
【００３０】
[0041]  図６Ｃおよび図７Ｃの比較は、マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２０の１０ｋＨｚにおける望ましい主要プルーフ・マス・モードの振幅が、ＭＥＭＳジャイロ・モータ１００の起動後は、先行技術のフィルタのそれを常時上回っていることを示す。例えば、０．１秒において、マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２０は、１０ｋＨｚにおいて±２ボルトの振幅を与えるが、先行技術のフィルタは１０ｋＨｚにおいて±１．５ボルトの振幅を与える（尚、図６Ｃは、＋５ボルトから−５ボルトの垂直範囲を有し、一方図７Ｃは＋４Ｖから−４ボルトの垂直範囲を有することを注記しておく）。
【００３１】
[0042]  図８は、図１または図２のジャイロスコープ１０の一部またはジャイロスコープ１１において、それぞれ、ＭＥＭＳジャイロ・モータ１００（図１）の起動中にモータ駆動ループ回路５０の望ましくない機械モードを抑制する方法８００の流れ図である。図２のジャイロスコープ１１については、方法８００は、直交する力を検知する第１プルーフ・マス１４１および第２プルーフ・マス１４２に適用可能である。
【００３２】
[0043]  ブロック８０２において、ＭＥＭＳジャイロスコープ１１における少なくとも１つのそれぞれのプルーフ・マス１４０を駆動するように構成された少なくとも１つのそれぞれのモータ１００から、少なくとも１つのピックオフ信号３０１を、少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２０に結合する。
【００３３】
[0044]  図２に示したＭＥＭＳジャイロスコープ１１では、第１ピックオフ信号３０１を第１電荷増幅器１１１に結合する。第１増幅器１１１は、第１ピックオフ信号３０１を増幅する。第１電荷増幅器１１１は、第１モータ１０１からの第１ピックオフ信号３０１を入力し、第１プルーフ・マス１４１の位置を表す信号３０２を第１マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２１に出力する。このように、第１ピックオフ信号３０１は、第１プルーフ・マス１４１を駆動するように構成された第１モータ１０１から、第１マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２１に結合される。
【００３４】
[0045]  第２ピックオフ信号３１１を第２電荷増幅器１１２に結合する。第２電荷増幅器１１２は、第２ピックオフ信号３１１を増幅する。第２電荷増幅器１１２は、第２モータ１０２からの第２ピックオフ信号３１１を入力し、第２プルーフ・マス１４２の位置を表す信号３１２を第２マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２２に出力する。このように、第２ピックオフ信号３１１は、第２プルーフ・マス１４２を駆動するように構成された第２モータ１０２から、第２マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２２に結合される。
【００３５】
[0046]  ブロック８０４において、少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２０において、ＭＥＭＳジャイロスコープ１１の望ましくない機械モードを抑制する。この実施形態の一実施態様では、ＭＥＭＳジャイロスコープ１１の望ましくない機械モードを抑制するために、少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２０の位相遷移点に対する周波数を調節する。この実施形態の他の実施態様では、ＭＥＭＳジャイロ・モータ１００の望ましくない機械モードを抑制するために、少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２０の利得ノッチに対する周波数を調節する。この実施形態の更に他の実施態様では、少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２０の位相遷移点に対する周波数および利得ノッチに対する周波数の双方を調節する。この実施形態の更に他の実施態様では、モータ・ドライブ・ループ回路を較正しつつ、可変抵抗器を制御して、少なくとも１つの主要プルーフ・マス・モードに等しいモータ共振周波数においてマイナス９０度の位相を与えつつ、モータの起動中にモータの望ましくない機械モードにおける共振を抑制する。この実施形態の更に他の実施態様では、モータ駆動ループ回路を較正しつつキャパシタの値を調節して、少なくとも１つの主要プルーフ・マス・モードに等しいモータの共振周波数においてマイナス９０度の位相を与えつつ、モータの起動中にモータの望ましくない機械モードにおける共振を抑制する。
【００３６】
[0047]  図２に示したＭＥＭＳジャイロスコープ１１では、ＭＥＭＳジャイロスコープ１１の望ましくない機械モードを、第１マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２１において抑制し、ＭＥＭＳジャイロスコープ１１の望ましくない機械モードを、第２のマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２２において抑制する。
【００３７】
[0048]  ブロック８０６において、少なくとも１つのそれぞれの主要プルーフ・マス・モードを、少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２０から、少なくとも１つのそれぞれのモータ１００に渡す。次いで、少なくとも１つのそれぞれの主要プルーフ・マス・モードにおいて、少なくとも１つのそれぞれのモータ１００によって、ＭＥＭＳジャイロスコープ１１における少なくとも１つのそれぞれのプルーフ・マス１４０を駆動し、それぞれの少なくとも１つの検知電極１４５がそれぞれのプルーフ・マス１４０の位置を検知する。
【００３８】
[0049]  図２に示したＭＥＭＳジャイロスコープ１１では、第１プルーフ・マス１４１の第１主要プルーフ・マス・モードを、第１マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２１から第１駆動増幅器１３１に渡す。利得を１の値に維持して、第１主要プルーフ・マス・モードを第１駆動増幅器１３１から第１モータ１０１に渡す。このように、第１主要プルーフ・マス・モードを第１マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２１から第１モータ１０１に渡す。第１モータ１０１は、第１プルーフ・マス１４１を駆動し、第１主要プルーフ・マス・モードで第１プルーフ・マス１４１を発振させる。第１検知電極１４６は、第１プルーフ・マス１４１の位置を検知する。
【００３９】
[0050]  図２に示したＭＥＭＳジャイロスコープ１１では、第２主要プルーフ・マス・モードを、第２マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２２から第２駆動増幅器１３２に渡す。利得を１の値に維持して、第２種プルーフ・マス・モードを、第２駆動増幅器１３１から第２モータ１０２に渡す。このように、第２主要プルーフ・マス・モードを、第２マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタ１２２から第２モータ１０２に渡す。第２モータ１０２は、第２プルーフ・マス１４２を駆動して、第２主要プルーフ・マス・モードにおいて第２プルーフ・マス１４２を発振させるように構成される。第２検知電極１４７は、第２プルーフ・マス１４２の位置を検出する。この実施形態の一実施態様では、第２主要プルーフ・マス・モードは第１プルーフ・マス・モードと同じである。この実施形態の他の実施態様では、第１主要プルーフ・マス・モードおよび第２主要プルーフ・マス・モードは、１０ｋＨｚに等しい。
【００４０】
[0051]  実施形態例
[0052]  例１は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ)ジャイロスコープ用のモータ駆動ループ回路を含む。このモータ駆動ループ回路は、ＭＥＭＳジャイロスコープにおけるプルーフ・マスを駆動するように構成されたモータであって、プルーフ・マスを主要プルーフ・マス・モードにおいて発振させるように構成される、モータと、マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタであって、主要プルーフ・マス・モードに等しいモータ共振周波数において、マイナス９０度の位相を与え、モータの起動中に、モータの望ましくない機械モードにおける共振を抑制し、モータ共振周波数において利得を与えるように構成される、マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタとを含む。
【００４１】
[0053]  例２は、例１のモータ駆動ループ回路を含み、マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタが、第２抵抗器と直列の第１抵抗器と、第２キャパシタと直列の第１キャパシタであって、第キャパシタが第１抵抗器と並列であり、第２キャパシタが第２抵抗器と並列である、第１キャパシタと、第１抵抗器および第２抵抗器の共通ノードを接地に接続する第３キャパシタと、第１キャパシタおよび第２キャパシタの共通ノードを接地に接続する第３抵抗器とを含む。
【００４２】
[0054]  例３は、例２のモータ駆動ループ回路を含み、マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタが、更に、第２抵抗器および第２キャパシタに連通可能に結合された正入力を有し、モータ駆動ループ回路は、更に、増幅器の出力からのフィードバックを入力するように連通可能に結合された負入力を有する増幅器を含む。
【００４３】
[0055]  例４は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープの望ましくない機械モードを抑制する方法を含む。この方法は、少なくとも１つのピックオフ信号を、ＭＥＭＳジャイロスコープにおける少なくとも１つのそれぞれのプルーフ・マスを駆動するように構成された少なくとも１つのそれぞれのモータから、少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタに結合するステップと、少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタにおいて、ＭＥＭＳジャイロスコープの望ましくない機械モードを抑制するステップと、少なくとも１つのそれぞれの主要プルーフ・マス・モードを、少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタから少なくとも１つのそれぞれのモータに渡すステップとを含む。
【００４４】
[0056]  例５は、例４の方法を含み、更に、ＭＥＭＳジャイロスコープにおける少なくとも１つのそれぞれのプルーフ・マスを、少なくとも１つのそれぞれのモータから少なくとも１つのそれぞれの主要プルーフ・マス・モードで駆動するステップを含む。
【００４５】
[0057]  例６は、例４、５のいずれかの方法を含み、少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタにおいて、ＭＥＭＳジャイロスコープの望ましくない機械モードを抑制するステップが、ＭＥＭＳジャイロスコープの望ましくない機械モードを抑制するために、少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタの位相遷移点に対する周波数を調節するステップを含む。
【００４６】
[0058]  例７は、例６の方法を含み、少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタにおいて、ＭＥＭＳジャイロスコープの望ましくない機械モードを抑制するステップが、更に、ＭＥＭＳジャイロスコープの望ましくない機械モードを抑制するために、少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタの利得ノッチに対する周波数を調節するステップを含む。
【００４７】
[0059]  例８は、例４〜７のいずれかの方法を含み、少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタにおいて、ＭＥＭＳジャイロスコープの望ましくない機械モードを抑制するステップが、更に、ＭＥＭＳジャイロスコープの望ましくない機械モードを抑制するために、少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタの利得ノッチに対する周波数を調節するステップを含む。
【００４８】
[0060]  例９は、例４〜８のいずれかの方法を含み、少なくとも１つのピックオフ信号を、少なくとも１つのそれぞれのモータから、少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタに結合するステップが、ＭＥＭＳジャイロスコープにおける第１プルーフ・マスを駆動するように構成された第１モータから第１マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタに第１ピックオフ信号を結合するステップを含み、少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタにおいて、ＭＥＭＳジャイロスコープの望ましくない機械モードを抑制するステップが、第１マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタにおいてＭＥＭＳジャイロスコープの望ましくない機械モードを抑制するステップを含み、少なくとも１つのそれぞれの主要プルーフ・マス・モードを、少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタから少なくとも１つのそれぞれのモータに渡すステップが、第１主要プルーフ・マス・モードを第１マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタから第１モータに渡すステップを含む。
【００４９】
[0061]  例１０は、例９の方法を含み、第１モータから第１マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタに第１ピックオフ信号を結合するステップが、第１ピックオフ信号を第１電荷増幅器に結合するステップと、増幅した第１ピックオフ信号を、第１電荷増幅器から第１マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタに結合するステップとを含み、第１主要プルーフ・マス・モードを第１マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタから第１モータに渡すステップが、第１主要プルーフ・マス・モードを第１マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタから第１駆動増幅器に渡すステップと、第１主要プルーフ・マス・モードを第１駆動増幅器から第１モータに渡すステップとを含む。
【００５０】
[0062]  例１１は、例９〜１０のいずれかの方法を含み、更に、直交する力を検知するように第１プルーフ・マスおよび第２プルーフ・マスを配置するステップを含み、少なくとも１つのピックオフ信号を、少なくとも１つのそれぞれのモータから、少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタに結合するステップが、第２ピックオフ信号を、ＭＥＭＳジャイロスコープにおける第２プルーフ・マスを駆動するように構成された第２モータから第２マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタに結合するステップを含み、少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタにおいて、ＭＥＭＳジャイロスコープの望ましくない機械モードを抑制するステップが、第２マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタにおいてＭＥＭＳジャイロスコープの望ましくない機械モードを抑制するステップを含み、少なくとも１つのそれぞれの主要プルーフ・マス・モードを、少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタから少なくとも１つのそれぞれのモータに渡すステップが、第２主要プルーフ・マス・モードを第２マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタから第２モータに渡すステップを含む。
【００５１】
[0063]  例１２は、例１１の方法を含み、第２ピックオフ信号を、第２モータから第２マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタに結合するステップが、第２ピックオフ信号を第２電荷増幅器に結合するステップと、増幅された第２ピックオフ信号を第２電荷増幅器から第２マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタに結合するステップとを含み、第２主要プルーフ・マス・モードを第２マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタから第２モータに渡すステップが、第２主要プルーフ・マス・モードを第２マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタから第２駆動増幅器に渡すステップと、第２主要プルーフ・マス・モードを第２駆動増幅器から第２モータに渡すステップとを含む。
【００５２】
[0064]  例１３は、例４〜１２のいずれかの方法を含み、少なくとも１つのピックオフ信号を、構成された少なくとも１つのそれぞれのモータから、少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタに結合するステップが、少なくとも１つのピックオフ信号を少なくとも１つのそれぞれの電荷増幅器に結合するステップと、増幅された少なくとも１つのピックオフ信号を、電荷増幅器から少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタに結合するステップとを含み、少なくとも１つのそれぞれの主要プルーフ・マス・モードを、少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタから少なくとも１つのそれぞれのモータに渡すステップが、少なくとも１つのそれぞれの主要プルーフ・マス・モードを少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタから少なくとも１つのそれぞれの駆動増幅器に渡すステップと、少なくとも１つのそれぞれの主要プルーフ・マス・モードを少なくとも１つのそれぞれの駆動増幅器から少なくとも１つのそれぞれのモータに渡すステップとを含む。
【００５３】
[0065]  例１４は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープの望ましくない機械モードをＭＥＭＳジャイロスコープの起動中に抑制するように構成された微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープを含む。このジャイロスコープは、少なくとも１つのプルーフ・マスと、少なくとも１つのそれぞれのモータ駆動ループ回路とを含む。少なくとも１つのモータ駆動ループ回路は、ＭＥＭＳジャイロスコープにおける少なくとも１つのそれぞれのプルーフ・マスを駆動するように構成された少なくとも１つのモータであって、少なくとも１つのそれぞれのプルーフ・マスを少なくとも１つの主要プルーフ・マス・モードにおいて発振させるように構成される、少なくとも１つのモータと、少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタであって、少なくとも１つの主要プルーフ・マス・モードに等しいモータ共振周波数において、マイナス９０度の位相を与え、少なくとも１つのモータの起動中に、少なくとも１つのモータの望ましくない機械モードにおける共振を抑制し、モータ共振周波数において利得を与えるように構成される、少なくとも１つのそれぞれのマイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタとを含む。
【００５４】
[0066]  例１５は、例１４のジャイロスコープを含み、少なくとも１つのプルーフ・マスが、第１プルーフ・マスと第２プルーフ・マスとを含み、少なくとも１つのそれぞれのモータ駆動ループ回路が、第１モータ駆動ループ回路と第２モータ駆動ループ回路とを含む。
【００５５】
[0067]  例１６は、例１５のジャイロスコープを含み、第１モータ駆動ループ回路が、
第１プルーフ・マスを駆動し、主要プルーフ・マス・モードにおいて第１プルーフ・マスを発振させるように構成された第１モータと、第１マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタであって、第１プルーフ・マスの第１主要プルーフ・マス・モードに等しいモータ共振周波数において、マイナス９０度の位相を与え、ＭＥＭＳジャイロスコープの望ましくない機械モードにおける共振を抑制し、第１プルーフ・マスの第１主要プルーフ・マス・モードに利得を与えるように構成される、第１マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタとを含む。
【００５６】
[0068]  例１７は、例１６のジャイロスコープを含み、第１マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタが、第２抵抗器と直列の第１抵抗器と、第２キャパシタと直列の第１キャパシタであって、第キャパシタが第１抵抗器と並列であり、第２キャパシタが第２抵抗器と並列である、第１キャパシタと、第１抵抗器および第２抵抗器の共通ノードを接地に接続する第３キャパシタと、第１キャパシタおよび第２キャパシタの共通ノードを接地に接続する第３抵抗器とを含む。
【００５７】
[0069]  例１８は、例１７のジャイロスコープを含み、第１マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタが、更に、第２抵抗器および第２キャパシタに連通可能に結合された正入力を有し、更に増幅器の出力からのフィードバックを入力するように連通可能に結合された負入力を有する増幅器を含む。
【００５８】
[0070]  例１９は、例１８のジャイロスコープを含み、第２マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタが、第５抵抗器と直列の第４抵抗器と、第５キャパシタと直列の第４キャパシタであって、第４キャパシタが第４抵抗器と並列であり、第５キャパシタが第５抵抗器と並列である、第４キャパシタと、第４抵抗器および第５抵抗器の共通ノードを接地に接続する第６キャパシタと、第４キャパシタおよび第５キャパシタの共通ノードを接地に接続する第６抵抗器とを含む。
【００５９】
[0071]  例２０は、例１９のジャイロスコープを含み、増幅器が第１増幅器であり、第２マイナス９０度移相ツインＴノッチ・フィルタが第２増幅器を含み、第２増幅器が、第５抵抗器および第５キャパシタに連通可能に結合された正入力を有し、更に第２増幅器の出力からのフィードバックを入力するように連通可能に結合された負入力を有する。
【００６０】
[0072]  以上、本明細書では具体的な実施形態について例示し説明したが、同じ目的を達成すると考えられる構成であればいずれも、示した具体的な実施形態と置き換えてもよいことは当業者には認められよう。したがって、本発明は、特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定されることを意図するのは明白である。
【図１】
2016020904.tif 000003
【図２】
2016020904.tif 000004
【図３Ａ】
2016020904.tif 000005
【図３Ｂ】
2016020904.tif 000006
【図４】
2016020904.tif 000007
【図５】
2016020904.tif 000008
【図６】
2016020904.tif 000009
【図７】
2016020904.tif 000010
【図８】
2016020904.tif 000011
【外国語明細書】
2016020904000001.pdf