JP2001513885A - 分割電極を有する音叉ジャイロ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ２つの中心電極（９ａ，９ｂ）を有する微小機械式音叉ジャイロスコープである。この２つの中心電極は逆極性のバイアス電位で励起される。逆極性にバイアスされた中心電極は、ジャイロスコープに電気的対称性を与え、これにより電荷遷移と、垂直変換に対する感度とを低減する。基準質量（３ａ，３ｂ）に対し直接注入される電流は、大きさが等しく逆極性であるため、相殺される。基準質量と噛み合った電極とに作用するモータ上昇力は等しく、それ故、基準質量は純粋変換で移動し、これにより同相バイアスが低減される。更に、ジャイロスコープの面に直交する如何なる純粋変換も検知電極出力信号に影響しない。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 分割電極を有する音叉ジャイロ 関連出願との相互参照 適用しない 連邦補助研究または開発に関する表明 適用しない 発明の背景 図１に示されるような微小機械式音叉ジャイロスコープは既知である。この 音叉ジャイロスコープは、ガラス基板の上方に支持たわみ体によって懸架された シリコンの基準質量と、この基準質量を発振させるために使用される櫛形電極と を備える。面からの容量変化を示すことによってコリオリ運動を検出するために 、金属性の検知電極が基準質量の下方のガラス上に配置される。音叉ジャイロス コープはこのように動作するので、より正確にレートを表示する出力を与えるた めに、発振の振幅は所定の定数に保たれることが望ましい。 音叉ジャイロスコープの発振するモータの振幅は、典型的には単一の容量性 面内ピックオフ（「中心電極」）に接続された従来のサーボループによって制御 される。この技術では、モータの位置は、ＤＣ電圧でバイアスされた中心電極上 の電荷の変化を検出することによって、比例する電圧に変換される。結果として 生ずるモータ位置信号は増幅され、全波整流器によって検出される。この整流器 出力はそれから濾過され、そして濾過された電圧は基準電圧と比較され、その差 は誤差電圧を形成する。この誤差電圧はそれから、モータ振幅を所定の定数に調 整するためのループ制御器を使用してモータ駆動振幅を制御するために使用され る。しかしながら、この特別な技術は潜在的な欠点を有する。 従来のサーボループ技術は、中心電極にいくつかの不安定性を有する。ＤＣ バイアスされた中心電極の感度は、中心電極下方のガラス基板上へのスプリアス （擬似）電荷蓄積に起因して時間的に緩やかに変化する。この電荷がガラス上に 蓄積すると、中心電極の感度は修正される。これに応答して、ループ制御器は補 償するための修正した駆動力を必要とする。その結果はモータ振幅の遷移となり 、基板電荷が蓄積するにつれて振幅は時間的に変化する。このことは、システム 内の振幅とコリオリの力との関係によって、そうでない場合に可能なものに比べ て精度を低下させる。 発明の簡単な要約 本発明に係る音叉ジャイロスコープは、複数の中心及び外側電極を備える。 全体の基準質量構造は、一連のビーム及びたわみ体によって接続された２つの独 立した、右及び左の質量を備える。基準質量構造中に注入された電荷は、それに よってコリオリの力が計測されるメカニズムとなる。中心及び外側モータの複数 性は、相対的な基準質量の振幅及び／又は位相の不均一性から生ずる、全体の基 準質量構造中への電荷注入を最小化しながら、基準質量運動の生成と検出を可能 にする。基準質量のそれぞれに分割された中心及び外側モータ電極を与える電極 構成を形成することによって、相対的な振幅又は位相の不一致から生ずる誤差が 排除される。独立した中心及び外側モータ電極の各組に対して、大きさが等しく 逆極性の電位の励起を与えることによって、各質量はそれ自身の運動から生じた 電荷を相殺し、これにより同相バイアス誤差を低減し、またダイナミック・レン ジに関する制限を最小化する。各基準質量は、大きさが等しく逆極性の電位を有 する独立した分割中心電極及び分割外側電極と相互作用するので、振幅の不一致 誤差から全体の基準質量構造中に生じた正味の電荷は、最小化される。 中心電極及び外側電極の双方を分割することは、左右の基準質量間の振幅の 不一致によって基準質量中に注入された電荷に起因した誤差に対するジャイロの 感度を減少させる。電荷注入は、各基準質量が、基準質量運動の静電力および検 出の双方を与えるために使用される励起と相互作用することから生ずる。正味の 電荷注入は、右基準質量と左基準質量から生成された電荷が、等しく逆極性でな い場合に発生する。これは、左右の基準質量の発振変位が振幅及び／又は位相に おいて不一致である場合の現行の条件である。中心及び外側電極を等しく分割し 、且つ逆の大きさの励起を与えることによって、各基準質量はそれ自身の運動に 固有の電荷を相殺し、これにより同相バイアス誤差及びダイナミック・レンジ制 限を低減することができる。 中心電極は基板荷電効果を低減し、また逆極性にバイアスされた等しい数の 中心電極を与えることによって、望ましくないモータ上昇力を低減する。中心電 極は、音叉ジャイロスコープを横断して電気的対称性を与えるように配置される 。この対称性のために、中心電極によって基板中に誘起された電圧は大きさが等 しく逆極性となり、同相での基板荷電効果は低減される。更に、基準質量中に直 接注入された電流は、大きさが等しく逆極性であるため、相殺する傾向にある。 この結果、モータ上昇力は等しくなり、基準質量は純粋変換で移動し、これによ り同相バイアスは低減される。基準質量中に注入された正味の電流は、ジャイロ スコープの出力信号となる。この電流は、アンカーを通して、電荷（電流の積分 ）を出力電圧に変換する伝達インピーダンス増幅器に流入する。この伝達インピ ーダンス増幅器は、基準質量を仮想アースに保つ。電気的対称性を保つことは、 同相運動による、また基板に直交する共通モードの基準質量変換による、さらに は電荷遷移による、誤差信号を大幅に減少させる。検知電極に対する逆極性のバ イアスによって、所望のジャイロスコープ出力は差動垂直変位となる。 図面における複数の図の簡単な説明 本発明は、以下の図面の詳細な説明に照らしてより十分に理解される。図面 において、 図１は、従来の音叉ジャイロスコープの図、 図２は、複数の中心電極を有する音叉ジャイロスコープの図、 図３は、図２の音叉ジャイロスコープの代替構成、 図４及び５は、モータバイアスを印加するための回路を示す、 図６は、複数の外側モータ電極を有する音叉ジャイロスコープの図である。 発明の詳細な説明 微小機械式音叉ジャイロスコープが図２に示されている。この音叉ジャイロ スコープは、第１及び第２の基準質量３ａ，３ｂと、第１及び第２のモータ電極 ５ａ，５ｂと、第１及び第２の検知電極７ａ，７ｂと、第１及び第２の中心電極 ９ａ，９ｂと、基板１１とを備える。中心電極、検知電極およびモータ電極は基 板上に配置されている。基準質量は、たわみ体１３ａ，１３ｂによって支持され て、検知電極の上側に配置されている。このたわみ体は、基板のアンカー点１５ に取り付けられていて、基準質量が検知電極に対して移動することを可能にする 。各基準質量は、その第１及び第２の側面から外側に延びた櫛を有する。中心電 極及びモータ電極もまた櫛を有する。モータ電極５ａの櫛は基準質量３ａの櫛と 噛み合い、中心電極９ａの櫛は基準質量３ａの櫛と噛み合う。中心電極９ｂの櫛 は基準質量３ｂの櫛と噛み合い、モータ電極５ｂの櫛は基準質量３ｂの櫛と噛み 合う。 この音叉ジャイロスコープの動作は電気機械的である。時間的に変化する駆 動信号１７ａ，１７ｂは、モータ電極５ａ，５ｂにそれぞれ供給される。この駆 動信号は、モータ電極５ａ，５ｂおよび基準質量３ａ，３ｂにそれぞれ取り付け られた、噛み合った櫛１９ａ，１９ｂ，２１ａ，２１ｂの間に静電結合を生成し 、そしてモータ駆動軸２３に沿って発振する力を基準質量に与える。この発振す る力は、基準質量を振動の面２５内で発振させる。回転レートのような慣性入力 に応答して、基準質量は振動の面から偏位する。振動の面から外れた偏位の結果 として生ずる、検知電極と隣接する基準質量との間の容量の変化が測定できるよ うに、検知バイアス＋Ｖ_s，−Ｖ_sがそれぞれ検知電極７ａ，７ｂに印加され、検 知電極７ａ，７ｂと基準質量３ａ，３ｂとの間の電位が安定化される。 音叉ジャイロスコープによる慣性入力の測定は、コリオリの力の原則に基づ いている。 ここで、 ｍは質量 である。音叉ジャイロスコープにとって、質量と速度は既知である。それ故、慣 性入力運動は、基準質量と検知電極との間の電荷変化に基づいて測定できる。し かしながら、正確な結果を求めるためには、基準質量速度を一定に保つことが重 要である。 検知電極９ａ，９ｂの少なくとも１つから基準質量速度を測定するために、 そしてそれに応答して駆動信号１７ａ，１７ｂを変化させて速度変化を補償する ために、発振器回路２７が使用される。帰還信号２９ａ，２９ｂを通して基準質 量速度の測定を容易にするために、バイアス電位＋Ｖ_B，−Ｖ_Bがそれぞれ中心電 極９ａ，９ｂに印加される。このバイアス電位＋Ｖ_B，−Ｖ_Bは、抵抗３１ａ，３ １ｂを介して中心電極９ａ，９ｂに結合される。振動の面内の基準質量の変位に よって生じる電荷変化は検出され、そして帰還に使用される。バイアス電位＋Ｖ_B ，−Ｖ_Bは、ＤＣ電圧、ＡＣ電圧またはＡＣ＋ＤＣ組合せ電圧である。更に、こ れらのバイアス信号は大きさが等しく、極性が逆である。モータ・バイアスを印 加するための回路が図４及び５に示されている。図４では、バイアスはＤＣだけ であるが、図５ではＡＣまたはＤＣまたはＡＣ＋ＤＣが好ましい。 基準質量と隣接する中心電極との間の変化する接近は電荷変化をもたらすも のであるが、これは噛み合った櫛の静電結合を通して表示される。基準質量が発 振すると、接近は時間と共に変化する。その結果、噛み合った櫛形電極間の電位 は時間と共に変化する。中心電極からの帰還信号の電位の変化率は、かくして基 準質量速度を表示するものとなる。基準質量速度を一定に保つために、帰還信号 は基準信号と比較され、そして比較結果は駆動信号の調整に使用される。 逆極性でバイアスされた中心電極は、音叉ジャイロスコープの左側および右 側に電気的対称性を与えることによって、望ましくない基板荷電効果を低減する 。対称性は、音叉ジャイロスコープに印加された各バイアスに対して大きさが等 しく極性が逆の他の１つのバイアスが存在する場合に、そしてこのジャイロスコ ープを大きさの等しい電気的特性が逆の２つの領域に等分できる場合に、存在す る。中心電極に印加された逆極性にバイアスされた信号が相殺する傾向にあるの で、対称性は電荷遷移効果と垂直変換に対する感度とを低減する。例えば、バイ アス電位によってジャイロスコープ基板に誘導される電圧は、同相バイアスでの 基板荷電効果が低減されるように、大きさが等しく極性が逆である。更に、基準 質量と噛み合った櫛形電極とに作用するモータ上昇力は等しく、それ故に基準質 量は純粋変換で移動し、かくして同相バイアスは低減される。対称性のもう１つ の利点は、ジャイロスコープの面に直交する純粋変換が検知軸出力を生じないこ とである。かくして、検知電極出力は実際の慣性モーメントを反映するだけであ る。基準質量中に注入された正味の電流は、ジャイロスコープの出力信号となる 。この電流は、アンカーを通して、電荷（電流の積分）を出力電圧に変換する伝 達インピーダンス増幅器に流入する。この伝達インピーダンス増幅器は、基準質 量を仮想アースに保つ。電気的対称性を保つことは、同相運動による、また基板 に直交する共通モードの基準質量変換による、さらには電荷遷移による、誤差信 号を大幅に低減する。検知電極に対する逆極性のバイアスによって、所望のジャ イロスコープ出力は差動垂直変位となる。これらの理由のために、中心電極は基 板上に対称に配置される。 図３は、代替の中心電極構成を示している。この代替実施例では、中心電極 ９ａ，９ｂのそれぞれは、基準質量３ａ，３ｂの櫛形電極３７，３９とそれぞれ 噛み合う櫛形電極３３ａ，３３ｂ，３５ａ，３５ｂの第１及び第２のそれぞれの 組を有する。即ち、各中心電極は両方の基準質量と相互作用する。前述した実施 例で述べたように、帰還信号４１，４３を通して基準質量速度の測定を容易にす るために、中心電極はそれぞれ、そこに印加されたバイアス電位＋Ｖ_B，−Ｖ_Bを 有する。このバイアス電圧は、ＤＣ電圧、ＡＣ電圧またはＤＣ＋ＡＣ組合せ電 圧である。各中心電極は両方の基準質量の速度の測定値を与えるので、中心電極 の一方からの単一の帰還信号が、基準質量速度を一定に保つために、発信器回路 で使用される。この代わりに、基準質量速度の指示を与えるために、各中心電極 からの帰還信号の差動読取り値４５が使用できる。中心電極のそれぞれは両基準 質量と相互作用するので、中心電極を通して基準質量に注入された電流は大きさ が等しく極性が逆になり、かくして効果的に相殺される。 他の１つの代替実施例が図６に示されている。この実施例では、中心電極９ ａ，９ｂは、図３に関して説明したように、分割されている。加えて、このジャ イロは、分割左モータ電極３８ａ，３８ｂと分割右モータ電極３８ｃ，３８ｄを 含んでいる。対称性を達成するために、＋ＶＡＣが電極３８ａ，３８ｃに印加さ れ、また−ＶＡＣが電極３８ｂ，３８ｄに印加されている。 上記説明から明らかなように、本発明は、発振する質量の発振運動を検知す るための方法を規定している。発振運動の検知は、偶数の発振運動検知素子を提 供し、前記発振運動検知素子の等数の第１及び第２のグループを逆極性の第１及 び第２の電位でバイアスし、少なくとも１つの発振する質量の発振運動を少なく とも１つの発振運動検知素子で検知することを含んでいる。発振運動検知素子を 逆極性の信号でバイアスされた等しいグループに配置することによって、このデ バイスの他の素子中への浮遊電流及び電圧の注入が相殺されやすくなる。このよ うな注入は典型的には噛み合った櫛形電極を通してのものであり、そして発振運 動検知素子の配列は、各素子が１つの発振する質量だけに結合するようものであ るか、あるいは各素子が１より多くの発振する質量に結合するようなものである 。配列に依存して、デバイスの対称性は上述したように変化する。それ故に、偶 数の電極によって注入される電流をバランスさせる方法は、回転振動式ジャイロ スコープにも適用される。 開示された実施例から種々の変形または修正がなされることが理解されるべ きである。従って、本発明は、添付の請求の範囲の精神及び範囲を除いて制限さ れるものとみなされるべきではない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヒルデブラント，エリック，エム. アメリカ合衆国 02172 マサチューセッ ツ州 ウォタータウン スプリングフィー ルド ストリート 73 (72)発明者 ナイルス，ランス，シー. アメリカ合衆国 01970 マサチューセッ ツ州 セーレム イースト ワシントン スクウェアー 80 (72)発明者 ワインバーグ，マーク，エス. アメリカ合衆国 02192 マサチューセッ ツ州 ニーダム ブロード メドウ ロー ド 119 (72)発明者 コーレペニス，アンソニー，エス. アメリカ合衆国 01720 マサチューセッ ツ州 アクトン ローズブルック ロード 31

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 発振する部材の位置を検出する装置であって、 前記部材に近接して基板上に配置された第１の検知電極と、 前記第１の検知電極に印加される第１のバイアス電位と、 前記基板上に配置された第２の検知電極と、 前記第２の検知電極に印加される第２のバイアス電圧とを備え、 前記第２のバイアス電圧は、前記第１のバイアス電圧と大きさが等しく、極 性が逆であることを特徴とする装置。 ２． 請求項１の装置において、前記部材は、前記第１の検知電極の櫛形電極と 噛合う櫛形電極を有した第１の基準質量であることを特徴とする装置。 ３． 請求項２の装置において、前記第２の検知電極の櫛形電極と噛合う櫛形電 極を有した第２の基準質量を備えることを特徴とする装置。 ４． 請求項３の装置において、前記第１及び第２の電極の櫛形電極と噛合う櫛 形電極を有した第２の基準質量を備え、前記第１の基準質量の櫛形電極もまた前 記第１及び第２の電極の櫛形電極と噛合うことを特徴とする装置。 ５． 請求項４の装置において、前記第１及び第２のバイアス電位は、ＡＣ、Ｄ Ｃ、またはＡＣ＋ＤＣであることを特徴とする装置。 ６． 請求項５の装置において、前記位置を検出する装置は、前記位置を検出す る装置を第１及び第２の部分に等分する軸のそれぞれの側方で電気的に対称であ り、第１の部分は第１の中心電極を有し、第２の部分は第２の中心電極を有する ことを特徴とする装置。 ７． 請求項６の装置において、前記モータ電極におけるＤＣ電位はゼロボルト であることを特徴とする装置。 ８． 請求項１の装置において、前記発振する部材に近接して前記基板上に配置 された第１及び第２の分割モータ電極を備えることを特徴とする装置。 ９． 慣性入力を計測するための微小機械式音叉ジャイロスコープであって、 基板と、 前記基板上に対称的に配置された第１及び第２の検知電極と、 前記第１及び第２の検知電極上にそれぞれ配置された少なくとも第１及び第 ２の基準質量であって、その内側及び外側側面から延長された櫛形電極を有する 第１及び第２の基準質量と、 前記基板上に対称的に配置された第１及び第２のモータ電極であって、前記 第１及び第２の基準質量の外側櫛形電極と噛合う櫛形電極を有した第１及び第２ のモータ電極と、 前記基板上に対称的に配置され、逆向きにバイアスされた第１及び第２の中 心電極であって、少なくとも１つが噛合った櫛形電極によって前記第１の基準質 量と結合して前記第１の基準質量の速度を指示する帰還信号を与える第１及び第 ２の中心電極と を備えることを特徴とする音叉ジャイロスコープ。 １０． 請求項９の音叉ジャイロスコープにおいて、前記第１の中心電極の櫛形 電極は前記第１の基準質量の櫛形電極と噛合い、前記第２の中心電極の櫛形電極 は前記第２の基準質量の櫛形電極と噛合うことを特徴とする音叉ジャイロスコー プ。 １１． 請求項１０の音叉ジャイロスコープにおいて、前記第１の中心電極は前 記第２の基準質量の櫛形電極の一部と噛合う櫛形電極を有し、前記第２の中心電 極は前記第１の基準質量の櫛形電極の一部と噛合う櫛形電極を有することを特徴 とする音叉ジャイロスコープ。 １２． デバイス上の少なくとも１つの発振する質量の発振運動を検知するため の方法であって、 偶数の発振運動検知素子を提供するステップと、 前記発振運動検知素子の等数の第１及び第２のグループを逆極性の第１及び 第２の電位でバイアスするステップと、 少なくとも１つの発振する質量の発振運動を少なくとも１つの発振運動検知 素子で検知するステップと を備えることを特徴とする方法。 １３． 請求項１２の方法において、前記デバイスの第１及び第２の半分の間に 電気的な対称性を与えるように前記発振運動検知素子を配置するステップを備え ることを特徴とする方法。 １４． 請求項１３の方法において、前記デバイスは音叉ジャイロスコープであ り、前記発振する質量は基準質量であり、前記提供するステップは第１及び第２ の中心電極を提供するステップを含むことを特徴とする方法。 １５． 請求項１４の方法において、前記音叉ジャイロスコープは櫛形電極を有 する第１及び第２の基準質量を備え、前記第１及び第２の中心電極は櫛形電極を 有し、前記バイアスするステップはＡＣ、ＤＣまたはＡＣ＋ＤＣ電位を前記第１ 及び第２の中心電極に印加するステップを含むことを特徴とする方法。 １６． 請求項１５の方法において、前記配置するステップは、前記第１の中心 電極の櫛形電極と前記第１の基準質量の櫛形電極を噛合わせ、また前記第２の中 心電極の櫛形電極と前記第２の基準質量の櫛形電極を噛合わせることを特徴とす る方法。 １７． 請求項１５の方法において、前記配置するステップは、 前記第１の中心電極の櫛形電極の第１の半分と前記第１の基準質量の櫛形電 極の半分を噛合わせ、 前記第１の中心電極の櫛形電極の第２の半分と前記第２の基準質量の櫛形電 極の半分を噛合わせ、 前記第２の中心電極の櫛形電極の第１の半分と前記第１の基準質量の櫛形電 極の半分を噛合わせ、 前記第２の中心電極の櫛形電極の第２の半分と前記第２の基準質量の櫛形電 極の半分を噛合わせることを特徴とする方法。 １８． 請求項１２の方法において、少なくとも第１及び第２の小部分を有する 少なくとも１つの分割電極によって、前記少なくとも１つの発振する質量に発振 運動を与えるステップを更に備えることを特徴とする方法。 １９． 請求項１８の方法において、前記第１及び第２の小部分のそれぞれに、 大きさが等しく逆極性の電位を与えるステップを更に備えることを特徴とする方 法。