JP2005519296A - Ｍｅｍｓジャイロスコープを開始するための雑音源 - Google Patents

Abstract

雑音を駆動電子機器に注入することによって、ＭＥＭＳジャイロスコープの始動時間を改善することが可能である。雑音源を使用して、白色雑音に限定される帯域幅を提供し、帯域幅は、少なくとも１つのプルーフマスの音叉周波数をほぼ中心とする。

Description

本発明は、一般に、ＭＥＭＳジャイロスコープに関し、より具体的には、ＭＥＭＳジャイロスコープを開始するための雑音源に関する。

微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）は、微小製作技法を使用して、電気装置および機械装置を同じシリコン基板上において統合する。電気構成要素は、集積回路プロセスを使用して製作され、一方、機械構成要素は、集積回路プロセスと共存可能である微小機械加工プロセスを使用して製作される。この組合せにより、標準的な製造プロセスを使用して、全システムをチップ上に製作することが可能になる。

ＭＥＭＳの１つの一般的な応用分野は、センサ装置の設計および製造である。装置の機械部分は、感知能力を提供し、一方、電気部分は、機械部分によって得られる情報を処理する。ＭＥＭＳセンサの一例は、ＭＥＭＳジャイロスコープである。

あるタイプのＭＥＭＳジャイロスコープは、振動要素を使用して、コリオリ加速度の検出により角速度を感知する。振動要素は、基板と平行のＸ軸（駆動面）において振動運動する。振動要素が運動状態になった後、振動要素は、基板に垂直なＺ軸（入力面）の回りに回転する基板によって誘起される角速度を検出することができる。コリオリ加速度は、Ｘ軸およびＺ軸の両方に垂直であるＹ軸（感知面）において生じる。コリオリ加速度は、基板の角速度に比例する振幅を有するコリオリ運動を生成する。

装置の始動時間は、電力を加えた後に使用可能な出力を生成するのに必要な時間である。始動時間は、装置を開始するのに必要な複数ステップの累積時間に依存する。駆動電子機器が振動要素の振動運動を検出および増幅するのにかかる時間は、ＭＥＭＳジャイロスコープの始動時間に影響を与える。

通常のＭＥＭＳジャイロスコープは、開始するのに１秒から２秒かかる。より迅速な始動時間を必要とするＭＥＭＳジャイロスコープの応用分野がある。たとえば、１つまたは複数のＭＥＭＳジャイロスコープを含むいくつかの慣性測定ユニット（ＩＭＵ）は、１秒以下の始動時間を必要とすることがある。

したがって、１秒以下で開始するＭＥＭＳジャイロスコープを有することが望ましい。ＭＥＭＳジャイロスコープの始動時間は、駆動電子機器が振動要素の振動運動を検出および増幅するのにかかる時間を低減することによって改善される。

ＭＥＭＳジャイロスコープの始動時間を改善するためのＭＥＭＳジャイロスコープシステムおよび方法を提供する。雑音源を使用して、雑音を駆動電子機器に注入することによって、ＭＥＭＳジャイロスコープの始動時間を改善することが可能である。

現在の好ましい実施形態について、添付の図面の図と関連して以下で記述する。同じ参照符合は、様々な図において同じ要素を指す。

図１は、例示的な実施形態による微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープ１００の平面図を示す。図１は、ＭＥＭＳジャイロスコープ１００を音叉ジャイロスコープとして示すが、角速度感知ジャイロスコープなど、回転を検出するためにコリオリ加速度を使用する他のＭＥＭＳ振動ジャイロスコープを使用することも可能である。ＭＥＭＳジャイロスコープ１００は、基板上に形成することが可能であり、少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂ、複数の支持梁１０４、少なくとも１つの交差梁１０６ａ、１０６ｂ、少なくとも１つのモータ駆動コム１０８ａ、１０８ｂ、少なくとも１つのモータピックオフコム１１０ａ、１１０ｂ、少なくとも１つの感知プレート１１２ａ、１１２ｂ、および少なくとも１つのアンカ１１４ａ、１１４ｂを含むことが可能である。

少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂは、ＭＥＭＳジャイロスコープシステムにおいて使用するのに適した任意のマスとすることが可能である。好ましい実施形態では、少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂは、シリコンのプレートである。微小機械加工技法と共存可能な他の材料を使用することも可能である。図１は、２つのプルーフマスを示すが、１つまたは複数のプルーフマスを使用することが可能である。

少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂは、少なくとも１つのモータ駆動コム１０８ａ、１０８ｂと少なくとも１つのモータピックオフコム１１０ａ、１１０ｂとのほぼ間に配置されることが可能である。少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１２０ｂは、少なくとも１つのモータ駆動コム１０８ａ、１０８ｂおよび少なくとも１つのモータピックオフコム１１０ａ、１１０ｂの両方に向かって延びる複数のコム状電極を含むことが可能である。少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂは、図１では１０の電極を有するように示されているが、少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂの上の電極の数は、１０より多い、または少ないとすることが可能である。

少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂは、複数の支持梁１０４によって、少なくとも１つの感知プレート１１２ａ、１１２ｂより上に支持することが可能である。図１では、８つの支持梁１０４が示されているが、使用される支持梁の数は、８より多い、または少ないとすることが可能である。複数の支持梁１０４は、シリコンウエハから微小機械加工された梁とすることが可能である。複数の支持梁１０４は、ばねとして作用することが可能であり、これにより、少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂが、駆動面（Ｘ軸）内および感知面（Ｙ軸）内において移動することが可能になる（軸の情報については図１参照）。

複数の支持梁１０４は、少なくとも１つの交差梁１０６ａ、１０６ｂに接続することが可能である。少なくとも１つの交差梁１０６ａ、１０６ｂは、少なくとも１つのアンカ１１４ａ、１１４ｂに接続することが可能であり、これにより、ＭＥＭＳジャイロスコープ１００の支持が提供される。少なくとも１つのアンカ１１４ａ、１１４ｂは、下にある基板に接続することが可能である。２つのアンカ１１４ａ、１１４ｂが図１に示されているが、アンカの数は、２より多い、または少ないとすることが可能である。少なくとも１つのアンカ１１４ａ、１１４ｂは、支持をＭＥＭＳジャイロスコープ１００に提供する任意の方式で、少なくとも１つの交差梁１０６ａ、１０６ｂに沿って位置決めすることが可能である。

少なくとも１つのモータ駆動コム１０８ａ、１０８ｂは、少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂに向かって延びる複数のコム状電極を含むことが可能である。少なくとも１つのモータ駆動コム１０８ａ、１０８ｂは、図１では４つの電極を有するように示されているが、少なくとも１つのモータ駆動コム１０８ａ、１０８ｂの上の電極の数は、４より多い、または少ないとすることが可能である。少なくとも１つのモータ駆動コム１０８ａ、１０８ｂ上の電極の数は、少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂ上の電極の数によって決定することが可能である。

少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂおよび少なくとも１つのモータ駆動コム１０８ａ、１０８ｂの複数の交互指状コム状電極は、キャパシタを形成することが可能である。少なくとも１つのモータ駆動コム１０８ａ、１０８ｂは、図１には示されていない駆動電子機器に接続することが可能である。駆動電子機器により、少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂは、少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂおよび少なくとも１つのモータ駆動コム１０８ａ、１０８ｂの複数の交互指状コム状電極によって形成されるキャパシタを使用することによって、駆動面（Ｘ軸）に沿ってほぼ音叉周波数において振動することが可能である。

少なくとも１つのモータピックオフコム１１０ａ、１１０ｂは、少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂに向かって延びる複数のコム状電極を含むことが可能である。少なくとも１つのモータピックオフコム１１０ａ、１１０ｂは、図１では４つの電極を有するように示されているが、少なくとも１つのモータピックオフコム１１０ａ、１１０ｂの上の電極の数は、４つより多い、または少ないとすることが可能である。少なくとも１つのモータピックオフコム１１０ａ、１１０ｂの上の電極の数は、少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂの上の電極の数によって決定することが可能である。

少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１２０ｂおよび少なくとも１つのモータピックオフコム１１０ａ、１１０ｂの複数の交互指状コム状電極は、キャパシタを形成することが可能であり、これにより、ＭＥＭＳジャイロスコープ１００が、駆動面（Ｘ軸）における運動を感知することが可能になると考えられる。

少なくとも１つの感知プレート１１２ａ、１１２ｂは、少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂと並列キャパシタを形成することが可能である。角速度が入力面（Ｚ軸）に沿ってＭＥＭＳジャイロスコープ１００に加えられ、一方、少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１０２ｂが駆動面（Ｘ軸）に沿って振動している場合、コリオリ力を感知面（Ｙ軸）において検出することが可能である。並列キャパシタを使用して、感知面（Ｙ軸）における運動を感知することが可能である。ＭＥＭＳジャイロスコープ１００の出力は、静電容量の変化に比例する信号とすることが可能である。少なくとも１つの感知プレート１１２ａ、１１２ｂは、図１には示されていない感知電子機器に接続することが可能である。感知電子機器は、少なくとも１つのプルーフマス１０２ａ、１２０ｂが、少なくとも１つの感知プレート１１２ａ、１１２ｂに向かって、および／または少なくとも１つの感知プレート１１２ａ、１１２ｂから遠ざかるように移動する際に、静電容量の変化を検出することが可能である。

図２は、ＭＥＭＳジャイロスコープシステム２００の平面図を示す。ＭＥＭＳジャイロスコープシステム２００は、ＭＥＭＳジャイロスコープ２１６および駆動電子機器２１８を含むことが可能である。ＭＥＭＳジャイロスコープシステムは、感知電子機器、システム電力源、および他の通常の動作電子機器をも含むことが可能である。これらは、簡単化のために図２では示されていない。ＭＥＭＳジャイロスコープ２１６は、図１に示したＭＥＭＳジャイロスコープ１００とほぼ同じとすることが可能である。駆動電子機器２１８は、少なくとも１つのプルーフマス２０２ａ、２０２ｂを振動させる少なくとも１つのモータ駆動コム２０８ａ、２０８ｂに駆動電圧を提供することができる電子装置の任意の組合せとすることが可能である。

ＭＥＭＳジャイロスコープシステム２００を開始するために、システム電力源は、電力をＭＥＭＳジャイロスコープ２１６に提供することが可能である。システム電力源は、通常のＭＥＭＳジャイロスコープに給電するために使用される任意の電力源とすることが可能である。たとえば、システム電力源は、少なくとも１つのＭＥＭＳジャイロスコープを含むアビオニクスシステムの電力源とすることが可能である。システム電力源は、システムの応用分野に基づいて、電力を提供することが可能である。システム電力源は、通常、５から１０００ボルトの範囲の電力を提供する。しかし、この実施形態は、その範囲に限定されるものではない。

駆動電子機器２１８は、少なくとも１つのプルーフマス２０２ａ、２０２ｂを振動させる少なくとも１つのモータ駆動コム２０８ａ、２０８ｂに駆動電圧を印加することが可能である。駆動電子機器２１８は、少なくとも１つのプルーフマス２０２ａ、２０２ｂのほぼ音叉周波数を追尾することが可能である。音叉周波数を追尾するのにかかる時間は、ＭＥＭＳジャイロスコープシステム２００の始動時間に影響を与える可能性がある。代替として、高分解能品質ファクタＱを有するＭＥＭＳジャイロスコープシステム２００では、駆動電子機器２１８は、音叉周波数を見つけることができない可能性があり、ＭＥＭＳジャイロスコープシステム２００は、開始されない可能性がある。

ＭＥＭＳジャイロスコープシステム２００の始動時間を改善するために、雑音を駆動電子機器２１８に注入することが可能である。雑音は、システム電力源がＭＥＭＳジャイロスコープ２１６に適用された後であるが、ＭＥＭＳジャイロスコープ２１６が全電力に到達するかなり前に、駆動電子機器２１８に注入することが可能である。ＭＥＭＳジャイロスコープ２１６が全電力に到達する前に雑音を注入することによって、ＭＥＭＳジャイロスコープ２１６の始動時間を短縮することが可能である。駆動電子機器２１８が音叉周波数を追尾した後、雑音の注入を中止することが可能である。

図３は、雑音源３００の概略図である。好ましい実施形態では、雑音源３００を使用して、雑音を提供することが可能である。しかし、雑音源３００は、雑音を生成することが可能である回路の単なる一例である。電子回路の多くの異なる組合せが、雑音を生成することができる可能性があり、またこの実施形態において使用することも可能である。雑音源３００は、白色雑音に限定される帯域幅を提供することが可能である。少なくとも１つのプルーフマス２０２ａ、２０２ｂの音叉周波数は、注入雑音の帯域幅内にほぼあることが好ましい。たとえば、雑音の帯域幅は、音叉周波数をほぼ中心とすることが可能であり、ほぼ＋／−１０００ヘルツの幅とすることが可能である。上述した帯域幅特性を有する雑音を注入するように雑音源３００を設計することによって、駆動電子機器２１８は、音叉周波数をより迅速に追尾することが可能であり、また、ＭＥＭＳジャイロスコープシステム２００を開始するのに失敗する回数を大きく低減することが可能である。

多くの応用分野では、雑音源３００を提供するために、駆動電子機器２１８において利用可能な予備回路を使用することが可能であると考えられる。白色雑音が好ましい可能性があるが、ガウス雑音も、ＭＥＭＳジャイロスコープの始動時間を短縮することができる可能性がある。さらに、狭帯域雑音を駆動電子機器２１８に注入することも可能である。

雑音を駆動電子機器２１８に注入することにより、駆動電子機器２１８が音叉周波数を追尾するのにかかる時間を大きく低減することが可能である。始動時間が１秒から２秒である通常のＭＥＭＳジャイロスコープについて、始動時間を１秒以下に短縮することが可能である。この始動時間は、始動時間が１秒以下であることを必要とするＭＥＭＳジャイロスコープの応用分野に有利な可能性がある。たとえば、１つまたは複数のＭＥＭＳジャイロスコープを含むいくつかの慣性測定ユニット（ＩＭＵ）は、１秒以下の始動時間を必要とする可能性がある。

示した実施形態は、単なる例示であり、本発明の範囲を限定すると見なされるべきではないことを理解されたい。本発明を示すために、ＭＥＭＳ音叉ジャイロスコープを使用したが、本発明は、回転を検出するためにコリオリ加速度を使用する他のＭＥＭＳ振動ジャイロスコープにも適用される。請求項は、特に断りがない限り、記述される順序または要素に限定されると読み取られるべきではない。したがって、添付の請求項およびその等価物の範囲および精神の範囲内にあるすべての実施形態は、本発明として主張される。

排他的な特性または権利が主張される本発明の実施形態は、以下のように確定される。

例示的な実施形態によるＭＥＭＳジャイロスコープの平面図である。 例示的な実施形態によるＭＥＭＳジャイロスコープシステムの平面図である。 例示的な実施形態による雑音源の概略図である。

Claims (24)

1. ＭＥＭＳジャイロスコープの始動時間を改善するためのシステムであって、
   ＭＥＭＳジャイロスコープと、
   駆動電子機器と、
   雑音を前記駆動電子機器に注入するように動作可能である雑音源とを組み合せて備えるシステム。
2. 前記ＭＥＭＳジャイロスコープが、振動ジャイロスコープである、請求項１に記載のシステム。
3. 前記ＭＥＭＳジャイロスコープが、回転を検出するためにコリオリ加速度を使用する、請求項１に記載のシステム。
4. 前記駆動電子機器が、少なくとも１つのプルーフマスを振動させる少なくとも１つのモータ駆動コムに駆動電圧を印加する、請求項１に記載のシステム。
5. 前記駆動電子機器が、少なくとも１つのプルーフマスのほぼ音叉周波数を追尾する、請求項１に記載のシステム。
6. システムの電力源を前記ＭＥＭＳジャイロスコープに加えた後に、前記雑音が前記駆動電子機器に注入される、請求項１に記載のシステム。
7. 前記ＭＥＭＳジャイロスコープが全電力に到達するかなり前に、前記雑音が前記駆動電子機器に注入される、請求項１に記載のシステム。
8. 前記雑音源が、帯域幅が制限された白色雑音を提供する、請求項１に記載のシステム。
9. 少なくとも１つのプルーフマスの音叉周波数が、前記雑音の帯域幅内にほぼある、請求項１に記載のシステム。
10. 前記雑音の前記帯域幅が、前記少なくとも１つのプルーフマスの前記音叉周波数でほぼ中心にされる、請求項９に記載のシステム。
11. 前記雑音の前記帯域幅が、ほぼ＋／−１０００ヘルツの幅である、請求項９に記載のシステム。
12. ＭＥＭＳジャイロスコープの始動時間を改善するためのシステムであって、
    回転を検出するためにコリオリ加速度を使用するように動作可能である振動ジャイロスコープと、
    少なくとも１つのプルーフマスを振動させる少なくとも１つのモータ駆動コムに駆動電圧を印加するように動作可能である駆動電子機器であって、前記少なくとも１つのプルーフマスのほぼ音叉周波数を追尾する駆動電子機器と、
    白色雑音に限定される帯域幅を前記駆動電子機器に注入するように動作可能である雑音源と、
    を組み合せて備え、帯域幅が限定された白色雑音の帯域幅が、前記少なくとも１つのプルーフマスの音叉周波数でほぼ中心にされ、帯域幅が限定された白色雑音の帯域幅が、ほぼ＋／−１０００ヘルツの幅である、システム。
13. システムの電力源を前記音叉ジャイロスコープに加えた後に、前記雑音が前記駆動電子機器に注入される、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記音叉ジャイロスコープが全電力に到達するかなり前に、前記雑音が前記駆動電子機器に注入される、請求項１２に記載のシステム。
15. 雑音を駆動電子機器に注入するステップを含む、ＭＥＭＳジャイロスコープシステムの始動時間を改善するための方法。
16. 前記ＭＥＭＳジャイロスコープが、振動ジャイロスコープである、請求項１５に記載の方法。
17. 前記ＭＥＭＳジャイロスコープが、回転を検出するためにコリオリ加速度を使用する、請求項１５に記載の方法。
18. システム電力源を前記ＭＥＭＳジャイロスコープに加えた後に、前記雑音が前記駆動電子機器に注入される、請求項１５に記載の方法。
19. 前記ＭＥＭＳジャイロスコープが全電力に到達するかなり前に、前記雑音が前記駆動電子機器に注入される、請求項１５に記載のシステム。
20. 前記雑音が、帯域幅が限定された白色雑音である、請求項１５に記載の方法。
21. 前記雑音の帯域幅が、少なくとも１つのプルーフマスの音叉周波数でほぼ中心にされる、請求項２０に記載の方法。
22. 前記雑音の帯域幅が、ほぼ＋／−１０００ヘルツの幅である、請求項２０に記載の方法。
23. 前記駆動電子機器が、少なくとも１つのプルーフマスを振動させる少なくとも１つのモータ駆動コムに駆動電圧を印加する、請求項１５に記載の方法。
24. 前記駆動電子機器が、少なくとも１つのプルーフマスのほぼ音叉周波数を追尾する、請求項１５に記載の方法。
    

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