JP2007519925A - 電子結合を持つ微小機械加工振動ジャイロスコープ、及び方法 - Google Patents
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Abstract
一般的には、新しく、改良された微小機械加工振動ジャイロスコープ、及び方法を提供することが、本発明の目的である。本発明のもう1つの目的は、振動するマス間の機械結合を必要としない、上記の特徴のジャイロスコープ、及び方法を提供することである。
Description
本発明は、一般的には、慣性センサ等に関するものであり、特に、微小機械加工された振動ジャイロスコープ、及び方法に関するものである。
検出軸のまわりのジャイロスコープの回転により誘導されるコリオリ誘導運動を検出することにより、振動ジャイロスコープは作動する。マスを、所定の軸に沿って振動するように動かし、その振動の軸に対して垂直な軸のまわりを回転させる時、コリオリ力が生成され、その振動軸、及び回転軸に対して垂直な応答軸に沿って、そのマスに加えられる。コリオリ力によって引き起こされる、応答軸に沿ったマスの運動の変化を検出することにより、その回転の速度を測定する。
コリオリ力は速度に比例するので、振動するマス上のコリオリ誘導力は、そのマスの速度と同相である。応答軸に対する、振動の主軸、又は駆動軸に沿った運動の、如何なる不要な結合も、その応答軸に沿ったマスのスプリアス運動を引き起こすであろう。この不要な結合は、一般的には、速度ではなく、マスの変位と同相であり、それはしばしば、直交エラーと呼ばれる。
コリオリ力による、マスの運動の変化を検出するための1つの方法は、容量性検出であり、それは、典型的には、固定電極、及び可動電極を含む。そのような装置では、回転の付加の無い状態での可動電極の運動、すなわち、コリオリ力によらない、応答軸に沿ったマスの如何なる運動も最小化することが重要である。さもなければ、速度信号と同じ周波数を有するが、90度位相のずれた、不要な直交信号が存在するであろう。この直交信号は、所望の出力信号に重畳される。直交信号は、例えば、位相検出復調により、一部は電子的に除去することができるが、ジャイロスコープの性能を低下させる傾向がある。
振動ジャイロスコープにおける、更なるエラー源は、マスを移動させ、それにより不要な出力を生み出す線形加速度に対する感度である。
ジャイロスコープを、所定の応用例における支持物に取り付ける時、振動するマスの如何なる運動量の不平衡も、駆動エネルギーの一部を、その支持物内に注入させ、次に、装置へ結合し戻す可能性がある。そのような方法でフィードバックされたエネルギーは、バイアスエラーを引き起こすことができ、装置の性能を、その取り付け状態に影響されやすくする。等しいマスを持ち、反対方向に等しい距離だけ動く、2つの振動要素を使用することは、この運動量の不均衡を取り除き、センサ性能を大いに改善する。
これまで提供された微小機械加工振動ジャイロスコープでは、一般的には、2つのマスをつなぎ、それらの間でそれらの相対変位に比例した力を作り出すバネ、又は等価な構造により、その振動するマスは機械的に相互に結合される。これまで、それらのマスが共通の共振周波数で振動することを確実にするために、そのような結合が必要とされる、と一般的には考えられていた。
分離されているマスは、一般的には、様々な共振周波数を持ち、それは、実用センサに対して伝導性がないであろう。単一の駆動励起源を使うことにより、2つの共振周波数を持つシステムは、不安定になる、或いはマスの一方、又は他方の共振周波数において動作する傾向があるであろう。マスが充分に結合される時、その2つのマスは、もはや別個の周波数で振動するのではなく、モーダルシステムとして働くであろう。このシステムの1つのモードは、それらのマスがほぼ等しく反対方向の変位で動く、実質的な差分振動を一般的には含むであろう。万一、2つのマス、又はそれらの支持ばね構造が対称でない場合には、その2つのマスは、不等な変位を受ける。それは、ジャイロをその支持構造に結合させる望ましくない状態であり、ジャイロを、境界の状態の変化の影響を受けやすくする。
実用的な速度センサは、マス及び堅さの非対称という結果になる、製造誤差による変化の影響をうけやすい。マスが結合され得る間は、振動の差分モードは、完全に対称ではないであろう。
振動速度センサに使用される結合機構のもう1つの不利な点は、それらの多くが、その装置の必要な基板面積、及びサイズを増大させる折り返しビーム設計を用いる、ということである。
(本発明の目的及び要約)
一般的には、新しく、改良された微小機械加工振動ジャイロスコープ、及び方法を提供することが、本発明の目的である。
一般的には、新しく、改良された微小機械加工振動ジャイロスコープ、及び方法を提供することが、本発明の目的である。
本発明のもう1つの目的は、振動するマス間の機械結合を必要としない、上記の特徴のジャイロスコープ、及び方法を提供することである。
例えば、全てのマスが同じ共振周波数を持つように、一又はそれ以上のマスの共振周波数を電子的に調整することにより、振動するマスを電子的に結合する、微小機械加工振動ジャイロスコープ、及び方法を提供することによって、本発明により、これら、及び他の目的は実現される。
(詳細な説明)
図1は、それらの外側の端において基板13に固定された柔軟なアーム14により、マス11、12をその基板13の上につるした、従来技術の典型的な微小機械加工センサを示している。その2つのマスは、完全に分離しており、異なる共振周波数で、互いに独立して自由に動く。
図1は、それらの外側の端において基板13に固定された柔軟なアーム14により、マス11、12をその基板13の上につるした、従来技術の典型的な微小機械加工センサを示している。その2つのマスは、完全に分離しており、異なる共振周波数で、互いに独立して自由に動く。
図2は、マス16、17が柔軟なリンク18によって相互に結合され、柔軟なアーム19によって吊るされた、従来技術の装置を示している。マスの一方をx軸に沿って動かす時、その結合リンクにより、力が他方に伝わる。x軸に沿った変位における、2つのモードの共振の固有周波数は、2つのマスの差分(位相のずれた)運動のモード、及び共通モード(同相)運動のモード、の一組の結合モードを含む。2つのマス間、又はそれらの支持物間に対称性が無い状態では、共振の差分モードはもはや完全ではないであろう。そのかわり、それはまた、運動の共通モード成分も含むであろう。不平衡な差分モードの動作は、取り付け点を介した運動の外部環境との結合を増大させることより、ジャイロスコープの性能を低下させる傾向がある。
図3の実施形態では、速度センサ、又はジャイロは、x軸に沿って離して置かれ、基板28に取り付けられたアンカー32、33から伸びる柔軟なアーム29、31により、その基板28上に吊るされた一組のマスを持つ。アームの各々は、x方向、及びy方向の両方に伸びている部分を持ち、それにより、x軸、及びy軸の両方に沿った運動に関して、2つのマスは切り離される。アンカーは固定されるので、マス間の機械的外力の結合は全く無く、その2つのマスは、マス自身、及びその支持システムの堅さによって特定されるような、それらのそれぞれの固有周波数で、自由に共振する。内側のアンカー33は、分離しているように示されているが、それらを、2つのマス間の結合を大幅に増大させることなく、相互に接合する、或いは1つのより大きいアンカーに集約することもできるであろう。
そのマスは、くし型フィンガ34、36がフレームの向かい合った端からx方向に伸びている、長方形フレームの形である。それらのフィンガは、基板に取り付けられて、コンデンサ39、41を形成する固定くし型フィンガ37、38と交互に挟み込まれている。各ペアのコンデンサの一方(例えば、コンデンサ39)に駆動電圧を加えて、マスをx方向に振動させ、コンデンサのペアの他方(例えば、コンデンサ41)を使って、x軸に沿ったマスの運動を検出する。
マス26、27の外側の端に隣接して、電極43、44を配置して、それらのマスと共に平行平板コンデンサを形成する。それらのコンデンサの一方、又は両方に、オフセット電圧を加えて、マスの変位によって変化する静電力を作り出し、それにより、マス‐バネシステムの共振周波数を制御する。現在の好ましい実施形態では、静電力が、負の値のバネと等価である引き付け力であるように、極性を伴って、オフセット電圧を加える。この等価なバネは、支持システムの全体的な堅さ、従って、そのマスにおける共振の固有周波数を低減する。
両方の電極に同じ、又は等しいオフセット電圧を加えることは、両方のバネ‐マスシステムの共振周波数を減らす傾向があるが、これに対して、一方のみにオフセット電圧を加えることは、隣接するバネ‐マスシステムのみの周波数を減らすであろう。このように、共振のより高い固有周波数を持つバネ‐マスシステムは、他方のバネ‐マスシステムと同じ周波数で共振するまで、周波数について調整することができ、それは、センサが適切に機能するために重要である。次に、必要な場合には、両方のマスを調整して、x軸に沿った駆動モードの振動を、y軸に沿った検出モードの変位と整合させることができる。そのかわりに、望まれる場合には、調整された駆動マスを整合させるのと同様な手段によって、検出モードを調整することもできる。
動作の一方法として、バネ‐マスシステムの一方の固有周波数を基準周波数として使用し、調整せず、これに対して、他方をその基準と等しくするように電子的に調整する「マスタ‐スレーブ」関係で、2つのマスを駆動する。より低い固有周波数を持つ周波数バネ‐マスシステムを「マスタ」に指定し、より高い周波数を持つ方が「スレーブ」である。「スレーブとされた」マスの振動がほぼその最大で、かつ正しい位相状態となるまで、電極43上、又は44上のいずれかのオフセット電圧を調整することにより、「スレーブ」のバネ‐マスシステムを調整する。調整の間、変位の振幅、及び位相を、コンデンサ41によって検出する。
そのかわりに、周波数調整において、両方の共振システムは等しい加重を有することができ、一方が周波数を増大し、他方が周波数を減少するように、両方を調整することができる。周波数調整電極43、44の一方に加えられるバイアス電圧を減らし、他方に加えられるバイアス電圧を増やすことにより、それを行う。
結合されたマスジャイロとは異なり、2つのマスは、x軸に沿った差分、及び共通モード振動おいて、別個の共振周波数を持つことはない。コンデンサ39のくし型フィンガ、或いは電極に加えられる駆動信号の相対振幅、及び位相を調整することにより、振動における純差分運動の選択が電子的に行われる。
図3の速度センサでは、z軸、又は入力軸のまわりでのセンサの回転により生み出されるコリオリ力に応じて、2つのマスが、y軸に沿って、位相がすれるように振動する。この運動は、マスと、そのマスの近くで基板に取り付けられた電極46、47との間の静電容量の変化として、検出される。マスは分離しているので、y方向における、2つのマスの共振の固有周波数は、一般的には等しくない。バイアス電圧を、電極46、47、或いは他の電極(示されていない)に加えて、検出モードの共振周波数を、等しくなるように、或いは所望される何らかの他の値を持つように調整することができる。
そのかわりに、検出モード調整電圧を、平行平板コンデンサ要素46、47のような別個の電極に加えるのではなく、駆動コンデンサ39に加えられるバイアス電圧の調整により、y軸の共振周波数もまた調整することができる。
図4の実施形態はまた、マスの運動を駆動、及び検出するために、コンデンサ39、41を持つ2つのプルーフマス26、27も持つ。2つのマスは、基板に取り付けられたアンカー52から吊るされた柔軟なアーム構造51により、基板49の上に吊るされる。アーム構造の各々は、x方向に比較的堅く、y方向に比較的柔軟なアーム54によってその外側の端がマスに接続されている、x方向に伸び、マスから間隔をあけて配置された一組の軸の揃った柔軟な梁53を含む。梁53の内側の端は、y方向に伸び、マスから外向きに伸びて、コンデンサ59を形成するくし型フィンガ58と交互に挟み込まれるフィンガ57を持つ、比較的固いくし型構造56に取り付けられる。
アーム構造の各々はまた、アンカー52とくし型構造56の中間点との間でy方向に伸びる、柔軟な梁61も含む。
従って、マス26、27は、駆動モード、及び検出モードの両方において、切り離されており、x方向に自由に揺れる、又は振動し、かつz軸又は入力軸のまわりでのセンサの回転によって生み出されるコリオリ力に応じて、y方向に自由に動く。その運動は、梁53、及び/又は支持アーム54をy方向に曲がらせ、くし型フィンガ57と58との間の静電容量の変化を生み出す。その2つのマスは、y方向において、位相がずれるように振動し、くし型フィンガ間の静電容量を監視することにより、その運動を検出する。
マスは完全に分離されているので、それらの間で、機械的外力は結合されず、その2つのマスは、マス、及びそれらの支持システムの堅さによって特定されるような、それぞれの固有周波数で自由に共振する。
支持梁61は、x方向に柔軟であり、y方向に堅い。それゆえ、外側のくし型フィンガ57は、x方向に自由に動くが、y方向には自由に動かない。従って、内側、及び外側のくし型フィンガは、x方向では一緒に動き、かつy方向では、内側のフィンガが、外側のフィンガに対して動く。
図3の実施形態のように、マス26、27の外側の端に隣接して、電極43、44を配置して、オフセット電圧を加えて、マス‐バネシステムの共振周波数を制御することのできる平行平板コンデンサを形成する。ここで再び、センサを正しく機能させるために、両方のバネ‐マスシステムを同じ周波数で共振させることが重要である。
この実施形態もまた、図3の実施形態に関して上で説明した「マスタ‐スレーブ」方式で、作動することができ、より高い固有周波数を持つバネ‐マスシステムの固有周波数を電子的に調整して、他方と整合させる。ここで再び、電極43、又は電極44に加えられるオフセット電圧を調整して、「スレーブとされた」マスの振動を、ほぼ最大で、かつ正しい位相状態にする。電極39に加えられる駆動信号の相対振幅、及び位相を調整して、その振動を純差動にすることができる。
そのかわりに、周波数調整電極43、44の一方に加えるバイアス電圧を減らし、他方の電極に加えるバイアス電圧を増やすことにより、両方の共振システムを調整することもできる。
図4の実施形態では、z軸のまわりの回転によって生み出されるコリオリ力に応じて、2つのマスを、もう一度、y軸に沿って動かすことができる。それは、梁53、及び/又は柔軟な支持要素54を曲げさせ、2つのマスは、y軸に沿って、位相がずれるように振動し、結果として生じる、くし型フィンガ57、58間の静電容量の変化を伴う。外側のくし型フィンガ57は、固定されていないので、x軸に沿った駆動運動において、内側のフィンガ58とともに動く。しかしながら、外側のフィンガのy方向における動きは、x方向において柔軟であるが、これに対してy方向において堅い梁61によって、妨げられる。
x軸振動における、内側及び外側のくし型フィンガの共通運動は、装置の出力への駆動信号の漏れを最小にする。しばしば直交信号と呼ばれる、このエラー信号は、その駆動変位と同相であり、それは、速度、従ってコリオリ誘導各速度信号とは、90度位相がずれる。
内側、及び外側のくし型フィンガは、梁53内の絶縁体62により、互いに電気的に絶縁され、及び、その内側フィンガと外側フィンガとの間にバイアス電圧を加えて、検出出力を調整し、かつx軸、又は駆動軸に沿った共振の周波数を調整する。
マスが分離されていることにより、y方向における共振の固有周波数は、一般的には等しくなく、かつ、マスと、マスの内側の端の近くで基板上に取り付けられた電極63との間に、バイアス電圧を加える。それらの電圧によって、検出モードの共振周波数を、等しくなるように、或いは所望される任意の他の値を持つように、調整することができる。
図5は、再び駆動モード及び検出モードの両方が分離されている、別個の駆動、及び検出マスを持つ実施形態を示している。この実施形態では、それらの外側の端において基板68に固定され、x方向及びy方向の両方において柔軟である折り返しアーム構造69により、駆動マス66、67がその基板68上で吊るされ、それにより、マスは、x軸、及びy軸の両方に沿った運動に関して分離される。マスは完全に切り離されているので、それらの間で機械的外力は結合されず、2つのマスは、マス自身、及びそれらの支持システムの堅さによって特定されるような、それぞれの固有周波数で自由に共振する。
くし型フィンガ70は、駆動マス66、67の側面から、x方向に外向きに伸びており、x軸に沿った駆動運動の励振、及び検出のために基板上の固定位置に取り付けられた、くし型フィンガ71と交互に挟み込まれる。駆動電圧信号を、典型的には、マス構造の各々と関連付けられる、一方の組のくし型フィンガ(例えば、フィンガ72)に加え、及び他方の(フィンガ73)を使って、x軸に沿ったマスの運動を検出する。
検出マス74、75は、x方向において柔軟な梁76により、駆動マス内に取り付けられ、駆動マスから吊るされる。それらはまた、y方向に柔軟な梁78によって基板に固定されたアンカー77から吊るされる。
くし型フィンガ79は、検出マス74、75の側面から、x方向に内向きに伸び、かつ、基板上の固定位置に取り付けられて、y方向における検出マスの各々の運動を検出するための2つのコンデンサ83、84を形成する2セットのくし型フィンガ81、82と交互に挟み込まれる。
検出マス74、75、及び検出コンデンサ83、84が、x軸に沿った駆動モードの運動の一部として(すなわち、駆動マスとともに)動かないという点で、検出モードは「静止している」。しかしながら、それらに固定された検出マス、及びくし型フィンガ79は、回転誘導コリオリ加速度に応じて、y軸に沿って自由に動く。
電極86、87を、マス66、67の内側の端に隣接して、基板上に取り付けて、オフセット電圧を加えて、マス‐バネシステムの共振周波数を制御することのできる平行平板コンデンサを形成する。前の実施形態のように、センサを正しく機能させるために、両方のバネ‐マスシステムを同じ周波数で共振させることが、重要である。
この実施形態もまた、より高い固有周波数を持つ方のバネ‐マスシステムの固有周波数を電子的に調整して、他方と整合させる、図3及び4の実施形態に関して上で説明した「マスタ‐スレーブ」方式で、作動することができる。一又はそれ以上の周波数調整電極、又は駆動くし型フィンガのペア71、72上のオフセット電圧、又はバイアス電圧を調整して、「スレーブとされた」マスの振動を、おおよそ最大で、正しい位相状態にする。それらの電極に加えられた駆動信号の相対振幅、及び位相を調整して、振動を純差動にすることができる。
そのかわりに、システムの一方における周波数調整電極に加えるバイアス電圧を減らし、他方における周波数調整電極に加えるバイアス電圧を増大させることにより、両方の共振システムを調整することもできる。
駆動マス66、67から検出マス74、75を吊るしている梁76は、z軸のまわりでのセンサの回転によって生み出されるコリオリ力に応じた、y軸に沿った、駆動マスと協調した動きについて、検出マスを制約する。その運動は、支持アーム78をy方向に曲げさせ、くし型フィンガ79と81との間の静電容量を変える。2つのマスシステムは、y方向において、位相がずれるように振動し、静電容量の変化の極性が、マスのいずれかと関連付けられる2つのコンデンサ83、84において逆であるという点で、その検出は差動である。
マスと関連付けられる2つのコンデンサ間の静電容量の変化の差分をとることにより、2つの検出マスの各々における出力信号が得られる。マス66、67の駆動運動は、表面上、互いに位相がずれているので、2つの検出マスにおける回転速度信号もまた、位相がずれており、かつ、検出マスの一方における出力信号を、他方の検出マスにおける出力信号から引くことにより、加えられた回転による全信号が得られる。このように2つのマスにおける出力の差を計算することは、加速度入力から生じる共通モード信号を除去すること、及び寄生静電容量の効果を打ち消すことにおいて、有利である。
検出マス74、75のy軸に沿った運動を許す一方で、梁78は、それらのマスのx軸に沿った運動を妨げ、その検出マスを、駆動モードにおいて静止状態にする。駆動マス、及び検出マスを相互接続する梁(梁76)が、x方向において比較的柔軟であるので、それは、駆動マス66、67がx軸に沿って動くことを妨げない。上で示したように、それらの梁は、y方向において比較的堅く、かつ駆動マスによって経験されたコリオリ加速度を、静止した検出マスに結合させる。検出マスが静止していることにより、駆動振動信号の、装置の出力への漏れ(直交エラー)は、最小化される。
マスは分離されているので、その2つのマスシステムのy方向における共振の固有周波数は、一般的には等しくない。しかしながら、バイアス電圧を電極79、81に加えて、検出モードの共振周波数を、等しくするように、或いは他の所望の値を持つように、調整することができる。
このように、たった2つのマスを持つ速度センサ、又はジャイロに関してのみ、本発明を大いに開示したが、望まれる場合には、より多数のマスを含むアレイを使用することもできる。アレイ内の最低周波数のバネ‐マスシステムの共振周波数と整合させる、或いは他の所望の周波数、のいずれかのように、そのようなマスの共振周波数を調整することができる。アレイ内の全てのマスを同じ周波数で振動させるための、電子結合の使用は、さもなければそのようなアレイを非実用的にするであろう製造誤差の問題を、効果的に解決する。
図3〜5の実施形態では、バネ‐マスシステムの駆動モード、及び検出モードの両方が分離されている。図6は、2つのマスのx軸に沿った駆動モードの運動は分離されるが、y軸に沿った検出モードの運動は結合される実施形態を示している。
図6の実施形態では、基板91に固定され、x方向及びy方向の両方において柔軟なアーム92によって、その基板91上にマス88、89が吊るされる。くし型フィンガ又は電極93が、マスの外側からx方向に伸び、固定くし型フィンガ又は電極94と交互に挟み込まれて、駆動コンデンサ96、及び検出コンデンサ97を形成する。駆動コンデンサに加えられた駆動信号により、x軸に沿って位相がずれて振動するように、その2つのマスを駆動する。
ピックオフ梁98は、基板の向かい合った端の近くでx方向に伸び、y方向に伸びる柔軟なリンク101によって、2つのマスに接続される。ピックオフ梁はまた、それぞれx、及びy方向に伸びる梁102、103によって、基板上で支持され、かつ基板に取り付けられたアンカー104、106に取り付けられる。
梁102、103は、ピックオフ梁98のx軸、又はy軸のいずれかに沿った平行移動を妨げるが、その一方で、それらがz軸のまわりを回転することを可能にする。センサのz軸のまわりでの回転によって生み出されるコリオリ力に応じて、一方のマスが+y方向に動き、他方が−y方向に動く時、そのような回転は生じる。ピックオフ梁の回転は、両方のマスのy方向における動きを必要とするので、その2つのマスは、検出モードにおいて、相互に結合される。
x及びy方向における平行移動に対して、ピックオフ梁に制約を加えることは、速度センサ又はジャイロの、x及びy軸に沿った加速度に対する感度を最小にする。
マス88、89は、それぞれの固有周波数で、x軸に沿って自由に振動し、及び周波数調整電極107を、2つのマスの開口部内で、基板に取り付ける。オフセット電圧、又はバイアス電圧をそれらの電極に加えて、他の実施形態に関して上で説明した方法で、望まれるように、2つのマスの共振周波数を調整することができる。
くし型フィンガ108は、ピックオフ梁からy方向に伸び、かつ、基板に固定されて、出力検出のために使用される4つの可変コンデンサ111、及び閉ループ外力フィードバック動作のためのフィードバック信号の付加において利用される、参照番号112で示される4つを形成する固定フィンガ109の8つのセットの間に、交互に挟み込まれる。
図3〜6の実施形態における、電子結合マスを駆動するための回路を、図7〜9に示す。これらの回路のどれも、それらの実施形態のいずれかで使用することができる。
図7の実施形態では、くし型フィンガ構造を、可変コンデンサ116〜119として概略的に示しており、コンデンサ116、117は、図3〜6の実施形態における駆動フィンガ39、72、96に対応しており、コンデンサ118、119は、それぞれの実施形態におけるピックアップフィンガ41、73、97に対応している。
ピックアップの信号対雑音比を高めるために、追跡信号を、ピックアップ、及び駆動コンデンサに加える。追跡信号は方形波信号から引き出され、それは、帯域通過フィルタ121によって正弦波に変換され、次に、加算接合122においてDC電圧と組み合わされ、くし型構造の構成フィンガ、又は固定フィンガに加えられる。これは、信号対雑音比について、ほぼ100:1という改善を提供する。
追跡信号は、数百KHzから数MHzの範囲内の如何なる周波数も持つことができ、図7の実施形態では、それは名目上1MHzの信号として示されている。回路の他の部分における換算係数エラーを減らすために、追跡信号の振幅を制御する。
ピックアップくし118からの信号は、トランスインピーダンス123、及び利得124から位相補償回路126までの更なる段階を通過して、x軸に沿った駆動運動の振幅、及び位相に対応する信号を提供する。次に、その信号は、混合器又は復調器127において、追跡信号で復調され、帯域通過フィルタ128を通過する。フィルタの通過帯域は、おおよそマスの共振周波数(典型的には、5〜20KHz)を中心に置き、フィルタは、追跡信号のより高次項(例えば、1MHzの高調波)を取り除いて、マスの共振周波数の信号を回復する。帯域通過フィルタはまた、その信号に、幾らかの更なる利得を提供する。
復調され、フィルタリングされた駆動振幅信号は、この実施形態では、その復調及びフィルタリングされた信号が加えられる全波整流器131を持つように示されている自動利得制御(AGC)ループ129を通過する。その信号はまた、整流器131の基準入力に加えられる方形波基準信号VC_1を提供する電圧比較器132にも、加えられる。
その整流信号は、加算接合133において、基準電圧と組み合わされる。その接合からの信号は、更なる加算接合134に加えられ、その出力は、積分器136の入力に接続される。積分器の出力は、位相進み遅れ回路137を通って、積分器の入力にフィードバックされ、加算接合133に加えられた全波整流器の出力、及び基準電圧が合計でゼロになると、固定DC電圧において安定化する。従って、駆動信号の振幅は、所定のレベルに維持される。
帯域通過フィルタ128からの信号を基準として使って、混合器138によって、積分器136からの出力信号を、ドライブくし116及びピックアップくし118と関連付けられるマス‐バネシステムの共振周波数に変調し戻し、次に、増幅器139、及び加算接合141を通して、ドライブくし116に加える。
回路の、駆動信号を他のバネ‐マスシステムに提供するための部分は、AGCループを持たないということを除いて、第1の回路と同様である。そのかわりに、回路のこの部分における帯域通過フィルタ128からの出力は、電圧比較器142に加えられ、その比較器の出力は、位相/周波数検出器回路143に加えられ、電圧比較器132からの基準信号VC_1もまた、その位相/周波数検出器回路143に加えられる。
位相/周波数検出器からの出力信号は、低域通過フィルタ144を通って、ピックアップくし118、119からの2つの入力信号間の周波数差、及び/又は位相差に比例したDC電圧を作り出す。このDC信号を、増幅器146、又はインバータ147の入力に加えて、加算接合141、148において、混合器138からの信号と組み合わされて、ドライブくし116、117にフィードバックされる正及び負の周波数調整電圧を提供する。混合器からの信号は、増幅器149を通して、加算接合148に加えられる。
周波数調整電圧において示される極性は例示でしかなく、実際には、位相/周波数検出器回路143の出力の極性によって特定される、ということに注目すべきである。しかしながら、それらは、極性について常に反対である。DC電圧を加えられた加算接合141、148のうちの一方で、これらの2つの信号の一方を構成的に加え、それにより、対応するドライブくし全体にわたって加えられるバイアス電圧を増大させる。他方の信号は、他方のドライブくしに加えられるバイアス電圧を減らすであろう。2つのくし‐フィンガ構造上のdcバイアス電圧のこの相対的な大きさの変化は、マス‐バネシステムの一方の共振周波数を減らし、他方のシステムの共振周波数を増やす傾向があり、DCバイアス電圧の増大が、駆動周波数の減少という結果になる。
閉ループ方式で作動している時、2つの分離されたマス‐バネシステムの周波数は、同じ周波数で、くし型構造に加えられた周波数調整電圧に基づく正しい位相関係で動作するように電子結合される。
上で示すように、加算接合141に加えられた駆動電圧は、増幅器149を通過した後、加算接合148にもまた加えられる。これは、2つの駆動信号が同相であることを確実にする。2つのマス‐システムを、同じ共振周波数を持つように電子的に調整すると、それらのマスは、この駆動電圧に対して、実質的に同一の応答を持ち、これにより、2つの振動するマス間の駆動運動量の均衡状態を確実にする。
2つのマス‐バネシステムの各々における、その回路の部分が、それ自身の独立したAGCループ129、150を持つという点で、図8の回路は図7の回路とは異なる。他の点では、その2つの回路は実質的に同様であり、同じ参照番号は、それらにおける対応する要素を示している。
回路のその部分内に、帯域通過フィルタ128からの信号が加えられる全波整流器151を含むという点で、AGCループ150はAGCループ129と同様である。その信号はまた、整流器151の基準入力に加えられる方形波基準信号VC_2を提供する電圧比較器152にも、加えられる。
加算接合153において、整流信号は、基準電圧と組み合わされる。その接合からの信号は、更なる加算接合154に加えられ、その出力は、積分器156の入力に接続される。積分器の出力は、位相進み遅れ回路157を通して、その積分器の入力にフィードバックされる。
対応する帯域通過フィルタ128からの信号を基準として使って、積分器156からの出力信号を、混合器158により、ドライブくし117、及びピックアップくし119と関連付けられるマス‐バネシステムの共振周波数に変調し戻し、次にそれを、増幅器149、及び加算接合148を介して、ドライブくし117に加える。
電圧比較器132、152からの基準信号VC_1、及びVC_2を、図7の実施形態と同じように機能する位相/周波数検出器143の入力に加える。周波数調整電圧を、ドライブくし16、117に加えるように示しているが、とはいえ、望まれる場合には、それらを、別個の周波数調整電極にもまた加えることができるであろう。
図9の実施形態は、図7の実施形態とほとんど同一であり、またしても、同じ参照番号は、その2つの実施形態における対応する要素を示している。しかしながら、図9の実施形態では、増幅器139、149の出力を、増幅器146、及びインバータ147からの周波数調整電圧と組合せるのではなく、ドライブくし116、117に直接加え、その周波数調整電圧(この図では、Va+、及びVa−で示される)は、ドライブくしにフィードバックされるのではなく、例えば図3及び4の電極43、44、及び図6の電極107のような、別個の周波数調整容量性要素に加えられる。望まれる場合には、図5の実施形態において、同様な電極をまた用いることもできる。
電圧Va+及びVa−を、周波数調整電極に加える前に、共通バイアス電圧(示されていない)に加えることができ、その場合、1つのマスシステムに加えられた全バイアス電圧は、他方のシステムに加えられた全バイアス電圧よりも、大きい絶対値を持つ。これは、2つのシステムの相対周波数の調整、という結果になるであろう。
本発明は、多数の重要な特徴、及び利点を持つ。さもなければ分離している、二又はそれ以上のマスの駆動、及び/又は検出モードは、電子回路を使用して、それらの共振周波数を調整することにより、電子的に相互に結合される。これは、マスシステムが全て同一の共振周波数で作動することを確実にすることを可能にし、それは、機械結合では一般的には不可能である。2‐マスシステムが変位の差分モードで作動していることより、2つの振動するマスの運動量は相殺する傾向があり、それにより、周囲の環境との不要な結合が最小化される。
特定の微小機械加工ジャイロスコープについて、本発明を説明したが、それは、さもなければ分離している振動マスを電子周波数調整により相互に結合した他の装置にも、等しく適用可能であるということを理解するであろう。その点に関して、z軸のまわりで検出が行われるジャイロスコープと同様に、y軸のまわりで回転が検出されるジャイロスコープにも、本発明は適用可能である。
振動の駆動モードにおいて振動するマス間の分離ではなく、センサの駆動モードと検出モードとの間の分離を単純に有する従来技術の装置と、本発明を混同すべきではない。そのような従来技術の装置では、モード周波数調整を使用して、検出モード周波数を駆動モード周波数と整合させる。すなわち、受動検出モード(すなわち、振動において能動的に駆動されないモード)は、振動の能動(駆動)モードとほぼ整合する。振動の際に駆動される二又はそれ以上の能動要素の調整を含んで、正確な周波数、及び位相の整合を有するという点で、電子結合は、そのような装置とは異なる。
新しく改良された速度センサ、及び方法が提供されたことが、前述より明らかである。特定の現行の好ましい実施形態のみを詳細に説明したが、その一方で、当業者には明らかであるように、以下の特許請求の範囲によって定められるような本発明の技術的範囲から逸脱することなく、いくらかの変更、及び修正を成すことができる。
Claims (33)
- 駆動軸、及び検出軸に沿って、互いに独立して動くように基板上に取り付けられた、物理的に分離された複数のマスと、
電気信号を加えて、前記マスの共振周波数を調整することにより、駆動モード及び/又は検出モードにおいて、前記マスを電子的に相互に結合する手段と、
を備えることを特徴とする、微小機械加工振動ジャイロスコープ。 - 前記マスの前記共振周波数を、同じになるように調整する
ことを特徴とする、請求項1に記載のジャイロスコープ。 - 前記マスを電子的に相互に結合する前記手段が、
前記マスの運動における如何なる周波数差、又は位相差にも対応する訂正信号を提供するための、前記軸の1つに沿った該マスの該運動に応答する手段と、
前記訂正信号を前記マスの少なくとも1つに加えて、該マスの前記共振周波数を同じにするための手段と
を含むことを特徴とする、請求項1に記載のジャイロスコープ。 - 前記訂正信号を加えるための前記手段が、前記マスに反対の極性の訂正信号を加えるための手段を含む
ことを特徴とする、請求項3に記載のジャイロスコープ。 - 前記マスの各々に取り付けられ、前記検出軸と平行な方向に延びる複数のくし型フィンガと、
前記マスに取り付けられた前記フィンガ間に挟み込まれる、更なるくし型フィンガと、
前記更なるフィンガが、前記検出軸ではなく前記駆動軸に沿って、前記マスに取り付けられた前記フィンガと協調して動くことを可能にする方法で、該更なるくし型フィンガを前記基板に取り付ける手段と、
を含むことを特徴とする、請求項1に記載のジャイロスコープ。 - 前記更なるくし型フィンガを前記基板に取り付ける前記手段が、前記検出軸に沿って延びる柔軟な梁を含む
ことを特徴とする、請求項5に記載のジャイロスコープ。 - 物理的に分離した複数のマスが、駆動軸及び検出軸に沿って、互いに独立して動くことを可能にするステップと、
電気信号を使用して、前記マスの共振周波数を調整することにより、駆動モード及び/又は検出モードにおいて、該マスを電子的に相互に結合するステップと
を含むことを特徴とする、微小機械加工振動ジャイロスコープを作動させる方法。 - 前記マスの前記共振周波数を、同じになるように調整する
ことを特徴とする、請求項7に記載の方法。 - 前記軸の1つに沿った前記マスの運動を監視し、該監視された運動における如何なる周波数差、又は位相差にも対応する訂正信号を提供し、該訂正信号を前記マスの少なくとも1つに加えて、前記マスの前記共振周波数を同じにすることにより、該マスを電子的に相互に結合する
ことを特徴とする、請求項7に記載の方法。 - 反対の極性の訂正信号を前記マスに加える
ことを特徴とする、請求項9に記載の方法。 - 複数の駆動マス、及び検出マスと、
前記駆動マスが、駆動軸に沿って、前記検出マスとは独立して動き、前記検出マスが、検出軸に沿って、前記駆動マスと協調して動くような方法で、該駆動マス及び検出マスを相互に結合する手段と、
電気信号を加えて、検出モードにおいて、前記マスの共振周波数を調整することにより、前記検出モードにおいて、該マスを電子的に相互に結合する手段と、
を備えることを特徴とする、微小機械加工振動ジャイロスコープ。 - 前記マスの前記共振周波数を、前記検出モードにおいて、同じになるように調整する
ことを特徴とする、請求項11に記載のジャイロスコープ。 - 前記マスを電子的に相互に結合する前記手段が、
前記マスの運動における如何なる周波数差、又は位相差にも対応する訂正信号を提供するための、前記検出軸に沿った該マスの該運動に応答する手段と、
前記訂正信号を前記マスの少なくとも1つに加えて、前記検出モードにおいて、該マスの前記共振周波数を同じにするための手段と、
を含むことを特徴とする、請求項11に記載のジャイロスコープ。 - 前記訂正信号を加えるための前記手段が、前記マスに反対の極性の訂正信号を加えるための手段を含む
ことを特徴とする、請求項13に記載のジャイロスコープ。 - 前記駆動マス、及び検出マスを相互に結合する前記手段が、
前記検出マスと固定アンカーとの間に接続されて、前記検出マスが前記駆動軸に沿って動くのを妨げ、前記検出軸に沿って動くことを可能にする、前記駆動軸に沿って比較的堅く、前記検出軸に沿って比較的柔軟な梁の第1のセットと、
前記駆動マス、及び前記検出マスを相互接続する、前記駆動軸に沿って比較的柔軟で、前記検出軸に沿って比較的堅い梁の第2のセットと、
を備えることを特徴とする、請求項11に記載のジャイロスコープ。 - 前記第1のセット内の前記梁は、真ん中の部分を前記アンカーに接続され、端の部分を前記検出マスに接続されており、前記第2のセット内の前記梁は、真ん中の部分を前記駆動マスに接続され、端の部分を前記検出マスに接続されている
ことを特徴とする、請求項15に記載のジャイロスコープ。 - 前記検出軸に沿った前記検出マスの動きを検出するための、該検出マスの各々と関連付けられる一対の検出コンデンサと、
各検出マスと関連付けられる前記コンデンサの一方からの出力信号を、前記対の他方のコンデンサからの出力信号から引いて、該マスにおける出力信号を獲得するための手段と、
1つの検出マスにおける前記出力信号を、他の検出マスにおける前記出力信号から引くための手段と、
を含むことを特徴とする、請求項11に記載のジャイロスコープ。 - 複数の駆動マス、及び検出マスを有する微小機械加工振動ジャイロスコープを作動させる方法であって、
前記駆動マスが、駆動軸に沿って、前記検出マスとは独立して動くことを可能にするステップと、
前記検出マスを、検出軸に沿って、前記駆動マスと協調して動くように強制するステップと、
電気信号を使って、検出モードにおいて、前記マスの共振周波数を調整することにより、前記検出モードにおいて、該マスを電子的に相互に結合するステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記マスの前記共振周波数を、駆動モードにおいて、同じになるように調整する
ことを特徴とする、請求項18に記載の方法。 - 前記検出軸に沿った前記マスの運動を監視し、該監視された運動における如何なる周波数差、又は位相差にも対応する訂正信号を提供し、前記訂正信号を前記マスの少なくとも1つに加えて、前記検出モードにおいて、前記マスの前記共振周波数を同じにすることにより、該マスを電子的に相互に結合する
ことを特徴とする、請求項18に記載の方法。 - 反対の極性の訂正信号を前記マスに加える
ことを特徴とする、請求項20に記載の方法。 - 前記検出マスの各々と関連付けられる一対の検出コンデンサで、前記検出軸に沿った該検出マスの動きを検出するステップと、
各検出マスと関連付けられる前記コンデンサの一方からの出力信号を、前記対の他方のコンデンサからの出力信号から引いて、該マスにおける出力信号を獲得するステップと、
1つの検出マスにおける前記出力信号を、他の検出マスにおける前記出力信号から引くステップと、
を含むことを特徴とする、請求項18に記載の方法。 - 分離しており、駆動軸に沿って、互いに独立して自由に動く複数のマスと、
検出軸に沿って反対の方向に動くように、前記マスを相互に結合するピックオフ梁と、
前記検出軸に沿った前記マスの動きを検出するための、前記ピックオフ梁の動きに応答する手段と、
電気信号を加えて、駆動モードにおいて、前記マスの共振周波数を調整することにより、前記駆動モードにおいて、該マスを電子的に相互に結合する手段と、
を備えることを特徴とする、微小機械加工振動ジャイロスコープ。 - 前記マスの前記共振周波数を、前記駆動モードにおいて、同じなるように調整する
ことを特徴とする、請求項23に記載のジャイロスコープ。 - 前記マスを電子的に相互に結合する前記手段が、
前記マスの運動における如何なる周波数差、又は位相差にも対応する訂正信号を提供するための、前記駆動軸に沿った該マスの該運動に応答する手段と、
前記訂正信号を前記マスの少なくとも1つに加えて、前記駆動モードにおいて、前記マスの前記共振周波数を同じにするための手段と、
を含むことを特徴とする、請求項23に記載のジャイロスコープ。 - 前記訂正信号を加えるための前記手段が、反対の極性の訂正信号を前記マスに加えるための手段を含む
ことを特徴とする、請求項23に記載のジャイロスコープ。 - 前記ピックオフ梁は、前記駆動軸、及び検出軸に対して垂直な入力軸のまわりを自由に回転し、該駆動軸、及び検出軸に沿った平行移動に対して制約される
ことを特徴とする、請求項23に記載のジャイロスコープ。 - 前記ピックオフ梁は、前記駆動軸に沿って柔軟で、前記検出軸に沿って堅い第一の梁、及び前記駆動軸に沿って堅く、前記検出軸に沿って柔軟な第二の梁上に取り付けられる
ことを特徴とする、請求項27に記載のジャイロスコープ。 - 前記第一の梁は、固定アンカーと前記ピックオフ梁との間で、前記検出軸と平行な方向に延び、前記第二の梁は、固定アンカーと前記ピックオフ梁との間で、前記駆動軸と平行な方向に延びる
ことを特徴とする、請求項28に記載のジャイロスコープ。 - 分離しており、駆動軸に沿って、互いに独立して自由に動く複数のマス、及び検出軸に沿って反対の方向に動くように、前記マスを相互に結合するピックオフ梁、を持つ微小機械加工振動ジャイロスコープを作動させる方法であって、
前記ピックオフ梁の動きを監視して、前記検出軸に沿った前記マスの動きを検出するステップと、
電気信号を加えて、駆動モードにおいて、前記マスの共振周波数を調整することにより、前記駆動モードにおいて、該マスを電子的に相互に結合するステップと、
を含むことを特徴とする方法。 - 前記マスの前記共振周波数を、前記駆動モードにおいて、同じになるように調整する
ことを特徴とする、請求項30に記載の方法。 - 前記駆動軸に沿った前記マスの運動を監視し、該監視された運動における如何なる周波数差、又は位相差にも対応する訂正信号を提供し、及び、前記マスの少なくとも1つに前記訂正信号を加えて、前記駆動モードにおいて、前記マスの前記共振周波数を同じにすることにより、該マスを電子的に相互に結合する
ことを特徴とする、請求項30に記載の方法。 - 反対の極性の訂正信号を前記マスに加える
ことを特徴とする、請求項32に記載の方法。
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