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

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。

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。

２つの分離されたマスを持つ従来技術の微小機械加工振動ジャイロスコープの、幾分概略的な上平面図である。 機械的に結合されたマスを持つ従来技術の微小機械加工振動ジャイロスコープの、幾分概略的な上平面図である。 本発明による、電子結合を持つ微小機械加工振動ジャイロスコープの様々な実施形態の、幾分概略的な上平面図である。 本発明による、電子結合を持つ微小機械加工振動ジャイロスコープの様々な実施形態の、幾分概略的な上平面図である。 本発明による、電子結合を持つ微小機械加工振動ジャイロスコープの様々な実施形態の、幾分概略的な上平面図である。 本発明による、電子結合を持つ微小機械加工振動ジャイロスコープの様々な実施形態の、幾分概略的な上平面図である。 本発明による、微小機械加工振動ジャイロスコープの振動するマス間の電子結合を提供するための回路の、ブロック図である。 本発明による、微小機械加工振動ジャイロスコープの振動するマス間の電子結合を提供するための回路の、ブロック図である。 本発明による、微小機械加工振動ジャイロスコープの振動するマス間の電子結合を提供するための回路の、ブロック図である。

Claims (33)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
14. 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。
15. 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。
16. 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。
17. 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。
18. 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。
19. 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。
20. 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。
21. 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。
22. 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。
23. 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。
24. 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。
25. 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。
26. 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。
27. 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。
28. 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。
29. 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。
30. 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。
31. 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。
32. 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。
33. 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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