JP2008281566A - ２軸の周りの回転速度を感知するｍｅｍｓ音叉ジャイロ - Google Patents

Abstract

【課題】センサ並びに慣性測定系又はこれに類するシステムの複雑さ及びコストを低減する。
【解決手段】２軸速度感知ＭＥＭＳシステムが提供される。当該システムは、２つのプルーフマス、２つの駆動要素、２つの駆動感知要素、２つの直交する基板電極の組及び処理装置を含む。処理装置は、２つのプルーフマス、２つの駆動感知要素又は2組の基板電極と信号を通信する。処理装置は、２つのプルーフマス、２つの感知要素又は２つの基板電極から受信した信号に基いて、２つの直交軸周りの回転速度を決定する。１つの軸の周りの回転は基板の面内におけるプルーフマス動作を引き起こす。直交する軸の周りの回転はプルーフマスについての面外のプルーフマス動作を引き起こす。感知方式は、これらプルーフマス動作を個別に検出して、回転速度を推測することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は２軸の周りの回転速度を感知するＭＥＭＳ音叉ジャイロスコープシステムに関する。

多くの慣性測定システムにおいて、３つの直交軸の周りの回転を測定する必要がある。伝統的には、３つの直交軸の周りの回転速度の測定は、３つの個別のセンサ（ジャイロスコープ）により行われる。各センサは貴重なスペースを費やし、非常に敏感且つ効果な装置であるので、慣性測定システムのコストはかなり高いものとなる。

したがって、センサ並びに慣性測定システム又はこれに類するシステムの複雑さ及びコストを低減する必要がある。

本発明は、２軸ＭＥＭＳジャイロスコープシステムを提供する。本発明のシステムは、２つのプルーフマス（ｐｒｏｏｆ ｍａｓｓ）、２つの駆動要素、２つの駆動感知要素、面外プルーフマス動作を感知する２つのコリオリ（Ｃｏｒｉｏｌｉｓ）感知電極、面内プルーフマス動作を感知する２つのコリオリ感知電極及び処理装置を含む。処理装置は、上記２つのプルーフマス、駆動電極、駆動感知要素、面内コリオリ感知電極及び面外コリオリ感知電極と信号を通信する。処理装置は、２つのプルーフマス又は４つのコリオリ電極から受信した信号に基いて、２つの直交軸周りの回転速度を決定する。

２つの駆動要素及び２つの駆動感知要素は、それぞれがプルーフマスを有する櫛型キャパシタ（ｃｏｍｂ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）を形成する。
本発明の一態様において、面内コリオリ感知電極のバイアス電圧は第１の変調周波数で変調され、面外コリオリ感知電極は第２の変調周波数でバイアスされる。処理装置は、２つの既定の変調周波数に基いて、プルーフマスから受信した信号を復調する。

本発明の別の態様において、プルーフマスは所定の電圧にバイアスされる。処理装置は２組のコリオリ電極から独立した信号を受信する。

本発明の好ましい代替的な実施形態は添付の図面を参照して以下において詳細に説明される。
図１及び図２は、２つの直交軸周りの回転速度を測定する微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサ２０の一例を示す。センサ２０は、２つの音叉（ｔｕｎｉｎｇ ｆｏｒｋ）プルーフマス２４、２６、モータ電荷増幅器４４、感知電荷増幅器５０、処理装置５４及び出力装置５６を含む。プルーフマス２４、２６は、面外プルーフマス動作に敏感なコリオリ感知電極４０及び４２を含む基板より上に配置される。センサ２０はまた、面内プルーフマス動作に敏感な２つの面内コリオリ感知電極６３を含む。モータ駆動要素６０は駆動コム（ｄｒｉｖｅ ｃｏｍｂ）６２に電気的に接続される。モータ電荷増幅器４４は感知コム（ｓｅｎｓｅ ｃｏｍｂ）６４に電気的に接続される。

プルーフマス２４、２６は、Ｘ方向において共振して振動するように駆動される。プルーフマス２４、２６は、モータ駆動要素６０により、位相がずれて振動するように駆動される。プルーフマス２４、２６の反対側には、駆動感知コム６４の歯（ｔｉｎｅ）によりインターリーブされた歯が存在する。モータ電荷増幅器４４は処理装置に対してモータ信号を出力し、処理装置は、プルーフマス２４、２６が機械的な共振周波数で駆動されることを確実にするために、モータ駆動要素６０を介してモータ駆動コム６２に送信されるモータ駆動信号を生成する。

面内コリオリ感知電極６３は、Ｚ軸（モータ動作に対して直交する方向）周りの回転により引き起こされるＹ方向におけるプルーフマス２４、２６の動作に対するキャパシタンス変化の検出を可能にするために、プルーフマス２６のモータ駆動コム６２及び駆動感知コム６４とは非対称である。

第一の実施形態において、プルーフマス２４、２６の両方は、電圧信号を処理装置５４に出力する電荷増幅器５０に電気的に接続される。出力された電圧信号は処理装置５４により受信される。面内コリオリ電極６３に印加される電圧信号は第１の周波数で変調され、面外コリオリ電極４０及び４２に印加される電圧信号は第１の周波数とは異なる第２の周波数で変調される。処理装置５４は両方の変調周波数を復調する復調器を含む。これら変調周波数はセンサ２０の機械的共振からかけ離れたものとなる。処理装置５４が受信した信号を第１の周波数に基いて復調した後、処理装置５４は、復調した信号を分析して、Ｚ軸周りで回転速度が生じたか否かを決定する。次に、処理装置５４は、第２の変調周波数で受信した信号を復調して、Ｙ軸周りでの回転速度を決定する。決定された回転速度の値は、出力装置５６を介して出力される。

図３は、２つの別個の軸の周りでの回転速度を感知する別の例のシステム７０を図示する。システム７０は、図１と同じモータ駆動要素６０、プルーフマス２４、２６、電極４０ａ、４２ａ及びコム６２、６４を含む。システム７０は、電極４０ａ、４２ａ及び感知コム６３から信号を受信する処理装置７４を含む。この例において、プルーフマス２４、２６は、接地などの所定の電圧にバイアスされる。一つの実施形態において、分離した処理装置５４は、各回転軸について回転速度の値を決定する２つの別個の装置である。決定された回転速度の値は出力装置５６から出力される。

本発明の一実施形態により形成される例示的な２軸感知ジャイロシステムの平面図である。 図１のシステムの部分的な断面図である。 本発明の代替的な実施形態により形成されるセンサシステムの図である。

Claims (3)

1. ２つのプルーフマスと、
   ２つの駆動要素と、
   ２つの駆動感知要素と、
   面内プルーフマス動作を感知する２つのコリオリ感知電極及び面外プルーフマス動作を感知する２つのコリオリ感知電極を含む４つのコリオリ感知電極と、
   前記２つのプルーフマスのうち少なくとも１つ又は前記４つのコリオリ感知電極と信号を通信する処理装置であって、前記２つのプルーフマスのうち少なくとも１つ又は前記４つのコリオリ感知電極から受信した信号に基いて、２つの直交軸の周りの回転速度を決定するように構成された、処理装置とを具備し、
   前記２つの駆動要素及び前記２つの駆動感知要素はそれぞれがプルーフマスを有する櫛型キャパシタを形成し、前記処理装置は、２つの既定の変調周波数に基いて、プルーフマスから受信した信号を復調するように構成され、前記２つのコリオリ感知電極は第１の変調周波数でバイアスされ、他の２つのコリオリ感知電極は第２の変調周波数でバイアスされる、２軸ＭＥＭＳジャイロスコープシステム。
2. 前記処理装置が前記４つのコリオリ感知電極から信号を受信する場合、前記プルーフマスは所定の電圧にバイアスされる請求項１記載の２軸ＭＥＭＳジャイロスコープシステム。
3. 単一のＭＥＭＳジャイロスコープシステムにおいて２つの直交軸の周りの回転速度を決定する方法であって、
   駆動信号に基いて面内で共振するよう２つのプルーフマスを駆動するステップと、
   ２つのプルーフマスのうち少なくとも１つ、４つのコリオリ感知電極又は２つの駆動感知電極から信号を受信するステップと、
   前記受信した信号に基いて、２つの直交軸の周りの回転速度を決定するステップであって、２つの駆動要素及び前記２つの駆動感知電極がそれぞれプルーフマスを有する櫛型キャパシタを形成する、決定するステップと、
   前記４つのコリオリ感知電極のうち２つを第１の周波数で変調するステップと、
   前記４つのコリオリ感知電極のうち他の２つを第２の周波数で変調するステップとを具備し、前記回転速度を決定するステップは、前記第１及び第２の変調周波数に基いて、前記プルーフマスから受信した前記信号を復調するステップを含み、さらに、
   前記受信した信号が前記４つのコリオリ感知電極から受信される場合、前記プルーフマスを所定の電圧にバイアスするステップを具備する方法。

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