JP2009244263A - 平面外ｍｅｍｓデバイスから加速度および回転を決定するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】平面外ＭＥＭＳデバイスから加速度および回転を決定するためのシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）慣性センサシステムおよび方法は、線形加速度および回転を決定するように動作させることができる。一例示的実施形態は、第１の電極対を介して第１のプルーフマスに第１の線形加速度再平衡力を加え、第２の電極対を介して第２のプルーフマスに第２の線形加速度再平衡力を加え、第３の電極対を介して第１のプルーフマスに第１のコリオリ再平衡力を加え、第４の電極対を介して第２のプルーフマスに第２のコリオリ再平衡力を加え、加えられた第１および第２の線形加速度再平衡力に対応する線形加速度を決定し、かつ、加えられた第１および第２のコリオリ再平衡力に対応する回転を決定する。
【選択図】図２

Description

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）慣性測定ユニットには、姿勢および加速度の変化を検出するための３つのジャイロスコープおよび３つの加速度計が含まれる。通常、これらの３つのジャイロスコープおよび３つの加速度計は、個別の直交軸上に取り付けられており、それぞれ独自の制御および読取りエレクトロニクスのセットを備える。これらの３つのジャイロスコープおよび３つの加速度計を正確に搭載しなければならない観点、６つの個別のユニットからの情報を処理するためには比較的大量の処理容量が必要である観点、およびこれらの３つのジャイロスコープおよび３つの加速度計に電力を供給するための電力源要件の観点から、ＭＥＭＳ慣性測定ユニットのアセンブリには固有のコストがあることは理解されよう。多くのアプリケーションには、サイズの縮小、計算要件および電力要件の軽減、ならびにＭＥＭＳ慣性測定ユニットのコストの低減が必要である。これらの制約の観点から、ＭＥＭＳ慣性測定ユニット内における検知デバイスの数を少なくすることが有利であろう。

従来のＭＥＭＳジャイロスコープを使用して、共鳴プルーフマスに加えられるコリオリの力を測定することによって角回転を決定することができる。従来のＭＥＭＳジャイロスコープには、一般的にはガラスである基板に１つまたは複数のシリコンフレクシャを使用して機械的に結合され、かつ、基板から懸垂している２つのシリコンプルーフマスが含まれる。基板の中にエッチングされた多数の凹所が、デバイスの内部部分におけるシリコン構造の選択部分の自由な前後運動を可能にする。特定の設計では、シリコン構造の上側および下側に基板を提供し、これらの２つの基板の間にプルーフマスをはさむことができる。１つまたは複数の基板上に形成された金属トレースのパターンを使用して、様々な電気バイアス電圧および信号出力をデバイスに引き渡すことができる。

多くのＭＥＭＳジャイロスコープのための駆動システムは、通常、コリオリの力が検知される方向に直角の駆動軸に沿ってプルーフマスを前後に振動させる多数の駆動エレメントを備える。特定の設計では、たとえば、駆動エレメントは、静電駆動を使用して電気エネルギーを機械エネルギーに変換するように構成された、インターディジタル型の垂直方向の多数の櫛形フィンガを備えることができる。たとえば、Ｔａｎｇらの「ＬＡＴＥＲＡＬＬＹ ＤＲＩＶＥＮ ＲＥＳＯＮＡＮＴ ＭＩＣＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ」という名称の米国特許第５，０２５，３４６号、およびＪｏｈｎｓｏｎらの「ＭＥＭＳ ＧＹＲＯＳＣＯＰＥ ＷＩＴＨ ＨＯＲＩＺＯＮＴＡＬＬＹ ＯＲＩＥＮＴＥＤ ＤＲＩＶＥ ＥＬＥＣＴＲＯＤＥＳ」という名称の米国特許第７，０３６，３７３号に、このような駆動エレメントが記載されている。これらの米国特許は、いずれも参照によりその全体が本明細書に組み込まれている。

米国特許第５，０２５，３４６号 米国特許第７，０３６，３７３号

他のタイプのＭＥＭＳデバイスを使用して、線形加速度および回転の両方を測定することができる。しかしながら、このようなＭＥＭＳデバイスは、加速度および回転（ジャイロ）応答が互いに結合され、かつ、互いに依存する開ループモードで動作する。したがって、線形加速度および回転運動の両方を独立して測定するシステムには、加速度の検知が回転の検知から分離されるよう、少なくとも２つの異なるデバイスが必要であるが、そのために複雑性が増し、かつ、コストが増加することになり得る。

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）慣性センサを使用して線形加速度および回転を決定するシステムおよび方法が開示される。一例示的実施形態は、第１のプルーフマスと、第２のプルーフマスと、第１の線形加速度再平衡力を第１のプルーフマスに加えるように動作させることができる第１の電極対と、第２の線形加速度再平衡力を第２のプルーフマスに加えるように動作させることができる第２の電極対と、第１のコリオリ再平衡力を第１のプルーフマスに加えるように動作させることができる第３の電極対と、第２のコリオリ再平衡力を第２のプルーフマスに加えるように動作させることができる第４の電極対とを有する。

他の態様によれば、一例示的実施形態は、第１の電極対を介して第１のプルーフマスに第１の線形加速度再平衡力を加え、第２の電極対を介して第２のプルーフマスに第２の線形加速度再平衡力を加え、第３の電極対を介して第１のプルーフマスに第１のコリオリ再平衡力を加え、第４の電極対を介して第２のプルーフマスに第２のコリオリ再平衡力を加え、加えられた第１および第２の線形加速度再平衡力に対応する線形加速度を決定し、かつ、加えられた第１および第２のコリオリ再平衡力に対応する回転を決定する。

他の態様によれば、他の例示的実施形態は、第１の電極対の第１の電極と第１のプルーフマスとの間の第１のキャパシタンスの変化を検知し、第１の電極対の第２の電極と第１のプルーフマスとの間の第２のキャパシタンスの変化を検知し、第２の電極対の第１の電極と第２のプルーフマスとの間の第３のキャパシタンスの変化を検知し、第２の電極対の第２の電極と第２のプルーフマスとの間の第４のキャパシタンスの変化を検知し、第３の電極対の第１の電極と第１のプルーフマスとの間の第５のキャパシタンスの変化を検知し、第３の電極対の第２の電極と第１のプルーフマスとの間の第６のキャパシタンスの変化を検知し、第４の電極対の第１の電極と第２のプルーフマスとの間の第７のキャパシタンスの変化を検知し、かつ、第４の電極対の第２の電極と第２のプルーフマスとの間の第８のキャパシタンスの変化を検知する。この実施形態は、検知した第１のキャパシタンス、検知した第２のキャパシタンス、検知した第３のキャパシタンスおよび検知した第４のキャパシタンスから線形加速度を決定するように動作することができる。また、この実施形態は、検知した第５のキャパシタンス、検知した第６のキャパシタンス、検知した第７のキャパシタンスおよび検知した第８のキャパシタンスから回転を決定するように動作することも可能である。

以下、好ましい実施形態および代替実施形態について、以下の図面を参照して詳細に説明する。

慣性センサの一実施形態の一部の電極およびプルーフマスの概念斜視図である。 慣性センサの一代替実施形態の電極およびプルーフマスの概念斜視図である。 慣性センサの一実施形態の概念側面図である。 初期化再平衡力が加えられた慣性センサの一実施形態の概念側面図である。 線形加速度が加えられた慣性センサの一実施形態の概念側面図である。 回転が加えられた慣性センサの一実施形態の概念側面図である。 慣性センサの実施形態の印加電圧および検知電圧を示す図である。 慣性センサの実施形態の印加電圧および検知電圧を示す図である。 慣性センサの実施形態の印加電圧および検知電圧を示す図である。 慣性センサの一実施形態に結合されたディジタル信号処理システムの一例示的実施態様を示すブロック図である。

慣性センサ１００の実施形態は、回転および加速度を独立して決定することができるよう、加速度の検知と回転の検知を分離する。図１は、慣性センサ１００の一実施形態の一部のブロック図である。慣性センサ１００のこの例示的部分は、線形加速度または回転のいずれかを検知するように動作させることができる。回転を検知する慣性センサ１００の他の部分については、以下で例示し、かつ、説明する。

慣性センサ１００のうちの図１に示されている部分は、第１のプルーフマス１０２（本明細書においては、左側プルーフマス１０２として交換可能に称される）および第２のプルーフマス１０４（本明細書においては、右側プルーフマス１０４として交換可能に称される）を備える。左側プルーフマス１０２は、上部検知電極１０６（本明細書においては、上部左側検知（ＵＬＳ）電極１０６として交換可能に称される）と、下部検知電極１０８（本明細書においては、下部左側検知（ＬＬＳ）電極１０８として交換可能に称される）との間に存在している。右側プルーフマス１０４は、上部検知電極１１０（本明細書においては、上部右側検知（ＵＲＳ）電極１１０として交換可能に称される）と、下部検知電極１１２（本明細書においては、下部右側検知（ＬＲＳ）電極１１２として交換可能に称される）との間に存在している。

左側プルーフマス１０２は、該左側プルーフマス１０２とＵＬＳ電極１０６の間の分離距離によって決まるキャパシタンスを画定する間隙（Ｇ_ＵＬＳ）によってＵＬＳ電極１０６から分離される。同様に、左側プルーフマス１０２は、該左側プルーフマス１０２とＬＬＳ電極１０８の間の分離距離によって決まるキャパシタンスを画定する間隙（Ｇ_ＬＬＳ）によってＬＬＳ電極１０８から分離される。線形加速または回転によって生じる、間隙Ｇ_ＵＬＳおよびＧ_ＬＬＳと結合するキャパシタンスの変化は検出が可能である。

右側プルーフマス１０４は、該右側プルーフマス１０４とＵＲＳ電極１１０の間の分離距離によって決まるキャパシタンスを画定する間隙（Ｇ_ＵＲＳ）によってＵＲＳ電極１１０から分離される。同様に、右側プルーフマス１０４は、該右側プルーフマス１０４とＬＲＳ電極１１２の間の分離距離によって決まるキャパシタンスを画定する間隙（Ｇ_ＬＲＳ）によってＬＲＳ電極１１２から分離される。線形加速または回転運動によって生じる、間隙Ｇ_ＵＲＳおよびＧ_ＬＲＳと結合するキャパシタンスの変化は検出が可能である。

プルーフマス１０２、１０４は、交流（ＡＣ）電圧が加えられると該プルーフマス１０２、１０４に「前後」運動を付与する駆動電極（図示せず）に容量結合される。駆動電極は、プルーフマス１０２、１０４を駆動軸（ｘ軸で示されている）に沿って共鳴して前後に振動させる。駆動軸およびｙ軸は、プルーフマス１０２、１０４の平面内運動を画定する。方向ベクトル１１４によって示されている左側プルーフマス１０２の運動の相対方向は、共鳴運動の半サイクルの間、方向ベクトル１１６によって示されている右側プルーフマス１０４の運動の方向とは逆方向である。したがって、図１には、互いに遠ざかる方向に移動しているプルーフマス１０２、１０４が示されている。共鳴運動の次の半サイクルの間、プルーフマス１０２、１０４は、互いに接近する方向に移動する。慣性センサ１００の実施形態は、様々な構成の駆動電極を有する、ＭＥＭＳをベースとするデバイスの中で実施することができることを理解されたい。

図２は、慣性センサ１００の一代替実施形態の電極およびプルーフマスの概念斜視図である。電極群２０２、２０４は、それぞれプルーフマス１０２、１０４の上方および下方に配向される。電極２０６、２０８、２１０および２１２は、図に示されているように左側プルーフマス１０２の上方に、該左側プルーフマス１０２から実質的に同じ距離を隔てて配向されており、間隙Ｇ_ＵＬＳを画定する。電極２１４、２１６、２１８および２２０は、図に示されているように左側プルーフマス１０２の下方に、該左側プルーフマス１０２から実質的に同じ距離を隔てて配向されており、間隙Ｇ_ＬＬＳを画定する。電極２２２、２２４、２２６および２２８は、図に示されているように右側プルーフマス１０４の上方に、該右側プルーフマス１０４から実質的に同じ距離を隔てて配向されており、間隙Ｇ_ＵＲＳを画定する。電極２３０、２３２、２３４および２３６は、図に示されているように右側プルーフマス１０４の下方に、該右側プルーフマス１０４から実質的に同じ距離を隔てて配向されており、間隙Ｇ_ＬＲＳを画定する。代替実施形態では、対応する個々のプルーフマスから異なる距離を隔ててこれらの電極を配置することができる。他の実施形態では、電極のアレイまたは複数の電極を使用して、本明細書において説明されている再平衡力のうちの１つまたは複数を加えることができる。

互いに対向する電極が電極対を形成する。たとえば電極２０６および２１４は、電極対を形成する。電極対は、以下でより詳細に説明するように、相互関係で動作させることができる。他の電極対は、電極２０８と２１６、電極２１０と２１８、電極２１２と２２０、電極２２２と２３０、電極２２４と２３２、電極２２６と２３４、および電極２２８と２３６を備える。プルーフマス１０２、１０４の各々に対して選択された一対の電極は、上で説明した電極１０６と１０８または電極１１０と１１２に対応する。プルーフマスと電極対の個々の電極との間の間隙は、それらの両端間に電圧が加えられると、検出可能なキャパシタンスになる。たとえば、電極２０８とプルーフマス１０２の間の間隙Ｇ_ＵＬＳは、第１のキャパシタンスになる。同様に、プルーフマス１０２と電極２１６の間の間隙Ｇ_ＬＬＳは、第２のキャパシタンスになる。プルーフマス１０２が移動すると、上で説明した第１および第２のキャパシタンスが変化する。このキャパシタンスの変化は、電極２０８および／または電極２１６に結合される増幅器（図示せず）からの電流の変化を検知することによって決定することができる。

図３は、慣性センサ１００の一実施形態の概念側面図である。ここでは、図に示されているプルーフマス１０２、１０４は、ｘ軸に沿って互いに整列される。フレクシャ３０２は、間隙Ｇ_ＵＬＳとＧ_ＬＬＳの間の左側プルーフマス１０２を支持する。フレクシャ３０４は、間隙Ｇ_ＵＲＳとＧ_ＬＲＳの間の右側プルーフマス１０４を支持する。フレクシャ３０２および３０４はアンカー３０６に取り付けられる。この例示的実施形態では、アンカー３０６は下部基板３０８に取り付けられるが、代替実施形態では、上部基板３１０にアンカー３０６を取り付けることができ、あるいは両方の基板３０８、３１０にアンカー３０６を取り付けることができる。フレクシャ３０２、３０４は、プルーフマス１０２、１０４が駆動電極（図示せず）によって駆動されると、プルーフマス１０２、１０４が共鳴するよう、ばね様の特性を有する可撓性部材である。

他の実施形態では、上部基板３１０にアンカー３０６を取り付けることができる。いくつかの実施形態は、プルーフマス１０２、１０４をＭＥＭＳデバイス内の様々なアンカーポイントに結合するための複数のフレクシャを使用することができる。いくつかの実施形態では、フレクシャ３０２、３０４を異なるアンカーに接続することができる。

慣性センサ１００の例示的実施形態では、プルーフマス１０２、１０４は、間隙Ｇ_ＵＬＳとＧ_ＬＬＳ、および間隙Ｇ_ＵＲＳとＧ_ＬＲＳが互いに等しくなるように懸垂されている。したがって、プルーフマス１０２、１０４および図に示されている電極と結合する上部キャパシタンスおよび下部キャパシタンスは実質的に等しい（互いに対して）。たとえば、電極２０６、２１４、２２８および２３６の表面積および他の特性が実質的に同じであると仮定すると、電極２０６と左側プルーフマス１０２の間のキャパシタンス、電極２１４と左側プルーフマス１０２の間のキャパシタンス、電極２２８と右側プルーフマス１０４の間のキャパシタンス、および電極２３６と右側プルーフマス１０４の間のキャパシタンスは実質的に同じである。代替実施形態では、互いに異なるキャパシタンスにすることができる。

プルーフマス１０２、１０４は、図に示されているｚ軸に沿った方向の線形加速度によって、共に同じ方向に実質的に同じ速度でおよび／または距離を移動する。この運動は、本明細書においては、「コモンモード」の運動と呼ばれている。プルーフマス１０２、１０４のこのコモンモード運動により、間隙Ｇ_ＵＬＳとＧ_ＵＲＳの両端間の電極対の電極−プルーフマスキャパシタンスが実質的に同じ量だけ変化し、また、間隙Ｇ_ＬＬＳとＧ_ＬＲＳの両端間の電極対の電極−プルーフマスキャパシタンスが実質的に同じ量だけ変化する。つまり、上部間隙および下部間隙（Ｇ_ＵＲＳ、Ｇ_ＬＲＳ、Ｇ_ＵＬＳおよびＧ_ＵＲＳ）が同じである（つまり平衡している）と仮定すると、間隙Ｇ_ＵＬＳとＧ_ＵＲＳの両端間の電極対の変化したキャパシタンスの大きさ、および間隙Ｇ_ＬＬＳとＧ_ＬＲＳの両端間の電極対の変化したキャパシタンスの大きさは実質的に同じである。間隙Ｇ_ＵＬＳ、Ｇ_ＬＬＳ、Ｇ_ＵＲＳおよびＧ_ＬＲＳが不平衡である場合、プルーフマス１０２、１０４を移動させ、これらのキャパシタンスを変化させる力がほぼ等しいため、上部キャパシタンスは実質的に同じ量だけ変化し、また、下部キャパシタンスも実質的に同じ量だけ変化する。線形加速度は、検知されたコモンモードキャパシタンス変化から決定することができる。

さらに、プルーフマス１０２、１０４は、図に示されているｙ軸の周りの方向の回転によって、逆の方向のｚ方向に実質的に同じ速度でおよび／または距離を移動する。この運動は、本明細書においては、「差動モード」の運動と呼ばれている。プルーフマス１０２、１０４のこの差動モード運動は、コリオリの力によって生じる。プルーフマス１０２、１０４のこの差動モード運動（逆方向の運動）により、間隙Ｇ_ＵＬＳとＧ_ＬＲＳの両端間の電極対の実質的に同じ大きさの電極−プルーフマスキャパシタンス変化が生じ、また、間隙Ｇ_ＬＬＳとＧ_ＵＲＳの両端間の電極対の実質的に同じ大きさの電極−プルーフマスキャパシタンス変化が生じる。回転は、検知された差動モードキャパシタンス変化から決定することができる。

上で指摘したように、慣性センサ１００の実施形態によれば、回転および加速度が独立して検知され、かつ、決定されるよう、加速度の検知と回転の検知との間で分離される。また、好ましい実施形態では、コリオリの力から９０度位相が外れた直角力が同じく加速度およびコリオリの力から分離される。したがって、線形加速度、コリオリの力および／または直角力に対する再平衡力が電極対に個別に加えられ、それにより、間隙Ｇ_ＵＬＳ、Ｇ_ＬＬＳ、Ｇ_ＵＲＳおよびＧ_ＬＲＳの両端間の対応する個々の電極対と結合したキャパシタンスが実質的に整合するよう、プルーフマス１０２、１０４の位置が固定位置に維持される。したがって、プルーフマス１０２とプルーフマス１０４の位置間に不平衡が生じると（間隙Ｇ_ＵＬＳ、Ｇ_ＬＬＳ、Ｇ_ＵＲＳおよびＧ_ＬＲＳの両端間の電極対の電極−プルーフマスキャパシタンス変化から検出することができる）、プルーフマス１０２、１０４が自動的に中心に位置するように再平衡力が動作する。

コリオリ再平衡力は、選択された電極対によってプルーフマス１０２に加えられる。また、コリオリ再平衡力は、選択された他の電極対によってプルーフマス１０４にも加えられる。加えられるコリオリ再平衡力は、慣性センサ１００が回転している間にプルーフマス１０２、１０４を自動的に中心に位置させる。必要なコリオリ再平衡力の大きさは回転の量に対応する。同様に、加えられる線形加速度再平衡力は、慣性センサ１００が線形加速している間にプルーフマス１０２、１０４を自動的に中心に位置させる。必要な線形加速度再平衡力の大きさは線形加速度の量に対応する。線形加速度再平衡力は、選択された電極対に加えられる直流（ＤＣ）電圧によって提供されるため、線形加速度再平衡力は、コリオリ再平衡力から微分することができる。つまり、線形加速度（ｚ軸方向の時間変化加速力を誘導する）は、回転（プルーフマス１０２、１０４の駆動周波数で変調される力を誘導する）とは異なるため、線形加速度再平衡力およびコリオリ再平衡力を個別に決定することができる。

図４は、ベクトル４０２で示されている初期化再平衡力４０２が加えられた慣性センサ１００の一実施形態の概念側面図である。選択された電極は、対応する個々のプルーフマス１０２、１０４に初期化再平衡力を加えるように動作することができる。したがって間隙Ｇ_ＵＬＳ、Ｇ_ＬＬＳ、Ｇ_ＵＲＳおよびＧ_ＬＲＳは、互いに等しくなるように設定することができ、あるいは所望の値に設定することができる。

たとえば、図４に概念的に示されているように、左側プルーフマス１０２は、慣性センサ１００を製造している間は必ずしも電極と電極の間のその理想的な設計位置４０４にある必要はない。ここでは、図に示されている左側プルーフマス１０２は非理想位置４０６に存在しており、したがって間隙Ｇ_ＵＬＳおよびＧ_ＬＬＳは実質的に等しくない。左側プルーフマス１０２の非理想位置４０６は、たとえ製造の観点からは許容可能であっても、線形加速度および／または回転運動の検出に不正確性を付与するために、設計および／または製造公差の結果として理想位置４０４とは全く異なってもよい。ベクトル４０２で図に示されている初期化再平衡力は、選択された１つまたは複数の電極によって加えることができ、それにより左側プルーフマス１０２をその理想設計位置４０４に再配置することができ、あるいはその直近に再配置することができる。初期化再平衡力は、プルーフマスをその理想位置に配置するために必要な初期化再平衡の量に応じて、同じ力にすることもあるいは独自の力にすることも可能である。初期化再平衡力は、選択された電極に加えられる直流バイアスによるものであることが好ましい。初期化再平衡力は、慣性センサ１００の使用に先立って、たとえば製造後におけるベンチ試験などによって決定することができる。

図５は、加速度ベクトル５０２（負のｚ軸方向の運動に対応する）によって示されている線形加速度が加えられた慣性センサ１００の一実施形態の概念側面図である。慣性力（ベクトル５０４で示されている）は、プルーフマス１０２、１０４に加えられている。したがってプルーフマス１０２、１０４は、加速期間中、上部基板３１０に向かって移動する。フレクシャ３０２、３０４は、加速が停止すると、プルーフマス１０２、１０４をそれらの初期位置（図３参照）に復帰させるように動作する。

上で説明したプルーフマス１０２、１０４のコモンモード運動により、それぞれ、間隙Ｇ_ＵＬＳとＧ_ＬＬＳの両端間の電極対の電極−プルーフマスキャパシタンスが実質的に同じ量だけ変化し、また、間隙Ｇ_ＵＲＳとＧ_ＬＲＳの両端間の電極対の電極−プルーフマスキャパシタンスが実質的に同じ量だけ変化する。つまり、間隙Ｇ_ＵＬＳとＧ_ＵＲＳの両端間の電極対の変化した電極−プルーフマスキャパシタンスの大きさと、間隙Ｇ_ＬＬＳとＧ_ＬＲＳの両端間の電極対の変化した電極−プルーフマスキャパシタンスの大きさは実質的に同じである。プルーフマス１０２、１０４の運動に応答して、選択された電極対を介して線形加速度再平衡力を加え、それによりプルーフマス１０２、１０４をそれらの元の位置に再配置することができる。線形加速度は、加えられた線形加速度再平衡力の量および／または検知されたコモンモードキャパシタンス変化から決定することができる。

図６は、回転ベクトル６０２（ｙ軸の周りの回転運動に対応する）で示されている回転が加えられた慣性センサ１００の一実施形態の概念側面図である。ベクトル６０４および６０６で示されている慣性力は、それぞれプルーフマス１０２、１０４に加えられている。したがってプルーフマス１０２は、回転期間中、上部基板３１０に向かって移動し、また、プルーフマス１０４は、回転期間中、下部基板３０８に向かって移動する。フレクシャ３０２、３０４は、回転が停止すると、プルーフマス１０２、１０４をそれらの初期位置（図３参照）に復帰させるように動作する。

上で説明したプルーフマス１０２、１０４の差動モード運動により、間隙Ｇ_ＵＬＳ、Ｇ_ＬＬＳ、Ｇ_ＵＲＳおよびＧ_ＬＲＳの両端間の電極対の電極−プルーフマスキャパシタンスが検出可能に変化する。間隙Ｇ_ＵＬＳとＧ_ＬＲＳの両端間の電極対の変化した電極−プルーフマスキャパシタンスの大きさと、間隙Ｇ_ＬＬＳとＧ_ＵＲＳの両端間の電極対の変化した電極−プルーフマスキャパシタンスの大きさは実質的に同じである（間隙Ｇ_ＵＲＳ、Ｇ_ＬＲＳ、Ｇ_ＵＬＳおよびＧ_ＵＲＳが初期平衡していると仮定して）。プルーフマス１０２、１０４の運動に応答して、選択された電極対を介してコリオリ再平衡力を加え、それによりプルーフマス１０２、１０４をそれらの元の位置に再配置することができる。回転は、加えられたコリオリ再平衡力および／または検知された差動モードキャパシタンス変化から決定することができる。

図７は、図１に示されている慣性センサ１００の一実施形態の一部の印加電圧および検知電圧を示したものである。電極対１０６および１０８によって加えられる電圧Ｖ_ＵＬＳ、Ｖ_ＬＬＳ、および電極対１１０および１１２によって加えられる電圧Ｖ_ＵＲＳ、Ｖ_ＬＲＳは、部分的に線形加速度再平衡力に対応する。

加えられる電圧は、線形加速度再平衡化、回転検知バイアス化および加速度検知ピックオフの３つの機能を提供する３つの成分を有する。加えられる上部左側検知プレート電圧（Ｖ_ＵＬＳ）は、次の式（１）によって定義することができる。

Ｖ_ＵＬＳ＝−Ｖ_ＳＢ−Ｖ_Ａ＋Ｖ_Ｐｓｉｎ（ω_Ｐｔ）
（１）
上式で、Ｖ_ＳＢは、印加される検知バイアスの電圧（直流バイアス電圧）であり、Ｖ_Ａは、加えられる線形加速度再平衡力の電圧であり、Ｖ_Ｐは、印加される交流ピックオフ電圧であり、また、ω_Ｐは、印加される交流ピックオフ電圧Ｖ_Ｐの周波数である。電流ｉ_ＳＰＯは、プルーフマス１０２、１０４の位置における不平衡によって生じる。

印加される下部左側検知プレート電圧（Ｖ_ＬＬＳ）、加えられる上部右側検知プレート電圧（Ｖ_ＵＲＳ）および印加される下部右側検知プレート電圧（Ｖ_ＬＲＳ）は、それぞれ次の式（２）、（３）および（４）によって定義することができる。

Ｖ_ＬＬＳ＝Ｖ_ＳＢ−Ｖ_Ａ−Ｖ_Ｐｓｉｎ（ω_ｐｔ）
（２）
Ｖ_ＵＲＳ＝Ｖ_ＳＢ＋Ｖ_Ａ＋Ｖ_Ｐｓｉｎ（ω_ｐｔ）
（３）
Ｖ_ＬＲＳ＝−Ｖ_ＳＢ＋Ｖ_Ａ−Ｖ_Ｐｓｉｎ（ω_ｐｔ）
（４）
増幅器システム７０２は、プルーフマス１０２、１０４からの電圧および／または電流を検出するために通信結合される。増幅器システム７０２の出力は、検知されるピックオフ電圧Ｖ_ＳＰＯに対応する。Ｖ_ＳＰＯは、次の式（５）によって定義することができる。

Ｖ_ＳＰＯ＝［Ｖ_Ω・ｃｏｓ（ω_ｍｔ）］＋［Ｖ_Ｑ・ｓｉｎ（ω_ｍｔ）］＋［Ｖ_ＣＭ・ｓｉｎ（ω_Ｐｔ）］
（５）
上式で、Ｖ_Ωは、Ｖ_ＳＰＯのうちの回転運動に比例する部分であり、Ｖ_ＱはＶ_Ωの直角成分であり、Ｖ_ＣＭは、Ｖ_ＳＰＯのうちのコモンモード運動（線形加速度によって生じる）に比例する部分であり、また、ω_ｍは、加えられる電動機周波数である。

図８は、慣性センサ１００の実施形態の印加電圧および検知電圧を示したものである。上で説明した、電極対２０８、２１６によってプルーフマス１０２に加えられ、また、電極対２２６、２３４によってプルーフマス１０４に加えられる線形加速度再平衡力に対応する印加電圧Ｖ_ＵＬＳ、Ｖ_ＬＬＳ、Ｖ_ＵＲＳおよびＶ_ＬＲＳが含まれる。他の実施形態は、選択される、異なる電極を使用して線形加速度再平衡力を加えることができる。いくつかの実施形態では、電極２０８、２１６、２２６および２３４を使用して、プルーフマス１０２、１０４のコモンモード運動および／または差動モード運動を検知するために使用される電流（または電圧）を注入することができる。

電極対２１０、２１８は、プルーフマス１０２にコリオリ再平衡力を提供する。同様に、電極対２２４、２３２は、プルーフマス１０４にコリオリ再平衡力を加える。プルーフマス１０２に加えられるコリオリ再平衡力は、プルーフマス１０４に加えられるコリオリ再平衡力に対して、その方向が逆で、大きさが同じであることが好ましい。他の実施形態は、選択される、異なる電極を使用してコリオリ再平衡力を加えることができる。

電極２１０によって加えられるＶ_ＣＵＬに対応するコリオリ再平衡力は、次の式（６）によって定義することができる。
Ｖ_ＣＵＬ＝Ｖ_ＣＯＲｓｉｎ（ω_ｍｔ／２）
（６）
上式で、Ｖ_ＣＯＲはコリオリ電圧であり、また、ω_ｍｔ／２は、プルーフマス１０２、１０４の電動機周波数の半分の周波数である。

電極２１８によって加えられるＶ_ＣＬＬに対応するコリオリ再平衡力、電極２２４によって加えられるＶ_ＣＵＲに対応するコリオリ再平衡力、および電極２３２によって加えられるＶ_ＣＬＲに対応するコリオリ再平衡力は、それぞれ次の式（７）、（８）および（９）によって定義することができる。

Ｖ_ＣＬＬ＝Ｖ_ＣＯＲｃｏｓ（ω_ｍｔ／２）
（７）
Ｖ_ＣＵＲ＝Ｖ_ＣＯＲｃｏｓ（ω_ｍｔ／２）
（８）
Ｖ_ＣＬＲ＝Ｖ_ＣＯＲｓｉｎ（ω_ｍｔ／２）
（９）
いくつかの実施形態は、任意選択の電極２０６、２１４、２２８および２３６を介して任意選択の直角再平衡力を加えることができる。この直角再平衡力は、プルーフマス１０２、１０４の誘導電動機の運動に比例する。図２〜９に示されている例示的実施形態では、直角再平衡力を加えるために使用される４つの電極が示されている（プルーフマス１０２、１０４の各々の末端に）。代替実施形態では、プルーフマス１０２、１０４の各々に対して単一の電極対を使用して直角再平衡力を加えることができる。単一の直角再平衡電極対は、そのプルーフマス１０２、１０４に対して適切な任意の位置に配置することができる。代替実施形態では、直角再平衡電極は任意選択であり、あるいは直角再平衡電極は使用されていない。

図９は、慣性センサ１００の一代替実施形態の印加電圧および検知電圧を示したものである。電極２０８、２１６、２２６および２３４は、対応する個々の電極の電圧を検知すなわちピックオフするために、それぞれピックオフ増幅器システム９０２、９０４、９０６および９０８に結合される。この実施形態によれば、プルーフマス１０２、１０４に注入される、望ましくない寄生力が加えられる原因になることがある寄生信号を補償することができる。つまり、寄生項の周波数がより高くなる（ω_Ｐ＋ω_ｍ／２）ため、回転力と線形加速力との間の寄生結合効果を抑制することができる。

増幅器システム９０２は信号Ｖ_ＵＬＳＰを出力する。増幅器システム９０４、９０６および９０８は、それぞれ信号Ｖ_ＬＬＳＰ、Ｖ_ＵＲＳＰおよびＶ_ＬＲＳＰを出力する。回転出力Ｖ_ＲＡＴＥは、増幅器システム９０２、９０４、９０６および９０８の出力から次の式（１０）に従って導き出すことができる。

Ｖ_ＲＡＴＥ＝Ｖ_ＵＬＳＰ＋Ｖ_ＬＲＳＰ−Ｖ_ＬＬＳＰ−Ｖ_ＵＲＳＰ
（１０）
図１０は、慣性センサ１００の一実施形態に結合された処理システム１００２の一例示的実施態様を示すブロック図である。一例示的実施形態では、処理システムはディジタル信号処理（ＤＳＰ）エレクトロニクスシステムである。処理システム１００２は、特定のアプリケーションに応じて、アナログとして、ディジタルシステムとして、またはそれらの組合せとして実施することができ、また、ソフトウェア、ハードウェア、またはハードウェアとソフトウェアの組合せとして実施することができる。

増幅器システム７０２は、検知したピックオフ電圧Ｖ_ＳＰＯを処理システム１００２に提供する。復調器１００４、１００６および１００８は、Ｖ_ＳＰＯの交流部分をストリップオフすることによってＶ_ＳＰＯを復調する。復調器１００４に加えられる９０度クロックおよび復調器１００６に加えられる０度クロックは、異なる位相（それぞれ９０度および０度）における乗算された電動機信号に対応する。

低域通過フィルタ１０１０は、復調器１００４の出力を処理し、比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラ１０１２にコリオリ出力信号を出力する。低域通過フィルタ１０１４およびＰＩＤコントローラ１０１６は、復調器１００６の出力を処理し、直角出力信号を出力する。低域通過フィルタ１０１８およびＰＩＤコントローラ１０２０は、復調器１００８の出力を処理し、コモンモードキャパシタンス不平衡に対応する加速出力信号を出力する。これらの出力信号を使用して、上で説明した線形加速度再平衡力に対応する出力Ｖ_ＵＬＳ、Ｖ_ＬＬＳ、Ｖ_ＵＲＳおよびＶ_ＬＲＳが生成され、また、これらの出力信号を使用して、上で説明したコリオリ再平衡力に対応する出力Ｖ_ＣＵＬ、Ｖ_ＣＬＬ、Ｖ_ＣＵＲおよびＶ_ＣＬＲが生成される。

線形加速度および回転を検知し、かつ、決定するように動作させることができる慣性センサ１００の実施形態は、慣性測定ユニットの中に組み込むことができる。１つの慣性センサ１００が線形加速度および回転を検知するため、従来の慣性測定ユニットに使用されている３つのジャイロスコープおよび３つの加速度計の代わりに３つの慣性センサ１００を使用して１つの慣性測定ユニットを構築することができる。したがって、使用されるコンポーネントがより少なくなるため、コストおよび／またはサイズを低減することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について例示し、かつ、説明したが、上で指摘したように、本発明の精神および範囲を逸脱することなく多くの変更を加えることができる。したがって本発明の範囲は、この好ましい実施形態の開示によっては制限されない。そうではなく、本発明は、以下の特許請求の範囲を参照することによって完全に決定されるものとする。

１００ 慣性センサ
１０２ 第１のプルーフマス（左側プルーフマス）
１０４ 第２のプルーフマス（右側プルーフマス）
１０６ 上部検知電極
１０８ 下部検知電極
１１０ 上部検知電極
１１２ 下部検知電極
２０２、２０４ 電極群
３０２、３０４ フレクシャ
３０６ アンカー
３０８ 下部基板
３１０ 上部基板
４０２ 初期化再平衡力
７０２ 増幅器システム
９０２、９０４、９０６、９０８ ピックオフ増幅器システム
１００２ 処理システム
１００４、１００６、１００８ 復調器
１０１０、１０１４、１０１８ 低域通過フィルタ
１０１２、１０１６、１０２０ 比例積分微分（ＰＩＤ）コントローラ

Claims (4)

1. 線形加速度および回転を決定するための微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）慣性センサ（１００）であって、
   第１のプルーフマス（１０２）と、
   第２のプルーフマス（１０４）と、
   第１の線形加速度再平衡力を前記第１のプルーフマスに加えるように動作させることができる第１の電極対（１０６、１０８）と、
   第２の線形加速度再平衡力を前記第２のプルーフマスに加えるように動作させることができる第２の電極対（１１０、１１２）と、
   第１のコリオリ再平衡力を前記第１のプルーフマスに加えるように動作させることができる第３の電極対（２１０、２１８）と、
   第２のコリオリ再平衡力を前記第２のプルーフマスに加えるように動作させることができる第４の電極対（２２４、２３２）と
   を備えたＭＥＭＳ慣性センサ。
2. 加えられた前記第１および第２の線形加速度再平衡力から線形加速度を決定するように動作させることができ、かつ、加えられた前記第１および第２のコリオリ再平衡力から回転を決定するように動作させることができる処理システム（１００２）
   をさらに備えた、請求項１に記載のＭＥＭＳ慣性センサ。
3. 前記第１のプルーフマスおよび前記第２のプルーフマスに通信結合された、ピックオフ電圧Ｖ_ＳＰＯを出力するように動作させることができる増幅器システム（７０２）をさらに備え、
   前記第１の電極対の第１の電極に加えられる再平衡電圧Ｖ_ＵＬＳを前記ピックオフ電圧Ｖ_ＳＰＯから決定することができ、
   前記第１の電極対の第２の電極に加えられる再平衡電圧Ｖ_ＬＬＳを前記ピックオフ電圧Ｖ_ＳＰＯから決定することができ、
   前記第２の電極対の第１の電極に加えられる再平衡電圧Ｖ_ＵＲＳを前記ピックオフ電圧Ｖ_ＳＰＯから決定することができ、
   前記第２の電極対の第２の電極に加えられる再平衡電圧Ｖ_ＬＲＳを前記ピックオフ電圧Ｖ_ＳＰＯから決定することができ、
   前記第１の電極対の前記第１の線形加速度再平衡力がＶ_ＵＬＳおよびＶ_ＬＬＳに対応し、かつ、前記第２の電極対の前記第２の線形加速度再平衡力がＶ_ＵＲＳおよびＶ_ＬＲＳに対応する、請求項１に記載のＭＥＭＳ慣性センサ。
4. 前記第１の電極対の前記第１の電極に通信結合された、電圧Ｖ_ＵＬＳＰを出力するように動作させることができる第１のピックオフ増幅器システム（９０２）と、
   前記第１の電極対の前記第２の電極に通信結合された、電圧Ｖ_ＬＬＳＰを出力するように動作させることができる第２のピックオフ増幅器システム（９０４）と、
   前記第２の電極対の前記第１の電極に通信結合された、電圧Ｖ_ＵＲＳＰを出力するように動作させることができる第３のピックオフ増幅器システム（９０６）と、
   前記第２の電極対の前記第２の電極に通信結合された、電圧Ｖ_ＬＲＳＰを出力するように動作させることができる第４のピックオフ増幅器システム（９０８）と、
   をさらに備えた、請求項３に記載のＭＥＭＳ慣性センサ。

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