JP2015072277A - 磁気感度が低減されたｍｅｍｓジャイロスコープ - Google Patents

磁気感度が低減されたｍｅｍｓジャイロスコープ Download PDF

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Abstract

【課題】傾斜磁場に感応しないようにする。
【解決手段】音叉式ジャイロスコープ１００は、導電性サスペンション１３３、１３４を
介して基板１２９に連結されたアンカー１４４、１４５と接続される第１導電性プルーフ
マス１１０及び第２導電性プルーフマス１２０を備えている。第１の導電性プルーフマス
の対向する２つの端１１１、１１２及び第２の導電性プルーフマスの対向する２つの端１
２１、１２２に電気抵抗中間ポイント１７１が電気的に接続されており、該中間ポイント
を介して、音叉式ジャイロスコープから感知電荷増幅器１３０に信号を提供し、感知電荷
増幅器から、音叉式ジャイロスコープの回転を示す出力信号Voutを発生する。中間ポイン
トでは傾斜磁場の影響がキャンセルされるので、出力信号には、傾斜磁場によるノイズが
含まれていない。
【選択図】図１Ｃ

Description

本発明は、ＭＥＭＳジャイロスコープの磁気感度低減に関する。なお、本発明は、２０
０９年３月３０日付提出の米国仮特許出願第６１／１６４，６６２号の利益を主張するも
のであり、その内容全体を参照によって、ここに援用する。
音叉振動式（tuning fork vibratory）の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロ
スコープは、傾斜磁場に感応してしまうが、それは傾斜磁場内のプルーフマスのモータ運
動によって誘導される起電力（emf）に起因する。ＭＥＭＳジャイロスコープを傾斜磁場
に感応しないようにすることで、回転レートの計測における誤差を最小限に抑え、その結
果として、透過性磁性材料をＭＥＭＳジャイロスコープのパッケージングに使用できるよ
うにすることが望まれている。
本発明は、傾斜磁場に感応しない音叉式ジャイロスコープに関する。該音叉式ジャイロ
スコープは、導電性サスペンションを介して、１又は複数の絶縁基板に連結されたアンカ
ーと接続される、第１の導電性プルーフマス及び第２の導電性プルーフマスを備え、且つ
、第１の導電性プルーフマスの対向端及び第２の導電性プルーフマスの対向端とに電気的
に接続された電気抵抗中間ポイントを備えている。該音叉式ジャイロスコープは、感知電
荷増幅器に入力を提供する。感知電荷増幅器は、音叉式ジャイロスコープの回転を示す出
力信号を発生する。該出力信号は、傾斜磁場の影響を受けていない。
外部印加磁場における透過性磁性材料例、及び誘導磁場を示す図である。 図１ＡのZ方向における全磁場の勾配を、Ｘ軸上の位置の関数として示す図である。 本発明に係る音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープの一実施形態のブロック図である。 図１Ｃの音叉式ジャイロスコープの断面図を、感知電荷増幅器への接続の概念説明図とともに示す図である。 傾斜磁場例におけるプルーフマスに関する一実施形態の側面図である。 図１Ｃの音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープの集中回路の一実施形態である。 本発明に係る音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープの集中回路の一実施形態である。 図５の音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープの実施形態のブロック図である。 本発明に係る、電気抵抗中間ポイントを有する外面(out-of-plane)式の音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープの一実施形態のブロック図である。 従来例の音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープのブロック図である。 本発明に係る磁場勾配計の一実施形態のブロック図である。 本発明に係る磁場勾配計の一実施形態のブロック図である。 本発明に係る、傾斜磁場の存在下での音叉式ジャイロスコープの出力におけるバイアスを低減又は除去するための方法の一実施形態のフロー図である。
現在利用可能な音叉振動式ジャイロスコープは、傾斜磁場に感応してしまう。透過性磁
性材料が、ジャイロスコープのセンサ付近又はジャイロスコープのパッケージ内にある場
合、一様な印加磁場が透過性材料を帯磁させてしまい、それによって今度は、ジャイロス
コープのセンサで傾斜磁場dBz/dxが発生してしまう。図１Ａは、外部印加磁場Bext（平行
矢印で図示）における透過性磁性材料１５、及び誘導磁場B（曲線矢印で図示）を示す図
である。図１Ｂは、図１ＡのZ方向Bzにおける全磁場の勾配を、Ｘ軸上の位置の関数とし
て示す図である。ジャイロスコープのセンサの傾斜磁場dBz/dxに対する感度は、音叉振動
式の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープ等の小型のジャイロスコープで
あるほど高くなってしまう。
場合によっては、音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープがパッケージングに透過性磁性材料
を含んでいることがある。例えば、コバール（kovar）は、優れた低熱膨張性及び頑丈な
機械特性を有する透過性磁性材料である。それゆえ、コバールは音叉振動式ＭＥＭＳジャ
イロスコープ、関連する電子機器、及びガラス−金属封着のためのパッケージに用いられ
る。透過性磁性材料（例：コバール）が含まれている音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープの
パッケージは、図１Ａ及び１Ｂに示されるように、一様な印加磁場の存在下において、音
叉式センサメカニズムで傾斜磁場dBz/dxを生成しやすい。
図８は、従来例の音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ５のブロック図である。従来技術の
音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ５に関しては、傾斜磁場dBz/dx内で導電性プルーフマス
が移動すると、傾斜磁場dBz/dxによって、感知電荷増幅器３０で出力信号Voutが生成され
る。出力信号Voutによって、従来例の音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ５の磁場環境によ
って変化する、不所望のバイアスシフトが生じてしまう。バイアスシフトは、音叉式ＭＥ
ＭＳジャイロスコープのパッケージ内又は付近にある透過性磁性材料の磁化にヒステリシ
スがある場合は、再生不可能な状態に変化してしまう。感知電荷増幅器３０における傾斜
磁場に誘導されたバイアスは、従来例の音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ５では、エラー
出力及び／又は不整合出力を招く結果となる。
音叉式ジャイロスコープは、導電性サスペンションを介して、１又は複数の絶縁基板に
連結されたアンカーと接続される、第１の導電性プルーフマス及び第２の導電性プルーフ
マスを備えている。第１の導電性プルーフマス及び第２の導電性プルーフマスには、誘導
されたemfによって電位差が生じる。本明細書に記載の実施形態では、音叉式ジャイロス
コープの傾斜磁場dBz/dxに対する感度は、第１導電性プルーフマスの対向端及び第２導電
性プルーフマスの対向端に、電気抵抗中間ポイントを電気的に接続することによって、実
質的に低減又は排除される。本明細書で説明するが、電気抵抗中間ポイントとは、第１導
電性プルーフマスの対向端からの接続の電気抵抗が互いに等しく、且つ該電気抵抗が、第
２導電性プルーフマスの対向端からの接続の電気抵抗とも等しい点のことである。一実施
形態では、電気抵抗中間ポイントは、音叉式ジャイロスコープのプルーフマスの２つの端
部にあるアンカーの間の、低抵抗の固定電気接続上のポイントである。
図１Ｃは、本発明に係る音叉式ジャイロスコープ１００の一実施形態のブロック図であ
る。図２は、図１Ｃの音叉式ジャイロスコープ１００の断面図を、感知電荷増幅器１３０
への接続とともに示している。図２の断面図は、図１Ｃの切断線２−２におけるものであ
る。この実施形態では、音叉式ジャイロスコープ１００は音叉式微小電気機械システム（
ＭＥＭＳ）ジャイロスコープ１００である。音叉式ジャイロスコープ１００は、本明細書
では「ジャイロスコープ１００」及び「ＭＥＭＳジャイロスコープ１００」とも称される
。
図１Ｃに示されるように、音叉式ジャイロスコープ１００は、図１Ａ及び図１Ｂに示さ
れる傾斜磁場dBz/dx内に位置している。図示の例では、磁場B1のZ成分は、第１導電性プ
ルーフマス１１０に入射しており、磁場B2のZ成分は、第２導電性プルーフマス１２０に
入射している。
音叉式ジャイロスコープ１００は、第１導電性プルーフマス１１０及び第２導電性プル
ーフマス１２０を備えている。図１Ｃの電気抵抗中間ポイント１７１は、第１導電性プル
ーフマス１１０の端１１２からの接続体の電気抵抗が、第１導電性プルーフマス１１０の
端１１１からの接続体の電気抵抗と等しいポイントであり、該電気抵抗はまた、第２導電
性プルーフマス１２０の端１２２からの接続体の電気抵抗と等しく、さらに、第２導電性
プルーフマス１２０の端１２１からの接続体の電気抵抗とも等しいものである。
音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１００の第１導電性プルーフマス１１０及び第２導電
性プルーフマス１２０は、モータモード（音叉共鳴モード:tuning fork resonant mode）
において、X軸に沿って、相対する速度+Vx及び-Vxで移動する。上述のように、透過性磁
性材料がＭＥＭＳジャイロスコープ１００付近又はジャイロスコープのパッケージ内にあ
る場合、一様な印加磁場Bextは、透過性材料１５（図１Ａ）を磁化し、それによって、Ｍ
ＥＭＳジャイロスコープセンサ１００で傾斜磁場dBz/dxが発生する。透過性材料における
残留磁化によってもまた、ＭＥＭＳジャイロスコープセンサ１００で傾斜磁場dBz/dxが発
生する。傾斜磁場dBz/dxに対する音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１００の磁気感度は、
誘導されたemfによる電位差を有するプルーフマス１１０及び１２０各々の、第２端１１
２及び１２２と第１端１１１及び１２１の間に、電気抵抗中間ポイント１７１を提供する
ことによって、実質的に低減又は排除される。
２つの導電性プルーフマス１１０及び１２０は、導電性サスペンション１５０〜１５５
、１１３、１１４、１２３及び１２４、第１サスペンションバー１３３、及び第２サスペ
ンションバー１３４を介して、１又は複数の絶縁基板１２９に結合された導電性アンカー
と電気的に接続されている。本明細書において、「導電性の第１及び第２プルーフマス１
１０及び１２０」は、「第１及び第２導電性プルーフマス１１０及び１２０」とも称され
る。
アンカー１４５は、第１中間ポイントの固定アンカー１４５である。アンカー１４４は
、第２中間ポイントの固定アンカー１４４である。固定電気接続体１７０は、第１中間ポ
イントの固定アンカー１４５及び第２中間ポイントの固定アンカー１４４間に形成される
。図１Ｃの実施形態では、第１中間ポイントの固定アンカー１４５及び第２中間ポイント
の固定アンカー１４４は、２つの導電性プルーフマス１１０及び１２０との中間位置にあ
る平面に配置されている。
導電性サスペンション１５０〜１５５及び１１３、１１４、１２３及び１２４は、導電
性アンカーサスペンション１５０〜１５５及び導電性プルーフマスサスペンション１１３
、１１４、１２３及び１２４を含む。各アンカーサスペンション１５０〜１５５は一端を
、各々のアンカー１４０〜１４５と機械的に結合されている。別の一端に関しては、アン
カーサスペンション１５２、１５３及び１５５の第１部分は、第１サスペンションバー１
３３と機械的に連結されおり、アンカーサスペンション１５０、１５１及び１５４の第２
部分は、第２サスペンションバー１３４と機械的に連結されている。本明細書において、
アンカーサスペンション１５５は、第１中間ポイントサスペンション１５５とも称され、
また第２アンカーサスペンション１５４は、第２中間ポイントサスペンション１５４とも
称される。本明細書に記載の機械的連結は、機械的に連結されたコンポーネント間に、電
気的な接続ポイントを提供している。
第１プルーフマスサスペンション１１３は、第１プルーフマス１１０の第１端１１１を
第１サスペンションバー１３３に機械的及び電気的に接続している。第２プルーフマスサ
スペンション１２３は、第２プルーフマス１２０の第１端１２１を第１サスペンションバ
ー１３３に機械的及び電気的に接続している。第３プルーフマスサスペンション１１４は
、第１プルーフマス１１０の第２端１１２を第２サスペンションバー１３４に機械的及び
電気的に接続している。第４プルーフマスサスペンション１２４は、第２プルーフマス１
２０の第２端１２２を第２サスペンションバー１３４に機械的及び電気的に接続している
。
第１中間ポイントサスペンション１５５は、第１中間ポイント固定アンカー１４５を第
１サスペンションバー１３３に機械的及び電気的に接続している。第１中間ポイント固定
アンカー１４５は、固定電気接続体１７０に電気的に接続されているため、固定電気接続
体１７０は、第１プルーフマス１１０の第１端１１１及び第２プルーフマス１２０の第１
端１２１の両方と、電気的に接続されていることになる。
第２中間ポイントサスペンション１５４は、第２中間ポイント固定アンカー１４４を第
２サスペンションバー１３４に機械的及び電気的に接続している。第２中間ポイント固定
アンカー１４４は、固定電気接続１７０と電気的に接続されているため、第１プルーフマ
ス１１０の第２端１１２及び第２プルーフマス１２０の第２端１２２の両方と電気的に接
続されていることになる。
第１導電性プルーフマス１１０及び第２導電性プルーフマス１２０は、プルーフマスサ
スペンション１１３、１１４、１２３、１２４、第１サスペンションバー１３３、第２サ
スペンションバー１３４、及びアンカーサスペンション１５０〜１５５によって、絶縁基
板１２９の上方に取り付けられている。本明細書では、２つの導電性プルーフマス１１０
及び１２０、プルーフマスサスペンション１１３、１１４、１２３、１２４、サスペンシ
ョンバー１３３及び１３４、アンカーサスペンション１５０、１５１、１５２、１５３、
１５４、１５５、及び２つの導電性プルーフマス１１０及び１２０の下方にある絶縁基板
１２９は、ジャイロスコープセンサメカニズム１６０と総称され、音叉共鳴モードの周波
数で、モータ軸Xに沿って移動する。
動作状態において、取り付けられているプルーフマス１１０及び１２０は、音叉式ＭＥ
ＭＳジャイロスコープ１００の駆動力に応答して、音叉共鳴モードの周波数で、モータ軸
Xに沿って移動する。プルーフマス１１０及び１２０の移動によって、通信可能に接続さ
れた感知電荷増幅器１３０に電荷が流れ込む。このＡＣ電流のためのリターンパスは、図
２のCpmで示されるキャパシタンスによって提供され、プルーフマス１１０及び１２０を
ＡＣ接地に結合している。このキャパシタンスは、例えば感知キャパシタンス、駆動キャ
パシタンス、寄生キャパシタンス等である。本明細書において、「ＡＣ接地」は、音叉共
鳴モードの周波数において無視できる程度のわずかなインピーダンスを有する接地への電
気的な接続を表している。図１Ｃの点線１１５及び１２５は、各々のプルーフマス１１０
及び１２０を、ＡＣ接地に結合するキャパシタンスCpmを示している。キャパシタンスCpm
は、基板上の平板、又はプルーフマスの近傍のインターデジタルコームフィンガ等の多様
な幾何学的形状の電極を含む。
感知電荷増幅器１３０は、固定電気接続１７０上の点である電気抵抗中間ポイント１７
１から提供される入力を受信する。図１Ｃに示されるように、固定電気接続１７０の電気
抵抗中間ポイント１７１は、第１プルーフマス１１０及び第２プルーフマス１１２各々の
、第１端である１１１及び１２１と第２端である１１２及び１２２との中間点である。感
知電荷増幅器１３０は、音叉共鳴モードを示す出力信号Voutを発生する。感知電荷増幅器
１３０は、自身の入力１５６において、仮想接地を提供する。このようにして、仮想接地
が固定電気接続１７０の電気抵抗中間ポイント１７１に提供され、第１中間ポイント固定
アンカー１４５及び第２中間ポイント固定アンカー１４４と接続されることになる。
モータ軸Xに沿った傾斜磁場dBz/dxの存在下で、第１プルーフマス１１０及び第２プル
ーフマス１２０が、反対の速度（例：-Vx及び+Vx）でX軸に沿って振動運動で移動する時
、固定電気接続１７０の電気抵抗中間ポイント１７１で、傾斜磁場dBz/dxに応答して電圧
が発生することはない。出力信号Voutは傾斜磁場dBz/dxに依存していない。
移動しているプルーフマス１１０及び１２０の自由電荷にかかるローレンツ力は、各プ
ルーフマス１１０、１２０において、電荷分離を発生させる。電荷キャリアにかかるロー
レンツ力による、プルーフマス１１０における電荷分離を図２に示す。磁場Bz内のプルー
フマス１１０及び１２０の振動速度に起因して、電荷分離は符号で振動しており、図１Ｃ
にB1及びB2で示されている。感知電荷増幅器１３０は、自身の入力で仮想接地を提供する
ため、プルーフマス１１０の接続端１１１、１１２及びプルーフマス１２０の接続端１２
１、１２２は、ほぼ仮想接地となる。感知電荷増幅器１３０とプルーフマス１１０及び１
２０の間にある接続体１５６には、抵抗R1、R2及びR3（図２）が存在するが、この抵抗は
小さいため、この抵抗によって通常発生する仮想接地からの偏差は無視してよい。R2及び
R3は実質的には等しいので、傾斜磁場dBz/dxによって発生する電圧Voutはゼロに等しい。
プルーフマスの１端のみが仮想接地に接続されている場合（図８で示される従来技術の
音叉式ジャイロスコープ５のように）、プルーフマスの長さLy（図１Ｃ及び８）における
接地に関するＡＣ電圧の平均は、ゼロではないであろう。従来技術の音叉式ジャイロスコ
ープ５では、このＡＣ電圧が、プルーフマス１０及び２０とＡＣ接地間のキャパシタンス
Cpmにおいて正味の電流を発生させている。この電流は、感知電荷増幅器３０に流れ込み
、出力信号Voutを発生させる。Z軸に沿う磁場の存在下において、X軸に沿ってプルーフマ
ス１０が移動することによって発生する、プルーフマス１０のY軸の長さLyとクロスするe
mfは、
Vemf = vx*Bz*Ly （１）
によって求められる。
式（１）において、vxは軸Xのプルーフマス１０の速度であり、Bzは、Z軸のプルーフマ
ス１０によって経験される磁場であり、Lyは、Y軸のプルーフマス１０の長さである。２
つのプルーフマス１０及び２０は反対方向に移動するので、一様な磁場は、感知電荷増幅
器３０で正味の電流を発生しない（少なくともこのサンプルモデルにおいては）。
従来技術の音叉式ジャイロスコープ５（図８）は、電気抵抗中間ポイント１７１を備え
ておらず、且つ、感知電荷増幅器３０の入力がアンカー４５と接続されているので、X軸
の磁場Bzの勾配によって、出力信号が発生してしまう。従来技術の音叉式ジャイロスコー
プ５に関して、感知電荷増幅器３０での出力電圧（図２の回路における集中定数近似と仮
定して）は、
Vout ≒ 2ωmot*x0dBz/dx*Δx*Ly*Cpm/Cf （２）
によって求められる。
式（２）において、ωmotはプルーフマスのモータ周波数であり、x0はプルーフマスの
モータ移動の振幅であり、dBz/dxは磁場の勾配であり、△xはジャイロの中心から１プル
ーフマスの中心との間の距離であり、Lyはy方向におけるプルーフマスの長さであり、Cpm
は１プルーフマスのＡＣ接地につながるキャパシタンスであり、Cfは感知電荷増幅器にお
けるフィードバックキャパシタンスである。
しかしながら、図１Ｃの感知電荷増幅器１３０は、固定電気接続１７０の電気抵抗中間
ポイント１７１から提供される入力を受信するよう構成されており、また、R2 ≒ R3に設
定されているので、感知電荷増幅器１３０の入力における電流は、プルーフマス１１０及
び１２０の各サイドからほぼ等しく且つ符号が反対となる。このように、感知電荷増幅器
１３０の入力における電流は、ほぼゼロであるから、音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１
００において、傾斜磁場dBz/dxによって出力信号Voutが発生することはない。
図３は、例示の傾斜磁場dBz/dxにおけるプルーフマス１１０及び１２０に関する一実施
形態の側面図である。磁場のZ成分は、Xの関数として変化する。すなわち、音叉式ＭＥＭ
Ｓジャイロスコープ１００の例において、該磁場は、プルーフマス１１０及び１２０のモ
ータ軸（X軸）に沿って勾配を有している。図１Ｃ及び図３では、磁場Bzの振幅は、B1（
プルーフマス１１０のほぼ中央でマイナスZ方向）及びB2（プルーフマス１２０のほぼ中
央でプラスZ方向）で示されている。音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ例１００は、プル
ーフマス１１０でのBzの積分がプルーフマス１２０のそれと等しく且つ反対になるような
、任意の空間的に変化する磁場に感応しない。
図４は、図１Ｃの音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１００の集中回路の一実施形態であ
る。図４は、プルーフマス１１０及び１２０の両方及び感知電荷増幅器１３０のための等
価回路を示す。図１及び図２で示されるプルーフマス１１０及び１２０の各々に関する分
布キャパシタンス及びemf（電荷分離）は、図４では、１つの集中キャパシタンス及び２
つの集中電圧源に置き替えられている。
感知電荷増幅器１３０は電気抵抗中間ポイント１７１で接続されており、電気抵抗中間
ポイント１７１は、第１中間ポイント固定アンカー１４５及び第２中間ポイント固定アン
カー１４４間に形成される、固定電気接続体１７０上の点であるので、電気抵抗中間ポイ
ント１７１と、プルーフマス１１０及び１２０各々の第２端である１１２及び１２２並び
に第１端である１１１及び１２１の間にある電気抵抗は等しい。この接続ポイント１７１
では、ジャイロスコープセンサメカニズム１６０のシンメトリによって、誘導されたemf
によって発生する電圧はゼロである。固定電気接続体１７０の抵抗は有限であるが小さい
ため、感知電荷増幅器の出力Voutにおいて実質的なノイズとなることはない。ジャイロス
コープセンサメカニズム１６０からの所望の回転レート信号は、図１及び図２で示される
ように、感知電荷増幅器１３０をプルーフマス１１０及び１２０の第２端である１１２及
び１２２並びに第１端である１１１及び１２１の両方に接続することによって、影響を受
けることはない。
図５は、本発明に係る音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１０１の集中回路の一実施形態
である。図６は、図５の音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１０１についての実施形態のブ
ロック図である。音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１０１（図５）は、音叉式ＭＥＭＳジ
ャイロスコープ１００（図４）と類似しているが、感知電荷増幅器１３０が、各プルーフ
マス１１０及び１２０にではなくて、キャパシタンス電極１１５及び１２５に接続されて
おり、且つ固定電気接続体１７０の電気抵抗中間ポイント１７１が、ＡＣ接地に接続され
ていることが異なっている。音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１０１は、キャパシタンス
CS1及びCS2のそれぞれに印加されるバイアス電圧である+VSB及び-VSBを含む。感知キャパ
シタンスCS1及びCS2は、音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１００に関する図２において示
されるキャパシタンスCpmの一部を形成する。
プルーフマス１１０及び１２０は、抵抗R2及びR3間のノードでＡＣ接地と接続されてお
り、これら抵抗は実質的に等しい。音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１０１において、プ
ルーフマス１１０及び１２０をＡＣ接地に接続することにより、プルーフマス１１０及び
１２０が傾斜磁場内を移動する時に、感知キャパシタンスCS1及びCS2ではゼロ（０）電流
が発生する。従って、傾斜磁場は、感知電荷増幅器でゼロ（０）電流を発生することにな
る。
図５に示されるバイアスの±VSBがあるため、ジャイロスコープセンサメカニズム１６
０の回転によって発生するプルーフマス１１０及び１２０の感知軸差動振動運動（differ
ential sense-axis oscillatory motion）は、感知電荷増幅器１３０への入力で、ゼロで
はないＡＣ電流を発生する。
音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１０１は、傾斜磁場dBz/dxの存在下で、モータモード
において、+vx及び-vxの相反する速度でX軸に沿って移動するプルーフマス１１０及び１
２０を示している（図６）。上述したように、透過性磁性材料がＭＥＭＳジャイロスコー
プ１０１の近傍又はジャイロスコープのパッケージ内にある場合、一様な印加磁場が透過
性材料を磁化してしまい、それによってＭＥＭＳジャイロスコープセンサ１０１で傾斜磁
場が発生する。また、透過性材料における残留磁化によって、ＭＥＭＳジャイロスコープ
１０１で傾斜磁場が発生することがある。音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１０１は、傾
斜磁場dBz/dxに感応しない。
音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１００及び１０１は、面内(in-plane)の音叉式ＭＥＭ
Ｓジャイロスコープ１００及び１０１であり、１又は複数の絶縁基板１２９の面に平行す
る軸に関する回転を測定する。図７は、面外(out-of-plane)の音叉式ＭＥＭＳジャイロス
コープ１０２の一実施形態のブロック図であり、１又は複数の絶縁基板１２９の面と垂直
の軸に関するの回転を測定する。本発明によると、面外の音叉式ＭＥＭＳジャイロスコー
プ１０２は、電気抵抗中間ポイント１７１を有している。面外の音叉式ＭＥＭＳジャイロ
スコープ１０２のプルーフマス１１０及び１２０は、音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１
００及び１０１のプルーフマス１１０及び１２０とは形状が異なっている。面外の音叉式
ＭＥＭＳジャイロスコープ１０２のキャパシタンス電極１１５及び１２５は、１又は複数
の絶縁基板１２９内に存在し、且つＤＣ接地に接続されているが、これは、図７には示し
ていない。感知キャパシタンス電極１１７及び１２７は、プルーフマス１１０及び１２０
と同じ導電性材料で形成されるインターデジタルコームフィンガであり、感知バイアス電
圧+VSB及び-VSBを介してＡＣ接地と接続されているが、これは図７には示していない。こ
の実施形態では、面外の音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１０２は、ＡＣ接地に接続され
た電気抵抗中間ポイント１７１を有するよう構成され、感知電荷増幅器１３０への入力は
、図５で示される接続と同じ様式で、感知キャパシタンス電極１１７及び１２７に接続さ
れている。
図９は、本発明に係る磁場勾配計１０４の一実施形態のブロック図である。磁場勾配計
１０４は、第１導電性プルーフマス１０、第２導電性プルーフマス２０、及び感知電荷増
幅器３０を備えている。第１導電性プルーフマス１０は、導電性サスペンション１３、１
４、３３及び３４を介して、１又は複数の絶縁基板２９に取り付けられているアンカー４
０〜４５に接続されている。第２導電性プルーフマスは、導電性サスペンション２３、２
４、３３及び３４を介して、１又は複数の絶縁基板２９に取り付けられているアンカー４
０〜４５に接続されている。本明細書では、２つの導電性プルーフマス１０及び２０、プ
ルーフマスサスペンション１３、１４、２３、２４、サスペンションバー１３３及び１３
４、アンカーサスペンション５０、５１、５２、５３、５４、５５、並びに２つの導電性
プルーフマス１０及び２０の下方にある絶縁基板２９は、磁場勾配計センサメカニズム６
０と総称され、音叉共鳴モード（モータモード）の周波数で、モータ軸Xに沿って移動す
る。
第１及び第２プルーフマス１０及び２０は、ＤＣ接地に容量結合されている。感知電荷
増幅器３０は、アンカーの１つ（例：アンカー４５）からの第１入力及びＤＣ接地からの
第２入力を受信するよう構成される。第１導電性プルーフマス及び第２導電性プルーフマ
スが傾斜磁場にさらされている場合、感知電荷増幅器３０は、傾斜磁場を示す出力信号を
発生する。第１導電性プルーフマス及び第２導電性プルーフマスが、加速や回転の影響を
受けている場合、感知電荷増幅器３０は、加速又は回転を示す出力信号を発生しない。
磁場勾配計１０４のアンカー及びサスペンションは、従来技術の音叉式ジャイロスコー
プ５（図８）のアンカー及びサスペンションと構成が類似している。磁場勾配計１０４に
おけるプルーフマス１０及びプルーフマス２０は、感知キャパシタンス電極１５及び２５
を介してＤＣ接地に容量結合されるので、従来技術の音叉式ジャイロスコープ５において
回転力の感知を可能にしていたバイアス電圧は、除去される。式（２）におけるdBz/dxの
乗数である2ωmot*x0Δx*Ly*Cpm/Cfを増大させることで、感知電荷増幅器からの出力Vout
も増大する。磁場勾配計１０４におけるプルーフマス１０及び２０の幾何学的形状は、Ly
を増大するために調節することが可能であり、それによって乗数を増大することができる
。ＤＣ接地へのキャパシタンスCpmが増大するにつれて、磁場勾配計１０４の感度も向上
する。各プルーフマスの中心及び磁場勾配計６０の中心の間の距離△xが増大するにつれ
て、磁場勾配計１０４の感度も向上する。プルーフマスのモータ移動の振幅であるx0が増
大するにつれて、磁場勾配計１０４の感度も向上する。プルーフマスの運動のモータ周波
数である2ωmotが増大するにつれて、磁場勾配計１０４の感度も向上する。磁場勾配計１
０４は、傾斜磁場dBz/dxを検出するために、印加バイアス電流を必要としない。
図１０は、本発明に係る磁場勾配計１０８の一実施形態のブロック図である。磁場勾配
計１０８は、第１導電性プルーフマス１０、第２導電性プルーフマス２０、及び読み出し
増幅器８５を備えている。第１導電性プルーフマス１０は、導電性サスペンション１３、
１４、３３及び３４を介して、１又は複数の絶縁基板２９に取り付けられているアンカー
４０〜４５に接続されている。第２導電性プルーフマスは、導電性サスペンション２３、
２４、３３及び３４を介して、１又は複数の絶縁基板２９に取り付けられているアンカー
４０〜４５に接続されている。本明細書では、２つの導電性プルーフマス１０及び２０、
プルーフマスサスペンション１３、１４、２３、２４、サスペンションバー１３３及び１
３４、アンカーサスペンション５０、５１、５２、５３、５４、５５、並びに２つの導電
性プルーフマス１０及び２０の下方にある絶縁基板２９は、磁場勾配計センサメカニズム
６０と総称され、音叉共鳴モード（モータモード）の周波数で、モータ軸Xに沿って移動
する。プルーフマス及び接地間の容量結合が磁場勾配計１０８の運転に与える影響は無視
できるものであるが、それは磁場勾配計１０８等のＭＥＭＳ音叉共鳴センサでは、容量結
合の値は通常は打ち消される（encounter）からである。
読み出し増幅器８５は、第１中間ポイント固定アンカー４５からの第１入力及び第２中
間ポイント固定アンカー４４からの第２入力を受信するよう構成される。すなわち、読み
出し増幅器８５は、第１中間ポイント固定アンカー４５及び第２中間ポイント固定アンカ
ー４４の電圧差を読み出すために接続されている。このようにして、出力電圧Voutは、プ
ルーフマス１０の第１端１１及び第２端１２間の誘導されたemfを、直接測定することが
できる。同様にして、出力電圧Voutは、導電プルーフマス２０の第１端２１及び第２端２
２間の誘導されたemfを、直接測定することができる。キャパシタンスは、該電流に関す
るリターンパスを提供していない。この磁場勾配計１０８は、磁場勾配計１０４よりも、
傾斜磁場に対する感度が高い。
第１導電性プルーフマス及び第２導電性プルーフマスが傾斜磁場にさらされている場合
、読み出し増幅器８５は、傾斜磁場を示す出力信号Voutを発生する。第１導電性プルーフ
マス及び第２導電性プルーフマスが、加速又は回転の影響を受けている場合、読み出し増
幅器８５は、加速又は回転を示す出力信号を発生しない。
磁場勾配計１０８のアンカー及びサスペンションは、磁場勾配計１０４（図９）のアン
カー及びサスペンションと構成が類似している。磁場勾配計１０４と関連して上述された
ように、磁場勾配計１０８は、感度を最大化するよう構成することが可能である。磁場勾
配計１０８は、傾斜磁場dBz/dxを検出するために、印加バイアス電流を必要としない。
図１１は、本発明に係る、傾斜磁場の存在下での音叉式ジャイロスコープの出力におけ
るバイアスを低減又は排除するための方法１０００の一実施形態のフロー図である。音叉
式ジャイロスコープは、図１、図６、図７の各図に示されている、音叉式ジャイロスコー
プ１００、１０１又は１０２である。
ブロック１１０２では、２つの導電性プルーフマスが、少なくとも１つの絶縁基板の上
方に取り付けられている。ブロック１１０４では、電気抵抗中間ポイントが、２つの導電
性プルーフマスの対向端に、電気的に接続されている。２つの導電性プルーフマスの対向
端からの接続の電気抵抗は、電気抵抗中間ポイントにおいて等しい。音叉式ジャイロスコ
ープに接続されている感知電荷増幅器１３０は、音叉式ジャイロスコープの回転を示す出
力信号を発生する。音叉式ジャイロスコープの出力で発生された出力信号は、音叉式ジャ
イロスコープによって経験される傾斜磁場に依存していない。このようにして、傾斜磁場
dBz/dxに対する音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープの磁気感度は、実質的に低減又は排除さ
れる。
図１Ｃ、図７の各図に示される音叉式ジャイロスコープ１００、１０２に方法１１００
を適用すると、電気抵抗中間ポイント１７１は、感知電荷増幅器１３０の１入力と接続さ
れ、且つ、感知電荷増幅器の第２入力がＡＣ接地に接続され、一方、２つの導電性プルー
フマス１１０及び１２０は、ＡＣ接地に容量結合される。
図６の音叉式ジャイロスコープ１０１に方法１１００を適用すると、電気抵抗中間ポイ
ント１７１はＡＣ接地に接続され、２つの導電性プルーフマス１１０及び１２０は、バイ
アス電圧を有する１又は複数の感知キャパシタンス電極１１５及び１２５に容量結合され
、且つ、感知電荷増幅器１３０の入力が、１又は複数の感知キャパシタンス電極１１５及
び１２５に接続される。
この実施形態では、固定電気接続１７０は、音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１００の
絶縁基板１２９上に、リソグラフィ技術でパターン化された(lithographically patterne
d)金属である。この実施形態の別の実装では、固定電気接続１７０は、プルーフマス１１
０及び１２０と同じ導電性材質から形成される。この実施形態のさらに別の実装では、固
定電気接続１７０は、ジャイロスコープセンサメカニズム１６０の外部の接続である。こ
の実施形態のさらにまた別の実装では、プルーフマス１１０及び１２０は、ドープシリコ
ンから形成される。この実施形態の一実装では、固定電気接続１７０は、絶縁基板１２９
上に形成される。この実施形態の別の実装では、第２絶縁基板が第１及び第２プルーフマ
ス１１０及び１２０上に配置される。後者の実施形態では、１又は複数のアンカーは、第
２絶縁基板上に存在する。この実施形態のさらに別の実装では、電気抵抗中間ポイント１
７１は、第１導電性プルーフマス１１０及び第２導電性プルーフマス１２０と同じ導電性
材質から形成される。
以下の請求項で規定される本発明についての多くの実施形態を記載した。しかしながら
、上述の実施形態に対して、本請求項に係る発明の精神及び範囲を逸脱すことなく、多様
な変形が可能であることが理解されるであろう。したがって、別の実施形態も、以下に記
載の請求項の範囲に含まれる。

Claims (3)

  1. 磁場勾配計（１０４）であって、
    導電性サスペンション（１３、１４）を介して、１又は複数の絶縁基板（２９）に取り付けられているアンカー（４０〜４５）に接続される、第１導電性プルーフマス（１０）と、
    導電性サスペンション（２３、２４）を介して、１又は複数の絶縁基板（２９）に取り付けられているアンカー（４０〜４５）に接続される、第２導電性プルーフマス（２０）であって、前記第１プルーフマス（１０）及び前記第２プルーフマス（２０）は、ＤＣ接地に容量結合され、モータ軸に沿って、反対の速度で、振動運動で移動するように駆動されるものと、
    アンカーの１つ（４５）からの第１入力及びＤＣ接地からの第２入力を受信するよう構成された感知電荷増幅器（３０）であって、当該感知電荷増幅器（３０）が、傾斜磁場を示す出力信号を発生し、前記第１導電性プルーフマス（１０）及び前記第２導電性プルーフマス（２０）が当該傾斜磁場にさらされるものである、感知電荷増幅器（３０）と、
    を備える、磁場勾配計（１０４）。
  2. モータ軸に沿って、反対の速度で、振動運動で移動するように駆動される、第１導電性プルーフマス（１０）、及び、第２導電性プルーフマス（２０）を備え、
    前記第１導電性プルーフマス（１０）の第１端（１１）は、導電性サスペンション（１３）を介して、絶縁基板に接続される第１アンカー（４５）に接続され、
    前記第２導電性プルーフマス（２０）の第１端（２１）は、導電性サスペンション（２３）を介して、第１アンカー（４５）に接続され、
    前記第１導電性プルーフマス（１０）の第２端（１２）は、導電性サスペンション（１４）を介して、絶縁基板に接続される第２アンカー（４４）に接続され
    前記第２導電性プルーフマス（２０）の第２端（２２）は、導電性サスペンション（２４）を介して、第１アンカー（４４）に接続され、
    更に、
    前記第１アンカー（４５）からの第１入力、及び、第２アンカーからの第２入力を受信するように構成された読み出し増幅器（８５）であって、感知電荷増幅器が、傾斜磁場を示す出力信号を生成し、前記第１導電性プルーフマス（１０）及び前記第２導電性プルーフマス（２０）が当該傾斜磁場にさらされるもの、
    を備える、
    磁場勾配計（１０８）。
  3. 傾斜磁場の存在下において、音叉式ジャイロスコープ（１００）の出力においてバイアスを低減するための方法であって、
    少なくとも１つの絶縁基板（１２９）の上に２つの導電性プルーフマス（１１０，１２０）を取り付けるステップと、
    電気抵抗中間ポイント（１７１）を、前記２つの導電性プルーフマス（１１０，１２０）の対向端に、電気的に接続するステップであって、当該２つの導電性プルーフマス（１１０，１２０）の当該対抗端からの接続の電気抵抗が、当該電気抵抗中間ポイント（１７１）において等しく、前記音叉式ジャイロスコープ（１００）に接続された感知電荷増幅器（１３０）が、前記音叉式ジャイロスコープ（１００）の回転を示す出力信号を生成し、当該出力信号が、前記傾斜磁場に依存しない、ものと、
    を含み、
    前記２つの導電性プルーフマス（１１０，１２０）が、導電性サスペンションを介して、少なくとも１つの中間ポイントの固定アンカーに接続され、前記電気抵抗中間ポイント（１７１）が、第１の導電性プルーフマス（１１０）と第２の導電性プルーフマス（１２０）の間の、前記少なくとも１つの中間ポイントの固定アンカーに電気的に接続された固定ポイントに存在し、前記プルーフマス（１１０，１２０）が、前記傾斜磁場の存在下で、モータ軸に沿って、反対の速度で、振動運動で移動する際に、前記電気抵抗中間ポイント（１７１）において、前記傾斜磁場に起因する電圧が生成されない、
    方法。
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