JP2015525872A5 - - Google Patents

Description

図３は、例示的な先行技術の微小電気機械的感知デバイス３０の構成を図示している。当該デバイスは、微小機械ジャイロスコープ３１を有し、該微小機械ジャイロスコープは、駆動モードの振動（一次運動）のための第一の機械的共振器３２と、第二の機械的共振器３３とを有し、該第二の機械的共振器は、駆動モードの振動の方向に垂直な方向に、関連する感知モードの振動（二次運動）を生じるために、第一の機械的共振器に連結されている。駆動モードの振動は、例えば、振動電気信号を生成する一次の振動器回路３４と、第一の機械的共振器３２への静電エネルギー入力を一次の共振器における機械的駆動モードの振動に変換するトランスデューサー（図示せず）とによって、実施および調節され得る。

図８の機械的共振器は、プルーフ質量体８０と、一次の共振器（図示せず）に連結されたバネ要素８１とを有する。該システムは、１以上の固定ＴＲ１電極８３と、プルーフ質量体８０の運動に接続された１以上の可動ＴＲ１電極８４とを持つ。これらの電極８３、８４が、容量的な変位を測定するトランスデューサーを形成する。該システムはまた、１以上の固定ＴＲ２電極８５と、プルーフ質量体８０の運動に接続された１以上の可動ＴＲ２電極８６とを持つ。これらの電極８５、８６が、力を発生する(force generating)静電気的なトランスデューサーを形成する。

第二の機械的共振器５３におけるプルーフ質量体の変位は、ＴＲ１電極（図８の８３、８４）によって電気的に測定され得、電気信号Ｓ１に変換され得る。第一の電気信号Ｓ１は、増幅器５５によって増幅され得、増幅された信号は、調節器(controller、制御器)５７を通じて力トランスデューサーＴＲ２に送られ得る。ＴＲ２は、プルーフ質量体に対して、ＴＲ２電極（図８の８５、８６）を用いて、第二の電気信号Ｓ２に対応する機械的力を作用させるように構成されている。次に、Ｓ２は、加えられた力によってプルーフ質量体の運動が低減されるような、検出される変位との位相関係をもってＴＲ２へ送られ得る。

低周波数応答範囲における共振器の減衰(attenuation)は、必要ではないが、それは、ダンピングされるメインの共振が、通常、デバイスの最低の共振周波数であるからである。その領域における望ましくない位相シフトからの逆効果を除去するために、制御共振器による信号の増幅は、調節されなければならない。図５に戻ると、ブロックチャートの調節要素５７は、今度は、第三の共振器とみなされ得る。第二の共振器５３は、第一の電気信号Ｓ１を生成し、その周波数は、感知モードの振動に対応している。Ｓ１は、通常はプリアンプ(pre-amplifier、前置増幅器)５５によって事前に増幅され得、増幅された信号は第三の共振器５７に送られ得る。第三の共振器は、その周波数応答関数に従って、変更された電気信号Ｓ２を生成する。Ｓ２は、第二の増幅器によって増幅され得、次に、Ｒ２に作用するダンピング力の量を定義するため、Ｒ２の電圧−力トランスデューサーに送られ得る。

さらなる利点として、提案される構成のため、機械的共振周波数に対する調節器応答のピークのマッチングは、あまり正確でなくてよいことがわかる。作動中、１０％の偏差(deviation、逸脱)では、顕著な影響を生じず、３０％もの大きい偏差が、依然として有用であり得る。作動中、該第三の共振器（調節器５７）の伝達関数がその最高値に達する振周波数は、第二の機械的共振器Ｒ２の共振周波数からある程度偏移していてよい。有利には、Ｒ２の共振周波数がＲ１の共振周波数の８０％〜１２０％の範囲内に留まるように、偏差が２０％未満に留まる。しかしながら、５０％の偏差、即ち、Ｒ１の共振周波数の５０％〜１５０％の範囲にあるＲ２値でさえ、適用可能であることが留意されている。

同じ概念が、周波数応答を有する他のタイプのフィルターにも適用され得る。他の実施形態では、調節器５７は、ハイパスフィルターで実施され得る。この場合、機械的共振器からのフィードバックループにおける位相シフトは、−π／２であり、ハイパスフィルターの位相シフトは、＋π／２である。これが意味するのは、ハイパスフィルターの場合は、閉ループの他の態様がローパスフィルターの場合と類似した方法で設計され得るが、フィードバックの符号は、負に設定しなければならないということである。ハイパス構成のための伝達関数は：
の形態を持ち得る。

Claims (12)

1. 微小機械ジャイロスコープを有する感知デバイスであって、
   該ジャイロスコープは、
   駆動モードの振動のための、第一の機械的共振器を有し、
   前記第一の機械的共振器に連結された、角速度に対応する感知モードの振動のための、第二の機械的共振器を有し、前記第一の機械的共振器の共振周波数と、前記第二の機械的共振器の共振周波数とは、実質的に互いに一致するように初期調整されており、
   その特徴は、
   前記第二の機械的共振器に接続されたダンピングフィードバックループを有し、該フィードバックループと前記第二の機械的共振器との組み合わせのクォリティファクターが、１０未満であり、
   前記フィードバックループが、トランスデューサー要素と調節要素を有し、
   前記トランスデューサー要素が、第一のトランスデューサーと第二のトランスデューサーを有し、
   前記第一のトランスデューサーが、前記感知モードの振動に対応する第一の電気信号を出力するように構成されており、
   前記調節要素が、前記第一のトランスデューサーから前記第一の電気信号を受け取り、かつ、特定の応答関数に従って第二の電気信号を生成するように構成されており、該応答関数は、前記第一の電気信号の値と前記第二の電気信号の値との間の対応関係を定めるものであり、
   前記調節要素が、前記第二の電気信号を前記第二のトランスデューサーに送るように構成されており、
   前記第二のトランスデューサーが、前記第二の機械的共振器に、前記第二の電気信号に対応する反対の力を作用させるように構成されており、
   前記調節要素が、信号処理フィルターであって、該信号処理フィルターの応答関数は、前記第二の機械的共振器の前記共振周波数と実質的に一致する共振周波数ピークを持っていることである、
   前記感知デバイス。
2. 前記第一の機械的共振器の共振周波数と前記第二の機械的共振器の共振周波数との間の、初期の周波数分離が、０から０．０５の範囲にある、請求項１に記載の感知デバイス。
3. 前記第一および第二の機械的共振器の共振周波数が、環境の変化にわたって、同様に作用するように設計されている、請求項１または２に記載の感知デバイス。
4. 前記第二の共振器の前記第一のトランスデューサーおよび前記第二のトランスデューサーが、面積変調型の容量性／静電性トランスデューサーである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の感知デバイス。
5. 前記第二の共振器の前記第一のトランスデューサーおよび前記第二のトランスデューサーが、圧電トランスデューサーである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の感知デバイス。
6. 一次の共振器のバネ定数に対する機械的な寄与と静電的な寄与の比率が、二次の共振器のバネ定数に対する機械的な寄与と静電的な寄与の比率と等しくなるように、前記第一の機械的共振器または前記第二の機械的共振器の構造が設計されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の感知デバイス。
7. 前記調節要素が、ローパス処理フィルターである、請求項１に記載の感知デバイス。
8. 前記ローパスフィルターのクォリティファクターが１を上回る、請求項７に記載の感知デバイス。
9. 前記ローパスフィルターのクォリティファクターが、３から１０の範囲内である、請求項７または８に記載の感知デバイス。
10. 前記共振周波数を下回る周波数についての、前記閉じたフィードバックループのループゲインが、０．１から０．３の範囲内である、請求項７または８に記載の感知デバイス。
11. 前記共振周波数からの前記共振周波数ピークの偏差が、５０％である、請求項４〜９のいずれか１項に記載の感知デバイス。
12. 微小機械ジャイロスコープを有する感知デバイスの製造方法であって、該ジャイロスコープは、駆動モードの振動のための第一の機械的共振器を有し、かつ該第一の機械的共振器に連結された角速度に対応する感知モードの振動のための第二の機械的共振器を有するものであり、
    当該製造方法は、
    前記第一の機械的共振器の共振周波数と、前記第二の機械的共振器の共振周波数とを、実質的に一致するように調整することを有し、
    その特徴は、
    フィードバックループを、前記第二の機械的共振器に接続することを有し、該フィードバックループと該第二の機械的共振器との組み合わせのクォリティファクターが１０未満であって、
    前記フィードバックループが、トランスデューサー要素と調節要素を有し、
    前記トランスデューサー要素が、第一のトランスデューサーと第二のトランスデューサーを有し、
    前記第一のトランスデューサーが、前記感知モードの振動に対応する第一の電気信号を出力するように構成されており、
    前記調節要素が、前記第一のトランスデューサーから前記第一の電気信号を受け取り、かつ、特定の応答関数に従って第二の電気信号を生成するように構成されており、該応答関数は、前記第一の電気信号の値と前記第二の電気信号の値との間の対応関係を定めるものであり、
    前記調節要素が、前記第二の電気信号を前記第二のトランスデューサーに送るように構成されており、
    前記第二のトランスデューサーが、前記第二の機械的共振器に、前記第二の電気信号に対応する反対の力を作用させるように構成されており、
    前記調節要素が、信号処理フィルターであって、該信号処理フィルターの応答関数は、前記共振周波数と実質的に一致する共振周波数ピークを持っていることである、
    前記製造方法。