JP2016031366A - 振動質量型ジャイロスコープシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】改良された振動質量型ジャイロスコープシステムを提供する。【解決手段】センサシステムは、両側の第１および第２の表面と、第１の表面および第２の表面のうちの少なくとも一方の上に周期的なパターンで横断的に伸張する電極とを含む実質的に平面の振動質量を含む。電極は、一組の駆動電極および感知電極を含み、一組の駆動電極および感知電極は、ハウジングに関連づけられたそれぞれのマッチする一組の駆動電極および感知電極に容量性結合され、かつそれぞれの第１および第２の表面と離間され対向する。ジャイロスコープコントローラは、振動質量の平面内の周期的な発振運動を提供するために駆動電極のアレイと駆動電極の実質的にマッチするアレイとのうちの１つに提供される駆動信号を生成し、入力軸を中心とした振動質量型ジャイロスコープシステムの回転を計算するために感知電極のアレイと感知電極の実質的にマッチするアレイとのうちの１つに提供される力再平衡化信号を生成する。【選択図】 図２

Description

本開示は、概してセンサシステムに関し、具体的には振動質量型ジャイロスコープシステムおよび方法に関する。

受感（たとえば、入力）軸を中心とした回転を計算するように構成される、複数の異なるタイプの振動質量型ジャイロスコープシステムが存在する。ジャイロスコープの１つのタイプは、コリオリ振動ジャイロスコープ（ＣＶＧ：Ｃｏｒｉｏｌｉｓ Ｖｉｂｒａｔｏｒｙ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ）である。ＣＶＧの一例は、２つの質量（たとえば、尖叉）が駆動軸に沿った平面で振動する音叉型ジャイロスコープである。音叉の尖叉に平行な入力軸を中心に付与された角速度に応答して、コリオリ力により尖叉が、（たとえば、駆動軸に対し９０°の）感知軸に沿って平面外で振動する。開ループ器具における平面外運動の振幅、または、閉ループ器具において平面外運動を再平衡化し、かつ無効にするために必要とされる力は、入力軸を中心に付与された角速度の計測値に対応する。

本発明の一実施形態は、振動質量型ジャイロスコープシステムを含む。センサシステムは、両側の第１および第２の表面と、第１の表面および第２の表面のうちの少なくとも一方の上に周期的なパターンで横断的に伸張する電極とを含む、実質的に平面の振動質量を含む。電極は、一組の駆動電極および感知電極を含み、一組の駆動電極および感知電極は、ハウジングに関連づけられたそれぞれのマッチする一組の駆動電極および感知電極に容量性結合され、それぞれの第１および第２の表面と離間され対向する。ジャイロスコープコントローラは、振動質量の平面内の周期的な発振運動を提供するために駆動電極のアレイと駆動電極の実質的にマッチするアレイとのうちの１つに提供される駆動信号を生成し、入力軸を中心とした振動質量型ジャイロスコープシステムの回転を計算するために感知電極のアレイと感知電極の実質的にマッチするアレイとのうちの１つに提供される力再平衡化信号を生成する。

本発明の別の実施形態は、振動質量型ジャイロスコープシステムにおいて入力軸を中心とした回転を計算するための方法を含む。方法は、実質的に平面の振動質量の第１の表面および第２の表面のうちの少なくとも１つの上に周期的なパターンで横断的に伸張する駆動電極のアレイと、ハウジングの第１の表面および第２の表面のうちの少なくとも１つの上に周期的なパターンで横断的に伸張する駆動電極の実質的にマッチするアレイとのうちの１つに関連づけられた駆動ピックオフ信号を監視することを含む。実質的に平面の振動質量の第１の表面は、ハウジングの第１の表面と対向し、実質的に平面の振動質量の第２の表面は、ハウジングの第２の表面と対向する。方法はまた、駆動ピックオフ信号に基づいて、実質的に平面の振動質量の駆動電極のアレイと、ハウジングの駆動電極の実質的にマッチするアレイとのうちの１つに駆動信号を提供して、実質的に平面の振動質量の平面内の周期的な発振運動を提供することを含む。方法はまた、実質的に平面の振動質量の第１および第２の表面のうちの少なくとも１つの上に周期的なパターンで横断的に伸張する感知電極のアレイと、ハウジングの第１および第２の表面のうちの少なくとも１つの上に周期的なパターンで横断的に伸張する感知電極の実質的にマッチするアレイとのうちの１つに関連づけられた力再平衡化ピックオフ信号を監視することを含む。方法はさらに、力再平衡化ピックオフ信号に基づいて、実質的に平面の振動質量の感知電極のアレイと、ハウジングの感知電極の実質的にマッチするアレイとのうちの１つに力再平衡化信号を提供して、入力軸を中心とした振動質量型ジャイロスコープシステムの回転を計算することを含む。

本発明の別の実施形態は、振動質量型ジャイロスコープシステムを含む。システムは、第１の表面と、第１の表面の反対側の第２の表面と、第１および第２の表面の各々の上に周期的なパターンで横断的に伸張する複数の電極と、を各々が備える複数の実質的に平面の振動質量を備えるセンサシステムを含む。複数の電極は、駆動電極のアレイと感知電極のアレイとを含み、駆動電極のアレイと感知電極のアレイはそれぞれ、ハウジングに関連づけられた駆動電極の実質的にマッチするアレイと感知電極の実質的にマッチするアレイに容量性結合され、複数の振動質量の各々の第１および第２の表面のそれぞれのうちの少なくとも１つと離間され対向する。システムはまた、複数の実質的に平面の振動質量の各々の平面内の周期的な発振運動を提供するために、複数の振動質量の各々に関連づけられた駆動電極のアレイと駆動電極の実質的にマッチするアレイとのうちの１つに提供される駆動信号を生成するように構成されたジャイロスコープコントローラを含む。ジャイロスコープコントローラはまた、入力軸を中心とした振動質量型ジャイロスコープシステムの回転を計算するために、複数の振動質量の各々に関連づけられた感知電極のアレイと感知電極の実質的にマッチするアレイとのうちの１つに提供される力再平衡化信号を生成する。

振動質量型ジャイロスコープシステムの一例を示す図である。 センサシステムの一例を示す図である。 振動質量の一例を示す図である。 センサシステムの別の例を示す図である。 クアッド質量センサシステムの一例を示す図である。 振動質量の別の例を示す図である。 振動質量型ジャイロスコープシステムにおいて入力軸を中心とした回転を計算するための方法の一例を示す図である。

本開示は、概してセンサシステムに関し、具体的には振動質量型ジャイロスコープシステムおよび方法に関する。振動質量型ジャイロスコープシステムは、センサシステムとジャイロスコープコントローラとを含む。センサシステムは、第１の表面と第１の表面の反対側の第２の表面とを有する実質的に平面の振動質量として配列された少なくとも１つの振動質量を含む。振動質量（単数または複数）は、振動質量（単数または複数）の第１および第２の表面のうちの少なくとも１つの上に周期的なパターンで横断的に伸張する駆動電極のアレイと感知電極のアレイとを含む。例として、駆動電極と感知電極は、互いに対し直交する方向に伸張し、互いに対し振動質量の同一面（たとえば、両面）上に配列される。センサシステムはまた、振動質量（単数または複数）と対向するハウジングのそれぞれの表面上に配列された駆動電極および感知電極のそれぞれのマッチするアレイを含むハウジングを含み、電極のマッチするアレイは、振動質量（単数または複数）に関連づけられた駆動電極および感知電極のアレイに容量性結合される。

ジャイロスコープコントローラは、振動質量（単数または複数）およびハウジングに関連づけられた駆動電極および感知電極のアレイにそれぞれ提供される駆動信号および力再平衡化信号を生成するように構成される。たとえば、それぞれの信号がハウジング上の電極に提供される一方で、振動質量（単数または複数）上の電極は、バイアス電圧に電気結合される。駆動信号は、たとえば、ハウジングに結合された振動質量ばねシステムの共振周波数とほぼ等しい周波数（たとえば、５０ｋＨｚ未満）で、振動質量（単数または複数）の平面内の周期的な発振運動を誘発する静電力を提供する。例として、平面内の周期的な発振運動は、振動質量の所与のペアに関し１８０°の位相外れである。力再平衡化信号も同様に、入力軸を中心としたセンサシステムの回転に応答して振動質量（単数または複数）の力再平衡化を提供するための静電力を提供する。例として、振動質量（単数または複数）の力再平衡化のための静電力は、駆動信号によって提供される平面内の周期的な発振運動に対し直交する。力再平衡化信号の大きさ、感知軸に沿ったピックオフの無効位置に振動質量（単数または複数）を維持するために必要とされる静電力は、入力軸を中心としたセンサシステムの回転速度とジャイロスコープバイアスとの組み合わせに対応する。したがって、力再平衡化信号の大きさは、（たとえば、ジャイロスコープバイアスを補償して）入力軸を中心としたセンサシステムの角回転を計算するためにジャイロスコープコントローラ（たとえば、関連づけられた慣性センサプロセッサ）によって実現される。

図１は、振動質量型ジャイロスコープシステム１０の例を示す。振動質量型ジャイロスコープシステム１０は、航空宇宙および航海ナビゲーションのような、回転の精確な計測が必要であるさまざまな用途のいずれかで実現される。振動質量型ジャイロスコープシステム１０は、センサシステム１２とジャイロスコープコントローラ１４とを含む。

センサシステム１２は、実質的に平面の慣性質量として配列された少なくとも１つの振動質量１６を含む。例として、振動質量（単数または複数）１６は、偶数量（たとえば４つ）の振動質量として配列される。たとえば、振動質量（単数または複数）１６は、シリコンの層として製造される。センサシステム１２はまた、たとえば、振動質量（単数または複数）１６の上の層および振動質量（単数または複数）１６の下の層を含んで、振動質量（単数または複数）１６を封入するハウジング１８を含む。例として、振動質量（単数または複数）１６の各々は、振動質量（単数または複数）１６の直交方向における平面内運動を可能にするばね質量システム（たとえば、フレキシャ）によってハウジング１８に結合される。図１の例において、振動質量（単数または複数）１６は各々、駆動電極２０のアレイと感知電極２２のアレイとを含み、ハウジング１８は、駆動電極２４のアレイと感知電極２６のアレイとを含み、各々のアレイが振動質量（単数または複数）１６のそれぞれに関連づけられている。駆動電極２０および感知電極２２のアレイの各々は、第１の表面（たとえば、上面）と第１の表面の反対側の第２の表面（たとえば、底面）とのうちの少なくとも１つの上に配列される。同様に、駆動電極２４および感知電極２６のアレイの各々は、振動質量（単数または複数）１６の第１の表面と対向する第１の表面（たとえば、上面）と、振動質量（単数または複数）１６の第２の表面と対向する第２の表面（たとえば、底面）とのうちの少なくとも１つの上に配列される。したがって、駆動電極２０と駆動電極２４は、互いに対し容量性結合され、駆動電極２２と駆動電極２６は、互いに対し容量性結合される。

ジャイロスコープコントローラ１４は、振動質量（単数または複数）１６の平面内の周期的な発振運動を提供するための静電力を発生させるために、駆動電極２０および２４のアレイのうちの少なくとも１つに提供される駆動信号ＤＲＶを生成するように構成される。たとえば、駆動信号ＤＲＶは、ハウジング１８に結合された１つ以上のばねおよび振動質量（単数または複数）１６に関連づけられた共振周波数とほぼ等しい周波数を有する。例として、複数の振動質量１６の例では、平面内の周期的な発振運動は、振動質量（単数または複数）１６の平衡化された運動を提供するために振動質量の各々の所与のペアに関し１８０°の位相外れで提供される。ジャイロスコープコントローラ１４はまた、感知電極２２および２６のアレイのうちの少なくとも１つに提供される静電力を発生させるための力再平衡化信号ＦＲＢを生成するように構成され、その静電力は、入力軸を中心としたセンサシステム１２の回転およびジャイロスコープバイアスに応答して感知ピックオフおよび振動質量（単数または複数）１６の運動を無効にするためのものである。たとえば、力再平衡化信号ＦＲＢは、駆動信号ＤＲＶの周波数とほぼ等しい（たとえば、共振周波数とほぼ等しい）周波数を有する。

駆動信号ＤＲＶと力再平衡化信号ＦＲＢは、復調されたピックオフ信号（単数または複数）に基づいた振幅で生成される。復調されたピックオフ信号ＰＯは、力再平衡化信号ＦＲＢの周波数よりも著しく高い（たとえば、一桁以上）周波数を有する。例として、感知電極２２および２６は、それぞれの駆動電極２０および２４の横断的な伸張に対し横断的におよび直交して伸張する周期的なアレイで配列される。したがって、入力軸を中心としたセンサシステム１２の回転は、駆動電極２０および２４に関連づけられた平面内の周期的な発振運動に対し直交する振動質量（単数または複数）１６の運動という結果を生じる。したがって、力再平衡化信号ＦＲＢに応答して感知電極２２および２６により発生させられた静電力は、振動質量（単数または複数）１６を感知軸に沿った無効位置に強制的に維持するようにする。本明細書において説明される場合、「無効位置」は、復調されたピックオフ信号（単数または複数）に関連づけられたほぼゼロの値に対応する感知軸に沿った振動質量（単数または複数）１６の位置に対応する。

ジャイロスコープコントローラ１４は、プロセッサ２８、信号生成器３０、および復調器システム３２を含む。信号生成器３０は、駆動電極２０および駆動電極２４のうちの少なくとも一方に提供される駆動信号ＤＲＶと、感知電極２２および駆動電極２６のうちの少なくとも一方に提供される力再平衡化信号ＦＲＢとを生成するように構成される。駆動信号ＤＲＶと力再平衡化信号ＦＲＢの印加に応答して、ピックオフ信号ＰＯが復調器システム３２に提供される。例として、ピックオフ信号ＰＯは、振動質量（単数または複数）１６の運動に応答して駆動電極２０と駆動電極２４および感知電極２２と感知電極２６のうちの少なくとも一方に容量性結合される振幅変調されたピックオフ信号に対応する。ピックオフ信号ＰＯは復調器システム３２によって復調されて、たとえば、振動質量（単数または複数）１６の平面内の周期的な発振運動を維持すること、および感知軸における無効位置に振動質量（単数または複数）１６を維持すること等のために、それぞれの駆動信号ＤＲＶおよび力再平衡化信号ＦＲＢの適切な大きさが決定される。

プロセッサ２８は、入力軸を中心としたセンサシステム１２の角回転速度とジャイロスコープバイアスとを示すように、力再平衡化信号ＦＲＢの大きさを計算する。例として、力再平衡化信号の大きさ、即ち、感知軸に沿った無効位置に振動質量（単数または複数）１６を維持するために必要とされる静電力は、（たとえば、ジャイロスコープバイアスを含む）入力軸を中心としたセンサシステム１２の回転速度に対応する。したがって、力再平衡化信号ＦＲＢの大きさは、たとえば、ジャイロスコープバイアスの補償後に入力軸を中心としたセンサシステム１２の角回転を計算するために、プロセッサ２８によって具体化される。したがって、ジャイロスコープコントローラ１４は、入力軸を中心とした回転の角速度の計測を出力信号ＲＯＴとして提供する。追加の例において、駆動電極２０および２４と感知電極２２および２６は、ジャイロスコープバイアスの自己較正のための逆のモードを提供するために、駆動信号ＤＲＶおよび力再平衡化信号ＦＲＢに関し交換可能である。

図２は、センサシステム５０の一例を示す。センサシステム５０は、図２の例では、デカルト座標系５３に基づいた第１の方句視５１および第２の方句視５２に示されており、第２の方句視５２は、第１の方句視５１に対しＹ軸を中心に９０°回転させられている（すなわち、−Ｙ方向を中心に右回りに回転させられている）。センサシステム５０は、図１の例におけるセンサシステム１２に対応する。したがって、図２の例の以下の説明では、図１の例が参照される。

センサシステム５０は、第１のカバー層５４、振動質量５６、および第２のカバー層５８を含む。図２の例において、振動質量５６は、実質的に平面であるものとして示されており、第１のカバー層５４は、振動質量５６の上の層として提供され、第２のカバー層５８は、振動質量５６の下の層として提供されている。例として、振動質量５６は、エッチングされたシリコンの層であり、第１および第２のカバー層５４および５８は各々、エッチングされたシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ：Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）の層から形成される。第１のカバー層５４および第２のカバー層５８は、デカルト座標系５３によって示されているＸ−Ｚ平面における第１および第２のカバー層５４および５８に対する振動質量５６の平面内運動を可能にするために振動質量５６がばね質量システム（図示せず）を介して結合されるハウジング１８の一部を集合的に形成する。

図２の例において、振動質量５６は、実質的に平面の振動質量５６の上面上に配置された、駆動電極６０の第１のアレイと感知電極６２の第１のアレイを含み、上面の反対側の実質的に平面の振動質量５６の底面上に配置された、駆動電極６４の第２のアレイと感知電極６６の第２のアレイを含む。駆動電極６０および６４と感知電極６２および６６は各々、駆動電極６０および６４がＺ軸に沿って伸張し、感知電極６２および６６がＸ軸に沿って伸張し、かつ駆動電極６０および６４に対し直交するように、振動質量５６のそれぞれの上面および底面上に横断的に伸張する。同様に、第１のカバー層５４は、実質的に平面の振動質量５６の上面と対向する表面上に配置された、駆動電極６８のアレイと感知電極７０のアレイを含み、第２のカバー層５８は、実質的に平面の振動質量５６の底面と対向する表面上に配置された、駆動電極７２のアレイと感知電極７４のアレイを含む。

駆動電極６８と７２のアレイ、および感知電極７０と７４のアレイは、駆動電極６０と６４および感知電極６２と６６のそれぞれのアレイと、たとえば、寸法、量、および一般的な配列に基づいて実質的にマッチするものとして配列される。駆動電極６０と感知電極６２は、それぞれのマッチする駆動電極６８と７０から距離「Ｄ」（たとえば、約２μｍ）だけ離間され、駆動電極６４と感知電極６６は、それぞれのマッチする駆動電極７２と７４から距離「Ｄ」だけ離間される。図２の例において、振動質量５６は、静止状態である（たとえば、振動質量５６に働く機械的なばね力が、実質的に等しく、かつ反対である）ものとして示されている。駆動電極６８および７２のアレイと感知電極７０および７４のアレイは、駆動電極６０および６４と感知電極６２および６６のそれぞれのマッチするアレイに対し実質的にアラインメントがずれているものとして示されている。Ｙ軸に沿ったそれぞれの電極の重複の量に基づいて、たとえば、Ｙ軸に対し平行である入力軸を中心とした回転に応答して、駆動電極６０および感知電極６２は、それぞれのマッチする駆動電極６８および７０に容量性結合され、駆動電極６４および感知電極６６は、それぞれのマッチする駆動電極７２および７４に容量性結合される。したがって、静電力は、本明細書においてより詳細に説明するように、周期的な発振運動と力再平衡化とを提供するための、マッチする一組の電極に対する変調された引力である。

図３は、振動質量１００の例を示す。振動質量１００は、図２の例において示された振動質量５６に対応し、たとえば、振動質量５６をデカルト座標系５８のＹ軸に沿って真上から見た図である。振動質量１００は、図３の例において、振動質量１００の上面または底面のいずれかの図で示されている。振動質量１００は、駆動電極１０２のアレイと感知電極１０４のアレイとを含む。駆動電極１０２および感知電極１０４は各々、駆動電極１０２がＺ軸に沿って伸張し、感知電極１０４がＸ軸に沿って伸張し、かつ駆動電極１０２に対し直交するように、振動質量１００の表面上に横断的に伸張する。例として、実質的に平面の振動質量１００の反対側の表面も同様に、駆動電極と感知電極の実質的に同様の（たとえば、等しい）配列を含む。図３の例において、駆動電極１０２のアレイと感知電極１０４のアレイは各々、振動質量１００の面積の約半分を占有する。しかしながら、駆動電極１０２および力再平衡化１０４のアレイのうちの一方が振動質量１００の表面の相対的により広い面積を占有することが理解されるべきである。加えて、駆動電極１０２および力再平衡化電極１０４の方向が、反対の表面上のそれぞれの電極の配列と整合しながら、交換可能であることもまた、理解されるべきである。

先に説明したように、振動質量１００は、振動質量５６に対応するので、第１および第２のカバー層５４および５８の間に配列される。例として、第１および第２のカバー層５４および５８は、各々、駆動電極１０２および感知電極１０４のアレイに実質的にマッチする駆動電極および感知電極のアレイを含む。これもまた先に説明したように、駆動電極１０２および感知電極１０４のアレイの配列は、駆動電極１０２および感知電極１０４のアレイが、静止状態において、第１および第２のカバー層５４および５８上のマッチする電極に対しアラインメントされない（たとえば、横にオフセットされる）ようになっている。したがって、駆動信号ＤＲＶに応答して、静電力が、Ｘ−Ｚ平面における、特に駆動軸（「ＤＲＶ」）に対応するＸ軸に沿った、振動質量１００の周期的な発振の動きを提供するように、駆動電極１０２と、それぞれのハウジングに関連づけられた実質的にマッチする駆動電極との間に発生される。同様に、力再平衡化信号ＦＲＢに応答して、静電力が、Ｘ−Ｚ平面における、特に感知軸（「ＳＮＳ」）に対応するＺ軸に沿った、振動質量１００の動きに応答して、振動質量の力再平衡化を提供するように、感知電極１０４と、それぞれのハウジングに関連づけられた実質的にマッチする駆動電極との間に発生される。

例として、駆動電極１０２および感知電極１０４は、幅約２５μｍ、深さ約５０μｍの間隙によって離間される。駆動電極１０２は、約１４００μｍの長さを有し、感知電極１０４は、約２８００μｍの長さを有する。したがって、感知電極１０４は、駆動電極１０２の長さの約２倍の長さを有する。しかしながら、駆動電極１０２および感知電極１０４の直交配列と、駆動電極１０２および感知電極１０４が各々振動質量１００の表面の面積の約半分を占有することに基づいて、駆動電極１０２の量は、感知電極１０４の量の約２倍である。したがって、駆動電極１０２および感知電極１０４は各々、ほぼ電圧刺激に応答したほぼ等しい静電力を有し、実質的に等しい静電容量を示す。ハウジングのそれぞれの電極との容量性結合に対する駆動電極１０２と感知電極１０４のそのような配列は、運動を強制および検出するための典型的な可変面積静電フォーサシステム（たとえば、「くし型」駆動システム）に対する著しい性能の改善という結果を生じる。

図４は、センサシステム１５０の別の例を示す。センサシステム１５０は、図１の例におけるセンサシステム１２および図２の例におけるセンサシステム５０のうちの少なくとも一方に対応する。例として、センサシステム１５０は、センサシステム５０に対応する。したがって、図３の例の以下の説明では、図１および図２の例を参照する。

センサシステム１５０は、第１のカバー層１５２、振動質量１５４、および第２のカバー層１５６を含む。図２の例において、振動質量１５４は、実質的に平面であるものとして示され、第１のカバー層１５２は、振動質量１５４の上の層として提供され、第２のカバー層１５６は、振動質量１５４の下の層として提供されている。例として、振動質量１５４は、エッチングされたシリコンの層であり、第１および第２のカバー層１５２および１５６は各々、エッチングされたシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）の層から形成される。第１のカバー層１５２および第２のカバー層１５６は、上述のごとく第１および第２のカバー層１５２および１５６に対する振動質量１５４の平面内運動を可能にするために振動質量１５４がばね質量システム（図示せず）を介して結合されるハウジング１８の一部を集合的に形成する。

図４の例において、振動質量１５４は、実質的に平面の振動質量１５４の上面および底面上に配置された、駆動電極１６０の第１のアレイと駆動電極１６２の第２のアレイを含む。同様に、第１のカバー層１５２は、駆動電極１６０の第１のアレイと対向する表面上に配置された駆動電極１６４のアレイを含み、第２のカバー層１５６は、駆動電極１６２の第２のアレイと対向する表面上に配置された駆動電極１６６のアレイを含む。加えて、第１のカバー層１５２、振動質量１５４、および第２のカバー層１５６は各々、上記と同様に、感知電極のアレイを含む（たとえば、振動質量が上面と底面の両方の上にアレイを含む）。たとえば、感知電極は、駆動電極１６０、１６２、１６４、および１６６に対し直交する方向に横断的に伸張する。

上記と同様に、たとえば、寸法、量、および一般的な配列に基づいて、駆動電極１６０は、駆動電極１６４のそれぞれのアレイと実質的にマッチするものとして配列され、駆動電極１６２は、駆動電極１６６のそれぞれのアレイと実質的にマッチするものとして配列される。駆動電極１６０と１６４、駆動電極１６２と１６６は、距離「Ｄ」（たとえば、約２μｍ）だけ離間される。図４の例に示されているように、駆動電極１６０と１６４および駆動電極１６２と１６６の実質的にマッチする組は、振動質量１５４の静止状態でアラインメントされていない（たとえば、横にオフセットしている）ものとして示されている。したがって、駆動電極１６０と１６４、駆動電極１６２と１６６は、Ｙ軸に沿ったそれぞれの電極の重複の量に基づいて容量性結合される。図４の例において、第１のカバー層１５２は、第１の駆動信号ＤＲＶ_１と第１の力再平衡化信号ＦＲＢ_１を受け取り、第２のカバー層１５６は、第２の駆動信号ＤＲＶ_２と第２の力再平衡化信号ＦＲＢ_２を受け取る。例として、第１および第２の駆動信号ＤＲＶ_１およびＤＲＶ_２は、同一の信号に対応し、第１および第２の力再平衡化信号ＦＲＢ_１およびＦＲＢ_２は、同一の信号に対応する。

振動質量１５４は、所定のバイアス電圧Ｖ_Ｂに結合されているものとして示されており、所定のバイアス電圧Ｖ_Ｂは、正弦波の静電引力が第１および第２の駆動信号ＤＲＶ_１およびＤＲＶ_２と第１および第２の力再平衡化信号ＦＲＢ_１およびＦＲＢ_２に応答して振動質量１５４に作用できるようにする。バイアス電圧Ｖ_Ｂが振動質量１５４に結合されているものとして示されている一方で、バイアス電圧Ｖ_Ｂがその代わりに第１および第２のカバー層１５２および１５６に結合できることが理解されるべきである。したがって、第１および第２の駆動信号ＤＲＶ_１およびＤＲＶ_２は、駆動軸に沿った振動質量１５４の平面内の周期的な発振運動を提供する静電力を発生させ、第１および第２の力再平衡化信号ＦＲＢ_１およびＦＲＢ_２は、入力軸を中心としたセンサシステム１５０の回転に応答して感知軸に沿った無効位置に振動質量１５４を維持する静電力を発生させる。例として、第１および第２の駆動信号ＤＲＶ_１およびＤＲＶ_２と第１および第２の力再平衡化信号ＦＲＢ_１およびＦＲＢ_２の各々は、振動質量１５４の共振周波数とほぼ等しい周波数を有する。加えて、キャリア信号ＣＡが振動質量１５４に提供される。例として、キャリア信号ＣＡは、振動質量の共振周波数よりも著しく高い周波数（たとえば、約２００ｋＨｚ以上）を有するＡＣ電圧としてジャイロスコープコントローラ１４により生成される。キャリア信号ＣＡが所定のバイアス電圧Ｖ_Ｂと合計される。

ジャイロスコープコントローラ１４は、信号Ｄ＿ＰＯ_１として示された駆動電極１６０と１６４の間の容量性結合に関連づけられた静電容量と、信号Ｄ＿ＰＯ_２として示された駆動電極１６２と１６６の間の容量性結合に関連づけられた静電容量とを監視する。同様に、ジャイロスコープコントローラ１４は、信号Ｆ＿ＰＯ_１として示された、振動質量１５４と第１のカバー層１５２に関連づけられた感知電極（たとえば、図２の例における感知電極６２と７０）の間の容量性結合に関連づけられた静電容量と、信号Ｆ＿ＰＯ_２として示された、振動質量１５４と第２のカバー層１５６に関連づけられた感知電極（たとえば、図２の例における感知電極６６と７４）の間の容量性結合に関連づけられた静電容量とを監視する。信号Ｄ＿ＰＯ_１、Ｄ＿ＰＯ_２、Ｆ＿ＰＯ_１、およびＦ＿ＰＯ_２は一括して、図１の例におけるピックオフ信号ＰＯに対応する。それに応答して、ジャイロスコープコントローラ１４は、駆動軸に沿った振動質量１５４の平面内の周期的な発振運動を維持するために必要とされる第１および第２の駆動信号ＤＲＶ_１およびＤＲＶ_２の大きさを計算し、また感知軸に沿った無効位置に振動質量１５４を維持するために第１および第２の力再平衡化信号ＦＲＢ_１およびＦＲＢ_２の大きさを計算する。

例として、ジャイロスコープコントローラ１４は、キャリア信号ＣＡの周波数の信号Ｄ＿ＰＯ_１、Ｄ＿ＰＯ_２、Ｆ＿ＰＯ_１、およびＦ＿ＰＯ_２を復調して、復調された信号Ｄ＿ＰＯ_１、Ｄ＿ＰＯ_２、Ｆ＿ＰＯ_１、およびＦ＿ＰＯ_２が、周期的な発振運動、入力軸を中心とした角回転、および２つの原理弾性軸間の共振周波数の差の結果として生じる直角効果のうちの少なくとも１つに基づいて、ほぼ振動質量１５４の共振周波数で変調された振幅を有するようにする。ジャイロスコープコントローラ１４は、駆動軸に沿った振動質量１５４の周期的な運動を維持するために必要とされる振幅で第１および第２の駆動信号ＤＲＶ_１およびＤＲＶ_２を提供することができる。ジャイロスコープコントローラ１４はまた、感知軸に沿った無効位置に振動質量１５４を維持するためと、信号Ｆ＿ＰＯ_１およびＦ＿ＰＯ_２（たとえば、それぞれ、サインおよびコサイン）において提供される角回転効果の約９０°の位相外れを示す直角効果を実質的に緩和するためとに必要とされる振幅で第１および第２の力再平衡化信号ＦＲＢ_１およびＦＲＢ_２を提供することができる。加えて、第１および第２の力再平衡化信号ＦＲＢ_１およびＦＲＢ_２の大きさが入力軸を中心とした回転に応答した感知軸に沿った振動質量１５４の動きに比例するので、ジャイロスコープコントローラ１４は、第１および第２の力再平衡化信号ＦＲＢ_１およびＦＲＢ_２の計算された大きさに基づいて（たとえば、信号Ｆ＿ＰＯ_１およびＦ＿ＰＯ_２に対する角回転変調に応答して）、入力軸を中心とした回転ＲＯＴを計算することができる。

電極１６０、１６２、１６４、および１６６の配列に基づいて、センサシステム１５０は、両側の電極に関する重複する相互嵌合を変えるように移動される電極を具体化するシステム（すなわち、「くし型」駆動構成）のような、容量性結合によって運動検出を具体化する他の典型的な力再平衡化システムに対して著しい性能の改善を達成することができる。たとえば、電極１６０、１６２、１６４、および１６６は、「くし型」駆動アーキテクチャよりも著しく広い面積の重複とより狭い間隙距離を有するので、センサシステム１５０は、「くし型」駆動アーキテクチャよりも著しく大きな力の付加能力（ｆｏｒｃｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）と静電容量を達成することができる。加えて、振動質量１５４は、他の運動センシングアプリケーション（たとえば、「くし型」駆動アーキテクチャ）における動く要素よりも著しく大きな質量を有し、電極１６０および１６２が振動質量１５４の両側の表面上に配置されるので、距離「Ｄ」は、振動質量１５４の両面上に実質的に等しく正反対に印加される静電力に基づいて非常に短いものである。したがって、これらの理由のすべてにより、関連づけられたセンサシステム（たとえば、センサシステム１０）は、典型的な他の運動センシングアプリケーションに対して著しく改善された信号対雑音比（ＳＮＲ）で角回転ＲＯＴを計算することができる。

図５は、クアッド質量センサシステム２００の例を示す。クアッド質量センサシステム２００は、図１の例におけるセンサシステム１２に対応する。したがって、図５の例の以下の説明では図１の例を参照する。

クアッド質量センサシステム２００は、ペアで配列された、第１の振動質量２０２、第２の振動質量２０４、第３の振動質量２０６、および第４の振動質量２０８を含む。図５の例において、第１の振動質量２０２と第２の振動質量２０４は、実質的に同一に配列されているが、互いに対し反対方向の運動を実現する振動質量の第１のペアであり、第３の振動質量２０６と第４の振動質量２０８は、実質的に同一に配列されているが、互いに対し反対方向の運動を実現し、かつ第１および第２の振動質量２０２、２０４とは１８０°の位相外れの振動質量の第２のペアである。たとえば、第１および第２の振動質量２０２および２０４は各々、図３の例における振動質量１００と実質的に同様に構成され、各々が駆動電極２１０のアレイと感知電極２１２のアレイとを含む。

１つまたは２つのそれぞれの駆動信号ＤＲＶに応答して、第１および第２の振動質量２０２および２０４は、所与の時間に駆動軸に沿って反対方向に、たとえば、互いに対し１８０°の位相外れで、平面内で周期的に発振して動くように構成される。加えて、１つまたは２つのそれぞれの力再平衡化信号ＦＲＢに応答して、第１および第２の振動質量２０２および２０４は、所与の時間に反対方向に、たとえば、互いに対し１８０°の位相外れで、印加された静電力に基づき、感知軸に沿った無効位置を維持するように構成される。同様に、駆動信号（単数または複数）ＤＲＶに応答して、第３および第４の振動質量２０６および２０８は、所与の時間に駆動軸に沿って反対方向に、たとえば、互いに対し１８０°の位相外れで、平面内で周期的に発振して動くように構成される。

加えて、１つまたは２つのそれぞれの力再平衡化信号ＦＲＢに応答して、第１および第２の振動質量２０２および２０４は、所与の時間に反対方向に、たとえば、互いに対し１８０°の位相外れで、印加された静電力に基づき、感知軸に沿った無効位置を維持するように構成される。第１の振動質量２０２は、第４の振動質量２０８と同相であり、第２および第３の振動質量２０４および２０６に対し位相外れであり、第２の振動質量２０４は、第３の振動質量２０６と同相であり、第１および第４の振動質量２０２および２０８に対し位相外れである。したがって、振動質量２０２、２０４、２０６、および２０８の反対の運動に基づいて、センサシステム２００は、所与の時間に、センサシステム２００のほぼ中心２１０を通過する入力軸を中心として実質的に平衡化される。

図６は、振動質量２５０の別の例を示す。振動質量２５０は、デカルト座標系２５３のＹ軸に沿って真上から見た図といったように、図２の例に示された振動質量５６に対応する。振動質量２５０は、図６の例では、振動質量２５０の上面または底面のいずれかの図において示されている。振動質量２５０は、駆動電極２５２のアレイと感知電極２５４のアレイとを含む。駆動電極２５２および感知電極２５４は各々、駆動電極２５２がＺ軸に沿って伸張し、感知電極２５４がＸ軸に沿って伸張し、駆動電極２５２に対し直交するように、振動質量２５０の表面上に横断的に伸張する。

加えて、振動質量２５０はさらに、駆動電極２５２と感知電極２５４の両方に対し約４５°に配列された直角電極２５６のアレイを含む。直角電極２５６は、図３の例における振動質量１００について先に説明したのと同様に、幅、深さ、および介在する間隙の幅に関し駆動電極２５２と感知電極２５４の両方の寸法とほぼ同様の寸法を有する。例として、実質的に平面の振動質量２５０の両側の表面も同様に、実質的に同様の（たとえば、等しい）駆動電極、力再平衡化電極、および直角電極の配列を含む（たとえば、振動質量２５０の静止状態において横にオフセットする）。図６の例では、直角電極２５６のアレイが、振動質量２５０の面積のほぼ中心を占有する。しかしながら、直角電極２５６のアレイが振動質量２５０の表面上のさまざまな場所に配列されることが理解されるべきである。

先に説明したように、振動質量２５０は、振動質量５６に対応するので、第１および第２のカバー層５４および５８の間に配列される。例として、第１および第２のカバー層５４および５８の各々は、駆動電極２５２および感知電極２５４のアレイと実質的にマッチする駆動および力再平衡化のアレイを含む。したがって、駆動信号ＤＲＶに応答して、静電力が、駆動電極２５２とそれぞれのハウジングに関連づけられた実質的にマッチする駆動電極との間で発生し、Ｘ−Ｚ平面における、特に駆動軸（「ＤＲＶ」）に対応するＸ軸に沿った、振動質量２５０の周期的な発振の動きを提供する。同様に、力再平衡化信号ＦＲＢに応答して、静電力が、感知電極２５４とそれぞれのハウジングに関連づけられた実質的にマッチする駆動電極との間で発生して、Ｘ−Ｚ平面における、特に感知軸（「ＳＮＳ」）に対応するＹ軸に沿った、振動質量２５０の動きに応答した、振動質量の力再平衡化を提供する。

加えて、第１および第２のカバー層５４および５８は各々、直角電極２５６のアレイと各々が実質的にマッチする直角電極のアレイを含む（たとえば、Ｙ軸に沿った直角電極２５６と実質的にマッチする直角電極との重複を実質的に最適化するほぼ等しい向きと角度を有する）。さらに、ジャイロスコープコントローラ１４は、ＤＣ直角信号を生成するように構成される。例として、直角信号は、第１および第２のカバー層５４および５８上の実質的にマッチする直角電極に印加され、振動質量２５０は、所定のバイアス電圧Ｖ_Ｂに結合される。ＤＣ直角信号は、２つの原理弾性軸における共振周波数に実質的にマッチし、力再平衡化信号ＦＲＢに結合する直角効果を打ち消す、Ｘ−Ｚ平面における直角電極２５６の角度に沿った負のＤＣ静電ばね力を提供する。図６の例における振動質量２５０を実現する振動質量型ジャイロスコープに関して、ジャイロスコープコントローラ１４は、直角効果を実質的に緩和するために力再平衡化信号ＦＲＢ_１およびＦＲＢ_２におけるサイン振幅変調を提供する必要がない。ＤＣ直角制御は、角速度チャネルへの直角効果の結合に起因する入力角速度ＲＯＴの計算における誤差を最小化することができる。

たとえば、製造によるおよび電子的なばらつきは、振動質量２５０のばね剛性と質量のばらつきに起因した、振動質量２５０の駆動軸ＤＲＶと感知軸ＳＮＳの共振周波数の分離における変化という結果を生じさせる。そのような周波数の分離の結果として、再変調位相誤差が、直角効果を感知軸に結合するので、生成される力再平衡化信号ＦＲＢの大きさに影響を及ぼす。力再平衡化信号ＦＲＢの大きさは入力軸を中心としたセンサシステム５０の回転に対応しているので、そのような直角結合は、入力軸を中心とした回転ＲＯＴの計算における誤差を生み出す。したがって、直角電極２５６に対するＤＣ直角信号によって発生する負の静電ばね力が、直角運動、および力再平衡化信号ＦＲＢへの直角結合を実質的に緩和することができる。結果として、直角電極に対するＤＣ直角信号の印加は、入力軸を中心とした回転ＲＯＴの計算における直角に基づいた誤差を実質的に緩和することができる。

上述された上記構造的な特徴および機能的な特徴を考慮すると、本発明のさまざまな態様に係る方法が、図７に関連してより良好に理解されるであろう。説明の単純化の目的のために、図７の方法は連続的に実行されるものとして示され説明されるが、本発明に係るいくつかの態様は、本明細書に示され説明された順序とは異なる順序でおよび他の態様のうちの少なくとも一方と同時に行われるので、本発明が例示の順序によって限定されないことが理解され認識されるべきである。さらに、例示されたすべての特徴が、本発明の態様に係る方法を実現するために必要とされるわけではない。

図７は、振動質量型ジャイロスコープシステム（たとえば、振動質量型ジャイロスコープシステム１０）において入力軸を中心とした回転を計算するための方法３００の例を示す。３０２で、実質的に平面の振動質量（たとえば、振動質量５６）の第１の表面と第２の表面のうちの少なくとも１つの上に周期的なパターンで横断的に伸張する駆動電極のアレイ（たとえば、駆動電極６０および６４）と、ハウジングの第１の表面と第２の表面のうちの少なくとも１つの上に周期的なパターンで横断的に伸張する駆動電極の実質的にマッチするアレイ（たとえば、駆動電極６８および７２）とのうちの１つに関連づけられた、駆動ピックオフ信号（たとえば、駆動ピックオフ信号Ｄ＿ＰＯ）が監視される。実質的に平面の振動質量の第１の表面は、ハウジングの第１の表面と対向し、実質的に平面の振動質量の第２の表面は、（たとえば、第１および第２のカバー層５４および５８を含む）ハウジングの第２の表面と対向する。３０４で、駆動信号（たとえば、駆動信号ＤＲＶ）が、駆動ピックオフ信号に基づいて、実質的に平面の振動質量の駆動電極のアレイと、ハウジングの駆動電極の実質的にマッチするアレイとのうちの１つに提供されて、実質的に平面の振動質量の平面内の周期的な発振運動（たとえば、Ｘ−Ｚ平面における）が提供される。３０６で、実質的に平面の振動質量の第１および第２の表面のうちの少なくとも１つの上に周期的なパターンで横断的に伸張する感知電極のアレイ（たとえば、感知電極６２および６８）と、ハウジングの第１および第２の表面のうちの少なくとも１つの上に周期的なパターンで横断的に伸張する感知電極の実質的にマッチするアレイ（たとえば、感知電極７０および７４）とのうちの１つに関連づけられた力再平衡化ピックオフ信号（たとえば、力再平衡化ピックオフ信号Ｆ＿ＰＯ）が監視される。３０８で、力再平衡化信号（たとえば、力再平衡化信号ＦＲＢ）が、入力軸を中心とした振動質量型ジャイロスコープシステムの回転（たとえば、回転ＲＯＴ）を計算するために、ハウジングの力再平衡化ピックオフ信号に基づいて、実質的に平面の振動質量の感知電極のアレイと、感知電極の実質的にマッチするアレイとのうちの１つに提供される。

上述されているものは、本発明の例である。当然のことながら、本発明を説明する目的のために構成要素または方法の考えられるあらゆる組み合わせを説明することは可能でないが、当業者は、本発明の多くのさらなる組み合わせおよび置き換えが可能であることを認識するであろう。したがって、本発明は、添付の請求項の趣旨および範囲内に入るすべてのそのような代替、変更、変形を含むように意図される。

本開示は、概してセンサシステムに関し、具体的には振動質量型ジャイロスコープシステムおよび方法に関する。

受感（たとえば、入力）軸を中心とした回転を計算するように構成される、複数の異なるタイプの振動質量型ジャイロスコープシステムが存在する。ジャイロスコープの１つのタイプは、コリオリ振動ジャイロスコープ（ＣＶＧ：Ｃｏｒｉｏｌｉｓ Ｖｉｂｒａｔｏｒｙ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ）である。ＣＶＧの一例は、２つの質量（たとえば、尖叉）が駆動軸に沿った平面で振動する音叉型ジャイロスコープである。音叉の尖叉に平行な入力軸を中心に付与された角速度に応答して、コリオリ力により尖叉が、（たとえば、駆動軸に対し９０°の）感知軸に沿って平面外で振動する。開ループ器具における平面外運動の振幅、または、閉ループ器具において平面外運動を再平衡化し、かつ無効にするために必要とされる力は、入力軸を中心に付与された角速度の計測値に対応する。

米国特許第６２３０５６３号明細書 米国特許第６２９６７７９号明細書 米国特許第７２１３４５８号明細書 米国特許第７２３１８２４号明細書 米国特許第８３２２２１３号明細書 米国特許出願公開第２０１１／００３０４７２号明細書 米国特許出願公開第２０１３／００５５７８７号明細書 米国特許出願公開第２０１３／００９８１５３号明細書

本発明の一実施形態は、振動質量型ジャイロスコープシステムを含む。センサシステムは、両側の第１および第２の表面と、第１の表面および第２の表面のうちの少なくとも一方の上に周期的なパターンで横断的に伸張する電極とを含む、実質的に平面の振動質量を含む。電極は、一組の駆動電極および感知電極を含み、一組の駆動電極および感知電極は、ハウジングに関連づけられたそれぞれのマッチする一組の駆動電極および感知電極に容量性結合され、それぞれの第１および第２の表面と離間され対向する。ジャイロスコープコントローラは、振動質量の平面内の周期的な発振運動を提供するために駆動電極のアレイと駆動電極の実質的にマッチするアレイとのうちの１つに提供される駆動信号を生成し、入力軸を中心とした振動質量型ジャイロスコープシステムの回転を計算するために感知電極のアレイと感知電極の実質的にマッチするアレイとのうちの１つに提供される力再平衡化信号を生成する。

本発明の別の実施形態は、振動質量型ジャイロスコープシステムにおいて入力軸を中心とした回転を計算するための方法を含む。方法は、実質的に平面の振動質量の第１の表面および第２の表面のうちの少なくとも１つの上に周期的なパターンで横断的に伸張する駆動電極のアレイと、ハウジングの第１の表面および第２の表面のうちの少なくとも１つの上に周期的なパターンで横断的に伸張する駆動電極の実質的にマッチするアレイとのうちの１つに関連づけられた駆動ピックオフ信号を監視することを含む。実質的に平面の振動質量の第１の表面は、ハウジングの第１の表面と対向し、実質的に平面の振動質量の第２の表面は、ハウジングの第２の表面と対向する。方法はまた、駆動ピックオフ信号に基づいて、実質的に平面の振動質量の駆動電極のアレイと、ハウジングの駆動電極の実質的にマッチするアレイとのうちの１つに駆動信号を提供して、実質的に平面の振動質量の平面内の周期的な発振運動を提供することを含む。方法はまた、実質的に平面の振動質量の第１および第２の表面のうちの少なくとも１つの上に周期的なパターンで横断的に伸張する感知電極のアレイと、ハウジングの第１および第２の表面のうちの少なくとも１つの上に周期的なパターンで横断的に伸張する感知電極の実質的にマッチするアレイとのうちの１つに関連づけられた力再平衡化ピックオフ信号を監視することを含む。方法はさらに、力再平衡化ピックオフ信号に基づいて、実質的に平面の振動質量の感知電極のアレイと、ハウジングの感知電極の実質的にマッチするアレイとのうちの１つに力再平衡化信号を提供して、入力軸を中心とした振動質量型ジャイロスコープシステムの回転を計算することを含む。

本発明の別の実施形態は、振動質量型ジャイロスコープシステムを含む。システムは、第１の表面と、第１の表面の反対側の第２の表面と、第１および第２の表面の各々の上に周期的なパターンで横断的に伸張する複数の電極と、を各々が備える複数の実質的に平面の振動質量を備えるセンサシステムを含む。複数の電極は、駆動電極のアレイと感知電極のアレイとを含み、駆動電極のアレイと感知電極のアレイはそれぞれ、ハウジングに関連づけられた駆動電極の実質的にマッチするアレイと感知電極の実質的にマッチするアレイに容量性結合され、複数の振動質量の各々の第１および第２の表面のそれぞれのうちの少なくとも１つと離間され対向する。システムはまた、複数の実質的に平面の振動質量の各々の平面内の周期的な発振運動を提供するために、複数の振動質量の各々に関連づけられた駆動電極のアレイと駆動電極の実質的にマッチするアレイとのうちの１つに提供される駆動信号を生成するように構成されたジャイロスコープコントローラを含む。ジャイロスコープコントローラはまた、入力軸を中心とした振動質量型ジャイロスコープシステムの回転を計算するために、複数の振動質量の各々に関連づけられた感知電極のアレイと感知電極の実質的にマッチするアレイとのうちの１つに提供される力再平衡化信号を生成する。

振動質量型ジャイロスコープシステムの一例を示す図である。 センサシステムの一例を示す図である。 振動質量の一例を示す図である。 センサシステムの別の例を示す図である。 クアッド質量センサシステムの一例を示す図である。 振動質量の別の例を示す図である。 振動質量型ジャイロスコープシステムにおいて入力軸を中心とした回転を計算するための方法の一例を示す図である。

本開示は、概してセンサシステムに関し、具体的には振動質量型ジャイロスコープシステムおよび方法に関する。振動質量型ジャイロスコープシステムは、センサシステムとジャイロスコープコントローラとを含む。センサシステムは、第１の表面と第１の表面の反対側の第２の表面とを有する実質的に平面の振動質量として配列された少なくとも１つの振動質量を含む。振動質量（単数または複数）は、振動質量（単数または複数）の第１および第２の表面のうちの少なくとも１つの上に周期的なパターンで横断的に伸張する駆動電極のアレイと感知電極のアレイとを含む。例として、駆動電極と感知電極は、互いに対し直交する方向に伸張し、互いに対し振動質量の同一面（たとえば、両面）上に配列される。センサシステムはまた、振動質量（単数または複数）と対向するハウジングのそれぞれの表面上に配列された駆動電極および感知電極のそれぞれのマッチするアレイを含むハウジングを含み、電極のマッチするアレイは、振動質量（単数または複数）に関連づけられた駆動電極および感知電極のアレイに容量性結合される。

ジャイロスコープコントローラは、振動質量（単数または複数）およびハウジングに関連づけられた駆動電極および感知電極のアレイにそれぞれ提供される駆動信号および力再平衡化信号を生成するように構成される。たとえば、それぞれの信号がハウジング上の電極に提供される一方で、振動質量（単数または複数）上の電極は、バイアス電圧に電気結合される。駆動信号は、たとえば、ハウジングに結合された振動質量ばねシステムの共振周波数とほぼ等しい周波数（たとえば、５０ｋＨｚ未満）で、振動質量（単数または複数）の平面内の周期的な発振運動を誘発する静電力を提供する。例として、平面内の周期的な発振運動は、振動質量の所与のペアに関し１８０°の位相外れである。力再平衡化信号も同様に、入力軸を中心としたセンサシステムの回転に応答して振動質量（単数または複数）の力再平衡化を提供するための静電力を提供する。例として、振動質量（単数または複数）の力再平衡化のための静電力は、駆動信号によって提供される平面内の周期的な発振運動に対し直交する。力再平衡化信号の大きさ、感知軸に沿ったピックオフの無効位置に振動質量（単数または複数）を維持するために必要とされる静電力は、入力軸を中心としたセンサシステムの回転速度とジャイロスコープバイアスとの組み合わせに対応する。したがって、力再平衡化信号の大きさは、（たとえば、ジャイロスコープバイアスを補償して）入力軸を中心としたセンサシステムの角回転を計算するためにジャイロスコープコントローラ（たとえば、関連づけられた慣性センサプロセッサ）によって実現される。

図１は、振動質量型ジャイロスコープシステム１０の例を示す。振動質量型ジャイロスコープシステム１０は、航空宇宙および航海ナビゲーションのような、回転の精確な計測が必要であるさまざまな用途のいずれかで実現される。振動質量型ジャイロスコープシステム１０は、センサシステム１２とジャイロスコープコントローラ１４とを含む。

センサシステム１２は、実質的に平面の慣性質量として配列された少なくとも１つの振動質量１６を含む。例として、振動質量（単数または複数）１６は、偶数量（たとえば４つ）の振動質量として配列される。たとえば、振動質量（単数または複数）１６は、シリコンの層として製造される。センサシステム１２はまた、たとえば、振動質量（単数または複数）１６の上の層および振動質量（単数または複数）１６の下の層を含んで、振動質量（単数または複数）１６を封入するハウジング１８を含む。例として、振動質量（単数または複数）１６の各々は、振動質量（単数または複数）１６の直交方向における平面内運動を可能にするばね質量システム（たとえば、フレキシャ）によってハウジング１８に結合される。図１の例において、振動質量（単数または複数）１６は各々、駆動電極２０のアレイと感知電極２２のアレイとを含み、ハウジング１８は、駆動電極２４のアレイと感知電極２６のアレイとを含み、各々のアレイが振動質量（単数または複数）１６のそれぞれに関連づけられている。駆動電極２０および感知電極２２のアレイの各々は、第１の表面（たとえば、上面）と第１の表面の反対側の第２の表面（たとえば、底面）とのうちの少なくとも１つの上に配列される。同様に、駆動電極２４および感知電極２６のアレイの各々は、振動質量（単数または複数）１６の第１の表面と対向する第１の表面（たとえば、上面）と、振動質量（単数または複数）１６の第２の表面と対向する第２の表面（たとえば、底面）とのうちの少なくとも１つの上に配列される。したがって、駆動電極２０と駆動電極２４は、互いに対し容量性結合され、駆動電極２２と駆動電極２６は、互いに対し容量性結合される。

ジャイロスコープコントローラ１４は、振動質量（単数または複数）１６の平面内の周期的な発振運動を提供するための静電力を発生させるために、駆動電極２０および２４のアレイのうちの少なくとも１つに提供される駆動信号ＤＲＶを生成するように構成される。たとえば、駆動信号ＤＲＶは、ハウジング１８に結合された１つ以上のばねおよび振動質量（単数または複数）１６に関連づけられた共振周波数とほぼ等しい周波数を有する。例として、複数の振動質量１６の例では、平面内の周期的な発振運動は、振動質量（単数または複数）１６の平衡化された運動を提供するために振動質量の各々の所与のペアに関し１８０°の位相外れで提供される。ジャイロスコープコントローラ１４はまた、感知電極２２および２６のアレイのうちの少なくとも１つに提供される静電力を発生させるための力再平衡化信号ＦＲＢを生成するように構成され、その静電力は、入力軸を中心としたセンサシステム１２の回転およびジャイロスコープバイアスに応答して感知ピックオフおよび振動質量（単数または複数）１６の運動を無効にするためのものである。たとえば、力再平衡化信号ＦＲＢは、駆動信号ＤＲＶの周波数とほぼ等しい（たとえば、共振周波数とほぼ等しい）周波数を有する。

駆動信号ＤＲＶと力再平衡化信号ＦＲＢは、復調されたピックオフ信号（単数または複数）に基づいた振幅で生成される。復調されたピックオフ信号ＰＯは、力再平衡化信号ＦＲＢの周波数よりも著しく高い（たとえば、一桁以上）周波数を有する。例として、感知電極２２および２６は、それぞれの駆動電極２０および２４の横断的な伸張に対し横断的におよび直交して伸張する周期的なアレイで配列される。したがって、入力軸を中心としたセンサシステム１２の回転は、駆動電極２０および２４に関連づけられた平面内の周期的な発振運動に対し直交する振動質量（単数または複数）１６の運動という結果を生じる。したがって、力再平衡化信号ＦＲＢに応答して感知電極２２および２６により発生させられた静電力は、振動質量（単数または複数）１６を感知軸に沿った無効位置に強制的に維持するようにする。本明細書において説明される場合、「無効位置」は、復調されたピックオフ信号（単数または複数）に関連づけられたほぼゼロの値に対応する感知軸に沿った振動質量（単数または複数）１６の位置に対応する。

ジャイロスコープコントローラ１４は、プロセッサ２８、信号生成器３０、および復調器システム３２を含む。信号生成器３０は、駆動電極２０および駆動電極２４のうちの少なくとも一方に提供される駆動信号ＤＲＶと、感知電極２２および駆動電極２６のうちの少なくとも一方に提供される力再平衡化信号ＦＲＢとを生成するように構成される。駆動信号ＤＲＶと力再平衡化信号ＦＲＢの印加に応答して、ピックオフ信号ＰＯが復調器システム３２に提供される。例として、ピックオフ信号ＰＯは、振動質量（単数または複数）１６の運動に応答して駆動電極２０と駆動電極２４および感知電極２２と感知電極２６のうちの少なくとも一方に容量性結合される振幅変調されたピックオフ信号に対応する。ピックオフ信号ＰＯは復調器システム３２によって復調されて、たとえば、振動質量（単数または複数）１６の平面内の周期的な発振運動を維持すること、および感知軸における無効位置に振動質量（単数または複数）１６を維持すること等のために、それぞれの駆動信号ＤＲＶおよび力再平衡化信号ＦＲＢの適切な大きさが決定される。

プロセッサ２８は、入力軸を中心としたセンサシステム１２の角回転速度とジャイロスコープバイアスとを示すように、力再平衡化信号ＦＲＢの大きさを計算する。例として、力再平衡化信号の大きさ、即ち、感知軸に沿った無効位置に振動質量（単数または複数）１６を維持するために必要とされる静電力は、（たとえば、ジャイロスコープバイアスを含む）入力軸を中心としたセンサシステム１２の回転速度に対応する。したがって、力再平衡化信号ＦＲＢの大きさは、たとえば、ジャイロスコープバイアスの補償後に入力軸を中心としたセンサシステム１２の角回転を計算するために、プロセッサ２８によって具体化される。したがって、ジャイロスコープコントローラ１４は、入力軸を中心とした回転の角速度の計測を出力信号ＲＯＴとして提供する。追加の例において、駆動電極２０および２４と感知電極２２および２６は、ジャイロスコープバイアスの自己較正のための逆のモードを提供するために、駆動信号ＤＲＶおよび力再平衡化信号ＦＲＢに関し交換可能である。

図２は、センサシステム５０の一例を示す。センサシステム５０は、図２の例では、デカルト座標系５３に基づいた第１の方句視５１および第２の方句視５２に示されており、第２の方句視５２は、第１の方句視５１に対しＹ軸を中心に９０°回転させられている（すなわち、−Ｙ方向を中心に右回りに回転させられている）。センサシステム５０は、図１の例におけるセンサシステム１２に対応する。したがって、図２の例の以下の説明では、図１の例が参照される。

センサシステム５０は、第１のカバー層５４、振動質量５６、および第２のカバー層５８を含む。図２の例において、振動質量５６は、実質的に平面であるものとして示されており、第１のカバー層５４は、振動質量５６の上の層として提供され、第２のカバー層５８は、振動質量５６の下の層として提供されている。例として、振動質量５６は、エッチングされたシリコンの層であり、第１および第２のカバー層５４および５８は各々、エッチングされたシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ：Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）の層から形成される。第１のカバー層５４および第２のカバー層５８は、デカルト座標系５３によって示されているＸ−Ｚ平面における第１および第２のカバー層５４および５８に対する振動質量５６の平面内運動を可能にするために振動質量５６がばね質量システム（図示せず）を介して結合されるハウジング１８の一部を集合的に形成する。

図２の例において、振動質量５６は、実質的に平面の振動質量５６の上面上に配置された、駆動電極６０の第１のアレイと感知電極６２の第１のアレイを含み、上面の反対側の実質的に平面の振動質量５６の底面上に配置された、駆動電極６４の第２のアレイと感知電極６６の第２のアレイを含む。駆動電極６０および６４と感知電極６２および６６は各々、駆動電極６０および６４がＺ軸に沿って伸張し、感知電極６２および６６がＸ軸に沿って伸張し、かつ駆動電極６０および６４に対し直交するように、振動質量５６のそれぞれの上面および底面上に横断的に伸張する。同様に、第１のカバー層５４は、実質的に平面の振動質量５６の上面と対向する表面上に配置された、駆動電極６８のアレイと感知電極７０のアレイを含み、第２のカバー層５８は、実質的に平面の振動質量５６の底面と対向する表面上に配置された、駆動電極７２のアレイと感知電極７４のアレイを含む。

駆動電極６８と７２のアレイ、および感知電極７０と７４のアレイは、駆動電極６０と６４および感知電極６２と６６のそれぞれのアレイと、たとえば、寸法、量、および一般的な配列に基づいて実質的にマッチするものとして配列される。駆動電極６０と感知電極６２は、それぞれのマッチする駆動電極６８と７０から距離「Ｄ」（たとえば、約２μｍ）だけ離間され、駆動電極６４と感知電極６６は、それぞれのマッチする駆動電極７２と７４から距離「Ｄ」だけ離間される。図２の例において、振動質量５６は、静止状態である（たとえば、振動質量５６に働く機械的なばね力が、実質的に等しく、かつ反対である）ものとして示されている。駆動電極６８および７２のアレイと感知電極７０および７４のアレイは、駆動電極６０および６４と感知電極６２および６６のそれぞれのマッチするアレイに対し実質的にアラインメントがずれているものとして示されている。Ｙ軸に沿ったそれぞれの電極の重複の量に基づいて、たとえば、Ｙ軸に対し平行である入力軸を中心とした回転に応答して、駆動電極６０および感知電極６２は、それぞれのマッチする駆動電極６８および７０に容量性結合され、駆動電極６４および感知電極６６は、それぞれのマッチする駆動電極７２および７４に容量性結合される。したがって、静電力は、本明細書においてより詳細に説明するように、周期的な発振運動と力再平衡化とを提供するための、マッチする一組の電極に対する変調された引力である。

図３は、振動質量１００の例を示す。振動質量１００は、図２の例において示された振動質量５６に対応し、たとえば、振動質量５６をデカルト座標系５８のＹ軸に沿って真上から見た図である。振動質量１００は、図３の例において、振動質量１００の上面または底面のいずれかの図で示されている。振動質量１００は、駆動電極１０２のアレイと感知電極１０４のアレイとを含む。駆動電極１０２および感知電極１０４は各々、駆動電極１０２がＺ軸に沿って伸張し、感知電極１０４がＸ軸に沿って伸張し、かつ駆動電極１０２に対し直交するように、振動質量１００の表面上に横断的に伸張する。例として、実質的に平面の振動質量１００の反対側の表面も同様に、駆動電極と感知電極の実質的に同様の（たとえば、等しい）配列を含む。図３の例において、駆動電極１０２のアレイと感知電極１０４のアレイは各々、振動質量１００の面積の約半分を占有する。しかしながら、駆動電極１０２および力再平衡化１０４のアレイのうちの一方が振動質量１００の表面の相対的により広い面積を占有することが理解されるべきである。加えて、駆動電極１０２および力再平衡化電極１０４の方向が、反対の表面上のそれぞれの電極の配列と整合しながら、交換可能であることもまた、理解されるべきである。

先に説明したように、振動質量１００は、振動質量５６に対応するので、第１および第２のカバー層５４および５８の間に配列される。例として、第１および第２のカバー層５４および５８は、各々、駆動電極１０２および感知電極１０４のアレイに実質的にマッチする駆動電極および感知電極のアレイを含む。これもまた先に説明したように、駆動電極１０２および感知電極１０４のアレイの配列は、駆動電極１０２および感知電極１０４のアレイが、静止状態において、第１および第２のカバー層５４および５８上のマッチする電極に対しアラインメントされない（たとえば、横にオフセットされる）ようになっている。したがって、駆動信号ＤＲＶに応答して、静電力が、Ｘ−Ｚ平面における、特に駆動軸（「ＤＲＶ」）に対応するＸ軸に沿った、振動質量１００の周期的な発振の動きを提供するように、駆動電極１０２と、それぞれのハウジングに関連づけられた実質的にマッチする駆動電極との間に発生される。同様に、力再平衡化信号ＦＲＢに応答して、静電力が、Ｘ−Ｚ平面における、特に感知軸（「ＳＮＳ」）に対応するＺ軸に沿った、振動質量１００の動きに応答して、振動質量の力再平衡化を提供するように、感知電極１０４と、それぞれのハウジングに関連づけられた実質的にマッチする駆動電極との間に発生される。

例として、駆動電極１０２および感知電極１０４は、幅約２５μｍ、深さ約５０μｍの間隙によって離間される。駆動電極１０２は、約１４００μｍの長さを有し、感知電極１０４は、約２８００μｍの長さを有する。したがって、感知電極１０４は、駆動電極１０２の長さの約２倍の長さを有する。しかしながら、駆動電極１０２および感知電極１０４の直交配列と、駆動電極１０２および感知電極１０４が各々振動質量１００の表面の面積の約半分を占有することに基づいて、駆動電極１０２の量は、感知電極１０４の量の約２倍である。したがって、駆動電極１０２および感知電極１０４は各々、ほぼ電圧刺激に応答したほぼ等しい静電力を有し、実質的に等しい静電容量を示す。ハウジングのそれぞれの電極との容量性結合に対する駆動電極１０２と感知電極１０４のそのような配列は、運動を強制および検出するための典型的な可変面積静電フォーサシステム（たとえば、「くし型」駆動システム）に対する著しい性能の改善という結果を生じる。

図４は、センサシステム１５０の別の例を示す。センサシステム１５０は、図１の例におけるセンサシステム１２および図２の例におけるセンサシステム５０のうちの少なくとも一方に対応する。例として、センサシステム１５０は、センサシステム５０に対応する。したがって、図３の例の以下の説明では、図１および図２の例を参照する。

センサシステム１５０は、第１のカバー層１５２、振動質量１５４、および第２のカバー層１５６を含む。図２の例において、振動質量１５４は、実質的に平面であるものとして示され、第１のカバー層１５２は、振動質量１５４の上の層として提供され、第２のカバー層１５６は、振動質量１５４の下の層として提供されている。例として、振動質量１５４は、エッチングされたシリコンの層であり、第１および第２のカバー層１５２および１５６は各々、エッチングされたシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）の層から形成される。第１のカバー層１５２および第２のカバー層１５６は、上述のごとく第１および第２のカバー層１５２および１５６に対する振動質量１５４の平面内運動を可能にするために振動質量１５４がばね質量システム（図示せず）を介して結合されるハウジング１８の一部を集合的に形成する。

図４の例において、振動質量１５４は、実質的に平面の振動質量１５４の上面および底面上に配置された、駆動電極１６０の第１のアレイと駆動電極１６２の第２のアレイを含む。同様に、第１のカバー層１５２は、駆動電極１６０の第１のアレイと対向する表面上に配置された駆動電極１６４のアレイを含み、第２のカバー層１５６は、駆動電極１６２の第２のアレイと対向する表面上に配置された駆動電極１６６のアレイを含む。加えて、第１のカバー層１５２、振動質量１５４、および第２のカバー層１５６は各々、上記と同様に、感知電極のアレイを含む（たとえば、振動質量が上面と底面の両方の上にアレイを含む）。たとえば、感知電極は、駆動電極１６０、１６２、１６４、および１６６に対し直交する方向に横断的に伸張する。

上記と同様に、たとえば、寸法、量、および一般的な配列に基づいて、駆動電極１６０は、駆動電極１６４のそれぞれのアレイと実質的にマッチするものとして配列され、駆動電極１６２は、駆動電極１６６のそれぞれのアレイと実質的にマッチするものとして配列される。駆動電極１６０と１６４、駆動電極１６２と１６６は、距離「Ｄ」（たとえば、約２μｍ）だけ離間される。図４の例に示されているように、駆動電極１６０と１６４および駆動電極１６２と１６６の実質的にマッチする組は、振動質量１５４の静止状態でアラインメントされていない（たとえば、横にオフセットしている）ものとして示されている。したがって、駆動電極１６０と１６４、駆動電極１６２と１６６は、Ｙ軸に沿ったそれぞれの電極の重複の量に基づいて容量性結合される。図４の例において、第１のカバー層１５２は、第１の駆動信号ＤＲＶ_１と第１の力再平衡化信号ＦＲＢ_１を受け取り、第２のカバー層１５６は、第２の駆動信号ＤＲＶ_２と第２の力再平衡化信号ＦＲＢ_２を受け取る。例として、第１および第２の駆動信号ＤＲＶ_１およびＤＲＶ_２は、同一の信号に対応し、第１および第２の力再平衡化信号ＦＲＢ_１およびＦＲＢ_２は、同一の信号に対応する。

振動質量１５４は、所定のバイアス電圧Ｖ_Ｂに結合されているものとして示されており、所定のバイアス電圧Ｖ_Ｂは、正弦波の静電引力が第１および第２の駆動信号ＤＲＶ_１およびＤＲＶ_２と第１および第２の力再平衡化信号ＦＲＢ_１およびＦＲＢ_２に応答して振動質量１５４に作用できるようにする。バイアス電圧Ｖ_Ｂが振動質量１５４に結合されているものとして示されている一方で、バイアス電圧Ｖ_Ｂがその代わりに第１および第２のカバー層１５２および１５６に結合できることが理解されるべきである。したがって、第１および第２の駆動信号ＤＲＶ_１およびＤＲＶ_２は、駆動軸に沿った振動質量１５４の平面内の周期的な発振運動を提供する静電力を発生させ、第１および第２の力再平衡化信号ＦＲＢ_１およびＦＲＢ_２は、入力軸を中心としたセンサシステム１５０の回転に応答して感知軸に沿った無効位置に振動質量１５４を維持する静電力を発生させる。例として、第１および第２の駆動信号ＤＲＶ_１およびＤＲＶ_２と第１および第２の力再平衡化信号ＦＲＢ_１およびＦＲＢ_２の各々は、振動質量１５４の共振周波数とほぼ等しい周波数を有する。加えて、キャリア信号ＣＡが振動質量１５４に提供される。例として、キャリア信号ＣＡは、振動質量の共振周波数よりも著しく高い周波数（たとえば、約２００ｋＨｚ以上）を有するＡＣ電圧としてジャイロスコープコントローラ１４により生成される。キャリア信号ＣＡが所定のバイアス電圧Ｖ_Ｂと合計される。

ジャイロスコープコントローラ１４は、信号Ｄ＿ＰＯ_１として示された駆動電極１６０と１６４の間の容量性結合に関連づけられた静電容量と、信号Ｄ＿ＰＯ_２として示された駆動電極１６２と１６６の間の容量性結合に関連づけられた静電容量とを監視する。同様に、ジャイロスコープコントローラ１４は、信号Ｆ＿ＰＯ_１として示された、振動質量１５４と第１のカバー層１５２に関連づけられた感知電極（たとえば、図２の例における感知電極６２と７０）の間の容量性結合に関連づけられた静電容量と、信号Ｆ＿ＰＯ_２として示された、振動質量１５４と第２のカバー層１５６に関連づけられた感知電極（たとえば、図２の例における感知電極６６と７４）の間の容量性結合に関連づけられた静電容量とを監視する。信号Ｄ＿ＰＯ_１、Ｄ＿ＰＯ_２、Ｆ＿ＰＯ_１、およびＦ＿ＰＯ_２は一括して、図１の例におけるピックオフ信号ＰＯに対応する。それに応答して、ジャイロスコープコントローラ１４は、駆動軸に沿った振動質量１５４の平面内の周期的な発振運動を維持するために必要とされる第１および第２の駆動信号ＤＲＶ_１およびＤＲＶ_２の大きさを計算し、また感知軸に沿った無効位置に振動質量１５４を維持するために第１および第２の力再平衡化信号ＦＲＢ_１およびＦＲＢ_２の大きさを計算する。

例として、ジャイロスコープコントローラ１４は、キャリア信号ＣＡの周波数の信号Ｄ＿ＰＯ_１、Ｄ＿ＰＯ_２、Ｆ＿ＰＯ_１、およびＦ＿ＰＯ_２を復調して、復調された信号Ｄ＿ＰＯ_１、Ｄ＿ＰＯ_２、Ｆ＿ＰＯ_１、およびＦ＿ＰＯ_２が、周期的な発振運動、入力軸を中心とした角回転、および２つの原理弾性軸間の共振周波数の差の結果として生じる直角効果のうちの少なくとも１つに基づいて、ほぼ振動質量１５４の共振周波数で変調された振幅を有するようにする。ジャイロスコープコントローラ１４は、駆動軸に沿った振動質量１５４の周期的な運動を維持するために必要とされる振幅で第１および第２の駆動信号ＤＲＶ_１およびＤＲＶ_２を提供することができる。ジャイロスコープコントローラ１４はまた、感知軸に沿った無効位置に振動質量１５４を維持するためと、信号Ｆ＿ＰＯ_１およびＦ＿ＰＯ_２（たとえば、それぞれ、サインおよびコサイン）において提供される角回転効果の約９０°の位相外れを示す直角効果を実質的に緩和するためとに必要とされる振幅で第１および第２の力再平衡化信号ＦＲＢ_１およびＦＲＢ_２を提供することができる。加えて、第１および第２の力再平衡化信号ＦＲＢ_１およびＦＲＢ_２の大きさが入力軸を中心とした回転に応答した感知軸に沿った振動質量１５４の動きに比例するので、ジャイロスコープコントローラ１４は、第１および第２の力再平衡化信号ＦＲＢ_１およびＦＲＢ_２の計算された大きさに基づいて（たとえば、信号Ｆ＿ＰＯ_１およびＦ＿ＰＯ_２に対する角回転変調に応答して）、入力軸を中心とした回転ＲＯＴを計算することができる。

電極１６０、１６２、１６４、および１６６の配列に基づいて、センサシステム１５０は、両側の電極に関する重複する相互嵌合を変えるように移動される電極を具体化するシステム（すなわち、「くし型」駆動構成）のような、容量性結合によって運動検出を具体化する他の典型的な力再平衡化システムに対して著しい性能の改善を達成することができる。たとえば、電極１６０、１６２、１６４、および１６６は、「くし型」駆動アーキテクチャよりも著しく広い面積の重複とより狭い間隙距離を有するので、センサシステム１５０は、「くし型」駆動アーキテクチャよりも著しく大きな力の付加能力（ｆｏｒｃｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ）と静電容量を達成することができる。加えて、振動質量１５４は、他の運動センシングアプリケーション（たとえば、「くし型」駆動アーキテクチャ）における動く要素よりも著しく大きな質量を有し、電極１６０および１６２が振動質量１５４の両側の表面上に配置されるので、距離「Ｄ」は、振動質量１５４の両面上に実質的に等しく正反対に印加される静電力に基づいて非常に短いものである。したがって、これらの理由のすべてにより、関連づけられたセンサシステム（たとえば、センサシステム１０）は、典型的な他の運動センシングアプリケーションに対して著しく改善された信号対雑音比（ＳＮＲ）で角回転ＲＯＴを計算することができる。

図５は、クアッド質量センサシステム２００の例を示す。クアッド質量センサシステム２００は、図１の例におけるセンサシステム１２に対応する。したがって、図５の例の以下の説明では図１の例を参照する。

クアッド質量センサシステム２００は、ペアで配列された、第１の振動質量２０２、第２の振動質量２０４、第３の振動質量２０６、および第４の振動質量２０８を含む。図５の例において、第１の振動質量２０２と第２の振動質量２０４は、実質的に同一に配列されているが、互いに対し反対方向の運動を実現する振動質量の第１のペアであり、第３の振動質量２０６と第４の振動質量２０８は、実質的に同一に配列されているが、互いに対し反対方向の運動を実現し、かつ第１および第２の振動質量２０２、２０４とは１８０°の位相外れの振動質量の第２のペアである。たとえば、第１および第２の振動質量２０２および２０４は各々、図３の例における振動質量１００と実質的に同様に構成され、各々が駆動電極２１０のアレイと感知電極２１２のアレイとを含む。

１つまたは２つのそれぞれの駆動信号ＤＲＶに応答して、第１および第２の振動質量２０２および２０４は、所与の時間に駆動軸に沿って反対方向に、たとえば、互いに対し１８０°の位相外れで、平面内で周期的に発振して動くように構成される。加えて、１つまたは２つのそれぞれの力再平衡化信号ＦＲＢに応答して、第１および第２の振動質量２０２および２０４は、所与の時間に反対方向に、たとえば、互いに対し１８０°の位相外れで、印加された静電力に基づき、感知軸に沿った無効位置を維持するように構成される。同様に、駆動信号（単数または複数）ＤＲＶに応答して、第３および第４の振動質量２０６および２０８は、所与の時間に駆動軸に沿って反対方向に、たとえば、互いに対し１８０°の位相外れで、平面内で周期的に発振して動くように構成される。

加えて、１つまたは２つのそれぞれの力再平衡化信号ＦＲＢに応答して、第１および第２の振動質量２０２および２０４は、所与の時間に反対方向に、たとえば、互いに対し１８０°の位相外れで、印加された静電力に基づき、感知軸に沿った無効位置を維持するように構成される。第１の振動質量２０２は、第４の振動質量２０８と同相であり、第２および第３の振動質量２０４および２０６に対し位相外れであり、第２の振動質量２０４は、第３の振動質量２０６と同相であり、第１および第４の振動質量２０２および２０８に対し位相外れである。したがって、振動質量２０２、２０４、２０６、および２０８の反対の運動に基づいて、センサシステム２００は、所与の時間に、センサシステム２００のほぼ中心２１０を通過する入力軸を中心として実質的に平衡化される。

図６は、振動質量２５０の別の例を示す。振動質量２５０は、デカルト座標系２５３のＹ軸に沿って真上から見た図といったように、図２の例に示された振動質量５６に対応する。振動質量２５０は、図６の例では、振動質量２５０の上面または底面のいずれかの図において示されている。振動質量２５０は、駆動電極２５２のアレイと感知電極２５４のアレイとを含む。駆動電極２５２および感知電極２５４は各々、駆動電極２５２がＺ軸に沿って伸張し、感知電極２５４がＸ軸に沿って伸張し、駆動電極２５２に対し直交するように、振動質量２５０の表面上に横断的に伸張する。

加えて、振動質量２５０はさらに、駆動電極２５２と感知電極２５４の両方に対し約４５°に配列された直角電極２５６のアレイを含む。直角電極２５６は、図３の例における振動質量１００について先に説明したのと同様に、幅、深さ、および介在する間隙の幅に関し駆動電極２５２と感知電極２５４の両方の寸法とほぼ同様の寸法を有する。例として、実質的に平面の振動質量２５０の両側の表面も同様に、実質的に同様の（たとえば、等しい）駆動電極、力再平衡化電極、および直角電極の配列を含む（たとえば、振動質量２５０の静止状態において横にオフセットする）。図６の例では、直角電極２５６のアレイが、振動質量２５０の面積のほぼ中心を占有する。しかしながら、直角電極２５６のアレイが振動質量２５０の表面上のさまざまな場所に配列されることが理解されるべきである。

先に説明したように、振動質量２５０は、振動質量５６に対応するので、第１および第２のカバー層５４および５８の間に配列される。例として、第１および第２のカバー層５４および５８の各々は、駆動電極２５２および感知電極２５４のアレイと実質的にマッチする駆動および力再平衡化のアレイを含む。したがって、駆動信号ＤＲＶに応答して、静電力が、駆動電極２５２とそれぞれのハウジングに関連づけられた実質的にマッチする駆動電極との間で発生し、Ｘ−Ｚ平面における、特に駆動軸（「ＤＲＶ」）に対応するＸ軸に沿った、振動質量２５０の周期的な発振の動きを提供する。同様に、力再平衡化信号ＦＲＢに応答して、静電力が、感知電極２５４とそれぞれのハウジングに関連づけられた実質的にマッチする駆動電極との間で発生して、Ｘ−Ｚ平面における、特に感知軸（「ＳＮＳ」）に対応するＹ軸に沿った、振動質量２５０の動きに応答した、振動質量の力再平衡化を提供する。

加えて、第１および第２のカバー層５４および５８は各々、直角電極２５６のアレイと各々が実質的にマッチする直角電極のアレイを含む（たとえば、Ｙ軸に沿った直角電極２５６と実質的にマッチする直角電極との重複を実質的に最適化するほぼ等しい向きと角度を有する）。さらに、ジャイロスコープコントローラ１４は、ＤＣ直角信号を生成するように構成される。例として、直角信号は、第１および第２のカバー層５４および５８上の実質的にマッチする直角電極に印加され、振動質量２５０は、所定のバイアス電圧Ｖ_Ｂに結合される。ＤＣ直角信号は、２つの原理弾性軸における共振周波数に実質的にマッチし、力再平衡化信号ＦＲＢに結合する直角効果を打ち消す、Ｘ−Ｚ平面における直角電極２５６の角度に沿った負のＤＣ静電ばね力を提供する。図６の例における振動質量２５０を実現する振動質量型ジャイロスコープに関して、ジャイロスコープコントローラ１４は、直角効果を実質的に緩和するために力再平衡化信号ＦＲＢ_１およびＦＲＢ_２におけるサイン振幅変調を提供する必要がない。ＤＣ直角制御は、角速度チャネルへの直角効果の結合に起因する入力角速度ＲＯＴの計算における誤差を最小化することができる。

たとえば、製造によるおよび電子的なばらつきは、振動質量２５０のばね剛性と質量のばらつきに起因した、振動質量２５０の駆動軸ＤＲＶと感知軸ＳＮＳの共振周波数の分離における変化という結果を生じさせる。そのような周波数の分離の結果として、再変調位相誤差が、直角効果を感知軸に結合するので、生成される力再平衡化信号ＦＲＢの大きさに影響を及ぼす。力再平衡化信号ＦＲＢの大きさは入力軸を中心としたセンサシステム５０の回転に対応しているので、そのような直角結合は、入力軸を中心とした回転ＲＯＴの計算における誤差を生み出す。したがって、直角電極２５６に対するＤＣ直角信号によって発生する負の静電ばね力が、直角運動、および力再平衡化信号ＦＲＢへの直角結合を実質的に緩和することができる。結果として、直角電極に対するＤＣ直角信号の印加は、入力軸を中心とした回転ＲＯＴの計算における直角に基づいた誤差を実質的に緩和することができる。

上述された上記構造的な特徴および機能的な特徴を考慮すると、本発明のさまざまな態様に係る方法が、図７に関連してより良好に理解されるであろう。説明の単純化の目的のために、図７の方法は連続的に実行されるものとして示され説明されるが、本発明に係るいくつかの態様は、本明細書に示され説明された順序とは異なる順序でおよび他の態様のうちの少なくとも一方と同時に行われるので、本発明が例示の順序によって限定されないことが理解され認識されるべきである。さらに、例示されたすべての特徴が、本発明の態様に係る方法を実現するために必要とされるわけではない。

図７は、振動質量型ジャイロスコープシステム（たとえば、振動質量型ジャイロスコープシステム１０）において入力軸を中心とした回転を計算するための方法３００の例を示す。３０２で、実質的に平面の振動質量（たとえば、振動質量５６）の第１の表面と第２の表面のうちの少なくとも１つの上に周期的なパターンで横断的に伸張する駆動電極のアレイ（たとえば、駆動電極６０および６４）と、ハウジングの第１の表面と第２の表面のうちの少なくとも１つの上に周期的なパターンで横断的に伸張する駆動電極の実質的にマッチするアレイ（たとえば、駆動電極６８および７２）とのうちの１つに関連づけられた、駆動ピックオフ信号（たとえば、駆動ピックオフ信号Ｄ＿ＰＯ）が監視される。実質的に平面の振動質量の第１の表面は、ハウジングの第１の表面と対向し、実質的に平面の振動質量の第２の表面は、（たとえば、第１および第２のカバー層５４および５８を含む）ハウジングの第２の表面と対向する。３０４で、駆動信号（たとえば、駆動信号ＤＲＶ）が、駆動ピックオフ信号に基づいて、実質的に平面の振動質量の駆動電極のアレイと、ハウジングの駆動電極の実質的にマッチするアレイとのうちの１つに提供されて、実質的に平面の振動質量の平面内の周期的な発振運動（たとえば、Ｘ−Ｚ平面における）が提供される。３０６で、実質的に平面の振動質量の第１および第２の表面のうちの少なくとも１つの上に周期的なパターンで横断的に伸張する感知電極のアレイ（たとえば、感知電極６２および６８）と、ハウジングの第１および第２の表面のうちの少なくとも１つの上に周期的なパターンで横断的に伸張する感知電極の実質的にマッチするアレイ（たとえば、感知電極７０および７４）とのうちの１つに関連づけられた力再平衡化ピックオフ信号（たとえば、力再平衡化ピックオフ信号Ｆ＿ＰＯ）が監視される。３０８で、力再平衡化信号（たとえば、力再平衡化信号ＦＲＢ）が、入力軸を中心とした振動質量型ジャイロスコープシステムの回転（たとえば、回転ＲＯＴ）を計算するために、ハウジングの力再平衡化ピックオフ信号に基づいて、実質的に平面の振動質量の感知電極のアレイと、感知電極の実質的にマッチするアレイとのうちの１つに提供される。

上述されているものは、本発明の例である。当然のことながら、本発明を説明する目的のために構成要素または方法の考えられるあらゆる組み合わせを説明することは可能でないが、当業者は、本発明の多くのさらなる組み合わせおよび置き換えが可能であることを認識するであろう。したがって、本発明は、添付の請求項の趣旨および範囲内に入るすべてのそのような代替、変更、変形を含むように意図される。

Claims (20)

1. 振動質量型ジャイロスコープシステムであって、
   第１の表面と、前記第１の表面の反対側の第２の表面と、前記第１および第２の表面のうちの少なくとも１つの上に周期的なパターンで横断的に伸張する複数の電極とを備える実質的に平面の振動質量を備えるセンサシステムであって、前記複数の電極は、駆動電極のアレイと感知電極のアレイとを備え、駆動電極の前記アレイと感知電極の前記アレイはハウジングに関連づけられた駆動電極の実質的にマッチするアレイと感知電極の実質的にマッチするアレイに容量性結合され、前記第１および第２の表面のそれぞれのうちの少なくとも１つと離間され対向する、前記センサシステムと、
   前記実質的に平面の振動質量の平面内の周期的な発振運動を提供するために駆動電極の前記アレイと駆動電極の前記実質的にマッチするアレイとのうちの１つに提供される駆動信号を生成し、入力軸を中心とした前記振動質量型ジャイロスコープシステムの回転を計算するために感知電極の前記アレイと感知電極の前記実質的にマッチするアレイとのうちの１つに提供される力再平衡化信号を生成するように構成されたジャイロスコープコントローラと
   を備える振動質量型ジャイロスコープシステム。
2. 駆動電極の前記アレイと感知電極の前記アレイは各々、互いに対するそれぞれの直交軸において前記周期的なパターンで横断的に配列され、駆動電極の前記実質的にマッチするアレイと感知電極の前記実質的にマッチするアレイは各々、互いに対するそれぞれの直交軸において前記周期的なパターンで横断的に配列される、請求項１に記載のシステム。
3. 前記実質的に平面の振動質量はさらに、一組の駆動電極および感知電極の各々に対し４５°の角度で配列された直角電極のアレイを備え、前記ハウジングはさらに、前記実質的にマッチする一組の駆動電極および感知電極の各々に対し４５°の角度で配列された直角電極の実質的にマッチするアレイを備え、前記ジャイロスコープコントローラはさらに、前記力再平衡化信号への直角結合を実質的に緩和するために、直角電極の前記アレイと、直角電極の前記実質的にマッチするアレイとのうちの１つに提供される直角信号を生成するように構成される、請求項２に記載のシステム。
4. 前記実質的に平面の振動質量は、前記第１の表面上の駆動電極の第１のアレイと感知電極の第１のアレイとを備えるとともに、前記第２の表面上の駆動電極の第２のアレイと感知電極の第２のアレイとを備え、前記ハウジングは、前記第１の表面と離間され対向する、駆動電極の第１の実質的にマッチするアレイと感知電極の第１の実質的にマッチするアレイを備えるとともに、前記第２の表面と離間され対向する、駆動電極の第２の実質的にマッチするアレイと感知電極の第２の実質的にマッチするアレイとを備える、請求項１に記載のシステム。
5. 前記駆動信号は、駆動電極の前記アレイと駆動電極の前記実質的にマッチするアレイとのうちの１つに提供されて、前記入力軸を中心とした前記振動質量型ジャイロスコープシステムの回転に応答した前記力再平衡化信号に応答して発生された力に対し直交する方向において前記実質的に平面の振動質量の前記平面内の周期的な発振運動を提供する、請求項１に記載のシステム。
6. 前記センサシステムは、ペアで配列された複数の実質的に平面の振動質量を備え、前記複数の実質的に平面の振動質量の各々は、第１の表面と、前記第１の表面の反対側の第２の表面と、前記第１および第２の表面のうちの少なくとも１つの上に周期的なパターンで横断的に伸張する複数の電極とを備える、請求項１に記載のシステム。
7. 前記ジャイロスコープコントローラは、所与のペアに関し１８０°の位相外れであるように前記複数の実質的に平面の振動質量の各々の前記平面内の周期的な発振運動を提供するために前記駆動信号を生成するように構成され、前記ジャイロスコープコントローラは、所与のペアに関し前記複数の実質的に平面の振動質量の各々について交互で反対の方向の力を発生させるために前記力再平衡化信号を生成するように構成される、請求項６に記載のシステム。
8. 前記複数の電極はさらに、前記ハウジングに関連づけられた直角電極の実質的にマッチするアレイに容量性結合された直角電極のアレイを備え、直角電極の前記アレイは、一組の駆動電極および感知電極のうちの少なくとも１つに対し４５°の角度で配列され、直角電極の前記実質的にマッチするアレイは、前記実質的にマッチする一組の駆動電極および感知電極のうちの少なくとも１つに対し４５°の角度で配列される、請求項１に記載のシステム。
9. 前記ジャイロスコープコントローラは、前記力再平衡化信号への直角結合を実質的に緩和するために、直角電極の前記アレイと直角電極の前記実質的にマッチするアレイとのうちの１つにＤＣ直角信号を提供するように構成される、請求項８に記載のシステム。
10. 前記振動質量は、少なくとも１つのばね質量システムを介して前記ハウジングに結合され、前記ジャイロスコープコントローラは、前記少なくとも１つのばね質量システムの共振周波数よりも高い周波数を有するキャリア信号を生成するように構成され、前記駆動信号および前記力再平衡化信号は、前記キャリア信号の前記周波数で前記複数の電極に関連づけられたピックオフ信号を復調することに基づいて、前記少なくとも１つのばね質量システムの前記共振周波数とほぼ等しい周波数で生成される、請求項１に記載のシステム。
11. 振動質量型ジャイロスコープシステムにおいて入力軸を中心とした回転を計算するための方法であって、
    実質的に平面の振動質量の第１の表面および第２の表面のうちの少なくとも１つの上に周期的なパターンで横断的に伸張する駆動電極のアレイと、ハウジングの第１の表面および第２の表面のうちの少なくとも１つの上に周期的なパターンで横断的に伸張する駆動電極の実質的にマッチするアレイとのうちの１つに関連づけられた駆動ピックオフ信号を監視することであって、前記実質的に平面の振動質量の前記第１の表面は、前記ハウジングの前記第１の表面と対向し、前記実質的に平面の振動質量の前記第２の表面は、前記ハウジングの前記第２の表面と対向する、前記監視すること、
    前記駆動ピックオフ信号に基づいて、前記実質的に平面の振動質量の駆動電極の前記アレイと、前記ハウジングの駆動電極の前記実質的にマッチするアレイとのうちの前記１つに駆動信号を提供して、前記実質的に平面の振動質量の平面内の周期的な発振運動を提供すること、
    前記実質的に平面の振動質量の前記第１および第２の表面のうちの少なくとも１つの上に周期的なパターンで横断的に伸張する感知電極のアレイと、前記ハウジングの前記第１および第２の表面のうちの少なくとも１つの上に周期的なパターンで横断的に伸張する感知電極の実質的にマッチするアレイとのうちの１つに関連づけられた力再平衡化ピックオフ信号を監視すること、
    前記力再平衡化ピックオフ信号に基づいて、前記実質的に平面の振動質量の感知電極の前記アレイと、前記ハウジングの感知電極の前記実質的にマッチするアレイとのうちの１つに力再平衡化信号を提供して、入力軸を中心とした前記振動質量型ジャイロスコープシステムの回転を計算すること
    を含む方法。
12. 駆動電極の前記アレイと感知電極の前記アレイは各々、前記実質的に平面の振動質量と前記ハウジングのそれぞれの前記第１および第２の表面の前記少なくとも１つの上に、互いに対するそれぞれの直交軸において前記周期的なパターンで横断的に配列され、駆動電極の前記実質的にマッチするアレイと感知電極の前記実質的にマッチするアレイは各々、前記実質的に平面の振動質量と前記ハウジングのそれぞれの前記第１および第２の表面の前記少なくとも１つの上に、互いに対するそれぞれの直交軸において前記周期的なパターンで横断的に配列される、請求項１１に記載の方法。
13. ＤＣ直角信号を生成すること、
    前記力再平衡化信号への直角結合を実質的に緩和するために、前記実質的に平面の振動質量の前記第１および第２の表面のうちの少なくとも１つの上に周期的なパターンで横断的に伸張する直角電極のアレイと、前記ハウジングの前記第１および第２の表面のうちの少なくとも１つの上に周期的なパターンで横断的に伸張する感知電極の実質的にマッチするアレイとのうちの１つに前記ＤＣ直角信号を提供すること
    をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
14. 直角電極の前記アレイは、一組の駆動電極および感知電極のうちの少なくとも１つに対し４５°の角度で配列される、請求項１３に記載の方法。
15. 前記駆動信号を提供することは、第１の方向の前記実質的に平面の振動質量の前記平面内の周期的な発振運動を提供するために、駆動電極の前記アレイと駆動電極の前記実質的にマッチするアレイとのうちの前記１つに前記駆動信号を提供することを含み、前記力再平衡化信号を提供することは、前記入力軸を中心とした前記振動質量型ジャイロスコープシステムの回転に基づいて、前記第１の方向に直交する第２の方向の前記力再平衡化信号に応答して発生した力を提供するために、感知電極の前記アレイと感知電極の前記実質的にマッチするアレイとのうちの１つに前記力再平衡化信号を提供することを含む、請求項１１に記載の方法。
16. 前記駆動信号を提供することは、ペアで配列された複数の実質的に平面の振動質量に関連づけられた駆動電極の前記アレイと駆動電極の前記実質的にマッチするアレイとのうちの１つに前記駆動信号を提供して、所与のペアに関し１８０°の位相外れの前記複数の実質的に平面の振動質量の各々の前記平面内の周期的な発振運動を提供することを含み、前記力再平衡化信号を提供することは、前記複数の実質的に平面の振動質量に関連づけられた感知電極の前記アレイと感知電極の前記実質的にマッチするアレイとのうちの１つに前記力再平衡化信号を提供して、所与のペアに関し交互で反対の方向の力を提供することを含む、請求項１１に記載の方法。
17. 振動質量型ジャイロスコープシステムであって、
    第１の表面と、前記第１の表面の反対側の第２の表面と、前記第１および第２の表面の各々の上に周期的なパターンで横断的に伸張する複数の電極とを各々が備える複数の実質的に平面の振動質量を備えるセンサシステムであって、前記複数の電極は、駆動電極のアレイと感知電極のアレイとを備え、駆動電極の前記アレイと感知電極の前記アレイは、ハウジングに関連づけられた駆動電極の実質的にマッチするアレイと感知電極の実質的にマッチするアレイに容量性結合され、前記複数の振動質量の各々の前記第１および第２の表面のそれぞれのうちの少なくとも１つと離間され対向する、前記センサシステムと、
    前記複数の実質的に平面の振動質量の各々の平面内の周期的な発振運動を提供するために、前記複数の振動質量の各々に関連づけられた駆動電極の前記アレイと駆動電極の前記実質的にマッチするアレイとのうちの１つに提供される駆動信号を生成し、入力軸を中心とした前記振動質量型ジャイロスコープシステムの回転を計算するために、前記複数の振動質量の各々に関連づけられた感知電極の前記アレイと感知電極の前記実質的にマッチするアレイとのうちの１つに提供される力再平衡化信号を生成するように構成されたジャイロスコープコントローラと
    を備える振動質量型ジャイロスコープシステム。
18. 前記複数の振動質量の各々に関連づけられた駆動電極の前記アレイと感知電極の前記アレイは各々、複数の振動質量の各々の前記第１および第２の表面の各々の上で互いに対するそれぞれの直交軸において前記周期的なパターンで横断的に配列され、前記ハウジング上の、前記複数の実質的に平面の振動質量の各々の前記第１および第２の表面の各々にそれぞれ関連づけられた、駆動電極の前記実質的にマッチするアレイと感知電極の前記実質的にマッチするアレイは各々、互いに対するそれぞれの直交軸において前記周期的なパターンで横断的に配列される、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記実質的に平面の振動質量の各々はさらに、一組の駆動電極および感知電極の各々に対し４５°の角度で配列された、前記第１および第２の表面の各々の上の直角電極のアレイを備え、前記ハウジングはさらに、前記実質的にマッチする一組の駆動電極および感知電極の各々に対し４５°の角度で配列された、前記複数の実質的に平面の振動質量の各々の前記第１および第２の表面の各々に関連づけられた直角電極の実質的にマッチするアレイを備え、前記ジャイロスコープコントローラはさらに、前記力再平衡化信号への直角結合を実質的に緩和するために、前記複数の実質的に平面の振動質量の各々に関連づけられた直角電極の前記アレイと直角電極の前記実質的にマッチするアレイとのうちの１つに提供される直角信号を生成するように構成される、請求項１７に記載のシステム。
20. 前記複数の実質的に平面の振動質量は、ペアで配列され、前記ジャイロスコープコントローラは、所与のペアに関し１８０°の位相外れであるように前記複数の実質的に平面の振動質量の各々の前記平面内の周期的な発振運動を提供するために前記駆動信号を生成するように構成され、前記ジャイロスコープコントローラは、所与のペアに関し前記複数の実質的に平面の振動質量の各々について交互で反対の方向の力を発生させるために前記力再平衡化信号を生成するように構成される、請求項１７に記載のシステム。