JP2018185286A - 共振器振幅制御システムおよび共振器振幅制御方法 - Google Patents

共振器振幅制御システムおよび共振器振幅制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】微小電気機械センサデバイスの機械共振器の機械振動の振幅を安定化する方法および装置を提供する。【解決手段】一定振幅の入力AC電圧で入力変換器110を駆動し、入力変換器110によって機械共振器100を振動励振力で機械振動させる駆動ループ回路において、入力AC電圧での駆動は、機械共振器100の共振周波数から第1周波数差分ずれた周波数で行い、第1周波数差は、機械振動の振幅を安定化するように設定される。【選択図】図15

Description

本発明は、微小電気機械(MEMS)デバイスの駆動方法および駆動システムに関する。より具体的には、本発明は、機械共振器と、当該機械共振器の機械振動振幅を安定化する駆動ループ回路とを備える微小電気機械センサデバイスおよび方法に関する。
微小電気機械システム、つまり、MEMSは、少なくともいくつかの素子が機械的機能を有する小型機械システムおよび電気機械システムとして定義できる。MEMSデバイスは、集積回路を作成するのに使用されるツールと同一または類似のツールで作成されるため、超小型機械および超小型電子機器を同一シリコン上に製造することができる。
MEMS構造体は、物理的特性の非常に小さな変化を迅速かつ正確に検出するのに用いることができる。例えば、超小型電子ジャイロスコープは、非常に小さな角度変位を迅速かつ正確に検出するのに用いることができる。
運動の自由度は、3つの直角方向への並進と3本の直交軸を軸とする回転で定義される6自由度である。後者は、ジャイロスコープとしても知られる角速度センサによって測定できる。
ジャイロスコープは、角速度を検出するデバイスである。MEMSジャイロスコープでは、機械振動を一次運動として用いる。振動型ジャイロスコープが、一次運動の方向と直交する角運動にさらされると、角運動の角速度と一次運動の速度とに比例する波状のコリオリ力が、一次運動に対してπ/2位相がずれて発生する。これにより、検知モードまたは検出運動ともいわれる、一次運動および角運動の軸と直交する二次振動が、一次振動と同じ周波数で生じる。この連成振動の振幅は、角速度の大きさの尺度として用いることができる。ここで、角速度の大きさという用語は角速度の絶対値のことを指す。
誘導型磁力計では、懸架コイルを磁場に置き、選択軸を軸にして周期的に振動させる。電磁誘導により、コイルに電圧が発生する。電圧は、角振動によりコイルを介した磁場の変化に比例し、磁場の尺度として用いることができる。
[関連技術]
共振器という用語は、入力変換器を用いて振動運動を発生させる機械的共振器のことを指す。入力変換器は機能素子であり、別個の素子でも、共振器構造体の一部でもよい。従来のMEMSジャイロスコープの一次共振器、または、誘導型磁力計のコイル共振器は、共振器の共振周波数で振動する力により励振される。簡略化するために、この種の従来の共振周波数共振器駆動も共振駆動と呼んでもよい。また、ジャイロスコープなどのMEMSデバイスは、デバイスのMEMS部分に少なくとも1つの二次共振器を備えてもよい。以下、共振器という用語は、ジャイロスコープの一次共振器、および、共振器を1つしか備えない微小電気機械センサデバイスの単一共振器のことを指す。振幅制御を適用しなければ、共振器の機械振動振幅は大きくなり、Q値とも呼ばれる品質係数によってよく特徴づけられる共振器の機械的消散と励振力とによって決まる定常状態値に近づく。振動共振器の振幅が大きくなるエンベロープの例を図1に示す。振動振幅は、最初ゼロから始まり、ゆっくりと安定振幅の定常状態に近づいていく。この例では、定常状態になるのに12000振動サイクル数以上かかる。
実際のジャイロスコープおよび/または実際の誘導型磁力計では、共振器振動振幅は、最大可能値より小さな値に能動的に制限される。こうする重要な理由の1つは、自励振幅がQ値の変化に反応し過ぎることである。Q値が例えば30%減少すると、振動振幅も30%減少する。さらに、入力変換器で生成された機械共振器への最大励振力は、通常、比較的厳密な立ち上がり時間要件に応じて設計されるので、MEMSデバイス共振器のスタートアップ段階は不必要に延長されない。このため、通常は、より長い立ち上がり時間をかけて所定振幅に達するように、より大きな励振力が必要になるであろう。
振幅の制限および制御は、共振器の運動を振幅検出器で感知して、制御器部を介して自動ゲイン制御(AGC)増幅器に負のフィードバックを行うことにより所望の値に安定化する自動ゲイン制御器を用いて実現できる。MEMS共振器を駆動する従来のAGC型フィードバック構成の例を図2に示す。発振器90は、AGC増幅器95に安定電気振動信号を入力する。制御器270は、出力変換器120によって示される出力振幅値に基づいてAGC増幅器95のゲインを制御する。当該出力振幅値は、振幅検出器280で検出される。出力変換器は機能素子であり、別個の物理的素子でも、共振器構造体の一部でもよい。図3は、最大振幅を±2任意単位に制限するように振幅制御した場合の、図2の回路における共振器の振動振幅のエンベロープを示している。振幅が所定値に達すると、振幅制御機能は、数100振動サイクル数が発生した後に振幅制限を開始し、その後、振幅は定常を維持する。
実際のMEMSセンサにおける課題のひとつは、機械共振器を駆動するのに必要な大振幅入力AC信号と、コリオリ力または誘導によって生じる小振幅信号の比が同一の周波数を有する可能性があることである。しかしながら、センサデバイスを正しく動作させるためには、これらの信号を厳密に分ける必要がある。図4は、MEMSジャイロスコープデバイスにおける、いわゆる容量結合の問題を示している。MEMSジャイロスコープにおいて、機械共振器部分は、2つの共振器、一次共振器100aと二次共振器100bとを備える。容量結合作用は、入力変換器110と二次出力変換器120bとを結合するコンデンサ250を用いて説明される。二次出力変換器120bから出力される望ましい出力信号の他に、検出結果を誤ったものにする可能性がある望ましくない容量結合信号量がこの出力から受信する信号に含まれる。したがって、好ましくは、一次共振器100aの入力変換器110から二次共振器100bの出力変換器120bへの望ましくない容量結合を最小化すべきである。
容量結合は、例えば、一次変換器の入力から二次変換器の出力までの容量をできるだけ小さく設計することによって、あるレベルまで最小化できる。また、一次入力または二次出力もしくはその両方が差動構造であってもよく、インターフェース回路、配線、および、MEMS部分のレイアウトの完全な対称性によって、容量結合をゼロにすることができる。実際には、サイズおよび/または費用の制約もしくは製作公差のため、完全に最適化される設計はできないかもしれない。このように、各デバイスの個々の調整および/または較正なしに完全に分けることは実際問題としてできない。設計によって取り除くことができない容量結合のその他の部分を、容量結合、または、残存容量結合と呼ぶことができる。主要な課題のひとつに、容量結合は時間および温度と共に変動し、この変動はコリオリ力による誘導信号の変動から容易に分けることができないということがある。従来のAGC方法において、容量結合信号量は、許容温度範囲にわたって50%ほどになるかもしれない共振器のQ値変動に従う。
残存容量結合の影響を少なくするためには、2つの条件が望まれる。第1条件として、Q値の変動に関係なく、容量結合を一定にすべきである。一定容量結合量が多いほど、少量だが大きく変動する容量結合より容易に対処できることが実際に分かった。例えば、検出電子機器において一定の誤差を考慮しやすいと考えられる。第2条件として、容量結合信号は、コリオリ力による誘導電気信号に対して直交位相であるべきである。当該技術分野で周知のとおり、直交位相とは、π/2±n×πの位相のずれ、ただし、nは整数、を示す。容量結合、つまり、容量結合信号が、コリオリ力または電磁誘導で発生した信号に対して直交位相である場合、コリオリ信号または電磁誘導信号の位相検波により除去されるかもしれない。
従来のジャイロスコープでは、共振器が−π/2の位相のずれを引き起こし、コリオリ作用が+π/2の位相のずれを引き起こすので、全体的な位相のずれは0であり、上記条件のうちの後者を満たさない。容量負荷への容量結合は位相のずれを引き起こさない。したがって、容量結合信号は、コリオリ信号と同位相(0±n×π)である。ジャイロスコープの第1共振器および第2共振器の周波数が完全に一致する場合に限り、第2共振器は、−π/2の位相のずれを引き起こす。これは、能動的な周波数制御によってのみ得られる。このような稀な場合、さらなる−π/2の位相のずれが生じ、容量結合信号は、コリオリ信号に対して直交位相になるであろう。本発明の解釈上、周波数の完全一致は用いられないとみなされ、従来のジャイロスコープにおいて、容量結合は同位相信号を引き起こす。
従来のジャイロスコープの例として、欧州特許出願公開第2360448号明細書は、機械振動を生成して振動振幅を安定化するシステムを開示しており、フィードバック型発振器を用いて、振動を継続させ、かつ、MEMS共振器の共振周波数に近い発振周波数を自動生成する。共振器のQ値が変動している可能性がある間、機械振動振幅を一定に保つために、可変ゲイン増幅器を用いて、制御器により生成された制御電圧に応じて駆動AC電圧を調整する。この変動AC駆動電圧により、Q値変動に応じた可変容量クロス結合が生じるであろう。
米国特許出願公開第20150276405号明細書では、機械振動を生成して振動振幅を安定化するシステムが開示されており、フィードバック型発振器を用いて、振動を継続させ、かつ、MEMS共振器の共振周波数に近い発振周波数を自動生成する。PID制御器とチャージポンプとによって生成される可変制御電圧から高レベルの可変AC電圧を生成するために、HV駆動器が設けられる。この変動AC駆動電圧により、Q値変動に応じた可変容量クロス結合が生じるであろう。
上記第1条件が達成される場合もあり、DCバイアス電圧を制御するために振幅を安定化する負のフィードバックを適用することによって、静電変換器を有する従来のジャイロスコープで実現されることが多い。図5に示す先行技術解決策の例では、増幅器260を用いて、DCバイアス電圧が入力変換器に入力される。増幅器260から入力されるDCバイアス電圧レベルは、振幅検出器280で検出された出力変換器120の出力AC信号の検出振幅に基づいて、制御器270によって制御される。DCバイアス電圧は、共振器100の共振周波数で発振する発振器290からの一定振動振幅のAC電圧信号と加算され、統合されたAC電圧とDC電圧とが入力変換器110に供給される。
図5の解決策は、容量変換器を有するMEMSデバイスによく適しているが、DCバイアス電圧は、通常、圧電デバイスに印加されないので、圧電変換器を用いるMEMSデバイスにおいて実行可能なものではない。圧電材料の内部一定分極のため、圧電変換器において力を生成するには単なるAC電圧で十分であり、既定のAC電圧で圧電デバイスにより生成された力の大きさをさらなるDC電圧で変えることはできない。共振器を励振させる圧電変換器を用いるMEMSデバイスなど、電気励振型共振器を有するどんなタイプのMEMSデバイスとでも用いることができる、振幅を安定化する方法およびデバイスが必要である。
本発明の目的は、上述した先行技術の課題を少なくとも解決する方法および装置を提供することである。本発明の目的は、請求項1の特徴部分に係る方法で実現される。さらに、本発明の目的は、請求項11の特徴部分に係る微小電気機械センサで実現される。
本発明の好適な実施の形態は、従属請求項で開示される。
本発明は、周波数が機械共振器の共振周波数からずれている基本的に一定振幅の入力AC電圧で駆動する変換器を用いて、機械共振器を励振させる励振力(別名、駆動力)を生成するという概念に基づくものである。本発明の実施の形態の説明において、入力AC電圧という用語は、基本的に一定の振動振幅を有するAC電圧のことを指す。基本的に一定とは、例えば、発振器および/または増幅器の駆動段階の特性に影響する二次要因のために若干の振幅変動が起こり得ることを意味する。しかしながら、入力AC電圧の振幅は、機械振動の振幅を安定化するように能動的には調整されない。共振周波数駆動に比べて、入力AC電圧振幅の機械共振器のQ値への依存度が大幅に減るので、入力AC電圧の振幅は維持されて基本的に一定と見なせる。機械共振器の変動は、機械共振器の共振周波数からずれた周波数を有する交流力で励振される。変動の振幅は、励振力の周波数を調整すること、特に、機械共振器の共振周波数の周波数差から励振力の周波数差を調整することで調整してもよい。振幅調整は、機械共振器の振動振幅を所望の一定値で維持する制御器回路およびフィードバックループ回路で実現されてもよい。機械発振器を励振させる機械力は、入力変換デバイスによって生成されてもよい。当該入力変換デバイスは、基本的に一定振幅の入力AC電圧を用いて、機械共振器の共振周波数からずれた所望の周波数で駆動する。言い換えると、入力AC電圧の振動振幅はいつでも基本的に一定のままであり、入力AC電圧の周波数のずれを制御して機械振動の振幅を安定化する。入力AC電圧が基本的に一定振幅であれば、入力AC電圧と検出信号の容量結合量が確実に基本的に一定となるので、容量結合された望ましくない信号を検出信号から比較的容易に補償または取り除くことができる。
フィードバックループにおいて、励振力を引き起こす駆動入力AC電圧と機械共振器から入力された検出振動波形との位相差を、共振周波数より下または上に励振周波数を制限する中間制御パラメータとして用いてもよい。
第1態様によれば、微小電気機械センサデバイスの機械共振器の機械振動の振幅を安定化する方法が提供される。当該方法は、入力変換器によって、前記機械共振器を振動励振力で前記機械振動に励振させ、基本的に一定振幅の入力AC電圧で前記入力変換器を駆動し、当該入力AC電圧での駆動は、前記機械共振器の共振周波数から第1周波数差分ずれた周波数において起こる。前記第1周波数差は、前記機械振動の振幅を安定化するように設定される。
第2態様によれば、前記第1周波数差を調整することによって基本的に所定の一定値で前記機械振動の振幅を維持することにより安定化する。
第3態様によれば、前記出力AC電圧の検出振幅とプリセット目標振幅値との検出振幅差に基づいて、前記第1周波数差の調整を制御する。
第4態様によれば、前記入力AC電圧と前記出力AC電圧との第1位相差を検出する。入力AC電圧は、機械共振器への振動励振力を誘導するように構成される。前記第1周波数差は、前記第1位相差に基づいて制御される。
第5態様によれば、前記出力AC電圧を位相シフトさせ、当該位相シフトにより位相シフト済出力AC電圧を生成する。
第6態様によれば、前記位相シフト済出力AC電圧と前記入力AC電圧との第2位相差を検出し、前記第2位相差に基づいて前記第1周波数差を制御する。
第7態様によれば、前記位相シフト済出力AC電圧を増幅することによって前記入力AC電圧を生成する。
第8態様によれば、電圧制御発振器によって、前記入力AC電圧を生成する。
第9態様によれば、前記微小電気機械センサデバイスは、ジャイロスコープまたは誘導型磁力計を備える。
第10態様によれば、前記第1周波数差は、前記共振周波数の±0.0001倍〜±0.001倍である。
第1装置態様によれば、機械共振器と、前記機械共振器の機械振動の振幅を安定化する駆動ループ回路とを備えた微小電気機械センサデバイスが提供される。当該微小電気機械センサデバイスは、前記機械共振器を振動励振力で前記機械振動に励振させる入力変換器とを備える。前記駆動ループ回路は、基本的に一定振幅の入力AC電圧で前記入力変換器を駆動し、当該入力AC電圧での駆動は、前記機械共振器の共振周波数から第1周波数差分ずれた周波数において起こる。前記第1周波数差は、前記機械振動の振幅を安定化するように設定される。
第2装置態様によれば、前記駆動ループ回路は、さらに、前記第1周波数差を調整することによって所定の一定値で前記機械共振器の機械振動の振幅を維持することにより安定化するフィードバック回路を備える。
第3装置態様によれば、微小電気機械センサデバイスは、さらに、前記機械振動によって誘導される出力AC電圧を出力する出力変換器を備え、前記フィードバック回路は、前記出力AC電圧の検出振幅とプリセット目標振幅値とに基づいて、前記第1周波数差の調整を制御する振幅制御回路を備える。
第4装置態様によれば、前記フィードバック回路は、さらに、前記入力AC電圧と前記出力AC電圧との第1位相差を検出する位相検出回路を備える。入力AC電圧は、機械共振器への振動励振力を誘導するように構成される。前記第1位相差に基づいて前記第1周波数差を制御する制御器回路を備える。
第5装置態様によれば、前記振幅制御回路は、前記出力AC電圧を位相シフトさせ、当該位相シフトにより位相シフト済出力AC電圧を生成する。
第6装置態様によれば、前記フィードバック回路は、さらに、前記位相シフト済入力AC電圧と前記出力AC電圧との第2位相差を検出する位相検出回路と、前記第2位相差に基づいて前記第1周波数差の調整を制御するPLL制御器回路とを備える。
第7装置態様によれば、前記駆動ループ回路は、前記位相シフト済出力AC電圧を増幅することによって前記入力AC電圧を生成する増幅器を備える。
第8装置態様によれば、前記駆動ループ回路は、前記入力AC電圧を生成する電圧制御発振器を備える。
第9装置態様によれば、前記微小電気機械センサデバイスは、ジャイロスコープまたは誘導型磁力計である。
第10装置態様によれば、前記第1周波数差は、前記共振周波数の±0.0001倍〜±0.001倍である。
本発明の利点は、機械共振器を安定機械振動に励振させる機械共振器の入力変換器を駆動するのに必要な入力AC電圧が、機械共振器のQ値、または、共振器の振動振幅と必要入力AV電圧との関係を変える他の要因に基本的に左右されないことである。すなわち、安定化システムの必要入力AC電圧は、ほんのわずかしか機械共振器のQ値に左右されない。開示した方法を用いることにより、一定振動振幅を維持するのに必要な励振力に影響を与えるQ値または他のパラメータが、環境の変化、機械的または電気的乱れ、部品の経年劣化など類似の理由によって変化したとしても、機械振動の振幅を基本的に所望の一定値で有益に保つことができる。本発明の実施の形態は、この発明原理を用いた機械共振器の駆動ループを実装する回路を開示している。
本発明は、安定振幅の機械振動を誘導する必要はあるが、振動周波数の高度な安定性が必要ないMEMSセンサデバイスにおいて特に役立つ。上述したように、このようなMEMSセンサの例は、ジャイロスコープおよび誘導型磁力計であるが、本発明は、安定振幅の機械振動が必要な他のタイプのMEMSデバイスにも等しく適用できる。明確化のため、周知のローレンツ力磁力計は、当該新方法および装置の適用候補から除外されなければならない。ローレンツ力磁力計では、機械振動振幅を検出するが、その値は出力量として用いられ、振幅の安定化は用いられない。したがって、振動を安定化すると、実際問題として当該デバイスは劣化するであろう。
以下、添付の図面を参照して、好適な実施の形態と関連付けて本発明をより詳細に説明する。
図1は、振動共振器の振幅が大きくなるエンベロープを示す図である。 図2は、AGCフィードバックループを有するMEMSデバイスを示す図である。 図3は、AGCを有する振動共振器の振幅が大きくなるエンベロープを示す図である。 図4は、MEMSジャイロスコープにおける容量結合を示す図である。 図5は、DCバイアスを用いたMEMSデバイスを示す図である。 図6は、Q値が異なる共振器の周波数応答を示す図である。 図7は、相対的な周波数のずれの関数として位相差を示す図である。 図8aは、共振ゲインの関数として入力AC電圧の同位相成分を示す図である。 図8bは、共振ゲインの関数として入力AC電圧の位相がずれた成分を示す図である。 図9は、過渡応答エンベロープを示す第1図である。 図10は、過渡応答エンベロープを示す第2図である。 図11は、図10のエンベロープの一部の拡大図である。 図12は、過渡応答エンベロープを示す第3図である。 図13は、図12のエンベロープの一部の拡大図である。 図14は、位相差の関数として共振ゲインを示す図である。 図15は、駆動ループ回路を有するMEMSセンサデバイスの実施の形態1を示す図である。 図16は、駆動ループ回路を有するMEMSセンサデバイスの実施の形態2を示す図である。 図17は、駆動ループ回路を有するMEMSセンサデバイスの実施の形態3を示す図である。 図18は、駆動ループ回路を有するMEMSセンサデバイスの実施の形態4を示す図である。
以下の実施の形態は一例である。本明細書では、「単数」、「1つ」、または、「いくつか」の実施の形態を参照するが、これは必ずしも、このような各引用が同じ実施の形態であることを意味するわけでも、特徴が実施の形態1つのみに当てはまることを意味するわけでもない。異なる実施の形態の特徴をそれぞれ組み合わせて、さらに別の実施の形態としてもよい。
本願で用いられているとおり、「回路」という用語は、(a)ハードウェアのみの回路実装、例えば、個別部品および/または集積部品を備えるアナログおよび/またはデジタル回路のみの実装、(b)回路とソフトウェア(および/またはファームウェア)の組み合わせ、例えば(該当する場合)、(i)プロセッサの組み合わせ、または、(ii)共働して装置に様々な機能を実行させるデジタル信号プロセッサとソフトウェアとメモリとを含むプロセッサ/ソフトウェアの一部、および、(c)複数の回路、例えば、ソフトウェアまたはファームウェアが物理的に存在していないとしてもソフトウェアまたはファームウェアが動作に必要となるマイクロプロセッサまたはマイクロプロセッサの一部、の全てを指している。
この「回路」の定義は、個別電子回路、集積電子回路、および、それらの組み合わせを用いた場合など、本願においてこの用語を用いた場合全てに当てはまる。さらなる例として、本願で用いられているとおり、「回路」という用語は、複数のプロセッサ向けの単一プロセッサ、または、プロセッサの一部、および、それに(または、それらに)付随するソフトウェアまたはファームウェアにも該当する。「回路」という用語は、1以上の、超小型電子センサデバイスもしくはシステム向けの応用プロセッサ集積回路または特定用途向け集積回路(ASIC)に当てはまる。「制御器」、「検出器」、および、「シフト器」という用語は、特定のタスク用に構成された回路のことを指す。
安定共振振幅は共振器のQ値に左右されないという第1条件は、機械共振器の共振周波数fからの周波数差Δfを駆動入力AC電圧に導入することによって達成される。図6は、共振周波数fに近い周波数における機械共振器の力対振幅周波数応答の例を示す。Q値がそれぞれ異なる3つのデバイスの応答を示している。機械共振器の共振周波数fにおいて、振幅はQ値によって大きく異なる。したがって、このようにQ値が異なる機械共振器を振幅が等しい振動に励振させるには、振幅が大きく異なる入力AC電圧を用いなければならないであろう。しかしながら、共振周波数から周波数差Δf分ずれた周波数においては、機械共振器の振幅応答は、実際、Q値に左右されなくなる。すなわち、共振周波数fからΔf分ずれた周波数を有する基本的に一定振幅の入力AC電圧によって機械共振器の入力変換器を駆動する場合、Q値が異なる機械共振器の共振定常状態は、周波数差Δfに基本的に左右されるが、機械共振器のQ値には基本的に左右されない。周波数差Δfは、共振周波数fから入力AC電圧の周波数を増減することによって得てもよい。
以下の解析において、入力AC電圧は、共振器の機械共振周波数に対して周波数差を有するものとする。機械振動振幅を一定の所望レベルに合わせるため、入力AC電圧の振幅は可変である。図6に示したように、機械共振器の振幅を例えば2000任意振幅単位の値に安定化するために、周波数差Δfは、共振周波数fより上または下に選択されもよい。実施の形態の一例では、周波数差Δfが共振周波数fの±0.000245倍に設定されてもよい。共振周波数fが例えば20kHzに等しければ、約4.9Hzの周波数差Δfによって、共振器は、振幅が約2000任意単位の共振振動に励振される。Q値が14000の共振器とQ値が7000の共振器との振幅の差異は、約80任意単位であり、これは、共振振幅のちょうど4%に相当する。この周波数差で必要な入力電圧の絶対値は、共振周波数で駆動する場合の5倍である。この周波数差Δfを有する周波数における共振ゲインは2000であり、これは、共振周波数fにおける共振ゲイン10000の5分の1である。このように、共振周波数fからこの周波数差Δf分ずれている周波数で一定振幅の振動を駆動する所要可変入力AC電圧の最大振幅変動の絶対値は、共振周波数駆動によって一定振幅の振動を駆動するのに必要な所要可変入力AC電圧の対応振幅変動の4%の5倍=20%の大きさである。実施の形態の別の例では、周波数差Δfを共振周波数fの±0.000498倍に設定してもよい。共振周波数fが例えば同じ20kHzに等しければ、周波数差Δfは約10Hzであり、Q値が14000の共振器とQ値が7000の共振器との機械振動振幅差は、ちょうど8任意単位であり、これは、共振振動振幅のちょうど0.8%に相当する。この周波数差で必要な入力電圧の絶対値は、共振周波数fで駆動する場合の10倍である。この周波数差Δfを有する周波数における共振ゲインは1000である一方、共振周波数における共振ゲインは10000である。共振周波数fからこの周波数差Δf分ずれている周波数で一定振幅の機械振動を駆動する所要可変入力AC電圧の最大振幅変動の絶対値は、共振周波数駆動で必要な対応振幅変動の0.8%の10倍=8%の大きさである。このように、周波数差Δfが大きいほど、所要入力AC電圧振幅への、または、入力AC電圧振幅が一定の場合は機械振動振幅へのQ値の影響は小さいことが分かる。周波数差Δfは、共振周波数fの±0.0001倍〜±0.001倍であることが好ましい。
第2条件は、二次共振器の出力変換器において、容量結合電圧の位相が、好ましくはコリオリ力誘導電圧に対して直交位相であるいうことである。この条件も、周波数差Δf安定化方法で満たされる。図7は、共振器の機械振動に対する入力AC電圧の位相を示している。周波数差Δfが大きい、または、緩やかな場合、入力AC電圧は、機械共振振動の位相に対してほぼ0、または、ほぼπ(180°)の位相関係である。これは、コリオリ力が機械振動に対して直交位相であるため、入力AC電圧はコリオリ力誘導出力電圧とほぼ直交関係であることを意味する。
また、図8aおよび図8bに示すように、同位相成分もいくらか存在する。図8aは、安定化振幅における共振ゲインの関数として入力AC電圧の同位相成分を示す図である。異なるQ値に対する3つのプロット例で示されるように、同位相成分は、Q値によってわずかに異なる。例えば、図8aは、Q値が10000の装置例では、共振ゲインが100のときに、同位相成分はちょうど0.01、つまり、入力AC電圧の1%であり、共振ゲインが1000まで大きくなると、同位相成分の占有率が徐々に10%まで大きくなることを示している。図8bは、入力AC電圧の直交位相成分の占有率を示している。非常に大きな共振ゲイン値では、異なるQ値の間に依存関係が見られるが、1000より下の共振ゲイン値では、入力AC電圧の直交位相成分の占有率は基本的に100%(1)で基本的に安定したままであり、Q値に左右されない。このように、望ましくない同位相成分は、望ましい直交位相成分より桁レベルで小さい。同位相成分は、周波数差Δfに左右され、かつ、Q値にも左右される。
共振ゲイン1000およびQ値10000において2つの所望条件の効果を組み合わせると、Q値の違いによる容量結合信号の同位相成分の全変化は、従来の共振駆動の場合における変動のたった0.8%(8%×10%)であることが分かった。共振ゲイン2000では、結合同位相信号は、従来の結合信号の4%であり、ゲイン500では、0.2%である。この解析により、共振周波数に対する周波数差で入力変換器を駆動することによって、共振周波数駆動と比べて、入力AC電圧振幅の共振器のQ値変動への依存度が大幅に減るので、入力AC電圧振幅は基本的に一定であると証明される。
次に、時間=0で入力AC電圧がスイッチオンになり、振動振幅が基本的に安定になる定常状態に向けて振幅が大きくなるシミュレーションを行う場合の機械振動振幅の過渡応答について考えてみる。実際のMEMSセンサへの適用では、スイッチオン中に有害な副作用がないこと、または、MEMSデバイス動作の定常状態動作中に起こり得る他の過渡電流による副作用がないことを確認することが重要である。
図9は、10000のQ値と相対周波数差Δf=0.0025の基本的に一定振幅の入力AC電圧とを用いて、機械共振器の多振動サイクル数にわたって入力変換器を駆動する場合の共振器の過渡応答を示している。図10は、10000のQ値と相対周波数差Δf=0.0075の入力AC電圧とを用いて、入力変換器を駆動する場合の共振器の過渡応答を示している。図9および図10は、周波数差Δf駆動での振幅の立ち上がり時間が、図1および図3で示した共振励振の場合と同じくらい早く、定常状態では、振幅が、図6で予測されたものに近くなることを示している。しかしながら、図10および図11は、時間の経過と共に定常状態周辺で振幅の揺らぎが生じることを示している。図11は、図10の振幅エンベロープの後半部分の拡大図を示しており、この揺らぎが、1000サイクルという小規模で継続するであろうことを示している。Q値が3000まで減少すれば、図12に示すように、この揺らぎを減らすことができ、さらに図13において、図12の振幅エンベロープの後半部分の拡大図を示す。しかしながら、Q値の減少による揺らぎの減少は、容量結合変動の増加という代償を払ってなされる。
過渡状態における変動振幅の安定化を向上させるために、安定化フィードバックシステムが設けられなければ生じる図9〜図13に示された揺らぎを削減するフィードバックシステムを導入してもよい。図2に係るシステムを、機械共振器の共振周波数に対する周波数差を有するAC電圧を用いた入力変換器駆動と組み合わせて用いてもよい。この場合、入力AC電圧の振幅はQ値変動に全く左右されないということはないが、それでもその依存性は先の解析により大幅に削減される。
共振器のQ値変動に左右されない基本的に一定振幅のAC電圧で入力変換器を駆動すれば、向上した安定化を実現することができる。この改良型システムでは、安定化フィードバック回路が周波数差Δfを能動的に変更して、変動振幅の変動を抑制する。どの所望機械振動振幅レベルにおいても、周波数差Δfは2値とり得るため、例えば、電圧制御発振器へ直接フィードバックすることはできない。フィードバックは、共振周波数fの一方側では正、他方側では負であることが必要と考えられるため、正または負のフィードバックシステムが混同される。このように、共振周波数fのどちら側で共振器が振動しているのか区別し、好ましくは、共振器振幅を制御する共振周波数f側の周波数差Δf値のみを用いることができることが必要である。
フィードバックシステムで混乱を引き起こすことなく、図6の共振曲線における共振周波数fの片側だけ、ひいては、理論上可能な周波数差Δfの2値のうち1つに使用周波数差Δf値を制限する方法の一例は、入力AC電圧と機械共振振動との位相差をさらなる制御変数として用いることである。図7に示された周波数差Δfと極性とによる入力AC電圧と出力AC電圧の位相関係は、位相から周波数への変換に利用することができる。検出出力AC電圧に対する入力AC電圧の位相のずれは、共振周波数fより下の動作の場合は0〜π/2の値の範囲に、共振周波数fより上の動作の場合はπ/2〜πの値の範囲に収められてもよい。
図14に示すように、位相のずれと共振ゲインとの関係は、0〜π/4の位相差の範囲、または、最大ゲインの70%より下の共振ゲインの範囲において完全に線形である。この位相差と共振ゲインの関係は、共振器のQ値に強く左右されるが、これは大きな問題を引き起こさない。なぜなら、位相のずれの正確な値は、負のフィードバックを用いる場合に必ずしも知っておく必要はないからである。
図15は、上記開示された発明原理を実装する駆動ループ回路とMEMS部分とを有する微小電気機械センサデバイスの実施の形態1のブロック図の例を示す。MEMS部分は、機械共振器と、入力変換器および出力変換器の機能とを備える。ブロック図は、MEMS部分の機能を示しているが、MEMS部分の特定構造ではない。入力変換器および/または出力変換器は、例えば、容量変換器において、共振器と一部物理的に別個のものでもよいし、または、例えば、圧電変換器において、共振器構造体の一部であってもよい。MEMS部分の機能は、駆動ループ回路と同じチップ上に配置されてもよいし、または、駆動ループ回路に電気結合された別個のチップでもよい。電圧制御発振器VCO505からの基本的に一定振幅の入力AC電圧は、機械共振器100を励振させる入力変換器110に供給される。機械共振器100の振動は、共振器の動きに対応する出力AC電圧を出力する出力変換器120で検出される。VCO505の周波数および位相は、制御器500によって調整されて、入力AC電圧は、機械共振器の固有共振周波数fからの設定周波数差Δfを有する。位相検出器515は、入力AC電圧の位相と出力AC電圧の位相とを比較し、位相差情報Δφを出力する。制御器500には、入力AC電圧と出力AC電圧との位相差情報Δφが、複数入力のうちの1つとして入力される。また、制御器500には、2つ目の入力として、出力電圧の振幅に関する情報も振幅検出器510から入力される。振幅情報は、DC電圧の形で供給されてもよい。振幅情報および位相差情報Δφをそれぞれ示すために、振幅検出器510および位相検出器515から様々なタイプの信号を出力してもよいことは当業者にとって周知である。例えば、信号はアナログでもデジタルでもよく、信号は電圧または電流で構成されてもよい。定常状態の振動における機械共振器100運動の振幅の所望値に対応する振幅プリセット値は、制御入力端子を介して制御器500に入力される。制御器500は、振幅プリセット値の機械共振器100の振幅安定化振動を生成するために、位相検出器515から出力される位相差情報Δφと振幅検出器510から出力される検出振幅情報とに基づいてVCO505の周波数および位相を制御する。
図16は、上記開示された発明原理を実装する駆動ループ回路とMEMS部分とを有する微小電気機械センサデバイスの実施の形態2のブロック図の例を示し、この実施の形態は、図15の包括的な実施の形態をより詳細に実装した例を示す。VCO505の制御極性は正とする。つまり、制御電圧が増加すると周波数差Δfも増加するとみなす。この極性選択の場合で、共振周波数fより下の周波数差Δfでの動作の場合、XOR回路611の出力は、第1増幅器A1、601の反転入力端子に供給されてもよい。電圧制御発振器VCO505から入力される基本的に一定振幅のAC電圧は、機械共振器100を励振させる入力変換器110に供給される。VCO505の周波数および位相は、制御電圧をVCO505に供給する第1増幅器A1、601によって調整される。VCO505は、基本的に一定振幅の入力AC電圧を生成して入力変換器110に出力する。このように、VCO505は、入力AC電圧を生成するように構成された駆動回路の実施の形態の一例である。図15の参照符号515で示された位相検出器の機能は、正弦波矩形波変換回路610の後の、入力された両AC電圧を変換する排他的論理和回路XOR611で実装される。位相検出器回路(610、611)は、位相差Δφが0の場合に電圧出力がゼロ、位相差Δφがπの場合に最大電圧出力となり、その間の位相差線形則に従う。最大電圧の2分の1は、位相差がπ/2のときに得られる。出力AC電圧の振幅に関する情報は、実施の形態1と同様に、振幅検出器回路510から入力される。振幅情報は、DC電圧の形で供給されてもよい。定常状態の振動における機械共振器100運動の振幅の所望値に対応する振幅プリセット値は、非反転入力端子を介して第2増幅器A2、602の非反転入力端子に供給され、検出振幅値は、第2増幅器A2、602の反転入力端子に入力される。第2増幅器A2、602の出力は、0〜π/2の位相差に対応する電圧、または、好ましくは、0〜π/4の位相差に対応するさらに狭い範囲の電圧に制限される。なぜなら、この位相差範囲において、容量結合の望ましい安定化が高精度で実現されるかもしれないからである。第2増幅器A2、602の出力は、第1増幅器A1、601の非反転入力端子に供給される。第1増幅器(A1、601)および第2増幅器(A1、602)の振幅および周波数応答は、制御システム、つまり、負のフィードバックループが安定で、機械振動の振幅変動を打ち消すことができるほど十分に早く応答するよう選択される。第1増幅器A1、601および第2増幅器A2、602は、図15の制御器回路500の個別回路実装例と見なしてもよい。
共振周波数fより上の周波数差Δfでの動作の場合、振幅検出器の出力が非反転入力端子に供給されて、振幅プリセット値が反転入力端子に供給されるように、増幅器A2、602の極性を変更してもよい。さらに、第2増幅器A2、602の出力は、振幅および容量結合の良好な安定化結果を得るために、π/2〜πの範囲の位相のずれに対応する値、または、好ましくは3π/4〜πの狭い範囲に制限されてもよい。
図17は、上記開示された発明原理を実装する駆動ループ回路とMEMS部分とを有する微小電気機械センサデバイスの実施の形態3のブロック図の例を示す。電圧制御発振器VCO505からの入力AC電圧は、機械共振器100の入力変換器110に供給される。機械共振器100の振動は、共振器の動きに対応する出力AC電圧を出力する出力変換器120で検出される。VCO505の周波数は、PLL制御器700によって調整される。PLL制御器700には、入力AC電圧と、出力変換器からの位相シフト済出力AC電圧との位相差情報Δφが入力される。位相シフト済出力AC電圧の位相は、位相シフト器回路710で調整される。共振周波数fより下の動作周波数を選択する場合、つまり、周波数差Δfが負の値の場合、位相シフトは、0〜−π/2の範囲にわたって、または、好ましくは0〜−π/4の範囲にわたって調整可能に行われる。共振周波数fより上の動作周波数が選択される場合、つまり、周波数差Δfが正の値の場合、位相シフトは、−π/2〜−πの範囲にわたって、または、好ましくは−3π/4〜−πの範囲にわたって調整可能に行われる。共振器100運動の振幅は、出力AC電圧の検出振幅と振幅の目標プリセット値との検出差分に基づいて位相シフト器710の位相シフト量を調整する振幅制御器701によって制御される。定常状態の振動における機械共振器100運動の振幅の所望値に対応する振幅プリセット値は、制御入力端子を介して振幅制御器701に供給される。
図18は、上記開示された発明原理を実装する駆動ループ回路とMEMS部分とを有する微小電気機械センサデバイスの実施の形態4のブロック図の例を示す。自律閉ループ発振器には、駆動ループ回路のフィードバック部分に位相シフト器515による調整可能な位相シフトと増幅器A、800とが設けられている。増幅器A、800は、入力AC電圧を生成して入力変換器110に出力する。ここで、入力AC電圧の振幅は、定常状態条件の下、増幅器の供給電圧によって、または、AC電圧を最大値に制限する周知の他の手段によって制限される最大値に近づく。このように、増幅器A、800は、基本的に一定振幅の入力AC電圧を生成するように構成された駆動回路の実施の形態の一例である。振幅は、位相のずれを調整する振幅制御器701によって制御される。所望の振幅プリセット値は、制御入力端子を介して振幅制御器701に供給される。振幅制御器701は、振幅検出器501から出力された検出振幅値と、所望の振幅プリセット値とを比較し、それに応じて位相シフト器515を制御する。このタイプの発振器は、出力増幅器800のノイズ、または、人工的に発生させた広帯域ノイズから始める。このノイズは、出力AC電圧が正弦波成分を含むように機械共振器100でフィルタリングされる。この成分は、振動振幅が大きくなり始めたときの最初の共振周波数fでのものであるが、制御ループは、位相シフト器515によって生じる位相のずれ、ひいては、周波数を、定常状態で振動が共振周波数から周波数差ずれるように調整する。本実施の形態において、機械共振器100の定常状態周波数は、入力AC電圧と出力AC電圧の位相差と、位相シフト器515による位相のずれとの和がn×2π(nは整数)である周波数に等しい。
図15〜図18のMEMSデバイスがMEMSジャイロスコープの場合、共振器は一次共振器を表しており、入力変換器110は、ジャイロスコープの一次共振器に励振力を出力するように構成された一次励振変換器を備えてもよく、出力変換器120は、ジャイロスコープの一次機械共振器の機械振動に対応する電気情報を出力するように構成された一次出力変換器を備えてもよい。図15〜図18のMEMSデバイスが誘導型磁力計の場合は、共振器はコイルを表しており、入力変換器110は、磁力計のコイルを共振させる励振力を出力するように構成された励振変換器を備えてもよく、出力変換器120は、磁力計のコイルの機械振動に対応する電気情報を出力するように構成されてもよい。図15〜図18では、本発明を説明するのに必要なデバイスのブロックのみが示されている。示されたブロックの他に、MEMSデバイスはさらなるブロックおよび機能を備えてもよい。例えば、ジャイロスコープは、例えば、図4に示したような、二次共振器と、二次出力変換器とを備えてもよい。
技術が進歩するにつれて、本発明の基礎概念を様々な方法で実現できることは当業者にとって自明である。したがって、本発明およびその実施の形態は、上述した例に限定されず、請求項の範囲内で変形を施してもよい。

Claims (20)

  1. 微小電気機械センサデバイスの機械共振器の機械振動の振幅を安定化する方法であって、
    入力変換器によって、前記機械共振器を振動励振力で前記機械振動に励振させ、
    基本的に一定振幅の入力AC電圧で前記入力変換器を駆動し、当該入力AC電圧での駆動は、前記機械共振器の共振周波数から第1周波数差分ずれた周波数において起こり、前記第1周波数差は、前記機械振動の振幅を安定化するように設定される
    方法。
  2. さらに、前記第1周波数差を調整することによって基本的に所定の一定値で前記機械振動の振幅を維持することにより安定化する
    請求項1に記載の方法。
  3. さらに、前記機械振動によって誘導される出力AC電圧を出力し、
    前記出力AC電圧の検出振幅とプリセット目標振幅値との検出振幅差に基づいて、前記第1周波数差の調整を制御する
    請求項2に記載の方法。
  4. さらに、前記入力AC電圧と前記出力AC電圧との第1位相差を検出し、
    前記第1位相差に基づいて前記第1周波数差を制御する
    請求項3に記載の方法。
  5. さらに、前記出力AC電圧を位相シフトさせ、当該位相シフトにより位相シフト済出力AC電圧を生成する
    請求項3に記載の方法。
  6. さらに、前記位相シフト済出力AC電圧と前記入力AC電圧との第2位相差を検出し、
    前記第2位相差に基づいて前記第1周波数差を制御する
    請求項5に記載の方法。
  7. 前記位相シフト済出力AC電圧を増幅することによって前記入力AC電圧を生成する
    請求項5に記載の方法。
  8. 電圧制御発振器によって、前記入力AC電圧を生成する
    請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。
  9. 前記微小電気機械センサデバイスは、ジャイロスコープまたは誘導型磁力計を備える
    請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。
  10. 前記第1周波数差は、前記共振周波数の±0.0001倍〜±0.001倍である
    請求項1〜9のいずれか1項に記載の方法。
  11. 機械共振器と、
    前記機械共振器の機械振動の振幅を安定化する駆動ループ回路と、
    前記機械共振器を振動励振力で前記機械振動に励振させる入力変換器とを備え、
    前記駆動ループ回路は、基本的に一定振幅の入力AC電圧で前記入力変換器を駆動し、当該入力AC電圧での駆動は、前記機械共振器の共振周波数から第1周波数差分ずれた周波数において起こり、前記第1周波数差は、前記機械振動の振幅を安定化するように設定される
    微小電気機械センサデバイス。
  12. 前記駆動ループ回路は、さらに、
    前記第1周波数差を調整することによって所定の一定値で前記機械共振器の機械振動の振幅を維持することにより安定化するフィードバック回路を備える
    請求項11に記載の微小電気機械センサデバイス。
  13. さらに、前記機械振動によって誘導される出力AC電圧を出力する出力変換器を備え、
    前記フィードバック回路は、
    前記出力AC電圧の検出振幅とプリセット目標振幅値とに基づいて、前記第1周波数差の調整を制御する振幅制御回路を備える
    請求項12に記載の微小電気機械センサデバイス。
  14. 前記フィードバック回路は、さらに、
    前記入力AC電圧と前記出力AC電圧との第1位相差を検出する位相検出回路と、
    前記第1位相差に基づいて前記第1周波数差を制御する制御器回路とを備える
    請求項13に記載の微小電気機械センサデバイス。
  15. 前記振幅制御回路は、前記出力AC電圧を位相シフトさせ、当該位相シフトにより位相シフト済出力AC電圧を生成する
    請求項13に記載の微小電気機械センサデバイス。
  16. 前記フィードバック回路は、さらに、
    前記位相シフト済入力AC電圧と前記出力AC電圧との第2位相差を検出する位相検出回路と、
    前記第2位相差に基づいて前記第1周波数差の調整を制御するPLL制御器回路とを備える
    請求項15に記載の微小電気機械センサデバイス。
  17. 前記駆動ループ回路は、前記位相シフト済出力AC電圧を増幅することによって前記入力AC電圧を生成する増幅器を備える
    請求項15に記載の微小電気機械センサデバイス。
  18. 前記駆動ループ回路は、前記入力AC電圧を生成する電圧制御発振器を備える
    請求項11〜16のいずれか1項に記載の微小電気機械センサデバイス。
  19. 前記微小電気機械センサデバイスは、ジャイロスコープまたは誘導型磁力計である
    請求項11〜18のいずれか1項に記載の微小電気機械センサデバイス。
  20. 前記第1周波数差は、前記共振周波数の±0.0001倍〜±0.001倍である
    請求項11〜19のいずれか1項に記載の微小電気機械センサデバイス。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022138025A1 (ja) * 2020-12-25 2022-06-30 I-Pex株式会社 位相同期回路及び制御システム

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6801684B2 (ja) * 2018-03-29 2020-12-16 株式会社デンソー 振動型ジャイロスコープ
KR102593635B1 (ko) * 2018-04-11 2023-10-26 한국전자통신연구원 공진기 기반 센서 및 그의 감지 방법
US11770023B2 (en) * 2020-06-17 2023-09-26 Spark Connected LLC Wireless power transfer method, circuit and apparatus
US20240106436A1 (en) * 2022-09-15 2024-03-28 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Mechanical resonator-based oscillators and related methods for generation of a phase used to compensate for temperature-dependent frequency errors

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999019689A1 (fr) * 1997-10-14 1999-04-22 Omron Corporation Detecteur de vitesse angulaire
JP2003121156A (ja) * 2001-10-19 2003-04-23 Matsushita Electric Ind Co Ltd 振動ジャイロの駆動方法及びその調整方法
JP2009503474A (ja) * 2005-07-26 2009-01-29 ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング ヨーレートセンサの使用開始方法およびヨーレートセンサの使用開始のための回路装置
JP2011047921A (ja) * 2009-06-03 2011-03-10 Stmicroelectronics Srl 位置制御駆動を備えるマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ及びマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープの制御方法
US20110146403A1 (en) * 2009-12-21 2011-06-23 Stmicroelectronics S.R.L. Microelectromechanical device having an oscillating mass, and method for controlling a microelectromechanical device having an oscillating mass
US20150276405A1 (en) * 2013-01-22 2015-10-01 MCube Inc. Integrated mems inertial sensing device

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5783973A (en) * 1997-02-24 1998-07-21 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Temperature insensitive silicon oscillator and precision voltage reference formed therefrom
US8661898B2 (en) * 2008-10-14 2014-03-04 Watson Industries, Inc. Vibrating structural gyroscope with quadrature control
US8763459B2 (en) * 2008-11-03 2014-07-01 Georgia Tech Research Corporation Vibratory gyroscope utilizing a frequency-based measurement and providing a frequency output
US8539834B2 (en) * 2010-02-15 2013-09-24 Stmicroelectronics S.R.L. Microelectromechanical gyroscope with calibrated synchronization of actuation and method for actuating a microelectromechanical gyroscope
US9146109B2 (en) * 2012-11-26 2015-09-29 Stmicroelectronics S.R.L. Microelectromechanical gyroscope with improved start-up phase, system including the microelectromechanical gyroscope, and method for speeding-up the start up phase
WO2014093727A1 (en) * 2012-12-12 2014-06-19 The Regents Of The University Of California Frequency readout gyroscope
ITTO20130653A1 (it) 2013-07-31 2015-02-01 Milano Politecnico Sensore magnetico includente un trasduttore basato sulla forza di lorentz pilotato ad una frequenza diversa dalla frequenza di risonanza, e metodo di pilotaggio di un trasduttore basato sulla forza di lorentz

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999019689A1 (fr) * 1997-10-14 1999-04-22 Omron Corporation Detecteur de vitesse angulaire
JP2003121156A (ja) * 2001-10-19 2003-04-23 Matsushita Electric Ind Co Ltd 振動ジャイロの駆動方法及びその調整方法
JP2009503474A (ja) * 2005-07-26 2009-01-29 ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング ヨーレートセンサの使用開始方法およびヨーレートセンサの使用開始のための回路装置
JP2011047921A (ja) * 2009-06-03 2011-03-10 Stmicroelectronics Srl 位置制御駆動を備えるマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ及びマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープの制御方法
US20110146403A1 (en) * 2009-12-21 2011-06-23 Stmicroelectronics S.R.L. Microelectromechanical device having an oscillating mass, and method for controlling a microelectromechanical device having an oscillating mass
US20150276405A1 (en) * 2013-01-22 2015-10-01 MCube Inc. Integrated mems inertial sensing device

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022138025A1 (ja) * 2020-12-25 2022-06-30 I-Pex株式会社 位相同期回路及び制御システム

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