JP4365323B2 - パラメータ利得を備えたmemsジャイロスコープ - Google Patents
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Description
ジャイロスコープのモータ運動の周波数ωで質量mに加えられる経時的に変化する力Fcos(ωt+Ψ)を考察する。そのような力はセンサが回転を受けるときのコリオリ力に起因する可能性がある。場合によっては、その力はモータ運動からの機械的フィードスルーに起因する可能性があり、直交信号を生じる。コリオリ力についてはΨ=0またはπ、直交の力については±π/2であるという局面の慣習を使用する。質量mの運動の式は、
MEMSジャイロスコープで、ωは検知モードの共振周波数ωSに近くなるように選択される。したがって、周波数ωでy(t)の項は高調波の項よりもはるかに大きくなり、高調波の項は無視することが可能である。したがって、
(4) y(t)=y1cos(ωt+θ)
の形のy(t)の解を想定し、ここでθおよびy1は質量mの移動の位相角度および大きさである。式(4)によって与えられる解を式(3)に挿入すると、
(6) [Acos(θ−Ψ)+Bcos(φ−θ−Ψ)]y1=F
(7) [Asin(θ−Ψ)+Bsin(φ−θ−Ψ)]y1=0
が与えられる。係数AおよびBは
表1はジャイロスコープの機械的応答の振幅y1がポンプ電圧の位相φおよび入力の位相Ψによって決まることを示している。ポンプ電圧の位相は、コリオリ力の存在下(Ψ=0)での機械的応答を直交(Ψ=π/2)の力に因る応答よりも大きいかまたは小さいかのいずれかにするように選択することが可能である。もしもA=−Bであれば、φおよびΨの特定の値に関して機械的利得は無限である。実際のMEMSジャイロスコープはこの不安定性を回避すべきである。したがって直交の機械的利得に対するコリオリの機械的利得の実際の比は限定され、なぜならばAが−Bに匹敵する場合だけはこの比が極めて大きくなるからである。
出力電流は、印加電圧V+およびV−を有する2つの検知用キャパシタC+およびC−からの電流の和
式(15)は、ポンプの位相φ=0であり、かつVp=2Vbであるときにプルーフマスの直交運動に起因する出力電流がゼロであることを示している。通常では、この条件を満たすようにポンプ電圧が充分に高いとき、不安定条件A=−Bを回避するように注意が払われるべきである。検知周波数がモータの周波数よりも下になるようにジャイロスコープを設計することによってこの不安定性は回避される。これが為されると、φ=0であるときにVbおよびVpのすべての正の値についてAとBは同じ正負記号を有する。したがって不安定性は生じない。これは、DCバイアスだけが使用され、かつ検知周波数がモータの周波数よりも下にあるときに生じる無条件の安定性に類似している。そのケースでは、静電的なバネの軟化は検知周波数を下方向へとシフトさせ、それにより、検知とモータの周波数は決して等しくならず、倍率は決して無限にならない。表2は、不安定性を伴なわずに10Vのポンプ電圧でゼロの直交出力電流を達成するMEMSジャイロスコープに関する設計パラメータを示している。図4、5、および6はこの設計に関する機械的利得、電気的利得、および合計の利得をポンプ電圧の関数として示している。図6は明らかに、ポンプ電圧の関数である倍率の低下が増進される(倍率はコリオリ信号の合計利得に比例する)ことを示している。しかしながら、MEMSジャイロスコープの多くの用途にとって、これは複雑な電子回路を伴なわずに直交信号の完全なゼロを達成するために支払うべき小さな対価である。
多くのMEMSジャイロスコープの感度は読み取り用電子装置内のノイズによって制限される。熱的機械的ノイズで制限された感度の基本的限界に近づくための1つの方式はセンサ自体の利得を上げることである。これはポンプ電圧および位相の適切な選択によって達成される。表3は、約7Vのポンプ電圧の不安定性に近づくポンプ電圧の高いコリオリ信号利得のために設計されたMEMSジャイロスコープに関する設計パラメータを示している。この設計は、静電的なバネの軟化が検知およびモータの周波数を互いに近付けさせるように検知周波数がモータの周波数よりも上にあることを除くと表2の設計と殆ど同じである。これは機械的利得を向上させるが、しかしジャイロスコープはさらに不安定になる。図7、8、および9はこの設計に関して機械的利得、電気的利得、および合計の利得をポンプ電圧の関数として示している。これら2つの設計は、権利主張される特許の中のまさに2つの考え得る設計の代表である。当業者にとって容易に明らかであるように、パラメータの多くは本発明の範囲から逸脱することなく変えられることが可能である。いくつかの例では、不安定性が望ましい可能性がある。例えば、不安定性は電気機械学的な発振器を提供することが可能である。
Claims (23)
- プルーフマスと、
振動のモータモードでプルーフマスをその共振周波数で振動させるモータドライバと、
振動の検知モードでプルーフマスの振動を検出するためにプルーフマスに近接して配置された検知用電極と、
検知用電極に結合され、振動のモータモードの共振周波数の2倍で力を与えるポンプと、を含む超小型電子機械ジャイロスコープ。 - 前記プルーフマスに結合された出力回路をさらに含む、請求項1に記載の超小型電子機械ジャイロスコープ。
- 前記出力回路は、抵抗性および容量性の並列のフィードバックを有する演算増幅器を含む、請求項2に記載の超小型電子機械ジャイロスコープ。
- 前記ポンプによって与えられる力は、DC成分とAC成分を有する電気信号によって引き起こされる、請求項1に記載の超小型電子機械ジャイロスコープ。
- 前記AC成分の電圧は前記DC成分の電圧の約2倍である、請求項4に記載の超小型電子機械ジャイロスコープ。
- 前記プルーフマスに結合されたバネをさらに含む、請求項1に記載の超小型電子機械ジャイロスコープ。
- 前記プルーフマスがバネによって基板から懸架される、請求項6に記載の超小型電子機械ジャイロスコープ。
- 前記基板はシリコンまたはパイレックスで形成される、請求項7に記載の超小型電子機械ジャイロスコープ。
- 振動の前記モータモードの周波数が振動の前記検知モードの周波数よりも高い、請求項1に記載の超小型電子機械ジャイロスコープ。
- 振動のモータモードでプルーフマスをその共振周波数で振動させるステップと、
前記プルーフマスの振動の検知モードに、共振周波数の約2倍で、かつ振動のモータモードに対して実質的に直角にポンプ力を与えるステップと、
振動の前記検知モードでコリオリ力によって引き起こされるプルーフマスの振動を検出するステップと、
を含むコリオリ力を測定する方法。 - 前記検出された振動を前記プルーフマスに結合された出力回路に供給するステップをさらに含む、請求項10に記載の方法。
- ポンプによって与えられる力は、DC成分とAC成分を有する電気信号によって引き起こされる、請求項10に記載の方法。
- 前記AC成分の電圧は前記DC成分の電圧の約2倍である、請求項12に記載の方法。
- 前記プルーフマスはシリコンで形成される、請求項13に記載の方法。
- 前記プルーフマスはバネによって基板から懸架される、請求項10に記載の方法。
- 振動の前記モータモードの周波数が振動の前記検知モードの周波数よりも高い、請求項10に記載の方法。
- 振動の前記モータモードの周波数は振動の前記検知モードの周波数よりもほぼ下にある、請求項10に記載の方法。
- バネによって基板から懸架された1対のプルーフマスと、
振動のモータモードでプルーフマスをその共振周波数で振動させるモータドライバと、
振動の検知モードでプルーフマスの振動を検出するために各々の対がプルーフマスを間に挟み、各々のプルーフマスに関する検知用コンデンサを形成するさらなる電極として動作する2対の検知用電極と、
検知用電極に結合され、振動のモータモードの共振周波数の約2倍で力を与えるポンプと、
を含む超小型電子機械ジャイロスコープ。 - 前記ポンプによって与えられる力は、DC成分とAC成分を有する電気信号によって引き起こされる、請求項18に記載の超小型電子機械ジャイロスコープ。
- 前記AC成分の電圧は前記DC成分の電圧の約2倍である、請求項18に記載の超小型電子機械ジャイロスコープ。
- 前記プルーフマスはシリコンで形成される、請求項18に記載の超小型電子機械ジャイロスコープ。
- 振動のモータモードでバネによって懸架されたプルーフマスをその共振周波数で振動させるステップと、
前記プルーフマスの振動の検知モードに、共振周波数の約2倍で、かつ振動のモータモードに対して実質的に直角にポンプ力を与えるステップと、
振動の検知モードでコリオリ力によって引き起こされる前記プルーフマスの振動を検出するステップと、
を含むコリオリ力を測定する方法。 - 振動のモータモードでバネによって懸架された1対のプルーフマスをそれらの共振周波数で振動させるステップと、
前記プルーフマスの振動の検知モードに、共振周波数の約2倍で、かつ振動のモータモードに対して実質的に直角にポンプ力を与えるステップと、
振動の検知モードでコリオリ力によって引き起こされる前記プルーフマスの振動を検出するステップと、
を含むコリオリ力を測定する方法。
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