JP4458441B2 - 分割電極を有する音叉ジャイロ - Google Patents

Description

関連出願との相互参照
適用しない
連邦補助研究または開発に関する表明
適用しない
発明の背景
図１に示されるような微小機械式音叉ジャイロスコープは既知である。この音叉ジャイロスコープは、ガラス基板の上方に支持たわみ体によって懸架されたシリコンの基準質量と、この基準質量を発振させるために使用される櫛形電極とを備える。面からの容量変化を示すことによってコリオリ運動を検出するために、金属性の検知電極が基準質量の下方のガラス上に配置される。音叉ジャイロスコープはこのように動作するので、より正確にレートを表示する出力を与えるために、発振の振幅は所定の定数に保たれることが望ましい。
音叉ジャイロスコープの発振するモータの振幅は、典型的には単一の容量性面内ピックオフ（「中心電極」）に接続された従来のサーボループによって制御される。この技術では、モータの位置は、ＤＣ電圧でバイアスされた中心電極上の電荷の変化を検出することによって、比例する電圧に変換される。結果として生ずるモータ位置信号は増幅され、全波整流器によって検出される。この整流器出力はそれから濾過され、そして濾過された電圧は基準電圧と比較され、その差は誤差電圧を形成する。この誤差電圧はそれから、モータ振幅を所定の定数に調整するためのループ制御器を使用してモータ駆動振幅を制御するために使用される。しかしながら、この特別な技術は潜在的な欠点を有する。
従来のサーボループ技術は、中心電極にいくつかの不安定性を有する。ＤＣバイアスされた中心電極の感度は、中心電極下方のガラス基板上へのスプリアス（擬似）電荷蓄積に起因して時間的に緩やかに変化する。この電荷がガラス上に蓄積すると、中心電極の感度は修正される。これに応答して、ループ制御器は補償するための修正した駆動力を必要とする。その結果はモータ振幅の遷移となり、基板電荷が蓄積するにつれて振幅は時間的に変化する。このことは、システム内の振幅とコリオリの力との関係によって、そうでない場合に可能なものに比べて精度を低下させる。
発明の簡単な要約
本発明に係る音叉ジャイロスコープは、複数の中心及び外側電極を備える。全体の基準質量構造は、一連のビーム及びたわみ体によって接続された２つの独立した、右及び左の質量を備える。基準質量構造中に注入された電荷は、それによってコリオリの力が計測されるメカニズムとなる。中心及び外側モータの複数性は、相対的な基準質量の振幅及び／又は位相の不均一性から生ずる、全体の基準質量構造中への電荷注入を最小化しながら、基準質量運動の生成と検出を可能にする。基準質量のそれぞれに分割された中心及び外側モータ電極を与える電極構成を形成することによって、相対的な振幅又は位相の不一致から生ずる誤差が排除される。独立した中心及び外側モータ電極の各組に対して、大きさが等しく逆極性の電位の励起を与えることによって、各質量はそれ自身の運動から生じた電荷を相殺し、これにより同相バイアス誤差を低減し、またダイナミック・レンジに関する制限を最小化する。各基準質量は、大きさが等しく逆極性の電位を有する独立した分割中心電極及び分割外側電極と相互作用するので、振幅の不一致誤差から全体の基準質量構造中に生じた正味の電荷は、最小化される。
中心電極及び外側電極の双方を分割することは、左右の基準質量間の振幅の不一致によって基準質量中に注入された電荷に起因した誤差に対するジャイロの感度を減少させる。電荷注入は、各基準質量が、基準質量運動の静電力および検出の双方を与えるために使用される励起と相互作用することから生ずる。正味の電荷注入は、右基準質量と左基準質量から生成された電荷が、等しく逆極性でない場合に発生する。これは、左右の基準質量の発振変位が振幅及び／又は位相において不一致である場合の現行の条件である。中心及び外側電極を等しく分割し、且つ逆の大きさの励起を与えることによって、各基準質量はそれ自身の運動に固有の電荷を相殺し、これにより同相バイアス誤差及びダイナミック・レンジ制限を低減することができる。
中心電極は基板荷電効果を低減し、また逆極性にバイアスされた等しい数の中心電極を与えることによって、望ましくないモータ上昇力を低減する。中心電極は、音叉ジャイロスコープを横断して電気的対称性を与えるように配置される。この対称性のために、中心電極によって基板中に誘起された電圧は大きさが等しく逆極性となり、同相での基板荷電効果は低減される。更に、基準質量中に直接注入された電流は、大きさが等しく逆極性であるため、相殺する傾向にある。この結果、モータ上昇力は等しくなり、基準質量は純粋変換で移動し、これにより同相バイアスは低減される。基準質量中に注入された正味の電流は、ジャイロスコープの出力信号となる。この電流は、アンカーを通して、電荷（電流の積分）を出力電圧に変換する伝達インピーダンス増幅器に流入する。この伝達インピーダンス増幅器は、基準質量を仮想アースに保つ。電気的対称性を保つことは、同相運動による、また基板に直交する共通モードの基準質量変換による、さらには電荷遷移による、誤差信号を大幅に減少させる。検知電極に対する逆極性のバイアスによって、所望のジャイロスコープ出力は差動垂直変位となる。
図面における複数の図の簡単な説明
本発明は、以下の図面の詳細な説明に照らしてより十分に理解される。図面において、
図１は、従来の音叉ジャイロスコープの図、
図２は、複数の中心電極を有する音叉ジャイロスコープの図、
図３は、図２の音叉ジャイロスコープの代替構成、
図４及び５は、モータバイアスを印加するための回路を示す、
図６は、複数の外側モータ電極を有する音叉ジャイロスコープの図である。
発明の詳細な説明
微小機械式音叉ジャイロスコープが図２に示されている。この音叉ジャイロスコープは、第１及び第２の基準質量３ａ，３ｂと、第１及び第２のモータ電極５ａ，５ｂと、第１及び第２の検知電極７ａ，７ｂと、第１及び第２の中心電極９ａ，９ｂと、基板１１とを備える。中心電極、検知電極およびモータ電極は基板上に配置されている。基準質量は、たわみ体１３ａ，１３ｂによって支持されて、検知電極の上側に配置されている。このたわみ体は、基板のアンカー点１５に取り付けられていて、基準質量が検知電極に対して移動することを可能にする。各基準質量は、その第１及び第２の側面から外側に延びた櫛を有する。中心電極及びモータ電極もまた櫛を有する。モータ電極５ａの櫛は基準質量３ａの櫛と噛み合い、中心電極９ａの櫛は基準質量３ａの櫛と噛み合う。中心電極９ｂの櫛は基準質量３ｂの櫛と噛み合い、モータ電極５ｂの櫛は基準質量３ｂの櫛と噛み合う。
この音叉ジャイロスコープの動作は電気機械的である。時間的に変化する駆動信号１７ａ，１７ｂは、モータ電極５ａ，５ｂにそれぞれ供給される。この駆動信号は、モータ電極５ａ，５ｂおよび基準質量３ａ，３ｂにそれぞれ取り付けられた、噛み合った櫛１９ａ，１９ｂ，２１ａ，２１ｂの間に静電結合を生成し、そしてモータ駆動軸２３に沿って発振する力を基準質量に与える。この発振する力は、基準質量を振動の面２５内で発振させる。回転レートのような慣性入力に応答して、基準質量は振動の面から偏位する。振動の面から外れた偏位の結果として生ずる、検知電極と隣接する基準質量との間の容量の変化が測定できるように、検知バイアス＋Ｖ_S，−Ｖ_Sがそれぞれ検知電極７ａ，７ｂに印加され、検知電極７ａ，７ｂと基準質量３ａ，３ｂとの間の電位が安定化される。
音叉ジャイロスコープによる慣性入力の測定は、コリオリの力の原則に基づいている。

ここで、
ｍは質量

は基準質量速度

は入力レート
である。音叉ジャイロスコープにとって、質量と速度は既知である。それ故、慣性入力運動は、基準質量と検知電極との間の電荷変化に基づいて測定できる。しかしながら、正確な結果を求めるためには、基準質量速度を一定に保つことが重要である。
中心電極９ａ，９ｂの少なくとも１つから基準質量速度を測定するために、そしてそれに応答して駆動信号１７ａ，１７ｂを変化させて速度変化を補償するために、発振器回路２７が使用される。帰還信号２９ａ，２９ｂを通して基準質量速度の測定を容易にするために、バイアス電位＋Ｖ_B，−Ｖ_Bがそれぞれ中心電極９ａ，９ｂに印加される。このバイアス電位＋Ｖ_B，−Ｖ_Bは、抵抗３１ａ，３１ｂを介して中心電極９ａ，９ｂに結合される。振動の面内の基準質量の変位によって生じる電荷変化は検出され、そして帰還に使用される。バイアス電位＋Ｖ_B，−Ｖ_Bは、ＤＣ電圧、ＡＣ電圧またはＡＣ＋ＤＣ組合せ電圧である。更に、これらのバイアス信号は大きさが等しく、極性が逆である。モータ・バイアスを印加するための回路が図４及び５に示されている。図４では、バイアスはＤＣだけであるが、図５ではＡＣまたはＤＣまたはＡＣ＋ＤＣが好ましい。
基準質量と隣接する中心電極との間の変化する接近は電荷変化をもたらすものであるが、これは噛み合った櫛の静電結合を通して表示される。基準質量が発振すると、接近は時間と共に変化する。その結果、噛み合った櫛形電極間の電位は時間と共に変化する。中心電極からの帰還信号の電位の変化率は、かくして基準質量速度を表示するものとなる。基準質量速度を一定に保つために、帰還信号は基準信号と比較され、そして比較結果は駆動信号の調整に使用される。
逆極性でバイアスされた中心電極は、音叉ジャイロスコープの左側および右側に電気的対称性を与えることによって、望ましくない基板荷電効果を低減する。対称性は、音叉ジャイロスコープに印加された各バイアスに対して大きさが等しく極性が逆の他の１つのバイアスが存在する場合に、そしてこのジャイロスコープを大きさの等しい電気的特性が逆の２つの領域に等分できる場合に、存在する。中心電極に印加された逆極性にバイアスされた信号が相殺する傾向にあるので、対称性は電荷遷移効果と垂直変換に対する感度とを低減する。例えば、バイアス電位によってジャイロスコープ基板に誘導される電圧は、同相バイアスでの基板荷電効果が低減されるように、大きさが等しく極性が逆である。更に、基準質量と噛み合った櫛形電極とに作用するモータ上昇力は等しく、それ故に基準質量は純粋変換で移動し、かくして同相バイアスは低減される。対称性のもう１つの利点は、ジャイロスコープの面に直交する純粋変換が検知軸出力を生じないことである。かくして、検知電極出力は実際の慣性モーメントを反映するだけである。基準質量中に注入された正味の電流は、ジャイロスコープの出力信号となる。この電流は、アンカーを通して、電荷（電流の積分）を出力電圧に変換する伝達インピーダンス増幅器に流入する。この伝達インピーダンス増幅器は、基準質量を仮想アースに保つ。電気的対称性を保つことは、同相運動による、また基板に直交する共通モードの基準質量変換による、さらには電荷遷移による、誤差信号を大幅に低減する。検知電極に対する逆極性のバイアスによって、所望のジャイロスコープ出力は差動垂直変位となる。これらの理由のために、中心電極は基板上に対称に配置される。
図３は、代替の中心電極構成を示している。この代替実施例では、中心電極９ａ，９ｂのそれぞれは、基準質量３ａ，３ｂの櫛形電極３７，３９とそれぞれ噛み合う櫛形電極３３ａ，３３ｂ，３５ａ，３５ｂの第１及び第２のそれぞれの組を有する。即ち、各中心電極は両方の基準質量と相互作用する。前述した実施例で述べたように、帰還信号４１，４３を通して基準質量速度の測定を容易にするために、中心電極はそれぞれ、そこに印加されたバイアス電位＋Ｖ_B，−Ｖ_Bを有する。このバイアス電圧は、ＤＣ電圧、ＡＣ電圧またはＤＣ＋ＡＣ組合せ電圧である。各中心電極は両方の基準質量の速度の測定値を与えるので、中心電極の一方からの単一の帰還信号が、基準質量速度を一定に保つために、発信器回路で使用される。この代わりに、基準質量速度の指示を与えるために、各中心電極からの帰還信号の差動読取り値４５が使用できる。中心電極のそれぞれは両基準質量と相互作用するので、中心電極を通して基準質量に注入された電流は大きさが等しく極性が逆になり、かくして効果的に相殺される。
他の１つの代替実施例が図６に示されている。この実施例では、中心電極９ａ，９ｂは、図３に関して説明したように、分割されている。加えて、このジャイロは、分割左モータ電極３８ａ，３８ｂと分割右モータ電極３８ｃ，３８ｄを含んでいる。対称性を達成するために、＋ＶＡＣが電極３８ａ，３８ｃに印加され、また−ＶＡＣが電極３８ｂ，３８ｄに印加されている。
上記説明から明らかなように、本発明は、発振する質量の発振運動を検知するための方法を規定している。発振運動の検知は、偶数の発振運動検知素子を提供し、前記発振運動検知素子の等数の第１及び第２のグループを逆極性の第１及び第２の電位でバイアスし、少なくとも１つの発振する質量の発振運動を少なくとも１つの発振運動検知素子で検知することを含んでいる。発振運動検知素子を逆極性の信号でバイアスされた等しいグループに配置することによって、このデバイスの他の素子中への浮遊電流及び電圧の注入が相殺されやすくなる。このような注入は典型的には噛み合った櫛形電極を通してのものであり、そして発振運動検知素子の配列は、各素子が１つの発振する質量だけに結合するようものであるか、あるいは各素子が１より多くの発振する質量に結合するようなものである。配列に依存して、デバイスの対称性は上述したように変化する。それ故に、偶数の電極によって注入される電流をバランスさせる方法は、回転振動式ジャイロスコープにも適用される。
開示された実施例から種々の変形または修正がなされることが理解されるべきである。従って、本発明は、添付の請求の範囲の精神及び範囲を除いて制限されるものとみなされるべきではない。

Claims (19)

1. 微小機械式音叉ジャイロスコープの一部をなし発振部材の慣性入力を検出する装置であって、
   前記発振部材に近接して基板上に配置された第１の中心電極と、
   前記第１の中心電極に印加される第１のバイアス電位と、
   前記発振部材に近接して前記基板上に配置された第２の中心電極と、
   前記第２の中心電極に印加される第２のバイアス電位とを備え、
   前記第２のバイアス電位は、前記第１のバイアス電位と大きさが等しく、極性が逆であり、
   ここで、少なくとも前記第１および第２の中心電極は、前記発振部材の速度を表す信号を与えるように構成されていることを特徴とする装置。
2. 請求項１の装置において、前記部材は、前記第１の中心電極の櫛形電極と噛合う櫛形電極を有した第１の基準質量からなることを特徴とする装置。
3. 請求項２の装置において、前記部材が前記第２の中心電極の櫛形電極と噛合う櫛形電極を有した第２の基準質量を備えることを特徴とする装置。
4. 請求項３の装置において、前記部材がさらに、前記第１及び第２の電極の櫛形電極と噛合う櫛形電極を有した第２の基準質量を備え、前記第１の基準質量の櫛形電極もまた前記第１及び第２の中心電極の櫛形電極と噛合うことを特徴とする装置。
5. 請求項４の装置において、前記第１及び第２のバイアス電位は、ＡＣ、ＤＣ、またはＡＣ＋ＤＣであることを特徴とする装置。
6. 請求項５の装置において、前記位置を検出する装置は、前記位置を検出する装置を第１及び第２の部分に等分する軸のそれぞれの側方で電気的に対称であり、前記第１の部分は前記第１の中心電極を有し、前記第２の部分は前記第２の中心電極を有することを特徴とする装置。
7. 請求項１の装置において、前記発振する部材に近接して前記基板上に配置された第１及び第２の分割モータ電極を備えることを特徴とする装置。
8. 請求項７の装置において、前記第１及び第２の分割モータ電極のそれぞれにおけるＤＣ電位はゼロボルトであることを特徴とする装置。
9. 慣性入力を計測するための微小機械式音叉ジャイロスコープであって、
   基板と、
   前記基板上に対称的に配置された第１及び第２の検知電極と、
   前記第１及び第２の検知電極上にそれぞれ配置された少なくとも第１及び第２の基準質量であって、その内側及び外側側面から延長された櫛形電極を有するそれぞれ第１及び第２の基準質量と、
   前記基板上に対称的に配置された第１及び第２のモータ電極であって、前記第１及び第２の基準質量の外側櫛形電極と噛合う櫛形電極を有した第１及び第２のモータ電極と、
   前記基板上に対称的に配置され、逆向きにバイアスされた第１及び第２の中心電極であって、噛合った櫛形電極によって少なくとも前記第１及び第２の基準質量と結合したそれぞれの前記第１及び第２の中心電極、及び少なくとも前記第１及び第２の基準質量のいずれか一つの速度を指示する帰還信号を与える少なくともいずれか一つの前記第１及び第２の中心電極と
   を備えることを特徴とする音叉ジャイロスコープ。
10. 請求項９の音叉ジャイロスコープにおいて、前記第１の中心電極の櫛形電極は前記第１の基準質量の櫛形電極と噛合い、前記第２の中心電極の櫛形電極は前記第２の基準質量の櫛形電極と噛合うことを特徴とする音叉ジャイロスコープ。
11. 請求項１０の音叉ジャイロスコープにおいて、前記第１の中心電極は前記第２の基準質量の櫛形電極の一部と噛合う櫛形電極を有し、前記第２の中心電極は前記第１の基準質量の櫛形電極の一部と噛合う櫛形電極を有することを特徴とする音叉ジャイロスコープ。
12. 微小機械式音叉ジャイロスコープ内の少なくとも１つの発振質量の発振運動を制御するための方法であって、
    偶数の発振運動検知素子を提供するステップであって、前記発振運動検知素子の対が前記所定の発振質量に近接し、前記対が第１のグループの発振運動検知素子と第２のグループの発振運動検知素子からなるように、配置するステップと、
    前記発振運動検知素子の第１及び第２のグループをそれぞれ等しい大きさと逆極性の第１及び第２の電位でバイアスするステップと、
    前記少なくとも１つの発振質量の発振運動を少なくとも１対の発振運動検知素子で検知するステップと
    前記の少なくとも一つの発振質量の速度を表す帰還信号を少なくとも一対の発振運動検知素子で形成するステップ、並びに
    帰還信号の機能として少なくも一つの発振質量の一定速度発振運動を維持するステップ
    を備えることを特徴とする方法。
13. 請求項１２の方法において、前記微小機械式音叉ジャイロスコープの第１及び第２の半分の間に電気的な対称性を与えるように前記発振運動検知素子を配置するステップを備えることを特徴とする方法。
14. 請求項１３の方法において、前記少なくとも一つの発振質量は基準質量であり、前記提供するステップは第１及び第２の中心電極を提供するステップを含むことを特徴とする方法。
15. 請求項１４の方法において、前記音叉ジャイロスコープは櫛形電極を有する第１及び第２の基準質量を備え、前記第１及び第２の中心電極は櫛形電極を有し、前記バイアスするステップはＡＣ、ＤＣまたはＡＣ＋ＤＣ電位を前記第１及び第２の中心電極に印加するステップを含むことを特徴とする方法。
16. 請求項１５の方法において、前記配置するステップは、前記第１の中心電極の櫛形電極と前記第１の基準質量の櫛形電極を噛合わせ、また前記第２の中心電極の櫛形電極と前記第２の基準質量の櫛形電極を噛合わせることを特徴とする方法。
17. 請求項１５の方法において、前記配置するステップは、前記第１の中心電極の櫛形電極の第１の半分と前記第１の基準質量の櫛形電極の半分を噛合わせ、前記第１の中心電極の櫛形電極の第２の半分と前記第２の基準質量の櫛形電極の半分を噛合わせ、前記第２の中心電極の櫛形電極の第１の半分と前記第１の基準質量の櫛形電極の半分を噛合わせ、前記第２の中心電極の櫛形電極の第２の半分と前記第２の基準質量の櫛形電極の半分を噛合わせることを特徴とする方法。
18. 請求項１２の方法において、前記維持するステップが、少なくとも第１及び第２の小部分を有する少なくとも１つの分割電極によって、前記少なくとも１つの発振質量に発振運動を与えるステップを有することを特徴とする方法。
19. 請求項１８の方法において、前記第１及び第２の小部分のそれぞれに、大きさが等しく逆極性の電位を与えるステップを更に備えることを特徴とする方法。

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