JP5222048B2 - 開ループ読み出し装置を有す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その制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、開ループ読み出し装置を有す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このマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープを制御する対応方法に関するものである。

既知のように、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）を使用することにより、幾つかの技術部門の開発を促進しており、特に、広い範囲の分野に対するエレクトロメカニカル振動子、慣性センサ及び超小型集積化ジャイロスコープの製造に好結果をもたらしている。

上述した種類のＭＥＭＳシステムは通常、スプリングを介してステータ（固定体）に連結された少なくとも１つの質量体を有するマイクロエレクトロメカニカル構造体に基づくものであり、前記質量体は、予め決定した自由度に応じて前記ステータに対して移動可能（可動）となっている。この可動質量体とステータとは、キャパシタを形成するようにそれぞれ互いに対向した複数のくし歯状の電極により容量的に結合されている。可動質量体が、例えば、外部からの応力によりステータに対し移動することにより、キャパシタの容量を変更させる。それ故、ステータに対する、従って、加えられる力に対する可動質量体の相対的な変位に対するトレースバックを行うことができる。これに代えて、適切なバイアス電圧を加えることにより、可動質量体に静電気力を加えて、この可動質量体を動かすようにすることができる。更に、エレクトロメカニカル振動子を得るために、代表的に、共振振動数を有する二次の低域通過型である慣性ＭＥＭＳ構造体の振動数応答特性が開発されている。例えば、慣性ＭＥＭＳ構造体において、可動質量体に加えられる力と、ステータに対するこの可動質量体の変位量との間の伝達関数の大きさ及び位相の展開を図１及び図２に示す。

ＭＥＭＳジャイロスコープは、特に、ステータに対し移動可能で１つの相対的な自由度を有するように互いに結合された２つの質量体を具える、より複雑なエレクトロメカニカル構造体を有する。移動可能な２つの質量体は、双方ともステータに容量的に結合されている。これらの質量体の一方は駆動専用であり、振動中は共振振動数に維持されている。他方の質量体は振動運動状態に駆動され、微細構造体（ミクロ構造体）が予め決定されたジャイロスコープ軸に対してある角速度で回転する場合には、この他方の質量体は、角速度自体に比例するコリオリの力を受ける。実際には、駆動される質量体はコリオリの力及び加速度を検出し、従って、角速度に対するトレースバックを行うことができる加速度計として動作する。

ＭＥＭＳジャイロスコープは、これを適切に動作させるためには、微細構造体に加えて、可動質量体を共振振動数で振動状態に維持するタスクを有する駆動装置と、駆動質量体の自由度に応じて駆動質量体の変位量を読み取る装置とを必要とする。このような変位量は、実際には、コリオリの力、従って、角速度を表しており、駆動質量体及びステータ間の容量性結合の変化に関連する電気的な読み出し信号により検出しうる。共振振動数で駆動される結果として、ジャイロスコープの回転により生ぜしめられるとともに角速度に相関性のある読み出し信号は、両側波帯抑圧搬送波信号（ＤＳＢ‐ＳＣ；この場合、搬送波は駆動質量体の振動速度であり、機械的な共振振動数に等しい周波数を有している）の形態をしている。

しかし、ＭＥＭＳジャイロスコープの構造は複雑であり、可動質量体とステータとの間の電気機械的な相互作用がしばしば非線形となり、有効な信号成分が角速度を測定するのに有効でない不要成分に重畳されてしまう。これらの不要成分は種々の原因によるものである。例えば、可動質量体とステータとの間のキャパシタンスを読み取ることにより、微細構造体の駆動及び回転により生ぜしめられる力を本質的に乱してしまう（マイクロエレクトロメカニカル構造体の共振振動数を実際に変更する、いわゆる“静電的軟化（エレクトロスタティックソフトニング）”現象を生じる）。誘起され且つ検出された電荷の変位は、実際に、容量結合された素子間の静電気力を変更させ、システムの動力に悪影響を及ぼす。除去するのが実際上不可能な妨害の他の原因は、生成物の欠陥や工程分散である為、実装置の動作は、統計的にのみ予測しうる点で、設計とは相違してしまう。例えば、極めて一般的な欠陥は、駆動のために用いた質量体が、設計状態で予測される自由度とは完全には一致しない方向で振動するという事実に依存するものである。この場合、駆動欠陥が有効信号に悪影響を及ぼし、未知の振幅の成分を、搬送波の周波数と同じ周波数で且つ９０°移相させて導入する。

一方、妨害成分の振幅は多くの場合大きく、許容できない歪みを導入することなしに単に無視することはできない。

本発明の目的は、マイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ自体の回転により生ぜしめられる信号成分に重畳される妨害成分を減少せしめうる当該マイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ及びその対応する制御方法を提供することにある。

本発明によれば、特許請求の範囲の請求項１に規定したマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ及び請求項１２に規定したその対応する制御方法を提供する。

本発明をより一層良好に理解しうるようにするために、本発明の幾つかの実施例を図面につき説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

以下では、“ヨー”型のマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープに本発明を用いることについて説明する。しかし、本発明の範囲を決してこの説明に限定するものではない。その理由は、本発明はいかなる種類のＭＥＭＳジャイロスコープにも、特に“ロール”型、“ピッチ”型のＭＥＭＳジャイロスコープに適用でき、且つ複数の軸を有するジャイロスコープ（２軸又は３軸ジャイロスコープ）にも適用しうる。

更に、便宜上、用語“振動数”は角振動数（脈動、rad/s ）を示すために用いる。いかなる場合にも、振動数ｆとこれに対応する角振動数又は脈動ωとは、周知の式ω＝２πｆにより関連づけられている。

図３のブロック線図に簡単に示すマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ１００は、ＭＥＭＳ技術を用いて得られた微細構造体１０２と、駆動装置１０３と、読み出し装置１０４とを有し、これらは支持体１０１上に収容されている。例えば、本出願人名で出願した欧州特許出願公開EP-A-1253399号に記載された種類のものとした微細構造体１０２には、作動システム５と、慣性センサ６とが設けられており、これらはそれぞれ半導体材料より成る可動質量体を有している。より正確には、作動システム５は駆動質量体１０７を有し、この駆動質量体１０７は、固定構造体、すなわちステータ１０９に対して、特に第１の軸Ｘに沿う自由度に応じて休止位置を中心として振動する。この作動システム５には更に、第１の軸Ｘに沿う駆動質量体１０７の変位を検出する（２つのステータ端子により規定される）読み出し出力端５ａと、作動信号を生じるとともに駆動質量体１０７を既知の方法で、共振振動数での振動状態に維持する（他の２つのステータ端子により規定される）作動入力端５ｂとが設けられている。読み出し出力端５ａと作動出力端５ｂとは、既知の方法でくし歯状の電極（図示せず）により駆動質量体１０７に容量的に結合されている。慣性センサ６は、第１の軸Ｘに対し垂直な第２の軸Ｙに沿う方向の検出軸を有するとともに、検出質量体１０８を具えており、この検出質量体１０８は、ばね（図示せず）により駆動質量体１０７に機械的に連結されて、駆動質量体１０７が励起されると、ステータ１０９に対し第１の軸Ｘに沿って運動状態に駆動されるようになっている。更に、検出質量体１０８は、第２の軸Ｙの方向で駆動質量体１０７及びステータ１０９に対して移動でき、従って、更なる自由度を有している。慣性センサ６の２つの第１の（ステータ）端子６ａ及び（検出質量体１０８に直接接続された）第２の端子６ｂは、それぞれ検出質量体１０８への読み出し信号Ｖ_S1及びＶ_S2の供給及びその変位の検出を可能にする。第１の端子６ａは、既知の方法でくし歯状の電極（図示せず）により検出質量体１０８に容量的に結合されており、第２の端子６ｂはこの検出質量体に直接接続されている。

駆動装置１０３は、駆動質量体１０７を含む帰還制御ループ１０５を形成するように微細構造体１０２に接続されている。以下の説明で更に明確となるように、駆動装置１０３は帰還制御ループ１０５を用いて、駆動質量体１０７が第１の軸Ｘに沿ってその機械的な共振振動数ω_R （例えば、２５Krad/s）で自励振動を維持するようにする。

読み出し装置１０４は開ループ型であり、上述した例では、第２の軸Ｙに沿う検出質量体１０８の変位のいわゆる“シングルエンド”型の読み出しを実行するように構成されている。特に、読み出し装置１０４は、検出信号Ｖ_RD1 及びＶ_RD2 （この場合、電圧）を捕捉するために駆動装置１０３に接続された第１の入力端１０４ａと、慣性センサ６の第２の端子６ｂに接続された第２の入力端と、慣性センサ６のそれぞれの第１の端子６ａに接続され、読み出し信号Ｖ_S1及びＶ_S2を生じる第１の出力端と、微細構造体１０２の角速度Ωに相関性がある出力信号Ｓ_OUT を生じる第２の出力端１０４ｂとを有している。

ジャイロスコープ１００は、以下に説明するように動作する。駆動質量体１０７は、駆動装置１０３により第１の軸Ｘに沿う振動状態に設定される。この目的のために、駆動装置１０３は、作動システム５の読み出し出力端５ａに結合され、第１の軸Ｘに沿う駆動質量体１０７の振動の線速度に相関性がある検出電流Ｉ_RD1 及びＩ_RD2 を受けるようにする。駆動装置１０３は、検出電流Ｉ_RD1 及びＩ_RD2 に基づいて、帰還制御ループ１０５の振動条件を達成するような振幅及び位相（単位ループ利得及びほぼゼロの位相）を有する帰還駆動電圧Ｖ_FBD1及びＶ_FBD2を発生する。

検出質量体１０８は、駆動質量体１０７により、第１の軸Ｘに沿う運動状態に駆動される。従って、微細構造体１０２が、軸Ｘ及びＹの平面に対し垂直なジャイロスコープの軸を中心に、ある角速度で回転すると、検出質量体１０８は、第２の軸Ｙに平行で、第１の軸Ｘに沿う２つの質量体１０７及び１０８の線速度及び微細構造体１０２の瞬時的な角速度に比例するコリオリの力を受ける。より正確に言えば、コリオリの力は、式
Ｆ_C ＝２Ｍ_S ΩＸ′
で与えられる。ここで、Ｍ_S は検出質量体１０８の値であり、Ωは微細構造体１０２の角速度であり、Ｘ′は第１の軸Ｘに沿う２つの質量体１０７及び１０８の線速度である。共振振動数ω_R で駆動される結果として、ジャイロスコープの回転により生ぜしめられ、角速度に相関性がある検出信号は、両側波帯抑圧搬送波信号（ＤＳＢ‐ＳＣ；この場合、搬送波は駆動質量体の振動の線速度Ｘ′であり、機械的な共振振動数ω_R に等しい周波数を有している）の形態をしている。

実際には、駆動質量体１０７もコリオリの力を受けるが、この力は第１の軸Ｘのみに沿う駆動質量体の移動に課せられる制約により相殺される。

検出質量体１０８が受けるコリオリの力及び加速度は、慣性センサ６を介して読み出される。慣性センサ６は、読み出し信号Ｖ_S1及びＶ_S2により検出質量体１０８を励起するのに応答して、検出電荷パケットＱ_RSを生じる。この検出電荷パケットは、第２の軸Ｙに沿う検出質量体１０８の変位により生ぜしめられる容量性不平衡に比例する。従って、検出電荷パケットＱ_RSは、コリオリの力（及び加速度）と微細構造体１０２の瞬時的な角速度とに相関性がある。より正確に言えば、順次の読み出しサイクルにおいて検出電荷パケットＱ_RSで転送される電荷は、微細構造体１０２の瞬時的な角速度に正比例して振幅変調される。しかし、変調量、すなわち、角速度と関連する振動数帯は共振振動数ω_R （例えば、約３０rad/s ）よりも著しく低い。検出電荷パケットＱ_RSは読み出し装置１０４により変換され且つ処理され、後述するように、この読み出し装置１０４が出力信号Ｓ_OUT を発生する。

図４は、微細構造体１０２と、駆動装置１０３と、読み出し装置１０４とをより一層詳細に示す回路図である。

微細構造体１０２に関して、図４は、駆動質量体１０７と作動システム５のそれぞれの読み出し出力端５ａとの間に存在する第１の差動的な検出キャパシタンス１２０と、駆動質量体１０７と作動システム５のそれぞれの作動入力端５ｂとの間に存在する差動的な作動キャパシタンス１２１と、検出質量体１０８と慣性センサ６の第２の端子６ｂとの間に存在する第２の検出キャパシタンス１２２とを示している。より正確に言えば、第１の差動的な検出キャパシタンス１２０及び差動的な作動キャパシタンス１２１は、１つの同じ作動ノード１２５に接続された端子をそれぞれ有しており、この作動ノードが検出質量体１０８に結合されている。

駆動装置１０３は、トランスインピーダンス増幅器１１０及び帰還段１１１を有しており、このこと自体は既知である。トランスインピーダンス増幅器１１０は完全差動型であり、第１の軸Ｘに沿う駆動質量体１０７の振動線速度に相関性のある検出電流Ｉ_RD1 及びＩ_RD2 を受けるための作動システム５の読み出し出力端５ａに接続された一対の入力端を有している。従って、トランスインピーダンス増幅器１１０の出力端には検出電圧Ｖ_RD1 及びＶ_RD2 が存在し、これらの検出電圧は、第１の軸Ｘに沿う駆動質量体１０７の振動線速度をも表す。又、これらの検出電圧Ｖ_RD1 及びＶ_RD2 は正弦波状をしており、共振振動数ω_R で振動し、互いに等しい振幅を有するとともに、互いに１８０°移相している。共振状態は、帰還制御ループ１０５の利得が単位利得でその位相がゼロとなるように、帰還駆動電圧Ｖ_FED1及びＶ_FED2を発生する帰還段１１１により達成される。検出電圧Ｖ_RD1 及びＶ_RD2 を生じるトランスインピーダンス増幅器１１０の出力端は更に、読み出し装置１０４に接続されている。

読み出し装置１０４は開ループ型であり、第２の軸Ｙに沿う検出質量体１０８の変位のいわゆる“シングルエンド”読み出しを実行するように構成されている。この場合、特に、慣性センサ６の第１の端子６ａにそれぞれ供給され、互いに１８０°だけ移相された２つの読み出し信号Ｖ_S1及びＶ_S2（図５ａ及び５ｂをも参照）により検出質量体１０８が励起される。これらの読み出し信号Ｖ_S1及びＶ_S2に応答して、慣性センサ６が第２の端子６ｂに検出電荷パケットＱ_RSを生じる。この検出電荷パケットＱ_RSは、第２の軸Ｙに沿う検出質量体１０８の変位により生ぜしめられる第２の検出キャパシタンス１２２の容量性不平衡に比例する。

読み出し装置１０４は、読み出し信号発生器１３０と、フェーズジェネレータ１３１と、処理ライン１３２とを具えており、処理ライン１３２は、電荷増幅器１３３と、アナログ処理段１３４と、フィルタ１３５と、サンプリング段１３６とを有する。更に、読み出し装置１０４には、数値型の校正ユニット１３８と、校正回路網１４０とが設けられている。読み出し信号発生器１３０はサンプリング回路（サンプラー）であり、フェーズジェネレータ１３１に接続されて（クロック周期Ｔ_CKを有する）クロック信号ＣＫを受けるクロック入力端と、読み出し装置１０４の第１の入力端１０４ａを構成する入力端とを有している。実際には、これらの入力端は駆動装置１０３のトランスインピーダンス増幅器１１０の出力端に接続され、それぞれ検出電圧Ｖ_RD1 及びＶ_RD2 を受ける。クロック信号ＣＫは、駆動質量体１０７の振動に対し非同期である（実際には、クロック周波数２π／Ｔ_CKは共振振動数ω_R に対し相関性がない）。従って、読み出し信号発生器１３０により実行されるサンプリングも共振振動数ω_R に対し非同期である。読み出し信号発生器１３０の出力端は慣性センサ６の第１の端子６ａにそれぞれ接続されており、読み出し信号Ｖ_S1及びＶ_S2をそれぞれ生じる。特に、これらの読み出し信号Ｖ_S1及びＶ_S2はそれぞれ検出電圧Ｖ_RD1 及びＶ_RD2 のサンプリング及び増幅により発生され、従って、図５ａ及び５ｂに示すように、共振振動数ω_R で正弦波状に変化しうるとともに互いに１８０°移相した振幅の方形波信号の形態をしている。より正確には、読み出し信号Ｖ_S1及びＶ_S2はそれぞれ次式（１）及び（２）により与えられる。
Ｖ_S1（ｔ）＝Ｖ_P sin(ω_R ｔ＋φ)＋Ｖ_B （１）
Ｖ_S2（ｔ）＝−Ｖ_P sin(ω_R ｔ＋φ)＋Ｖ_B （２）
ここで、Ｖ_P はピーク値であり、φは位相であり、Ｖ_B は可動質量体１０８とステータ１０９との間の直流バイアス電圧（図５ａ及び５ｂではゼロ）である。更に、式（１）及び（２）において、以下の説明では、時間を表す変数ｔは不連続であるものとする。

電荷増幅器１３３は、演算増幅器１３３ａと、この演算増幅器１３３ａの第１の入力端及びその出力端間に接続されたキャパシタ１３３ｂとを有する。電荷増幅器１３３の入力端を規定する演算増幅器１３３ａの第１の入力端は、慣性センサ６の第２の端子６ｂに接続され、読み出し信号Ｖ_S1及びＶ_S2とジャイロスコープ１００の回転とに応答して慣性センサ６により生ぜしめられる検出電荷パケットＱ_RSを受ける。これに対し、電荷増幅器１３３の第２の入力端を規定する演算増幅器１３３ａの第２の入力端は校正回路網１４０に接続されている。

アナログ処理段１３４と、フィルタ１３５と、サンプリング段１３６とが電荷増幅器１３３に縦続接続され、（電荷増幅器１３３により電圧に変換されている）検出電荷パケットＱ_RSを処理し、出力信号Ｓ_OUT を発生させる。

フィルタ１３５は低域通過型であり、高周波成分（２ω_R ）を排除し、従って、復調処理を達成する。

上述した実施例では、校正回路網１４０が、分圧比を可変とした抵抗性の分圧器を有し、校正ユニット１３８により制御される。校正回路網１４０の出力端１４０ａは電荷増幅器１３３の第２の入力端に接続され、校正電圧Ｖ_OCALを生じる。演算増幅器１３３ａの内部帰還の結果として、電荷増幅器１３３の第１の入力端と、慣性センサ６の第２の端子６ｂと、可動質量体１０８とも校正電圧Ｖ_OCALに維持される。従って、慣性センサ６の第２の端子６ｂは校正端子として用いられる。特に、校正電圧Ｖ_OCALは、可動質量体１０８とステータ１０９との間の直流バイアス電圧Ｖ_B の決定を可能にする。

校正ユニット１３８は、電荷増幅器１３３の下流（後段）でフィルタ１３５の上流（前段）に設定された処理ライン１３２の点における電荷積分信号Ｓ_QIを検出する。本例では、電荷積分信号Ｓ_QIは、アナログ処理段１３４の上流で電荷増幅器１３３の出力端で直接検出される。他の実施例では、電荷積分信号Ｓ_QIをアナログ処理段１３４の出力端で検出するようにすることができる。いかなる場合にも、共振振動数ω_R の二倍である周波数２ω_R の成分が依然として電荷積分信号Ｓ_QIに存在する。

校正ユニット１３８は、電荷積分信号Ｓ_QIから周波数２ω_R の成分を抽出し、この成分に基づいて、前述したように、校正回路網１４０の分圧比、従って、校正電圧Ｖ_OCALの値を設定する。

読み出し装置１０４は以下のように動作する。読み出し信号Ｖ_S1及びＶ_S2による検出質量体１０８の励起に応答して、慣性センサ６が検出電荷パケットＱ_RSを発生する。この検出電荷パケットＱ_RSは第２の検出キャパシタンス１２２の容量性不平衡に比例する。この容量性不平衡は、読み出し信号Ｖ_S1及びＶ_S2の振幅や、検出質量体１０８に及ぼされる外力によっても生ぜしめられる。従って、検出電荷パケットＱ_RSに応じて転送される電荷は、特に比例成分により、共振振動数ω_R で変化する読み出し信号Ｖ_S1及びＶ_S2に対し相関性がある。実際には、検出質量体１０８を励起する読み出し信号Ｖ_S1及びＶ_S2を用いることにより、本質的に復調動作を実行しうるようにする。従って、（共振振動数ω_R で）最初に線速度Ｘ′により与えられる搬送周波数で変調された検出電荷パケットＱ_RSの電圧変換から取り出される信号は、既にベースバンドにダウンコンバートされた信号である。その理由は、読み出し信号Ｖ_S1及びＶ_S2の振幅は共振振動数ω_R で変化する為である。復調は処理ライン１３２により実行する必要がないようにするのが有利である。特に、復調器段や、位相固定（ＰＬＬ）回路のような複雑な補助回路を排除でき、さもないと、復調動作を搬送周波数、すなわち、共振振動数ω_R と同期させる必要がある。

しかし、電荷積分信号Ｓ_QIは、復調処理により発生された周波数２ω_R での成分を依然として含んでおり、この成分は、フィルタ１３５により実行される低域通過フィルタリングのみによって除去される。校正ユニット１３８は校正回路網１４０に作用して、校正電圧Ｖ_OCALを介して周波数２ω_R での成分を最小にする。その理由は、このようにすることにより、有効信号に重畳された少なくとも幾つかの妨害成分を排除、もしくは著しく低減させることができる為である。校正ユニット１３８が、周波数２ω_R での成分が最小にされたことを検出すると、校正処理が中断される。

このことに関連して、ステータ電極１４１及び１４２と、検出質量体１０８の１つの検出電極１４３とを示す図６及び７を参照しうる。検出電極１４３は、ステータ電極１４１及び１４２間に配置されて、キャパシタンスＣ₁ 及びＣ₂ をそれぞれ有する２つのキャパシタ１４４及び１４５を形成している。休止位置（図６）では、検出電極１４３がステータ電極１４１及び１４２から等距離に、特に距離Ｙ_G に位置するように、検出質量体１０８が配置されている。この休止位置では、キャパシタンスＣ₁ 及びＣ₂ は双方とも、休止キャパシタンスＣ₀ に等しい。可動質量体１０８がその平衡位置から外れると（例えば、図７に示すようにステータ電極１４２の方向に距離ΔＹだけ変位すると）、キャパシタンスＣ₁ 及びＣ₂ は休止キャパシタンスＣ₀ に対して不平衡となり、第１の端子６ａに与えられる読み出し信号Ｖ_S1及びＶ_S2の結果として、ゼロでない静電気力Ｆ_E が検出電極１４３に作用する。更に、この静電気力Ｆ_E は、校正電圧Ｖ_OCALにより生ぜしめられる可動質量体１０８及びステータ１０９間の（直流）バイアス電圧Ｖ_B に依存する。

更に詳細に言えば、ステータ電極１４１及び１４２によりそれぞれ検出電極１４３に及ぼされる静電気力をＦ_E1及びＦ_E2で表わすことにより得られる結果の静電気力Ｆ_E は、次式（３）で与えられる。

式（１）〜（３）を用いることにより、静電気力Ｆ_E は次式（４）で表すこともできる。

ここで、変位が小さい場合（ΔＹ<<Ｙ_G 、通常確認される状態の場合）、項α（ｔ）、β（ｔ）及びγ（ｔ）は、それぞれ以下のように表される。

従って、いかなる妨害も存在しなくても、各検出電極１４３に与えられる静電気力Ｆ_E が、バイアス電圧Ｖ_B を介して校正電圧Ｖ_OCALから決定される。

前述したように、多数の重要な妨害源は直角分、すなわち、搬送波（線速度Ｘ′）に対して９０°だけ位相外れした成分の形態で現れる。これは、例えば、第１の（駆動）軸Ｘと第２の（検出）軸Ｙとの間の整合が完全でない場合である。復調処理におけるコヘーレンス誤差の結果としての妨害の直角分の結果、周波数２ω_R の信号が直流信号に加わる。

実際には、直角分による第２の軸Ｙに沿う直角変位Ｙ_Q は、
Ｙ_Q ＝Ｋ_Q cosω_R ｔ
により与えられる。ここで、Ｋ_Q は比例定数である。更に、直角電荷変化は直角変位Ｙ_Q に相当し、

に等しい。これに対し、静電気力Ｆ_E により生ぜしめられる電荷変化は、

により与えられる。

直角誤差を補償する目的では、通常、成分α（ｔ）及びγ（ｔ）を無視しうることを考慮すると、静電気力Ｆ_E により生ぜしめられる電荷変化は、以下の通りである。

従って、静電気力Ｆ_E により生ぜしめられる電荷変化は、周波数２ω_R の妨害成分の影響を最少にするのに有利に用いることができる。特に、前述したように、電荷集積信号Ｓ_QIの周波数２ω_R の成分が最少となるまで、バイアス電圧Ｖ_B を変えるために、校正電圧Ｖ_OCALを校正ユニット１３８により用いる。従って、直角誤差を、処理ライン１３２の上流で殆ど除去でき、電荷増幅器１３３の動特性を最適化しうる。

図８は、本発明の一実施例によるシステム２００の一部を示す。このシステム２００は、例えば、パームトップコンピュータ（パーソナルデジタルアシスタント：ＰＤＡ）や、場合によってはワイヤレスキャパシティを有するラップトップコンピュータ又はポータブルコンピュータや、携帯電話や、メッセージングデバイスや、デジタル音楽プレーヤや、デジタルカメラのような装置、或いは情報を処理、記憶、送信又は受信するように設計したその他の装置に用いることができる。例えば、ジャイロスコープ１００は、デジタルカメラにおいて、動きを検出して画像の安定化を図るのに用いることができる。他の実施例では、ジャイロスコープ１００をポータブルコンピュータ、ＰＤＡ又は形態電話に設け、急激な落下の状態を検出して安全装置を作動させるようにする。他の実施例では、ビデオゲーム用のコンピュータ又はコンソールに対する、動きで動作されるユーザインタフェース内にジャイロスコープを挿入する。

システム２００は、コントローラ２１０と、入力／出力（Ｉ／Ｏ）装置２２０（例えば、キーボード又はディスプレイ）と、ジャイロスコープ１００と、ワイヤレスインタフェース２４０と、揮発性又は不揮発性のいずれかのメモリ２６０とを有し、これらはバス２５０を経て互いに結合されている。一実施例では、システム２００の電源としてバッテリ２８０を用いることができる。本発明の範囲は、上述した装置の１つ又は全てを必ず有する実施例に限定されるものではないことに注意すべきである。

コントローラ２１０は、例えば、１つ以上のマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ等を有しうる。

Ｉ／Ｏ装置２２０はメッセージを発生させるのに用いることができる。システム２００は、メッセージを無線周波数（ＲＦ）信号をもってワイヤレス通信回路網に伝送したり、ワイヤレス通信回路網から受けたりするのにワイヤレスインタフェース２４０を用いることができる。ワイヤレスインタフェースの例は、ダイポールアンテナのようなアンテナ及びワイヤレストランシーバを有しうるが、本発明の範囲はこの観点に限定されるものではない。更に、Ｉ／Ｏ装置２２０は、（デジタル情報が記憶された場合に）何がデジタル出力の形態で記憶されているか、又は（アナログ情報が記憶された場合に）何がアナログ情報の形態で記憶されているかを表す電圧を生じうる。

特許請求の範囲に規定した本発明の範囲を逸脱することなく、マイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ及び上述した方法に種々の変更を講じうること、明らかである。

図１は、マイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープの振動数応答に関するグラフを示す線図である。 図２は、マイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープの振動数応答に関する他のグラフを示す線図である。 図３は、本発明の一実施例によるマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープの簡単化したブロック線図である。 図４は、図３のマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープのより詳細なブロック線図である。 図５ａは図３のマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープに関する量を表すグラフを示す線図である。 図５ｂは図３のマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープに関する他の量を表すグラフを示す線図である。 図６は、図３のジャイロスコープの細部の配置を示す線図である。 図７は、図３のジャイロスコープの細部の他の配置を示す線図である。 図８は、本発明によるマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープを採用する電子システムの簡単化したブロック線図である。

符号の説明

１００ マイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ
１０１ 支持体
１０２ 微細構造体
１０３ 駆動装置
１０４ 読み出し装置
１０５ 帰還制御ループ
１０７ 駆動質量体
１０８ 検出質量体
１０９ ステータ
１１０ トランスインピーダンス増幅器
１１１ 帰還段
１２０、１２２ 検出キャパシタンス
１２１ 作動キャパシタンス
１３０ 読み出し信号発生器
１３１ フェーズジェネレータ
１３２ 処理ライン
１３３ 電荷増幅器
１３４ アナログ処理段
１３５ フィルタ
１３６ サンプリング段
１３８ 校正ユニット
１４０ 校正回路網
１４１、１４２ ステータ電極
１４３ 検出電極
２００ システム
２１０ コントローラ
２２０ 入力／出力装置
２４０ ワイヤレスインタフェース
２５０ バス
２６０ メモリ
２８０ バッテリ

Claims (18)

1. マイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープであって、このマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープが、
   固定体（１０９）に対して、第１の軸（Ｘ）に沿って振動しうる第１の質量体（１０７）と、
   この第１の質量体（１０７）によって駆動され、前記マイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ（１００）の回転（Ω）に応答して第２の軸（Ｙ）に沿って振動するように構成された第２の質量体（１０８）を有する慣性センサ（６）と、
   前記第１の質量体（１０７）に結合され、帰還制御ループ（１０５）を形成するとともに、前記第１の質量体（１０７）を共振振動数（ω_R ）で振動状態に維持するように構成した駆動装置（１０３）と、
   前記慣性センサ（６）に結合され、前記第２の軸（Ｙ）に沿う前記第２の質量体（１０８）の変位を検出する開ループ読み出し装置（１０４）であって、前記慣性センサ（６）からの電荷パケット（Ｑ_RS）を受けて、この電荷パケット（Ｑ_RS）を電荷積分信号（Ｓ_QI）に変換する電荷増幅器（１３３）と、この電荷積分信号（Ｓ_QI）を濾波する低域フィルタ（１３５）とを有する当該開ループ読み出し装置（１０４）と
   を具えるマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープにおいて、
   前記第２の質量体（１０８）と前記固定体（１０９）との間のバイアス電圧（Ｖ_B ）を、前記電荷積分信号（Ｓ_QI）における前記共振振動数（ω_R ）の２倍の振動数の成分（２ω_R ）を最小にするように変更する校正段（１３８、１４０）が設けられていることを特徴とするマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ。
2. 請求項１に記載のマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープにおいて、前記校正段（１３８、１４０）は、前記電荷増幅器（１３３）に結合され前記電荷積分信号（Ｓ_QI）を検出する校正ユニット（１３８）と、この校正ユニット（１３８）により制御されるとともに前記第２の質量体（１０８）に結合され校正電圧（Ｖ_OCAL）を生じる校正回路網（１４０）とを具えているマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ。
3. 請求項２に記載のマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープにおいて、前記校正回路網（１４０）は、可変分割比を有する抵抗分割器を具えており、前記電荷増幅器（１３３）は、前記第２の質量体（１０８）に接続された第１の入力端（６ｂ）と、前記校正回路網（１４０）の出力端（１４０ａ）に接続された第２の入力端とを有する演算増幅器（１３３ａ）を具えているマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ。
4. 請求項２又は３に記載のマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープにおいて、前記校正ユニット（１３８）は、前記共振振動数（ω_R ）の２倍の振動数の成分（２ω_R ）を前記電荷積分信号（Ｓ_QI）から抽出するように構成されているマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ。
5. 請求項２〜４のいずれか一項に記載のマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープにおいて、前記校正回路網（１４０）は、可変分割比を有する抵抗分割器を具えているマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープにおいて、前記開ループ読み出し装置（１０４）は、前記慣性センサ（６）の“シングルエンド”型の読み出しを実行するように構成されているマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ。
7. 請求項６に記載のマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープにおいて、このマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープが、第１の読み出し信号（Ｖ_S1）及び第２の読み出し信号（Ｖ_S2）を、前記第２の質量体（１０８）に容量結合された前記慣性センサ（６）のそれぞれの端子（６ａ）に供給する読み出し信号発生器（１３０）を具えており、前記第１及び第２の読み出し信号（Ｖ_S1、Ｖ_S2）は、前記第１の軸（Ｘ）に沿う前記第１の質量体（１０７）の振動に対しそれぞれ同相及び１８０°の移相をもって共振振動数（ω_R ）で正弦波状に変化する振幅を有する方形波の形態となるようにしたマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ。
8. 請求項７に記載のマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープにおいて、前記駆動装置（１０３）は、前記第１の質量体（１０７）が振動する速度を表す検出信号（Ｖ_RD1 、Ｖ_RD2 ）を生じるトランスインピーダンス増幅器（１１０）を具えており、前記読み出し信号発生器（１３０）は、それぞれの検出信号（Ｖ_RD1 、Ｖ_RD2 ）を受ける前記トランスインピーダンス増幅器（１１０）のそれぞれの出力端に接続された入力端を有しているマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ。
9. 請求項７又は８に記載のマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープにおいて、前記読み出し信号発生器（１３０）はサンプラーを有しており、前記第１及び第２の読み出し信号（Ｖ_S1、Ｖ_S2）は、それぞれの検出信号（Ｖ_RD1 、Ｖ_RD2 ）をサンプリングすることにより発生されるようになっているマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ。
10. 請求項９に記載のマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープにおいて、前記読み出し信号発生器（１３０）は、共振振動数（ω_R ）に対して非同期で前記検出電圧信号（Ｖ_RD1 、Ｖ_RD2 ）をサンプリングするようにタイミング調節されているマイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ。
11. 制御ユニット（２１０）を有するシステム（２００）において、このシステムが請求項１〜１０のいずれか一項に記載のジャイロスコープ（１００）を有しているシステム。
12. マイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープを制御する方法において、この方法が、
    第１の軸（Ｘ）に沿って振動しうる第１の質量体（１０７）を設ける工程と、
    この第１の質量体（１０７）によって駆動され、前記マイクロエレクトロメカニカルジャイロスコープ（１００）の回転（Ω）に応答して第２の軸（Ｙ）に沿って振動するように、第２の質量体（１０８）を有する慣性センサ（６）を前記第１の質量体（１０７）に結合する工程と、
    前記第１の質量体（１０７）を共振振動数（ω_R ）で振動状態に維持するように、この第１の質量体（１０７）の運動を帰還制御する工程と、
    前記第２の軸（Ｙ）に沿う前記第２の質量体（１０８）の変位を開ループ検出する検出工程であって、前記慣性センサ（６）により発生される電荷パケット（Ｑ_RS）を電荷積分信号（Ｓ_QI）に変換する処理と、この電荷積分信号（Ｓ_QI）を低域通過濾波する処理（１３５）とを有する当該検出工程と
    を有する方法において、
    この方法が、前記第２の質量体（１０８）と固定体（１０９）との間のバイアス電圧（Ｖ_B ）を、前記電荷積分信号（Ｓ_QI）における前記共振振動数（ω_R ）の２倍の振動数の成分（２ω_R ）を最小にするように変更する変更工程を有していることを特徴とする方法。
13. 請求項１２に記載の方法において、前記変更工程が、前記電荷積分信号（Ｓ_QI）を検出する処理と、この電荷積分信号（Ｓ_QI）と相関性のある校正電圧（Ｖ_OCAL）を前記第２の質量体（１０８）に供給する処理とを有する方法。
14. 請求項１３に記載の方法において、この方法が、前記共振振動数（ω_R ）の２倍の振動数の成分（２ω_R ）を前記電荷積分信号（Ｓ_QI）から抽出する工程を有する方法。
15. 請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の方法において、この方法が、前記慣性センサ（６）の“シングルエンド”型の読み出しを実行する工程を有する方法。
16. 請求項１５に記載の方法において、この方法が、第１の読み出し信号（Ｖ_S1）及び第２の読み出し信号（Ｖ_S2）を、前記第２の質量体（１０８）に容量結合された前記慣性センサ（６）のそれぞれの端子（６ａ）に供給する工程を有し、前記第１及び第２の読み出し信号（Ｖ_S1、Ｖ_S2）は、前記第１の軸（Ｘ）に沿う前記第１の質量体（１０７）の振動に対しそれぞれ同相及び１８０°の移相をもって共振振動数（ω_R ）で正弦波状に変化する振幅を有する方形波の形態とする方法。
17. 請求項１６に記載の方法において、この方法が、前記第１の質量体（１０７）が振動する速度を表す検出信号（Ｖ_RD1 、Ｖ_RD2 ）を生じる工程と、これらの検出信号（Ｖ_RD1 、Ｖ_RD2 ）をサンプリングして前記第１及び第２の読み出し信号（Ｖ_S1、Ｖ_S2）を発生させる工程とを有する方法。
18. 請求項１７に記載の方法において、前記検出電圧信号（Ｖ_RD1 、Ｖ_RD2 ）を共振振動数（ω_R ）に対して非同期でサンプリングする方法。

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