JP5766391B2

JP5766391B2 - 面内及び面外ｍｅｍｓデバイスからの加速及び回転判定システム及び方法

Info

Publication number: JP5766391B2
Application number: JP2009094893A
Authority: JP
Inventors: ロバート・ディー・ホーニング; ライアン・スピーノ
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2008-04-10
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2029-04-09
Also published as: US7984648B2; US20090255336A1; EP2108964A3; JP2009260348A; EP2108964A2; EP2108964B1

Description

本発明は、面内及び面外ＭＥＭＳ（微細電機機械）デバイスからの加速及び回転判定システム及び方法に関する。
なお、本願は、２００８年４月１０日に出願され、"Systems And Methods For Acceleration and Rotational Determination From An In-plane And Out-of-plane MEMS Device"（面内及び面外ＭＥＭＳデバイスからの加速及び回転判定システム及び方法）と題する同時係属中の米国仮特許出願第６１／０４３，９７４号の優先権を主張する。その内容は、ここで引用したことにより、本願にもその全てが含まれるものとする。

従来技術

微細電気機械システム（ＭＥＭＳ）慣性測定ユニットは、３つのジャイロスコープと３つの加速度計とを内蔵し、高度及び加速度の変化を検出する。一般に、３つのジャイロスコープ及び３つの加速度計は、別個の直交軸上に取り付けられ、各々が自身の制御及び読取電子回路の組を有する。尚、３つのジャイロスコープ及び３つの加速度計を正確に実装しなければならないこと、これら６つの別個のユニットからの情報を処理するためには、比較的大量の処理容量が必要となること、並びに３つのジャイロスコープ及び３つの加速度計に給電するために必要な電源を考慮すると、ＭＥＭＳ慣性測定ユニットの組立には固有のコスト(inherent cost)が必要である。多くの用途では、小型化、必要計算量の低減、必要電力の削減、及びＭＥＭＳ慣性ユニットのコスト削減が求められている。これらの制約を考慮すると、ＭＥＭＳ慣性測定ユニットにおける検知デバイスの数を削減することができれば有利であろう。

従来のＭＥＭＳジャイロスコープは、共振慣性質量上に加えられるコリオリ力を測定することによって、角回転を判定するために用いることができる。従来のＭＥＭＳジャイロスコープは、２つのシリコン慣性質量を含み、これらは、１つ以上のシリコン固定具を用いて、ガラス製の基板に機械的に結合され、これから懸垂されている。基板内に多数の陥凹（リセス）をエッチングによって形成することにより、シリコン構造の選択部分を、デバイスの内部において自由に前後に移動させることができる。ある種の設計では、基板をシリコン構造の上下に設けて、慣性質量を２枚の基板の間に挟持することができる。基板上に形成される金属トレースのパターンを用いると、種々のバイアス電圧及び信号出力をデバイスに伝えることができる。

多くのＭＥＭＳジャイロスコープ用駆動システムは、一般に、多数の駆動エレメントを含み、これらによって、慣性質量は、コリオリ力を検知する方向に対して垂直な駆動軸に沿って前後に振動する。ある種の設計では、例えば、駆動エレメントは、多数の互い違いに配置した縦型櫛状フィンガ、即ち、尖叉を含み、静電作動を用いて電気エネルギを機械エネルギに変換するように構成されている。このような駆動エレメントは、例えば、Tang et al.,の"LATERALLY DRIVEN RESONANT MICROSTRUCTURES"（横駆動共振微細構造）と題する米国特許第５，０２５，３４６号、及びJohnson et al.の"MEMS GYROSCOPE WITH HORIZONTALLY ORIENTED DRIVE ELECTRODES"（駆動電極を横方向に向けたＭＥＭＳジャイロスコープ）と題する米国特許第７，０３６，３７３号に記載されている。双方の内容は、ここで引用したことによりその全体が本願にも含まれるものとする。しかしながら、このようなＭＥＭＳデバイスは、オープン・ループ・モードで動作し、加速度及び回転（ジャイロ）応答が互いに結合し、互いに依存し合う。

Michael S. Suttonの"MEMS TUNING FORK GYRO SENSITIVE TO RATE OF ROTATION ABOUT TWO AXES"（２軸を中心とする回転率に感応するＭＥＭＳ同調フォーク・ジャイロ）と題する、２００７年５月１１に出願された米国特許出願第１１／７４７６２９号は、駆動軸に対して直交する２本の異なる軸を中心とする回転を検知するように動作可能なＭＥＭＳデバイスを開示する。その内容は、ここで引用したことによりその全体が本願にも含まれるものとする。Supino et al.の"SYSTEMS AND METHODS FOR ACCELERATION AND ROTATIONAL DETERMINATION FROM AN OUT-OF-PLANE MEMS DEVICE"（面外ＭＥＭＳデバイスから加速度及び回転を判定するシステム及び方法）と題する、２００８年３月２８日に出願した米国特許出願第１２／０５７，６９５号は、線形加速度及び回転を検知するように動作可能なＭＥＭＳデバイスを開示する。その内容は、ここで引用したことによりその全体が本願にも含まれるものとする。

米国特許第５，０２５，３４６号米国特許第７，０３６，３７３号

本発明は、微細電気機械システム（ＭＥＭＳ）慣性センサを用いて、面内線形加速度、面内回転、面外線形加速度、及び面外回転を判定及び／又は検知するシステム及び方法を提供することである。

微細電気機械システム（ＭＥＭＳ）慣性センサを用いて、面内線形加速度、面内回転、面外線形加速度、及び面外回転を判定及び／又は検知するシステム及び方法を開示する。実施形態の一例は、面内軸において位置合わせした第１慣性（プルーフ）質量と第２慣性（プルーフ）質量と、第１慣性質量が間に配置されている第１面外電極対と、第２慣性質量が間に配置されている第２面外電極対と、対向する第１慣性質量の櫛歯フィンガと交互に配置されている複数の櫛歯フィンガを有する第１面内センサ櫛歯と、対向する第２慣性質量の櫛歯フィンガと交互に配置されている複数の櫛歯フィンガを有する第２面内検知櫛歯とを備えている。ＭＥＭＳセンサの面外線形加速度を、第１面外電極対及び第２面外電極対によって検知することができる。ＭＥＭＳセンサの面内回転を、第１面外電極対及び第２面外電極対によって検知することができる。ＭＥＭＳセンサの面内線形加速度を、第１面内検知櫛歯及び第２面内検知櫛歯によって検知することができる。ＭＥＭＳセンサの面外回転を、第１面内検知櫛歯及び第２面内検知櫛歯によって検知することができる。

面内及び面外方向における線形加速度及び回転を検知するように動作可能な慣性センサの概念的斜視図である。慣性センサの実施形態例の上下図である。２つの慣性質量と共に交互に配置されている櫛歯を有する駆動電極を示す、慣性センサの実施形態例の上下図である。慣性センサの実施形態例の側面図である。面内ジャイロ検知を示す概念図である。面外ジャイロ検知を示す概念図である。面外線形加速度検知を示す概念図である。面内線形加速度検知を示す概念図である。慣性センサの実施形態の一部の上下図である。図９のシステムの一部断面図である。２本の別個の軸を中心とする回転率を検知する別のシステム例７０を示す図である。慣性センサの一実施形態の一部の概念側面図である。初期化平衡補正力を加えた慣性センサの一部の一実施形態の概念側面図である。線形加速度を加えた慣性センサ１００の一実施形態の一部の概念側面図である。回転を加えた慣性センサ１００の一実施形態の一部の概念側面図である。慣性センサの一実施形態の一部に印加する電圧及び検知電圧を示す図である。慣性センサの実施形態に対して印加する電圧及び検知電圧を示す図である。慣性センサの実施形態に対して印加する電圧及び検知電圧を示す図である。慣性センサの一実施形態に結合されるディジタル信号処理システムの実施態様例を示すブロック図である。

慣性センサ１００の実施形態は、加速度検知及び回転検知を分離し、回転及び加速度を独立して判定可能にする。図１は、慣性センサ１００の実施形態の一部のブロック図である。慣性センサ１００の例示部分は、線形加速度又は回転のいずれかを検知するように動作可能である。回転を検知する慣性センサ１００の他の部分については、以降で説明する。

慣性センサ１００の図示した部分は、第１慣性質量１０２（ここでは左側慣性質量１０２とも相互交換可能に称することにする）、及び第２慣性質量１０４（ここでは右側慣性質量１０４とも相互交換可能に称することにする）を備えている。左側慣性質量１０２は、第１左上検知（ＵＬＳ）電極１０６と第１左下検知（ＬＬＳ）電極１０８との間にある。左側慣性質量１０２も、第２ＵＬＳ電極１１０と第２ＬＬＳ電極１１２との間にある。右側慣性質量１０４は、右上検知（ＵＲＳ）電極１１４と右下検知（ＬＲＳ）電極１１６との間にある。右側慣性質量１０４も、第２ＵＲＳ電極１１８と第２ＬＲＳ電極１２０との間にある。上下検知電極は、慣性センサ１００の面外運動を検知するように動作可能である。検知電極１０６及び１０８、検知電極１１０及び１１２、検知電極１１４及び１１６、並びに検知電極１８１及び１２０は、それぞれの慣性質量１０２、１０４の面外運動を検知するように動作可能な電極対を形成する。

左側慣性質量１０２は、ＵＬＳ電極１０６、１１０から、ギャップ（Ｇ_ＵＬＳ）だけ分離されている。ギャップ（Ｇ_ＵＬＳ）は、左側慣性質量１０２とＵＬＳ電極１０６、１１０との間の分離局に依存する容量を規定する。同様に、左側慣性質量１０２は、ＬＬＳ電極１０８、１１２からギャップ（Ｇ_ＬＬＳ）だけ分離されている。ギャップ（Ｇ_ＬＬＳ）は、左側慣性質量１０２とＬＬＳ電極１０８、１１２との間の分離距離に依存する容量を規定する。面外線形加速度又は面内回転によって生ずる、ギャップＧ_ＵＬＳ及びＧ_ＬＬＳに付随する容量変化は検出可能である。

右側慣性質量１０４は、ＵＲＳ電極１１４、１１８からギャップ（Ｇ_ＵＲＳ）だけ分離されている。ギャップ（Ｇ_ＵＲＳ）は、右側慣性質量１０４とＵＲＳ電極１１４、１１８との間の分離距離に依存する容量を規定する。同様に、右側慣性質量１０４は、ＬＲＳ電極１１６、１２０からギャップ（Ｇ_ＬＲＳ）だけ分離されている。ギャップ（Ｇ_ＬＲＳ）は、右側慣性質量１０４とＬＲＳ電極１１６、１２０との間の分離距離に依存する容量を規定する。面外線形加速度及び面内回転によって生ずる、ギャップＧ_ＵＲＳ及びＧ_ＬＲＳに付随する容量変化は検出可能である。

慣性質量１０２、１０４は、駆動電極（図１には示されていない）に容量的に結合されている。駆動電極は、交流電流（ＡＣ）が駆動電極に印加されると、「前後」運動を慣性質量１０２、１０４に付与する。駆動電極によって、慣性質量１０２、１０４は、駆動軸（図示するＸ軸）に沿って前後に共振振動する。駆動軸及びＹ軸は、慣性質量１０２、１０４の面内運動を規定する。左側慣性質量１０２の運動の相対的方向は、方向ベクトル１２２ａによって示されているが、共振運動の半サイクルの間、方向ベクトル１２２ｂで示される、右側慣性質量１０４の運動の方向とは逆になる。つまり、慣性質量１０２、１０４は、図１では互いから遠ざかるように示されている。共振運動の次の半サイクルの間、慣性質量１０２、１０４は互いに向かう方向に移動する。慣性質量１０２、１０４は、互いに１８０度位相がずれた対向運動で発振する。尚、慣性センサ１００の実施形態は、種々の構成の駆動電極を有するＭＥＭＳ主体デバイスに実施できることは明らかであろう。

慣性センサ１００は更に、慣性質量１０２に容量的に結合されている少なくとも１つの面内検知電極１２４を含み、慣性質量１０２の面内運動を検知する。少なくとも１つの面内検知電極１２６は、慣性質量１０４に容量的に結合され、慣性質量１０４の面内運動を検知する。面内検知電極１２４、１２６は、ここでは相互交換可能に面内検知櫛歯とも呼ぶが、櫛歯フィンガ１２８の対を含む。櫛歯フィンガ対１２８は、Ｙ軸方向における慣性質量１０２、１０４の運動を検知するように動作可能である。図示する櫛歯フィンガ対１２８では、面内検知電極１２４の櫛歯フィンガと慣性質量１０２の櫛歯フィンガとが互い違いに配置されている。Ｙ軸に沿った運動によって、櫛歯フィンガ間のギャップ（ＧＣＬＳ）に変化が生じ、櫛歯フィンガの容量が検出可能に変化する。同様に、面内センサ電極１２６と慣性質量１０４の互い違いに配置されている櫛歯フィンガ（図示せず）は、ギャップ（ＧＣＲＳ）の変化に対応する、Ｙ軸に沿った運動を検知する。

図２は、慣性センサ１００の実施形態例の上下図であり、最上位にある、面外検知電極対１０６、１０８、検知電極１１０及び１１２、検知電極１１４及び１１６、検知電極１１８及び１２０、並びに検知電極１２４及び１２６を示す。この実施形態例では、４つの面内検知電極１３０、１３２、１３４、及び１３６が示されており、これらは前述の面内検知電極１２４に対応する。面内検知電極１３０、１３２、１３４、及び１３６は、慣性質量１０２の対応する櫛歯フィンガと交互に配置されている櫛歯フィンガを有し、複数の櫛歯フィンガ対１２８を形成する。また、４つの面内検知電極１３８、１４０、１４２、及び１４４が示されており、前述の面内検知電極１２６に対応する。面内検知電極１３８、１４０、１４２、及び１４４は、慣性質量１０４の対応する櫛歯フィンガと交互に配置されている櫛歯フィンガも有し、複数の櫛歯フィンガ対１２８を形成する。

図示の面内検知電極１３０、１３２、１３４、１３６、１３８、１４０、１４２、及び１４４は、概念的に、４対の櫛歯対１２８のみを示す。実際の構造では、面内検知電極１３０、１３２、１３４、１３６、１３８、１４０、１４２、及び１４４は、これらよりも遥かに多い櫛歯フィンガ対１２８を有する。更に、概念的な図示のために、面内検知電極１３０、１３２、１３４、１３６、１３８、１４０、１４２、及び１４４は、比較的大きな電極として示されている。種々の実施形態では、慣性質量１０２に容量的に結合されている、図示した４つの面内検知電極１３０、１３２、１３４、及び１３６、並びに慣性質量１０４に容量的に結合されている４つの面内検知電極１３８、１４０、１４２、及び１４４よりも多い場合も、少ない場合もある。更に、種々の面内検知電極の全ては、製造する際には、図示のものよりも比較的小さくなると考えるとよい。

加えて、慣性センサ１００の実施形態では、簡潔性のために図には示されていない、他の検知電極を有することもある。例えば、慣性質量１０２、１０４に含まれる動力運動(motor motion)を検知するために、ピックオフ(pick-off)検知電極を含めることもできる。

図３は、慣性センサ１００の実施形態例の上下図であり、慣性質量１０２の櫛歯と交互に配置され、これらと容量的に結合されている駆動電極１４６を示す。駆動電極１４６は、前述した誘起運動を慣性質量１０２、１０４に対して誘発する。

図４は、慣性センサ１００の実施形態例の側面図であり、２つの慣性質量１０２、１０４、各々上位電極及び下位電極（検知電極１０６及び１０８、検知電極１１０及び１１２、検知電極１１４及び１１６、並びに検知電極１１８及び１２０）を有する４つの面外電極対、面内検知電極１３０、１３４、１３８、及び１４２を示す。また、慣性質量１０２、１０４の内部にある駆動電極１４６も示す。

図５は、面内旋回検知を示す概念図である。図示の回転（Ｙ軸を中心とする、図１参照）は、慣性質量１０２、１０４における、図面に入る方向及び図面から出る方向（Ｚ軸、図１参照）の運動を誘発する。以下に説明する、複数の面外検知電極対が、図示の慣性センサ１００の回転を検知する。

図６は、面外旋回検知を示す概念図である。図示の回転（Ｚ軸を中心とする、図１参照）が、慣性質量１０２、１０４において運動（Ｙ軸に沿った、図１参照）を誘発する。以下で説明する複数の面外検知電極対が、慣性センサ１００の図示の回転を検知する。

図７は、面外線形加速度検知を示す概念図である。図示の線形加速度（Ｚ軸に沿った線形加速度、図１参照）が、慣性質量１０２、１０４において、反対方向（Ｚ軸に沿った、図１参照）の運動を誘発する。以下で説明する１つ以上の面内検知電極対が、慣性センサ１００の図示の回転を検知する。

図８は、面内線形加速度検知を示す概念図である。図示の線形加速（Ｙ軸に沿った線形加速度、図１参照）が、慣性質量１０２、１０４において運動を誘発する。この運動の強度は、慣性センサ１００の運動（これもＹ軸に沿った運動、図１参照）よりも小さく、逆方向になっている。以下で説明する１つ以上の面内検知電極対が、慣性センサ１００の図示の加速度を検知する。

図９及び図１０は、２本の直交する軸を中心とする回転率を測定する慣性センサ１００の代替実施形態の一部の例を示す。この慣性センサ１００の実施形態の部分は、２つの同調フォーク慣性質量２４、２６、動力電荷増幅器(motor charge amplifier)４４、検知電荷増幅器５０、演算デバイス５４、及び出力デバイス５６を含む。慣性質量２４、２６は、基板上に配置されている。基板は、面外コリオリ検知電極４０及び４２を含み、これらは面外慣性質量の運動に感応する。また、センサ２０は、面内慣性質量の運動に感応する複数の交互配置櫛歯フィンガを備えている２つの面内コリオリ検知電極６３も含む。動力駆動素子６０が、櫛歯６２を駆動するように電気的に接続されている。動力電荷増幅器４４は、複数の検知櫛歯６４に電気的に接続されている。

慣性質量２４、２６をＸ軸方向に共振して発振するように駆動する。慣性質量２４、２６は、動力駆動素子６０によって、位相はずれで発振するように駆動される。慣性質量２４、２６の対向する側面上にあるフィンガ（尖叉）は、駆動検知櫛歯６４のフィンガと交互に配置されている。動力電荷増幅器４４は、動力信号を演算デバイス５４に出力し、演算デバイス５４は動力駆動信号を発生して、動力駆動素子６０を介して動力駆動櫛歯６２に送って、慣性質量２４、２６が機械的な共振周波数で駆動されていることを確保する。

面内コリオリ検知電極６３は、Ｚ軸（誘発運動に対して垂直な方向）を中心とする運動によって誘発されるＹ軸方向における慣性質量２４、２６の面内運動に対する容量変化の検出を可能とするために、慣性質量２６の動力駆動及び駆動検知櫛歯６２、６４とは非同期となっている。

第１実施形態では、慣性質量２４、２６の双方が、電圧信号を演算デバイス５４に出力するために、電荷増幅器５０に電気的に接続されている。出力された電圧信号は、演算デバイス５４が受け取る。面内コリオリ電極６３に印加される電圧信号は、第１周波数で変調され、面外コリオリ電極４０及び４２に印加される電圧は、第１周波数とは異なる第２周波数で変調される。演算デバイス５４は、変調周波数の双方を復調する復調器を含む。変調周波数は、センサ２０の機械的共振から大きく離されている。演算デバイス５４が第１周波数に基づいて受信信号を復調した後、演算デバイス５４は復調信号を分析して、回転率(rate of rotation)がＺ軸を中心に発生したか否か判断する。次に、演算デバイス５４は、第２変調周波数で受信した信号を復調し、Ｙ軸を中心とする回転率を判定する。判定した回転率値を、出力デバイス５６を通じて出力する。

図１１は、２本の別個の軸を中心とする回転率を検知する別の一例のシステム７０を示す。システム７０は、図９と同じ動力駆動素子６０、慣性質量２４、２６、電極４０ａ、４２ａ、及び櫛歯６２、６４を含む。システム７０は、電極４０ａ、４２ａ及び面内検知櫛歯６３からの信号を受け取る演算デバイス５４を含む。この例では、慣性質量２４、２６を、接地のような、既定電圧にバイアスしている。一実施形態では、別個の演算デバイス５４は、回転軸毎に回転率値を判定する２つの別個のデバイスとなる。出力デバイス５６を介して、判定した回転率値を出力する。

図１２は、慣性センサ１００の一実施形態の一部の概念側面図である。ここでは、慣性質量１０２、１０４は、互いにＸ軸に沿って一直線状に示されている。固定具３０２が、左側慣性質量１０２を、ギャップＧ_ＵＬＳ及びＧ_ＬＬＳ間に支持する。固定具３０４が、右側慣性質量１０４を、ギャップＧ_ＵＲＳ及びＧ_ＬＲＳ間に支持する。固定具３０２及び３０４は、アンカー３０６に取り付けられている。この実施形態例では、アンカー３０６を下位基板３０８に取り付けているが、アンカー３０６は上位基板３１０に取り付けてもよく、あるいは代替実施形態では、双方の基板３０８、３１０に取り付けてもよい。固定具３０２、３０４は、ばね状特性を有する可撓性部材であり、慣性質量１０２、１０４を駆動電極（図示せず）によって駆動すると、慣性質量１０２、１０４が共振するようになっている。

別の実施形態では、アンカー３０６を上位基板３１０に取り付けてもよい。実施形態の中には、複数の固定具を用いて、慣性質量１０２、１０４をＭＥＭＳデバイス内にある種々の締結点に結合するとよい場合もある。実施形態によっては、固定具３０２、３０４を異なるアンカーに接続してもよい。

この慣性センサ１００の実施形態例では、慣性質量１０２、１０４は、ギャップＧ_ＵＬＳ及びＧ_ＬＬＳ、並びにギャップＧ_ＵＲＳ及びＧ_ＬＲＳが互いに等しくなるように懸垂されている。したがって、慣性質量１０２、１０４及び図示する面外電極に付随する上位及び下位容量は、実質的に等しくなる（互いに対して）。例えば、面外電極２０６、２１４、２２８、及び２３６の表面積及びその他の特性が実質的に同一であると仮定すると、電極２０６と左側慣性質量１０２との間の容量、電極２１４と左側慣性質量１０２との間の容量、電極２２８と右側慣性質量１０４との間の容量、並びに電極２３６と右側慣性質量１０４との間の容量は、実質的に同一となる。代替実施形態では、これらの容量は互いに異なっていてもよい。

図示のＺ軸に沿った方向における線形加速度によって、慣性質量１０２、１０４が一緒に同じ方向に、そして実質的に同じ率及び／又は距離だけ移動する。この移動を、ここでは「共通モード」における移動と呼ぶ。慣性質量１０２、１０４の共通モード移動は、ギャップＧ_ＵＬＳ及びＧ_ＵＲＳ間における面外電極対の電極−慣性質量間の容量に、実質的に同じ変化をもたらし、更にギャップＧ_ＬＬＳ及びＧ_ＬＲＳ間における面外電極対の電極−慣性質量間の容量に、実質的に同じ変化をもたらす。即ち、上位及び下位ギャップ（Ｇ_ＵＲＳ、Ｇ_ＬＲＳ、Ｇ_ＵＬＳ、及びＧ_ＵＲＳ）が同一である（即ち、平衡している）と仮定すると、ギャップＧ_ＵＬＳ及びＧ_ＵＲＳ間における面外電極対の容量変化の大きさ、並びにギャップＧ_ＬＬＳ及びＧ_ＬＲＳ間における面外電極対の容量変化の大きさは、実質的に同一となる。ギャップＧ_ＵＬＳ、Ｇ_ＬＬＳ、Ｇ_ＵＲＳ、及びＧ_ＬＲＳの平衡が取れていないと、上位容量は実質的に同じ量だけ変動し、下位容量も実質的に同じ量だけ変動する。何故なら、これらの容量変化を生ずることになる、慣性質量１０２、１０４を移動させる力は、ほぼ等しいからである。線形加速度は、検知した共通モード容量変化から判定することができる。

更に、図示のＹ軸を中心とする方向の回転によって、慣性質量１０２、１０４は逆方向に、実質的に同じ率及び／又は距離だけｚ方向に移動する。この移動を、ここでは、「差動モード」における移動と呼ぶ。慣性質量１０２、１０４の差動モード移動は、コリオリ力によって生ずる。この慣性質量１０２、１０４の差動モード移動（逆方向の移動）によって、実質的に同じ大きさの変化がギャップＧ_ＵＬＳ及びＧ_ＬＲＳ間における電極対の電極−慣性質量間容量に生じ、実質的に同じ大きさの変化がギャップＧ_ＬＬＳ及びＧ_ＵＲＳ間における電極対の電極−慣性質量間容量に生ずる。回転は、検知した差動モード容量変化から判定することができる。

先に注記したように、この慣性センサ１００の実施形態は、加速度検知及び回転検知の間で分離を行い、回転及び加速度を独立して検知し判定するようにしている。好適な実施形態では、コリオリ力から９０度位相がずれた直交力(quadrature force)も、加速度及びコリオリ力から切断する。したがって、線形加速度、コリオリ、及び／又は直交力の平衡を調整する(rebalance)力は、電極対に別個に加えられ、慣性質量１０２、１０４の位置を固定位置に維持して、ギャップＧ_ＵＬＳ、Ｇ_ＬＬＳ、Ｇ_ＵＲＳ、及びＧ_ＬＲＳ間におけるそれぞれの電極対に付随する容量が実質的に一致するようにする。つまり、慣性質量１０２、１０４の位置間に不平衡が生じた場合（ギャップＧ_ＵＬＳ、Ｇ_ＬＬＳ、Ｇ_ＵＲＳ、及びＧ_ＬＲＳ間における電極対の電極−慣性質量間容量の変化から検出可能）、平衡調整力は、慣性質量１０２、１０４が中心となるように動作する。

コリオリ平衡調整力は、選択した面外電極対によって、慣性質量１０２に加えられる。また、コリオリ平衡調整力は、別の面外選択電極対によって、慣性質量１０４にも加えられる。加えられるコリオリ平衡調整力は、慣性センサ１００の回転中、慣性質量１０２、１０４を中心に位置付ける。必要なコリオリ平衡調整力の大きさは、回転量に対応する。同様に、加えられる線形加速度平衡調整力は、慣性センサ１００の線形加速中、慣性質量１０２、１０４を中心に位置付ける。必要な線形加速度平衡調整力の大きさは、線形加速度の量に対応する。線形加速度平衡調整力は、選択した電極対に印加される直流（ＤＣ）電圧によって提供されるので、線形加速度平衡調整力を、コリオリ平衡調整力から微分することができる。即ち、線形加速度（Ｚ軸に時間可変加速力を誘発する）は、回転（慣性質量１０２、１０４の駆動周波数において変調される力を誘発する）とは異なるので、線形加速度平衡調整力及びコリオリ平衡調整力は、別個に判定することができる。

図１３は、ベクトル４０２として示す、初期化平衡調整力４０２が供給された慣性センサ１００の一実施形態の一部の概念側面図である。選択した面外電極を動作させると、初期化平衡調整力をそのそれぞれの慣性質量１０２、１０４に加えることができる。これに応じて、ギャップＧ_ＵＬＳ、Ｇ_ＬＬＳ、Ｇ_ＵＲＳ、及びＧ_ＬＲＳが互いに等しくなるように設定するか、又は所望の値に設定することができる。

例えば、図１３に概念的に示すように、慣性センサ１００の製作中に、左側慣性質量１０２を、面外電極間におけるその所望の理想的位置４０４（ここでは、相互交換可能に既定位置４０４とも称する）にしなくてもよい。ここでは、左側慣性質量１０２は、ギャップＧ_ＵＬＳ及びＧ_ＬＬＳは実質的に等しくないように、理想的ではない位置４０６に示している。慣性質量１０２の非理想的位置４０６は、製作の観点では容認できるが、設計及び／又は製作許容度の結果、理想的位置４０４から非常に異なり、線形加速度及び／又は回転移動の検出において精度低下を招く虞れがある。ベクトル４０２として示す初期化平衡調整力を１つ以上の選択した面外電極に供給すると、左側慣性質量１０２をその所望の理想的位置４０４又はその至近に位置付けし直すことができる。初期化平衡調整力は、慣性質量をその理想的位置に位置付けるために必要な初期化平衡調整量に応じて、等しくしても、又は一意としてもよい。好ましくは、選択した面外電極に印加するＤＣバイアスから、初期化平衡調整力を得る。初期化平衡調整力は、製作後のベンチ・テストによる等、慣性センサ１００の使用に先だって決定すればよい。

図１４は、加速度ベクトル５０２（負のＺ軸方向の移動に対応する）で示す線形加速度が加えられた、慣性センサ１００の一実施形態の一部の概念的側面図である。慣性力（ベクトル５０４として示す）が慣性質量１０２、１０４に加えられる。これに応じて、慣性質量１０２、１０４が、加速期間中に上位基板３１０に向かって移動する。固定具３０２、３０４は、加速が停止したときに慣性質量１０２、１０４をそれらの初期位置（図１２参照）に戻すように動作する。

前述の慣性質量１０２、１０４の共通モード移動は、ギャップＧ_ＵＬＳ及びＧ_ＬＬＳを跨ぐ電極対、並びにギャップＧ_ＵＲＳ及びＧ_ＬＲＳを跨ぐ電極対の電極−慣性質量間容量に実質的に同じ変化を発生させる。即ち、ギャップＧ_ＵＬＳ及びＧ_ＵＲＳを跨ぐ電極対の電極−慣性質量間の容量変化の大きさ、並びにギャップＧ_ＬＬＳ及びＧ_ＬＲＳを跨ぐ電極対の電極−慣性質量間の容量変化の大きさは、実質的に同じである。慣性質量１０２、１０４の移動に応答して、線形加速度平衡調整力を、選択した電極対を通じて加えて、慣性質量１０２、１０４をその元の位置又は既定の位置に位置付けし直すことができる。線形加速度は、加えた線形加速度平衡調整力の量、及び／又は検知した共通モード容量変化から判定することができる。

図１５は、回転ベクトル６０２（Ｙ軸を中心とする回転移動に対応する）で示す回転が加えられた、慣性センサ１００の一部の一実施形態の概念的側面図である。慣性質量１０２、１０４が外側に移動すると（ベクトル１１４、１１６参照）、ベクトル６０４及び６０６として示す慣性力が、それぞれ、慣性質量１０２、１０４に加えられる。これに応じて、回転期間中、慣性質量１０２が上位基板３１０に向かって移動し、動力駆動サイクルのこの一部分(potion)の間、回転期間中に慣性質量１０４が下位基板３０８に向かって移動する。慣性質量１０２、１０４が内側に移動しているときの動力駆動サイクルの次の部分の間に、前述した慣性質量１０２、１０４に加えられる慣性力が逆転する（方向が変化する）。固定具３０２、３０４は、回転が停止したときに、慣性質量１０２、１０４をそれらの初期位置（図３参照）に戻すように動作する。

前述の慣性質量１０２、１０４の差動モード移動により、ギャップＧ_ＵＬＳ、Ｇ_ＬＬＳ、Ｇ_ＵＲＳ、及びＧ_ＬＲＳを跨ぐ電極対の電極−慣性質量間の容量に、検出可能な変化が生ずる。ギャップＧ_ＵＬＳ及びＧ_ＬＲＳを跨ぐ電極対の電極対−慣性質量間の容量の変化の大きさと、ギャップＧ_ＬＬＳ及びＧ_ＵＲＳを跨ぐ電極対の電極−慣性質量間の容量の変化の大きさとは実質的に等しい（ギャップＧ_ＵＲＳ、Ｇ_ＬＲＳ、Ｇ_ＵＬＳ、及びＧ_ＵＲＳの初期平衡を仮定する）。慣性質量１０２、１０４の移動に応答して、コリオリ平衡調整力が、選択した電極対を通じて加えられ、慣性質量１０２、１０４をそれらの元の位置又は既定の位置に戻す。回転は、加えられたコリオリ平衡調整力及び／又は検知した差動モード容量変化から判定することができる。

図１６は、図１に示した慣性センサ１００の一実施形態の一部について、印加電圧及び検知電圧を示す。電極対１０６及び１０８によって印加される電圧Ｖ_ＵＬＳ、Ｖ_ＬＬＳ、及び電極対１１０及び１１２によって印加される電圧Ｖ_ＵＲＳ、及びＶ_ＬＲＳは、部分的に、線形加速度平衡調整力に対応する。

印加電圧は、３つの機能、即ち、線形加速度平衡調整、回転検知バイアス、及び加速度検知ピック・オフに供する３つの成分を有する。左上印加プレート電圧（Ｖ_ＵＬＳ）は、以下の式（１）で定義することができる。
Ｖ_ＵＬＳ＝−Ｖ_ＳＢ−Ｖ_Ａ＋Ｖ_ｐｓｉｎ（ω_ｐｔ）（１）
ここで、Ｖ_ＳＢは、回転検知のための検知バイアス（ＤＣバイアス電圧）の印加電圧である。Ｖ_Ａは、加えられる線形加速度平衡調整力の電圧である。Ｖ_ｐは、加速度検知のためのＶＣピック・オフ印加電圧である。そして、ω_ｐは、印加したＡＣピック・オフ電圧Ｖｐの周波数である。慣性質量１０２、１０４の位置不平衡によって、電流ｉ_ＳＰＯが生ずる。

左下検知印加プレート電圧（Ｖ_ＬＬＳ）、右上検知印加プレート電圧（Ｖ_ＵＲＳ）、及び右下検知印加プレート電圧（Ｖ_ＬＲＳ）は、それぞれ、以下の式（２）、（３）、及び（４）によって定義することができる。
Ｖ_ＬＬＳ＝Ｖ_ＳＢ−Ｖ_Ａ＋Ｖ_ｐｓｉｎ（ω_ｐｔ）（２）
Ｖ_ＵＲＳ＝Ｖ_ＳＢ＋Ｖ_Ａ＋Ｖ_ｐｓｉｎ（ω_ｐｔ）（３）
Ｖ_ＬＲＳ＝Ｖ_ＳＢ＋Ｖ_Ａ−Ｖ_ｐｓｉｎ（ω_ｐｔ）（４）

増幅システム７０２は、慣性質量１０２、１０４からの電圧及び／又は電流を検出するように通信接続されている。増幅システム７０２の出力は、検知したピック・オフ電圧Ｖ_ＳＰＯに対応する。Ｖ_ＳＰＯは、以下の式（５）によって定義することができる。
Ｖ_ＳＰＯ＝［Ｖ_Ω・ｃｏｓ（ω_ｍｔ）＋［Ｖ_Ｑ・ｓｉｎ（ω_ｍｔ）］＋［Ｖ_ＣＭ・ｓｉｎ（ω_ｍｔ）］（５）
ここで、ＶΩは、回転運動に比例するＶ_ＳＰＯの部分であり、Ｖ_ＱはＶ_Ωの直角成分であり、Ｖ_ＣＭは共通モード運動（線形加速度によって生ずる）に比例するＶ_ＳＰＯの部分であり、ω_ｍは印加した動力周波数(motor frequency)である。

図１７は、慣性センサ１００の一実施形態の一部にについて、印加電圧及び検知電圧を示す。線形加速度平衡調整力に対応する、前述の印加電圧Ｖ_ＵＬＳ、Ｖ_ＬＬＳ、Ｖ_ＵＲＳ、及びＶ_ＬＲＳが含まれる。これらは、電極対２０８、２１６によって慣性質量１０２に、そして電極対２２６、２３４によって慣性質量１０４に印加される。他の実施形態では、異なる電極を選択して用い、線形加速度平衡調整力を供給することもできる。実施形態によっては、電極２０８、２１６、２２６、及び２３４は、慣性質量１０２、１０４の共通モード移動及び／又は差動モード移動を検知するために用いる電流（又は電圧）を注入するために用いることができる。

電極対２１０、２１８は、コリオリ平衡調整力を慣性質量１０２に供給する。同様に、電極対２２４、２３２は、コリオリ平衡調整力を慣性質量１０４に供給する。好ましくは、慣性質量１０２に供給するコリオリ平衡調整力は、慣性質量１０４に供給するコリオリ平衡調整力に対して、方向が逆で大きさを等しくする。他の実施形態では、異なる電極を選択して用いて、コリオリ平衡調整力を供給することもできる。

Ｖ_ＣＵＬに対応するコリオリ平衡調整力は、電極２１０によって供給され、以下の式（６）によって定義することができる。
Ｖ_ＣＵＬ＝Ｖ_ＣＯＲｓｉｎ（ω_ｍｔ／２）（６）
ここで、Ｖ_ＣＯＲは、コリオリ電圧であり、ω_ｍｔ／２は、慣性質量１０２、１０４の動力周波数の周波数の半分である。

Ｖ_ＣＬＬに対応するコリオリ平衡調整力は、電極２１８によって供給され、Ｖ_ＣＵＲに対応するコリオリ平衡調整力は、電極２２４によって供給され、Ｖ_ＣＬＲに対応するコリオリ平衡調整力は、電極２３２によって供給され、それぞれ、以下の式（７）、（８）、及び（９）によって定義することができる。
Ｖ_ＣＬＬ＝Ｖ_ＣＯＲｃｏｓ（ω_ｍｔ／２）（７）
Ｖ_ＣＵＲ＝Ｖ_ＣＯＲｃｏｓ（ω_ｍｔ／２）（８）
Ｖ_ＣＬＲ＝Ｖ_ＣＯＲｓｉｎ（ω_ｍｔ／２）（９）

実施形態によっては、任意の電極２０６、２１４、２２８、及び２３６を通じて任意の直交平衡調整力を供給することもできる。直交平衡調整力は、慣性質量１０２、１０４の誘導動力運動(motor motion)に比例する。図１２から図１７に示す実施形態例では、４つの電極が示されており（慣性質量１０２、１０４の各端部に１つずつ）、直交平衡調整力の供給に用いられる。代替実施形態では、慣性質量１０２、１０４の各々に１つの電極対を用いて、直交平衡調整力を供給することもできる。１対の直交平衡調整電極は、その慣性質量１０２、１０４に対して適した位置であればどこに配置してもよい。代替実施形態では、直交平衡調整電極は任意であり、あるいは用いられない。

図１８は、慣性センサ１００の代替実施形態について、印加電圧及び検知電圧を示す。電極２０８、２１６、２２６、及び２３４は、それぞれ、ピック・オフ増幅システム９０２、９０４、９０６、及び９０８に接続されており、それらのそれぞれの電極における電圧を検知、即ち、ピック・オフする。この実施形態では、慣性質量１０２、１０４に注入され、望ましくない規制力を加えることになる虞れがある規制信号の補償が可能となる。即ち、回転力と線形加速力との間にある規制結合効果を緩和することができる。何故なら、規制項の周波数の方が高いからである（ω_ｐ＋ω_ｍ／２）。

増幅システム９０２は、信号Ｖ_ＵＬＳＰを出力する。増幅器９０４、９０６、及び９０８は、それぞれ、信号Ｖ_ＬＬＳＰ、Ｖ_ＵＲＳＰ、及びＶ_ＬＲＳＰを出力する。回転出力Ｖ_ＲＡＴＥは、以下の式（１０）にしたがって、増幅システム９０２、９０４、９０６、及び９０８の出力から導出することができる。
Ｖ_ＲＡＴＥ＝Ｖ_ＵＬＳＰ＋Ｖ_ＬＲＳＰ−Ｖ_ＬＬＳＰ−Ｖ_ＵＲＳＰ（１０）

図１９は、慣性センサ１００の一実施形態の一部に結合する処理システム１００２の実施態様例を示すブロック図である。一実施形態例では、処理システムは、ディジタル信号処理（ＤＳＰ）電子システムである。処理システム１００２は、アナログ・システム、ディジタル・システム、又はその組み合わせとして実施することができ、更に、個々の用途に応じて、ソフトウェア、ハードウェア、又はハードウェア及びソフトウェアの組み合わせとして実現することもできる。

増幅システム７０２は、検知したピック・オフ電圧Ｖ_ＳＰＯを処理システム１００２に供給する。復調器１００４、１００６及び１００８が、Ｖ_ＳＰＯのＡＣ部分を削除することによって、Ｖ_ＳＰＯを復調する。復調器１００４に印加する９０度クロック、及び復調器１００６に印加する０度クロックは、異なる位相（それぞれ、９０度及び０度）における多重化(multiplied)動力信号に対応する。

ロー・パス・フィルタ１０１０は、復調器１００４の出力を処理して、コリオリ出力信号を比例−積分−微分（ＰＩＤ）コントローラ１０１２に出力する。ロー・パス・フィルタ１０１４及びＰＩＤコントローラ１０１６は、復調器１００４の出力を処理し、直交出力信号を出力する。ロー・パス・フィルタ１０１８及びＰＩＤコントローラ１０２０は、復調器１００８の出力を処理し、容量の共通モード不平衡に対応する加速度出力信号を出力する。出力信号は、前述の線形加速度平衡調整力に対応する出力Ｖ_ＵＬＳ、Ｖ_ＬＬＳ、Ｖ_ＵＲＳ、及びＶ_ＬＲＳを発生するために用いられ、前述のコリオリ平衡調整力に対応する出力Ｖ_ＣＵＬ、Ｖ_ＣＬＬ、Ｖ_ＣＵＲ、及びＶ_ＣＬＲを発生するために用いられる。

慣性センサ１００の実施形態は、線形加速度及び回転を検知し判定するように動作可能であり、慣性測定ユニットに組み込むことができる。１つの慣性センサ１００は２軸の線形加速度及び２軸の回転を検知するので、２つの慣性センサ１００を適正に方位付ければ、従来の慣性測定ユニットにおいて用いられている３つのジャイロスコープ及び３つの加速度の代わりに、１つの慣性測定ユニットを構成するために用いることができる。したがって、用いるコンポーネントが少なくて済むので、コスト削減及び／又は小型化が可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について図示し説明したが、先に注記したように、本発明の主旨や範囲から逸脱することなく、多くの変更を行うことができる。しがって、本発明の範囲は、好適な実施形態の開示によって限定されるのではない。むしろ、以下に続く特許請求の範囲を参照することによって本発明を全体的に判断するものとする。

１００微細電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサ
１０２第１慣性質量
１０４第２慣性質量
１０６、１０８第１面外電極対
１１４、１１６第２面外電極対
１２８櫛歯フィンガ
１２４第１面内センサ櫛歯
１２６第２面内検知櫛歯

Claims

微細電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサ（１００）の線形加速度及び回転を検知する方法であって、前記ＭＥＭＳセンサは、面内軸において位置合わせした第１慣性質量（１０２）と第２慣性質量（１０４）と、前記第１慣性質量が間に配置されている第１面外電極対（１０６、１０８）と、前記第２慣性質量が間に配置されている第２面外電極対（１１４、１１６）と、対向する第１慣性質量の櫛歯フィンガと交互に配置されている複数の櫛歯フィンガ（１２８）を有する第１面内センサ櫛歯（１２４）と、前記対向する第２慣性質量の櫛歯フィンガと交互に配置されている複数の櫛歯フィンガ（１２８）を有する第２面内検知櫛歯（１２６）とを備えており、前記方法は、
前記第１慣性質量、及び、前記第２慣性質量の、前記ＭＥＭＳセンサの面外線形加速度とは反対の方向の運動に基づいて、前記ＭＥＭＳセンサの面外線形加速度を、前記第１面外電極対及び前記第２面外電極対によって検知するステップと、
前記第１慣性質量、及び、前記第２慣性質量の、互い相反する方向の運動に基づいて、前記ＭＥＭＳセンサの面内回転を、前記第１面外電極対及び前記第２面外電極対によって検知するステップと、
前記第１慣性質量、及び、前記第２慣性質量の、前記ＭＥＭＳセンサの面内線形加速度の方向とは反対の方向の運動に基づいて、前記ＭＥＭＳセンサの面内線形加速度を、前記第１面内検知櫛歯及び前記第２面内検知櫛歯によって検知するステップと、
前記第１慣性質量、及び、前記第２慣性質量の、互いに相反する方向の運動に基づいて、前記ＭＥＭＳセンサの面外回転を、前記第１面内検知櫛歯及び前記第２面内検知櫛歯によって検知するステップと
を備えていることを特徴とする方法。
請求項１記載の方法において、該方法は更に、
前記第１及び第２慣性質量の共通モード移動から、前記面外線形加速度及び前記面内線形加速度を検知するステップと、
前記第１及び第２慣性質量の差動モード移動から、前記面外回転及び前記面内回転を検知するステップと
を備えていることを特徴とする方法。
請求項１記載の方法において、前記ＭＥＭＳセンサの面外線形加速度を、前記第１面外電極対及び前記第２電極対によって検知するステップは、
前記第１慣性質量の面外線形加速度を、前記第１面外電極対によって検知するステップと、
前記第２慣性質量の面外線形加速度を、前記第２面外電極対によって検知するステップと
を備えていることを特徴とする方法。