JP5836947B2 - 微細加工された慣性センサのオフセット検出および補償 - Google Patents

微細加工された慣性センサのオフセット検出および補償 Download PDF

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Description

（関連出願の引用）
本願は、共有に係る米国特許出願第１２／４６９，８９９号（２００９年５月２１日出願、名称「Ｍｏｄｅ−Ｍａｔｃｈｉｎｇ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ Ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｓｅｎｓｏｒｓ」、代理人事件番号第２５５０／Ｃ２１）に関連する。該出願は、その全体が参照により本明細書に引用される。
（技術分野）
本発明は、微細加工された慣性センサに関し、より具体的には、微細加工された慣性センサのオフセット誤差の検出および／または低減に関する。
微細加工された（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープは、有用な市販品として確立されてきた。概して、ＭＥＭＳジャイロスコープは、２つの高性能ＭＥＭＳデバイスを組み込んでおり、具体的には、自己同調型共振器を駆動軸に組み込み、超小型加速度センサを感知軸に組み込んでいる。ジャイロスコープの性能は、とりわけ、製造ばらつき、パッケージングの際の誤差、駆動、直線加速、温度等に対して非常に敏感である。角速度感知ジャイロスコープの動作の基本原理は、十分に理解されており、従来技術に記載されている（例えば、非特許文献１、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ。ａｎａｌｏｇ．ｃｏｍ／ｌｉｂｒａｒｙ／ａｎａｌｏｇＤｉａｌｏｇｕｅ／ａｒｃｈｉｖｅｓ／３７−０３／ｇｙｒｏ．ｈｔｍｌで入手可能であり、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）。
離散質量を伴う振動感知型角速度ジャイロスコープの原理には長い歴史がある（例えば、Ｌｙｍａｎの特許文献１およびＬｙｍａｎの特許文献２を参照されたい。それぞれ、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）。概して、振動速度ジャイロスコープは、試験質量（本明細書では、「シャトル」または「共振器」とも称される）を振動させることによって機能する。振動は、共振周波数でばね−質量−ダンパー系に印加される周期的な力によって発生する。共振での動作は、印加された力に対する振動振幅を大きくすることを可能にする。ジャイロスコープが回転すると、振動試験質量には、被駆動振動および回転の両方に直角な方向にコリオリ加速度が発生する。コリオリ加速度の大きさは、振動試験質量の速度および回転速度に比例する。結果として生じるコリオリ加速度は、試験質量の偏向を感知することによって測定することができる。そのような試験質量の偏向を感知するために使用される電気的および機械的構造は、概して、加速度計と称される。
多くのＭＥＭＳジャイロスコープは、Ｔａｎｇの特許文献３に概して記載される種類の平衡化コーム駆動を用いている。その基板に直角なコリオリ感知を伴う半導体基板の上側の微細加工された層の使用は、概して、Ｚａｂｌｅｒの特許文献４に記載されており、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。例示的なＭＥＭＳジャイロスコープは、Ｂｅｒｎｓｔｅｉｎの特許文献５、Ｄｕｎｎの特許文献６、Ｇｅｅｎの特許文献７、Ｇｅｅｎの特許文献８、Ｚｅｒｂｉｎｉの特許文献９、およびＧｅｅｎの特許文献１０に記載されており、それぞれ、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。後者の４つの特許は、回転可能に振動させられる質量を用いる。
ＭＥＭＳジャイロスコープの製造における１つの問題は、それらが依存するコリオリ信号が比較的に小さいことである。振動ジャイロスコープの信号サイズを、コリオリ加速度計を共振状態で動作させることによって、すなわち、加速度計の周波数を振動シャトルの周波数に一致させることによって拡大できることは、古くから認識されていた（例えば、Ｌｊｕｎｇの特許文献１１、またはＯ’Ｂｒｉｅｎの特許文献１２、またはＣｌａｒｋの特許文献１３、それぞれ、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）。概して、この信号サイズの増加は、関連する電子要件を緩和し、それによってコストを低減する。しかしながら、概して、共振増幅が大きくなるにつれて、小さい周波数摂動に対する加速度計の位相シフトがより敏感になる。そのような位相シフトは特にジャイロスコープの性能に悪影響を及ぼすので、実際には、周波数を十分に分離するか、または加速度計の周波数をシャトルの周波数に緊密にサーボすることが概して必要である。差動容量型加速度計の周波数を制御するための機構は、好都合に、印加されるコモンモード電圧を変化させることによって利用することができる。
振動速度ジャイロスコープでは、種々の機械的構造ならびに駆動および感知に使用される電子部品における不完全性等の数多くの因子が、加速度計の振動を引き起こす可能性があり、これは、コリオリ加速度および回転速度と混同される可能性がある。そのような誤差源は、しばしば、集合的にジャイロスコープオフセットと称される。ジャイロスコープオフセット誤差には、２つの主な種別、すなわち、直交誤差（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ｅｒｒｏｒｓ）および同相誤差（ｉｎ−ｐｈａｓｅ ｅｒｒｏｒｓ）がある。
直交誤差の存在下で、加速度計は、共振器の変位にほぼ比例し、かつコリオリ加速度信号に対して約９０度である力を受ける。直交誤差の例は、振動運動が加速度計に対して完全に直角でない時に生じる。
同相誤差の存在下で、加速度計は、共振器の速度にほぼ比例し（共振状態では、振動駆動力にも比例する）、かつコリオリ加速度信号と実質的に同相または同期である力を受ける。同相誤差には、２つの主な種別、すなわち、共振器の実際の運動に関連する同相誤差、および共振器の実際の運動以外の起源を有する同相誤差がある。前者の例は、共振器への空気力学的な影響を含む。後者の例は、振動駆動力が加速度計に対して完全に直角でないような共振器駆動機構の不整列によって引き起こされる同相誤差、および駆動系から加速度計の感知電子部品への電気的フィードスルーによって引き起こされる同相誤差を含む。
ジャイロスコープのオフセット誤差は、デバイスの設計、製造、およびパッケージングを通してある程度低減することができるが、これらの手法には、特に、ジャイロスコープのオフセットが、例えば温度または応力の変化のため、経時的に変動する可能性がある場合には、実用限界がある。
米国特許第２，３０９，８５３号明細書 米国特許第２，５１３，３４０号明細書 米国特許第５，０２５，３４６号明細書 米国特許第５，２７５，０４７号明細書 米国特許第５，３４９，８５５号明細書 米国特許第５，３５９，８９３号明細書 米国特許第５，６３５，６４０号明細書 米国特許第５，８６９，７６０号明細書 米国特許第６，３７０，９５４号明細書 米国特許第６，８３７，１０７号明細書 米国特許第４，８８４，４４６号明細書 米国特許第５，３９２，６５０号明細書 米国特許第５，９９２，２３３号明細書
Ｇｅｅｎ，他，Ｎｅｗ ｉＭＥＭＳ Ａｎｇｕｌａｒ−Ｒａｔｅ−Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ，Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｉｎｃ．，Ａｎａｌｏｇ Ｄｉａｌｏｇ ３７−０３（２００３）
本発明の一側面によれば、少なくとも１つの誤差源を検出するために、変調した駆動信号を共振器に提供し、変調した駆動信号によって誘発される加速度計信号を感知することによって、慣性センサの共振器に印加される駆動信号に関連する少なくとも１つの誤差源を検出するための方法、慣性センサ、およびコントローラが提供される。
本発明の別の側面によれば、少なくとも１つの誤差源を検出するために、共振器の共振を引き起こすように駆動信号を提供し、共振器と下側の基板との間の距離を変調するように変調した試験信号を提供し、そして、変調した試験信号によって誘発される加速度計信号を感知することによって、慣性センサの共振器の空気力学に関連する少なくとも１つの誤差源を検出するための方法、慣性センサ、およびコントローラが提供される。
上述の実施形態のいずれかにおいて、信号は、振幅変調、周波数変調、オン／オフキーイング、およびスペクトラム拡散変調のうちの１つを使用して変調され得る。変調した駆動信号または試験信号によって誘発される加速度計信号の検出は、駆動／試験信号を変調するために使用される変調信号に基づいた加速度計信号の復調を含み得る。少なくとも１つの誤差源によって導入される誤差を相殺するために、少なくとも１つの補償信号が提供され得る（例えば、例えば同相オフセット誤差、パススルー、および／または空気力学的な影響を実質的に相殺するために、補償信号が一組の同相補償電極に提供され得る）。加速度計は、ｘ軸センサ、ｙ軸センサ、およびｚ軸センサのうちの少なくとも１つを含み得る。共振器は１つ以上のシャトルを含み得、複数のシャトルを含む実施形態において、シャトルは、単一の共振周波数で共振するように連結され得る。
本発明はさらに、例えば、以下を提供する。
（項目１）
共振器および加速度計を有する慣性センサにおいて、該共振器に印加される駆動信号に関連する少なくとも１つの誤差源を検出する方法であって、
変調した駆動信号を該共振器に提供することと、
該少なくとも１つの誤差源を検出するために、該変調した駆動信号によって誘発される加速度計信号を感知することと
を含む、方法。
（項目２）
前記変調した駆動信号を前記共振器に提供することは、振幅変調、周波数変調、オン／オフキーイング、およびスペクトラム拡散変調のうちの１つを使用して、駆動信号を変調することを含む、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記変調した駆動信号によって誘発される加速度計信号を検出することは、前記駆動信号を変調するために使用される変調信号に基づいて、加速度計信号を復調することを含む、項目１に記載の方法。
（項目４）
前記少なくとも１つの誤差源によって導入される誤差を実質的に相殺するために、少なくとも１つの補償信号を提供することをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目５）
前記少なくとも１つの誤差源は、同相オフセット誤差を含む、項目１に記載の方法。
（項目６）
前記同相オフセット誤差を実質的に相殺するために、補償信号を一組の同相補償電極に提供することをさらに含む、項目５に記載の方法。
（項目７）
前記少なくとも１つの誤差源は、前記駆動信号の前記加速度計への電子パススルーを含む、項目１に記載の方法。
（項目８）
前記パススルーを実質的に相殺するために、補償信号を前記加速度計に提供することをさらに含む、項目７に記載の方法。
（項目９）
前記共振器は、単一の共振周波数で共振するように連結された複数のシャトルを含む、項目１に記載の方法。
（項目１０）
前記加速度計は、ｘ軸センサ、ｙ軸センサ、およびｚ軸センサのうちの少なくとも１つを含む、項目１に記載の方法。
（項目１１）
慣性センサであって、
共振器と、
加速度計と、
変調した駆動信号を該共振器に提供するように構成された共振器ドライバと、
該共振器に印加された該駆動信号に関連する少なくとも１つの誤差源を検出するために、該変調した駆動信号によって誘発される加速度計信号を感知するように構成されたオフセット検出器と
を備えている、慣性センサ。
（項目１２）
前記共振器ドライバは、振幅変調、周波数変調、オン／オフキーイング、およびスペクトラム拡散変調のうちの１つを使用して、前記駆動信号を変調するように構成されている、項目１１に記載の慣性センサ。
（項目１３）
前記オフセット検出器は、前記変調した駆動信号によって誘発される加速度計信号を検出するために、前記駆動信号を変調するために使用される変調信号に基づいて、加速度計信号を復調するように構成されている、項目１１に記載の慣性センサ。
（項目１４）
前記少なくとも１つの誤差源によって導入される誤差を実質的に相殺するために、少なくとも１つの補償信号を提供するように構成されたサーボをさらに備えている、項目１１に記載の慣性センサ。
（項目１５）
前記少なくとも１つの誤差源は、同相オフセット誤差を含む、項目１１に記載の慣性センサ。
（項目１６）
前記同相オフセット誤差を実質的に相殺するために、補償信号を一組の同相補償電極に提供するように構成されたサーボをさらに備えている、項目１５に記載の慣性センサ。
（項目１７）
前記少なくとも１つの誤差源は、前記駆動信号の前記加速度計への電子パススルーを含む、項目１１に記載の慣性センサ。
（項目１８）
前記パススルーを実質的に相殺するために、補償信号を前記加速度計に提供するように構成されたサーボをさらに備えている、項目１７に記載の慣性センサ。
（項目１９）
前記共振器は、単一の共振周波数で共振するように連結された複数のシャトルを含む、項目１１に記載の慣性センサ。
（項目２０）
前記加速度計は、ｘ軸センサ、ｙ軸センサ、およびｚ軸センサのうちの少なくとも１つを含む、項目１１に記載の慣性センサ。
（項目２１）
共振器および加速度計を含む慣性センサの該共振器に印加される駆動信号に関連する少なくとも１つの誤差源を検出するためのコントローラであって、
変調した駆動信号を該共振器に提供するように構成された共振器ドライバと、
該共振器に印加された該駆動信号に関連する少なくとも１つの誤差源を検出するために、該変調した駆動信号によって誘発される加速度計信号を感知するように構成されたオフセット検出器と
を備えている、コントローラ。
（項目２２）
前記少なくとも１つの誤差源によって導入される誤差を実質的に相殺するために、少なくとも１つの補償信号を前記慣性センサに提供するように構成されたサーボをさらに備えている、項目２１に記載のコントローラ。
（項目２３）
共振器および加速度計を有し、該共振器が下側の基板によって支持された慣性センサにおいて、該共振器の空気力学に関連する少なくとも１つの誤差源を検出する方法であって、
該共振器の共振を引き起こすために、駆動信号を提供することと、
該共振器と該下側の基板との間の距離を変調するために、変調した試験信号を提供することと、
該少なくとも１つの誤差源を検出するために、該変調した試験信号によって誘発される加速度計信号を感知することと
を含む、方法。
（項目２４）
前記変調した試験信号を提供することは、振幅変調、周波数変調、オン／オフキーイング、およびスペクトラム拡散変調のうちの１つを使用して、駆動信号を変調することを含む、項目２３に記載の方法。
（項目２５）
前記変調した試験信号は、一組の直交補償電極、一組の同相補償電極、および別個の組の試験電極のうちの少なくとも１つに印加される、項目２３に記載の方法。
（項目２６）
前記変調した試験信号によって誘発される加速度計信号を検出することは、前記試験信号を変調するために使用される変調信号に基づいて、加速度計信号を復調することを含む、項目２３に記載の方法。
（項目２７）
前記少なくとも１つの誤差源によって導入される誤差を実質的に相殺するために、少なくとも１つの補償信号を提供することをさらに含む、項目２３に記載の方法。
（項目２８）
慣性センサであって、
基板によって支持された共振器と、
加速度計と、
該共振器の共振を引き起こすために、駆動信号を該共振器に提供するように構成された共振器ドライバと、
該共振器と該基板との間の距離を変調するために、変調した試験信号を提供するように構成された試験信号発生器と、
該共振器の空気力学に関連する少なくとも１つの誤差源を検出するために、該変調した試験信号によって誘発される加速度計信号を感知するように構成された検出器と
を備えている、慣性センサ。
（項目２９）
前記試験信号発生器は、振幅変調、周波数変調、オン／オフキーイング、およびスペクトラム拡散変調のうちの１つを使用して、前記試験信号を変調するように構成されている、項目２８に記載の慣性センサ。
（項目３０）
前記変調した試験信号は、一組の直交補償電極、一組の同相補償電極、および別個の組の試験電極のうちの少なくとも１つに印加される、項目２８に記載の慣性センサ。
（項目３１）
前記検出器は、前記試験信号を変調するために使用される変調信号に基づいて、加速度計信号を復調するように構成されている、項目２８に記載の慣性センサ。
（項目３２）
前記少なくとも１つの誤差源によって導入される誤差を実質的に相殺するために、少なくとも１つの補償信号を提供するように構成されたサーボをさらに備えている、項目２８に記載の慣性センサ。
（項目３３）
慣性センサの共振器の空気力学に関連する少なくとも１つの誤差源を検出するためのコントローラであって、該慣性センサは、該共振器と加速度計とを含み、該共振器は、基板によって支持され、
該コントローラは、
該共振器の共振を引き起こすために、駆動信号を該共振器に提供するように構成された共振器ドライバと、
該共振器と下側の該基板との間の距離を変調するために、変調した試験信号を提供するように構成された試験信号発生器と、
該共振器の空気力学に関連する少なくとも１つの誤差源を検出するために、該変調した試験信号によって誘発される加速度計信号を感知するように構成された検出器と
を備えている、コントローラ。
（項目３４）
前記少なくとも１つの誤差源によって導入される誤差を実質的に相殺するために、少なくとも１つの補償信号を前記慣性センサに提供するように構成されたサーボをさらに備えている、項目３３に記載のコントローラ。
本発明の上述の特徴は、添付図面を参照して、以下の詳細な説明を参照すれば、より容易に理解されるであろう。
図１は、デバイス層構造を強調した、本発明の例示的実施形態による、振動Ｘ−Ｙ軸ジャイロスコープの概略上面図である。 図２は、図１で強調したデバイス層構造に関連する基板層構造を強調した、本発明の例示的実施形態による、振動Ｘ−Ｙ軸ジャイロスコープの概略上面図である。 図３は、本発明の例示的実施形態による、同相オフセット誤差を検出するためのジャイロスコープ１００による使用に好適な電子制御回路を示す、概略ブロック図である。 図４は、本発明の例示的実施形態による、同相オフセット誤差を軽減するための随意の同相補償サーボを含む図３の電子制御回路を示す、概略ブロック図である。 図５は、本発明の例示的実施形態による、共振器の駆動力不整列の影響を軽減するために構成される随意の同相補償サーボを含む図３の電子制御回路を示す、概略ブロック図である。 図６は、本発明の例示的実施形態による、駆動電子部品からコリオリ感知電子部品への電気的フィードスルーの影響を軽減するために構成される随意の同相補償サーボを含む図３の電子制御回路を示す、概略ブロック図である。 図７は、本発明の代替の実施形態による、振動ジャイロスコープの概略上面図であり、図７Ａは、構造の上面図であり、図７Ｂは、構造の一部の拡大図である。 図８は、本発明の別の代替物実施形態による、例示的な振動Ｚ軸ジャイロスコープの概略上面図である。 図９は、本発明の別の代替物実施形態による、交差直交Ｚ軸ジャイロスコープの概略上面図である。 図１０は、図９に示される実施形態による、モード整合に適合することができる、特定の交差直交ジャイロスコープ構成を示す図である。
前述の図およびその中に表される要素は、必ずしも一貫した尺度または任意の尺度で描かれているわけではないことに留意されたい。文脈で他に提示されていない限り、同様の要素は、同様の符号によって示される。
定義。本明細書および添付の特許請求の範囲で用いられるように、以下の用語は、文脈上異なる解釈を要する場合を除き、示される意味を有するものとする。
１つの「組」は、１つ以上の要素を含む。
「電極」は、それを通して電気的または電気機械的効果が適用および／または感知される構造である。例示的実施形態では、容量カップリングを通して電気的または電気機械的効果を適用および／または感知するための種々の電極が使用されるが、他の種類の電極およびカップリング（例えば、圧電性）が使用され得ることに留意されたい。
「品質係数」、または「Ｑ値」、または単に「Ｑ」という用語は、振動物理系の振幅の減衰に対する時定数をその振動期間と比較する、無次元数を示す。同等に、系が振動する周波数を、そのエネルギーを散逸する速度と比較する。より高いＱは、発振周波数に対するエネルギー散逸の速度がより遅く、よって、よりゆっくりと振動が消滅することを示す。高いＱを伴う系は、低いＱを伴う系よりも大きい振幅で（共振周波数で）共振し、その応答は、周波数が共振から離れるにつれてより急激に低下する。
「ｆ０」という用語は、共振器の共振周波数を指すために短縮形として使用され得る。
共振体の「モード」は、共振時の本体の運動の形である。
本発明の実施形態は、ある種類のジャイロスコープ誤差源を原位置で検出および低減するために提供される。第１の誤差源は、直交誤差（ｑｕａｄｒａｔｕｒ ｅｒｒｏｒ）であり、これは、直交相殺電極を使用して測定および相殺される。第２は、同相誤差（ｉｎ−ｐｈａｓｅ ｅｒｒｏｒ）をもたらす駆動源の不完全度と関連付けられる。第３の同相誤差源は、寄生フィードスルーに起因する。第４の同相誤差源は、構造の空気力学と関連付けられる。全てのこれらの実施例において、誤差源は、測定され、ゼロに駆動される。直交は、主信号から復調されて、特殊電極を使用して相殺される。同相誤差源（例えば、駆動不完全度、寄生フィードスルー、および空気力学）について、誤差源の測定は、付加的な刺激を含む。
例示的実施形態において、駆動不完全性の測定は、駆動力を変調し、結果として生じる信号をある程度の駆動不完全性に達するように復調し、次いで、相殺力を印加することによって行われる。
同様に、空気力学的な誤差源も、検出を可能にするために変調される。空気力学的な誤差は、ジャイロ構造が環境ガス／流体を通して移動する時に発生する浮き上がりに起因する。これは、ジャイロスコープ構造および下側の基板の双方の幾何学的な不完全性の強い関数である。誤差の変調は、ジャイロスコープ構造の「浮上高さ」を変化させるか、または変調することによって達成される。浮上高さは、基板に直角な力（例えば、静電力）を印加することによって変化させられる。空気力学的な力は、浮上高さの変調によって変化し、復調することができ、そして再度、駆動不完全性に類似する静電気で相殺することができる。
本発明の実施形態において、試験質量の振動を駆動するために使用される力に関連付けられる種々のジャイロスコープ誤差源は、駆動力を変調し、コリオリチャネルにおいて誘発される対応する信号を感知することによって検出される。同相オフセット誤差の大きさは、駆動力の大きさに関連するので、駆動力の変調は、概して、同相オフセット誤差の変調をもたらす。このオフセット誤差の供給源は、回転速度を識別するために使用されるコリオリ加速度信号を妨げずに、フィードバックによって、電子的に、電気機械的に、あるいは別様に相殺され得る。駆動信号は、振幅変調、周波数変調、オン／オフキーイング、スペクトラム拡散技術、または他の適切な変調技術を使用して変調され得る。ある例示的実施形態は、コリオリ加速度を未変調のままにするように、共振器の振幅を殆ど変化しない状態に維持するのに十分な高さの周波数で、容易に発生させた試験信号を使用して駆動力の大きさを変調する。試験信号周波数は、一般的に共振周波数の整数分の１（例えば、ｆ０／８）である。
同相誤差、特に、共振器の実際の運動以外の起源を有する同相誤差（例えば、共振器の駆動機構の不整列によって引き起こされる同相誤差、および駆動系から加速度計感知電子部品への電気的フィードスルーによって引き起こされる同相誤差であり、これらは、概して、図１および図２に示される種類のジャイロスコープの同相誤差の最も大きい供給源であるとみなされる）を検出するために、本発明の実施形態は、コリオリ出力において同相加速度計オフセット信号を誘発するために、高周波試験（キャリア）信号によって駆動コーム１２８に提供される駆動信号を変調する。試験信号は、共振器の周波数より十分低い帯域外周波数等の、コリオリ信号に影響を及ぼさない様式で提供され、よって、シャトルは、共振器の振幅を実質的に変化させずに試験信号に応答する。例えば、例示的な一実施形態において、ジャイロスコープの応答は、約３２Ｈｚ未満であり得、共振器の周波数（ｆ０）は、約６４ｋＨｚであり得、また、試験信号の周波数は、約１ＫＨｚ〜８ＫＨｚ（すなわち、ｆ０／６４〜ｆ０／８）であり得る。さらに、駆動信号に適用される変調は、好ましくは、経時的にゼロに平均化する。
同様に、駆動電子部品から、コリオリ感知電子部品等の他の電子部品系への電気パススルーは、駆動信号の変調を通して検出され得、そして、電子的に、電気機械的に、あるいは別様に軽減され得る。
共振器は、高いＱの系であるので、駆動力の変調は、共振器の振動を、したがって回転速度によって発生するコリオリ加速度を、実質的に変化させずに行うことができる。しかしながら、加速度センサおよび関連付けられる感知電子部品は、共振器の駆動に対する変化に迅速に反応する。駆動力の変調は、一次信号を妨げずに、オフセットの主な供給源を顕在化させるために使用することができる。
図１および図２は、本発明の例示的実施形態による、振動Ｘ−Ｙ軸ジャイロスコープ１００の概略上面図である。この振動ジャイロスコープは、概して、Ｇｅｅｎの米国特許第５，６３５，６４０号に開示されているように動作し、該特許は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。具体的には、この振動ジャイロスコープは、種々の微細加工されたジャイロスコープ構造を、種々の基板層構造を有する下側の基板の上側に配向されたデバイス層の中に含む。便宜上、関連するジャイロスコープ構造は、デバイス面の中でラベル「ａ」および「ｂ」が付された軸を参照して以下に説明する。ラベル「ａ」および「ｂ」が付された軸は、その周りで、コリオリ加速度、したがって回転速度が感知される軸（すなわち、ジャイロスコープ感知軸）を表す。
デバイス面の中のジャイロスコープ構造は、２つの回転可能にディザリングされた質量（以下、シャトルと称する）１０２および１０４を含み、それぞれ、ポスト（「＋」様の形状）およびサスペンションフレキシャ１０１（便宜上、２つのポストのうちの１つ、およびサスペンションフレキシャの配置だけが強調されている）を介して基板に移動可能に連結される中央ハブから、多数のスポーク（ここでの場合、１２のスポークであるが、異なる実施形態は、異なる数のスポークを使用してもよい）を介して懸架される、外側リムを含む。ポストは、基板に取り付けられ、サスペンションフレキシャは、シャトルが、回転可能に振動することを可能にし、カップリングフレキシャ１０６ならびに支持フレキシャ１０８および１１０は、名目上、デバイス面内で、シャトルが相互に逆相で振動する（すなわち、シャトル１０２が時計回りに回転する時、シャトル１０４は、反時計回りに回転し、逆もまた同じである）ことを確実にするのを援助する。便宜上、デバイス面の中のディザリングされたジャイロスコープ構造は、集合的に共振器と称され得る。
スポークのそれぞれは、基板に取り付けられた対応するコーム構造１２８と相互に組み合う、フィンガー構造を含む（便宜上、２４組のコームのうちの２つだけが強調されており、各組は、２つのコームを含む）。この例示的実施形態では、２４組のコーム１２８がシャトルの運動を駆動するために使用され、具体的には、電気信号をコームに交互に印加して、シャトル１０２および１０４を、スポークのフィンガー構造との容量カップリングを通して振動させることによって、各対の一方のコームがシャトルを時計回り方向に駆動するために使用され、もう一方がシャトルを反時計回り方向に駆動するために使用される。速度感知電極は、シャトルの振動を感知および制御するために、フィードバックループで使用される。この例示的実施形態において、ａ指向およびｂ指向のスポーク（すなわち、各シャトルの４つのスポーク）の半径方向縁部の下側の基板上の速度感知電極１３０は、速度を感知するために使用される（便宜上、８対の速度感知電極１３０のうちの１つだけが強調されている）。コーム１２８のうちのいくつかは、別個の速度感知電極１３０に加えて、またはその代わりに速度を感知するために使用され得ることに留意されたい。
この例示的実施形態において、シャトルのそれぞれは、基板上の対応する電極配置を覆う４つの突出したプレートを含み、各電極配置は、コリオリ感知電極と、同相補償電極と、コリオリ感知電極および同相補償電極の両側の一対の直交補償電極とを含む。具体的には、シャトル１０２は、それぞれが配置（１１２Ｃ、１１２Ｐ、１１２Ｑ）、（１１４Ｃ、１１４Ｐ、１１４Ｑ）、（１１６Ｃ、１１６Ｐ、１１６Ｑ）、および（１１８Ｃ、１１８Ｐ、１１８Ｑ）を覆う、プレート１１２、１１４、１１６、および１１８を含む一方で、シャトル１０４は、それぞれが配置（１２０Ｃ、１２０Ｐ、１２０Ｑ）、（１２２Ｃ、１２２Ｐ、１２２Ｑ）、（１２４Ｃ、１２４Ｐ、１２４Ｑ）、および（１２６Ｃ、１２６Ｐ、１２６Ｑ）を覆う、プレート１２０、１２２、１２４、および１２６を含み、ここで、「Ｃ」は、コリオリ感知電極を示し、「Ｐ」は同相補償電極を示し、「Ｑ」は、直交補償電極を示す。各プレートは、コリオリ感知電極および同相補償電極を完全に覆うが、直交補償電極は一部だけしか覆わず、よって、プレートと直交補償電極のそれぞれとの間の容量カップリングは、シャトルの回転位置に依存する一方で、プレートとコリオリ感知電極および同相補償電極との間の容量カップリングは、シャトルの回転位置とは実質的に無関係である。この例示的実施形態において、プレートは、ｘ軸およびｙ軸と整列するように（すなわち、ａ軸およびｂ軸に対して約４５度の角度で）位置付けられる。この例示的実施形態において、コリオリ感知電極は、駆動コーム１２８のうちのいずれとも整列しないことに留意されたい。また、速度感知電極１３０および直交補償電極は、幾分可換性があり、特定の一対の電極が、特定の実装の所望に応じて、速度を感知するために、および／または直交調整のために使用され得ることに留意されたい。種々の電極は、以下にさらに詳細に論じる。
シャトルが、それらの共振周波数（ｆ０）で振動し、速度感知電極１３０を介して提供されるフィードバックによって駆動コーム１２８を介して駆動されている間、ｘ軸およびｙ軸周りのジャイロスコープの面外の動きは、シャトル１０２および１０４を、コリオリ力を通して基板に対して面外に傾けさせ、これらの面外（すなわち、コリオリ軸）の動きは、プレートとの容量カップリングを通して、コリオリ感知電極を介して検出される。この例示的実施形態において、そのようなコリオリの力は、コリオリ感知電極に関する差動容量によって、２つの軸で感知される。例えば、ｘ軸周りのジャイロスコープの回転は、プレート１１４および１２４をそれらのそれぞれのコリオリ感知電極に向かって移動させる一方で、プレート１１８および１２０をそれらのそれぞれのコリオリ感知電極から離れるように移動させ、これらの動きは、各プレートとその対応するコリオリ感知電極との間の容量の変化によって検出され、４つのコリオリ感知電極から取得した信号は、ジャイロスコープの動きを表す出力信号をジャイロスコープに提供するように組み合わせられる。同様に、ｙ軸周りのジャイロスコープの回転は、プレート１１６および１２６をそれらのそれぞれのコリオリ感知電極に向かって移動させる一方で、プレート１１２および１２２をそれらのそれぞれのコリオリ感知電極から離れるように移動させる。プレート１１２、１１４、１１６、１１８、１２０、１２２、１２４、および１２６は、シャトルの回転運動範囲の全体を通して、それらのそれぞれのコリオリ感知電極を完全に覆い、よって、コリオリ感知電極から取得した信号は、シャトルの回転変位とは実質的に無関係である。
前述のように、ジャイロスコープにいかなる外部的な動きも存在しない場合であっても、シャトルの振動は、一般的に、例えばシャトルおよびそれらのそれぞれの支持構造の不均衡のため、シャトルのわずかな面外の動きをもたらし、そのようなシャトルの面外の動きが、コリオリ信号と誤解され、したがって、誤差信号を表す可能性がある。前述のように、そのような誤差信号は、同相成分および直交成分を含み得る。直交誤差信号は、位相誤差信号よりも実質的に大きくなる可能性があり、したがって、位相誤差を相殺する電子回路を圧倒する可能性があるが、概して、どちらの誤差成分も除去することが望ましい。加速度計共振モードがシャトル共振モードを伴う面外である、図１および図２に示される種類のジャイロスコープでは、概して、直交および同相誤差成分を取り除くために、機械的構造（例えば、レバーおよびフレキシャ）を使用することは実用的でない。
同相誤差、特に、共振器の実際の運動以外の起源を有する同相誤差（例えば、共振器の駆動機構の不整列によって引き起こされる同相誤差、空気力学的な影響によって引き起こされる同相誤差、および駆動系から加速度計感知電子部品への電気的フィードスルーによって引き起こされる同相誤差であり、これらは、概して、図１および図２に示される種類のジャイロスコープの同相誤差の最も大きい供給源であるとみなされる）を検出するために、本発明の実施形態は、コリオリ出力において同相加速度計オフセット信号を誘発するために、高周波試験（キャリア）信号によって駆動コーム１２８に提供される駆動信号を変調する。試験信号は、共振器の周波数より十分低い帯域外周波数等の、コリオリ信号に影響を及ぼさない様式で提供され、よって、シャトルは、共振器の振幅を実質的に変化させずに試験信号に応答する。例えば、例示的な一実施形態において、ジャイロスコープの応答は、約３２Ｈｚ未満であり得、共振器の周波数（ｆ０）は、約６４ｋＨｚであり得、また、試験信号の周波数は、約１ＫＨｚ〜８ＫＨｚ（すなわち、ｆ０／６４〜ｆ０／８）であり得る。駆動信号は、振幅変調、周波数変調、オン／オフキーイング、スペクトラム拡散技術、または他の適切な変調技術を使用して変調され得る。さらに、駆動信号に適用される変調は、好ましくは、経時的にゼロに平均化する。
同相オフセット誤差は、例えば試験信号に対応するコリオリ出力の中にいかなる信号もなくなるまでバイアス電圧を同相補償電極にかけることによって、コリオリ出力の中の誘発された同相加速度計オフセット信号に基づいて、デバイス面の中のシャトルの動き（例えば、シャトルの面内の動きに影響を及ぼすトリム電極を使用する）、または面外のシャトルの動き（例えば、加速度計の軸において）等を調整するために、補償力を共振器および／または加速度計に与えることによって低減され得る。追加的または代替的に、駆動電子部品から、コリオリ感知電子部品等の他の電子部品系へのパススルーは、例えば補償信号をコリオリチャネル増幅器の入力に印加することによって、コリオリ出力における同相加速度計オフセット信号に基づいて電子的に低減され得る。同相オフセット誤差を軽減し、信号のパススルーを軽減するためのいくつかの例示的な回路構成を以下に説明する。
直交誤差は、Ｃｌａｒｋの米国特許第５，９９２，２３３号、またはＧｅｅｎの米国特許第７，０３２，４５１号（それぞれ、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる）に記載されているものに類似した様式で、正味トルクをコリオリ軸においてシャトル（すなわち、デバイス面の外側）に及ぼすことによって低減され得る。図１および図２に示される例示的実施形態では、プレートの縁部の下側に位置付けられる基板上の直交補償電極（すなわち、直交補償電極１１２Ｑ、１１４Ｑ、１１６Ｑ、１１８Ｑ、１２０Ｑ、１２２Ｑ、１２４Ｑ、および１２６Ｑ）、ならびにａ指向およびｂ指向のスポークの間に位置付けられる各シャトルの８つのスポークの半径方向縁部に位置付けられる基板上の直交補償電極（すなわち、直交補償電極１３２。便宜上、１６対の直交補償電極１３２のうちの４つだけが強調されている）は、直交調整を行うために使用されるが、代替の実施形態では、例えばバイアス電圧をコリオリ感知電極に印加することによって、類似した直交調整を行うことができる。ＤＣ直交調整信号は、正味トルクをシャトルに及ぼすように直交調整電極に印加される。直交補償電極は、プレートおよびスポークの縁部を超えて延在しているので、直交補償電極によって生成されるトルクは、デバイス面の中のシャトルの振動変位に比例し、かつ電極間の電位差の関数である。したがって、トルクは、直交補償電極の電位によって変調される、コリオリ軸（すなわち、デバイス面に垂直な軸）における直交運動を引き起こす。直交の抑制はまた、Ｌｅｍｋｉｎの米国特許第７，０５１，５９０号、Ｃｈａｕｍｅｔの米国特許出願公開第２００８／０２８２８３３号、およびＳａｕｋｏｓｋｉのＳｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ａ Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ＭＥＭＳ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ，Ｄｏｃｔｏｒａｌ Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ，ＴＫＫ Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｓ １１６，Ｈｅｌｓｉｎｋｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｅｓｐｏ，Ｆｉｎｌａｎｄ（２００８）で論じられており、それぞれ、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
図３は、本発明の例示的実施形態による、同相オフセット誤差を検出するための、ジャイロスコープ１００とともに使用するのに好適な電子制御回路を示す、概略ブロック図である。とりわけ、この電子回路は、オフセット検出器３１０と、直交補償サーボ３２０と、コリオリ出力回路３３０と、シャトル駆動サーボ３４０と、関連する回路とを含む。
シャトル共振駆動サーボ３４０は、速度感知電極から受信した信号に基づいて、変調した駆動信号を駆動コームに提供する。駆動信号は、振幅変調、周波数変調、オン／オフキーイング、スペクトラム拡散技術、または他の適切な変調技術を使用して変調され得る。この例示的実施形態において、駆動信号は、共振器駆動電子部品に送られる、位相ロックループ（ＰＬＬ）回路３４１から導出される試験信号を使用して変調される（図中、ラベル「ＭＯＤ」が付される）。他の実施形態において、試験信号は、他の供給源から導出され得る。共振器は、高いＱの系であるので、駆動力の変調は、共振器の振動を、したがって回転速度によって発生するコリオリ加速度を、実質的に変化させずに行うことができる。以下に詳細に論じるように、ＭＯＤ信号はまた、オフセットを表す信号を抽出するためのオフセット検出器３１０の中の復調器にも送られ、ＭＯＤ信号は、随意の同相補償サーボ３５０の中の変調器に送るために使用され得る。シャトル共振駆動サーボ３４０はまた、位相および直交基準信号も提供する。
オフセット検出器３１０は、コリオリ検知（「Ｃｏｒ」）電極から増幅した（３０１）コリオリチャネル信号を受信し、ＭＯＤ基準でコリオリチャネル信号を復調し（３１１）、そして、復調した信号を積分（３１２）してオフセット誤差を反映したオフセット出力信号を生成する。このオフセット出力信号は、それ自体を、例えば製造中に原位置で品質保証の試験を行うために、またはデバイスの校正もしくは試験を行うために使用し得る。追加的または代替的に、（例えば、デバイス面の中のシャトルの運動を調整することによって）オフセット誤差を軽減するために、および／または（例えば、加速度計軸の中のシャトルの運動を調整することによって、またはオフセットの影響を除去するために、コリオリチャネル信号を調整することによって）オフセット出力信号に基づいたオフセット誤差の影響を軽減するために、回路が含まれ得る。
直交サーボ３２０は、コリオリ検知（「Ｃｏｒ」）電極から増幅した（３０１）コリオリチャネル信号を受信し、直交基準でコリオリチャネル信号を復調し（３２１）、そして、復調した信号を積分（３２２）して、直交サーボ３２０から直交補償（Ｑｕａｄ）電極へのフィードバック信号によって示されるように、直交調整（「Ｑｕａｄ」）電極に送り返される、低周波微分直交無効化信号を生成する。
コリオリ出力回路３３０は、コリオリ検知（「Ｃｏｒ」）電極から増幅した（３０１）コリオリチャネル信号を受信し、位相基準でコリオリチャネル信号を復調し（３３１）、復調した信号をフィルタ処理（３３２）して高周波成分を除去し、そして、フィルタ処理した信号を増幅（３３３）してジャイロスコープ出力信号を生成する。
図４は、本発明の例示的実施形態による、同相オフセット誤差を軽減するための随意の同相補償サーボ３５０を含む図３の電子制御回路を示す、概略ブロック図である。同相補償サーボ３５０は、位相基準、ＭＯＤ基準、オフセット検出器３１０からのオフセット出力信号、および／またはトリム量に基づいて、１つ以上の補償信号を生成する。補償信号は、補償力を共振器および／または加速度計に与えて、デバイス面の中のシャトルの動き（例えば、シャトルの面内の動きに影響を及ぼすトリム電極を使用する）、または面外のシャトルの動き（例えば、加速度計の軸において）等を調整するために使用され得る。追加的または代替的に、補償信号は、駆動電子部品から、コリオリ感知電子部品等の他の電子部品系へのパススルーを電子的に相殺するために使用され得る。
図５は、本発明の例示的実施形態による、共振器駆動力の不整列の影響を軽減するために構成される随意の同相補償サーボ３６０を含む図３の電子制御回路を示す、概略ブロック図である。同相補償サーボ３６０は、変調した補償信号を同相補償電極に提供する、変調器３６１を含む。変調器３６１は、位相（Ｐｈ）およびＭＯＤ基準によって、および同相トリム３６２（すなわち、トリム係数によって調整されたオフセット検出器３１０からのオフセット出力信号）によって駆動される。同相トリム３６２は、共振器駆動の不整列による同相補正値を相殺するように調整される。この変調器は、駆動系における不完全性を相殺することを意図しているので、既に補償した不完全性が駆動信号の変調によって顕在化しないように、共振器駆動と合わせて変調されるべきである。付加的なオフセットが発見された場合、そのオフセットは、例えば駆動面の中のシャトルの運動を調整するために、別個のオフセット相殺機構にフィードバックすることができる。このようにして、オフセットの変化は、関心の信号、コリオリ加速度、または同等に、回転速度を妨げずに、検出および相殺することができる。
図６は、本発明の例示的実施形態による、駆動電子部品からコリオリ感知電子部品への電気的フィードスルーの影響を軽減するために構成される随意の同相補償サーボ３７０を含む図３の電子制御回路を示す、概略ブロック図である。同相補償サーボ３７０は、同相補償電極ではなくコリオリチャネル増幅器３０１の入力に容量結合される変調した補償信号を提供する、変調器３７１を含む。変調器３７１は、図に示されるように、位相（Ｐｈ）およびＭＯＤ基準によって駆動され、また、トリム量および／またはオフセット検出器３１０からのフィードバックによって駆動され得る。オフセットを相殺するための信号処理および信号レベルは異なり得るが、サーボ３７０は、図５に示されるサーボ３６０に類似していることに留意されたい。
電子制御回路は、例えば、一方が、図５を参照して前述したような駆動力の不整列を軽減するための同相補償電極に連結され、もう一方が、図６を参照して前述したようなフィードスルーを軽減するためのコリオリチャネル増幅器３０１に連結される、複数のサーボを含み得ることに留意されたい。
図１および図２に示される実施形態において、各シャトルは、シャトルの外周から外向きに延在する、プレートを含み、各プレートは、対応するコリオリ（加速度センサ）電極を完全に覆い、コリオリ電極の両側の一対の直交電極を部分的に覆い、よって、プレートと直交電極との間の容量カップリングは、シャトルの回転位置に依存する一方で、プレートとコリオリ電極との間の容量カップリングは、シャトルの回転位置には実質的に無関係である。しかしながら、代替の実施形態では、異なるシャトルおよび／または電極の構成が使用され得ることに留意されたい。例えば、ある代替の実施形態において、シャトルの外周部分は、コリオリ感知電極との容量カップリングであり得る。
図７は、本発明の代替の一実施形態による、振動ジャイロスコープの概略上面図である。この振動ジャイロスコープは、概して、図１および図２を参照して前述したものと同様に動作するが、より少ない構造を有することによって、より単純な設計であると考えられる。また、主要なジャイロスコープ構造は、上下軸に沿って、または、その軸に対して４５度に配向され、これは、微細加工装置（例えば、エッチング装置）が直線格子に基づいてしばしばエッチングを生成するので、微細加工を容易にし、よって、直線格子、およびその格子と整列する、またはその格子に対して４５度である構造が、より一貫してより真っ直ぐな縁部を伴って生成され得る。
本発明は、図１、図２、および図７に示されるジャイロスコープの設計に限定されないことに留意されたい。種々の代替の実施形態では、Ｇｅｅｎの米国特許第５，６３５，６４０号に図示および説明される種類の１つ、２つ、またはそれ以上（例えば、４つ）のシャトルを有するジャイロスコープが使用され得る。さらに、本発明は、回転可能に振動するシャトルに限定されないが、より一般的には、コリオリチャネルにおいて対応する信号を誘発するように駆動信号を変調することができるという類似した原理の下で動作する、他の種類の慣性センサ（例えば、振動および音叉型ジャイロスコープ）に適用することができる。種々の実施形態において、加速度計のモードは、共振器のモードと比較して、面内または面外であり得る。
図８は、本発明の別の代替物実施形態による、振動Ｚ軸ジャイロスコープの概略上面図である。このジャイロスコープは、概して、Ｇｅｅｎの米国特許第６，８７７，３７４号に開示されているように動作し、該特許は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。とりわけ、このジャイロスコープ構造は、加速度計サスペンションフレキシャ２０２、２０４、２０６、および２０８によってその４つのコーナー部で懸架される、実質的に正方形のフレーム２１０を含む。フレーム２１０の４つの縁部外側には、フィンガー２１２、２１３、２１４、２１５、２１６、２１７、２１８、および２１９がある。種々の共振構造が、フレーム２１０内に懸架される。これらの共振構造は、４つの移動可能なシャトル２２０、２２２、２２４、および２２６と、４つのレバー２２８、２３０、２３２、および２３４と、２つのフォーク２３６および２３８とを含む。シャトル２２２、２２４、および２２６は、シャトル２２０と実質的に同じ形状、サイズ、および質量であり、ｘ軸および／またはｙ軸に沿ってシャトル２２０の鏡像のように配向されていることに留意されたい。レバー２３０、２３２、および２３４は、レバー２２８と実質的に同じ形状、サイズ、および質量であり、ｘ軸および／またはｙ軸に沿ってレバー２２８の鏡像のように配向されていることに留意されたい。４つの移動可能なシャトル２２０、２２２、２２４、および２２６は、それぞれ、フレキシャ２４０、２４２、２４４、および２４６によってフレーム２１０から懸架される。４つの移動可能なシャトル２２０、２２２、２２４、および２２６の動きは、静電ドライバ２４８、２５０、２５２、２５４、２５６、２５８、２６０、および２６２を使用して、静電的に制御される。また、レバーの運動を駆動またはレバーの運動を感知するために使用することができる、レバー２２８、２３０、２３２、および２３４と関連付けられる静電構造もある。微細加工されたジャイロスコープ構造のこれらの、および他の特徴を、以下にさらに詳述する。
４つの加速度計サスペンションフレキシャ２０２、２０４、２０６、および２０８は、基板に固定され、かつ、ｘ軸に沿った、およびｙ軸に沿ったフレーム２１０の動き（すなわち、並進運動）を実質的に制限する一方で、フレーム２１０が、いずれの方向にもより自由に回転すること（すなわち、回転運動）を可能にするよう構成される。そのようなフレーム１１０の回転運動は、主に、共振構造の基準系の動きによるコリオリ効果によって引き起こされる。
フィンガー２１２、２１３、２１４、２１５、２１６、２１７、２１８、および２１９は、フレーム２１０の４つの側部から延在する。フィンガー２１２、２１３、２１４、２１５、２１６、２１７、２１８、および２１９の間には、基板に機械的に連結され、かつ基板に対して移動しない、２組のコリオリセンサが位置付けられる。フレーム２１０の動きは、コリオリセンサに対するフィンガー２１２、２１３、２１４、２１５、２１６、２１７、２１８、および２１９の動きをもたらし、この動きは、電子回路（図示せず）によって測定することができる、静電容量の変化を生成する。
シャトル２２０、２２２、２２４、および２２６と、フレキシャ２４０、２４２、２４４、および２４６と、レバー２２８、２３０、２３２、および２３４と、フォーク２３６および２３８とを含む共振構造は、機械的に連結される。シャトル２２０および２２２は、ピボットフレキシャ２６４を介して機械的に連結され、シャトル２２４および２２６は、ピボットフレキシャ２６６を介して機械的に連結される。シャトル２２０および２２４は、レバー２２８および２３０、ならびにフォーク２３６を介して機械的に連結され、シャトル２２２および２２６は、レバー２３２および２３４、ならびにフォーク２３８を介して機械的に連結される。ピボットフレキシャ２６４および２６６、レバー２２８、２３０、２３２、および２３４、ならびにフォーク２３６および２３８は、シャトル２２０、２２２、２２４、および２２６が一緒に移動することを可能にする。
シャトル２２０は、フレキシャ２４０によってフレーム２１０から、ピボットフレキシャ２６４によってシャトル２２２から、また、ピボットフレキシャ２６８によってレバー２２８から懸架される。シャトル２２２は、フレキシャ２４２によってフレーム２１０から、ピボットフレキシャ２６４によってシャトル２２０から、また、ピボットフレキシャ２７２によってレバー２３２から懸架される。シャトル２２４は、フレキシャ２４４によってフレーム２１０から、ピボットフレキシャ２６６によってシャトル２２６から、また、ピボットフレキシャ２７６によってレバー２３０から懸架される。シャトル２２６は、フレキシャ２４６によってフレーム２１０から、ピボットフレキシャ２６６によってシャトル２２４から、また、ピボットフレキシャ２８０によってレバー２３４から懸架される。
レバー２２８は、ピボットフレキシャ２７０によってフレーム２１０から、ピボットフレキシャ２６８によってシャトル２２０から、また、フォーク２３６によってレバー２３０から懸架される。レバー２３０は、ピボットフレキシャ２７８によってフレーム２１０から、ピボットフレキシャ２７６によってシャトル２２４から、また、フォーク２３６によってレバー２２８から懸架される。レバー２３２は、ピボットフレキシャ２７４によってフレーム２１０から、ピボットフレキシャ２７２によってシャトル２２２から、また、フォーク２３８によってレバー２３４から懸架される。レバー２３４は、ピボットフレキシャ２８２によってフレーム２１０から、ピボットフレキシャ２８０によってシャトル２２６から、また、フォーク２３８によってレバー２３２から懸架される。
フレキシャ２４０、２４２、２４４、および２４６は、それぞれ、シャトル２２０、２２２、２２４、および２２６のｙ軸に沿った動きを実質的に制限するが、それぞれ、シャトル２２０、２２２、２２４、および２２６のｘ軸に沿った動きを可能にする。フレキシャ２４０、２４２、２４４、および２４６はまた、それぞれ、シャトル２２０、２２２、２２４、および２２６が移動するにつれて、それらがわずかに旋回することを可能にする。
ピボットフレキシャ２６４は、それらが一緒に移動するように、シャトル２２０および２２２を一緒に本質的に固定する。同様に、ピボットフレキシャ２６６は、（シャトル２２０および２２２に対して反対方向であるが）シャトル２２４および２２６が一緒に移動するように、それらを一緒に本質的に固定する。
レバー２２８および２３０、フォーク２３６、ならびにピボットフレキシャ２６８、２７０、２７６、および２７８は、シャトル２２０および２２４が実質的に等しいが反対方向に移動するように、それらを一緒に本質的に固定する。同様に、レバー２３２および２３４、フォーク２３８、ならびにピボットフレキシャ２７２、２７４、２８０、および２８２は、シャトル２２２および２２６が実質的に等しいが反対方向に移動するように、それらをともに本質的に固定する。
図９は、本発明の別の代替物実施形態による、交差直交Ｚ軸ジャイロスコープの概略上面図である。このジャイロスコープは、概して、Ｇｅｅｎの米国特許第７，４２１，８９７号に開示されているように動作し、該特許は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。具体的には、４つのジャイロスコープ１６Ａ〜１６Ｄは、垂直および水平に連結された交差直交構成で配置され、よって、ジャイロスコープフレームの頂部対およびジャイロスコープフレームの底部対は、フレームの別個の平行なＹ軸に沿った逆相の動きを可能にするカップリング９９によって相互接続される一方で、ジャイロスコープフレームの左側対およびジャイロスコープフレームの右側対は、フレームの同一直線上の逆相の動きを可能にするカップリング９５によって相互接続される。各ジャイロスコープは、好ましくは、サスペンション９３によって、垂直カップリング９５に向かい合う側で支持される。ジャイロスコープ１６Ａ〜１６Ｄは、米国特許第６，５０５，５１１号および第６，１２２，９６１号に開示されるジャイロスコープに類似し得、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
図１０は、本発明の別の代替物実施形態による、モード整合に適合することができる、特定の交差直交ジャイロスコープ構成を示す。ここで、各ジャイロスコープ５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄは、フレーム（５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ、５２Ｄ）と、フレームの内周内で移動可能に懸架される共振器（５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃ、５４Ｄ）とを含む。ジャイロスコープ５０Ａおよび５０Ｂのフレーム５２Ａおよび５２Ｂは、ジャイロスコープ５０Ｃおよび５０Ｄのフレーム５２Ｃおよび５２Ｃと同様に、相互に連結される。さらに、ジャイロスコープ５０Ａおよび５０Ｃのフレーム５２Ａおよび５２Ｃは、ジャイロスコープ５０Ｂおよび５０Ｄのフレーム５２Ｂおよび５２Ｄと同様に、相互に連結される。
ジャイロスコープ５０Ａ／５０Ｂおよび５０Ｃ／５０Ｄの各対の共振器は、相互に逆相で動作する。さらに、本発明の例示的実施形態において、ジャイロスコープ５０Ａおよび５０Ｂの共振器は、ジャイロスコープ５０Ｃおよび５０Ｄの対応する共振器に対して逆相で動作する。したがって、斜めに向かい合うジャイロスコープの共振器は、相互に同相で動作する一方で、隣接するジャイロスコープの任意の対の共振器は、相互に逆相で動作する。
また、ジャイロスコープ５０Ａ／５０Ｂおよび５０Ｃ／５０Ｄの各対のフレームは、反対方向の動きを可能にするが、同じ方向の動きは実質的に制限するように連結される。さらに、本発明の例示的実施形態によれば、ジャイロスコープ５０Ａおよび５０Ｃのフレームは、ジャイロスコープ５０Ｂおよび５０Ｄのフレームと同様に、反対方向の動きを可能にするが、同じ方向の動きは実質的に制限するように連結される。ジャイロスコープ５０Ａ／５０Ｃのフレームは、ジャイロスコープ５０Ｂ／５０Ｄのフレームに対して逆相で移動する。したがって、斜めに向かい合うジャイロスコープのフレームは、相互に同相で動作する一方で、任意の隣接するジャイロスコープの対のフレームは、相互に逆相で動作する。
共振器は、Ｘ軸において前後に共振させられる。慣性センサのＺ軸周りの回転は、Ｙ軸におけるフレームの変位を引き起こす。例えば、いくつかの条件の下で、ジャイロスコープ５０Ａおよび５０Ｃのフレーム５２Ａおよび５２Ｃは、相互に向かって移動する一方で、ジャイロスコープ５０Ｂおよび５０Ｄのフレーム５２Ｂおよび５２Ｄは、相互から離れるように移動する。いくつかの他の条件の下で、ジャイロスコープ５０Ａおよび５０Ｃのフレーム５２Ａおよび５２Ｃは、相互から離れるように移動する一方で、ジャイロスコープ５０Ｂおよび５０Ｄのフレーム５２Ｂおよび５２Ｄは、相互に向かって移動する。
図１、図２、および図７を参照して前述した例示的実施形態のように、図８〜図１０を参照して前述したジャイロスコープは、同相オフセット誤差、電子パススルー、および駆動信号に関連する他の誤差を受ける。例えば、図８を参照して前述したジャイロスコープにおいて、同相オフセット誤差は、コリオリチャネルにおいて誤差信号を生成する回転力をジャイロスコープフレームに与え得る。同様に、図１０を参照して前述したジャイロスコープにおいて、同相オフセット誤差は、コリオリチャネルにおいて誤差信号を生成するｙ軸力をジャイロスコープフレームに与え得る。図３〜図６を参照して前述したように、駆動信号に関連する誤差は、駆動信号を変調し、コリオリチャネルにおいて誘発される対応する信号を感知することによって検出することができ、そして、電子的に、電気機械的に、あるいは別様に、例えば実質的に軽減することができる。
したがって、本発明の実施形態は、１軸（例えば、ｘ軸、ｙ軸、またはｚ軸）慣性センサと、２軸（例えば、ｘ−ｙ軸またはｘ−ｚ軸）慣性センサと、３軸慣性センサとを含み得る。
前述のように駆動信号に関連する誤差源を検出することに類似して、本発明のある実施形態は、追加的または代替的に、共振器と下側の基板との間の距離を変調し、そのような変調によって誘発される加速度計信号を検出することによって、共振器の空気力学に関連する誤差源を検出する。したがって、例えば、駆動信号は、共振器の共振を引き起こすように提供され、変調した試験信号は、共振器と下側の基板との間の距離を変調するために（例えば、直交補償電極、同相補償電極、および／または別個の試験電極に）提供され、また、共振器の空気力学を検出および／または補償するために、変調した試験信号によって誘発される加速度計信号が感知され得る。前述した実施形態のように、試験信号は、振幅変調、周波数変調、オン／オフキーイング、およびスペクトラム拡散変調のうちの１つを使用して変調され得る。加速度計信号は、試験信号を変調するために使用される変調信号に基づいて、復調され得る。補償信号は、空気力学的な影響によって引き起こされる誤差を実質的に相殺するために提供され得る。補償信号は、同相補償電極または他の好適な電極を介して提供され得る。共振器と基板との間の距離を変調するために使用される変調した試験信号と合わせて出力されるコリオリチャネルに基づいて同相補償電極を駆動するための、図５に示される種類のサーボは、空気力学的な影響を検出および／または軽減するために使用され得る。
前述した本発明の実施形態は、単に例示することを意図したものであり、当業者には、数多くの変形形態および修正形態が明らかになるであろう。全てのこのような変形形態および修正形態は、いずれかの添付の特許請求の範囲に記載されている本発明の範囲内にあることを意図している。

Claims (17)

  1. 共振器と、コリオリチャネルのコリオリ加速度信号帯域内のコリオリ加速度信号を測定する加速度計とを有する慣性センサにおいて、該共振器に印加される駆動信号の大きさに関連する少なくとも１つの誤差源を検出する方法であって、該少なくとも１つの誤差源は、該駆動信号と同相の該コリオリチャネル内の対応する誤差信号を誘発し、該コリオリ加速度信号に影響を及ぼす誤差信号を含み、該方法は、
    変調した駆動信号を該共振器に提供することであって、該変調した駆動信号は、該共振器に印加される駆動力の大きさを変調することにより、該少なくとも１つの誤差源の大きさを変調して、該コリオリチャネル内の対応する変調した誤差信号を誘発し、該誤差信号は、該コリオリ加速度信号帯域の外の周波数で変調される、ことと、
    該少なくとも１つの誤差源の変調によって生じる加速度計信号を感知することであって、該感知することは、該コリオリチャネル内の該変調した誤差信号を感知することを含む、ことと、
    該コリオリ加速度信号に影響を及ぼす該少なくとも１つの誤差源によって導入される誤差を実質的に相殺するために、該感知された変調した誤差信号に応答して、少なくとも１つの補償信号を、該共振器に補償力を印加する一組の同相補償電極に提供することと
    を含み、
    該変調した大きさの駆動力の周波数が該共振器の周波数よりも低いことにより、該共振器に印加される駆動力の大きさの変調は、該共振器の振幅に実質的に影響を及ぼさない、方法。
  2. 前記変調した駆動信号を前記共振器に提供することは、振幅変調、周波数変調、オン／オフキーイング、およびスペクトラム拡散変調のうちの１つを使用して、駆動信号を変調することを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記変調した駆動信号によって誘発される変調した誤差信号を感知することは、前記駆動信号を変調するために使用される変調信号に基づいて、加速度計信号を復調することを含む、請求項１に記載の方法。
  4. 前記少なくとも１つの誤差源は、同相オフセット誤差を含む、請求項１に記載の方法。
  5. 前記少なくとも１つの誤差源は、前記駆動信号の前記加速度計への電子パススルーを含む、請求項１に記載の方法。
  6. 前記パススルーを実質的に相殺するために、補償信号を前記加速度計に提供することをさらに含む、請求項５に記載の方法。
  7. 前記共振器は、単一の共振周波数で共振するように連結された複数のシャトルを含む、請求項１に記載の方法。
  8. 前記加速度計は、ｘ軸センサ、ｙ軸センサ、およびｚ軸センサのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
  9. 慣性センサであって、
    共振器と、
    コリオリチャネルのコリオリ加速度信号帯域内のコリオリ加速度信号を測定する加速度計と、
    変調した駆動信号を該共振器に提供するように構成された共振器ドライバであって、該変調した駆動信号は、該共振器に印加される駆動力の大きさを変調することにより、該共振器に印加される該駆動信号の大きさに関連する少なくとも１つの誤差源の大きさを変調して、該コリオリチャネル内の対応する変調した誤差信号を誘発し、該誤差信号は、該コリオリ加速度信号帯域の外の周波数で変調され、該少なくとも１つの誤差源は、該駆動信号と同相の該コリオリチャネル内の対応する誤差信号を誘発し、該コリオリ加速度信号に影響を及ぼす誤差信号を含む、共振器ドライバと、
    該共振器に印加された該駆動信号に関連する該少なくとも１つの誤差源の変調によって生じる加速度計信号を感知するように構成されたオフセット検出器であって、該感知することは、該コリオリチャネル内の該変調した誤差信号を感知することを含む、オフセット検出器と、
    該共振器に補償力を印加する一組の同相補償電極と、
    該コリオリ加速度信号に影響を及ぼす該少なくとも１つの誤差源によって導入される誤差を実質的に相殺するために、該感知された変調した誤差信号に応答して、少なくとも１つの補償信号を該一組の同相補償電極に提供することにより該共振器に補償力を印加するように構成されたサーボと
    を備えており、
    該変調した大きさの駆動力の周波数が該共振器の周波数よりも低いことにより、該共振器に印加される駆動力の大きさの変調は、該共振器の振幅に実質的に影響を及ぼさない、慣性センサ。
  10. 前記共振器ドライバは、振幅変調、周波数変調、オン／オフキーイング、およびスペクトラム拡散変調のうちの１つを使用して、前記駆動信号を変調するように構成されている、請求項９に記載の慣性センサ。
  11. 前記オフセット検出器は、前記変調した駆動信号によって誘発される変調した誤差信号を感知するために、前記駆動信号を変調するために使用される変調信号に基づいて、加速度計信号を復調するように構成されている、請求項９に記載の慣性センサ。
  12. 前記少なくとも１つの誤差源は、同相オフセット誤差を含む、請求項９に記載の慣性センサ。
  13. 前記少なくとも１つの誤差源は、前記駆動信号の前記加速度計への電子パススルーを含む、請求項９に記載の慣性センサ。
  14. 前記パススルーを実質的に相殺するために、補償信号を前記加速度計に提供するように構成された前記サーボをさらに備えている、請求項１３に記載の慣性センサ。
  15. 前記共振器は、単一の共振周波数で共振するように連結された複数のシャトルを含む、請求項９に記載の慣性センサ。
  16. 前記加速度計は、ｘ軸センサ、ｙ軸センサ、およびｚ軸センサのうちの少なくとも１つを含む、請求項９に記載の慣性センサ。
  17. 共振器と、コリオリチャネルのコリオリ加速度信号帯域内のコリオリ加速度信号を測定する加速度計とを含む慣性センサの該共振器に印加される駆動信号の大きさに関連する少なくとも１つの誤差源を検出するためのコントローラであって、該少なくとも１つの誤差源は、該駆動信号と同相の該コリオリチャネル内の対応する誤差信号を誘発し、該コリオリ加速度信号に影響を及ぼす誤差信号を含み、該コントローラは、
    変調した駆動信号を該共振器に提供するように構成された共振器ドライバであって、該変調した駆動信号は、該共振器に印加される駆動力の大きさを変調することにより、該共振器に印加される該駆動信号の大きさに関連する該少なくとも１つの誤差源の大きさを変調して、該コリオリチャネル内の対応する変調した誤差信号を誘発し、該誤差信号は、該コリオリ加速度信号帯域の外の周波数で変調される、共振器ドライバと、
    該共振器に印加された該駆動信号に関連する該少なくとも１つの誤差源の変調によって生じる加速度計信号を感知するように構成されたオフセット検出器であって、該感知することは、該コリオリチャネル内の該変調した誤差信号を感知することを含む、オフセット検出器と、
    該コリオリ加速度信号に影響を及ぼす該少なくとも１つの誤差源によって導入される誤差を実質的に相殺するために、該感知された変調した誤差信号に応答して、少なくとも１つの補償信号を、該慣性センサの該共振器に補償力を印加する一組の同相補償電極に提供するように構成されたサーボと
    を備えており、
    該変調した大きさの駆動力の周波数が該共振器の周波数よりも低いことにより、該共振器に印加される駆動力の大きさの変調は、該共振器の振幅に実質的に影響を及ぼさない、コントローラ。
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