特許 5671245 磁気感度が低減されたＭＥＭＳジャイロスコープ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5671245

(24)【登録日】2014年12月26日

(45)【発行日】2015年2月18日

(54)【発明の名称】磁気感度が低減されたＭＥＭＳジャイロスコープ

(51)【国際特許分類】

   G01C 19/5726 20120101AFI20150129BHJP

   G01C 19/5747 20120101ALI20150129BHJP

【ＦＩ】

   G01C19/56 226

   G01C19/56 247

【請求項の数】3

【外国語出願】

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2010-68048(P2010-68048)

(22)【出願日】2010年3月24日

(65)【公開番号】特開2010-237204(P2010-237204A)

(43)【公開日】2010年10月21日

【審査請求日】2013年3月18日

(31)【優先権主張番号】61/164,662

(32)【優先日】2009年3月30日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】12/723,964

(32)【優先日】2010年3月15日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】500575824

【氏名又は名称】ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100140109

【弁理士】

【氏名又は名称】小野 新次郎

(74)【代理人】

【識別番号】100089705

【弁理士】

【氏名又は名称】社本 一夫

(74)【代理人】

【識別番号】100075270

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 泰

(74)【代理人】

【識別番号】100080137

【弁理士】

【氏名又は名称】千葉 昭男

(74)【代理人】

【識別番号】100096013

【弁理士】

【氏名又は名称】富田 博行

(74)【代理人】

【識別番号】100096068

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 住江

(72)【発明者】

【氏名】バージェス・アール・ジョンソン

(72)【発明者】

【氏名】バラト・パント

【審査官】 神谷 健一

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００３−５１０５７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００５−５２４０９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１０８０７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３０４０９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０９６４４１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｂ ７／００− ７／３４

Ｇ０１Ｃ １９／００−１９／７２

Ｇ０１Ｄ ５／００− ５／２５２

Ｇ０１Ｄ ５／３９− ５／６２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

傾斜磁場（dBz/dx）に感応しない音叉式ジャイロスコープ（１００）であって、該音叉式ジャイロスコープは、
導電性サスペンション（１３４）を介して絶縁基板（１２９）に連結されたアンカー（１４４）と接続される第１導電性プルーフマス（１１０）及び第２導電性プルーフマス（１２０）であって、当該絶縁基板（１２９）の数が１又は複数であるものと、
第１の導電性プルーフマスの対向する２つの端（１１１）及び第２の導電性プルーフマスの対向する２つの端（１２１）とに、電気的に接続された電気抵抗中間ポイント（１７１）であって、音叉式ジャイロスコープから感知電荷増幅器（１３０）に入力を提供し、２つの導電性プルーフマス（１１０，１２０）の対向端からの接続の電気抵抗が、電気抵抗中間ポイント（１７１）において等価であり、感知電荷増幅器は音叉式ジャイロスコープの回転を示す出力信号（Vout）を発生する、電気抵抗中間ポイントと、
を備え、
該出力信号は傾斜磁場（dBz/dx）に依存せず、
前記アンカーが、少なくとも１つの中間ポイント固定アンカーを含み、
前記電気抵抗中間ポイント（１７１）が、固定点において、第１導電性プルーフマス（１１０）と第２導電性プルーフマス（１２０）の間の、少なくとも１つの中間ポイント固定アンカーと電気的に接続され、
磁場の勾配の存在下で、前記プルーフマスが、モータ軸に沿って、反対の速度で、振動運動で移動する際に、前記電気抵抗中間ポイント（１７１）において、磁場の勾配に起因する電圧が生成されない、
ことを特徴とする音叉式ジャイロスコープ。

【請求項2】

請求項１記載の音叉式ジャイロスコープ（１００）において、第１導電プルーフマス（１１０）及び第２導電性プルーフマス（１２０）がＡＣ接地と容量結合されており、且つ、電気抵抗中間ポイント（１７１）が感知電荷増幅器（１３０）の入力と電気的に接続されていることを特徴とするジャイロスコープ。

【請求項3】

請求項１記載の音叉式ジャイロスコープ（１００）において、第１導電プルーフマス（１１０）及び第２導電性プルーフマス（１２０）がバイアス電圧（V_SB）を有する１又は複数の感知キャパシタンス電極（１１５、１２５）と容量結合されており、感知電荷増幅器（１３０）の入力がバイアス電圧を有する１又は複数の感知キャパシタンス電極と接続されており、電気抵抗中間ポイント（１７１）がＡＣ接地に接続されていることを特徴とするジャイロスコープ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＭＥＭＳジャイロスコープの磁気感度低減に関する。なお、本発明は、２００９年３月３０日付提出の米国仮特許出願第６１／１６４，６６２号の利益を主張するものであり、その内容全体を参照によって、ここに援用する。

【背景技術】

【0002】

音叉振動式（tuning fork vibratory）の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープは、傾斜磁場に感応してしまうが、それは傾斜磁場内のプルーフマスのモータ運動によって誘導される起電力（emf）に起因する。ＭＥＭＳジャイロスコープを傾斜磁場に感応しないようにすることで、回転レートの計測における誤差を最小限に抑え、その結果として、透過性磁性材料をＭＥＭＳジャイロスコープのパッケージングに使用できるようにすることが望まれている。

【発明の概要】

【0003】

本発明は、傾斜磁場に感応しない音叉式ジャイロスコープに関する。該音叉式ジャイロスコープは、導電性サスペンションを介して、１又は複数の絶縁基板に連結されたアンカーと接続される、第１の導電性プルーフマス及び第２の導電性プルーフマスを備え、且つ、第１の導電性プルーフマスの対向端及び第２の導電性プルーフマスの対向端とに電気的に接続された電気抵抗中間ポイントを備えている。該音叉式ジャイロスコープは、感知電荷増幅器に入力を提供する。感知電荷増幅器は、音叉式ジャイロスコープの回転を示す出力信号を発生する。該出力信号は、傾斜磁場の影響を受けていない。

【図面の簡単な説明】

【0004】

【図1A】外部印加磁場における透過性磁性材料例、及び誘導磁場を示す図である。

【図1B】図１ＡのZ方向における全磁場の勾配を、Ｘ軸上の位置の関数として示す図である。

【図1C】本発明に係る音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープの一実施形態のブロック図である。

【図2】図１Ｃの音叉式ジャイロスコープの断面図を、感知電荷増幅器への接続の概念説明図とともに示す図である。

【図3】傾斜磁場例におけるプルーフマスに関する一実施形態の側面図である。

【図4】図１Ｃの音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープの集中回路の一実施形態である。

【図5】本発明に係る音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープの集中回路の一実施形態である。

【図6】図５の音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープの実施形態のブロック図である。

【図7】本発明に係る、電気抵抗中間ポイントを有する外面(out-of-plane)式の音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープの一実施形態のブロック図である。

【図8】従来例の音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープのブロック図である。

【図9】本発明に係る磁場勾配計の一実施形態のブロック図である。

【図10】本発明に係る磁場勾配計の一実施形態のブロック図である。

【図11】本発明に係る、傾斜磁場の存在下での音叉式ジャイロスコープの出力におけるバイアスを低減又は除去するための方法の一実施形態のフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0005】

現在利用可能な音叉振動式ジャイロスコープは、傾斜磁場に感応してしまう。透過性磁性材料が、ジャイロスコープのセンサ付近又はジャイロスコープのパッケージ内にある場合、一様な印加磁場が透過性材料を帯磁させてしまい、それによって今度は、ジャイロスコープのセンサで傾斜磁場dB_z/dxが発生してしまう。図１Ａは、外部印加磁場B_ext（平行矢印で図示）における透過性磁性材料１５、及び誘導磁場B（曲線矢印で図示）を示す図である。図１Ｂは、図１ＡのZ方向Bzにおける全磁場の勾配を、Ｘ軸上の位置の関数として示す図である。ジャイロスコープのセンサの傾斜磁場dB_z/dxに対する感度は、音叉振動式の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープ等の小型のジャイロスコープであるほど高くなってしまう。

【0006】

場合によっては、音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープがパッケージングに透過性磁性材料を含んでいることがある。例えば、コバール（kovar）は、優れた低熱膨張性及び頑丈な機械特性を有する透過性磁性材料である。それゆえ、コバールは音叉振動式ＭＥＭＳジャイロスコープ、関連する電子機器、及びガラス−金属封着のためのパッケージに用いられる。透過性磁性材料（例：コバール）が含まれている音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープのパッケージは、図１Ａ及び１Ｂに示されるように、一様な印加磁場の存在下において、音叉式センサメカニズムで傾斜磁場dB_z/dxを生成しやすい。

【0007】

図８は、従来例の音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ５のブロック図である。従来技術の音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ５に関しては、傾斜磁場dB_z/dx内で導電性プルーフマスが移動すると、傾斜磁場dB_z/dxによって、感知電荷増幅器３０で出力信号V_outが生成される。出力信号V_outによって、従来例の音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ５の磁場環境によって変化する、不所望のバイアスシフトが生じてしまう。バイアスシフトは、音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープのパッケージ内又は付近にある透過性磁性材料の磁化にヒステリシスがある場合は、再生不可能な状態に変化してしまう。感知電荷増幅器３０における傾斜磁場に誘導されたバイアスは、従来例の音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ５では、エラー出力及び／又は不整合出力を招く結果となる。

【0008】

音叉式ジャイロスコープは、導電性サスペンションを介して、１又は複数の絶縁基板に連結されたアンカーと接続される、第１の導電性プルーフマス及び第２の導電性プルーフマスを備えている。第１の導電性プルーフマス及び第２の導電性プルーフマスには、誘導されたemfによって電位差が生じる。本明細書に記載の実施形態では、音叉式ジャイロスコープの傾斜磁場dB_z/dxに対する感度は、第１導電性プルーフマスの対向端及び第２導電性プルーフマスの対向端に、電気抵抗中間ポイントを電気的に接続することによって、実質的に低減又は排除される。本明細書で説明するが、電気抵抗中間ポイントとは、第１導電性プルーフマスの対向端からの接続の電気抵抗が互いに等しく、且つ該電気抵抗が、第２導電性プルーフマスの対向端からの接続の電気抵抗とも等しい点のことである。一実施形態では、電気抵抗中間ポイントは、音叉式ジャイロスコープのプルーフマスの２つの端部にあるアンカーの間の、低抵抗の固定電気接続上のポイントである。

【0009】

図１Ｃは、本発明に係る音叉式ジャイロスコープ１００の一実施形態のブロック図である。図２は、図１Ｃの音叉式ジャイロスコープ１００の断面図を、感知電荷増幅器１３０への接続とともに示している。図２の断面図は、図１Ｃの切断線２−２におけるものである。この実施形態では、音叉式ジャイロスコープ１００は音叉式微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープ１００である。音叉式ジャイロスコープ１００は、本明細書では「ジャイロスコープ１００」及び「ＭＥＭＳジャイロスコープ１００」とも称される。

【0010】

図１Ｃに示されるように、音叉式ジャイロスコープ１００は、図１Ａ及び図１Ｂに示される傾斜磁場dB_z/dx内に位置している。図示の例では、磁場B1のZ成分は、第１導電性プルーフマス１１０に入射しており、磁場B2のZ成分は、第２導電性プルーフマス１２０に入射している。

【0011】

音叉式ジャイロスコープ１００は、第１導電性プルーフマス１１０及び第２導電性プルーフマス１２０を備えている。図１Ｃの電気抵抗中間ポイント１７１は、第１導電性プルーフマス１１０の端１１２からの接続体の電気抵抗が、第１導電性プルーフマス１１０の端１１１からの接続体の電気抵抗と等しいポイントであり、該電気抵抗はまた、第２導電性プルーフマス１２０の端１２２からの接続体の電気抵抗と等しく、さらに、第２導電性プルーフマス１２０の端１２１からの接続体の電気抵抗とも等しいものである。

【0012】

音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１００の第１導電性プルーフマス１１０及び第２導電性プルーフマス１２０は、モータモード（音叉共鳴モード:tuning fork resonant mode）において、X軸に沿って、相対する速度+V_x及び-V_xで移動する。上述のように、透過性磁性材料がＭＥＭＳジャイロスコープ１００付近又はジャイロスコープのパッケージ内にある場合、一様な印加磁場B_extは、透過性材料１５（図１Ａ）を磁化し、それによって、ＭＥＭＳジャイロスコープセンサ１００で傾斜磁場dB_z/dxが発生する。透過性材料における残留磁化によってもまた、ＭＥＭＳジャイロスコープセンサ１００で傾斜磁場dB_z/dxが発生する。傾斜磁場dB_z/dxに対する音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１００の磁気感度は、誘導されたemfによる電位差を有するプルーフマス１１０及び１２０各々の、第２端１１２及び１２２と第１端１１１及び１２１の間に、電気抵抗中間ポイント１７１を提供することによって、実質的に低減又は排除される。

【0013】

２つの導電性プルーフマス１１０及び１２０は、導電性サスペンション１５０〜１５５、１１３、１１４、１２３及び１２４、第１サスペンションバー１３３、及び第２サスペンションバー１３４を介して、１又は複数の絶縁基板１２９に結合された導電性アンカーと電気的に接続されている。本明細書において、「導電性の第１及び第２プルーフマス１１０及び１２０」は、「第１及び第２導電性プルーフマス１１０及び１２０」とも称される。

【0014】

アンカー１４５は、第１中間ポイントの固定アンカー１４５である。アンカー１４４は、第２中間ポイントの固定アンカー１４４である。固定電気接続体１７０は、第１中間ポイントの固定アンカー１４５及び第２中間ポイントの固定アンカー１４４間に形成される。図１Ｃの実施形態では、第１中間ポイントの固定アンカー１４５及び第２中間ポイントの固定アンカー１４４は、２つの導電性プルーフマス１１０及び１２０との中間位置にある平面に配置されている。

【0015】

導電性サスペンション１５０〜１５５及び１１３、１１４、１２３及び１２４は、導電性アンカーサスペンション１５０〜１５５及び導電性プルーフマスサスペンション１１３、１１４、１２３及び１２４を含む。各アンカーサスペンション１５０〜１５５は一端を、各々のアンカー１４０〜１４５と機械的に結合されている。別の一端に関しては、アンカーサスペンション１５２、１５３及び１５５の第１部分は、第１サスペンションバー１３３と機械的に連結されおり、アンカーサスペンション１５０、１５１及び１５４の第２部分は、第２サスペンションバー１３４と機械的に連結されている。本明細書において、アンカーサスペンション１５５は、第１中間ポイントサスペンション１５５とも称され、また第２アンカーサスペンション１５４は、第２中間ポイントサスペンション１５４とも称される。本明細書に記載の機械的連結は、機械的に連結されたコンポーネント間に、電気的な接続ポイントを提供している。

【0016】

第１プルーフマスサスペンション１１３は、第１プルーフマス１１０の第１端１１１を第１サスペンションバー１３３に機械的及び電気的に接続している。第２プルーフマスサスペンション１２３は、第２プルーフマス１２０の第１端１２１を第１サスペンションバー１３３に機械的及び電気的に接続している。第３プルーフマスサスペンション１１４は、第１プルーフマス１１０の第２端１１２を第２サスペンションバー１３４に機械的及び電気的に接続している。第４プルーフマスサスペンション１２４は、第２プルーフマス１２０の第２端１２２を第２サスペンションバー１３４に機械的及び電気的に接続している。

【0017】

第１中間ポイントサスペンション１５５は、第１中間ポイント固定アンカー１４５を第１サスペンションバー１３３に機械的及び電気的に接続している。第１中間ポイント固定アンカー１４５は、固定電気接続体１７０に電気的に接続されているため、固定電気接続体１７０は、第１プルーフマス１１０の第１端１１１及び第２プルーフマス１２０の第１端１２１の両方と、電気的に接続されていることになる。

【0018】

第２中間ポイントサスペンション１５４は、第２中間ポイント固定アンカー１４４を第２サスペンションバー１３４に機械的及び電気的に接続している。第２中間ポイント固定アンカー１４４は、固定電気接続１７０と電気的に接続されているため、第１プルーフマス１１０の第２端１１２及び第２プルーフマス１２０の第２端１２２の両方と電気的に接続されていることになる。

【0019】

第１導電性プルーフマス１１０及び第２導電性プルーフマス１２０は、プルーフマスサスペンション１１３、１１４、１２３、１２４、第１サスペンションバー１３３、第２サスペンションバー１３４、及びアンカーサスペンション１５０〜１５５によって、絶縁基板１２９の上方に取り付けられている。本明細書では、２つの導電性プルーフマス１１０及び１２０、プルーフマスサスペンション１１３、１１４、１２３、１２４、サスペンションバー１３３及び１３４、アンカーサスペンション１５０、１５１、１５２、１５３、１５４、１５５、及び２つの導電性プルーフマス１１０及び１２０の下方にある絶縁基板１２９は、ジャイロスコープセンサメカニズム１６０と総称され、音叉共鳴モードの周波数で、モータ軸Xに沿って移動する。

【0020】

動作状態において、取り付けられているプルーフマス１１０及び１２０は、音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１００の駆動力に応答して、音叉共鳴モードの周波数で、モータ軸Xに沿って移動する。プルーフマス１１０及び１２０の移動によって、通信可能に接続された感知電荷増幅器１３０に電荷が流れ込む。このＡＣ電流のためのリターンパスは、図２のC_pmで示されるキャパシタンスによって提供され、プルーフマス１１０及び１２０をＡＣ接地に結合している。このキャパシタンスは、例えば感知キャパシタンス、駆動キャパシタンス、寄生キャパシタンス等である。本明細書において、「ＡＣ接地」は、音叉共鳴モードの周波数において無視できる程度のわずかなインピーダンスを有する接地への電気的な接続を表している。図１Ｃの点線１１５及び１２５は、各々のプルーフマス１１０及び１２０を、ＡＣ接地に結合するキャパシタンスC_pmを示している。キャパシタンスC_pmは、基板上の平板、又はプルーフマスの近傍のインターデジタルコームフィンガ等の多様な幾何学的形状の電極を含む。

【0021】

感知電荷増幅器１３０は、固定電気接続１７０上の点である電気抵抗中間ポイント１７１から提供される入力を受信する。図１Ｃに示されるように、固定電気接続１７０の電気抵抗中間ポイント１７１は、第１プルーフマス１１０及び第２プルーフマス１１２各々の、第１端である１１１及び１２１と第２端である１１２及び１２２との中間点である。感知電荷増幅器１３０は、音叉共鳴モードを示す出力信号V_outを発生する。感知電荷増幅器１３０は、自身の入力１５６において、仮想接地を提供する。このようにして、仮想接地が固定電気接続１７０の電気抵抗中間ポイント１７１に提供され、第１中間ポイント固定アンカー１４５及び第２中間ポイント固定アンカー１４４と接続されることになる。

【0022】

モータ軸Xに沿った傾斜磁場dB_z/dxの存在下で、第１プルーフマス１１０及び第２プルーフマス１２０が、反対の速度（例：-V_x及び+V_x）でX軸に沿って振動運動で移動する時、固定電気接続１７０の電気抵抗中間ポイント１７１で、傾斜磁場dB_z/dxに応答して電圧が発生することはない。出力信号V_outは傾斜磁場dB_z/dxに依存していない。

【0023】

移動しているプルーフマス１１０及び１２０の自由電荷にかかるローレンツ力は、各プルーフマス１１０、１２０において、電荷分離を発生させる。電荷キャリアにかかるローレンツ力による、プルーフマス１１０における電荷分離を図２に示す。磁場B_z内のプルーフマス１１０及び１２０の振動速度に起因して、電荷分離は符号で振動しており、図１ＣにB₁及びB₂で示されている。感知電荷増幅器１３０は、自身の入力で仮想接地を提供するため、プルーフマス１１０の接続端１１１、１１２及びプルーフマス１２０の接続端１２１、１２２は、ほぼ仮想接地となる。感知電荷増幅器１３０とプルーフマス１１０及び１２０の間にある接続体１５６には、抵抗R₁、R₂及びR₃（図２）が存在するが、この抵抗は小さいため、この抵抗によって通常発生する仮想接地からの偏差は無視してよい。R₂及びR₃は実質的には等しいので、傾斜磁場dB_z/dxによって発生する電圧V_outはゼロに等しい。

【0024】

プルーフマスの１端のみが仮想接地に接続されている場合（図８で示される従来技術の音叉式ジャイロスコープ５のように）、プルーフマスの長さLy（図１Ｃ及び８）における接地に関するＡＣ電圧の平均は、ゼロではないであろう。従来技術の音叉式ジャイロスコープ５では、このＡＣ電圧が、プルーフマス１０及び２０とＡＣ接地間のキャパシタンスC_pmにおいて正味の電流を発生させている。この電流は、感知電荷増幅器３０に流れ込み、出力信号V_outを発生させる。Z軸に沿う磁場の存在下において、X軸に沿ってプルーフマス１０が移動することによって発生する、プルーフマス１０のY軸の長さLyとクロスするemfは、
V_emf = v_x*B_z*L_y （１）
によって求められる。
式（１）において、v_xは軸Xのプルーフマス１０の速度であり、B_zは、Z軸のプルーフマス１０によって経験される磁場であり、L_yは、Y軸のプルーフマス１０の長さである。２つのプルーフマス１０及び２０は反対方向に移動するので、一様な磁場は、感知電荷増幅器３０で正味の電流を発生しない（少なくともこのサンプルモデルにおいては）。

【0025】

従来技術の音叉式ジャイロスコープ５（図８）は、電気抵抗中間ポイント１７１を備えておらず、且つ、感知電荷増幅器３０の入力がアンカー４５と接続されているので、X軸の磁場B_zの勾配によって、出力信号が発生してしまう。従来技術の音叉式ジャイロスコープ５に関して、感知電荷増幅器３０での出力電圧（図２の回路における集中定数近似と仮定して）は、
V_out ≒ 2ω_mot*x₀dB_z/dx*Δx*L_y*C_pm/C_f （２）
によって求められる。
式（２）において、ω_motはプルーフマスのモータ周波数であり、x₀はプルーフマスのモータ移動の振幅であり、dB_z/dxは磁場の勾配であり、△xはジャイロの中心から１プルーフマスの中心との間の距離であり、L_yはy方向におけるプルーフマスの長さであり、C_pmは１プルーフマスのＡＣ接地につながるキャパシタンスであり、C_fは感知電荷増幅器におけるフィードバックキャパシタンスである。

【0026】

しかしながら、図１Ｃの感知電荷増幅器１３０は、固定電気接続１７０の電気抵抗中間ポイント１７１から提供される入力を受信するよう構成されており、また、R₂ ≒ R₃に設定されているので、感知電荷増幅器１３０の入力における電流は、プルーフマス１１０及び１２０の各サイドからほぼ等しく且つ符号が反対となる。このように、感知電荷増幅器１３０の入力における電流は、ほぼゼロであるから、音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１００において、傾斜磁場dB_z/dxによって出力信号V_outが発生することはない。

【0027】

図３は、例示の傾斜磁場dB_z/dxにおけるプルーフマス１１０及び１２０に関する一実施形態の側面図である。磁場のZ成分は、Xの関数として変化する。すなわち、音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１００の例において、該磁場は、プルーフマス１１０及び１２０のモータ軸（X軸）に沿って勾配を有している。図１Ｃ及び図３では、磁場B_zの振幅は、B₁（プルーフマス１１０のほぼ中央でマイナスZ方向）及びB₂（プルーフマス１２０のほぼ中央でプラスZ方向）で示されている。音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ例１００は、プルーフマス１１０でのB_zの積分がプルーフマス１２０のそれと等しく且つ反対になるような、任意の空間的に変化する磁場に感応しない。

【0028】

図４は、図１Ｃの音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１００の集中回路の一実施形態である。図４は、プルーフマス１１０及び１２０の両方及び感知電荷増幅器１３０のための等価回路を示す。図１及び図２で示されるプルーフマス１１０及び１２０の各々に関する分布キャパシタンス及びemf（電荷分離）は、図４では、１つの集中キャパシタンス及び２つの集中電圧源に置き替えられている。

【0029】

感知電荷増幅器１３０は電気抵抗中間ポイント１７１で接続されており、電気抵抗中間ポイント１７１は、第１中間ポイント固定アンカー１４５及び第２中間ポイント固定アンカー１４４間に形成される、固定電気接続体１７０上の点であるので、電気抵抗中間ポイント１７１と、プルーフマス１１０及び１２０各々の第２端である１１２及び１２２並びに第１端である１１１及び１２１の間にある電気抵抗は等しい。この接続ポイント１７１では、ジャイロスコープセンサメカニズム１６０のシンメトリによって、誘導されたemfによって発生する電圧はゼロである。固定電気接続体１７０の抵抗は有限であるが小さいため、感知電荷増幅器の出力V_outにおいて実質的なノイズとなることはない。ジャイロスコープセンサメカニズム１６０からの所望の回転レート信号は、図１及び図２で示されるように、感知電荷増幅器１３０をプルーフマス１１０及び１２０の第２端である１１２及び１２２並びに第１端である１１１及び１２１の両方に接続することによって、影響を受けることはない。

【0030】

図５は、本発明に係る音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１０１の集中回路の一実施形態である。図６は、図５の音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１０１についての実施形態のブロック図である。音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１０１（図５）は、音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１００（図４）と類似しているが、感知電荷増幅器１３０が、各プルーフマス１１０及び１２０にではなくて、キャパシタンス電極１１５及び１２５に接続されており、且つ固定電気接続体１７０の電気抵抗中間ポイント１７１が、ＡＣ接地に接続されていることが異なっている。音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１０１は、キャパシタンスC_S1及びC_S2のそれぞれに印加されるバイアス電圧である+V_SB及び-V_SBを含む。感知キャパシタンスC_S1及びC_S2は、音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１００に関する図２において示されるキャパシタンスC_pmの一部を形成する。

【0031】

プルーフマス１１０及び１２０は、抵抗R₂及びR₃間のノードでＡＣ接地と接続されており、これら抵抗は実質的に等しい。音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１０１において、プルーフマス１１０及び１２０をＡＣ接地に接続することにより、プルーフマス１１０及び１２０が傾斜磁場内を移動する時に、感知キャパシタンスC_S1及びC_S2ではゼロ（０）電流が発生する。従って、傾斜磁場は、感知電荷増幅器でゼロ（０）電流を発生することになる。
図５に示されるバイアスの±V_SBがあるため、ジャイロスコープセンサメカニズム１６０の回転によって発生するプルーフマス１１０及び１２０の感知軸差動振動運動（differential sense-axis oscillatory motion）は、感知電荷増幅器１３０への入力で、ゼロではないＡＣ電流を発生する。

【0032】

音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１０１は、傾斜磁場dB_z/dxの存在下で、モータモードにおいて、+v_x及び-v_xの相反する速度でX軸に沿って移動するプルーフマス１１０及び１２０を示している（図６）。上述したように、透過性磁性材料がＭＥＭＳジャイロスコープ１０１の近傍又はジャイロスコープのパッケージ内にある場合、一様な印加磁場が透過性材料を磁化してしまい、それによってＭＥＭＳジャイロスコープセンサ１０１で傾斜磁場が発生する。また、透過性材料における残留磁化によって、ＭＥＭＳジャイロスコープ１０１で傾斜磁場が発生することがある。音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１０１は、傾斜磁場dB_z/dxに感応しない。

【0033】

音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１００及び１０１は、面内(in-plane)の音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１００及び１０１であり、１又は複数の絶縁基板１２９の面に平行する軸に関する回転を測定する。図７は、面外(out-of-plane)の音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１０２の一実施形態のブロック図であり、１又は複数の絶縁基板１２９の面と垂直の軸に関するの回転を測定する。本発明によると、面外の音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１０２は、電気抵抗中間ポイント１７１を有している。面外の音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１０２のプルーフマス１１０及び１２０は、音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１００及び１０１のプルーフマス１１０及び１２０とは形状が異なっている。面外の音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１０２のキャパシタンス電極１１５及び１２５は、１又は複数の絶縁基板１２９内に存在し、且つＤＣ接地に接続されているが、これは、図７には示していない。感知キャパシタンス電極１１７及び１２７は、プルーフマス１１０及び１２０と同じ導電性材料で形成されるインターデジタルコームフィンガであり、感知バイアス電圧+V_SB及び-V_SBを介してＡＣ接地と接続されているが、これは図７には示していない。この実施形態では、面外の音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１０２は、ＡＣ接地に接続された電気抵抗中間ポイント１７１を有するよう構成され、感知電荷増幅器１３０への入力は、図５で示される接続と同じ様式で、感知キャパシタンス電極１１７及び１２７に接続されている。

【0034】

図９は、本発明に係る磁場勾配計１０４の一実施形態のブロック図である。磁場勾配計１０４は、第１導電性プルーフマス１０、第２導電性プルーフマス２０、及び感知電荷増幅器３０を備えている。第１導電性プルーフマス１０は、導電性サスペンション１３、１４、３３及び３４を介して、１又は複数の絶縁基板２９に取り付けられているアンカー４０〜４５に接続されている。第２導電性プルーフマスは、導電性サスペンション２３、２４、３３及び３４を介して、１又は複数の絶縁基板２９に取り付けられているアンカー４０〜４５に接続されている。本明細書では、２つの導電性プルーフマス１０及び２０、プルーフマスサスペンション１３、１４、２３、２４、サスペンションバー１３３及び１３４、アンカーサスペンション５０、５１、５２、５３、５４、５５、並びに２つの導電性プルーフマス１０及び２０の下方にある絶縁基板２９は、磁場勾配計センサメカニズム６０と総称され、音叉共鳴モード（モータモード）の周波数で、モータ軸Xに沿って移動する。

【0035】

第１及び第２プルーフマス１０及び２０は、ＤＣ接地に容量結合されている。感知電荷増幅器３０は、アンカーの１つ（例：アンカー４５）からの第１入力及びＤＣ接地からの第２入力を受信するよう構成される。第１導電性プルーフマス及び第２導電性プルーフマスが傾斜磁場にさらされている場合、感知電荷増幅器３０は、傾斜磁場を示す出力信号を発生する。第１導電性プルーフマス及び第２導電性プルーフマスが、加速や回転の影響を受けている場合、感知電荷増幅器３０は、加速又は回転を示す出力信号を発生しない。

【0036】

磁場勾配計１０４のアンカー及びサスペンションは、従来技術の音叉式ジャイロスコープ５（図８）のアンカー及びサスペンションと構成が類似している。磁場勾配計１０４におけるプルーフマス１０及びプルーフマス２０は、感知キャパシタンス電極１５及び２５を介してＤＣ接地に容量結合されるので、従来技術の音叉式ジャイロスコープ５において回転力の感知を可能にしていたバイアス電圧は、除去される。式（２）におけるdB_z/dxの乗数である2ω_mot*x₀Δx*L_y*C_pm/C_fを増大させることで、感知電荷増幅器からの出力V_outも増大する。磁場勾配計１０４におけるプルーフマス１０及び２０の幾何学的形状は、L_yを増大するために調節することが可能であり、それによって乗数を増大することができる。ＤＣ接地へのキャパシタンスC_pmが増大するにつれて、磁場勾配計１０４の感度も向上する。各プルーフマスの中心及び磁場勾配計６０の中心の間の距離△xが増大するにつれて、磁場勾配計１０４の感度も向上する。プルーフマスのモータ移動の振幅であるx₀が増大するにつれて、磁場勾配計１０４の感度も向上する。プルーフマスの運動のモータ周波数である2ω_motが増大するにつれて、磁場勾配計１０４の感度も向上する。磁場勾配計１０４は、傾斜磁場dB_z/dxを検出するために、印加バイアス電流を必要としない。

【0037】

図１０は、本発明に係る磁場勾配計１０８の一実施形態のブロック図である。磁場勾配計１０８は、第１導電性プルーフマス１０、第２導電性プルーフマス２０、及び読み出し増幅器８５を備えている。第１導電性プルーフマス１０は、導電性サスペンション１３、１４、３３及び３４を介して、１又は複数の絶縁基板２９に取り付けられているアンカー４０〜４５に接続されている。第２導電性プルーフマスは、導電性サスペンション２３、２４、３３及び３４を介して、１又は複数の絶縁基板２９に取り付けられているアンカー４０〜４５に接続されている。本明細書では、２つの導電性プルーフマス１０及び２０、プルーフマスサスペンション１３、１４、２３、２４、サスペンションバー１３３及び１３４、アンカーサスペンション５０、５１、５２、５３、５４、５５、並びに２つの導電性プルーフマス１０及び２０の下方にある絶縁基板２９は、磁場勾配計センサメカニズム６０と総称され、音叉共鳴モード（モータモード）の周波数で、モータ軸Xに沿って移動する。プルーフマス及び接地間の容量結合が磁場勾配計１０８の運転に与える影響は無視できるものであるが、それは磁場勾配計１０８等のＭＥＭＳ音叉共鳴センサでは、容量結合の値は通常は打ち消される（encounter）からである。

【0038】

読み出し増幅器８５は、第１中間ポイント固定アンカー４５からの第１入力及び第２中間ポイント固定アンカー４４からの第２入力を受信するよう構成される。すなわち、読み出し増幅器８５は、第１中間ポイント固定アンカー４５及び第２中間ポイント固定アンカー４４の電圧差を読み出すために接続されている。このようにして、出力電圧V_outは、プルーフマス１０の第１端１１及び第２端１２間の誘導されたemfを、直接測定することができる。同様にして、出力電圧V_outは、導電プルーフマス２０の第１端２１及び第２端２２間の誘導されたemfを、直接測定することができる。キャパシタンスは、該電流に関するリターンパスを提供していない。この磁場勾配計１０８は、磁場勾配計１０４よりも、傾斜磁場に対する感度が高い。

【0039】

第１導電性プルーフマス及び第２導電性プルーフマスが傾斜磁場にさらされている場合、読み出し増幅器８５は、傾斜磁場を示す出力信号V_outを発生する。第１導電性プルーフマス及び第２導電性プルーフマスが、加速又は回転の影響を受けている場合、読み出し増幅器８５は、加速又は回転を示す出力信号を発生しない。

【0040】

磁場勾配計１０８のアンカー及びサスペンションは、磁場勾配計１０４（図９）のアンカー及びサスペンションと構成が類似している。磁場勾配計１０４と関連して上述されたように、磁場勾配計１０８は、感度を最大化するよう構成することが可能である。磁場勾配計１０８は、傾斜磁場dB_z/dxを検出するために、印加バイアス電流を必要としない。

【0041】

図１１は、本発明に係る、傾斜磁場の存在下での音叉式ジャイロスコープの出力におけるバイアスを低減又は排除するための方法１０００の一実施形態のフロー図である。音叉式ジャイロスコープは、図１、図６、図７の各図に示されている、音叉式ジャイロスコープ１００、１０１又は１０２である。

【0042】

ブロック１１０２では、２つの導電性プルーフマスが、少なくとも１つの絶縁基板の上方に取り付けられている。ブロック１１０４では、電気抵抗中間ポイントが、２つの導電性プルーフマスの対向端に、電気的に接続されている。２つの導電性プルーフマスの対向端からの接続の電気抵抗は、電気抵抗中間ポイントにおいて等しい。音叉式ジャイロスコープに接続されている感知電荷増幅器１３０は、音叉式ジャイロスコープの回転を示す出力信号を発生する。音叉式ジャイロスコープの出力で発生された出力信号は、音叉式ジャイロスコープによって経験される傾斜磁場に依存していない。このようにして、傾斜磁場dB_z/dxに対する音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープの磁気感度は、実質的に低減又は排除される。

【0043】

図１Ｃ、図７の各図に示される音叉式ジャイロスコープ１００、１０２に方法１１００を適用すると、電気抵抗中間ポイント１７１は、感知電荷増幅器１３０の１入力と接続され、且つ、感知電荷増幅器の第２入力がＡＣ接地に接続され、一方、２つの導電性プルーフマス１１０及び１２０は、ＡＣ接地に容量結合される。

【0044】

図６の音叉式ジャイロスコープ１０１に方法１１００を適用すると、電気抵抗中間ポイント１７１はＡＣ接地に接続され、２つの導電性プルーフマス１１０及び１２０は、バイアス電圧を有する１又は複数の感知キャパシタンス電極１１５及び１２５に容量結合され、且つ、感知電荷増幅器１３０の入力が、１又は複数の感知キャパシタンス電極１１５及び１２５に接続される。

【0045】

この実施形態では、固定電気接続１７０は、音叉式ＭＥＭＳジャイロスコープ１００の絶縁基板１２９上に、リソグラフィ技術でパターン化された(lithographically patterned)金属である。この実施形態の別の実装では、固定電気接続１７０は、プルーフマス１１０及び１２０と同じ導電性材質から形成される。この実施形態のさらに別の実装では、固定電気接続１７０は、ジャイロスコープセンサメカニズム１６０の外部の接続である。この実施形態のさらにまた別の実装では、プルーフマス１１０及び１２０は、ドープシリコンから形成される。この実施形態の一実装では、固定電気接続１７０は、絶縁基板１２９上に形成される。この実施形態の別の実装では、第２絶縁基板が第１及び第２プルーフマス１１０及び１２０上に配置される。後者の実施形態では、１又は複数のアンカーは、第２絶縁基板上に存在する。この実施形態のさらに別の実装では、電気抵抗中間ポイント１７１は、第１導電性プルーフマス１１０及び第２導電性プルーフマス１２０と同じ導電性材質から形成される。

【0046】

以下の請求項で規定される本発明についての多くの実施形態を記載した。しかしながら、上述の実施形態に対して、本請求項に係る発明の精神及び範囲を逸脱すことなく、多様な変形が可能であることが理解されるであろう。したがって、別の実施形態も、以下に記載の請求項の範囲に含まれる。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】