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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-09-26
(54)【発明の名称】慣性センサおよび方法
(51)【国際特許分類】
G01C 19/5691 20120101AFI20240918BHJP
B81B 3/00 20060101ALI20240918BHJP
G01C 21/26 20060101ALI20240918BHJP
【ＦＩ】
G01C19/5691
B81B3/00
G01C21/26 A
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024513299
(86)(22)【出願日】2022-08-19
(85)【翻訳文提出日】2024-04-04
(86)【国際出願番号】 GB2022052152
(87)【国際公開番号】W WO2023026026
(87)【国際公開日】2023-03-02
(31)【優先権主張番号】2112239.5
(32)【優先日】2021-08-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】524069536
【氏名又は名称】シリコン・マイクログラビティ・リミテッド
【氏名又は名称原語表記】Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｍｉｃｒｏｇｒａｖｉｔｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ
(74)【代理人】
【識別番号】100145403
【弁理士】
【氏名又は名称】山尾 憲人
(74)【代理人】
【識別番号】100132241
【弁理士】
【氏名又は名称】岡部 博史
(74)【代理人】
【識別番号】100183265
【弁理士】
【氏名又は名称】中谷 剣一
(72)【発明者】
【氏名】パラジュリ，マダン
(72)【発明者】
【氏名】セシア，アシュウィン
【テーマコード（参考）】
2F105
2F129
3C081
【Ｆターム（参考）】
2F105AA02
2F105AA03
2F105AA05
2F105BB01
2F105CC04
2F105CD03
2F105CD05
2F129AA03
2F129AA11
2F129BB20
2F129BB22
2F129BB26
3C081AA01
3C081AA13
3C081BA22
3C081BA33
3C081BA44
3C081BA48
3C081BA53
3C081CA13
3C081CA45
3C081DA03
3C081DA04
3C081EA02
(57)【要約】
中央アンカーと、中央アンカーを取り囲む、プルーフマスと、屈曲部と、複数の電極とを含む慣性センサが開示される。屈曲部は、第１の向きで中央アンカーの周りを各々巻いている第１の複数の螺旋状アームと、第２の向きで中央アンカーの周りを各々巻いている第２の複数の螺旋状アームとを含む形状を有し、第２の向きは前記第１の向きとは反対である。アームの各々は、中央アンカーとプルーフマスとの間に接続されている。有利には、この構成ではアンカー損失によって失われるエネルギーおよび熱弾性散逸が低減され、振動モードのより高い品質係数をもたらす。
【選択図】図２
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
中央アンカーと、前記中央アンカーを取り囲む、プルーフマスと、
屈曲部と、
複数の電極と、
を備え、
前記屈曲部は、第１の螺旋状アームセットを含む形状を有し、
前記第１の螺旋状アームセットは、第１の複数のＮ個の螺旋状アームと及び第２の複数のＮ個の螺旋状アームを含み、
Ｎは１より大きい整数であり、
前記アームの各々は、前記中央アンカーと前記プルーフマスとの間に接続され、第１の平面内に位置し、
前記第１の複数のＮ個の螺旋状アームの前記アームの各々は、第１の向きで前記中央アンカーの周りを巻いており、
前記第２の複数のＮ個の螺旋状アームの前記アームの各々は、第２の向きで前記中央アンカーの周りを巻いており、
前記第２の向きは前記第１の向きとは反対であり、
前記複数の電極は、
第１の振動モードで前記プルーフマスを駆動するための少なくとも１つの駆動電極と、
第２の振動モードで前記プルーフマスの応答を感知するための少なくとも１つの感知電極と、
を含む、
慣性センサ。
【請求項2】
前記第１の複数のＮ個の螺旋状アームの前記アームが、前記中央アンカーの周りに３６０／Ｎ度の間隔で等間隔に配置されている、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項3】
前記第２の複数のＮ個の螺旋状アームの前記アームが、前記中央アンカーの周りに３６０／Ｎ度の間隔で等間隔に配置されている、請求項１または２に記載の慣性センサ。
【請求項4】
前記第１の複数のＮ個の螺旋状アーム内の前記アームの各々が、前記第２の複数のＮ個の螺旋状アームからのすべての前記アームと少なくとも１回合流するかまたは交わる、請求項１、２または３に記載の慣性センサ。
【請求項5】
前記屈曲部が、前記第１の平面に垂直な軸を中心としたＮ回回転対称性を呈する、請求項１から４のいずれか一項に記載の慣性センサ。
【請求項6】
前記中央アンカー、前記屈曲部および前記プルーフマスが、前記第１の平面に垂直な軸を中心としたＮ回回転対称性を各々呈する、請求項１から５のいずれか一項に記載の慣性センサ。
【請求項7】
前記屈曲部が、各四つ葉形が隣接する四つ葉形に対して４５度回転された、複数の入れ子になった四つ葉形を含む形状を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の慣性センサ。
【請求項8】
前記屈曲部が、前記第１の螺旋状アームセットの周りに同心円状に入れ子になった第２の螺旋状アームセットを含む形状を有し、前記第２の螺旋状アームセットは、第１の複数のＮ個の螺旋状アームおよび第２の複数のＮ個の螺旋状アームを含み、
前記第１の複数のＮ個の螺旋状アームの前記アームの各々は、第１の向きで前記中央アンカーの周りを巻いており、
前記第２の複数のＮ個の螺旋状アームの前記アームの各々は、第２の向きで前記中央アンカーの周りを巻いており、
前記第２の向きが前記第１の向きとは反対であり、
前記第２の螺旋状アームセットの前記アームが、前記第１の螺旋状アームセットの前記アームとは異なる曲率または形状を有することが可能である、
請求項１から７のいずれか一項に記載の慣性センサ。
【請求項9】
前記屈曲部が、さらなる螺旋状アームセットを含む形状を有し、前記螺旋状アームセットが同心円状に入れ子になっている、請求項８に記載の慣性センサ。
【請求項10】
各アームは、前記中央アンカーに接続された第１の端部と、
前記プルーフマスに接続された第２の端部と、
を有し、
前記第１の端部は、前記アームの前記第２の端部から最も遠い前記中央アンカー上の点で前記中央アンカーに接続する、
請求項１から９のいずれか一項に記載の慣性センサ。
【請求項11】
前記プルーフマスがリング状である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の慣性センサ。
【請求項12】
前記プルーフマスが、０．１ミリメートル～１０ミリメートルの内径を有する、請求項１１に記載の慣性センサ。
【請求項13】
前記プルーフマスが、外径が前記内径よりも大きくなるように、１ミリメートル～２０ミリメートルの前記外径を有する、請求項１２に記載の慣性センサ。
【請求項14】
前記プルーフマスが、０．５マイクロメートル～１０００マイクロメートルの厚さを有する、請求項１から１３のいずれか一項に記載の慣性センサ。
【請求項15】
前記屈曲部が、０．５マイクロメートル～４００マイクロメートルの厚さを有する、請求項１から１４のいずれか一項に記載の慣性センサ。
【請求項16】
前記プルーフマスの厚さが、前記屈曲部の厚さよりも大きい、請求項１から１５のいずれか一項に記載の慣性センサ。
【請求項17】
前記屈曲部は、複数のＮ個の放射状スポークをさらに含む形状を有し、前記放射状スポークの各々は、前記プルーフマスに接続されている、
請求項１から１６のいずれか一項に記載の慣性センサ。
【請求項18】
前記放射状スポークの各々が、前記第１の複数のＮ個の螺旋状アームまたは前記第２の複数のＮ個の螺旋状アームからの少なくとも１つのアームに接続されている、請求項１７に記載の慣性センサ。
【請求項19】
前記放射状スポークの各々が、前記第１の複数のＮ個の螺旋状アームからの少なくとも１つのアーム及び前記第２の複数のＮ個の螺旋状アームからの少なくとも１つのアームに接続されている、請求項１７または１８に記載の慣性センサ。
【請求項20】
前記複数のＮ個の放射状スポークの前記放射状スポークの各々の幅が、２マイクロメートル～５００マイクロメートルである、請求項１７、１８または１９に記載の慣性センサ。
【請求項21】
前記第１の複数のＮ個のアーム及び前記第２の複数のＮ個のアームの前記アームの各々の幅が、２マイクロメートル～５００マイクロメートルである、請求項１から２０のいずれか一項に記載の慣性センサ。
【請求項22】
前記屈曲部及び前記プルーフマスが一体的に構成されている、請求項１から２１のいずれか一項に記載の慣性センサ。
【請求項23】
前記屈曲部及びプ前記プルーフマスが、単一の材料片から形成されている、請求項２２に記載の慣性センサ。
【請求項24】
前記材料は、シリコンである、請求項２３に記載の慣性センサ。
【請求項25】
Ｎが４の整数倍である、請求項１から２４のいずれか一項に記載の慣性センサ。
【請求項26】
Ｎが４に等しい、請求項２５に記載の慣性センサ。
【請求項27】
前記複数の電極が、前記プルーフマスの外側に配置された少なくとも１つの電極を含む、請求項１から２６のいずれか一項に記載の慣性センサ。
【請求項28】
前記複数の電極が、前記プルーフマスの外側に配置されたＸ個の電極を含み、Ｘが４の整数倍である、
請求項１から２７のいずれか一項に記載の慣性センサ。
【請求項29】
Ｘが２４に等しい、請求項２８に記載の慣性センサ。
【請求項30】
前記複数の電極が、前記プルーフマスの内側に配置された少なくとも１つの電極を含む、請求項１から２９のいずれか一項に記載の慣性センサ。
【請求項31】
前記複数の電極が、前記プルーフマスの内側に配置されたＹ個の電極を含み、Ｙが４の整数倍である、
請求項１から３０のいずれか一項に記載の慣性センサ。
【請求項32】
Ｙが１２に等しい、請求項３１に記載の慣性センサ。
【請求項33】
前記慣性センサが、微小電気機械システムまたはＭＥＭＳデバイスである、請求項１から３１のいずれか一項に記載の慣性センサ。
【請求項34】
前記慣性センサがジャイロセンサである、請求項１から３３のいずれか一項に記載の慣性センサ。
【請求項35】
請求項１から３４のいずれか一項に記載の慣性センサを含むナビゲーションシステム。
【請求項36】
請求項１から３４のいずれか一項に記載の慣性センサを使用した慣性センシングの方法であって、少なくとも１つの駆動電極を使用して第１のモードで前記プルーフマスを駆動するステップと、
少なくとも１つの感知電極を使用して第２のモードで前記プルーフマスの応答を感知するステップと、
前記第１のモードの周波数と前記第２のモードの周波数とを一致させるために、前記第２のモードに対して前記第１のモードの周波数を調整するか、または前記第１のモードに対して前記第２のモードの周波数を調整するステップと、
前記第２のモードでの前記プルーフマスの前記応答に基づいて入力測定量の値を計算するステップと
を含む、慣性センシングの方法。
【請求項37】
前記入力測定量の前記値は、前記第１のモードの共振周波数と前記第２のモードの共振周波数との差に基づいて計算される、請求項３６に記載の慣性センシングの方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ジャイロ慣性センサおよび慣性センシングの方法に関する。
【背景技術】
【0002】
慣性センサは、様々な動き感知用途に広く使用されている。これらの用途の例には、ジオリファレンス、地図作製および測量、ならびにハイエンドの産業、輸送、航空宇宙、および自動車用途における自律的な表面／表面下ナビゲーションのための独立したナビゲーションシステムが含まれるが、これらに限定されない。
【0003】
ジャイロ慣性センサは、回転速度または回転角などの角運動に関する情報を提供する慣性センサのサブクラスとみなされる。現代の製造方法の発展に伴い、これらのジャイロ慣性センサがＭＥＭＳベースであることはますます一般的になりつつある。例えば、ＭＥＭＳベースのジャイロ慣性センサは米国特許第７６３７１５６号明細書に記載されている。米国特許第７６３７１５６号明細書に開示されているセンサなどのこれらのセンサは、典型的には、すべて平面内に配置された屈曲構成によって１つまたは複数のアンカーポイントで基板に連結された軸対称構造体を含む。完全に軸対称な構造体は、コリオリ振動ジャイロスコープの実施態様において、一方が駆動モードとして指定され、他方が感知モードとして設計された、固有振動数が一致するいわゆる縮退振動モードを有することができる。その場合、平面内の駆動振動モードでリング部分を駆動するために電極が使用される。平面に垂直な軸の周りでセンサに回転が加えられると、コリオリの力がエネルギーを感知振動モードに結合する。その場合、感知モードにおけるリング部分の振動応答の容量感知に別の電極セットが使用され、角速度または角加速度の検出および計算を可能にする。
【0004】
しかしながら、説明したセンサでは、センサ屈曲部および基板アンカーにおけるエネルギー散逸によるものを含む、いくつかの要因に起因してエネルギー損失が生じる。これらのエネルギー損失は、対象の振動モードのより低い品質係数をもたらす。高い品質係数は、優れたセンサ性能につながる。
【0005】
さらに、高い品質係数の振動モードを有するジャイロ共振センサもまた、ハイエンドの共振感知ならびにタイミングおよび周波数制御の用途に使用することができる。
【0006】
したがって、エネルギー散逸を最小限に抑え、高い品質係数の縮退振動モードまたは縮退に近い振動モードを有する軸対称構造体から構築された慣性センサをもたらす屈曲構成を有する慣性センサを製造することが望ましい。
【発明の概要】
【0007】
本発明は、ここで参照すべき添付の独立請求項に定義されている。
【0008】
第１の態様では、本発明は、中央アンカーと、中央アンカーを取り囲む、プルーフマスと、屈曲部と、複数の電極と、を含む、慣性センサを備える。屈曲部は、第１の螺旋状アームセットを含む形状を有する。第１の螺旋状アームセットは、第１の複数のＮ個の螺旋状アーム及び第２の複数のＮ個の螺旋状アームを含む。Ｎは１より大きい整数である。アームの各々が中央アンカーとプルーフマスとの間に接続され、第１の平面内に位置する。、第１の複数のＮ個の螺旋状アームのアームの各々は、第１の向きで中央アンカーの周りを巻いている。第２の複数のＮ個の螺旋状アームのアームの各々は、第２の向きで中央アンカーの周りを巻いている。第２の向きは、第１の向きとは反対である。複数の電極は、第１の振動モードでプルーフマスを駆動するための少なくとも１つの駆動電極と、第２の振動モードでプルーフマスの応答を感知するための少なくとも１つの感知電極と、を含む。
【0009】
第１の複数の螺旋状アームおよび第２の複数の螺旋状アームのこの配置は、アンカー損失の最小化に寄与し、高い品質係数の振動モードを有する慣性センサをもたらすので有利である。本明細書で使用する場合、「螺旋」という用語は、固定点から螺旋上のありとあらゆる点までの距離が異なる長さのものになるように、連続的に固定点から後退するかまたは固定点に接近しながら固定点の周りを移動する点によって生成される形状を意味する。
【0010】
屈曲部は、第１の複数のＮ個の螺旋状アームのアームが中央アンカーの周りに３６０／Ｎ度の間隔で等間隔に配置されるような形状を有してもよい。屈曲部は、第２の複数のＮ個の螺旋状アームのアームが中央アンカーの周りに３６０／Ｎ度の間隔で等間隔に配置されるような形状を有してもよい。これらの特徴のいずれも、高い品質係数の振動モードが生成されることを可能にするので有利である。
【0011】
屈曲部は、第１の複数のＮ個の螺旋状アーム内のアームの各々が、第２の複数のＮ個の螺旋状アームからのすべてのアームと少なくとも１回合流するかまたは交わるような形状を有してもよい。第１の複数の螺旋状アームおよび第２の複数の螺旋状アームのこの配置は、外側質量を支持する屈曲部の対称配置を可能にする。これにより、所望の縮退モードまたは縮退に近いモードが提供され、面内と面外の両方の衝撃および振動に対する堅牢性が提供される。
【0012】
屈曲部は、単結晶シリコンなどの単一の材料片ら形成されていてもよい。第１の複数のＮ個の螺旋状アームが第２の複数のＮ個の螺旋状アームからのアームと合流するかまたは交わる点は、第１の平面内にあってもよい。有利には、これらの特徴のいずれかにより、慣性センサの製造が単純化され、かつ／または屈曲部の堅牢性が保証されてもよい。屈曲部は、均一な厚さを有してもよい。厚さは、第１の平面に垂直な方向に規定される。
【0013】
屈曲部は、第１の平面に垂直な軸を中心としたＮ回回転対称性を呈してもよい。好ましくは、中央アンカー、屈曲部およびプルーフマスは、第１の平面に垂直な軸を中心としたＮ回回転対称性を各々呈する。有利には、これにより、高い品質係数の縮退振動モードまたは縮退に近い振動モードが生成されることが可能になる。
【0014】
各アームは、中央アンカーに接続された第１の端部と、プルーフマスに接続された第２の端部とを有していてもよく、第１の端部は、アームの第２の端部から最も遠い中央アンカー上の点で中央アンカーに接続する。
【0015】
各アームは、中央アンカーに直接接続された第１の端部を有してもよい。有利には、この特徴は、振動モードのより高い品質係数をもたらしてもよい。あるいは、各アームは、慣性センサの別の構成要素を介して中央アンカーに接続された第１の端部を有していてもよい。
【0016】
各アームは、プルーフマスに直接接続された第２の端部を有してもよい。あるいは、各アームは、慣性センサの別の構成要素を介してプルーフマスに接続された第２の端部を有していてもよい。有利には、これは、振動モードのより高い品質係数をもたらしてもよい。
【0017】
屈曲部は、第１の螺旋状アームセットの周りに同心円状に入れ子になった第２の螺旋状アームセットを含む形状を有してもよい。第２の螺旋状アームセットは、有利には、第１の複数のＮ個の螺旋状アームと、第２の複数のＮ個の螺旋状アームとを含み、第１の複数のＮ個の螺旋状アームのアームの各々は第１の向きで中央アンカーの周りを巻いており、第２の複数のＮ個の螺旋状アームのアームの各々は第２の向きで中央アンカーの周りを巻いており、第２の向きは第１の向きとは反対である。第２の螺旋状アームセットのアームは、第１の螺旋状アームセットのアームとは異なる曲率または形状を有していてもよい。
【0018】
屈曲部は、さらなる螺旋状アームセットを含む形状を有していてもよく、螺旋状アームセットは同心円状に入れ子になっている。
【0019】
屈曲部は、複数の入れ子になった四つ葉形を含む形状を有してもよい。各四つ葉形は、隣接する四つ葉形に対して４５度回転されていてもよい。四つ葉形は、部分的に重なり合う４つの同一の形状の外周として定義される。したがって、四つ葉形は４つの葉を含み、四つ葉形の中心を中心とした４回回転対称性を有する。同一の形状の例には、円、楕円、ルーローの三角形、および他のルーローの多角形が含まれてもよいが、これらに限定されない。中央アンカーは、四つ葉形の中心に位置してもよい。プルーフマスは、すべての四つ葉形を取り囲んでもよい。プルーフマスは、４つの点で四つ葉形に接続されてもよい。好ましくは、プルーフマスは、最も外側の四つ葉形に接続されている。より好ましくは、プルーフマスは、最も外側の四つ葉形の各葉の最も外側の点で最も外側の四つ葉形に接続されている。
【0020】
好ましくは、屈曲部は、各四つ葉形が隣接する四つ葉形に対して４５度回転された、４つの入れ子になった四つ葉形を含む形状を有する。屈曲部は、上述のように、第１の複数のＮ個の螺旋状アームおよび第２の複数のＮ個の螺旋状アームの配置の結果として各四つ葉形が隣接する四つ葉形に対して４５度回転された、複数の入れ子になった四つ葉形を含む形状を有してもよい。
【0021】
プルーフマスはリング状であってもよい。プルーフマスは、０．１ミリメートル～１０ミリメートルの内径を有していてもよい。好ましくは、プルーフマスは、０．５ミリメートル～９ミリメートルの内径を有する。
【0022】
プルーフマスは、１ミリメートル～２０ミリメートルの外径を有していてもよい。好ましくは、プルーフマスは、１ミリメートル～１０ミリメートルの外径を有する。
【0023】
プルーフマスの幅は、内径から外径までとして測定されてもよい。プルーフマスの幅は、１９ミリメートル～０．０５ミリメートルであってもよい。プルーフマスの幅は、１０ミリメートル～０．１ミリメートルであってもよい。好ましくは、プルーフマスの幅は５ミリメートルから０．５ミリメートルである。より好ましくは、プルーフマスの幅は４ミリメートル～１ミリメートルである。さらにより好ましくは、プルーフマスの幅は、２．５ミリメートル～１ミリメートルである。有利には、プルーフマスのこれらの幅、特にプルーフマスの好ましい幅は、慣性センサの低い熱弾性散逸および高い品質係数を達成してもよい。これにより、ジャイロスコープの高い機械的感度および優れた信号対雑音比が可能になる。
【0024】
プルーフマスの厚さは、屈曲部の厚さよりも大きくてもよい。有利には、これにより、慣性センサの感度および雑音性能が改善される。プルーフマスは、０．５マイクロメートル～１０００マイクロメートルの厚さを有していてもよい。屈曲部は、０．５マイクロメートル～４００マイクロメートルの厚さを有していてもよい。
【0025】
プルーフマスは、第１の質量を有してもよい。屈曲部は、第２の質量を有してもよい。プルーフマスと屈曲部とは合わさって、第１の質量と第２の質量との和に等しい総合質量を有してもよい。第１の質量は、総合質量の５０％～９９．９％であってもよい。第１の質量は、総合質量の７５％～９９．５％であってもよい。好ましくは、第１の質量は、総合質量の９０％～９９％である。より好ましくは、第１の質量は、総合質量の９５％～９９％である。
【0026】
プルーフマスは、第１の体積を有してもよい。屈曲部は、第２の体積を有してもよい。プルーフマスと屈曲部とは合わさって、第１の体積と第２の体積との和に等しい総合体積を有してもよい。第１の体積は、総合体積の５０％～９９．９％であってもよい。第１の体積は、総合体積の７５％～９９．５％であってもよい。好ましくは、第１の体積は、総合体積の９０％～９９％である。より好ましくは、第１の体積は、総合体積の９５％～９９％である。
【0027】
有利には、第１の質量が総合質量のかなりの割合であること、または第１の体積が総合体積のかなりの割合であることは、結果として熱機械的雑音が低い慣性センサをもたらし得、製造公差に対する良好な耐性を提供し得るので、縮退振動モードと縮退に近い振動モードとの間で、製造時の低い周波数分割を達成し得る。これにより、デバイス動作中のモード整合が比較的容易になり得る。これにより、ジャイロスコープの高い機械的感度および優れた信号対雑音比が可能になる。
【0028】
プルーフマスは、１～２０のアスペクト比を有してもよい。アスペクト比は、プルーフマスの厚さに対するプルーフマスの幅の比として定義されてもよい。好ましくは、プルーフマスは、２～１０のアスペクト比を有する。より好ましくは、プルーフマスは、４～８のアスペクト比を有する。有利には、そのようなアスペクト比は、第１の質量が総合質量のかなりの割合になることを可能にし、これにより、高い品質係数の慣性センサが得られる一方で、慣性センサが比較的薄い厚さを保持することも可能になる。
【0029】
有利には、これらの寸法は、慣性センサが一般的なＭＥＭＳ製造技術で使用される寸法に対応することを可能にし、製造を容易にする。
【0030】
屈曲部は、複数のＮ個の放射状スポークをさらに含む形状を有していてもよく、放射状スポークの各々は、プルーフマスに接続されている。有利には、複数のＮ個の放射状スポークはアンカー損失の最小化に寄与し、高い品質係数の振動モードを有する慣性センサをもたらす。
【0031】
放射状スポークの各々は、第１の複数のＮ個の螺旋状アームまたは第２の複数のＮ個の螺旋状アームからの少なくとも１つのアームに接続されてもよい。好ましくは、放射状スポークの各々は、第１の複数のＮ個の螺旋状アームからの少なくとも１つのアームと、第２の複数のＮ個の螺旋状アームからの少なくとも１つのアームとに接続されている。Ｎ個の放射状スポークは、プルーフマスに接続され、中央アンカーの周りに３６０／Ｎ度の間隔で離間されていてもよい。Ｎ個の放射状スポークの各々は、最も外側の四つ葉形に接続されていてもよい。好ましくは、Ｎ個の放射状スポークの各々は、最も外側の四つ葉形の各葉の最も外側の点において最も外側の四つ葉形に接続されている。
【0032】
複数のＮ個の放射状スポークの放射状スポークの各々の幅は、２マイクロメートル～５００マイクロメートルであってもよい。好ましくは、複数のＮ個の放射状スポークの放射状スポークの各々の幅は、２マイクロメートル～５００マイクロメートルである。第１の複数のＮ個のアームおよび第２の複数のＮ個のアームの各々の幅は、２マイクロメートル～５００マイクロメートルであってもよい。好ましくは、第１の複数のＮ個のアームおよび第２の複数のＮ個のアームの各々の幅は、５マイクロメートル～２００マイクロメートルである。幅は、第１の平面に平行な方向に規定される。複数のＮ個の放射状スポークは、アンカー損失の最小化に寄与し、高い品質係数の振動モードを有する慣性センサをもたらす。
【0033】
Ｎは４の整数倍であってもよい。好ましくは、Ｎは４に等しい。
【0034】
有利には、屈曲部とプルーフマスとは、一体的に形成されてもよい。また有利には、屈曲部とプルーフマスとは、単一の材料片から形成されてもよい。これらの２つの特徴のいずれかまたは両方により、製造の単純化が可能になり、製造欠陥の可能性が低減され、振動モードの分裂が最小限に抑えられる。好ましくは、材料はシリコンである。シリコンは、製造およびエッチングの容易さのために選択されてもよい。出発基板がシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハである場合、材料は、単結晶シリコンの２つの別個の層の間に一体化された埋込み二酸化ケイ素層も含んでもよい。
【0035】
複数の電極は、プルーフマスの外側に配置された少なくとも１つの電極を含んでもよい。複数の電極は、プルーフマスの外側に配置されたＸ個の電極を含んでもよく、Ｘは４の整数倍である。Ｘは２４に等しくてもよい。これに関連して、プルーフマスの外側は、慣性センサを第１の平面に垂直に見たときに、プルーフマスの外周によって画定される領域の外側に位置している構成要素によって画定される。
【0036】
プルーフマスの外側に配置された４の整数倍個の電極を含む複数の電極は、第１の振動モードの独立した駆動および第２の振動モードからの応答の測定を可能にする。さらに、プルーフマスの外側に配置された２４個の電極を含む複数の電極は、２つの振動モードの周波数に整合するように、一方の振動モードの周波数を他方の振動モードに対して選択的に調整することを可能にする。これをモード整合と呼ぶ。モード整合は、慣性センサの感度を高める。
【0037】
複数の電極は、プルーフマスの内側に配置された少なくとも１つの電極を含んでもよい。複数の電極は、プルーフマスの内側に配置されたＹ個の電極を含んでもよく、Ｙは４の整数倍である。Ｙは１２に等しくてもよい。これに関連して、プルーフマスの内側は、慣性センサを第１の平面に垂直に見たときに、プルーフマスの内周によって画定される領域内に位置している構成要素によって画定される。有利には、プルーフマスの外側の電極に加えて、プルーフマスの内側に配置された少なくとも１つの電極を有することにより、慣性センサのさらなる調整可能性および変換面積の増加が提供され、容量性フィードスルー効果が打ち消されてもよい。
【0038】
慣性センサは、微小電気機械システムまたはＭＥＭＳデバイスであってもよい。慣性センサは、ジャイロセンサであってもよい。
【0039】
第１の振動モードおよび第２の振動モードは両方ともｃｏｓ（ｎθ）モードであってもよく、ｎは１以上の整数である。好ましくは、第１の振動モードおよび第２の振動モードはｃｏｓ（３θ）モードである。有利には、記載の慣性センサのｃｏｓ（３θ）モードは、高い品質係数を示す。
【0040】
第２の態様では、本発明は、中央アンカーと、中央アンカーを取り囲む、プルーフマスと、プルーフマスと中央アンカーとの間に接続された屈曲部と、を備える、慣性センサである。プルーフマスは、屈曲部によって中央アンカーから懸下されている。屈曲部は、複数の入れ子になった四つ葉形を含む形状を有する。
【0041】
各四つ葉形は、隣接する四つ葉形に対して４５度回転されていてもよい。四つ葉形は、部分的に重なり合う４つの同一の形状の外周として定義される。また、四つ葉形は４つの葉を含み、四つ葉形の中心を中心とした４回回転対称性を有する。同一の形状の例には、円、楕円、ルーローの三角形、および他のルーローの多角形が含まれてもよいが、これらに限定されない。中央アンカーは、四つ葉形の中心に位置してもよい。プルーフマスは、すべての四つ葉形を取り囲んでもよい。プルーフマスは、４つの点で四つ葉形に接続されてもよい。好ましくは、プルーフマスは、最も外側の四つ葉形に接続されている。さらに好ましくは、プルーフマスは、最も外側の四つ葉形の各葉の最も外側の点で最も外側の四つ葉形に接続されている。
【0042】
好ましくは、屈曲部は、各四つ葉形が隣接する四つ葉形に対して４５度回転された、４つの入れ子になった四つ葉形を含む形状を有する。屈曲部は、上述のように、第１の複数のＮ個の螺旋状アームおよび第２の複数のＮ個の螺旋状アームの配置の結果として各四つ葉形が隣接する四つ葉形に対して４５度回転された、複数の入れ子になった四つ葉形を含む形状を有してもよい。
【0043】
第３の態様では、本発明は、本発明の第１または第２の態様による任意の実施形態に記載される慣性センサを含むナビゲーションシステムを含む。
【0044】
第４の態様では、本発明は、本発明の第１または第２の態様による任意の実施形態に記載される慣性センサを使用した慣性センシングの方法を含み、方法は、少なくとも１つの駆動電極を使用して第１の振動モードでプルーフマスを駆動するステップと、少なくとも１つの感知電極を使用して第２の振動モードでプルーフマスの応答を感知するステップと、第１の振動モードの周波数と第２の振動モードの周波数とを一致させるために、第２の振動モードに対して第１の振動モードの周波数を調整するか、または第１の振動モードに対して第２の振動モードの周波数を調整するステップと、第２の振動モードでのプルーフマスの応答に基づいて入力測定量の値を計算するステップと、を含む。
【0045】
入力測定量の値は、第１のモードの共振周波数と第２のモードの共振周波数との差に基づいて計算されてもよい。有利には、これは、高ダイナミックレンジ測定を可能にし、倍率の温度依存性を低減する可能性を提供する。
【0046】
一態様を参照して説明された特徴は、本発明の任意の他の態様にも適用されてもよい。
【0047】
次に、図を参照して例をさらに説明する。
【図面の簡単な説明】
【0048】
【図1】本発明の第１または第２の態様の第１の実施形態による慣性センサの平面図を示す。
【図2】本発明の第１または第２の態様の第１の実施形態による慣性センサの斜視図を示す。
【図3】本発明の第１または第２の態様の第１の代替の実施形態による慣性センサの平面図を示す。
【図4】本発明の第１または第２の態様の第２の代替の実施形態による慣性センサの平面図を示す。
【図5】電極配置を示す、本発明の第１または第２の態様の第１の実施形態による慣性センサの平面図を示す。
【図6a】本発明の第１または第２の態様の第１の実施形態の縮退振動モードを示す。
【図6b】本発明の第１または第２の態様の第１の実施形態の縮退振動モードを示す。
【図7a】６ａおよび６ｂの縮退振動モードのリングダウン応答を示す。
【図7b】６ａおよび６ｂの縮退振動モードのリングダウン応答を示す。
【図8】本発明の第１または第２の態様の第１または第２の実施形態による慣性センサのアラン分散プロットを示す。
【図9】本発明の第１または第２の態様の第１の実施形態の第１の代替の振動モードを示す。
【図10】本発明の第１または第２の態様の第１の実施形態の第２の代替の振動モードを示す。
【図11】本発明の第１または第２の態様による任意の実施形態に記載される慣性センサを含む、本発明の第３の態様によるナビゲーションシステムの概略図である。
【図12】本発明の第１または第２の態様による任意の実施形態に記載される慣性センサを使用した、本発明の第４の態様による慣性センシングの第１の方法を示す。
【図13】本発明の第１または第２の態様による任意の実施形態に記載される慣性センサを使用した、本発明の第４の態様による慣性センシングの第２の方法を示す。
【図14】本発明の第１または第２の態様による任意の実施形態に記載される慣性センサを使用した、本発明の第４の態様による慣性センシングのさらなる方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【0049】
図１および図２は、それぞれ、本発明の特定の実施形態による慣性センサ１００の平面図および斜視図の概略図である。慣性センサ１００は、中央アンカー１３０と、リング状のプルーフマス１１０と、屈曲部１２０と、を含む。中央アンカー１３０は、基板（図示せず）に取り付けられている。屈曲部１２０は、中央アンカーとプルーフマスの両方に接続されている。屈曲部１２０は、第１の複数の４つの螺旋状アーム１２１と、第２の複数の４つの螺旋状アーム１２２と、４つの放射状スポーク１２３と、をさらに含む。第１の複数の４つの螺旋状アーム１２１、第２の複数の４つの螺旋状アーム１２２、および４つの放射状スポーク１２３はすべて第１の平面内にあり、第１の平面は図１の紙面である。
【0050】
第１の複数の４つの螺旋状アーム１２１のアームの各々は、図１の視点から見たときに、第１の時計回りの向きに中央アンカー１３０の周りを巻いている。第２の複数の４つの螺旋状アーム１２２のアームの各々は、図１の視点から見たときに、第２の反時計回りの向きに中央アンカー１３０の周りを巻いている。したがって、第２の向きは第１の向きとは反対である。
【0051】
第１の複数の４つの螺旋状アーム１２１および第２の複数の４つの螺旋状アーム１２２からアームの各々は、第１の端部で中央アンカー１３０に直接接続されている。
【0052】
第１の複数の４つの螺旋状アーム１２１および第２の複数の４つの螺旋状アーム１２２のアームの各々もまた、第２の端部でプルーフマス１１０に間接的に接続されている。この間接的な接続は、４つの放射状スポーク１２３を介したものである。４つの放射状スポーク１２３の各々は、プルーフマス１１０、第１の複数の４つの螺旋状アーム１２１からの１つのアーム、および第２の複数の４つの螺旋状アーム１２２からの１つのアームに直接接続されている。４つの放射状スポーク１２３は、中央アンカー１３０の周りに９０度の間隔で等間隔に配置されている。
【0053】
中央アンカー１３０へのアームの各々の接続点は、問題のアームの第２の端部から最も遠い中央アンカー１３０上の点にある。これは、第１および第２の複数の４つの螺旋状アーム１２１、１２２の両方の各アームの長さが中央アンカーを中心とする点の周りに１８０度の弧を描くので、アームが１８０度の巻きを完了することとして説明され得る。
【0054】
本発明のこの特定の実施形態では、第１の複数の４つの螺旋状アーム１２１、第２の複数の４つの螺旋状アーム１２２、および４つの放射状スポーク１２３は、単一の材料片から一体的に形成されている。屈曲部のこれらの構成要素はすべて第１の平面内にあり、屈曲部は一定の厚さを有するので、第１の複数の４つの螺旋状アーム１２１および第２の複数の４つの螺旋状アーム１２２からのアームが合流するかまたは交わる点もまた第１の平面内にある。これを、第１の複数の４つの螺旋状アーム１２１と第２の複数の４つの螺旋状アーム１２２との重ね合わせと呼んでもよい。
【0055】
図１および図２の実施形態では、プルーフマスも屈曲部と一体的に形成されている。プルーフマスおよび屈曲部は、シリコンから形成されてもよい。屈曲部およびプルーフマスの寸法は、屈曲部およびプルーフマスの総合質量の９０％以上がプルーフマスに含まれているようなものである。
【0056】
図１および図２における屈曲部１２０の一部分の形状を説明するための代替の方法は、それが複数の同心円状に入れ子になった四つ葉形であることである。第１の複数の４つの螺旋状アーム１２１のアームと第２の複数の４つの螺旋状アーム１２２のアームとは、屈曲部が同心円状に入れ子になった四つ葉形を含み、同心円状に隣接する四つ葉形が互いに対して４５度回転されているように見えるように交差している。第１の複数の４つの螺旋状アーム１２１および第２の複数の４つの螺旋状アーム１２２からのアームが合流する接触するかまたは交わる点は、同心円状に隣接する四つ葉形が合流する点である。同様の屈曲部形状が、異なる整数個の同心円状に入れ子になった四つ葉形から形成され、高い品質係数の同じ利点を提供してもよいことが当業者には理解されよう。
【0057】
入れ子になった四つ葉形は、図１および図２に示すように、ある四つ葉形から次の四つ葉形まで延びる連続的な螺旋状アームを提供するように成形される必要はない。代わりに、四つ葉形は、螺旋状アームセットの同心円状に入れ子になった配置を生じさせるように成形されてもよく、各螺旋状アームセット内の螺旋状アームは、隣接する螺旋状アームセット内の螺旋状アームとは異なる形状または曲率を有する。各螺旋状アームセットは、第１の複数のＮ個の螺旋状アームおよび第２の複数のＮ個の螺旋状アームを含み、Ｎは１より大きい整数であり、第１の複数のＮ個の螺旋状アームのアームの各々は第１の向きで中央アンカーの周りを巻いており、第２の複数のＮ個の螺旋状アームのアームの各々は第２の向きで中央アンカーの周りを巻いており、第２の向きは第１の向きとは反対である。各螺旋状アームセットは、四つ葉形を画定してもよい。各螺旋状アームセット内の各螺旋状アームは、少なくとも一方の端部で、別の螺旋状アームセット内の２つの螺旋状アームに接続する。
【0058】
図３は、本発明の代替の実施形態による慣性センサ２００の平面図の概略図である。この代替の実施形態の慣性センサ２００もまた、中央アンカー２３０と、リング状のプルーフマス２１０と、屈曲部２２０とを含む。プルーフマス２１０および中央アンカー２３０は、図１および図２に示す実施形態のものと同一である。屈曲部２２０は、図１および図２に示す実施形態のものと同様に、第１の複数の４つの螺旋状アーム２２１と、第２の複数の４つの螺旋状アーム２２２と、４つの放射状スポーク２２３とをさらに含む。
【0059】
図３の実施形態は、中央アンカーの周りのアームの各々の巻きの度数が、図１および図２に示す実施形態とは異なる。図３に示す実施形態では、第１および第２の複数の４つの螺旋状アーム２２１、２２２の両方の各アームの長さが中央アンカー２３０を中心とする点の周りに２７０度の弧を描くので、アームの各々は２７０度の巻きを完了する。
【0060】
第１の複数の４つの螺旋状アーム２２１のアームと第２の複数の４つの螺旋状アーム２２２のアームとは、屈曲部が５つの同心円状に入れ子になった四つ葉形を含み、同心円状に隣接する四つ葉形が互いに対して４５度回転されているように交差している。図１および図２に示す実施形態と同様に、第１の複数の４つの螺旋状アーム２２１および第２の複数の４つの螺旋状アーム２２２からのアームが合流するかまたは交わる点は、同心円状に隣接する四つ葉形が合流する点である。
【0061】
図４は、本発明の代替の実施形態による慣性センサ３００の平面図の概略図である。この代替の実施形態の慣性センサ３００もまた、中央アンカー３３０と、リング状のプルーフマス３１０と、屈曲部３２０とを含む。プルーフマス３３０は、図１、図２、および図３に示す実施形態のものと同一である。
【0062】
この実施形態は、図４に示す実施形態が、第１の複数の８つの螺旋状アーム３２１と、第２の複数の８つの螺旋状アーム３２２と、８つの放射状スポーク３２３とをさらに含む屈曲部３２０を含むという点で、図１および図２に示すものとは異なる。８つの放射状スポーク３２３は、中央アンカー３３０の周りに４５度の間隔で等間隔に配置されている。さらに、中央アンカー３３０は、異なる数のアームを収容するために、図１、図２、および図３に示す実施形態の中央アンカーのものとは異なる形状を有する。
【0063】
図４に示す実施形態では、第１および第２の複数の８つの螺旋状アーム３２１、３２２の両方の各アームの長さが中央アンカー３３０を中心とする点の周りに９０度の弧を描くので、アームの各々は９０度の巻きを完了する。
【0064】
図４における屈曲部３２０の形状を説明するための代替の方法は、それが、８つの葉を各々含む複数の同心円状に入れ子になった同様の形状を含むことである。同心円状に入れ子になった形状の各々は、８回回転対称性を有する。８つの葉を含む同心円状に入れ子になった形状の各々は、互いに４５度の回転だけオフセットされた、２つの同一の四つ葉形の重なりの外周によって形成されているとみなされてもよい。第１の複数の８つの螺旋状アーム３２１のアームと第２の複数の８つの螺旋状アーム３２２のアームとは、屈曲部が８つの葉を含む４つの同心円状に入れ子になった形状を含み、同心円状に隣接する形状が互いに対して２２．５度回転された８つの葉を含むと見えるように交差している。第１の複数の８つの螺旋状アーム３２１および第２の複数の８つの螺旋状アーム３２２からのアームが合流するかまたは交わる点は、８つの葉を含む同心円状に隣接する形状が合流する点と同等である。
【0065】
【0066】
この特定の実施形態では、複数の電極は、プルーフマス１１０の内側に配置された１２個の電極のセット１６０と、プルーフマス１１０の外側にある２４個の電極のセット１５０とからなる。１２個の電極および２４個の電極の各セットは、中央アンカー１３０を中心とする２つの同心円のうちの一方に配置されている。各セット内の電極は、円の各々の周りに等間隔で配置されている。プルーフマス１１０の内側に配置された１２個の電極のセット１６０内の電極の各々は、互いに実質的に同一である。また、プルーフマス１１０の外側に配置された２４個の電極のセット１５０内の電極の各々も、互いに実質的に同一である。
【0067】
複数の電極内の各電極は、使用中の慣性センサの機能を果たすために使用されてもよい。これらの機能には、プルーフマス１１０を第１もしくは第２の振動モードで駆動すること、プルーフマス１１０が第１もしくは第２の振動モードで振動するときの静電容量の変動を感知すること、または第１および第２の振動モードの共振周波数の整合を助けるためにバイアス電圧を印加することが含まれるが、これらに限定されない。これらの機能を果たすために使用される電極を、それぞれ、駆動電極、感知電極、およびモード整合電極と呼んでもよい。
【0068】
各駆動電極は、プルーフマス１１０に隣接して配置されている。各駆動電極は、プルーフマス１１０に作用する静電力を発生するように構成されている。各感知電極は、プルーフマス１１０に隣接して配置されている。各感知電極は、プルーフマス１１０が振動モードで振動するときに静電容量の変動を検出するように構成されている。
【0069】
使用中に、中央アンカー１３０、屈曲部１２０、およびプルーフマス１１０に静電的にバイアスがかかるように、慣性センサ１００に直流バイアス電圧が印加される。直流バイアス電圧は、バイアス点１４０において慣性センサに印加される。直流バイアス電圧は、振動モードの両方の周波数の信号を使用した両方の振動モードの静電駆動および容量感知を可能にする。慣性センサ１００の動作方法は、図１２および図１３ならびにそれらのそれぞれの記述で詳細に説明されている。
【0070】
図５の実施形態では、第１の駆動電極セット１５１および第１の感知電極セット１５３は、プルーフマス１１０の駆動モードの腹に隣接して配置されている。第２の駆動電極セット１５２および第２の感知電極セット１５４は、プルーフマス１１０の感知モードの腹に隣接して配置されている。しかしながら、どの電極がどの機能を果たすかの構成は様々であってもよい。
【0071】
図５の実施形態は、モード整合電極１５５を含む。モード整合電極１５５は、プルーフマス６１０の外側または内側のどちらか一方に位置してもよいが、図５に示すこの特定の実施形態では、それらはプルーフマス６１０の外側に位置している。各モード整合電極１５５は、プルーフマス１１０に隣接して配置されている。各モード整合電極１５５は、プルーフマス１１０の剛性を局所的に調整するようにプルーフマス１１０に作用する静電力を生成するように構成されている。
【0072】
図６ａおよび図６ｂは、使用中に慣性センサ１００の駆動および感知に使用され得る縮退振動モードのうちの２つのＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ（登録商標）シミュレーションである。これら２つの振動モードをｃｏｓ３θモードと呼んでもよい。使用中、これらの縮退振動モードのうちの１つは、図６ａおよび図６ｂには図示されていない第１の駆動電極セット１５１によって駆動されてもよい。この第１の振動モードは、前述のように駆動モードと呼ばれる。慣性センサの角速度によって発生したコリオリの力の結果として、その場合前述のように感知モードと呼ばれる２つの縮退振動モードの他方にエネルギーが結合される。静止した慣性センサ１００の輪郭も参照のために含まれている。プルーフマス１１０の著しい局所的歪みが、これらの２つのモードにおける振動中に生じることが分かる。さらに、シミュレーションは、４つの放射状スポーク１２３の著しい歪みを示している。有利には、屈曲部１２０の中央部分、アームの第２の端部付近、および中央アンカー１３０上の縮退振動モードの両方に存在する歪みは比較的低い。縮退振動モードの両方におけるこの局所的な比較的低い歪みは、アンカー損失によるエネルギー損失を低減させ、これらの振動モードの品質係数を増加させる。使用中の慣性センサが受ける実際の歪みは、図６ａおよび図６ｂに表されている歪みよりも小さい場合も大きい場合もある。
【0073】
図７ａおよび図７ｂは、それぞれ、駆動振動モードおよび感知振動モードのリングダウン応答を示すデータプロットである。測定された駆動振動モードおよび感知振動モードは、図６ａおよび図６ｂに示したものと同一である。
【0074】
出力電圧７０１は、駆動振動モードおよび感知振動モードの振動の振幅に正比例する。出力電圧７０１は、ロックイン増幅器を使用して測定される。駆動振動モードおよび感知振動モードの品質係数は、式（１）を使用してリングダウン応答から計算される。
Ｑ＝π×τ×ｆ（１）
Ｑ＝π×τ×ｆ（１）
【0075】
減衰時間７２０、τは、出力電圧が０に等しい時間７１０における出力電圧７０１の１／ｅまで減衰するのにかかる時間である。振動モードの周波数はｆで表されている。駆動振動モードおよび感知振動モードの両方が、１１０万を超える測定された品質係数を示している。
【0076】
図８は、図１、図２、および図５と同様に慣性センサから収集された、前述したデータを示すアラン分散プロットである。データは、第１の平面に垂直な軸を中心としたゼロ入力回転で測定される。ＡＲＷは０．０１９°／√ｈであることが示されており、ＢＩは０．８８°／ｈであることが示されている。
【0077】
角度ランダムウォーク（ＡＲＷ）およびバイアス不安定性（ＢＩ）は、ジャイロ慣性センサの性能を評価および比較するための重要なメトリックである。バイアスは、入力回転または加速度と相関を有しない指定された動作条件で測定されたジャイロ出力の指定された時間にわたる平均として定義されてもよい。バイアスは、典型的には、時間当たりの度数（°／ｈ）で表される。バイアス不安定性は、特定の有限サンプル時間および平均時間間隔にわたって計算されるバイアスのランダムな変動として定義されてもよい。バイアス不安定性もまた、典型的には、時間当たりの度数（°／ｈ）で表される。角度ランダムウォークは、角速度のホワイトノイズに起因する時間に伴う角度誤差の蓄積として定義されてもよい。角度ランダムウォークは、典型的には、時間の平方根当たりの度数（°／√ｈ）で測定される。
【0078】
図９および図１０は、前述の図１、図２、および図５の慣性センサの２つの代替の振動モードのＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓ（登録商標）シミュレーションである。図９は、５６０ＫＨｚ振動モードと呼ばれ得る振動モードを示している。図１０は、一次ワイングラス振動モードと呼んでもよいし、または代わりにｃｏｓ（２θ）振動モードと呼んでもよい振動モードを示している。５６０ＫＨｚ振動モードと一次ワイングラス振動モードはいずれも、屈曲部１２０の中央部分、アームの第２の端部付近、および中央アンカー１３０において、プルーフマス１１０および放射状スポーク１２３の歪みに対してより低い歪みを示している。これは、図６ａおよび図６ｂに示す振動モードと同様に有利である。中央アンカー１３０に近い歪みの低減の効果は、アンカー損失によるエネルギー損失の低減をもたらし、両方の振動モードの品質係数の増加をもたらす。
【0079】
５６０ＫＨｚ振動モードと一次ワイングラス振動モードの両方が高い品質係数を実証することが示されているので、５６０ＫＨｚ振動モードと一次ワイングラス振動モードのいずれかと共に利用される慣性センサは、ハイエンドの共振センサならびにタイミングおよび周波数制御用途で実装されてもよい。
【0080】
前述の慣性センサは、ナビゲーションシステムで使用されてもよい。図１１は、本発明の第１または第２の態様による３つの慣性センサ８０１を含む、本発明の第３の態様による例示的なナビゲーションシステム８００の概略図である。ナビゲーションシステム８００は、メモリを含むナビゲーションコンピュータ８０２をさらに含む。３つの慣性センサからの信号は、ナビゲーションコンピュータに入力される。ナビゲーションコンピュータは、３つの慣性センサからの信号を処理し、信号に基づいてナビゲーションシステム８００の加速度、速度および位置を計算する。ナビゲーションシステムは、自律的な表面または表面下のナビゲーション、ジオリファレンス、地図作製および測量、輸送、航空宇宙、ならびに自動車用途で使用されてもよい。
【0081】
図１２は、本発明の第１または第２の態様による慣性センサの、本発明の第４の態様による動作方法の概略図である。慣性センサは、駆動モードと呼ばれる第１の振動モード９０１で最初に駆動される。これは、プルーフマスに対して第１の駆動電極セットに印加される交流電圧と直流電圧との組合せによって達成される。
【0082】
第１の感知電極セットは、駆動モードで駆動されていることに対するプルーフマスの応答を感知する。第１のフィードバックループ９０２は、第１の感知電極セットおよび第１の駆動電極セットを利用する。第１のフィードバックループ９０２は、駆動モードの周波数、振幅、位相、または他の特性を調整するように構成されている。
【0083】
プルーフマスが感知モードで振動するときの静電容量の変動は、第２の感知電極セットによって検出されてもよい９０３。次いで、プルーフマスが感知モードで振動するときの静電容量の変動から、感知モードの振動の振幅が計算されてもよい。これを達成するために、感知モードの振動の振幅は、最初に駆動モードの振動の振幅から分離されなければならない場合がある。次いで、感知モードの振動の振幅から角回転が計算されてもよい９０４。
【0084】
ジャイロスコープの感度を高めるために、モード整合９０５が使用されてもよい。このプロセスは、駆動モードと感知モードとの周波数の差を検出することと、モード整合電極に電圧を印加することとを含む。使用中、モード整合電極とプルーフマスとの間に電圧差が存在するとき、静電力が発生する。これにより、プルーフマスの剛性を局所的に調整することが可能になる。したがって、駆動モードおよび感知モードの周波数が正確に整合されることを確実にするために、モード整合電極を使用して慣性センサの駆動モードおよび感知モードの周波数を相対的に調整することができる。
【0085】
角回転を検出するこの方法は、開ループ感知と呼ばれる。
【0086】
図１３は、本発明の第１または第２の態様による慣性センサの、本発明の第４の態様による代替の動作方法の概略図である。開ループ感知と同様に、慣性センサは、第１の振動モード９０１で最初に駆動され、第１のフィードバックループ９０２は、駆動モードの周波数、振幅、位相、または他の特性を調整するように構成されており、プルーフマスが感知モードで振動するときの静電容量の変動は、第２の感知電極セットによって検出されてもよい９０３。さらに、開ループ感知モード制御と同様に、モード整合９０５のプロセスが使用されてもよい。
【0087】
図１３の方法が図１２の方法と異なる点は、プルーフマスに作用する静電力を発生させるために第２の駆動電極セットが使用されることである。第２のフィードバックループ９０６は第２の感知電極セットを利用し、第２の駆動電極セットに第２の交流電圧が印加される。第２の駆動電極セットからのこれらの第２の交流電圧は、プルーフマスに力を及ぼし、第２のフィードバックループ９０６を使用して感知モードの応答の振幅をゼロまで低減するように構成されている。次いで、ステップ９０７で角回転が計算される。感知モードの振動の振幅を０まで低減するために必要とされる第２の交流電圧の振幅は、慣性センサが受ける角回転を計算するために使用される。
【0088】
角回転を検出するこの方法は、閉ループ感知モード制御（ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ ｓｅｎｓｉｎｇ ｍｏｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌ）または力対再平衡感知モード制御（ｆｏｒｃｅ－ｔｏ－ｒｅｂａｌａｎｃｅ ｓｅｎｓｅ ｍｏｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌ）と呼ばれる。
【0089】
図１４は、本発明の第１または第２の態様による慣性センサの、本発明の第４の態様によるさらなる代替の動作方法の概略図である。開ループおよび閉ループ感知モード制御と同様に、慣性センサは最初に第１の振動モード１００１で駆動され、第１の共振追跡フィードバックループ１００２は駆動モードの振幅、位相、または他の特性を調整するように構成されている。
【0090】
図１４の駆動モードの動作と同様に、プルーフマスに作用する静電力を発生させるために第２の駆動電極セットが使用される。第２のフィードバックループ１００６は第２の感知電極セットを利用し、第２の駆動電極セットに第２の交流電圧が印加される。第２の共振追跡フィードバックループ１００６は、感知モード１００３の振幅、位相、または他の特性を調整するように構成されている。
【0091】
さらに、開ループおよび閉ループ感知モード制御と同様に、モード整合プロセス１００５が使用されてもよい。
【0092】
図１４の方法が図１２および図１３の方法と異なる点は、それぞれｆ１およびｆ２で表される、第１および第２の振動モードの共振周波数に基づいて回転が計算される１００７ことである。角回転速度を推定するために、ｆ１－ｆ２で表される共振周波数の差が計算される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6a】
【図6b】
【図7a】
【図7b】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【国際調査報告】