(57)【要約】      （修正有）【課題】ノイズが低く安定性が高い高性能の多軸ジャイロスコープを提供する。【解決手段】ＭＥＭＳジャイロスコープは、第１のコリオリ素子対１１１、１１２を有する第１の共振器１１と、第２のコリオリ素子対１２１、１２２を有する第２の共振器１２とを備える。共振器の一次振動は同じ駆動信号を用いて駆動され、第１の共振器１１と第２の共振器１２との間の結合構成１３は、第１のコリオリ素子対１１１，１１２の一次振動を、第２のコリオリ素子対１２１，１２２の一次振動と同期させる。結合構成１３は、第１のコリオリ素子対１１１，１１２の二次振動を、第２のコリオリ素子対１２１、１２２の二次振動と同期させない。したがって、第１の電気機械共振器１１および第２の電気機械共振器１２の二次振動は、互いに独立している。【選択図】図１ａ
2020160050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
横軸および交差軸によって画定されるデバイス平面を備える微小電気機械ジャイロスコープであって、
前記交差軸は前記横軸に直交し、
前記ジャイロスコープは、前記横軸に平行であるか、前記交差軸に平行であるか、または前記デバイス平面に直交するかのいずれかである、少なくとも１つの入力軸も備え、
前記ジャイロスコープは、対応する第１の共振器中心点および第２の共振器中心点を有する、第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器をさらに備え、
前記第１の電気機械共振器は、１つまたは複数の第１のコリオリ素子対を備え、
各第１のコリオリ素子対は、前記第１の共振器中心点に対して対称に配置され、
前記第２の電気機械共振器は、同数の第２のコリオリ素子対を備え、
各第２のコリオリ素子対は、前記第２の共振器中心点に対して対称に配置され、
前記第１の共振器中心点に対する前記１つまたは複数の第１のコリオリ素子対の各々のサイズ、形状および位置は、前記第２の共振器中心点に対する、対応する前記第２のコリオリ素子対のサイズ、形状および位置に実質的に等しく、
前記ジャイロスコープは、制御ユニットと、１つまたは複数の駆動トランスデューサとをさらに備え、
前記制御ユニットは、前記１つまたは複数の駆動トランスデューサに１つまたは複数の駆動信号を印加することにより、前記第１の電気機械共振器および前記第２の電気機械共振器をそれぞれの一次振動モードに設定するように構成される駆動回路を備え、結果、前記一次振動モードでは、前記１つまたは複数の第１のコリオリ素子対は前記第１の共振器中心点に対して逆位相で振動し、前記１つまたは複数の第２のコリオリ素子対は前記第２の共振器中心点に対して逆位相で振動し、
前記ジャイロスコープは、前記第１の電気機械共振器に接続され、前記ジャイロスコープが前記入力軸を中心とした角回転を受けるときにコリオリの力によって前記第１の電気機械共振器内で誘導される二次振動モードから第１のセンス信号を生成するように構成される、２つ以上の第１のセンストランスデューサをさらに備え、
前記ジャイロスコープは、前記第２の電気機械共振器に接続され、前記ジャイロスコープが前記入力軸を中心とした角回転を受けるときにコリオリの力によって前記第２の電気機械共振器内で誘導される二次振動モードから第２のセンス信号を生成するように構成される、２つ以上の第２のセンストランスデューサをさらに備え、
すべての第１のコリオリ素子対および第２のコリオリ素子対は、前記第１の電気機械共振器および前記第２の電気機械共振器の前記一次振動モード、前記第１の電気機械共振器内で誘導される前記二次振動モード、ならびに、前記第２の電気機械共振器内で誘導される前記二次振動モードに対応する、少なくとも部分的に柔軟なサスペンション構成によって固定構造から懸架され、
前記第１の電気機械共振器および前記第２の電気機械共振器は、前記第１の電気機械共振器および前記第２の電気機械共振器の前記一次振動モードを共通の同相または逆位相一次振動モードと同期させるが、前記第１の電気機械共振器および前記第２の電気機械共振器の前記二次振動モードとは同期させない結合構成と、機械的に結合されることを特徴とする、
微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項２】
前記２つ以上の第１のセンストランスデューサは、前記２つ以上の第２のセンストランスデューサによって生成される前記第２のセンス信号の振幅に実質的に等しい振幅を有する第１のセンス信号を生成するように構成され、
前記第１のセンス信号は、第１の差動増幅器を通じて前記２つ以上の第１のセンストランスデューサの出力を読み取ることによって生成され、
前記第２のセンス信号は、第２の差動増幅器を通じて前記２つ以上の第２のセンストランスデューサの出力を読み取ることによって生成され、
前記第１の差動増幅器の利得は、前記第２の差動増幅器の利得と実質的に等しく、
前記読み取り回路は、前記第１のセンス信号および前記第２のセンス信号を入力とする主差動増幅器を備え、
前記読み取り回路は、前記主差動増幅器から速度信号を読み取るように構成されることを特徴とする、
請求項１に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項３】
第１の差動増幅器を通じて前記２つ以上の第１のセンストランスデューサの出力を読み取ることによって、前記第１のセンス信号が生成され、
第２の差動増幅器を通じて前記２つ以上の第２のセンストランスデューサの出力を読み取ることによって、前記第２のセンス信号が生成され、
前記２つ以上の第１のセンストランスデューサは、前記２つ以上の第２のセンストランスデューサによって生成される前記第２のセンス信号よりも実質的に大きい振幅を有する第１のセンス信号を生成するように構成され、
前記第１の差動増幅器の利得は、前記第２の差動増幅器の利得よりも大きく、
前記制御ユニットは、前記第１のセンス信号および前記第２のセンス信号を別個に保存または監視するように構成されることを特徴とする、
請求項１に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項４】
前記第１のセンス信号は、第１の差動増幅器を通じて前記２つ以上の第１のセンストランスデューサの前記出力を読み取ることによって生成され、
前記第２のセンス信号は、第２の差動増幅器を通じて前記２つ以上の第２のセンストランスデューサの前記出力を読み取ることによって生成され、
前記読み取り回路は、前記第１のセンス信号および前記第２のセンス信号を入力とする加算自己診断回路を備え、
前記読み取り回路は、前記自己診断回路から自己診断信号を読み取るように構成され、
前記制御回路は、前記自己診断信号が所定の自己診断閾値を超えた場合に誤差信号を出力するように構成されていることを特徴とする、
請求項１から３のいずれか一項に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項５】
前記１つまたは複数の第１のコリオリ素子対が１つの第１のコリオリ素子対を含み、
前記１つまたは複数の第２のコリオリ素子対が１つの第２のコリオリ素子対を含み、
前記第１の電気機械共振器および前記第２の電気機械共振器の前記一次振動モードは、前記コリオリ素子と交差する垂直軸を中心とした各コリオリ素子の回転面内振動を含み、
前記結合構成は、前記第１の共振器中心点に対する前記第１のコリオリ素子対の前記振動位相が、前記第２の共振器中心点に対する前記第２のコリオリ素子対の前記振動位相に対して逆位相である、共通逆位相一次振動モードを同期させることを特徴とする、
請求項１から４のいずれか一項に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項６】
前記１つまたは複数の第１のコリオリ素子対が１つの第１のコリオリ素子対を含み、
前記１つまたは複数の第２のコリオリ素子対が１つの第２のコリオリ素子対を含み、
前記第１の電気機械共振器および前記第２の電気機械共振器の前記一次振動モードは、前記コリオリ素子と交差する垂直軸を中心とした各コリオリ素子の回転面内振動を含み、
前記結合構成は、前記第１の共振器中心点に対する前記第１のコリオリ素子対の前記振動位相が、前記第２の共振器中心点に対する前記第２のコリオリ素子対の前記振動位相と同相である、共通同相一次振動モードを同期させることを特徴とする、
請求項１から４のいずれか一項に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項７】
前記１つまたは複数の第１のコリオリ素子対が２つの第１のコリオリ素子対を含み、
前記１つまたは複数の第２のコリオリ素子対が２つの第２のコリオリ素子対を含み、
前記２つの第１のコリオリ素子対は、前記第１の共振器中心点を中心として対称に位置整合され、
前記２つの第２のコリオリ素子対は、前記第２の共振器中心点を中心として対称に位置整合され、
前記２つの第１のコリオリ素子対の前記一次振動モードは、前記第１の共振器中心点に向かうおよび前記第１の共振器中心点から外方への半径方向面内振動を含み、
前記２つの第２のコリオリ素子対の前記一次振動モードは、前記第２の共振器中心点に向かうおよび前記第２の共振器中心点から外方への半径方向面内振動を含み、
前記結合構成は、前記第１の共振器中心点に対する前記２つの第１のコリオリ素子対の前記振動位相が、前記第２の共振器中心点に対する前記２つの第２のコリオリ素子対の前記振動位相と逆位相である、共通逆位相一次振動モードを同期させることを特徴とする、
請求項１から４のいずれか一項に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項８】
前記２つの第１のコリオリ素子対の前記二次振動モードは、前記第１の共振器中心点を中心とする第１の中央同期要素によって内部同期され、
前記２つの第２のコリオリ素子対の前記二次振動モードは、前記第２の共振器中心点を中心とする第２の中央同期要素によって内部同期されることを特徴とする、
請求項７に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、微小電気機械ジャイロスコープに関し、より詳細には、回転速度が１つまたは複数の入力軸を中心として測定される単軸および多軸ジャイロスコープに関する。
【背景技術】
【０００２】
微小電気機械（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープは、１つまたは複数の振動電気機械共振器を含み得る。各電気機械共振器は、１つまたは複数の振動コリオリ素子を含み得る。これらの素子は一般的に、駆動トランスデューサによってコリオリ素子が一次振動モード（駆動振動モードとも呼ばれる場合がある）に駆動されることを可能にし、ジャイロスコープが角回転を受ける場合にコリオリの力によって二次振動モード（センス振動モードとも呼ばれる場合がある）に容易に設定されることを可能にする柔軟なサスペンダによって固定構造から懸架される。
【０００３】
一部のＭＥＭＳジャイロスコープは、デバイス基板に垂直な１つの測定軸を中心とした回転速度を測定するように設計されている。上記のようなジャイロスコープは、ｚ軸ジャイロスコープと呼ばれる場合がある。他のＭＥＭＳジャイロスコープは、基板平面内にある２つの垂直な測定軸のいずれかを中心とした回転速度を測定するように設計されている。上記のようなジャイロスコープは、ｘ軸ジャイロスコープおよび／またはｙ軸ジャイロスコープと呼ばれる場合がある。ジャイロスコープの測定軸は、ジャイロスコープの入力軸と呼ばれる場合もある。多軸ジャイロスコープは、複数の測定軸を中心とした回転速度を同時に測定するように設計されている。
【０００４】
１つの振動コリオリ素子のみを利用して単純なＭＥＭＳジャイロスコープを構築することができるが、特に振動がジャイロスコープの振動周波数に近い周波数を有する場合、ジャイロスコープの出力信号は、外部振動の存在下で、一般的に非常にノイズが多くなる。同位相運動を誘導する振動から生じる信号成分を、示差測定法によりある程度自動的に相殺することができるため、２つまたは４つのコリオリ素子が逆位相で振動するシステムを、外部外乱に対してはるかにロバストにすることができることが知られている。
【０００５】
にもかかわらず、高性能ジャイロスコープが使用される多くの用途では、ノイズが低く安定性が高いことが非常に重要な基準である。ただし、複数のコリオリ素子が差動的に測定される設計であっても、実際には測定誤差およびノイズをゼロに減らすことはできない。製造過程の制限によって、実際のジャイロスコープの実装に不確実性のある別の要素を取り入れることになり、特に環境条件の変化に際し、当然のように、ジャイロスコープの性能が経時的に常に精密に一定に維持されるなどと考えることはできない。
【０００６】
上記理由により、同じ入力軸（ｚ軸、ｘ軸またはｙ軸であってもよい）を中心とした角回転を測定するために２つの別個のジャイロスコープを使用することが、多くの用途において一般的である。同じ回路基板上で同じ測定を実行する追加のジャイロスコープによって提供されるデータは、ジャイロスコープの１つにおける構成要素の障害またはジャイロスコープの出力信号のドリフトを検出する可能性を改善することにより、ある程度の測定の不確実性を減らすことができる。
【０００７】
特許文献１は、同じ入力軸を中心とした角回転を測定するための複数のジャイロスコープを含むＭＥＭＳデバイスを開示している。同じ回路基板上に複数のジャイロスコープを実装することに伴う問題は、当該ジャイロスコープが多くのスペースを消費し、一般的に別個の制御電子機器も必要とすることである。さらに、各別個のジャイロスコープおよび関連する電子機器は、単一のジャイロスコープが有するのと同じ制限を有する閉じたシステムを形成する。同じ軸に複数のジャイロスコープを使用すると、一般的に、観測数を増やすだけで測定正確度が向上する（標準誤差が減少する）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６７２５７１９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本開示の目的は、上記の問題を克服する装置を提供することである。
【００１０】
本開示の目的は、独立請求項に述べられている事項を特徴とする構成によって達成される。本開示の好ましい実施形態が、従属請求項に開示されている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本開示は、１つのデバイス基板に、同じ入力軸を有し、一次振動モードを生成するための共通の駆動機構を有する２つの隣接するジャイロスコープを形成するという着想に基づく。２つのジャイロスコープの各々は、当該ジャイロスコープ自体がたとえば振動のような外部誤差原因に対してロバストであり、すなわち、逆位相で振動する少なくとも２つのコリオリ素子を備える。
【００１２】
本開示において提示される構成の利点は、２つのジャイロスコープが同一の、またはたとえば、鏡面対称のレイアウトを用いて設計することができ、その後、同じウェハレイアウトにおいて互いに隣接しているため、同じ製造過程を用いて同じウェハの同じ部分に製造することができることである。したがって、たとえば、製造公差に起因する多くの一般的な誤差原因を、設計過程においてすでに排除することができる。
【００１３】
２つのジャイロスコープの一次振動は、デバイス設計により、すなわち、出力の共通のドリフトが示差測定法において補償可能となる、多数の従来技術の駆動カップリング技法からの選択を利用することにより、高精度に同期することができる。代替的に、２つのジャイロスコープのうちの１つが、信号範囲が小さくノイズが低い入力軸を中心とした回転を測定する一方、もう１つが、信号範囲がより大きくノイズがより多い同じ変数を測定するように、２つのジャイロスコープを異なる測定範囲に対して感受性にすることができる。２つのジャイロスコープは、同じ制御電子機器を共有することができ、２つの出力を比較することによって、自己診断機能が容易に実装可能になる。
【００１４】
以下において、添付の図面を参照しながら、好ましい実施形態によって、本開示をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１ａ】共通逆位相一次振動モードを有するＹ軸ジャイロスコープを示す図である。
【図１ｂ】共通逆位相一次振動モードを有するＹ軸ジャイロスコープを示す図である。
【図１ｃ】共通逆位相一次振動モードを有するＹ軸ジャイロスコープを示す図である。
【図２ａ】共通同相一次振動モードを有するＹ軸ジャイロスコープを示す図である。
【図２ｂ】共通同相一次振動モードを有するＹ軸ジャイロスコープを示す図である。
【図３】共通逆位相一次振動モードを有するＸＹ軸ジャイロスコープを示す図である。
【図４ａ】中央同期要素を示す図である。
【図４ｂ】中央同期要素を示す図である。
【図５ａ】共通逆位相一次振動モードを有するｚ軸ジャイロスコープを示す図である。
【図５ｂ】共通逆位相一次振動モードを有するｚ軸ジャイロスコープを示す図である。
【図５ｃ】共通逆位相一次振動モードを有するｚ軸ジャイロスコープを示す図である。
【図５ｄ】共通逆位相一次振動モードを有するｚ軸ジャイロスコープを示す図である。
【図５ｅ】共通逆位相一次振動モードを有するｚ軸ジャイロスコープを示す図である。
【図５ｆ】共通逆位相一次振動モードを有するｚ軸ジャイロスコープを示す図である。
【図６】読み取り回路を示す図である。
【図７】読み取り回路を示す図である。
【図８】読み取り回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
明確性を維持するために、本開示では、前段落の「２つのジャイロスコープ」を、２つの「共振器」、すなわち第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器として参照する。「ジャイロスコープ」という用語は、以下、任意の単一の共振器ではなく、２つ以上の共振器を備えるデバイス全体のみを指す。言い換えれば、第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器のいずれかを単独で使用して入力軸を中心とした回転速度を測定することができたとしても、当該共振器の両方が含まれる複合システムのみが、本開示においては「ジャイロスコープ」として参照される。
【００１７】
本開示では、デバイス平面が例示され、ｘｙ平面と称される。ｚ軸はｘｙ平面に垂直である。プルーフマスがデバイス平面内で水平に維持される線形および／もしくは回転運動（またはそれらの組み合わせ）は、「面内」運動または「デバイス平面内の運動」と称され、一方、プルーフマス（またはプルーフマスの重心）が垂直方向に動く線形および／もしくは回転運動（またはそれらの組み合わせ）は、「面外」運動または「デバイス平面から外方への運動」と称される場合がある。
【００１８】
本開示では、「半径方向」振動は、ｘｙ平面内の、中心点から外方への線形運動および中心点に向かう線形運動を指す。「接線方向」振動とは、中心点を中心とした仮想円の接線または円周に沿ったｘｙ平面内の動きを指す。接線振動は、実際には線形運動と回転との混合である場合がある。サスペンション構成は、プルーフマスが接線方向においてどのように動くかを決定づける。
【００１９】
ｘｙ平面を示す本開示の図では、第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器内のコリオリ素子の配置は、当該素子の静止位置に対応する。
【００２０】
本開示では、垂直ｚ軸に平行な任意の軸を中心とした回転は、単にｚ軸を中心とした回転と称される。当該角回転速度が測定される変数であるとき、入力軸はｚ軸である。同様に、ｘ軸に平行な任意の軸を中心とした回転はｘ軸を中心とした回転と称され、ｙ軸に平行な任意の軸を中心とした回転はｙ軸を中心とした回転と称される。当該角回転速度が測定されるとき、入力軸はそれぞれｘ軸およびｙ軸である。構成要素の回転速度は、測定対象の動きの実際の回転軸からの距離に依存しないため、ジャイロスコープの入力軸は、ｘ軸、ｙ軸、またはｚ軸と常に同一視することができる。
【００２１】
本開示全体を通して、「構造Ａが振動モードＸ１および振動モードＸ２を共通振動モードＸと同期させる」などの語句における「同期させる」という用語は、以下の意味を有する。構造Ａは、相互接続されたマス要素の第１のセットＳ１と相互接続されたマス要素の第２のセットＳ２との間の機械的接続を構成する。これらのセットは、互いに機械的に結合されていない場合、振動モードＸ１および振動モードＸ２において別個に振動する。
【００２２】
ただし、第１のセットおよび第２のセットは、好ましくは、所望の共通モードＸにおいて振動するべきであり、当該理由から、構造Ａによって相互接続される。構造Ａは、所望の共通モードＸを有効にするが、望ましくない共通振動モードＹが発生し得るという可能性も生じる。望ましくない振動モードＹが多数存在する可能性があるが、一般的には、最も低い共振周波数を有するものが最も重要である。構造Ａは、望ましくない共通振動モードＹに同時に抵抗しながら、所望の共通振動モードＸに柔軟に対応することにより、セットＳ１とＳ２とを望ましい共通振動モードＸに結合する剛性と柔軟性との組み合わせを示す場合、同期構造である。
【００２３】
所望の共通モードＸの共振周波数ＦＸと望ましくない共通振動モードの共振周波数ＦＹとの間の関係については、標準の非同期結合よりも同期結合の方が有利である。言い換えれば、構造Ａは一般的に、望ましくない振動モードＹが必要とする動きにおいて剛性がある。結果、共振周波数ＦＹが上昇する。共振周波数ＦＸも、構造Ａによって上昇する場合がある（標準の非同期結合と比較して）。ただし、構造Ａの柔軟性および剛性の特性は、ＦＹの増加が、周波数ＦＸの（可能な）増加よりも大幅に大きくなるようなものである。
【００２４】
したがって、構造Ａの存在は、比ＦＹ／ＦＸおよび／または差ＦＹ−ＦＸを増加させる。当該改善が測定される基準状態は、場合によっては、構造Ａのない相互接続されたマス要素の同じシステムである場合がある。この場合、マス要素はまた他の構造によって相互接続され、構造Ａは純粋に同期構造である。他の場合、たとえば、構造Ａがマス要素の重量を支えるためにも必要であるとき、同期改善が測定される基準状態は、Ａが、たとえば、構造的な支持のみを提供する代替の標準構造Ｂに置き換えられたマス要素から成る同じシステムであってもよい。
【００２５】
対応して、「同期させない」という表現、および「構造Ａは振動モードＸ１および振動モードＸ２を共通振動モードと同期させない」などの語句は、構造Ａは、Ｓ１とＳ２との間に機械的な接続を形成するが、構造Ａは、セットＳ１とＳ２とを任意の共通振動モードＸに結合しない剛性と柔軟性との組み合わせを示す。相互接続されたマス要素の２つのセットＳ１とＳ２は、代わりに互いに独立して振動する。構造Ａは、たとえば、共振振動の間、セットＳ１の動きがセットＳ２の動きにほとんど影響を与えないか、または、まったく影響を与えないように、剛性のままであり得る。代替的に、構造Ａは、２つのセット間で結合がほとんどまたはまったく発生しないように、柔軟であり得る。これら２つの状況の例を以下に示す。
【００２６】
本開示に記載される装置は、１つまたは複数の第１のコリオリ素子対と１つまたは複数の第２のコリオリ素子対とを備える。これらのコリオリ素子対の一次振動は、同じ駆動信号によって駆動される。以下の詳細で説明するように、駆動振動において、２つの共振モード、すなわち、共通同相モードおよび共通逆位相モードが支配的である。上記の１つは望ましい共通駆動モードＸであり、もう１つは望ましくない共通駆動モードＹである。第１の電気機械共振器と第２の電気機械共振器との間の結合構成は、望ましくない共通駆動モードＹに抵抗しながら、所望の共通駆動モードＸに対応またはこれを促進することによって、第１の共振器の駆動振動を第２の共振器の駆動振動と同期させる。
【００２７】
共通逆位相モードおよび共通同相モードはまた、第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器の二次振動モードにも存在し、ジャイロスコープが角回転を受けるときに、当該共通モードを示し得る。しかしながら、第１の電気機械共振器と第２の電気機械共振器との間の結合構成は、共通逆位相モード、共通同相モード、またはこの２つの共振器間のいかなる他の位相関係も促進しない。第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器の二次振動は、互いに独立している。したがって、当該振動から得られる測定結果は、差動誤差補償、ノイズ最適化、または自己診断の目的に使用することができる。
【００２８】
結合構成が、１つまたは複数の第１のコリオリ素子の二次振動と、１つまたは複数の第２のコリオリ素子の二次振動との間のいかなる特定の位相関係も促進しないために、結合構成は、第１の共振器の二次振動モードから第２の共振器の二次振動モードへの、または逆方向の衝撃を伝達しない駆動同期要素から構成することができる。
【００２９】
少なくとも本開示において提示されるｘ軸およびｙ軸の実施形態では、二次振動における伝達の欠如は、二次振動モードに関して、デバイス基板などの周囲の固定構造に結合構成を堅固に接続することによって達成することができる。言い換えれば、結合構成は、コリオリの力がコリオリ素子において誘導する動きに抵抗するように、固定構造から懸架することができる。にもかかわらず、結合構成は、駆動トランスデューサの作用および一次振動モードに関する結合構成の可動性に起因して、所望の共通一次振動モードを促進することができる。言い換えれば、結合構成は、駆動トランスデューサによって生成される運動のために固定構造から柔軟に懸架することができ、結合構成内の駆動同期要素は、第１の共振器および第２の共振器の一次振動モードを同期させることができる。結合構成は、任意選択的に、駆動同期要素に加えて他の部品も備えてもよいが、結合構成のいずれの部品も、１つまたは複数の第１のコリオリ素子の二次振動を１つまたは複数の第２のコリオリ素子の二次振動と同期させない。
【００３０】
少なくとも本開示において提示されるｚ軸の実施形態では、二次振動モード間の伝達の欠如は、１つまたは複数の第１のコリオリ素子の二次振動と１つまたは複数の第２のコリオリ素子の二次振動との間の任意の位相関係を柔軟に可能にする駆動同期要素を含む結合構成を利用することによって達成することができる。結合構成は、たとえば、自身のアンカーポイントから懸架されることなく、２つの共振器の間に配置することができる。ここでも、結合構成は、任意選択的に、駆動同期要素以外の部品を備えてもよいが、結合構成のいずれの部品も、１つまたは複数の第１のコリオリ素子の二次振動を、１つまたは複数の第２のコリオリ素子の二次振動と同期させない。
【００３１】
本開示は、横軸および交差軸によって画定されるデバイス平面を備える微小電気機械ジャイロスコープについて説明する。交差軸は横軸に直交し、ジャイロスコープは、横軸に平行であるか、交差軸に平行であるか、またはデバイス平面に直交するかのいずれかである、少なくとも１つの入力軸も備える。
【００３２】
ジャイロスコープは、対応する第１の共振器中心点および第２の共振器中心点を有する、第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器をさらに備える。
【００３３】
第１の電気機械共振器は、１つまたは複数の第１のコリオリ素子対を備える。各第１のコリオリ素子対は、第１の共振器中心点に対して対称に配置される。第２の電気機械共振器は、同数の第２のコリオリ素子対を備える。各第２のコリオリ素子対は、第２の共振器中心点に対して対称に配置される。
【００３４】
第１の共振器中心点に対する１つまたは複数の第１のコリオリ素子対の各々のサイズ、形状および位置は、第２の共振器中心点に対する、対応する第２のコリオリ素子対のサイズ、形状および位置に実質的に等しい。
【００３５】
ジャイロスコープは、制御ユニットと、１つまたは複数の駆動トランスデューサとをさらに備える。制御ユニットは、１つまたは複数の駆動トランスデューサに１つまたは複数の駆動信号を印加することにより、第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器をそれぞれの一次振動モードに設定するように構成される駆動回路を備える。一次振動モードでは、１つまたは複数の第１のコリオリ素子対は第１の共振器中心点に対して逆位相で振動し、１つまたは複数の第２のコリオリ素子対は第２の共振器中心点に対して逆位相で振動する。
【００３６】
ジャイロスコープは、第１の電気機械共振器に接続され、ジャイロスコープが入力軸を中心とした角回転を受けるときにコリオリの力によって第１の電気機械共振器内で誘導される二次振動モードから第１のセンス信号を生成するように構成される、２つ以上の第１のセンストランスデューサをさらに備える。ジャイロスコープは、第２の電気機械共振器に接続され、ジャイロスコープが入力軸を中心とした角回転を受けるときにコリオリの力によって第２の電気機械共振器内で誘導される二次振動モードから第２のセンス信号を生成するように構成される、２つ以上の第２のセンストランスデューサをさらに備える。
【００３７】
すべての第１のコリオリ素子対および第２のコリオリ素子対は、第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器の一次振動モード、第１の電気機械共振器内で誘導される二次振動モード、ならびに、第２の電気機械共振器内で誘導される二次振動モードに対応する、少なくとも部分的に柔軟なサスペンション構成によって固定構造から懸架される。
【００３８】
第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器は、第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器の一次振動モードを共通の同相または逆位相一次振動モードと同期させるが、第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器の二次振動モードとは同期させない結合構成と、機械的に結合される。
【００３９】
第１の共振器中心点に対する１つまたは複数の第１のコリオリ素子対のサイズ、形状および位置は、第２の共振器中心点に対する１つまたは複数の第２のコリオリ素子対のサイズ、形状および位置に対応する。したがって、第１の電気機械共振器と第２の電気機械共振器とは、実質的に同一である（ただし、製造公差によりわずかな差が生じる場合がある）。結果、第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器はまた、同じ入力軸をも有する。
【００４０】
入力軸は、以下でより詳細に説明するように、ｘｙ平面のｘ軸もしくはｙ軸であってもよく、またはｘｙ平面に直交するｚ軸であってもよい。本開示では、入力軸という用語は、特に、二重測定が実装されている測定軸を指す。以下に示すＹ軸およびＺ軸の実施形態では、ジャイロスコープには１つの入力軸しかない一方、ＸＹ軸の実施形態では、２つの入力軸がある。Ｚ軸の実施形態では、ｘ軸および／またはｙ軸（いずれの軸でも二重測定はされない）を中心とした角回転速度を測定するために、同じコリオリ素子を使用することも可能であり得る。当該追加の測定については詳細に説明しない。
【００４１】
Ｙ軸の実施形態
図１ａは、ｘｙ平面として示されているデバイス平面内のジャイロスコープを示す。ジャイロスコープは、横軸１８と、交差軸１９とを備える。当該事例において、ｙ軸が入力軸であるため、交差軸１９は入力軸に平行である。ジャイロスコープはまた、破線によってマークされた上側の正方形によって区切られた、第１の電気機械共振器１１も備える。第２の電気機械共振器１２は、下側の破線の正方形によって区切られている。中央の長方形によって境界される結合構成１３は、第１の電気機械共振器１１を第２の電気機械共振器に機械的に接合する。
【００４２】
第１の電気機械共振器１１は、交差軸１９の対向する両側に第１のコリオリ素子１１１および第２のコリオリ素子１１２を備える。当該素子は第１のコリオリ素子対１１１＋１１２を形成する。当該対は、第１の横軸１８１上に対称に位置整合しており、結果、各コリオリ素子１１１／１１２の半分が軸の片側にあり、もう半分が反対側にある。第１のコリオリ素子１１１は、第１の横軸１８１上の第１のアンカーポイント１４１から懸架され、第２のコリオリ素子は、同じ軸上の第２のアンカーポイント１４２から懸架される。詳細には示されていないサスペンションにより、コリオリ素子１１１および１１２は、少なくとも垂直軸および第１の横軸１８１を中心とした回転振動を受けることが可能である。
【００４３】
同様に、第２の電気機械共振器１２は、交差軸１９の対向する両側に第３のコリオリ素子１２１および第４のコリオリ素子１２２を備える。当該素子は第２のコリオリ素子対１２１＋１２２を形成する。当該対は、第２の横軸１８２上に対称に位置整合している。第３のコリオリ素子１２１は、第２の横軸１８２上の第３のアンカーポイント１４３から懸架され、第４のコリオリ素子１２２は、同じ軸上の第４のアンカーポイント１４４から懸架される。サスペンションは、第２のコリオリ素子対において、第１のコリオリ素子対と同じ動きを可能にする。
【００４４】
図１ａに見られるように、コリオリ素子１１１、１１２、１２１、および１２２はすべて同じサイズおよび形状を有し、対はそれぞれの共振器中心点に対して同じ位置に配置される。
【００４５】
すべてのアンカーポイントは、ジャイロスコープを囲む固定構造の部品である。第１のコリオリ素子１１１および第２のコリオリ素子１１２は、第１の駆動フレーム１６１により互いに接合され、第３のコリオリ素子１１３および第４のコリオリ素子１１４は、第２の駆動フレーム１６２により互いに接合される。各駆動フレームは、交差軸１９の２つのアンカーポイントから懸架されている。駆動フレーム１６１および１６２は、交差軸１９とそれら駆動フレームの対応する横軸１８１または１８２との交差点にある、第１の共振器中心点および第２の共振器中心点に中心がある。
【００４６】
当該事例において、入力軸はｙ軸である。ジャイロスコープは、図１ａには示されていない１つまたは複数の駆動トランスデューサを備える。駆動トランスデューサは、たとえば、トランスデューサに印加される駆動信号が、駆動フレーム（複数可）を振動運動するように設定する振動力を生成することができるように、駆動フレームの一方または両方内に配置され、駆動フレーム（複数可）に機械的に接続された容量性トランスデューサであってもよい。代替的に、１つまたは複数の駆動トランスデューサはピエゾトランスデューサであってもよく、代替的に、当該トランスデューサは、第１の駆動フレームおよび第２の駆動フレームの外側のいずこかに配置されてもよい。
【００４７】
駆動トランスデューサは、第１の駆動フレーム１６１および第２の駆動フレーム１６２を、交差軸１９に沿った線形振動運動に設定するように構成される。当該運動により、第１のコリオリ素子対１１１＋１１２および第２のコリオリ素子対１２１＋１２２を一次振動モードに作動させる。これは図１ｂに示されており、一次振動周期の半分において第１の駆動フレーム１６１および第２の駆動フレーム１６２の駆動トランスデューサによって誘導される運動は、フレーム内の黒色矢印で示されている。コリオリ素子対内で誘導される、対応する回転一次振動モードは、コリオリ素子の上部に黒色矢印で示されている。振動周期の後半では、各駆動フレームおよびコリオリ素子の動きは反対方向になる。
【００４８】
各コリオリ素子は、線形運動を妨げるがアンカーポイントに対する回転運動を可能にするサスペンションによって、アンカーポイントから懸架される。したがって、駆動フレーム１６１の線形運動は、第１のコリオリ素子１１１の振動位相が第２のコリオリ素子１１２の振動位相と反対である一次振動モードを誘導する。素子１１１は、素子１１２が時計回りに回転すると反時計回りに回転し、逆のときは逆の回転になる。言い換えれば、第１のコリオリ素子対１１１＋１１２は、第１の共振器中心点に対して逆位相で振動する。対応して、第２のコリオリ素子対１２１＋１２２は、第２の共振器中心点に対して逆位相で振動する。
【００４９】
図１ｂに見られるように、コリオリ素子１１１および１１２は、交差軸１９に対して鏡面対称に振動する。コリオリ素子１２１と１２２との間で対応する関係が得られ、当該素子もまた同じ軸に対して鏡面対称に振動する。第１のコリオリ素子１１１の振動位相は、第４のコリオリ素子１２２の振動位相と同じである（反時計回り）。第２のコリオリ素子１１２の振動位相は、第３のコリオリ素子１２１の振動位相と同じである（時計回り）。
【００５０】
第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器の一次振動モードは、結合構成１３によって共通の逆位相一次振動モードに同期され、第１のコリオリ素子対の時計回りの動きに対して、第２のコリオリ素子対の反時計回りの対応する動きがあり、逆も同様である。結合構成は、コリオリ素子の振動位相間で所望の共通逆位相関係が得られるように、第１の駆動フレーム１６１の振動を第２の駆動フレーム１６２の振動に結合する駆動同期要素１３１を備える。駆動同期要素１３１の動作は、図４ａおよび図４ｂを参照して以下により詳細に説明する。
【００５１】
図１ｃは、ジャイロスコープが入力軸を中心とした角回転を受けるときの、第１のコリオリ素子対１１１＋１１２および第２のコリオリ素子対１２１＋１２２の二次振動モードを示している。各コリオリ素子は、対応する横軸１８１または１８２を中心に回転振動する。二次モードの位相関係は、一次モードの位相関係に対応している。同位相一次振動は同位相二次振動を誘導し、逆位相一次振動は逆位相二次振動を誘導する。同位相振動は、同相振動と同じものである。
【００５２】
ジャイロスコープは、第１のコリオリ素子１１１および第２のコリオリ素子１１２の振動を測定するための２つ以上の第１のセンストランスデューサと、第３のコリオリ素子１２１および第４のコリオリ素子１２２の振動を測定するための２つ以上の第２のセンストランスデューサとを備える。当該センストランスデューサは、たとえば、コリオリ素子に、ならびに、図示されたデバイス平面の上方および／または下方の隣接する固定構造に固定された容量性平行板を備えてもよい。２つ以上の第１のセンストランスデューサを差動増幅器に接続して、第１のコリオリ素子および第２のコリオリ素子の望ましくない共通モード振動の影響が相殺されている第１のセンス信号を生成することができる。第２のセンス信号を、２つ以上の第２のセンストランスデューサから同じ方法で読み取ることができる。
【００５３】
上記に従って、当該実施形態では、１つまたは複数の第１のコリオリ素子対は１つの第１のコリオリ素子対を含み、１つまたは複数の第２のコリオリ素子対は１つの第２のコリオリ素子対を含む。第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器の一次振動モードは、上記コリオリ素子と交差する垂直軸を中心とした各コリオリ素子の回転面内振動を含む。駆動同期要素は、第１の共振器中心点に対する第１のコリオリ素子対の振動位相が、第２の共振器中心点に対する第２のコリオリ素子対の振動位相に対して逆位相である、共通逆位相一次振動モードを同期させる。
【００５４】
換言すれば、第２のコリオリ素子が垂直軸を中心として時計回り方向に振動すると、第１のコリオリ素子は垂直軸を中心として反時計回り方向に振動し、逆のときは逆の方向になる。第４のコリオリ素子が垂直軸を中心として反時計回り方向に振動すると、第３のコリオリ素子は垂直軸を中心として時計回り方向に振動し、逆のときは逆の方向になる。第３のコリオリ素子が垂直軸を中心として反時計回り方向に振動すると、第１のコリオリ素子は垂直軸を中心として時計回り方向に振動し、逆のときは逆の方向になる。入力軸は、交差軸１９と平行である。
【００５５】
さらに、第１のコリオリ素子１１１および第４のコリオリ素子１２２は、それぞれの垂直軸を中心に時計回り／反時計回りに同時に回転するため、第１のコリオリ素子１１１および第４のコリオリ素子１２２は同じ位相で振動する。同様に、第２のコリオリ素子１１２および第３のコリオリ素子１２１も同時に時計回り／反時計回りに回転するため、第２のコリオリ素子１１２および第３のコリオリ素子１２１も同じ位相で振動する。最後に、第３のコリオリ素子１２１が反時計回りに回転すると第１のコリオリ素子１１１が時計回りに回転し、逆のときは逆の回転になるため、第１のコリオリ素子１１１および第３のコリオリ素子１２１は、反対位相で振動する。
【００５６】
図２ａは、図１ｂに示す先行する実施形態のように、１つまたは複数の第１のコリオリ素子対が１つの第１のコリオリ素子対を含み、１つまたは複数の第２のコリオリ素子対が１つの第２のコリオリ素子対を含む代替形態を示す。第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器の一次振動モードは、上記コリオリ素子と交差する垂直軸を中心とした各コリオリ素子の回転面内振動を含む。これも先行する実施形態に対応する。ただし、この代替形態は、駆動同期要素２３が、当該事例においては第１の共振器中心点に対する第１のコリオリ素子対の振動位相が、第２の共振器中心点に対する第２のコリオリ素子対の振動位相と同相である、共通同相一次振動モードを同期させるという点において、先行する実施形態とは異なる。
【００５７】
駆動トランスデューサは、当該事例において、駆動同期要素２３を交差軸２９に沿った線形振動運動に設定するように構成される。
【００５８】
図２ａに示すように、第２のコリオリ素子２１２がその垂直軸を中心として時計回り方向に振動すると、第１のコリオリ素子２１１はその垂直軸を中心として反時計回り方向に振動し、逆のときは逆の方向になる。同様に、第４のコリオリ素子２２２がその垂直軸を中心として時計回り方向に振動すると、第３のコリオリ素子２２１はその垂直軸を中心として反時計回り方向に振動し、逆のときは逆の方向になる。しかし、第１のコリオリ素子および第３のコリオリ素子は、時計回り方向に同時に振動し、次いで、振動周期の残りの半分においては反時計回りに振動する。
【００５９】
したがって、ここで、第１のコリオリ素子２１１および第３のコリオリ素子２２１が同時に時計回り／反時計回りに回転するため、第１のコリオリ素子２１１および第３のコリオリ素子２２１は同じ位相で振動する。同様に、第２のコリオリ素子２１２および第４のコリオリ素子２２２が同時に時計回り／反時計回りに回転するため、第２のコリオリ素子２１２および第４のコリオリ素子２２２も同じ位相で振動する。最後に、第４のコリオリ素子２２２が反時計回りに回転すると第１のコリオリ素子２１１が時計回りに回転し、逆のときは逆の回転になるため、第１のコリオリ素子２１１および第４のコリオリ素子２２２は反対位相で振動する。
【００６０】
第１の電気機械共振器の一次振動モードは同期フレーム２６１によって同期され、第２の電気機械共振器の一次振動モードは同期フレーム２６２によって同期される。当該事例において、第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器の一次振動モードは、第１の同期フレーム２６１を第２の同期フレーム２６２に接続するのみである、剛性の駆動同期要素２３によって共通同相一次振動モードに容易に同期させることができる。そして、第１のコリオリ素子対の時計回りの動きに対して、第２のコリオリ素子対の時計回りの対応する動きがあり、逆も同様である。駆動同期要素２３の前後の動きは、第１の共振器と第２の共振器との間に所望の共通の同相関係を作り出す。ここで第１の電気機械共振器と第２の電気機械共振器との間の結合構成を構成する駆動同期要素２３は、任意の形状の剛体であってもよい。ただし、第１の電気機械共振器の二次振動モードと第２の電気機械共振器の二次振動モードとの間の結合を防ぐために、駆動同期要素は、十分な垂直厚さを有するべきである。これは、図１ａに示す結合構成にも当てはまる。
【００６１】
図２ｂは、ジャイロスコープが入力軸を中心とした角回転を受けるときの、第１のコリオリ素子対２１１＋２１２および第２のコリオリ素子対２２１＋２２２の二次振動モードを示している。二次振動モードにおいて、各コリオリ素子は、対応する横軸２８１または２８２を中心に回転振動する。二次モードの位相関係は、一次モードの位相関係に対応している。同位相一次振動は同位相二次振動を誘導し、逆位相一次振動は逆位相二次振動を誘導する。前述のように、ジャイロスコープは、第１のコリオリ素子２１１および第２のコリオリ素子２１２の振動を測定するための２つ以上の第１のセンストランスデューサと、第３のコリオリ素子２２１および第４のコリオリ素子２２２の振動を測定するための２つ以上の第２のセンストランスデューサとを備える。２つ以上の第１のセンストランスデューサを差動増幅器に接続して、第１のコリオリ素子および第２のコリオリ素子の望ましくない共通モード振動の影響が相殺されている第１のセンス信号を生成することができる。第２のセンス信号を、２つ以上の第２のセンストランスデューサに同じ方法で接続することができる。ここで、２つの共振器信号の極性を、減算されたトランスデューサ信号の順序によって反対に構成することができる。
【００６２】
上記のｙ軸の実施形態では、結合構成は、第１の共振器の二次振動モードの影響を第２の共振器に伝達しない、またはその逆の伝達を行わない駆動同期要素のみから構成されていた。当該実施形態は、選択された共通一次振動モードのみを促進し、二次振動を同期させる追加の構造はない。結合構成は、第１の共振器を第２の共振器に接続する一切の他の要素を含まない。
【００６３】
共振器間の二次振動モードは、結合構成のいずれの部分によっても同期されるべきではない。たとえば、結合構成が、図１ｂの第１のコリオリ素子１１１の下端を第３のコリオリ素子１２１の上側要素に接続するか、または、１１２の下端を１２２の上端に接続する何らかの種類のばねを含む場合、当該ばねは、二次振動モードが同期されないように垂直方向に柔軟であるべきである。対応して、図２ｂの第１のコリオリ素子２１１の下端とコリオリ素子２２１の上側要素とを接続する構造を結合構成が含む場合、当該構造は、横軸２８を中心に回転させることによって二次振動を同期させるシーソーとして作用可能にすべきではない。
【００６４】
ただし、センサの振動ロバスト性にとって、共振器の２つのトランスデューサを結合して、共振器の逆位相運動を促進し、共振器の共通モード運動を拒絶することが有益である場合がある。
【００６５】
ＸＹ軸の実施形態
前の節で示した２つのＹ軸の実施形態は、以下の変更を加えて、対応するＸＹ軸の実施形態に拡張することができる。図３は、デバイス平面内のジャイロスコープを示す。ジャイロスコープは、横軸３８および交差軸３９を備えている。当該事例において、ジャイロスコープには２つの直交する入力軸があり、うち１つは横軸３８に平行で、もう１つは交差軸３９に平行である。ジャイロスコープは、第１の電気機械共振器３１、第２の電気機械共振器３２、第３の電気機械共振器３３、および第４の電気機械共振器３４も備える。共振器の内側に位置し、横軸３８が交差軸３９と交差するジャイロスコープ中心点に中心がある結合構成が、上記共振器をともに結合し、以下に説明する方法で共振器の駆動振動を同期させる。結合構成は、中央駆動同期要素３５１および同期バー３６１〜３６４を備える。
【００６６】
第１の電気機械共振器３１は、交差軸３９の対向する両側にある第１のコリオリ素子３１１および第２のコリオリ素子３１２を備え、第２の電気機械共振器３２は、交差軸３９の対向する両側にある第３のコリオリ素子３２１および第４のコリオリ素子３２２を備える。当該素子は、第１のコリオリ素子対および第２のコリオリ素子対を形成し、当該素子対の一次および二次振動は、上記のＹ軸の実施形態と同じ方法で行われる。
【００６７】
第３の電気機械共振器３３は、横軸３８の対向する両側にある第５のコリオリ素子３３１および第６のコリオリ素子３３２を備える。当該素子はともに、第３のコリオリ素子対を形成する。第４の電気機械共振器３４は、横軸３８の対向する両側にある第７のコリオリ素子３４１および第８のコリオリ素子３４２を備える。当該素子はともに、第４のコリオリ素子対を形成する。
【００６８】
先行する実施形態のように、各コリオリ素子は、コリオリ素子の開口部内に位置するアンカーポイントから懸架することができる。第３のコリオリ素子対３３１＋３３２は、第１の交差軸３９１上に対称に位置整合され、第４のコリオリ素子対３４１＋３４２は、第２の交差軸３９２上に対称に位置整合される。
【００６９】
前述のように、コリオリ素子３１１〜３４２はすべて同じサイズおよび形状を有してもよく、対はそれぞれの共振器中心点に対して対応する位置に配置される。
【００７０】
第３の電気機械共振器および第４の電気機械共振器の入力軸はｘ軸である。ジャイロスコープは、図３には示されていない１つまたは複数の駆動トランスデューサを備える。駆動トランスデューサは、先行するＹ軸の実施形態において指定された駆動トランスデューサのいずれかを含んでもよく、同様のトランスデューサが、第３のコリオリ素子対および第４のコリオリ素子対にも実装されてもよい。ジャイロスコープは、各コリオリ素子対を駆動同期要素３５１に接合する同期バー３６１〜３６４を備える。
【００７１】
駆動トランスデューサは、第３の電気機械共振器および第４の電気機械共振器を、図１ｂの第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器について示した一次振動モードに対応する回転一次振動モードに設定するように構成されている。コリオリ素子対の誘導される一次モードは、コリオリ素子の上部に黒色矢印で示されている。結果、第５のコリオリ素子３３１の振動位相は、第６のコリオリ素子３３２の位相と反対になり、第７のコリオリ素子３４１の振動位相は、第８のコリオリ素子３４２の振動位相と反対になる。さらに、駆動同期要素３５１は、第５のコリオリ素子３３１の振動位相が、第７のコリオリ素子３４１の位相と反対になり、第６のコリオリ素子３３２の振動位相が、第８のコリオリ素子３４２の振動位相と反対になるように、一次振動モードを同期させる。
【００７２】
換言すれば、第３の電気機械共振器および第４の電気機械共振器の一次振動モードは、結合構成によって共通逆位相一次振動モードに同期される。第３の電気機械共振器および第４の電気機械共振器の面外二次振動モードの位相関係は、図１ｃの第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器について示した関係に対応する。
【００７３】
第１のコリオリ素子対および第２のコリオリ素子対の振動を測定するセンストランスデューサに加えて、ジャイロスコープは、第５のコリオリ素子３３１および第６のコリオリ素子３３２の振動を測定するための２つ以上の第３のセンストランスデューサと、第７のコリオリ素子３４１および第８のコリオリ素子３４２の振動を測定するための２つ以上の第４のセンストランスデューサとを備える。両方ともｘ軸を中心とした角回転の大きさを示す第３のセンス信号および第４のセンス信号は、上記センストランスデューサから読み取ることができる。
【００７４】
Ｙ軸およびＸＹ軸の実施形態の同期
前述したように、対を形成する２つのコリオリ素子が逆位相で振動するように、一次振動モードは好ましくは、各コリオリ素子対内で同期されるべきである。これは、たとえば、上述した同期フレーム１６１〜１６２を用いて達成することができる。さらに、図３は、各コリオリ素子対の二次振動を同期させるために利用することができる任意選択のシーソーバー３８１〜３８４も示す。これらのシーソーバーは、各共振器内の内部同期をもたらすが、異なる共振器間の二次モードの同期はもたらさない。各コリオリ素子対の一次（および任意選択的に二次）モードの同期に起因して、各微小機械共振器はロバストな角回転速度センサになる。
【００７５】
最初に、図３のシーソー同期について詳細に説明する。追加のアンカーポイント３７１〜３７４が、対を形成する２つのコリオリ素子の間にある。各シーソーバー３８１〜３８４は、ねじれに柔軟な取り付け機構を用いて、対応する追加のアンカーポイント３７１〜３７４に取り付けられている。結果、それぞれジャイロスコープがｙ軸およびｘ軸を中心とした角回転を受けるとき、シーソーバー３８１および３８２は、交差軸３９を中心に回転することができ、シーソーバー３８３および３８４は、横軸３８を中心に回転することができる。結果、シーソーバーは各コリオリ素子対の共通同相振動を拒絶することができる。各コリオリ素子と対応するシーソーバーとの間の取り付け手段は、一次モードにおける回転面内振動を可能にするために面内曲げに対して十分に柔軟であるべきである。図３に示したシーソーバーはまた、上記の図１ａ〜図１ｃに示したＹ軸の実施形態における同じ目的に利用することもできる。
【００７６】
第１のコリオリ素子対および第２のコリオリ素子対の一次振動モード（ならびに、ＸＹ軸の実施形態では、第３のコリオリ素子対および第４のコリオリ素子対の一次モード）は、横軸が交差軸と交差するジャイロスコープ中心点に位置する駆動同期要素１３１／３５１を用いて同期される。ただし、第１の微小機械共振器および第２の微小機械共振器（ならびに第３の微小機械共振器および第４の微小機械共振器）は、それぞれの入力軸を中心とした角回転速度の独立した測定を実行するように構成されるべきであるため、駆動同期要素１３１／３５１は、好ましくは、第１のコリオリ素子対および第２のコリオリ素子対（ならびに第３のコリオリ素子対および第４のコリオリ素子対）の二次振動モードを同期させるべきではない。
【００７７】
したがって、第１の微小機械共振器内の任意の特定のコリオリ素子の二次振動運動は、好ましくは、駆動同期要素１３１／３５１を介して第２の微小機械共振器内のコリオリ素子に伝達されるべきではない。二次振動モードの振幅は一般的に小さいため、当該目的は多くの異なる同期要素を用いて十分に達成することができる。
【００７８】
図４ａ〜図４ｂは、先行するＹ軸およびＸＹ軸の実施形態からの例示的な中央同期要素をより詳細に示している。参照符号４３は、先行する参照符号１３１または３５のいずれかに相当し得る。上記のＹ軸の実施形態のように、同期要素の対向する両側にある２つのコリオリ素子対の駆動振動を同期させるか、または、上記のＸＹ軸の実施形態のように、同期要素の周りに位置する４つのコリオリ素子対の駆動振動を同期させるために、同じ同期要素を使用することができる。
【００７９】
図４ａは、先行する図に示した位置でもある、静止位置にある同期要素を示す。図４ｂは、同期フレーム１６１および１６２または同期バー３６１および３６２が中央アンカーポイント４４５に向かって移動した振動周期の一部における同期要素を示している。
【００８０】
同期要素４３は、４つのコーナ要素４３１〜４３４を備える。各コーナ要素は、比較的剛性な方法でともに接合された第１のバーおよび第２のバーを備えてもよい。同期要素の静止位置では、各第１のバーは横方向に向けられ得、各第２のバーは交差方向に向けられ得る。コーナ要素はともに、図４ａに示すように、中央アンカーポイント４４５の周りにほぼ正方形の構造を形成してもよい。
【００８１】
隣接するコーナ要素４３１および４３２、４３２および４３３、４３３および４３４、ならびに４３４および４３１は、対応するヒンジ要素４５１〜４５４を用いて互いに接合することができる。当該ヒンジ要素は、取り付けられたコーナ要素が、図４ｂに示すように、ヒンジ要素と交差する垂直軸を中心に反対方向に回転することを可能にする。最後に、同期要素４３はまた、各コーナ要素４３１〜４３４のコーナを中央アンカーポイント４４５に取り付ける対角支持バー４７１〜４７４も備える。
【００８２】
ＸＹ軸の実施形態では、同期バー３６１〜３６４は、対応するヒンジ要素４５１〜４５４に取り付けることができる。図４ｂに示すように、中央アンカーポイント４４５に向かう同期バー３６１および３６２（ならびにヒンジ要素４５１および４５２）の同時運動は、中央アンカーポイント４４５から外方への、同期バー３６３および３６４（ならびにヒンジ要素４５３および４５４）の同時運動を伴う。
【００８３】
第１の微小機械共振器１１の二次振動モードは、中央同期要素４３の要素が垂直方向に十分に厚く作られている場合、第２の微小機械共振器１２の二次振動モードから効果的に分離される。したがって、中央同期要素は、ヒンジ要素４５１〜４５４および中央同期要素の他の部分の垂直剛性に起因して、１つの共振器から他の共振器に面外運動を容易に伝達しない。
【００８４】
第１の共振器１１の二次モードの全体の振幅が第２の共振器１２の振幅より突然小さくなる場合（たとえば、第１の微小機械共振器のサスペンション構成の機械的故障に起因して）、中央同期要素は（相当程度まで）当該不一致を第２の共振器１２に伝達する。第１の微小機械共振器および第２の微小機械共振器は、二次振動モードにおいて独立しているため、第１のセンス信号および第２のセンス信号は異なる値を示し、結果、機械的故障を検出することができる。代替的に、以下により詳細に説明するように、第１の微小機械共振器および第２の微小機械共振器の二次モードの独立性を利用して、当該微小機械共振器を、異なる大きさの角回転の測定専用にすることができる。
【００８５】
他の中央同期要素を使用して、相当量の二次振動を伝達せずに、対向する微小機械共振器間で一次振動を伝達することもできる。
【００８６】
Ｚ軸の実施形態
隣接するｚ軸ジャイロスコープ（または、本開示の文言では、２つの隣接するｚ軸検知共振器）間でも、駆動振動モードを結合することができ、センス振動モードを分離することができる。当該実施形態では、ｚ軸が入力軸である。第１の微小機械共振器と第２の微小機械共振器の両方を用いてｚ軸を中心とした角回転速度のロバストな測定を行うためには、第１の微小機械共振器と第２の微小機械共振器の両方のコリオリ素子の数を少なくとも４つに増やすことが好ましい。任意選択的に、さらに多くのコリオリ素子を追加してもよい。
【００８７】
当該実施形態では、１つまたは複数の第１のコリオリ素子対は２つの第１のコリオリ素子対を含み、１つまたは複数の第２のコリオリ素子対は２つの第２のコリオリ素子対を含む。２つの第１のコリオリ素子対は、第１の共振器中心点を中心として対称に位置整合され、２つの第２のコリオリ素子対は、第２の共振器中心点を中心として対称に位置整合される。
【００８８】
２つの第１のコリオリ素子対の一次振動モードは、第１の共振器中心点に向かうおよび第１の共振器中心点から外方への半径方向面内振動を含む。２つの第２のコリオリ素子対の一次振動モードは、第２の共振器中心点に向かうおよび第２の共振器中心点から外方への半径方向面内振動を含む。
【００８９】
結合構成は、第１の共振器中心点に対する２つの第１のコリオリ素子対の振動位相が、第２の共振器中心点に対する２つの第２のコリオリ素子対の振動位相と逆位相である、共通逆位相一次振動モードを同期させる。
【００９０】
本開示では、「半径方向」振動は、ｘｙ平面内の、中心点から外方への線形運動および中心点に向かう線形運動を指す。「接線方向」振動とは、中心点を中心とした仮想円の接線に沿ったｘｙ平面内の動きを指す。接線方向の動きは、中心点に対して時計回りまたは反時計回りのいずれかの方向において発生する。本開示における「時計回り」および「反時計回り」運動への言及は、図に見られるようなｘｙ平面を参照する。
【００９１】
図５ａは、ともに第１のコリオリ素子対５１１＋５１２を形成する第１のコリオリ素子５１１および第２のコリオリ素子５１２を備える第１の微小機械共振器５１と、ともに第２のコリオリ素子対５２１＋５２２を形成する第３のコリオリ素子５２１および第４のコリオリ素子５２２を備える第２の微小機械共振器５２とを有するｚ軸ジャイロスコープを示す。第１のコリオリ素子、第２のコリオリ素子、第３のコリオリ素子および第４のコリオリ素子は、すべて横軸５８上で対称に位置整合している。
【００９２】
第１の微小機械共振器５１はまた、第５のコリオリ素子５３１および第６のコリオリ素子５３２をも備える。当該２つのコリオリ素子はともに、別の第１のコリオリ素子対５３１＋５３２を形成する。第５のコリオリ素子および第６のコリオリ素子は、第１の交差軸５９１上に対称に位置整合される。対応して、第２の微小機械共振器５２は、別の第２のコリオリ素子対５４１＋５４２を形成する第７のコリオリ素子５４１および第８のコリオリ素子５４２をも備える。第７のコリオリ素子および第８のコリオリ素子は、第２の交差軸５９２上に対称に位置整合される。
【００９３】
第１の共振器中心点は、第１の交差軸５９１と横軸５８との交差点に位置する。第２の共振器中心点は、第２の交差軸５９２と横軸５８との交差点に位置する。
【００９４】
各微小機械共振器はまた、それぞれの共振器中心点の周りに対称に配置され、横軸５８に対して４５度の角度でそれぞれの中心点と交差する対角軸上に位置整合する４つの任意選択のコーナマス５７１〜５７４をも備える。各コーナマス５７１〜５７４は、図５ａに示すように、１つの細長い交差方向ばね５５１および１つの細長い横方向ばね５５２を用いて、隣接するコリオリ素子に接続されている。以下により詳細に説明するように、細長い交差方向ばねおよび細長い横方向ばねは、コリオリ素子の接線方向の振動をコーナマス５７１〜５７４に伝達する。
【００９５】
ジャイロスコープは、それぞれ第１の共振器中心点および第２の共振器中心点に配置された２つの中心アンカーポイント５６１〜５６２を備える。コリオリ素子は、任意の適切なサスペンション構成により、中央アンカーポイント５６１〜５６２から懸架することができる。サスペンション構成は、各共振器の中心点を中心とする２つのコリオリ素子対の半径方向および接線方向の振動（以下で詳細に説明）に対応しており、同期させることもできる。図５ａに示されるように、サスペンション構成は、たとえば、以下の図４ａおよび４ｂに示された中央同期要素４３と同じ構造を有してもよい。各コリオリ素子は、中央サスペンション構成のヒンジ要素に接続することができる。当該実施形態では、サスペンション構成は、上記の中央同期要素４３について説明したものと同じ同期機能を実行することができる。
【００９６】
図５ａに示されるように、第１の微小機械共振器の第１のコリオリ素子対５１１＋５１２および５３１＋５３２は、第１のフレーム５８１によって互いに接合することができ、第２の微小機械共振器の第２のコリオリ素子対５２１＋５２２および５４１＋５４２は、第２のフレーム５８２によって互いに接合することができる。各コリオリ素子は、共振器中心点に対する半径方向および接線方向の振動を可能にするフレームばね５５３によって対応するフレームに接続することができる。いくつかの実施形態では、周辺においてコリオリ素子に追加の機械的支持を提供するように、フレーム５８１および５８２を周辺アンカーポイントから懸架することが有利であり得る。図５ａのデバイスが多軸ジャイロスコープとして使用される場合、フレーム５８１および５８２はまた、ｘ軸およびｙ軸の二次振動モードにおけるコリオリ素子対の面外運動も同期させることができる。当該事例において、ｘ軸およびｙ軸は測定軸と呼ばれる場合がある一方、ｚ軸は二重測定が実行される入力軸である。図５ａのデバイスがｚ軸ジャイロスコープとしてのみ使用され、コリオリ素子が中央アンカーポイント５６１および５６２の周りのサスペンション構成によって十分に支持されている場合、フレーム５８１および５８２はまったく必要ない場合がある。
【００９７】
ジャイロスコープは、図５ａには示されていない１つまたは複数の駆動トランスデューサを備える。当該駆動トランスデューサは、たとえば、アンカーポイント５６１および５６２の周りの中央サスペンション構成の周りの開口部（図示せず）内に配置された容量性トランスデューサであってもよい。以下に説明するように、トランスデューサに印加される駆動信号は、駆動コリオリ素子を半径方向の振動運動に設定する振動力を生成することができる。代替的に、１つまたは複数の駆動トランスデューサはピエゾトランスデューサであってもよく、代替的に、当該トランスデューサは、第１のフレームおよび第２のフレームの外側のいずこかに配置されてもよい。
【００９８】
ジャイロスコープは、第２のコリオリ素子５１２を第３のコリオリ素子５２１に接合する駆動同期要素５６を含む結合構成をさらに備える。駆動同期要素５６は、第２のコリオリ素子５１２の任意の半径方向の動きが第３のコリオリ素子５２１に直接伝達され、逆も同様であるように、横方向において相対的に剛直である。しかしながら、駆動同期要素５６は、接線方向の動きが第２のコリオリ素子から第３のコリオリ素子に伝達されず、逆も同様であるように、交差方向において柔軟である。結果、駆動同期要素は、共振器の一次振動を同期させる場合であっても、第１の共振器および第２の共振器の二次振動における任意の位相関係を柔軟に可能にする。
【００９９】
各微小機械共振器内のコリオリ素子の一次振動モードは、対応する共振器中心点を囲むサスペンション構成によって同期され得る。第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器の一次振動モードは、駆動同期要素５６によって同期される。
【０１００】
図５ａに示されるコリオリ素子５１１〜５４２およびコーナ要素５７１〜５７４の形状は例に過ぎない。他の形状を使用することもできる。
【０１０１】
ここで、一次振動モードおよび二次振動モードをより詳細に説明するが、白色矢印を利用して一次振動を示し、黒色矢印を利用して、ジャイロスコープがｚ軸を中心とした角回転を受けるときにコリオリの力によって誘導される二次振動モードにおける振動を示す。２つの一次と二次との組み合わせが可能である。
【０１０２】
第１の組み合わせにおいて、１つまたは複数の駆動トランスデューサは、コリオリ素子対５１１＋５１２、５２１＋５２２、５３１＋５３２、および５４１＋５４２を、図５ｂの白色矢印で示されている一次振動モードに設定するように構成されている。図に見られるように、コリオリ素子対５３１＋５３２が半径方向において第１の共振器中心点に向かって動くと、コリオリ素子対５１１＋５１２は、半径方向において第１の共振器中心点から外方に動く（図示されていない振動周期の反対の半分においては逆になる）。
【０１０３】
第２の微小機械共振器５２内の第２のコリオリ素子対５２１＋５２２の動きと５４１＋５４２の動きとの間で、同じ位相関係が得られる。
【０１０４】
さらに、図５ｂに示すように、各第１のコリオリ素子対（５１１＋５１２または５３１＋５３２）は、対応する第２のコリオリ素子対（それぞれ５２１＋５２２または５４１＋５４２）が第２の共振器中心点に向かって動くときに、第１の共振器中心点から外方に動く（振動周期の反対の半分においては逆になる）。換言すれば、第１の共振器中心点に対する２つの第１のコリオリ素子対（５１１＋５１２および５３１＋５３２）の振動位相は、第２の共振器中心点に対する２つの第２のコリオリ素子対（５２１＋５２２および５４１＋５４２）の振動位相と逆位相である。結果、共通逆位相一次振動モードが駆動同期要素５６によって同期される。
【０１０５】
一次振動モードでは、第１のコリオリ素子（５１１）および第４のコリオリ素子（５２２）は横軸に沿って同じ位相で振動し（図５ｂの左方向）、第２のコリオリ素子および第３のコリオリ素子は横軸に沿って同じ位相で振動する（図５ｂの右方向）。対応して、第３のコリオリ素子５２１が右に動くと第１のコリオリ素子５１１が左に動き、逆のときは逆になるため、第１のコリオリ素子（５１１）および第３のコリオリ素子（５２１）は、横軸に沿って逆位相で振動する。同様に、第２のコリオリ素子（５１２）および第４のコリオリ素子（５２２）も、横軸に沿って逆位相で振動する。
【０１０６】
中央サスペンション構成によって実行される対同期に起因して、図５ｂに示すように、第５〜第８のコリオリ素子５３１、５３２、５４１、および５４２の間で同じ位相関係が得られるが、当該コリオリ素子はすべてが同じ交差軸に沿って振動するわけではない。
【０１０７】
コーナマス５７１〜５７４は、コリオリ素子５１１〜５４２の一次振動によって並進振動運動するように作動されない。図５ｃは、コリオリ素子５１１〜５４２とコーナマス５７１〜５７４の両方の二次振動モードを黒色矢印で示している。各コリオリ素子は、コリオリの力の作用に起因して接線方向の振動を受ける。
【０１０８】
異なるコリオリ素子の接線方向の振動間の位相関係は、一次モードにおける位相関係と同じになる。二次モードにおいて、隣接するコリオリ素子の二次振動が細長い交差方向ばね５５１および細長い横方向ばね５５２（図５ａに示す）によって各コーナマスに伝達されるため、各コーナマス５７１〜５７４は対角軸に沿って並進振動するように作動される。
【０１０９】
ジャイロスコープは、第１の電気機械共振器５１の二次振動を測定するための２つ以上の第１のセンストランスデューサと、第２の電気機械共振器５２の二次振動を測定するための２つ以上の第２のセンストランスデューサとを備える。コリオリ素子の振動は、センストランスデューサをコリオリ素子に接続することによって直接的に、または、センストランスデューサをコーナマス５７１〜５７４に接続することによって間接的に、のいずれかで測定することができる。
【０１１０】
言い換えれば、２つ以上の第１のセンストランスデューサは第１のコリオリ素子対に接続することができ、２つ以上の第２のセンストランスデューサは第２のコリオリ素子対に接続することができる。ただし、図５ｃに示すように、コリオリ素子対の接線方向の振動は、多くの場合、回転成分を含み得る。線形変位に対する当該回転成分の大きさは、並進偏向についてコリオリ素子５１１〜５４２がどのように懸架されているかに依存する。
【０１１１】
第１のセンストランスデューサおよび第２のセンストランスデューサは、各微小機械共振器内のコーナマス５７１〜５７４に接続することができる。コーナマス５７１〜５７４は、二次振動モードにおいて対角方向に沿って実質的に線形並進を受けるように懸架することができ、結果、一般的に、動きから信頼できる第１のセンス信号および第２のセンス信号をより測定しやすくなる。
【０１１２】
センストランスデューサは、たとえば、コリオリ素子またはコーナマスに、および、隣接する固定構造に固定された容量性平行板を備えてもよい。２つ以上の第１のセンストランスデューサを、差動増幅器を通じて読み取って、望ましくない共通モード振動の影響が少なくとも部分的に相殺されている第１のセンス信号を生成することができる。第２のセンス信号を、２つ以上の第２のセンストランスデューサから同じ方法で読み取ることができる。
【０１１３】
一次振動モードと二次振動モードとの組み合わせを図５ｄおよび図５ｅに示す。ここで、１つまたは複数の駆動トランスデューサは、コリオリ素子対５１１＋５１２、５２１＋５２２、５３１＋５３２、および５４１＋５４２を、図５ｄの白色矢印で示されている一次振動モードに設定するように構成されている。図に見られるように、コリオリ素子対５３１＋５３２が半径方向において第１の共振器中心点から外方に動くと、コリオリ素子対５１１＋５１２も、半径方向において第１の共振器中心点から外方に動く（図示されていない振動周期の反対の半分においては逆になる）。
【０１１４】
第２の微小機械共振器５２内の第２のコリオリ素子対５２１＋５２２の動きと５４１＋５４２の動きとの間で、同じ位相関係が得られる。
【０１１５】
さらに、各第１のコリオリ素子対（５１１＋５１２または５３１＋５３２）は、対応する第２のコリオリ素子対（それぞれ５２１＋５２２または５４１＋５４２）が第２の共振器中心点に向かって動くと、第１の共振器中心点から外方に動く（振動周期の反対の半分においては逆になる）。換言すれば、第１の共振器中心点に対する２つの第１のコリオリ素子対（５１１＋５１２および５３１＋５３２）の振動位相はここでも、第２の共振器中心点に対する２つの第２のコリオリ素子対（５２１＋５２２および５４１＋５４２）の振動位相と逆位相である。結果、共通逆位相一次振動モードが駆動同期要素５６によって同期される。
【０１１６】
図５ｆは、コリオリ素子５１１〜５４２とコーナマス５７１〜５７４の両方の二次振動モードを黒色矢印で示している。各コリオリ素子およびコーナマスは、コリオリの力の作用に起因して接線方向の振動を受ける。
【０１１７】
当該振動モードでは、フレーム５８１および５８２は、第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器の二次振動モードを内部で同期させることができる。すなわち、第１のフレーム５８１は、２つの第１のコリオリ素子対５１１＋５１２および５３１＋５２３の二次振動を同期させることができ、一方、第２のフレーム５８２は、２つの第２のコリオリ素子対５２１＋５２２および５４１＋５４２の二次振動を同期させることができる。しかしながら、第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器の二次振動モードは互いに同期されない。内部同期を強化するために、各コリオリ素子は、図５ｆに示されるフレームばね５５３のように、半径方向に柔軟性があるが接線方向に柔軟性のないフレームばね５５３によってフレームに取り付けることができる。
【０１１８】
駆動同期要素５６ならびに第１のフレーム５８１および第２のフレーム５８２は、駆動同期要素が横軸５８に沿って動くことができるように、異なる垂直高さに位置することができる。代替的に、横方向結合ばねならびに第１のフレームおよび第２のフレームは同じ平面内にあってもよく、第１のフレーム５８１および第２のフレーム５８２の両方は、駆動同期要素５６と交差する点において、可撓性要素（図示せず）を用いて駆動同期要素５６に取り付けられてもよい。当該可撓性要素は、第１のフレーム５８１および第２のフレーム５８２が静止したままであるか、またはそれぞれの中心点を中心に回転している間に、横方向ばね５６が横軸５８に沿って振動することを可能にする。しかしながら、当該事例において、可撓性は、駆動同期要素５６を介した第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器の二次振動モードの結合を回避するのに十分に可撓性であるべきである。
【０１１９】
したがって、中央同期要素を形成し、２つの共振器の一次モードを結合する駆動同期要素５６が交差方向の曲げについて柔軟である場合、第１の微小機械共振器５１の二次振動モードは、第２の微小機械共振器５２の二次振動モードから効果的に分離される。横方向の曲げについての駆動同期要素のばね定数は、たとえば、交差方向の曲げについてのばね定数よりも少なくとも５倍、少なくとも１０倍、または少なくとも１５倍大きくてもよい。
【０１２０】
結果、第１の共振器および第２の共振器は、二次モードにおいて互いに独立するようになり、結果、当該２つの共振器からの２つの独立したセンス信号の測定が可能になる。この独立性はさまざまな方法で利用することができる。たとえば、第１の微小機械共振器のサスペンション構成の機械的故障に起因して、第１の共振器の二次モードの全体の振幅が第２の共振器の振幅より突然小さくなると言える。すべてのコリオリ素子が各共振器内で互いに強く結合しているため、コリオリ素子５１２の接線方向の振動の振幅も、５２１の振幅よりも小さくなる。しかし、駆動同期要素５６は、交差方向に柔軟であり、当該不一致を要素５１２から要素５２１に（相当程度まで）伝達しない。第１のセンス信号および第２のセンス信号が異なる値を示すため、不一致（および機械的故障）を検出することができる。代替的に、以下により詳細に説明するように、第１の微小機械共振器および第２の微小機械共振器の二次モードの独立性を利用して、当該微小機械共振器を、異なる測定範囲内の角回転の測定専用にすることができる。
【０１２１】
一次振動モードにおいて結合されているが、二次振動モードにおいては独立している２つの隣接する共振器を用いてｚ軸角回転を測定するための他の構成も利用することができる。
【０１２２】
測定実施形態
上述のすべての実施形態において、一次振動モードおよび二次振動モードの駆動、結合、およびサスペンション構成の背後にある一般原則は、第１のセンス信号および第２のセンス信号において、振動が誘導する干渉が相対的になくなるように、すべてのコリオリ素子対が逆位相で振動することである。当該信号は、対応する第１の差動増幅器および第２の差動増幅器を通じて読み取ることができる。各コリオリ素子対内で発生する共通モード振動は、第１のセンス信号および第２のセンス信号において（少なくともある程度）自動的に相殺される。
【０１２３】
言い換えれば、第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器のそれぞれは、単独で部分的にロバストな回転速度センサを形成する。さらに、一次振動モードでは、第１の電気機械共振器のコリオリ素子対（複数可）は、第２の電気機械共振器のコリオリ素子対に対して共通逆位相または共通同相で振動する。ジャイロスコープが角回転を受ける場合に、コリオリの力は、第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器に二次振動モードを誘導する。第１のコリオリ素子対および第２のコリオリ素子対の二次振動モードは、同じ逆位相または同相関係振動を呈する。
【０１２４】
第１のコリオリ素子対および第２のコリオリ素子対は、逆位相で振動するときに、対向する方向における入力軸を中心とした角回転を測定すると言うことができる。入力軸を中心とした任意の所与の回転速度は、（第１の共振器から測定される）第１のセンス信号に特定の正の大きさを与え、（第２の共振器から測定される）第２のセンス信号に、ほぼ等しいが負の大きさを与える（またはその逆になる）。第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器のコリオリ素子が同相で振動する場合、第１のセンストランスデューサおよび第２のセンストランスデューサにおいて反対の順序でセンス電極を結合することにより、対応する符号反転が、電気的に生成され得る。
【０１２５】
上述のように、第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器の二次振動モードは、当該共振器間のいかなる直接リンクによっても、互いに機械的に結合されない。代わりに、各共振器は、好ましくは、他方の共振器とは独立して、単独で振動することが可能にされる。二次振動モードの軽度の間接的な結合が、共有駆動構造または結合／サスペンション構成を通じて、依然として発生する場合がある。ただし、当該間接的結合は、適切なデバイス設計によって最小限に抑えることができる。
【０１２６】
第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器が、相互駆動機構または駆動信号によって生成される同期された一次振動に強く結合しているが、二次振動モードでは弱く結合している、またはまったく結合していない場合、２つの共振器は実効的に、同じ入力軸に対する、２つの隣接する独立した角度回転速度センサとして機能する。共有されている駆動機構または駆動信号に起因して、２つの共振器の一次振動は、常に同じ振幅および周波数を有するべきである。当該機能を利用して、少なくとも２つの異なる利点を得ることができる。１つ目は、共通の原因の干渉から生じる誤差信号の相殺に関するものである。２つ目は、測定範囲の拡大に関するものである。当該応用形態については、以下で説明する。
【０１２７】
センス信号の誤差は、たとえば、搭載およびパッケージングにより誘導される応力に起因する共振器の特性、コリオリ素子もしくはセンス構造のサスペンションまたは結合構成、あるいは付随するトランスデューサの寸法または対称性のいずれかの変化によって引き起こされる可能性がある。読み取り、制御、および信号処理電子機器も、センス信号の測定誤差の原因になる場合がある。上記誤差は、たとえば温度、湿度、または何らかの外部機械力の変化に起因して発生する場合がある。当該変化は、電気機械共振器の二次振動を変化させ、結果、センス信号に誤差を生じさせる可能性がある。
【０１２８】
同じ基板上で互いに非常に近接して製造された２つの隣接する電気機械共振器は、ほぼ同じ干渉を受けることになることが多い。したがって、干渉に関連する誤差の相当部分が等しくなる可能性がある。
【０１２９】
第１の電気機械共振器の出力（換言すれば、第１のセンス信号の瞬間値）はＯ１Ｓとラベル付けされ、第２の電気機械共振器の出力（第２のセンス信号の瞬間値）はＯ２Ｓとラベル付けされ得る。第１のセンス信号および第２のセンス信号が、たとえば、アナログからデジタルへの変換、復調、フィルタリングおよびスケーリングのような適切な信号処理および調整後に差動増幅を通じて組み合わされるとき、速度信号の対応する瞬時出力は、ＯＲＳ＝Ｏ１Ｓ−Ｏ２Ｓになる。
【０１３０】
第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器が、対向する方向における入力軸を中心とした角回転を測定するとき、当該共振器のセンス信号は異なる符号を有し、出力速度信号は２つの差になる。ただし、重要な利点は、（たとえば正の方向の）第１の電気機械共振器のセンス信号において発生する誤差が、（負の方向の）第２の電気機械共振器のセンス信号における対応する誤差によって補償されることである。大きさが等しい共通の誤差成分は互いに相殺するが、差分速度信号は２倍になり、したがって、結果としての速度信号の誤差成分は大幅に減少している。換言すれば、第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器のセンス信号に生じる任意の共通の偏差は、速度信号出力において自動的に相殺される。
【０１３１】
当該相殺を促進するために、第１のセンス信号および第２のセンス信号の振幅は、好ましくは実質的に等しくなるべきである。当該事項は、一般的に、第１のセンストランスデューサおよび第２のセンストランスデューサのサイズおよび幾何形状を実質的に等しくすることにより達成することができる。さらに、何らかの形態の力フィードバックが第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器において実施される場合、第１の共振器における力フィードバックの利得は好ましくは、第２の共振器における力フィードバックの利得と実質的に等しくなるべきである。センサの較正中に、２つのセンス信号の利得を等しいレベルに調整することも可能である。
【０１３２】
第１の利益を得るために、２つ以上の第１のセンストランスデューサは、２つ以上の第２のセンストランスデューサによって生成される第２のセンス信号の振幅に実質的に等しい振幅を有する第１のセンス信号を生成するように構成され、第１のセンス信号は、第１の差動増幅器を通じて２つ以上の第１のセンストランスデューサの出力を読み取ることによって生成され、第２のセンス信号は、第２の差動増幅器を通じて２つ以上の第２のセンストランスデューサの出力を読み取ることによって生成され、第１の差動増幅器の利得は、第２の差動増幅器の利得と実質的に等しく、読み取り回路は、第１のセンス信号および第２のセンス信号を入力とする主差動増幅器を備え、読み取り回路は、主差動増幅器から速度信号を読み取るように構成される。
【０１３３】
図６は、１つまたは複数の第１のセンストランスデューサ６２１から第１のセンス信号１Ｓを読み取るように構成された第１の差動増幅器６１１と、１つまたは複数の第２のセンストランスデューサ６２２から第２のセンス信号２Ｓを読み取るように構成された第２の差動増幅器６１２とを有する読み取り回路を示す。
【０１３４】
第１のセンストランスデューサ６２１は、第１の電気機械共振器のセンス振動に比例する電圧または電流出力を生成するように構成され、第２のセンストランスデューサ６２２は、第２の電気機械共振器のセンス振動に比例する電圧または電流出力を生成するように構成される。各共振器において、電圧または電流出力は、１つまたは複数のコリオリ素子対からの出力の合成であり、各コリオリ素子対は逆位相で振動する素子を含む。
【０１３５】
読み取り回路はまた、差動的に組み合わされた第１のセンス信号１Ｓおよび第２のセンス信号２Ｓから速度信号ＲＳを生成する主差動増幅器６１３も備える。好ましくは、当該事項は、２つのコリオリ信号、すなわち第１のセンス信号および第２のセンス信号をベースバンドに復調した後に行われる。
【０１３６】
また、第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器の出力を合計することにより、自己診断機能を実施することも可能である。上記で紹介した表記では、自己診断出力ＯＳＴはＯ１Ｓ＋Ｏ２Ｓとして計算できる。前述のように、２つの出力Ｏ１ＳおよびＯ２Ｓは異なる符号を有し得る。第１の電気機械共振器と第２の電気機械共振器の両方が適切に動作している限り（かつ、共通のドリフトが発生していない限り）、自己診断出力はゼロに等しくなるはずである。一方の電気機械共振器の出力が、他方の電気機械共振器の出力から、所定の自己診断制限を超える程度まで逸脱する場合、制御回路は潜在的な問題を示す自己診断誤差信号を出力することができる。
【０１３７】
読み取り回路は、第１のセンス信号および第２のセンス信号を入力とする加算自己診断回路を備えることができ、読み取り回路は、自己診断回路から自己診断信号を読み取るように構成することができる。制御回路は、自己診断信号が所定の自己診断閾値を超えた場合に誤差信号を出力するように構成することができる。上記のように、第１のセンス信号は、第１の差動増幅器を通じて２つ以上の第１のセンストランスデューサの出力を読み取ることによって生成され、第２のセンス信号は、第２の差動増幅器を通じて２つ以上の第２のセンストランスデューサの出力を読み取ることによって生成される。
【０１３８】
図７は単純な自己診断読み取り回路を示し、参照符号７１１〜７１２および７２１〜７２２は、それぞれ図６の参照符号６１１〜６１２および６２１〜６２２に対応する。自己診断信号は、２つのセンス信号の１つを反転させ、自己診断差動増幅器７１３を通じて反転した信号を読み取ることによって生成される。
【０１３９】
図７に示す自己診断読み取り回路は、図６に示す主読み取り回路と組み合わせて実施することができる。主センス信号において共通のドリフトが相殺されることがわかっているため、第１のセンス信号１Ｓおよび第２のセンス信号２Ｓにおいて許容できるわずかなドリフト量が発生したときに誤差信号が生成されないように、自己診断の制限または閾値を適切に選択することができる。
【０１４０】
測定範囲の拡大という第２の利益を達成するために、２つ以上の第１のセンストランスデューサは、２つ以上の第２のセンストランスデューサによって生成される第２のセンス信号よりも実質的に大きい振幅を有する第１のセンス信号を生成するように構成することができる。第１の差動増幅器の利得は、第２の差動増幅器の利得よりも大きくなるべきである。当該事例において、制御ユニットは、第１のセンス信号および第２のセンス信号を別個に保存または監視するように構成することができる。
【０１４１】
第１のセンストランスデューサおよび第２のセンストランスデューサは、たとえば、サイズまたは幾何形状が著しく異なるように設計することにより、著しく異なる振幅を有する第１のセンス信号および第２のセンス信号を生成するように構成され得る。代替的に、力フィードバックが第１のおよび第２の共振器において実施される場合、第１の共振器の力フィードバックの利得は、第２の共振器の力フィードバックの利得とは著しく異なり得る。
【０１４２】
第１のセンス信号の振幅が第２のセンス信号の振幅よりも大幅に大きく、対応する増幅器の利得が上記のように選択される場合、第１の電気機械共振器および第２の電気機械共振器は、２つの異なる種類の測定に使用することができる。第１の電気機械共振器の出力は、第２の電気機械共振器の出力よりも広い範囲をカバーするが、ノイズも多くなる。
【０１４３】
第１のセンス信号は、たとえば、ジャイロスコープが測定するように設計されている角回転値の最も大きい共通の範囲をカバーするように適合され得る。次いで、第２のセンス信号は、小さい角回転値の範囲、言い換えればゼロに近い角回転を高精度でカバーするように適合され得る。代替的に、第２のセンス信号が、最も大きい共通の範囲をカバーするように適合されてもよく、第１のセンス信号が、例外的に大きい角回転値を含むはるかに広い範囲をカバーするように適合されてもよい。いずれの場合でも、共通の範囲の値を、１つの電気機械共振器を通じて高精度で測定することができ、当該範囲の一端に近い値またはこの範囲を超える値を、他方の電気機械共振器を通じて高精度で測定することができる。
【０１４４】
図８は、１つまたは複数の第１のセンストランスデューサ８２１から第１のセンス信号１Ｓを読み取るように構成された第１の差動増幅器８１１と、１つまたは複数の第２のセンストランスデューサ８２２から第２のセンス信号２Ｓを読み取るように構成された第２の差動増幅器８１２とを有する読み取り回路を示す。
【０１４５】
第１のセンストランスデューサ８２１および第２のセンストランスデューサ８２２は、図６のセンストランスデューサ６２１および６２２と同じ機能を実行するが、当該センストランスデューサの利得は異なる。結果、センストランスデューサ８２１および８２２によって生成される電圧または電流も互いに異なる。第１のセンス信号１Ｓと第２のセンス信号２Ｓは両方とも同じ角回転の測度を提供するにもかかわらず、第１のセンス信号１Ｓは、第２のセンス信号２Ｓの振幅よりも実質的に大きい振幅を得る。図６のように、第１のセンストランスデューサ８２１および第２のセンストランスデューサ８２２の電圧または電流出力は、１つまたは複数のコリオリ素子対からの出力の組み合わせである。各コリオリ素子対は、逆位相で振動する素子を含む。
【０１４６】
換言すれば、第１の差動増幅器を通じて２つ以上の第１のセンストランスデューサの出力を読み取ることによって、第１のセンス信号を生成することができ、第２の差動増幅器を通じて２つ以上の第２のセンストランスデューサの出力を読み取ることによって、第２のセンス信号を生成することができる。２つ以上の第１のセンストランスデューサは、２つ以上の第２のセンストランスデューサによって生成される第２のセンス信号よりも実質的に大きい振幅を有する第１のセンス信号を生成するように構成することができる。第１の差動増幅器の利得は、第２の差動増幅器の利得より大きくすることができ、制御ユニットは、第１のセンス信号と第２のセンス信号とを別個に保存または監視するように構成することができる。
【０１４７】
異なる角回転範囲を測定するために２つの完全に別個のジャイロスコープが同じ回路基板に固定される状況と比較して、上記の構成では、１つのパッケージ、たとえば、測定の間の駆動機能のような多くの共通ブロックを共有する１つの統合電子機器、および、１つの統合された検知素子しか必要とされず、コストが大幅に削減される。２つのコリオリ素子が互いに隣接して製造されるため、構成はよりロバストでもある。また、２つのコリオリ素子ははるかにより類似してもいるため、較正が単純になる。
【０１４８】
一部のジャイロスコープでは、３つ以上の共振器を同じ駆動機構または駆動信号に接続し、所与の入力軸を中心とした角回転を３回以上測定し、または、測定範囲を３つ以上の別個に測定される範囲に分割することが可能であり得る。
【０１４９】
図７に示すもののような、自己診断読み取り回路は、図８に示す主読み取り回路と組み合わせて実装することもできる。ただし、当該事例において、第１のセンス信号１Ｓおよび第２のセンス信号２Ｓの振幅が等しくないため、両方の共振器が適切に動作しているときの自己診断出力信号の期待値は一般的に、ゼロではあり得ない。ただし、好ましくは、自己診断機能の２つの信号の利得は、信号の利得と比較して反比例するべきであり、当該事例において、当該利得の合計は理想的にはゼロに等しくなる。図８の主読み取り回路を、センス信号１Ｓのための１つの回路と、センス信号２Ｓのためのもう１つの回路との、２つの異なる自己診断読み取り回路と組み合わせることも可能である。
【図１ａ】
2020160050.tif 000003
【図１ｂ】
2020160050.tif 000004
【図１ｃ】
2020160050.tif 000005
【図２ａ】
2020160050.tif 000006
【図２ｂ】
2020160050.tif 000007
【図３】
2020160050.tif 000008
【図４ａ】
2020160050.tif 000009
【図４ｂ】
2020160050.tif 000010
【図５ａ】
2020160050.tif 000011
【図５ｂ】
2020160050.tif 000012
【図５ｃ】
2020160050.tif 000013
【図５ｄ】
2020160050.tif 000014
【図５ｅ】
2020160050.tif 000015
【図５ｆ】
2020160050.tif 000016
【図６】
2020160050.tif 000017
【図７】
2020160050.tif 000018
【図８】
2020160050.tif 000019
【外国語明細書】
2020160050.tif 000020
2020160050.tif 000021
2020160050.tif 000022
2020160050.tif 000023
2020160050.tif 000024
2020160050.tif 000025
2020160050.tif 000026
2020160050.tif 000027
2020160050.tif 000028
2020160050.tif 000029
2020160050.tif 000030
2020160050.tif 000031
2020160050.tif 000032
2020160050.tif 000033
2020160050.tif 000034
2020160050.tif 000035
2020160050.tif 000036
2020160050.tif 000037
2020160050.tif 000038
2020160050.tif 000039
2020160050.tif 000040
2020160050.tif 000041
2020160050.tif 000042
2020160050.tif 000043
2020160050.tif 000044
2020160050.tif 000045
2020160050.tif 000046
2020160050.tif 000047
2020160050.tif 000048
2020160050.tif 000049
2020160050.tif 000050
2020160050.tif 000051
2020160050.tif 000052
2020160050.tif 000053
2020160050.tif 000054
2020160050.tif 000055
2020160050.tif 000056
2020160050.tif 000057
【図１ａ】
2020160050.tif 000058
【図１ｂ】
2020160050.tif 000059
【図１ｃ】
2020160050.tif 000060
【図２ａ】
2020160050.tif 000061
【図２ｂ】
2020160050.tif 000062
【図３】
2020160050.tif 000063
【図４ａ】
2020160050.tif 000064
【図４ｂ】
2020160050.tif 000065
【図５ａ】
2020160050.tif 000066
【図５ｂ】
2020160050.tif 000067
【図５ｃ】
2020160050.tif 000068
【図５ｄ】
2020160050.tif 000069
【図５ｅ】
2020160050.tif 000070
【図５ｆ】
2020160050.tif 000071
【図６】
2020160050.tif 000072
【図７】
2020160050.tif 000073
【図８】
2020160050.tif 000074