(57)【要約】      （修正有）【課題】所望のモードの促進および望ましくないモードの抑制をより効率的にすることを可能にするプルーフマスシステムを備えた多軸ジャイロスコープを提供する。【解決手段】第１のカルテット中心点を中心とする第１のプルーフマス２１１、２１２、２１３、２１４と、第２のカルテット中心点を中心とする第２のプルーフマス２２１、２２２、２２３、２２４とを備え、一次振動モードでは、前記各プルーフマスカルテット内のすべてのマスが、対応する前記カルテット中心点に向かっておよび対応する前記カルテット中心点から外方に半径方向に、または、対応する前記カルテット中心点に対して同じ接線方向に、同時に動く。【選択図】図２ａ
2020160055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対応する第１のカルテット中心点および対応する第２のカルテット中心点が横軸上にある、デバイス平面内の第１のプルーフマスカルテットおよび第２のプルーフマスカルテットを備えることを特徴とする微小電気機械ジャイロスコープであって、
前記第１のプルーフマスカルテットを形成する４つのプルーフマスは、静止位置において、前記第１のカルテット中心点の周りに対称に配置され、
前記第１のカルテット中心点において、前記横軸が前記デバイス平面内で第１の交差軸に直交し、
前記第２のプルーフマスカルテットを形成する４つのプルーフマスは、静止位置において、前記第２のカルテット中心点の周りに対称に配置され、
前記第２のカルテット中心点において、前記横軸が前記デバイス平面内で第２の交差軸に直交し、
各プルーフマスカルテット内の第１のプルーフマスおよび第２のプルーフマスは、静止位置において前記横軸上で位置整合し、
前記第１のプルーフマスカルテット内の第３のプルーフマスおよび第４のプルーフマスは、静止位置において前記第１の交差軸上で位置整合し、
前記第２のプルーフマスカルテット内の第３のプルーフマスおよび第４のプルーフマスは、静止位置において前記第２の交差軸上で位置整合し、
対応する前記カルテット中心点に関する前記第１のプルーフマス、前記第２のプルーフマス、前記第３のプルーフマス、および前記第４のプルーフマスの相対位置は両方のカルテットにおいて同じであり、
前記第１のプルーフマスカルテット内の前記第２のプルーフマスは、前記第２のプルーフマスカルテット内の前記第１のプルーフマスに隣接し、機械的に結合されており、
前記ジャイロスコープは、前記第１のプルーフマスカルテットおよび前記第２のプルーフマスカルテットを一次振動運動に設定するための１つまたは複数の駆動トランスデューサと、前記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誘導される前記第１のプルーフマスカルテットおよび前記第２のプルーフマスカルテットの二次振動運動を検出するための１つまたは複数のセンストランスデューサとをさらに備え、
前記ジャイロスコープは、前記第１のプルーフマスカルテットおよび前記第２のプルーフマスカルテットを固定支持構造から懸架するためのサスペンション構成をさらに備え、
前記構造は、前記第１のプルーフマスカルテットおよび前記第２のプルーフマスカルテットの前記一次振動運動および前記二次振動運動に対応するように構成されており、
前記駆動トランスデューサは、各プルーフマスカルテット内の４つのプルーフマスすべてを、第１の一次振動モードまたは第２の一次振動モードのいずれかにおいて、前記デバイス平面内の一次振動に設定するように構成されており、
結果、前記第１の一次振動モードにおいて、
−前記第１のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスが前記第１のカルテット中心点に向かっておよび前記第１のカルテット中心点から外方にともに半径方向に動き、前記第２のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスが前記第２のカルテット中心点に向かっておよび前記第２のカルテット中心点から外方にともに半径方向に動き、
−前記第２のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスが前記第２のプルーフマスカルテットから外方に半径方向に動くと、前記第１のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスが前記デバイス平面内で前記第１のカルテット中心点に向かって半径方向に動き、および、逆のときは逆の動きになり、
前記第２の一次振動モードにおいて、
−前記第１のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスが前記第１のカルテット中心点に対して時計回りおよび反時計回りに、前記デバイス平面内でともに接線方向に動き、前記第２のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスが前記第２のカルテット中心点に対して時計回りおよび反時計回りに、前記デバイス平面内でともに接線方向に動き、
−前記第２のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスが前記第２のカルテット中心点に対して反時計回りに、前記デバイス平面内で接線方向に動くと、前記第１のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスが前記第１のカルテット中心点に対して時計回りに、前記デバイス平面内で接線方向に動き、および、逆のときは逆の動きになり、
前記第１のプルーフマスカルテットおよび前記第２のプルーフマスカルテットの前記二次振動モードは、ｚ軸二次モード、ｘ軸二次モード、および／またはｙ軸二次モードを含み、結果、前記一次振動モードが前記第１の一次振動モードである場合、
−前記デバイス平面に垂直なｚ軸を中心とした前記ジャイロスコープの回転に応答して、前記ｚ軸二次モードは、前記第２の一次振動モードと同じであり、
−前記横軸に平行なｘ軸を中心とした前記ジャイロスコープの回転に応答して、前記ｘ軸二次モードは、各プルーフマスカルテット内の前記第３のプルーフマスおよび前記第４のプルーフマスによって形成される２つのプルーフマス対が前記デバイス平面から外方に接線方向に振動する動きを含み、
−前記第１の交差軸および前記第２の交差軸に平行なｙ軸を中心とした前記ジャイロスコープの回転に応答して、前記ｙ軸二次モードは、各プルーフマスカルテット内の前記第１のプルーフマスおよび前記第２のプルーフマスによって形成される２つのプルーフマス対が前記デバイス平面から外方に接線方向に振動する動きを含み、
結果、各プルーフマスカルテットの前記一次振動モードが前記第２の一次振動モードである場合、
−前記ｚ軸を中心とした前記ジャイロスコープの回転に応答して、前記ｚ軸二次モードは、前記第１の一次振動モードと同じであり、
−前記ｘ軸を中心とした前記ジャイロスコープの回転に応答して、前記ｘ軸二次モードは、各プルーフマスカルテット内の前記第１のプルーフマスおよび前記第２のプルーフマスによって形成される前記２つのプルーフマス対が前記デバイス平面から外方に接線方向に振動する動きを含み、
−前記ｙ軸を中心とした前記ジャイロスコープの回転に応答して、前記ｙ軸二次モードは、各プルーフマスカルテット内の前記第３のプルーフマスおよび前記第４のプルーフマスによって形成される前記２つのプルーフマス対が前記デバイス平面から外方に接線方向に振動する動きを含む、
微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項２】
前記ｘ軸二次モードと前記ｙ軸二次モードの両方における少なくとも１つのプルーフマス対の面外振動が、回転成分を含むことを特徴とする、
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】
前記第１のプルーフマスカルテット内の第２のプルーフマスは、前記第１のプルーフマスカルテット内の前記第２のプルーフマスおよび前記第２のプルーフマスカルテット内の前記第１のプルーフマスが、対応する交差軸を中心として反対の面外方向に同時に回転することを可能にする少なくとも１つの結合ばねによって、前記第２のプルーフマスカルテット内の前記第１のプルーフマスに機械的に結合されることを特徴とする、
請求項２に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項４】
前記少なくとも１つの結合ばねは、前記第１のプルーフマスカルテット内の前記第２のプルーフマスおよび前記第２のプルーフマスカルテット内の前記第１のプルーフマスが、対応する垂直軸を中心として反対の面内方向に同時に回転することを可能にすることを特徴とする、
請求項２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】
前記少なくとも１つの結合ばねは、前記第１のプルーフマスカルテット内の前記第２のプルーフマスおよび前記第２のプルーフマスカルテット内の前記第１のプルーフマスの、前記横軸に平行な、任意の交差軸に平行な、または任意の垂直軸に平行な方向における同時の同位相線形並進を可能にすることを特徴とする、
請求項２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】
前記少なくとも１つの結合ばねは、前記第１のプルーフマスカルテット内の前記第２のプルーフマスおよび前記第２のプルーフマスカルテット内の前記第１のプルーフマスの、任意の交差軸または任意の垂直軸に平行な対向する方向における同時の逆位相線形並進に抵抗することを特徴とする、
請求項２から５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】
前記少なくとも１つの結合ばねは、前記第１のプルーフマスカルテット内の前記第２のプルーフマスおよび前記第２のプルーフマスカルテット内の前記第１のプルーフマスの、前記横軸を中心とした反対方向における同時回転に抵抗することを特徴とする、
請求項２から６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】
前記サスペンション構成は、前記第１のカルテット中心点に位置する第１の中央アンカーポイントから前記第１のプルーフマスカルテットを懸架する第１の中央サスペンション構成を備え、
前記サスペンション構成はまた、前記第２のカルテット中心点に位置する第２の中央アンカーポイントから前記第２のプルーフマスカルテットを懸架する第２の中央サスペンション構成をも備え、
前記第１の中央サスペンション構成および前記第２の中央サスペンション構成の少なくとも１つは、ｃ１軸がｃ２軸と直交する、対応する前記第１の中央アンカーポイントまたは前記第２の中央アンカーポイントを中心とし、結果、前記ｃ１軸は横方向または交差方向のいずれかであり、
前記中央サスペンション構成は、中央同期要素に囲まれた中央ジンバル要素を備え、
前記中央ジンバル要素は、対応する前記中央アンカーポイントからジンバルフレームまで延伸する内側ねじりばねと、前記ジンバルフレームから前記中央同期要素まで延伸する外側ねじりばねとを備え、
前記中央同期要素は、前記中央同期要素を囲む前記プルーフマスカルテット内の前記ｃ１軸上に位置整合された前記２つのプルーフマスまで、前記ｃ１軸に沿って反対方向に延伸する第１のｃ１トーションバーおよび第２のｃ１トーションバーを備え、
前記中央同期要素は、前記中央同期要素を囲む前記プルーフマスカルテット内の前記ｃ２軸上に位置整合された前記２つのプルーフマスまで、前記ｃ２軸に沿って反対方向に延伸する第１のｃ２トーションバーおよび第２のｃ２トーションバーを備えることを特徴とする、
請求項１から７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９】
前記中央同期要素は、前記中央ジンバル要素の対向する両側で前記ｃ１軸上に位置整合された第１の剛体および第２の剛体を備え、結果、前記第１の剛体の第１の端部が前記第２の剛体の第１の端部に対向しており、前記第１の剛体の第２の端部が前記第２の剛体の第２の端部に対向しており、
前記中央ジンバル要素の前記外側ねじりばねは、それぞれ前記第１の剛体および前記第２の剛体まで延伸し、
前記第１のｃ１トーションバーおよび前記第２のｃ１トーションバーは、それぞれ前記第１の剛体および前記第２の剛体に取り付けられ、
前記中央同期要素はまた、前記第１の剛体の前記第１の端部から前記第１のｃ２トーションバーまで延伸する第１の屈曲部と、前記第２の剛体の前記第１の端部から前記第１のｃ２トーションまで延伸する第２の屈曲部と、前記第１の剛体の前記第２の端部から前記第２のｃ２トーションバーまで延伸する第３の屈曲部と、前記第２の剛体の前記第２の端部から前記第２のｃ２トーションバーまで延伸する第４の屈曲部とを備えることを特徴とする、
請求項８に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項１０】
前記中央同期要素は、前記ジンバルフレームを囲む剛性中央同期フレームを備え、
前記中央ジンバル要素の前記外側ねじりばねは、前記中央同期フレームまで延伸し、前記中央同期要素は、
前記中央同期フレームの対向する両側で前記ｃ１軸上に位置整合された第１の剛体および第２の剛体を備え、結果、前記第１の剛体の前記第１の端部が前記第２の剛体の前記第１の端部に対向しており、前記第１の剛体の前記第２の端部が前記第２の剛性フレームの前記第２の端部に対向しており、
前記第１の剛体の前記第１の端部は、前記ｃ２軸上に位置整合された第１のＵ字型屈曲部を用いて前記第２の剛体の前記第１の端部に接合され、
前記第１の剛体の前記第２の端部は、前記ｃ２軸上に位置整合された第２のＵ字型屈曲部を用いて前記第２の剛体の前記第２の端部に接合され、
前記第１のｃ２トーションバーが前記第１のＵ字型屈曲部の底部に取り付けられ、
前記第２のｃ２トーションバーが前記第２のＵ字型屈曲部の底部に取り付けられ、
前記中央同期要素は、前記中央同期フレームから前記第１のＵ字型屈曲部の第１の分枝まで延伸する第１の屈曲部と、前記中央同期フレームから前記第１のＵ字型屈曲部の第２の分枝まで延伸する第２の屈曲部と、前記中央同期フレームから前記第２のＵ字型屈曲部の第１の分枝まで延伸する第３の屈曲部と、前記中央同期フレームから前記第２のＵ字型屈曲部の第２の分枝まで延伸する第４の屈曲部とを備えることを特徴とする、
請求項８に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項１１】
前記中央同期要素は、
前記中央ジンバル要素の対向する両側で前記ｃ１軸上に位置整合された第１の剛体および第２の剛体であって、結果、前記第１の剛体の第１の端部は前記第２の剛体の第１の端部に対向しており、前記第１の剛体の第２の端部は、前記第２の剛体の第２の端部に対向している、第１の剛体および第２の剛体と、
前記中央ジンバル要素の対向する両側で前記ｃ２軸上に位置整合された第３の剛体および第４の剛体であって、結果、前記第３の剛体の第１の端部は前記第４の剛体の第１の端部に対向しており、前記第３の剛体の第２の端部は前記第４の剛体の第２の端部に対向している、第３の剛体および第４の剛体とを備え、
前記第１のｃ１トーションバーおよび前記第２のｃ１トーションバーはそれぞれ前記第１の剛体および前記第２の剛体に取り付けられ、
前記第１のｃ２トーションバーおよび前記第２のｃ２トーションバーはそれぞれ前記第３の剛体および前記第４の剛体に取り付けられ、
前記中央同期要素は、前記ジンバルフレームを囲む実質的に四角形可撓性中央同期フレームを備え、
前記中央ジンバル要素の前記外側ねじりばねは、前記四角形可撓性中央同期フレームの２つの対向するコーナまで、前記ｃ１軸または前記ｃ２軸のいずれかに沿って延伸し、
前記中央同期要素は４対のプッシュバーをさらに備え、
プッシュパーの各対は平行であり、前記第１の剛体、前記第２の剛体、前記第３の剛体または前記第４の剛体の２つの対向する端部から、前記四角形可撓性中央同期フレームの隣接する辺の中点まで延伸することを特徴とする、
請求項８に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項１２】
前記サスペンション構成は、１つまたは複数の第１の周辺アンカーポイントから前記第１のプルーフマスカルテットを懸架する第１の周辺サスペンション構成を備え、
前記サスペンション構成はまた、１つまたは複数の第２の周辺アンカーポイントから前記第２のプルーフマスカルテットを懸架する第２の周辺サスペンション構成も備え、
前記第１の周辺サスペンション構成および前記第２の周辺サスペンション構成の少なくとも１つは、
−前記ジャイロスコープ中心点に対して対称に前記プルーフマスカルテットの周辺に配置された４つのコーナ要素を備え、隣接するコーナ要素の各対は、１つまたは複数の周辺サスペンダによって相互接続され、前記１つまたは複数の周辺サスペンダは、隣接する前記プルーフマスに取り付けられ、
各コーナ要素は、半径方向に柔軟なサスペンダによって１つまたは複数の周辺アンカーポイントから懸架されることを特徴とする、
請求項１から１１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。
【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、同じ振動プルーフマスシステムを使用して、１つ、２つ、または３つの相互に垂直な回転軸を中心とする角回転を測定することができる多軸ジャイロスコープに関する。
【背景技術】
【０００２】
振動プルーフマスを利用する微小電気機械（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープの一般的な問題は、マスが好ましくは、駆動アクチュエータによって一次振動モード（駆動振動モードとも呼ばれる）に容易に駆動されるべきであり、また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）に容易に駆動されるべきであるが、依然として好ましくは外部外乱によって動かさるべきではないことである。言い換えると、ジャイロスコープは、好ましくは、ジャイロスコープの出力信号が、意図される測定周波数範囲内にある、ジャイロスコープが受ける角回転速度によってのみ決定されるように、測定周波数範囲を超える周波数で周囲の要素によって与えられる線形および回転振動によって摂動されるべきである。たとえば、自動車用途では、通常、妨害振動は１〜５０ｋＨｚの周波数範囲にあり、一方、測定周波数範囲は通常１ｋＨｚ未満である。
【０００３】
１つの振動プルーフマス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、ジャイロスコープの振動周波数に近い周波数の外部振動が存在する場合、ジャイロスコープの出力信号は通常非常にノイズが多くなる。このようなジャイロスコープは、ジャイロスコープの感度が非常に低くなり得、製造の不完全性から生じる直交信号などの他の妨害効果が非常に顕著になる可能性がある、５０ｋＨｚを超える振動周波数でのみ実用的である。２つまたは４つのプルーフマスの同位相運動を誘発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つのプルーフマスが逆位相で振動するプルーフマスシステムを、１マスジャイロスコープよりも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。さらに、差動共振周波数に影響を与えることなく同位相共振周波数を５０ｋＨｚより高くすることができる場合、外乱振動に対する共振増幅がないため、ジャイロスコープは外部振動に対して非常にロバストであり得る。
【０００４】
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。
【０００５】
多軸ジャイロスコープは、同じデバイス内の異なる回転軸に対して２つまたは３つの１軸ジャイロスコープを組み込むことによって作成することができる。上記のような種類の多軸ジャイロスコープは、２つまたは３つの個別の振動周波数を有し、これによって、周波数間の干渉を避けるために電子回路の設計が困難になる。結果、一次振動に、複数の持続および安定化回路も必要になる。一部の多軸ＭＥＭＳジャイロスコープは、異なる周波数間の干渉の可能性を回避するために、同じ振動プルーフマスセットによってｘ、ｙ、および／またはｚ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。単一の振動周波数に基づく多軸ジャイロスコープを外部外乱に対してロバストにすることは困難である。なぜなら、すべてのプルーフマスは、相互に直交する３つの軸を中心とした角回転に関連付けられる二次振動モードのいずれかを自由にとることができるように、多くの異なる方向に振動する自由を与えられる必要があるためである。外部振動は、プルーフマスを固定構造に取り付ける、部分的に柔軟なサスペンションおよび結合構成において依然として抑制されるか、または、示差測定法において相殺される必要がある。２つまたは４つのプルーフマスを利用する多軸ジャイロスコープでは、外部振動およびエネルギー漏れからのすべての振動モードの分離に対するロバスト性を得ることは困難である。
【０００６】
特許文献１は、半径方向構成において４つのマスが内側のマスであり、４つのマスが外側のマスであるように、または、積層構成において４つのマスが上側のマスであり、４つのマスが下側のマスであるように、共通の中心の周りに対称に配置された８つのマスを利用するプルーフマスシステムを備えた多軸ジャイロスコープを開示している。いずれの構成でも、すべての所望の振動モードを可能にし、すべての望ましくないモードを抑制するサスペンションおよび結合構成を考えることは容易ではない。特許文献１には、上記のような構成は提示されていない。
【０００７】
特許文献２は、７つのマスを含むプルーフマスシステムを有する多軸ジャイロスコープを開示している。当該ジャイロスコープの有用性および測定精度は、中心の剛性内部マスによって制限され、内部プルーフマスの回転を伴う動作モードは一切許容されない。上記のような回転を許容することは、ｘ軸および／またはｙ軸検知のための面外振動モードを作成し、同時に、所望の面内モードの同期および望ましくない面内モードの抑制を可能にするために有益である。特許文献２は、外部振動に対して良好なロバスト性を有する高性能ジャイロスコープに不可欠である、上記機能を達成するための手段を一切開示していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１５／１２８７００号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１７／１８４４００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、上記の欠点を軽減する装置を提供し、所望のモードの促進および望ましくないモードの抑制をより効率的にし、また、プルーフマスの有利な動作モードおよび振動モードが使用されることを可能にするプルーフマスシステムを備えた多軸ジャイロスコープを提示することである。
【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、２つの隣接するプルーフマスカルテットを備えるプルーフマスシステムを利用するという着想に基づいている。一次振動モードは、カルテットの各プルーフマスが、当該カルテットのカルテット中心点に対して、他のカルテット内の対応するプルーフマスと比較して逆位相で振動するように作動される。
【００１２】
本開示において提示される構成の利点は、所望の振動モードを容易に同期することができ、望ましくないモードを抑制することができ、結果、外部振動に対してジャイロスコープがロバストになることである。２つのプルーフマスカルテットを並べて配置することによって、ジャイロスコープの中央において、２つのプルーフマス間の相互接続を容易にすることが可能である。任意選択的に、プルーフマスカルテット内の他のプルーフマスは、シーソーまたはレバー構造によって相互接続することができる。
【００１３】
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】
【００１４】
【図１】以下の図における一次振動モードおよび二次振動モードを示す記号を示す図である。
【図２ａ】微小電気機械ジャイロスコープの一次振動モードを示す図である。
【図２ｂ】微小電気機械ジャイロスコープの二次振動モードを示す図である。
【図２ｃ】微小電気機械ジャイロスコープの二次振動モードを示す図である。
【図２ｄ】微小電気機械ジャイロスコープの二次振動モードを示す図である。
【図２ｅ】微小電気機械ジャイロスコープの二次振動モードを示す図である。
【図３ａ】微小電気機械ジャイロスコープの一次振動モードを示す図である。
【図３ｂ】微小電気機械ジャイロスコープの二次振動モードを示す図である。
【図４ａ】プルーフマスの幾何形状を示す図である。
【図４ｂ】プルーフマスの幾何形状を示す図である。
【図４ｃ】プルーフマスの幾何形状を示す図である。
【図５】サスペンション構成を示す図である。
【図６】第１の中央サスペンション構成および第２の中央サスペンション構成を示す図である。
【図７】中央サスペンション構成の中央部を示す図である。
【図８ａ】中央サスペンション構成の中央部を示す図である。
【図８ｂ】中央サスペンション構成の中央部を示す図である。
【図８ｃ】中央サスペンション構成の中央部を示す図である。
【図９ａ】中央サスペンション構成の中央部を示す図である。
【図９ｂ】中央サスペンション構成の中央部を示す図である。
【図１０ａ】中央サスペンション構成の中央部を示す図である。
【図１０ｂ】中央サスペンション構成の中央部を示す図である。
【図１０ｃ】中央サスペンション構成の中央部を示す図である。
【図１１】周辺サスペンション構成を示す図である。
【図１２ａ】第１のプルーフマスカルテットと第２のプルーフマスカルテットとの間の同期構成を示す図である。
【図１２ｂ】第１のプルーフマスカルテットと第２のプルーフマスカルテットとの間の同期構成を示す図である。
【図１２ｃ】第１のプルーフマスカルテットと第２のプルーフマスカルテットとの間の同期構成を示す図である。
【図１３ａ】同じく、第１のプルーフマスカルテットと第２のプルーフマスカルテットとの間の同期構成を示す図である。
【図１３ｂ】同じく、第１のプルーフマスカルテットと第２のプルーフマスカルテットとの間の同期構成を示す図である。
【図１４ａ】面内振動のための容量性駆動またはセンストランスデューサの配置を示す図である。
【図１４ｂ】面内振動のための容量性駆動またはセンストランスデューサの配置を示す図である。
【図１５ａ】面外振動のための容量性駆動またはセンストランスデューサの配置を示す図である。
【図１５ｂ】面外振動のための容量性駆動またはセンストランスデューサの配置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本開示は、対応する第１のカルテット中心点および対応する第２のカルテット中心点が横軸上にある、デバイス平面内の第１のプルーフマスカルテットおよび第２のプルーフマスカルテット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。
【００１６】
第１のプルーフマスカルテットを形成する４つのプルーフマスは、静止位置において、第１のカルテット中心点の周りに対称に配置され、第１のカルテット中心点において、横軸がデバイス平面内で第１の交差軸に直交する。第２のプルーフマスカルテットを形成する４つのプルーフマスは、静止位置において、第２のカルテット中心点の周りに対称に配置され、第２のカルテット中心点において、横軸がデバイス平面内で第２の交差軸に直交する。
【００１７】
各プルーフマスカルテット内の第１のプルーフマスおよび第２のプルーフマスは、静止位置において横軸上で位置整合する。第１のプルーフマスカルテット内の第３のプルーフマスおよび第４のプルーフマスは、静止位置において第１の交差軸上で位置整合する。第２のプルーフマスカルテット内の第３のプルーフマスおよび第４のプルーフマスは、静止位置において第２の交差軸上で位置整合する。対応するカルテット中心点に関する第１のプルーフマス、第２のプルーフマス、第３のプルーフマス、および第４のプルーフマスの相対位置は、両方のカルテットにおいて同じである。
【００１８】
第１のプルーフマスカルテット内の第２のプルーフマスは、第２のプルーフマスカルテット内の第１のプルーフマスに隣接し、機械的に結合されている。
【００１９】
ジャイロスコープは、第１のプルーフマスカルテットおよび第２のプルーフマスカルテットを一次振動運動に設定するための１つまたは複数の駆動トランスデューサと、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誘導される第１のプルーフマスカルテットおよび第２のプルーフマスカルテットの二次振動運動を検出するための１つまたは複数のセンストランスデューサとをさらに備える。
【００２０】
ジャイロスコープは、第１のプルーフマスカルテットおよび第２のプルーフマスカルテットを固定支持構造から懸架するためのサスペンション構成をさらに備える。サスペンション構造は、第１のプルーフマスカルテットおよび第２のプルーフマスカルテットの一次振動運動および二次振動運動に対応するように構成されている。
【００２１】
駆動トランスデューサは、各プルーフマスカルテット内の４つのプルーフマスすべてを、第１の一次振動モードまたは第２の一次振動モードのいずれかにおいて、デバイス平面内の一次振動に設定するように構成されている。
【００２２】
第１の一次振動モードにおいて、第１のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスがデバイス平面内で第１のカルテット中心点に向かっておよび第１のカルテット中心点から外方にともに半径方向に動き、第２のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスがデバイス平面内で第２のカルテット中心点に向かっておよび第２のカルテット中心点から外方にともに半径方向に動く。第２のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスがデバイス平面内で第２のプルーフマスカルテットから外方に半径方向に動くと、第１のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスがデバイス平面内で第１のカルテット中心点に向かって半径方向に動き、および、逆のときは逆の動きになる。
【００２３】
第２の一次振動モードにおいて、第１のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスが第１のカルテット中心点に対して時計回りおよび反時計回りに、デバイス平面内でともに接線方向に動き、第２のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスが第２のカルテット中心点に対して時計回りおよび反時計回りに、デバイス平面内でともに接線方向に動く。第２のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスが第２のカルテット中心点に対して反時計回りに、デバイス平面内で接線方向に動くと、第１のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスが第１のカルテット中心点に対して時計回りに、デバイス平面内で接線方向に動き、および、逆のときは逆の動きになる。
【００２４】
第１のプルーフマスカルテットおよび第２のプルーフマスカルテットの二次振動モードは、ｚ軸二次モード、ｘ軸二次モード、および／またはｙ軸二次モードを含む。一次振動モードが第１の一次振動モードである場合、デバイス平面に垂直なｚ軸を中心としたジャイロスコープの回転に応答して、ｚ軸二次モードは、第２の一次振動モードと同じであり、横軸に平行なｘ軸を中心としたジャイロスコープの回転に応答して、ｘ軸二次モードは、各プルーフマスカルテット内の第３のプルーフマスおよび第４のプルーフマスによって形成される２つのプルーフマス対がデバイス平面から外方に接線方向に振動する動きを含み、第１の交差軸および第２の交差軸に平行なｙ軸を中心としたジャイロスコープの回転に応答して、ｙ軸二次モードは、各プルーフマスカルテット内の第１のプルーフマスおよび第２のプルーフマスによって形成される２つのプルーフマス対がデバイス平面から外方に接線方向に振動する動きを含む。
【００２５】
各プルーフマスカルテットの一次振動モードが第２の一次振動モードである場合、ｚ軸を中心としたジャイロスコープの回転に応答して、ｚ軸二次モードは、第１の一次振動モードと同じであり、ｘ軸を中心としたジャイロスコープの回転に応答して、ｘ軸二次モードは、各プルーフマスカルテット内の第１のプルーフマスおよび第２のプルーフマスによって形成される２つのプルーフマス対がデバイス平面から外方に接線方向に振動する動きを含み、ｙ軸を中心としたジャイロスコープの回転に応答して、ｙ軸二次モードは、各プルーフマスカルテット内の第３のプルーフマスおよび第４のプルーフマスによって形成される２つのプルーフマス対がデバイス平面から外方に接線方向に振動する動きを含む。
【００２６】
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」と称される場合があり、一方、プルーフマス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。
【００２７】
本開示では、ｚ軸に平行な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。同様に、ｘ軸に平行な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。
【００２８】
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、およびその後の中心点に向かって戻る線形運動を指す。「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外周に沿ったｘｙ平面、ｘｚ平面、またはｙｚ平面内の動きを指す。
【００２９】
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。通常、プルーフマスの寸法と比較して、振動振幅は小さく、すなわち、接線方向の振動は、回転成分を含有する場合でも、中心点から外方に外周上で実質的に線形になる。同じ考慮事項が、面外振動にも適用される。この振動は、サスペンション構成に依存する線形運動、または、回転運動と線形運動との組み合わせであり得る。面外振動は、ｘｚ平面またはｙｚ平面内の接線方向の振動であり得る。
【００３０】
ｘ軸二次モードとｙ軸二次モードの両方における少なくとも１つのプルーフマス対の面外振動は、回転成分を含み得る。これは、第１のプルーフマスカルテットおよび第２のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマス対に適用される。特別な場合では、面外振動は、対応するカルテット中心点を中心とした、一対の対向するプルーフマスの回転運動であり得る。
【００３１】
本開示全体を通して、「同期する（ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅ）」という用語、および「構造Ａが振動モードＸに同期する」などの語句は、以下の意味を有する。構造Ａは、好ましくは所望のモードＸにおいて振動すべきであるが、好ましくは望ましくないモードＹにおいては振動すべきではない、相互接続されたマス要素のシステムにおいて機械的接続を構成する。選択されたモードにおける共振システムの剛性の増大、または言い換えれば、柔軟性の低下は、モードの共振周波数を増大させる。したがって、高い共振周波数および剛性は等価と考えることができる。構造Ａは、振動モードＸにおいて柔軟になり、結果、プルーフマス間でエネルギーを伝達し、結果、相互接続されたマス要素に関連付けられたサスペンション構成によって決定され、構造Ａによって少なくとも部分的に決定される所望の共振周波数ＦＸにおいて、単一の振動モードが作成される。望ましくないモードＹの完全な抑制は可能でないかもしれないが、モードＸに関連付けられる柔軟性および共振周波数ＦＸを所望の値に維持しながら、少なくとも、モードＹに関連付けられる剛性および共振周波数ＦＹを可能な限り増加させることは、有益である。構造Ａは、モードＹの剛性とモードＸの柔軟性との有益な組み合わせを呈し、結果、構造Ａの存在により、システム内のモードＸの共振周波数ＦＸとモードＹの共振周波数ＦＹとの間の関係が改善される。
【００３２】
構造Ａの存在は、たとえば、比ＦＹ／ＦＸおよび／または差ＦＹ−ＦＸを増加させることができる。この改善が測定される基準状態は、場合によっては、構造Ａのないマス要素の同じシステムである場合がある。この場合、構造Ａは同期および抑制にのみ必要である。他の場合、構造Ａがマス要素の重量を支え、および／または、モードＸにおいてマスシステムを共振させるのに必要なばね関数の少なくとも一部を提供す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、構造的な支持を与え、および／または、モードＸにおいてマスシステムを共振させるためのばね関数を提供するのみである代替の標準構造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。
【００３３】
一般に、すべてのサスペンション構成は、支持、および、特定の方向の柔軟性と他の方向の剛性のために最適化されている。当該３つの変数は互いに競合する可能性があるため、最適化は、適切な妥協案を見つけることを意味する。ジャイロスコープのすべての要素が当該妥協に影響を与える可能性がある。
【００３４】
本開示の図では、第１のプルーフマスカルテットおよび第２のプルーフマスカルテット内のプルーフマスの配置は、当該プルーフマスの静止位置に対応する。本開示の異なる実施形態におけるプルーフマスの振動方向、および、振動間の位相関係は、図１に提示される記号を使用して示される。行１１に示されている白矢印は、デバイス平面内で発生する一次振動モードを示している。行１２の黒矢印は、ジャイロスコープがｚ軸を中心とした回転を受けるときにデバイス平面内で発生する二次モードを示している。行１３に示されている記号の対は、ジャイロスコープがｘ軸を中心とした回転を受けるときのプルーフマス対の面外運動を示すために、常に同時に使用される。行１４に示されている記号の対は、ジャイロスコープがｙ軸を中心とした回転を受けるときのプルーフマス対の面外運動を示すために、常に同時に使用される。
【００３５】
図２ａは、第１のプルーフマスカルテットと第２のプルーフマスカルテットとを備えた微小電気機械ジャイロスコープを示している。
【００３６】
ジャイロスコープは、第１のプルーフマスカルテットの第１のプルーフマス２１１、第１のプルーフマスカルテットの第２のプルーフマス２１２、第１のプルーフマスカルテットの第３のプルーフマス２１３、および第１のプルーフマスカルテットの第４のプルーフマス２１４を備える。ジャイロスコープは、第２のプルーフマスカルテットの第１のプルーフマス２２１、第２のプルーフマスカルテットの第２のプルーフマス２２２、第２のプルーフマスカルテットの第３のプルーフマス２２３、および第２のプルーフマスカルテットの第４のプルーフマス２２４を備える。
【００３７】
第１のカルテット中心点は、横軸２８が第１の交差軸２９１と交差する点である。第２のカルテット中心点は、横軸２８が第２の交差軸２９２と交差する点である。第３の交差軸２９３は、図２ａに示すように、第１のプルーフマスカルテットの第２のプルーフマス２１２と第２のプルーフマスカルテットの第１のプルーフマス２２１との間で、横軸と交差する。第１の交差軸２９１および第２の交差軸２９２は、横軸２８上で互いに分離されている。第１のプルーフマスカルテットの第２のプルーフマス２１２および第２のプルーフマスカルテットの第１のプルーフマス２２１は、第３の交差軸２９３の対向する両側で、第１のカルテット中心点と第２のカルテット中心点との間に位置決めされる。
【００３８】
すべてのプルーフマスは、振動運動を可能にする部分的に柔軟なサスペンション構成（図２ａには図示せず）によって固定支持体から懸架され得る。ジャイロスコープはまた、容量性またはピエゾアクチュエータ（図２ａには図示せず）と、１つまたは複数の駆動電圧信号をアクチュエータに印加するように構成された制御ユニットとを備えることができる。結果、制御ユニットはプルーフマスの一次振動を駆動することができる。ジャイロスコープがｘ軸、ｙ軸、および／またはｚ軸を中心とした回転を受けると、コリオリの力が、少なくとも一部のプルーフマスを二次振動に設定する。
【００３９】
サスペンション構成は、特定の振動モードを同期させることもできる。ジャイロスコープは、結合ばねをさらに備えることができる。一部のプルーフマスは、アクチュエータに直接接続されない場合がある。１つのプルーフマスの動きを、アクチュエータに直接接続されていないプルーフマスに伝達する結合ばねによって、一部のプルーフマスの一次振動を間接的に作動させることができる。結合ばねは、いくつかの振動モードを同期させることもできる。
【００４０】
サスペンション構成は、カルテット中心点の近くに形成された中央サスペンション構成と、ジャイロスコープの周辺により近い周辺サスペンション構成とを含んでもよい。所望の振動モードに柔軟に対応する任意の中央および周辺のサスペンダを使用することができ、サスペンダの形状はプルーフマスの形状に依存し得る。例示的なサスペンション構成を以下に説明する。
【００４１】
振動モードの例
図２ａおよび図２ｂは、第１の一次振動モードおよび対応する二次振動モードを示している。当該一次振動モードにおいて、各プルーフマスは、対応するカルテット中心点に対して半径方向に直線的に動く。対応するカルテット中心点に対する各プルーフマスカルテット内の第１のプルーフマスの一次振動の位相は、同じカルテット中心点に対する同じプルーフマスカルテット内の第２のプルーフマス、第３のプルーフマスおよび第４のプルーフマスの一次振動の位相と同じである。言い換えれば、カルテット内のすべてのプルーフマスは、対応するカルテット中心点に向かっておよび対応するカルテット中心点から外方に同時に動く。当該振動モードでは、ｘ軸に沿ったプルーフマス２１２および２２１の動きを、結合ばね２５５を用いて同期させることができる。結合ばね２５５の特性は、図１２ａ〜図１２ｃを参照して以下に説明される。
【００４２】
図示されている瞬間において、第２のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスが第２のカルテット中心点に向かって同時に動く間に、第１のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスは、第１のカルテット中心点から外方に同時に動く。振動周期の反対の半周期では、第２のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスがカルテット中心点から外方に動く間に、第１のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスは、第１のカルテット中心点に向かって動く。図２ａに示されている振動モードは、拍動モードと呼ばれる場合がある。
【００４３】
図２ｂは、対応する二次振動モードを示す。ｚ軸を中心としたジャイロスコープの回転に応答して、コリオリの力はすべてのプルーフマスを接線方向に振動させる。第１の一次振動モードは、対応する二次振動モードを誘導する。当該モードでは、図示された位相において、第１のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスが時計回り方向に振動する一方、第２のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスは、反時計回り方向に振動する。
【００４４】
容量性またはピエゾ測定トランスデューサを使用して、ｚ軸二次振動モードにおける面内振動振幅を決定することができる。各プルーフマスに取り付けられた同様のトランスデューサからの電気信号の示差測定値を、誤差およびクロストークを相殺するために使用することができる。差分信号処理の以下の例では、カルテット内のプルーフマストランスデューサの幾何形状が回転対称であると想定され（プルーフマストランスデューサシステムがｘｙ平面内でコピー、シフトおよび回転される）、トランスデューサからの電気信号は対応するプルーフマスの記号によって指定される。１つのカルテット内で、同じ位相にある信号を合計することができる、すなわち、２１１＋２１２＋２１３＋２１４および２２１＋２２２＋２２３＋２２４となる。２つのカルテットは逆位相であるため、対応する式の差をとることができ、最終的に合計信号２１１＋２１２＋２１３＋２１４−２２１−２２２−２２３−２２４になる。各プルーフマスに、反対の電気極性を有する第２のトランスデューサを容易に追加することができる。トランスデューサを追加することにより、差分補償のレベルを１つ追加して増大することができる。また、任意のプルーフマスに反対の電気極性を有する単一のトランスデューサを使用することも可能であり、対応して式の信号の符号を変更する必要がある。
【００４５】
ｘ軸を中心としたジャイロスコープの回転に応答して、コリオリの力は、図２ｂに示すように、各プルーフマスカルテット内の第３のプルーフマスおよび第４のプルーフマスによって形成されるプルーフマス対（２１３＋２１４および２２３＋２２４）をデバイス平面から外方に振動させる。この振動を促進する中央および／または周辺サスペンションならびに結合ばねについては、以下で説明する。逆位相の一次振動に起因して、プルーフマス対２１３＋２１４および２２３＋２２４は、逆位相で横軸２８を中心として振動する。
【００４６】
ｙ軸を中心としたジャイロスコープの回転に応答して、コリオリの力は、図２ｂに示すように、各プルーフマスカルテット内の第１のプルーフマスおよび第２のプルーフマスによって形成されるプルーフマス対（２１１＋２１２および２２１＋２２２）を、それぞれの交差軸２９１および２９２を中心とした相互回転において、デバイス平面から外方に振動させる。逆位相の一次振動に起因して、交差軸を中心としたこの二次振動も逆位相で発生する。
【００４７】
容量性またはピエゾ測定トランスデューサを使用して、ｘ軸二次振動モードおよびｙ軸二次振動モードにおける面外振動振幅を決定することができる。各プルーフマスに取り付けられた同様のトランスデューサからの電気信号の示差測定値を、誤差およびクロストークを相殺するために使用することができる。差分信号処理の以下の例では、トランスデューサからの電気信号は、対応するプルーフマスの記号によって指定される。１つのカルテット内で、反対位相にある信号の差をとることができる、すなわち、２１１−２１２および２２１−２２２となる。２つのカルテットは逆位相であるため、対応する式の差をとることができ、最終的に、ｙ軸回転によって生成される信号を検出するための合計信号２１１−２１２−２２１＋２２２となる。ｘ軸回転について、２１３−２１４−２２３＋２２４という同様の式を形成することができる。各プルーフマスに、反対の電気極性を有する第２のトランスデューサを追加することができる。トランスデューサを追加することにより、差分補償のレベルを１つ追加して増大することができる。また、任意のプルーフマスに反対の電気極性を有する単一のトランスデューサを使用することも可能であり、対応して式の信号の符号を変更する必要がある。
【００４８】
図２ｃは、線形運動と回転との混合としての面内接線振動を示している。図２ｄは、線形運動と回転との混合としての面外振動を示している。以下でより詳細に説明する、サスペンション構成、および、プルーフマス間の結合は、回転成分がどの程度存在するかを決定する。各プルーフマス対２１１＋２１２および２２１＋２２２が面外振動中に平面的（それぞれ軸２８１および２８２によって示されている）なままである図２ｄに示すように、カルテットの中心の周りにプルーフマスの円形の遊星運動を生成する線形運動と回転運動との組み合わせを有することが有利な場合がある。ただし、対が面外振動において同じ平面にとどまらない図２ｅに示すように、各プルーフマスの回転中心を、カルテットの中心に最も近いマスの縁部に近づけることも許容される。線形および回転振動に関するこれらの考慮事項は、本開示において説明するすべての接線振動モードおよび面外振動モードに適用される。上記のいずれかは、線形運動成分と回転運動成分の任意の混合であり得、線形運動成分の振幅はゼロでない。プルーフマスの純粋な回転運動はコリオリの力によって適切に結合されないが、線形運動と回転運動との適切な組み合わせにより、カルテットの中心付近のプルーフマスの総運動が減少し、これにより、以下に説明するように、半径方向モードおよび面外モードの同期に有利となり得る。
【００４９】
図３ａは、第２の一次振動モードを示している。参照符号３１１〜３１４、３２１〜３２４、３５５、３８および３９１〜３９３は、それぞれ図２ａ〜図２ｅの参照符号２１１〜２１４、２２１〜２２４、２５５、２８および２９１〜２９３に対応する。図３ｂは、対応する二次振動モードを示す。
【００５０】
第２の一次振動モードにおいて、各プルーフマスは、対応するカルテット中心点に対して接線方向に動く。ここでも、対応するカルテット中心点に対する各プルーフマスカルテット内の第１のプルーフマスの振動位相（時計回りまたは反時計回り）は、同じカルテット中心点に対する同じプルーフマスカルテット内の第２のプルーフマス、第３のプルーフマスおよび第４のプルーフマスの一次振動の位相と同じである。第１のプルーフマスカルテットの一次振動は、第２のプルーフマスカルテットの一次振動と逆位相にある。
【００５１】
第２のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスが第２のカルテット中心点を中心として時計回りに同時に動く間に、第１のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスは、第１のカルテット中心点を中心として反時計回りに同時に動く。振動周期の反対の半周期では、第２のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスが反時計回りに動く間に、第１のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスは、時計回りに動く。
【００５２】
図３ｂは、対応する二次振動モードを示す。ｚ軸を中心としたジャイロスコープの回転に応答して、コリオリの力はすべてのプルーフマスを半径方向に振動させる。ここでは、逆位相一次振動モードは、対応する逆位相二次振動モードを誘導する。当該モードでは、図示された位相において、第１のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスが外向きに振動する一方、第２のプルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスは、内向きに振動する。当該事例において、結合ばね３５５は、横方向において剛直である場合、ｚ軸二次振動モードにおいてプルーフマス３１２および３２１の動きを同期させることができる。結合ばね３５５の他の特性は、図１２ａ〜図１２ｃを参照して以下に説明される。
【００５３】
図２ａ〜図２ｂと図３ａ〜図３ｂとを比較することによって、第１の一次振動モードによって生成される二次振動モードは第２の一次振動モードに対応し、第２の一次振動モードによって生成される二次振動モードは第１の一次振動モードに対応することが分かる。
【００５４】
容量性またはピエゾ測定トランスデューサを使用して、ｚ軸二次振動モードにおける面内振動振幅を決定することができる。各プルーフマスに取り付けられた同様のトランスデューサからの電気信号の示差測定値を、誤差およびクロストークを相殺するために使用することができる。差分信号処理の以下の例では、カルテット内のプルーフマストランスデューサの幾何形状が回転対称であると想定され（プルーフマストランスデューサシステムがｘｙ平面内でコピー、シフトおよび回転される）、トランスデューサからの電気信号は対応するプルーフマスの記号によって指定される。１つのカルテット内で、同じ位相にある信号を合計することができる、すなわち、３１１＋３１２＋３１３＋３１４および３２１＋３２２＋３２３＋３２４となる。２つのカルテットは逆位相であるため、対応する式の差をとることができ、最終的に合計信号３１１＋３１２＋３１３＋３１４−３２１−３２２−３２３−３２４になる。各プルーフマスに、反対の電気極性を有する第２のトランスデューサを容易に追加することができる。トランスデューサを追加することにより、差分補償のレベルを１つ追加して増大することができる。また、任意のプルーフマスに反対の電気極性を有する単一のトランスデューサを使用することも可能であり、対応して式の信号の符号を変更する必要がある。
【００５５】
ｘ軸を中心としたジャイロスコープの回転に応答して、コリオリの力は、図３ｂに示すように、各プルーフマスカルテット内の第１のプルーフマスおよび第２のプルーフマスによって形成されるプルーフマス対（３１１＋３１２および３２１＋３２２）をデバイス平面から外方に振動させる。位相の一次振動に起因して、プルーフマス対３１１＋３１２および３２１＋３２２は、逆位相でそれぞれの交差軸３９１および３９２を中心として振動する。
【００５６】
ｙ軸を中心としたジャイロスコープの回転に応答して、コリオリの力は、図３ｂに示すように、各プルーフマスカルテット内の第３のプルーフマスおよび第４のプルーフマスによって形成されるプルーフマス対（３１３＋３１４および３２３＋３２４）をデバイス平面から外方に振動させる。逆位相の一次振動に起因して、横軸を中心としたこの二次振動も逆位相で発生する。
【００５７】
容量性またはピエゾ測定トランスデューサを使用して、ｘ軸二次振動モードおよびｙ軸二次振動モードにおける面外振動振幅を決定することができる。各プルーフマスに取り付けられた同様のトランスデューサからの電気信号の示差測定値を、誤差およびクロストークを相殺するために使用することができる。差分信号処理の以下の例では、トランスデューサからの電気信号は、対応するプルーフマスの記号によって指定される。１つのカルテット内で、反対位相にある信号の差をとることができる、すなわち、３１１−３１２および３２１−３２２となる。２つのカルテットは逆位相であるため、対応する式の差をとることができ、最終的に、ｘ軸回転によって生成される信号を検出するための合計信号３１１−３１２−３２１＋３２２になる。ｙ軸について、３１３−３１４−３２３＋３２４という同様の式を形成することができる。各プルーフマスに、反対の電気極性を有する第２のトランスデューサを追加することができる。トランスデューサを追加することにより、差分補償のレベルを１つ追加して増大することができる。また、任意のプルーフマスに反対の電気極性を有する単一のトランスデューサを使用することも可能であり、対応して式の信号の符号を変更する必要がある。
【００５８】
図３ａ〜図３ｂには、プルーフマスの線形運動のみが示されている。図２ｃ〜図２ｅと同様に、図３ａ〜図３ｂに示す線形成分に加えて、運動の回転成分が、図３ａ〜図３ｂのモードにも存在し得、上記の純粋な線形モードよりも有利であり得る。
【００５９】
組み合わせて、図２ａ〜図２ｂおよび図３ａ〜図３ｂに示されている一次振動モードおよび二次振動モードは、ジャイロスコープを、外部外乱および振動モード外のエネルギーフローに対して非常にロバストにする。これは、ジャイロスコープの片側の運動している各プルーフマスの運動量が、ジャイロスコープの他方の側にある別のプルーフマスの反対の運動量によって平衡されるためである。
【００６０】
プルーフマスカルテット幾何形状
すべてのプルーフマスカルテットは、例示を目的として、図２ａ〜図３ｂにおいて４つの正方形ブロックの集合として提示されており、中央に空の正方形領域がある。通常、プルーフマスが長方形の境界内でより密に詰め込まれた、面積節約型の幾何形状を使用する方が有利であり、当該形状は、典型的には、シリコンマイクロテクノロジーにおいて有利である。
【００６１】
図４ａは、正方形のプルーフマス４１〜４４が横軸４８および交差軸４９に対して４５度傾斜している幾何形状を示している。この幾何形状により、カルテット中心点に近い密なグループ化が可能になる。
【００６２】
図４ｂは、所与のマス面積に対して表面積の消費が少ない別の幾何形状を示している。プルーフマス４１〜４４は、直角三角形として成形されている。より一般的には、各プルーフマスの形状は二等辺三角形であってもよく、各二等辺三角形の先端は図４ｂのようにカルテット中心点を指し得る。
【００６３】
図４ｃは、プルーフマス４１〜４４が、三角形の先端が切り取られている、切頭二等辺（この場合は切頭直角）三角形として成形されている幾何形状を示す。この切頭三角形の形状は、サスペンションおよび結合装置が、カルテット中心点近くに配置する必要がある何らかのばねを含む場合に有益であり得る。
【００６４】
図４ａ〜図４ｃに示された幾何学形状のいずれも、本開示に提示された任意の実施形態で使用することができる。他の多くのプルーフマスの形状および構成を使用することもできる。たとえば、プルーフマスは、サスペンダおよび／または同期構造および／またはトランスデューサの配置を容易にするための切り欠きおよび／または開口部を含んでもよい。
【００６５】
サスペンションおよび結合の例
一般に、「サスペンション」という用語は、本開示では、サスペンダと呼ばれる場合もあり、固定支持体からプルーフマスなどの部分的に可動な要素まで延伸する１つまたは複数の柔軟なばねの構成を指す。サスペンダが固定支持体に取り付けられている場所は、アンカーポイントと呼ばれる場合がある。「固定された」という用語は、支持体が、プルーフマスおよびサスペンションの振動モードに対しては実質的に動かないが、センサが全体として回転を受けるときに動くことを意味する。サスペンダの柔軟性により、プルーフマスが部分的に可動になり、結果、サスペンダを、駆動トランスデューサによって、プルーフマスの慣性およびサスペンションの適合性によって決定される共振周波数にあるか、またはそれに近い周波数にある、一次振動モードに設定することができる。
【００６６】
本開示では、「結合」という用語は、振動するプルーフマスのシステムを所望の同期に向けて安定させる、結合ばねまたは同期ばねと呼ばれる場合がある１つまたは複数の柔軟なばねから成る構成を指す。結合構成は、剛性要素も含む場合がある。結合機能はまた、サスペンションに組み込まれてもよい。逆もまた同様にでき、結合要素は、共振周波数を決定するサスペンションの一部であってもよい。参照を容易にするために、一般的な用語「サスペンション構成」は、本開示では、サスペンションと結合の両方をカバーする。
【００６７】
サスペンション構成は、第１のプルーフマスカルテットおよび第２のプルーフマスカルテットのすべての望ましい一次振動モードおよび二次振動モードに柔軟に対応すべきであり、好ましくはまた同期すべきでもある。また、サスペンション構成は好ましくは、望ましくない振動モード、特に、逆位相振動が所望の振動モードである場合の２つ以上のプルーフマスの望ましくない同位相振動に抵抗するべきである。すべての同位相振動が望ましくないわけではないが、本開示において論じられるすべての所望の逆位相振動モードについて、その振幅および周波数が所望の逆位相振動モードの振幅および周波数に近すぎる場合、測定を妨害する対応する同位相振動モードが存在する。したがって、サスペンション構成は好ましくは、当該モードの共振周波数を可能な限り高くシフトすることにより、これらの同位相振動モードを抑制すべきである。
【００６８】
プルーフマスの重さを支持するが、プルーフマスを部分的に可動にし、またプルーフマスカルテット内の振動モードを同期させることもできる、１つのプルーフマスカルテットのサスペンション構成について最初に説明する。２つのプルーフマスカルテットを備えるジャイロスコープでは、両方のプルーフマスカルテットが懸架され得、同じ内部サスペンション構成と内部で結合され得る。両方のプルーフマスカルテットを懸架し、異なる内部サスペンション構成と内部結合することもできるが、当該事例において、２つのプルーフマスカルテット間の同期はより困難になる可能性がある。
【００６９】
図５は、すべての振動モードに適用可能なサスペンション構成の一例を示している。各プルーフマスは開口部を備え、アンカーポイント５５が各開口部の内側に配置される。サスペンション構成は、アンカーポイントから、アンカーポイントの対向する両側のジンバルフレーム５７まで延伸する２つの内側蛇行ばね５６をさらに備える。ジンバルフレーム５７は、アンカーポイント５５および内側蛇行ばね５６を囲む。２つの外側蛇行ばね５８が、ジンバルフレームから、ジンバルフレーム５７の対向する両側の周囲のプルーフマスまで延伸する。外側蛇行ばね５８は、内側蛇行ばね５６に直交している。
【００７０】
図５に示すプルーフマスカルテットでは、内側蛇行ばねは、第１のプルーフマス５１および第２のプルーフマス５２内では、交差方向に延伸し、内側蛇行ばねは、第３の試験室試験５３および第４のプルーフマス５４内では、横方向に延伸する。逆に、外側蛇行ばねは、第１のプルーフマス５１および第２のプルーフマス５２内では、横方向に延伸し、外側蛇行ばねは、第３のプルーフマス５３および第４のプルーフマス５４内では、交差方向に延伸する。
【００７１】
内側蛇行ばね５６および外側蛇行ばね５８の折り畳まれた部分は、プルーフマスの面外並進および回転を可能にするのに十分な長さでなければならない。
【００７２】
中央サスペンション構成
各カルテット中心点にアンカーポイントを配置し、対応するプルーフマスカルテットを当該アンカーポイントから懸架することが有益である場合が多い。カルテット中心点に位置するアンカーポイントを中心としたサスペンション構成は、中央サスペンション構成と呼ばれる場合がある。
【００７３】
サスペンション構成は、第１のカルテット中心点に位置する第１の中央アンカーポイントから第１のプルーフマスカルテットを懸架する第１の中央サスペンション構成を備えることができる。サスペンション構成は、第２のカルテット中心点に位置する第２の中央アンカーポイントから第２のプルーフマスカルテットを懸架する第２の中央サスペンション構成を備えることもできる。
【００７４】
第１の中央サスペンション構成および第２の中央サスペンション構成の少なくとも１つは、ｃ１軸がｃ２軸と直交する、対応する第１の中央アンカーポイントまたは第２の中央アンカーポイントを中心とすることができる。ｃ１軸は、横方向または交差方向のいずれかである。上記中央サスペンション構成は、中央同期要素に囲まれた中央ジンバル要素を備え、中央ジンバル要素は、対応する中央アンカーポイントからジンバルフレームまで延伸する内側ねじりばねと、ジンバルフレームから中央同期要素まで延伸する外側ねじりばねとを備える。
【００７５】
中央同期要素は、上記中央同期要素を囲むプルーフマスカルテット内のｃ１軸上に位置整合された２つのプルーフマスまで、ｃ１軸に沿って反対方向に延伸する第１のｃ１トーションバーおよび第２のｃ１トーションバーを備える。中央同期要素は、上記中央同期要素を囲むプルーフマスカルテット内のｃ２軸上に位置整合された２つのプルーフマスまで、ｃ２軸に沿って反対方向に延伸する第１のｃ２トーションバーおよび第２のｃ２トーションバーを備える。
【００７６】
図６は、第１の中央サスペンション構成および第２の中央サスペンション構成を含む典型的なサスペンション構成を示している。参照符号６１１〜６１４、６２１〜６２４、６８および６９１〜６９２は、それぞれ図２ａの参照符号２１１〜２１４、２２１〜２２４、２８および２９１〜２９２、ならびに、図３ａの参照符号３１１〜３１４、３２１〜３２４、３８および３９１〜３９２に対応する。
【００７７】
以下で説明する中央同期要素は、横軸と交差軸の両方に関して反射対称であるが、デバイス平面内で９０°回転すると対称ではないため、「ｃ１軸」および「ｃ２軸」は以下のように定義される。ｃ１軸は、横方向または交差方向のいずれかであり得る、すなわち、横軸６８または交差軸６９１および６９２のいずれかに平行であり得る。ｃ１軸が横方向である場合、ｃ２軸は交差方向である。ｃ１軸が交差方向である場合、ｃ２軸は横方向である。中央同期要素は、両方の事例において同じように動作する。
【００７８】
ｃ１軸が横方向である場合、ｃ１トーションバーは、第１の中央サスペンション構成内の６３１および６３２ならびに第２の中央サスペンション構成内の６４１および６４２である。当該事例において、ｃ２トーションバーは、第１の中央サスペンション構成内の６３３および６３４ならびに第２の中央サスペンション構成内の６４３および６４４である。他方、ｃ１軸が交差方向である場合、ｃ１トーションバーは、第１の中央サスペンション構成内の６３３および６３４ならびに第２の中央サスペンション構成内の６４３および６４４である。当該事例において、ｃ２トーションバーは、第１の中央サスペンション構成内の６３１および６３２ならびに第２の中央サスペンション構成内の６４１および６４２である。
【００７９】
図２ｄに示すように、プルーフマス対６１１＋６１２がカルテットの中心を中心とした反時計回りの接線方向面外運動を呈し、プルーフマス対６２１＋６２２がカルテットの中心を中心とした時計回りの接線面外運動を示す場合、トーションバー６３３、６３４、６４３および６４４は、軸６９１および６９２を中心にねじることにより大きな制約なく当該運動を可能にし、一方、トーションバー６３１、６３２、６４１および６４２は、面外曲げに対する高い剛性に起因して、実質的に真っ直ぐなままになる。同様に、プルーフマス対６１３＋６１４がカルテットの中心を中心とした反時計回りの接線方向面外運動を呈し、プルーフマス対６２３＋６２４がカルテットの中心を中心とした時計回りの接線面外運動を示す場合、トーションバー６３１、６３２、６４１および６４２は、軸６８を中心にねじることにより大きな制約なく当該運動を可能にし、一方、トーションバー６３３、６３４、６４３および６４４は、面外曲げに対する高い剛性に起因して、実質的に真っ直ぐなままになる。図２ｃに示す面内接線方向運動では、すべてのトーションバーが、面内曲げによる回転成分を許容する。トーションバーは、製造技術の能力の範囲内で、少なくとも２、好ましくは１０以上の大きい高さ対幅の比を有する必要がある。トーションバーの長さは、高い面外曲げ剛性を可能にするために可能な限り短くする必要があるが、ねじりトルクを低く保つのに十分な長さである必要がある。
【００８０】
また、第１の中央サスペンション構成および第２の中央サスペンション構成は、図６において単にボックスによって示されている中央部６５１および６５２を含む。ここで、これらの中央部について、以下、図７、ならびに図８ａ〜図８ｃ、図９ａ〜図９ｂ、および図１０ａ〜図１０ｃを参照して説明する。中央部は典型的には、図７に７９として示されている中央アンカーポイントを備える。中央部はまた、中央アンカーポイント７９からジンバルフレーム７８まで延伸する内側ねじりばね７７１および７７２と、ジンバルフレーム７８から中央同期要素まで延伸する外側ねじりばね７７３および７７４とを備える中央ジンバル要素も備える。中央同期要素は図７には示されていない。
【００８１】
中央ジンバル要素は、周囲の中央同期要素、および中央同期要素に接続された対向するプルーフマス対が、横軸または第１の交差軸／第２の交差軸のいずれかを中心にデバイス平面外に接線方向に振動することを可能にする。回転成分を含む図２ｄ〜２ｅの面外振動モードは、図７のジンバル要素および図６のトーションバー６３１〜６３４を有する中央同期要素によって可能になり、図２ｄは、理想的な面外モードを示す一方、図２ｅのモードは、実際の寸法では避けられない場合がある、中央サスペンション構成の、特にトーションバー６３１〜６３４のいくらかの面外柔軟性を許容する。
【００８２】
ジンバルフレーム７８は、変形に対して剛直でなければならず、任意の形状を有することができる。図のダイヤモンド形状は、表面積をほとんど消費しない。中央ジンバル要素は、内側のねじりばね７７１および７７２が交差方向になり、外側ねじりばね７７３および７７４が横方向になるように、またはその逆になるように、位置整合させることができる。これを図７の右側に示す。代替的に、図７の左側に示すように、内側および外側ねじりばねを横軸および交差軸に対して４５°の角度に向けることができる。代替的に、内側および外側ねじりばねは、選択されている同期要素構造にとって有益であり得る、横軸および交差軸に対する任意の角度に向けられてもよい。当該向きの各々は、以下の図８ａ〜図８Ｃ、図９ａ〜図９ｂ、および図１０ａ〜図１０ｃに示す任意の中央同期要素によって使用することができる。
【００８３】
図８ａ〜図８ｃは、中央同期要素の第１の例を示す。図に示すように、ｃ１軸およびｃ２軸はジャイロスコープ中心点と交差する。ｃ１軸が横方向であるかまたは交差方向であるかに応じて、参照符号８３３および８３４は、図６の参照符号６３１および６３２、または図６の参照符号６３３および６３４のいずれかに対応することができる。
【００８４】
中央同期要素は、中央ジンバル要素の対向する両側でｃ１軸上に位置整合された第１の剛体８８１および第２の剛体８８２を備え、結果、第１の剛体８８１の第１の端部が第２の剛体８８２の第１の端部に対向しており、第１の剛体８８１の第２の端部が第２の剛体８８２の第２の端部に対向している。中央ジンバル要素の外側ねじりばねは、それぞれ第１の剛体８８１および第２の剛体８８２まで延伸し、第１のｃ１トーションバー８３３および第２のｃ１トーションバー８３４は、それぞれ第１の剛体８８１および第２の剛体８８２に取り付けられる。
【００８５】
中央同期要素はまた、第１の剛体８８１の第１の（左）端部から第１のｃ２トーションバー８３１まで延伸する第１の屈曲部８９１と、第２の剛体８８２の第１の（左）端部から第１のｃ２トーションバー８３１まで延伸する第２の屈曲部８９２と、第１の剛体８８１の第２の（右）端部から第２のｃ２トーションバー８３２まで延伸する第３の屈曲部８９３と、第２の剛体８８２の第２の（右）端部から第２のｃ２トーションバー８３２まで延伸する第４の屈曲部８９４とをも備える。
【００８６】
屈曲部８９１〜８９４は、たとえば、図８ａのように、一定の角度において剛体８８１／８８２から外方に延伸する直線バーであってもよい。当該角度は、ｃ１軸に対して４５°であってもよく、または３０°〜６０°の範囲内であってもよい。図８ａに示すように、屈曲部はｃ１軸に向かって延伸する必要がある。これによって、トーションバー８３１および８３２に取り付けられたプルーフマスの運動に適切な方向が確保されるためである。トーションバー８３３および８３４に取り付けられたプルーフマスがカルテットの中心に向かって動くと、屈曲部もカルテットの中心に向かって動く。
【００８７】
図８ａに示す同期要素は、屈曲部８９１〜８９４と剛体との間、および屈曲部対８９１／８９２および８９３／８９４の間の角度を変更することにより、図２ａに示す一次振動モードまたは図３ｂに示すｚ軸二次振動モードを同期させる。理想的には、わずかな力を加えることで屈曲部の間の角度を変化させることを可能にするために、屈曲部８９１〜８９４は、ピボット継手によって互いに、および剛体８８１／８８２に接続されるレバーである。ただし、ピボット継手は、シリコンマイクロテクノロジーでは製造が非常に困難である。屈曲部８９１〜８９４は、レバーがピボット継手を中心に回転することによって実施するものとほぼ同じ幾何学的機能を、屈曲することによって実施する。すべてのプルーフマスが中心点に向かって内向きに動くと、剛体８８１および８８２が各屈曲部の一端をｃ２軸に向かって押す。次いで、屈曲部の他方の端部が、ｃ２トーションバー８３１および８３２をｃ１軸に向かって押す。すべてのプルーフマスが同時に外向きに動くと、剛体が外向きに動き、屈曲部がｃ２軸から外方に曲がり、ｃ２トーションバー８３１および８３２がｃ１軸から外方に押される。結果、屈曲部は、すべてのマスが半径方向に同時に動く振動モードを同期させる。
【００８８】
トーションバー８３１および８３２に取り付けられたプルーフマスが内向きに動く一方で、トーションバー８３３および８３４に取り付けられたプルーフマスが外向きに動き、および逆のときは逆の動きをする差動モードは、図８ａの同期要素によって許容されない。また、ｃ１トーションバー８３３および８３４に取り付けられたプルーフマスの同じ方向への動き、すなわち、一方のマスがｃ２軸に向かって動き、もう一方のマスがｃ２軸から外方に動く動きは、中央ジンバル要素による剛性支持に起因して許容されない。これによって、ジャイロスコープ出力信号がｃ１方向の振動に対して非感受性になる。
【００８９】
剛体８８１と８８２との間の角度は変化するが、当該剛体の間の距離は変化しない、すなわち、剛体８８１および８８２が変位されずに回転されるように、屈曲部８９１および８９２の端部がｃ２軸に向かって動き、一方で、屈曲部８９３および８９４の端部がｃ２軸から外方に動くことが可能である。これによって、トーションバー８３１および８３２に接続されたプルーフマスが同じ方向において、一方がｃ１軸に向かい、他方がｃ１軸から外方に動くことが可能になり得、これにより、ジャイロスコープ出力信号がｃ２方向における振動に感受性になる。
【００９０】
図８ｂに示される中央同期フレーム８１０が、上記リスクを軽減するために中央同期要素に含まれてもよい。中央同期フレーム８１０は、ジンバルフレーム８７を囲み、中央ジンバル要素の外側ねじりばねは、中央同期フレーム８１０まで延伸する。前述のように、中央同期要素は、中央同期フレームの対向する両側でｃ１軸上に位置整合された第１の剛体８８１および第２の剛体８８２を備える。中央同期フレーム８１０は、剛性コネクタ８１１１および８１１２を用いて、剛体８８１および８８２に接続されている。
【００９１】
同期フレーム８１０は、ｃ１軸およびｃ２軸の方向において楕円形に変形することができ、したがって、剛体８８１および８８２の中心に向かうおよび中心から外方への動きを可能にする。同期フレーム８１０は、ジンバルが許容しないため、ｃ１軸およびｃ２軸に対して４５度の角度で楕円形に変形することはできない。結果として、コネクタ８１１１および８１１２の位置における同期フレームの回転も、ジンバル要素によって妨げられる楕円変形の一部であるため、妨げられる。したがって、コネクタ８１１１および８１１２を中心とした剛体８８１および８８２の回転は、同期フレーム８１０によって妨げられる。当該構成は、トーションバー８３１および８３２に接続された一対の対向するプルーフマスが同じ線形方向に同時に動くことに抵抗する。したがって、構成は線形振動の影響を受けない。同期フレームおよび剛体は、必ずしも円形または長方形である必要はない。図８ｃは、同期フレーム８１０ならびに剛体８８１および８８２が中央ジンバル要素の周りに堅固に嵌め込まれている、面積節約型の幾何形状を示している。図８ｃにおいて、同期フレームは準楕円形の変形を受け得る四芒星の形態を有する。多角形、角が丸い多角形、角が丸い四芒星など、準楕円変形を受けることができる他の同様の形状も可能である。
【００９２】
図９ａは、代替の中央サスペンション構成を示す。参照符号９１０、９３１〜９３４、９７および９８１〜９８２は、それぞれ図８ａ〜図８ｃの参照符号８１０、８３１〜８３４、８７および８８１〜８８２に対応する。
【００９３】
図９ａの中央同期要素は、ジンバルフレーム９７を囲む剛性中央同期フレーム９１０を備え、中央ジンバル要素の外側ねじりばねは、中央同期フレーム９１０まで延伸する。中央同期要素はまた、中央同期フレーム９１０の対向する両側でｃ１軸上に位置整合された第１の剛体９８１および第２の剛体９８２をも備える。第１の剛体９８１の第１の端部は第２の剛体９８２の第１の端部と対向しており、第１の剛体９８１の第２の端部は第２の剛性フレーム９８１の第２の端部と対向している。
【００９４】
第１の剛体９８１の第１の端部は、ｃ２軸上に位置整合された第１のＵ字型屈曲部９１４１を用いて第２の剛体９８２の第１の端部に接合される。第１の剛体９８１の第２の端部は、ｃ２軸上に位置整合された第２のＵ字型屈曲部９１４２を用いて第２の剛体９８２の第２の端部に接合される。第１のｃ２トーションバー９３１は、第１のＵ字型屈曲部９１４１の底部に取り付けられ、第２のｃ２トーションバー９３２は、第２のＵ字型屈曲部９１４２の底部に取り付けられる。
【００９５】
中央同期要素はまた、中央同期フレーム９１０から第１のＵ字型屈曲部９１４１の第１の分枝まで延伸する第１の屈曲部９９１と、中央同期フレーム９１０から第１のＵ字型屈曲部９１４１の第２の分枝まで延伸する第２の屈曲部９９２と、中央同期フレーム９１０から第２のＵ字型屈曲部９１４２の第１の分枝まで延伸する第３の屈曲部９９３と、中央同期フレーム９１０から第２のＵ字型屈曲部９１４２の第２の分枝まで延伸する第４の屈曲部９９４とをも備える。
【００９６】
屈曲部９９１〜９９４は、図９ａのように、一定の角度において中央同期フレーム９１０から外方に延伸する直線バーであってもよい。当該角度は、ｃ１軸に対して４５°であってもよく、または３０°〜６０°の範囲内であってもよい。中央同期要素は、第１の剛体９８１の第１の端部から第１のＵ字型屈曲部９１４１の第１の分枝まで延伸する第１のプッシュバー９１３１と、第２の剛体９８２の第１の端部から第１のＵ字型屈曲部９１４１の第２の分枝まで延伸する第２のプッシュバー９１３２とを備えることができる。対応して、中央同期要素は、第１の剛体９８１の第２の端部から第２のＵ字型屈曲部９１４２の第１の分枝まで延伸する第３のプッシュバー９１３３と、第２の剛体９８２の第２の端部から第２のＵ字型屈曲部９１４２の第２の分枝まで延伸する第４のプッシュバー９１３４とを備えることができる。図９ａに示すように、各プッシュバー９１３１〜９１３４はｃ１軸に平行にすることができる。
【００９７】
図９ａに示す同期要素は、第１のＵ字型屈曲部９１４１および第２のＵ字型屈曲部９１４２をｃ２軸に沿って動かす屈曲部９９１〜９９４の角度の変化を通じて、図２ａに示す一次振動モードまたは図３ｂに示すｚ軸二次振動モードを同期させる。すべてのプルーフマスが中心点に向かって内向きに動くと、剛体８８１および８８２はｃ２軸に向かって動く一方、中央同期フレーム９１０は静止したままである。中央同期フレーム９１０上の直線屈曲部９９１〜９９４の取り付け点は支点として機能し、Ｕ字型屈曲部９１４１〜９１４２は、剛体９８１および９８２の動きが屈曲部９９１〜９９４の対向する端部に伝達されると、中心点に向かって押される。
【００９８】
他方、剛体９８１および９８２に取り付けられたプルーフマスの外向きの動きは、Ｕ字型屈曲部を中心点から外方に引く。結果、中央同期要素は、４つのプルーフマスすべてが同時に半径方向に動く振動モードを同期させ、一部のマスが内向きに動く一方で他のマスが外向きに動く振動に抵抗する。
【００９９】
トーションバー９３１および９３２に取り付けられたプルーフマスが内向きに動く一方で、トーションバー９３３および９３４に取り付けられたプルーフマスが外向きに動き、および逆のときは逆の動きをする差動モードは、図９ａの同期要素によって許容されない。また、ｃ１トーションバー９３３および９３４に取り付けられたプルーフマスの同じ方向への動き、すなわち、一方のマスがｃ２軸に向かって動き、もう一方のマスがｃ２軸から外方に動く動きは、中央ジンバル要素による剛性支持に起因して許容されない。これによって、ジャイロスコープ出力信号がｃ１方向の振動に対して非感受性になる。
【０１００】
ここでも、外部振動が剛体９８１および９８２の角度を変化させ、結果、剛体の第１の端部がｃ２軸から外方に動く一方で、第２の端部がｃ２軸に向かって動く、または逆のときは逆の動きをするリスクがあり得る。これによって、Ｕ字型屈曲部９１４１および９１４２ならびに取り付けられているプルーフマスがｃ２軸に沿って同じ方向において、一方がｃ１軸に向かい、他方がｃ１軸から外方に動くことが可能になり得、これにより、ジャイロスコープ出力信号が振動に感受性になる。
【０１０１】
図９ｂは、剛体９８１および９８２がそれぞれ曲げ要素９１５３および９１５４を含む中央同期要素を示す。これらの曲げ要素は、それぞれコネクタ９１１３および９１１４を用いて中央同期フレーム９１０に取り付けられる。コネクタ９１１３および９１１４は、ｃ１軸上に位置整合される。
【０１０２】
中央同期フレーム９１０は、曲げ要素９１５３および９１５４の中心点に剛直に接続される。曲げ要素９１５３および９１５４は、Ｃ字型に屈曲することにより、ｃ１軸に沿った剛体９８１および９８２の変位を可能にする。曲げ要素は、強制的にＳ字型にされるため、剛体９８１および９８２とｃ１軸との間の角度の変化に抵抗する。Ｓ字型への変形には、Ｃ字型への変形の８倍の力またはトルクが必要である。したがって、当該構成は、剛体９８１および９８２が容易に回転することを許容せず、したがって、ｃ２軸に沿った同じ方向におけるＵ字型屈曲部９１４１および９１４２の動きが妨げられる。したがって、構成は線形振動の影響を受けない。
【０１０３】
図１０ａは、代替の中央サスペンション構成を示す。中央同期要素は、中央ジンバル要素の対向する両側においてｃ１軸上に位置整合された第１の剛体１０８１および第２の剛体１０８２を備える。第１の剛体１０８１の第１の端部は、第２の剛体１０８２の第１の端部と対向する。第１の剛体１０８１の第２の端部は、第２の剛体１０８２の第２の端部と対向する。中央同期要素はまた、中央ジンバル要素の対向する両側でｃ２軸上に位置整合された第３の剛体１０８３および第４の剛体１０８４をも備える。第３の剛体１０８３の第１の端部は第４の剛体１０８４の第１の端部と対向しており、第３の剛体１０８３の第２の端部は第４の剛体１０８４の第２の端部と対向している。
【０１０４】
第１のｃ１トーションバー１０３３および第２のｃ１トーションバー１０３４は、それぞれ第１の剛体１０８１および第２の剛体１０８２に取り付けられ、第１のｃ２トーションバー１０３１および第２のｃ２トーションバー１０３２は、それぞれ第３の剛体１０８３および第４の剛体１０８４に取り付けられる。
【０１０５】
中央同期要素は、ジンバルフレーム１０７を囲む実質的に四角形可撓性中央同期フレーム１０１００を備え、中央ジンバル要素の外側ねじりばねは、四角形可撓性中央同期フレーム１０１００の２つの対向するコーナまで、ｃ１軸またはｃ２軸のいずれかに沿って延伸する。
【０１０６】
中央同期要素は、４対のプッシュバー１０９１１＋１０９１２、１０９２１＋１０９２２、１０９３１＋１０９３２、１０９４１＋１０９４２をさらに備える。プッシュパーの各対は平行である。第１の対１０９１１＋１０９１２は、第３の剛体１０８３の２つの対向する端部から、四角形可撓性中央同期フレーム１０１００の隣接する辺１０１０１および１０１０２の中点まで延伸する。第２の対１０９２１＋１０９２２は、第４の剛体１０８４の２つの対向する端部から、四角形可撓性中央同期フレーム１０１００の隣接する辺１０１０３および１０１０４の中点まで延伸する。同様に、第３の対１０９３１＋１０９３２および第４の対１０９４１＋１０９４２は、それぞれ第１の剛体１０８１および第２の剛体１０８２の２つの対向する端部から、それぞれ隣接する辺１０１０２／１０１０３および１０１０１／１０１０４の中点まで延伸する。
【０１０７】
図１０ａに示す同期要素は、可撓性中央同期フレーム１０１００の辺の曲げを通じて、図２ａに示す一次振動モードまたは図３ｂに示すｚ軸二次振動モードを同期させる。すべてのプルーフマスが中心点に向かって内向きに動くと、当該フレームの各辺１０１０１〜１０１０４は、中点においてカルテット中心点に向かって内向きに曲がる。すべてのマスが外向きに動くと、上記辺は外向きに、カルテット中心点から外方に曲がる。一方のプッシュバーが辺１０１０１〜１０１０４の中点を内向きに引こうとする一方、他方が外向きに押すため、同期要素は、中心点に対して逆位相にある２つの隣接するプルーフマスの半径方向の動きに抵抗する。
【０１０８】
ここでも、剛体１０８１〜１０８４がｃ１軸またはｃ２軸に沿って変位されることに加えて、または変位される代わりに、中心点を中心として回転することを許容される場合、外部振動に対する望ましくない感受性が発生し得る。たとえば、剛体１０８３および１０８４が中心点を中心に回転すると、取り付けられた２つのプッシュバー（１０９１１および１０９２２など）が他の２つ（１０９１２および１０９２１）よりもｃ１軸に近くなり、または、逆の場合も同様である。同じことが、剛体１０８１および１０８２、プッシュバー１０９３２、１０９４２、１０９３１および９４１、ならびにｃ２軸までのプッシュバーの距離にも当てはまる。図１０ｂは、曲げ要素１０１５１〜１０１５４を用いて可撓性中央同期フレーム１０１００の各コーナを対応する剛体に取り付けることにより、当該リスクが低減された中央同期要素を示す。
【０１０９】
可撓性中央同期フレーム１０１００は、曲げ要素１０１５１〜１０１５４の中心点に剛直に接続される。曲げ要素１０１５１〜１０１５２は、Ｃ字型に屈曲することにより、その位置整合軸に沿った剛体１０８１〜１０８４の変位を可能にする。曲げ要素は、強制的にＳ字型にされるため、剛体１０８１〜１０８４の中心点を中心とした回転に抵抗する。したがって、構成は線形振動の影響を受けない。
【０１１０】
図１０ｃは、可撓性中央同期フレーム１０１００が剛性中央同期フレーム１０１２を囲む代替形態を示している。剛性中央同期フレームは、中央ジンバル要素を囲み、結果、ジンバル要素の外側ねじりばねは、ジンバルフレーム１０７から剛性中央同期フレームまで延伸する。剛性中央同期フレーム１０１２は、図に示されるように、可撓性中央同期フレーム１０１００のコーナに接続される。剛性同期フレームは、同期要素のサイズを実質的に増加させることなく、また製造工程に影響を与えることなく、同期要素の剛性をより高次の曲げモードに増大させる。
【０１１１】
周辺サスペンション構成
中央サスペンション構成は、いくつかの事例において、プルーフマスカルテットの全重量を支え、所望の共振モードおよび所望の共振周波数においてプルーフマスのシステムを共振させるばね力を提供するのに十分であり得る。ただし、ほとんどの場合、１つまたは複数のアンカーポイントをプルーフマスカルテットの周辺近くにも配置し、プルーフマスカルテットを当該周辺アンカーポイントからも懸架することが有益である。プルーフマスカルテットの周辺付近のサスペンション構成は、周辺サスペンション構成と呼ばれる場合がある。
【０１１２】
したがって、サスペンション構成は、１つまたは複数の第１の周辺アンカーポイントから第１のプルーフマスカルテットを懸架する第１の周辺サスペンション構成を備えてもよく、また、サスペンション構成は、１つまたは複数の第２の周辺アンカーポイントから第２のプルーフマスカルテットを懸架する第２の周辺サスペンション構成を備えてもよい。
【０１１３】
第１の周辺サスペンション構成および第２の周辺サスペンション構成の少なくとも１つは、ジャイロスコープ中心点に対して対称にプルーフマスカルテットの周辺に配置された４つのコーナ要素を備えることができる。隣接するコーナ要素の各対は、１つまたは複数の周辺サスペンダによって相互接続することができる。上記１つまたは複数の周辺サスペンダは、隣接するプルーフマスに取り付けることができる。各コーナ要素は、半径方向に柔軟なサスペンダによって１つまたは複数の周辺アンカーポイントから懸架することができる。
【０１１４】
図１１は、図２ａ〜図２ｅおよび図３ａ〜図３ｂに示した振動モードに対応する周辺サスペンション構成の一例を示している。参照符号１１１１〜１１１４は、図２ａ〜図２ｅの参照符号２１１〜２１４もしくは２２１〜２２４、または、図３ａ〜図３ｂの参照符号３１１〜３１４または３２１〜３２４に対応することができる。参照符号１１５は、図６の参照符号６５１または６５２に対応する。
【０１１５】
図１１に示すジャイロスコープは、プルーフマスおよびジャイロスコープ中心点の周りに対称に配置された４つのコーナ要素１１３１〜１１３４を備える。図４ａ〜図４ｃに示す形状例のように、プルーフマスカルテットがともにほぼ正方形の正方形領域をカバーする場合、１つのコーナ要素がこの正方形の各コーナに配置され得る。プルーフマスカルテットが、たとえば図２ａ〜図２ｅおよび図３ａ〜図３ｂに示されている十字型など、何らかの他の形状の領域をカバーする場合、コーナ要素は当該形状を包囲する正方形のコーナに配置され得る。任意のプルーフマス形状については、コーナ要素は有利には、横軸および交差軸に対して４５°の角度に向けられ、プルーフマスカルテットの中心点と交差する軸上に対称的に配置される。コーナ要素は剛性であり、任意の形状を有してもよい。
【０１１６】
隣接するコーナ要素から成る各対は、１つまたは複数の接線方向サスペンダ１１１１１〜１１１１２、１１１２１〜１１１２２、１１１３１〜１１１３２および１１１４１〜１１１４２によって相互接続することができる。各接線方向サスペンダは、隣接するプルーフマスに取り付けられる。図１１は、たとえば、第１の接線方向サスペンダ１１１１１が第１のコーナ要素から第１のプルーフマス１１１１まで延伸し、第２の接線方向サスペンダ１１１１２が第２のコーナ要素１１３２から第１のプルーフマス１１１１まで延伸するデバイスを示す。代替的に、１つの長い接線方向サスペンダが、第１のコーナ要素１１３１から第２のコーナ要素１１３２まで延伸し、中央において第１のプルーフマス１１１１に取り付けられてもよい。
【０１１７】
接線方向サスペンダ１１１１１〜１１１１２、１１１２１〜１１１２２、１１１３１〜１１１３２および１１１４１４〜１１１４２は、プルーフマス上の半径方向運動に柔軟に対応するように、半径方向に柔軟である。接線方向サスペンダは、ｘ軸およびｙ軸二次振動モードに対応するように、面外方向にも柔軟である。ただし、各コーナ要素１１３１〜１１３４は、垂直方向に剛性の半径方向サスペンダのセットによってデバイス平面内に保持される。
【０１１８】
半径方向サスペンダ１１４１〜１１４４は、それぞれ、プルーフマス間にある内側アンカーポイント１１５１〜１１５４に取り付けられる。他方、半径方向サスペンダ１１６１〜１１６４は、プルーフマスの外側にある外側アンカーポイント１１７１〜１１７４に取り付けられる。図１１に示されるように、複数の半径方向サスペンダを各コーナ要素１１３１〜１１３４に接続することができ、１つのコーナ要素を内側アンカーポイントと外側アンカーポイントの両方に接続することができる。代替的に、半径方向サスペンダは１つだけ使用されてもよい。
【０１１９】
いずれの場合でも、半径方向サスペンダは好ましくは、図１１の左下隅から右上隅に延伸する３つの半径方向軸などの半径方向軸上で正確に位置整合されるべきである。結果、半径方向サスペンダは、図２ｂおよび図３ａに示す面内接線振動モードに対応することができる。半径方向サスペンダは、ｘ軸二次振動モードをｙ軸二次振動モードに結合し、結果、ｘ軸とｙ軸との回転検知を混合する可能性のある、コーナ要素１１３１〜１１３４の回転または線形運動に抵抗するために、垂直方向に剛性であるべきである。
【０１２０】
すべてのマスが同時に接線方向に動くと、半径方向サスペンダが弾性エネルギーを保存および放出することができるため、図１１に示す周辺サスペンション構成は、構造的支持の提供に加えて、図２ｂおよび図３ａに示す接線振動モードを同期させることができる。半径方向サスペンダおよびコーナ要素は、２つの隣接するプルーフマスが反対方向に動く動きに抵抗する。
【０１２１】
半径方向サスペンダは、曲げによって許容される接線方向の動き、および、接線方向サスペンダが中央の面内曲げによって対応する半径方向拍動運動を除き、プルーフマスのすべての面内運動に抵抗する。半径方向サスペンダはまた、Ｃ字型への面外曲げによって接線方向サスペンダが対応する、一対の対向するプルーフマス（１１１１＋１１１２または１１１３＋１１１４）の回転運動を除く、すべての面外運動も妨げる。プルーフマス１１１１および１１１２のｘ軸を中心とした回転、ならびに、プルーフマス１１１３および１１１４のｙ軸を中心とした回転は、接線方向サスペンダを強制的にＳ字型に曲げるため、抵抗される。前述したように、Ｓ字型に変形するには、Ｃ字型に変形するよりも８倍の力またはトルクが必要である。
【０１２２】
プルーフマスカルテット間の同期
図１２ａは、第１のプルーフマスカルテットと第２のプルーフマスカルテットとの間の同期構成の一例を示す。参照符号１２１１〜１２１４および１２２１〜１２２４は、それぞれ図２ａ〜図２ｅの参照符号２１１〜２１４および２２１〜２２４、ならびに図３ａ〜図３ｂの参照符号３１１〜３１４および３２１〜３２４に対応する。参照符号１２４は、それぞれ図２ａおよび図３ｂの参照符号２５５および３５５に対応する。
【０１２３】
プルーフマス１２１２と１２２１との間に結合ばね１２４が取り付けられている。ばね１２４は、プルーフマス１２１２から１２２１へ、またはその逆に、横方向、交差方向、および面外方向の運動を伝達し、結果、プルーフマス対１２１１＋１２１２および１２２１＋１２２２の一次振動モード、ｚ軸二次振動モード、および１つの面外二次振動モードが効率的に同期される。プルーフマス対１２１３＋１２１４および１２２３＋１２２４の動きは、結合ばね１２４によって直接同期されないが、ばね１２４によって与えられる同期は、上記の中央同期要素を介して、または以下に説明する周辺同期要素を介して、対１２１１＋１２１２から対１２１３＋１２１４および１２２３＋１２２４に間接的に伝達することができる。
【０１２４】
結合ばね１２４は、交差方向の線形運動に対して比較的剛性であり得、結果、１つのマスが正のｙ方向に動く一方、他方のマスが負のｙ方向に動く、１２１２と１２２１との間の交差方向逆位相運動が妨げられる。結合ばね１２４は、ｚ軸を中心とした回転に対して柔軟であり得、プルーフマス１２１２と１２２１との間の面内傾斜角を可能にする。ばねはまた、第３の交差軸１２９３を中心とした回転に対しても柔軟であり得、結果、プルーフマス間の傾斜角を許容することによりプルーフマスの面外回転運動を可能にするが、１２１２と１２２１との間の逆位相面外運動は許容しない。
【０１２５】
図１２ｂおよび図１２ｃは、結合ばね１２４の可能な構造を、断面図および面内図として示している。ばね１２４は、交差軸１２９３の方向に少なくとも１つのバー１２５を含むことができ、バー１２５は、面内柔軟性およびねじれ柔軟性を有するが、面外曲げに対しては剛性である。プルーフマス１２１２または１２２１の一方はバー１２５の中点に取り付けられ、他方のプルーフマスはバーの端部に取り付けられる。好ましくは、ばね１２４は、端部において互いに取り付けられ、中点においてプルーフマスに取り付けられた２つのバー１２５を含み、対称である。他のばね構造物を使用することもできる。
【０１２６】
一般に、第１のプルーフマスカルテット内の第２のプルーフマスは、デバイス平面内で第３の交差軸１２９３上に位置整合された少なくとも１つの結合ばね１２４によって第２のプルーフマスカルテット内の第１のプルーフマスに機械的に結合され得る。
【０１２７】
少なくとも１つの結合ばね１２４は、第１のプルーフマスカルテット内の第２のプルーフマス１２１２および第２のプルーフマスカルテット内の第１のプルーフマス１２２１が、対応する交差軸を中心として反対の面外方向に同時に回転することを可能にすることができる。これらの対応する交差軸は第１の交差軸および第２の交差軸であってもよく、結果、１２１２が第１の交差軸を中心として回転する一方で、１２２１が第２の交差軸を中心として回転し、または、それらの交差軸は、それぞれプルーフマス１２１２および１２２１を通過する交差軸であってもよい。
【０１２８】
結合ばね１２４はまた、第１のプルーフマスカルテット内の第２のプルーフマス１２１２および第２のプルーフマスカルテット内の第１のプルーフマス１２２１が、対応する垂直軸を中心として反対の面内方向に同時に回転することを可能にすることもできる。これらの対応する垂直軸は、第１のカルテット中心点および第２のカルテット中心点と交差する垂直軸であってもよく、結果、１２１２は第１のカルテット中心点と交差する垂直軸を中心として回転し、一方、１２２１は第２のカルテット中心点と交差する垂直軸を中心として回転する、またはそれらの垂直軸は、それぞれプルーフマス１２１２および１２２１を通過する垂直軸であってもよい。
【０１２９】
少なくとも１つの結合ばね１２４は、第１のプルーフマスカルテット内の第２のプルーフマス１２１２および第２のプルーフマスカルテット内の第１のプルーフマス１２２１の、横軸に平行な、任意の交差軸に平行な、または任意の垂直軸に平行な方向における同時の同位相線形並進をさらに可能にし得る。
【０１３０】
少なくとも１つの結合ばね１２４は、第１のプルーフマスカルテット内の第２のプルーフマス１２１２および第２のプルーフマスカルテット内の第１のプルーフマス１２２１の、対応する交差軸を中心とした同じ面外方向における同時回転にさらに抵抗し得る。これらの対応する交差軸は第１の交差軸および第２の交差軸であってもよく、結果、１２１２が第１の交差軸を中心として回転する一方で、１２２１が第２の交差軸を中心として回転し、または、それらの交差軸は、それぞれプルーフマス１２１２および１２２１を通過する交差軸であってもよい。
【０１３１】
少なくとも１つの結合ばね１２４は、第１のプルーフマスカルテット内の第２のプルーフマス１２１２および第２のプルーフマスカルテット内の第１のプルーフマス１２２１の、対応する垂直軸を中心とした同じ面内方向への同時回転にさらに抵抗し得る。これらの対応する垂直軸は、第１のカルテット中心点および第２のカルテット中心点と交差する垂直軸であってもよく、結果、１２１２は第１のカルテット中心点と交差する垂直軸を中心として回転し、一方、１２２１は第２のカルテット中心点と交差する垂直軸を中心として回転する、またはそれらの垂直軸は、それぞれプルーフマス１２１２および１２２１を通過する垂直軸であってもよい。
【０１３２】
少なくとも１つの結合ばね１２４は、第１のプルーフマスカルテット内の第２のプルーフマス１２１２および第２のプルーフマスカルテット内の第１のプルーフマス１２２１の、任意の交差軸または任意の垂直軸に平行な対向する方向における同時の逆位相線形並進にさらに抵抗し得る。
【０１３３】
最後に、少なくとも１つの結合ばね１２４はまた、第１のプルーフマスカルテット内の第２のプルーフマスおよび第２のプルーフマスカルテット内の第１のプルーフマスの、横軸を中心とした対向する方向における同時回転にも抵抗し得る。
【０１３４】
プルーフマスカルテット内の他のプルーフマスは、たとえば図１３ａに示す種類の周辺同期要素と接続することができる。参照符号１３１１〜１３１４および１３２１〜１３２４は、それぞれ図２ａ〜図２ｅの参照符号２１１〜２１４および２２１〜２２４、ならびに図３ａ〜図３ｂの参照符号３１１〜３１４および３２１〜３２４に対応する。
【０１３５】
図１３ａに示すように、同期構造は、横軸の上方にある上部と、横軸の下方にある別個の下部とを備えている。下部のみを詳細に説明する。同じ考慮事項が上部にも当てはまる。
【０１３６】
図１３ａに示される下部同期構造は、第３の交差軸上で位置整合されたアンカーポイント１３５１を含む。アンカーポイント１３５１は、必ずしもそうである必要はないが、第１のカルテット内の第４のプルーフマス１３１４と第２のカルテット内の第４のプルーフマス１３２４との間に位置してもよい。アンカーポイントはまた、同期構造の外側に位置してもよい。当該構造は、交差方向のトーション／たわみバー１３６１〜１３６２によって、アンカーポイント１３５１、ならびに、プルーフマス１３１４および１３２４に接続された相対的に剛性の横方向シーソー１３７１をさらに備える。これらのトーション／たわみバーは、面内曲げおよびねじれに対して柔軟であるが、面外曲げに対しては剛性である。これらのトーション／たわみバーは、横方向シーソー１３７１が第３の交差軸を中心として回転することを可能にし、結果、ｘ軸およびｙ軸二次振動モードにおいて第４のプルーフマス１３１４および１３２４の動きを同期させることを可能にする。
【０１３７】
上部同期構造は、対応して、第３のプルーフマス１３１３および１３２３の動きを同期させることができる。トーション／たわみバー１３６１〜１３６２はまた、垂直軸に沿った横方向シーソー１３７１の線形運動にも抵抗することができ、結果、第４のプルーフマス１３１４および１３２４の面外同位相振動モードを防止することができる。上部同期構造は、対応して、第３のプルーフマス１３１３および１３２３の同位相面外振動に抵抗することができる。
【０１３８】
トーション／たわみバー１３６１〜１３６２はまた、横方向シーソー１３７１が垂直軸を中心として回転することを可能にし、結果、図２ａおよび図３ｂに示す第４のプルーフマス１３１４および１３２４の半径方向の面内逆位相振動を同期させることを可能にすることもできる。上部同期構造は、対応して、第３のプルーフマス１３１３および１３２３の面内逆位相振動を同期させることができる。トーション／たわみバー１３６１〜１３６２はまた、交差軸に沿った横方向シーソー１３７１の線形運動に抵抗することもでき、結果、第４のプルーフマス１３１４および１３２４の半径方向の面内同位相振動モードを防止することができる。上部同期構造は、対応して、第３のプルーフマス１３１３および１３２３の面内同位相振動に抵抗することができる。
【０１３９】
トーション／たわみバー１３６２は、面内曲げに対して柔軟であり、したがって、図２ｂおよび図３ａに示されるプルーフマス１３１４および１３２４の面内接線方向逆位相振動を可能にするが、当該逆位相振動を同期させず、対応する同位相振動も防止しない。対応して、上部同期構造は、第３のプルーフマス１３１３および１３２３の面内接線方向逆位相振動を可能にするが、当該逆位相振動を同期させず、対応する同位相振動も防止しない。
【０１４０】
図１３ｂは、図１３ａを参照して上述した第１の横方向シーソー１３７１および第２の横方向シーソー１３７２を備える拡張周辺同期構造を示している。当該構造は、ジャイロスコープの対向する両側に２つの横方向アンカーポイント１３５２および１３５３をさらに備える。第１の交差方向シーソー１３８１は、トーションバーを用いて第１の横方向アンカーポイント１３５２に取り付けられ、第２の交差方向シーソー１３８２は、トーションバーを用いて第２の横方向アンカーポイント１３５３に取り付けられる。
【０１４１】
当該交差方向シーソー１３８１および１３８２の端部は、図１３ｂに示されるように横方向シーソー１３７１および１３７２の端部に取り付けられ、結果、シーソーはともに、プルーフマスカルテットの周りにフレーム状構造を形成する。これにより、プルーフマス対１３１３＋１３１４の面外振動が、ｘ軸およびｙ軸二次振動モードにおけるプルーフマス対１３２３＋１３２４の面外振動と逆位相に同期されることが可能になる。
【０１４２】
面外振動はまた、本開示に示されていない他の手段によって同期されてもよい。
【０１４３】
駆動およびセンストランスデューサ
一次振動を促進するために、容量性またはピエゾ駆動トランスデューサをジャイロスコープに組み込むことができる。ジャイロスコープは、駆動トランスデューサに駆動電圧信号を印加するように構成された制御ユニットを備えることができる。駆動電圧信号の周波数は、一次振動モードの共振周波数を部分的に決定することができ、駆動電圧信号の振幅は、一次振動モードの振幅を部分的に決定することができる。同じ駆動電圧信号を複数の駆動トランスデューサに印加することができる。代替的に、２つの別個の駆動電圧信号が使用されてもよく、第１の駆動電圧信号と第２の駆動電圧信号との間の位相差は１８０度であってもよい。第１の駆動電圧信号が、第１のプルーフマスカルテット内の駆動トランスデューサに印加されてもよく、第２の駆動電圧信号が、第２のプルーフマスカルテット内の駆動トランスデューサに印加されてもよい。同じプルーフマスカルテット内のマスに、異なる駆動電圧信号を印加することもできる。一次振動を駆動するために、他の多くの駆動信号の代替形態も可能である。
【０１４４】
コリオリの力によって誘導される二次振動モードを測定するために、容量性またはピエゾセンストランスデューサをジャイロスコープに組み込むことができる。制御ユニットは、センストランスデューサからのセンス電圧信号を測定するように構成することができる。センス電圧信号の振幅を使用して、対応する角回転速度を計算することができる。センス電圧信号は、別個のセンストランスデューサから取り出される、いくつかのセンス信号成分の合計として生成することができる。
【０１４５】
図１４ａは、４つの容量性外側駆動トランスデューサ１４１１を備えたプルーフマスカルテットを示している。各トランスデューサは、部分的に可動なプルーフマス上のロータフィンガ電極のセットと、隣接する固定構造上の固定フィンガ電極のセットとを備える（固定構造は図示されていない）。この幾何形状では、容量性駆動トランスデューサを使用して、第１の一次振動モードを駆動することができる。
【０１４６】
図１４ｂは、４つの容量性外側駆動トランスデューサ１４１２および４つの容量性内側駆動トランスデューサ１４２２を備えたプルーフマスカルテットを示している。内部駆動トランスデューサは、それぞれのプルーフマス内に形成された開口部内に位置する。この幾何形状では、容量性駆動トランスデューサを使用して、第２の一次振動モードを駆動することができる。
【０１４７】
センストランスデューサについても同様の構成を行うことができる。図１５ａは、４つの容量性外側センストランスデューサ１５１２および４つの容量性内側センストランスデューサ１５２２を備えたプルーフマスカルテットを示している。一部のセンストランスデューサが横方向に向けられたフィンガを備え、他のセンストランスデューサが交差方向に向けられたフィンガを備えるとき、半径方向と接線方向の両方の面内運動を検出することができる。
【０１４８】
図１５ｂは、第１のプルーフマス１５１、第２のプルーフマス１５２、および面外振動を検出するための容量性センストランスデューサを備えたプルーフマスカルテットを示している。センストランスデューサは、プルーフマスの上方および／または下方に平面電極を備えている。上の図では、平面電極の位置が破線で示されている。図１５ｂに示すように、平面電極の領域がプルーフマスの領域内に含有され得るか、または、プルーフマスの領域が平面電極の領域内に含有され得る。これらの領域間の重複は、マスが面内振動を受けるときに変化しないことが望ましい。これは、面外センス信号に望ましくない変調を加える可能性があるためである。
【０１４９】
図１５ｂの下側部分は、支持基板１５９の表面上の平面電極１５１１および１５１２を示している。対向する平面電極（図示せず）がプルーフマス１５１および１５２上に形成され得、結果、ｘ軸およびｙ軸二次モードが検出されると、容量性平行平板測定を実行することができる。代替的に、プルーフマス１５１および１５２は、それ自体が容量性センストランスデューサの第２の平面電極として使用されてもよい。
【図１】
2020160055.tif 000003
【図２ａ】
2020160055.tif 000004
【図２ｂ】
2020160055.tif 000005
【図２ｃ】
2020160055.tif 000006
【図２ｄ】
2020160055.tif 000007
【図２ｅ】
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【図３ａ】
2020160055.tif 000009
【図３ｂ】
2020160055.tif 000010
【図４ａ】
2020160055.tif 000011
【図４ｂ】
2020160055.tif 000012
【図４ｃ】
2020160055.tif 000013
【図５】
2020160055.tif 000014
【図６】
2020160055.tif 000015
【図７】
2020160055.tif 000016
【図８ａ】
2020160055.tif 000017
【図８ｂ】
2020160055.tif 000018
【図８ｃ】
2020160055.tif 000019
【図９ａ】
2020160055.tif 000020
【図９ｂ】
2020160055.tif 000021
【図１０ａ】
2020160055.tif 000022
【図１０ｂ】
2020160055.tif 000023
【図１０ｃ】
2020160055.tif 000024
【図１１】
2020160055.tif 000025
【図１２ａ】
2020160055.tif 000026
【図１２ｂ】
2020160055.tif 000027
【図１２ｃ】
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【図１３ａ】
2020160055.tif 000029
【図１３ｂ】
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【図１４ａ】
2020160055.tif 000031
【図１４ｂ】
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【図１５ａ】
2020160055.tif 000033
【図１５ｂ】
2020160055.tif 000034
【外国語明細書】
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【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図２ｄ】
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【図２ｅ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１１】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１２ｃ】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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