(57)【要約】      （修正有）【課題】外部振動およびエネルギー漏れに対するロバスト性を向上させた多軸ジャイロスコープを提供する。【解決手段】ジャイロスコープは、第１のカルテット中心点５３１を中心とする第１のプルーフマスカルテット５１１〜５１４と、第２のカルテット中心点５３２を中心とする第２のプルーフマスカルテット５２１〜５２４とを備える。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サスペンション構成（同期フレーム５６１、５６２、中央懸架ばね５４１フレーム懸架ばね５４４１、５４４２、および横方向同期ばね５５５）を備える。【選択図】図５ａ
2020180962.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静止位置においてデバイス平面内にある第１のプルーフマスカルテットと、静止位置において前記デバイス平面内にある隣接する第２のプルーフマスカルテットと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、
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は、前記デバイス平面の横軸上にあり、
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、
前記ジャイロスコープは、前記第１のカルテット中心点と前記第２のカルテット中心点との間のほぼ中間で前記横軸と交差する第３の交差軸をさらに備え、
前記第１のプルーフマスカルテット内および前記第２のプルーフマスカルテット内両方の第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ており、
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ており、
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ており、
前記対応する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のプルーフマスの静止位置は、前記第１のカルテットおよび前記第２のカルテットの両方において同じであり、結果、両方の前記プルーフマスカルテット内の前記第３のプルーフマスは、前記横軸の第１の側に位置し、両方の前記プルーフマスカルテット内の前記第４のプルーフマスは、前記横軸の第２の側に位置し、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のプルーフマスは、前記第３の交差軸の対向する側において互いに隣接し、
前記ジャイロスコープは、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と、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とを備え、
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前記第１の中央アンカーポイントおよび前記第２の中央アンカーポイントから懸架するためのサスペンション構成をさらに備え、
前記サスペンション構成は、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、
前記サスペンション構成は、前記第１のプルーフマスカルテット内部の前記第１のカルテット中心点を中心とする第１の中央サスペンション構成と、前記第２のプルーフマスカルテット内部の前記第２のカルテット中心点を中心とする第２の中央サスペンション構成とを含み、
各中央サスペンション構成は、各プルーフマスの半径方向振動ならびに接線方向の面内および面外振動を柔軟に促進し、
前記サスペンション構成は、前記第１のプルーフマスカルテット外部の前記第１のカルテット中心点を中心とする第１の周辺サスペンション構成と、前記第２のプルーフマスカルテット外部の前記第２のカルテット中心点を中心とする第２の周辺サスペンション構成とをさらに含み、
前記第１の周辺サスペンション構成は第１の同期フレームを備え、
前記第２の周辺サスペンション構成は第２の同期フレームを備え、
各同期フレームは、対応する前記プルーフマスカルテットを囲み、
各プルーフマスは、１つまたは複数のフレーム懸架ばねを用いて周囲の前記同期フレームに結合され、
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内の前記第２のプルーフマスから前記第２のプルーフマスカルテット内の前記第１のプルーフマスまで前記横軸上に延伸する横方向同期ばねをさらに備える、
微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項２】
各同期フレームは、直列に接続された４つの実質的にＬ字型のフレーム要素を備え、
各Ｌ字型フレーム要素の端部は、ヒンジ接続要素を用いて、隣接する前記Ｌ字型フレーム要素の前記端部に接続されており、
各ヒンジ接続要素は、前記ヒンジ接続要素に接続された前記Ｌ字型フレーム要素が、フレーム要素のコーナに交差する垂直軸を中心として反対方向に回転することを可能にす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】
前記ジャイロスコープは、第１の横方向アンカーポイントが前記第１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、第２の横方向アンカーポイントが前記第２のプルーフマスカルテット内の前記第２のプルーフマスに隣接するように、前記横軸上に前記第１の横方向アンカーポイントおよび前記第２の横方向アンカーポイントをさらに備え、
前記ジャイロスコープは、前記横軸の前記第１の側において前記第３の交差軸上にある第１の交差方向アンカーポイントと、前記横軸の前記第２の側において前記第３の交差軸上にある第２の交差方向アンカーポイントとをさらに備え、
前記第１の周辺サスペンション構成は、静止位置において前記第１の横方向アンカーポイントから前記第１の同期フレーム上の対応する取り付け点まで反対の交差方向に延伸する少なくとも２つの交差方向周辺懸架ばねをさらに備え、
前記第２の周辺サスペンション構成は、静止位置において前記第２の横方向アンカーポイントから前記第２の同期フレーム上の対応する取り付け点まで反対の交差方向に延伸する少なくとも２つの交差方向周辺懸架ばねをさらに備え、
前記ジャイロスコープは、静止位置において前記第１の交差方向アンカーポイントから前記第１の同期フレームおよび前記第２の同期フレーム上の取り付け点まで前記第３の交差軸に沿って延伸する１つまたは複数の第１の交差方向中央懸架ばねと、静止位置において前記第２の交差方向アンカーポイントから前記第１の同期フレームおよび前記第２の同期フレーム上の取り付け点まで前記第３の交差軸に沿って延伸する１つまたは複数の第２の交差方向中央懸架ばねとをさらに備え、
各交差方向周辺懸架ばねおよび交差方向中央懸架ばねの第１の端部は、横方向のねじれに柔軟な取り付け要素を用いて対応する前記アンカーポイントに取り付けられ、
各交差方向懸架ばねの第２の端部は、横方向のねじれに柔軟な取り付け要素を用いて対応する前記取り付け点に取り付けら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】
各中央サスペンション構成は、内側ジンバルフレームおよび同心の外側ジンバルフレームを備えたジンバル構造を備え、
前記ジンバル構造は、前記横軸および前記交差軸を中心としたジンバル回転を促進するトーションバーも備え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】
前記内側ジンバルフレームは長方形であり、
前記外側ジンバルフレームは長方形であり、
前記中央サスペンション構成は、前記外側ジンバルフレームを囲む、直列に接続された４つの実質的にＬ字型のフレーム要素をさらに備え、
各Ｌ字型フレーム要素の端部は、ヒンジ接続要素を用いて、隣接する前記Ｌ字型フレーム要素の前記端部に接続されており、
各ヒンジ接続要素は、前記ヒンジ接続要素に接続された前記Ｌ字型フレーム要素が、前記ヒンジ接続要素と交差する垂直軸を中心として反対方向に回転することを可能にし、
前記中央サスペンション構成は、少なくとも４つの接続バーをさらに備え、
各接続バーは、前記外側ジンバルフレームから、隣接するＬ字型フレーム要素または隣接するヒンジ接続要素のいずれかまで延伸し、
対応する前記プルーフマスカルテット内の各プルーフマスは、取り付け部分を用いて、隣接するヒンジ接続要素に取り付けられることを特徴とする、
請求項４に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項６】
前記ジャイロスコープは、前記第１の同期フレーム内の第１の検出マスカルテットと、前記第２の同期フレーム内の第２の検出マスカルテットとをさらに備え、
前記第１の検出マスカルテットを形成する４つの検出マスは、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２の検出マスカルテットを形成する４つの検出マスは、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１の検出マスカルテット内の第１の検出マスおよび第２の検出マスは、４５度の角度で前記第１のカルテット中心点において前記横軸および前記第１の交差軸と交差する第１の対角軸上で位置整合され、
前記第１の検出マスカルテット内の第３の検出マスおよび第４の検出マスは、前記第１の対角軸に直交し、前記第１のカルテット中心点と交差する第２の対角軸上で位置整合され、
前記第２の検出マスカルテット内の第１の検出マスおよび第２の検出マスは、４５度の角度で前記第２のカルテット中心点において前記横軸および前記第２の交差軸と交差する第３の対角軸上で位置整合され、
前記第２の検出マスカルテット内の第３の検出マスおよび第４の検出マスは、前記第３の対角軸に直交し、前記第２のカルテット中心点と交差する第４の対角軸上で位置整合され、
１つまたは複数の交差方向コーナばねは、前記横軸上で位置整合する前記第１のプルーフマスカルテット内の隣接するプルーフマスから、前記第１の検出マスカルテット内の各検出マスまで延伸し、
１つまたは複数の横方向コーナばねは、前記第１の交差軸上で位置整合する前記第１のプルーフマスカルテット内の隣接するプルーフマスから、前記第１の検出マスカルテット内の各検出マスまで延伸し、
１つまたは複数の交差方向コーナばねは、前記横軸上で位置整合する前記第２のプルーフマスカルテット内の隣接するプルーフマスから、前記第２の検出マスカルテット内の各検出マスまで延伸し、
１つまたは複数の横方向コーナばねは、前記第２の交差軸上で位置整合する前記第２のプルーフマスカルテット内の隣接するプルーフマスから、前記第２の検出マスカルテット内の各検出マスまで延伸することを特徴とする、
請求項１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】
前記ジャイロスコープは、第１の横方向アンカーポイントが前記第１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、第２の横方向アンカーポイントが前記第２のプルーフマスカルテット内の前記第２のプルーフマスに隣接するように、前記横軸上に前記第１の横方向アンカーポイントおよび前記第２の横方向アンカーポイントを備え、
前記ジャイロスコープは、前記横軸の前記第１の側において前記第３の交差軸上にある第１の交差方向アンカーポイントと、前記横軸の前記第２の側において前記第３の交差軸上にある第２の交差方向アンカーポイントとをさらに備え、
前記ジャイロスコープは、前記横軸の前記第１の側にある第１の横方向シーソーと、前記横軸の前記第２の側にある第２の横方向シーソーとをさらに備え、
前記第１の横方向シーソーは、ねじれ要素を用いて前記第１の交差方向アンカーポイントに取り付けられ、
前記第２の横方向シーソーは、ねじれ要素を用いて前記第２の交差方向アンカーポイントに取り付けられ、
前記第１の横方向シーソーは、前記第１の交差軸上のトーションバーを用いて前記第１の同期フレームに取り付けられ、
前記第１の横方向シーソーは、前記第２の交差軸上のトーションバーを用いて前記第２の同期フレームに取り付けられ、
前記第２の横方向シーソーは、前記第１の交差軸上のトーションバーを用いて前記第１の同期フレームに取り付けられ、
前記第２の横方向シーソーは、前記第２の交差軸上のトーションバーを用いて前記第２の同期フレームに取り付けられることを特徴とする、
請求項１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】
前記ジャイロスコープは、ねじれ要素を用いて前記第１の横方向アンカーポイントに取り付けられる第１の交差方向シーソーと、ねじれ要素を用いて前記第２の横方向アンカーポイントに取り付けられる第２の交差方向シーソーとをさらに備え、
前記第１の交差方向シーソーの第１の端部は、前記第１の横方向シーソーの第１の端部に取り付けられ、
前記第１の交差方向シーソーの第２の端部は、前記第２の横方向シーソーの第１の端部に取り付けられ、
前記第２の交差方向シーソーの第１の端部は、前記第１の横方向シーソーの第２の端部に取り付けられ、
前記第２の交差方向シーソーの第２の端部は、前記第２の横方向シーソーの第２の端部に取り付けら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、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れるべきではないことである。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【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、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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
本開示の目的は、上記の欠点を軽減する装置を提供することである。
【０００８】
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】
【０００９】
本開示は、デバイス平面内のそれぞれのフレームから２つの隣接するプルーフマスのセットを懸架し、ジャイロスコープがデバイス平面内にある軸を中心とした角回転を受ける場合に、デバイス平面から外れることができるようにフレームを懸架するという着想に基づいている。
【００１０】
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】
【００１１】
【図１】図２ａ〜図２ｄ、図３ａ〜図３ｂ、および図４ａ〜図４ｂにおいて使用される記号を説明する図である。
【図２ａ】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す図である。
【図２ｂ】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す図である。
【図２ｃ】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す図である。
【図２ｄ】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す図である。
【図３ａ】第２の一次振動モードおよび対応する二次振動モードを示す図である。
【図３ｂ】第２の一次振動モードおよび対応する二次振動モードを示す図である。
【図４ａ】望ましくないコモン振動モードを示す図である。
【図４ｂ】望ましくないコモン振動モードを示す図である。
【図５ａ】同期フレームを備えたジャイロスコープを示す図である。
【図５ｂ】同期フレームを備えたジャイロスコープを示す図である。
【図６】代替的な同期フレームを示す図である。
【図７】周辺サスペンション構成を示す図である。
【図８】中央サスペンション構成を示す図である。
【図９】代替の中央サスペンション構成を示す図である。
【図１０】図８の中央サスペンション構造の動作原理を示す図である。
【図１１】図９の中央サスペンション構造の動作原理を示す図である。
【図１２ａ】２つのプルーフマスカルテットおよび２つの検出マスカルテットを備えたジャイロスコープを示す図である。
【図１２ｂ】２つのプルーフマスカルテットおよび２つの検出マスカルテットを備えたジャイロスコープを示す図である。
【図１３ａ】周辺サスペンション構成を示す図である。
【図１３ｂ】ｘ軸二次振動モードにおける図１３ａの要素の動きを示す図である。
【図１３ｃ】ｙ軸二次振動モードにおける図１３ａの要素の動きを示す図である。
【図１４】より詳細なジャイロスコープ構造を示す図である。
【図１５】より詳細なジャイロスコープ構造を示す図である。
【図１６】詳細なジャイロスコープ構造の別の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本開示は、静止位置においてデバイス平面内にある第１のプルーフマスカルテットと、静止位置においてデバイス平面内にある隣接する第２のプルーフマスカルテットとを備えるジャイロスコープについて説明する。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は、デバイス平面の横軸上にある。
【００１３】
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。ジャイロスコープは、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のほぼ中間で横軸と交差する第３の交差軸をさらに備える。
【００１４】
第１のプルーフマスカルテット内と第２のプルーフマスカルテット内両方の第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のプルーフマスの静止位置は、第１のカルテットと第２のカルテットの両方において同じであり、結果、両方のプルーフマスカルテット内の第３のプルーフマスは、横軸の第１の側に位置し、両方のプルーフマスカルテット内の第４のプルーフマスは、横軸の第２の側に位置している。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のプルーフマスは、第３の交差軸の対向する側において互いに隣接する。
【００１５】
ジャイロスコープはまた、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と、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とを備える。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。
【００１６】
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中央アンカーポイント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。
【００１７】
サスペンション構成は、第１のプルーフマスカルテット内部の第１のカルテット中心点を中心とする第１の中央サスペンション構成と、第２のプルーフマスカルテット内部の第２のカルテット中心点を中心とする第２の中央サスペンション構成とを含む。各中央サスペンション構成は、各プルーフマスの半径方向振動ならびに接線方向の面内および面外振動を柔軟に促進する。
【００１８】
サスペンション構成は、第１のプルーフマスカルテット外部の第１のカルテット中心点を中心とする第１の周辺サスペンション構成と、第２のプルーフマスカルテット外部の第２のカルテット中心点を中心とする第２の周辺サスペンション構成とをさらに含む。第１の周辺サスペンション構成は第１の同期フレームを備え、第２の周辺サスペンション構成は第２の同期フレームを備える。各同期フレームは、対応するプルーフマスカルテットを囲み、各プルーフマスは、１つまたは複数のフレーム懸架ばねを用いて周囲の同期フレームに結合される。
【００１９】
ジャイロスコープは、第１のプルーフマスカルテット内の第２のプルーフマスから第２のプルーフマスカルテット内の第１のプルーフマスまで横軸上に延伸する横方向同期ばねをさらに備える。
【００２０】
本開示では、デバイス平面が例示され、ｘｙ平面と称される。デバイス平面はまた、水平面と呼ばれる場合もある。ｚ軸はｘｙ平面に垂直である。ｚ軸はまた、垂直軸と呼ばれる場合もある。プルーフマスが、静止位置から外方に動くと、デバイス平面内で水平に維持される線形および／または回転運動は、「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おいて静止位置から外方に動く線形および／または回転運動は、「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。
【００２１】
本開示の残りの部分では、デバイス平面に垂直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。同様に、例示されている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、例示されている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。
【００２２】
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、ｘｚ平面、またはｙｚ平面内の動きを指す。
【００２３】
面内および面外接線振動は、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。
【００２４】
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。列１５に示されているドット模様の記号は、列１１〜１４に示されている所望のモードの共振周波数よりも共振周波数が著しく高くなるように抑制されることが好ましい同位相振動モードを示すために使用される。
【００２５】
本開示において説明されるジャイロスコープは、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で動作し得る。二次振動モードは、一次振動モードによって決定される。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、および一次振動モードを概略的に示している。
【００２６】
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。
【００２７】
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２８と交差する。
【００２８】
すべてのプルーフマスは、振動運動を可能にする柔軟な懸架ばね（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、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。
【００２９】
ジャイロスコープは、プルーフマスの運動を同期させる結合ばねをさらに備えることができ、結果、以下により詳細に説明される所望の振動位相が得られる。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。代わりに、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。
【００３０】
懸架ばねは、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プルーフマスの重量および／または周辺同期構造の重量を支持する周辺サスペンション構成とを含んでもよい。
【００３１】
第１の一次振動モードは、各プルーフマスが対応するカルテット中心点に対して半径方向に振動する運動を含む。図２ａに示すように、２つのプルーフマスカルテットの第１の一次振動モードは、第１のプルーフマスカルテット内の各プルーフマスの運動の方向（または、言い換えれば位相）が、第２のプルーフマスカルテット内の対応するプルーフマスの運動の方向（位相）と反対になるように駆動される。言い換えれば、図示された振動の半周期では、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が第２のカルテット中心点に向かって動くと、第１のカルテット中心点から外方に動く。次の位相では、これら２つのプルーフマスの動きは反対方向になる。同じ考慮事項が、プルーフマスカルテット内の対応するプルーフマスのすべての対２１２＋２２２、２１３＋２２３および２１４＋２２４に適用される。結果、第１の一次振動モードは、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互いに対して逆位相に動かす。当該逆位相一次振動は、以下に説明するように、対応する逆位相二次振動モードを生成する。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、横方向同期ばね２５５を用いて同期させることができる。同期の他の手段については以下で説明する。
【００３２】
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、第１の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。
【００３３】
ｚ軸を中心としたジャイロスコープの回転に応答して、第１のｚ軸二次モードは、各プルーフマスカルテット内の各プルーフマスが、対応するカルテット中心点に対して、デバイス平面内で接線方向に振動する動きを含む。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、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各プルーフマス対が、対応する横軸に対して、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。また、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、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各プルーフマス対が、対応する交差軸に対して、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。
【００３４】
図２ｂは、第１の一次振動モードがアクティブである場合の、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。次いで、第１の一次振動モードは、プルーフマス対内の各プルーフマスが対の他方のプルーフマスに対して逆位相で振動する、対応する二次振動モードを誘導する。当該事例において、逆位相とは、対の一方のプルーフマスが第１の横方向または第１の交差方向に動くとき、他方のプルーフマスが反対の横方向または交差方向に動き、両方が、対応するカルテット中心点に対して同じ接線方向（時計回りまたは反時計回り）に動くことを意味する。各プルーフマスカルテット内で、プルーフマスの一方の対（たとえば２１１＋２１２）は、カルテット内の他方の対（２１３＋２１４）と逆位相で振動する。プルーフマスカルテット内の逆位相振動とは、半周期中に一方の対が接線方向において時計回りに動くと、他方の対が反時計回りに動くことを意味する。
【００３５】
最後に、図２ｂに示すように、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、それらの対応するカルテット中心点に対して反対の接線方向（時計回りまたは反時計回り）に動く。ここでも、２つのプルーフマスカルテット内の対応するプルーフマスのすべての対２１２＋２２２、２１３＋２２３、および２１４＋２２４について、同じ状況が得られる。
【００３６】
容量性またはピエゾ測定トランスデューサを使用して、第１の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が合計され得、すなわち、２１１＋２１２および２１３＋２１４となり得、これら２つの信号は逆位相になっているため、これら２つの信号の差をとることができる、すなわち、２１１＋２１２−２１３−２１４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ことに留意されたい。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。
【００３７】
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において記号で示すように、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接線方向に振動させる。これらのプルーフマス対は、中央および／または周辺懸架ばねならびに結合ばねによって互いに接合することができる。これらのばねは、明確にするために図２ｂには示されていないが、以下で説明する。ここでも、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。
【００３８】
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において記号で示すように、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、デバイス平面から外方に接線方向に振動させる。ここでも、これらのプルーフマス対は、明瞭にするために図２ｂには示されていない中央および／または周辺懸架ばねならびに結合ばねを用いて互いに接合することができる。前述のように、逆位相の一次振動に起因して、プルーフマス対２１１＋２１２および２２１＋２２２は、逆位相でそれぞれの交差軸を中心として振動する。プルーフマス２１２をプルーフマス２２１に接続する横方向同期ばね２５５は、上記ばねが垂直方向において剛直である場合、当該マスの振動をｙ軸二次振動モードにおいて同期させることができる。
【００３９】
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ことに留意されたい。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。
【００４０】
図２ｃは、線形運動と回転との混合としての接線方向の面内振動を示している。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。サスペンション構成は、線形運動または回転のいずれの成分が優勢になるかを決定する。接線および面外振動に関する当該考慮事項は、純粋に線形である半径方向振動を除く、本開示において説明するすべての振動モードに適用される。
【００４１】
ｚ軸二次振動モードを検出するために、図２ｃ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内の１つもしくは複数のプルーフマスの開口部内に、または、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１つもしくは複数のプルーフマスに隣接してのいずれかで、容量性センストランスデューサを実装することができる。図１６は、上記オプションの一部を示す。ｘ軸および／またはｙ軸の二次振動モードを検出するために、図２ｄ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内の１つまたは複数のプルーフマスの上方および／または下方に容量性センストランスデューサを実装することができる。
【００４２】
図３ａおよび図３ｂは、それぞれ、第２の一次振動モードおよび結果生じる二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の参照符号２１１〜２１４、２２１〜２２４、２５５、２８および２９１〜２９３に対応するが、プルーフマスカルテットは異なる様式で動く。
【００４３】
第１の一次振動モードと同様に、第２の一次振動モードは、各プルーフマスが対応するカルテット中心点に対して半径方向に振動する運動を含む。さらに、第１の一次振動モードと同様に、第２の一次振動モードは、第１のプルーフマスカルテット内の各プルーフマスの運動の方向（または、言い換えれば位相）が、第２のプルーフマスカルテット内の対応するプルーフマスの運動の方向（位相）と反対になるように駆動される。プルーフマス３１２および３２１を接続する横方向同期ばね３５５は、第２の一次振動モードにおいて、第１の一次振動モードと同じ同期動作を実行することができ、ばねの同期動作はまた、ｙ軸二次振動モードでも同じであり得る。
【００４４】
ただし、第２の一次振動モードは、１つのプルーフマスカルテット内のすべてのマスがカルテット中心点に向かって同時に内側に動き、次いで同時にカルテット中心点から外方に動くという点で、第１の一次振動モードとは異なる。図３ａに示す振動半周期では、第１のプルーフマスカルテットのプルーフマス３１１〜３１４は、第２のプルーフマスカルテットのプルーフマス３２１〜３２４が第２のカルテット中心点に向かって動くと、第１のカルテット中心点から外方に動く。次の半周期では、各カルテットの動きは反対方向になる。結果、第２の一次振動モードは、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互いに対して逆位相に動かす。当該逆位相一次振動はまた、対応する逆位相二次振動モードをも生成する。
【００４５】
ジャイロスコープが第２の一次振動モードにおいて振動するように駆動されると、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、上記の第１のｚ軸二次モードとは異なる第２のｚ軸二次モード、ならびに、第１の一次振動モードについて論じたときに上述したものと同一のｘ軸およびｙ軸二次モードを含む。繰り返しを避けるために、第２のｚ軸二次モードのみを以下に説明する。
【００４６】
図３ｂは、第２の一次振動モードがアクティブであるときにコリオリ力が生成する、第２のｚ軸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。図示された振動半周期の場合、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動く一方、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、第２のカルテット中心点に対して反時計回りに動く。次の半周期では、これらの方向は逆である。
【００４７】
図３ｂに見られるように、ｘ軸およびｙ軸二次振動モードは、図２ｂに示したものと同じ逆位相関係を呈する。ｘ軸およびｙ軸二次モードを検出するための示差測定構成は、図２ｂを参照して上述したものに対応することができる。図２ｂを参照して上述したｚ軸示差測定構成は、第２のｚ軸二次振動モードの差を計上して調整する必要があるが、一般的な測定原理は同じである。図３ｂに示す接線振動は、図２ｃおよび図２ｄに示すような、線形運動と回転との組み合わせであり得る。
【００４８】
図４ａは、３つの望ましくない二次振動モードを示しており、サスペンション構成は、当該モードの共振周波数が図２ａ〜図２ｄおよび図３ａ〜図３ｂに示す所望のモードの共振周波数よりも高くなるように、抵抗することが好ましい。参照符号４１１〜４１４、４２１〜４２４、４８および４９１〜４９３は、それぞれ図２ａの参照符号２１１〜２１４、２２１〜２２４、２８および２９１〜２９３、ならびに、それぞれ図３ａの参照符号３１１〜３１４、３２１〜３２４、３８および３９１〜３９３に対応する。ｚ軸コモンモードでは、プルーフマスカルテット内のすべてのプルーフマスが、同じ接線方向に同時に振動する。ｘ軸コモンモードでは、プルーフマス対２１３＋２１４および２２３＋２２４が、横軸を中心に同じ方向に振動する。ｙ軸コモンモードでは、プルーフマス対２１１＋２１２および２２１＋２２２が、それぞれの交差軸を中心に同じ方向に振動する。別の望ましくないｚ軸コモンモードを図４ｂに示す。
【００４９】
本開示全体を通して、「対応する（ａｃｃｏｍｍｏｄａｔｅ）」および「促進する（ｆａｃｉｌｉｔａｔｅ）」という用語、ならびに「構造Ａが振動モードＸに対応／振動モードＸを促進する」などの語句は、以下の意味を有する。Ｘは、図２ａ〜図２ｄまたは図３ａ〜図３ｂに示されている所望の一次または二次振動モードを示す。モードＸに必要な動きにおいて構造Ａが示すばね定数は、すべての二次振動モードから測定された出力信号が十分な正確度で検出されることを可能にするほどに十分に小さい。必要なばね定数は、ＡおよびＸだけでなく、センストランスデューサ、出力信号調整、および、より容易な検出を促進するためにオプションの追加要素を使用するか否かにも依存する（たとえば、下記図１２ａを参照）。
【００５０】
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。構造Ａは、剛性と柔軟性との有益な組み合わせを呈し、結果、構造Ａの存在はシステムにおけるモードＸの共振周波数ＦＸとモードＹの共振周波数ＦＹとの間の関係を改善する。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
図５ａおよび図５ｂは、前の図に示された一次および二次振動モードに対応し同期するサスペンション構成を備えたジャイロスコープを示す。
【００５４】
ジャイロスコープは、第１のプルーフマスカルテット５１１〜５１４および第２のプルーフマスカルテット５２１〜５２４を備える。第１の横軸５８は、ジャイロスコープにわたってｘ方向に延伸する。第１の交差軸５９１は、第１のカルテット中心点において横軸５８に直交する。第２の交差軸５９２は、第２のカルテット中心点において横軸５８に直交する。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５１２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５２１に隣接する。上記マスは、第３の交差軸５９３の対向する両側にある。
【００５５】
ジャイロスコープは、第１の中央アンカーポイント５３１および第２の中央アンカーポイント５３２を備える。ジャイロスコープは、各中央アンカーポイントを中心とする中央サスペンション構成も備えている。中央サスペンション構成は、プルーフマスカルテットの内側にある。１つの中央懸架ばね５４１は、中央アンカーポイント５３１および５３２から周囲のプルーフマスの各々まで延伸する。中央懸架ばねは、内側のプルーフマスの重量を担持する。中央懸架ばねは、たとえば、半径方向および接線方向の面内柔軟性ならびに接線方向の面外柔軟性を与える蛇行形状を有してもよい。結果、中央懸架ばねは、図２ａおよび図３ａに示す第１の一次モードおよび第２の一次モード、ならびに、図２ｂおよび図３ｂに示すｚ軸二次モードに対応する。
【００５６】
横方向同期ばね５５５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５１２から第２のプルーフマスカルテット内の第１のプルーフマス５２１まで、横軸に沿って延伸する。当該ばねは、好ましくは、図２ａおよび図３ａに示すように一次振動において第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逆位相の動きを同期させるために、横方向に剛直であるべきである。また、ばねは、図２ｂおよび図３ｂに示すｙ軸二次モードにおいてプルーフマス５１２および５２１の面外運動を同期させるために、垂直方向にも剛直であるべきである。しかし、横方向同期ばね５５５は、プルーフマス２１２および２２１が同じ方向に動くが、反対方向にわずかに回転もする、図２ｃに示すｚ軸二次モードに対応するために、交差方向の曲げにある程度の柔軟性を依然として呈し得る。
【００５７】
さらに、横方向同期ばねの交差方向の柔軟性が十分に高い場合、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ｚ軸二次振動モードを効果的に分離することができる。結果、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が独立した共振器として振動することが可能になり、ｚ軸測定正確度に大きな利点を与えることができる。たとえば、交差方向曲げに対する横方向同期ばね５５５のばね定数が、接線振動に対するフレーム懸架ばね５４４１および５４４２の合成ばね定数よりも１０分の１以上小さい場合、十分に独立した共振器を実現することができる。
【００５８】
周辺サスペンション構成は、各プルーフマスカルテットを囲む。当該構成は、第１のプルーフマスカルテットを囲む第１の同期フレーム５６１と、第２のプルーフマスカルテットを囲む第２の同期フレーム５６２とを含む。各プルーフマスは、フレーム懸架ばねを用いて周囲の同期フレームに結合され、結果、同期フレーム５６１および５６２は、プルーフマスを介してそれぞれ中央アンカーポイント５３１および５３２から懸架される。
【００５９】
プルーフマスカルテット内のプルーフマスの一部またはすべてが、２つ以上のフレーム懸架ばねを用いて同期フレーム５６１〜５６２から懸架されるように、フレーム懸架ばねの数は４より大きくてもよい。図５ａは、図２ａに示された第１の駆動振動モードと図３ａに示された第２の駆動振動モードの両方に適したフレーム懸架ばねを示している。プルーフマスカルテット内の各プルーフマスは、プルーフマス５１４の場合においては５４４１および５４４２など、２つのフレーム懸架ばねを用いて対応する同期フレームに取り付けられる。
【００６０】
各フレーム懸架ばね５４４１および５４４２は、同期フレーム５６１上の第１の取り付け点から、隣接するプルーフマス５１４上の第２の取り付け点まで延伸する。フレーム懸架ばね５４４１および５４４２は、ばねに半径方向と接線方向の両方の柔軟性を与える、横方向と交差方向の両方の細長い部分を含む。半径方向一次振動モードの振幅は通常、接線方向二次振動モードの振幅よりも相当に大きいため、同期フレームの隣接する側に平行な細長い部分は、当該側に直交する部分よりも長くなり得る。図５ａに示されているフレーム懸架ばねは、本開示において提示されている任意の他の中央サスペンション構成または周辺サスペンション構成とともに実装されてもよい。
【００６１】
図５ｂは、第２の一次振動モードに適している代替のフレーム懸架ばねの実施形態を示している。各プルーフマスは、プルーフマス５１４の場合においては５４２など、１つのみのフレーム懸架ばねを用いて対応する同期フレームに取り付けられる。フレーム懸架ばね５４２は、対応するフレームの第１の取り付け点から対応するフレームの第２の取り付け点まで延伸し、フレーム懸架ばねの中央は、中央において対応するプルーフマスに取り付けられている。フレーム懸架ばね５４２は、外側で各プルーフマスの重量を担持し、プルーフマスの半径方向の面内振動に対して柔軟であり、結果、図３ａに示される第２の一次振動モードが対応される。
【００６２】
さらに、フレーム懸架ばね５４２は面内接線方向の柔軟性を欠いているが、にもかかわらず、図５ｂに示される周辺サスペンション構成は図３ｂに示されるｚ軸二次振動モードに対応し、同期させる。マスが、図３ａに示す振動モードにおいて一次振動するように駆動されると、図３ｂに示すように、マスは、ｚ軸の二次モードにおいてすべて同じ面内接線方向に同時に動く。当該運動は、それぞれ中央アンカーポイント５３１および５３２に交差するｚ軸を中心とした同期フレーム５６１および５６２の時計回りおよび反時計回りの回転により、対応および同期され得る。
【００６３】
第１の同期フレームおよび第２の同期フレームは、図５ａおよび図５ｂに示されるように、横方向同期ばね５５５が通過することができる、横軸上の狭い間隙を備えることができる。
【００６４】
代替的に、横方向同期ばね５５５は、同期フレーム５６１および５６２から、ならびに、交差方向懸架ばね５７５から垂直方向に分離されてもよい。当該事例において、同期フレーム５６１および５６２は、横軸上に一切の間隙のない単一フレームであってもよい。
【００６５】
ジャイロスコープがｘ軸および／またはｙ軸を中心とした角回転を受けると、同期フレーム５６１および５６２は、それぞれ横軸５８ならびに第１の交差軸５９１および第２の交差軸５９２を中心とした回転運動を受けることができる。結果、プルーフマス対（たとえば５１１＋５１２）の面外運動は常に反対方向の動きを伴う（たとえば、５１２が負のｚ方向に動くとき、５１１は正のｚ方向に動く、およびその逆）ため、ｘ軸およびｙ軸二次振動モードは各プルーフマスカルテット内で同期される。二次振動モードの振幅は、プルーフマスおよび同期フレームの寸法に比べて小さい。
【００６６】
本開示において提示される任意の実施形態において、容量性駆動トランスデューサは、たとえば、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プルーフマス内に形成される開口部に実装されてもよい。代替的に、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い。容量性駆動トランスデューサを図１６に示す。
【００６７】
図６は、代替的な同期フレームを示している。参照符号６１１〜６１４、６２１〜６２４、６３１〜６３２、６８および６９１〜６９３は、それぞれ図５ａの参照符号５１１〜５１４、５２１〜５２４、５３１〜５３２、５８および５９１〜５９３に対応する。図６に示したジャイロスコープの他の要素も、周辺サスペンション構成を除き、図５ａの要素に対応している。
【００６８】
図６では、各同期フレームは、直列に接続された４つの実質的にＬ字型フレーム要素を備える。各Ｌ字型フレーム要素の端部は、ヒンジ接続要素を用いて、隣接するＬ字型フレーム要素の端部に接続されている。各ヒンジ接続要素は、当該ヒンジ接続要素に接続されたＬ字型フレーム要素が、上記フレーム要素のコーナと交差する垂直軸を中心として反対方向に回転することを可能にする。
【００６９】
第１のプルーフマスカルテットを囲む第１の同期フレームは、ここで、４つのＬ字型フレーム要素６４１〜６４４を備える。第２のプルーフマスカルテットを囲む第２の同期フレームは、４つのＬ字型フレーム要素６５１〜６５４を備える。フレーム要素は、ヒンジ接続要素６７１と相互接続されている。
【００７０】
各Ｌ字型フレーム要素は、フレーム要素の２つの脚部が実質的に直交する角度で交わるフレーム要素コーナを有する。Ｌ字型フレーム要素はコーナ要素とも呼ばれる場合があり、静止位置において長方形を形成することができる。長方形は正方形であってもよい。
【００７１】
静止位置において、４つのＬ字型フレーム要素６４１〜６４４および６５１〜６５４が各プルーフマスカルテットの周囲に正方形のフレームを形成する。しかし、図６は、プルーフマス対６１１＋６１２および６２３＋６２４が半径方向においてそれぞれのカルテット中心点により近づいて動いており、対６１３＋６１４および６２１＋６２２が半径方向においてそれぞれのカルテット中心点から外方に動いている一次振動位相を示している。図６に示すように、同期フレームは垂直軸を中心に回転することにより、当該振動に柔軟に対応することができる。
【００７２】
ヒンジ接続要素６７１は、垂直軸を中心とした、接続されているＬ字型フレーム要素の相互回転に柔軟に対応するように構成することができる。にもかかわらず、ヒンジ接続６７１は、デバイス平面内の任意の軸を中心とした、接続されているフレーム要素の相互回転に剛直に抵抗し、また、フレーム要素の互いに対する線形並進にも剛直に抵抗し得る。結果、すべてのＬ字型フレーム要素は同じ平面内にとどまり、図５の単一同期フレーム５６１および５６２と同じように面外振動のみを受ける。
【００７３】
図５のように、第１の同期フレームおよび第２の同期フレームはここでも、横方向ばね６５２がプルーフマス６１２と６２１との間に延伸することができる中央間隙を含むことができる。代替的に、横方向ばねが異なる垂直レベルにある場合、Ｌ字型フレーム要素６４２および６４４は、ヒンジ接続要素、ならびに、さらに要素６５１および６５３にも接続され得る。場合によっては、ヒンジ接続要素を横方向ばね６５２に統合することも可能であり得、結果、第１の同期フレームおよび第２の同期フレームが上述したように第１の一次振動モードに柔軟に対応することを依然として可能にしながら、ジャイロスコープの中心に示されているすべての部品が同じ垂直面にあることができる。
【００７４】
ヒンジ要素がすべてのＬ字型フレーム要素を同じ平面内に維持するのに十分な垂直厚さを有する場合に、ジャイロスコープがｘ軸および／またはｙ軸を中心とした角回転を受けると、同期フレーム６４１＋６４２＋６４３＋６４４および６５１＋６５２＋６５３＋６５４は、それぞれ横軸６８ならびに第１の交差軸６９１および第２の交差軸６９２を中心とした回転運動を受けることができる。結果、当該同期フレームは、上述したフレーム５６１および５６２と同じように、ｘ軸およびｙ軸二次振動モードを同期させることができる。
【００７５】
図６に示す同期フレームは、本開示において提示されている他の中央サスペンション構成または周辺サスペンション構成と組み合わせて実装することができるが、プルーフマスカルテットが図３ａに示されている第２の一次振動モードに駆動されたときではなく、図２ａに示されている第１の一次振動モードに駆動されたときにのみ、使用することができる。
【００７６】
図７は、ジャイロスコープの周辺付近で同期フレームおよびプルーフマスの重量を支持する周辺サスペンション構成を示している。参照符号７１１〜７１４、７２１〜７２４、７３１〜７３２、７６１〜７６２、７８および７９１〜７９３は、それぞれ図５ａおよび図５ｂの参照符号５１１〜５１４、５２１〜５２４、５３１〜５３２、５６１〜５６２、５８および５９１〜５９３に対応する。
【００７７】
ジャイロスコープは、第１の横方向アンカーポイント７３３が、第１のプルーフマスカルテット内の第１のプルーフマス７１１に隣接し、第２の横方向アンカーポイントポイント７３４が、第２のプルーフマスカルテット内の第２のプルーフマス７２２に隣接するように、横軸７８上に第１の横方向アンカーポイント７３３および第２の横方向アンカーポイント７３４を備え、ジャイロスコープは、横軸７８の第１の側（図７の上側）において第３の交差軸７９３上にある第１の交差方向アンカーポイント７３５と、横軸７８の第２の側（図７の下側）において第３の交差軸７３６上にある第２の交差方向アンカーポイント７３６とをさらに備える。
【００７８】
第１の周辺サスペンション構成は、静止位置において第１の横方向アンカーポイント７３３から第１の同期フレーム７６１上の対応する取り付け点まで反対の交差方向に延伸する少なくとも２つの交差方向周辺懸架ばね７７３をさらに備え、第２の周辺サスペンション構成は、静止位置において第２の横方向アンカーポイント７３４から第２の同期フレーム７６２上の対応する取り付け点まで反対の交差方向に延伸する少なくとも２つの交差方向周辺懸架ばね７７４をさらに備える。
【００７９】
ジャイロスコープは、静止位置において第１の交差方向アンカーポイント７３５から第１の同期フレーム７６１および第２の同期フレーム７６２上の取り付け点まで第３の交差軸７９３に沿って延伸する１つまたは複数の第１の交差方向中央懸架ばね７７５と、静止位置において第２の交差方向アンカーポイント７３６から第１の同期フレーム７６１および第２の同期フレーム７６２上の取り付け点まで第３の交差軸７９３に沿って延伸する１つまたは複数の第２の交差方向中央懸架ばね７７６とをさらに備える。各交差方向周辺懸架ばねおよび交差方向中央懸架ばね７７３〜７７６の第１の端部は、横方向のねじれに柔軟な取り付け要素を用いて対応するアンカーポイントに取り付けられ、各交差方向懸架ばね７７３〜７７６の第２の端部は、横方向のねじれに柔軟な取り付け要素を用いて対応する同期フレーム上の取り付け点に取り付けられる。
【００８０】
取り付けバー７５１が、各取り付け点に配置されてもよい。図７に示すように、第１の交差方向中央懸架ばね７７５および第２の交差方向中央懸架ばね７７６は、横軸の近くで第１の同期フレーム７６１および第２の同期フレーム７６２に取り付けることができる。
【００８１】
各交差方向懸架ばねは、周辺であろうと中央であろうと、図７に示す取り付けバー７５１および７５３などの、ねじれに柔軟な要素を用いて当該ばねのアンカーポイントおよび同期フレームに取り付けられる。結果、上記懸架ばねは、同期フレーム７６１および７６２の重量を支持し、同期フレームがデバイス平面から外方に動くことを可能にする。両方の交差方向周辺懸架ばね７７３の遠位端（アンカーポイントに取り付けられていない端部）が同じ面外方向に動くと、当該ばねは、同期フレーム７６１が第１の交差軸７９１を中心に傾くことを可能にする。遠位端交差方向周辺懸架ばね７７３が反対の面外方向に動くと、当該ばねは、同期フレーム７６１が横軸７８を中心に傾くことを可能にする。同じことが、他の対の交差方向周辺懸架ばね７７４および同期フレーム７６２にも当てはまる。
【００８２】
交差方向中央懸架ばねは、中央において同期フレーム７６１および７６２の重量を支持する。当該ばねは、横軸７８を中心とした同期フレーム７６１および７６２の傾きに影響を及ぼさないが、それぞれ第１の交差軸７９１および第２の交差軸７９２を中心とした傾きを同期させる。結果、第１の同期フレーム７６１および第２の同期フレーム７６２の中央縁部は、常に同じ面外方向に動く。
【００８３】
図７に示す実施形態は、本開示に示す任意の他の実施形態と組み合わせて実装することができる。当該実施形態は、第１の一次振動モードと第２の一次振動モードの両方に対して実装することができる。
【００８４】
図８は、各プルーフマスカルテットの半径方向運動を同期させる代替の中央サスペンション構成を示している。参照符号８１１〜８１４、８２１〜８２４、８８および８９１〜８９３は、それぞれ図５ａの参照符号５１１〜５１４、５２１〜５２４、５８および５９１〜５９３に対応する。図８に示したジャイロスコープの他の要素も、中央サスペンション構成を除き、図５ａの要素に対応している。
【００８５】
図８において、各中央サスペンション構成は、内側ジンバルフレームおよび同心の外側ジンバルフレームを備えたジンバル構造を備える。ジンバル構造は、横軸および対応する交差軸を中心としたジンバル回転を促進するトーションバーも備えている。
【００８６】
図８に示すジンバル構造において、外側トーションバーが内側トーションバーの方向に対し垂直に延伸するように、２つの内側トーションバー８４１が中央アンカーポイントから内側ジンバルフレーム８５１まで反対方向に延伸し、２つの外側トーションバー８４２が内側ジンバルフレーム８５１から外側ジンバルフレーム８５２まで反対方向に延伸する。当該垂直方向は、図８のように、横方向／交差方向、または斜めのいずれかであってもよい。
【００８７】
図８では、内側ジンバルフレーム８５１は円形であり、外側ジンバルフレーム８５２は円形であり、対応するプルーフマスカルテット内の各プルーフマスは、取り付け部分８５を用いて外側ジンバルフレーム８５２に取り付けられている。
【００８８】
図９は、各プルーフマスカルテットの半径方向運動を同期させる代替の中央サスペンション構成を示している。参照符号９１１〜９１４、９２１〜９２４、９８および９９１〜９９３は、ここでも、それぞれ図５ａの参照符号５１１〜５１４、５２１〜５２４、５８および５９１〜５９３に対応する。図８に示したジャイロスコープの他の要素も、中央サスペンション構成を除き、図５ａの要素に対応している。
【００８９】
図９において、各中央サスペンション構成は、ジンバル構造を備えている。内側ジンバルフレームは長方形であり、外側ジンバルフレームは長方形である。中央サスペンション構成は、外側ジンバルフレームを囲む、直列に接続された４つの実質的にＬ字型フレーム要素をさらに備える。各Ｌ字型フレーム要素の端部は、ヒンジ接続要素を用いて、隣接するＬ字型フレーム要素の端部に接続されている。各ヒンジ接続要素は、当該ヒンジ接続要素に接続されたＬ字型フレーム要素が、上記ヒンジ接続要素と交差する垂直軸を中心として反対方向に回転することを可能にする。中央サスペンション構成は、少なくとも４つの接続バーをさらに備える。各接続バーは、外側ジンバルフレームから、隣接するＬ字型フレーム要素または隣接するヒンジ接続要素のいずれかまで延伸する。対応するプルーフマスカルテット内の各プルーフマスは、取り付け部分を用いて、隣接するヒンジ接続要素に取り付けられる。
【００９０】
図９では、明確にするために、内側および外側ジンバルフレームに符号を付していない。図９に示すように、内側および外側トーションバーをそれぞれ横方向および交差方向に配置することができる。Ｌ字型フレーム要素９７１〜９７４は、第２の中央アンカーポイントを中心とする中央サスペンション構成において符号を付されている。ヒンジ接続要素は、単にバーとして示されているが、図６のヒンジ接続要素６７１と同じ構造を有してもよい。Ｌ字型フレーム要素はコーナ要素とも呼ばれる場合があり、静止位置において、正方形であってもよい長方形を形成することができる。
【００９１】
図９のヒンジ接続要素の機能は、図６のヒンジ接続要素６７１の機能と同じであってもよい。言い換えると、各ヒンジ接続要素は、２つの隣接するＬ字型フレーム要素をともに結合し、Ｌ字型フレーム要素が、フレーム要素コーナと交差する垂直軸を中心に互いに対して回転することを可能にする。Ｌ字型フレーム要素の回転については、図１１を参照して以下でさらに詳細に説明する。
【００９２】
外側ジンバルフレームから外側に延伸する接続バー９６１には、第１の中央アンカーポイントを中心とする中央サスペンション構成において符号が付されている。当該接続バーは、外側ジンバルフレームの回転をＬ字型フレーム要素に剛体的に伝達するような寸法になっている。したがって、プルーフマスカルテットならびに内側および外側サスペンション構成がｘｙ平面から外方に回転しても、Ｌ字型フレーム要素および外側ジンバルフレームは実質的に同じ平面内にとどまる。にもかかわらず、場合によっては、接続バー９６１、Ｌ字型フレーム要素９７１〜９７４、またはヒンジ接続要素を、わずかに面外柔軟性および曲げを呈するように狭い寸法にすることが好ましい場合があるため、当該平坦性からわずかなずれが生じる場合がある。
【００９３】
１つの接続バー９６１は、図９に示されるように、外側ジンバルフレームの各コーナから隣接するＬ字型フレーム要素のコーナまで延伸することができる。代替的に、たとえば、２つの接続バーが外側ジンバルフレームの対向する両側で横軸上に位置整合し、２つの接続バーが外側ジンバルフレームの対向する両側で対応する交差軸上に位置整合するように、１つの接続バーが外側ジンバルフレームから各ヒンジ接続要素まで延伸してもよい（当該代替形態は図示されていない）。各プルーフマスは、取り付け部分９５２を用いて、隣接するヒンジ接続要素に取り付けられてもよい。
【００９４】
図１０は、図８に示したジンバル構造の動作原理を示している。図１０の上部に示されるジンバル構造は、内側ジンバルフレーム１０５１および外側ジンバルフレーム１０５２と、中央アンカーポイントと内側ジンバルフレーム１０５１との間の内側トーションバー１０４１と、内側ジンバルフレームと外側ジンバルフレームとの間の外側トーションバー１０４２とを備える。
【００９５】
カルテット内の第１のプルーフマスおよび第２のプルーフマスが横軸１０８上で互いから外方に動き、第３のプルーフマスおよび第４のプルーフマスが交差軸１０９上で互いに向かって動く振動位相では、ジンバルフレーム１０５１および１０５２は図１０の中央に示すように、当該動きに対応する楕円形状をとることができる。カルテット内の第１のプルーフマスおよび第２のプルーフマスが横軸１０８上で互いに向かって動いており、第３のプルーフマスおよび第４のプルーフマスが交差軸１０９上で互いから外方に動いている振動位相では、内側ジンバルフレームおよび外側ジンバルフレームはまた、図１０の下部に示すように、楕円形状をとることによってこの動きに対応することができる。
【００９６】
図２ｂおよび図２ｃに示す第１のｚ軸二次振動モードでは、すべてのプルーフマスがｘｙ平面内で接線方向に振動する。内側ジンバルフレーム１０５１および外側ジンバルフレーム１０５２は、当該動きに対応するために、対角軸１０８１／１０８２に沿って楕円形状をとることができる。
【００９７】
楕円形と円形との間の内側および外側ジンバルフレームの振動はまた、フレームが円形に戻り、次いで、反対位相において形成される楕円形へと移るときに、フレームに保存された位置エネルギーが解放されるため、取り付けられたプルーフマスカルテットの振動も同期する。
【００９８】
中央サスペンション構造が、図４ａおよび４ｂに示す望ましくない面内振動モードに抵抗する一方、図５ａのばね５５５などの横方向同期ばねは、本開示に提示するすべての実施形態において、望ましくない面外振動モードに抵抗する。
【００９９】
図１１は、図９に示す中央サスペンション構造の動作原理を示す。当該事例において、長方形の内側および外側ジンバルフレームは、隣接するプルーフマスの動きに起因するわずかな形状変換しか受けないか、または、まったく変換を受けない場合がある。代わりに、プルーフマスの動きは、外側ジンバルフレームを囲むＬ字型フレーム要素のシステムによって柔軟に対応される。
【０１００】
図１１の上部には、４つのヒンジ接続要素９５１〜９５４を用いて相互接続された４つのＬ字型フレーム要素９７１〜９７４が示されている。図１１の下部には、カルテット内の第１のプルーフマスおよび第２のプルーフマスが横軸９８上で互いから外方に動き、第３のプルーフマスおよび第４のプルーフマスが交差軸９９上で互いに向かって動く振動位相が示されている。Ｌ字型フレーム要素はコーナ要素とも呼ばれる場合があり、各コーナ要素は、実質的に垂直な角度でフレーム要素コーナに交わる２つの脚部を含む。コーナ要素は、静止位置において長方形を形成することができる。形状は正方形であってもよい。
【０１０１】
Ｌ字型フレーム要素９７１〜９７４の動きは、図６のフレーム要素６４１〜６４４および６５１〜６５４の動きと同じ原理に従う。第１のＬ字型フレーム要素９７１と第４のＬ字型フレーム要素９７４は両方とも、ヒンジ接続要素のアームによって形成される角度が、横軸９８が交差軸９９と交差する中心点に対して鈍角になるように、ヒンジ接続要素９５１を中心として回転している。第２のＬ字型フレーム要素９７２と第３のＬ字型フレーム要素９７３の両方もまた、ヒンジ接続要素９５２によって形成される角度が中心点に対して鈍角になるように回転している。他方、ヒンジ接続要素９５３および９５４によって形成される角度は、中心点から外方の反対方向において鈍角である。図示されていない反対の振動位相では、各ヒンジ接続要素によって形成される角度は反対方向に鈍角になる。多くの異なるヒンジ接続要素が使用されてもよく、図１１の図解は概略図に過ぎない。前述したように、中心点を囲むジンバル構造は、図４ａ〜４ｂに示す望ましくない面内振動モード、および、たとえば任意の軸の線形コモンモードのような、他のすべての種類の面内モードに抵抗する。
【０１０２】
図８および図９に示す中央サスペンション構成は、図２ａに示す第１の一次振動モードに適した、本開示に示す任意の周辺サスペンション構成と組み合わせることができる。追加のプルーフマスをジャイロスコープに追加して、ｚ軸二次モードの改善された、より容易な検出を促進することができる。ジャイロスコープは、第１の同期フレーム内の第３のプルーフマスカルテットと、第２の同期フレーム内の第４のプルーフマスカルテットとをさらに備えることができる。第３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することができ、第４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することができる。
【０１０３】
第３の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、４５度の角度で第１のカルテット中心点において横軸および第１の交差軸と交差する第１の対角軸上で位置整合され得る。第３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、第１の対角軸に直交し、第１のカルテット中心点と交差する第２の対角軸上で位置整合され得る。
【０１０４】
第４の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、４５度の角度で第２のカルテット中心点において横軸および第２の交差軸と交差する第３の対角軸上で位置整合され得る。第４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、第３の対角軸に直交し、第２のカルテット中心点と交差する第４の対角軸上で位置整合され得る。
【０１０５】
１つまたは複数の交差方向コーナばねは、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隣接するプルーフマスから、第３のプルーフマスカルテット内の各プルーフマスまで延伸する。１つまたは複数の横方向コーナばねは、第１の交差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隣接するプルーフマスから、第３のプルーフマスカルテット内の各プルーフマスまで延伸する。
【０１０６】
１つまたは複数の交差方向コーナばねは、横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隣接するプルーフマスから、第４のプルーフマスカルテット内の各プルーフマスまで延伸する。１つまたは複数の横方向コーナばねは、第２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隣接するプルーフマスから、第４のプルーフマスカルテット内の各プルーフマスまで延伸する。
【０１０７】
図１２ａは、２つのプルーフマスカルテットおよび２つの検出マスカルテットを備えたジャイロスコープを示す。参照符号１２１１〜１２１４、１２２１〜１２２４、１２６１〜１２６２、１２８および１２９１〜１２９３は、それぞれ図５ａおよび図５ｂの参照符号５１１〜５１４、５２１〜５２４、５６１〜５６２、５８および５９１〜５９３に対応する。前の図に直接対応するものが存在する限り、図１２ａに描かれた他方の要素も、前の実施形態の要素に対応する。
【０１０８】
図１２ａに示されるジャイロスコープは、第１の検出マスカルテット１２３１〜１２３４および第２の検出マスカルテット１２４１〜１２４４が追加されているという点で、前の実施形態とは異なる。検出マス１２３１〜１２３２は、第１の対角軸１２７１上で位置整合され、検出マス１２３３〜１２３４は、第２の対角軸１２７２上で位置整合される。プルーフマス１２４１〜１２４２は、第３の対角軸１２７３上で位置整合され、プルーフマス１２４３〜１２４４は、第２の対角軸１２７４上で位置整合される。言い換えれば、第１の検出マスカルテットおよび第２の検出マスカルテット内のプルーフマスは、第１の検出マスカルテットおよび第２の検出マスカルテット内の各プルーフマスが１つのコーナを占めるように、第１の同期フレームおよび第２の同期フレームのコーナ付近に配置され得る。
【０１０９】
図１２ａのように、第１のプルーフマスカルテットと第１の検出マスカルテットとを合わせて、正方形であり得る、ほぼ長方形の領域をカバーすることができる。第２のプルーフマスカルテットおよび第２の検出マスカルテットは、同様に長方形の領域をカバーすることができる。ただし、ｘｙ平面内の個々のプルーフマスおよび検出マスの形状は、必ずしも長方形である必要はない。任意の適切な形状が使用されてもよい。検出マスのサイズは、ｘｙ平面内の形状を変えることにより、プルーフマスのサイズに対して調整することができる。
【０１１０】
検出マス１２３１〜１２３４および１２４１〜１２４４を使用して、ｚ軸二次振動モードを線形的に検出することができる。当該検出は、コーナばね１２５および１２６によって促進される。図１２ａに示すように、交差方向コーナばね１２５は、第１のプルーフマスカルテット内の第１のプルーフマス１２１１から、第１の検出マスカルテット内の第１の検出マス１２３１と第３の検出マス１２３３の両方に延伸する。交差方向コーナばね１２５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から、第１の検出マスカルテット内の第２の検出マス１２３２および第４の検出マス１２３４の両方に延伸する。横方向コーナばね１２６は、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１２１３から、第１の検出マスカルテット内の第１の検出マス１２３１および第４の検出マス１２３４の両方に延伸する。横方向コーナばね１２６はまた、第１のプルーフマスカルテット内の第４のプルーフマス１２１４から、第１の検出マスカルテット内の第２の検出マス１２３２および第３の検出マス１２３３の両方に延伸する。図１２ａに示すように、横方向コーナばねおよび交差方向コーナばねは、第２のプルーフマスカルテットのマスと第２の検出マスカルテットのマスとの間に同じように配置される。
【０１１１】
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がｚ軸二次モードにおいて接線方向に振動すると、当該接線振動は、横方向コーナばねおよび交差方向コーナばねによって検出マスに伝達される。横方向コーナばねおよび交差方向コーナばねによって与えられる運動量は等しい（または等しいに極めて近い）ため、図１２ｂに示すように、検出マスは対角軸に沿って半径方向振動において動く。プルーフマスの接線振動とは異なり、検出マスの当該半径方向振動は、面内回転の成分を含まない。したがって、検出マスカルテットの振動を測定するセンストランスデューサを用いて、二次ｚ軸振動モードを検出することが好ましい場合がある。
【０１１２】
検出マスは、それぞれ第１の同期フレームおよび第２の同期フレームに固定することができ、結果、ジャイロスコープがｘ軸またはｙ軸を中心とした角回転を受けるときにフレームとともに動く。ただし、検出マスは、ｘ軸およびｙ軸二次モードを検出するために必ずしも必要ではないため、代替的に、同期フレームから接続解除されてもよく、動きがｘｙ平面のみに制限されてもよい。検出マスを接続切断する利点は、ｘ軸およびｙ軸二次モードによってｚ軸二次モード測定が乱される可能性が低いことである。また、検出マスがｘｙ平面内で１つの軸に沿ってのみ運動する場合、検出マスの周囲にセンストランスデューサを設計するのがより容易である。
【０１１３】
各検出マスは、検出マスが位置整合される対角軸上にある対角アンカーポイント（図示せず）から懸架することができる。対角アンカーポイントは、たとえば、上記検出マス内に形成された開口部内に位置してもよい。交差方向コーナばね１２５および横方向コーナばね１２６は、検出マスカルテットがｘｙ平面内内にとどまっている間に、ｘ軸またはｙ軸二次振動モードにおける第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面外運動に対応するのに十分な面外柔軟性を呈することができる。
【０１１４】
図１２ｂに示す半径方向ｚ軸二次振動モードを検出するために、第３のプルーフマスカルテットおよび第４のプルーフマスカルテット内の１つまたは複数のプルーフマスの開口部内に、または、第３のプルーフマスカルテットおよび第４のプルーフマスカルテット内の１つまたは複数のプルーフマスに隣接してのいずれかで、容量性センストランスデューサを実装することができる。検出マスカルテットは、本開示で説明されている実施形態のいずれかにおいて上述されたように実装されてもよい。
【０１１５】
検出マス１２３１〜１２３４および１２４１〜１２４４は、本開示に示す中央サスペンション構成または周辺サスペンション構成と組み合わせて実装することができ、図２ａに示す第１の一次振動モードと図３ａに示す第２の一次振動モードの両方によって使用することができる。第２の一次振動モードが使用される場合、検出マスは半径方向ではなく接線振動のために懸架される必要がある。
【０１１６】
周辺同期構造を使用して、第１の同期フレームおよび第２の同期フレームの振動を同期させることができる。上述のように、ジャイロスコープは、第１の横方向アンカーポイントが第１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、第２の横方向アンカーポイントが第２のプルーフマスカルテット内の第２のプルーフマスに隣接するように、横軸上に第１の横方向アンカーポイントおよび第２の横方向アンカーポイントを備えることができる。ジャイロスコープは、横軸の第１の側において第３の交差軸上にある第１の交差方向アンカーポイントと、横軸の第２の側において第３の交差軸上にある第２の交差方向アンカーポイントとをさらに備えることができる。
【０１１７】
ジャイロスコープはまた、横軸の第１の側にある第１の横方向シーソーと、横軸の第２の側にある第２の横方向シーソーとを備えることもできる。第１の横方向シーソーは、ねじれ要素を用いて第１の交差方向アンカーポイントに取り付けることができ、第２の横方向シーソーは、ねじれ要素を用いて第２の交差方向アンカーポイントに取り付けることができる。
【０１１８】
第１の横方向シーソーは、第１の交差軸上のトーションバーを用いて第１の同期フレームに取り付けることができる。第１の横方向シーソーは、第２の交差軸上のトーションバーを用いて第２の同期フレームに取り付けることができる。第２の横方向シーソーは、第１の交差軸上のトーションバーを用いて第１の同期フレームに取り付けることができる。第２の横方向シーソーは、第２の交差軸上のトーションバーを用いて第２の同期フレームに取り付けることができる。
【０１１９】
図１３ａは、ジャイロスコープの周辺付近で同期フレームおよびプルーフマスの重量を支持する周辺サスペンション構成を有するジャイロスコープを示している。参照符号１３１１〜１３１４、１３２１〜１３２４、１３３１〜１３３２、１３５５、１３６１〜１３６２、１３８、１３９１〜１３９３は、それぞれ図５ａおよび図５ｂの参照符号５１１〜５１４、５２１〜５２４、５３１〜５３２、５５５、５６１〜５６２、５８、５９１〜５９３に対応する。参照符号１３３３〜１３３６は、図７の参照符号７３３〜７３６に対応する。周辺サスペンション構成は、横軸１３８の第１の側、この場合は図の上側にある第１の横方向シーソー１３５１を含む。第２の横方向シーソー１３５２は、横軸１３８の第２の側にあり、この場合は図の下側にある。第１のシーソー１３５１は、第１の横方向シーソー１３５１が第３の交差軸１３９３を中心として回転することを可能にするねじれ要素（図１３には示されないが、図１４に見える）を用いて第１の交差方向アンカーポイント１３３５に取り付けられる。同様に、第２の横方向シーソー１３５２は、第２のシーソー１３５２が第３の交差軸１３９３を中心として回転することを可能にするねじれ要素（図１３には示されないが、図１４に見える）を用いて第２の交差方向アンカーポイント１３３６に取り付けられる。
【０１２０】
第１の横方向シーソー１３５１は、第１の交差軸１３９１上のトーションバー１３８１を用いて第１の同期フレーム１３６１に取り付けられ、第２の交差軸１３９２上のトーションバー１３８２を用いて第２の同期フレーム１３６２に取り付けられる。同様に、第２の横方向シーソー１３５２は、第１の交差軸１３９１上のトーションバー１３８３を用いて第１の同期フレーム１３６１に取り付けられ、第２の交差軸１３９２上のトーションバー１３８４を用いて第２の同期フレーム１３６２に取り付けられる。
【０１２１】
第１の横方向シーソー１３５１および第２の横方向シーソー１３５２のねじれを伴う柔軟な取り付けにより、当該シーソーが、第３の交差軸５９３を中心とした前後の傾斜振動を受けることが可能になる。さらに、上記軸を中心とした回転に応じた所望の二次振動は、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プルーフマス対が面外で振動する面外運動を伴い、結果、プルーフマス１３２３が負のｚ方向に動くと、プルーフマス１３１３が正のｚ方向に動き、逆のときは逆の動きになる。プルーフマス１３２４が正のｚ方向に動くと、応答してプルーフマス１３１４は負のｚ方向に動き、逆のときは逆の動きになる。
【０１２２】
したがって、図１３ａの第１の同期フレーム１３６１の上縁も、第２の同期フレーム１３６２の上縁が負のｚ方向に動くと、正のｚ方向に動き、逆のときは逆の動きになる。また、図１３ａの第１の同期フレーム１３６１の下縁は、第２の同期フレーム１３６２の下縁が正のｚ方向に動くと、負のｚ方向に動き、逆のときは逆の動きになる。当該運動は、一方の同期フレームの縁部を下に引くと他方の縁部を上に押す横方向シーソー１３５１および１３５２と効果的に同期させることができる。
【０１２３】
任意選択的に、当該同期は、２つの横方向シーソーを互いに接続することによってさらに改善することができる。ジャイロスコープは、ねじれ要素を用いて第１の横方向アンカーポイントに取り付けられる第１の交差方向シーソーと、ねじれ要素を用いて第２の横方向アンカーポイントに取り付けられる第２の交差方向シーソーとを備えることができる。第１の交差方向シーソーの第１の端部は、第１の横方向シーソーの第１の端部に取り付けることができる。第１の交差方向シーソーの第２の端部は、第２の横方向シーソーの第１の端部に取り付けることができる。第２の交差方向シーソーの第１の端部は、第１の横方向シーソーの第２の端部に取り付けることができる。第２の交差方向シーソーの第２の端部は、第２の横方向シーソーの第２の端部に取り付けることができる。
【０１２４】
図１３ａのジャイロスコープは、ねじれ要素（図１３には示されていないが、図１４に見える）を用いて第１の横方向アンカーポイント１３３３に取り付けられている第１の交差方向シーソー１３４１と、ねじれ要素（図１３には示されていないが、図１４に見える）を用いて第１の交差方向アンカーポイント１３３５に取り付けられている第２の横方向アンカーポイント１３３４に取り付けられている第２の交差方向シーソー１３４２とを備える。当該ねじれ要素により、第１の交差方向シーソーおよび第２の交差方向シーソーが横軸１３８を中心に回転することが可能になる。
【０１２５】
上記で説明したように、第１の横方向シーソー１３５１の第１の端部（たとえば図１３ａでは左端であってもよい）は、第２の横方向シーソー１３５２の第１の端部（ここでも左側）が負のｚ方向に動くと、正のｚ方向に動く。第１の横方向シーソーおよび第２の横方向シーソーの第２の端部（図１３ａでは右端）は、対応して、常にｘｙ平面の反対側にある。第１の交差方向シーソー１３４１の第１の端部（たとえば、図１３ａでは上端であってもよい）が第１の横方向シーソー１３５１の第１の端部に接続され、第１の交差方向シーソー１３４１の第２の端部（図１３ａでは下端）が第２の横方向シーソー１３５２の第１の端部に接続されると、第１の交差方向シーソーおよび第２の交差方向シーソーは当該動きを同期させることができる。図１３ａに示すように、第２の交差方向シーソー１３４２の第１の（上）端部は、対応して第１の横方向シーソー１３５１の第２の端部に接続することができ、第２の交差方向シーソー１３４２の第２の（下）端部は第２の横方向シーソー１３５２の第２の端部に接続することができる。シーソーを相互に接続する接続要素１３７１〜１３７４は、少なくとも一定のひねりが可能であるように、ある程度までねじれに柔軟でもなければならない。
【０１２６】
第１の交差方向シーソー１３４１および第２の交差方向シーソー１３４２のねじれに柔軟な取り付けにより、当該シーソーは、逆位相において横軸１３８を中心とした前後の傾斜振動を受けることが可能であり、当該振動は、第３の交差軸を中心とした横方向シーソー１３５１および１３５２の逆位相振動を同期させ、したがって、第１の同期フレーム１３６１および第２の同期フレーム１３６２の逆位相振動を同期させる。当該同期は、ｘ軸を中心とした回転に応答したプルーフマスカルテットの二次振動モードを強化し、横方向シーソー１３５１および１３５２の望ましくない同相振動を拒絶する。ｙ軸を中心とした回転に応答するプルーフマスカルテットの二次振動モードは、上述のように、主に横方向同期ばね１３５５によって同期される。
【０１２７】
図１３ａに示す周辺同期構造は、本開示において提示されている任意の中央サスペンション構成または周辺サスペンション構成と組み合わせて実装することができ、プルーフマスカルテットが図２ａに示されている第１の一次振動モードに駆動されるときと、カルテットが図３ａに示されている第２の一次振動モードに駆動されるときの両方において使用することができる。
【０１２８】
図１３ｂは、ｘ軸二次振動モードにおける図１３ａの要素の動きを三次元で示す（図２ｂおよび図３ｂと比較されたい）。明確にするためにプルーフマスおよび中央サスペンション構成は省略されており、振動振幅の大きさは（周辺サスペンション構成および同期構成の寸法に対して）説明のために大きく誇張されている。図に見られるように、第１の同期フレーム５６１および第２の同期フレーム５６２は、横軸５８を中心として反対の位相において振動する。横方向シーソー１３５１〜１３５２および交差方向シーソー１３４１〜１３４２は、当該位相関係を促進する。
【０１２９】
図１３ｃは、ｙ軸二次振動モードにおける図１３ａの要素の動きを三次元で示す（図２ｂおよび図３ｂと比較されたい）。ここでも、振動振幅の大きさは、説明のために大きく誇張されている。図に見られるように、第１の同期フレーム５６１および第２の同期フレーム５６２は、それぞれ第１の交差軸５９１および第２の交差軸５９２を中心として反対の位相において振動する。横方向同期ばね１３５５は、当該位相関係を促進する。
【０１３０】
図１４は、上述の実施形態のいくつかが実装されたジャイロスコープ構造の例を示している。参照符号１４１１〜１４１４、１４２１〜１４２４、１４３１〜１４３６、１４４１〜１４４２、１４５１〜１４５２、１４５５、１４６１〜１４６２は、それぞれ図１３の参照符号１３１１〜１３１４、１３２１〜１３２４、１３３１〜１３３６、１３４１〜１３４２、１３５１〜１３５２、１３５５および１３６１〜１３６２に対応する。参照符号１４８１〜１４８４および１４９１〜１４９４は、それぞれ図１２ａおよび図１２ｂの参照符号１２３１〜１２３４および１２４１〜１２４４に対応する。参照符号１４７１〜１４７２は、それぞれ図９の参照符号９７１〜９７２に対応する。参照符号１４９１は、図９の参照符号９６１に対応する。参照符号１４７３、１４７４および１４７５は、それぞれ図７の参照符号７７３、７７４および７７５に対応する。図１５に、参照符号なしの同様の例示的な構造を示す。
【０１３１】
図１６は、駆動トランスデューサおよびセンストランスデューサも実装されている例示的な構造を示している。参照符号１６１１〜１６１４、１６２１〜１６２４、１６８１〜１６８４および１６９１〜１６９４は、それぞれ図１４の参照符号１４１１〜１４１４、１４２１〜１４２４、１４８１〜１４８４および１４９１〜１４９４に対応する。
【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３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１３ｃ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【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３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３ａ】
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【図１３ｂ】
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【図１３ｃ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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