(57)【要約】      （修正有）【課題】一次振動モードおよび二次振動モードの運動エネルギーが所望の振動モードから漏れず、外部振動がこれらのモードに結合し難い多軸振動ＭＥＭＳジャイロスコープを提供する。【解決手段】第１の試験質量対を形成する第１の試験質量１１１および第２の試験質量１１２と、第２の試験質量対を形成する第３の試験質量１１３および第４の試験質量１１４とを備える微小電気機械ジャイロスコープにおいて第１の試験質量対および第２の試験質量対の振動は、リング状ボディ１２と、ｘ軸に沿ってリング状ボディから第１の試験質量１１１、第２の試験質量１１２、第３の試験質量１１３および第４の試験質量１１４へと延伸するトーションバー１３１、１３２、１３３、１３４とを備える同期要素によって同期される。【選択図】図１ａ
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【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のｘ軸上に位置整合される第１の試験質量対を形成する第１の試験質量および第２の試験質量と、静止位置において前記デバイス平面のｙ１軸上に位置整合される第２の試験質量対を形成する第３の試験質量および第４の試験質量とを備える微小電気機械ジャイロスコープであって、結果、静止位置にある前記第１の試験質量対および前記第２の試験質量対は、前記ｘ軸が前記ｙ１軸と直交し、垂直ｚ１軸が前記ｘ軸と前記ｙ１軸の両方と直交する第１の中心点に関して本質的に対称な質量分布を形成し、
前記ジャイロスコープは、１つまたは複数のアンカー点、１つまたは複数の駆動トランスデューサ、および１つまたは複数のセンストランスデューサを有する固定支持体と、前記１つまたは複数のアンカー点から前記第１の試験質量対および前記第２の試験質量対を懸架するサスペンダとを備え、結果、前記１つまたは複数の駆動トランスデューサによって開始および維持される一次振動モードならびにコリオリ効果によって生成される３つの二次振動モードのいずれかにおいて、前記第１の試験質量対および前記第２の試験質量対が振動することが可能になり、前記１つまたは複数のセンストランスデューサは、前記３つの二次振動モードの大きさを測定するように構成されており、
−前記第１の試験質量対および前記第２の試験質量対の前記一次振動モードは、第１のモードおよび第２のモードのうちの一方であり、
−前記第１のモードは、前記第１の試験質量対が前記ｚ１軸周りの第１の回転振動において前記デバイス平面内で動き、前記第２の試験質量対が同時に、前記ｚ１軸周りの第２の回転振動において前記デバイス平面内で動き、結果、前記第１の試験質量対および前記第２の試験質量対は、常に反対の回転方向において、逆位相で前記ｚ１軸周りに振動する振動を含み、
−前記第２のモードは、前記第１の試験質量対が前記ｘ軸に沿った第１の線形振動において前記デバイス平面内で動き、結果、前記第１の試験質量対内の両方の試験質量が、同時に前記第１の中心点に向かっておよび前記第１の中心点から外方に動き、前記第２の試験質量対が、前記ｙ１軸に沿った第２の線形振動において前記デバイス平面内で動き、結果、前記第２の試験質量対内の両方の試験質量が、同時に前記第１の中心点に向かっておよび前記第１の中心点から外方に動き、前記第１の試験質量対および前記第２の試験質量対が逆位相で振動し、結果、前記第２の試験質量対が前記第１の中心点から外方に動くとき、前記第１の試験質量対が前記第１の中心点に向かって動き、逆のときは逆になる、振動を含み、
−前記第１の試験質量対および前記第２の試験質量対の前記３つ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ｙ軸二次モードを含み、結果、
−前記ｚ軸周りの前記ジャイロスコープの回転に応答して、前記一次振動モードが前記第１のモードである場合、前記ｚ軸二次モードは前記第２のモードであり、前記一次振動モードが前記第２のモードである場合、前記ｚ軸二次モードは前記第１のモードであり、
−前記ｘ軸周りの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、前記一次振動が前記第１のモードである場合、前記第１の試験質量対が前記ｙ１軸を中心として前記デバイス平面外で回転する振動を含み、前記ｘ軸二次モードは、前記一次振動が前記第２のモードである場合、前記第２の試験質量対が前記ｘ軸を中心として前記デバイス平面外で回転する振動を含み、
−前記ｙ軸周りの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、前記一次振動が前記第１のモードである場合、前記第２の試験質量対が前記ｘ軸を中心として前記デバイス平面外で回転する振動を含み、前記ｙ軸二次モードは、前記一次振動が前記第２のモードである場合、前記第１の試験質量対が前記ｙ１軸を中心として前記デバイス平面外で回転する振動を含み、
前記第１の試験質量対および前記第２の試験質量対の振動が、前記デバイス平面の前記第１の中心点を中心とする第１のリング状ボディと、前記ｘ軸に沿って前記第１のリング状ボディから前記第１の試験質量対を形成する前記第１の試験質量および前記第２の試験質量へと延伸する第１のｘ軸トーションバーおよび第２のｘ軸トーションバーと、前記ｙ１軸に沿って前記第１のリング状ボディから前記第２の試験質量対を形成する前記第３の試験質量および前記第４の試験質量へと延伸する第１のｙ軸トーションバーおよび第２のｙ軸トーションバーとを備える第１の同期要素によって同期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】
前記ジャイロスコープは、静止位置において前記デバイス平面内で前記ｘ軸上に位置整合される第３の試験質量対を形成する第５の試験質量および第６の試験質量と、静止位置において前記デバイス平面内でｙ２軸上に位置整合される第４の試験質量対を形成する第７の試験質量と第８の試験質量とをさらに備え、結果、静止位置にある前記第３の試験質量対および前記第４の試験質量対は、前記ｘ軸が前記ｙ２軸と直交し、垂直ｚ２軸が前記ｘ軸と前記ｙ２軸の両方と直交する第２の中心点に関して本質的に対称な質量分布を形成し、
前記ジャイロスコープは、前記１つまたは複数のアンカー点から前記第３の試験質量対および前記第４の試験質量対を懸架するサスペンダを備え、結果、前記１つまたは複数の駆動トランスデューサによって開始および維持される一次振動モードならびにコリオリ効果によって生成される３つの二次振動モードのいずれかにおいて、前記第３の試験質量対および前記第４の試験質量対が振動することが可能になり、前記１つまたは複数のセンストランスデューサは、前記３つの二次振動モードの大きさを測定するように構成され、
−前記第３の試験質量対および前記第４の試験質量対の前記一次振動モードは、前記第１の試験質量対および前記第２の試験質量対の前記一次振動モードと同じであり、
−前記第３の試験質量対および前記第４の試験質量対の前記３つの二次振動モードは、それぞれ前記第１の試験質量対および前記第２の試験質量対の前記ｚ軸二次モード、前記ｘ軸二次モードおよび前記ｙ軸二次モードに対応する、ｚ軸二次モード、ｘ軸二次モード、およびｙ軸二次モードを含み、
前記第３の試験質量対および前記第４の試験質量対の前記振動は、前記デバイス平面の前記第２の中心点を中心とする第２のリング状ボディと、前記ｘ軸に沿って前記第２のリング状ボディから前記第３の試験質量対を形成する前記第５の試験質量および前記第６の試験質量へと延伸する第３のｘ軸トーションバーおよび第４のｘ軸トーションバーと、前記ｙ２軸に沿って前記第２のリング状ボディから前記第４の試験質量対を形成する前記第７の試験質量および前記第８の試験質量へと延伸する第３のｙ軸トーションバーおよび第４のｙ軸トーションバーとを備える第２の同期要素によって同期され、
中央同期ばねが、前記中央同期ばねの中心が、ｙ３軸が前記ｘ軸に直交する第３の中心点にあるように、前記ｘ軸に沿って、前記第１の試験質量対の前記第２の試験質量から前記第３の試験質量対の前記第５の試験質量まで延伸し、前記中央同期ばねは、前記第１の試験質量対および前記第２の試験質量対の前記一次振動モードを、前記第３の試験質量対および前記第４の試験質量対の前記一次振動モードに関連する逆位相振動に同期し、
結果、前記第１の試験質量対、前記第２の試験質量対、前記第３の試験質量対および前記第４の試験質量対の前記一次振動モードが前記第１のモードである場合、前記第２の試験質量対および前記第３の試験質量対は常にそれぞれ前記ｚ１軸およびｚ２軸を中心として対向する回転方向に回転し、および結果、前記第１の試験質量対、前記第２の試験質量対、前記第３の試験質量対および前記第４の試験質量対の前記一次振動モードが前記第２のモードである場合、前記第２の試験質量対および前記第３の試験質量対は常に前記ｘ軸に沿って同じ方向に振動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１つまたは複数のアンカー点は、前記ｙ３軸上に位置整合した上側アンカー点と、前記ｙ３軸上に位置整合した下側アンカー点とを含み、結果、前記上側アンカー点および前記下側アンカー点は、前記第３の中心点の対向する側にあり、前記ジャイロスコープは、トーション／屈曲バーによって前記上側アンカー点、前記第３の試験質量および前記第７の試験質量に接続される上側同期要素をさらに備え、前記ジャイロスコープは、トーションバーによって前記下側アンカー点、前記第４の試験質量および前記第８の試験質量に接続される下側同期要素をさらに備え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１つまたは複数のアンカー点が、前記第１の中心点および前記第２の中心点に位置する中央アンカー点を含むことを特徴とする、請求項２から３のいずれか１項に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項５】
各同期要素がまた、前記デバイス面内に３つ以上の湾曲サスペンダをも備え、前記サスペンダが、対応する前記中央アンカー点から対応する前記リング状ボディまで延伸す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】
各同期要素が、前記デバイス平面内で対応する前記リング状ボディの内側にジンバル構造をも含み、前記ジンバル構造は、対応する前記リング状ボディと同心のジンバルフレームと、前記中央アンカー点から前記ジンバルフレームへと延伸する２つの固定トーションバーとを備え、前記２つの固定トーションバーは、前記ｘ軸と前記ｙ軸の両方に対して４５°の角度に向けられており、前記ジンバル構造はまた、前記ジンバルフレームから対応する前記リング状ボディまで延伸する２つの可動トーションバーも備え、前記２つの可動トーションバーは、前記固定トーションバーに直交す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７】
前記ジンバルフレームがリングの形状を有することを特徴とする、請求項６に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項８】
前記ジンバルフレームが菱形形状を有することを特徴とする、請求項６に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項９】
前記同期要素の各々が、前記デバイス平面内で対応する前記リング状ボディの内側にジンバル構造をも含み、前記ジンバル構造は、両方とも対応する前記リング状ボディと同心の内側ジンバルフレームおよび外側ジンバルフレームと、両方とも前記ｘ軸または対応する前記ｙ軸に沿って前記中央アンカー点から前記内側ジンバルフレームへと延伸する２つの固定トーションバーとを備え、前記ジンバル構造はまた、前記内側ジンバルフレームから前記外側ジンバルフレームへと延伸する２つの内側可動トーションバーをも備え、前記２つの内側可動トーションバーは、前記固定トーションバーに直交し、前記ジンバル構造は、前記外側ジンバルフレームから対応する前記リング状ボディまで延伸する４つの可動トーションバーをさらに備え、前記４つの外側可動トーションバーは、前記ｘ軸と前記ｙ軸の両方に対して４５°の角度に向けられてい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１０】
前記第１の同期要素および前記第２の同期要素の各々が４つの対角アンカー点から懸架され、前記対角アンカー点の各々は異なる試験質量対からの試験質量の間に配置され、結果、すべての隣接する試験質量の間に１つの対角アンカー点があり、各同期要素は、前記デバイス平面内の４つの対角サスペンダを含み、各対角サスペンダは、対角アンカー点から対応する前記リング状ボディまで延伸し、各対角サスペンダは、前記ｘ軸と前記ｙ軸の両方に対して４５°の角度に向けられていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項１１】
前記１つまたは複数の駆動トランスデューサおよび前記１つまたは複数のセンストランスデューサが、ピエゾ力変換器であることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項１２】
前記１つまたは複数の駆動トランスデューサおよび前記１つまたは複数のセンストランスデューサが、容量性力変換器であることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項１３】
前記１つまたは複数の周辺アンカー点が、各試験質量の中央コーナの対向する両辺にある２つのアンカー点を含み、各試験質量が、前記試験質量を部分的に囲む切頭二等辺三角形の形状を有する周辺サスペンダによって前記周辺アンカー点から懸架され、結果、前記周辺サスペンダの第１の脚部が、一方の周辺アンカー点から前記試験質量の第１の辺を通って追加の前記周辺サスペンダの第１のコーナ点まで延伸し、前記周辺サスペンダの第２の脚部が、他方の周辺アンカー点から対応する前記試験質量の第２の辺を通って、前記周辺サスペンダ上の第２のコーナ点まで延伸し、前記第１の脚部と前記第２の脚部とをともに接合する前記周辺サスペンダの基部が、前記第１のコーナ点から対応する前記試験質量の第３の辺を通って前記第２のコーナ点まで延伸し、前記周辺サスペンダの前記基部が、前記試験質量と同じ軸上に位置整合されたコネクタによって、対応する前記試験質量の前記第３の辺に取り付けられることを特徴とする、請求項１から１２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（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープに関し、より詳細には、試験質量が一次モードおよび／または二次モードにおいてデバイス平面内またはデバイス平面外で動くことができる多軸ジャイロスコープに関する。本開示はさらに、当該ジャイロスコープ内の同期構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小電気機械ジャイロスコープは、コリオリ効果を使用して角速度を測定する。振動ＭＥＭＳジャイロスコープでは、物体が、作動駆動力によって振動運動するように駆動される。本開示では、この振動を「一次振動」または「駆動振動」と呼び、この振動モードは「一次振動モード」と呼ばれる。一次振動の振幅を増加させるために質量サスペンションシステムの機械的共振がしばしば使用されるため、この振動は一次共振モードと呼ばれることもある。ＭＥＭＳジャイロスコープでは、駆動振動は固体試験質量の線形振動または回転振動を伴う場合がある。
【０００３】
ＭＥＭＳジャイロスコープは、通常、線形振動運動と回転振動運動とのうちのいずれか、またはこれら２つの運動の組み合わせに駆動される部分的に可動な試験質量を備える。多軸ＭＥＭＳジャイロスコープでは、駆動トランスデューサによって誘導される一次振動を、デバイス平面内またはデバイス平面外で発生するように構成することができる。
【０００４】
ジャイロスコープが角回転を受ける場合、コリオリの力が振動物体内に二次振動モードを生成する。この振動は、本開示では「二次振動」または「センス振動」と呼ばれる。二次振動の振幅を増加させるために質量サスペンションシステムの機械的共振がしばしば使用されるため、この振動は「二次共振モード」と呼ばれることもある。コリオリの力によって誘導される二次振動の方向は、一次振動の方向と回転軸の方向の両方に垂直である。二次振動の振幅は、一次振動の振幅および角回転速度に比例する。センサ、またはセンストランスデューサを使用してこの振幅を測定することができ、結果として生じるセンス信号から、角回転速度の大きさを決定することができる。
【０００５】
ジャイロスコープの回転検知要素を構成する部分可動試験質量は、所望の共振周波数で振動一次運動および二次運動を柔軟に許容するように構成されたサスペンダによって固定構造から懸架され得る。一次振動モードおよび二次振動モードの正味の反力およびトルクは、運動エネルギーがこれらの所望の振動モードから漏れず、外部振動がこれらのモードに結合しないように、好ましくはゼロであるべきである。
【０００６】
試験質量は、外部振動または衝撃がジャイロスコープに作用すると、望ましくない振動運動を起こしやすくなり得る。当該外部振動は、電気信号を取得するために使用されるトランスデューサおよび／または増幅器に過負荷をかけることによって角速度測定に擾乱を引き起こす可能性がある。外部振動は、機械的構造、および／または電気的トランスデューサ、および／または信号増幅に使用される差動増幅器の製造公差によって課される制限に起因して、わずかな非対称性を介して所望の振動モードに結合し得る。
【０００７】
相互接続された一対の試験質量が対向する方向に連続的に振動するように同期されているジャイロスコープは、振動試験質量が１つだけのジャイロスコープと比較して、外部振動によって引き起こされる擾乱に対する脆弱性が低いことが知られている。適切な測定構成を使用すれば、試験質量対から差動的に測定信号を読み取ることによって、線形振動によって引き起こされる擾乱の影響を自動的に相殺することができる。また、角振動によって引き起こされる擾乱も相殺されるため、第１の対と逆位相で振動する第２の試験質量対を用いてさらなるロバスト性を実現することができることも知られている。
【０００８】
反対の（線形または回転）方向の同時振動は、逆位相振動と呼ばれる場合がある。同じ方向の同時振動は、同位相振動と呼ばれる場合がある。
【０００９】
試験質量は好ましくは、所望の共振周波数が所望のモードに対して達成されるように、所望の一次および二次振動モードに対して適切に柔軟であるサスペンション構成を有する固定構造から懸架されるべきである。サスペンション構成はまた、所望の振動モードに対してよりも、望ましくない振動モードに対して相当に剛性であることによって、したがって、望ましくない共振周波数を、例えば自動車用途においては５０ｋＨｚ超など、外乱振動の周波数範囲を上回るようにすることによって、望ましくない振動モードに抵抗する必要もある。さらに、複数の差動測定される試験質量の振動は好ましくは、逆位相振動の促進および同位相振動への抵抗に特化したサスペンション構造の一部であり得る同期構造によって、同期されることが好ましい。
【００１０】
多軸ジャイロスコープは、１つのデバイス内に、各々が異なる振動周波数を有する、複数の異なる軸に対する２つ以上の単軸ジャイロスコープを含めることによって作成することができる。これは電子機器にとって困難をもたらす。一次振動には複数の維持および安定化回路が必要であり、起こり得る振動周波数の干渉が望ましくない影響を引き起こし、ロバストな３軸動作には最大１２個の試験質量が必要なため、ジャイロスコープの面積は比較的大きくなる。したがって、試験質量のセット全体に対して１つの振動周波数のみを用いて多軸ジャイロスコープを設計することが望ましい。
【００１１】
１つの振動周波数を有する多軸ジャイロスコープの一般的な問題は、各試験質量の望ましい一次および二次振動モードが複数の異なる振動を含み、その振動の一部はデバイス平面内で発生し、一部はデバイス平面外で発生することである。対応して、任意の方向の外部振動が、望ましくない同位相振動を引き起こす可能性がある。所望の振動方向および位相に対して十分な可動性を備え、望ましくない振動方向および位相に対して十分な剛性を備えた試験質量構成およびサスペンション構成は、複雑になる可能性がある。
【００１２】
特許文献１は、別個のＸ−Ｙ試験質量Ｚ試験質量、および試験質量を相互接続するサスペンダのネットワークを含む、８つの試験質量の複雑な試験質量構成を備えた多軸ジャイロスコープを開示している。しかしなお、当該多軸ジャイロスコープは、いずれの軸を中心とする外部角振動に対してもロバスト性を達成しない。よりロバストで、より単純なデバイスが望ましい。
【００１３】
特許文献２は、リング形状の中央サスペンダを備えた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は、デバイス基板に垂直なｚ軸を中心とした角回転の測定にのみ適用可能である。当該ジャイロスコープは多軸ジャイロスコープではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１３／１６７６３６号明細書
【特許文献２】国際公開第２０１７／１３０３１２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本開示の目的は、信頼性の高い動作および高い正確度を促進する単純だがロバストな構造を備えた多軸ジャイロスコープを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
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。
【００１７】
本開示は、２つの試験質量対の振動を、対を中心対称点において相互接続するリング状ボディによって同期させるという着想に基づいている。本開示で説明する構成の利点は、同期要素と周囲の試験質量との間の適切なサスペンションおよび接続により、要素が所望の逆位相振動モードを柔軟に可能にし、望ましくない同位相振動モードに抵抗することができることである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
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１ａ】４つの試験質量および１つの同期要素を備えたジャイロスコープを示す図である。
【図１ｂ】４つの試験質量および１つの同期要素を備えたジャイロスコープを示す図である。
【図１ｃ】４つの試験質量および１つの同期要素を備えたジャイロスコープを示す図である。
【図１ｄ】４つの試験質量および１つの同期要素を備えたジャイロスコープを示す図である。
【図１ｅ】４つの試験質量および１つの同期要素を備えたジャイロスコープを示す図である。
【図１ｆ】４つの試験質量および１つの同期要素を備えたジャイロスコープを示す図である。
【図２ａ】同期要素の固定を示す図である。
【図２ｂ】同期要素の固定を示す図である。
【図３ａ】ジンバル構造に基づく中央サスペンション構成を示す図である。
【図３ｂ】ジンバル構造に基づく中央サスペンション構成を示す図である。
【図３ｃ】ジンバル構造に基づく中央サスペンション構成を示す図である。
【図３ｄ】ジンバル構造に基づく中央サスペンション構成を示す図である。
【図４】周辺サスペンション構成を示す図である。
【図５】周辺サスペンション構成を示す図である。
【図６ａ】８つの試験質量を備えたジャイロスコープを示す図である。
【図６ｂ】８つの試験質量を備えたジャイロスコープを示す図である。
【図６ｃ】８つの試験質量を備えたジャイロスコープを示す図である。
【図６ｄ】８つの試験質量を備えたジャイロスコープを示す図である。
【図６ｅ】８つの試験質量を備えたジャイロスコープを示す図である。
【図６ｆ】８つの試験質量を備えたジャイロスコープを示す図である。
【図７ａ】容量性一次および二次力変換器を示す図である。
【図７ｂ】容量性一次および二次力変換器を示す図である。
【図７ｃ】容量性一次および二次力変換器を示す図である。
【図７ｄ】容量性一次および二次力変換器を示す図である。
【図７ｅ】容量性一次および二次力変換器を示す図である。
【図７ｆ】容量性一次および二次力変換器を示す図である。
【図８】ピエゾ面外力変換器を示す図である。
【図９】ピエゾ面内力変換器を示す図である。
【図１０ａ】ピエゾ一次および二次力変換器を示す図である。
【図１０ｂ】ピエゾ一次および二次力変換器を示す図である。
【図１０ｃ】ピエゾ一次および二次力変換器を示す図である。
【図１０ｄ】ピエゾ一次および二次力変換器を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本開示では、「直交」、「平行」および「対称」などの表現は、理想的には完全に直交／平行／対称であるべき向きおよび分布を参照するために使用される。それにもかかわらず、完全な直交性、平行性および対称性からのわずかな逸脱は可能であり、製造精度の制限のために、ある程度は避けられない。当業者は、向きまたは分布が直交性／平行性／対称性からある程度逸脱していても、通常、同じ技術的効果を得ることができることを理解するであろう。
【００２０】
本開示では、「水平」という用語は、図に示されているｘｙ平面内にある向きを指す。水平ｘｙ平面は、ジャイロスコープの部分的に可動な要素が形成される基板の表面によって規定される「デバイス平面」に対応する。ジャイロスコープの部分的に可動な要素は、通常、駆動力またはコリオリの力によって動かされる前に、静止位置においてデバイス平面内にある。デバイス平面は、基板平面と呼ばれる場合もある。
【００２１】
「垂直」という用語は、水平面に垂直なｚ方向を指す。「垂直」および「水平」などの用語は、デバイスが製造されるとき、またはデバイスが使用されているときの基板の向きについて一切暗示しない。装置および基板は、使用および製造中に任意の適切な方向、例えば、本開示で「水平」と称される面が垂直面になるように横向きにすることができる。言い換えれば、「水平」および「垂直」という用語は、２つの直交する方向を定義するに過ぎず、当該方向の一方は基板表面に平行であり、他方は当該表面に垂直である。
【００２２】
「上側」や「下側」などの用語は、図面内の要素の相対的な配置を指す。したがって、図の上側部分の近くに配置される要素は上側要素と呼ばれる場合があり、図の下側部分に近い対応する要素は下側要素と呼ばれる場合がある。
【００２３】
さらに、試験質量が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、試験質量（または試験質量の重心）が垂直方向に動く線形および／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。
【００２４】
サスペンダまたはサスペンダのセットが動きまたは振動モードを防止または抵抗するということは、このモードについてサスペンダによって生成されるばね定数が、所望の動きまたは振動のばね定数よりもはるかに大きいことを意味し、したがって、「防止」または「抵抗」されるモードの対応する共振周波数は、所望のモードの共振周波数よりもはるかに高い。
【００２５】
本開示は、静止位置においてデバイス平面のｘ軸上に位置整合される第１の試験質量対を形成する第１の試験質量および第２の試験質量と、静止位置においてデバイス平面のｙ１軸上に位置整合される第２の試験質量対を形成する第３の試験質量および第４の試験質量と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。静止位置にある第１の試験質量対および第２の試験質量対は、ｘ軸がｙ１軸と直交し、垂直ｚ１軸がｘ軸とｙ１軸の両方と直交する第１の中心点に関して対称な質量分布を形成する。
【００２６】
ジャイロスコープは、１つまたは複数のアンカー点、１つまたは複数の駆動トランスデューサ、および１つまたは複数のセンストランスデューサを備えた固定支持体を備える。ジャイロスコープは、１つまたは複数のアンカー点から第１の試験質量対および第２の試験質量対を懸架するサスペンダを備え、結果、１つまたは複数の駆動トランスデューサによって開始および維持される一次振動モードならびにコリオリ効果によって生成される３つの二次振動モードのいずれかにおいて、第１の試験質量対および第２の試験質量対が振動することが可能になる。１つまたは複数のセンストランスデューサは、３つの二次振動モードの大きさを測定するように構成されている。
【００２７】
第１の試験質量対および第２の試験質量対の一次振動モードは、第１のモードおよび第２のモードのうちの一方であり得る。
【００２８】
第１のモードは、第１の試験質量対がｚ１軸周りの第１の回転振動においてデバイス平面内で動き、第２の試験質量対が同時に、ｚ１軸周りの第２の回転振動においてデバイス平面内で動き、結果、第１の試験質量対および第２の試験質量対は、常に反対の回転方向において、逆位相でｚ１軸周りに振動する振動を含む。
【００２９】
第２のモードは、第１の試験質量対がｘ軸に沿った第１の線形振動においてデバイス平面内で動き、結果、第１の試験質量対内の両方の試験質量が、同時に第１の中心点に向かっておよび第１の中心点から外方に動き、第２の試験質量対が、ｙ１軸に沿った第２の線形振動においてデバイス平面内で動き、結果、第２の試験質量対内の両方の試験質量が、同時に第１の中心点に向かっておよび第１の中心点から外方に動き、第１の試験質量対および第２の試験質量対が逆位相で振動し、結果、第２の試験質量対が第１の中心点から外方に動くとき、第１の試験質量対が第１の中心点に向かって動き、逆のときは逆になる、振動を含む。
【００３０】
第１の試験質量対および第２の試験質量対の３つの二次振動モードは、ｚ１軸二次モード、ｘ軸二次モード、およびｙ軸二次モードを含む。
【００３１】
ｚ軸周りのジャイロスコープの回転に応答して、一次振動モードが第１のモードである場合、ｚ１軸二次モードは第２のモードであり、一次振動モードが第２のモードである場合、ｚ１軸二次モードは第１のモードである。
【００３２】
ｘ軸周りのジャイロスコープの回転に応答して、ｘ軸二次モードは、一次振動が第１のモードである場合、第１の試験質量対がｙ１軸を中心としてデバイス平面外で回転する振動を含み、ｘ軸二次モードは、一次振動が第２のモードである場合、第２の試験質量対がｘ軸を中心としてデバイス平面外で回転する振動を含む。
【００３３】
ｙ軸周りのジャイロスコープの回転に応答して、ｙ軸二次モードは、一次振動が第１のモードである場合、第２の試験質量対がｘ軸を中心としてデバイス平面外で回転する振動を含み、ｙ軸二次モードは、一次振動が第２のモードである場合、第１の試験質量対がｙ１軸を中心としてデバイス平面外で回転する振動を含む。
【００３４】
第１の試験質量対および第２の試験質量対の振動は、デバイス平面の第１の中心点を中心とする第１のリング状ボディと、ｘ軸に沿って第１のリング状ボディから第１の試験質量対を形成する第１の試験質量および第２の試験質量へと延伸する第１のｘ軸トーションバーおよび第２のｘ軸トーションバーと、ｙ１軸に沿って第１のリング状ボディから第２の試験質量対を形成する第３の試験質量および第４の試験質量へと延伸する第１のｙ軸トーションバーおよび第２のｙ軸トーションバーとを備える第１の同期要素によって同期される。
【００３５】
図１ａは、第１の試験質量対を形成する第１の試験質量１１１および第２の試験質量１１２と、第２の試験質量対を形成する第３の試験質量１１３および第４の試験質量１１４とを備えたジャイロスコープを示す。第１の試験質量対は、ｘ軸上に位置整合される。本開示では、デバイス平面内の重心がある軸上にある場合、ボディは当該軸上に位置整合される。第２の試験質量対は、ｙ１軸上に位置整合される。
【００３６】
以下に提示される実施形態では、本開示は、他の２つのｙ軸、すなわちｙ２軸およびｙ３軸にも言及する。ジャイロスコープの対称性および動きは、これらの平行軸を基準にして規定される。ｙ１軸、ｙ２軸、およびｙ３軸に平行な任意の軸を中心としたジャイロスコープの回転は、「ｙ軸を中心とした回転」と称される。
【００３７】
ジャイロスコープの第１の中心点は、ｙ１軸がｘ軸と交差する点にある。図１ａに見られるように、第１の中心点の周りの質量分布は対称である。
【００３８】
試験質量１１１〜１１４は、図１ａに三角形の試験質量として示されており、ジャイロスコープの場合、第１の中心点に最も近いコーナに直角がある。しかしながら、試験質量はまた、任意の他の適切な形状を有してもよい。ジャイロスコープの固定支持体は、図１ａには示されていない。
【００３９】
試験質量の重量を支持するサスペンダは、中心点の周りで同期要素によって形成される中央サスペンション構成、および、ジャイロスコープの周辺により近い試験質量の重量を支持する周辺サスペンション構成を含む。周辺サスペンダは、図１ａには示されていない。所望の振動モードを柔軟に可能にする任意の周辺サスペンダを使用することができ、サスペンダの形状は試験質量の形状に依存し得る。
【００４０】
周辺サスペンダは、望ましくない振動モードに必ずしも厳密に抵抗しない場合があり、これは、この機能が第１の同期要素によって実行されるためである。代わりに、駆動トランスデューサおよびセンストランスデューサとの統合など、他の制約を満たすように、周辺サスペンダの設計を最適化することができる。駆動トランスデューサおよびセンストランスデューサは図１ａには示されていない。所望の振動モードを得るのに適した周辺サスペンダおよびトランスデューサを編成するための典型的な構成は、以下に提示される実施形態において説明される。
【００４１】
第１の同期要素は、リング状ボディ１２、第１のｘ軸トーションバー１３２および第２のｘ軸トーションバー１３２、ならびに第１のｙ軸トーションバー１３３および第２のｙ軸トーションバー１３４を備える。本開示では、「リング状」という用語は、図１ａに示されているような円形リングを指し得る。以下で詳しく説明するように、周囲の試験質量対が逆位相で第１の中心点に向かって、および第１の中心点から外方に振動すると、リングは楕円変形を受け得る。「リング状」という用語は、ほぼ円形の要素、例えば、八角形または十六角形などの正多角形を指す場合もあり、多角形の１つの角は、１つのトーションバーがリング状ボディに取り付けられる点に配置される。正多角形のような形状に成形されたリング状ボディは、上記の所望の振動モードの下で準楕円形の変形を受ける場合がある。
【００４２】
「リング状」という用語は、トーションバーが菱形の角に取り付けられる菱形形状、またはトーションバーが星の点に取り付けられる四芒星形状を指すこともある。「リング状」という用語はまた、少なくともいくつかの角が丸くなっている多角形、菱形、または星形を指す場合もある。一般に、「リング状」という用語は、面内力を受けて、直交するｙ１軸またはｘ軸に一致する強制膨張を伴ってｘ軸およびｙ１軸上で容易に収縮し、結果、パターンの正味面積変化が本質的にゼロになり、ｘ軸およびｙ１軸から４５度回転して中心点を通る軸に沿った対応する強制線形変形が無視できるものとなる、任意の閉じた形状を指し得る。さらに、下記により詳細に説明するように、面外振動を同期させるために、閉じた形状は垂直方向に十分に厚く、取り付けられた試験質量が面外の動きを受けて、リング状ボディに対して、主に傾ける必要があるが、曲げるべきではない曲げモーメントを作成するときに、少なくともほぼ平面を維持するのに適した形状を有する必要がある。
【００４３】
楕円形または準楕円形の変形を容易にするために、リング状ボディは好ましくは、静止位置において、ジャイロスコープの第１の中心点に対して対称である必要がある。また、リング状ボディは、楕円変形において適切な大きさのばね定数を呈するために十分に狭くする必要がある。この大きさは、試験質量１１１〜１１４のサイズ、および、一次振動を発生させる駆動力の大きさに依存する。
【００４４】
同様に、トーションバー１３１〜１３４は、１つの試験質量対がデバイス平面外に傾いたときに、長手方向軸周りでねじれるように十分に狭くする必要がある。トーションバーの最適な長さおよび幅もまた、試験質量のサイズ、および、質量が一次振動モードにおいて駆動される力の大きさに依存する。以下でより詳細に説明するように、一次振動モードでは、トーションバー１３１〜１３４の面内曲げが必要になる場合があり、面内曲げもまた、トーションバーの寸法決定において考慮する必要がある。
【００４５】
以下に詳細に示すように、トーションバーは、面外の動きのために、トーションバーおよびリング状ボディが質量対を堅固に接続するように、曲げについて十分高い面外剛性を有する必要がある。トーションバー１３１〜１３４の適切な形状は、高さ対幅の比が大きく、長さ対幅の比が高く、長さ対深さの比が１よりも大きい長方形断面を有するバーであってもよい。製造技術に応じて、高さ対幅の比は１０程度またはさらにそれよりも大きくなる場合がある。
【００４６】
次に、ジャイロスコープの第１の所望の振動モードおよび第２の所望の振動モード、ならびにこれらの振動モードにおけるリング状ボディおよびトーションバーの同期機能について説明する。図１ｂは、上記で第２のモードと分類された振動モードを示している。第２のモードは、駆動振動モードまたはセンス振動モードのいずれかであり得る。第２のモードでは、第２の試験質量対が第１の中心点から外方に線形並進において動くと同時に、第１の試験質量対が第１の中心点に向かって線形並進において動き、および、逆のときは逆になる。
【００４７】
図１ｂに示す振動位相においては、第１の試験質量対１１１−１１２が中心点から外方に動きており、第２の試験質量対１１３−１１４が中心点に向かって動いている。リング状ボディは、ｙ１軸の方向よりもｘ軸の方向の半径が大きい楕円の形状を柔軟にとる。振動周期の反対位相において、リング状ボディは、ｘ軸の方向よりもｙ１軸の方向の半径が大きい楕円の形状をとる。
【００４８】
結果、リング状ボディは第２のモードに柔軟に対応し、リング状ボディによって２つの試験質量対から吸収される／２つの試験質量対に付与される弾性エネルギーは、この第２のモードにおいて同期された逆位相の振動を維持する役割を果たす。リング状ボディは、リング全体の収縮および拡張を必要とするため、試験質量対の同位相面内運動を防止する。リングは、ｘ軸およびｙ１軸から４５度回転した方向における対応する拡張および伸縮が存在する形状へのリング状ボディのより高次の変形を必要とするため、リングには柔軟性がない。支持されていないリング状ボディは、各対の２つの質量の同位相運動を防止せず、この運動は、以下に示す他の手段によって防止する必要がある。
【００４９】
図１ｃは、上記で第１のモードと分類された振動モードを示している。第１のモードでは、各試験質量１１１〜１１４は、対応するトーションバー１３１〜１３４の中点付近のいずこかに位置する軸を中心とした回転を受ける。一次振動を駆動するために使用されるサスペンションと作動ジオメトリに応じて、試験質量の動きは、線形並進と回転との組み合わせであり得る。各トーションバーはデバイス平面内でわずかに曲がって、試験質量の回転運動に対応する。この曲げは図示されていない。試験質量は、第１のジャイロスコープの中心点と交差するｚ１軸を中心として回転せず、代わりにｚ１軸に平行な隣接する軸を中心として回転するが、それにもかかわらず、回転方向はｚ軸に関して説明することができる。例えば、図１ｃでは、第１の試験質量対１１１−１１２はｚ１軸周りで時計回り方向に回転し、第２の試験質量対１１３−１１４はｚ１軸周りで反時計回り方向に回転する。
【００５０】
リング状ボディの変形は、第１の振動モードにおいて、以下に説明するように、対角サスペンダまたは固定トーションバーと可動トーションバーとの組み合わせによって防止される。この制限により、第１の振動モードはリング状ボディによって同期されず、以下に示す追加の同期要素によって同期を達成する必要がある。
【００５１】
好ましくは同期要素が抵抗する必要がある望ましくない同位相振動モードは、１つの試験質量対の両方の質量が同時に同じ方向に動く（例えば、図１ｂにおける同時に左に動く質量１１１および１１２）か、または、両方の試験質量対が同位相で動くモードを含む。このような振動は、ジャイロスコープがｘ軸もしくはｙ軸の方向における突然の加速もしくは振動、または、ｚ軸を中心とした突然の回転もしくは角振動を受ける場合、試験質量システム内に誘導される。リング状ボディはこれらのモードを防止せず、これらのモードは、以下に示す他の手段によって防止する必要がある。
【００５２】
適切な方法で固定されると、リング状ボディ１２は、上述の望ましくない面内振動モードに効果的に抵抗する。固定は、リングが柔軟に、ジャイロスコープの第１の中心点の周りで楕円形をとることができるが、線形並進および非楕円変形は防止されるように構築する必要がある。これらの目標を達成するための、ならびに、望ましくない面内および面外振動モードを防止するための典型的な固定構成を以下に提示する。
【００５３】
図１ｄは、上記のｘ軸二次モードおよびｙ軸二次モードと分類された２つの面外二次振動モードを示している。図１ｄは、白色矢印で示されているように、一次振動モードが第１のモードである状況を示している。ジャイロスコープがｘ軸を中心とした角回転Ωｘを受ける場合、対応するコリオリの力Ｃｘが、第１の試験質量対の試験質量１１１および１１２をデバイス平面外に動かす。一次振動の図示されている位相では、コリオリの力は試験質量１１１に上向きに作用し（＋Ｃｘおよび丸付きの点によって示す）、試験質量１１２に下向きに作用する（−Ｃｘおよび丸付きの×印によって示す）。第３の試験質量１１３および第４の試験質量１１４は、振動運動がｘ軸にほぼ平行であるため、Ｃｘによってほとんど影響を受けない。ただし、試験質量１１３および１１４は、ｙ１軸を中心としてΩｘによって誘発されるトルクを受け、当該トルクの影響は、以下に示す他の手段によって防止される。
【００５４】
ジャイロスコープがｙ軸を中心とした角回転Ωｙを受ける場合、対応する状況が得られる。コリオリの力Ｃｙは、第２の試験質量対の試験質量１１３および１１４をデバイス平面外に動かし、一方、第１の試験質量対はＣｙの影響を受けない。ここでも、試験質量１１１および１１２は、ｘ軸を中心としたトルクを受け、当該トルクの影響は、以下に示す他の手段によって防止される。図１ｄに示されている角回転ΩｘおよびΩｙ（ならびに結果としての試験質量の振動）は、同時に発生し、同時に測定することができるが、当然ながら、それらの角回転は、一方が存在し他方が存在しないように、単独で発生および測定することもできる。
【００５５】
図１ｅは、白色矢印によって示されているように、一次振動モードが第２のモードである場合に発生する代替的なｘ軸二次モードおよびｙ軸二次モードを示している。この事例において、ジャイロスコープがｘ軸を中心とした角回転Ωｘを受ける場合、対応するコリオリの力Ｃｘが、第２の試験質量対の試験質量１１３および１１４をデバイス平面外に動かし、一方、第１の試験質量１１１および第２の試験質量１１２は、振動運動がｘ軸に平行であるため、Ｃｘの影響を受けない。ただし、試験質量１１１および１１２は、ｘ軸を中心としてΩｘによって誘発されるトルクを受け、当該トルクの影響は、以下に示す他の手段によって防止される。対応して、ジャイロスコープがｙ軸を中心として角回転Ωｙを受ける場合、コリオリの力Ｃｙは、この時点で、第１の試験質量対の試験質量１１１および１１２をデバイス平面外に動かし、一方、第２の試験質量対はＣｙの影響を受けない。ここでも、試験質量１１３および１１４は、ｙ１軸を中心としたトルクを受け、当該トルクの影響は、以下に示す他の手段によって防止される。
【００５６】
図１ｆは、第１の試験質量対１１１〜１１２の面外振動を示している。試験質量対は、ｘｙ平面内の静止位置、およびｘｙ平面外に動いた位置に示されている。試験質量対がデバイス平面外に動くと、リング状ボディおよびトーションバーもデバイス平面外に回転する。図示された面外振動は、ｙ軸トーションバー１３３および１３４によって受け入れられ、一方、ｘ軸トーションバーは、試験質量１１１および１１２からリング状ボディ１２に面外力を伝達する。
【００５７】
同様に、第２の試験質量対の面外振動は、ｘ軸トーションバー１３１および１３２によって受け入れられ、一方、この場合のｙ軸トーションバーは、面外力をリング状ボディに伝達する。ジャイロスコープが同時にｘ軸とｙ１軸の両方を中心として回転し、結果、第１の試験質量と第２の試験質量対の両方がデバイス平面外に動く場合、リング状ボディはｘ軸の傾きとｙ１軸の傾きとの組み合わせである傾斜運動を受けることができる。
【００５８】
トーションバーは好ましくは、取り付けられていない質量対の面外運動によって付与されるねじり力を柔軟に吸収することができる（例えば、トーションバー１３３および１３４は、第１の試験質量対１１１−１１２の面外運動によって付与される力を柔軟に吸収すべきである）が、取り付けられている試験質量対の面外運動によって付与される傾斜力をリング状ボディに堅固に伝達することができるように、寸法決めされるべきである。その設計目標を達成することができる場合、リング状ボディおよびトーションバーは、同時にｘ軸とｙ１軸の両方を中心として傾けられた場合でも、平面性をほぼ維持する。ただし、トーションバーおよびリング状ボディは無限に剛性にはなり得ない。試験質量対がｘ軸またはｙ１軸を中心とした面外回転を効果的に受けるとき、いくらかの曲げが発生する場合がある。
【００５９】
［中央サスペンション構成］
ジャイロスコープの１つまたは複数のアンカー点は、中心点に位置する中央アンカー点を備えてもよい。同期要素はまた、デバイス面内に３つ以上の湾曲サスペンダを備えてもよく、サスペンダは、中央アンカー点からリング状ボディまで延伸する。図２ａは、上記の試験質量対および同期要素２２を備えたジャイロスコープを示している。ジャイロスコープは、ジャイロスコープの第１の中心点に位置する中央アンカー点２５１を備える。ジャイロスコープはまた、４つの湾曲サスペンダ２６１をも備える。湾曲サスペンダ２６１は、半円形であってもよく、楕円弧の形態を有してもよく、または、２つの直交する直線バーのような直線区画からなってもよい。同期要素２２および中央アンカー２５１に接続された湾曲サスペンダ２６１は、ｘ軸およびｙ１軸を中心とした同期要素の傾斜を可能にするが、同期要素２２の線形面外運動を防止する。したがって、両方の試験質量対の同位相面外運動を防止する。
【００６０】
結果、このジャイロスコープの中央サスペンション構成は、中央アンカー点２５１からリング状ボディ２２まで延伸するサスペンダ２６１と、リング状ボディ２２から試験質量まで延伸するトーションバーとを備える。図２ｂは、１つまたは複数のアンカー点が、第１の試験質量対の１つの試験質量と第２の試験質量対の１つの試験質量との間に位置する４つの対角アンカー点２５２〜２５５を含み、結果、第１の試験質量対の各試験質量と第２の試験質量対の各試験質量との間に１つの対角アンカー点がある、追加の中央サスペンション構成を示す。この場合、中央サスペンション構成はまた、デバイス平面内に４つの対角サスペンダ２６２〜２６５も備えている。各対角サスペンダ２６２〜２６５は、対角アンカー点２５２〜２５５からリング状ボディまで延伸し、各対角サスペンダは、ｘ軸とｙ軸の両方に対して４５°の角度に向けられている。
【００６１】
対角サスペンダ２６２〜２６５は、１つの試験質量対が面外振動を受け、リング状ボディがデバイス面外に傾いて動くときに、面外方向にＳ字形状に曲がり、同時にねじれることができる。対角サスペンダは、リング状ボディの面内線形運動を防止し、したがって、ｘ方向とｙ方向の両方における試験質量のすべての同位相面内運動を防ぐ。
【００６２】
図３ａは、リング状ボディ３２内のジンバル構造に基づく代替的な中央サスペンション構成を示している。当該中央サスペンション構成は、湾曲サスペンダと対角サスペンダの両方を置き換え、それらのサスペンダが提供するすべての機能、すなわち、リング状ボディが楕円形に変形する柔軟性、リング状ボディと試験質量の対の面外傾斜の柔軟性、試験質量の面外同位相運動の防止、および、試験質量の面内同位相運動の防止を提供する。
【００６３】
図３ｂは、ジンバル構造をより詳細に示している。参照符号３２および３３１〜３３４は、図１ａ〜図１ｆの参照符号１２および１３１〜１３４に対応している。ジンバル構造は、中央アンカー点３５１を中心とし、リング状ボディ３２と同心のジンバルフレーム３７１を備える。ジンバル構造はまた、中央アンカー点３５１からジンバルフレーム３７１へと延伸する２つの固定トーションバー３８１および３８２も備える。２つの固定トーションバー３８１および３８２は、ｘ軸とｙ軸の両方に対して４５°の角度に向けられている。ジンバル構造はまた、ジンバルフレーム３７１から対応するリング状ボディ３２まで延伸する２つの可動トーションバー３８３および３８４も備える。２つの可動トーションバー３８３および３８４は、固定トーションバー３８１および３８２に直交する。
【００６４】
図３ａおよび図３ｂでは、ジンバルフレーム３７１はリングの形状をしている。代替的に、ジンバルフレームは、図３ｃに示すような菱形形状、楕円形状、長方形形状、または任意の他の閉じた形状を有してもよい。図３ｄは、代替のジンバル構造を示している。ｘ軸トーションバー３３１〜３３２およびｙ軸トーションバー３３３〜３３４は、明瞭にするために図３ｄから省略されている。図示のジンバル構造は、両方ともリング状ボディ３２と同心である、内側ジンバルフレーム３７３、外側ジンバルフレーム３７４、ならびに、両方とも中央アンカー点から内側ジンバルフレーム３７３へとｙ軸に沿って延伸する２つの固定トーションバー３８１および３８２を備える。ジンバル構造はまた、内側ジンバルフレーム３７３から外側ジンバルフレーム３７４まで延伸する２つの可動トーションバー３８３および３８４も備える。２つの内側可動トーションバー３８３および３８４は、固定トーションバー３８１および３８２に直交する。ジンバル構造は、外側ジンバルフレーム３７４からリング状ボディ３２まで延伸する４つの外側可動トーションバー３８５〜３８８をさらに備える。４つの外側可動トーションバー３８５〜３８８は、ｘ軸とｙ軸の両方に対して４５°の角度に向けられている。代替的に、固定トーションバー３８１および３８２は、ｘ軸に沿って方向付けられてもよく、その場合、内側可動トーションバー３８３および３８４は、ｙ１軸に沿って方向付けられる。
【００６５】
［周辺サスペンションおよび固定］
図４は、典型的な周辺サスペンション構成を示し、参照符号４１１〜４１４が図１ａ〜図１ｅの参照符号１１１〜１１４に対応する。１つまたは複数のアンカー点は、４１３などの各試験質量の中央コーナの対向する両辺にある２つの周辺アンカー点４５２および４５３を含む。各試験質量は、試験質量を部分的に囲む切頭二等辺三角形の形状を有する周辺サスペンダによって上記周辺アンカー点４５２および４５３から懸架される。周辺サスペンダの第１の脚部４６２は、一方の周辺アンカー点４５２から試験質量の第１の辺を過ぎて追加の周辺サスペンダ上の第１のコーナ点４７２まで延伸し、周辺サスペンダの第２の脚部４６３は、他方の周辺アンカー点４５３から対応する試験質量４１３の第２の辺を過ぎて、周辺サスペンダ上の第２のコーナ点４７３まで延伸する。第１の脚部４６２と第２の脚部４６３とをともに接合する周辺サスペンダの基部４６４は、第１のコーナ点４７２から対応する試験質量の第３の辺を通って第２のコーナ点４７３まで延伸する。周辺サスペンダの基部は、試験質量と同じ軸上に位置整合されたコネクタ４８によって、対応する試験質量の第３の辺に取り付けられる。
【００６６】
図４に示す周辺サスペンションは、本開示で説明する任意の実施形態で使用することができる。他の周辺のサスペンダ構成も使用することができ、それらのサスペンダ構成の構造は試験質量の形状に依存し得る。図４に示す周辺サスペンションは、試験質量に対する追加の支持、および、所望であれば、試験質量の振動モードの共振周波数を決定するメインサスペンション機能を提供する。ただし、周辺サスペンションは、振動モードに同期を一切提供せず、試験質量の一切の望ましくない同位相振動を防止しない。
【００６７】
図５は、多くの同期および防止機能を提供する、図４に示した周辺サスペンション構成の任意選択の変更を示している。参照符号５１１〜５１４は、それぞれ図４の参照符号４１１〜４１４に対応する。図示のサスペンション構成により、図１ｃに示す逆位相振動が可能になり、隣接する試験質量が反対方向に動くが、両方の試験質量対または隣接する試験質量の任意の対が同じ方向に動く同位相振動に抵抗する。図５に示された構成では、コーナバー５３２が、各周辺サスペンダ上の各コーナ点から上記周辺サスペンダの基部の方向に延伸する。各コーナバー５３２の端部は、２つのアンカー点５２１および５２２の間に延伸する斜めに向けられた支持バー５３１に接合されている。代替的に、支持バーの第１の端部が１つのアンカーのみに接続されてもよく、コーナバーは支持バーの第２の端部に接続されてもよい。コーナバー５３２および支持バー５３１は、デバイス平面内で曲げを受けるのに十分に細い。
【００６８】
図１ｃに示す逆位相振動では、試験質量５１１および５１３が互いに向かって回転すると、コーナバー５３２の間の角度が低減し、コーナバーが支持バー５３１の中点をジャイロスコープ中心点から外方に押し、試験質量５１１および５１３が互いから外方に回転すると、支持バー５３１の中点をジャイロスコープ中心点に向かって引く。各々が２つの隣接する試験質量の角にある支持バー５３１およびコーナバー５３２の４つのセットは、４つの試験質量の第１の振動モードを同期させる。外部線形振動または角振動によって誘発され得る試験質量５１１および５１３の同位相運動は、支持バー５３１がアンカー点５２１または５２２のいずれかの方向における並進を受け得ないため、支持バー５３１によって抵抗される。
【００６９】
支持バー５３１およびコーナバー５３２が十分な面内柔軟性を有する場合、逆位相振動における支持バーの曲げは、所望の一次振動を妨げない。支持バー５３１およびコーナバー５３２は、試験質量５１１および５１２のｘ軸を中心とした回転、ならびに、試験質量５１３および５１４のｙ１軸を中心とした回転を防止するために、高い面外剛性を有する必要がある。高い面外剛性により、図４に示すサスペンションのコーナ４７２および４７３の面外運動も防止される。これにより、脚部４６２および４６３の面外曲げが防止され、すべての面外柔軟性が脚部４６４に集中する。この柔軟性の集中は、サスペンション脚部のコンプライアンスを設計し、多くの振動モードからの干渉なしにトランスデューサをサスペンションに取り付けるのに有利であり得る。
【００７０】
所望の面内柔軟性および面外剛性を達成するために、支持バー５３１およびコーナバー５３２は、長方形の断面を有することができ、断面の高さ対幅のアスペクト比が大きくなるように寸法決めすることができる。製造技術に応じて、当該アスペクト比は１０程度またはさらにそれよりも大きくなる場合がある。
【００７１】
［４つの試験質量対］
ｘ軸およびｙ軸回転測定の二次振動モードは、状況によっては、各検知モードに対して１つの対しか利用可能でないため、２つの試験質量対を備えたジャイロスコープにおいて外部回転擾乱に対して脆弱になる場合がある。この脆弱性問題は、元の２つの対の隣に同様の構成で２つの追加の試験質量対を配置し、中央の試験質量をばねを用いて互いに連結することによって軽減することができる。
【００７２】
図６ａおよび図６ｂは、ジャイロスコープを示しており、参照符号６１１〜６１４がそれぞれ図１ａ〜図１ｆの参照符号１１１〜１１４に対応する。それらの４つの試験質量に加えて、ジャイロスコープは、静止位置においてデバイス平面内でｘ軸上に位置整合される第３の試験質量対を形成する第５の試験質量６１５および第６の試験質量６１６をさらに備える。ジャイロスコープはまた、静止位置においてデバイス平面内でｙ２軸上に位置整合される第４の試験質量対を形成する第７の試験質量と第８の試験質量も備えている。静止位置にある第３の試験質量対および第４の試験質量対は、ｘ軸がｙ２軸と直交し、垂直ｚ２軸がｘ軸とｙ２軸の両方と直交する第２の中心点に関して本質的に対称な質量分布を形成する。
【００７３】
ジャイロスコープはまた、１つまたは複数のアンカー点から第３の試験質量対および第４の試験質量対を懸架するサスペンダを備え、結果、１つまたは複数の駆動トランスデューサによって開始および維持される一次振動モードならびにコリオリ効果によって生成される３つの二次振動モードのいずれかにおいて、第３の試験質量対および第４の試験質量対が振動することが可能になり、１つまたは複数のセンストランスデューサは、３つの二次振動モードの大きさを測定するように構成される。
【００７４】
第３の試験質量対および第４の試験質量対の一次振動モードは、第１の試験質量対および第２の試験質量対の一次振動モードと同じである。
【００７５】
第３の試験質量対および第４の試験質量対の３つの二次振動モードは、それぞれ第１の試験質量対および第２の試験質量対のｚ１軸二次モード、ｘ軸二次モードおよびｙ軸二次モードに対応する、ｚ軸二次モード、ｘ軸二次モード、およびｙ軸二次モードを含む。
【００７６】
第３の試験質量対および第４の試験質量対の振動は、デバイス平面の第２の中心点を中心とする第２のリング状ボディ６２２と、ｘ軸に沿って第２のリング状ボディから第３の試験質量対を形成する第５の試験質量および第６の試験質量へと延伸する第３のｘ軸トーションバーおよび第４のｘ軸トーションバーと、ｙ２軸に沿って第２のリング状ボディから第４の試験質量対を形成する第７の試験質量および第８の試験質量へと延伸する第３のｙ軸トーションバーおよび第４のｙ軸トーションバーとを備える第２の同期要素によって同期される。
【００７７】
中央同期ばね６９１は、中央同期ばねの中心が、ｙ３軸がｘ軸に直交する第３の中心点にあるように、ｘ軸に沿って、第１の試験質量対の第２の試験質量から第２の試験質量対の第３の試験質量まで延伸する。
【００７８】
中央同期ばねは、中央同期ばねの中心が、ｙ３軸がｘ軸に直交する第３の中心点にあるように、ｘ軸に沿って、第１の試験質量対の第２の試験質量から第３の試験質量対の第５の試験質量まで延伸する。
【００７９】
中央同期ばねは、第１の試験質量対および第２の試験質量対の一次振動モードを、第３の試験質量対および第４の試験質量対の一次振動モードに関連する逆位相振動に同期し、結果、第１の試験質量対、第２の試験質量対、第３の試験質量対および第４の試験質量対の一次振動モードが第１のモードである場合、第２の試験質量対および第３の試験質量対は常にそれぞれｚ１軸およびｚ２軸を中心として対向する回転方向に回転し、また結果、第１の試験質量対、第２の試験質量対、第３の試験質量対および第４の試験質量対の一次振動モードが第２のモードである場合、第２の試験質量対および第３の試験質量対は常にｘ軸に沿って同じ方向に振動する。
【００８０】
図６ａにおいて、第１の試験質量対６１１−６１２および第２の試験質量対６１３−６１４の一次振動は第１のモードであり、試験質量はｚ１軸に平行な垂直軸を中心とした回転、または回転と線形並進との組み合わせを受ける。この一次振動の１つの位相は、図６ａにおいて白色矢印によって示されている。図示された振動位相では、第１の試験質量対は時計回りに動いており、第２の試験質量対は反時計回りに動いている。
【００８１】
第３の試験質量対６１５−６１６および第４の試験質量対６１７−６１８の一次振動も第１のモードである。図６ａに示す振動位相では、第３の試験質量対は反時計回りに動いており、第４の試験質量対は時計回りに動いている。中央同期ばね６９１は、中央に位置する試験質量６１２および６１５が同じ方向に動くことを保証する。第１の中心点（ｘ軸がｙ１軸と交差する）および第２の中心点（ｘ軸がｙ２軸と交差する）にそれぞれ位置する第１の同期要素および第２の同期要素は、ジャイロスコープの各側にある他の質量を、図示の振動位相に同期させる。
【００８２】
図６ｂでは、第１の試験質量対６１１−６１２および第２の試験質量対６１３−６１４の一次振動は第２のモードであり、試験質量は第１の中心点に向かって、および第１の中心点から外方に振動する。この一次振動の１つの位相は、図６ｂにおいて白色矢印によって示されている。図示されている振動位相においては、第１の試験質量対が第１の中心点から外方に動いており、第２の試験質量対が第１の中心点に向かって動いている。
【００８３】
第３の試験質量対６１５−６１６および第４の試験質量対６１７−６１８の一次振動も第２のモードである。図６ｂに示す振動位相では、第３の試験質量対は第２の中心点に向かって動いており、第４の試験質量対は第２の中心点から外方に動いている。ここでも、中央同期ばねが、中央に配置された試験質量６１２および６１５が一貫してｘ軸に沿って同じ方向に動くようにし、第１の同期要素および第２の同期要素が、他の質量を図示された振動位相に同期させる。
【００８４】
図６ａと図６ｂの両方に示された同期タスクを実行するために、中央同期ばね６９１は、好ましくは、第１の振動モード、第２の振動モード、および１つの面外二次振動モードが効果的に同期されるように、試験質量６１２から試験質量６１５へ、およびその逆に、ｘ軸、ｙ３軸およびｚ３軸方向の運動を伝達すべきである。ばね６９１は、６１２と６１５との間の交差方向の逆位相運動が防止されるように、ｙ３軸方向の線形運動に対して比較的剛性であり得る。ばね６９１は、ｚ３軸を中心とした回転に対して柔軟であり得、試験質量６１２と６１５との間の面内傾斜角、したがって各試験質量回転中心を中心とした所望の逆位相回転を可能にする。ばねはまた、ｙ３軸を中心とした回転に対しても柔軟であり、結果、試験質量間の傾斜角を許容することにより試験質量６１２および６１５の面外回転運動を可能にするが、６１２と６１５との間の逆位相面外運動を許容しない。また、同期ばね６９１は、試験質量６１２および６１５が同じ方向に動くモードと比較して、試験質量６１２および６１５が反対方向に動くモードについて、ばね定数をある程度増加させることができ、したがって、第２のモードの逆位相共振周波数と同位相共振周波数とを分離させる。
【００８５】
図６ｃおよび図６ｄは、ばね６９１の可能な構造を、対応する面内図および断面図として示している。ばね６９１は、ｙ３軸の方向に少なくとも１つのバー６９１１を含むことができ、バー６９１１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。試験質量６１２または６１５の一方はバー６９１１の中点に取り付けられ、他方の試験質量はバーの端部に取り付けられる。好ましくは、ばね６９１は、端部において互いに取り付けられ、中点において試験質量に取り付けられた２つのバー６９１１を含み、対称である。所望の面内柔軟性および面外剛性を達成するために、バー６９１１は、長方形の断面を有することができ、断面の高さ対幅のアスペクト比が大きくなるように寸法決めすることができる。製造技術に応じて、当該アスペクト比は１０程度またはさらにそれよりも大きくなる場合がある。
【００８６】
図６ａおよび図６ｂに示すように、試験質量対の一次振動の逆位相編成に起因して、ｘ軸またはｙ１軸およびｙ２軸に平行な軸を中心とした角回転に応じてコリオリの力によって誘導される二次振動モードも逆位相で発生する。第１の試験質量対および第３の試験質量対は、それぞれｙ１軸およびｙ２軸を中心として常に反対方向に振動し、第２の試験質量対および第４の試験質量対はｘ軸を中心として常に反対方向に振動する。例えば、第２の試験質量対および第４の試験質量対を、両方が同じ方向に回転する、ｘ軸を中心とした同位相回転に設定する任意の外乱振動を、各試験質量対の二次振動を測定するセンストランスデューサから差動信号を読み取ることによって、自動的に相殺することができる。同じことが、ジャイロスコープがｚ軸に平行な軸を中心として回転するときに発生する二次モードにも当てはまる。それらの試験質量は、図１ｂおよび図１ｃの４質量構成ですでにすべての外部振動に対してロバストであるが、試験質量の数の増加は、製造の不正確さに起因する残りのエラーを排除するのに役立つ。これらの二次モードは、図６ａおよび図６ｂには示されていない。
【００８７】
必要に応じて、さらなる周辺同期ばねが追加されてもよい。それらの周辺同期ばねは、例えば、第２の試験質量対および第４の試験質量対の同位相振動に反作用するように構成することができる。図６ｅは、周辺同期ばねが第２の試験質量対６１３−６１４および第４の試験質量対６１７−６１８の振動も同期させるジャイロスコープを示している。このジャイロスコープでは、１つまたは複数のアンカー点は、ｙ３軸上に位置整合した上側アンカー点６６２と、ｙ３軸上に位置整合した下側アンカー点６６３とを含む。上側アンカー点６６２および下側アンカー点６６３は、第３の中心点の対向する側にある。ジャイロスコープは、トーション／屈曲バー６３１〜６３３によって上側アンカー点６６２、第３の試験質量６１３および第７の試験質量６１７に接続される上側同期要素６９１をさらに備え、ジャイロスコープは、トーション／屈曲バー６３４〜６３６によって下側アンカー点６６３、第４の試験質量６１４および第８の試験質量６１８に接続される下側同期要素６９３をさらに備える。
【００８８】
上側同期要素６９２および下側同期要素６９３は、第２の試験質量対および第４の試験質量対がｘ軸を中心として二次モードにおいて振動するとき、ｙ３軸を中心として回転することができる。これらの同期要素は、第２の試験質量対および第４の試験質量対がｘ軸を中心として同じ方向に振動する、同位相二次振動に抵抗する。このモードでは、トーション／屈曲バー６３１．．．６３６はねじれ変形を呈する。上側同期要素６９２および下側同期要素６９３はまた、図６ｂに示すように、第２の試験質量対および第４の試験質量対がｙ１軸およびｙ２軸に沿って振動するとき、ｚ３軸に平行な軸を中心として回転することもできる。これらの同期要素は、ｙ１軸およびｙ２軸に沿った第２の試験質量対および第４の試験質量対の同位相振動に抵抗する。このモードでは、トーション／屈曲バー６３１．．．６３６は屈曲変形を呈する。振動モードが第１のモードである場合、試験質量６１３、６１７、６１４および６１８にそれぞれ接続されているトーション／屈曲バー６３１、６３３、６３４および６３６は、図６ａに示されている運動に対応するために図６ｅにおいて左右に曲がることができる。同期要素６９２および６９３は動かないままであるため、アンカー点６６２および６６３に接続されたトーション／屈曲バー６３２および６３５は屈曲しない。同期要素６９２および６９３は、第１のモードにおける望ましくない振動を同期も防止もしないことに留意しなければならない。
【００８９】
バー６３１．．．６３６は、面内曲げに対する柔軟性およびねじれ柔軟性を備えている必要があるが、面外曲げに対しては剛性のままである必要がある。この要件を達成するために、バーは、長方形の断面を有することができ、断面の高さ対幅のアスペクト比が大きくなるように寸法決めすることができる。製造技術に応じて、当該アスペクト比は１０程度またはさらにそれよりも大きくなる場合がある。また、長さ対高さの比は１より大きくなり得る。
【００９０】
２つの質量対を備えたジャイロスコープの図２ａ〜図２ｂおよび図３ａ〜図３ｄにおいて上記で示した同期要素実施形態は、図６ａ〜図６ｆに示した４つの質量対を備えたジャイロスコープにも直接適用することができる。
【００９１】
言い換えれば、１つまたは複数のアンカー点は、第１の中心点および第２の中心点に位置する中央アンカー点を含んでもよい。各同期要素は、デバイス面内に４つ以上の湾曲サスペンダを備えてもよく、サスペンダは、対応する中央アンカー点から対応するリング状ボディまで延伸する。
【００９２】
各同期要素は、デバイス平面内で対応するリング状ボディの内側にジンバル構造を含むことができる。ジンバル構造は、上で説明し、図３ａ〜図３ｄに示したものに対応することができる。
【００９３】
図６ｆに示すように、図４に示す周辺サスペンション構成は、図６ａ〜図６ｅに示すジャイロスコープの両側で利用することができる。この場合、中央同期ばね６９１は、試験質量６１２を囲む二等辺三角形の底辺から、試験質量６１５を囲む二等辺三角形の底辺まで延伸することができる。他の周辺サスペンション構成も使用されてもよい。周辺サスペンション構成は、図６ａおよび図６ｂの試験質量６１２および６１５について示された動きを可能にし、ばね６９１を介したそれらの試験質量の同期を可能にする必要がある。同様に、上側同期要素および下側同期要素は、ある周辺サスペンション構成から別のサスペンション構成へと延伸してもよい。
【００９４】
さらに、図６ｆに示すように、図５に示す周辺固定および支持構成もまた、図６ａ〜図６ｅに示すジャイロスコープの両側で利用することができる。
【００９５】
図２ｂおよび図６ａ〜図６ｂに示すように、第１の同期要素および第２の同期要素の各々は４つの対角アンカー点から懸架することができ、各対角アンカー点は異なる試験質量対からの試験質量の間に配置され、結果、すべての隣接する試験質量の間に１つの対角アンカー点があり、各同期要素は、デバイス平面内の４つの対角サスペンダを含む。各対角サスペンダは、対角アンカー点から対応するリング状ボディまで延伸し、各対角サスペンダは、ｘ軸とｙ軸の両方に対して４５°の角度に向けられている。
【００９６】
本開示で提示される任意の実施形態は、図６ａ〜図６ｆに示される４つの質量対を備えたジャイロスコープにおいても実施することができる。
【００９７】
［容量性作動および検知］
１つまたは複数の駆動トランスデューサおよび１つまたは複数のセンストランスデューサは、容量性力変換器であり得る。以下のプレゼンテーションでは、これらのオプションの両方を、図４に示す典型的な周辺サスペンション構成と組み合わせて説明する。異なる周辺サスペンション構成が使用されるジャイロスコープでは、作動と検知とを異なる方法で編成する必要がある場合がある。
【００９８】
図７ａは、ジャイロスコープを示しており、参照符号７１１〜７１４は、それぞれ図１ａ〜図１ｅおよび図６ａ〜図６ｆの参照符号１１１〜１１４、６１１〜６１４または６１５〜６１８に対応することができる。第１のモードにおいて一次振動を生成するため、または第１のモードにおいて二次振動を測定するために、ジャイロスコープは、隣接する周辺サスペンダの隣接する脚部の間に配置された容量性トランスデューサ７２１〜７２４を備える。以下に図７ｅを参照して、これらのトランスデューサについてより詳細に説明する。
【００９９】
第２のモードにおいて一次振動を生成するため、または第２のモードにおいて二次振動を測定するために、ジャイロスコープは容量性トランスデューサ７３１〜７３４を備える。これらのトランスデューサは平行板キャパシタを含むことができ、固定プレート上の固定子電極と可動プレート上の回転子電極との間の間隙が、ｘ軸またはｙ軸に沿った試験質量の動きに起因して変化する。代替的に、トランスデューサは、長手方向に動く櫛型キャパシタを含むことができ、固定櫛歯と可動櫛歯との間の重なりが、ｘ軸またはｙ軸に沿った試験質量の動きに起因して変化する。プレート型トランスデューサは、小さい動きの検出により良好に適しており、一方、長手方向に動く櫛型トランスデューサは、動きの生成または振幅の大きい動きの検出により良好に適している。トランスデューサの可動プレートまたは長手方向に動く櫛歯は、トランスデューサ７３３を、試験質量７１３を囲む周辺サスペンダに接続する接続バー７４３などの接続バーによって、対応する周辺サスペンダの基部に接続することができる。第１のモードおよび第２のモードを同時に取得する場合（一方を一次モード、他方を二次モードとして）、接続バーは、第１のモードにおける振動を促進することを可能にするのに十分に細く柔軟である必要があり、にもかかわらず、同時に、対応する試験質量との間で第２のモードにおける振動を伝達するのに十分に剛性である必要がある。トランスデューサ７３１〜７３４については、図７ｆを参照して以下でより詳細に説明する。
【０１００】
図６ａ〜図６ｆのように、図示されている２つの試験質量対が追加の試験質量対に結合される場合、試験質量７１２の右側のトランスデューサ７３２は、代わりに、図６ａ〜図６ｆの６１６などの第６の試験質量の右側に配置される。
【０１０１】
図７ｂは、第２のモードにおける一次振動を生成するか、第２のモードにおける二次振動を測定するための代替構成を示している。この場合、固定プレート上の固定子電極と回転子電極可動プレートとを含む容量性トランスデューサが、周辺サスペンダの内側に配置される。この場合、試験質量７１１〜７１４の表面積は、容量性電極板に対応するために縮小する必要がある。
【０１０２】
図７ｃは、ｘ軸二次モードまたはｙ軸二次モードにおける二次振動を測定するための構成を示しており、一方または両方の試験質量対がデバイス平面外に振動する。各試験質量は、試験質量の上方または下方に配置された固定子電極とともに容量性トランスデューサを形成する少なくとも１つの回転子電極７４１〜７４４を含む。図７ｄは、同じ構成を垂直視点から示している。試験質量７１１は、試験質量が面外方向に振動することができる空洞に囲まれている。空洞は、支持ウェハまたはキャップウェハ７９によって区切られている。回転子電極７４１１は試験質量上に配置され、固定子電極４１２は支持ウェハまたはキャップウェハ７９上に配置される。試験質量がシリコンから作成されている場合、試験質量は、電極コーティングがなくても回転子電極として利用するのに十分に導電性であり得る。いずれの点でも電極の境界が交差または一致することなく、一方が他方よりも大きくなるように、回転子電極および固定子電極を寸法決めすることが有利である。このように、静電容量は試験質量の面内運動に反応しないままであり、面外運動のみを検出する。
【０１０３】
図７ｅは、第１のモードにおける一次振動を生成し、および／または第１のモードにおける振動振幅を検出することができるトランスデューサ７２１〜７２４をより詳細に示している。トランスデューサは、１つの周辺サスペンダの第２の脚部７６３および隣接する周辺トランスデューサの第１の脚部７６４に平行な、固定された固定子ビーム７７１上の固定子電極を含む。固定子電極に平行な回転子電極が、第２の脚部７６３および第１の脚部７６４内に形成される。適切な電圧が回転子電極および固定子電極に印加されると、脚部７６３および７６４はｘｙ平面内で固定子ビーム７７１から外方にまたは固定子ビーム７７１に向かって曲がる。対応して、回転子電極と固定子電極との重なりが変化すると、静電容量が変化し、一定の電荷においてトランスデューサにわたってＡＣ電圧が発生するか、または一定の電圧においてＡＣ電流がトランスデューサを流れる。
【０１０４】
最後に、図７ｆは、図７ｂの平行板型トランスデューサ７３１〜７３４の典型的な構造を示している。トランスデューサは、アンカー点７５１〜７５４から懸架された回転子フレーム７６と、回転子フレーム７６内の固定された固定子バー７５５とを備える。回転子電極７７１および固定子電極７７２はともに、接続バー７４４によって隣接する試験質量に接続される容量性トランスデューサを形成する。
【０１０５】
［ピエゾ作動および検知］
１つまたは複数の駆動トランスデューサおよび１つまたは複数のセンストランスデューサは、ピエゾ力変換器であり得る。これらのトランスデューサは、周辺サスペンダに搭載することができる。この場合、サスペンダは、トランスデューサによって、および／または、試験質量の二次振動モードによって生成される圧電力によって曲げられるのに十分な幅／長さおよび高さ／長さのアスペクト比を有するシリコンビームであり得る。
【０１０６】
図８は、面外曲げのために構成されている曲げピエゾトランスデューサの３つの断面を示す。トランスデューサは、シリコンサスペンダ８１上に堆積されたピエゾ材料の層および２つの電極層を含む。トランスデューサは、ｘ−ｙ平面内で長方形の形状を有する。トランスデューサは、下部電極層８４、ピエゾ材料の層８２、および上部電極層８３を含む。層８４、８２および８３はともにピエゾトランスデューサを形成する。駆動電圧が電極に印加されると、サスペンダ８１はｘｙ平面外に曲がる。逆に、サスペンダ８１が外力によってｘｙ平面外に曲げられる場合、電極層８３および８４からセンス電圧信号を読み取ることができる。
【０１０７】
図９は、面内曲げのために構成されている曲げピエゾトランスデューサの３つの断面を示す。一対の第１の電極層９４１および９４２がサスペンダ９１上に配置され、一方はピエゾ材料層９２の上側に、他方は下側に配置されている（この場合、上下はｚ軸の方向を指す）。これらの電極は、図示のように、それぞれ第２の電極層９３１、９３２と対になっている。層９４１、９２および９３１はともに第１のピエゾトランスデューサを形成し、層９４２、９２および９３２はともに第２のピエゾトランスデューサを形成する。
【０１０８】
反対の極性を有する駆動電圧がこれらの２つのトランスデューサに印加されると、２つのトランスデューサはｘｙ平面内に反対の歪みを生じ、これがデバイス平面内でサスペンダ９１を曲げることができる。トランスデューサがセンストランスデューサとして使用される場合、面内曲げは２つのトランスデューサ間に、センス信号として読み取ることができる電圧差を発生させることになる。
【０１０９】
面内および面外曲げについてピエゾトランスデューサを説明するために、本開示全体を通して図８および図９の図面規約を利用する。言い換えれば、反対色の２つの平行な長方形が、面内曲げを測定または作動させるように構成されているピエゾトランスデューサを示すために使用される。単純にするために、構造が実際には２つのトランスデューサを含む構築物であるとしても、これら２つの平行な長方形は主に単数形で、単一の面内トランスデューサと呼ばれる。同様に、１つのトランスデューサに関連する駆動信号およびセンス信号は、実際には２つの電圧を含むが、単数形で、単一の駆動／センス信号と呼ばれる。
【０１１０】
白色および黒色はトランスデューサの極性を示す。右側に白い長方形が付いたトランスデューサの極性は、右側に黒い長方形が付いたトランスデューサ（同じ図に表示）の極性と反対である。単一のより大きい長方形が、面外曲げをを測定または作動させるように構成されているピエゾトランスデューサを示すために使用される。黒色の面外トランスデューサは、同じ極性の電圧によって作動される場合、白色の面外トランスデューサとは反対方向に曲がる。
【０１１１】
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層とすることができるピエゾ層８２および９２は、典型的には数マイクロメートル以下の厚さである。サスペンダ８１および９１の厚さは、例えば、４〜１００μｍ、好ましくは１０〜５０μｍであり得る。
【０１１２】
本開示に記載のピエゾトランスデューサがセンスモードで使用されるとき、トランスデューサの静電容量が外部接続の静電容量と増幅器の入力静電容量との合計に等しいときに、トランスデューサの電極間の最大出力電圧が達成され得る。トランスデューサの静電容量は、当該トランスデューサの面積およびピエゾ層の厚さによって決まる。
【０１１３】
図１０ａは、二軸ジャイロスコープを示しており、参照符号１０１１〜１０１４は、それぞれ図１ａ〜図１ｅおよび図６ａ〜図６ｆの参照符号１１１〜１１４、６１１〜６１４または６１５〜６１８に対応することができる。第１のモードにおける一次振動を生成するために、ジャイロスコープは、試験質量の１つを部分的に囲む周辺サスペンダの各脚部上に、１０２１および１０２２などのピエゾ面内トランスデューサを備えることができる。面内トランスデューサに印加される駆動電圧は、脚部を一方向に曲げ、それにより試験質量をその方向に動かすまたは回転させる。
【０１１４】
１つの試験質量内の所望の振動を生成または測定するには、周辺のサスペンダの１つの脚部上の１つの面内トランスデューサで十分であり得るが、ほとんどの場合、サスペンダの２つの脚部上の２つのトランスデューサが好ましい。ｘ軸二次モードまたはｙ軸二次モードにおける二次振動を測定するために、ジャイロスコープは、試験質量の１つを部分的に囲む各周辺サスペンダの基部上に、ピエゾ面外トランスデューサ１０３１〜１０３４を備えることができる。
【０１１５】
図１０ａに示すように、１つの周辺サスペンダの脚部は同じ極性の面内トランスデューサを備えることができ、別個の試験質量を囲む２つの周辺サスペンダの隣接する脚部は、反対の極性の面内トランスデューサを備えることができる。同じ駆動電圧信号がすべての面内トランスデューサに印加されると、この構成は、図１０ａの白色矢印によって示される一次振動を生成し、第１の試験質量対１０１１−１０１２および第２の試験質量対１０１３−１０１４は、常に反対の回転方向において、ｚ１軸を中心として逆位相で振動する。
【０１１６】
図１０ａに示すように、試験質量対を形成する２つの質量を囲む２つの周辺サスペンダの基部は、逆極性の面外トランスデューサを備えることができる。例えば、ｘ軸二次モードでは、面外トランスデューサ１０３２が中央で負のｚ方向に向かって曲がると、面外トランスデューサ１０３１が中央で正のｚ方向に向かって曲がり、逆のときは逆に曲がる。結果、ｘ軸を中心とした回転のセンス信号を、これら２つのトランスデューサからの組み合わせ信号として直接読み取ることができる。同じ考慮事項は、面外トランスデューサ１０３３および１０３４ならびにｙ１軸回転にも適用される。
【０１１７】
図１０ｂは、二軸ジャイロスコープを示しており、参照符号１０１１〜１０１４は、それぞれ図１ａ〜図１ｅおよび図６ａ〜図６ｆの参照符号１１１〜１１４、６１１〜６１４または６１５〜６１８に対応することができる。第２のモードにおける一次振動を生成するために、ジャイロスコープは、試験質量の１つを部分的に囲む各周辺サスペンダの基部上に、ピエゾ面内トランスデューサ１０４１〜１０４４を備えることができる。ここでも、１つの試験質量対において、図１０ｂに示すように、周辺サスペンダの基部は、反対極性の面内トランスデューサを備えることができる。これらのトランスデューサに同じ駆動電圧信号が印加されると、ジャイロスコープの対向する両側にある面内トランスデューサは、中央で反対の面内方向に曲がり、結果、各試験質量対の試験質量は、常に反対方向において、中心点に向かってまたは中心点から外方に、逆位相で振動する。
【０１１８】
ｘ軸二次モードまたはｙ軸二次モードにおける二次振動を測定するために、ジャイロスコープは、試験質量の１つを部分的に囲む各周辺サスペンダの各脚部上に、１０５１および１０５２のような面外トランスデューサを備えることができる。試験質量がデバイス平面外に動くと、周辺サスペンダの脚部は同じ面外方向に曲がる必要がある。図１０ｂに示すように、１つの試験質量対の２つの周辺サスペンダは、極性が反対の面外トランスデューサを備えることができ、結果、試験質量対の回転は、試験質量対のすべての面外トランスデューサからの組み合わせ信号として読み取ることができる。
【０１１９】
図１０ａ〜図１０ｄでは、隣接する周辺サスペンダは、各周辺サスペンダの１つの脚部が固定される共通のアンカー点を共有している。これらの脚部は、代替的に、例えば図４および図７ａ〜図７ｃに示されている様式で、別個に固定されてもよい。
【０１２０】
ジャイロスコープにｚ軸二次モードの測定値を含めるには、追加のトランスデューサが必要である。図１０ｃは、第２のモードをｚ軸二次モードとして測定するのに適したピエゾトランスデューサの構成を示している。言い換えると、この場合、一次振動モードは白色矢印によって示すように第１のモードであり、ｚ軸二次モードは第２のモードであり、ジャイロスコープがｚ１軸を中心とした角回転を受ける場合、各試験質量の質量は逆位相の線形並進においてジャイロスコープ中心点に向かっておよびジャイロスコープ中心点から外方に動く。
【０１２１】
図１０ｃに示されているジャイロスコープの各周辺サスペンダは、その基部に１つの面内トランスデューサ１０４１〜１０４４と、２つの面外トランスデューサ（１０３１１＋１０３１２、１０３２１＋１０３２２、１０３３１＋１０３３２、１０３４１＋１０３４２）とを備えている。ｚ軸二次モードでは、面内トランスデューサ（１０４１、１０４２、１０４３、１０４４）は中央で曲がり、面外トランスデューサ（１０３１１＋１０３１２、１０３２１＋１０３２２、１０３３１＋１０３３２、１０３４１＋１０３４２）は、ｘ軸二次モードまたはｙ軸二次モードのいずれかにおいてデバイス平面外に曲がる。面内トランスデューサは、第１のモードにおける一次振動を駆動するために、図１０ａと同じように各周辺サスペンダの脚部上に配置することができる。ただし、以下に図１０ｄを参照してより詳細に説明するように、代替の構成も可能である。
【０１２２】
図１０ｄは、第１のモードをｚ軸二次モードとして測定するのに適したピエゾトランスデューサの構成を示している。言い換えると、この場合、一次振動モードは白矢印によって示すように第２のモードであり、ｚ軸二次モードは第２のモードであり、ここで、第１の試験質量対および第２の試験質量対の質量は、ｚ１軸の周りで逆位相で振動する。
【０１２３】
ジャイロスコープの各周辺サスペンダは、一方の脚部上の面内トランスデューサ１０６１〜１０６４と、他方の脚部上の面外トランスデューサ（１０７１〜１０７４）とを備えている。各試験質量対において、２つの周辺サスペンダの脚部上の面外トランスデューサは極性が反対である。ｚ軸二次モードにおいて、面内トランスデューサ１０６１〜１０６４は、試験質量のｚ軸を中心とした回転に起因して曲げを受ける。ｙ軸二次モードにおいて、試験質量対１０１１−１０１２がｙ軸を中心として回転すると、面外トランスデューサ１０７１〜１０７２が曲がり、一方、ｘ軸二次モードにおいて、試験質量対１０１３−１０１４がｘ軸を中心として回転すると、面外トランスデューサ１０７３〜１０７４が曲がる。
【０１２４】
図１０ｄにおいて、面内トランスデューサは、第２のモードにおける一次振動を駆動するために、図１０ｂと同じように各周辺サスペンダの基部上に配置することができる。しかしながら、図１０ｃの各周辺サスペンダの基部上のトランスデューサ構成を、図１０ｄに示される周辺サスペンダの各脚部上のトランスデューサと組み合わせることも可能である。組み合わせる場合、トランスデューサ１０４１〜１０４４を使用して一次振動を駆動し、トランスデューサ１０６１〜１０６４を使用してｚ１軸一次モードを検知することができ、または逆も可能である。トランスデューサ１０３１１＋１０３１２、１０３２１＋１０３２２、１０３３１＋１０３３２、１０３４１＋１０３４２は、対応してｘ軸およびｙ軸の二次モードを検知するために使用することができる。
【０１２５】
図６ａおよび図６ｂのように、ジャイロスコープが４つの試験質量対を備えるとき、同じトランスデューサをより複雑な組み合わせにおいて互いに対にすることができる。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図１ｄ】
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【図１ｅ】
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【図１ｆ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図６ｅ】
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【図６ｆ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図７ｅ】
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【図７ｆ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１０ｄ】
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【外国語明細書】
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【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図１ｄ】
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【図１ｅ】
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【図１ｆ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図６ｅ】
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【図６ｆ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図７ｅ】
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【図７ｆ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１０ｄ】
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