(57)【要約】【課題】振動型角速度センサ用の環状共振器が提供される。【解決手段】振動型角速度センサ用の環状共振器（１００）は、Ｘ−Ｙ平面内に位置する平面状の環状部材（２０２）と、環状部材（２０２）をＸ−Ｙ平面内で柔軟に支持するように配置された１つ以上の支持構造（２０４）とを備える。１つ以上の支持構造（２０４）はそれぞれ、環状部材（２０２）から半径方向に延び、Ｘ−Ｙ平面における第１の厚さを有する半径方向部分（２０６）と、半径方向部分（２０６）から円周方向に延び、Ｘ−Ｙ平面における第２の厚さを有する円周方向部分（２０８）とを備えており、第１の厚さが第２の厚さよりも大きい。【選択図】図２
2019032302.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動型角速度センサ用の環状共振器であって、
Ｘ−Ｙ平面内に位置する平面状の環状部材と、
前記環状部材を前記Ｘ−Ｙ平面内で柔軟に支持するように配置された１つ以上の支持構造とを備え、
前記１つ以上の支持構造はそれぞれ、前記環状部材から半径方向に延び、前記Ｘ−Ｙ平面における第１の厚さを有する半径方向部分と、前記半径方向部分から円周方向に延び、前記Ｘ−Ｙ平面における第２の厚さを有する円周方向部分とを備えており、前記第１の厚さが前記第２の厚さよりも大きい、振動型角速度センサ用の環状共振器。
【請求項２】
前記１つ以上の支持構造はそれぞれ、前記円周方向部分から半径方向に延びる追加の半径方向部分を備える、請求項１に記載の環状共振器。
【請求項３】
前記追加の半径方向部分は、前記半径方向部分と同じ方向に半径方向に延びる、請求項２に記載の環状共振器。
【請求項４】
前記環状部材の周囲に対で配置された偶数個の支持構造を備える、先行請求項のいずれかに記載の環状共振器。
【請求項５】
支持構造の各対は、時計回りの支持構造と反時計回りの支持構造とを備える、請求項４に記載の環状共振器。
【請求項６】
８対の支持構造を備える、請求項４または５に記載の環状共振器。
【請求項７】
前記支持構造、または対の支持構造は、前記環状部材の周りに等角度間隔で配置される、先行請求項のいずれかに記載の環状共振器。
【請求項８】
前記第１の厚さが前記第２の厚さよりも少なくとも２０％、３０％、４０％または５０％大きい、先行請求項のいずれかに記載の環状共振器。
【請求項９】
前記半径方向部分は、接続部によって前記環状部材に接続されており、前記支持構造は、前記接続部で幅が大きく、前記接続部から離れたところで幅が小さくなるように先細る、先行請求項のいずれかに記載の環状共振器。
【請求項１０】
前記１つ以上の支持構造は、接続部によって固定支持体に接続されており、前記支持構造は、前記接続部で幅が大きく、前記接続部から離れたところで幅が小さくなるように先細る、先行請求項のいずれかに記載の環状共振器。
【請求項１１】
前記接続部は、楕円形のフィレットを備える、請求項９または１０に記載の環状共振器。
【請求項１２】
先行請求項のいずれかに記載の環状共振器を備える、振動型角速度センサ。
【請求項１３】
前記センサは容量型角速度センサである、請求項１２に記載の振動型角速度センサ。
【請求項１４】
前記センサは誘導型角速度センサである、請求項１２に記載の振動型角速度センサ。
【請求項１５】
前記環状共振器は、Ｃｏｓ２θモードで共振するように構成されている、請求項１２から１４のいずれかに記載の振動型角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、角速度センサ、特に、環状共振器などの振動構造を備えたコリオリ式角速度センサ、及び振動型角速度センサ用の環状共振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
現代の多くのアプリケーションにおいて、コリオリ式角速度センサ（ジャイロスコープとしても知られている）は、ガラス基板層の間に挟まれたシリコンウェハから微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術を用いて構築される。平面状の環状共振器は、一般的にはリング構造を備えており、シリコン層内に形成され、従順な支持構造によって下部ガラス基板上に支持されている。環状共振器は、一次振動モード（面内）を励起する一次駆動トランスデューサによって、共振時の振動のｃｏｓ２θモードに駆動される。センサが環状共振器の平面に垂直な軸の周りを回転すると、エネルギーを二次振動モード（面内）に結合させるコリオリ力が発生する。このようなコリオリによって引き起こされる環状共振器の挙動は、一般的には、二次ピックオフトランスデューサを用いて誘導的または容量的に感知される。リング及びその支持構造は、シリコン層のエッチングによって製造された同一平面内にある。同一の周波数を有する２つの縮退共鳴モードを利用することにより、環状共振器は、平面外に変位可能な振動子の単一共振モードを使用する移動質量体アーキテクチャと比較して、より高い回転感度を有する。ＵＳ６，４７１，８８３は、シリコンから製造された平面リング振動構造を備えるこのような角速度センサの一例を提供する。
【０００３】
振動型角速度センサでは、従順または柔軟な支持構造（しばしば「脚」として知られている）が、リングの振動を構造の残りの部分から隔離するように設計される。支持脚が薄ければ薄いほど、感知目的のためにリングがより隔離され、即ち、より高い性能（より高いＱ値）を発揮する。しかしながら、脚を厚くしなければ、高性能な構造は、大きな衝撃を乗り切ることができない。脚を厚くしてセンサをより強固にすると、全体のセンサ性能が低下する（Ｑ値が低下する）。Ｑは、主としてリングの熱弾性減衰によって決定される。厚い脚は、Ｑ値よりもむしろ直交バイアスを増加させる傾向がある。より高い直角位相は性能を低下させる傾向がある。もう一つの問題は、望ましくない固有共振モードである。例えば、せん断における衝撃は、並進モードを励起する場合がある。脚を厚くし強固にすることで、並進モードの動作は制限されるが、望ましくない共振モードがｃｏｓ２θモードに非常に近い周波数となり、望ましくない力学をきたす可能性がある。
【０００４】
性能を損なうことなく、頑強な振動型角速度センサを設計する必要性がある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、振動型角速度センサの改良を目的とする。
【０００６】
本開示は、振動型角速度センサ用の環状共振器を提供し、環状共振器は、Ｘ−Ｙ平面内に位置する平面状の環状部材と、環状部材をＸ−Ｙ平面内で柔軟に支持するように配置された１つ以上の支持構造とを備え、１つ以上の支持構造はそれぞれ、環状部材から半径方向に延び、Ｘ−Ｙ平面における第１の厚さを有する半径方向部分と、半径方向部分から円周方向に延び、Ｘ−Ｙ平面における第２の厚さを有する円周方向部分とを備えており、第１の厚さが第２の厚さよりも大きい。
【０００７】
したがって、本開示によれば、支持構造（すなわち、脚）は、Ｘ−Ｙ平面における種々の厚さを有した少なくとも２つの実質的に直交する部分に分けられることが、当業者には理解されるであろう。さらに、半径方向部分は円周方向部分よりも厚い。このことは、例えばせん断による衝撃が並進モードを励起したときに生じる脚の応力のピークを低下させ、また、検出に使用されるＣｏｓ２θモードの共振周波数またはＱ値に影響することなく、望ましくない共振モードの周波数を高くする。
【０００８】
いくつかの例では、支持構造は、半径方向部分が環状部材から半径方向に延び、円周方向部分が半径方向部分から円周方向に延びる実質上Ｌ字形とすることができる。しかし、例えば、振れの電気的なトラッキングを可能にするために、支持構造が環状部材からさらに半径方向に延びることが望ましい場合がある。したがって、いくつかの例では、１つ以上の支持構造はそれぞれ、円周方向部分から半径方向に延びる追加の半径方向部分を備える。支持構造は、実質的にＺ形状であってもよい。そのような例では、好ましくは、追加の半径方向部分は、半径方向部分と同じ方向に半径方向に延びる。したがって、支持構造は、円周方向部分であっても環状部材の周りにスポークとして配置されてよい。さらに、または代替的に、支持構造は、環状部材から半径方向の内側または外側に延びることができる。好ましくは、支持構造は、単独または組、例えば対で配置され、環状部材の周りに等角度間隔で配置される。
【０００９】
１つ以上の支持構造は、環状部材の半径方向の内側または外側に配置された固定支持体に接続されてもよい。いくつかの例では、支持構造は固定支持体と一体的に形成される。さらに、または代替的に、支持構造は、環状部材と一体的に形成される。固定支持体、環状部材及び支持構造は、好ましくは同じ材料で作られ、さらに好ましくは、それらは当技術分野で知られている技術、例えば深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を用いて、単一のシリコンウェハから構築される。
【００１０】
これらの例のいずれにおいても、導電性（例えば、金属性）トラッキングは、例えば環状部材と固定支持体との間に配置された１つ以上の支持構造に沿わせておくことができる。角速度センサは、容量型、誘導型、または圧電型のセンサであってもよい。誘導型は、中央磁石を可能にするために、通常、外部に取り付けられた支持脚、すなわち環状部材から半径方向の外側に延びる支持構造を有している。容量型及び圧電型は、通常、内部に取り付けられた支持脚、すなわち環状部材から半径方向の内側に延びる支持構造を有している。
【００１１】
一連の例では、環状共振器は、偶数個の支持構造を、好ましくは８個備え、環状部材の周囲に対で配置されている。一対の支持構造は、例えばＷＯ２０１０／００７４０６に開示されているように、環状部材の円周の周りに等角度間隔で配置することができ、ＷＯ２０１０／００７４０６の内容は、本明細書の一部を構成するものとして援用される。好ましくは、支持構造の各対は、時計回りの支持構造と反時計回りの支持構造とを備える。１つ以上の支持構造に沿わせた導電性トラッキングを備える誘導型センサの例では、対称的な時計回り、反時計回りの対の支持構造が、磁場内のトラッキングに沿って流れる電流による環状共振器のねじれを防止する。環状共振器が奇数個の支持構造を備える他の例では、当然ながら支持構造は、依然として環状部材の周囲に等角度間隔で配置されてよい。
【００１２】
第１の厚さを第２の厚さよりも大きくすることにより、モーダルスペクトルは、並進モードにより高い周波数を与えるように最適化することができ、このことはｃｏｓ２θモード周波数に影響を与えることなく堅牢性を助長する。１つ以上の例では、第１の厚さが第２の厚さよりも少なくとも２０％、３０％、４０％または５０％大きい。１つ以上の例では、第１の厚さが第２の厚さよりも２０％から８０％大きい。例えば、第２の厚さは約２２μｍであってもよく、第１の厚さは少なくとも２６μｍ、例えば２６から２８μｍであってもよい。いくつかの例では、第２の厚さは２５から３０μｍの範囲内にあり、第１の厚さは３５から４０μｍの範囲内にあってもよい。いくつかの例では、第２の厚さは１０μｍと低い。半径方向部分を厚くする（すなわち、第１の厚さを厚くする）と、ｃｏｓ２θモード周波数に影響を及ぼすことなく、いくつかのモード周波数が高くなり、衝撃下の応力も減少する。円周方向部分を厚くする（すなわち、第２の厚さを厚くする）と、ｃｏｓ２θモード周波数と他のモード周波数が高くなり、一方、衝撃下の応力は減少する。第１の厚さと第２の厚さとの間の差異を調整することにより、衝撃下の応力を減少させることができ、センサをより堅牢なものとし、一方では、ｃｏｓ２θモード周波数の所望の共振周波数（例えば１４ｋＨｚ）と高いＱ値とを維持しつつ、望ましくないモードをｃｏｓ２θモード周波数から適切に遠く離れた周波数に保持する。
【００１３】
第１及び第２の厚さを互いに相対的に調整することに加え、環状部材の厚さを調整することにより、例えばｃｏｓ２θモードの共振周波数を調整することもできる。
【００１４】
少なくともいくつかの例では、半径方向及び／または円周方向部分の形状を調整することによって、支持構造内の応力を低減することができる。本出願人は、支持構造と環状部材との間の接続部、及び／または、固定支持体を備える例では、支持構造と固定支持体との間の接続部において最大応力領域が経験され得ることを認識している。支持構造の半径方向部分と円周方向部分との間の接続部においてもまた、最大応力領域が経験され得る。前者を軽減するために、支持構造の半径方向部分は、フィレットのような接続部によって環状部材及び／または固定支持体に接続されてもよく、支持構造は、接続部で幅が大きく、接続部から離れたところで幅が小さくなるように先細る。後者を軽減するために、半径方向部分と円周方向部分との間、及び場合により円周方向部分と追加の半径方向部分との間の１つ以上の接続部は、接続部で幅が大きく、接続部から離れたところで幅が小さくなるように先細る支持構造を備えてもよい。これらの例のいずれにおいても、接続部は、楕円形のフィレットを備えることができる。楕円形のフィレットが良好な応力低減をもたらすことが判明しているが、他の形状のフィレット、例えば湾曲状、三角形状、またはフレア状のものも可能である。ＦＥ解析を使用して、接続部の幅の変化を最適化し、応力集中を低減することができる。環状共振器は、少なくとも１つのバンプストップ、例えば環状部材の半径方向の外側に配置されるバンプストップをさらに備えてもよい。バンプストップは、振動型角速度センサにおける環状部材の面内移動を制限し、最大応力限界を規定するのに役立つことが知られている。
【００１５】
本開示は、上述した例のいずれかによる環状共振器を備えた振動型角速度センサにまで及ぶ。センサは、容量型角速度センサ、誘導型角速度センサまたは圧電型センサであってもよい。振動型角速度センサにおいて周知であるように、環状共振器は、使用時にＣｏｓ２θモードで共振するように構成することができる。
【００１６】
固定支持体を備えた例では、これは八角形状であってもよく、その一例がＥＰ２７９９８１４に詳細に記載されている（その内容は、参照により本明細書の一部を構成するものとして援用される）。
【００１７】
本明細書に記載される任意の例の特徴は、必要に応じて、本明細書に記載される他の例に適用することができる。種々の例または一連の例を参照する場合、これらは必ずしも別個である必要は無く、重複してもよいことを理解されたい。
【００１８】
本開示のいくつかの例を、添付の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】誘導型の振動型角速度センサの概略断面図である。
【図２】本開示の例に係る環状共振器の上面図である。
【図３ａ】環状共振器における一次Ｃｏｓ２θ振動モードを図式的に示す図である。
【図３ｂ】環状共振器における二次Ｃｏｓ２θ振動モードを図式的に示す図である。
【図４】本開示の例に係る環状共振器における環状部材とその支持構造との間の接続部のいくつかを示す図である。
【図５ａ】本開示の例に従ってモデル化された振動型角速度センサの性能を示す図である。
【図５ｂ】本開示の例に従ってモデル化された振動型角速度センサの性能を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、一例に係る誘導型の振動型角速度センサの概略断面図であり、支持ガラス層１０４と、下部極１０６と、磁石１０８と、上部極１１０とを含む構成要素の積層体を載せたベース１０２を備えている。ペデスタル１１２は、下部極１０６の周辺の支持ガラス層１０４上に置かれ、環状共振器１００を含むシリコンダイ１１４を支持している。環状共振器１００は、平面状の環状部材（または「リング」）２０２を備えており、この環状部材２０２は、シリコンダイ１１４に形成された複数の支持構造（または「脚」）２０４によって柔軟に支持されている。環状共振器１００は、上部極１１０と下部極１０６との間に位置するように配置され、以下でより詳細に説明するように、速度センサの回転速度の決定を行うことができるように、使用中に振動するように構成されている。
【００２１】
磁石１０８は、環状共振器１００の領域に垂直磁場を生成し、環状共振器１００によって支えられた金属トラックに沿って接線方向に振動電流が印可され、これにより環状共振器１００を一次Ｃｏｓ２θモードで半径方向に振動させる。ＷＯ２０１０／００７４０６（その内容は、参照により本明細書の一部を構成するものとして援用される）は、金属トラックが、一般にリング部材２０２の上面の絶縁表面酸化層の上及びその支持脚２０４に沿ってどのように装備されるかについてのさらなる詳細を提供し、各金属トラックは、単一の駆動装置またはピックオフトランスデューサに結合されている。図１は誘導型の振動型角速度センサを示すが、磁石部品が無い代わりに放射状の容量電極が設けられた容量型のバージョンも可能である。そのような容量型の振動型角速度センサの一例が、ＵＳ６，２８２，９５８に記載されており、その内容は、参照により本明細書の一部を構成するものとして援用される。
【００２２】
図２は、速度センサの環状共振器１００のより詳細な図を示している。環状共振器１００は、外径部と面内における厚さが例えば１２０ミクロンの厚み部分とを有した平面状の環状部材２０２を備える。環状部材２０２は、例えば図１に示されたシリコンダイ１１４によって画定されるようなＸ−Ｙ平面内に位置する。環状共振器１００は、複数の支持構造（または「脚」）２０４をさらに備えており、支持構造２０４は、環状部材２０２の周囲に配置されていて、また、環状部材２０２の外径部に接続されており、そして環状部材２０２によって画定されるＸ−Ｙ平面内に位置している。支持構造２０４は、固定支持体２０１を形成するシリコンダイの残りの部分に対して、環状部材２０２を柔軟に支持する。この例では、固定支持体２０１は八角形の形状をとっていることが分かる。
【００２３】
各支持構造２０４は、内側半径方向部分２０６、円周方向部分２０８及び外側半径方向部分２１０を備えている。内側半径方向部分２０６は、環状部材２０２の外径部上の接続部２１２から半径方向の外側に延びる。内側半径方向部分２０６の最も外側の端部は、円周方向部分２０８の第１の端部を画定する。円周方向部分２０８は、外側半径方向部分２１０の内端を画定する第２の端部まで円周方向に（すなわち、上記外径部から実質的に一定の距離を維持して）延びる。外側半径方向部分２１０は、その内端から外端まで半径方向の外側に延びる。誘導型センサ用の環状共振器のこの例では、支持構造２０４は、環状部材２０４から固定支持体２０１まで半径方向に外に向かって延びている。しかし、他の例では、１つ以上の支持構造２０４が、代替的または追加的に、例えば容量型センサにおいて、環状部材２０４の内部に配置された中央ボスなどの固定支持体に対して、半径方向に内に向かって延び得ることが理解されよう。
【００２４】
この例では、複数の支持構造２０４の半分は、円周方向部分２０８が第１の端部から第２の端部まで時計回りの方向に延びるという点で「時計回り」の構造である。複数の支持構造２０４の他の半分は、円周方向部分２０８が第１の端部から第２の端部まで反時計回りの方向に延びるという点で「反時計回り」の構造である。複数の支持構造２０４は、時計回り及び反時計回りの支持構造２０４が環状部材２０２の周りで交互になるよう、対で配置される。環状共振器１００は、合計１６個（すなわち、８対の時計回り及び反時計回り）の支持構造２０４を備える。これら８対は、誘導型センサにおいて、磁場内のトラッキングに沿って流れる電流に起因した環状共振器のねじれを防止する。当然ながら、任意の適切な数の支持構造２０４が環状部材２０２の周囲に配置され、その円周の周りに均等または不均等に間隔を置いて配置されてもよい。
【００２５】
各支持構造２０４の内側及び外側半径方向部分２０６及び２１０は、円周方向部分２０８の厚さよりも大きな厚さを有するように製作される。例えば、内側及び外側半径方向部分２０６及び２１０は、２５から４０ミクロンの厚さを有していてよく、円周方向部分２０８は、約２０ミクロンの厚さを有していてよい。厚さは、環状部材２０２の、例えば図１に示したシリコンダイ１１４によって画定されるＸ−Ｙ平面において測定される。これらの厚さは、例えば深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を用いる、環状部材２０２の製造中のエッチング技術及び／または製造後の技術によって定められてもよい。内側及び外側半径方向部分２０６及び２１０の厚さが厚いほど、環状共振器１００は、使用中に遭遇する可能性のある並進運動の衝撃に対して、より高い弾性を有するようになる。しかし、以下に示すように、支持構造２０４の厚さ及び形状の変化のすべては、特定の共振モードにおける環状共振器１００の共振周波数に影響を及ぼさないように注意深く設計されなければならない。
【００２６】
各支持構造２０４と環状部材２０２との間の接続部２１２はまた、環状共振器１００の応力耐性が最大になるように設計されている。例えば、フィレットを支持構造２０４の根元に加え、そこで環状部材２０２との接続部２１２を形成するようにしてもよい。支持構造２０４の他端に、固定支持体２０１との接続部を形成するフィレットを備えることもできる。これらの接続部２１２のより詳細な説明については、図４を参照して後に提示する。
【００２７】
製造中、導電性（例えば金属性）材料が環状部材２０２及び支持構造２０４の表面に選択的に塗布されて、いくつかの導電性ループが形成される。導電性材料は、各ループが電気的に分離されることを保証するために、厚さ約１μｍの薄い酸化物層によって、環状部材２０２の導電性シリコンから絶縁されている。導電性ループ２１４のトラッキング経路の例が、図２に点線で示される。いくつかのこのようなループ２１４が、環状部材２０２の全周に形成され、当技術分野で周知のように、使用中に制御可能な交流（ＡＣ）電源（図示せず）に接続される。
【００２８】
使用時に環状共振器１００は、環状部材２０２が磁石１０８の２つの極１０６及び１１０の間の磁場内に位置するように、図１に示すような速度センサ内に配置させることができる。交流電流がＣｏｓ２θ共振周波数で、直径方向に対向する導電性ループ２１４（一次駆動トラック）に対して選択的に印加され、その結果生じたローレンツ力が環状部材２０２を変形させることにより、環状共振器１００を、印加される交流電流の周波数と、環状部材２０２の厚さ及び支持構造２０４の厚さのような物理的パラメータとで決定される共振周波数のＣｏｓ２θモードで共振させる。共振の定常状態である一次Ｃｏｓ２θモードが、図３ａに図式的に表されている。
【００２９】
図３ａは、環状共振器３０２における一次Ｃｏｓ２θ振動モードを図式的に示している。環状共振器３０２は、通常（励起されていない場合）は円形である。しかし、一次Ｃｏｓ２θモードで励起されると、環状共振器３０２は変形し、より具体的には、ｘ軸に沿って整列した主軸を有する楕円と、ｙ軸に沿った主軸を有する楕円との間で振動する。この面内共振が図３ａに示されている。
【００３０】
角速度センサが回転すると、ローレンツ力によって引き起こされる変形の性質がコリオリ力の影響によって変化し、この変形の変化を測定することで、センサが経験している回転速度を示す指標とすることができる。この変形の変化は、図３ｂに図式的に表されており、図３ｂは、角速度に比例した動作の振幅を有し、一次モードに対して４５度をなす二次振動モードを示している。一次及び二次Ｃｏｓ２θ振動モードでは、環状共振器はいかなるせん断力も経験しない。
【００３１】
「開ループ」タイプのシステムでは、上述の動作の振幅が測定されて、センサによって経験される角速度を示す指標とするが、「閉ループ」タイプのシステムでは、二次動作がゼロになるように二次駆動が適用される。この場合、二次駆動振幅が角速度に比例するため、二次駆動振幅を測定すれば角速度を示す指標が得られる。
【００３２】
環状共振器１００において、支持構造２０４は、環状部材２０２の面内振動を構造の残りの部分から隔離するように設計されている。支持構造２０４が薄いほど、環状部材２０２はより隔離される。円周方向部分２０８の薄さが、このような隔離をもたらす。
【００３３】
支持構造２０４の数は、Ｃｏｓ２θモードが平衡している（すなわち、一次及び二次モードが同じ周波数を有する）ことを確かにするように選択される。８対の支持構造（本明細書に記載）はこの基準を満たすが、例えば４対は適切でないことが知られている。環状共振器は、任意の適切な数の支持構造を備えることができる。種々の数の脚を有した環状共振器のいくつかの例は、ＵＳ６，８８３，３７４、ＵＳ６，８４８，３０５及びＵＳ６，９７８，６７４に見出すことができる。
【００３４】
本出願人は、並進運動の衝撃の間に環状共振器１００が、環状部材２０２の面内横方向の偏位に起因し、半径方向脚部２０６及び２１０に作用するせん断力を伴う並進モードでも励起され得ることを認識している。しかしながら、支持構造２０４の半径方向部分２０６及び２１０の厚さを増加させることによって、この並進モードにおける環状部材２０２の共振周波数が高くなるので、これにより、いかなる励起も低減される。上述したように、厚さが増した支持構造２０４の半径方向部分２０６及び２１０には応力耐性も付加されるため、環状共振器１００は、支持構造２０４の（環状部材２０２との及び固定支持体２０１との）接続部における高い応力に起因した故障をせず、並進運動のより大きな衝撃に耐えることができる。支持構造２０４の半径方向部分２０６及び２１０を厚くするだけならば、Ｃｏｓ２θモードでの振動の周波数に影響を与えないことを意味する。
【００３５】
図示されていないが環状共振器１００は、環状部材２０２が、並進モードで任意の方向に所定量を超えて移動することを防止する１つ以上のバンプストップを固定支持体２０１上にさらに備えることができる。このようなバンプストップは、環状部材２０２及び／または円周方向部分２０８の外径部から適切に離間していてもよい。
【００３６】
図４は、図２の破線の円Ｆ４で強調された領域であって、一対の支持構造２０４の内側半径方向部分２０６と環状部材２０２との間の接続部２１２の上面図を概略的に示している。内側半径方向部分２０６は、面内での主要な幅を有する主要部分４０２と、環状部材２０２との接続部２１２に向かって外側に先太りになる端部分４０４とを備えていて、接続部２１２における端部分４０４の面内での幅は、主要部分４０２の面内での主要な幅よりも大きい。この端部分４０４の広がったテーパは、楕円形のフィレットを備える。
【００３７】
端部分４０４の楕円形フィレットは、支持構造２０４と環状部材２０２との間の接触表面積を増加させ、接続部２１２の堅牢性を高める一方で、環状共振器１００の動作に影響を及ぼす可能性のある支持構造２０４の重量または剛性には有意な増加をもたらさない。支持構造２０４と固定支持体２０１との間の接続部もまた、本明細書で説明するように楕円形のフィレットを備えることができる。
【００３８】
図１の例は、誘導型ジャイロスコープまたは角速度センサに関する。しかし、環状共振器１００は、容量型または圧電型ジャイロスコープにおいても同様に使用できることが理解されよう。環状部材２０２の外径部からのバンプストップの距離は、ジャイロスコープのタイプと、環状部材２０２の一般的な移動範囲とに応じて調整することができる。
【００３９】
［実施例］
本開示の実施例による環状共振器であるロバストＳＧＨ０３をモデル化した。モデル化された環状共振器の寸法は、１６個の支持構造の円周方向部分の厚さが２２μｍ、支持構造の半径方向部分の厚さが２７μｍであり、環状部材の厚さが１２０μｍである。
【００４０】
モデル化された環状共振器の性能は、従来技術の一般的な３つの共振器と比較され、寸法は以下の通りである。ＳＧＨ０１は、支持構造（脚）の厚さが５０μｍ、リングの厚さが１２０μｍである。ＳＧＨ０２は、支持構造（脚）の厚さが２０μｍ、リングの厚さが１２０μｍである。ＳＧＨ０３は、支持構造（脚）の厚さが２０μｍ、リングの厚さが１２０μｍである。
【００４１】
図５ａは、モデル化された環状共振器の共振モード周波数を示す。このグラフは、Ｃｏｓ２θモードと並進モードの両方において、従来技術の一般的な３つの共振器の共振モード周波数を、本実施例による共振器のものと共に示している。
【００４２】
本実施例によるロバストＳＧＨ０３共振器の並進モードにおける共振周波数５０２は、約１２ｋＨｚであることが分かり、これはテストされた他の共振器の並進共振周波数よりも高く、このモードにおける共振器の剛性は他の共振器よりも高いことを示している（一般的に、共振周波数は剛性の平方根に比例する）。ＳＧＨ０１は、同様の（わずかに低い）並進共振周波数を有し、テストされた他の共振器と比較して堅牢ではあるが性能が低い（Ｑ値が低い）ことが知られている。
【００４３】
Ｃｏｓ２θモードにおける本実施例による共振器の共振周波数５０４は、従来技術の共振器のそれとほぼ同じ１４ｋＨｚであることが分かる。これは、支持構造の厚さの差異と改良された接続部が、Ｃｏｓ２θモードにおける共振周波数に影響しないことを実証している。
【００４４】
並進モードとＣｏｓ２θモードの共振周波数が重ならないという事実は、共振器がＣｏｓ２θモードで振動しているときに、（望ましくない）並進モードの不慮の励起が最小限に抑えられることを意味する。
【００４５】
図５ｂは、共振器がせん断方向に（すなわち、共振器の平面内で）２００００ｇの力を受けたときに測定された最大応力値を示す。本実施例によるロバストＳＧＨ０３共振器が経験する応力５０６は、従来技術の一般的な共振器に比べて大幅に低減されることが明らかである。
【００４６】
経験された応力の減少は、この共振器が、Ｃｏｓ２θモードを１４ｋＨｚの同じ共振周波数に維持しながらも、従来技術の一般的な共振器よりもより堅牢であり、より大きな衝撃に耐えることができることを示す。これにより、より強固で高性能（高Ｑ値）のセンサが実現される。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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