(57)【要約】      （修正有）【課題】駆動力が十分で信号対雑音比が大きい圧電回転型ジャイロスコープを提供する。【解決手段】懸架構造体は、懸架された慣性マスのデバイス面内振動運動を駆動または検出するように構成された圧電変換器構造体でコーティングされた第１懸架部セット８３１１，８３１２と、懸架された慣性マスのデバイス面外振動運動を駆動または検出するように構成された圧電変換器構造体でコーティングされた第２懸架部セット８３２１，８３２２とを備える。第１懸架部セットおよび第２懸架部セットは、懸架構造体内で連結される。【選択図】図８
2019053029.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１以上の第１アンカーポイントと、１以上の第２アンカーポイントとを有する基板と、
デバイス面内およびデバイス面外の両方において第１慣性マスが回転振動できるように構成された懸架構造体によって前記１以上の第１アンカーポイントから懸架される、デバイス面内の当該第１慣性マスと、デバイス面内およびデバイス面外の両方において第２慣性マスが回転振動できるように構成された懸架構造体によって前記１以上の第２アンカーポイントから懸架される、デバイス面内の当該第２慣性マスと、
前記第１慣性マスおよび前記第２慣性マスが同期逆位相駆動振動するように前記第１慣性マスと前記第２慣性マスの間で運動を伝達するよう構成された、前記第１慣性マスと前記第２慣性マスとを互いに取り付ける同期構造体とを備える微小電気機械ジャイロスコープであって、
前記懸架構造体のうち少なくとも一方の懸架構造体は、
懸架された前記慣性マスをデバイス面内振動運動させる、または、懸架された前記慣性マスのデバイス面内振動運動を検出するように構成された圧電変換器構造体でコーティングされた１以上の第１懸架部を含む第１懸架部セットと、
懸架された前記慣性マスのデバイス面外振動運動を検出する、または、懸架された前記慣性マスをデバイス面外振動運動させるように構成された圧電変換器構造体でコーティングされた１以上の第２懸架部を含む第２懸架部セットとを備え、
前記第１懸架部セットおよび前記第２懸架部セットは、前記少なくとも一方の懸架構造体内で連結される
微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項２】
前記第１懸架部セット上の前記変換器構造体は、懸架された前記慣性マスをデバイス面内振動運動させ、前記第２懸架部セット上の前記変換器構造体は、懸架された前記慣性マスのデバイス面外振動運動を検出し、前記第２懸架部セットの面内ばね定数を前記第２懸架部セットの面外ばね定数で割った比率は、３〜１００の範囲である
請求項１に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項３】
前記第２懸架部セット上の前記変換器構造体は、懸架された前記慣性マスをデバイス面外振動運動させ、前記第１懸架部セット上の前記変換器構造体は、懸架された前記慣性マスのデバイス面内振動運動を検出し、前記第１懸架部セットの面外ばね定数を前記第１懸架部セットの面内ばね定数で割った比率は、３〜１００の範囲である
請求項１に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
【請求項４】
前記第１懸架部セットは、１つの第１懸架部を含み、前記第２懸架部セットは、１つの第２懸架部を含み、前記第１懸架部セットと前記第２懸架部セットとは直線状に連結されて、前記第１懸架部と前記第２懸架部とが当該ジャイロスコープの縦対称軸に平行な１縦軸に沿って延在する
請求項１〜３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】
前記第１懸架部セットは、１つの第１懸架部を含み、前記第２懸架部セットは、１つの第２懸架部を含み、前記第１懸架部セットと前記第２懸架部セットとは、Ｕターン型中間体を介して並列に連結されて、前記第１懸架部は、前記アンカーポイントから前記中間体まで第１縦軸に沿って第１縦方向に延在し、前記第２懸架部は、前記中間体から前記慣性マスまで第２縦軸に沿って反対縦方向に延在する
請求項１〜３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６】
前記第１懸架部と前記第２懸架部の縦方向長さは等しく、前記第１懸架部の横幅は、前記第１懸架部の鉛直方向の厚みより小さいが、前記第２懸架部の鉛直方向の厚みと等しく、前記第２懸架部の横幅は、前記第１懸架部の鉛直方向の厚みと等しい
請求項４〜５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７】
前記第１懸架部と前記第２懸架部の鉛直方向の厚みが等しく、前記第１懸架部と前記第２懸架部の横幅が異なり、かつ、前記第１懸架部と前記第２懸架部の縦方向長さが異なることによって、前記第１懸架部と前記第２懸架部の幅および長さは、前記慣性マスの面内共振周波数および面外共振周波数が実質的に等しくなるような寸法である
請求項４〜５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８】
前記第１懸架部セットは、１つの第１懸架部を含み、前記第２懸架部セットは、２つの第２懸架部を含み、前記第１懸架部セットと前記第２懸架部セットとは、ダブルＵターン型中間体を介して並列に連結されて、前記第１懸架部は、前記アンカーポイントから前記中間体まで第１縦軸に沿って第１縦方向に延在し、前記２つの第２懸架部は、前記中間体から前記慣性マスまで第２縦軸および第３縦軸に沿って反対縦方向に延在する
請求項１〜３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９】
前記第１懸架部セットは、２つの第１懸架部を含み、前記第２懸架部セットは、２つの第２懸架部を含み、前記第１懸架部セットと前記第２懸架部セットとは、前記アンカーポイントを取り囲むフレームダブルＵターン型中間体を介して並列に連結されて、前記２つの第１懸架部は、前記アンカーポイントから前記中間体のフレーム状部分まで第１縦軸に沿って反対縦方向に延在し、前記２つの第２懸架部は、前記中間体のダブルＵターン部分から前記慣性マスまで第２縦軸および第３縦軸に沿って同じ縦方向に延在し、前記第２縦軸および前記第３縦軸は、前記第１縦軸から等距離で前記第１縦軸の両側に位置する
請求項１〜３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１０】
前記第１懸架部セットは、２つの第１懸架部を含み、前記第２懸架部セットは、４つの第２懸架部を含み、前記第１懸架部セットと前記第２懸架部セットとは、前記アンカーポイントを取り囲むフレームダブルＴ交差型中間体を介して並列に連結されて、前記２つの第１懸架部は、前記アンカーポイントから前記中間体のフレーム状部分まで第１縦軸に沿って反対縦方向に延在し、２つの第２懸架部は、前記中間体の第１Ｔ交差部分から前記慣性マスまで第２縦軸に沿って反対縦方向に延在し、さらに別の２つの第２懸架部は、前記中間体の第２Ｔ交差部分から前記慣性マスまで第３縦軸に沿って反対縦方向に延在し、前記第２縦軸および前記第３縦軸は、前記第１縦軸から等距離で前記第１縦軸の両側に位置する
請求項１〜３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１１】
前記第１懸架部セットは、１つの第１懸架部を含み、前記第２懸架部セットは、４つの第２懸架部を含み、前記第１懸架部セットと前記第２懸架部セットとは、ダブルＵターンダブルＴ交差型中間体を介して並列に連結されて、前記第１懸架部は、前記アンカーポイントから前記中間体のダブルＵターン部分まで第１縦軸に沿って第１縦方向に延在し、２つの第２懸架部は、前記中間体の第１Ｔ交差部分から前記慣性マスまで第２縦軸に沿って反対縦方向に延在し、さらに別の２つの第２懸架部は、前記中間体の第２Ｔ交差部分から前記慣性マスまで第３縦軸に沿って反対縦方向に延在し、前記第２縦軸および前記第３縦軸は、前記第１縦軸から等距離で前記第１縦軸の両側に位置する
請求項１〜３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１２】
前記第１懸架部セットは、１つの第１懸架部を含み、前記第２懸架部セットは、２つの第２懸架部を含み、前記第１懸架部セットと前記第２懸架部セットとは、第１アンカーポイントからＥ交差型中間体を介して並列に連結されて、前記第１懸架部は、前記第１アンカーポイントから前記Ｅ交差型中間体の横方向端まで第１縦軸に沿って第１縦方向に延在し、前記第１懸架部は、前記Ｅ交差型中間体の横方向端に可撓性を有して取り付けられ、前記２つの第２懸架部は、前記Ｅ交差型中間体から前記慣性マスまで第２縦軸および第３縦軸に沿って前記第１縦方向とは反対の第２縦方向に延在し、
支持懸架部は、第２アンカーポイントから前記Ｅ交差型中間体まで第４縦軸に沿って前記第１縦方向に延在し、前記第２縦軸および前記第３縦軸は、前記第４縦軸の両側に位置し、
前記支持懸架部の面内ばね定数は、前記第１懸架部セットの面内ばね定数よりかなり小さく、前記支持懸架部の面外ばね定数は、前記第２懸架部セットの面外ばね定数よりかなり大きい
請求項１〜３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。
【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、特に、圧電駆動により１以上の慣性マスを回転運動させるか、または、圧電手段により１以上の慣性マスの回転運動を検出するＭＥＭＳジャイロスコープに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳジャイロスコープは、コリオリ効果を用いて角速度を測定する。振動型ＭＥＭＳジャイロスコープでは、慣性マスを作動駆動力によって揺動運動させる。本開示では、この揺動を「駆動振動」または「一次振動」と呼ぶ。振動ジャイロスコープでは、用語「駆動」および「一次」を類語として用いてもよい。駆動振動は、直線的でも回転的でもよいが、本開示では、回転的な場合にのみ着目する。図１は、ｚ軸を軸として回転振動する慣性マス１１１の概略図である。駆動振動は、実線黒矢印で示されている。作動駆動力は、例えば、静電容量型、磁気型、または、圧電型の駆動変換器を用いて生成することができる。本開示では、作動力が圧電的に生成される場合にのみ着目する。
【０００３】
駆動振動する慣性マスを含むジャイロスコープが、副軸（主軸とは非平行）を軸とした角回転速度Ωを受けると、慣性マスは、コリオリ力の影響を受ける。駆動振動が純回転の場合、結果として生じるコリオリ力はゼロであるが、コリオリトルクは、慣性マスの振動に影響を与える。コリオリ力とトルクは、角回転速度ベクトル、および、慣性マス速度ベクトル、または、角速度ベクトルの大きさおよび方向によって決まる。駆動振動する慣性マスは、振動コリオリ力を受けるであろう。この力またはトルクは、主軸に垂直な副軸に沿って、または、副軸を軸として、慣性マスを振動させる。本開示では、副軸に沿った、または、副軸を軸としたこの連成振動を「センサ振動」、「二次振動」、または、「連成振動」と呼ぶ。振動ジャイロスコープでは、用語「連成」「センサ」および「二次」を類語として用いてもよい。同様に、駆動振動も一次振動と呼んでもよい。
【０００４】
図１において、ｘ軸を軸とした角回転速度Ωは、白色矢印で示されており、その結果生じるｙ軸を軸としたセンサ振動は、灰色矢印で示されている。角回転速度Ωを測定するために、容量型、圧電型、または、ピエゾ抵抗型の変換器を用いてセンサ振動を測定してもよい。その結果得られる電気信号をセンサ信号または二次信号と呼んでもよい。本開示では、圧電変換器を用いてセンサ振動を測定する場合にのみ着目する。
【０００５】
回転振動する単一の圧電作動型慣性マスを備えるジャイロスコープは、外部回転振動から生じる乱れの影響を受けやすい。また、これらジャイロスコープは、慣性マスを固定ベースへ取り付ける懸架部間の機械結合により、音響損失を被る可能性もある。これらの課題は、２つの慣性マスを含むジャイロスコープを用いることにより、回避できるであろう。２つの慣性マスは、同期振動するように互いに機械結合されてもよい。
【０００６】
２つの慣性マスは、逆位相振動させることができる。本開示において、「同期逆位相振動」とは、振動サイクル中のある時点において、第１軸を軸として第１マスが時計回りに回転する場合に、第１軸と平行な第２軸を軸として第２マスが反時計回りに等角速度で回転する振動を意味する。第１マスが第１軸を軸とした時計回り回転から反時計回り回転に変化すると、第２マスは、第２軸を軸とした反時計回り回転から時計回り回転に変化する。逆位相振動では、２つの慣性マスによって固定ベースにかけられるトルクは、等しいけれども向きが逆であり、互いに打ち消し合うであろう。また、外部回転振動の各慣性マスへの影響は等しく、差動方式でセンサ変換器を読み取ることにより、センサ信号ではこの影響を打ち消すことができる。
【０００７】
図２ａは、ｘｙ平面に垂直なｚ軸を軸として異なる２方向に振動する２つの慣性マス２１１および２１２を備えるジャイロスコープの概略図である。これらのマスが反対方向に回転する第２振動段階では、矢印が逆になる。ｘｙ平面は、慣性マスの初期停止位置を定義する。本開示では、ｘｙ平面をデバイス面と呼ぶ。本開示では、この面に垂直なｚ軸を軸とした振動を面内振動、または、デバイス面内振動と呼ぶ。図２ｂは、同一の慣性マス２１１および２１２が、デバイス面内のｙ軸に平行な軸を軸として異なる２方向に振動するジャイロスコープの概略図である。回転の程度は大幅に誇張されている。これらは、ｙ軸を軸として振動するので、マス２１１および２１２は、デバイス面から逸脱して回転する。本開示では、この振動モードを面外振動、または、デバイス面外振動と呼ぶ。
【０００８】
図２ａおよび図２ｂにおいて、２つの慣性マスは、同期バネ２６によって互いに結合されている。適切に構成された同期ばねにより、慣性マス２１１および２１２のうち一方のみを駆動変換器（図示せず）で駆動振動させることで、十分に、もう一方の慣性マスを振動数が同じで逆位相の駆動振動にすることができる。つまり、同期ばね２６の縦方向曲げまたはらせん状ねじれによって、一方の慣性マスからもう一方の慣性マスへ駆動運動を伝達することができる。しかしながら、慣性マス２１１および２１２を、２つの別個の駆動変換器で駆動振動させることも可能である。この場合、同期ばね２６の曲げまたはらせん状ねじれは、これらの駆動振動を共通共振モードに同期させる。両方の慣性マスで生じるであろうセンサ振動は、慣性マス２１１および２１２のいずれか一方に接続されたセンサ変換器を介して、または、それぞれがどちらかのマスに接続された２以上のセンサ変換器を介して読み取ることができる。
【０００９】
図２ａおよび図２ｂに示すように、圧電駆動型ＭＥＭＳジャイロスコープにおける回転慣性マスは、縦長形状であれば都合がよいと考えられる。これらは、ｘ方向に縦長で、その長さはｙ方向の横幅よりも長い。用語「縦」および「横」は、本開示全体を通して、図示されたｘ方向およびｙ方向のことをそれぞれ指すために用いられる。ある物体の縦方向の測定値を主に「長さ」と称してもよいし、ある物体の横方向の測定値を主に「幅」と称してもよい。用語「鉛直」は、ｚ方向のことを指すために用いられ、これに対応する測定値を「厚み」と称する。
【００１０】
圧電駆動またはセンサ型慣性マスを組み立てる方法の１つとして、慣性マスが懸架される１または複数のアンカーポイントを少なくとも一部取り囲むように慣性マスを成形する。すなわち、慣性マスの形状は、開フレーム状または閉フレーム状でもよく、懸架構造体を、中央に位置するアンカーポイントと慣性マスの内側端の固定ポイントとの間に設けてもよい。
【００１１】
国際公開第２０１１／１３６９７２号は、中央アンカーポイントから慣性マスを懸架する懸架部に圧電変換器が配置された圧電ジャイロスコープを開示している。
【００１２】
圧電駆動センサ型ジャイロスコープでは、ある技術課題に直面することが多い。１つは、振動を駆動する変換器は、作動力を十分に生成できるようにかなり大きくなければならず、振動を検知する変換器は、信号対雑音比が大きい信号を生成できるようにかなり大きくなければならないことである。また、駆動振動運動はセンサ振動運動と完全に直交しない可能性があり、駆動動作誤差成分がセンサ信号に入り込むかもしれない。駆動振動の振幅は、通常、センサ振動の振幅よりもかなり大きいため、これは深刻な問題になり得る。さらなる課題は、圧電変換器の曲げモードでは、変換器の全長にわたって均一な曲率を示さない可能性があり、駆動力とセンサ信号の両方が小さくなり得ることである。
【００１３】
静電駆動センサ型ジャイロスコープと比較し、たとえ、静電型ジャイロスコープが、高バイアス電圧が必要で、より大きな表面を消費し、かつ、動作周波数に反比例する容量性出力信号を生成するとしても、これらの課題は圧電回転型ジャイロスコープの開発を妨げてきた。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本開示の目的は、上記課題を克服する装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本開示の目的は、独立請求項に記載されたものによって特徴づけられた構成により実現される。本開示の好適な実施の形態は、従属請求項に開示される。
【００１６】
本開示は、可撓性特性が異なる部分を含む懸架構造体を用いて固定ベースから慣性マスを懸架するという概念に基づく。これらの部分は、ある指定領域における懸架構造体の寸法を変更することによって、実際に形成されてもよい。懸架構造体は、アンカーポイントから慣性マスまで延在する単一体としてもよいが、複数の懸架部が直列接続および／または並列接続された連結構造体としても説明することができる。
【００１７】
本開示で述べる構成の利点は、任意の軸を軸とした駆動振動運動またはセンサ振動運動向けの圧電変換器を、当該軸を軸とした曲げに対する局所ばね定数が懸架構造体の他の部分におけるものより小さい懸架構造体の部分に配置することができることである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
以下、本開示について、好適な実施の形態により図面を参照しながら詳述する。
【図１】図１は、回転振動する慣性マスの図である。
【図２ａ】図２ａは、異なる回転モードで振動する慣性マスを有するジャイロスコープの図である。
【図２ｂ】図２ｂは、異なる回転モードで振動する慣性マスを有するジャイロスコープの図である。
【図３】図３は、懸架部上の面外圧電変換器の図である。
【図４】図４は、懸架部上の面内圧電変換器の図である。
【図５】図５は、中央懸架された慣性マスを有するジャイロスコープの図である。
【図６】図６は、中央懸架された慣性マスを有するジャイロスコープの図である。
【図７ａ】図７ａは、２つの連結懸架部を有する直線懸架構造体の図である。
【図７ｂ】図７ｂは、別の視点からの同じ懸架構造体の図である。
【図８】図８も、２つの連結懸架部を有する直線懸架構造体の図である。
【図９ａ】図９ａは、２つの連結懸架部とＵターン型中間体とを有する懸架構造体の図である。
【図９ｂ】図９ｂは、２つの連結懸架部とＵターン型中間体とを有する懸架構造体の図である。
【図１０ａ】図１０ａは、連結懸架部とダブルＵターン型中間体とを有する懸架構造体の図である。
【図１０ｂ】図１０ｂは、連結懸架部とダブルＵターン型中間体とを有する懸架構造体の図である。
【図１０ｃ】図１０ｃは、連結懸架部とダブルＵターン型中間体とを有する懸架構造体の図である。
【図１１ａ】図１１ａは、連結懸架部と、フレーム状部分を含む中間体とを有する懸架構造体の図である。
【図１１ｂ】図１１ｂは、連結懸架部と、フレーム状部分を含む中間体とを有する懸架構造体の図である。
【図１１ｃ】図１１ｃは、連結懸架部と、２つのＴ交差部分とつながっているダブルＵターン型部分を含む中間体とを有する懸架構造体の図である。
【図１２】図１２は、連結懸架部と、一方が構造的な支持専用でもう一方はそうでない２つのアンカーポイントとを有する懸架構造体の図である。
【図１３】図１３は、片側配列の懸架部の曲げモードの図である。
【図１４】図１４は、両側配列の懸架部の曲げモードの図である。
【図１５ａ】図１５ａは、たわみ部を有する懸架構造体、および、たわみ部の曲げの図である。
【図１５ｂ】図１５ｂは、たわみ部を有する懸架構造体、および、たわみ部の曲げの図である。
【図１５ｃ】図１５ｃは、たわみ部を有する懸架構造体、および、たわみ部の曲げの図である。
【図１５ｄ】図１５ｄは、たわみ部を有する懸架構造体、および、たわみ部の曲げの図である。
【図１６】図１６は、第２取付ポイントでたわみ部を有する両側配列の懸架部の曲げモードの図である。
【図１７】図１７は、有効重心の計算の図である。
【図１８】図１８は、代替同期構造体を有するジャイロスコープの図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
角回転を受けているジャイロスコープにおいて、各慣性マスの動きは、駆動振動とセンサ振動の組み合わせである。駆動振動が面内回転であれば、センサ振動は面外回転であり、逆の場合も同じである。
【００２０】
可動慣性マスに機械接続され、マスが動くと曲がるフレキシブル構造体は、原則、駆動圧電力を慣性マスに伝達するため、またその逆で、慣性マスの動きを圧電検知するためにも用いることができる。圧電変換器は、フレキシブル構造体を電極層および圧電層でコーティングすることにより、フレキシブル構造体の表面に形成することができ、電圧源または電流源に接続することで駆動動作させるか、またその逆に、電圧計または電流計に接続することでセンサ動作させることができる。同一の圧電変換器を、駆動変換器として用いることがあっても、センサ変換器として用いることがあってもよい。本開示では、前者の場合「駆動モード」で、後者の場合「センサモード」で変換器は動作すると言える。
【００２１】
実際には、圧電駆動変換器の面積は、十分強い駆動力を生成するために、ある下限値よりも大きくなければならない。しかしながら、コリオリ力によって引き起こされるセンサ振動の振幅は弱いため、サイズの検討は、ジャイロスコープセンサ変換器にとってよりいっそう重要なことである。センサ振動を検出するには比較的大きな変換器の面積が必要である。変換器の面積を増加させる方法の１つとして、大きいが可撓性を有する懸架部を用いて慣性マスを固定ベースから懸架し、かつ、これらの懸架部に圧電変換器を作成しておく。
【００２２】
本開示において、「固定」物とは、ＭＥＭＳジャイロスコープ構造体よりかなり大きい物体か、あるいは、より大きな構造体にしっかりと取り付けられ、振動している慣性マスから生じる反作用の力ではこの構造体に対して動けない物体のことを意味する。用語「アンカーポイント」は、懸架部などの一部可動物が固定物に取り付けられる固定物領域を指すために用いられる。懸架部がアンカーポイントに一端で取り付けられ、他端が可動慣性マスに取り付けられてもよい。
【００２３】
本開示で述べるシリコン製ＭＥＭＳの場合、「懸架」物とは、シリコン梁のみを用いて固定ベースに取り付けられた物体のことを意味する。これらの梁のうち少なくともいくつかは可撓性を有するため、物体は回転振動を受けることができる。慣性マスのサイズに対して適切な大きさであれば、細長いシリコン梁に、慣性マスの動きによって曲がるまたはねじれるのに十分な可撓性をもたせることができる。このような可撓性を有する梁をばねと呼んでもよい。圧電型ジャイロスコープにおいて、ばねは、取り付けられた慣性マスの動きによって、および／または、ばね上部に配置された圧電変換器によって曲がるよう十分な可撓性を有するべきである。
【００２４】
本開示において、用語「懸架部」は、慣性マスを固定ベースに取り付ける梁に対する一般用語として用いられる。この用語は、可撓性を有する大きさの梁だけでなく、どの方向にも有意な可撓性を示さない大きさの梁もカバーする。つまり、懸架部は可撓性を有するものもあれば、可撓性を有さないものもある。上部に圧電変換器を有する懸架部はそれぞれ、可撓性を有する。弾性特性が異なるいくつかの懸架部、または、弾性特性が異なる懸架部セットは、互いに直列に取り付けられてもよい。したがって、一鎖またはツリー状の連結懸架部を形成する。用語「懸架構造体」は、アンカーポイントから慣性マスまでそのまま延在する単一懸架部、または、アンカーポイントから慣性マスまで延在する一鎖またはツリー状の構造体を共に形成する、複数の懸架部および任意の中間体を備えるシステムに対する一般用語として用いられる。
【００２５】
図３は、面外曲げ用に構成された曲げ圧電変換器の３つの断面図を示している。変換器は、圧電材料の層と、シリコン梁３１上に堆積させた２つの電極層とを含む。変換器は、ｘｙ平面において、縦長形状である。変換器は、下部電極層３４と、圧電材料層３２と、上部電極層３３とを含む。これらの層３４、３２、３３は、共に圧電変換器を形成する。シリコン梁３１は、電極に駆動電圧を印加すると、ｘｙ平面外に曲がる。それとは逆に、外力によって懸架部３１がｘｙ平面外に曲げられる場合は、電極層３３および３４からセンサ電圧信号を読み取ることができる。
【００２６】
図４は、面内曲げ用の曲げ圧電変換器の３つの断面図を示している。この変換器は、シリコン梁４１と、一方が圧電材料層４２の上側にあって一方が下側にある（この場合、上下はｚ軸方向を指す）第１電極層の組４４１および４４２とを含む。これらの電極は、図示するとおり、第２電極層４３１および４３２とそれぞれ組になる。層４４１、４２、４３１は、共に第１圧電変換器を形成し、層４４２、４２、４３２は、共に第２圧電変換器を形成する。
【００２７】
２つの変換器に極性が逆の駆動電圧を印加すると、平均ｙ軸ひずみはゼロになり、変換器はｘｙ平面外に曲がることはない。しかしながら、２つの変換器は、逆方向のひずみをｘｙ平面において生成し、それによってシリコン梁４１はｘｙ平面内で曲がる。変換器をセンサ変換器として用いる場合、面内曲げは、２つの変換器間に電圧差を発生させるが、面外曲げは発生させない。
【００２８】
本開示では、図３および図４における図面規約を用いて、それぞれ面外曲げ用変換器および面内曲げ用変換器を説明する。つまり、懸架部上の単一矩形を用いて面外変換器を示し、懸架部上の色が逆の２つの平行な矩形を用いて面内変換器を示す。これら２つの平行な矩形は、上述したように、構造が事実上２つの変換器を備える分離構成であるにもかかわらず、単数で単一「面内変換器」と称する。
【００２９】
灰色および白色は、面外変換器の極性を示す。白色面外変換器と灰色面外変換器の両方が同じ図に描かれている場合、それぞれの上部電極と下部電極の間に極性が逆の電圧を印加すると、これらの変換器は慣性マスを正反対の異なる面外方向に作動させる。逆に、これらの変換器は正反対の面外方向に曲げられるので、それぞれの上部電極および下部電極から逆電圧を読み取ることができる。面内変換器の場合、２つの平行な矩形の並びは極性を示し、（図から分かるように）上部が白色矩形の変換器の極性は、（同じ図から分かるように）上部が灰色矩形の変換器の極性と逆である。
【００３０】
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層でもよい圧電層（３２、４２）の厚みは、通常、せいぜい数ミクロンである。シリコン梁（３１、４１）の厚みは、例えば、５０μｍでもよい。本開示では、面外変換器でコーティングされた懸架部セットの総幅は、通常、１００μｍより大きく、面内変換器でコーティングされた懸架部の幅は、通常、２５μｍより小さくして、これら２つの曲げ方向間の高可撓性比率を実現する。
【００３１】
本開示で述べる圧電変換器をセンサモードで用いる場合、変換器の静電容量が、通常は数ｐＦになる、増幅器入力静電容量と外部接続静電容量の総量に等しいとき、最も良い信号対雑音比を実現できる。変換器の静電容量は、その面積と圧電層の厚みとによって決まる。つまり、もし圧電層が厚さ０．８μｍのＡｌＮ層でばねが幅５０μｍならば、アスペクト比（２〜２０、好ましくは、５〜１０）および厚み（２０〜５０μｍ）が実用的な範囲の慣性マスを用いて一般的なＭＥＭＳ共振周波数（２０〜５０ｋＨｚ）で変換器の静電容量を２〜５ｐＦの範囲にするために、ｘｙ平面における変換器のアスペクト比（つまり、ｘ方向の長さをｙ方向の幅で割ったもの）は、１０〜３０の範囲、好ましくは、１５〜２５の範囲であるべきである。厚さ０．８μｍのＡｌＮ層で５ｐＦの静電容量を実現するのに必要なｘｙ平面における変換器の面積は、およそ０．０５ｍｍ２である。この面積は、例えば、１０００μｍ×５０μｍの寸法で取得してもよい。したがって、本開示で述べる圧電変換器、および、それらでコーティングされる懸架部は、アスペクト比が１０〜３０、好ましくは、１５〜２５の範囲の縦長形状である。
【００３２】
慣性マスのサイズおよび寸法は、より自由に選択してもよい。なぜなら、本開示で示されるように、マスが大きければ、複数の懸架部をマスに取り付けることができるからである。本開示で図示される慣性マスも縦長形状であるが、それらのアスペクト比は、変換器および懸架部のアスペクト比より小さくてもよい。慣性マスは、アンカーポイントの両側に２つの縦方向端を有してもよい。これらの縦方向端は、縦方向の長さだけｘ方向に分離されている。また、慣性マスは、アンカーポイントの両側に、横幅だけｙ方向に分離された２つの横側面を有してもよい。しかしながら、いくつかの実施の形態において、慣性マスは非対称でもよいので、アンカーポイントの片側に１つの横側面を有するだけで、もう一方の側は開口部となる。
【００３３】
図５は、中央に懸架された２フレーム形状の慣性マス５１１および５１２を有するジャイロスコープを示している。各慣性マス５１１、５１２は、固定アンカーポイント５２１、５２２が位置する中央開口部を有する。この場合、各慣性マス５１１、５１２は、アンカーポイント５２１、５２２から懸架部の組５３１＋５３２、５３３＋５３４によって懸架されている。各懸架部５３１〜５３４の一端は、第１取付ポイント５４１〜５４４でアンカーポイント５２１、５２２に取り付けられ、他端は、第２取付ポイント５５１〜５５４で慣性マス５１１、５１２に取り付けられる。懸架部５３１〜５３４は、面内および／または面外振動を生成できる圧電変換器で少なくとも部分的にコーティングされてもよい。電気接触は、例えば、アンカーポイント５２１および５２２を介して、または、この目的に特化した別個のゆるいばねを介して、これらの変換器に引き込まれてもよい。懸架部５３１〜５３４の幅および長さによって、比較的大きな変換器を懸架部の表面に製造することができる。同期ばね５６は、２つの慣性マス５１１および５１２を互いに結合する。図６も、中央に懸架された２フレーム形状の慣性マス６１１および６１２を有す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、各慣性マス６１１、６１２は、１つのより長い懸架部６３１、６３２だけから懸架されている。
【００３４】
図５および図６に図示されたジャイロスコープでは、いずれの懸架部（５３１〜５３４および６３１〜６３２）も、慣性マスを一次運動（面内回転でも面外回転でもよい）させること専用、または、ジャイロスコープが角回転を受けた場合に生じる二次運動（一次運動が面内回転であれば面外回転、また、一次運動が面外回転であれば面内回転）を検知すること専用にすることができる。各懸架部は、意図した運動をさせるか、意図した運動を検出するのに適した圧電変換器を懸架部に作成しておくことによって、その機能目的に特化させることができる。
【００３５】
しかしながら、駆動器または検出器としての意図した機能に関係なく、駆動変換器が作動すると、懸架部は全て同じ駆動振動を受ける。また、ジャイロスコープが角回転を受けるならば、懸架部は全て同じセンサ振動を受ける。つまり、面外駆動変換器でコーティングされた懸架部は、例えば、面内センサ変換器でコーティングされた同じシステム内の他の懸架部と同じ面内振動を受ける。したがって、懸架部の一部に駆動変換器を作成し、懸架部の他の部分にセンサ変換器を作成しておくことによって、駆動機能とセンサ機能を同じ懸架部上で組み合わせることができる。
【００３６】
懸架部の断面が、鉛直方向と水平方向の両方で対称な場合にのみ、駆動振動によって懸架部に生じる変形は、センサ振動によって同じ懸架部に生じる変形と完全に直交する。懸架部は、通常、厚みと幅が一定値のまま全長にわたって等しく、側壁がｘｙ平面に完全に直交する正四角柱形状を有する。しかしながら、直交側壁を有する完全なる正四角柱は、製作公差があるため実現するのが難しい。懸架部は、側壁がｘｙ平面に対して完全には直交しないわずかに傾いた鉛直分布となることが多い。このような懸架部の駆動振動モードおよびセンサ振動モードは、この場合、完全には直交しない。他の潜在的な誤差原因は、センサ変換器は、その懸架部の中心軸と完全に一致しなくてもよいということにある。それにより、駆動振動にもわずかに反応する。
【００３７】
面内駆動変換器でコーティングされた懸架部は、例えば、直交側壁を有する完全な正四角柱形状でなければ、慣性マスを、意図した面内振動にするだけでなく、同時に、面外振動させる可能性がある。この面外振動の振幅は、面内振動と比べて小さいと考えられるが、一定の小さな面外成分はシリアスな測定問題を引き起こし得る。なぜなら、駆動振動振幅は、通常、例えば自動車の場合で０．１度／秒から３００度／秒までの範囲と考えられる実際の角回転速度において、連成センサ振動振幅よりも数桁大きいからである。ジャイロスコープの振幅比は、２×Ω／ωであり、ここで、Ωは回転速度、ωは共振の角振動数である。このように、センサ振動振幅範囲は、駆動振動振幅の２×１０−８〜６×１０−５倍である。実際には、ずれは１０−４以下にすることが望ましい。なぜなら、残りのずれは電気的手段で補償することができるからである。比率１０−４は、エッチングされた懸架部における垂直角度の傾き、および、懸架部における変換器のずれのため、製造制御によって実現するのは不可能でないにしろ非常に難しい。
【００３８】
つまり、完全な直交性からのずれにより、駆動振動から検出センサ信号への直接結合が生成され、これは、センサ振動による非常に小さな結合信号を完全にマスクしてしまうと考えられる。直接結合駆動振動から生じるセンサ信号成分は、駆動振動と同位相であるが、角回転から生じるセンサ信号は、駆動振動に対して９０度の位相シフトを示す。直接結合駆動振動から生じるセンサ信号成分は、直交成分と呼ばれる。位相感知検出により、角回転によって生じる真のセンサ信号は、（複数の）センサ変換器で測定された信号からフィルタリングすることができる。しかしながら、直接結合駆動振動によるセンサ信号成分がかなり大きければ、増幅器のオーバーロードを引き起こし、位相感知検出における位相誤差により全体信号から同位相信号を分離することが不完全になるかもしれない。したがって、直接結合信号はできるだけ小さく、少なくとも駆動振幅の１０〜４倍より小さくすることが望ましい。
【００３９】
さらに、駆動変換器が配置されている懸架部も、直交方向の連成振動により変形する。これは、何も干渉信号を引き起こさないが、いくらかの信号損失の原因となる。この懸架部、または、懸架部のこの部分における結合エネルギーは、センサ信号に変換することができない。結合エネルギーの５０％が駆動懸架部、または、懸架部の駆動部分に流れるならば、センサ信号振幅は、最大可能値の７０％だけであろう。
【００４０】
本開示は、１以上の第１アンカーポイントと、１以上の第２アンカーポイントとを有する基板を備える微小電気機械ジャイロスコープを提示する。また、当該ジャイロスコープは、デバイス面内およびデバイス面外の両方において第１慣性マスが回転振動できるように構成された懸架構造体によって前記１以上の第１アンカーポイントから懸架される、デバイス面内の当該第１慣性マスと、デバイス面内およびデバイス面外の両方において第２慣性マスが回転振動できるように構成された懸架構造体によって前記１以上の第２アンカーポイントから懸架される、デバイス面内の当該第２慣性マスとを備える。さらに、当該ジャイロスコープは、前記第１慣性マスと前記第２慣性マスとを互いに取り付ける同期構造体とを備える。当該同期構造体は、前記第１慣性マスおよび前記第２慣性マスが同期逆位相駆動振動するように前記第１慣性マスと前記第２慣性マスの間で運動を伝達するよう構成される。
【００４１】
前記懸架構造体のうち少なくとも一方の懸架構造体は、懸架された前記慣性マスをデバイス面内振動運動させる、または、懸架された前記慣性マスのデバイス面内振動運動を検出するように構成された圧電型の変換器構造体でコーティングされた１以上の第１懸架部を含む第１懸架部セットと、懸架された前記慣性マスのデバイス面外振動運動を検出する、または、懸架された前記慣性マスをデバイス面外振動運動させるように構成された圧電型の変換器構造体でコーティングされた１以上の第２懸架部を含む第２懸架部セットとを備える。前記第１懸架部セットおよび前記第２懸架部セットは、前記少なくとも一方の懸架構造体内で連結される。
【００４２】
第１懸架部セットが駆動用に用いられるならば、第２懸架部セットは検出用に用いられ、そのまた逆も同じである。
【００４３】
本開示で定義したような懸架構造体は、アンカーポイントと慣性マスの間に位置するシリコン体である。懸架構造体は、常にシリコン単体であることが好ましいが、懸架構造体の様々な領域は、長さ、幅、および／または、厚さについて互いに異なるように形成することができる。例えば、懸架構造体の第１部分は、その寸法が第１方向に非常に薄くて第２方向に厚く、第１方向には曲がるが第２方向には曲がらない可撓性を本質的に持たせるようにエッチングしてもよい。同一懸架構造体の第２部分は、その寸法が第１方向に非常に厚いが第２方向に薄く、第２方向には曲がるが第１方向には曲がらない可撓性を本質的に持たせるようにエッチングしてもよい。同一懸架構造体の第３部分は、その寸法が第１方向と第２方向の両方で厚い、両方向に曲がらない剛性を本質的に持たせるようにエッチングしてもよい。
【００４４】
本開示で示される全ての実施の形態において、各懸架構造体は、全体として、その慣性マスがデバイス面内およびデバイス面外の両方で回転振動できるのに十分な可撓性を有する。懸架構造体は、十分な可撓性を確保することによって両方向に回転振動できるように構成される。しかしながら、ある方向（面内または面外）の可撓性は、懸架構造体の一部だけに位置してもよい。例えば、懸架構造体の第１部分は、面外曲げに対して可撓性を有してもよいが、同じ懸架構造体の第２部分は、面外曲げに対して可撓性がなくてもよい。この場合、懸架構造体において生じる面外変形は、第１部分だけに起こる。第２部分は、第１部分の剛体拡張部として面外運動に沿って動くが、何らかの面外曲げを起こすとは限らない。同じ状況は、面内曲げでもあり得る。そして、懸架構造体の第１部分および第２部分の役割は、第１部分は曲がらないが第２部分は曲がるように逆になってもよい。
【００４５】
つまり、懸架構造体は、全ての部分において必ずしも均一な面内および面外可撓性を有する必要なく、デバイス面内およびデバイス面外の両方において、慣性マスが回転振動できるように構成することができる。懸架構造体のある部分に面内可撓性を作成しておき、他の部分に面外可撓性を作成しておくことができる。しかしながら、実際に設計検討すると、コーティングされた懸架部全ての可撓性を最適化できない場合もあると考えられる。このような場合、センサ変換器でコーティングされた懸架部の寸法および可撓性だけを最適化すると同時に、駆動変換器でコーティングされた懸架部の寸法は別の設計検討を満たすように最適化することがよい選択肢かもしれない。
【００４６】
本開示において、このように寸法および可撓性特性が互いに異なる懸架構造体の領域は、別個の懸架部を構成すると理解される。つまり、懸架構造体は、間に中間体を任意で有する直列または並列接続された複数の懸架部を備えてもよい。懸架構造体は、１つのアンカーポイントと慣性マス間の一連の懸架部だけ、１つのアンカーポイントから慣性マスに向けて枝分かれする数連の懸架部、または、いくつかのアンカーポイントから慣性マスに向けて枝分かれする数連の懸架部を備えてもよい。
【００４７】
懸架構造体は、縦対称軸と縦対称軸に直交する第１方向の両方に直交する第２方向よりも第１方向に可撓性がかなり低い懸架部を有する第１懸架部セットを備えてもよい。この第１セットの懸架部は、第１方向よりも第２方向に可撓性がかなり低い第２懸架部セットの懸架部と連結させてもよい。つまり、第１懸架部セットと第２懸架部セットとは、互いに直交してジャイロスコープの縦対称軸に直交する方向に可撓性を示してもよい。
【００４８】
本開示において、用語「連結」は、以下の意味をもつ。まず第１懸架部のいずれかを横断してから（既に横断した第１懸架部を横切って戻る必要なく）第２懸架部のいずれかを横断することにより少なくとも１つのアンカーポイントから慣性マスまで懸架構造体を横断することが可能であれば、１以上の第１懸架部からなるセットは、１以上の第２懸架部からなるセットと連結されている。この順番は入れ替えてもよく、その場合、第２懸架部がアンカーポイントのより近くに配置されて、先に第２懸架部を横断し、続いて第１懸架部のいずれかを横断する。中間体は、第１懸架部と第２懸架部との間に位置して横断されてもよい。
【００４９】
つまり、各セットの懸架部ごとに、少なくとも１つのアンカーポイントから、その懸架部と他方のセットのいずれかの懸架部とを備える慣性マスまでの（１つの懸架部を往復しない）経路が存在するのであれば、懸架部の第１セットは懸架部の第２セットと連結されている。第１セットにも第２セットにも属さない中間体は、第１懸架部と第２懸架部の間を接続してもよい。中間体は、下記で詳述するように、特に、懸架構造体を複数の並列構造体に容易に分岐させることができる。
【００５０】
つまり、第１懸架部がアンカーポイントにより近い場合、懸架構造体は、第１端がアンカーポイントに接続された１以上の第１懸架部を備えてもよい。これら第１懸架部の第２端は、１以上の第２懸架部の第１端に接続されてもよい。これら第２懸架部の第２端は、慣性マスに接続されてもよい。あるいは、連結構造体は上述したとおりであるが、第１懸架部の第２端が中間体に接続され、第２懸架部の第１端が同じ中間体に接続されてもよい。中間体は、第２懸架部の数を第１懸架部の数よりも多くすることができる分岐構造でもよい。
【００５１】
懸架部の第１セットと第２セットの懸架部間で得られる可撓性特性の違いを定量化するために、各セットは直列および並列接続された懸架部を備えてもよい。本開示では、各懸架部セットはまとめて扱われるので、各懸架部セットは、１つの面内ばね定数と１つの面外ばね定数とによって特徴づけられる。任意の懸架部セットにおける各懸架部のばね定数と懸架構造体の形状が分かっている場合には、そのセットの組み合わせばね定数を算出することができる。
【００５２】
本開示において、用語「面内ばね定数」とは、（１）垂直軸を軸とした慣性マスの回転角度と（２）懸架構造体における任意の懸架部セットが慣性マスに作用する復元トルクとの間の比例定数のことを指す。つまり、逆に、用語「面外ばね定数」とは、（１）横軸を軸とした慣性マスの回転角度と（２）懸架構造体における任意の懸架部セットが慣性マスに作用する復元トルクとの間の比例定数のことを指す。
【００５３】
回転軸まわりを回転振動する慣性マスの共振周波数ｆは、
【数１】
2019053029.tif 000003
であり、ここで、ｋは、回転運動に対するばね定数、Ｉは、回転軸に対する慣性マスの慣性モーメントである。横対称軸（面外回転軸）に対する慣性マスの慣性モーメントは、垂直対称軸（面内回転軸）に対する慣性モーメントに等しい。面内共振周波数および面外共振周波数は同等かほぼ同等であることが好ましいので、面内振動に対する懸架構造体のばね定数は、面外振動に対する懸架構造体のばね定数と同等かほぼ同等であることが好ましい。
【００５４】
上述したように、懸架構造体が、懸架部の第２セットと（任意で中間体を介して）連結された懸架部の第１セットを備える場合、懸架構造体全体の面内ばね定数は、面内曲げにおいてはるかに高い可撓性を有するように構成された懸架部の第１セットによって決定されることが好ましい。逆に、懸架構造体全体の面外ばね定数は、面外曲げにおいてはるかに高い可撓性を有するように構成された懸架部の第２セットによって決定されることが好ましい。懸架部の第１セットの面外ばね定数（ｋＯＰ１）を、懸架部の第２セットの面外ばね定数（ｋＯＰ２）と懸架部の第１セットの面内ばね定数（ｋＩＰ１）よりもかなり大きくするによってこの状況を得てもよい。逆に、懸架部の第２セットの面内ばね定数（ｋＩＰ２）は、懸架部の第１セットの面内ばね定数（ｋＩＰ１）と懸架部の第２セットの面外ばね定数（ｋＯＰ２）よりもかなり大きくてもよい。
【００５５】
例として、駆動振動は、懸架部の第１セットから駆動される面内振動として実行され、センサ振動は、懸架部の第２セットから検知される面外振動として実行されるとすると、センサ信号における直交成分の大幅な削減は、ｋＩＰ２／ｋＯＰ２＝３〜１０の範囲内にあるばね定数比率ですでに達成されていると考えられる。しかしながら、懸架部の第２セットにおけるばね定数比率ｋＩＰ２／ｋＯＰ２をできるだけさらに大きく１０〜１００の範囲にして、直交成分を最小限に抑えるほうが好ましいと考えられる。
【００５６】
上記の例を継続すると、ｋＯＰ１／ｋＩＰ１＝２〜１０の場合にセンサ信号の著しい増加が達成されると考えられる。なぜなら、これで、上述したように、駆動変換器を含む懸架部の第１セットにおける結合エネルギーの損失を防ぐからである。ばね定数比率ｋＯＰ１／ｋＩＰ１をさらに増加させても、センサ信号はあまり改善されない。なぜなら、比率ｋＯＰ１／ｋＩＰ１＝１０ですでに十分、信号振幅は最大値の９５％以内になっているからである。いくつかの場合では、懸架部の第１セットにおいて比率ｋＯＰ１／ｋＩＰ１＝１とすることは実現可能かもしれないが、懸架部の第２セットにおいて大きいｋＩＰ２／ｋＯＰ２−比率程度直交信号を削減するという利益をとるだけである。両比率が最大になるように満たさなければならない設計上の制約により、このよりシンプルな選択肢のほうが好ましい場合もあると考えられる。
【００５７】
つまり、第１懸架部セット上の変換器構造体は、懸架された慣性マスをデバイス面内振動運動させてもよく、第２懸架部セット上の変換器構造体は、懸架された慣性マスのデバイス面外振動運動を検出してもよく、第２懸架部セットの面内ばね定数を第２懸架部セットの面外ばね定数で割った比率は、３〜１００の範囲でもよい。
【００５８】
駆動振動は面外振動として、センサ振動は面内振動として実行されるならば、対応する比率は、ｋＯＰ１／ｋＩＰ１＝３〜１００、および、ｋＩＰ２／ｋＯＰ２＝１〜１０でもよい。つまり、第２懸架部セット上の変換器構造体は、懸架された慣性マスをデバイス面外振動運動させてもよく、第１懸架部セット上の変換器構造体は、懸架された慣性マスのデバイス面内振動運動を検出してもよく、第１懸架部セットの面外ばね定数を第１懸架部セットの面内ばね定数で割った比率は、３〜１００の範囲でもよい。
【００５９】
センサ信号の直交成分の大きさは、懸架部と変換器がどの程度正確に製造されたかによって決まることを覚えておくべきである。そのため、直交成分をあるレベル、例えば、上述した１０〜４レベル以下に削減するのに必要なばね定数比率は、懸架部および変換部が高精度で製造されていれば、厳しくなく、また、高精度で製造できていなければ、厳しいであろう。
【００６０】
（実施の形態１）
実施の形態１において、懸架構造体は、中間体なしで、１つの第１懸架部と１つの第２懸架部とだけを備える。図７は、第１アンカーポイント７２１と第２アンカーポイント７２２とを備える微小電気機械ジャイロスコープを示している。また、ジャイロスコープは、デバイス面（図７のｘｙ平面）を共に定義する第１慣性マス７１１と第２慣性マス７１２も備える。同期構造体は、慣性マス７１１および７１２が所望の共振周波数で振動するときに、デバイス面内（面内）またはデバイス面外（面外）逆位相回転駆動振動を容易にする適切なねじり曲げ剛性を有するばね７６である。このジャイロスコープでは、慣性マスは両方とも、１つの第１懸架部（７３１１、７３１２）と１つの第２懸架部（７３２１、７３２２）とを備える懸架構造体から懸架される。第１懸架部７３１１と第２懸架部７３２１とは、間にいかなる中間体も有することなく連結される。第１懸架部７３１２と第２懸架部７３２２も、間にいかなる中間体も有することなく連結される。
【００６１】
本開示全体にわたり、第１慣性マスと第２慣性マスが同一の懸架構造体から懸架される対称ジャイロスコープについて説明する。しかしながら、第１慣性マスが、ある種類の懸架構造体から懸架され、第２慣性マスが、別の種類の懸架構造体から懸架されるジャイロスコープを実装することも可能である。これらの懸架構造体が互いに著しく異なる場合、それら（および慣性マス）は、所望の振動数で面内および面外共振振動を得られることが保証される大きさとなるよう注意しなければならない。つまり、ジャイロスコープの両側にある非対称な慣性マスと懸架構造体で共振振動を実現することは、対称な慣性マスと懸架構造体よりも、通常、不可能ではないが、難しい。
【００６２】
また、本開示全体にわたり、図示されたジャイロスコープは、図７ａに示すように、デバイス面内に２つの対称軸、縦対称軸とａＬ横対称軸ａＴとを有する。その他の図においても、同じ軸が描かれている。
【００６３】
本実施の形態１において、第１懸架部セットは１つの第１懸架部を含み、第２懸架部セットは１つの第２懸架部を含み、第１懸架部セットと第２懸架部セットとは直線状に連結されて、第１懸架部と第２懸架部とがジャイロスコープの縦対称軸に平行な１縦軸に沿って延在する。つまり、この場合、第１懸架部セットは第１懸架部を１つだけ備え、第２懸架部セットは第２懸架部を１つだけ備える。
【００６４】
図示されたジャイロスコープの全てではないがほとんどにおいて、少なくとも１つの対称軸の一方側にある懸架構造体上のどの変換器も、当該対称軸の他方側の懸架構造体上にある逆極性の変換器に対して左右対称に置かれている。つまり、対称ジャイロスコープ内のある懸架部上の変換器が一方の極性を有していれば、通常、その対称軸の反対側にある対応懸架部上の変換器は、逆の極性を有する。これは有益な配列である。なぜなら、多くの誤差を打ち消すことで知られている、センサ信号の完全な対称差動検出を可能にするからである。また、駆動電圧の不要な容量結合量を低減すると考えられる、完全な対称差動駆動も可能にする。しかしながら、必ずしも厳密にこのように変換部を配列する必要はない。なぜなら、厳密な形状対称性がなくとも差動検出および差動駆動は、変換器の上部電極と下部電極への接続を入れ替えること（例えば、図３の３３ではなく３４を検出電極または駆動電極として用いて、３４ではなく３３を接地する）によっても実現できるからである。
【００６５】
図７ａおよび図７ｂは、可撓性特性が異なる連結懸架部をどのようにして得られるのか示している。これらの図は、デバイス面内の慣性マス７１２の懸架構造体を示している。慣性マス７１１の懸架構造体は、同じ形状だが、図７ｂでは見えない。図７ａおよび図７ｂから分かるように、面外変換器が配置された懸架部７３２２は、面内変換器が配置された懸架部７３１２よりも、ｙ方向に横幅がかなり大きく、ｚ方向に厚みがかなり小さい。これは、懸架部７３２２は、デバイス面内よりもデバイス面外にはるかに高い可撓性を有して曲がり、懸架部７３２１は、それに応じて、デバイス面外よりもデバイス面内にはるかに高い可撓性を有して曲がることを意味する。
【００６６】
懸架部７３１２および７３２２が連結されている懸架構造体は、駆動振動がセンサ振動に結合するリスクを大幅に減らし、それによって、懸架部断面および変換部配列の両方に関する製造要件を緩和する。例えば、図７ａおよび図７ｂに図示されたジャイロスコープにおける駆動振動が、懸架部７３１１および７３１２上の変換器によって駆動される面内振動であれば、駆動振動によって懸架構造体に生じる曲げは、懸架部７３１１および７３１２に対してのみに大いに制限されるであろう。懸架部７３２１および７３２２の横幅が比較的大きいことによって、これら懸架部で起きる面内振動の振幅はかなり小さいことが保証される。したがって、懸架部７３２１および７３２２内の面内振動は、これら懸架部に配置された面外変換器から測定されるセンサ信号に容易には結合しないであろう。駆動振動が、懸架部７３２１および７３２２上の変換器によって駆動される面外振動であれば、状況は類似しており、センサ振動は、懸架部７３１１および７３１２上の変換器で検出される面内振動である。連結は、順序を入れ替えて行うこともできる。その場合、面内変換器を有する厚くて狭い懸架部７３１１および７３１２がアンカーポイントに接続され、薄くて幅広な懸架部７３２１および７３２２が慣性マスに接続される。
【００６７】
懸架部７３２１と７３２２の幅対厚みの比率、および、懸架部７３１１と７３１２の厚み対幅の比率は、例えば、２より大きくてもよい。任意の曲げ方向における懸架部の剛性は、その方向における懸架部の大きさの３乗に比例する。懸架部７３１１および７３１２の長さが懸架部７３２１および７３２２の長さに等しければ、懸架部７３１１および７３１２の幅は、懸架部７３２１および７３２２の厚みと等しいことが好ましい。これにより、面内および面外モードに対して基本的に等しい共振周波数が生じる。
【００６８】
つまり、図７ｂに図示されたジャイロスコープでは、第１懸架部７３１２と第２懸架部７３２２の縦方向長さは等しく、第１懸架部７３１２の横幅は、第１懸架部７３１２の鉛直方向の厚みより小さいが、第２懸架部７３２２の鉛直方向の厚みと等しく、第２懸架部７３２２の横幅は、第１懸架部７３２１の鉛直方向の厚みと等しい。
【００６９】
図７ａおよび図７ｂに図示されるジャイロスコープのように、懸架構造体に厚みが異なる部分を作成しておくことは、容易でないか、または、費用効率が高くない場合もあるかもしれない。しかしながら、厚みを変えることなく連結懸架部の長さと幅だけを変えることにより、駆動振動のセンサ信号への結合を、上述した機構を介して低減することもできる。図８は、参照符号８１１、８１２、８２１、８２２、および、８６が、図７ａおよび図７ｂの７１１、７１２、７２１、７２２、および、７６に対応しているジャイロスコープの図である。連結懸架部８３１１＋８３２１、および、８３１２＋８３２２は、この場合、ｘ方向における長さが等しくない。代わりに、面外変換器でコーティングされた懸架部８３１１および８３１２が、面内変換器でコーティングされた懸架部８３２１および８３２２よりも長い。
【００７０】
懸架部８３１１および８３１２の長さが増えると、剛性は面内方向に高くなり、懸架部８３２１および８３２２の長さが減ると、剛性は面外方向に高くなる。これは、直線バーの面内回転ばね定数ｋｉｐはｗ３ｈ／ｌに比例し、面外ばね定数ｋｏｐはｗｈ３／ｌに比例するからである。ただし、ｗはバーの幅、ｈはバーの厚み、ｌはバーの長さである。
【００７１】
懸架部デザインの具体例として、第１懸架部１は、面内方向の駆動運動に対して用いられ、第２懸架部２は、面外方向の連成運動を検知するのに用いられる場合を考える。ばね定数に必要な要件は、ｋＩＰ１＝ｋＯＰ２ということである。なぜなら、周波数が一致しなければならないからである。第２懸架部２のばね定数間の目標比率は、例えば、直交信号を９倍に削減するｋＩＰ２＝９×ｋＯＰ２でもよい。第１懸架部１のばね定数は、連成運動エネルギーの５０％は駆動ばね内にあってセンサ信号に寄与しないことを意味するｋＩＰ１＝ｋＯＰ１でもよい。上記の比例関係と組み合わせると、これらの要件は、ｗ２＝３×ｈ、ｗ１＝ｈ、および、ｌ２＝３×ｌ１という懸架部の寸法関係となる。
【００７２】
つまり、この場合、第１懸架部８３１２と第２懸架部８３２２の鉛直方向の厚みは等しく、第１懸架部８３１２と第２懸架部８３２２の横幅は異なるが、第１懸架部８３１２の縦方向長さは第２懸架部８３２２の縦方向長さよりも大きい。長さは、慣性マスの面内および面外共振周波数が基本的に等しくなるような寸法であるべきである。
【００７３】
また、連結懸架部は全３次元において互いに異なるように、図７ａ、図７ｂ、および、図８に図示された選択肢を混ぜ合わせることが可能である。しかしながら、直交する駆動振動モードおよびセンサ振動モードの共振周波数は、基本的に等しいままでなければならない。図７ａおよび図８に図示される両ジャイロスコープにおいて、面内変換器は、駆動振動を作動させるために、面外変換器は、センサ振動を検出するために用いられることが好ましいと考えられる。面外変換器を作動用に、面内変換器を検出用に用いることも可能であるが、面内モードにおいて大きな駆動振幅を生成するほうがより簡単であることが多い。センサ振動を測定して強いセンサ信号を得る変換器用に最も大きな領域を用いることも望ましい。
【００７４】
（実施の形態２）
図９ａおよび図９ｂは、第１懸架部セットは、１つの第１懸架部を含み、第２懸架部セットは、１つの第２懸架部を含み、第１懸架部セットと第２懸架部セットとは、Ｕターン型中間体を介して並列に連結されて、第１懸架部は、アンカーポイントから中間体まで第１縦軸に沿って第１縦方向に延在し、第２懸架部は、中間体から慣性マスまで第２縦軸に沿って反対縦方向に延在する、懸架構造体のジャイロスコープを示している。つまり、第１懸架部セットは第１懸架部を１つだけ備え、第２懸架部セットは第２懸架部を１つだけ備える。つまり、ジャイロスコープの横対称軸は、第１懸架部および第２懸架部の縦方向の真ん中と交差すると考えられる。
【００７５】
本開示では、任意の懸架部がある方向に「延在する」という表現は、アンカーポイントから慣性マスまで懸架構造体を横断するパス上の拡張部分、つまり、アンカーポイントにより近い端からアンカーポイントからより遠い端までの拡張部分だけを指す。
【００７６】
図９ａは、第１慣性マス９１１の懸架構造体が連結懸架部９３１１および９３２１を備えるジャイロスコープを示している。第１懸架部９３２１の一端はアンカーポイント９２１に取り付けられ、他端は中間体９７１に取り付けられる。第１懸架部９３２１は、図９ａの左に向けて延在する。
【００７７】
中間体は、この場合、Ｌ字状のＵターン型中間体であり、それによって、懸架構造体を横断するパスは１８０度方向転換できる。中間体９７１を構成する部分は、図９ａおよび図９ｂに図示するように、アスペクト比が比較的小さい。これによって、懸架部９３１１よりも面外回転における剛性がかなり高くなり、また、懸架部９３２１よりも面内回転における剛性が高くなる。
【００７８】
第２懸架部９３１１の一端は中間体９７１に取り付けられて、他端は慣性マス９１１に取り付けられる。第２懸架部９３１１は図９ａの右に向かって延在するので、第１懸架部と第２懸架部は、２つの平行な縦軸に沿って反対縦方向に延在する。
【００７９】
実施の形態１に示したいずれの配列でも、第１懸架部９３２１の面内可撓性を高くして、かつ、第２懸架部９３１１の面外可撓性を高くすることができる。つまり、面内可撓性は、狭い横幅を介して取得し、面外可撓性は、薄い鉛直方向の厚さを介して取得してもよく、それら両方とも、懸架部の縦方向長さを変えることによって取得してもよい。
【００８０】
図９ｂは、図９ａと同じ構成部分を有するジャイロスコープを示している。しかしながら、図９ａにおける慣性マス９１１および９１２は、対応する慣性マスによって各アンカーポイントが四方を囲まれている中央開口部を有している。一方、図９ｂにおける慣性マス９１３および９１４は、対応する慣性マスによって各アンカーポイントが三方だけを囲まれている中央開口部を有している。この形状を有する慣性マスは、本開示の別の実施の形態でも用いることができる。
【００８１】
図９ａおよび図９ｂに図示された懸架構造体における第１懸架部および第２懸架部の縦方向の真ん中と交差するジャイロスコープの横対称軸ａＴは、各慣性マス９１１および９１２の有効重心とも交差する。この配列により、慣性マスが純回転運動すると、各懸架部の端で純曲げモーメント負荷が生じる。これにより、各懸架部の長さに沿った均一な曲げが生じ、そして、懸架部上の変換器に均一な電荷分布が生じる。それは、全ての外部振動、つまり、直線および回転振動の影響も打ち消す。
【００８２】
（実施の形態３）
互いに並列な圧電センサ変換器でコーティングされた複数の懸架部を、横方向に距離をおいて配置することは、駆動振動とセンサ振動との間の結合を削減する代替方法である。この配列の利点は、面外ばね定数を大きくすることなく、比較的狭い並列懸架部間の間隔を大きくすることによって、懸架構造体の面内ばね係数をかなり大きくすることができることである。先の実施の形態では、面外変換器でコーティングされた懸架部の幅を大きくすると、面外ばね定数も大きくなっていた。
【００８３】
図１０ａは、実施の形態３に係るジャイロスコープを示しており、第１懸架部セットは、１つの第１懸架部を含み、第２懸架部セットは、２つの第２懸架部を含み、第１懸架部セットと前記第２懸架部セットとは、ダブルＵターン型中間体を介して並列に連結されて、第１懸架部は、アンカーポイントから中間体まで第１縦軸に沿って第１縦方向に延在し、２つの第２懸架部は、中間体から慣性マスまで第２縦軸および第３縦軸に沿って反対縦方向に延在している。ジャイロスコープの横対称軸は、第１懸架部および２つの第２懸架部の縦方向の真ん中と交差すると考えられる。つまり、この場合、第１懸架部セットは第１懸架部を１つだけ備えるが、第２懸架部セットは並列接続された２つの第２懸架部を備える。
【００８４】
図１０ａにおける上側の慣性マスを参照すると、第１懸架部セットは、面内変換器でコーティングされた懸架部１０３１１を備える。懸架部１０３１１は、アンカーポイントから左に向けて延在し、他端で中間体１０７１に接続される。中間体１０７１は、ダブルＵターン形状であり、図１０ａではＴ形状として実装されているが、他の形状で実装することもできる。ダブルＵターン形状によって、懸架構造体を横断するパスを、中間体で反対方向に１８０度方向転換する２つの異なるパスに分岐することができる。すでに述べたように、中間体１０７１を構成する部分はアスペクト比が比較的小さく、これによって、懸架部１０３２１および１０３２２よりも面外回転における剛性がかなり高くなり、また、懸架部１０３１１よりも面内回転における剛性が高くなる。この剛性により、中間体は、回転振動の両形態を、一方の連結懸架部セットから他方の連結懸架部セットへ振動を変えることなく伝達することができる。
【００８５】
２つの第２懸架部、つまり、上側第２懸架部１０３２１および下側第２懸架部１０３２２は、懸架部の第２セットを形成する。第２懸架部はそれぞれ、中間体１０７１から慣性マス１０１１まで図１０ａの右に向かって延在する。つまり、第２懸架部１０３２１および１０３２２は、第１懸架部１０３１１と反対の縦方向に延在する。
【００８６】
ジャイロスコープの横対称軸ａＴは、第１懸架部セットおよび第２懸架部セットにおける全ての懸架部の縦方向の真ん中と交差し、各慣性マス１０１１および１０１２の有効重心とも交差する。
【００８７】
実施の形態１に示したいずれの配列でも、第１懸架部１０３１１の面内可撓性を高くして、かつ、第２懸架部１０３２１および１０３２２の面外可撓性を高くすることができる。つまり、面内可撓性は、狭い横幅を介して取得し、面外可撓性は、薄い鉛直方向の厚さを介して取得してもよく、それら両方とも、懸架部の縦方向長さを変えることによって取得してもよい。
【００８８】
図１０ｂは、上側第２懸架部１０３２１が第１アンカーポイント１０２１１から右に向かって延在し、下側第２懸架部が第２アンカーポイント１０２１２から右に向かって延在する代替実装例を示している。これら２つの第２懸架部の他端は、先と同様にＴ形状体の中間体１０７１に接続されている。この場合、中間体のダブルＵターン形状により、懸架構造体を横断するパスを、中間体で２つの異なるパスから１つの単一パスへ終結することができる。そして、中間体は、第２懸架部１０３２１および１０３２２が延在する方向と反対の縦方向に慣性マス１０１１まで延在する第１懸架部１０３１１に接続される。
【００８９】
慣性マス１０１１および１０１２は、図１０ａ〜図１０ｃに図示するように、第２懸架部１０３２１および１０３２２間の隙間に延在する凸部１０８を任意で備えてもよい。これら凸部の目的は、対称軸ａＴがＥＣＯＧおよび懸架部の中間点と一致するように慣性マスと懸架構造体との組み合わせ有効重心（ＥＣＯＧ）を調整する際の助けとすることである。
【００９０】
図１０ａおよび図１０ｂにおいて、第１慣性マス１０１１の懸架構造体における第２懸架部１０３２１および１０３２２をコーティングする変換器は、第２慣性マス１０１２の懸架構造体における第２懸架部１０３２３および１０３２４をコーティングする変換器と極性が異なる。慣性マス１０１１および１０１２は、横対称軸ａＴを軸として逆位相振動し、一方がこの軸まわりを時計回りに回転すると、もう一方が反時計回りに回転するので、この配列により、共通モード振動、つまり、慣性マスの同位相運動による誤差を打ち消すセンサ信号差動読み出しが容易になる。このような共通モード運動は、ジャイロスコープに影響を及ぼす外部角振動によって発生すると考えられる。
【００９１】
しかしながら、第２懸架部１０３２１および１０３２２が中間体１０７１から慣性マス１０１１まで右に向かって延在し、第２懸架部１０３２３および１０３２４が中間体１０７２から慣性マス１０１２まで左に向かって延在する図１０ｃに図示するように、第１慣性マスと第２慣性マスの懸架構造体を、ジャイロスコープの横対称軸および縦対称軸に対して非対称に配列することも可能である。この場合、軸ａＴを軸とした慣性マス１０１１の時計回りの回転によって、第２懸架部１０３２１および１０３２２は、慣性マス１０１２の反時計回りの回転によって第２懸架部１０３２３および１０３２４が曲がる方向と同じ方向に曲がるので、同じ極性の信号が両方の懸架部セット上の変換器の上部電極に生じ、これらの足し合わせをセンサ信号として用いることができる。
【００９２】
また、共通モード運動も退けられる。なぜなら、共通モード運動により、２つの懸架部セット上の変換器に逆の極性の信号が生じ、その信号を足し合わせることによって、共通モード信号の打ち消しが起きるからである。この構造では、電気的クロストークを打ち消すのに好ましい対称差動電気検出を自動的に行うことはできない。この場合、一方の懸架部セット上の変換器の上部電極および下部電極の役割を入れ替えることによって、少なくともほぼ対称差動電気検出することができる。しかしながら、完全な電気的対称性は、この場合不可能である。なぜなら、下部電極は下層のシリコンと容量結合しているが、上部電極はしていないからである。
【００９３】
（実施の形態４）
上述した実施の形態１、実施の形態２、および、実施の形態３において、第１懸架部セットは、第１懸架部を１つだけ備える。図１１ａは、実施の形態を示しており、第１懸架部セットは、２つの第１懸架部を含み、第２懸架部セットは、２つの第２懸架部を含み、第１懸架部セットと前記第２懸架部セットとは、アンカーポイントを取り囲むフレームダブルＵターン型中間体を介して並列に連結されて、２つの第１懸架部は、アンカーポイントから中間体まで第１縦軸に沿って反対縦方向に延在し、２つの第２懸架部は、中間体から慣性マスまで第２縦軸および第３縦軸に沿って同じ縦方向に延在している。第２縦軸および第３縦軸は、第１縦軸から等距離で第１縦軸の両側に位置する。
【００９４】
図１１ａにおいて、各懸架構造体のアンカーポイント１１２１および１１２２は、ジャイロスコープの横対称軸（ａＴ）上に位置する。アンカーポイント１１２１から慣性マス１１１１を懸架する懸架構造体についてのみ詳述する。図から分かるように、慣性マス１１１２の懸架構造体は同一である。第１懸架部セットは、中央のアンカーポイント１１２１から中間体のフレーム状部分１１７１１まで反対２方向に縦方向に延在する２つの第１懸架部１１３１１および１１３１２を備える。アンカーポイントは、中間体のフレーム状部分１１７１１によって囲まれている。中間体は、ダブルＵターン部分１１７１２も備える。フレーム状部分１１７１１とダブルＵターン部分１１７１２は合わせると、図１１ａから分かるように、先の実施の形態で説明した文字Ｔに似ている。
【００９５】
２つの第１懸架部１１３１１および１１３１２は、アンカーポイントから中間体のフレーム状部分１１７１１まで延在する。実施の形態３における中間体の利用方法と同様に、中間体のダブルＵターン部分１１７１２は、慣性マスの中央開口部の一方の縦方向端付近で懸架構造体を２つの別個のパスに分岐させる。すでに述べたように、中間体の２つの部分１１７１１および１１７１２は、懸架部１１３２１および１１３２２よりも面外回転における剛性がかなり高く、また、懸架部１１３１１および１１３１２よりも面内回転における剛性が高い。この剛性により、中間体は、回転振動の両形態を、一方の連結懸架部セットから他方の連結懸架部セットへ振動を変えることなく伝達することができる。
【００９６】
第１縦軸は、アンカーポイント１１２１を通り、第２縦軸および第３縦軸は、中間体のダブルＵターン部分１１７１２の２つの横方向端を通る。
【００９７】
２つの面外懸架部１１３２１および１１３２２は、図９ａおよび図９ｂで説明したように、図示された懸架部１１３２１および１１３２２よりも横幅が大きい１つの第２懸架部で置き換えられてもよい。また、第２懸架部１１３２１および１１３２２が延在する縦方向は、図１０ｃで説明したように、第２懸架部１１３２３および１１３２４が延在する縦方向と反対向きであってもよい。
【００９８】
（実施の形態５）
図１１ｂは、慣性マス１１１１の懸架構造体において、中間体が、先と同様に、第１アンカーポイント１１２１と第１懸架部１１３１１および１１３１２とを取り囲むフレーム状部分を備える別の実施の形態を示している。しかしながら、この場合、第２懸架部セットは、４つの懸架部１１３２１〜１１３２４を備える。
【００９９】
図示された実施の形態において、第１懸架部セットは、２つの第１懸架部を含み、第２懸架部セットは、４つの第２懸架部を含み、第１懸架部セットと前記第２懸架部セットとは、アンカーポイントを取り囲むフレームダブルＴ交差型中間体を介して並列に連結される。２つの第１懸架部は、第１アンカーポイントから中間体のフレーム部分まで、第１縦軸に沿って反対縦方向に延在している。２つの第２懸架部は、中間体の第１Ｔ交差部分から慣性マスまで第２縦軸に沿って反対縦方向に延在する。さらに別の２つの第２懸架部は、中間体の第２Ｔ交差部分から慣性マスまで第３縦軸に沿って反対縦方向に延在し、第２縦軸および第３縦軸は、第１縦軸から等距離で第１縦軸の両側に位置する。
【０１００】
慣性マス１１１１の懸架構造体における第１懸架部セットは、先と同様に横対称軸ａＴ上に位置するアンカーポイント１１２１から反対２方向に縦方向に延在する２つの第１懸架部１１３１１および１１３１２を備える。第１懸架部は、アンカーポイント１１２１から中間体のフレーム状部分１１７１１まで延在している。しかしながら、この場合、図１１ｂに示すように、中間体は、フレーム状部分１１７１１から反対横方向に延在する２つのＴ交差部分１１７１２および１１７１３を介して、ジャイロスコープの縦中心で複数のパスに分岐している。
【０１０１】
この配列では、第２懸架部１１３２１および１１３２２が、中間体のＴ交差部分１１７１２の両側で第２縦軸上に配列され、さらに別の２つの第２懸架部１１３２３および１１３２４が、中間体のＴ交差部分１１７１３の両側で第３縦軸上に配列されている。つまり、第１縦軸は、アンカーポイント１１２１を通り、第２縦軸および第３縦軸は、中間体のフレーム状部分１１７１１から反対横方向に延在するＴ交差部分１１７１２および１１７１３を通る。
【０１０２】
第２懸架部１１３２１〜１１３２４は、第１縦軸と横対称軸ａＴとに対して対称に配列されてもよい。
【０１０３】
（実施の形態６）
また、中間体は、２つのＴ交差部分に接続されたダブルＵターン部分を備えてもよい。この代替手段は、図１１ｃに示される。
【０１０４】
図示された実施の形態において、第１懸架部セットは１つの第１懸架部を備え、第２懸架部セットは４つの第２懸架部を備える。第１懸架部セットおよび第２懸架部セットは、ダブルＵターンダブルＴ交差型中間体を介して並列に連結される。第１懸架部は、アンカーポイントから中間体のダブルＵターン部分まで、第１縦軸に沿って第１縦方向に延在している。２つの第２懸架部は、第２縦軸に沿って中間体の第１Ｔ交差部分から慣性マスまで反対縦方向に延在する。さらに別の２つの第２懸架部は、第３縦軸に沿って中間体の第２Ｔ交差部分から慣性マスまで反対縦方向に延在する。第２縦軸および第３縦軸は、第１縦軸から等距離で第１縦軸の両側に位置する。
【０１０５】
先と同様に、慣性マス１１１１の懸架構造体にのみ着目すると、第１懸架部セットは、この場合、アンカーポイント１１２１から中間体のダブルＵターン部分１１７１１まで延在する懸架部１１３１１のみを備える。ダブルＵターン部分は、ジャイロスコープの横対称軸ａＴまで延在する２つの別個の枝に分岐している。中間体の２つのＴ交差部分１１７１２および１１７１３は、横対称軸上に位置することが好ましい。なぜなら、これにより、横対称軸の片側にある第２懸架部１１３２１および１１３２３は、横対称軸のもう一方の側にある第２懸架部１１３２２および１１３２４と長さを同じにできるからである。横対称軸上では、図１１ｃに示すように、中間体の２つのＴ交差部分１１７１２および１１７１３が、中間体のダブルＵターン部分１１７１１から反対２横方向に延在している。
【０１０６】
第１懸架部１１３１１がアンカーポイント１１２１から横対称軸まで延在しているだけならば、中間体のダブルＵターン部分１１７１１は、Ｔ交差部分と置き換えられるであろう。しかしながら、第１懸架部１１３１１の長さは、図１１ｃに図示するとおり横対称軸と交差できるように大きくすることが好ましく、そうすると、ダブルＵターン部分が、第１ばね１１３１１を、横対称軸まで延在する第２ばね１１３２１〜１１３２４と連結させるのに中間体において必要である。
【０１０７】
この配列では、第２懸架部１１３２１および１１３２２が、中間体のＴ交差部分１１７１２の両側で第２縦軸上に配列され、さらに別の２つの第２懸架部１１３２３および１１３２４が、中間体のＴ交差部分１１７１３の両側で第３縦軸上に配列されている。つまり、第１縦軸は、アンカーポイント１１２１を通り、第２縦軸および第３縦軸は、中間体のダブルＵターン部分１１７１１から反対横方向に延在するＴ交差部分１１７１２および１１７１３を通る。
【０１０８】
（実施の形態７）
懸架構造体が慣性マスを懸架するアンカーポイントの数は、２以上でもよい。これにより、慣性マスを構造的に支持するのに特化した懸架部の追加が容易になる。１以上の支持懸架部を含めることにより、駆動目的およびセンサ目的で用いられる第１懸架部セットおよび第２懸架部セットに対する新たな設計選択肢が広がる。
【０１０９】
図１２は、第１懸架部セットが１つの第１懸架部を備え、第２懸架部セットが２つの第２懸架部を備える、実施の形態を示している。第１懸架部セットおよび第２懸架部セットは、第１アンカーポイントからＥ交差型中間体を介して並列に連結されて、第１懸架部は、第１アンカーポイントからＥ交差型中間体の横方向端まで第１縦軸に沿って第１縦方向に延在する。第１懸架部は、Ｅ交差型中間体の横方向端に可撓性を有して取り付けられる。２つの第２懸架部は、Ｅ交差型中間体から慣性マスまで、第２縦軸および第３縦軸に沿って第１縦方向とは反対の第２縦方向に延在する。支持懸架部は、第２アンカーポイントからＥ交差型中間体まで、第４縦軸に沿って第１縦方向に延在している。第２縦軸および第３縦軸は、第４縦軸の両側に位置する。支持懸架部の面内ばね定数は、第１懸架部セットの面内ばね定数よりかなり小さく、支持懸架部の面外ばね定数は、第２懸架部セットの面外ばね定数よりかなり大きい。
【０１１０】
先と同様に、図１２に図示された実施の形態における慣性マス１２１１の懸架構造体にのみ着目すると、第１アンカーポイント１２２１１は、慣性マス１２１１のすぐ近傍に位置する。慣性マスは、慣性マス１２１１によって第２アンカーポイント１２２１２が三方を囲まれた中央開口部を有する。慣性マス１２１１が必要とする構造的支持部は、支持懸架部１２４１を介して第２アンカーポイント１２２１２から設けられるが、第１アンカーポイント１２２１１は、第１懸架部１２３１１の一端を単に固定するだけである。
【０１１１】
支持懸架部１２４１は、圧電変換器でコーティングせずに、非常に狭くかつ短くてもよい。支持懸架部１２４１は、ｚ方向に厚くてもよく、縦方向に短いので、第２懸架部１２３２１および１２３２２よりも面外曲げにおける剛性が高い。つまり、支持懸架部１２４１の面外ばね定数は、第２懸架部セットの面外ばね定数よりかなり大きい。したがって、慣性マス１２１１の面外運動から生じる曲げ動作は、第２懸架部に集中する。
【０１１２】
一方、支持懸架部１２４１は、横方向に狭いことにより、第１懸架部１２３１１よりも面内曲げにおける可撓性が高い。つまり、支持懸架部の面内ばね定数は、第１懸架部セットの面内ばね定数よりかなり小さい。したがって、慣性マスの面内振動を妨げることはない。第１懸架部１２３１１は、ｘ方向に薄いたわみ部１２５１を有する中間体１２７１に取り付けられる。第１懸架部が慣性マスを面内振動させる場合、第２懸架部１２３２１および１２３２２と中間体１２７１とは、面内振動を慣性マス１２１１に大きく弱めることなく伝達する。システムの面内共振周波数は、第１懸架部、および、慣性体の慣性モーメントによって決定される。支持懸架部１２４１は、振動の振幅または共振周波数にほとんど影響を与えない。
【０１１３】
中間体は、文字Ｅに似た形状である。この配列において、第１懸架部１２３１１が第１縦軸上にある場合ならば、第２懸架部１２３２１は、Ｅ交差型中間体の一方の横方向端（図１２の平面における交差の最上部分）に交差する第２縦軸上にある。もう一方の第２懸架部１２３２２は、Ｅ交差型中間体の他方の横方向端（図１２の平面における交差の最下部分）に交差する第３縦軸上にある。支持懸架部１２４１は、Ｅ交差型中間体の中点と交わる第４縦軸上にある。第４縦軸は、第２アンカーポイント１２２１２を通り、第２縦軸および第３縦軸は、Ｅ交差型中間体の両横方向端を通る。
【０１１４】
（補完的な実施の形態）
慣性マスに接続された懸架部の曲げモードは、慣性マスの共振周波数と、懸架部の寸法および上部で変換器に印加される電圧と、懸架部が振動慣性マスにどのように取り付けられているかとによって決まる。共振振動では、どの懸架部の曲げモードも、懸架部上の変換器を駆動用に用いているかセンサ用に用いているかにかかわらず、同じである。慣性マスは、懸架部を、その共振振動に対応する曲げモードにする。
【０１１５】
つまり、駆動変換器の機械的作動、および、共振慣性マスから生じる力は、必ず共に作用して、懸架部を共に曲げるけれども、慣性マスが共振振動すると、共振慣性マスから生じる力は作動駆動力よりはるかに大きくなる。曲げモードは、共振運動に順応しなければならない。
【０１１６】
懸架部の曲げが、慣性マスの動きによって左右されると、懸架部の曲げモードは、懸架部の全長にわたって必ずしも均一な曲率を示さない。
【０１１７】
面外振動の図６における懸架部６３１の場合について、図１３で説明する。慣性マス６１１が、ｙ軸を軸とした面外回転を受けると、懸架部６３１は曲がる。第２取付ポイント６５１での可撓性を有さない取り付けにより、懸架部の外側端はガイド端として動く。これにより、懸架部６３１は、図１３に示すように、懸架部の表面応力の符号逆転、つまり、取付ポイント６４１と取付ポイント６５１の間の対応変換器の両側で電荷の符号逆転が生じるＳ形状となる。図１３における符号は、両側それぞれの懸架部にわたる表面応力の符号を表す。懸架部の上面が変換部でコーティングされている場合、符号は、変換部の両側それぞれにおける電荷の符号を表すこともできる。図示された曲げモードは、最適なものではない。なぜなら、各センサ電極において符号が逆の電荷が互いに打ち消し合うとセンサ電圧信号は低下し、信号対雑音比が低下するからである。図１４は、面外振動の図５における懸架部５３１の場合について、同じ課題を示している。どちらの配列でも、面内振動において同じ課題が発生する。
【０１１８】
可撓性を有さない取り付け、および、Ｓ状曲げは、外力と懸架部の変位との関係を非線形にするため、曲げは、単一のばね定数では特徴付けられない。駆動変換器、および、共振で発生した高振幅振動の場合、振幅が大きくなると、非線形性により振動の共振周波数は低下する。また、非線形性により、エネルギー損失が増加して実効Ｑ値は低下する。なぜなら、振動エネルギーの一部がより大きな調和振動数へ不可逆変換されるからである。また、Ｓ状曲げモードによってもばね定数値は大きくなり、より大きな慣性マスが必要になる場合もあると考えられる。
【０１１９】
これらの課題を軽減するためには、できる限り純回転に近づけた回転モードで振動するように慣性マスを設定することが有益となり得る。純回転では、純曲げモーメントのみが慣性マスに取り付けられた懸架部にかかり、懸架部は均一な曲率で曲がる。
【０１２０】
図１４、および、図１１ａ〜１１ｂのように、１つのアンカーポイントまたは中間体から２つの懸架部が反対方向に延在する両側配列を含む懸架構造体では、懸架部を慣性マスに取り付ける取付ポイントにたわみ部を作成しておくことによって、これら懸架部の曲げモードを改善することができる。たわみ部１１６１〜１１６４は、図１１ｃに列挙されており、図１１ａ〜１１ｂ全てにおいて対応するたわみ部は、両方の慣性マス１１１１および１１１２に図示されている。
【０１２１】
ジャイロスコープの一例は、少なくとも１つのアンカーポイントを有する基板と、第１縦方向端および第２縦方向端を有する慣性マスとを備えてもよい。少なくとも１つのアンカーポイントから中間体のフレーム形状部分まで反対縦方向に延在する２つの第１懸架部を含む懸架構造体により、慣性マスは少なくとも１つのアンカーポイントから懸架されてもよい。各第１懸架部は、第１取付ポイントからそのアンカーポイントまで、および、第２取付ポイントから中間体のフレーム形状部分まで取り付けられてもよい。１以上の第１懸架部は、慣性マスにおける振動回転運動を駆動または検出するように構成された圧電変換器構造体でコーティングされてもよく、これらコーティングされた懸架部は、第２取付ポイントから中間体までたわみ部を用いて取り付けられてもよい。
【０１２２】
同じ懸架構造体は、中間体の１以上の部分から慣性マスまで反対縦方向に延在する第２懸架部を備えてもよい。第２懸架部は、第１取付ポイントから中間体まで、および、第２取付ポイントから慣性マスまで取り付けられてもよい。１以上の第２懸架部は、慣性マスにおける振動回転運動を駆動または検出するように構成された圧電変換器構造体でコーティングされてもよく、これらコーティングされた懸架部は、第２取付ポイントから慣性マスまでたわみ部を用いて取り付けられてもよい。
【０１２３】
たわみ部は、第１懸架部に対してのみ（図１１ａ）、第１懸架部と第２懸架部に対してのみ（図１１ｂ）、または、第２懸架部に対してのみ（図１１ｃ）、懸架構造体に実装することができる。
【０１２４】
用語「たわみ部」は、曲げまたはねじりによって、慣性マスと懸架部の間に作用する曲げモーメントを吸収できるよう十分な可撓性を有するエッチングシリコン構造体のことを指す。例えば、図１１ｃのたわみ部１１６１〜１１６４は、懸架部１１３２１〜１１３２４と慣性マス１１１１間の曲げモーメントをほぼゼロに削減すると考えられる。したがって、たわみ部は、表面応力の符号逆転、つまり、電荷の符号逆転を取り除くことにより、センサ変換器の両側間の電荷分布差を低減する。
【０１２５】
ｚ方向のたわみ部の高さは、ＺＦと規定される。この高さは、慣性マスおよび懸架部の厚みと等しくてもよい。いくつかの実際の構成におけるこれらの高さは、約５０μｍである。
【０１２６】
ここで、ＹＦは、ｙ方向のたわみ部の長さを示す。図１５ａは、たわみ部の３つの例を示している。たわみ部１５６１は、慣性マス１５１１における中央開口部の幅に架かっている。たわみ部１５６２は、慣性マス１５１２における中央開口部の幅の半分に架かっている。たわみ部１５６３は、長さＹＦが、慣性マス１５１３における中央開口部の幅の半分以上である蛇行形状である。取付ポイント付近における慣性マスの中央開口部の幅は、例えば、慣性マス１５１１、１５１２、１５１３の幅の３０〜７０％でもよい。ＸＦは、可撓性ばねのｘ方向の幅である。図１５ａに示されたたわみ部はいずれも、本開示における実施の形態で用いることができる。
【０１２７】
たわみ部の厚みＺＦにより、ｘｙ面外並進運動に対するたわみ部の剛性が高くなる。幅ＸＦが狭いことにより、たわみ部は、慣性マスの面内曲げが懸架部に伝達される場合には、ｘｙ平面において曲がり、慣性マスの面外曲げが懸架部に伝達される場合には、ｙ軸を軸としてらせん状にねじれる。
【０１２８】
つまり、たわみ部は、マス面外並進運動に対しては剛性が高いが、マス面内曲げに対しては可撓性を有し、たわみ部の縦方向と平行な軸を軸としたらせん状のねじれに対しても可撓性を有する。
【０１２９】
ＺＦ／ＸＦアスペクト比およびＹＦ／ＸＦアスペクト比によって、どの程度までたわみ部が取付ポイントで曲げモーメントを吸収できるのか決定される。アスペクト比が大きいと曲げやすく、かつ、ねじれやすくなるが、ＸＦは、製造し易いように、また、曲げやねじれの際に生じる機械的ひずみにたわみ部が耐えられるように十分大きいままでなければならない。したがって、アスペクト比には、最適な下限値および上限値がある。
【０１３０】
図１５ａにおける蛇行たわみ部１５６３の場合、関連アスペクト比を、ＺＦ／ＸＦおよびΣＹＦ／ＸＦと算出してもよい。ただし、ΣＹＦ＝Ｙ５１＋Ｙ５２＋Ｙ５３…は、ｙ方向における蛇行たわみ部の全要素の長さの合計である。
【０１３１】
ＺＦ／ＸＦアスペクト比を高さ／幅アスペクト比と呼んでもよい。また、ＹＦ／ＸＦアスペクト比およびΣＹＦ／ＸＦアスペクト比を長さ／幅アスペクト比と呼んでもよい。
【０１３２】
高さ／幅アスペクト比および長さ／幅アスペクト比が２に等しい場合、第２取付ポイントにおける曲げモーメントの一部吸収が実現されると考えられる。高さ／幅アスペクト比および長さ／幅アスペクト比が４より大きい場合、曲げモーメントのほぼ完全な吸収が実現されると考えられる。高さ／幅アスペクト比は、製造可能性または応力耐久性を落とすことなく、最大１０まで大きくすることができる。長さ／幅アスペクト比にはこのような製造制限値または強度制限値はないが、総ばね係数に影響を与えないように、たわみ部の長さは懸架部の長さよりもかなり小さくなければならない。１０より大きな高さ／幅アスペクト比は、第２取付ポイントにおいて曲げモーメントを全て吸収するが、製造可能性は劣り、応力耐久性も弱くなって、歩留まり損失および耐衝撃性の低下の原因となるかもしれない。
【０１３３】
たわみ部における曲げ運動およびねじり運動の仕組みは、たわみ部の寸法、および、第２取付ポイントの寸法次第である。これは、図１５ａにおけるたわみ部１５６１が描かれた図１５ｂ〜１５ｄに概略的に示されている。この場合、たわみ部１５６１は、ｚ方向に慣性マスと同じ厚さなので、たわみ部１５６１は慣性マス１５１１に１５８１から１５８２までおよび１５７１から１５７２まで取り付けられる。１５９は、懸架部１５３１の端における任意の狭いシリコンブリッジである。また、狭いブリッジを用いずに、懸架部１５３１を幅全体にわたってたわみ部に取り付けることもできる。
【０１３４】
図１５ｃは、ｘｙ平面で見た、慣性マスが面内回転を受けた場合のたわみ部１５６１の曲げを概略的に示している。第２取付ポイントの幅は、明瞭性をよくするために拡大されており、同じ理由で、図１５ｃで示された回転角も、慣性マスがＭＥＭＳ共振器で通常取得する角度よりかなり大きい。たわみ部１５６１は、動く慣性マスにポイント１５７１〜１５７２および１５８１〜１５８２で取り付けられたままであるが、曲げモーメントが慣性マスから第２取付ポイント１５５１〜１５５２へ懸架部１５３１に向かって伝わらないように途中で曲がっている。
【０１３５】
図１５ｄは、図１５ｂと同じ角度から見た、慣性マスがｙ軸を軸とした時計回りの面外回転を受けた場合のたわみ部１５６１の曲げを概略的に示している。たわみ部１５６１は、ｙ軸を軸としたらせん状のねじりとなるので、上端と下端はｘ軸上で異なる方向に動く。たわみ部１５６１の両端において、たわみ部の上側コーナー１５７１、１５８１は、下側コーナー１５７２、１５８２と一直線のままである。図１５ｄで示された回転角は、慣性マスがＭＥＭＳ共振器で通常取得する回転角より大きい。たわみ部１５６１は、曲げモーメントが慣性マスから懸架部１５３１へ伝わらないように途中で曲がっている。懸架部１５３１は、図１５ａにおける面内変換器を用いて示されているが、回転モードを意図したものの場合には、懸架部１５３１は面外変換器でコーティングされるであろう。
【０１３６】
たわみ部におけるらせん状のねじれの技術的効果は、図１６に示される。明瞭性の理由により、たわみ部１６６１、１６６２は黒点でのみ示され、たわみ部と懸架部の両方がｚ方向に慣性マス１６１と同程度の厚さがあるとしても、懸架部１６３１、１６３２は比較的薄く描かれている。たわみ部１６６１、１６６２におけるらせん状のねじれにより、懸架部１６３１および１６３２は、懸架部の全長にわたって同じ方向に湾曲している形状となる。
【０１３７】
その結果、懸架部の表面応力、つまり、変換器の両側それぞれの蓄積電荷は、懸架部の全長にわたって同じ符号となる。これにより、慣性マスをより効率的に駆動させることができ、逆に、単純化された変換器形状を用いてより強いセンサ信号をセンサモードで検出することができる。変換器は、長さの大部分で懸架部の曲げモードと強く結合しており、懸架部振動は、変位が大きくても線形である。線形性は、機械的損失または振動周波数の変化を増加させることなく、慣性マスの振動振幅の増加を促進する。
【０１３８】
つまり、たわみ部により得られる利点は、懸架部の長さに沿った符号逆転を示さない変換器電荷分布、ばね定数が小さい懸架部曲げモード、そして、それらによる任意の共振周波数での共振器の小型化および圧電変換器の高容量化などである。ジャイロスコープにおけるこれらの有益性により、小さな運動抵抗、高結合係数、振動の信頼できる高速スタートアップ、および、センサ電圧信号の高信号対雑音比が容易になる。また、たわみ部は、懸架部の縦方向（図１６のｘ方向）に可撓性を有するため、懸架部における応力解放も容易にする。それにより、共振部の線形性は大幅に改善される。
【０１３９】
慣性マス１６１がｚ軸を軸とした面内回転になる場合、同じ表面応力、電荷分布、応力解放、および、線形性の考察が図１６の共振器および懸架部に適用される。
【０１４０】
図１６で図示されるように、変換部の電荷密度は、示された曲げモードにおいて第２取付ポイント１６５１付近より第１取付ポイント１６４１近くの方が高くてもよい。つまり、懸架部１６３１は、第２取付ポイント１６５１近くより第１取付ポイント１６４１近くの方が大きい曲率で曲がってもよい。このため、例えば、第１取付ポイントにより近い端から懸架部の長さの５０〜７０％をカバーするように懸架部１６３１上の変換器を短くすることは有益だと考えられる。つまり、コーティングされた少なくとも１つの懸架部上の圧電変換器構造体は、第１取付ポイントから、第１取付ポイントからの距離が懸架部の長さの５０〜７０％に相当するポイントまで懸架部に沿って延在してもよい。
【０１４１】
慣性マスと架構造体の組み合わせ有効重心が、（面外振動の場合）慣性マスの回転軸か、（面外振動の場合）慣性マスの回転軸と交差する横線のどちらかと一致する、または、少なくともほぼ一致すれば、さらなる有益性を得ることができる。
【０１４２】
懸架構造体においてコーティングされた懸架部の横幅と鉛直高さが一定で、かつ、懸架構造体形状によりコーティングされた懸架部を横対称軸ａＴに対してほぼ対称に配置できるのであれば、コーティングされた懸架部のどちらか一方の端から、慣性マスの有効重心を通る横線までの縦方向間隔は、例えば、コーティングされた懸架部の長さの０．４〜０．６倍または０．４９〜０．５１倍でもよい。慣性マスの回転軸が重心と一致する場合、このような懸架部は、全ての位置で一定の曲げモーメントを受ける。図９ａ〜９ｂ、図１０ａ〜１０ｃ、図１２、および、図１８におけるコーティングされた全ての懸架部、図１１ａにおける面外変換器でコーティングされた懸架部、ならびに、図１１ｃにおける面内変換器でコーティングされた懸架部は、この種の懸架部である。しかしながら、この最適化は、本開示で示したその他のコーティングされた懸架部には適用できない。
【０１４３】
用語「有効重心」とは、慣性マスおよび懸架構造体は共に動くという事実のことを指し、懸架構造体の重さは、慣性マスの重さに比べて無視できるものではないと考えられる。しかしながら、懸架構造体の一端は、アンカーポイントに固定されているので、懸架構造体の一部だけが可動質量成分を振動運動に与える。回転軸まわりのバランス回転には、懸架構造体と慣性マスの組み合わせ有効重心が回転軸上、または、少なくとも回転軸近くにあることが必要である。有効重心は、物理モデルで算出されなければならない。
【０１４４】
まず、用語「有効」は、懸架構造体によって全可動質量に与えられる追加質量は、曲げ程度に応じて変動するという事実のことを指す。図１７は、図６における懸架部６３１の面外曲げを示している。懸架部６３１の動きにより共振器に加えられる可動重量は、懸架部が慣性マスに取り付けられる第２取付ポイント６５１に位置する有効質量としてモデル化されてもよい。この計算補正は、部分的に動く懸架部の運動エネルギーと、慣性マスの可撓性による追加運動エネルギーとにより可動になる追加質量を考慮している。
【０１４５】
また、次に、用語「有効」は、慣性マスは、縦方向に完全に曲がらないというわけではないという事実のことも指し、曲げ程度によって決まる追加重量成分を算出して、特に、面外振動においてこの可撓性を考慮する必要があると考えられる。例えば、図１７に示した慣性マスでは、慣性マスの第２縦方向端Ｈ９２に近い（そして、懸架部が慣性マスに取り付けられる第２取付ポイント６５１から遠い）慣性マスの一部６１１は、慣性マスが振動すると、慣性マスの縦対称線からわずかに離れて曲がってもよい。この曲げによって共振器に加えられる可動重量は、第２縦方向端Ｈ９２に位置する有効質量としてモデル化されてもよい。
【０１４６】
コーティングされた懸架部６３１上の第２取付ポイントで慣性マス６１１によって与えられる並進力がゼロか、ほとんどゼロの場合、曲げモードは、ほぼ純回転として特徴付けることができる。慣性マス６１１は、共振振動しながら、第２取付ポイント６５１で曲げモーメントのみを懸架部６３１に与える。この運動により、懸架部６３１は放物線状に曲げられる。なぜなら、懸架部６３１の局所曲率半径は、局所曲げモーメントに比例し、懸架部が第１取付ポイント６４１では固定されて第２取付ポイント６５１では曲げモーメントによってのみ回転させられる場合、局所曲げモーメントは、懸架部６３１の長さにわたって一定だからである。そして、強いセンサ信号を懸架部６３１上のセンサ変換器から読み取ることができる。なぜなら、図１７に示すように、電荷蓄積は全長にわたって均一だからである。
【０１４７】
同じ効果は、連結懸架部を含むより複雑な懸架構造体における有効重心の位置に影響を及ぼす。慣性マスと懸架構造体の組み合わせ有効重心が、慣性マスの回転軸上（面外回転）か、または、回転軸に交差する横線上（面内回転）にあれば、慣性マスは、懸架構造体が慣性マスに取り付けられる取付ポイントで純曲げモーメントを懸架構造体に与える。この純曲げモーメント負荷は、与えられた曲げモーメントに対して可撓性を有する懸架部に懸架構造体内で伝達される。この曲げモードにおいて曲がらない懸架部および中間体は、曲げモーメントに影響を及ぼさないであろう。
【０１４８】
有効重心（ＥＣＯＧ）が回転軸（ＲＡ）からずれることによって、共振器は外部の乱れに一層反応しやすくなる。慣性マスの回転軸は、面外曲げにおいて、横方向、つまり、ｙ軸と平行である。縦方向間隔（以下、ＥＣＯＧ−ＲＡ間隔と称する）は、この場合、有効重心を通る横線から回転軸（ＲＡ）までで測定できる。共振器が面内振動する場合、慣性マスの回転軸は、ｚ軸と平行である。この場合、ＥＣＯＧ−ＲＡ間隔は、共振器の有効重心（ＥＣＯＧ）を通る横線から、慣性マスの回転軸（ＲＡ）を通る横線までで測定できる。
【０１４９】
ＥＣＯＧ−ＲＡ間隔がゼロではなく、面外共振器が外部直線振動にさらされているならば、慣性マスはその回転軸を軸としたトルクを受けるであろう。差動モードで別の共振器に結合されたジャイロスコープに共振器を用いるならば、トルクは、両方の慣性マスを同じ方向にそれぞれの回転軸を軸として回転させ、２つの変換器内の直線振動衝撃によって生じる出力信号の乱れは、互いに打ち消し合うであろう。しかしながら、信号が大きすぎると、入力増幅器の共通モード性能をオーバーロードするかもしれない。例えば、製作公差による、変換器のどんな非対称性によっても、ジャイロスコープの出力信号として増幅された差分信号が生じる。一方、ＥＣＯＧ−ＲＡ間隔がゼロではなく、同じジャイロスコープが縦軸を軸とした外部回転振動にさらされるならば、トルクは２つの慣性マスを反対方向に回転させ、出力信号の乱れを互いに足し合う。この場合、コリオリ力により、乱れを出力信号から分離することはできない。
【０１５０】
妨害トルクを引き起こすＥＣＯＧ−ＲＡ間隔は最小化することが好ましいが、製作公差による制約により、必ずしもちょうどゼロにできるとは限らない。さらに、上述したように、面外振動の有効重心は、面内振動の有効重心と完全には一致しない可能性があるので、ＥＣＯＧ−ＲＡ間隔は、面内振動と面外振動を同時に受けるように構成された慣性マスの両方の回転モードに対してゼロにすることはできないと考えられる。
【０１５１】
先の実施の形態のいずれにおいても、ジャイロスコープの慣性マスは、図７ａ〜図１２に示されたシンプルな同期ばねよりも複雑な同期構造体を用いて互いに機械結合されてもよい。このような同期構造体は、例えば、両方の慣性マスが同位相で振動する共通モード振動を抑えるのに必要であると考えられる。
【０１５２】
図１８に図示するジャイロスコープの例では、２つの慣性マス１８１１と１８１２が機械結合され、ばねシステムを用いて同期化される。このばねシステムは、第１慣性マスと第２慣性マスの間にある第３アンカーポイント１８２３と、第３アンカーポイントから第１横バー１８９１まで延在している第１縦ばね１８８１と、第１横バー１８９１から第１慣性マス１８１１まで延在している第２縦ばね１８８２と、第１横バー１８９１から第２慣性マス１８１２まで延在している第３縦ばね１８８３とを備える。また、ばねシステムは、第１慣性マスと第２慣性マスとの間にある第４アンカーポイント１８２４と、第４アンカーポイント１８２４から第２横バー１８９２まで延在している第４縦ばね１８８４と、第２横バー１８９２から第１慣性マス１８１１まで延在している第５縦ばね１８８５と、第２横バー１８９２から第２慣性マス１８１２まで延在している第６縦ばね１８８６とを備えてもよい。
【０１５３】
ばねシステムは、慣性マスの一方の縦方向端にのみ、または、両端に別の同期構造体を備えてもよい。図１８には、後者の場合を図示する。
【０１５４】
図１８に示された例において、第１慣性マス１８１１は、第１懸架部１８３１１と、中間体１８７１と、第２懸架部１８３２１および１８３２２とを含む懸架構造体を用いて第１アンカーポイント１８２１から懸架される。第２慣性マス１８１２は、第１懸架部１８３１２と、中間体１８７２と、第２懸架部１８３２３および１８３２４とを含む懸架構造体を用いて第２アンカーポイント１８２２から懸架される。しかしながら、図１８に示す同期構造体は、先の実施の形態で説明したいずれの懸架構造体でも実装することができる。
【０１５５】
図１８において、同期構造体を形成するばねシステムは、第１縦ばね１８８１および第４縦ばね１８８４の一端に取り付けられる、さらなる中央アンカーポイント１８２３および１８２４を備える。第１縦ばね１８８１および第４縦ばね１８８４の他端はそれぞれ、第１横バー１８９１および第２横バー１８９２に取り付けられる。第２縦ばね１８８２は、一端が第１横バー１８８１に、他端が第１慣性マス１８１１に取り付けられる。第３縦ばね１８８３は、一端が第１横バー１８８１に、他端が第２慣性マス１８１２に取り付けられる。第５縦ばね１８８５は、一端が第２横バー１８８２に、他端が第１慣性マス１８１１に取り付けられる。第６縦ばね１８８６は、一端が第２横バー１８８２に、他端が第２慣性マス１８１２に取り付けられる。
【０１５６】
第２縦ばね１８８２は第３アンカーポイントと反対の慣性マス１８１１側に、第３縦ばね１８８３は第３アンカーポイントと反対の慣性マス１８１２側に、第５縦ばね１８８５は第４アンカーポイントと反対の慣性マス１８１１側に、第６縦ばね１８８６は第４アンカーポイントと反対の慣性マス１８１２側に取り付けられてもよい。これは、図１８に図示されている。あるいは、第２縦ばね１８８２は慣性マスの縦中心線により近づけて慣性マス１８１１に、第３縦ばね１８８３は慣性マスの縦中心線により近づけて慣性マス１８１２に、第５縦ばね１８８５は慣性マスの縦中心線により近づけて慣性マス１８１１に、第６縦ばね１８８６は慣性マスの縦中心線により近づけて慣性マス１８１２に取り付けられてもよい。
【０１５７】
図に示すように、ばね１８８１〜１８８６および横バー１８９１〜１８９２は、一方向に狭い。アスペクト比が大きいほど、共通モードの抑制は効率的になる。また、高アスペクト比が好ましい。なぜなら、アスペクト比が大きいと、所望振動モードの総ばね定数に同期があまり影響しないからである。ばねと横バーのアスペクト比は、８〜１２の範囲が好ましいと考えられるが、３．４のアスペクト比でも、１０％以上ばね定数を変更することなく共通モード振動を大幅に抑制する。
【０１５８】
縦ばね１８８１〜１８８６は、面内曲げおよびｘ軸まわりのねじりに対して可撓性を有してもよいが、面外曲げに対しては可撓性を有さない。横バー１８９１〜１８９２は、全ての曲げおよびねじりモードに対して可撓性を有さなくてもよいが、面内曲げに対してはいくらか可撓性が与えられてもよい。面内曲げに対する可撓性は、特に、ばね１８８２〜１８８３および１８８５〜１８８６の取付ポイントが各慣性マスの縦中心線上にない場合に必要と考えられる。また、横バーにおける可撓性は、面内ばね動作の線形性も改善すると考えられる。
【図１】
2019053029.tif 000004
【図２ａ】
2019053029.tif 000005
【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０ａ】
2019053029.tif 000016
【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１１ａ】
2019053029.tif 000019
【図１１ｂ】
2019053029.tif 000020
【図１１ｃ】
2019053029.tif 000021
【図１２】
2019053029.tif 000022
【図１３】
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【図１４】
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【図１５ａ】
2019053029.tif 000025
【図１５ｂ】
2019053029.tif 000026
【図１５ｃ】
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【図１５ｄ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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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３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１１ｃ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１５ｃ】
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【図１５ｄ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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