(57)【要約】ジャイロスコープであって、支持構造体と、支持構造体に対するドライブマスの動きが第１の方向における動きに実質的に制限されるように支持構造体に弾性を持つように連結されるドライブマスと、ドライブマスを支持構造体に対して第１の方向において振動させるように構成されるドライバと、感知マスのドライブマスに対する動きが第１の方向に直交する第２の方向における動きに実質的に制限されるようにドライブマスに弾性を持つように連結される感知マスと、ドライブマスと感知マスとの間に連結される近接スイッチを含むデジタルトリガであって、スイッチが、感知マスがドライブマスに対して基準位置に来るたびに開状態から閉状態へ切り換わるように構成されるデジタルトリガとを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジャイロスコープであって、
支持構造体と。
前記支持構造体に連結されるドライブマスと、
前記ドライブマスを前記支持構造体に対して第１の方向に振動させるように構成されるドライブマスドライバと、
前記ドライブマスに連結される第１の感知マスと、
前記ドライブマスと前記第１の感知マスとの間に連結される第１の近接スイッチを含む第１のデジタルトリガと
を含むジャイロスコープ。
【請求項２】
前記ドライブマスの前記支持構造体に対する動きが前記第１の方向における動きに実質的に制限される、請求項１記載のジャイロスコープ。
【請求項３】
前記第１の感知マスの前記ドライブマスに対する動きが第２の方向における動きに実質的に制限され、前記第２の方向は前記第１の方向に対して直交する、請求項２記載ののジャイロスコープ。
【請求項４】
前記第１のスイッチは、前記第１の感知マスが前記ドライブマスに対して第１の基準位置に来るたびに開状態から閉状態に切り替わるように構成される、請求項３記載のジャイロスコープ。
【請求項５】
前記第１のスイッチが、さらに、前記第１の感知マスが前記ドライブマスに対して第２の基準位置に来るたびに開状態から閉状態に切り替わるように構成される、請求項３記載のジャイロスコープ。
【請求項６】
第２の感知マスであって、該第２の感知マスの前記ドライブマスに対する動きが前記第１および第２の方向に直交する第３の方向における動きに実質的に制限されるように、前記ドライブマスに弾性を持つように連結される第２の感知マスと、
前記ドライブマスと前記第２の感知マスとの間に連結される第２の近接スイッチを含む第２のデジタルトリガであって、前記第２のスイッチが、前記第２の感知マスが前記ドライブマスに対して第３の基準位置に来るたびに開状態から閉状態に切り替わるように構成される、第２のデジタルトリガと
をさらに含む、請求項３記載のジャイロスコープ。
【請求項７】
前記ドライブマスと前記支持構造体との間に連結される第３の近接スイッチを含む第３のデジタルトリガをさらに含み、前記第３のスイッチが、前記ドライブマスが前記支持構造体に対して第４の基準位置に来るたびに開状態から閉状態へ切り替わるように構成される、請求項６記載のジャイロスコープ。
【請求項８】
各振動周期それぞれにおいて、前記第１、第２、および第３の近接スイッチそれぞれが、各スイッチそれぞれが取り付けられる前記２つの要素間の少なくとも２つの相対的な位置に対応して少なくとも２回、開状態から閉状態へ切り替わるように構成される、請求項７記載のジャイロスコープ。
【請求項９】
前記第１のスイッチが、
前記ドライブマス上に取り付けられる第１および第２の電子トンネルチップであって、前記第２の方向において相互に一列に並べられ、かつ、前記第２の方向において距離ｄ１だけ相互に分離される第１および第２の電子トンネルチップと、
前記第１の感知マスに取り付けられる第３および第４の電子トンネルチップであって、前記第２の方向において相互に一列に並べられ、かつ、前記第２の方向において前記距離ｄ１だけ相互に分離される第３および第４の電子トンネルチップと
を含み
前記第１、第２、第３、および第４のチップが、前記第１の感知マスが前記第１の基準位置に来た場合に電流パルスが前記第１および第２のチップからギャップを超えて前記第３および第４のチップにそれぞれ流れるように、かつ、前記第１の感知マスが前記第１の基準位置から前記第２の方向において前記距離＋ｄ１だけ変位した場合に電流パルスが前記第２のチップから前記第３のチップへ流れるように、かつ、前記第１の感知マスが前記第１の基準位置から前記第２の方向において距離−ｄ１だけ変位した場合に電流パルスが前記第１のチップから前記第４のチップへ流れるように相互に配置される、請求項８記載のジャイロスコープ。
【請求項１０】
前記第２のスイッチが、
前記ドライブマス上に取り付けられる第５および第６の電子トンネルチップであって、前記第３の方向において相互に一列に並べられ、かつ、前記第３の方向において距離ｄ２だけ相互に分離される第５および第６の電子トンネルチップと、
前記第２の感知マスに取り付けられる第７および第８の電子トンネルチップであって、前記第３の方向において相互に一列に並べられ、かつ、前記第３の方向において前記距離ｄ２だけ相互に分離される第７および第８の電子トンネルと
を含み、
前記第５、第６、第７、および第８のチップが、前記第２の感知マスが前記第３の基準位置に来た場合に電流パルスが前記第５および第６のチップからギャップを超えて前記第７および第８のチップにそれぞれ流れるように、かつ、前記第２の感知マスが前記第３の基準位置から前記第３の方向において前記距離＋ｄ２だけ変位した場合に電流パルスが前記第６のチップから前記第７のチップへ流れるように、かつ、前記第２の感知マスが前記第３の基準位置から前記第３の方向において距離−ｄ２だけ変位した場合に電流パルスが前記第５のチップから前記第８のチップへ流れるように相互に配置される、請求項９記載のジャイロスコープ。
【請求項１１】
前記第３のスイッチが、
前記支持構造体上に取り付けられる第９および第１０の電子トンネルチップであって、前記第１の方向において相互に一列に並べられ、かつ、前記第１の方向において距離ｄ３だけ相互に分離される第９および第１０の電子トンネルチップと、
前記ドライブマスに取り付けられる第１１および第１２の電子トンネルチップであって、前記第１の方向において相互に一列に並べられ、かつ、前記第１の方向において前記距離ｄ３だけ相互に分離される第１１および第１２の電子トンネルチップと
を含み、
前記第９、第１０、第１１、および第１２のチップは、前記ドライブマスが前記支持構造体に対して前記第４の基準位置に来た場合に電流パルスが前記第９および第１０のチップからギャップを超えて前記第１１および第１２のチップにそれぞれ流れるように、かつ、前記ドライブマスが前記第４の基準位置から前記第１の方向において前記距離＋ｄ３だけ変位した場合に電流パルスが前記第１０のチップから前記第１１のチップへ流れるように、かつ、前記ドライブマスが前記第４の基準位置から前記第１の方向において距離−ｄ３だけ変位した場合に電流パルスが前記第９のチップから前記第１２のチップへ流れるように相互に配置される、請求項１０記載のジャイロスコープ。
【請求項１２】
前記ジャイロスコープは、モノリシックに一体化される、請求項１１記載のジャイロスコープ。
【請求項１３】
前記支持構造体、前記ドライブマス、前記第１の感知マス、および前記第２の感知マスが、上部キャップウェーハと下部キャップウェーハとの間に真空密封される、請求項１２記載のジャイロスコープ。
【請求項１４】
前記ドライブマスドライバが容量性コームドライブを含む、請求項１３記載のジャイロスコープ。
【請求項１５】
前記第１の感知マスを駆動して前記第２の方向において前記第１の感知マスの共振周波数で振動させるように構成される第１の感知マスドライバをさらに含み、前記第１の感知マスの前記共振周波数は、前記ドライブマスの駆動周波数よりも実質的に高い、請求項３記載のジャイロスコープ。
【請求項１６】
前記第１の感知マスの前記共振周波数は、前記ドライブマスの駆動周波数に略等しい、請求項３記載のジャイロスコープ。
【請求項１７】
モノリシックなジャイロスコープであって、
支持構造体と、
前記支持構造体に弾性を持つように連結されるドライブマスと、
前記ドライブマスを駆動して前記支持構造体に対して第１の方向において振動させるように構成されるドライブマスドライバと、
前記ドライブマスに弾性を持つように連結される第１の感知マスであって、前記ドライブマスに対して、前記第１の方向に実質的に直交する第２の方向において移動するように構成される第１の感知マスと、
時間に対する第１の近接スイッチの状態を監視することにより前記支持構造体の軸周囲における回転が決定され得るように、前記第１の感知マスが第１の基準位置を通過するときに、開状態から閉状態へ変化するように構成される第１のトリガと
を含むジャイロスコープ。
【請求項１８】
前記第１の方向がｘ方向を含み、前記第２の方向がｙ方向を含み、前記軸がｙ軸を含む、請求項１７記載のジャイロスコープ。
【請求項１９】
前記第１の感知マスが前記支持構造体の前記ｙ軸周囲における回転からのコリオリ力に応じて移動するように構成され、前記ｙ軸は前記ｚおよびｘ方向双方に対して実質的に直交する、請求項１８記載のジャイロスコープ。
【請求項２０】
前記第１のトリガが、前記ドライブマスと前記第１の感知マスとの間に連結される第１の近接スイッチを含むデジタルトリガを含む、請求項１９記載のジャイロスコープ。
【請求項２１】
前記ドライブマスに弾性を持つように連結される第２の感知マスであって、前記支持構造体の前記ｚ軸周囲における回転からのコリオリ力に応じて前記ドライブマスに対して略前記ｙ方向のみに移動するように構成される第２の感知マスと、
前記ドライブマスと前記第２の感知マスとの間に連結される第２の近接スイッチの状態を監視することにより前記支持構造体の前記ｚ軸周囲における回転が決定され得るように、前記第２の感知マスが前記ドライブマスに対する基準位置を通過するときに開状態から閉状態へ変化するように構成される第２の近接スイッチを含む第２のデジタルトリガと
をさらに含む、請求項２０記載のジャイロスコープ。
【請求項２２】
前記ドライブマスと前記支持構造体との間に接続される第３の近接スイッチの状態を監視することにより前記支持構造体の前記ｘ方向における加速が決定され得るように、前記ドライブマスが第３の基準位置を通過するときに開状態から閉状態へ変化するように構成される第３の近接スイッチを含む第３のデジタルトリガをさらに含む、請求項２３記載のジャイロスコープ。
【請求項２３】
前記第１、第２、および第３のスイッチそれぞれが、前記ドライブマス、前記第１の感知マス、および前記第２の感知マスそれぞれが各々の振動方向において、それぞれの基準位置から、それぞれ距離±ｄ１、±ｄ２、および±ｄ３だけ変位するときに、前記第１、第２、および第３のスイッチが閉状態を通過するように相互に構成される４つの電子トンネル電極チップを含む、請求項２２記載のジャイロスコープ。
【請求項２４】
前記第１の感知マスを駆動して前記ｚ方向において前記第１の感知マスの前記共振周波数で振動させるように構成される第１の感知マスドライバをさらに含み、前記第１の感知マスの前記共振周波数は、前記ドライブマスの駆動周波数よりも実質的に高い請求項２３記載のジャイロスコープ。
【請求項２５】
前記第１の感知マスの前記共振周波数は、前記ドライブマスの駆動周波数に略等しい、請求項２３記載のジャイロスコープ。
【請求項２６】
前記支持構造体、前記ドライブマス、前記ドライブマスドライバ、前記第１の感知マス、および前記第２の感知マスが、上部キャップウェーハと下部キャップウェーハとの間に真空密封される、請求項２３記載のジャイロスコープ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［優先権］
本出願は、２０１２年１月１８日に同じ発明の名称で出願された出願番号第１３／３５３，２０５号の米国特許出願に対する優先権を主張し、その全体が参照により本明細書中に取り込まれる。
【背景技術】
【０００２】
本明細書中に、および特許請求の範囲に記載される本発明は、軸周囲における構造体の回転を検出する分野に関連する。詳細には、特許請求の範囲に記載される本発明は、モノリシックに一体化されたジャイロスコープの分野に関連する。
【発明の概要】
【０００３】
第１の態様において、ジャイロスコープが開示される。実施形態において、ジャイロスコープは、（ｉ）支持構造体と、（ｉｉ）支持構造体に連結されたドライブマス（drive mass）と、（ｉｉｉ）ドライブマスを支持構造体に対して第１の方向において振動させるように構成されるドライブマスドライバと、（ｉｖ）ドライブマスに連結される第１の感知マス（sense mass）と、（ｖ）ドライブマスと第１の感知マスとの間に連結される第１の近接スイッチを含む第１のデジタルトリガ（digital trigger）とを含む。
【０００４】
変形例において、ドライブマスの支持構造体に対する動きは、第１の方向における動きに実質的に制限される。ドライブマスドライバは、ドライブマスを支持構造体に対して第１の方向に振動させるように構成される。感知マスのドライブマスに対する動きは、第２の方向における動きに実質的に制限され、第２の方向は、第１の方向に対して直交する。第１のスイッチは、感知マスがドライブマスに対して基準位置に来るたびに、開状態から閉状態へ切り換わるように構成される。
【０００５】
第２の態様において、モノリシックジャイロスコープが開示される。実施形態において、モノリシックジャイロスコープは、支持構造体、ドライブマス、ドライブマスドライバ、感知マス、およびトリガを含む。一変形例において、ドライブマスは、支持構造体に弾性を持つように連結される。ドライブマスドライバは、ドライブマスを駆動して支持構造体に対してほぼｘ方向のみにおいて振動させるように構成される。感知マスは、ドライブマスに弾性を持つように連結され、ｙ軸周囲における支持構造体の回転からのコリオリ力に応じて、ドライブマスに対してほぼｚ方向のみにおいて移動するように構成され、ｚ方向はｘ方向に直交し、ｙ軸はｚ方向およびｘ方向双方に直交する。トリガは、別の変形例において、デジタルトリガを近接スイッチと共に含む。近接スイッチは、ドライブマスと感知マスとの間に連結され、時間に対する近接スイッチの状態を監視することにより支持構造体のｙ軸周囲における回転が決定され得るように、感知マスが基準位置を通過するときに、開状態から閉状態へ変化するように構成される。
【０００６】
第３の態様において、力感知装置（force sensing apparatus）の方法が開示される。力感知装置は、特に、ドライブマス、感知マスおよびデジタルトリガに基づく。
【０００７】
添付図面および以下に与えられるような例示的な実施形態の詳細な説明を参照すれば、本発明の他の特徴および利点が当業者に即座に認識されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
いくつかの図面中、類似の要素を類似の参照符号によって示す。図面中の要素は縮尺通りではなく、明確さのため、寸法を誇張して表している場合がある。
【０００９】
【図１】ジャイロスコープの実施形態の斜視図である。
【図２Ａ】第１の基準位置におけるデュアルチップ型電子トンネル近接スイッチの側部断面図である。
【図２Ｂ】第２の基準位置におけるデュアルチップ型電子トンネル近接スイッチの側部断面図である。
【図２Ｃ】第３の基準位置におけるデュアルチップ型電子トンネル近接スイッチの側部断面図である。
【図３】ジャイロスコープのデュアル感知マスの実施形態の斜視図である。
【図４Ａ】第４の基準位置における、デュアルチップ型の横方向にスタックされた電子トンネル近接スイッチの斜視図である。
【図４Ｂ】第５の基準位置における、デュアルチップ型の横方向にスタックされた電子トンネル近接スイッチの斜視図である。
【図４Ｃ】第６の基準位置における、デュアルチップ型の横方向にスタックされた電子トンネル近接スイッチの斜視図である。
【図５Ａ】第７の基準位置における、別のデュアルチップ型の横方向にスタックされた電子トンネル近接スイッチの上面図である。
【図５Ｂ】第８の基準位置における、別のデュアルチップ型の横方向にスタックされた電子トンネル近接スイッチの上面図である。
【図５Ｃ】第９の基準位置における、別のデュアルチップ型の横方向にスタックされた電子トンネル近接スイッチの上面図である。
【図６】感知マスの断面図である。
【図７】ジャイロスコープの別のデュアル感知マスの実施形態の斜視図である。
【図８】ジャイロスコープの別のデュアル感知マスの実施形態の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、時間領域切り替えジャイロスコープ１０の実施形態の斜視図である。ジャイロスコープ１０は、振動プルーフマスに基づいたジャイロスコープであり、少なくとも１つつのデジタルトリガを用いて、プルーフマスが既知の位置を通過するたびに信号を生成する。ジャイロスコープ１０は、固い支持構造体１２、ドライブマス１４、ドライブマスドライバ１６、第１の感知マス１８、および第１のデジタルトリガ２０を含む。ドライブマス１４は、ドライブマス１４の支持構造体１２に対する動きが第１の方向における動きに実質的に制限されるように、支持構造体１２に弾性を持つように連結される。図１において、第１の方向は、３つの相互に直交する軸ｘ−ｙ−ｚのｘ方向に対応する。ドライブマスドライバ１６は、ドライブマス１４を支持構造体１２に対してｘ方向に振動させるように構成される。第１の感知マス１８は、第１の感知マス１８のドライブマス１４に対する動きが第２の方向における動きに実質的に制限されるように、ドライブマス１４に弾性を持つように連結される。図１において、第２の方向はｚ方向に対応する。よって、第１の感知マス１８は、感知方向（すなわち、ｚ方向）においてドライブマス１８から分離される。第１の感知マス１８は、支持構造体１２のｙ軸周囲の回転からのコリオリ力に応じて、ドライブマス１４に対してｚ方向において移動する。第１のデジタルトリガ２０は、第１の近接スイッチ２２を含む。第１の近接スイッチ２２は、ドライブマス１４と、第１の感知マス１８との間に連結される。第１の感知マス１８がドライブマス１４に対して振動するたび、第１の近接スイッチ２２は、閉状態および開状態を通過する。第１の感知マス１８がドライブマス１４に対する第１の基準位置を通過するたび、第１の近接スイッチ２２は閉状態を通過する。よって、第１の感知マス１８のドライブマス１４に対する第１の基準位置からの変位を、第１の近接スイッチ２２の状態の監視によって検出することができる。
【００１１】
ジャイロスコープ１０は、任意のスケールで製造することができる。例えば、１つの実施形態において、ジャイロスコープ１０を微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスとモノリシックに一体化することができる。ジャイロスコープ１０は、任意の方向付けにおいて用いることができる。ｘ−ｙ−ｚ座標系が図中に示され、本明細書中において参照されるが、本明細書に用いられるような、第１の方向／軸、第２の方向／軸、および第３の方向／軸は、任意の３次元座標系における任意の３つの相互に直交する方向／軸に対応し得ることが理解される。
【００１２】
支持構造体１２は、任意のサイズおよび形状でよく、ジャイロスコープ１０の横方向加速および回転加速に晒された際に支持構造体１２が有意に屈曲および／または変形しないように、ジャイロスコープ１０の強固な支持が可能な任意の材料で作られてよい。
【００１３】
ドライブマス１４は、ドライブマス１４が支持構造体１２に対してｘ方向において弾性移動するのを可能にしつつ、ドライブマスの支持構造体１２に対するｙ方向およびｚ方向における動きならびにｘ−ｙ−ｚ軸周囲における回転を制限するような任意の様態で、支持構造体１２に連結され得る。図１に示すジャイロスコープ１０の実施形態は、ドライブマス１４が従順なバネ部材２４によって支持構造体１２に連結されている様子を示す。バネ部材２４は、ｘ方向において屈曲するように設計される。ドライブマスドライバ１６は、ドライブマス１４を任意の所望の周波数において支持構造体１２に対してｘ方向に振動させることが可能な任意の装置であり得る。ドライブマスドライバ１６の適切な例は、限定されるものではないが、（図１に示されるような）静電コームドライブなどの可変領域アクチュエータ、平行平板アクチュエータのような可変ギャップアクチュエータ、および他の電磁作動機構または圧電作動機構を含んでいる。ドライブマス１４は、連続する振動力を用いて、またはドライブマス１４の高調波共振と同調する周期的な「デルタ関数」力（"delta function" forces）によって駆動され得る。
【００１４】
第１の感知マス１８は、第１の感知マス１８をドライブマス１４に対してｚ方向に弾性移動させつつ、感知マス１８のドライブマス１４に対するｘ方向およびｙ方向における動きを制限し、かつ、ｘ−ｙ−ｚ軸周囲における回転を制限する任意の様態でドライブマス１４に連結され得る。図１に示すジャイロスコープ１０の実施形態は、第１の感知マス１８がｚ方向のみにおいて屈曲するように設計されたカンチレバーバネによりドライブマス１４へ接続されている様子を示す。
【００１５】
第１のデジタルトリガ２０は、第１の感知マス１８のドライブマス１４に対する多様な位置に対応するデジタル信号を生成することが可能な任意の装置であり得る。第１の近接スイッチ２２は、第１の感知マス１８のドライブマス１４との相対的な位置の変化に基づいて状態変化を経験することが可能な任意の装置であり得る。第１の近接スイッチ２２が閉状態にある基準位置は、ゼロフォース位置または他の任意の所望の基準位置であり得る。第１のデジタルトリガ２０の目的は、高精度の加速依存型位相測定（acceleration-independent phase measurement）を行うことが可能なように第１の感知マス１８およびドライブマス１４の位置を限定することであり、これにより、フェイズロックループ閉鎖の安定性が増加し、全体的な位相ノイズおよびジャイロスコープ１０のジッターが減少する。図１に示すような一実施形態において、第１の近接スイッチ２２は、有限幅の電流パルスを生成することが可能な電子トンネルスイッチであり得る。図１において、第１の近接スイッチ２２は、一対の電子トンネルチップを有し、一方のチップが第１の感知マス１８上に配置され、他方はドライブマス１４上に配置されている。第１の感知マスがドライブマス１４に対して第１の基準位置に来た場合、トンネルチップ同士が一列に並べられ、第１の近接スイッチ２２が閉状態となり、電流パルスがチップ間を流れることができる。電流パルスそのものは、相互インピーダンス増幅器を介してレール（rails）へ増幅することができ、パルスの立ち上がりエッジおよび立ち下がりエッジを用いて、第１の感知マス１８のドライブマス１４に対する位置を限定することができる。これを行うことが可能な方法についてのより詳細な記載が、出願番号第１３／２７６，９４８号（発明の名称：「Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ  ｗｉｔｈ  Ｒｅｄｕｃｅｄ  Ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ  ａｎｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｎｏｉｓｅ  Ｕｓｉｎｇ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｓｗｉｔｃｈ」、出願日：２０１１年１０月１９日）の米国特許出願に記載されている。同文献全体が参照により本明細書に取り込まれる。第１の近接スイッチ２２の他の例を挙げると、容量性スイッチ、光学的シャッタースイッチ、および磁気スイッチがある。加えて、別の実施形態において、第１の近接スイッチ２２は、単一の振動周期において複数の基準位置に対応する複数の閉状態を通過するように構成され得る。
【００１６】
図２Ａ〜図２Ｃは、第１の近接スイッチ２２の実施形態を示す。この実施形態において、第１の近接スイッチ２２は、単一の振動周期における第１の感知マス１８のドライブマス１４に対する複数の基準位置に対応する複数の閉状態を通過するように構成される。図２Ａ〜図２Ｃに示す第１の近接スイッチ２２の実施形態において、第１の近接スイッチ２２は、ドライブマス１４上に取り付けられた第１の電子トンネルチップ２６および第２の電子トンネルチップ２８を含む。第１のチップ２６および第２のチップ２８は、ｚ方向において相互に一列に並べられ、ｚ方向において距離ｄ１だけ相互に分離される。本実施形態において、第１の近接スイッチ２２は、第１の感知マス１８へ取り付けられた第３の電子トンネルチップ３０および第４の電子トンネルチップ３２も含む。第３のチップ３０および第４のチップ３２は、ｚ方向において相互に一列に並べられ、ｚ方向において距離ｄ１だけ相互に分離される。第１のチップ２６および第２のチップ２８、ならびに、第３のチップ３０および第４のチップ３２は、絶縁性スペーサ３４によって相互に分離され得る。第１のチップ２６、第２のチップ２８、第３のチップ３０および第４のチップ３２は、第１の感知マス１８が図２Ａに示すような第１の基準位置にある場合に電流パルスが第１のチップ２６および第２のチップ２８からギャップ３６を超えて第３のチップ３０および第４のチップ３２それぞれへ流れるように、相互に配置される。第１の近接スイッチ２２のこの実施形態は、第１の感知マス１８のドライブマス１４に対する第２の基準位置および第３の基準位置も含む。第１の感知マス１８が、図２Ｂに示されるように、第１の基準位置からｚ方向において距離−ｄ１だけ変位すると、第１の感知マス１８は第２の基準位置に来る。第２の基準位置において、第１の近接スイッチ２２は閉状態にあるため、電流パルスは、第１のチップ２６から第４のチップ３２へと流れることができる。第１の感知マス１８が、図２Ｃに示されるように、ｚ方向において距離＋ｄ１だけ変位すると、第１の感知マス１８は第３の基準位置に来る。第３の基準位置において、第１の近接スイッチ１８は閉状態にあるため、電流パルスは第２のチップ２８から第３のチップ３０へ流れる。
【００１７】
図３は、ジャイロスコープ１０の別の実施形態の斜視図である。ジャイロスコープ１０は、第２の感知マス３８をさらに含む。第２の感知マス３８は、第２の感知マス３８のドライブマス１４に対する動きがｙ方向における動きに実質的に制限されるように、ドライブマス１４に弾性を持つように連結される。よって、第２の感知マス３８は、支持構造体１２のｚ軸周囲における回転からのコリオリ力に応じて、ドライブマス１４に対してｙ方向に移動するように構成される。図３において、第２の感知マス３８が従順なバネ部材２４によってドライブマス１４に連結されている様子が示されている。また、第２のデジタルトリガ４０が図示されている。第２のデジタルトリガ４０は、ドライブマス１４と第２の感知マス３８との間に連結された第２の近接スイッチ４２を含む。第２の近接スイッチ４２は、第２の感知マス３８がドライブマス１４に対して第４の基準位置に来るたびに閉状態となるように構成される。第２のデジタルトリガ４０は、第２の感知マス３８のドライブマス１４に対する多様な位置に対応するデジタル信号を生成することが可能な任意の装置であり得る。第２の近接スイッチ４２は、第２の感知マス３８のドライブマス１４との相対的な位置の変化に基づいて状態変化を経験することが可能な任意のデバイスであり得る。図３に示すジャイロスコープ１０の実施形態において、第２の近接スイッチ４２が４つの電子トンネルチップとして図示されている。第２の近接スイッチ４２の電子トンネルチップの実施形態についてのさらなる詳細について、以下の図４Ａ〜図４Ｃの記載に示す。第２の近接スイッチ４２が閉状態となる基準位置は、ゼロフォース位置または他の任意の所望の基準位置であり得る。支持構造体１２のｚ軸周囲における回転は、第２の近接スイッチ４２の状態を監視することにより決定することができる。よって、ジャイロスコープ１０の本実施形態により、単一のドライブマスと、（それぞれの感知方向において分離された）２つの直交する回転力を測定するように構成された２つの感知マスとを備えたジャイロスコープが得られる。
【００１８】
図４Ａ〜図４Ｃは、第２の感知マス３８のドライブマス１４に対する多様な基準位置に第２の近接スイッチ４２がある様子を示す。図４Ａは、第２の近接スイッチ４２が第４の基準位置にある様子を示す。図４Ａ〜図４Ｃに示す第２の近接スイッチ４２の実施形態において、第２の近接スイッチ４２は、第２の感知マス３８上に取り付けられた第５の電子トンネルチップ４４および第６の電子トンネルチップ４６を含む。第５の電子チップ４４および第６の電子チップ４６は、ｙ方向において相互に一列に並べられ、ｙ方向において距離ｄ２だけ相互に分離される。本実施形態において、第２の近接スイッチ４２はまた、ドライブマス１４へ取り付けられた第７の電子トンネルチップ４８および第８の電子トンネルチップ５０を含む。第７の電子トンネルチップ４８および第８の電子トンネルチップ５０は、ｙ方向において相互に一列に並べられ、ｙ方向において距離ｄ２だけ相互に分離される。第５の電子チップ４４および第６の電子チップ４６ならびに第７の電子チップ４８および第８の電子チップ５０は、第２の絶縁性スペーサ５２によって相互に分離され得る。図４Ａに示すように第２の感知マス３８が第４の基準位置に来た際に、第５のチップ４４および第６のチップ４６からの電流パルスが、第２のギャップ５４を超えて第７のチップ４８および第８のチップ５０それぞれへ流れるように、第５のチップ４４、第６のチップ４６、第７のチップ４８、および第８のチップ５０が相互に配置される。
【００１９】
図４Ｂは、第２の感知マス３８に対する第５の基準位置にある第２の近接スイッチ４２を示す。第２の感知マス３８が、図４Ｂに示されるように、第４の基準位置からｙ方向において距離＋ｄ２だけ変位した際、第２の近接スイッチ４２は第５の基準位置に来る。第５の基準位置において、第２の近接スイッチ４２は閉状態となり、電流パルスが第５のチップ４４から第８のチップ５０へ流れることができる。第２の感知マス３８が、図４Ｃに示されるように、ｙ方向において距離−ｄ２だけ変位した場合、第２の感知マス３８は第７の基準位置に来る。第６の基準位置において、第２の近接スイッチ４２は閉状態となるため、電流パルスは第６のチップ４６から第７のチップ４８へ流れる。第４の基準位置、第５の基準位置、および第６の基準位置間の時間間隔を測定することにより、ドライブマス１４に対する第２の感知マス３８の変位と、このような変位の大きさとを決定することができる。
【００２０】
図３に示すジャイロスコープ１０のデュアル感知マスの実施形態を再度参照すると、本実施形態はまた、第３のデジタルトリガ５６を含み得る。第３のデジタルトリガ５６は、ドライブマス１４と支持構造体１２との間に連結された第３の近接スイッチ５８を含み得る。第３のスイッチ５８は、ドライブマス１４が基準位置を通って支持構造体１２に対して移動するたびに開状態から少なくとも１つの閉状態へ切り換わるように構成される。第３の近接スイッチ５８は、支持構造体１２のｘ方向における加速を検出するように構成された加速度計として機能する。第３の近接スイッチ５８は、ドライブマス１４の支持構造体１２との相対的な位置の変化に基づいて状態変化を経験することが可能な任意のデバイスであり得る。第３の近接スイッチ５８が閉状態となる基準位置は、ゼロフォース位置または他の任意の所望の基準位置であり得る。
【００２１】
図５Ａ〜図５Ｃは、支持構造体１２に対して多様な基準位置にあるドライブマス１４を備えた図３に示す第３の近接スイッチ５８の実施形態の上面図である。この実施形態において、第３の近接スイッチ５８は、有限幅の電流パルスを生成することが可能な電子トンネルスイッチである。第３の近接スイッチ５８の他の例を挙げると、容量性スイッチ、光学的シャッタースイッチ、および磁気スイッチがある。加えて、第３の近接スイッチ５８は、単一の振動周期において複数の基準位置に対応する複数の閉状態を通過するように構成され得る。図示される実施形態において、第３の近接スイッチ５８は、ドライブマス１４上に配置された一対の電子トンネルチップ（第９のチップ６０および第１０のチップ６２）と、支持構造体１２上に配置された別の一対のトンネルチップ（第１１のチップ６４および第１２のチップ６６）とを含む。第９のチップ６０および第１０のチップ６２は、ｘ方向において相互に一列に並べられ、ｘ方向において距離ｄ３だけ相互に分離される。第１１のチップ６４および第１２のチップ６６も、ｘ方向において相互に一列に並べられ、ｘ方向において相互に距離ｄ３だけ分離される。第９のチップ６０および第１０のチップ６２、ならびに、第１１のチップ６４および第１２のチップ６６は、第３の絶縁性スペーサ６８によって相互に分離され得る。ドライブマス１４が、例えば図５Ａに示すように、支持構造体１２に対して第７の基準位置に来ると、第３のスイッチ５８は閉状態となり、電流パルスが第９のチップ６０と第１１のチップ６４との間、および第１０のチップ６２と第１２のチップ６６との間を流れ得る。ドライブマス１４が、図５Ｂに示すように、第７の基準位置からｘ方向において距離＋ｄ３だけ変位した場合、ドライブマス１４は支持構造体１２に対して第８の基準位置に来る。ドライブマス１４が第８の基準位置に来ると、第３のスイッチ５８が閉状態となり、電流パルスが第９のチップ６０と第１２のチップ６６との間を流れ得る。図５Ｃに示すように、ドライブマス１４が第７の基準位置からｘ方向において距離−ｄ３だけ変位した場合、ドライブマス１４は支持構造体１２に対して第９の基準位置に来る。ドライブマス１４が支持構造体１２に対して第９の基準位置に来ると、第３のスイッチ５８は閉状態となって、電流パルスが第１０のチップ６２と第１１のチップ６４との間を流れ得る。
【００２２】
図６は、第１の感知マス１８の別の実施形態の斜視断面図である。第１の感知マス１８は、第１の感知マスドライバ７０をさらに含む。第１の感知マスドライバ７０は、第１の感知マス１８を駆動してｚ方向において第１の感知マス１８の共振周波数で振動させるように構成される。第１の感知マスドライバ７０は、第１の感知マス１のドライブマス１４に対するｚ方向における制御された動きを発生させることが可能な任意のデバイスであり得る。第１の感知マスドライバ７０の適切な例は、限定されるものではないが、静電コームドライブのような可変領域アクチュエータ、および、平行平板アクチュエータのような可変ギャップアクチュエータ、ならびに、他の電磁作動機構または圧電作動機構を含んでいる。例えば、第１の感知マスドライバ７０は、例えば図６に示すように、対照的な一対の上側および下側の重なり合う容量性電極を第１の感知マス１８の両側上に含み得る。これらの電極を用いて、第１の感知マス１８中において速度ベクトルを生成することができる。図６はまた、モノリシックに一体化された二重のバネ７２により第１の感知マス１８をドライブマス１４に連結する方法を示す。
【００２３】
第１の感知マス１８を駆動して振動させ、第１の感知マス１８の共振周波数が実質的にドライブマス１４の駆動周波数よりも高いジャイロスコープ１０の実施形態において、オフセット変調モードを用いて、第１の感知マス１８のドライブマス１４に対するｚ方向における変位および大きさの情報を決定することができる。本実施形態において、感知マス（単数または複数）は、調和振動を励起するように容量的に「ピング（pinged）」される。例えば、先に本明細書に参照により取り込まれた米国特許出願、出願番号第１３／２７６，９４８号中に記載されている時間領域加速度計の動作を参照されたい。
【００２４】
第１の感知マス１８の共振周波数がドライブマス１４の駆動周波数に略等しいジャイロスコープ１０の実施形態において、振幅変調モードを用いて、ドライブマス１４に対するｚ方向における第１の感知マス１８の変位および大きさの情報を決定することができる。本実施形態において、コリオリ力が調和振動を励起するため、感知マス（単数または複数）はピンギング（pinging）を必要としない。例えば、２０１１年６月２３日に、Charles H. Tallyらにより出願され、参照によりその全体が本明細書中に取り込まれる米国特許出願、出願番号第１３／１６７，５３９号の感知マスの開ループの実施形態を参照されたい。
【００２５】
図７は、第１の近接スイッチ２２、第２の近接スイッチ４２、および第３の近接スイッチ５８それぞれの複数の繰り返しを特徴とするジャイロスコープ１０の別の実施形態を示す。複数のデジタルトリガ／近接スイッチをジャイロスコープ１０内の各マスと共に用いることができる。
【００２６】
図８は、上部キャップウェーハ７４と下部キャップウェーハ７６との間に真空密封される（vacuum-sealed）支持構造体１２、ドライブマス１４、第１の感知マス１８、および第２の感知マス３８を示すジャイロスコープ１０の実施形態の例である。図８中、ジャイロスコープ１０の内部特徴が視認できるよう、上部キャップウェーハ７４および下部キャップウェーハ７６を透明なものとして点線の輪郭で描いている。
【００２７】
ジャイロスコープ１０の上記記載から、ジャイロスコープ１０のコンセプトの実行のために多様な技術を本発明の範囲から逸脱することなく用いることが可能であることが分かる。記載の実施形態は全ての態様において例示的なものとしてみなされるべきであり、制限的なものとしてみなされるべきではない。また、ジャイロスコープ１０は、本明細書中に記載の特定の実施形態に限定されず、特許請求の範囲から逸脱することなく多数の実施形態が可能であることが理解されるべきである。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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