(57)【要約】  少なくとも１つがＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む１以上の構造構成要素を備えるデバイスを含む、デバイス、材料、システム、および方法が開示される。また、少なくとも１つがＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む１以上の構造構成要素を備える半球部と、半球部を振動させるために半球部に対して電気力を印加するように構成されたフォーサ電極と、半球部に近接して配設され、半球型共振器ジャイロスコープの振動パターンの配向を感知するように構成された、１以上のセンサ電極とを備える、半球型共振器が開示される。
2015511707.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つがＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む１以上の構造構成要素
を備える、デバイス。
【請求項２】
前記１以上の構造構成要素の中の前記少なくとも１つは、前記１以上の構造構成要素の中の前記少なくとも１つに対して構造統合性を単独で与えるように、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を全体に含む部分を備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記１以上の構造構成要素の中の前記少なくとも１つは、非晶質ガラスベース構造および多結晶ベース構造のいずれか一方を有するＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む少なくとも１つの構造構成要素を備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む前記１以上の構造構成要素の中の前記少なくとも１つは、ほぼゼロの熱膨張率を有するＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む少なくとも１つの構造構成要素を備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料は、６３ＨｆＯ２−３７ＴｉＯ２材料を含む、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記１以上の構造構成要素の中の前記少なくとも１つは、半球型共振器ジャイロスコープの半球型シェルを備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記半球型共振器ジャイロスコープは、前記半球型共振器ジャイロスコープが自由に振動する場合の振幅減衰を表す、少なくとも１００秒のリング・ダウン・タイムを有する、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
前記ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む前記１以上の構造構成要素の中の前記少なくとも１つは、対向面がそれぞれ前記ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料の各少なくとも１つの層に互いに接触するように前記１以上の構造構成要素の中の前記少なくとも１つの中に配置された導電性電極をさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
１以上のＨｆＯ２材料層および１以上のＴｉＯ２材料層を堆積するステップと、
前記堆積された１以上のＨｆＯ２層および前記堆積された１以上のＴｉＯ２層を使用して、デバイスの構造構成要素を作製するステップであって、前記構造構成要素は、前記堆積された１以上のＨｆＯ２材料層および前記堆積された１以上のＴｉＯ２材料層を実質的に含む、ステップと
を含む、方法。
【請求項１０】
前記デバイスの前記作製された構造構成要素は、前記構造構成要素の構造統合性を単独で実現するように構成される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記１以上のＨｆＯ２材料層および前記１以上のＴｉＯ２材料層を堆積する前記ステップは、
前記１以上のＴｉＯ２層のそれぞれが、前記１以上のＨｆＯ２層の中の少なくとも１つに隣接して配設され、前記１以上のＨｆＯ２層の１つ分だけ前記１以上のＴｉＯ２層の中の任意の他の層から離間されるように前記１以上のＨｆＯ２材料層および前記１以上のＴｉＯ２材料層を交互に堆積するステップ
を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記１以上のＨｆＯ２材料層および前記１以上のＴｉＯ２材料層を堆積する前記ステップは、
前記１以上のＨｆＯ２材料層および前記１以上のＴｉＯ２材料層を共蒸着するステップ
を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記構造構成要素内に導電性電極を配置することにより、前記電極の対向面がそれぞれ、前記構造構成要素の作製に使用される前記堆積された１以上のＨｆＯ２層および前記堆積された１以上のＴｉＯ２層の各１つに接触するステップ
をさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記導電性電極を配置する前記ステップは、
前記構造構成要素の厚さの中心にまたは中心付近に前記電極を配置するステップ
を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記堆積された１以上のＨｆＯ２層および前記堆積された１以上のＴｉＯ２層を使用して、前記デバイスの前記構造構成要素を作製する前記ステップは、
前記堆積された１以上のＨｆＯ２層および前記堆積された１以上のＴｉＯ２層を使用して、半球型共振器ジャイロスコープの半球型シェルを作製するステップ
を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
前記堆積された１以上のＨｆＯ２層のそれぞれおよび前記堆積された１以上のＴｉＯ２層のそれぞれが、前記デバイスの前記構造構成要素が６３ＨｆＯ２−３７ＴｉＯ２材料を実質的に含むように、対応した所定の厚さに関連付けられる、請求項９に記載の方法。
【請求項１７】
前記１以上のＨｆＯ２材料層のそれぞれおよび前記１以上のＴｉＯ２材料層を堆積する前記ステップは、
原子層堆積製造法および化学気相堆積製造法の１以上により前記１以上のＨｆＯ２材料層および前記１以上のＴｉＯ２材料層を堆積するステップ
を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１８】
半球型共振器ジャイロスコープであって、
少なくとも１つがＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む１以上の構造構成要素を備える半球部と、
前記半球部に対して電気力を印加して前記半球部を振動させるように構成されたフォーサ電極と、
前記半球部に近接して配設され、前記半球型共振器ジャイロスコープの振動パターンの配向を感知するように構成された、１以上のセンサ電極と
を備える、半球型共振器ジャイロスコープ。
【請求項１９】
前記ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む前記半球部の前記１以上の構造構成要素の中の前記少なくとも１つは、前記１以上の構造構成要素の中の前記少なくとも１つに対して構造統合性を単独で与えるように、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を全体に含む部分を備える、請求項１８に記載の半球型共振器ジャイロスコープ。
【請求項２０】
ＨｆＯ２−ＴｉＯ２を実質的に含む前記１以上の構成要素の中の前記少なくとも１つは、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む半球型シェルを備える、請求項１８に記載の半球型共振器ジャイロスコープ。
【請求項２１】
前記半球部の前記１以上の構造構成要素の前記少なくとも１つは、６３ＨｆＯ２−３７ＴｉＯ２材料を実質的に含む、請求項１８に記載の半球型共振器ジャイロスコープ。
【請求項２２】
前記ＨｆＯ２−ＴｉＯ２を実質的に含む前記１以上の構造構成要素の前記少なくとも１つを備える前記半球部は、前記フォーサ電極からの電気力の印加を伴わずに前記半球型共振器ジャイロスコープが自由に振動する場合の振動減衰として、少なくとも１００秒の前記半球型共振器ジャイロスコープのリング・ダウン・タイムを少なくとも部分的には結果としてもたらす、請求項１８に記載の半球型共振器ジャイロスコープ。
【請求項２３】
前記半球部の前記１以上の構造構成要素の中の前記少なくとも１つは、ほぼゼロの熱膨張率を有するＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む、請求項１８に記載の半球型共振器ジャイロスコープ。
【請求項２４】
前記ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む前記１以上の構造構成要素の中の前記少なくとも１つは、
対向面がそれぞれ前記ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料の各少なくとも１つの層に接触するように前記１以上の構造構成要素の中の前記少なくとも１つの中に配置された導電性電極層
をさらに備える、請求項１８に記載の半球型共振器ジャイロスコープ。
【請求項２５】
前記１以上の構造構成要素は、
前記半球部のリムの周囲に位置決めされた複数の質量部
をさらに備える、請求項１８に記載の半球型共振器ジャイロスコープ。
【請求項２６】
前記複数の質量部のそれぞれが、実質的に同一の重量を有する、請求項２５に記載の半球型共振器ジャイロスコープ。
【請求項２７】
前記複数の質量部が、それぞれ異なる重量を有し、
より重い質量部が、前記半球型共振器の最大偏位点に位置決めされ、
より軽い質量部が、前記最大偏位点同士の間に位置決めされる、請求項２５に記載の半球型共振器ジャイロスコープ。
【請求項２８】
半球型共振器ジャイロスコープの半球型シェルを作製するために１以上の材料層を堆積するステップと、
対向面がそれぞれ前記材料の前記１以上の堆積層の中の各少なくとも１つに接触するように前記半球型シェル内に導電性電極層を配置するステップと
を含む、方法。
【請求項２９】
前記１以上の材料層を堆積する前記ステップは、
１以上のＨｆＯ２−ＴｉＯ２ベース材料層を堆積するステップ
を含む、請求項２８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
半球型共振器ジャイロスコープは、高性能振動回転センサである。半球型共振器ジャイロスコープは、ジャイロスコープの構造モード間の回転−振動結合（例えばコリオリ結合）により回転速度または回転角を測定することができる。駆動モードと呼ばれるこれらのモードの１つが、初めに、高い速度レベルで振動させられる。次いで、回転により誘発されるコリオリ力が、第１のモードからの動作に結合して、この入力された回転の規模に比例する規模を有する二次構造モードへと変化する。半球型共振器ジャイロスコープにおいて使用される一般的に利用される振動モードは、それらのモード形状に由来する２つのｃｏｓ２θモードである。
【０００２】
リング・ダウン・タイムは、半球型共振器ジャイロスコープの性能指数であり、記号τで通常示される。リング・ダウン・タイムは、全ての外部力が除去され、半球部が自由に振動する場合の、ジャイロスコープの半球型共振器の振幅減衰定数になると考えることができる。また、リング・ダウン・タイムは、半球型共振器の振動パターンを維持するために必要な労力量を定量化するものであり、この場合に、より大きなリング・ダウン・タイムを有する半球型共振器は、より少ない労力で済む。リング・ダウン・タイムは、一般的には、半球型共振器の等価質量（ｍ）および減衰係数（ｂ）に依存し、ここでは、τ＝２ｍ／ｂとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願第１２／９６６７００号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
したがって、いくつかの変形例において、デバイスが開示される。本デバイスは、１以上の複数の構造構成要素を備え、これらの構造構成要素の中の少なくとも１つが、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む。
【０００５】
本デバイスの実施形態は、以下の特徴の１以上を含む、本開示において説明される特徴の少なくともいくつかを含むこととしてもよい。
【０００６】
１以上の構造構成要素の中の少なくとも１つは、１以上の構造構成要素の中の少なくとも１つに対して構造統合性を単独で与えるような、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を全体に含む部分を備えることとしてもよい。
【０００７】
１以上の構造構成要素の中の少なくとも１つは、例えば非晶質ガラスベース構造および／または多結晶ベース構造の一方を有するＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む少なくとも１つの構造構成要素を備えることとしてもよい。
【０００８】
ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む１以上の構造構成要素の中の少なくとも１つは、ほぼゼロの熱膨張率を有するＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む少なくとも１つの構造構成要素を備えることとしてもよい。
【０００９】
ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料は、６３ＨｆＯ２−３７ＴｉＯ２材料を含むこととしてもよい。
【００１０】
１以上の構造構成要素の中の少なくとも１つは、半球型共振器ジャイロスコープの半球型シェルを備えることとしてもよい。半球型共振器ジャイロスコープは、半球型共振器ジャイロスコープが自由に振動できる場合の振幅減衰を表す、少なくとも１００秒のリング・ダウン・タイムを有することとしてもよい。
【００１１】
ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む１以上の構造構成要素の中の少なくとも１つは、対向面がそれぞれＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料の各少なくとも１つの層に接触するように１以上の構造構成要素の中の少なくとも１つの中に配置された導電性電極をさらに備えてもよい。
【００１２】
いくつかの実施形態には方法が開示される。この方法は、１以上のＨｆＯ２材料層および１以上のＴｉＯ２材料層を堆積するステップと、堆積された１以上のＨｆＯ２層および堆積された１以上のＴｉＯ２層を使用して、デバイスの構造構成要素を作製するステップであって、構造構成要素が、堆積された１以上のＨｆＯ２材料層および堆積された１以上のＴｉＯ２材料層を実質的に含む、ステップとを含む。
【００１３】
本方法の実施形態は、デバイスに関連して上述した特徴の中の少なくともいくつかと、以下の特徴の中の１以上とを含む、本開示内に説明される特徴の少なくともいくつかを含むこととしてもよい。
【００１４】
デバイスの作製された構造構成要素は、構造構成要素の構造統合性を単独で実現するように構成されることとしてもよい。
【００１５】
１以上のＨｆＯ２材料層および１以上のＴｉＯ２材料層を堆積するステップは、１以上のＴｉＯ２層のそれぞれが、１以上のＨｆＯ２層の中の少なくとも１つに隣接して配設され、１以上のＨｆＯ２層により１以上のＴｉＯ２層の中の任意の他の層から離間されるように、１以上のＨｆＯ２材料層および１以上のＴｉＯ２材料層を交互に堆積するステップを含むこととしてもよい。
【００１６】
１以上のＨｆＯ２材料層および１以上のＴｉＯ２材料層を堆積するステップは、１以上のＨｆＯ２材料層および１以上のＴｉＯ２材料層を共蒸着するステップを含むこととしてもよい。
【００１７】
本方法は、構造構成要素内に導電性電極を配置することにより、電極の対向面がそれぞれ、構造構成要素を作製するために使用される堆積された１以上のＨｆＯ２層および堆積された１以上のＴｉＯ２層の各１つに接触するステップをさらに含むこととしてもよい。
【００１８】
導電性電極を配置するステップは、構造構成要素の厚さの中心にまたは中心付近に電極を配置するステップを含むこととしてもよい。
【００１９】
堆積された１以上のＨｆＯ２層および堆積された１以上のＴｉＯ２層を使用して、デバイスの構造構成要素を作製するステップは、堆積された１以上のＨｆＯ２層および堆積された１以上のＴｉＯ２層を使用して、半球型共振器ジャイロスコープの半球型シェルを作製するステップを含むこととしてもよい。
【００２０】
堆積された１以上のＨｆＯ２層のそれぞれおよび堆積された１以上のＴｉＯ２層のそれぞれが、デバイスの構造構成要素が６３ＨｆＯ２−３７ＴｉＯ２材料を実質的に含むように、対応した所定の厚さに関連付けられることとしてもよい。
【００２１】
１以上のＨｆＯ２材料層のそれぞれおよび１以上のＴｉＯ２材料層を堆積するステップは、例えば原子層堆積製造法および／または化学気相堆積製造法の中の１以上により１以上のＨｆＯ２材料層および１以上のＴｉＯ２材料層を堆積するステップを含むこととしてもよい。
【００２２】
いくつかの実施形態においては、半球型共振器ジャイロスコープが開示される。半球型共振器ジャイロスコープは、少なくとも１つがＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む１以上の構造構成要素を備える半球部と、半球部を振動させるために半球部に対して電気力を印加するように構成されたフォーサ電極と、半球部に近接して配設され、半球型共振器ジャイロスコープの振動パターンの配向を感知するように構成された、１以上のセンサ電極とを備える。
【００２３】
半球型共振器ジャイロスコープの実施形態は、デバイスおよび方法に関連して上述した特徴の少なくともいくつかと、以下の特徴の中の少なくともいくつかとを含む、本開示において説明される特徴の少なくともいくつかを含むこととしてもよい。
【００２４】
ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む半球部の１以上の構造構成要素の中の少なくとも１つは、１以上の構造構成要素の中の少なくとも１つに対して構造統合性を単独で与えるような、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を全体に含む部分を備えることとしてもよい。
【００２５】
ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む１以上の構成要素の中の少なくとも１つは、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む半球型シェルを備えることとしてもよい。
【００２６】
半球部の１以上の構造構成要素の少なくとも１つは、６３ＨｆＯ２−３７ＴｉＯ２材料から実質的になり得る。
【００２７】
ＨｆＯ２−ＴｉＯ２を実質的に含む１以上の構造構成要素の少なくとも１つを備える半球部は、フォーサ電極からの電気力の印加を伴わずに、半球型共振器ジャイロスコープが自由に振動し得る場合の振動減衰を表す、少なくとも１００秒の半球型共振器ジャイロスコープのリング・ダウン・タイムを少なくとも部分的には結果としてもたらすことができる。
【００２８】
半球部の１以上の構造構成要素の中の少なくとも１つは、ほぼゼロの熱膨張率を有するＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料から実質的になることとしてもよい。
【００２９】
ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む１以上の構造構成要素の中の少なくとも１つは、対向面がそれぞれＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料の各少なくとも１つの層に接触するように１以上の構造構成要素の中の少なくとも１つの中に配置された導電性電極層をさらに備えてもよい。
【００３０】
１以上の構造構成要素は、半球部のリムの周囲に位置決めされた複数の質量部をさらに備えることとしてもよい。
【００３１】
複数の質量部のそれぞれが、実質的に同一の重量を有することとしてもよい。
【００３２】
複数の質量部が、それぞれ異なる重量を有してもよく、より重い質量部が、半球型共振器の最大偏位点に位置決めされてもよく、より軽い質量部が、最大偏位点同士の間に位置決めされてもよい。
【００３３】
いくつかの実施形態においては、方法が開示される。この方法は、半球型共振器ジャイロスコープの半球型シェルを作製するために１以上の材料層を堆積するステップと、対向面がそれぞれ材料の１以上の堆積層の中の各少なくとも１つに接触するように半球型シェル内に導電性電極層を配置するステップとを含む。
【００３４】
本方法の実施形態は、デバイス、第１の方法、および半球型共振器ジャイロスコープに関連して上述した特徴の中の少なくともいくつかと、以下の特徴とを含む、本開示において説明される特徴の中の少なくともいくつかを含むこととしてもよい。
【００３５】
１以上の材料層を堆積するステップは、１以上のＨｆＯ２−ＴｉＯ２ベース材料層を堆積するステップを含むこととしてもよい。
【００３６】
本明細書において説明されるデバイス、システム、材料、方法、および他の実施形態により、例えばジャイロスコープの半球部の等価質量ｍを増加させることによって、および／または半球部の減衰係数ｂを減少させることによって、ジャイロスコープのリング・ダウン・タイムを改善することが可能となる。
【００３７】
別様に定義されない限り、本明細書において使用される全ての技術用語および科学用語は、通常または従来より理解される意味と同一の意味を有する。本明細書においては、冠詞「１つの（ａ、ａｎ）」は、１つまたは２つ以上（すなわち少なくとも１つ）の冠詞の文法上の目的語を指す。例えば、「１つの要素（ａｎ  ｅｌｅｍｅｎｔ）」は、１つの要素または２つ以上の要素を意味する。本明細書においては、「約（ａｂｏｕｔ、ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」は、量および時間期間等の測定可能な値を指す場合には、その指定された値から±２０％もしくは±１０％、±５％、または＋０．１％の変動を包含するように意図され、そのため、かかる変動は、本明細書において説明されるシステム、デバイス、センサ、回路、方法、および他の実施形態のコンテクストにおいて適切なものとなる。
【００３８】
特許請求の範囲を含む本明細書においては、「の中の少なくとも１つ」または「の中の１以上」という表現が付帯する項目の列挙において使用されるような「および（ａｎｄ）」は、列挙される項目の任意の組合せが使用できることを示唆する。例えば、「Ａ、Ｂ、およびＣの中の少なくとも１つ」という列挙は、Ａ、またはＢ、またはＣ、またはＡＢ、またはＡＣ、またはＢＣ、および／またはＡＢＣ（すなわちＡおよびＢおよびＣ）の組合せのいずれをも含む。さらに、項目Ａ、Ｂ、またはＣの中の２つ以上の出現または使用が可能となる限りにおいては、Ａ、Ｂ、および／またはＣの中の複数の使用が、予期される組合せの一部を形成することができる。例えば、「Ａ、Ｂ、およびＣの中の少なくとも１つ」という列挙は、ＡＡ、ＡＡＢ、ＡＡＡ、ＢＢ、等をさらに含むことができる。
【００３９】
添付の図面の以下の詳細な説明により、本開示の他のおよびさらなる目的、特徴、態様、および利点がさらによく理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】デバイスの構成要素／部材を作製／製造するための一例の一般的手法の流れ図である。
【図２Ａ】デバイスの任意の構成要素／部材の製造／作製における一段階を示す図である。
【図２Ｂ】デバイスの任意の構成要素／部材の製造／作製における一段階を示す図である。
【図２Ｃ】デバイスの任意の構成要素／部材の製造／作製における一段階を示す図である。
【図２Ｄ】デバイスの任意の構成要素／部材の製造／作製における一段階を示す図である。
【図２Ｅ】デバイスの任意の構成要素／部材の製造／作製における一段階を示す図である。
【図２Ｆ】デバイスの任意の構成要素／部材の製造／作製における一段階を示す図である。
【図２Ｇ】デバイスの任意の構成要素／部材の製造／作製における一段階を示す図である。
【図２Ｈ】デバイスの任意の構成要素／部材の製造／作製における一段階を示す図である。
【図２Ｉ】デバイスの任意の構成要素／部材の製造／作製における一段階を示す図である。
【図３】ジャイロスコープの拡大斜視図である。
【図４】図３に示すジャイロスコープの例示の振動モードを示す図である。
【図５】半球型共振器の構築／作製の各段階を示す図である。
【図６Ａ】パイ形状質量部が共振器のリムの外周部に沿って分散配置された、一例の半球型共振器の斜視図である。
【図６Ｂ】パイ形状質量部が共振器のリムの外周部に沿って分散配置された、一例の半球型共振器の上面図である。
【図７Ａ】図６Ａ〜図６Ｂの例示の共振器の断面斜視図である。
【図７Ｂ】図６Ａ〜図６Ｂの例示の共振器の断面側面図である。
【図８Ａ】図３に示すジャイロスコープの製造において使用される一例のジャイロスコープ・アセンブリの斜視図である。
【図８Ｂ】図３に示すジャイロスコープの製造において使用される一例のジャイロスコープ・アセンブリの斜視断面図である。
【図９】図８Ａ〜図８Ｂに示すモールドの分解斜視図である。
【図１０】図３に示すジャイロスコープを製造するための一例のプロセスのブロック流れ図である。
【図１１】図６Ａ〜図６Ｂに示す共振器のリムに沿って質量部を分散配置するための一例のプロセスのブロック流れ図である。
【図１２】一例のマイクロスケール・ジャイロスコープ応用システムのブロック図である。
【図１３】一例のナビゲーション・システムのブロック図である。
【図１４】ジャイロスコープを制御するための例の制御ループのブロック図である。
【図１５】一般的な計算／処理システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
種々の図面内の類似の参照符号は、類似の要素を示す。
【００４２】
本明細書においては、１以上の構造構成要素を備えるデバイスを含む、システム、デバイス、センサ、方法、および他の実施形態が開示される。この１以上の構造構成要素の中の少なくとも１つ（例えば半球型共振器ジャイロスコープの半球型構成要素）が、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料（ハフニウム酸化物／チタン酸化物材料）を実質的に含む。したがって、いくつかの変形例において、かかるデバイスの１以上の構造構成要素の中の少なくとも１つは、１以上の構造構成要素の中の少なくとも１つの構造統合性を単独で実現するように構成されたＨｆＯ２−ＴｉＯ２のみを限定的に含む部分を備える。例えば、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む特定の構成要素が、半球型共振器ジャイロスコープの半球部であり、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２半球部は、複数サイクルの使用（例えば、回転機械の回転の測定のためにこの半球部を使用）中に、破損を伴わずにまたはその構造特性の劣化を伴わずに、その形状／形態を維持することができる。
【００４３】
いくつかの実施形態においては、デバイスの構造構成要素を作製するための方法がさらに提供される。かかる方法は、１以上のＨｆＯ２材料層および１以上のＴｉＯ２材料層を堆積することと、堆積した１つまたは複数のＨｆＯ２層および堆積した１以上のＴｉＯ２層を使用してデバイスの構造構成要素を作製することとを含んでもよく、この構造構成要素は、堆積した１以上のＨｆＯ２材料層および堆積した１以上のＴｉＯ２材料層を実質的に含む。いくつかの変形例においては、ＨｆＯ２層およびＴｉＯ２層の堆積は、例えば、ＨｆＯ２層およびＴｉＯ２層が交互に堆積される連続堆積などを利用して実施することができる。いくつかの変形例においては、ＨｆＯ２層およびＴｉＯ２層の堆積は、共蒸着法を利用して実施することができる。
【００４４】
例えば半球型共振器ジャイロスコープ（「ＨＲＧ」）のリング・ダウン・タイムを増大させるなど、ＨＲＧの性能を向上させる１つの方法は、（関数τ＝２ｍ／ｂによる）減衰係数ｂを減少させることによるものである。一般的には、適切な機械／パッケージ設計により補正できうる減衰源を含む、デバイスまたはシステム上において作動する複数の減衰源が存在する。別の減衰源は、デバイス／システムを構築する材料の達成可能な散逸レベルに関連付けられたものである。この減衰源は、熱可塑性減衰（ＴＥＤ：ｔｈｅｒｍｏｅｌａｓｔｉｃ  ｄａｍｐｉｎｇ）として知られ、ある構造体に対する品質因子（ＱＴＥＤ）は、
【００４５】
【数１】
2015511707.tif 000003
【００４６】
として表すことが可能である。ここで、ωは、共振周波数であり、τＺは、共振器のジオメトリにより規定される時定数であり、Ｅは、ヤング率であり、ＣＶは、熱容量であり、Ｔ０は、温度であり、ρは、密度であり、αは、材料の熱膨張係数である。減衰定数は、品質因子に逆比例する。
【００４７】
【数２】
2015511707.tif 000004
【００４８】
したがって、熱膨張率の低い材料が、低い減衰を有することになる。
【００４９】
低い熱膨張率を有すると判明した１つの材料が、６３ＨｆＯ２−３７ＴｉＯ２の材料の組合せである。この材料の１つの用途は、他の材料および構造体の被覆である。以下でさらに詳細に説明するように、この材料、ならびにＨｆＯ２およびＴｉＯ２の様々な他の組合せに基づく他の材料は、構造統合性を有するかかる材料の組合せを実質的に含むデバイスの構成要素／部材を単独で実現する構造材料として使用することが可能である。換言すれば、ＨｆＯ２およびＴｉＯ２の材料の組合せから主にまたは実質的に製造された部材／構成要素は、複数回の使用中に破損または性能の著しい劣化を被ることなく、構成要素／部材のかかる複数回の使用にわたって構造的形態および／または形状を維持することが可能となる。ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含むある特定の構成要素／部材に対して構造統合性を単独でもたらすＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料は、別の片／部分（ＨｆＯ２−ＴｉＯ２ベース材料以外の材料を含む）に依存する必要性を伴うことなく、その特定の構成要素／部材の構造統合性をもたらすまたは可能とすることができる（例えば、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２部分は、構成要素／部材の構造統合性を単独で実現するのに十分な構造統合性を有する）。いくつかの変形例においては、ＨｆＯ２およびＴｉＯ２の材料の組合せを実質的に含む構成要素および部材が、例えば様々な堆積法／技術などにより作製される。例えば、気相堆積が、一連の酸化物層を堆積して複雑な酸化物計量を実現するために利用されてもよい。また、単原子層が各作製流路内において堆積される原子層堆積（ＡＬＤ）が利用されてもよい。ＡＬＤベースの技術／手法を利用することにより、機械ジャイロスコープ材料として使用することが可能な厚い構造層が、短期間で（例えば数時間内に）実現することができる。
【００５０】
いくつかの変形例においては、ＨｆＯ２およびＴｉＯ２の材料の組合せを実質的に含む構成要素／部材が、以下の構成要素／部材を、すなわち、ａ）ある特定の構成要素／部材中のＨｆＯ２−ＴｉＯ２ベース材料の割当て／割合が、その特定の構成要素／部材の少なくとも５０重量％である、ｂ）ある特定の構成要素／部材を構成する任意の他の材料に対するその特定の構成要素／部材中のＨｆＯ２−ＴｉＯ２部分の割当て／重量割合が、最も高い（その構成要素／部材の総重量に対するＨｆＯ２−ＴｉＯ２ベース材料の割当て／割合が、５０％未満である場合でも）、または、ｃ）ＨｆＯ２−ＴｉＯ２ベース材料から作製された構成要素／部材の一部分の物理的計量が、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２ベース材料から作製されていない構成要素／部材の任意の他のパーツの対応する物理的計量よりも大きい（例えば、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２ベース材料から作製された構成要素／部材のパーツの厚さが、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２ベース材料から作製されていない構成要素／部材の任意の他のパーツの対応する厚さよりも大きい）、構成要素／部材を備える。
【００５１】
いくつかの変形例においては、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含むある特定の構成要素／部材が、例えば非晶質ガラスベース構造および／または多結晶ベース構造などの中の１つを有するＨｆＯ２−ＴｉＯ２ベース片を備えてもよい。この材料の非晶質形態は、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料が結晶構造を含まず、原子が不整列状態の形態である。非晶質構造は、例えば材料の低温堆積などにより実現される。材料の多結晶形態は、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料がいくつかの実施形態においては様々なサイズおよび配向の多数の結晶から構成され、原子が非晶質構造に比べてより整列状態にある、形態である。材料の多結晶形態は、例えば材料のより高温の堆積および／または非晶質構造の高温熱処理などによって実現される。本明細書において説明されるように、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２の組合せに基づく材料の１つの利点は、かかる材料が、いくつかの変形例においてはほぼゼロの熱膨張率となる低い熱膨張率を有する点である。例えば、いくつかの変形例においては、材料の熱膨張係数は、約−０．５×１０−６／℃〜０．５×１０−６／℃の間であってもよい。いくつかの変形例においては、材料の熱膨張特性は、構成要素／部材を実質的に構成するＨｆＯ２−ＴｉＯ２の組合せから作製された特定の構成要素／部材の挙動／特徴により規定される。例えば、半球型共振器ジャイロスコープの半球部が、主にＨｆＯ２−ＴｉＯ２の材料の組合せを使用して製造される場合には、熱膨張特徴は、この半球部に関連するリング・ダウン・タイムに基づき規定または表現される。したがって、半球型共振器ジャイロスコープの半球部を作製するために使用されるＨｆＯ２−ＴｉＯ２組合せ材料の低い（例えば「ほぼゼロ」の）熱膨張率は、半球型共振器ジャイロスコープが自由に振動する場合の振幅減衰を表す半球部のリング・ダウン・タイムが、ある値（例えば、少なくとも１００秒、少なくとも５００秒、等）である場合に、実現されると考えられる。
【００５２】
いくつかの変形例においては、使用されるＨｆＯ２−ＴｉＯ２の材料の組合せは、例えば６３ＨｆＯ２−３７ＴｉＯ２の材料の組合せであってもよく、その熱膨張係数は、例えば約−０．５×１０−６／℃〜０．５×１０−６／℃の間などであってもよい。ＨｆＯ２−ＴｉＯ２のこの組合せ、または様々な他の比率のＨｆＯ２およびＴｉＯ２を有する他の組合せが、例えば特定の材料を形成するために添加される個別のＨｆＯ２成分およびＴｉＯ２成分の重量などを制御することにより、ある特定の構成要素／部材の製造時に添加される個別のＨｆＯ２成分およびＴｉＯ２成分の厚さを制御する（例えば、特定のＨｆＯ２およびＴｉＯ２の材料の組合せに基づく構成要素／部材の製造プロセス時に堆積される個別のＨｆＯ２層およびＴｉＯ２層の厚さを制御するなど）こと等により、実現されてもよい。
【００５３】
次に図１を参照すると、デバイス（任意のタイプのデバイス、機器、装置等である）の構成要素／部材を作製／製造するための一例の一般的な手法１００の流れ図が示される。手法１００は、任意の構成要素／部材の形成の各段階を示す図２Ａ〜図２Ｉを参照としてさらに説明される。手法１００は、１以上のハフニウム酸化物（ＨｆＯ２）材料層および１以上のチタン酸化物（ＴｉＯ２）材料層を堆積すること１１０を含む。堆積された１以上のＨｆＯ２層および堆積された１以上のＴｉＯ２層は、デバイスの構造構成要素を作製するために使用され１２０、この構造構成要素は、堆積された１以上のＨｆＯ２材料層および堆積された１以上のＴｉＯ２材料層を実質的に含む。
【００５４】
特に、例えば図２Ａおよび図２Ｅなどに示すように、ＨｆＯ２およびＴｉＯ２の材料の組合せの堆積は、例えば原子層堆積（ＡＬＤ）製造手法、化学気相堆積（ＣＶＤ）製造法、等の堆積技術により、ＨｆＯ２およびＴｉＯ２の組合せを実質的に含む構成要素／部材が上に作製される基板またはモールド２０２の上にＨｆＯ２材料層およびＴｉＯ２材料層を堆積することによって実施される。基板および／またはモールドは、ＨｆＯ２およびＴｉＯ２の材料の組合せを実質的に含む結果的に得られる構成要素／部材が有することとなる形状／構成を規定するように形状設定および構成される。いくつかの実施形態においては、基板は、酸化シリコン（例えばＳｉＯ２）層を使用して形成されてもよく、この酸化シリコン層上には、犠牲ポリＳｉ層（結果的に作製されたＨｆＯ２−ＴｉＯ２ベース片を基板／モールドから外すために後に除去される）が、堆積される。図２Ａ〜図２Ｈの例においては、使用される例の基板２０２は、矩形（正面からの視点で見た場合のみ）プレートであり、したがって、形成された構成要素／部材は、少なくとも初めは、プレート状構成または形状を有することになる（さらなる処理が、後堆積製造プロセス時に実施されて、堆積されたＨｆＯ２およびＴｉＯ２の材料の組合せを実質的に含む片をさらに成形する）。
【００５５】
いくつかの変形例においては、１以上のＨｆＯ２材料層および１以上のＴｉＯ２材料層の堆積は、１以上のＴｉＯ２層のそれぞれが、１つまたは複数のＨｆＯ２層の中の少なくとも１つに隣接して堆積され、１以上のＨｆＯ２層の中の１つにより１以上のＴｉＯ２層の中の任意の他の層から分離されるように、１以上のＨｆＯ２材料層および１以上のＴｉＯ２材料層を交互に堆積することを含む。したがって、図２Ａ〜図２Ｄの例においては、ＴｉＯ２およびＨｆＯ２の各層が堆積されて示される。特に、この例においては、ＴｉＯ２層２０４が、始めに基板２０２上に堆積される（図２Ａを参照）。ＨｆＯ２層２０６が、層２０４の上に堆積され（図２Ｂ）、その後に別のＴｉＯ２層２０８が、層２０６の上に堆積され（図２Ｃ）、ＨｆＯ２層２１０が、層２０８の上に堆積される（図２Ｄ）。この各ＴｉＯ２およびＨｆＯ２層の連続堆積は、各堆積される層の集合体が何らかの所定の厚さに到達するまで、継続される。
【００５６】
いくつかの変形例においては、１以上のＨｆＯ２材料層および１以上のＴｉＯ２材料層の堆積は、１以上のＨｆＯ２材料層および１以上のＴｉＯ２材料層の共蒸着を含んでもよい。例えば、ＨｆＯ２材料およびＴｉＯ２材料が、同時にまたはほぼ同時に、層２１２として基板２０２上に（図２Ｅに示すように）、または先に形成されたＨｆＯ２−ＴｉＯ２の材料の組合せの層（図２Ｆ〜図２Ｈに示す層２１２、２１４、２１６、および２１８）の上に堆積されてもよい。この場合に、かかる先に形成された層は、連続堆積法、共蒸着法順、または何らかの他の手法を利用して堆積されたものであってもよい。
【００５７】
いくつかの変形例においては、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２ベース材料を使用した構造構成要素の作製は、構造構成要素内に導電性電極層（例えば金属電極）を配置して、電極の対向面がそれぞれ、構造構成要素を作製するために使用される堆積された１以上のＨｆＯ２層および堆積された１以上のＴｉＯ２層の中の少なくとも各１つに接触するようにすることを含んでもよい。いくつかの変形例においては、導電性電極の配置は、構造構成要素の厚さの中心部にまたは中心部付近に電極を配置することを含む。例えば、図２Ｉに示すように、金属（導電性）電極２２０が、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２層２１４の上に配置されてもよい（例えば、堆積プロセスまたは他の適切な配置プロセスにより）。電極２２０の配置後に、追加のＨｆＯ２−ＴｉＯ２層が、電極２２０の上に（例えば、図２Ｉの例における層２１４上に配置された表面の対向側の表面上に）堆積される。したがって、図２Ｉに示すように、層２１６および２１８、電極２２０上に配置される。作製される構造構成要素が半球型共振器の半球シェルである実施形態においては、この構造体内に配置される電極は、半球型共振器を駆動するようにバイアス電圧（例えばＤＣバイアス電圧）の印加を可能にするために使用されてもよい。
【００５８】
既述のように、いくつかの変形例においては、ＨｆＯ２およびＴｉＯ２の材料の組合せを実質的に含む構造構成要素は、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２ベース材料の割当て／割合が、作製された結果的に得られる構造構成要素の少なくとも５０重量％であり、構造構成要素を構成する任意の他の材料に対する結果的に得られる構造構成要素中のＨｆＯ２−ＴｉＯ２ベース材料の割当て／重量割合が、最も高く、および／または、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２ベース材料から作製される結果的に得られる構造構成要素の部分の物理的計量が、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２ベース材料から作製されない構造構成要素の任意の他のパーツの対応する物理的寸法よりも大きい（例えば、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２ベース材料から作製された構成要素のパーツの厚さが、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２ベース材料から作製されない構成要素の任意の他のパーツの対応する厚さよりも大きい）、構造構成要素であってもよい。ＨｆＯ２−ＴｉＯ２ベース材料を実質的に含む作製された結果として得られる構造構成要素は、構造構成要素の構造統合性を単独で実現するように構成されてもよく、例えば、結果的に得られる構造構成要素は、結果的に得られる構造構成要素に対して構造統合性を単独で与えるＨｆＯ２−ＴｉＯ２ベース材料から完全に（またはそれのみからまたはほぼそれのみから）構築された部分を備える。
【００５９】
いくつかの実施形態においては、形成されることとなる特定のＨｆＯ２−ＴｉＯ２の組合せは、堆積されるＨｆＯ２層およびＴｉＯ２層の厚さを制御することにより実現される。例えば、堆積されるＨｆＯ２層およびＴｉＯ２層の厚さ（連続堆積、共蒸着、または何らかの他のプロセスによるもののいずれであっても）は、６３ＨｆＯ２−３７ＴｉＯ２材料を実質的に含む構造構成要素を実現するように制御されてもよい。ＨｆＯ２−ＴｉＯ２の様々な比率における他のＨｆＯ２−ＴｉＯ２の組合せが、形成および使用されてもよい。
【００６０】
既述のように、本明細書において説明されるＨｆＯ２−ＴｉＯ２の１つの用途は、この材料から半球型共振器ジャイロスコープの少なくとも１つのパーツを作製（構築）することである。本明細書において説明されるように、半球型共振器ジャイロスコープのリング・ダウン・タイムが、半球型共振器の等価質量および減衰係数ｂ（ここで、τ＝２ｍ／ｂ）に少なくとも部分的によって決定されるため、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料の熱膨張特徴が一般的に低いことにより、リング・ダウン・タイム性能が改善された共振器ジャイロスコープデバイスを実現することが可能となる。したがって、いくつかの変形例においては、構造構成要素の中の少なくとも１つ（例えば半球部を構成するシェル）がＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む半球部を備える、半球型共振器ジャイロスコープが提供される。半球部の構造構成要素の中のこの少なくとも１つは、かかる少なくとも１つの構造構成要素に対して構造統合性を単独で与える。
【００６１】
構造構成要素の中の少なくとも１つがＨｆＯ２−ＴｉＯ２の材料の組合せ（例えば６３ＨｆＯ２−３７ＴｉＯ２材料など）を実質的に含む半球型共振器ジャイロスコープが、「Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｍａｓｓ  Ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌ  Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ  Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ」と題する２０１０年１２月１３日に出願された特許文献１において説明されるものなどの半球型共振器ジャイロスコープを備えてもよい。この特許文献１の内容は、その全てがここに参照により本明細書に組み込まれる。
【００６２】
一般的には、いくつかの変形例においては、半球型共振器ジャイロスコープは、半球型共振器の振動パターンの方位を感知するために使用されるピックオフ電極を有する基板を備えるマイクロスケール・ジャイロスコープ（半球型共振器を有する回転センサまたは振動センサとも呼ばれる）であってもよい。リング・フォーサ電極が、半球型共振器を駆動するように構成される。電圧が、共振器に関連する定常波の振幅を制御し、例えば望ましくない直角位相効果を抑制するために、フォーサ電極に印加される。例えばキャパシタ電極などのピックオフ電極は、定常波の位置および振幅を決定し、例えば望ましくない直角位相効果を抑制するためなどに制御力を追加的に印加するために、使用される。ピックオフ電極の静電容量は、共振器屈曲周波数にて変調される。ピックオフ電極における静電容量の変化は、ジャイロスコープの構造モード間の回転−振動結合（例えばコリオリ結合）による回転速度または回転角の判定のために使用される。
【００６３】
以下でさらに詳細に説明するように、いくつかの実施形態においては、共振器のリング・ダウン・タイム性能は、デバイスの等価質量を増加させることにより改善される。数理的には、半球型共振器ジャイロスコープの等価質量は、２つのモード形状についての最大速度点または最大偏位点に位置する一連の点質量として考えることができ、この場合に、半球部の残りの部分は、質量ゼロと仮定される。半球部において、等価質量は、この半球部の全質量の３分の１にほぼ等しい。リング・ダウン・タイムτを増大させるためには、いくつかの変形例においては、ジャイロスコープの半球型共振器の等価質量は、例えば半球部直径を増大させることによりさらに大きくされてもよい。しかし、固定サイズの半球型ジャイロスコープまたはマイクロスケール・ジャイロスコープを必要とする多数の用途が存在し、この場合に、半球部のサイズの増大は、実現可能ではなくまたは実際的ではない。したがって、いくつかの実施形態においては、半球型共振器の等価質量は、半球型共振器の外周部の周囲に質量部を位置決めすることにより増加される。例えば、質量部は、半球部外方リムの外周部の周囲に位置決めされる。これらの質量部は、タングステン、金、白金、鉛、またはそれらの任意の組合せなどの重金属から作製される。これらの質量部は、共振器の最大偏位点または最大速度点に位置決めされる。例えば、ｃｏｓ２θ振動モードを利用する共振器においては、８個の質量部が、半球部外方リムの外周部の周囲に約４５度刻みで分散配置される。各質量部の形状は、この質量部に向かって延びるラジアル方向ベクトルを中心として対称であってもよい。例えば、円形、正方形、矩形、またはパイ形状ウェッジ型の質量部が、使用されてもよい。質量部の重量は、実質的に同一であってもよく（例えば０〜５％の製造公差内）、および／または、例えば予想される減衰レベルおよび所望のリング・ダウン・タイムτなどを含む複数の因子により決定されてもよい。各質量部の重量は、半球部の外周部の周囲において多様であってもよく、より重い質量部が、共振器の振動モードに関連する最大偏位点に配置されてもよい。より軽い質量部が、半球部の外周部の周囲に好ましくは均等に離間された最大偏位点同士の間に位置決めされてもよい。いくつかの変形例においては、ジャイロスコープ（マイクロスケール・ジャイロスコープまたはその他のもののいずれであっても）は、半球型共振器の外周部に沿って質量部を位置決めすることなく実施されてもよい。かかる実施形態においては、改善されたリング・ダウン・タイム性能の実現は、例えば、半球型共振器の構造構成要素またはジャイロスコープの任意の他の構成要素の中の少なくとも１つを構築／形成するために、低い熱膨張率を有する本明細書において説明されるＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料などの材料を使用することによって、実現される。
【００６４】
したがって、図３を参照すると、半球型共振器ジャイロスコープ３００の分解図が示される。ジャイロスコープ３００は、ハウジング３０２と、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料から実質的になる半球型シェル共振器３０４と、ピックオフ電極３０６とを備える。ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む半球型シェル共振器３０４は、構造統合性を単独で実現し、ジャイロスコープ３００が被る回転を測定するのに必要な様式で回転するための構造強度および頑健性を有するように（例えば、シェルがその形状／形態を維持するまたは半球型シェル共振器３０４の破損を防止することが可能となるようにするために、別の要素または材料を必要とすることなく）、構成される。また、ジャイロスコープ３００は、外方ハウジング３０２の内部表面が金属被覆された複数の電極３２２を備えてもよく、この外方ハウジング３０２は、半球型シェル共振器３０４と同心状であってもよい。外方ハウジング３０２内の電極３２２は、半球型シェル共振器３０４の表面の金属被覆された電極と共に、一連の駆動コンデンサを形成することができる。電圧が、定常波の振幅を制御するために、および望ましくない直角位相効果を抑制するために、電極３２２の組合せに対して可制御的に／選択的に印加されてもよい。
【００６５】
一般的には、静電駆動を助長するための導電性層（例えば金属層）が、半球部の内部表面または外部表面上に配置される。しかし、これらの表面は、振動時に応力を被り、金属の喪失は、リング・ダウン・タイムを低減させる。したがって、いくつかの変形例においては、電極が、シェル内において交互にまたは追加的に堆積されてもよい（例えば、本明細書において説明される材料堆積シーケンスの一部として堆積される）。例えば曲げ応力がゼロである中立曲げ軸の付近の位置などに、シェル内に電極を堆積することにより、金属の減衰損失が軽減される。さらに、これにより、外部半球表面または内部半球表面に金属電極を有する半球部と比較して、リング・ダウン・タイムが増加する。
【００６６】
ジャイロスコープ３００は、半球型シェル共振器３０４のリム３３４の平面に対して法線となる軸を中心として回転される。この回転により、定常波は、ジャイロスコープ３００の回転角に比例する角度だけ、ジャイロスコープ３００に対して逆方向へと回転される。したがって、ジャイロスコープ３００に対する定常波の回転角を測定することにより、ジャイロスコープ３００の回転角が、判定される。
【００６７】
半球型シェル共振器３０４の振動モードは、共振器にＤＣバイアス電圧を、および駆動リング電極３２０にＡＣ電圧を印加することによって、励起される。ＡＣ電圧の周波数は、いくつかの変形例においては、半球型シェル共振器３０４の共振周波数の２倍であってもよい。
【００６８】
ジャイロスコープ３００からの信号は、半球型シェル共振器３０４の定常波の振幅および位置に関する情報を含む。これらの信号は、静電容量的に取得される。既述のように、ピックオフ電極３０６および３２４は、半球型シェル共振器３０４の金属被覆された内部表面３３０を使用することにより形成されてもよく、半球型シェル共振器３０４の内方の金属被覆されたシェルのきわめて近くに保持された内方同心ハウジング上に配置され得る。さらに既述のように、いくつかの変形例においては、電極は、共振器３０４のシェルの中間層として配置されてもよい。シェルの振動歪みにより、ピックオフ電極３０６および３２４のそれぞれの静電容量は、共振器屈曲周波数にて変調される。例えば、電子回路が、定常波の位置および振幅を判定するためのこれらの静電容量変化を測定するために使用されてもよい。
【００６９】
図４は、図３のジャイロスコープ３００の半球部リムの構造モード４００および４０２を示す図である。一般的には、半球型共振器ジャイロスコープの半球型共振器は、ジャイロスコープの主要動作モードを含む２つの構造モードを有する。これらの２つの構造モードは、構造モード４００および４０２に相当する。半球型共振器は、初めに、構造モード４００において示すような主要振動パターンへと駆動される。回転により誘発されるコリオリ力が、主要振動パターンの構造モード４０２への摂動を引き起こす。この摂動は、例えば回転速度および回転角などに比例する。構造モード４００および４０２に対応する初期振動パターン４０４および摂動された振動パターン４０６が、半球部リム４０５上に重畳されて示される。
【００７０】
既述のように、図３に示すジャイロスコープ３００の半球型共振器３０４は、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料（例えば、６３ＨｆＯ２−３７ＴｉＯ２材料）から実質的になる。いくつかの実施形態においては、半球シェルの構築／作製は、図１および図２に関連して説明した手法と同様の手法を利用して実施されてもよい。したがって、かかる実装形態においては、１以上のハフニウム酸化物（ＨｆＯ２）材料層および１以上のチタン酸化物（ＴｉＯ２）材料層が、堆積される（例えば、相互の上に様々な堆積プロセス／技術を利用してそれらを交互に堆積し、所望のＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を達成するために層厚さを制御することにより、および／または、これらの層を共蒸着することにより）。ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料層は、作製されることとなる最終的に望ましい形態／形状の構造構成要素を実現するように構成された基板またはモールドの上に堆積されてもよい。
【００７１】
ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む半球型シェル共振器の一例の作製実施形態が、半球型シェル共振器の構築／作製の各段階を示す図５を参照として説明される。図５の中の概略図１に示すように、いくつかの実施形態においては、半球モールドが用意される。例えば、半球モールド５１０が、適切な材料（＜１１１＞シリコンなど）からなるベース５１２に対して等方性エッチングを実施することにより作製される。エッチング可能材料が、半球モールドを画成するためにエッチングされると、シリコン・モールドの上方表面が、ＳｉＯ２層５１４を作製するために酸化される。ポリＳｉ犠牲層５１６が、ＳｉＯ２層上に堆積される。いくつかの変形例においては、モールドは、ＳｉＯ２材料を使用して形成されてもよい。他の適切なモールド構造／材料が、使用されてもよい。
【００７２】
半球型シェル共振器がステム構造部を備える実施形態においては、モールド５１０は、図５の概略図２に示すように、さらにエッチングされることにより、マウントを画定するためのステム構造部５２０を形成する。モールド構造体が作製されると、原子層堆積（ＡＬＤ）などの堆積技術が、半球型構造体５３０を作製するために実施される（図５の概略図３に示すように）。したがって、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２の層が堆積される（ＨｆＯ２層およびＴｉＯ２層が交互に堆積された状態で連続的に、またはＨｆＯ２層およびＴｉＯ２層が共蒸着された状態で）。堆積作業は、独立した構造統合性を半球型シェルに与えるＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料の組合せから作製された所望の厚さの半球型シェルが実現されるまで実施される。いくつかの変形例においては、堆積される層が、全てＨｆＯ２−ＴｉＯ２であってもよく、またはいくつかの変形例においては、堆積される層は、１以上の金属層を有するＨｆＯ２−ＴｉＯ２であってもよく、この場合には、例えばバイアス電圧の印加のために使用されるこの１以上の金属層は、半球構造体のバルク内に（例えば構造体の中間平面に）または内／外方表面内に位置決めされる点に、留意されたい。かかる実施形態においては、１以上の金属層は、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２層の中の１つの上に配置される（例えば、堆積プロセスにより、または他の材料上に金属層を配置するための何らかの他の適切なプロセスにより）。金属層が、半球型シェル内に配置されることとなる場合には、堆積されたＨｆＯ２−ＴｉＯ２層上に金属層を配置すると、さらなるＨｆＯ２−ＴｉＯ２層（連続的に堆積される各ＨｆＯ２層およびＴｉＯ２層または共蒸着されたＨｆＯ２−ＴｉＯ２層のいずれであっても）が、金属層上に堆積される。金属層がやはり堆積される実施形態においては、結果的に得られる半球型シェル共振器は、例えば、結果的に得られるシェルの重量の少なくとも５０％および／または結果的に得られるシェルの厚さの少なくとも５０％が、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２層に属する点などにおいて、依然としてＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む共振器である。
【００７３】
半球型シェル構造体５３０の構造層が堆積された状態において、半球型構造体５３０が、エッチングされる（図５の概略図４に示すように）ことにより、半球型構造体５３０のリムが画定される。いくつかの変形例においては、アニーリング・プロセス等を含む追加のプロセスが、結果的に得られた半球型構造体に対して実施されてもよい。
【００７４】
以下でさらに詳細に説明されるように、半球型シェルの等価質量が例えば半球型シェルのリムなどに沿って質量部を分散配置することにより増加されることとなる実施形態においては、図５に示す作製プロセスは、さらなる作業を含む。例えば、いくつかの変形例においては、レジスト層およびめっきシード層が、図５の概略図５に示すように、シェル５３０の上に堆積される。特に、図示するように、レジスト材料５４０を使用して半球部を一時的に充填することにより、金属シード層５４２が、充填レジスト材料５４０の頂部方面上に堆積される。次いで、めっきモールド５５０が、例えば、金属めっきの成形が可能になるように後にパターン形成される厚い感光性レジスト材料を配置する（例えば堆積プロセスまたは何らかの他の適切な配置プロセスなどにより）ことなどにより、形成される（図５の概略図６）。半球部の等価質量を増加させるために使用される質量部（例えば質量部５６０ａおよび５６０ｂ）が、図５の概略図７に示すように追加される（例えば電気めっきにより）。レジスト層は、後に剥離され、シード層は、エッチングされ（図５の概略図８に示すように）、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む半球型シェル５３０を備える結果的に得られる半球部と、追加された質量部５６０ａおよび５６０ｂとが、ポリシリコン層５１６から取り外される（図５の概略図９に示すように）。
【００７５】
半球型シェルに対して分散配置された質量部を追加することにより、ジャイロスコープのリング・ダウン・タイムの性能が改善される。ジャイロスコープの半球型共振器の等価質量の変更は、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２材料を実質的に含む半球型シェルの作製により、共振器の熱膨張係数を制御する代わりに、またはそれに加えて、実施される。したがって、図６Ａ〜図６Ｂは、半球型シェルのトリムに質量部を追加することにより等価質量が制御される、半球型共振器６００を示す。半球型共振器６００は、ステム６０４により支持される。分散配置された質量部６０２（図５の質量部５６０ａおよび５６０ｂの配置と同様の様式で配置される）が、共振器の等価質量を増加させるために、半球型共振器６００のリム上に位置決めされる。いくつかの変形例においては、分散配置される質量部６０２は、金、白金、タングステン、鉛、それらの任意の組合せ、または他の材料を含む、例えばマイクロスケール作製物などに対して導電性を有する任意の高重量材料（例えば重金属）から作製される。分散配置された質量部６０２に重金属を使用することにより、ジャイロスコープのジオメトリ形態因子に制限を与える質量の増加が最適化される。いくつかの変形例においては、分散配置された質量部６０２は、電気めっきを利用して作製される。
【００７６】
分散配置された質量部６０２は、半球型共振器６００の外方リムの外周部の周囲に位置決めされてもよい。質量部は、共振器の最大偏位点または最大速度点に位置決めされてもよい。例えば、いくつかの変形例においては、ｃｏｓ２θ振動モードを利用する共振器においては、８個の質量部が、半球型共振器６００の外方リムの外周部の周囲に約４５度刻みで分散配置されてもよい。さらに多数のまたはさらに少数の質量部が、半球型共振器６００の外方リムの外周部の周囲に位置決めされてもよい。いくつかの変形例においては、各質量部の形状は、その質量部に向かって延びるラジアル方向ベクトルを中心として対称的な任意の形状をとってもよい。例えば、円形、正方形、矩形、またはパイ形状ウェッジ型の質量部が、使用されてもよい。いくつかの変形例においては、質量部の重量は、実質的に同一であってもよく、例えば予想される減衰レベルおよび所望のリング・ダウン・タイムτなどを含む複数の因子により決定されてもよい。他の実施形態においては、各質量部の重量は、半球部の外周部の周囲において多様であってもよく、より重い質量部が、共振器の振動モードに関連する最大偏位点に配置されてもよい。より軽い質量部が半球部の外周部の周囲に均等に離間された最大偏位点同士の間に位置決めされてもよい。
【００７７】
図６Ｂは、半球型共振器６００の外方リムの周囲に均等に離間された８個の分散配置された質量部６０２の上面図である。既述のように、さらに多数のまたはさらに少数の質量部が、半球型共振器６００の外方リムの外周部の周囲に位置決めされてもよい。半球型共振器６００上に分散配置するように選択された質量部の実際の個数は、半球型共振器６００を駆動するために使用される振動モードに少なくとも部分的に基づいてもよい。上述のように、２つのｃｏｓ２θ振動モードが、使用される場合には、８個の質量部が、半球型共振器６００の最大偏位点に位置決めされてもよい。より高次の振動モードが、半球型共振器６００を駆動するために使用される場合には、より多数の質量部が、半球型共振器６００の外方リムの外周部の周囲に位置決めされてもよい。例えば、いくつかの変形例においては、１０個、１２個、１６個、１８個、２４個、またはより多数の質量部が、半球型共振器６００の外方リムの外周部の周囲に位置決めされてもよい。
【００７８】
図７Ａ〜図７Ｂは、図６Ａおよび図６Ｂの半球型共振器６００のさらなる観点からの図７００および７５０を示す。図７００において示すように、質量部６０２−１の形状は、質量部に向かって延びるラジアル方向ベクトル７０２を中心として対称であってもよい。パイ形状ウェッジが、図７Ａ〜図７Ｂの例に示されるが、円形、正方形、または矩形の質量部を含む、他の形状が、質量部について使用されてもよい。半球型共振器６００の断面側面図７５０においては、質量部６０２−１が、平面７５２上において半球型共振器６００の外方リムに対して固定されるのが分かる。質量部６０２−１は、半球型共振器６００の外方リムに対して固定された他の質量部と同様に、任意の適切な技術を利用して固定されてもよい。例えば、以下で図８Ａ〜図８Ｂおよび図９に関連して説明するように、質量部は、金、白金、タングステン、鉛、等の重金属の電鋳を利用してパターン形成されてもよい。
【００７９】
図８Ａ〜図８Ｂは、図３および図６Ａ〜図６Ｂの半球型共振器３００および６００などの、半球型共振器を有するジャイロスコープを製造するために使用される半球型共振器ジャイロスコープ・アセンブリ８００を示す。半球型共振器ジャイロスコープ・アセンブリ８００は、図５に関連して説明されるものと同様の手法を利用して半球型共振器を製造するために使用される。したがって、いくつかの変形例においては、堆積法（ＡＬＤなど）が、薄膜酸化物をマイクロモールド８０２内に堆積するように実施されてもよく、モールドは、結果的に、アセンブリ全体の一部となる。いくつかの実施形態においては、共振器の半球型シェルを形成するためにモールド内に堆積される材料は、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２の材料の組合せであり、したがって低い（例えばほぼゼロの）熱膨張率を有する半球型共振器を実現する（これは、さらには低い減衰係数を有する共振器を実現することになる）。選択された材料の層（ＨｆＯ２−ＴｉＯ２の材料の組合せまたは何らかの他の材料のいずれであっても）の堆積の前に、金属電極が、ピックオフ電極を形成するために堆積およびパターン形成されてもよい。電極の堆積後に、犠牲層が、堆積されて、半球部と電極との間に間隙を画成する。既述のように、半球部は、次いで、原子層堆積などの堆積技術を利用して形成される。図５に関連して既述したように、いくつかの変形例においては、半球型共振器の構築／作製は、内方表面上、外方表面上、または半球部のバルク内のいずれかに（薄い）金属膜を配置して、半球部の静電変換において使用される電気接触子を形成することをさらに含んでもよい。電気接触子の形成に加えて、金属層／膜が、シェルのバルク内に配置される（例えば、金属層が、例えば半球型シェルを画定するために使用されるＨｆＯ２−ＴｉＯ２の材料の組合せなどの層内に包囲されるなど）場合には、半球部のバルク内の（およびしたがって振動半球部の高応力屈曲エリアと直接接触状態にはない）金属層は、金属膜における減衰損失をさらに低減させることが可能であり、これにより、半球型構造体の減衰係数をさらに減少させることが可能となる。半球型共振器のシェルを作製するために材料を堆積した後に、半球部の質量部６０２が、金、白金、タングステン、鉛、等の重金属の電鋳を利用して追加されてもよい。質量部の作製に加えて、電鋳は、半球部の外周部の周囲にフォーサ・リング８０４をさらに同時に加えることにより、構造体を駆動するための静電力を提供してもよい。電鋳プロセス後に、犠牲層が、取り外されることにより、半球部のベースに配置されたステム（例えば図６Ａに示すステム６０４）を介して基板に接続された自立型半球部が形成される。
【００８０】
図９は、半球型共振器ジャイロスコープを製造するための別の例のアセンブリ９００の分解図である。アセンブリ９００は、シリコンから構成される基板９０２を備える。モールドが、基板９０２の等方性エッチングを利用して作製されてもよい。次いで、金属電極９０８が、ピックオフ電極として機能するようにパターン形成される。８個の電極９０８が、アセンブリ９００の例には示されるが、さらに多数のまたはさらに少数の電極が、アセンブリの実施形態中に含まれてもよい（例えば１２個または１６個の電極など）。半球型共振器９０４のシェルが、様々な堆積法（例えば層堆積法など）を利用して作製されてもよい。図１、図２、図５、および図８に関連して説明されるものと同様の様式で、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２の材料の組合せに基づく材料層が、犠牲剥離層上に堆積されてもよい。
【００８１】
次いで、半球型共振器の等価質量を増加させるために半球型共振器のシェル上に適合および配置される重金属質量部が、半球型共振器上にパターン形成される。フォーサ電極９０６が、例えば電鋳技術などを利用して質量部と同時に形成されてもよい。フォーサ電極９０６は、半球型共振器９０４を駆動するように構成される。静電駆動（例えばジャイロスコープ振動子を励起および駆動するための）が、いくつかの変形例において使用されるが、圧電駆動、磁気駆動、熱駆動、または光駆動などの他の駆動技術が、利用されてもよい。かかる例においては、圧電アクチュエータ、磁気アクチュエータ、熱アクチュエータ、または光アクチュエータが、フォーサ電極９０６と置換される、またはフォーサ電極９０６を補足する。さらに、静電感知または静電検出機構が、いくつかの変形例において使用されてもよく、他の形態の感知または検出（圧電感知、圧電抵抗感知、光感知、または磁気感知）が、利用されてもよい。したがって、いくつかの変形例においては、金属電極９０８は、適切な圧電感知素子もしくはセンサ、圧電抵抗感知素子もしくはセンサ、光感知素子もしくはセンサ、または磁気感知素子もしくはセンサにより、置換されてもよく、またはそれらで補足されてもよい。
【００８２】
図１〜図９の参照に加えて図１０を参照すると、本明細書において説明される任意のジャイロスコープなどのジャイロスコープを構築するためのプロセス１０００の流れ図が示される。しかし、プロセス１０００は、一例にすぎず、限定的なものではない。プロセス１０００は、例えば、部分的にまたは完全に同時に、追加された、除去された、再構成された、組み合わされた、および／または実施された、作業を伴うことなどにより変更される。
【００８３】
図示するように、半球空洞部が、基板中にエッチングまたは成形される１００２。例えば、この基盤は、いくつかの変形例においてはシリコンから構成されてもよい。次いで、ピックオフ電極が、パターン形成および堆積される１００４。例えば、ピックオフ電極は、図９の基板９０２などの基板上にパターン形成および堆積されてもよい。犠牲剥離層が、堆積される１００６ことにより、半球型共振器と電極との間に間隙を画成する。半球型共振器のシェルが、例えば、堆積された犠牲剥離層上へのＨｆＯ２−ＴｉＯ２の材料の組合せなどの材料の原子層堆積または化学気相堆積などを利用して形成される。例えば、電鋳プロセスなどを利用して、複数の質量部が、半球型共振器のシェルのリムに追加される１０１０。フォーサ・リング電極が、同じ電鋳作業時に複数の質量部と同時に追加されてもよく、または別個の電鋳作業時に別個に追加されてもよい。犠牲層が、取り外されて１０１２、ステムにより支持される自立型の半球型共振器を形成する。
【００８４】
手法１０００は、ジャイロスコープを作製するための１つの技術／手順を説明するが、多数の他の技術／手法が、さらに利用されてもよい。例えば、いくつかの変形例においては、マイクロ成形が、原子層堆積の代わりにまたはそれに追加して利用されてもよい。別の例として、ウェットエッチングまたはドライエッチングが、本明細書において説明される堆積法の代わりにまたはそれに追加して利用されてもよい。さらに、他の適切な製造プロセスが利用されてもよい。
【００８５】
図１１を参照すると、本明細書において説明される任意の共振器などの共振器上に質量部を堆積するための一例のプロセス１１００が示される。しかし、プロセス１１００は、一例にすぎず、限定的なものではない。プロセス１１００は、例えば、部分的にまたは完全に同時に、追加された、除去された、再構成された、組み合わされた、および／または実施された、作業を伴うことなどにより変更される。
【００８６】
したがって、図１１に示すように、所望のジャイロスコープ・スケールおよび所望のリング・ダウン・タイムが、受領される１１０２。例えば、２ｍｍの共振器直径および５００秒のリング・ダウン・タイムを伴うマイクロスケール・ジャイロスコープを基準とする仕様が、受領される。受領された仕様に少なくとも部分的に基づき、ジャイロスコープの動作モードが、選択される１１０４。例えば、上述のように、ジャイロスコープの半球型共振器において一般的に使用される振動モードは、ｃｏｓ２θモードを含む。より高次のまたはより低次のモードが、選択されてもよい。最大共振器偏位点が、選択された振動モードに少なくとも部分的に基づき決定される１１０６。例えば、上述のｃｏｓ２θモードを利用する場合には、共振器の外周部の周囲に約４５度で離間された各点を有する、８個の最大偏位点が存在する。最大偏位点に位置決めされることとなる質量の重量が、所望のリング・ダウン・タイムに少なくとも部分的に基づき計算される１１０８。いくつかの変形例においては、半球型共振器の半球型シェルを構築（作製）するために用いられる材料の選択が、さらに実施される。例えば、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２の材料の組合せに基づく材料が、選択されてもよく、その熱膨張係数が、決定される（選択された材料の実験データまたは確立されたデータ表から）。次いで、半球型シェル上に位置決めされることとなる質量部の重量が、選択された材料の特徴に少なくとも部分的に基づき（例えば材料の熱係数に基づき）決定される。質量部は、共振器の等価質量を増加させるために、ジャイロスコープの共振器の外周部に沿って堆積される１１１０。質量部は、共振器の最大偏位点または最大速度点に位置決めされる。例えば、図６の例に示すように、８個の質量が、相互から約４５度離間されて、共振器６００の外方リムに沿って位置決めされてもよい（図６）。この位置決めは、上述の２つのｃｏｓ２θを利用する共振器の８個の最大偏位点に対応する。共振器の８個の最大偏位点は、構造モード４００および４０２に対応する初期振動パターン４０４（図４に示すような）および処理済み振動パターン４０６から結果的に得られる。追加のまたはさらに少数の質量部が、他の実施形態において共振器上に位置決めされてもよい。
【００８７】
既述のように、いくつかの変形例においては、各質量部の形状は、その質量部に向かって延びるラジアル方向ベクトルを中心として対称である形状を取る。例えば、円形、正方形、矩形、もしくはパイ形状ウェッジ型、または他の形状の質量部が使用される。質量部の重量は、いくつかの変形例においては実質的に同一であってもよく、例えば予想される減衰レベルおよび所望のリング・ダウン・タイムτなどを含む複数の因子により決定されてもよい（これは、さらに、共振器の１以上の構造構成要素を構築するために選択される材料の特徴により決定されてもよい）。他の実施形態においては、各質量部の重量は、半球部の外周部の周囲において多様であってもよく、より重い質量部が、共振器の振動モードに関連する最大偏位点に配置されてもよい。より軽い質量部が、半球部の外周部の周囲に均等に離間された最大偏位点同士の間に位置決めされてもよい。
【００８８】
本明細書において説明されるジャイロスコープは、様々な用途において使用される。例えば、図１２は、ジャイロスコープ（例えばマイクロスケール・ジャイロスコープ）１２０２および信号プロセッサ１２０４を備える、応用システム１２００を示す。ジャイロスコープ１２０２は、多様な個人向けおよび携帯型の用途において使用される。ジャイロスコープ１２０２は、例えば２ｍｍの直径（しかしさらに大きくても小さくてもよい）および例えば３ｍｍ未満などの全フォームファクタを有する、半球型共振器を備えてもよい。デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）などの信号処理回路を備えるまたは汎用プロセッサを備える信号プロセッサ１２０４は、ジャイロスコープ１２０２に結合される。信号プロセッサ１２０４は、周期ベース、連続ベース、またはほぼ連続ベースにてジャイロスコープ１２０２から受領した測定値を処理することにより、ジャイロスコープの回転速度または回転角を判定するように構成される。また、信号プロセッサ１２０４は、ジャイロスコープ１２０２から受領した任意の信号をフィルタリング、増幅、増強、または等化し、ジャイロスコープ１２０２の動作モードを制御する。
【００８９】
図１２にさらに示すように、ジャイロスコープ１２０２の例示の応用例は、例えば衣類１２０６、自動車１２０８、航空機１２１０、ボートまたは潜水艦１２１２、宇宙機、誘導ミサイル１２１６、および、ジャイロスコープを使用することにより実施されるようなセンサを備える方向／回転センサが使用される他の用途などにおける使用を含む。マイクロスケール・ジャイロスコープが実装される実施形態においては、ジャイロスコープ１２０２は、対象（例えば動物またはヒト）に付随する衣類１２０６内に実装されるまたは装着される。衣類１２０６は、シューズ、ブーツ、ハット、ヘルメット、グローブ、または任意の他の適切な衣類もしくはアクセサリを含む、着用可能な被服の形態を取る。ジャイロスコープ１２０２は、衣類１２０６に永久的にまたは半永久的に固定されるように、衣類１２０６の内部に（例えばブーツまたはシューズのソールまたはベロの中に）埋め込まれてもよい。また、衣類１２０６は、ブレスレットまたは時計などの装身具を含む。ジャイロスコープ３０６は、装身具片に装着されてもよく（例えば機能ユニットとして）、または装身具片内に埋め込まれてもよい。
【００９０】
いくつかの変形例においては、ジャイロスコープ１２０２は、追跡システム、位置決めシステム、または位置特定システムの一部であってもよい。いくつかの変形例においては、ジャイロスコープ１２０２は、自動車１２０８、航空機１２１０、ボートまたは潜水艦１２１２、宇宙機１２１４、等の、電動移動物体のナビゲーション・システム内に埋め込まれてもよく、またはナビゲーション・システムの一部として含まれてもよい。また、いくつかの変形例においては、ジャイロスコープ１２０２は、誘導ミサイル１２１６などの推進物体に取り付けられてもよく、推進物体の誘導システムの一部として使用されてもよい。
【００９１】
図１３は、回転センサ１３０２、運動センサ１３０４、信号プロセッサ１３０６、無線送受信機１３０８、および慣性ナビゲーション／位置決めシステム１３１０を備える、ナビゲーション／位置決めシステム１３００を示す。回転センサ１３０２（図３〜図１２のいずれかに関連して説明されるジャイロスコープと同様のものである）は、回転センサ１３０２が付随する物体（例えば、ヒト、自動車、航空機、潜水艦、等）の回転速度または回転角を測定する。回転センサ１３０２の出力が、信号プロセッサ１３０６に供給される。信号プロセッサ１３０６は、１以上のマイクロプロセッサ、アナログ／デジタル変換器、フィルタ、増幅器、制御論理回路、およびセンサ１３０２の出力を処理するための関連回路を備えてもよく、任意の入力に対して任意の適切な信号処理動作（例えば、フィルタリング、増幅、または等化など）を実施する。信号プロセッサ１３０６は、センサ１３０２の１以上の出力を、回転速度または回転角へと変換するように構成される。
【００９２】
また、信号プロセッサ１３０６は、運動センサ１３０４の１以上の瞬間からの出力を受領する。運動センサ１３０４は、例えば単軸加速度計または多軸加速度計などを含む任意のタイプの運動検出器または運動センサを備えてもよい。信号プロセッサ１３０６は、運動センサ１３０４の出力を、例えば慣性系に対する加速量などへと変換する。信号プロセッサ１３０６は、無線送受信機１３０８と通信状態にあっても、または電気的に結合されてもよい。無線送受信機１３０８は、回転センサ１３０２および／または運動センサ１３０４から慣性ナビゲーション／位置決めシステム１３１０へと回転測定値および／または運動測定値を無線送信する。慣性ナビゲーション／位置決めシステム１３１０は、例えば、回転センサ１３０２および／または運動センサ１３０４が付随する物体の位置、方向（例えば配向）、および速度などを判定する。例えば、慣性ナビゲーション／位置決めシステム１３１０は、例えば衣類１２０６、自動車１２０８、航空機１２１０、ボートまたは潜水艦１２１２、宇宙機１２１４、ミサイル１２１６等を含む図１２の様々な用途／物体に関連するヒトの中の１以上の位置、方向、および速度を判定する。
【００９３】
また、信号プロセッサ１３０６は、回転センサ１３０２、運動センサ１３０４、またはそれらの両方の動作を制御する。例えば、信号プロセッサ１３０６は、回転センサ１３０２、運動センサ１３０４、またはそれらの両方の測定頻度、ならびにそれらの動作持続期間および動作モードを判定する。信号プロセッサ１３０６は、更新された測定値に関して回転センサ１３０２および運動センサ１３０４の中の１以上に周期的に（例えば毎秒など定期スケジュールに基づき）、連続的に、または何らかの所定の事象後に（例えば、事象駆動式照会など）照会する。
【００９４】
図１４を参照すると、ジャイロスコープ１４０２（図３〜図１３に関連して説明した任意のジャイロスコープと同様である）の動作を制御するための制御ループを実装するためのジャイロスコープ構成１４００の概略図。ジャイロスコープ１４０２に関連する共振器の小さなシェル歪み振幅が、主要定常波および二次定常波に対応する。主要定常波および二次定常波が、同相である場合には（およびそれらが同等の振幅である特定の例においては）、主要定常波および二次定常波の重畳結果は、主要定常波および二次定常波の波腹間および節間の中間に極大部分（例えば波腹）および節を有する同様の定常波となる。
【００９５】
ジャイロスコープ１４０２を制御するためには、定常波の中の１つが、規定の振幅に維持される（例えば、主要定常波または波腹波のいずれか）。他方の波（例えば二次定常波または節−直角位相波）は、ゼロへと駆動される。再調整モードにおいては、追加の力が、定常波を固定位置に維持するために生成される。構成１４００の制御ループを実装するためには、ジャイロスコープ１４０２に関連するピックオフ電極の出力が処理されて、主要（波腹）定常波および節−直角位相定常波の振動振幅に比例する信号を生成する。再調整動作においては、読み出し信号が、所望の信号を供給する。なぜならば、ピックオフ電極が、波腹波および節−直角位相波の波腹および節に対して直接的に位置決めされるからである。
【００９６】
波腹信号および節−直角位相信号は、基準振動子からの信号に対して復調されることにより、基準振動子との間で同相である（例えば波腹コサイン出力１４１０および節コサイン出力１４０６）、および直角位相である（波腹サイン出力１４０８および節サイン出力１４０４）、それらの振動成分に比例する出力を生成する。基準振動子の周波数および位相は、基準振動子の周波数および位相を調節して波腹サイン出力１４０８を例えばゼロなどへ駆動する位相ロックループによって制御される。波腹サイン出力１４０８をゼロに駆動することにより、基準振動子は、主要（例えば波腹）波の周波数および位相へとロックされる。次いで、波腹コサイン出力１４１０は、主要定常波の振幅の測定を行い、規定値に振幅を維持するために使用される振幅制御論理回路１４１２により制御変数として使用される。
【００９７】
位相ロック制御論理回路１４１４は、波腹波の位相と均等に基準振動子の位相を維持する。節サイン出力１４０４は、節−直角位相波の振幅に比例する。したがって、節サイン出力１４０４は、節−直角位相波の振幅をゼロへと駆動する（例えば直角位相制御論理回路１４１８を使用して）閉ループ内の制御変数として使用されるため、したがって、主要波は、純粋な定常波として確保される。
【００９８】
再調整動作は、定常波節にて正確な位相の力を励起することにより、節コサイン出力１４０６をゼロ化することによって、実施される（例えば、速度制御および再調整論理回路１４１６を使用して）。必要とされるこの力の振幅は、定常波を回転させしたがって非ゼロ節コサイン出力１４０６を生成するように試みつつあるジャイロスコープ１４０２の回転速度に相関する。既述のように、再調整動作時には、ピックオフ電極は、２つの波の波腹および節の位置を規定するため、復調される電極出力は、様々なループにおいて制御変数として直接的に使用される。
【００９９】
位相ロック制御論理回路１４１４により制御される位相ロックループは、ジャイロスコープ１４０２の固有の共振周波数および位相を検出およびそれらに収束するフィードバックループであってもよい。この制御ループの出力は、デジタル信号処理に対して特定の周波数制御を生成し、これにより、節サンプリングおよび波腹サンプリングの正確な速度および位相を維持する。
【０１００】
例えば図１２〜図１４を参照として説明される様々なユニット、デバイス、およびモジュールを含む、本明細書において説明されるデバイス、ユニット、モジュールのいくつか（例えば信号プロセッサ１２０４および／または１３０６）は、少なくとも部分的にはプロセッサベース・デバイスを使用して実施される。図１５を参照すると、一般的な計算／処理システム／デバイス１５００の概略図が示される。この計算システム１５００は、典型的には中央演算処理装置１５１２を備える、パーソナルコンピュータおよび専用計算デバイス等のプロセッサベース・デバイス１５１０を備える。ＣＰＵ１５１２に加えて、本システムは、メインメモリ、キャッシュメモリ、およびバス・インターフェース回路（図示せず）を備えてもよい。プロセッサベース・デバイス１５１０は、システムに関連するハードドライブおよび／またはフラッシュドライブなどの、大容量記憶素子１５１４を備えてもよい。システム１５００は、直接的なユーザ干渉を必要とするいくつかの変形例においては、キーボードまたはキーパッド１５１６と、ユーザによるアクセスが可能な位置に配置される例えばＣＲＴ（陰極線管）モニタまたはＬＣＤ（液晶ディスプレイ）モニタなどのモニタ１５２０とを備えてもよい。
【０１０１】
プロセッサベース・デバイス１５１０は、例えば本明細書において説明される手法、プロセス、および／または作業の中の少なくともいくつかの実施などを助長するように構成される。記憶デバイス１５１４は、プロセッサベース・デバイス１５１０上で実行された場合に、上述の手法／プロセス／作業の実施を助長するための動作をプロセッサベース・デバイスに実施させる、コンピュータ・プログラム製品を備える。プロセッサベース・デバイスは、入力／出力機能を可能にするための周辺デバイスをさらに備える。かかる周辺デバイスには、例えばＣＤ−ＲＯＭドライブおよび／またはフラッシュドライブ、接続されたシステムに関連するコンテンツをダウンロードするためのネットワーク接続（例えばＵＳＢポート、無線送受信機等を使用して実施された）などが含まれる。また、かかる周辺デバイスは、各システム／デバイスの一般的な動作を可能にするためのコンピュータ命令を含むソフトウェアをダウンロードするためにも使用され得る。代替的にはおよび／または追加的には、いくつかの変形例においては、例えばＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）、ＤＳＰプロセッサ（例えば本明細書において説明されるプログラマブル・センサのいくつかなどの場合におけるような）、またはＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）などの専用論理回路が、システム１５００の実施において使用されてもよい。本明細書において説明される様々なデバイス、モジュール、およびマシンの少なくともいくつかと共に含まれる他のモジュールは、スピーカ、サウンドカード、ユーザが計算システム１５００に入力を行うための例えばマウスまたはトラックボールなどのポインティング・デバイスである。プロセッサベース・デバイス１５１０は、オペレーティングシステムを備えてもよい。
【０１０２】
コンピュータ・プログラム（プログラム、ソフトウェア、ソフトウェア・アプリケーション、またはコードとしても知られる）は、プログラマブル・プロセッサ用のマシン命令を含み、高レベルプロシージャ言語および／またはオブジェクト指向プログラミング言語において、および／またはアセンブリ／機械言語において、実施される。本明細書においては、「機械可読媒体」という用語は、機械可読信号としてマシン命令を受領する非一時的機械可読媒体を含むプログラマブル・プロセッサにマシン命令および／またはデータを供給するために使用される任意の非一時的コンピュータ・プログラム製品、装置、および／またはデバイス（例えば、磁気ディスク、光ディスク、メモリ、ＥＰＲＯＭＳ、プログラマブル論理デバイス（ＰＬＤ）など）を指す。
【０１０３】
本明細書においては、特定の実施形態を詳細に開示したが、これは、専ら例示を目的として例としてなされたものであり、以下の添付の特許請求の範囲に対する限定としては意図されない。特に、特許請求の範囲により規定されるような本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な置換、代替、および変更がなされる点が予期される。他の態様、利点、および変更が、以下の特許請求の範囲内に含まれると見なされる。提示される特許請求の範囲は、本明細書において開示される実施形態および特徴の代表である。他の特許請求されない実施形態および特徴もまた予期される。したがって、他の実施形態が、以下の特許請求の範囲内に含まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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