(57)【要約】  慣性装置を開示する。一実施形態では、この装置は、支持構造と、この支持構造に結合された第１および第２のばねマスシステムとを備える。第１のばねマスシステムは、第１の軸周りに、また直交する第２の軸に沿った支持構造の回転および変位をそれぞれ測定するように構成された第１および第２の時間領域デジタルトリガを備える。第２のばねマスシステムは、第２の軸周りに、また第１の軸に沿った支持構造の加速および変位をそれぞれ測定するように構成された第３および第４の時間領域デジタルトリガを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持構造と；
前記支持構造に結合された第１のばねマスとを備え、前記第１のばねマスが；
第１の時間領域トリガに基づいて前記支持構造の第１の軸周りの回転を決定し；
第２の時間領域トリガに基づいて前記支持構造の第２の軸周りの加速を決定するように構成され；さらに
前記支持構造に結合された第２のばねマスを備え、前記第２のばねマスは、
第３の時間領域トリガに基づいて前記支持構造の前記第２の軸周りの回転を決定し；
第４の時間領域トリガに基づいて前記支持構造の第１の軸周りの加速を決定するように構成されることを特徴とする、慣性装置。
【請求項２】
前記第１のばねマスが第１の駆動マスと第１の感知マスとを備え；
前記第１の駆動マスの前記支持構造に関する移動が、前記第２の軸に沿ったものに実質的に限定されるように前記第１の駆動マスが前記支持構造に動作的に結合され；
前記第１の感知マスの前記第１の駆動マスに関する移動が、第３の軸に沿ったものに実質的に限定されるように前記第１の感知マスが前記第１の駆動マスに動作的に結合されることを特徴とする、請求項１に記載の慣性装置。
【請求項３】
前記第２のばねマスが第２の駆動マスと第２の感知マスとを備え；
前記第２の駆動マスの前記支持構造に関する移動が、前記第１の軸に沿ったものに実質的に限定されるように前記第２の駆動マスが前記支持構造に動作的に結合され；
前記第２の感知マスの前記第２の駆動マスに関する移動が、前記第３の軸に沿ったものに実質的に限定されるように前記第２の感知マスが前記第２の駆動マスに動作的に結合されることを特徴とする、請求項２に記載の慣性装置。
【請求項４】
前記第１の軸が前記第２の軸に実質的に直交し；
前記第３の軸が前記第１および第２の軸の両方に実質的に直交することを特徴とする、請求項３に記載の慣性装置。
【請求項５】
支持構造の第１の軸周りの回転と前記支持構造の第２の軸に沿った加速とを決定する方法において、前記方法は、
駆動マスの発振を駆動するステップを備え、前記発振は前記支持構造に関して前記第２の軸に沿っており、前記発振は、第１のスイッチにおいて第１のトリガイベントを生じ；
前記第１の駆動マスに関して第３の軸に沿って感知マスが移動することを許容するステップを備え、前記感知マスの前記移動は、第２のスイッチにおける第２のトリガイベントを生じ；さらに
前記スイッチ上の連続トリガイベント間の時間間隔をモニタリングするステップと；
少なくとも前記モニタリングの一部に基づいて、前記回転および加速を決定するステップと；
を備えることを特徴とする、方法。
【請求項６】
少なくとも前記モニタリングの一部に基づいて、前記回転および加速を決定するステップが：
少なくとも前記第２のトリガイベントに対応する前記時間間隔に基づいて、前記支持構造の前記第１の軸周りの回転を測定するステップと；  
少なくとも前記第１のトリガイベントに対応する前記時間間隔に基づいて、前記支持構造の前記第２の軸に沿った加速を測定するステップと；
を備えることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記方法が：
第２の駆動マスと第２の感知マスとの移動に感応して、少なくとも第３および第４のスイッチにそれぞれ対応する第２の時間間隔をモニタリングするステップと；
前記第２の時間間隔のモニタリングに基づいて、前記支持構造の前記第２の軸周りの回転と、前記支持構造の前記第１の軸に沿った加速とを測定するステップと；をさらに備え、
前記第２の駆動マスが駆動され、前記支持構造に関して前記第１の軸に沿って発振し、前記第２の感知マスが、前記第２の駆動マスに関して前記第３の軸に沿って移動するように許容されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記方法が：
第３の感知マスの前記移動に感応する第５のスイッチに対応する第３の時間間隔をモニタリングするステップと；
前記第３の時間間隔の前記モニタリングに基づいて、前記支持構造の前記第３の軸周りの回転を測定するステップと；をさらに備え、
前記第３の感知マスが、前記第２の駆動マスに関して前記第２の軸に沿って移動するように許容されることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記方法は：
第３の駆動マスの前記移動に感応する第６のスイッチに対応する第４の時間間隔をモニタリングするステップと；
前記第４の時間間隔の前記モニタリングに基づいて、前記支持構造の前記第３の軸に沿った加速を測定するステップと；をさらに備え
前記第３の駆動マスが駆動され、前記支持構造に関して前記第３の軸に沿って前記第３の駆動マスの共振周波数で発振することを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記方法が：
デュアルマス共振器の第１の発振器マスと第２の発振器マスとの相対移動に感応する第７のスイッチに対応する第５の時間間隔をモニタリングするステップと；
前記第５の時間間隔の前記モニタリングに基づいて、前記支持構造の（ｉ）回転および(ii)加速のうちの少なくとも１つの振幅を測定するステップと；をさらに備え、
前記第１の発振器マスが駆動され、前記支持構造に関して前記第３の軸に沿って前記第１の発振器マスの共振周波数で発振することを特徴とする、請求項６、７または８に記載の方法。
【請求項１１】
前記感知マスの各々が、それぞれの１つの軸に沿って移動するように実質的に限定されることを特徴とする、請求項５、６、７または８に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１、第２および第３の軸が互いに直交することを特徴とする、請求項５、６、７または８項に記載の方法。
【請求項１３】
少なくとも第１の軸周りの回転と第２の軸に沿った加速とを測定するように構成されたモノリシック装置を形成する方法において、前記方法が、
前記第１および第２の軸の平面において、基板から支持構造を形成するステップと；
前記平面内で、第１のばねマス構造を形成するステップと；を備え、前記第１のばねマス構造は：
前記支持構造に関する前記第２の軸に沿った発振が駆動されるように構成された第１の駆動マスと；
第３の軸に沿って移動するように構成された第１の感知マスと；を備え、さらに
前記第１の駆動マスと前記第１の感知マスとの移動に感応する第１および第２の時間領域スイッチをそれぞれ形成するステップ；を備えることを特徴とする、方法。
【請求項１４】
前記方法が：
前記平面内で第２のばねマス構造を形成するステップをさらに備え、前記第２のばねマス構造は：
前記支持構造に関する前記第１の軸に沿った発振を駆動されるように構成された第２の駆動マスと；
前記第３の軸に沿って移動するように構成された第２の感知マスと；
第２の軸に沿って移動するように構成された第３の感知マスと；
を備え、さらに
前記第２の駆動マスと、前記第２および第３の感知マスとの前記移動に感応する第３、第４、第５の時間領域スイッチをそれぞれ形成するステップを備えることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記方法が：
前記平面内で、前記支持構造に関する前記第３の軸に沿った発振が駆動されるように構成された第３の駆動マスを備える加速度計を形成するステップと；
前記第３の駆動マスの前記移動に感応する第６の時間領域スイッチを形成するステップと；
をさらに備え、
前記第３の駆動マスが、前記第３の駆動マスの共振周波数で駆動されるように構成されることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記方法が、
前記平面内で、デュアルマス共振器を形成するステップをさらに備え；
前記デュアルマス共振器が：
発振が駆動されるように構成された第１の発振器マスと；
前記第１の発振器マスに関して移動するように構成された第２の発振器マスと；を備え、さらに
前記第１および第２の発振器マスの前記相対移動に感応する第７の時間領域スイッチを形成するステップを備えることを特徴とする、請求項１３、１４または１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１、第２および第３の軸が互いに直交することを特徴とする、請求項１３、１４または１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記モノリシック装置が、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ベースの装置を備えることを特徴とする、請求項１３、１４または１５に記載の方法。
【請求項１９】
平面内モノリシック集積化慣性装置において、
支持構造と；
前記支持構造にばねで結合された第１のばねマスシステムと；を備え、前記第１のばねマスシステムは、第１の駆動マスと第１の感知マスとの間で動作的に結合された第１の時間領域デジタルトリガを用いて、前記支持構造の第１の軸周りの回転を測定するように構成され、前記第１のばねマスシステムは、前記支持構造と前記第１の駆動マスとの間で動作的に結合された第２の時間領域デジタルトリガを用いて、前記第１の軸に直交する第２の軸に沿った方向に対応する第２の方向の前記支持構造の加速を測定するようにさらに構成され、
前記支持構造にばねで結合された第２のばねマスシステムを備え、前記第２のばねマスシステムは、第２の駆動マスと第２の感知マスとの間で動作的に結合された第３の時間領域デジタルトリガを用いて、前記支持構造の前記第２の軸周りの回転を測定するように構成され、前記第２のばねマスシステムは、前記支持構造と前記第２の駆動マスとの間で動作的に結合された第４の時間領域デジタルトリガを用いて、前記第１の軸に沿った方向に対応する第１の方向の前記支持構造の加速を測定するようにさらに構成されることを特徴とする、平面内モノリシック集積化慣性装置。
【請求項２０】
前記支持構造に関する前記第１の駆動マスの移動が前記第２の方向の移動に実質的に限定されるように、前記第１の駆動マスが前記支持構造にばねで結合され、前記第１の駆動マスが駆動され、前記第２の方向に前記支持構造に関して発振し、
前記第１の感知マスの前記第１の駆動マスに関する移動が、前記第１および第２の軸に直交する第３の軸に沿った方向に対応する第３の方向への移動に実質的に限定されるように、前記第１の感知マスが前記第１の駆動マスにばねで結合されることを特徴とする、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記支持構造に関する前記第２の駆動マスの移動が前記第１の方向の移動に実質的に限定されるように、前記第２の駆動マスが前記支持構造にばねで結合され、前記第２の駆動マスが駆動され、前記第１の方向に前記支持構造に関して発振し、
前記第２の感知マスの前記第２の駆動マスに関する移動が、前記第３の方向への移動に実質的に限定されるように、前記第２の感知マスが前記第２の駆動マスにばねで結合されることを特徴とする、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記第１の感知マスが、前記第１の駆動マスに関して基準位置に存在する度に、前記第１のデジタルトリガが開放状態から閉鎖状態に切り替わるように構成され；
前記第１の駆動マスが、前記支持構造に関して基準位置に存在する度に、前記第２のデジタルトリガが開放状態から閉鎖状態に切り替わるように構成され；
前記第２の感知マスが、前記第２の駆動マスに関して基準位置に存在する度に、前記第３のデジタルトリガが開放状態から閉鎖状態に切り替わるように構成され；
前記第２の駆動マスが、前記支持構造に関して基準位置に存在する度に、前記第４のデジタルトリガが開放状態から閉鎖状態に切り替わるように構成されることを特徴とする、請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記第２のばねマスシステムが、前記第２の駆動マスと第３の感知マスとの間に動作的に結合された第５の時間領域デジタルトリガを用いて、前記支持構造の前記第３の軸周りの回転を測定するようにさらに構成されることを特徴とする、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記第２の駆動マスに関する前記第３の感知マスの移動が前記第２の方向の移動に実質的に限定されるように、前記第３の感知マスが前記第２の駆動マスにばねで結合され；
前記第３の感知マスが前記第２の駆動マスに関して基準位置に存在する度に、前記第５のデジタルトリガが開放状態から閉鎖位置に切り替わるように構成されることを特徴とする、請求項２３に記載の装置。
【請求項２５】
前記支持構造の前記第３の方向への加速を測定するために構成された加速度計をさらに備え、前記加速度計は、第４の感知マスと第６の時間領域デジタルトリガとを備え、前記支持構造に関する前記第４の感知マスの移動が前記第３の方向の移動に実質的に限定されるように、前記第４の感知マスが前記支持構造にばねで結合され、前記第４の感知マスが前記支持構造に関して基準位置に存在する度に、前記第６の時間領域デジタルトリガが、開放状態から閉鎖状態に切り替わるように構成されることを特徴とする、請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
前記デジタルトリガの全てが、多重基準位置電子トンネル先端近接スイッチであり、各近接スイッチが、結合されるそれぞれのエレメント間の各相対発振で、少なくとも２つの閉鎖状態を経験することを特徴とする、請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記支持構造にばねで結合されるデュアルマス共振器をさらに備え、前記デュアルマス共振器が、第７の時間領域デジタルトリガを用いてクロック信号を送るように構成され、前記デュアルマス共振器が：
前記支持構造に関して発振するように構成された第１の発振器マスと；
前記第１の発振器マスを駆動して、前記第１の発振器マスの共振周波数で前記支持構造に関して発振するように構成された第１の発振器駆動装置と；
前記第１の発振器マスと実質的に同一の共振周波数を有する第２の発振器マスと；を備え、前記第１および第２の発振器マスが、前記支持構造に対する外部摂動に、実質的に同様に応答するように設計され；
前記第７のデジタルトリガが、前記第１の発振器マスと前記第２の発振器マスとの間で結合された第７の電子トンネル先端スイッチを備え；
前記第１及び第２の発振器マスが互いに通過する際に、前記第７のスイッチが各発振の際に閉鎖状態を通過するように、前記第１の発振器マスが発振すると、前記第１および第２の発振器マス間で相対運動が行われることを特徴とする、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記支持構造、前記デュアル感知マスジャイロスコープ、前記１つの感知マスジャイロスコープ、前記加速度計、および前記デュアルマス共振器が２つのキャッピングウェハ間の真空内に封止されることを特徴とする、請求項２７に記載の装置。
【請求項２９】
支持構造の、３軸直交座標系の第１、第２および第３の軸周りの回転と、前記第１、第２および第３の軸それぞれに沿った方向に対応する第１、第２および第３の方向への前記支持構造の加速とを測定するための１つのモノリシック装置を設ける方法において、前記方法が：
第１の駆動マスを駆動して、前記第２の方向に前記支持構造に関して発振するステップと；
前記第１の駆動マスにばねで結合された第１の感知マスの、前記第１の駆動マスに関する移動が前記第３の方向の移動に実質的に限定されるように、前記第１の駆動マスと前記第１の感知マスとの間に結合された第１の対の第３方向重畳近接スイッチから、連続トリガイベント間の時間間隔をモニタリングすることにより、前記支持構造の前記第１の軸周りの回転を測定するステップと；
前記第１の駆動マスと前記支持構造との間に結合された第２の対の第２方向重畳近接スイッチから連続トリガイベント間の時間間隔をモニタリングすることにより、前記第２の方向への前記支持構造の加速を測定するステップと；
第２の駆動マスを駆動して、前記支持構造に関して前記第１の方向に発振するステップと；
前記第２の駆動マスにばねで結合された第２の感知マスの、前記第２の駆動マスに関する移動が前記第３の方向の移動に実質的に限定されるように、前記第２の駆動マスと前記第２の感知マスとの間に結合された第３の対の第３方向重畳近接スイッチから、連続トリガイベント間の時間間隔をモニタリングすることにより、前記支持構造の前記第２の軸周りの回転を測定するステップと；
前記第２の駆動マスと前記支持構造との間に結合された第４の対の第１方向重畳近接スイッチから連続トリガイベント間の時間間隔をモニタリングすることにより、前記第１の方向への前記支持構造の加速を測定するステップと；
前記第２の駆動マスにばねで結合された第３の感知マスの、前記第２の駆動マスに関する移動が前記第２の方向の移動に実質的に限定されるように、前記第２の駆動マスと前記第３の感知マスとの間に結合された第５の対の第２方向重畳近接スイッチから、連続トリガイベント間の時間間隔をモニタリングすることにより、前記支持構造の前記第３の軸周りの回転を測定するステップと；
第４の感知マスを駆動して、前記第４の感知マスの共振周波数で前記第３の方向に前記支持構造に関して発振し、前記第４の感知マスと前記支持構造との間に結合された第６の対の第３方向重畳近接スイッチから連続トリガイベント間の時間間隔をモニタリングすることにより、前記支持構造の前記第３の方向への加速を測定するステップと；
を備える、方法。
【請求項３０】
第１の発振器マスを駆動して、前記支持構造に関して前記第１の発振器マスの共振周波数で発振するステップと；
前記第１の発振器マスと第２の発振器マスとの間に結合された共振器近接スイッチの各閉鎖状態をモニタリングすることにより、クロック信号を生成するステップと；をさらに備え、前記第２の発振器マスは、前記第１の発振器マスと実質的に同一の共振周波数を有し、前記第２の発振器マスは、前記第１の発振器マスとは位相を異にして発振し、さらに前記第１および第２の発振器マスは、前記支持構造に対する外部摂動に、実質的に同様に応答するように設計され、前記共振器近接スイッチは、前記第１および第２の発振器マスが互いに関して基準位置に存在する度に開放位置から閉鎖位置に切り替わることを特徴とする、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記時間間隔が、前記クロック信号に基づいて測定されることを特徴とする、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記連続トリガイベント間の対応する時間間隔に基づいて前記支持構造の所与の回転の振幅を計算するステップをさらに備えることを特徴とする、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記連続トリガイベント間の対応する時間間隔に基づいて前記支持構造の所与の方向への加速の振幅を計算するステップをさらに備えることを特徴とする、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
互いに直交するｘ、ｙおよびｚ軸周りの回転と、前記支持構造の、前記ｘ、ｙおよびｚ軸に沿った方向にそれぞれ対応するｘ、ｙおよびｚ方向の加速とを測定するためのモノリシック装置を設けるための方法において、前記方法が、
基板のｘｙ平面において支持構造を形成するステップと；
前記基板のｘｙ平面において、前記支持構造にばねで結合されたシングル感知マスジャイロスコープを形成するステップと；を備え、前記１つの感知マスジャイロスコープは、第１の時間領域デジタルトリガを用いて前記支持構造の前記ｘ軸周りの回転を測定するように構成され、前記１つの感知マスジャイロスコープは、第２の時間領域デジタルトリガを用いて前記支持構造の前記ｙ方向への加速を測定するようにさらに構成され；
前記基板のｘｙ平面において、前記支持構造にばねで結合されたデュアル感知マスジャイロスコープを形成するステップを備え、前記デュアル感知マスジャイロスコープは、第３および第５の時間領域デジタルトリガを用いて、前記支持構造の前記ｙおよびｚ軸周りの回転をそれぞれ測定するように構成され、前記デュアル感知マスジャイロスコープは、第４の時間領域デジタルトリガを用いて前記支持構造の前記ｘ方向への加速を測定するようにさらに構成され；
前記基板のｘｙ平面において、前記支持構造にばねで結合された加速度計を形成するステップを備え、前記加速度計は、第６の時間領域デジタルトリガを用いて前記ｚ方向への前記支持構造の加速を測定するように構成され；
前記基板のｘｙ平面において、前記支持構造にばねで結合されたデュアルマス共振器を形成するステップを備え、前記デュアルマス共振器が、第７の時間領域デジタルトリガを用いてクロック信号を生成するように構成されることを特徴とする、方法。
【請求項３５】
前記シングルマスジャイロスコープは：
前記支持構造にばねで結合された第１の駆動マスと；
前記第１の駆動マスを駆動して、おおよそ前記ｙ方向のみに前記支持構造に関して発振するように構成された第１の駆動マス駆動装置と；
前記第１の駆動マスにばねで結合された第１の感知マスと；を備え、前記第１の感知マスは、前記支持構造の前記ｘ軸周りの回転からのコリオリ力に応答して、おおよそ前記ｚ方向のみに前記第１の駆動マスに関して移動するように構成され、
前記第１のデジタルトリガは、前記第１の駆動マスと前記第１の感知マスとの間で結合された第１の対のｚ方向重畳近接スイッチを備え、前記第１のデジタルトリガは、前記支持構造の前記ｘ軸周りの回転および回転速度が前記第１の対の近接スイッチの閉鎖状態間の時間間隔を測定することにより決定することが可能であるように、前記第１の駆動マスに関して前記第１の感知マスの各発振中に少なくとも２回、開放状態から閉鎖状態まで通過するように構成され、
前記第２のデジタルトリガは、前記第１の駆動マスと前記支持構造との間で結合された第２の対のｙ方向重畳近接スイッチを備え、前記第２のデジタルトリガは、前記ｙ方向への前記支持構造の加速および変位振幅が前記第２の対の近接スイッチの閉鎖状態間の時間間隔を測定することにより決定することが可能であるように、前記支持構造に関して前記第１の駆動マスの各発振中に少なくとも２回、開放状態から閉鎖状態まで通過するように構成されることを特徴とする、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記デュアルマスジャイロスコープは：
前記支持構造にばねで結合された第２の駆動マスと；
前記第２の駆動マスを駆動して、おおよそ前記ｘ方向のみに前記支持構造に関して発振するように構成された第２の駆動マス駆動装置と；
前記第２の駆動マスにばねで結合された第２の感知マス；を備え、前記第２の感知マスは、前記支持構造の前記ｙ軸周りの回転からのコリオリ力に応答して、おおよそ前記ｚ方向のみに前記第２の駆動マスに関して移動するように構成され、
前記第２の駆動マスにばねで結合された第３の感知マスを備え、前記第３の感知マスは、前記支持構造の前記ｚ軸周りの回転からのコリオリ力に応答して、おおよそ前記ｙ方向のみに前記第２の駆動マスに関して移動するように構成され、
前記第３のデジタルトリガは、前記第２の駆動マスと前記第２の感知マスとの間で結合された第３の対のｚ方向重畳近接スイッチを備え、前記第３のデジタルトリガは、前記支持構造の前記ｙ軸周りの回転および回転速度が前記第３の対の近接スイッチの閉鎖状態間の時間間隔を測定することにより決定することが可能であるように、前記第２の駆動マスに関して前記第２の感知マスの各発振中に少なくとも２回、開放状態から閉鎖状態まで通過するように構成され、
前記第４のデジタルトリガは、前記第２の駆動マスと前記支持構造との間で結合された第４の対のｘ方向重畳近接スイッチを備え、前記第４のデジタルトリガは、前記ｘ方向への前記支持構造の加速および変位振幅が前記第４の対の近接スイッチの閉鎖状態間の時間間隔を測定することにより決定することが可能であるように、前記支持構造に関して前記第２の駆動マスの各発振中に少なくとも２回、開放状態から閉鎖状態まで通過するように構成され、
前記第５のデジタルトリガは、前記第２の駆動マスと前記第３の感知マスとの間で結合された第５の対のｙ方向重畳近接スイッチを備え、前記第５のデジタルトリガは、前記支持構造の前記ｚ軸周りの回転および回転速度が、前記第５の対の近接スイッチの閉鎖状態間の時間間隔を測定することにより決定することが可能であるように、前記第２の駆動マスに関して前記第３の感知マスの各発振中に少なくとも２回、開放状態から閉鎖状態まで通過するように構成されることを特徴とする、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記加速度計が：
前記支持構造にばねで結合された第４の感知マスを備え、前記第４の感知マスは、前記支持構造の前記ｚ方向への加速に応じて、おおよそ前記ｚ方向のみに前記支持構造に関して移動するように構成され；さらに
前記第４の感知マスを駆動して、おおよそ前記ｚ方向のみに前記第４の感知マスの共振周波数で前記支持構造に関して発振するように構成された加速度計を備え、
前記第６のデジタルトリガは、前記第４の感知マスと前記支持構造との間で結合された第６の対のｚ方向重畳近接スイッチを備え、前記第６のデジタルトリガは、前記支持構造の前記ｚ方向への加速および変位振幅が、前記第６の対の近接スイッチの閉鎖状態間の時間間隔を測定することにより決定することが可能であるように、前記支持構造に関して前記第４の感知マスの各発振中に少なくとも２回、開放状態から閉鎖状態まで通過するように構成されることを特徴とする、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記デュアルマス共振器が：
前記支持構造に関して発振するように構成された第１の発振器マスと；
前記第１の発振器マスを駆動して、前記第１の発振器マスの共振周波数で前記支持構造に関して発振するように構成された第１の発振器駆動装置と；
前記第１の発振器マスと実質的に同一の共振周波数を有する第２の発振器マスと；を備え、前記第１および第２の発振器マスは前記支持構造に対する外部摂動に実質的に同様に応答するように設計され；
前記第７のデジタルトリガは、前記第１の発振器マスと前記第２の発振器マスとの間で結合された第７の近接スイッチを備え；
前記第７のスイッチが、前記第２の発振器マスに関して前記第１の発振器マスの各発振中に開放状態から閉鎖状態に通過するように構成されるように、前記第１の発振器マスが発振すると、前記第１および第２の発振器マス間で相対運動が行われることを特徴とする、請求項３７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[優先権および関連出願]
本出願は、“一体型クロックを有する面内慣性装置を提供する装置および方法（APPARATUS AND METHOD FOR PROVIDING AN IN-PLANE INERTIAL DEVICE WITH INTEGRATED CLOCK）”と題する２０１２年３月２１日出願の米国特許出願第１３／４２５，６３１号に対する優先権を主張するものであり、参照することにより全体が本明細書に組み込まれる。本出願は、“ＭＥＭＳベース装置のためのデュアルサスペンションシステムおよびその製造方法（Dual-suspension system for MEMS-based devices and method for fabricating the same）”と題する２００７年７月１９日出願の米国特許第７，７６７，４８３号に関し、参照することにより全体が本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
従来のマス／ばねベースの慣性感知装置、例えば加速度計やジャイロスコープは、１つの軸に沿った力や回転を測定する。大抵は三次元空間で適用されるので、３つの直交する方向に向けられた加速度計および３つの直交する方向に向けられたジャイロスコープが必要となる。費用、サイズおよび複雑性を削減するために、同一の標準ＭＥＭＳ半導体処理技術を用いて同一面内ですべてのセンサを製造することが望ましい。また、費用およびサイズを削減するために、最小数のばね付きプルーフマスを用いて６つの測定を行うのが望ましい。加速度計は、運動方向が測定した力の方向にあるばね付きプルーフマスを必要とする。プルーフマスベースのジャイロスコープは、測定したスピンの軸に直交して移動する発振プルーフマスならびに回転によって生じるコリオリ力を測定するための発振プルーフマス上のばねプルーフマスを必要とする。６つの軸全てを測定することが可能であり、同一基板上で製作可能な装置が必要である。
【発明の概要】
【０００３】
第１の態様では、慣性装置が開示される。一実施形態では、慣性装置は、(i)支持構造と、(ii)第１のばねマスシステムと、(iii)第２のばねマスシステムとを備える。第１のばねマスシステムは、支持構造に結合され、(i)第１の時間領域トリガに基づいて支持構造の第１の軸周りの回転を測定し、(ii)第２の時間領域トリガに基づいて支持構造の第２の軸周りの加速を測定するように構成されている。第２のばねマスシステムもまた、支持構造に結合されている。さらに、第２のばねマスは(i)第３の時間領域トリガに基づいて支持構造の第２の軸周りの回転を測定し、(ii)第４の時間領域トリガに基づいて支持構造の第１の軸周りの加速を測定するように構成されている。
【０００４】
一変形例では、慣性装置は、モノリシックに集積化された慣性装置を備える。第１および第２のばねマスシステムは、支持構造にばねで結合される。第１のばねマスシステムは、第１の駆動マスと第１の感知マスとの間に協働して結合された第１の時間領域デジタルトリガを用いて、支持構造の第１の軸周りの回転を測定するように構成されている。第１のばねマスシステムはさらに、支持構造と第１の駆動マスとの間に動作的に結合された第２の時間領域デジタルトリガを用いて、第１の軸に直交する第２の軸に沿った方向に対応する第２の方向への支持構造の加速を測定するように構成されている。第２のばねマスシステムは、第２の駆動マスと第２の感知マスとの間に動作的に結合された第３の時間領域デジタルトリガを用いて、支持構造の第２の軸周りの回転を測定するように構成されている。第２のばねマスシステムはさらに、支持構造と第２の駆動マスとの間に動作的に結合された第４の時間領域デジタルトリガを用いて、第１の軸に沿った方向に対応する支持構造の第１の方向への加速を測定するように構成されている。
【０００５】
第３の局面では、支持構造の第１の軸周りの回転と支持構造の第２の軸に沿った加速とを測定する方法が開示される。一実施形態では、この方法は、(i)駆動マスの発振を駆動するステップを備え、この発振は支持構造に関して第２の軸に沿っており；この発振は第１のスイッチに第１のトリガイベントを生じ；(ii)第１の駆動マスに関して第３の軸に沿って感知マスが移動することを許容するステップを備え、感知マスの移動は、第２のスイッチにおける第２のトリガイベントを生じ；(iii)スイッチ上の連続トリガイベント間の時間間隔をモニタリングするステップと；(iv)第２のトリガイベントに対応する時間間隔に少なくとも基づいて、支持構造の第１の軸周りの回転を測定するステップと；(v)第１のトリガイベントに対応する時間間隔に少なくとも基づいて、支持構造の第２の軸周りの加速を測定するステップとを備える。
【０００６】
１つまたはそれ以上の変形例では、この方法は、特に、第１、第２および第３の軸のいずれかまたはすべてに対する回転および加速を測定するステップをさらに備える。
【０００７】
第４の局面では、少なくとも第１の軸周りの回転と第２の軸に沿った加速とを測定するように構成されたモノリシック装置を形成する方法が開示される。一実施形態では、この方法は、(i)第１および第２の軸の平面内で基板から支持構造を形成するステップと；(ii)平面内に第１のばねマス構造を形成するステップと；(iii)第１の駆動マスおよび第１の感知マスの移動に感応する第１および第２の時間領域スイッチをそれぞれ形成するステップとを備える。第１のばねマス構造は、(i)支持構造に関する第２の軸に沿った発振を駆動するように構成された第１の駆動マスと；(ii)第３の軸に沿って移動するように構成された第１の感知マスとを備える。
一変形例では、ばねマス構造は、第１の方向に沿って移動するように構成された第２の感知マスをさらに備える。
【０００８】
１つまたはそれ以上の変形例では、この方法は、デュアル感知マス構造、加速度計およびデジュアル共振器マス、またはそのいずれかを特に形成するステップをさらに備える。
【０００９】
本発明の他の特徴および利点は、添付図面および以下で述べる例示の実施形態の詳細な説明を参照することによって当業者に直ちに認識されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
いくつかの図面を通じて、同じエレメントは同じ参照符号を用いて参照される。図面内のエレメントは、スケールに合わせて描かれているわけではなく、いくつかの寸法は、明瞭にするために誇張されている。
【図１】図１は、面内モノリシック集積型慣性装置を示す上面図である。
【図２】図２Ａないし図２Ｃは、多数の基準位置における電子トンネル近接スイッチを示す側面図である。
【図３】図３は、慣性装置の別の実施形態を示す斜視図である。
【図４】図４は、デュアルマスばねマスシステムを示す斜視図である。
【図５】図５は、慣性装置の他の実施形態を示す斜視図である。
【図６】図６Ａは、加速度計を示す斜視図である。図６Ｂは、加速度計を示す斜視断面図である。
【図７】図７Ａは、デュアルマス共振器を示す斜視図である。図７Ｂは、デュアルマス共振器を示す斜視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
多数の軸（３つの力直交方向および３つの回転直交軸まで）を中心とする構造の変位および回転を測定することが可能な面内モノリシック集積化慣性装置についてここで述べる。慣性装置およびその構成要素は、同一製造プロセスを用いて同一基板上に製造することも可能である。
【００１２】
図１は、面内モノリシック集積化慣性装置１０を示す。慣性装置１０は、三次元空間における配向で使用することも可能である。説明を容易にするために、慣性装置１０の様々な構成要素の回転および加速はｘ−ｙ−ｚ相互直交３軸座標系を参照してここで述べる。慣性装置１０は、支持構造１２と、第１および第２のばねマスシステム１４および１６とを備え、この第１および第２のばねマスシステム１４および１６は両方とも、支持構造１２にモノリシックに集積化され且つばね結合されている。第１及び第２のばねマスシステム１４および１６の両方は、振動プルーフマスベースジャイロスコープとして述べてもよい。慣性装置１０は、いずれかの尺度で製造可能である。例えば、一実施形態では、慣性装置１０は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置にモノリシックに集積化されてもよい。支持構造１２は、いかなる大きさおよび形であってもよく、慣性装置１０の横方向回転加速が行われる際、支持構造１２があまり曲がったり変形したりしないように慣性装置１０に対して強固に支持することが可能ないずれかの材料で作られてもよい。
【００１３】
様々な実現化においては、参照することにより全体が本明細書に事前に組み込まれた“ＭＥＭＳベース装置のためのデュアルサスペンションシステムおよびその製造方法（“Dual-suspension system for MEMS-based devices and method for fabricating the same”）と題する２００７年７月１９日出願の米国特許第７，７６７，４８３号に開示したアーキテクチャおよび技術を用いてエレメントを動力学的に結合することも可能である。ここで述べるように、基板（例えばＣＭＯＳ等）上に形成したデュアルサスペンションシステムを用いて、１つまたはそれ以上のマス間の運動を繋ぐことも可能である。しかし、他のシステムも実現可能であることを認識するであろう。
【００１４】
第１のばねマスシステム１４は、第１の時間領域デジタルトリガ１８を使用して、支持構造１２のｘ軸周りの回転を測定するように構成される。第１のばねマスシステム１４はまた、第２の時間領域デジタルトリガ２０を使用して、支持構造１２のｙ方向の加速を測定するように構成される。第２のばねマスシステム１６は、第３の時間領域デジタルトリガ２２を使用して、支持構造１２のｙ軸周りの回転を測定するように構成される。第２のばねマスシステム１６はまた、第４の時間領域デジタルトリガ２４を使用して、支持構造１２のｘ方向の加速を測定するように構成される。
【００１５】
第１のばねマスシステム１４は、第１の駆動マス２６と第１の感知マス２８とを備える。第１のトリガ１８は、第１の駆動マス２６と第１の感知マス２８との間で動作的に結合される。第２のトリガ２０は、支持構造１２と第１の駆動マス２６との間で動作的に結合される。第２のばねマスシステム１６は、第２の駆動マス３０と第２の感知マス３２とを備える。第３のトリガ２２は、第２の駆動マス３０と第２の感知マス３２との間で動作的に結合される。第４のトリガ２４は、支持構造１２と第２の駆動マス３０との間で動作的に結合される。
【００１６】
第１の駆動マス２６は、支持構造１２に関する第１の駆動マス２６の移動が、第１の駆動マス２６上の双方向矢印で示すように、ｙ方向の移動に実質的に限定されるように、支持構造１２にばねで結合することも可能である。第１の駆動マス２６は、支持構造１２に関してｙ方向に発振するように駆動される。第１の感知マス２８は、第１の駆動マス２６に関する第１の感知マス２８の移動がページ内外での移動を示す第１の感知マス２８上の２つの円（一方は内部に点を有し、他方は内部に“Ｘ”を有する）によって図１で示すように、ｚ方向の移動に実質的に限定されるように第１の駆動マス２６にばねで結合することも可能である。第２の駆動マス３０は、支持構造１２に関する第２の駆動マス３０の移動が、第２の駆動マス３０上の双方向矢印で示すように、ｘ方向の移動に実質的に限定されるように支持構造１２にばねで結合することも可能である。第２の駆動マス３０は、支持構造１２に関してｘ方向に発振するように駆動される。第２の感知マス３２は、第２の駆動マス３０に関する第２の感知マス３２の移動がページ内外での移動を示す第２の感知マス３２上の２つの円（一方は内部に点を有し、他方は内部に“Ｘ”を有する）によって図１で示すように、ｚ方向の移動に実質的に限定されるように第２の駆動マス３０にばねで結合することも可能である。
【００１７】
時間領域デジタルトリガの各々は、その間で各時間領域デジタルトリガが結合される２つのマスの様々な相対位置に対応するデジタル信号を生成することが可能ないかなる装置であってもよい。時間領域デジタルトリガの各々は、所与の時間領域デジタルトリガが結合される２つの対応するマスの各々の相対発振中に、少なくとも１つの閉鎖状態と少なくとも１つの開放状態とを通過するように構成される。例えば、第１の感知マス２８としてデジタル信号を生成することが可能な第１のデジタルトリガ１８が、第１の駆動マス２６に関して様々な基準位置を通過することについて考察したい。第１のデジタルトリガ１８は、第１の駆動マス２６に関して第１の感知マス２８が発振する状態で、閉鎖状態および開放状態を通過する。第１の感知マス２８が第１の駆動マス２６に関して第１の基準位置を通過する度に、第１のデジタルトリガ１８が閉鎖状態を通過する。このように、第１の駆動マス２６に関して第１の感知マス２８の第１の基準位置からの変位は、第１のデジタルトリガ１８の状態をモニタリングすることにより見出すことも可能である。
【００１８】
時間領域デジタルトリガの各々は、所与の時間領域デジタルトリガが結合される２つの対応するマスの相対位置変化に基づく状態の変化を経験することになる。各時間領域デジタルトリガが閉鎖状態にある対応する基準位置は、力がゼロの位置であるか、他のいずれかの望ましい基準位置であるかいずれであってもよい。時間領域デジタルトリガの目的は、正確な加速依存位相測定が行われ、位相ロックループ閉鎖の安定性を増加させ、慣性装置１０の位相雑音およびジッタ全体を低減するように、１つのマスの別のマスに関する位置を特定することである。
【００１９】
時間領域トリガの好適な例として、有限幅の電流パルスを生成することが可能ないずれかの近接スイッチを備える。近接スイッチの好適な例としては電子トンネル近接スイッチが挙げられ、この電子トンネル近接スイッチは、少なくとも１対の電子トンネル先端部を備えており、１つの先端部は１つのマス上に実装され、他の先端部は異なるマス上に実装される。この構成では、１つのマスが他のマスに関して移動すると、電流パルスが先端部間を通過するように２つの先端部が（互いに物理的に接触することなく）互いに近接部内を通過するように、２つの先端部が互いに整列する。電流パルスが２つの先端部間を通過する場合、電子トンネル近接スイッチは閉鎖状態にあると思われる。電流パルス自体がトランスインピーダンス増幅器を介してレールに増幅可能であり、パルスの立ち上がりおよび立下り、またはそのいずれかを利用して、一方のマスの他方のマスに関する位置を特定することも可能である。これが実施可能である、より詳細な説明は、参照することにより全体が本明細書に組み込まれた２０１１年１０月１９日出願の“時間領域スイッチを用いる加速感度および位相雑音が低減した共振器（Resonator with Reduced Acceleration Sensitivity and Phase Noise Using Time Domain Switch）”と題する米国特許出願第１３／２７６，９４８号に見られる。近接スイッチの他の例としては、静電容量型スイッチと、光シャッタスイッチと、磁気スイッチとを備える。さらに、近接スイッチのいずれかは、互いに関して１つのマスの１つの発振期間に多数の基準位置に対応する多数の閉鎖状態を通過するように構成することも可能である。
【００２０】
様々な実施形態では、参照することにより全体が本明細書に組み込まれた“ナノ電気機械トンネル電流スイッチシステム（Nanoelectromechanical Tunneling Current Switch Systems）”と題する２００９年１０月１日出願の米国特許出願第１２／５７１，９５８号であり且つ現在は米国特許第８，３３８，７２８号に開示した近接スイッチに対する技術およびアーキテクチャが実現される。ここで述べるように、片持ちナノフィラメント（例えばカーボンナノチューブ等）を、特に電気回路をゲートする際に使用する。しかし、近接スイッチングのための他の方法を利用することも可能であることが認識されるであろう。
【００２１】
図２Ａないし図２Ｃは、１つの発振期間中に近接スイッチが結合される２つのマスの多数の基準位置に対応する多数の閉鎖状態を通過するように構成された電子トンネル近接スイッチの実施形態を示す。図２Ａないし図２Ｃにおいて、第１のデジタルトリガ１８を参照して、電子トンネル近接スイッチについて述べる。しかし、ここで述べる一般的原理を、時間領域デジタルトリガのいずれかに適用可能であることを理解するべきである。図２Ａないし図２Ｃに示す第１のデジタルトリガ１８の実施形態では、第１のデジタルトリガ１８は、第１の駆動マス２６に実装されたｚ方向に重畳された第１および第２の電子トンネル先端部３４および３６を備える。第１および第２の先端部３４および３６は、ｚ方向に互いに整列され、ｚ方向に距離ｄ１だけ互いに離れている。本実施形態における第１のデジタルトリガ１８はまた、第１の感知マス２８に実装された第３および第４のｚ方向に重畳された電子トンネル先端部３８および４０も備える。第３および第４の先端部３８および４０は、ｚ方向に互いに整列され、ｚ方向に距離ｄ１だけ互いに離れている。第１および第２の先端部３４および３６ならびに第３および第４の先端部３８および４０が、誘電体スペーサ４２によって互いに離れることも可能である。図２Ａに示すように、第１の感知マス２８が第１の基準位置にある場合、電流パルスが第１および第２の先端部３４および３６から間隙４４を超えて第３および第４の先端部３８および４０までそれぞれ通過するように、第１、第２、第３および第４の先端部３４、３６、３８および４０が互いに関して位置決めされる。第１のデジタルトリガ１８に関する本実形態もまた、第１の駆動マス２６に関して第１の感知マス２８の第２および第３の基準位置を備える。図２Ｂに示すように第１の感知マス２８がｚ方向に距離―ｄ１だけ第１の基準位置から変位する場合、第１の感知マス２８は第２の基準位置に存在する。第２の基準位置において、第１のデジタルトリガ１８は、電流パルスが第１の先端部３４から第４の先端部４０まで通過可能となるように閉鎖状態にある。第１の感知マス２８が図２Ｃに示すように、ｚ方向に距離＋ｄ１だけ変位する場合、第１の感知マス２８は第３の基準位置に存在する。第３の基準位置では、電流パルスが第２の先端部３６から第３の先端部３８に通過するように第１の近接スイッチ１８が閉鎖状態にある。
【００２２】
図３は、慣性装置１０の一実施形態を示す斜視図である。本実施形態では、第１のばねマスシステム１４は、第１の駆動マスドライバ４６をさらに備え、第２のばねマスシステム１６は、第２の駆動マスドライバ４８をさらに備える。第１の駆動マスドライバ４６は、第１の駆動マス２６が、支持構造１２に関してｙ方向に発振するように構成される。第２の駆動マスドライバ４６は、第２の駆動マス３０が支持構造１２に関してｘ方向に発振するように構成される。第１の感知マス２８は、第１の駆動マス２６に関する第１の感知マス２８の移動がｚ方向の移動に実質的に限定されるように、第１の駆動マス２８にばねで結合される。第２の感知マス３２は、第２の駆動マス３０に関する第２の感知マス３２の移動がｚ方向の移動に実質的に限定されるように、第２の駆動マス３０にばねで結合される。このように、第１および第２の感知マス２８および３２は、感知方向（すなわちｚ方向）に第１および第２の駆動マス２６および３０から結合解除される。第１の感知マス２８は、ｘ軸周りの支持構造１２の回転からのコリオリ力に応答して、第１の駆動マス２６に関してｚ方向に移動する。第２の感知マス３２は、ｙ軸周りの支持構造１２の回転からのコリオリ力に応答して、第２の駆動マス３０に関してｚ方向に移動する。
【００２３】
第１の感知マス２８が第１の駆動マス２６に関して第１の基準位置を通過する度に、第１の時間領域デジタルトリガ１８が閉鎖状態を通過する。このように、第１の駆動マス２６に関する第１の感知マス２８の第１の基準位置からの変位は、第１の時間領域デジタルトリガ１８の状態をモニタリングすることにより見出すことも可能である。第２の感知マス３２が第２の駆動マス３０に関して第１の基準位置を通過する度に、第３の時間領域デジタルトリガ２２が閉鎖状態を通過する。このように、第２の駆動マス３０に関する第２の感知マス３２の第１の基準位置からの変位は、第３の時間領域デジタルトリガ２２の状態をモニタリングすることにより見出すことも可能である。
【００２４】
第１の駆動マス２６は、ｘおよびｚ方向の支持構造１２に関する第１の駆動マス２６の移動ならびにｘ−ｙ−ｚ軸周りの回転を制限するように支持構造１２に結合可能であるが、第１の駆動マス２６が、ｙ方向に支持構造１２に関して弾性的に移動するのを許容する。第２の駆動マス３０は、ｙおよびｚ方向の支持構造１２に関する駆動マスの移動ならびにｘ−ｙ−ｚ軸周りの回転を制限するように支持構造１２に結合可能であるが、第２の駆動マス３０が、ｘ方向に支持構造１２に関して弾性的に移動するのを許容する。
【００２５】
図３に示す慣性装置１０の実施形態は、第１の駆動マス２６を、ｙ方向のみに曲がるように設計した柔軟ばね部材５０によって支持構造１２に結合されるものとして描いている。一方、第２の駆動マス３０は、ｘ方向のみに曲がるように設計された柔軟ばね部材５２によって支持構造１２に結合される。第１および第２の駆動マスドライバ４６および４８は、第１および第２の駆動マス２６および３０が支持構造１２に関してｙ方向およびｘ方向に望ましい周波数でそれぞれ発振することが可能ないかなる装置であってもよい。駆動マスドライバの好適な例としては、様々なエリアアクチュエータ、例えば静電櫛駆動装置（図３に示す）、可変間隙アクチュエータ、例えば平行平板アクチュエータ、並びに他の電磁または圧電作動機構が挙げられるが、これらには限定されない。第１および第２の駆動マス２６および３０は、連続発振力を用いて、または第１および第２の駆動マス２６および３０の高調波共振と同位相の周期的“デルタ関数”力によりそれぞれ駆動可能である。
【００２６】
第１の感知マス２８は、ｘおよびｙ方向に第１の駆動マス２６に関してｘ−ｙ−ｚ軸周りの回転からの第１の感知マス２８の移動を制限し、第１の感知マス２８がｚ方向に第１の駆動マス２６に関して弾性的に移動するのを許容するように、第１の駆動マス２６に結合可能である。第２の感知マス３２は、ｘおよびｙ方向に第２の駆動マス３０に関してｘ−ｙ−ｚ軸周りの回転からの第２の感知マス３２の移動を制限し、第２の感知マス３２がｚ方向に第２の駆動マス３０に関して弾性的に移動するのを許容するように、第２の駆動マス３０に結合可能である。図３に示す慣性装置１０の実施形態は、ｚ方向にのみ曲がるように設計したモノリシック集積化デュアルエレメントばね５４により、第１および第２の駆動マス２６および３０にそれぞれ結合されるものとして、第１および第２の感知マス２８および３２を描く。
【００２７】
図４は、第２のばねマスシステム１６の他の実施形態を示す斜視図である。本実施形態では、第２のばねマスシステム１６は、第３の感知マス５６と第５の時間領域デジタルトリガ５８とをさらに備える。第２のばねマスシステム１６は、第５の時間領域デジタルトリガ５８を使用するようにさらに構成され、この第５の時間領域デジタルトリガ５８は、第２の駆動マス３０と第３の感知マス５６との間に動作的に結合され、ｚ軸周りの支持構造１２の回転を測定する。第３の感知マス５６は、第２の駆動マス３０に関する第３の感知マス５６の移動がｙ方向の移動に実質的に限定されるように第２の駆動マス３０にばねで結合される。このように、第３の感知マス５６は、ｚ軸周りの支持構造１２の回転からのコリオリ力に応答して、第２の駆動マス３０に関してｙ方向に移動するように構成される。
【００２８】
図４では、第３の感知マス５６が柔軟ばね部材６０によって第２の駆動マス３０に結合されるものとして示されている。第５の時間領域デジタルトリガ５８は、第２の駆動マス３０と第３の感知マス５６との間に結合された近接スイッチである。第５の時間領域デジタルトリガ５８は、第３の感知マス５６が第２の駆動マス３０に関して基準位置に存在する度に閉鎖状態になるように構成される。第５の時間領域デジタルトリガ５８は、第２の駆動マス３０に関して第３の感知マス５６の様々な位置に対応してデジタル信号を生成可能ないかなる装置であってもよい。換言すれば、第５の時間領域デジタルトリガ５８は、第２の駆動マス３０に関して第３の感知マス５６の位置変化に基づく状態の変化を経験することが可能ないかなる装置であってもよい。図４に示す第２のばねマスシステム１６の実施形態では、第５の時間領域デジタルトリガ５８は、４つの電子トンネル先端部を備えるものとして示される。第５の時間領域デジタルトリガ５８が閉鎖状態にある基準位置は、力がゼロの位置または他のいかなる望ましい基準位置であってもよい。ｚ軸周りの支持構造１２の回転は、第５の時間領域デジタルトリガ５８の状態をモニタリングすることにより決定することも可能である。冗長性を与えるために且つ慣性装置１０の正確度を増大させために、またはそのいずれかのために、各感知マスに２つ以上の時間領域デジタルトリガを追加することも可能である。例えば、図４において、第２の感知マス３２と第２の駆動マス３０との間に２つの第３のデジタルトリガ２２が結合され、第２の駆動マス３０と支持構造１２との間に２つの第４のデジタルトリガ２４が結合されている。このように、第２のばねマスシステム１６の本実施形態は、２つの直交回転力を測定するために構成された１つの駆動マスと２つの感知マスとが（そのそれぞれの感知方向では分離されている）ジャイロスコープに設けられている。
【００２９】
図５は、慣性装置１０の他の実施形態を示す。本実施形態では、第１のばねマスシステム１４と第２のばねマスシステム１６のデュアル感知マスの実施形態とに加えて、慣性装置１０が、支持構造１２に集積化された加速度計６２とデュアルマス共振器６４とをさらに備える。加速度計６２は、ｚ方向の支持構造１２の加速度を測定するように構成される。デュアルマス共振器６４は、低減した位相雑音ならびに支持構造１２に対する外部摂動および他の現象またはそのいずれかに対する極小感度を、実質的に安定したクロック信号に与えるように構成される。支持構造１２、第２のばねマスシステム１６のデュアル感知マスの実施形態、第１のばねマスシステム１４、加速度計６２およびデュアルマス共振器６４が、２つのキャッピングウェハ間の真空内に封止されることも可能である。
【００３０】
図６Ａは、加速度計６２の一実施形態を示す斜視図である。加速度計６２は、第４の感知マス６６と第６の時間領域デジタルトリガ６８とを備える。第４の感知マス６６は、支持構造１２に関する第４の感知マス６６の移動がｚ方向の移動に実質的に限定される限り、いずれかの方法で支持構造１２にばねで結合することも可能である。図６Ａに示す加速度計６２の実施形態において、第４の感知マス６６は、モノリシック集積化デュアルエレメントばね５４を介して支持構造１２にばねで結合される。第６の時間領域デジタルトリガ６８は、第４の感知マス６６が支持構造１２に関して基準位置に存在する度に第６の時間領域デジタルトリガ６８が開放状態から閉鎖状態に切り替わるように構成されるように第４の感知マス６６と支持構造１２との間に結合された近接スイッチである。
【００３１】
図６Ｂは、加速度計６２の一実施形態を示す断面斜視図であり、加速度計６２は、第４の感知マス６６を駆動して第４の感知マス６６の共振周波数でｚ方向に発振するように構成した加速度計駆動装置７０をさらに備える。加速度計駆動装置７０は、駆動マス１２に関するｚ方向の第４の感知マス６６の制御移動を生じることが可能ないかなる装置であってもよい。加速度計駆動装置７０の好適な例としては、可変エリアアクチュエータ、例えば静電櫛駆動装置、  可変間隙アクチュエータ、例えば平行平板アクチュエータ、並びに他の電磁または圧電作動機構が挙げられるが、これらには限定されない。例えば、加速度計駆動装置７０は、図６Ｂに示すように、第４の感知マス６６のいずれかの側に対称な対の上部および下部重畳容量性電極を備えることも可能であり、これらは第４の感知マス６６において速度ベクトルを生成するように使用可能である。
【００３２】
図７Ａおよび図７Ｂは、デュアルマス共振器６４の一実施形態を示す斜視図である。デュアルマス共振器６４は、フレーム１２にモノリシックに集積化され、共振器駆動装置７１と、第１および第２の発振器マス７２および７４と、第７の時間領域デジタルトリガ７５とを備える。第７の時間領域デジタルトリガ７５は、第１および第２の相対位置スイッチ半体７６および７８を備える。共振器駆動装置７１は第１の発振器マス７２を駆動して、第１の発振器マスの共振周波数で発振する。デュアルマス共振器６４は、第１の発振器マス７２がフレーム１２に関して発振する場合に、第１および第２の発振器マス７２および７４間で相対移動が行われるように構成される。例えば、第２の発振器マス７４は、第１の発振器マス７２とは位相を異にして発振するように構成することも可能である。第１および第２の相対位置スイッチ半体７６および７８は、第１および第２の相対位置スイッチ半体７６および７８が互いに通過すると、第１の発振器マス７２の各発振中に第７の時間領域デジタルトリガ７５が閉鎖状態を通過するような構成で、第１および第２の発振器マス７２および７４にそれぞれ実装される。実質的に同一の共振周波数を有する第１および第２の発振器マス７２および７４は、フレーム１２に対する外部摂動に実質的に同様に応答するように設計されている。さらに、デュアルマス共振器についての詳細は、参照することにより全体が本明細書に組み込まれる、２０１１年１０月１９日にポール・ディー・スワンソン(Paul D. Swanson) により出願された“時間領域スイッチを用いる加速度感度および位相雑音が低減した共振器（Resonator with Reduced Acceleration Sensitivity and Phase Noise Using Time Domain Switch）と題する米国特許出願第１３／２７６，９４８号に見出せる。
【００３３】
デュアルマス共振器６４からのクロック信号を用いて、対応する時間領域デジタルトリガの連続トリガイベント（すなわち閉鎖状態）間の時間間隔を測定することにより、支持構造１２の回転および変位またはそのいずれかの振幅を計算することも可能である。
【００３４】
慣性装置１０についての上記説明から、その範囲を逸脱することなく慣性装置１０の概念を実現するために様々な技術を使用可能であることが明らかである。上記実施形態は、全ての点において例示であり、また限定されないものとして考慮するべきである。慣性装置１０がここで述べた特定の実施形態に限定されず、請求の範囲を逸脱することなく多くの実施形態が可能であることもまた理解するべきである。
【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６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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