JP2005526959A

JP2005526959A - マイクロ加工されたジャイロスコープ

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Publication number: JP2005526959A
Application number: JP2003566496A
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Inventors: ジーン、ジョン・エイ
Original assignee: アナログ・デバイスズ・インク
Priority date: 2002-02-06
Filing date: 2003-02-06
Publication date: 2005-09-08
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Also published as: EP1472507A1; EP2325604B1; DE03707756T1; US20050139005A1; EP2327959B1; US7216539B2; JP4392246B2; ATE509254T1; US7357025B2; EP1472507B1; CN1628238A; AU2003209031A1; US20030172753A1; US7032451B2; CN1628238B; US20060191340A1; US20060191339A1; US7204144B2; WO2003067190A8; EP2327959A1

Abstract

マイクロ加工されたジャイロスコープは基板の表面に垂直な軸に関する回転速度を検出し測定するコリオリ加速度の使用を可能にする。とりわけ、様々な共振構造がフレームの中に吊される。これらの共振構造は、全体の共振システムのために単一の共振周波数を生成するために機械的に結合される位相マスと逆位相マスを含んでいる。軸周りのマイクロ加工されたなジャイロスコープの回転はフレームに回転力を発生させる。フレームはその運動が回転方向を除くすべてにおいて厳しく制限される方法で吊される。フレームの四方に設けられたセンサは、方向変化を測定するためにフレームの回転たわみを検出する。

Description

本発明は、一般に、マイクロ加工されたジャイロスコープに関し、特に、回転運動を検出するためにコリオリ加速度を使用するマイクロ加工されたジャイロスコープに関する。

発明の１局面によると、複数の共振構造の機械的結合は、結合運動を共直線運動から並列運動に変えるために使用される複数のレバーを備える「二重フォーク」構成に基づく。レバーは、取付点において形成される枢軸を有し、取付点がレバーに関して移動されることがないことを確実にする。

発明の別の局面によると、ジャイロスコープフレームは線運動よりむしろ回転運動を検出するに適合している。コリオリ検出フィンガはフレームの全ての辺（四方）に置かれる。

発明の別の局面によると、共振器マスフレクシュア内の長軸方向の引張は共振器マス自体（応力低減レバーとしての駆動機構を含む）を使用して減少させられる。２対のマスが位相マス及び逆位相マスとしてそれぞれ使用される。各対のマスは短いフレクシュアを介して結合される。このことは、両マスを前記フレクシュア回りに僅かに旋回させ、そのため、斜めに対向する角が次に同時に主共振器フレクシュアと連結レバーの両方の投影長さを短縮するように働く。

発明の別の局面によると、駆動又は検出フィンガが連結レバーに組み込まれる。

発明の別の局面によると、電気直角位相の抑制は指間フィンガを使用するよりもむしろ共振器マスの縁に沿って形成されたノッチを使用することで達成される。

発明のさらに別の局面によると、固定駆動フィンガの逆位相アレイの対のアンカーは横方向に共直線になるように配列され、これらのアンカーは基板から離れた上端において互いに組になって連結されて置かれるので、該上端は基板端部において個々にねじれることに抵抗し、フィンガブスバーは可撓性の折り重ねられたフィンガによって前記上端に取り付けられる。

発明の実施するための最良の形態

マイクロ加工されたジャイロスコープは、速度計及び加速度計手段と共に振動し該速度計の回転効果から生じる直交コリオリ加速度を測定する共振器を含んでいる。これらの構造を互いに、かつ、その下に位置する基板に取り付ける普通の方法は、しばしば「テザー(tether)」（つなぎ材）又は「フレクシュア(flexure)」と呼ばれるマイクロ加工された素材のフィラメントを使用する。

このように、マイクロ加工されたジャイロスコープはコリオリ加速度を用いて基板の表面に垂直な軸に関する回転速度を検出し測定する。特に、様々な共振構造がフレームの中に吊される。これらの共振構造は全体の共振システムのために単一の共振周波数を生成するために、レバー、枢軸フレクシュア、及びフォークを介して機械的に連結される位相マスと逆位相マスを含んでいる。この機械系は、共振器の運動を１つの線軸に厳しく制限し、いかなる正味の回転をさせない。マイクロ加工されたジャイロスコープの面回りの回転は回転力をフレームに発生させる。フレームはその運動が回転方向を除くすべてにおいて厳しく制限されるように吊される。フレームの四方（４側）のセンサは、方向変化を測定するためにフレームの回転たわみを検出する。

マイクロ加工されたジャイロスコープの従来技術において、バランスのとれた（対称の）構造はかなり良い性能を与えること、及び機械的に結合した対の共振器がかなり望ましいことが認められた。例えば、米国特許５,３９２,６５０と、５,６３５,６３８を参照。複数の共振構造を機械的に結合することは多くの長所を持っており、これらの共振構造の運動を増加させ、これらの共振構造によって生成されるコリオリ加速度（信号）の量を増加させることを含み、そして、混沌（カオティック）運動を避け、共振構造と同じ方向のフレームの運動を防ぎ、より良い位相を決定し、外部加速度をより良く排除し、かつ、角運動量が局部的に取り消されることで品質係数Ｑを改良する。

対の共振器が電気手段のみによって結合されるならば、満足できるジャイロスコープを製造することが可能であることが判明している。１例は、「単一チップ表面のマイクロ加工された統合ジャイロスコープ」（IEEE JESSICA vol．３７, No．１２, ２００２年１２月）と、米国特許６,１２２,９６１に説明されている。製造許容誤差は、２個の機械的に別個の共振器を同じ振動数を備えるように作ることはできないが、「Ｑ」値が十分低いならば、それらの共振曲線はその対に関して十分に重なり単一電気オシレータとしてスムーズに機能するようなものである。

１枚のシリコンウエハからより多くのディバイスを作ることができれば、ディバイス１つずつのコストを低くすることができるので、より小さい構造を作ることに長所がある。より小さい構造から低ノイズの適切な信号を得るために、より高い「Ｑ」値を持ったそれらの構造の共振を設計することが必要である。そうすれば、共振曲線はもはや必要条件を満たすようには重ならず、振動の振幅が小さなり、かつ、周波数が不十分に形成される。極端な場合は、運動は低周波数ノイズに及ぼす有害な影響を持つ混沌状態（すなわち、ジャイロスコープの主用途の１つである正確なナビゲーションを妨げる短期間の出力不安定状態）となる。

本発明のいくつかの実施の形態では、共振器の回転のために米国特許５,６３５,６４０で説明される「２重フォーク」に基づく非常に効果的な機械的結合を提供することによって、より小さい構造を使用することを可能にする。共直線の共振器対をこのように直接的に結合することができず、そのため、１セットのレバーを使用して結合運動を共直線運動から並列運動に変える。レバーは加速度計フレームと共振器マスに取り付けられる取付点において定められる枢軸を有する。それぞれの枢軸点は少なくとも２つの直交するフレクシュア軸の交点によって定められる。このことは、取付点がレバーに関して移動されることがなく、単に回転することを確実にする。移動によるコンプライアンスは、後で説明されるように、望まれない運動の抑制を達成するであろう。ネッツァ（Netzer）は米国特許５,７６３,７８１の図８〜１１に同様の考えを表示する。しかしながら、それらの構造のいずれも、本願に開示されるタイプの実用的なマイクロ加工されたジャイロスコープにおいて動作しないであろう。なぜならば、第１に、枢軸が容認できない直交方向の運動を許容する単一のフレクシュアによって定められており、第２に、デザインの同じ欠陥が結合したマスの同相運動にあまりに多くのコンプライアンスを許容し、第３番目に、後で説明するように応力硬さを解放することが不可欠であるが、それらの構造はそういった解放をしない。

また、共振器と加速度計の軸の直交が不完全なことから生じる、いわゆる「直角位相」(quadrature)信号を抑制することは非常に有利であることが知られている。抑制手段は、米国特許６,０６７,８５８と、６,２５０,１５６においてハウ他によって説明されるように電気的であってもよく、米国特許６,１２２,９６１においてジーンによって説明されるように機械的であってもよい。後者の特許は望まれない運動を禁止するためレバーとフレクシュアのシステムと共に別個の共振器フレームと加速度計フレームを使用し、実際に非常に効果的である。しかしながら、その構成は共振器の直接的な機械的結合に幾何学的に適合しない。まず第１に、半分の加速度計フィンガ（共振器間のフィンガ）が失われて信号を実質的に減らすであろう。第２に、共振器対からの線形コリオリ力はそれらの共振器対に取り付けられた加速度計フレームにおいて相殺されるであろう。

本発明のいくつかの実施の形態は、直角位相が抑制された分離したフレームからの加速度計信号を損失させることなく、共振器の機械的結合を可能にする。このことは、結合されている逆位相の共振器マスがそれらの中心の離間距離に比例するコリオリトルク（この線形コリオリ力は相殺される）を発生させることを認識することによって達成される。その結果、周囲加速度計フレームは線運動よりむしろ回転を検出することに適合している。次に、機械的な直角位相抑制は共直線形共振器対のいかなる正味回転運動の問題になり、加速度計の線形運動を抑制する。また、長方形の加速度計フレームの４つのすべての辺は、加速度計フレームが回転するとき、その動きを検出するためにフィンガに対して一列に並べられ、その結果、２個の線加速度計の運動に対する合計感度を復元させるが、従来技術の米国特許６,１２２,９６１と比較して半分の総面積である。

行きあたる別の問題は、大きいコリオリ信号のために、共振器は大きな運行を行なわなければならない。共振器の主要なフレクシュアはこれらの情況において「応力硬さ」状態となるであろう。すなわち、フレクシュアは、撓んだときに、さらに延びなければならないし、その結果の延びは、フレクシュアに横方向硬さが著しく増加した縦方向の引張を引き起こす。硬さ（剛性）の相対的な増加は、テザーの横撓み対幅比の二乗として変化することがよく知られている。したがって、１０ミクロン撓む通常の１.７ミクロン幅のテザーは係数が３６硬くなり、このことは容認できない非線形性を与え、より大きな駆動力を必要とし、大きな係数により不十分に形成された共振周波数を作る。この縦応力は米国特許５,３９２,６５０において説明されているような単純な横フレクシュアによって解放されうるが、これはテザーの縦方向に全体的な共振器運動を許容し、機械的な直角位相抑制を妨げる。

本発明のいくつかの実施の形態は、従来技術の米国特許６,１２２,９６１で使用された余分なレバーのためのスペースをとることなく、テザーの縦方向引張を解放する手段を提供する。これは、応力減少レバーとして駆動機構を含む共振器マス自体を使用することによって達成される。テザーで吊した余分のレバーをなくすことは、面積を節約するだけでなく、ジャイロスコープの全体的な面外剛性を高める。このことは装置をより頑丈にし、かつ、大きな衝撃又は振動を受ける車のエンジン・ルームの中などの乗物位置での使用に適するようにする。

発明のいくつかの実施の形態では、共振器マスは、それを分割して非常に短いフレクシュアで再ジョイントすることにより、引張を軽減するように変更される。これは、斜めに対向する角が次に、同時に主共振器フレクシュアと連結レバーの両方の投影長さが短かくなることに対応可能となるようにフレクシュアに関してマスをわずかに旋回させる。短いフレクシュアの位置決めが重要であるようにフレクシュアとレバーの両方を有効に解放するために、枢軸からフレクシュアまでの距離と枢軸からレバーまでの距離は適当な比でなければならないが、これは、幾何学的には難しい計算ではない。

本発明の例示的実施の形態では、マイクロ加工されたジャイロスコープは２つの位相（同相）マスと、レバー、枢軸フレクシュア、及びフォークを介して機械的に結合される２つの逆位相（逆相）マスとを含む。これは、理想的に、単一共振周波数を与える。単一共振周波数はより高いＱ値を与え、それ故、より多くの信号を供給する。結合構成は、コリオリ加速度として誤読されるフレームに作用する異質な力（共振構造のアンバランスな運動によって引き起こされる移動及び回転力など）を減少させる。

本発明のある実施の形態において、面積を節約するために駆動又は検出フィンガが連結レバーに組み込まれる。共振器マスの速度からコリオリトルクを発生させることにおける共振器マスの有効性はセンタラインからのその距離に比例する。その結果、電気機械オシレータを完成する目的のための共振器駆動装置、または速度検出装置はできるだけセンタライン近くに置かれることが望ましい。これにより、利用可能域を最も効果的に利用できる。したがって、マスから連結レバーまでの装置の一部を取り除くことは特に有利である。

レバーが弧状に運動するため、レバー上に置かれた指間フィンガは、レバーの枢軸点から半径に依存してレバーの長さに沿って異なる角度でかみ合う。したがって、運動しているフィンガフィンガが固定された指間くしに関して過度に横運動することを防ぐために、レバーの幾何学形状によって決まる異なった角度でフィンガをかき戻すことができる。これは図１４で示される。

加速度計フレームとその周囲に置かれた検出フィンガに関して同様の問題が存在する。それは加速度計フレームが回転するように構成されているからである。故に、検出フィンガは同様に異なった角度でかき戻される。しかしながら、通常、加速度計フレームの回転はレバーの回転よりもはるかに少なく（恐らく１００,０００分の１であり）、したがって、そのようなかきは、通常、検出フィンガに使用されない。

本発明のある実施の形態は、直角位相信号をそれがほぼヌルとなるように細かくトリミングすることができる。サスペンションフレクシュアとレバーの構成による直角位相の抑制にもかかわらず、フレクシュアから吊された共振器の反力による加速度計フレームのひずみから生じる残りの直角位相要素が存在する。スペース節約し、かつ、コリオリ力に対するこのフレームの応答を最大にするために、できるだけフレームを軽く保つことが望ましい。あいにく、軽量フレームは歪が大きいので、何らかの残余の直角位相を許容するデザインには妥協を要する。フィンガの係合に伴い変化する横力を提供するために異なった電圧で３つのグループに配置されるフィンガアレイを使用する米国特許５,９９２,２３３においてクラークによって説明される一般原理を使用することで前記残余の直角位相をゼロに近いものまでトリミングできる。本発明の実施の形態は、代わりに、共振器マスのエッジから切り欠いたノッチを使用する。これは、上記フィンガアレイより小さいスペースを使用し、かつ、それ自体を使用不能な領域に適用させるという長所がある。

駆動フィンガは、何らかの可動型でありかつ基板に取り付けられた指間くしを使用することで縦方向に動作する。その原則は、米国特許５,０２５,３４６においてタング（Ｔａｎｇ）とハウ（Howe）によって説明されている原則である。ジャイロスコープのために縦型静電くし駆動機構を使用する最も厄介な副作用の１つは、フィンガ間の小さい不均衡が必要な縦成分と同様に横運動を引き起こすということである。この横運動は、はるかに大きい直角位相の信号と異なり、位相感知整流器によって運動が排除されないようにコリオリ信号と同期する不幸な特性を備える成分を有する。この同期信号のいかなる不安定性も直接的にジャイロスコープの誤差になる。ギャップが不均衡になる最も重要な方法の１つは、固定フィンガと可動構造の基板アンカー点の相対運動である。もう１つは、外部加速度計からの可動構造の変位である。幸い、これらの大部分は構造と駆動装置の対称性に十分に注意を払うことによって打ち消される。しかしながら、基板の表面剪断ひずみにこのように適応することは特に難しい。基板の表面剪断ひずみは使用の間に引き起こされるパッケージ応力の変化によって容易に引き起こされ、そしてそのひずみは固定フィンガのアレイの相対変位と、個々のフィンガアンカーの回転の両方を生成する。

本発明のある実施の形態では、固定された駆動フィンガの逆位相アレイのいずれの対のためのアンカーも横方向に共直線になるように配列される。このように、基板のいかなる表面剪断もそれらを互いに横に動かすことはないであろう。また、アンカーは通常対にされて下に置かれて基板から離れたそれらの上端で互いに連結されるので、該上端は基板端部における個々のねじれに抵抗する。その上、フィンガブスバーは、通常、可撓性の折り重ねられたフィンガによって上端に付けられる。これらのフィンガは、アンカー対から伝達されるいかなるひずみと、マイクロ加工された材料の収縮応力による変位からブスバーを絶縁する。これらはまた駆動装置として働き、絶縁措置から生じた駆動損失を最小にする。

図１は、本発明の実施の形態に従って、例示的なマイクロ加工されたジャイロスコープ構造１００を示す。マイクロ加工されたジャイロスコープ構造１００は、典型的に、単一シリコンウエハからマイクロ加工された多くのもののうちの１つである。マイクロ加工されたジャイロスコープ構造１００は通常基板にマウントされる。マイクロ加工されたジャイロスコープ構造１００は、ｘ軸に沿って上から下へ、かつ、ｙ軸に沿って横から横へ実質的に対称である。

図２はマイクロ加工されたジャイロスコープ構造１００の様々な部品を識別する。特に、マイクロ加工されたジャイロスコープ構造１００はその４つのコーナにおいて加速度計サスペンションフレクシュア２０２、２０４、２０６、及び２０８によって吊される実質的に正方形のフレーム２１０を含んでいる。図３は、強調表示したフレーム２１０を示す。フレーム２１０の４つの外縁上にフィンガ２１２、２１３、２１４、２１５、２１６、２１７、２１８、及び２１９がある。様々な共振構造はフレーム２１０の中に吊される。これらの共振構造は４つの可動マス２２０、２２２、２２４及び２２６と、４つのレバー２２８、２３０、２３２及び２３４と、２つのフォーク２３６及び２３８を含んでいる。図４は、強調表示したマス２２０を示す。マス２２２、２２４及び２２６はマス２２０と実質的に同じ形状、サイズ及び質量であり、マス２２０のｘ及び／又はｙ軸に関する鏡像となるように向けられていることに注意すべきである。図５は、強調表示したレバー２２８を示す。レバー２３０、２３２及び２３４はレバー２２８と実質的に同じ形状、サイズ及び質量であり、レバー２２８のｘ及び／又はｙ軸に関する鏡像となるように向けられていることに注意すべきである。４つの可動マス２０２、２２２、２２４及び２２６はフレクシュア２４０、２４２、２４４及び２４６によってフレーム２１０からそれぞれ吊されている。４つの可動マス２２０、２２２、２２４及び２２６の運動は静電ドライバ２４８、２５０、２５２、２５４、２５６、２５８、２６０及び２６２を使用することで静電気的に制御される。マイクロ加工されたジャイロスコープ構造１００のこれらの特徴と他の特徴は以下により詳細に説明される。

４つの加速度計サスペンションフレクシュア２０２、２０４、２０６及び２０８は、基板に対するフレーム２１０の運動を制御することを助ける。４つの加速度計サスペンションフレクシュア２０２、２０４、２０６及び２０８はフレーム２１０のｘ軸及びｙ軸方向の運動（すなわち、並進運動）を実質的に制限するが、フレーム２１０が自由にどちらの方向にも回転すること（すなわち、回転運動）を許容する。フレーム２１０のそのような回転運動は共振構造の基準であるフレームの運動によるコリオリ効果から主として引き起こされる。

図６は加速度計サスペンションフレクシュア２０２をより詳細に示す。加速度計サスペンションフレクシュア２０２は位置６３０及び６４０において基板に据えつけられる。加速度計サスペンションフレクシュア２０２は実質的にフレーム２１０の並進運動を制限するが、フレーム２１０の回転運動は許容する。構造６５０と６６０は他のフレクシュア構造の正確な構成を確実にするために使用されるエッチイコライザである。この原則は米国特許６,２８２,９６０で教えられている。加速度計サスペンションフレクシュア２０４、２０６及び２０８は加速度計サスペンションフレクシュア２０２と実質的に同じであることが注意されるべきである。

フィンガ２１２、２１３、２１４、２１５、２１６、２１７、２１８及び２１９はフレーム２１０の４側から延伸する。２つのコリオリ検出装置がフィンガ２１２、２１３、２１４、２１５、２１６、２１７、２１８、２１９の間に置かれる。

図６はフィンガ２１２と２つのコリオリ検出装置６１０，６２０との関係を示す。２セットのコリオリ検出装置６１０と６２０は機械的に基板と結合され、基板に対して移動しない。フレーム２１０の運動は、以下で説明されるように、コリオリ検出装置に対するフィンガ２１２、２１３、２１４、２１５、２１６、２１７、２１８及び２１９の運動をもたらす。コリオリ検出装置に対するフィンガ２１２、２１３、２１４、２１５、２１６、２１７、２１８及び２１９の運動は電子サーキットリ（図示省略）によって測定されうるキャパシタンス変化を発生させる。さまざまな方法でこれを行うことができる。

２セットのコリオリ検出装置６１０と６２０は、図１０で示されるように、４個の切替え１０１０、１０２０、１０３０及び１０４０を介して二重の特異な態様で結合される。切替え１０１０、１０２０、１０３０及び１０４０は周囲回路から電気的に引き起こされる信号と、フレーム２１０の並進運動によって作り出される信号を実質的に打ち消すが、フレーム２１０の回転運動によって作り出される信号を実質的に増幅する。特に、フレーム２１０の並進運動があるとき、コリオリ検出装置のおよそ半分が１つの信号を作り出し、他の半分は実質的にそれに等しくかつ反対の信号を作り出す。すなわち、ゼロの正味信号をもたらす。したがって、フレーム２１０の並進運動は実質的に電子的に相殺される。しかしながら、フレーム２１０の回転運動があるときは、すべてのコリオリ検出装置は、相補的信号であって、結合され増幅されると回転運動の大きさを表す相補的信号を作り出す。フレーム２１０の四辺にフィンガとコリオリ検出装置を置くことによって、フィンガとコリオリ検出装置がフレーム２１０の二辺だけに置かれる解決法と対照的に、より大きい信号が作り出される。

マス２２０、２２２、２２４及び２２６と、フレクシュア２４０、２４２、２４４及び２４６と、レバー２２８、２３０、２３２及び２３４と、フォーク２３６及び２３８を含む共振構造は機械的に結合される。再び図２を参照し、マス２２０と２２２は枢軸フレクシュア２６４を介して機械的に結合される、そして、マス２２４と２２６は枢軸フレクシュア２６６を介して機械的に結合される。マス２２０と２２４はレバー２２８、２３０とフォーク２３６を介して機械的に結合され、マス２２２と２２６はレバー２３２、２３４とフォーク２３８を介して機械的に結合される。枢軸フレクシュア２６４、２６６と、レバー２２８、２３０、２３２及び２３４と、フォーク２３６、２３８はマス２２０、２２２、２２４及び２２６を一緒に動かす。

マス２２０はフレクシュア２４０によりフレーム２１０から、枢軸フレクシュア２６４によってマス２２２から、そして、枢軸フレクシュア２６８によってレバー２２８から吊設されている。マス２２２はフレクシュア２４２によってフレーム２１０から、枢軸フレクシュア２６４によってマス２２０から、そして、枢軸フレクシュア２７２によってレバー２３２から吊設されている。マス２２４はフレクシュア２４４によってフレーム２１０から、枢軸フレクシュア２６６によってマス２２６から、そして、枢軸フレクシュア２７６によってレバー２３０から吊設されている。マス２２６はフレクシュア２４６によってフレーム２１０から、枢軸フレクシュア２６６によってマス２２４から、そして枢軸フレクシュア２８０によってレバー２３４から吊される。

レバー２２８は枢軸フレクシュア２７０よってフレーム２１０から、枢軸フレクシュア２６８によってマス２２０から、そして、フォーク２３６によってレバー２３０から吊設されている。レバー２３０は枢軸フレクシュア２７８によってフレーム２１０から、枢軸フレクシュア２７６によってマス２２４から、そしてフォーク２３６によってレバー２２８から吊設されている。レバー２３２は枢軸フレクシュア２７４によってフレーム２１０から、枢軸フレクシュア２７２によってマス２２２から、そして、フォーク２３８によってレバー２３４から吊設されている。レバー２３４は枢軸フレクシュア２８２によってフレーム２１０から、枢軸フレクシュア２８０によってマス２２６から、そして、フォーク２３８によってレバー２３２から吊設されている。

図７は、マス２２２と、それに関連する構成要素をより詳細に示す。マス２２０はフレクシュア２４０によってフレーム２１０から、枢軸フレクシュア２６４によってマス２２２から、そして、枢軸フレクシュア２６８によってレバー２２８から吊される。フレクシュア２４０は、望ましくは、３つの並列エッチから形成され、中央エッチは破断しておらず、外側の２つのエッチは２箇所において破断されている。外側エッチは、中央エッチの正確な形成を確実にするのに使用されるエッチイコライザである。マス２２２、２２４、及び２２６とそれらの関連要素はマス２２０とその関連要素と実質的に同じであることに留意されたい。

図８はレバー２２８、２３０とそれらの関連要素をより詳細に示す。レバー２２８は枢軸フレクシュア２７０によってフレーム２１０から、枢軸フレクシュア２６８によってマス２２０と、そして、枢軸フレクシュア８２０によってフォーク２３６から吊設されている。レバー２３０は枢軸フレクシュア２７８によってフレーム２１０から、枢軸フレクシュア２７６によってマス２２４から、そして、枢軸フレクシュア８３０によってフォーク２３６から吊設されている。フォーク２３６は枢軸フレクシュア８２０によってレバー２２８から、そして枢軸フレクシュア８３０によってレバー２３０から吊設されている。レバー２３２、２３４とそれらの関連要素はレバー２２８、２３０とそれらの関連要素と実質的に同じであることに注意すべきである。

フレクシュア２４０、２４２、２４４及び２４６はマス２２０、２２２、２２４及び２２６のｙ軸方向の運動をそれぞれ実質的に制限するが、マス２２０、２２２、２２４及び２２６のｘ軸方向の運動をそれぞれ許容する。また、フレクシュア２４０、２４２、２４４及び２４６は、マス２２０、２２２、２２４及び２２６移動するときにそれらのマスがそれぞれわずかに旋回することを許容する。

枢軸フレクシュア２６４は、マス２２０と２２２が一緒に動くようにそれらのマスを本質的にロックする。同様に枢軸フレクシュア２６６はマス２２４と２２６を本質的にロックして、それらが一緒に動く（但し、マス２２０、２２２と反対方向に動く）ようにする。

レバー２２８、２３０と、フォーク２３６と、枢軸フレクシュア２６８、２７０、８２０、８３０、２７６及び２７８は、マス２２０と２２４を本質的にしっかりくっつかせ、それらが実質的に等しく、しかし、反対方向に移動できるようにする。レバー２３２、２３４と、フォーク２３８と、枢軸フレクシュア２７２、２７４、２８０及び２８２と、レバー２３２と２３４をフォーク２３８（図示省略）に結合する枢軸フレクシュアはマス２２２と２２６を本質的にはしっかりくっつかせ、それらのマスを実質的に等しい、しかし、反対方向に移動できるようにする。

レバー２２８と２３０は、マス２２０と２２４の実質的に等しいが横方向に反対方向の運動をｙ軸方向のフォーク２３６の実質的に線形運動に変換する。特に、マス２２０枢軸フレクシュア２６８を介してレバー２２８に移されるとともに、マス２２４の横から横への運動が枢軸フレクシュア２７６を介してレバー２３０に移される。レバー２２８と２３０は枢軸フレクシュア２７０と２７８においてそれぞれ、かつ、枢軸フレクシュア８２０と８３０においてそれぞれ旋回し、ｙ軸方向のフォーク２３６の線運動を引き起こす。これらの遷移は、マス２２０と２２４横から横へと動くときに、それらのマスを僅かに旋回させる。特に、マス２２０は、それが左側に移動するとき、マス２２２の方へわずかに旋回し、右側に移動するとき、マス２２２からわずかに遠ざかり、一方、マス２２４は、それが右側に動くとき、マス２２６の方に僅かに旋回し、左側に動くとき、わずかにマス２２６から遠ざかる。

同様に、レバー２３２と２３４は、マス２２２と２２６の実質的に等しいが、反対方向の運動をｙ軸方向のフォーク２３８の実質的に線形の運動に本質的に変換する。特に、マス２２２の横から横への運動が枢軸フレクシュア２７２を介してレバー２３２に伝達されるとともに、マス２２６の横から横への運動が枢軸フレクシュア２８０を介してレバー２３４に伝達される。レバー２３２と２３４は枢軸フレクシュア２７４と２８２において、かつ、レバー２３２、２３４をフォーク２３８（図示省略）に結合する枢軸フレクシュアにおいてそれぞれ回転し、ｙ軸方向のフォーク２３８の線運動を生じさせる。これら遷移は、マス２２２と２２６を、それらが横から横へと動くときに、わずかに旋回させる。特に、マス２２２は、それが左側に動くとき、マス２２０の方へわずかに旋回し、右に動くとき、マス２２０からわずかに遠ざかり、一方、マス２２６は、それが右に動くとき、マス２２４の方へわずかに旋回し、左に動くとき、マス２２４からわずかに遠ざかる。

逆位相運動の精度に加えて共振器が対称であることが旋回運動からの角運動量を打ち消して加速度計フレームの回転を引き起こさないことに注意すべきである。

図９はマス２２０、２２２、２２４及び２２６と、フォーク２３６及び２３８の相対的運動を示す。これら及び他の共振器は、実際は非常にわずかな距離動くものであり、図中の矢印は、マス２２０、２２２、２２４及び２２６が横から横へ動き、また旋回することを示すためにかなり誇張して描かれていることに注意すべきである。

上で議論したように、マスは静電ドライバを使用して静電的に移動され制御される。図１１は１つの静電ドライバ、特にマス２２０のための静電ドライバ２５０の詳細図を示す。静電ドライバ２５０はマス２２０内に空洞を形成するようにマイクロ加工されている。マス２２０は、それに一体化された２セットの駆動フィンガ１１１０、１１２０と、前記空洞内に配設され基板に結合された２セットの電極フィンガ１１３０、１１４０を含む。電極フィンガ１１４０は駆動フィンガ１１１０の周り及びそれらの間にフィットし、電極フィンガ１１３０はの駆動フィンガ１１２０の周り及びそれらの間にフィットする。電極フィンガ１１４０に電圧が印加されるとき、駆動フィンガ１１１０は電極フィンガ１１４０に向かって引かれ、マス２２０を右に向かって動かす力をマス２２０に発生させる。電圧が電極フィンガ１１３０に印加されるとき、駆動フィンガ１１２０は電極フィンガ１１３０に向かって引かれ、ス２２０を左に向かって動かす力をマス２２０に発生させる。電圧を電極フィンガ１１３０と電極フィンガ１１４０に交互にかけると、マス２２０を前後に動かすことができる。マス２２０にトルクを発生させうる基板の表面剪断により発生するトルクを減少させるために、２セットの電極フィンガ１１３０，１１４０を直線的に基板に据えつけられることが望ましい。静電ドライバ２４８、２５２、２５４、２５６、２５８、２６０及び２６２は静電ドライバ２５０と実質的に同じであることに留意されたい。

静電ドライバ２４８、２５２、２５４、２５６、２５８、２６０及び２６２は、マスのほとんどのものが中心から離れるように、マイクロ加工されたジャイロスコープ構造１００の中央近くに置かれることに注意すべきである。このことは、マイクロ加工されたジャイロスコープ構造１００のコリオリ加速度に対する感度を増加させる。

レバー２２８、２３０、２３２及び２３４のための静電ドライバもまた存在する。図８はレバー２２８、２３０、２３２及び２３４のための静電ドライバ８１０の一部を示す。静電ドライバ８１０は、各レバー上に駆動フィンガを形成しかつ基板と結合される１セットの電極フィンガを形成するようにマイクロ加工されている。電極フィンガは駆動フィンガの周りにフィットし、かつ、駆動フィンガの間でフィットする。電圧が電極フィンガにかけられるとき、駆動フィンガは電極フィンガに向かって引かれ、各レバーが電極フィンガに向かって移動するように各レバーに作用する力を作り出す。静電ドライバ８１０は共振構造の運動を補強することに使用される。これらの代替的用途は共振器の速度を検出することである。共振を起こさせる電気機械オシレータループを閉じるためにその速度信号を使用することができる。

共振構造は、それらの運動範囲を高めるために、それらの固有共振周波数又はその付近において駆動されることが望ましいことに留意すべきである。これはジャイロスコープの感度を増加させることになる。

様々なジャイロスコープ構造は、理論上、それらが実質的に同じ周波数と位相で動くように、完全にバランスをとっていることに注意すべきである。しかしながら、実際には、様々なジャイロスコープ構造は完全にはバランスをとっていない。例えば、マス２２０、２２２、２２４、及び２２６は理論的に同じ（但し、ｘ軸及び／又はｙ軸での鏡像）であるが、少なくとも、素材における部分的な変化及びマスを形成する方法により、通常同じものでない。同様の不均衡は様々なレバー、枢軸及びフレクシュアなどの他のジャイロスコープ構造に起こりうる。これらの不均衡はマスの異相横運動（以下「直角位相」(quadrature)と呼ぶ）として現れ、装置によって異なる。構造の機械的な剛さは実質的にこれらの運動を抑制するが、何らかの直角位相が残る。

したがって、電気直角位相の抑制構造は、直角位相量を減少させるのに通常使用される。一般原理は米国特許５,９９２,２３３においてクラークによって教えられている。本発明の実施の形態では、直角位相抑制構造は、マスの運動の方向上のマスの部分に近接して位置される少なくとも１つの電極を通常含む。電圧が電極にかけられるとき、結果として起こる静電力はマスを電極側に引き付ける横力を生じさせる。単一電極は通常各マスと協働するが、通常すべての電極が活性化されるわけではない。むしろ、特定の装置の直角位相挙動は、通常、直角位相を減少させるためにどの電極（もしあるならば）を活性化するかを決定するように特徴付けられる。

マスの運動に従って直角位相量が異なるので、電極によって与えられる横力を同様にマスの運動に従って異なるようにすることが望ましい。電極によってマスに適用される横力を変える１つの方法はマスの位置に基づいて電極にかける電圧を変えることである。特に、マスがフレームに向かって外側に移動するに従って電圧を増加し、マスがフレームから遠ざかるように内側に移動するのに従って減少させてやることであろう。そのような問題解決策は実際には非常に難しいだろう。

電極によってマスに作用させる横力を変える別の方法は、マスの位置に基づいて電極に隣接しているマスの量を変えることである。本発明の実施の形態に従って、図１２は直角位相の抑制構造１２００の詳細図を示す。２つの電極１２１０と１２２０は２つの隣接するマス２２０と２２２の間、特に、これらの２つのマス２２０と２２２によってそれらの中に形成された空洞に置かれる。電極１２１０はマス２２０に隣接していて、横力をマス２２０に下向き方向に与えることができる。電極１２２０はマス２２２に隣接していて、横力をマス２２２に上向き方向に与えることができる。電極によって与えられる横力量を変えるために、各マスにノッチが形成される。ノッチは電極の一部に隣接してフレームに近い電極の端部に向かって形成される。マスがフレームの方へ外側に移動するに従って、直接電極に隣接しているマスの長さは増加し、マスに作用するより大きな横力をもたらす。マスがフレームから遠ざかるように内側に移動するのに従い、直接電極に隣接するマスの長さは減少し、マスに作用するより小さい横力をもたらす。

本発明の典型的な実施の形態では、電圧は両方の電極１２１０と１２２０に印加されるのではなく、そのいずれか１つに印加される。電圧が印加される電極は、直角位相を特徴付け、その直角位相を最も減少させる電極（もしあるならば）を決定することによって、通常選択される。

同様の直角位相抑制構造がマス２２４と２２６の間で形成されることに注意するべきである。静的力を相殺するために、マス２２０と２２２の間の１つの電極と、マス２２４と２２６の間の１つの電極とを活性化することは共通である。

直角位相抑制電極の位置は２つのマス間の接合部における空洞に制限されないのに注意すべきである。電極を他の位置に置くことができる。様々な電極の位置はバランスをとるべきである。一般に、電極はある量のトルクをマスに発生させ、そのトルク量は少なくともある程度電極の位置に依存する。一般に、少量のトルクは問題でない。

発明の典型的な実施の形態では、定電圧が電極に適用される。一般に、これは好結果を生じる。代わりに、電極にかけられる電圧を変えることができる。これは、適切にされると、改良された直角位相の抑制となるが、複雑さが増加し、そのための費用が生じる。

図１と２は、フレームの４コーナに置いた加速度計サスペンションフレクシュア２０２、２０４、２０６及び２０８を示すが、本発明は加速度計サスペンションフレクシュアのそのような位置決めに制限されないことに注意されるべきである。むしろ、フレームに沿った様々な点に加速度計サスペンションフレクシュアを置くことができる。加速度計サスペンションフレクシュアはフレームの並進運動を制限するとともに、マスの中心に関してフレームの回転運動を許容することが望ましい。これは、それぞれ対の対向する加速度計サスペンションフレクシュアの間の線軸がジャイロスコープのマスの有効中心を通るように加速度計サスペンションフレクシュアを置くことによって達成されうる。

本発明の様々な局面は、上述の参照文献によって取り入れた仮出願の付属ページＡ−ｌないしＡ−９において詳細に説明される。

本発明の代替実施の形態では、加速度計サスペンションフレクシュアはフレームの４つのコーナよりむしろフレームの４辺の中間部に置かれる。図１３は、本発明の実施の形態に従って、代替フレームサスペンション構成を示す。この実施の形態では、４つの加速度計サスペンションフレクシュア１３０４、１３０６、１３０８、及び１３１０はフレーム１３０２の４側の中央に置かれる。加速度計サスペンションフレクシュアのそのような位置決めにはある製造上の長所がある。特に、あるエッチング装置は直線格子に基づいてエッチを生成するので、格子に対して角度をなすように設定された形状（コーナに置かれフレクシュアがそうである）と比較すると、格子に直線的に並べられる形状（側部に置かれるフレクシュアがそうである）を生成することはより簡単である。コーナで置かれたフレクシュアはまた、特にスペース効率がよくない。

ジャイロスコープは、通常、基板（およそ６００ミクロン厚）の上に酸化膜層（およそ２ミクロン厚さ）を堆積し、その酸化膜層上にフォトリソグラフィを使用して必要な位置（及び、特に、マイクロ加工されたジャイロスコープ構造１００が基板と結合される位置）に孔を設け、ポリシリコンレイヤ（およそ４ミクロン厚）を酸化膜層の上に堆積させ、前記酸化膜層の孔を介して基板に接着される薄膜を形成するポリシリコン層（約４ミクロン厚）を前記酸化膜層に堆積させ、そのポリシリコン層上でフォトリソグラフィを使用してマイクロ加工されたジャイロスコープ構造１００の複合体を作り、かつ、フッ化水素酸を使用して前記酸化膜層を取り除くことで生成される。したがって、結果としてのマイクロ加工されたジャイロスコープ構造１００は基板のおよそ２ミクロン上方の位置に支持される。様々なドローイングからわかるように、マイクロ加工されたジャイロスコープ構造１００には多くの孔があり、特にマス２２０、２２２、２２４、２２６、レバー２２８、２３０、２３２、２３４、及びフレーム２１０に存在することに注意すべきである。これらの孔は、フッ化水素酸が十分に酸化膜層を通過して流れるようにするためにマイクロ加工されたジャイロスコープ構造１００に形成される。そのようなマイクロ加工されたジャイロスコープ構造１００が真空中に置かれるならば、マイクロ加工されたジャイロスコープ構造１００は、通常、非常にこわれやすいだろうし、また、通常、鳴り出すような高い共振周波数を持つであろう。マイクロ加工されたジャイロスコープ構造１００を空気中において操作することによって、空気はマイクロ加工されたジャイロスコープ構造１００にクッション作用を及ぼして鳴ることを減少させる。

本発明のマイクロ加工されたジャイロスコープは、通常、真空よりむしろ空気中で動作することに注意すべきである。空気中における運転は多くの長所と短所を有する。空気は粘性減衰により動いている構成要素の運動を妨害し、その結果、出力信号をより小さくする傾向があり、同期整流を損なう位相ずれを与える傾向があり、また、空気分子の衝撃（ブラウンモーション）によるノイズを引き起こし、その結果、ＳＮ比を減少する傾向がある。

しかしながら、他方では、空気中で運転することはマイクロ加工されたジャイロスコープを薄膜構造とすることを可能にし、薄膜構造を安全にするエアクッションを提供し、ジャイロスコープパッケージのハーメチックシールの必要性をなくし、その結果、最終製品の総合費用を低く抑えることができる。

発明の真の範囲から逸脱することなく、本発明は他の特定の形態をとることもできる。上に説明した実施の形態はあらゆる点で説明的なものであって、制限的なものでないことを考慮するものである。

したがって、本発明は、フレームの形状とサイズ、共振構造（マス、レバー、フォーク、フレクシュア及び枢軸フレクシュアを含む）の形状とサイズ、可動マスの数、共振構造の機械的結合方法、コリオリ加速度を検出するために使用するフィンガの数、コリオリ検出装置の電気的結合方法、共振構造の駆動方法、ジャイロスコープを製造するための材料と方法等に決して制限されない。

本発明の実施の形態に従って、模範的マイクロ加工されたジャイロスコープ構造を示す図である。本発明の実施の形態に従って、マイクロ加工されたジャイロスコープ構造の様々な部品の識別を示す図である。本発明の実施の形態に従って、マイクロ加工されたジャイロスコープ構造のフレームの強調表示を示す図である。本発明の実施の形態に従って、マイクロ加工されたジャイロスコープ構造の可動マスの強調表示を示す図である。本発明の実施の形態に従って、マイクロ加工されたジャイロスコープ構造のレバーの強調表示を示す図である。本発明の実施の形態に従って、加速度計サスペンションフレクシュアの詳細表示を示す図である。本発明の実施の形態に従って、可動マスとその関連するフレクシュア、及び枢軸フレクシュアを示す詳細図である。本発明の実施の形態に従って、２つのレバーと１つのフォーク及びこれらに関連する枢軸フレクシュアと静電ドライバーを示す詳細図である。本発明の実施の形態に従って、マイクロ加工されたジャイロスコープ構造の様々な共振構造の運動を示す図である。本発明の実施の形態に従って、二重作動構成のためのコリオリ検出装置切替えを示す図である。本発明の実施の形態に従って、可動マスのために静電ドライバを示す詳細図である。本発明の実施の形態に従って、直角位相抑制構造を示す詳細図である。本発明の実施の形態に従って、代替フレームサスペンション構成を示す図である。本発明の実施の形態に従って、連結レバーに組み込まれる駆動又は検出フィンガであって、連結レバーにおいて異なる角度でかき戻されて連結レバーの正確な運動に適応するフィンガの構成を示す図である。

Claims

マイクロ加工されたジャイロスコープ装置であって、
実質的に全ての側部が複数のフィンガによって囲まれたフレームと、
前記フィンガ間に置かれた複数のコリオリ検出装置と、
基板から前記フレームを吊すために前記フレームに結合された複数の加速度計サスペンションフレクチュアであって、前記基板の面における前記フレームの並進運動を制限しかつ前記基板の前記面における前記フレームの回転運動を許容するように設計された加速度計サスペンションフレクチュアと、
前記フレームの中に吊された複数の共振構造であって、単一の共振周波数を生成するように機械的に連結され、かつ、慣性力が前記複数の共振構造から前記フレームに伝達することを制限し、前記基板の前記面における前記マイクロ加工されたなジャイロスコープ装置の回転運動が前記基板の前記面における前記基板に対する前記フレームの回転と、前記コリオリ検出装置に対する前記フィンガの対応する運動とを引き起こす複数の共振構造とを、
含んでなるマイクロ加工されたジャイロスコープ装置。
前記共振構造は、前記共振構造の前記結合運動を共直線運動から並列運動に変えるために用いる複数のレバーを含んでなる請求項１の装置。
前記レバーはその取付点において形成される枢軸を有し、前記取付点が前記レバーに関して移動することがないように構成された請求項２の装置。
前記共振構造は、第１フレクチュアを介して結合した対の位相マスと、第２フレクチュアを介して結合した対の逆位相マスを含んでなる請求項１の装置。
前記共振構造は、前記複数のレバーに組み込まれた駆動又は検知フィンガを含んでなる請求項２の装置。
前記各マスは電子直角位相の抑圧のために少なくとも１つのノッチを含んでなる請求項４の装置。
前記共振構造は横方向に共直線に配列された固定駆動フィンガアレイを含み、前記アンカーが基板から離れた上端において互いに組となるように連結されて前記上端が前記基板端部において個々にねじれることに抵抗し、かつ、フィンガブスバーが可撓性の折り重ねられたフィンガによって前記上端に取り付けられている請求項１の装置。