JP2010519503A - ジャイロスコープ又はその改善 - Google Patents

Abstract

中央ハブ（４３）から８つの柔軟な支持脚（４４ａ〜４４ｈ）により支持されるリング構造体（４２）を備えるジャイロスコープ構造体（４１）である。キャパシタンス差を生じさせるために、１次駆動トランスジューサ（４５ａ，４５ｂ）及び２次駆動トランスジューサ（４６ａ，４６ｂ）はすべてがリング構造体（４２）の外周周りに間隔を空けて配置され、キャパシタンス差を発生させるために１次ピックオフトランスジューサ（４７ａ，４７ｂ）及び２次ピックオフトランスジューサ（４８ａ，４８ｂ）はすべてがリング構造体（４２）の内周周りに間隔を空けて配置されている。ジャイロスコープ構造体（４１）は、キャパシタ差を生じさせるためにリング構造体（４２）と間隔を空けて配置される、１６個のキャパシタ板（４９ａ〜４９ｐ）を備える。２つのグループのキャパシタ板（４９ａ〜４９ｄ，４９ｉ〜４９ｌ）はすべてがリング構造体（４２）の内周周りに配置され、２つのグループのキャパシタ板（４９ｅ〜４９ｈ，４９ｍ〜４９ｐ）はすべてがリング構造体（４２）の外周周りに配置されている。それぞれのキャパシタ板（４９ａ〜４９ｐ）は、リング構造体（４２）の剛性を局部的に調整するためにリング構造体（４２）に作用する既定の静電気力を発生させるために、配置されている。トランスジューサ（４５ａ〜４８ｂ）及びキャパシタ板（４９ａ〜４９ｐ）の配置によりリング構造体（４２）とのキャパシタ差の変化の影響が減少し、ジャイロスコープ構造体のスケールファクタが改善される。

Description

本発明は、振動構造体ジャイロスコープ、特に、これに限るものではないが、微小電気機械システム技術を用いて構成されるコリオリ型ジャイロスコープ内での使用に適したジャイロスコープに関する。

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術を用いて製造されるコリオリ型ジャイロスコープは、大容量アプリケーションの範囲で現在幅広く用いられている。例えば自動車産業では、このようなジャイロスコープは、発達したブレーキシステム、アクティブサスペンション、又は、ロールオーバの検出及び防止用アプリケーションに用いることができる。このようなアプリケーションでのジャイロスコープの性能要求（performance requirement）は、特にジャイロスコープが誘導及び制御に用いられる一般の宇宙空間用及び軍事用の用途アプリケーションに比べ、相対的に厳しくない。バイアス（bias）及びスケールファクタ（scalefactor）の安定性の観点からＭＥＭＳ型ジャイロスコープの性能が一般に十分でないため、このような要求の厳しいアプリケーションのＭＥＭＳ型ジャイロスコープの使用は一般的ではない。

特許文献１に記載される装置はＭＥＭＳ技術を用いて形成されるコリオリ型ジャイロスコープの例であり、大容量の自動車用アプリケーションの性能要求に合うように設計されている。この装置は、特許文献１の図１ａ及び図１ｂで示し、本出願の図１ａ及び図１ｂとして再び示すようなｃｏｓ２θ振動モード対を用いて動作する。動作において、振動モードの一方は軸Ｐによって示すような１次搬送波モードに励起され、１次搬送波モード時の先端（extremities）が図１において破線で示されている。ジャイロスコープが、ジャイロスコープを形成する平面状シリコンリングの平面に垂直な軸の周りで回転する際に、軸Ｓによって示すような他方の振動モードにエネルギを結合するコリオリ力が発生する。他方のモードは２次応答モードであり、２次応答モード時の先端が図２において破線で示されている。応答モードでの誘発運動の振幅は、ジャイロスコープに作用する実際の回転速度と正比例の関係にある。

一般にこのようなジャイロスコープは、閉ループモードで操作される。このモードでは、１次搬送波振動モードＰが共振最大値（resonance maximum）で位相同期ループに接続される１次駆動トランスジューサにより駆動され、運動の振幅は関連する自動利得制御ループを用いて略一定の値に保たれる。自動利得制御ループは、１次ピックオフトランスジューサで測定した際に運動の振幅を固定された前述のレベルと比較するため、及び、一定の信号レベル及び一定の運動の振幅を維持するように１次駆動トランスジューサの駆動レベルを力学的に調整するために、配置されている。このことは、ジャイロスコープが回転する際に誘発されるコリオリ力の大きさ、したがってスケールファクタが、１次搬送波モード運動の振幅と正比例の関係にあるため、重要である。コリオリ力は、２次ピックオフトランスジューサを用いて検出される２次応答モードＳでの運動を誘発し、閉ループ操作モードではこのような運動は２次駆動トランスジューサによりほぼ無効にされる（nulled）。無効にされた状態を維持するために２次駆動トランスジューサにより発生する駆動力の値は、ジャイロスコープにコリオリ力が作用することによる実際の回転速度の直接指標（direct indication）であると理解される。

すなわち、スケールファクタの観点からこのようなジャイロスコープの正確性及び安定性は、１次ピックアップトランスジューサ及び２次駆動トランスジューサの正確性に依存する。１次ピックオフトランスジューサ又は２次駆動トランスジューサのいずれか一方の利得の変化は、スケールファクタに直接影響を与える。特許文献１で記述した装置では、１次ピックオフトランスジューサ及び２次駆動トランスジューサの両方の利得は、平面状シリコンリングと１次ピックオフトランスジューサ又は２次駆動トランスジューサに関連するそれぞれのトランスジューサ平板との間のキャパシタ差（capacitor gap）の安定性により、大きな影響を受ける。これらの差は、装置を製造する様々な部材の熱膨張によりジャイロスコープの温度範囲を操作することで、変化することが周知である。キャパシタ差の変化を誘発する温度の影響を最小限に抑えるため、低く、かつ、適合の（well matched）熱膨張係数を有する選択部材からジャイロスコープを製造することが望ましい。しかし、このような選択部材の熱膨張により未だにスケールファクタが大きく変化し、ジャイロスコープによって達成できる性能レベルを制限している。

一般に平面状シリコンリング構造体を用いる装置では、例えば１次搬送波モード及び２次応答モードの周波数であるｃｏｓ２θ振動モード周波数が正確に調和していることが、必要となる。これにより、コリオリ力により誘発される運動が２次応答モードの質的要素により増幅されるため、最大感度を与える。２次応答モードの質的要素による増幅は、数千もの命令を可能にする。ＭＥＭＳ形成過程は、高精度の正確性での平面状シリコンリングの製造が可能である。しかし、一般にこのような構造の幾何学的な小さな欠陥により、１次搬送波モードと２次応答モードの周波数の間で小さな残留周波数スプリット（residual frequency split）が生じる。特許文献１に記述した装置では、この周波数スプリットは装置の作動の間に追加のトランスジューサにより補償可能であり、追加のトランスジューサは平面状リング構造体の外周側に配置される駆動トランスジューサ及びピックオフトランスジューサと同様の構成をしている。それぞれの追加トランスジューサは、平面状リング構造体の内周側に配置されている。すなわち、追加トランスジューサのキャパシタ平板と平面状シリコンリングとの間にＤＣ電圧オフセットが印加される際には、負ばね（negative spring）として作用し、平面状シリコンリングの剛性を局部的に調整する静電気力が発生する。すなわち、振動モード周波数の正確な調和を補償するため、このような追加トランスジューサを用いて振動モード周波数を差動的に調整可能となっている。

追加トランスジューサにより適用される静電気力は、追加トランスジューサのキャパシタ板と平面状シリコンリングとの間のキャパシタ差に依存する。熱膨張によるキャパシタ差の変化により、１次搬送波モードと２次応答モードとの間で周波数スプリットが生じている温度において振動モード周波数の間に変化が生じる。一般にこのような周波数スプリットは、実際の回転速度により誘発される運動と例えば９０°の位相関係を有する直交位相状態の２次応答モードの振動を引き起こし、その振動は装置が回転していない際でも存在し得る。このような運動により誘発される信号の大きさは、回転速度情報を提供するために用いられる取得される同相信号に比べ大きい。大きな直交信号の存在の中で取得される回転誘発信号を回復するには、検出システムの位相正確性が厳格に要求される。

正確に位相調整された電子装置により、直交信号をほぼなくすことができる。しかし一般には、位相調整を達成可能にする正確性が実際は制限されるため、直交信号は残留して本当の回転誘発同相信号に混成される。この制限が、この型のジャイロスコープでのバイアス誤差の主な原因となっている。

国際公開第２００６／００６５９７号パンフレット

本発明のある態様では、振動構造体型ジャイロスコープは、半導体基板と、振動する平面状のリング構造体と、前記半導体基板に対して前記リング構造体を支持するために配置される支持手段と、を備え、前記半導体基板、前記リング構造体及び前記支持手段は互いに略同一平面上に配置され、前記リング構造体に１次モードでの振動を、前記１次モードの共振周波数で発生させるために配置される少なくとも１つの１次駆動トランスジューサと、前記リング構造体の前記１次モードでの振動を検出するために配置される少なくとも１つの１次ピックオフトランスジューサと、前記リング構造体に略直交する軸回りに角速度が適用される際に誘発される２次モードでの振動を検出するために配置される少なくとも１つの２次ピックオフトランスジューサと、誘発された２次振動モードを無効にするために配置される少なくとも１つの２次駆動トランスジューサと、を備え、前記１次及び２次駆動トランスジューサ及び前記１次及び２次ピックオフトランスジューサは、すべてが前記リング構造体の円周周りに配置され、前記リング構造体の円周周りに配置され、振動周波数を調整する少なくとも２つのキャパシタ板を備え、少なくとも１つの前記キャパシタ板と前記リング構造体との間に電圧が印加された際には、前記１次及び２次モードの間の周波数差を減少させるように前記１次及び２次モードの周波数を差動的に調整するために、前記キャパシタ板と前記リング構造体との間に静電気力を発生させ、少なくとも１つの前記キャパシタ板は前記リング構造体の外周側に配置されるとともに、その他の単数又は複数の前記キャパシタ板は前記リング構造体の内周側に配置され、前記駆動トランスジューサ又は前記ピックオフトランスジューサの少なくとも１つは前記リング構造体の内周側に配置されるとともに、その他の単数又は複数の前記駆動トランスジューサ又は単数又は複数の前記ピックオフトランスジューサは前記リング構造体の外周側に配置される。

前記キャパシタ板は協働対の状態で配置され、前記キャパシタ板のそれぞれの前記協働対の少なくとも一方の前記キャパシタ板は前記リング構造体の外周側に配置されるとともに、前記キャパシタ板のそれぞれの前記協働対の他方の前記キャパシタ板は前記リング構造体の内周側に配置されてもよい。前記駆動トランスジューサ又は前記ピックオフトランスジューサのいずれか一方が１対の協働トランスジューサの状態で配置され、前記協働トランスジューサのそれぞれの対の少なくとも一方の前記トランスジューサは前記リング構造体の内周側に配置されるとともに、前記協働トランスジューサのそれぞれの対の他方の前記トランスジューサは前記リング構造体の外周側に配置されてもよい。

前記キャパシタ板は協働対の状態で配置され、前記キャパシタ板の少なくとも１つの前記協働対が前記リング構造体の外周側に配置されるとともに、前記キャパシタ板の１つ以上のその他の前記協働対が前記リング構造体の内周側に配置されてもよい。

前記キャパシタ板は４つのグループの状態で配置され、４つの前記キャパシタ板の少なくとも１つの前記グループが前記リング構造体の外周側に配置されるとともに、前記キャパシタ板のその他の単数又は複数の前記グループが前記リング構造体の内周側に配置されてもよい。

前記駆動トランスジューサ又は前記ピックオフトランスジューサが１対の協働対の状態で配置され、前記駆動トランスジューサ又は前記ピックオフトランスジューサの少なくとも１つの前記協働対が前記リング構造体の内周側に配置されるとともに、前記トランスジューサ又は前記ピックオフトランスジューサの単数又は複数の前記協働対が前記リング構造体の外周側に配置されてもよい。

前記振動構造体型ジャイロスコープは、４つのグループの状態に配置される１６個のキャパシタ板を備え、２つの前記キャパシタ板の前記グループが前記リング構造体の外周側に配置され、その他の２つの前記キャパシタ板の前記グループが前記リング構造体の内周側に配置されてもよい。

前記駆動トランスジューサ又は前記ピックオフトランスジューサが１対の協働対の状態で配置され、前記駆動トランスジューサ又は前記ピックオフトランスジューサの２つの前記協働対が前記リング構造体の内周側に配置されるとともに、前記トランスジューサ又は前記ピックオフトランスジューサのその他の２つの前記協働対が前記リング構造体の外周側に配置されてもよい。

４つの前記キャパシタ板の前記グループのぞれぞれの前記キャパシタ板は、４つの前記キャパシタ板のその他の前記キャパシタ板のそれぞれに対応キャパシタ板を有し、前記対応キャパシタ板は共通電圧源に接続されるように配置されてもよい。

前記１次及び２次駆動トランスジューサ、前記１次及び２次ピックオフトランスジューサ及び前記キャパシタ板は互いに略同一平面上に配置され、前記半導体基板と略同一平面上に配置されてもよい。

前記支持手段は、径方向について柔軟な規格の２つ以上の脚を備え、それぞれの前記脚は、前記リング構造体の内周側に配置される前記半導体の中央ハブから一端が支持され、前記リング構造体の内周端に他端が連結されてもよい。また、前記支持手段は、径方向について柔軟な規格の２つ以上の脚を備え、それぞれの前記脚は、前記リング構造体の外周側の前記半導体基板から一端が支持され、前記リング構造体の外周端に他端が連結されてもよい。

前記リング構造体、前記支持手段、前記１次及び２次駆動トランスジューサ、前記１次及び２次ピックオフトランスジューサ及び前記キャパシタ板を覆う密閉空洞を形成するように、前記半導体基板が２つの支持基板の間で密閉されてもよい。

前記１次及び２次駆動トランスジューサ，前記１次及び２次ピックオフトランスジューサ及び前記キャパシタ板は、それぞれ２つの前記支持基板の一方により支持されてもよい。

前記キャパシタ板は、４つの前記キャパシタ板のグループの状態に配置され、４つ前記キャパシタ板の第１のグループが前記リング構造体の角度θと略同一となり、４つの前記キャパシタ板の第２のグループがθから９０°ずれた角度と略同一となり、４つの前記キャパシタ板の第３のグループがθから１８０°ずれた角度と略同一となり、４つの前記キャパシタ板の第４のグループがθから２７０°ずれた角度と略同一の位置となるように、４つの前記キャパシタ板の前記グループが前記リング構造体について角度的に配置されてもよい。

以下、本発明を添付の図面を伴って、例示的に説明する。

先行技術に係るジャイロスコープリング及び１次搬送波モードの径方向への変位の作用を示す概略図。 先行技術に係るジャイロスコープリング及び２次応答モードの径方向への変位の作用を示す概略図。 先行技術に係るジャイロスコープのリング構造体及びキャパシタ板の構成を示す平面図。 先行技術に係るジャイロスコープの支持ガラス構造及びキャパシタ板の構成を示す、図２のリング構造体のＡ−Ａ線断面図。 本発明に係るジャイロスコープのリング構造体及びキャパシタ板構の成を示す平面図。 本発明に係るジャイロスコープの支持ガラス構造及びキャパシタ板の構成を示す、図４のリング構造体のＢ−Ｂ線断面図。

発明の詳細な説明

図２に示すように、特許文献１で記述したようなジャイロスコープ構造体１は、中央ハブ３から８つの柔軟な（compliant）支持脚４ａ〜４ｈにより支持されるリング構造体２を有する。駆動トランスジューサ５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ及びピックオフトランスジューサ７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂはすべてリング構造体２の外周周りに配置され、キャパシタ差（capacitive gap）を発生させるためにそれぞれがリング構造体２から離れている。閉ループ操作では、２つの対面する１次駆動トランスジューサ５ａ，５ｂが、リング構造体２の１次運動を励起するために用いられる。励起された１次運動は２つの対面する１次ピックオフトランスジューサ７ａ，７ｂによって検出される。リング構造体２のコリオリ誘発運動は２つの対面する２次ピックオフトランスジューサ８ａ，８ｂを用いて検出され、２つの対面する２次駆動トランスジューサ６ａ，６ｂを用いてこのようなコリオリ誘発運動が無効にされる。ジャイロスコープ構造体１は、すべてがリング構造体２の内周側に位置し、キャパシタ差を発生させるためにそれぞれがリング構造体２から離れている１６個のキャパシタ板９ａ〜９ｐを備える。それぞれのキャパシタ板９ａ〜９ｐは、リング構造体２の剛性を局部的に調整するためにリング構造体２に作用する既定の静電気力を、発生するために配置されている。

別の実施形態では、駆動トランスジューサ５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ及びピックオフトランスジューサ７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂがすべてリング構造体２の内周周り位置し、キャパシタ板９ａ〜９ｐがすべてリング構造体２の外周周りに位置している
ここで、図２を伴って記述した操作の閉ループモードで操作される際、ジャイロスコープ構造体１のスケールファクタＳＦ_ＲＡＴＥは、次のようになる。

ここで、Ｖ_０は１次モード振幅設定レベル、ωは１次モード共振周波数、ｋは共振器の寸法及びエレクトロニクス利得を含む定数、Ｇ_Ｂはブライアンファクタ、すなわちモード結合係数、ｇ_ＰＰＯは１次ピックオフ利得、及びｇ_ＳＤは２次駆動利得である。

１次ピックオフ利得ｇ_ＰＰＯ及び２次駆動利得ｇ_ＳＤは、１次ピックオフトランスジューサ７ａ，７ｂ及び２次駆動トランスジューサ６ａ，６ｂの領域で測定を行う。したがって、１次ピックオフトランスジューサ７ａ，７ｂ及び２次駆動トランスジューサ６ａ，６ｂの領域をＡ、リング構造体２と１次ピックオフトランスジューサ７ａ，７ｂ及び２次駆動トランスジューサ６ａ，６ｂとの間の間隔をｄとすると、次のようになる。

式（１）及び式（２）から、間隔ｄの変化により、ｄ^４が変化するため、スケールファクタを比較的大きく変化することが分かる。

図２で示したのと同一の整数を符号として用いた図３に示すように、ジャイロスコープ構造体１のリング構造体２は、バルク結晶性シリコンから製造される層１０内に形成されている。リング構造体２は中央ハブ３から支持され、中央ハブ３は層１０に隣接するガラス支持層１１，１２に強固に固定されている。一般にガラス支持層１１，１２はパイレックス（登録商標）（ＲＴＭ）から製造される。結晶性シリコンから製造されるキャパシタ板９ｈ，９ｐは、ガラス支持層１１に直接接着される。支持脚４ｄ，４ｈは中央ハブ３からリング構造体２を支持している。

したがって、ジャイロスコープ構造体１の周囲の環境温度が変化すると、熱膨張によりジャイロスコープ構造体１の寸法が変化する。中央ハブ３に対するリング構造体２の変位（displacement）は、それを構成するシリコン部材の膨張率により決定される。層１１に強固に固定される１次ピックオフトランスジューサ７ａ，７ｂ及び２次駆動トランスジューサ６ａ，６ｂの変位は、層１１を形成するために用いられるガラス材料の膨張率により決定される。リング構造体２と１次、２次駆動トランスジューサ５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ及び１次、２次ピックオフトランスジューサ７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂとの間の間隔の変化、及び、リング構造体２とキャパシタ板９ａ〜９ｐとの間の間隔の変化は、一般に１０ミクロンオーダであるが、それぞれガラス支持層１１、リング構造体２を形成するために用いられるガラス部材とシリコン部材との熱膨張率差により一義的に決定される。一般に−４０℃〜＋８５℃であるジャイロスコープ構造体１の操作温度領域では、ガラス部材とシリコン部材との間の熱膨張率差は、リング構造体２と１次、２次駆動トランスジューサ５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ及び１次、２次ピックオフトランスジューサ７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂとの間の間隔の変化、及び、リング構造体２とキャパシタ板９ａ〜９ｐとの間の間隔の変化、すなわちジャイロスコープ構造体１のスケールファクタの変化を生じさせるのに、十分な値である。

このようなジャイロスコープ１でのスケールファクタの温度依存性は以下のようになる。

ここで、Δｄは、リング構造体２とそれぞれの１次ピックオフトランスジューサ７ａ，７ｂ及びそれぞれの２次駆動トランスジューサ６ａ，６ｂとの間の間隔の、室温での基準値ｄからの温度依存変化である。リング構造体２と１次ピックオフトランスジューサ７ａ，７ｂ及び２次駆動トランスジューサ６ａ，６ｂとの間の間隔、及び、それらの温度に対する変化は同一であると仮定されており、放射形対称のリング構造体はそれに合致している。

発明者はジャイロスコープ構造体１の有限要素モデリングを通して、シリコン及びガラスの膨張率の値を用いることにより、リング構造体２と１次ピックオフトランスジューサ７ａ，７ｂ及び２次駆動トランスジューサ６ａ，６ｂとの間の間隔が−４０℃〜＋８５℃であるジャイロスコープ構造体１の操作温度領域で略２％変化することを、発見した。ｄ^４への依存性により、スケールファクタはこの温度範囲で略８％変化する。

さらに発明者は、完全な放射状等方性部材から正確に製造されるリング構造体２では、ジャイロスコープ構造体１の２つの操作モード周波数が正確に調和することを、発見した。しかし、一般に製造正確性及び部材等方性の実際の制限により、操作モード周波数の間に小さな残留周波数スプリットが生じる。この残留欠陥により、リング構造体２の周りの駆動トランスジューサ５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ及びピックオフトランスジューサ７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂの角度位置に関連する任意の軸に沿ったモード調整が、必要となる。リング構造体２が１次モード軸に沿って駆動される際に、この欠陥により１次モード軸に沿った運動に対して直交移送の状態の２次モード軸に沿った運動が生じる。通常の閉ループ操作では、この運動は、２次駆動トランスジューサ６ａ，６ｂによってリング構造体２に適用される適切に位相調整された２次駆動力により、無効となる。この力の大きさを直交バイアスΩ_Ｑｕａｄといい、以下のように定義される。

ここで、ΔＦはモード周波数スプリット、αは１次駆動軸に対するモード角、Ｃはエレクトロニクス駆動利得及びキャパシタ板及び／またはトランスジューサの寸法の項を含む定数である。一般に製造過程の実際の制限により、ΔＦは±１０Ｈｚの範囲であり、１次駆動軸に対していかなる角度αの軸に沿って生じうる。正確に操作するために、直交バイアスΩ_Ｑｕａｄの大きさは一定の制限内で維持され、２次駆動トランスジューサ６ａ，６ｂの駆動容量を超えないようになっている。これらの制限により、ΔＦが±１Ｈｚ以下で調整されることが必要となる。これは、モード周波数を調整するためにリング構造体２の内周周りに位置するキャパシタ９ａ〜９ｐに印加される一定ＤＣ電圧により達成される。これにより、共振子全体の剛性（stiffness）、すなわち以下のように示されるモード周波数ωを調整する電気ばね（electrical spring）適応の効果がもたらされる。

ここで、Ｋはリング構造体２のばね定数、Ｋ_Ｅｌｅｃは電気ばね定数、ｍはリング構造体２のモード質量である。単一のキャパシタ板９ａ〜９ｐにより適用される電気ばね定数は以下のようになる。

ここで、ε_０は自由空間の誘電率、Ａは関連するキャパシタ板の領域、ΔＶはリング構造２と関連するキャパシタ板９ａ〜９ｐとの間のＤＣ電圧差、ｄは関連するキャパシタ板９ａ〜９ｐとリング構造体２との間の間隔距離である。

ジャイロスコープ構造体１の制御回路が完全な場合、コリオリ誘発運動を無効にするために適用される同相の力と無効にするための直交力とを正確に区別することが可能である。しかし実際は、制御回路は完全ではなく、小さな位相誤差φ_Ｅが存在する。これにより、直交バイアスの要素が実際の回転速度の測定に用いられる速度チャンネルに組み込まれ、速度のバイアス誤差Ω_ＥＲＲが生じる。この誤差Ω_ＥＲＲの大きさは以下のようになる。

図４に示すように、ジャイロスコープ構造体４１は、中央ハブ４３から８つの柔軟な支持脚４４ａ〜４４ｈにより支持されるリング構造体４２を備える。駆動トランスジューサ４５ａ，４５ｂ，４６ａ，４６ｂ及びピックオフトランスジューサ４７ａ，４７ｂ，４８ａ，４８ｂはすべてリング構造体４２の円周周りに配置され、キャパシタ差を発生させるためにそれぞれがリング構造体４２から離れている。１次駆動トランスジューサ４５ａ，４５ｂ及び２次駆動トランスジューサ４６ａ，４６ｂはすべてがリング構造体４２の外周周りに間隔を空けて配置されるのに対し、１次ピックオフトランスジューサ４７ａ，４７ｂ及び２次ピックオフトランスジューサ４８ａ，４８ｂはすべてがリング構造体４２の内周周りに間隔を空けて配置されている。閉ループ操作では、２つの対面する１次駆動トランスジューサ４５ａ，４５ｂが、リング構造体４２の１次運動を励起するために用いられる。励起された１次運動は２つの対面する１次ピックオフトランスジューサ４７ａ，４７ｂによって検出される。リング構造体４２のコリオリ誘発運動は２つの対面する２次ピックオフトランスジューサ４８ａ，４８ｂを用いて検出され、２つの対面する２次駆動トランスジューサ４６ａ，４６ｂを用いてこのようなコリオリ誘発運動が無効にされる。無効にされた状態を維持するために２次駆動トランスジューサ４６ａ，４６ｂにより発生する駆動力の値は、ジャイロスコープ構造体４１でのコリオリ誘発運動による実際の回転速度の直接指標となっている。

ジャイロスコープ構造体４１は、すべてがリング構造体２の円周周りに位置し、キャパシタ差を発生させるためにそれぞれがリング構造体４２から離れている１６個のキャパシタ板４９ａ〜４９ｐを備える。キャパシタ板４９ａ〜４９ｈは、それぞれ４つのキャパシタ板４９ａ〜４９ｄ，４９ｅ〜４９ｈ，４９ｉ〜４９ｌ，４９ｍ〜４９ｐの４つのグループに分類される。さらに、４９ａ〜４９ｄ，４９ｉ〜４９ｌのグループのキャパシタ板はすべてがリング構造体２の内周周りに間隔を空けて配置されているのに対し、４９ｅ〜４９ｈ，４９ｍ〜４９ｐのグループのキャパシタ板はすべてがリング構造体２の外周周りに間隔を空けて配置されている。それぞれのキャパシタ板４９ａ〜４９ｐは、リング構造体４２の剛性を局部的に調整するためにリング構造体４２に作用する既定の静電気力を発生するために、配置されている。それぞれのグループの１つである４つのキャパシタ板４９ａ〜４９ｄはリング構造体４２においてリング構造体４２の角度θと角度的に略同一の位置に配置され、別のグループのキャパシタ板４９ｅ〜４９ｈはリング構造体４２においてリング構造体４２のθから９０°ずれた角度と角度的に略同一の位置に配置され、別のグループのキャパシタ板４９ｉ〜４９ｌはリング構造体４２においてリング構造体４２のθから１８０°ずれた角度と角度的に略同一の位置に配置され、最後のグループのキャパシタ板４９ｍ〜４９ｐはリング構造体４２においてリング構造体４２のθから２７０°ずれた角度と角度的に略同一の位置に配置されている。

図４で示したのと同一の整数を符号として用いた図５に示すように、ジャイロスコープ構造体４１のリング構造体４２は、バルク結晶性シリコンから製造される層５０内に形成されている。リング構造体４２は中央ハブ４３から支持され、中央ハブ４３は層５０に隣接するガラス支持層５１，５２に強固に固定されている。一般にガラス支持層５１，５２はパイレックス（登録商標）（ＲＴＭ）から製造される。結晶性シリコンから製造されるキャパシタ板４９ａ，４９ｈは、ガラス支持層５１に直接接着される。支持脚４４ａ，４４ｄは中央ハブ４３からリング構造体４２を支持している。

図５では、リング構造体４２の外周側の１次駆動トランスジューサ４５ａ及びリング構造体４２の内周側のキャパシタ板４９ａが左手側に、リング構造体４２の内周側の２次ピックオフトランスジューサ４８ａ及びリンブ構造４２の外周側のキャパシタ板４９ｈが右手側に示されている。

したがって、リング構造体４２の内周側に位置する１次ピックオフトランスジューサ４７ａ，４７ｂでは、熱膨張により間隔距離が、リング構造体４２の外周側に位置する２次駆動トランスジューサ４６ａ，４６ｂとは、反対方向に変化する。すなわち、温度が上昇すると、内周側に位置するそれぞれの１次ピックオフトランスジューサ４７ａ，４７ｂとリング構造体４２との間の間隔は、外周側に位置する２次駆動トランスジューサ４６ａ，４６ｂとの間の間隔の増加量と略同一の量だけ、減少する。１次ピックオフ利得ｇ_ＰＰＯ及び２次駆動利得ｇ_ＳＯはスケールファクタに影響を及ぼし、これらのパラメータはリング構造体４２とそれぞれの１次ピックオフトランスジューサ４７ａ，４７ｂ及びそれぞれの２次駆動トランスジューサ４６ａ，４６ｂとの間のキャパシタ差の影響を直接受ける。このため、間隔の変化によるジャイロスコープ構造体４１のスケールファクタへの影響は減少する。

さらに、ジャイロスコープ構造体４１では、リング構造体４２と１次及び２次駆動トランスジューサ４５ａ，４５ｂ，４６ａ，４６ｂ、１次及び２次ピックオフトランスジューサ４７ａ，４７ｂ，４８ａ，４８ｂ及びキャパシタ板４９ａ〜４９ｐとの間の間隔変化の影響が減少する。

ジャイロスコープ構造体４１では、スケールファクタの温度による変化は以下のようになる。

図２に示すようなすべてがリング構造体２の外周側に位置する駆動トランスジューサ５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ及びピックオフトランスジューサ７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂから構成され、これにより式（３）に示すようなスケールファクタの変化を有するジャイロスコープ構造体１では、それぞれのトランスジューサ５ａ，５ｂ，６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂで間隔距離の変化は略同一であるが、間隔距離の２％の変化（すなわちΔｄ／ｄ＝０．０２）によりスケールファクタの略８％の変化が生じる。しかし、図４に示すようなリング構造体４２の外周側に位置する２次駆動トランスジューサ４６ａ，４６ｂ及びリング構造体の内周側に位置する１次ピックオフトランスジューサ４７ａ，４７ｂから構成され、これにより式（８）に示すようなスケールファクタの変化を有するジャイロスコープ構造体４１では、重要なことに、間隔距離の２％の変化により０．１％のスケールファクタの変化が生じる。式（３）と式（８）とを比較するとスケールファクタについて略２オーダの改善が達成される。

しかし、外周側に配置されるトランスジューサ４５ａ，４５ｂ，４６ａ，４６ｂ及びキャパシタ板４９ｅ〜４９ｈ，４９ｍ〜４９ｐとリング構造体４２との間の間隔Δｄの変化と、内周側に配置されるトランスジューサ４７ａ，４７ｂ，４８ａ，４８ｂ及びキャパシタ板４９ａ〜４９ｄ，４９ｉ〜４９ｌとの間の間隔Δｄの変化とが、略同一で反対方向である場合にのみ当てはまる。実際、改善は２つの理由により予想より僅かに小さい。第１に、トランスジューサ４５ａ，４５ｂ，４６ａ，４６ｂ，４７ａ，４７ｂ，４８ａ，４８ｂ及びキャパシタ板４９ａ〜４９ｐのリング構造体４２と対面する面はハブ４３の中心から略同一の距離だけ離れているが、内周側に位置するトランスジューサ４７ａ，４７ｂ，４８ａ，４８ｂ及びキャパシタ板４９ａ〜４９ｄ，４９ｉ〜４９ｌは外周側に位置するトランスジューサ４５ａ，４５ｂ，４６ａ，４６ｂ及びキャパシタ板４９ｅ〜４９ｈ，４９ｍ〜４９ｐからリング構造体４２の幅だけ離れている。これにより、外周側に位置するトランスジューサ４５ａ，４５ｂ，４６ａ，４６ｂ及びキャパシタ板４９ｅ〜４９ｈ，４９ｍ〜４９ｐでは熱膨張が僅かに大きな距離範囲で作用し、内周側に位置するトランスジューサ４７ａ，４７ｂ，４８ａ，４８ｂ及びキャパシタ板４９ａ〜４９ｄ，４９ｉ〜４９ｌに比べ間隔サイズについて僅かに大きな変化が生じる。第２に、ガラス層５１に接着されるシリコン層５０の領域はガラス層５１の膨張を拘束し、これにより２つの層５０，５１で膨張率が安定しない（perturbing）。

図４では、それぞれのピックオフトランスジューサ４７ａ，４７ｂ，４８ａ，４８ｂが、慣用技術ではキャパシタ板が配置される場所であるリング構造体４２の内周側に配置される。キャパシタ板４９ｅ〜４９ｈ，４９ｍ〜４９ｐは、慣用技術ではピックオフトランスジューサが配置される場所であるリング構造体４２の外周側に配置されている。キャパシタ板４９ａ〜４９ｐとリング構造体４２との間の間隔の温度依存変化の影響及びリング構造体４２を平衡に保つ（balance）ために用いられるキャパシタ板４９ａ〜４９ｐにより発生する静電気力の影響は、スケールファクタ依存性と同様に改善される。

図２に示すジャイロスコープ構造体１では、４つのセットのキャパシタ板９ａ〜９ｐが用いられ、角度θ，θ＋９０°，θ＋１８０°，θ＋２７０°の位置の板に共通の電圧が印加される。角度θはジャイロスコープ１の１次モード軸から測定される。４つの板の単一のセットでは、電気ばね定数ｋ_Ｅｌｅｃの温度依存性は以下のようになる。

したがって、間隔の２％の変化でｋ_Ｅｌｅｃは６％変化し、これはジャイロスコープ１の操作温度範囲での直交バイアスにおいて大きな変化となる。

キャパシタ板４９ａ〜４９ｐを図４に示すジャイロスコープ４１のように構成した際、ばね定数ｋ_Ｅｌｅｃの温度依存性は以下のようになる。

間隔の変化による影響が略０．２％まで減少し、これに応じて直交バイアス変化が減少し、バイアス安定率が大きく改善される。

したがって、このようなスケールファクタ及び直交バイアスの改善がジャイロスコープ４１で達成される。

図４に示す装置では、それぞれのピックオフトランスジューサ４７ａ，４７ｂ，４８ａ，４８ｂがリング構造体４２の内周側に配置され、それぞれのキャパシタ板４９ｅ〜４９ｈ，４９ｍ〜４９ｐがリング構造体４２の外周側に配置され、それぞれの駆動トランスジューサ４５ａ，４５ｂ，４６ａ，４６ｂがリング構造体４２の外周側に配置され、キャパシタ板４９ａ〜４９ｄ，４９ｉ〜４９ｌがリング構造体４２の内周側に配置されているが、それぞれの駆動トランスジューサ４５ａ，４５ｂ，４６ａ，４６ｂが慣用技術でキャパシタ板が配置されるリング構造体４２の内周側に配置され、キャパシタ板４９ａ〜４９ｄ，４９ｉ〜４９ｌが代わりに慣用技術で駆動トランスジューサが配置されるリング構造体４２の外周側に配置され、それぞれのピックオフトランスジューサ４７ａ，４７ｂ，４８ａ，４８ｂがリング構造体４２の外周側に配置され、それぞれのキャパシタ板４９ｅ〜４９ｈ，４９ｍ〜４９ｐがリング構造体４２の内周側に配置されてもよい。また、ある駆動トランスジューサ及びあるピックオフトランスジューサのみ慣用技術でキャパシタ板が配置されるリング構造体の内周側に配置し、代わりにキャパシタ板を従来技術で駆動又はピックオフトランスジューサが配置されるリング構造体の外周側に配置してもよい。

リング構造体４２は、円形状、曲免状、帯状、多角形状等の形状を有する構造体であってもよい。

さらに、リング構造体４２の内周側の層５０のシリコン領域を、リング構造体の内周側に配置されるトランスジューサとの接続に使用可能な回路を提供するために用いてもよく、これによりシリコン領域がより有効に活用される。例えば、リング構造体の内周側の層５０が、ピックオフトランスジューサ４７ａ，４７ｂ，４８ａ，４８ｂの１つから出力される信号のＪＦＥＴ増幅器を提供するために用いることが可能である。

Claims (15)

1. 半導体基板と、振動する平面状のリング構造体と、前記半導体基板に対して前記リング構造体を支持するために配置される支持手段と、を備え、
   前記半導体基板、前記リング構造体及び前記支持手段は互いに略同一平面上に配置され、
   前記リング構造体に１次モードでの振動を、前記１次モードの共振周波数で発生させるために配置される少なくとも１つの１次駆動トランスジューサと、
   前記リング構造体の前記１次モードでの振動を検出するために配置される少なくとも１つの１次ピックオフトランスジューサと、
   前記リング構造体に略直交する軸回りに角速度が適用される際に誘発される２次モードでの振動を検出するために配置される少なくとも１つの２次ピックオフトランスジューサと、
   誘発された２次振動モードを無効にするために配置される少なくとも１つの２次駆動トランスジューサと、
   を備え、
   前記１次及び２次駆動トランスジューサ及び前記１次及び２次ピックオフトランスジューサは、すべてが前記リング構造体の円周周りに配置され、
   前記リング構造体の円周周りに配置され、振動周波数を調整する少なくとも２つのキャパシタ板を備え、
   少なくとも１つの前記キャパシタ板と前記リング構造体との間に電圧が印加された際には、前記１次及び２次モードの間の周波数差を減少させるように前記１次及び２次モードの周波数を差動的に調整するために、前記キャパシタ板と前記リング構造体との間に静電気力を発生させ、
   少なくとも１つの前記キャパシタ板は前記リング構造体の外周側に配置されるとともに、その他の単数又は複数の前記キャパシタ板は前記リング構造体の内周側に配置され、
   前記駆動トランスジューサ又は前記ピックオフトランスジューサの少なくとも１つは前記リング構造体の内周側に配置されるとともに、その他の単数又は複数の前記駆動トランスジューサ又は単数又は複数の前記ピックオフトランスジューサは前記リング構造体の外周側に配置される、
   振動構造体型ジャイロスコープ。
2. 前記キャパシタ板は協働対の状態で配置され、
   前記キャパシタ板のそれぞれの前記協働対の少なくとも一方の前記キャパシタ板は前記リング構造体の外周側に配置されるとともに、前記キャパシタ板のそれぞれの前記協働対の他方の前記キャパシタ板は前記リング構造体の内周側に配置される請求項１に記載した振動構造体型ジャイロスコープ。
3. 前記駆動トランスジューサ又は前記ピックオフトランスジューサのいずれか一方が１対の協働トランスジューサの状態で配置され、
   前記協働トランスジューサのそれぞれの対の少なくとも一方の前記トランスジューサは前記リング構造体の内周側に配置されるとともに、前記協働トランスジューサのそれぞれの対の他方の前記トランスジューサは前記リング構造体の外周側に配置される請求項１又は請求項２に記載の振動構造体型ジャイロスコープ。
4. 前記キャパシタ板は協働対の状態で配置され、
   前記キャパシタ板の少なくとも１つの前記協働対が前記リング構造体の外周側に配置されるとともに、前記キャパシタ板の１つ以上のその他の前記協働対が前記リング構造体の内周側に配置される請求項１に記載の振動構造体型ジャイロスコープ。
5. 前記キャパシタ板は４つのグループの状態で配置され、
   ４つの前記キャパシタ板の少なくとも１つの前記グループが前記リング構造体の外周側に配置されるとともに、前記キャパシタ板のその他の単数又は複数の前記グループが前記リング構造体の内周側に配置される請求項１に記載の振動構造体型ジャイロスコープ。
6. 前記駆動トランスジューサ又は前記ピックオフトランスジューサが１対の協働対の状態で配置され、
   前記駆動トランスジューサ又は前記ピックオフトランスジューサの少なくとも１つの前記協働対が前記リング構造体の内周側に配置されるとともに、前記トランスジューサ又は前記ピックオフトランスジューサの単数又は複数の前記協働対が前記リング構造体の外周側に配置される請求項１、請求項４又は請求項５に記載の振動構造体型ジャイロスコープ。
7. ４つのグループの状態に配置される１６個のキャパシタ板を備え、２つの前記キャパシタ板の前記グループが前記リング構造体の外周側に配置され、その他の２つの前記キャパシタ板の前記グループが前記リング構造体の内周側に配置される請求項１に記載の振動構造体型ジャイロスコープ。
8. 前記駆動トランスジューサ又は前記ピックオフトランスジューサが１対の協働対の状態で配置され、
   前記駆動トランスジューサ又は前記ピックオフトランスジューサの２つの前記協働対が前記リング構造体の内周側に配置されるとともに、前記トランスジューサ又は前記ピックオフトランスジューサのその他の２つの前記協働対が前記リング構造体の外周側に配置される請求項７に記載の振動構造体型ジャイロスコープ。
9. ４つの前記キャパシタ板の前記グループのぞれぞれの前記キャパシタ板は、４つの前記キャパシタ板のその他の前記キャパシタ板のそれぞれに対応キャパシタ板を有し、
   前記対応キャパシタ板は共通電圧源に接続されるように配置されている請求項７又は請求項８に記載の振動構造体型ジャイロスコープ。
10. 前記１次及び２次駆動トランスジューサ、前記１次及び２次ピックオフトランスジューサ及び前記キャパシタ板は互いに略同一平面上に配置され、前記半導体基板と略同一平面上に配置されている請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の振動構造体型ジャイロスコープ。
11. 前記支持手段は、径方向について柔軟な２つ以上の脚を備え、
    それぞれの前記脚は、前記リング構造体の内周側に配置される前記半導体の中央ハブから一端が支持され、前記リング構造体の内周端に他端が連結されている請求項1乃至請求項１０のいずれかに記載の振動構造体型ジャイロスコープ。
12. 前記支持手段は、径方向について柔軟な２つ以上の脚を備え、
    それぞれの前記脚は、前記リング構造体の外周側の前記半導体基板から一端が支持され、前記リング構造体の外周端に他端が連結される請求項1乃至請求項１０のいずれかに記載の振動構造体型ジャイロスコープ。
13. 前記リング構造体、前記支持手段、前記１次及び２次駆動トランスジューサ、前記１次及び２次ピックオフトランスジューサ及び前記キャパシタ板を覆う密閉空洞を形成するように、前記半導体基板が２つの支持基板の間で密閉されている請求項1乃至請求項１２のいずれかに記載の振動構造体型ジャイロスコープ。
14. 前記１次及び２次駆動トランスジューサ，前記１次及び２次ピックオフトランスジューサ及び前記キャパシタ板は、それぞれ２つの前記支持基板の一方により支持されている請求項１３に記載の振動構造体型ジャイロスコープ。
15. 前記キャパシタ板は、４つの前記キャパシタ板のグループの状態に配置され、
    ４つ前記キャパシタ板の第１のグループが前記リング構造体の角度θと略同一となり、４つの前記キャパシタ板の第２のグループがθから９０°ずれた角度と略同一となり、４つの前記キャパシタ板の第３のグループがθから１８０°ずれた角度と略同一となり、４つの前記キャパシタ板の第４のグループがθから２７０°ずれた角度と略同一の位置となるように、４つの前記キャパシタ板の前記グループが前記リング構造体について角度的に配置される請求項５乃至請求項１４のいずれかに記載の振動構造体型ジャイロスコープ。

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