JP2012519270A - Ｘ軸又は／及びｙ軸及びｚ軸の回転運動を測定するマイクロジャイロスコープ - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】
ｘ軸及び／又はｙ軸及びｚ軸に関する回転運動を測定する、特に３−Ｄセンサとしてのマイクロジャイロスコープであって、基板と、複数の振動マス（４，５）と、前記基板に対して前記振動マス（４，５）を結合するためのスプリングと、前記基板が回転した時にコリオリ力を発生するために、ｘ−ｙ平面上における少なくとも個々の前記マス（４，５）を振動的に往復運動させる駆動要素と、発生したコリオリ力に起因する前記マス（４，５）の変位を検出するためのセンサ要素とを有し、少なくとも個々の前記マス（４，５）は２つのグループに配置されており、両方の前記グループの前記マス（４，５）は、前記駆動要素によって、ｘ／ｙ軸の平面における振動的一次運動を行うように結合的に誘導され、第１のグループの前記マス（４）は、前記ｘ／ｙ平面の外に動くことができるように、前記基板に対して配置されており、第２のグループの前記マス（５）は、前記ｘ／ｙ軸の平面における前記振動的一次運動に垂直な運動を可能にするように、前記基板に対して配置されていることを特徴とするマイクロジャイロスコープ。
【選択図】図１

Description

本発明は、ｘ軸又は／及びｙ軸及びｚ軸の回転運動を測定するマイクロジャイロスコープに関し、特に、基板と、複数の振動マスと、基板に振動マスを連結するためのスプリングと、回転する基板によるコリオリ力を生じるようにｘ，ｙ軸上の少なくとも個別のマスの振動的な揺れのための駆動要素、及び発生したコリオリ力によるマスの変位を測定するためのセンサ要素とを有する３−Ｄセンサとしてのマイクロジャイロスコープに関する。

マイクロ−エレクトロ−メカニカル（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープは、一般的には、ＸＹＺ座標系における軸に関する回転的な動きを測定するために使用されている。そのような系に関する３つの軸のすべての回転的な動きを測定するためには、３つのマイクロジャイロスコープが必要とされる。これは、高価であり、制御が難しく、そのデータはプロセスすることも難しい。

３次元ジャイロスコープが３つの軸における回転を測定可能とするために、D．Woodらは、１９９６年の“３軸の同時のセンシングを可能とするモノリシックシリコンジャイロスコープ”という論文において、振動マスがセンターアンカを囲むように配置された振動マスを有し、コリオリ力による傾きと回転の動きの測定を可能にする円形ジャイロスコープの創作を提案している。これが有する問題点は、そのようなセンサの製造は、不可能でないまでも困難であるという事実であり、動作されたマスをどのように駆動すべきか、ということに関しても同様のことが言える。D.Woodらのデザインは、それゆえに単なる理論的なものに留まる。

彼の論文である“カップリング効果に対する革新的なマイクロジャイロスコープデザインと力学”の中で、Nan-Chyuan Tsaiは、３−Ｄジャイロスコープを提案している。そこにある問題点は、内部プレートと下部リングだけでなく４つの動作されたマスが得られる点である。２つの直交する回転方向に関して低い剛性を有するとされる必要なスプリングの構造は、公差を生じやすく、組み立てることが難しい。

本発明の目的は、それゆえに、上述の欠点を回避した、高度に正確で、相対的に経済的な３−Ｄマイクロジャイロセンサーをつくることである。

この目的は、請求項１の特徴を有するマイクロジャイロスコープによって解決される。

本発明に係るマイクロジャイロスコープは、スプリングの助けによりそれに連結された振動マスを有する基板と、プラス駆動要素と、センサ要素とを有する。少なくとも個々の振動マスの幾つかは、２つのグループに配列され、それぞれの場合において、両方のグループのマスは、ｘ，ｙ軸の平面において振動的一次運動を起こすように、結合的に誘導される。第１のグループのマスは、ｘ，ｙ平面の外に動くことができるように、基板上に配列されている。第２のグループのマスは、それらがｘ，ｙ平面における振動的一次運動に対して垂直に運動できるように、基板上に配列されている。それゆえに、個々のマスは、それらの機能によって、２つのグループに分類される、すなわち第１のグループのマスは、基板が回転したときのコリオリ力によって、ｘｙ平面の外に動くことができる。これは、基板若しくはジャイロスコープがｘ又はＹ軸の周りを回転運動されたときに実行される。コリオリ力は、基板の回転的な動きの反応として発生し、そしてこの力はｘ／ｙ平面の外に第１のグループのマスを動かす。第１のグループのマスがどのように配置されているかということに依存して、Ｘ又は／及びＹ軸に関して、これらのマスは傾斜され又は回転される。ことなる方法によりこれらのマスがつり下げられた場合、Ｘ方向に関するトランスラテラルな運動が実施される。第２のグループのマスは、コリオリ力が起こったことに対する反応としてのＺ軸に関する基板若しくはジャイロスコープの回転に反応し、第２のグループのマスの第２の動きとして、ｘ／ｙ平面の中で移動される。この動作は、同じく第２のグループのマスがつり下げられている方法に依存し、ｘ／ｙ軸の平面の中でのトランスラテラルな動き又はＺ軸に関する回転を起こす。

本発明に係るマイクロジャイロスコープのデザインは、コリオリ力に反応した際に計測される必要のある個々の二次運動に対応して、個々のマスは再分割されているという利点を有する。マスを分割することによって、これらのマスを連結するために使用されるスプリングの設計が相対的に容易となる。運動の重ね合わせ（言い換えると、放射面だけでなく回転軸及び同時にＺ軸まわりの平面（３−Ｄマイクロジャイロスコープのデザインとして知られたものである）のうち一つに関する動機的な動き）は、本発明に関する設計において必要とならない。１以上の回転若しくは曲げ方向に関する少なくとも正確なプリセット弾性を有さなければならないスプリングは、必要ではない。個々の運動方向のカップリング及びそれらによって結合されるクロスカップリング誤差は、それゆえに防止される。個々のマスは、それらは既に小さなコリオリ力に反応するというような方法で設置される。この配列の結果として、センサは非常に機敏かつ正確に、回転運動に対して反応できる。

振動的一次運動のための両方のグループのマスが、基板の中心位置に向かって放射状に運動されることが好ましい。この結果として、センサの大きさは小さいままに保たれる。さらに、個々のマスの一次運動は、いかなるアンバランスも起こすことの無い方法で開始される。運動と、結果として生じる力及びトルクは、互いにオフセットされ、したがって、一次運動は、計測された結果を偽る可能性のある意図されたものでない二次運動を発生することがない。

発明における有利なデザインとして、第１及び第２グループのマスは、振動的一次運動が同期されるように、放射方向に堅く、かつ接線方向には弾性的に、互いに連結される。このような接続は、第１と第２のグループのマスの間に配置された同期するスプリングによって形成される。このような同期するスプリングは、個々のマスが（特にそれらが、センサの中心に対して、放射方向に後退前進する振動をする場合に）統一的に振動する方法、それゆえに個々の駆動されたマスの相変化を効果的に防止するように駆動されるようにする。このシステムは、同調して作用し、望まない力やトルクが起きない。

本発明の特に有利なデザインとして、第１のグループのマスは、ツーペアのマスであり、一つのペアはｘ軸上に配置され、第２のペアはｙ軸上に配置される。バランスしたシステムは、それゆえにこの結果もたらされ、発生する二次運動についても非常に容易に分析される。ｘ又はｙ軸に関する基板の回転運動に対する反応として起こるコリオリ力は、正又は負のＺ軸方向の力と、それらとともに、ｙ又はｘ軸に関するそのマスペアの傾き運動及び対応する二次運動を発生し、それゆえに、それぞれのマスに配置されたセンサ要素は、それらの二次運動を非常に容易に検知することができる。これらのセンサ要素からの電気的な信号は、ｘ又はｙ軸に関する基板の回転的な動きについて、結論を引き出すことを可能にする。

第２のグループは、少なくとも２つ、又は好ましくはその倍数のマスによって構成され、このことは、システムが一次若しくは二次運動によって起き、結果を誤らせるトルクを発生しないということを確実にする。

特に有利な配列として、第２グループのマスは第１のグループのマス群の間に配置されており、それぞれ９０度オフセットされて配置されている。この配置によれば、第１のグループのマスはｘ軸又はｙ軸上にあり、第２のグループのマスは、ｘ軸及びｙ軸の間に各軸から４５度オフセットされてそれぞれ配置される。この配置によれば、ｘ軸又はｙ軸に関する基板の回転によって生じるコリオリ力は、第２のグループのマスに作用するコリオリ力を生じるマスに垂直なＺ軸についての基板の回転中にも、好適に、ｙ軸又はｘ軸に関して、ｘ軸又はｙ軸上の第１のグループのマスの傾き運動を発生する。デザインによっては、これらは、ｚ軸に関する回転の形、又は、放射方向に垂直な平面にある動きの形で、第２のグループのマスの運動として、変換され、記録される。発生したコリオリ力とそれぞれのマスが起こす変位は、これにより、それぞれのマスに割り当てられたセンサ要素によって、比較的容易に測定される。それゆえに、数学的に分離されなければならない個々の要素の動きの重ね合わせと、個々のマスの複雑なサスペンションは、必要ではない。

好ましくは、第１のグループのマスは、内側及び／又は外側フレームに対して、ｘ及び／又はｙ方向に柔軟性を持って設置されている。この結果として、第１のグループのマスは、一方で静的につり下げられており、他方で、それにもかかわらず、所定の方法で可動され得る。特に、第１のグループのマスの駆動に関して、（好ましい発明のデザインにおいては、これはｘまたはｙ方向で実施される）この一次運動は、内側及び外側フレームに対して柔軟に取り付けられた第１のグループのマスによって、特に容易に実現できる。内側又は外側フレーム上の第１グループのマスを配置するために用いられるスプリングは、非常に容易にデザインでき、なぜなら、それらは単に一つの方向に柔軟でその他の方向に硬直したものでありさえすればよいからである。

それらが硬い支柱若しくは補助的なウェブ上に、放射方向に柔軟に配置される場合、第１のグループのマスを取り付けるのは非常に容易である。この支柱若しくは補助的ウェブは、例えば、内側又は外側フレームにリンクを形成することが可能である。第１のグループのマスは、このように、それらの質量および形状に関しては、それらは適切にセンサと一体化された方法でデザインされる。

もし、内側フレームが１つ若しくは複数の略中心アンカに配置されるなら、発明の好ましい設計においては、第１のグループのマスの柔軟性は、（内側フレームに搭載され、放射方向に関して有効である）中央アンカに関して内側フレームを動かす回転運動−二次運動としての−によって、分離される。この結果として、個々のスプリングは、比較的容易にデザインされ、なぜならそれらは単に第１のグループのマスのための１つの方向に柔軟であれば良く、そしてその一方で、内側フレームと中央アンカに取り付けられたスプリングも、ひとつの方向にのみ柔軟であれば良いからである。この、互いに相反せず、それぞれ一つの方向に関してのみ柔軟性が必要であるという特徴を持つ明確なスプリングのデザインは、クロスカップリング効果を排除した明確な運動を可能にする。個々の要素若しくはマスシステムの運動を記録したセンサ要素の測定結果は、このような理由により、明白に測定され評価される。

特に、内側及び／又は外側フレームが、ｘ軸又はｙ軸に関する第１のグループのマスの傾き運動のための一つ又は複数のアンカ上に、ジンバル的に設置された場合、フレームに設置されたマスペアは、コリオリ力の反応として、ｙ軸及びｘ軸の周りに回転的に変位される。このことは、個々の運動の方向の分離を可能にし、したがって、運動の分析の大幅な単純化と高精度化を可能にする。

特に、発明の有利な実行により、内側及び外側フレームのジンバル状の配置は、同じ傾き軸の周りに柔軟であり、しかし、線形運動に関しては殆ど硬直であるから、二次運動の正確な分析を実施することができる。この配置は、明確に、一つのみの回転方向について運動を許容するシステムを造り出す。回転運動に重畳され、運動の分析をより難しく、若しくは、精度を低下させる線形運動は、このようにして防止される。

ｚ軸に関するマイクロジャイロスコープの回転運動の測定について、少なくとも第２のグループのマスの一部が、ｚ軸に関して回転可能であるか、第２のグループのマスの放射状の配置に対して適切な角度で変位可能であれば、有利である。この結果として発生するコリオリ力、及び、ｚ軸又は第２のグループのマスの放射状の配列に垂直な変換可能方向に関する第２のグループのマスの運動に対する反応は、分析される。それぞれに応じて配置されたセンサ要素は、第２のグループのマスの二次運動を測定し、ジャイロスコープの基板の回転運動に比例する電気信号を発生する。

マイクロジャイロスコープは、第２のグループのマスが、フレームの一次運動を掌握し、二次運動を遂行する区分マスがリンクされ、二次運動を抑制する振動フレームを有する場合、非常に有利にデザインされる。これにより、同様に、個々の運動方向は、分離される。第２のグループのマスの一次運動は、駆動方向について基板におけるフレームの柔軟なサスペンションを必要とし、それゆえに、サスペンションは、他の方向に関して、概ね非弾性的である。

本発明の他の有利なデザインとして、区分マスは、区分マスがフレームの振動運動に対して垂直に変位されるように振動フレームに連結されており、それゆえに二次運動は、ほとんど区分マスに加えられない。振動的駆動運動に垂直な区分マスの動きは、それゆえに、比較的容易に記録され分析される。この実施により、同様に、弾性力のあるフレームや区分マスを容易にデザインすることができる。フレームや区分マスを、それぞれのより上位の構成要素に搭載するためのスプリングは、一つの方向に関してのみ柔軟である必要があり、しかし、それらは他の方向に関しては硬直である。スプリングのデザインは、それ故に、容易であり、自由度に関して明確である。

第１のグループの振動マスの変位を測定するための第１のセンサ要素がそれらの下に配置されることは好ましい。この場合、それらは、例えば、個々のプレートの距離の変化によって電気信号の変化を生成する、水平に配置したプレート状のコンデンサであっても良い。この結果として、第１のグループの振動マスの変位は、マイクロジャイロスコープの回転運動に対応する有効な指標を与えるものとして計測される。自然なこととして、たとえば、水平に配置された電極等によって構成され、又は第１グループの振動マスの変位に対応する信号を発生することができるような、他の種類のセンサ要素を採用することは可能である。

第２のグループのマス若しくは区分マスの変位を計測するために、マス若しくは区分マスのこの運動を検知するための第２のセンサ要素を配置することができる。このような配置は、第１のグループのセンサ要素及びマスを分割するためにも有利である。センサ要素の第１の部分は、基板に固定的に配置されており、他の部分は可動マスの上に配置されている。センサ要素の他の部分に対する双方の相対的な運動は、マスの運動の指標となる可変的な電気信号を発生する。

第１及び第２のグループの振動的なマスを動かすために、電極、特にフォーク型電極を有することが好ましい。交流電圧がそれに印加されたとき、マスは中央サスペンションに対して放射方向に互いに引き寄せられ、若しくは、反発し合い、振動的運動を始める。

マイクロジャイロスコープの特に有利な実施形態は、以下に記載される。

実施形態の有利な点は、傾き軸の２つのグループの周りに、中央アンカに関連して可動的に配置される中央サスペンション上において、振動マスの２つのグループは、それらが結合して同期的に作用し、放射方向の一次運動を生じるように設置されており、ペア状に配置された振動マスの第１のグループの少なくとも２つの部分マスは、面に配置された軸に関するセンサの回転に対する傾き運動を通して反応し、第２のグループのマス若しくは部分は、ｚ軸に関する回転によって引き起こされるコリオリ力に対する反応として、放射方向に垂直な運動を実施できることである。

最も単純で好ましいケースでは、マスの第１グループは、４つのプレートセグメントによって構成され、それぞれは、他に対して９０度変位しており、このことにより、対向している一対は、ｘ軸若しくはｙ軸に関する回転を検知するためのペアを形成し、第２のグループは、同様に、それぞれが他に対して９０度変位している４つのセグメントを有し、それらは、ｚ軸によって引き起こされ、半径に対して垂直な変位を、連結して計測する。

適切かつ有用な可動マスのための第２の外側サスペンションは、中央サスペンションのようなものであるが、内側サスペンションとして同じ傾き軸の周りに柔軟であるが、直線運動については静的であり、ジャイロスコープのショックおよび振動に対する耐性を増加させることに寄与する。

コリオリ力によって生じる変位の計測は、振動マスに割り当てられたセンサ要素によって行われる。それらによって、マスの線形な変位運動及び／又は傾き運動は、計測される。内側サスペンションは、異なるデザインを有しても良く、しかし、第１のグループの振動マスが、中央サスペンションに対して径方向の動きを実施し、これは、中央サスペンションに対する対応する弾性的なリンクによって、もしくは、発明によれば、硬い支柱若しくは補助的ウェブへの弾性的なリンクによって実現され、さらに、中央アンカに関して２つの垂直な傾き運動の一つを、ペア（二つ一組）で実施することは、本質的である。

第２のグループのマスは、基板および第１の部分グループの隣接するマスに対して、同期用スプリングを介して、弾性的に接続されており、それによって、一方でこれらの一次振動が、他の全てのマスに同期して実施され、他方でマスは、径方向の動きに加えて、それに垂直な動きを実施する。

ここには他の有利なデザインの提案があり、特に、第２のグループの部分的マスのすべては、径方向振動フレームによって再分割されており、後述するような方法で接続されている区分マスは、ｚ回転のコリオリ力によって生じる半径に垂直に動く二次運動を実施することができる。この場合、同期的スプリングのディメンジョニングは、それらが傾き方向に対して一つの定義された弾性を有しており、他のすべての自由度に関してはできるだけ非弾性的でなければならないというだけでよいため、非常に容易である。

上述した配列は、一方で振動マスが駆動マスとして使用されることを可能とし、他方では、対応するマスへのコリオリ力によって引き起こされる動きの変換を可能とする。この配列は、割り当てられたセンサ要素と一緒の、ジャイロスコープ、とりわけ基板のｘ及び／又はｙ及びｚ周りの回転を測定する。

有利且つ限定的でなく、第１のグループの振動マスの変位を測定するためのセンサ要素は、文献の記載にしたがって、振動マスの下方に配列され、例えば、振動マスと基板の間に配列される。この配列では、センサ要素は、もしそれらが例えばコンデンサータイプであれば、電圧のチャージによって振動マスの変位を測定する。第２のグループのマスの回転運動を記録するためのセンサ要素は、同様にマスに接続されたコンデンサセンサや、半径方向に垂直に動く空間的な量を測定するための他の等価なセンサによって構成される。

振動マスを取り囲むリング状フレームもしくは他の設計による外側サスペンションは、特に好ましい。同時に、このことは、直接もしくは硬いウェブを通して内側サスペンション上で行われるとの同様の方法で、外側サスペンション上で、それらの外周上における振動マスの弾性的な接続を可能にする。

外側サスペンションは、線形な方向に関しては、３つのすべての次元において、基板に対して固定的に接続されており、２つの傾き軸の周りのねじれ運動のみを行うことができるため、外部衝撃に耐える安定したシステムが、この結果として得られる。

内側アンカは、径方向に関して良好かつ単一のマスの変位が可能で、第１のグループのマスが同時に両方の傾き軸の一つについて同時に変位するように、中央に配置されることが好ましい。

本発明における特に有利なデザインとしては、中央サスペンションは、ｘまたはｙ軸に関する第１のグループのマスペアのスイングする動きを可能にする、単純なジンバルサスペンションのようなものとして実施される。

振動マスは、径方向に移動するようにデザインされるため、第１のグループの振動マスを、スプリング若しくは、非常に有利には硬直したウェブを介して中央プレートに直接連結することは、有利である。同様のものは、必要であれば、好ましくは同様にジンバルサスペンションとして実施され得るが、外側サスペンションに対する連結にも適用される。

第２のグループの振動マスは、それらが放射方向に移動できるように実施されるため、それら若しくは垂直に運動する区分部分マスをサポートする部分フレームと、基板とを、放射方向に関して動く弾性的なスプリングによって接続することは、有利である。好ましくは、スプリングは、ｚ方向に関してはできるだけ硬直であるように実施され、それによってそれらはｚ方向に関する振動マスの動きを防止することができる。

振動マスに対して、共通の同期的な径方向の動きをさせるために、第１及び第２のグループの部分マスを、交互に外周に沿って配置し、径方向に関してはできるかぎり非弾性的に動作する同期用スプリングによってそれらを接続することは、有利である。同期用スプリングは、一方で、振動マスが、それらの線形な径方向の運動の間に、お互いから僅かに分離されることを保証し、外周方向に、アンカの周りにある程度の弾性を許容する。一方で、しかしながら、それらは、不統一的で同期した外方向および内方向のスイングが行われるように配置された振動マスを阻害する作用もある。

文献に述べられているように、それらは、振動マスがスイングし、所定の振動数を有する特定の方法でスイングを起こさせるので、電極（特にフォーク状又は櫛状の電極）は、振動マスを駆動するために好ましい。

本発明の特に好ましい実施形態に関して、マイクロジャイロスコープは、基板に固定された対向電極（２４）のためのシールド電極（２５）を有する検査ボックス（２３）の中に配列されたマス（５）、又は部分マス（１１）の変位を記録するためのセンサ要素を有する。シールド電極は一定のエッジ部分を創出し、可能性のある二次運動の測定の正確性を形成する。

本発明のさらに有利な事項及び発明的なアイデアは、以下の図面に示される実施形態を用いて記述されている。

図１は、ジャイロスコープの運動を基本とする、提案される発明のデザインの概略図である。 図２は、第１グループのマスとそれらのサスペンションのデザインのための実施形態を表している。 図３は、第２のグループのマスとそれらのサスペンションのデザインのための実施形態を表している。 図４は、内側サスペンションの実施形態を表している。 図５は、Ｚ回転の静電容量的な測定の実施形態を表している。 図６は、Ｚ回転もしくは対応する径方向に垂直な動きの静電容量的な測定の詳細を表している。 図７は、発明の他の実施形態を表している。

図１は、本発明に関して提案される一実施形態に係るマイクロジャイロスコープ１を表したものである。描画した面の上に配置される基板上に設置された中央アンカ２に関連し、内側フレームとしての形状を有するディスク形状の内側サスペンション３の上に、８つの駆動マス４，５が、その代表例はそれぞれ互いに９０度オフセットしている２つのグループを形成するように、配置されている。第１のグループのマス４は、内側サスペンション３及び外側サスペンション７（外側サスペンション７は好ましい形態において備えられる）に対して、象徴的に示された（駆動）スプリング６を用いて連結されているが、ただし、外側サスペンションは除去することも可能である。両方のサスペンション３，７は、リング形状に加えて、例えば四角など、他の形状を有していても良い。

第１のグループのマス４のスプリング６は、放射方向に関しては弾性変形可能（弾性体）であり、他の全ての自由度に関しては可能なかぎり弾性変形不能（剛体）である。この実施形態では、４つの第２グループのマス５が、スプリング８によって基板に接続されており、これらのスプリング８は、径方向及び垂直方向に関して弾性変形可能であり、他の全ての自由度に関しては可能な限り弾性変形不能である。

第１のグループのマス４のスプリング６は、したがって対応する駆動要素によって生じる径方向の振動が可能であり、反対の相で対向するペアのマスに、両方の直交する軸であるｘ及びｙに関する２つの傾き運動が実行できる内側及び可能であれば外側サスペンション３，７に作用するトルクの形で発生する、コリオリ力の変換が可能である。図１は、サスペンション３，７の２つの傾き軸のうち一つ（より正確には、水平方向の傾き軸に関する一つ）のみを、象徴的に示している。

基板に接続されている第２のグループのマス５のスプリング８も、それぞれの駆動要素によって発生若しくは支持された放射方向の振動が可能であり、それに加えて、半径に交差する直交運動も可能である。

同期用スプリング９は、両方のグループのマス４，５に対して、径方向の同期的な運動を起こすように作用する。これらの同期用スプリング９は、個々のマス４，５及びばね定数の格差だけでなく、同期して作用する駆動力の大きさも相殺する。駆動要素は、櫛状の構造として実施されることが好ましいが、ここには表示していない。

もし、アンチパラレルコリオリ力が、面に沿う回転を通して、第１のグループの駆動マス４のペアに作用した場合、これらは内側サスペンション３へのトルク及びそれに対応する傾き運動を生じるであろう。もし第２グループの駆動マス５がｚ軸に関する回転を通してコリオリ力を受けた場合、同方向である、径方向の運動に垂直な、４つのマス５の二次的振動が起きるだろう。

８つのマス４，５の間に配置される同期用スプリング９は、それらが駆動マス４，５の同期的な揺動を支持できる方法で適用され、したがって、駆動マス４，５が中央に向かって再度動かなければならないので、２つの駆動マス４，５の間のギャップが大きくなった時や、駆動マス４，５が外方向にクリープした時や、駆動マス４，５のギャップが小さくなった時に、しかるべき回転を許容するように、適用される。

図１に示すように適用された第２グループのマス５及びスプリング８において、同期用スプリング９は、第２のグループのマス５の二次運動を与える。これは、図２に示されるように、分割された駆動フレーム１０及び埋め込まれた部分マス１１による第２のグループのマス５を適用することによって、防止される。部分マス１１は、二次運動スプリング１２を用いて、それぞれの駆動フレームに接続されている。この結果、駆動スプリング８と二次運動スプリング１２の機能のきれいな分離も達成され、２次の自由度を有するスプリングの構造によって発生する回避できないクロスカップリングは、良好にコントロールされた自由度を有する２つのスプリング８，１２のペアによって、防止することができる。図２は、第２のグループのマス５及びそのスプリングのグループ８，１２の好ましいデザインを示している。

ｚ方向に関する分離の変化を測定できるセンサ電極は、第１のグループのマス４の下方に配置され、もし必要であれば、外側サスペンション７の対応する部分の下にも配置される。これらのセンサ電極は、描画平面上にあるｘ軸及びｙ軸周りの傾き運動を測定する容量効果を有するプレートによって構成される。

図３は、第１のグループのマス４とそれらのスプリング６の好ましいデザインを示している。特に好ましくは、ｚ方向に作用するコリオリ力のトルクへの効果的変換を可能にする支柱もしくは補助的ウェブ１３が導入される。駆動スプリング６の制限されたねじれ保証機能の影響は、スプリング６がマス４と内側サスペンション３の間に配置されたときそれが他方に対して相互のねじれを伝搬するので、ここで大幅に減少され、コリオリ力の傾き運動への効果的な変換は、このような方法により達成される。

外側サスペンション７が無い場合であっても、２つの駆動スプリング６又は駆動スプリングのペアを、マス４の内側若しくは外側エッジの近傍で、内側サスペンション３に、拡張された補助的ウェブによって接続することは、良いアイデアである。

図４は、内側サスペンション３の実施形態を示している。２つの、この場合はリング形状を有するフレーム１４，１５は、ワンペアの捻れスプリング１６によって互いに接続されており、内側フレーム１４はワンペアの捻れスプリング１７によって中央アンカ２に接続されている。内側サスペンション３の外側フレーム１５から、４つの支柱１３が第１のグループのマス４のスプリングに向かって分岐している。第２のグループのマス５は、内側サスペンションに対して接続されていない。

図５によれば、外側サスペンション７は、内側のそれと類似したジンバルサスペンションとして適用されるが、しかし内側の中央アンカ２は外側フレーム２０の捻れスプリング１９を介する２つの外側アンカ１８に置き換えられているという違いを有する。外側サスペンション７の外側フレーム２０は、捻れスプリング２１を用いて内側フレーム２２に接続されている。第１のグループのマス４の支柱１３は、内側フレーム２２に対して連結されている。

図５及び図６は、第２のグループのマス５の径方向駆動運動に垂直な運動を測定するための検出コンデンサの提案されるデザインを示している。図２，５又は７によれば、区分マス１１は、駆動フレーム１０の中に、半径に垂直な方向に関して弾性的に埋め込まれており、検知ボックス２３を有している。図６によれば、基板上に分離され固定された対向電極２４に対向するように配置された区分マス１１（その内側壁は、可動的な部分マス１１の各電極３４に相当する）の中に単純な凹部があり、検知ボックス２３の動きは、径方向に垂直な二次運動Ｖｓの方向に関する測定可能な容量変化を導く。ボックス２３内部の左右の可変エッジ部分で発生する、径方向の一次運動Ｖｐの影響を防止するために、可動するマス１１と同じポテンシャルのシールド電極２５が用いられても良く、それによりエッジ部分が一定であることを保証する。

言うまでもなく、このような検知ボックス２３は、区分マス１１のないセンサ要素においても使用され得る。また、シールド電極２５は、二次運動が測定される間も、影響を防ぐことができる。

センサ１は、既知の製造技術によって製造される。２つの駆動マス４，５のグループは、発明の本質的な特徴であり、２つのグループのいずれも、４つ若しくはそれ以上の個別のマスを含む。

全てのマス４，５は、同期するように駆動され、それによって両方のグループのマス４，５の全ては、外部からの回転的な速度の影響下において、異なる方向にその回転的な運動を変える。

第１のグループの１つのマスペア４は、その応答周波数が、好適には可能な限り同一である二次運動に同期するように、そして、全てのマスに共通の一次共振に近づく値になるように、適用される。第２のグループのマス５の一次共振は、同様に、共通の一次共振に近づくように設定されることが好ましい。

第２のグループのマス５の二次共振は、同期させる必要はない。同様のことは、第１のグループのペアの両方の二次共振のマッチングに対しても適用される。製造誤差の限界値内で達成されるマッチングは、全ての３つの軸に関する回転について、適切な総合的感度を満足する。

図７は、本発明の他の実施形態を表している。また、第１のグループのマス４は、外側フレームの助けによって互いに連結されてはいない。第１のグループのマス４の全ては、その換わりに、アンカ２６と支柱１３を用いて基板に連結されている。マス４をアンカ２６及び支柱１３に接続しているスプリング６は、振動的な、中央アンカ２６に関して径方向の、駆動運動と、さらには、ｘ，ｙ平面の外への運動、特に中央アンカ２の周りの傾き運動も可能にする。第１のグループのマス４は、駆動電極２７を伴うように、一次運動を設定される。駆動電極２８は、第２のグループのマス５の駆動フレーム１０を、中央アンカ２に関して径方向に、同様に振動するように動かす。駆動フレーム１０は、外側アンカ２９及び内側アンカ３０を用いて、可動的かつ径方向に、基板に連結される。駆動フレーム１０の駆動方向に対して交差方向に弾性的に配置されている部分マス１１の動きは、検知ボックス２３によって検知される。

本発明は、提示された実施形態に限定されるものではない。特許のためにクレームされた文言及び記述の範囲内における他の実施形態は、発明の範囲内である。実施形態における個別の構造部分の各実施形態内での組合せおよび適用は、全て発明の範囲内である。

Claims (18)

1. ｘ軸及び／又はｙ軸及びｚ軸に関する回転運動を測定する、特に３−Ｄセンサとしてのマイクロジャイロスコープであって、
   基板と、
   複数の振動マス（４，５）と、
   前記基板に対して前記振動マス（４，５）を結合するためのスプリングと、
   前記基板が回転した時にコリオリ力を発生するために、ｘ−ｙ平面上における少なくとも個々の前記マス（４，５）を振動的に往復運動させる駆動要素と、
   発生したコリオリ力に起因する前記マス（４，５）の変位を検出するためのセンサ要素とを有し、
   少なくとも個々の前記マス（４，５）は２つのグループに配置されており、
   両方の前記グループの前記マス（４，５）は、前記駆動要素によって、ｘ／ｙ軸の平面における振動的一次運動を行うように結合的に誘導され、
   第１のグループの前記マス（４）は、前記ｘ／ｙ平面の外に動くことができるように、前記基板に対して配置されており、
   第２のグループの前記マス（５）は、前記ｘ／ｙ軸の平面における前記振動的一次運動に垂直な運動を可能にするように、前記基板に対して配置されていることを特徴とするマイクロジャイロスコープ。
2. 請求項１に記載されたマイクロジャイロスコープであって、
   両方の前記グループの前記マス（４，５）は、前記振動的一次運動によって前記基板の中央点に対して径方向に動かされることを特徴とするマイクロジャイロスコープ。
3. 請求項１又は請求項２に記載されたマイクロジャイロスコープであって、
   前記第１及び第２のグループの前記マス（４，５）は、同期した前記振動的一次運動のために互いに弾性的に接続されていることを特徴とするマイクロジャイロスコープ。
4. 請求項１から請求項３までのいずれかに記載されたマイクロジャイロスコープであって、
   前記第１のグループの前記マス（４）は、前記ｘ軸及び前記ｙ軸に配置されたツーペアの前記マス（４）であることを特徴とするマイクロジャイロスコープ。
5. 請求項１から請求項４までのいずれかに記載されたマイクロジャイロスコープであって、
   前記第２のグループは、少なくとも２つの前記マス（５）又は複数組の当該少なくとも２つの前記マス（５）によって構成されることを特徴とするマイクロジャイロスコープ。
6. 請求項１から請求項５までのいずれかに記載されたマイクロジャイロスコープであって、
   前記第２のグループの前記マス（５）は、前記第１のグループの前記マス（４）の間に、それぞれ９０度オフセットされて配置されていることを特徴とするマイクロジャイロスコープ。
7. 請求項１から請求項６までのいずれかに記載されたマイクロジャイロスコープであって、
   前記第１のグループの前記マス（４）は、ｘ又はｙ方向に関して、内側及び／又は外側フレーム（１４，１５；２０，２２）に対して、柔軟に設置されていることを特徴とするマイクロジャイロスコープ。
8. 請求項１から請求項７までのいずれかに記載されたマイクロジャイロスコープであって、
   前記第１のグループのマス（４）は、径方向に関して、硬い支柱（１３）又は補助的ウェブに対して、柔軟に設置されていることを特徴とするマイクロジャイロスコープ。
9. 請求項１から請求項８までのいずれかに記載されたマイクロジャイロスコープであって、
   内側フレーム（１４）は、１又は複数の略中央のアンカ（２）に対して設置されていることを特徴とするマイクロジャイロスコープ。
10. 請求項１から請求項９までのいずれかに記載されたマイクロジャイロスコープであって、
    内側及び／又は外側フレーム（１４，１５；２０，２２）は、ｘ及び／又はｙ軸に関する前記第１のグループの前記マス（４）の傾き運動のために、１又は複数のアンカ（２，１８）に対してジンバル状に設置されていることを特徴とするマイクロジャイロスコープ。
11. 請求項１０に記載されたマイクロジャイロスコープであって、
    前記内側及び外側フレーム（１４，１５；２０，２２）の前記ジンバル状の設置は、前記傾き運動と同様の傾き軸に関して柔軟であり、しかし線形な運動に関しては概ね非弾性的であることを特徴とするマイクロジャイロスコープ。
12. 請求項１から請求項１１までのいずれかに記載されたマイクロジャイロスコープであって、
    前記第２のグループの前記マス（５）の少なくとも一部は、ｚ軸に関して回転できるか、又は径方向の配列に対して垂直に変位できるように、設置されていることを特徴とするマイクロジャイロスコープ。
13. 請求項１から請求項１２までのいずれかに記載されたマイクロジャイロスコープであって、
    前記第２のグループの前記マス（５）は、振動フレーム（１０）及び当該振動フレーム（１０）に接続される区分マス（１１）を有することを特徴とするマイクロジャイロスコープ。
14. 請求項１３に記載されたマイクロジャイロスコープであって、
    前記区分マス（１１）は、振動フレーム（１０）に対して、当該区分マス（１１）が前記フレーム（１０）の振動運動に対して垂直に変位できるように結合されていることを特徴とするマイクロジャイロスコープ。
15. 請求項１から請求項１４までのいずれかに記載されたマイクロジャイロスコープであって、
    前記第１のグループの前記振動マス（４）の変位の測定のための第１のセンサ要素が、前記振動マス（４）の下方に配置されていることを特徴とするマイクロジャイロスコープ。
16. 請求項１から請求項１５までのいずれかに記載されたマイクロジャイロスコープであって、
    前記第２のグループの前記マス（５）又は区分マス（１１）の変位を測定するための第２のセンサ要素を備えることを特徴とするマイクロジャイロスコープ。
17. 請求項１から請求項１６までのいずれかに記載されたマイクロジャイロスコープであって、
    前記振動マス（４，５）の前記駆動要素はフォーク状の電極であることを特徴とするマイクロジャイロスコープ。
18. 請求項１６に記載されたマイクロジャイロスコープであって、
    前記マス（５）又は区分マス（１１）の変位を測定するための前記第２のセンサ要素は、前記基板に固定された対向電極（２４）のためのシールド電極（２５）を備える検知ボックス（２３）に配置されていることを特徴とするマイクロジャイロスコープ。

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