JP2016530542A - 改良されたジャイロスコープ構造体およびジャイロスコープ - Google Patents

Abstract

質量体の平面を形成するように懸架されている２つの振動質量体を含む微小電気機械のジャイロスコープ。振動質量体は、質量体の平面にある共通の主軸の周りで回転振動を励起される。検出された角運動は、第１の検出軸の周りで第１の振動質量体の回転振動を起こし、また、第２の検出軸の周りで第２の振動質量体の回転振動を起こす。これらの検出軸は質量体の平面に対して垂直であり、ゼロでない距離で隔てられている。【選択図】図１

Description

発明の分野
本発明は、微小電気機械デバイス、および、特に独立請求項の前文に規定する、ジャイロスコープ構造体およびジャイロスコープに関する。

発明の背景
微小電気機械システム（マイクロエレクトロメカニカルシステム；Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）、つまり、ＭＥＭＳは、小型化された機械的および電気機械的システムであって、少なくともいくつかの要素が機械的機能性を有するもの、と定義できる。ＭＥＭＳデバイスは、集積回路の作成に使用する道具と同じものを使って作られるので、複数のマイクロマシンとマイクロエレクトロニクスを同じシリコンピース上に組み立てて、先進的なデバイスを実現することができる。

ＭＥＭＳ構造は、物理的性質（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ）におけるごく僅かな変化を迅速かつ正確に検出するために適用できる。例えば、微小電気機械のジャイロスコープは、ごく僅かな角変位を迅速かつ正確に検出するために適用できる。運動（ｍｏｔｉｏｎ）は、３直交方向における並進と３直交軸の周りの回転の、６自由度を有する。後者の３つは、ジャイロスコープとしても知られる角速度センサによって測定され得る。ＭＥＭＳジャイロスコープは、角速度の測定にコリオリの効果を利用する。質量体が１方向に移動中に回転角速度が加えられると、質量体は、コリオリ力の結果として直交方向の力を受ける。そして、コリオリ力によって結果として生じた物理的移動が、例えば、容量型、圧電型または圧抵抗型の検知構造から検出され得る。

ＭＥＭＳジャイロにおいては、適切なベアリングを欠くため、一次運動（ｐｒｉｍａｒｙ ｍｏｔｉｏｎ）は、通常、従来のジャイロにみられるような連続的な回転にならない。その代わりに、機械的振動が一次運動として利用され得る。振動ジャイロスコープが一次運動の方向に直交する角運動を受けると、波状の（ｕｎｄｕｌａｔｉｎｇ）コリオリ力が生ずる。これが、該一次運動と該角運動の軸とに直交する二次振動を一次振動の周波数にて作り出す。この連動した振動の振幅を角速度の測定に用いることができる。

ジャイロスコープは、非常に複雑な慣性ＭＥＭＳセンサである。ジャイロスコープの設計における基本的な課題は、コリオリ力がごく小さいため、発生する信号が、ジャイロスコープにおいて存在する他の電気信号に比べて極めて小さくなりがちなことである。スプリアス応答と振動の影響を受けやすいことが多くのＭＥＭＳジャイロ設計における悩みの種である。

先進的な先行技術のＭＥＭＳジャイロ設計において、外部から加えられた角速度は、平行に配置された２つの平面振動質量体に、共通の回転軸の周りの逆位相運動を誘導するように構成される。この運動は、これら振動質量体の平面の上方に置かれた電極を用いて検出できる。この特定の先行技術の構成の明示的な振動方向を用いて、一次モードの振動と検出モードの振動との分離が効果的に保たれ、外部からの衝撃に対して極めて鈍感な、堅牢なセンサ構造が提供されてきた。

典型的には、基板または機能層に固定されたカバーないしキャップがＭＥＭＳジャイロスコープ構造体を包み込み、ＭＥＭＳジャイロスコープを外部条件に対して保護するケーシングを形成する。しかし、ＭＥＭＳの課題は、構造体の可動部の運動（ｍｏｖｅｍｅｎｔ）を制限せずに環境に対する保護を提供することである。例えば、上記先行技術の構造体において、振動質量体と励起構造は、ハンドルウェハとキャップウェハとの間に封入される構造ウェハ内に存在する。伝統的な加速度計やジャイロスコープは、外界との機械的接触がないために、最も容易なＭＥＭＳパッケージの１つと考えられてきた。しかし、上記先行技術のジャイロスコープ構造体において、検知電極は、キャップウェハにパターン形成されている。これは、伝統的なエポキシのオーバーモールド成形プロセスを利用することができないため、構造が設計寸法から逸脱しやすくなり、センサパッケージを複雑化する。

発明の概要
本発明の目的は、精度と外部からの衝撃に対する低感度性の向上を実現しつつ、設計寸法からの逸脱に対する感度がより低いジャイロスコープ構造体を設計することである。本発明の目的は、独立請求項の特徴部分に従うジャイロスコープ構造体を用いて実現される。

特許請求の範囲は、平面の第１の振動質量体と、平面の第２の振動質量体と、第１の振動質量体と第２の振動質量体とを他の本体要素上にて平行な配置に懸架するための第１のばね構造体とを有する微小電気機械のジャイロスコープ構造体において、第１の振動質量体の平面と第２の振動質量体の平面とが、質量体の基準面を形成することを特徴とする微小電気機械のジャイロスコープ構造体を定義する。また、微小電気機械のジャイロスコープ構造体は、励起手段と、検出手段とを有する。第１のばね構造体は、第１の振動質量体を他の本体要素に取り付けるための第１の振動質量体の平面内における第１のアンカーポイントと、第１のアンカーポイントと第１の振動質量体とに取り付けられた第１のばねアセンブリとを含み、この第１のばねアセンブリは、質量体の平面における第１の励起軸の周りで第１の振動質量体が回転振動できるようにする。第１のばね構造体は、第２の振動質量体を他の本体要素に取り付けるための第２の振動質量体の平面内における第２のアンカーポイントと、第２のアンカーポイントと第２の振動質量体とに取り付けられた第２のばねアセンブリとを含み、この第２のばねアセンブリは、質量体の平面における第２の励起軸の周りで第２の振動質量体が回転振動できるようにする。第１の励起軸と第２の励起軸とは、共通の主軸に対して位置合わせされている。

第１のばねアセンブリは、また、当該質量体の平面に対して垂直な第１の検出軸の周りで第１の振動質量体が回転振動できるようにし、また、第２のばねアセンブリは、質量体の平面に対して垂直な第２の検出軸の周りで第２の振動質量体が回転振動できるようにする。第１の検出軸と第２の検出軸とは、ゼロでない距離で隔てられている。

励起手段は、第１の振動質量体と第２の振動質量体とを共通の主軸の周りで振動させるように構成されている。検出手段は、第１の検出軸の周りの第１の振動質量体の回転振動と、第２の検出軸の周りの第２の振動質量体の回転振動とを検出するように構成されている。

検出手段は、固定子櫛部（ｓｔａｔｏｒ ｃｏｍｂ）と回転子櫛部（ｒｏｔｏｒ ｃｏｍｂ）とを有する面内検出櫛部を備える少なくとも１つの検出要素を含む。検出手段は、また、第１の振動質量体または第２の振動質量体の回転振動を質量体の平面における、共通の主軸に平行な方向の面内検出櫛部の線形振動に変換するための第２のばね構造体も含む。

特許請求の範囲は、また、当該微小電気機械のジャイロスコープ構造体を含むジャイロスコープも定義する。本発明の好ましい実施態様は、従属請求項に開示される。

本発明は、２つの平面振動質量体の一次運動モードと二次運動モードの新たな組み合わせを適用することに基づいている。一次運動において、これらの振動質量体は、共通の主軸の周りで逆位相回転振動を励起されている。各々の振動質量体の二次運動は、これら振動質量体によって形成されている平面に対して垂直な検出軸の周りの面内回転振動を含む。これら２つの振動質量体の検出軸は、このようにして、平行であるが、ある距離によって隔てられている。振動質量体の面内の回転運動は容量型の櫛形構造を用いて検出される線形の振動に変換され、その動作は、パッケージ化プロセスまたはパッケージに対する環境の変化に起因する変形に対する感度がより低い。検知モードの線形の振動が、より高い信号レベルを可能にするとともに、システムへのより容易な実装を可能にする。

本発明のさらなる利点を以下の実施態様とともに詳述する。

図面の簡単な説明
以下に、好ましい実施態様に関連して、添付の図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。

図１は、ジャイロスコープ構造体の実施態様を示す。 図２は、ジャイロスコープ構造体を含むジャイロスコープの要素を示す。

いくつかの実施態様の詳細な説明
下記の各実施態様は例示である。明細書中において「或る」、「１つの」または「いくつかの」実施態様ということがあるが、これは、必ずしもこれらの語による言及が同じ実施態様を意味したり、特徴が１つの実施態様にのみ適用されることを意味したりするものではない。異なる実施態様の特徴を１つずつ組み合わせて更なる実施態様を提供してもよい。

以下、本発明の様々な実施態様を実施しうるデバイス構成の単純な実施例を用いて本発明の特徴を説明するが、実施態様の描写に関係のある要素のみを詳細に説明する。一般的に当業者に知られているジャイロスコープ構造体の各種の実装は、ここに具体的に記載しない場合がある。

図１は、本発明に従うジャイロスコープ構造体の実施態様をＭＥＭＳジャイロスコープの構造ウェハ要素と共に示す。ジャイロスコープ構造体は、第１の振動質量体１００と第２の振動質量体１０２とを含む。用語「振動質量体」は、ここでは慣性運動を提供するようにベースに懸架されていてもよい質量本体を指す。第１の振動質量体１００と第２の振動質量体１０２とは、平面形状を有していてもよい。これは、振動質量体１００、１０２の体積の少なくとも一部が二次元（長さ、幅）における平面に沿って伸びて、そこに平らな表面を形成していることを意味する。許容誤差内で、振動質量体１００、１０２の平らな表面は、その上の任意の２点を接続する全ての直線を含むと考えることができる。ただし、その表面が振動質量体上にパターン形成された小さな出っ張りや窪みを含んでいてもよいことが理解される。

また、ジャイロスコープ構造体は、第１の振動質量体１００と第２の振動質量体１０２とをジャイロスコープの他の本体要素に懸架するための第１のばね構造体１０４も含んでいる。他の本体要素は、例えば、ジャイロスコープダイの下層のハンドルウェハまたは被覆するキャップウェハによって提供されていてもよい。なお、構造ウェハ、ハンドルウェハおよびキャップウェハの区別は概念的なものである。例えば、ハンドルウェハと構造ウェハとは別々にパターン形成されてもよく、あるいは層状のシリコン‐絶縁体‐シリコン基板からの組合せでパターン形成されてもよいことは当業者に明らかである。第１のばね構造体１０４は、第１の振動質量体１００と第２の振動質量体１０２とを平行な位置に懸架するように構成して、第１の振動質量体１００と第２の振動質量体１０２の平らな表面が質量体の平面１０６を形成するようにしてもよい。このように、質量体の平面１０６は、それら質量体に作用する外部の力が全く加わらない時は、初期の設計された位置にて懸架されている振動質量体１００、１０２の平らな表面によって形成されている基準面である。様々な条件下やジャイロスコープの作動中は、振動質量体は、それ自体、質量体の平面１０６の外へと、後に移動したり変形したりすることがあることが理解される。

図１に示すように、第１のばね構造体１０４の要素は、有利には、第１の振動質量体１００と第２の振動質量体１０２の体積内にパターン形成されている。第１のばね構造体１０４は、第１の振動質量体１００の平面内に第１のアンカーポイント１０８を含んでいてもよい。第１のアンカーポイント１０８は、第１の振動質量体１００をジャイロスコープの他の本体要素（例えば、下層の基板および／または被覆するキャップ）に取り付けるのに適した要素を指す。第１のアンカーポイント１０８は、例えば、第１のアンカーポイント１０８の領域の外縁から振動質量体の材料を取り除くことによって第１の振動質量体１００の体積にパターン形成されている領域であってもよい。第１のばね構造体１０４は、第１のアンカーポイント１０８と第１の振動質量体１００とに取り付けられた第１のばねアセンブリ１１０も含んでいてもよい。第１のばねアセンブリ１１０は、第１の振動質量体１００が質量体の平面１０６における第１の励起軸１１２の周りで回転振動できるように構成されていてもよい。第１のばねアセンブリ１１０は、例えば、第１の振動質量体１００の平面に、第１のアンカーポイント１０８と第１の振動質量体１００との間に伸びるようにパターン形成された第１のビーム状（ｂｅａｍ−ｆｏｒｍｅｄ）ばねを含んでいてもよい。動作中に第１の振動質量体１００が第１の励起軸１１２の周りで振動する時に、ビーム状ばねは、第１のアンカーポイント１０８と第１の振動質量体１００との間でねじれてもよい。

それに対応して、第１のばね構造体１０４は、第２の振動質量体１０２の平面内に第２のアンカーポイント１１４を含んでいてもよい。第２のアンカーポイント１１４は、第２の振動質量体１０２を他の本体要素（例えば、下層の基板および／または被覆するキャップ）に取り付けるのに適した要素を指す。第２のアンカーポイント１１４は、また、例えば、第２のアンカーポイント１１４の領域の外縁から振動質量体の材料を取り除くことによって第２の振動質量体１０２の体積にパターン形成されている領域であってもよい。第１のばね構造体１０４は、第２のアンカーポイント１１４と第２の振動質量体１０２とに取り付けられた第２のばねアセンブリ１１６も含んでいてもよい。第２のばねアセンブリ１１６は、第２の振動質量体１０２が質量体の平面１０６における第２の励起軸１１８の周りで回転振動できるように構成されていてもよい。第２のばねアセンブリ１１６は、例えば、第２の振動質量体１０２の平面に、第２のアンカーポイント１１４と第２の振動質量体１０２との間に伸びるようにパターン形成された第２のビーム状ばねを含んでいてもよい。動作中に第２の振動質量体１０２が第２の励起軸１１８の周りで振動する時に、ビーム状ばねは、第２のアンカーポイント１１４と第２の振動質量体１０２との間でねじれてもよい。

なお、ビーム状ばねは、第１および第２のばねアセンブリのための例示的な構造に過ぎない。他の形状を技術的範囲内で適用してもよい。例えば、各アンカーポイントを囲む環状のばね構造体も同様にこの目的に適用し得る。

図１に示すように、第１の励起軸１１２と第２の励起軸１１８とは、共通の主軸１２０を形成するように位置決めされている。共通の主軸１２０に関する振動質量体の両側の端部のシーソー型の運動を一次運動が含むように、共通の主軸１２０は、第１のアンカーポイント１０８と第２のアンカーポイント１１４とを通り抜けるようにしてもよい。

第１のばね構造体１０４において、第１のばねアセンブリ１１０は、また、第１の振動質量体１００の平面と交差し、かつ質量体の平面１０６に対して垂直な第１の検出軸１２２の周りで第１の振動質量体１００が回転振動できるようにする。それに対応して、第２のばねアセンブリ１１６も、質量体の平面１０６に対して垂直な第２の検出軸１２４の周りで第２の振動質量体１０２が回転振動できるようにする。ビーム状ばねの例示的な場合において、ビームばねは、面内で曲げ（ｂｅｎｄｉｎｇ）を受けてもよく、そしてこれによりそれぞれの振動質量体の面内回転振動を促進する。第１の検出軸１２２と第２の検出軸１２４とは、ゼロでない距離によって互いから隔てられている。有利には、検出軸１２２、１２４は、振動質量体１００、１０２の間の中心線１２６について対称に配置されている。

センサ構造は、第１の振動質量体１００と第２の振動質量体１０２とを共通の主軸１２０の周りで振動させるように構成されている第１の励起手段１３０、１３２も含む。第１の励起手段は、第１の振動質量体１００とともに動くように構成されている第１の質量体電極１３０と、第２の振動質量体１０２とともに動くように構成されている第２の質量体電極１３２とを含んでいてもよい。電極１３０、１３２は、キャップまたは基板に取り付けられている単数または複数の電極と電気的に相互作用してもよく、そして、この電気的相互作用の結果として、それぞれの振動質量体１００、１０２に共通の主軸１２０の周りの回転振動を誘導してもよい。

図１において、例示的な第１の励起手段は、振動質量体１００、１０２の平面上で対称に配置されている４つの電極層領域を有することが示されている。振動質量体に対して特定の面外方向の加振力を作り出すことができる他の位置と他の励起構造を技術的範囲内で適用してもよいことが理解される。例えば、各々の振動質量体は、振動質量体上または他の本体部分上のいずれかに配置された１つの電極領域を用いて加振されてもよい。振動質量体は、それ自体が導電材料で形成されていてもよく、または、導電材料の層を中に含んでいてもよく、そして、キャップ内または下層の基板上の固定子電極と相互作用するようにされていてもよい。また、圧電型の励起を例えば、ばねを形成する層の最上部に重ねられる圧電フィルムによって、適用してもよい。他の対応する面外の励起構造は当業者に周知であり、ここでは詳細に説明しない。

励起モードの振動を機械的にバランシングするために、そしてこれにより、例えば衝撃や振動等によりひき起こされる外部からの機械的干渉をキャンセルするために、第１の振動質量体１００の回転振動と第２の振動質量体１０２の回転振動とは、逆位相運動となるように連結されていてもよい。逆位相運動とは、ここでは、２つの振動質量体の振動性の運動であって、これらの振動質量体が同一周波数だが異なる位相にて振動する運動を指す。有利には、これら振動質量体は、逆位相にて振動する。

逆位相の連結は、第１の振動質量体１００と第２の振動質量体１０２とに接続された位相ばね構造体１４０によって増進されるようにしてもよい。有利には、位相ばね構造体１４０は、第１の振動質量体と第２の振動質量体の体積にパターン形成されている領域である。共通の主軸１２０が第１の振動質量体１００と第２の振動質量体１０２とを２つの部分に分割すると仮定する。例示的な逆位相運動において、位相ばね構造体１４０の連結は、第１の振動質量体１００の一部を共通の主軸の片側において１つの方向（上）に動かすように配置され、この時、共通の主軸１２０の同じ側の第２の振動質量体１０２の一部は、反対方向（下）に動く。

図１の例示的な構成において、位相ばね構造体１４０は、第３のばねアセンブリ１４６によって相互に接続されている、第３のアンカーポイント１４２と本質的に剛性のビーム１４４とを含んでいてもよい。第３のばねアセンブリ１４６は、第３のアンカーポイント１４２と剛性のビーム１４４の中心点とを接続する中心ばね１４８と、ビーム１４４の第１の端部を第１の振動質量体１００に接続する第１の端部ばね１５０と、ビーム１４４の第２の端部を第２の振動質量体１０２に接続する第２の端部ばね１５２とを含んでいてもよい。第１の端部ばね１５０は、質量体の平面１０６の方向に剛性で、質量体の平面１０６に対して垂直な方向に柔軟であるように構成してもよい。これは、ビーム１４４の第１の端部の運動を本質的に剛性に第１の振動質量体１００の運動に連結すると同時に、第１の振動質量体１００の回転振動の間、ビーム１４４のシーソー型の運動を可能にする。それに対応して、第２の端部ばね１５２は質量体の平面１０６の方向に剛性で、質量体の平面１０６に対して垂直な方向に柔軟であるように構成してもよい。これは、ビーム１４４の第２の端部の運動を本質的に剛性に第２の振動質量体１０２の運動に連結すると同時に、第２の振動質量体１０２の回転振動の間、ビーム１４４がシーソー型の運動をできるようにする。

位相ばね構造体１４０は、このようにして、共通の主軸１２０の片側上の第１の振動質量体１００の端部と第２の振動質量体の端部とが逆方向に動くことを保証し、そしてこれにより、一次モードの運動の回転振動を強制的に逆位相モードにする。

有利には、ジャイロスコープ構造体は、１つより多くの位相ばね構造体１４０を有していてもよい。例えば、図１のジャイロスコープ構造体は、共通の主軸１２０の両側に対称に配置されている２つの位相ばね構造体１４０、１５４を含む。ビーム１４４は、有利には、共通の主軸１２０に平行である。

振動質量体１００、１０２は、連結ばね１８０によって互いに接続されていてもよい。連結ばね１８０は、有利には、一次運動における振動質量体１００、１０２の回転振動下では共通の主軸１２０に沿ってねじれるように構成され、そして二次運動における振動質量体１００、１０２の回転振動下では質量体の平面１０６において曲がるように構成されている。連結ばね１８０は、これにより検出した振動質量体の運動を外部の角度衝撃に起因する質量体の共通モードの偏位を拒絶する逆位相の差動モードに連結する。この連結は、このようにして機械的に過酷な環境下においてさえも格別に安定した動作を保証する。

上述のように、検出された角運動に対応する二次運動が質量体の平面１０６の方向に起こる。その後に、この方向における運動の検出が、本来的に極めて安定、かつパッケージが誘発する応力による機械的変形に対処するための様々な方法を提供する櫛形構造を用いて実行されてもよい。

検出手段は、少なくとも１つの検出要素１７０、１７１、１７２、１７３を含んでいてもよく、また、第１の検出軸１２２の周りの第１の振動質量体１００の回転振動と第２の検出軸１２４の周りの第２の振動質量体１０２の回転振動とを検出するように構成されている。ジャイロスコープ要素を最適な大きさにするために、少なくとも２つの別個の検出要素１７０、１７３または１７１、１７２が質量体の平面１０６の両側にそれぞれ提供されていてもよい。外部からの機械的衝撃と振動のキャンセルを可能にする差動検出モードには、４つの検出要素１７０、１７１、１７２、１７３を質量体の平面１０６の両側に、図１に示すようにそれぞれ各２個ずつ配置して提供してもよい。

以下、第１の振動質量体１００側に位置する検出要素１７０に注目する。検出要素１７０は、固定子１７６と回転子１７５とを有する面内検出櫛部１７４を含んでいてもよい。固定子１７６は、固定子櫛部と、固定子を他の本体要素に固定するための固定子アンカーとを含んでいてもよい。回転子１７５は、第２のばね構造体１７７によって第１の振動質量体１００に取り付けられる回転子櫛部を含んでいてもよい。なお、振動質量体の面内運動を検出できる任意の可能な櫛形構造をこの目的のために適用してもよい。面内検出櫛部１７４は、線形の櫛形構造または平行なプレートの櫛形構造、またはこれらのいずれかの特徴を適用するハイブリッドの櫛形構造を含んでいてもよい。このようなＭＥＭＳ櫛形構造は、当業者に周知であり、ここではこれ以上詳細に説明しない。

第２のばね構造体１７７は、第１の振動質量体１００の回転振動を面内検出櫛部の線形振動に変換するように構成されていてもよい。線形の振動において、面内検出櫛部１７４の可動部は、質量体の平面１０６において、図１の矢印で示す共通の主軸１２０に平行な方向に動く。第２のばね構造体１７７は、細長いばねを含んでもよく、この細長いばねの一端は回転子１７５の回転子櫛部に、他端は第１の振動質量体１００に接続されている。設計された変換のために、細長いばねは、その長さの方向に本質的に剛性で、その長さに対して垂直な方向（ここでは質量体の平面１０６から出る方向）に容易に曲がるように構成されていてもよい。このようにして、細長いばねは、第１の振動質量体１００の回転する面内の二次運動を面内検出櫛部１７４の回転子の、検出のための線形の運動に正確に中継し、これと同時に、第１の振動質量体１００が共通の主軸１２０の周りで回転振動できるようにする。細長いばねは、例えば、図１に示すような蛇行ばねを用いて、実現されていてもよい。当業者に周知の同様の方向剛性と柔軟性を有する他の型のばねを技術的範囲内で適用してもよい。例えば、ビーム状ばねも同様に適用し得る。

二次運動から線形振動への変換性を向上させるために、第２のばね構造体１７７は、共通の主軸１２０に平行な方向以外の方向の、面内検出櫛部１７４の運動成分を防止するように構成されている第４のばねアセンブリ１７８も含んでいてもよい。図１は、面内検出櫛部１７４の回転子１７６が領域にパターン形成され細長い矩形形状を有する例示的な構成を示す。第４のばねアセンブリ１７８は、回転子１７６の矩形領域の１つの角を基板等の他の本体要素に連結するように構成された４つのアンカーばねを有していてもよい。各々のアンカーばねは、質量体の平面１０６における方向であって共通の主軸１２０に対して垂直な方向に本質的に剛性で、質量体の平面１０６における方向かつ共通の主軸１２０の方向に柔軟であってもよい。アンカーばねは、このようにして、検出を行うよう設計された方向以外の方向への回転子の面内運動を堅く拒絶する。

線形振動において、面内検出櫛部全体が、質量体の平面における、共通の主軸に平行な方向に、前後に均等に動く。これは、１個の検出要素から最大の静電容量差を提供する。線形運動は、異なる型の櫛部（線形、平行なプレート、またはハイブリッド）を用いて検出されてもよく、これは、ジャイロスコープ構造体全体を最適化する可能性をより高くする。線形の櫛形構造は、設計が容易で、その矩形形状によって、ジャイロスコープの平面の空間をよりよく利用することを可能にする。懸架ばね構造体は、単に非常に頑固に面外の運動に対抗するように配置されることができ、これは、一次運動と外部からの衝撃や振動からの意図しない効果に対して堅牢性を有意に改善する。

上述のように、差動検出のために、第１の検出手段は、４つの検出要素１７０、１７１、１７２、１７３を含んでいてもよい。当業者にとって、上記の原理を他の検出要素１７１、１７２、１７３の構成に実施することは、図１、および検出要素１７０に関する上記説明に基づいて明らかである。質量体の平面１０６を形成する振動質量体１００、１０２の表面が矩形形状に組み合わせられるならば、検出要素１７１、１７２、１７３は、質量体の平面１０６と、矩形形状の片側上の２つの検出要素１７０、１７１と、矩形形状の反対側上の２つの検出要素１７２、１７３とに対して平行に配置されていてもよい。図１の例示的な構成において、２つの検出要素１７０、１７１は、第１の振動質量体１００の片側に沿って共通の主軸１２０に対して対称に配置され、２つの検出要素１７２、１７３は、第２の振動質量体１０２の片側に沿って共通の主軸１２０について対称に配置されている。共通の主軸１２０が、質量体の平面１０６を２つの部分に分割すると考えられるならば、第１の検出要素１７０と第２の検出要素１７１とは第１の振動質量体１００の側に沿って、第３の検出要素１７２と第４の検出要素１７３とは第２の振動質量体１０２に沿って、配置されてもよい。第１の検出要素１７０と第３の検出要素とは、共通の主軸１２０に関して同じ部分において、互いに向かい合っていてもよく、第２の検出要素１７１と第４の検出要素１７４とは、共通の主軸１２０に対して同じ部分において、互いに向かい合っていてもよい。

図２は、第１の構成要素２００と第２の構成要素２０２とを含むジャイロスコープの要素を示す。第１の構成要素２００は、図１のジャイロスコープ構造体を含んでいてもよく、第２の構成要素２０２は、ジャイロスコープ構造体と電気信号を交換するように接続された電気回路２０２を含んでいてもよい。図２に示すように、４つの検出要素１７０、１７１、１７２、１７３の各々からの対応する信号ｓ１、ｓ２、ｓ３、ｓ４が、電気回路２０２に入力されてもよい。電気回路に入力されるべき、検出された角運動に対応する差動出力信号Ｓ_ｄｉｆｆは、以下のように計算されてもよい。

Ｓ_ｄｉｆｆ ＝ （ｓ１＋ｓ４） − （ｓ２＋ｓ３） （１）

（即ち、第１の検出要素１７０と第４の検出要素１７２からの信号の合計から第２の検出要素１７１と第３の検出要素１７３からの信号の合計を減ずる。）

外部からの電気的および機械的干渉は、検出された角運動からの信号成分と同等あるいはそれより大きい信号成分を誘導してもよいことが理解される。しかし、これらのかく乱効果は、ジャイロスコープ構造体の全ての検出要素に同様に適用されるので、上述の差動検出スキームにおいて取り除かれるようになる。電気回路からの差動出力信号Ｓ_ｄｉｆｆは、このようにして、非常に要求の大きい動作条件においてすら、検出された角運動に正確に従う。

技術の進歩に従い、本発明の基本概念が様々な方法で実施し得ることは、当業者に自明である。従って、本発明およびその実施態様は、上記の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の適用範囲内で変化しうるものである。

Claims (24)

1. 微小電気機械のジャイロスコープ構造体であって、前記構造体が、
   平面の表面を含む第１の振動質量体と、
   平面の表面を含む第２の振動質量体と、
   前記第１の振動質量体と前記第２の振動質量体とを他の本体要素上にて平行な配置に懸架するための第１のばね構造体であって、前記第１の振動質量体の前記平面の表面と前記第２の振動質量体の前記平面の表面とが、質量体の基準面を形成しているものである、前記第１のばね構造体と、
   励起手段と、
   検出手段とを有し、
   前記第１のばね構造体が、前記第１の振動質量体を前記他の本体要素に取り付けるための前記第１の振動質量体の平面内における第１のアンカーポイントと、前記第１のアンカーポイントと前記第１の振動質量体とに取り付けられた第１のばねアセンブリとを含み、前記第１のばねアセンブリは、質量体の前記平面に平行である第１の励起軸の周りで前記第１の振動質量体が回転振動できるようにするものであって、
   前記第１のばね構造体が、前記第２の振動質量体を前記他の本体要素に取り付けるための前記第２の振動質量体の平面内における第２のアンカーポイントと、前記第２のアンカーポイントと前記第２の振動質量体とに取り付けられた第２のばねアセンブリとを含み、前記第２のばねアセンブリは、質量体の前記平面に平行である第２の励起軸の周りで前記第２の振動質量体が回転振動できるようにするものであって、
   前記第１の励起軸と前記第２の励起軸とは、共通の主軸に対して位置合わせがされており、
   前記第１のばねアセンブリは、質量体の前記平面に対して垂直な第１の検出軸の周りで前記第１の振動質量体が回転振動できるようにし、
   前記第２のばねアセンブリは、質量体の前記平面に対して垂直な第２の検出軸の周りで前記第２の振動質量体が回転振動できるようにし、
   前記第１の検出軸と前記第２の検出軸とは、ゼロでない距離で隔てられており、
   前記励起手段は、前記第１の振動質量体と前記第２の振動質量体とを前記共通の主軸の周りで振動させるように構成されており、
   前記検出手段は、面内検出櫛部を備える少なくとも１つの検出要素と、前記第１の振動質量体または前記第２の振動質量体の前記回転振動を質量体の前記平面における、前記共通の主軸に平行な方向の前記面内検出櫛部の線形振動に変換するための第２のばね構造体とを含み、
   前記検出手段は、前記面内検出櫛部の前記線形振動を検出するように構成されている
   ことを特徴とする微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
2. 前記第１の振動質量体と前記第２の振動質量体とが、前記共通の主軸に沿ってねじれるように、かつ質量体の前記平面において曲がるように構成されている連結ばねによって接続されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
3. 前記共通の主軸が、前記第１のアンカーポイントと前記第２のアンカーポイントとを通り抜ける
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
4. 前記連結ばねが、前記第１の振動質量体と前記第２の振動質量体との間で前記共通の主軸に沿って伸びるビーム状ばねである
   ことを特徴とする請求項３に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
5. 前記第１のアンカーポイントが、前記第１の振動質量体にパターン形成されている領域であって、かつ前記第１のばねアセンブリが、前記第１のアンカーポイントと前記第１の振動質量体との間を伸びるように、前記第１の振動質量体にパターン形成されている第１のビーム状ばねを含むものであるか、または、
   前記第２のアンカーポイントが、前記第２の振動質量体にパターン形成されている領域であって、かつ前記第１のばねアセンブリが、前記第２のアンカーポイントと前記第２の振動質量体との間を伸びるように、前記第２の振動質量体にパターン形成されている第２のビーム状ばねを含むものである
   ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
6. 前記励起手段が、前記第１の振動質量体とともに動くように構成されている第１の質量体電極と、前記第２の振動質量体とともに動くように構成されている第２の質量体電極であって、前記他の本体要素に取り付けられた単数または複数の電極と相互作用するように構成されている第１の質量体電極と第２の質量体電極とを含む
   ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
7. 前記第１の質量体電極または前記第２の質量体電極が、前記第１の質量体または前記第２の質量体の前記表面にそれぞれパターン形成されている導電層領域を含む
   ことを特徴とする請求項６に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
8. 前記励起手段が、第３のばね構造体を含み、前記第３のばね構造体が、前記第１の振動質量体と前記第２の振動質量体とに接続され、前記第１の振動質量体の前記回転振動と前記第２の振動質量体の前記回転振動とを逆位相運動に連結するものである
   ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
9. 前記共通の主軸が、前記第１の振動質量体と前記第２の振動質量体とを２つの部分に分割し、かつ前記逆位相運動において、前記連結が、前記第１の振動質量体の一部を前記共通の主軸の片側において、１つの方向に動くように配置されており、この時、前記第２の振動質量体の一部が前記共通の主軸の同じ側において逆方向に動く
   ことを特徴とする請求項８に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
10. 前記第３のばね構造体が、
    第３のアンカーポイントと、
    本質的に剛性のビームと、
    第３のばねアセンブリであって、前記第３のアンカーポイントと前記ビームの中心点とを接続する中心ばねと、前記ビームの第１の端部を前記第１の振動質量体に接続する第１の端部ばねと、第２の端部ばねであって、前記ビームを前記第１の振動質量体と前記第２の振動質量体の運動に従う往復運動するシーソー型の運動に連結するために前記ビームの第２の端部を前記第２の振動質量体に接続する前記第２の端部ばねとを含むものである、第３のばねアセンブリとを含む
    ことを特徴とする請求項８または９に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
11. 前記第３のばね構造体が、前記第１の振動質量体と前記第２の振動質量体とにパターン形成されている領域である
    ことを特徴とする請求項１０に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
12. 前記ビームの前記第１の端部を前記第１の振動質量体に接続する前記第１の端部ばねが、質量体の前記平面の方向に剛性であるように構成されていて、前記ビームの前記第１の端部の運動を前記第１の振動質量体に本質的に堅固に連結し、かつ、質量体の前記平面に対して垂直な方向に柔軟であるように構成されていて、前記第１の振動質量体の前記回転振動の間、前記ビームが前記シーソー型の運動をできるようにするか、または、
    前記ビームの前記第２の端部を前記第２の振動質量体に接続する前記第２の端部ばねが、質量体の前記平面の方向に剛性であるように構成されていて、前記ビームの前記第２の端部の運動を前記第２の振動質量体に本質的に堅固に連結し、かつ、質量体の前記平面に対して垂直な方向に柔軟であるように構成されていて、前記第２の振動質量体の前記回転振動の間、前記ビームが前記シーソー型の運動をできるようにする
    ことを特徴とする請求項１０または１１に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
13. 前記ビームが、前記共通の主軸に平行である
    ことを特徴とする請求項１０、１１または１２に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
14. 前記検出要素が、固定子櫛部と回転子櫛部とを有する面内検出櫛部を含み、
    前記第２のばね構造体が、細長いばねを含むものであって、前記細長いばねの一端が前記回転子櫛部に接続されており、かつ前記細長いばねの他端が前記第１の振動質量体または前記第２の振動質量体に接続されており、
    前記細長いばねが、その長さに沿った方向に本質的に剛性であり、かつ質量体の前記平面の外に曲がるように構成されて、前記第１の振動質量体または前記第２の振動質量体が、前記共通の主軸の周りで前記回転振動できるようにする
    ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
15. 前記細長いばねが、蛇行ばねである
    ことを特徴とする請求項１４に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
16. 前記第２のばね構造体が、さらに、前記面内検出櫛部の運動の成分が前記共通の主軸に平行な方向から逸脱することを防止するための手段も含む
    ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
17. 前記面内検出櫛部の前記回転子が、細長い矩形形状を有する領域に伸び、
    前記第２のばね構造体が、４つのアンカーばねを有する第４のばねアセンブリであって、各アンカーばねが前記矩形の回転子領域の１つの角を前記他の本体要素に連結するように構成されている、前記第４のばねアセンブリを含み、
    各々の前記アンカーばねは、質量体の前記平面における方向であって前記共通の主軸の方向に対して垂直な方向に本質的に剛性であり、かつ質量体の前記平面における方向であって前記共通の主軸の方向に曲がる
    ことを特徴とする請求項１６に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
18. 前記第１の検出手段が、４つの別個の検出要素を有する
    ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
19. 質量体の前記平面を形成する前記第１の振動質量体の前記表面と前記第２の振動質量体の前記表面とが、矩形形状に組み合わせられており、
    前記検出要素が質量体の前記平面に平行に配置され、２つの検出要素が前記矩形形状の片側に配置され、かつ２つの検出要素が前記矩形形状の反対側に配置されている
    ことを特徴とする請求項１８に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
20. ２つの検出要素が、前記第１の振動質量体の一方の側に沿って前記共通の主軸について対称に配置され、かつ２つの検出要素が前記第２の振動質量体の一方の側に沿って前記共通の主軸について対称に配置されている
    ことを特徴とする請求項１９に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
21. 前記共通の主軸が、質量体の前記平面を２つの部分に分割し、
    第１の検出要素と第２の検出要素とが、前記第１の振動質量体の前記側に沿って配置されており、
    第３の検出要素と第４の検出要素とが、前記第２の振動質量体の前記側に沿って配置されており、
    前記第１の検出要素と前記第３の検出要素とが、前記共通の主軸に対して同じ部分にある
    ことを特徴とする請求項２０に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体。
22. 請求項１〜２１のいずれかに記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造体と、前記微小電気機械の構造体から電気信号を受け取るように接続されている電気回路とを含む
    ジャイロスコープ。
23. 前記電気回路が、前記第１の検出要素から第１の信号を受け取り、前記第２の検出要素から第２の信号を受け取り、前記第３の検出要素から第３の信号を受け取り、かつ前記第４の検出要素から第４の信号を受け取るように構成されており、
    前記電気回路が、第１の信号、第２の信号、第３の信号および第４の信号の同時的な組合せとしての差動入力信号を受け取るように構成されている
    ことを特徴とする請求項２２に記載のジャイロスコープ。
24. 前記組合せが、前記第１の検出要素と前記第４の検出要素からの信号の合計から前記第２の検出要素と前記第３の検出要素からの信号の合計を減ずることにより形成されている
    ことを特徴とする請求項２３に記載のジャイロスコープ。

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