JP2017506739A - 改良されたジャイロスコープ構造およびジャイロスコープ - Google Patents

Abstract

駆動構造、検知構造および連結スプリング構造の具体的な配置を有し、非常に限定された表面領域における、より大きな規模の駆動構造と検知構造の直交に方向付けられた運動を可能にする、ジャイロスコープ構造。【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記載するジャイロスコープ構造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）、即ち、ＭＥＭＳは、小型化された機械的システム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ツール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とを１片のシリコン上に組み立てて、先進のマシンが可能となる。

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効果を利用する。質量体が１方向において運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変位が、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りえない。その代わりに、機械的振動（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）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尺度（ｍｅａｓｕｒｅ）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センサであり、現在もトレンドは更にコンパクトな構造に向かっている。ジャイロスコープの設計における基本的課題は、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、従来の音叉型構造のような、多くのコンパクトなＭＥＭＳジャイロ設計における悩みの種である。

外部からの振動に対する感度を低くするための１つの既知のアプローチは、共通軸の周りに延びる内縁または外縁（ｉｎｎｅｒ ａｎｄ ｏｕｔｅｒ ｐｅｒｉｐｈｅｒｉｅｓ）を有する環状または輪状の構造を有する平面状振動共振器を含む平衡リング構造（ｂａｌａｎｃｅｄ ｒｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）である。平面状共振器は、典型的に、４５°の相互角度において縮退対の振動モードとして存在するｃｏｓ２θ共振モードに励起される。これらのモードの１つは、キャリアモードとして励起される。構造がリングの平面に垂直な軸の周りに回転するとき、コリオリ力がエネルギーを応答モードに連動させる。応答モードの運動の振幅は、適用回転速度の直接的な尺度を与える。

リング構造の欠点は、部分的（ｓｅｃｔｉｏｎａｌ）振動質量体とそれらの変位が比較的小さく、その結果得られる信号レベルが低いことである。また、部分的アクチュエーションと検知する構造の寸法が、機能を区別できないものにし、ひいては機能を損なうことになる。

発明の概要
本発明の目的は、外部からの衝撃に対して鈍感な、コンパクトなジャイロスコープ構造を提供することである。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を用いて達成される。

特許請求の範囲は、駆動構造の第１のペアと、駆動構造の第２のペアと、検知構造の第１のペアと、検知構造の第２のペアとを有する微小電気機械のジャイロスコープ構造を規定する。駆動構造は、振動質量体に連結され、かつ、振動質量体の一次振動を誘導するように構成されているトランスデューサを含んでいる。駆動構造のペアの振動質量体は、逆位相において振動するように連結され、かつ、一次振動の共通軸に位置合わせされている。駆動構造の第１のペアの一次振動の軸と、駆動構造の第２のペアの一次振動の軸とは、振動の平面に沿って直交して延びる。他方、検知構造は、検知デバイスと連結スプリング構造（ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｓｐｒｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）とを含んでいる。連結スプリング構造は、駆動構造の第１のペアの振動質量体と、駆動構造の第２のペアの振動質量体とに、検知デバイスを連結する。連結スプリング構造は、振動質量体の各々の、その一次振動の軸に垂直な方向の運動の成分を検知デバイスに中継し、かつ、振動質量体の各々の、その一次振動の軸の方向における運動の成分を吸収するように構成されている。検知デバイスは、駆動構造の第１のペアの一次振動の軸に対角であり、かつ駆動構造の第２のペアの一次振動の軸に対角である方向に振動するように構成されている。

また、特許請求の範囲は、微小電気機械のジャイロスコープ構造を含むジャイロスコープを規定する。本発明の有利な実施態様は、従属請求項に開示される。

本発明は、駆動構造、検知構造、および連結スプリング構造の具体的な配置に基づいており、これにより非常に限定された表面領域における、より大きな規模の駆動構造と検知構造の直交に方向付けられた運動を可能にするものである。

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の実施態様を示す。 図２は、例示的な駆動構造を示す。 図３は、例示的な中央スプリング構造を示す。 図４は、ジャイロスコープ構造の駆動モードの運動を示す。 図５は、例示的な検知構造を示す。 図６は、ジャイロスコープ構造の検知モードの運動を示す。 図７は、他の例示的な検知構造を示す。 図８は、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、１つの実施態様にのみ適用される特徴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。ジャイロスコープ構造の様々な実装においては、一般的に当業者に知られている要素やここに具体的に記載しない要素を有することがある。

図１は、本発明に従うジャイロスコープ構造の実施態様を示す。図の構造は、４つの振動質量体１００、１０２、１０４、１０６と、駆動構造１２０、１２２、１２４、１２６と、検知構造１７０、１７２、１７４、１７６とを含む。２つの駆動構造１２０、１２２は、駆動構造の第１のペアを形成し、他の２つの駆動構造１２４、１２６は駆動構造の第２のペアを形成する。図２は、図１の例示的な駆動構造１２０をより詳細に示す。

本明細書において、駆動構造２００は、振動質量体２０２を懸架し、かつ、これに駆動モードの一次振動を誘導する要素の組み合わせを指す。本明細書において、用語「振動質量体（ｓｅｉｓｍｉｃ ｍａｓｓ）」は、固定支持体（ｓｔａｔｉｃ ｓｕｐｐｏｒｔ）に懸架されて慣性運動を提供してもよい質量体本体を指す。振動質量体２０２は、平面形状を有していてもよい。これは、振動質量体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広がり、かつ、そこに平坦な表面を形成していることを意味する。許容誤差内で、振動質量体の平坦な表面は、その上の任意の２点を接続する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。

一次振動のために、駆動構造２００は、振動質量体２０２に振動の平面における２つの自由度を許容する第１のスプリング構造２０６、２２０によって、ジャイロスコープの他の本体要素に振動質量体２０２を懸架してもよい。第１のスプリング構造は、第１の自由度のための一次要素２０６と第２の自由度のための二次要素２２０とを含んでいてもよい。一次要素２０６は、アンカー要素２０８と懸架スプリング２１０とを含んでいてもよい。アンカー要素２０８は、固定（非振動）支持体への接続、典型的には他の本体要素への接続を提供してもよい。ジャイロスコープ構造がＭＥＭＳ構造ウェハの場合は、他の本体要素は、例えば下層のハンドルウェハまたは、ジャイロスコープダイを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。懸架スプリング２１０は、振動質量体２０２とアンカー要素２０８との間で、指向性のある方法で延びて、これにより、懸架スプリング２１０が一方向において非常に弾性があり、それに垂直な他の方向においては剛性であるようにしてもよい。これは、懸架スプリング２１０が一方向においてその変位に対して及ぼす力が、該懸架スプリング２１０がそれに垂直な方向においてその変位に対して及ぼす力の数倍（ｍｕｌｔｉｆｏｌｄ）であることを意味する。懸架スプリング２１０が、そしてひいては一次要素２０６が弾性である方向が、第１の自由度（即ち、振動質量体２０２の一次振動の方向）に対応していてもよい。本明細書において、「一次振動（ｐｒｉｍａｒｙ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）」は、指向性の往復運動であって、振動質量体２０２の励起に起因するものを指す。

二次要素２２０は、振動質量体２０２と一次要素２０６との間に指向性のある方法で、かつ、直交して配置されて、これにより、二次要素が弾性である方向が、第２の自由度（即ち、振動質量体２０２の二次振動の方向）に対応するようにしてもよい。本明細書において、「二次振動（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）」は、指向性の往復運動であって、ジャイロスコープ構造に誘導される角運動に起因するコリオリ力に起因するものを指す。二次要素は、長手方向の寸法が初めは振動質量体２０２の一次振動の方向にあるように配置され、かつ、振動質量体２０２における側方の点（ｌａｔｅｒａｌ ｐｏｉｎｔ）と一次要素２０６の側方の点とを直接的または間接的に連結するように配置されている曲げビーム（ｂｅｎｄｉｎｇ ｂｅａｍ）を含んでいてもよい。図２は、振動の平面において連結された点をオフセットする剛性の斜めの延長部分（ｏｂｌｉｑｕｅ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ）を含む間接的な連結を示す。指向性の振動を配置（ａｒｒａｎｇｅ）するための他のスプリング構造が、本発明の技術的範囲内で適用されてもよい。一次要素２０６と二次要素２２０とを組み合わせた結果として、振動質量体２０２は、一次振動の方向において、および二次振動の方向において、自由度を有する。

また、駆動構造２００は、入力された電気エネルギーを振動質量体の機械エネルギーに変換するトランスデューサ２０４も有していてもよい。図２の例示的な駆動構造は、櫛形固定子（ｓｔａｔｏｒ ｃｏｍｂ）２１２と櫛形回転子（ｒｏｔｏｒ ｃｏｍｂ）２１４のペアの間の静電容量が、櫛形回転子の変位とともに線形に変化する櫛形駆動の静電容量型アクチュエーションを適用している。静電容量型アクチュエーションの他の形態を本発明の技術的範囲内で適用してもよい。例えば、パラレルプレートの櫛形を使用してもよく、またはパラレルプレートと縦型のコンデンサの特徴を組み合わせたハイブリッド櫛形を使用してもよい。また、圧電型の励起を適用してもよい。対応する励起方法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。

図１を再び参照すると、駆動構造１２０、１２２の第１のペアと、駆動構造１２４、１２６の第２のペアとにおいて、振動質量体は、逆位相の一次振動のために、それぞれ、一次振動の共通軸１２８、１３０の方向に連結されている。本明細書において、「一次振動の軸（ａｘｉｓ ｏｆ ｐｒｉｍａｒｙ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）」は、一次振動の方向と一致し、かつ、振動質量体と重なる軸を指す。有利には、振動質量体は対称軸を有し、かつ、一次振動の軸は振動質量体の対称軸と重なる。駆動構造のペア１２０、１２２または１２４、１２６に連結されている２つの振動質量体１００、１０２または１０４、１０６の一次振動は、一次振動の共通軸１２８または１３０の方向において、それぞれ、起こるように構成されている。

図１の構成は、以下、水平方向と垂直方向と呼ぶ方向ＸとＹに関連して示される。駆動構造の第１のペアの一方の駆動構造を第１の垂直駆動構造１２０と、駆動構造の第１のペアの他方の駆動構造を第２の垂直駆動構造１２２と呼ぶことがある。対応して、駆動構造の第２のペアは、第１の水平駆動構造１２４と第２の水平駆動構造１２６とを含んでいてもよい。一次運動において、垂直駆動構造１２０、１２２の各々における振動質量体は、一次振動の垂直軸１２８の方向に往復振動する。対応して、水平駆動構造１２４、１２６の各々の振動質量体は、一次振動の水平軸１３０の方向に往復振動する。

駆動構造のペアにおける振動質量体の一次振動は、逆位相運動である。これは、例えば、第１の垂直駆動構造１２０の振動質量体の振動が、第２の垂直駆動構造１２２の振動質量体と、同じ周波数であり、かつ、時間において同じ点を基準とするが、両者の間の位相差が１８０度（πラジアン）であることを意味する。したがって、振動質量体は、互いに向かってまたは互いから離れる方向に同じ速度で運動する。水平駆動構造の振動質量体の一次振動も同様であるが、水平方向である。

振動質量体の一次振動の方向は、駆動構造の配置に依存する。その方向は、さらに、逆位相の駆動運動の周波数と方向の精度を向上する駆動連結スプリング構造を用いて実現されてもよい。図３は、そのような駆動連結（ｄｒｉｖｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）のための図１の例示的な中央スプリング構造３００をより詳細に示す。スプリング構造３００は、それらの長手方向の方向における運動を堅固に中継するが、それらの長手方向に垂直な方向においては屈曲する（ｆｌｅｘ）と考えられてもよい複数の細長いビームを含んでいる。スプリング構造は、４つの対角のビーム３０２、３０４、３０６、３０８を含んでいてもよい。各々の対角のビーム３０２、３０４、３０６、３０８の一端は、駆動構造の第１のペアの振動質量体と駆動構造の第２のペアの振動質量体との間のアンカー点３１０、３１２、３１４、３１６において固定支持体に固定されていてもよい。対角のビーム３０２、３０４、３０６、３０８は、それぞれのアンカー点から内側に、即ち垂直の一次振動の軸１２８と水平の一次振動の軸１３０とが交差するジャイロスコープ構造内の中心点３１８に向かって、延びていてもよい。対角のビーム３０２、３０４、３０６、３０８の他端は、接続点から駆動構造を通って隣接する振動質量体に延びる、２つの連結ビームに接続されていてもよい。

例えば、図３の対角のビーム３０２は、アンカー点３１０に支持され、かつ、そこから内側に延びている。接続点３２０において、中心点３１８の前で、対角のビーム３０２は、２つの連結ビーム３２２、３２４に接続されている。第１の連結ビーム３２２の一端は、第２の連結ビーム３２４の一端と、対角のビーム３０２の一端とに接続され、かつ、第１の連結ビーム３２２の他端は、第１の垂直駆動構造１２０の一次振動に従って運動するように接続されている。第１の連結ビーム３２２の他端は、第１の垂直駆動構造１２０の可動部分に接続されていてもよく、有利には、その一次振動の軸１２８における点に接続されていてもよい。第２の連結ビーム３２４の一端は、第１の連結ビーム３２２の一端と、対角のビーム３０２の一端とに接続され、かつ、第２の連結ビーム３２４の他端は、第１の水平駆動構造１２４に従って運動するように接続されている。第２の連結ビーム３２４の他端は、同様に、第１の水平駆動構造１２４の一次振動の軸における点に接続されていてもよい。

同様の連結ビームのペアが、図３に示すように、対角のビーム３０２、３０４、３０６、３０８の各々の内向きを指す端部（ｉｎｗａｒｄ ｐｏｉｎｔｉｎｇ ｅｎｄｓ）を接続するように配置されていてもよい。対角のビーム３０２とその２つの連結ビーム３２２、３２４の接続点３２０は、中心点３１８の前に位置しているため、第１の垂直駆動構造１２０に接続する連結ビーム３２２、３２４は、初めはその一次振動の軸１２８と小さな鋭角を形成する。連結ビームの同じ配向（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）を全ての駆動構造について繰り返してもよい。

図４は、構造の動作時における、一次運動中の図１の駆動構造の構成の動作を示す。第１の垂直駆動構造１２０が、一次運動において軸１２８の方向において外向きに運動するとき、連結ビーム３２２、３２６は一次振動に従って運動し、軸１２８に向かって屈曲する。また、対角のビーム３０２、３０６の連結された端部は、一次振動に従って軸１２８に向かって屈曲し、かつ、連結ビーム３２２、３２６と第１の垂直駆動構造１２０の一次振動の軸１２８とが作る鋭角は減少する。対応する連結ビームと軸１２８との間の鋭角の対応する屈曲と減少とは、第２の垂直駆動構造１２２における反対側において起こる。しかしながら、同時に、隣接する水平駆動構造１２４、１２６における、対応する連結ビームと軸１３０との間の鋭角は増加する。

他方、垂直駆動構造１２０、１２２が内向き（図示せず）に運動するとき、隣接する駆動構造１２４、１２６は外向きの運動にある。第１の垂直駆動構造１２０の連結ビーム３２２、３２６間の鋭角は増加する。対応する連結ビームと軸１２８との間の鋭角の対応する屈曲と減少は、第２の垂直駆動構造１２２における反対側において起こる。対角のビーム３０２、３０６の連結された端部は、一次振動に従って軸１２８から離れる方向に屈曲する。水平駆動構造１２４、１２６の対応する連結ビームと軸１３０との間の鋭角は減少し、かつ、それらの対角のビームの連結された端部は、軸１３０に向かって屈曲する。

対角のビームと連結ビームとの上述の組み合わせは、非常に効率よく、駆動構造のペアの各々における両者の間の一次振動を逆位相モードに強制し、かつ、駆動構造の２組のペアの一次振動を一次振動の共通軸１２８、１３０の２つの直交方向に強制する、駆動連結スプリング構造を形成する。

また、駆動構造は、ジャイロスコープ構造によって提供される他の特徴のための更なる要素も含んでいてもよい。例えば、図１の垂直駆動構造１２０、１２２は、駆動検知信号のための更なる櫛形構造１６０、１６２を含むことが示されている。そのような信号は、駆動構造内の制御されたフォースフィードバック動作（ｆｏｒｃｅ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）に適用されてもよい。他の例として、図１の水平駆動構造１２４，１２６は、静電直交位相補正のための更なる櫛形構造１６４、１６６を含んでいてもよい。

本明細書において、「検知構造（ｓｅｎｓｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）」は、少なくとも１つの振動質量体の特定の運動を検知し、かつ、その検知された運動に対応する信号を生成するように配置されている要素を指す。ジャイロスコープ構造において、検知された運動は、ジャイロスコープ構造の角運動によって作り出されるコリオリ力に起因する。ジャイロスコープ構造は、検知構造１７０、１７２の第１のペアと検知構造１７４、１７６の第２のペアとを含んでいてもよい。

図５は、図１の例示的な検知構造１７０をより詳細に示す。検知構造５００は、検知デバイス５０２と検知連結スプリング構造５０４とを含んでいてもよい。検知デバイス５０２は、入力された機械エネルギーを電気エネルギーに変換するトランスデューサを有していてもよい。入力された機械エネルギーは、検知デバイスが連結されている１以上の振動質量体の運動に起因する。トランスデューサは、固定子５０６と回転子５０８とを含んでいてもよい。また、検知デバイス５０２は、回転子を固定支持体に懸架するように配置されている第２のスプリング構造５３０も含んで、これにより、駆動構造の垂直ペアの一次振動の軸１２８に対角であり、かつ、駆動構造の水平ペアの軸１３０に対角である方向に振動することができるようにしてもよい。この文脈において、対角方向（ｄｉａｇｏｎａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）とは、その方向が軸と角度４５°（π／４）を形成することを意味する。図１の構造において、第２のスプリング構造５３０は、該対角方向において非常に弾性であり、かつ、対角方向以外の方向において非常に剛性であると見てもよい。

検知連結スプリング構造５０４は、回転子５０８を２つの振動質量体と、駆動構造の垂直ペアの隣接する駆動構造１２０の振動質量体１００と、駆動構造の水平ペアの隣接する駆動構造１２６の振動質量体１０６とに連結してもよい。検知連結スプリング構造５０４は、駆動構造の垂直ペアの隣接する駆動構造１２０の振動質量体１００の、その一次振動の軸１２８に垂直な方向における運動の成分を回転子５０８に中継し、かつ、その一次振動の軸１２８の方向において屈曲する（ｄｅｆｌｅｃｔ）ように構成されていてもよい。対応して、検知連結スプリング構造５０４は、駆動構造の水平ペアの隣接する駆動構造１２６の振動質量体１０６の運動の、その一次振動の軸１３０に垂直な方向における成分を回転子５０８に中継し、かつ、その一次振動の軸１３０の方向において屈曲するように構成されていてもよい。

図５の例示的な構造において、検知連結スプリング構造５０４は、第１の検知ビーム５１０と第２の検知ビーム５１２とを含んでいてもよい。回転子５０８は、延長ビーム５１４を経由して連結点５１６まで延びていてもよい。第１の検知ビーム５１０は、連結点５１６と垂直駆動構造１２０の振動質量体１００との間を延びていてもよく、第２の検知ビーム５１２は、連結点５１６と水平駆動構造１２６の振動質量体１０６との間を延びていてもよい。検知時において、振動質量体１００、１０６の運動の成分は、累積し、かつ、図５の矢印によって示されるように、対角方向における線形の振動をもたらす。要素の構成は、図１に示すように、全ての検知構造１７０、１７２、１７６、１７４において、対称的に繰り返されてもよい。

図６は、ジャイロスコープ構造の上述した構造の検知モードの運動（二次振動）を示す。一次モードの運動が図４に示すように起こるとき、ジャイロスコープ構造の角運動は、ジャイロスコープ構造の振動質量体に、それらの一次振動に垂直な方向に加わるコリオリ力を作り出してもよい。例として、図１の構造が、ｚ方向における角運動にさらされていると仮定する。図６に示すある一定の時点において、コリオリ力は、第１の垂直駆動構造１２０に連結された振動質量体１００を正のｘ方向に変位させ、第２の垂直駆動構造１２２の振動質量体１０２を負のｘ方向に変位させ、第１の水平駆動構造１２４の振動質量体１０４を正のｙ方向に変位させ、かつ、第２の水平駆動構造１２６の振動質量体１０６を負のｙ方向に変位させると考え得る。

検知連結スプリング構造５０４は、これらの変位を第１の検知構造１７０の連結点５１６に中継し、かつ、第１の検知構造１７０の回転子に、矢印で示す方向の線形の運動を誘導する。図に示す方向は、第１の垂直駆動構造１２０の一次振動の軸１２８に対角であり、かつ第２の水平駆動構造１２６の一次振動の軸１３０に対角である。図６の特定の時点において、振動質量体１００、１０６の変位は、第１の検知構造１７０の回転子を対角に内向きに、中心点３１８に向かって運動させると考えることができる。同時に、振動質量体１０２、１０４の変位は、検知構造の第１のペアの第２の検知構造１７２の回転子を同様に対角に内向きに変位させると考えることができる。他方、振動質量体１００、１０４の変位は、検知構造の第２のペアの第１の検知構造１７４の回転子に中継され、これに、対角に外向きに、中心点３１８から離れる方向に向かう運動を誘導する。同様に、振動質量体１０２、１０６は、検知構造の第２のペアの第２の検知構造１７６の回転子を対角に外向きに変位させると考え得る。

振動質量体の変位方向が反転（図示せず）するとき、振動質量体１００、１０６の変位は、第１の検知構造１７０の回転子を対角に外向きに運動させ、振動質量体１０２、１０４の変位は、検知構造の第１のペアの第２の検知構造１７２の回転子を対角に外向きに引っ張り、振動質量体１００、１０４の変位は、検知構造の第２のペアの第１の検知構造１７４の回転子を対角に内向きに押し、かつ、振動質量体１０２、１０６の変位は、検知構造の第２のペアの第２の検知構造１７６の回転子を対角に内向きに押す、と考えることができる。したがって、構造の角運動は、対角の方向性を持つ検知構造１７０、１７２、１７４、１７６の回転子の対角の周期的な振動を誘導する。この振動は、ジャイロスコープ構造が経験する角運動を表す電気信号に変換されてもよい二次振動である。

上記の振動質量体１００、１０２、１０４、１０６、駆動構造１２０、１２２、１２４、１２６、および検知構造１７０、１７２、１７４、１７６の対称かつ直交する配置のために、振動の周期中の一次振動においておよび二次振動において運動する要素の線形運動量と角運動量との和は、実質的にゼロである。これは、駆動モードと検知モードとが線形または角度加速度に連結する程度を有意に減少させる。加えて、要素の配置は、平衡状態の慣性力をもたらす。これは、周囲へのエネルギー漏れを減少させ、そしてこれにより、この構成を用いて実現される共振器のための高いクオリティファクター（ｈｉｇｈ ｑｕａｌｉｔｙ ｆａｃｔｏｒ）を可能にする。また、平衡状態の慣性力は、外部からの振動に対して堅牢さも提供する。

さらにまた、上述の構成において、駆動モードおよび検知モードの共振周波数は、最低のものである。すべての他のモードは、駆動モードおよび検知モードのものよりも少なくとも２倍高い周波数であり得る。極小規模の要素において、製作公差は不可避である。従来の構造において、外部からの衝撃または振動は、したがって、駆動または検知運動に連結する傾向のある共通モードの運動を生じさせ得る。これらのモードは、典型的には、駆動運動の周波数または検知モード共振周波数に近い周波数において生じ、かつ、少なくともこれらのいずれかよりも低い。いまや望ましくない共通モードの周波数が顕著に高いものであるからには、モードもまた、より硬く（ｓｔｉｆｆｅｒ）、かつ外部の振動によって生ずる運動の振幅も、より小さい。請求項に記載の駆動構造と検知構造の構成は、ジャイロスコープ構造を外部からの振動に対して格別に堅牢にする、強度の連結（即ち、差動モードの振動の周波数のオーダーのうち、共通モードと差動モードの振動の周波数における差が大きい）を提供する。

駆動構造、検知構造および連結スプリング構造の具体的な配置のために、検知構造は、駆動モードにおいて本質的に変位せず、かつ駆動構造は、検知モードにおいて本質的に変位しない。駆動モードにおける検知構造の変位が効果的に最小化されるので、検知構造のペアからの共通モードのエラー信号が非常に小さい。加えて、エラーは、それ自体として当業者に周知である示差測定原理を適用することによりさらに減少させ得る。

微小電気機械の構造においては、運動する要素の非線形のおよび／または回転性の変位によって生ずる調波信号のような、二次効果が存在し得る。上述の構成において、駆動構造および検知構造の変位は、たとえ１０マイクロメートルまでの高振幅の場合であっても、直線的であり、かつ、そうあり続ける。

図７は、微小電気機械のジャイロスコープ構造において適用できる代替的な検知構造を示す。この解決手段において、機械ドメインから電気ドメインへの移行には圧電性を応用する。検知構造は、圧電型検知デバイス７０２と、検知デバイス７０２を固定支持体に懸架するよう配置されている第２のスプリング構造７３０とを含んでいてもよく、これにより、駆動構造の垂直ペアの一次振動の軸に対角であり、かつ、駆動構造の水平ペアの軸に対角である方向に運動することができるようにする。

図５に示すように、検知連結スプリング構造７０４は、検知デバイス７０２を２つの振動質量体に連結して、検知デバイスに両方の振動質量体の運動の成分を中継するようにしてもよい。検知デバイス７０２は、延長構造７１４を経由して連結点７１６に延びて、連結スプリング構造７０４に接続してもよい。検知時において、振動質量体の運動の成分は、累積し、かつ、図７の矢印によって示されるように、対角方向における線形の振動をもたらす。

圧電型検知デバイス７０２は、少なくとも１つの検出要素７４０を含んでいてもよい。検出要素は、連結点の運動に従って屈曲するように配置されている検出ビームであってもよい。検出ビーム７４０は、その両端から可動延長構造７１４に、およびその中心から、アンカー、または固定された（ａｎｃｈｏｒｅｄ）構造に連結されていてもよい。図７は、検知デバイスが第１のビーム７４０と第２のビーム７４２とを含んでいる例を示す。第１のビーム７４０は、その両端から可動延長構造７１４に、およびその中心から、第２のビーム７４２の中心に連結されていてもよい。第２のビーム７４２は、その両端の各々から支持構造に固定されていてもよい。この方法により、連結ビーム７４０、７４２は、連結点の運動に従って屈曲するように配置されている。検出ビーム７４０、７４２は、検出ビームの屈曲に従って屈曲する圧電型フィルムを含んでいてもよい。結果として生ずる電荷が、検知された運動を示す信号として読み出され使用されてもよい。

図８は、第１の部分８００と第２の部分８０２とを含むジャイロスコープの要素を示す。第１の部分８００は、図１のジャイロスコープ構造を含んでいてもよく、第２の部分８０２は、電気信号をジャイロスコープ構造と交換するように接続されている電気回路を含んでいてもよい。図２に示すように、信号ｓ１は、検知構造から電気回路８０２に、または電気回路からジャイロスコープ構造に、入力されてもよい。検出された角運動に対応する出力信号Ｓは、信号ｓ１から計算されてもよい。

ジャイロスコープは、様々なセンサ要素を含む複合的なセンサ要素に含まれていてもよく、その例を挙げれば、有線または移動コンピューティング、ゲーム用または通信用デバイス、測定デバイス、レンダリングデバイス、または車両用機能制御ユニット等がある。

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 (11)

1. 微小電気機械のジャイロスコープ構造であって、該微小電気機械のジャイロスコープ構造が、
   駆動構造の第１のペアと、
   駆動構造の第２のペアと、
   検知構造の第１のペアと、
   検知構造の第２のペアとを有するものであって、該微小電気機械のジャイロスコープ構造において、
   駆動構造が、振動質量体に連結され、かつ、前記振動質量体の一次振動を誘導するよう構成されたトランスデューサを含んでおり、
   駆動構造のペアの振動質量体が、逆位相において振動するように連結され、かつ、一次振動の共通軸に位置合わせされており、
   駆動構造の前記第１のペアの一次振動の軸と駆動構造の前記第２のペアの一次振動の軸とが、振動の平面に沿って直交して延びており、
   検知構造が、検知デバイスと連結スプリング構造とを含んでおり、
   前記連結スプリング構造が、前記検知デバイスを駆動構造の前記第１のペアの振動質量体と、駆動構造の前記第２のペアの振動質量体とに接続しており、
   前記連結スプリング構造が、前記振動質量体の各々の、その一次振動の軸に垂直な方向における、運動の成分を前記検知デバイスに中継し、かつ、前記振動質量体の各々の、その一次振動の軸の方向における、運動の成分を吸収するように構成されているものであり、
   前記検知デバイスが、固定支持体に懸架され、かつ駆動構造の前記第１のペアの一次振動の前記軸に対角であり、かつ駆動構造の前記第２のペアの一次振動の前記軸に対角である方向において振動するように構成されているものである
   微小電気機械のジャイロスコープ構造。
2. 駆動構造の前記第１のペアが、第１の振動質量体に連結された第１の垂直駆動構造と、第２の振動質量体に連結された第２の垂直駆動構造とを含んでおり、
   駆動構造の前記第２のペアが、第３の振動質量体に連結された第１の水平駆動構造と、第４の振動質量体に連結された第２の水平駆動構造とを含んでおり、
   検知構造の前記第１のペアが、第１の検知構造と第２の検知構造とを含んでおり、
   検知構造の前記第２のペアが、第３の検知構造と第４の検知構造とを含んでおり、
   前記第１の検知構造が、前記第１の振動質量体と前記第４の振動質量体とに連結されており、
   前記第２の検知構造が、前記第２の振動質量体と前記第３の振動質量体とに連結されており、
   前記第３の検知構造が、前記第１の振動質量体と前記第３の振動質量体とに連結されており、
   前記第４の検知構造が、前記第２の振動質量体と前記第４の振動質量体とに連結されている
   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。
3. 一次振動の軸に対角である方向が、一次振動の前記軸と角度４５°（π／４）を形成する
   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。
4. 前記駆動構造の各々が、前記連結された振動質量体に２つの自由度を許容する第１のスプリング構造を含んでいる
   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。
5. 前記第１のスプリング構造が、第１の自由度のための一次要素（２０６）と第２の自由度のための二次要素（２２０）とを含んでおり、
   前記一次要素（２０６）が、アンカー要素（２０８）と、振動質量体（２０２）と前記アンカー要素（２０８）との間に延びる懸架スプリング（２１０）とを含んでおり、
   前記懸架スプリング（２１０）が、前記振動質量体の前記一次振動の方向の方向において弾性であり、
   前記二次要素（２２０）が、前記振動質量体（２０２）と前記一次要素（２０６）とを連結し、かつ、前記振動質量体（２０２）の前記二次振動の方向において弾性であって、前記振動質量体（２０２）の前記二次振動の前記方向が、前記振動質量体（２０２）の前記一次振動の前記方向に直交する
   ことを特徴とする請求項４に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造。
6. 前記駆動構造の少なくとも１つが、前記駆動構造（２００）に一次振動を励起するためのトランスデューサを含んでいる
   ことを特徴とする請求項４または５に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造。
7. 前記構造が、駆動構造のペアにおける両者の間の前記一次振動を逆位相モードに強制するよう配置されている駆動連結スプリングを含んでいる
   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。
8. 前記駆動連結スプリングが、４つの対角のビーム（３０２、３０４、３０６、３０８）を含んでおり、
   前記対角のビーム（３０２、３０４、３０６、３０８）の各々の一端が、駆動構造（１２０、１２２）の第１のペアの振動質量体と隣接する駆動構造（１２４、１２６）の第２のペアの振動質量体との間のアンカー点（３１０、３１２、３１４、３１６）に固定されており、
   前記対角のビーム（３０２、３０４、３０６、３０８）が、それぞれのアンカー点から前記ジャイロスコープ構造内の中心点（３１８）に向かって延びており、
   前記対角のビーム（３０２、３０４、３０６、３０８）の他端が、２つの連結ビームへの接続点において接続されており、前記２つの連結ビームの１つは、前記接続点から、駆動構造（１２０、１２２）の第１のペアの前記振動質量体に向かって延びており、かつその他端は、前記接続点から、駆動構造（１２４、１２６）の前記隣接する第２のペアの前記振動質量体に向かって延びている
   ことを特徴とする請求項７に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造。
9. 前記検知構造の各々において、
   前記連結スプリング構造（５０４）が、第１の検知ビーム（５１０）と第２の検知ビーム（５１２）とを含んでおり、
   前記検知デバイスが、延長ビーム（５１４）を経由して連結点（５１６）に延びる回転子（５０８）を含んでおり、
   前記第１の検知ビーム（５１０）が、前記連結点（５１６）と前記駆動構造の前記第１のペアの前記振動質量体（１００）との間に延びており、かつ、
   前記第２の検知ビーム（５１２）が、前記連結点（５１６）と前記駆動構造の前記第２のペアの前記振動質量体（１０６）との間に延びている
   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。
10. 前記検知デバイスが、連結点に連結され、かつ前記連結点の運動に従って屈曲するよう配置されている少なくとも１つの柔軟な検出要素を含んでおり、
    前記柔軟な検出要素の１以上が、前記検出要素の前記屈曲に従って屈曲する圧電型フィルムを含んでいる
    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。
11. 請求項１〜１０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を含んでいる
    ことを特徴とする微小電気機械のジャイロスコープ。