JP2018512568A - マイクロメカニカル角速度センサ - Google Patents

Abstract

マイクロメカニカルデバイスは、マイクロメカニカルデバイスの平面に直交する軸を中心とした角速度を二重差動的に検出するための、４つの開放駆動フレームと４つの検出質量とを含む。結合フレームシステムが、４つの開放駆動フレームを同期逆相駆動運動をするように結合する。４対の隣接する開放駆動フレームの各々の位相は反対であり、４つの開放駆動フレームの直線主運動の振幅は等しい。開放駆動フレームの直線駆動運動の軸は整列される。開放駆動フレームの逆相同期駆動運動は、ばね構成を介して４つの検出質量の逆相同期駆動運動に中継される。内側結合レバーシステムが、４つの検出質量を、同期逆相検出運動をするように結合する。４対の隣接する検出質量の各々の位相は反対である。検出質量の各々の直線検出運動の軸は整列される。【選択図】図１

Description

本発明は、角速度を検出するためのマイクロメカニカルデバイスに関し、特に、独立請求項１のプリアンブルで定義されたマイクロメカニカルデバイスの平面に直交する単一の回転軸を中心とした角速度を検出するための４つの検出質量を含むマイクロメカニカルデバイスに関する。本発明はさらに、角速度を検出するためのマイクロメカニカルデバイスを動作させるための方法に関し、より詳細には、独立請求項１０のプリアンブルで定義されたマイクロメカニカルデバイスの平面に直交する単一の回転軸を中心とした角速度を検出するための４つの検出質量を含むマイクロメカニカルデバイスを動作させるための方法に関する。

微小電気機械システム、またはＭＥＭＳは、少なくともいくつかの要素が機械的機能を有する小型の機械的および電気機械的システムとして定義することができる。ＭＥＭＳデバイスは、集積回路を作成するために使用されるツールと同じまたは同様のツールを使用して作成されるため、同じシリコン上にマイクロマシンおよびマイクロエレクトロニクスを作成することができる。

ＭＥＭＳ構造は、物理的性質の非常に小さな変化を迅速かつ正確に検出するために適用することができる。例えば、マイクロ電子ジャイロスコープを適用して、非常に小さな角変位を迅速かつ正確に検出することができる。

運動には６つの自由度、すなわち、３つの直交方向における平行移動および３つの直交軸を中心とした回転がある。後者は、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することができる。ＭＥＭＳジャイロスコープでは、角速度を測定するためにコリオリ効果が使用される。質量が主運動と呼ばれる一方向に移動しており、回転角速度が加えられると、質量はコリオリの力の結果として直交方向の力を受ける。コリオリの力によって引き起こされる結果的な物理的変位は、その後、例えば容量性、圧電性またはピエゾ抵抗性の検知構造から読み取ることができる。コリオリ効果による変位は、センスモードとも呼ばれることがある。主運動は、代替的に、駆動運動、主モードまたは駆動モードと呼ばれることがある。

ジャイロスコープは、検出角速度のためのデバイスである。ＭＥＭＳジャイロスコープでは、機械的振動が主運動として使用される。振動ジャイロスコープが主運動の方向に直交する角運動を受けると、波状のコリオリの力が生じることになる。これは、主運動に、および角運動の軸に直交する、主振動の周波数における、センスモードまたは検出運動とも呼ばれる、二次振動を生成する。この結合された振動の振幅は、角速度の測度として使用することができ、この用語は角速度の絶対値を表す場合もある。

米国特許第７４２１８９７号明細書は、クロスクワッド構成の４つの共振素子を有する慣性センサを提示している。隣接する共振器素子のフレームが、フレームを逆相運動させるために互いに結合される。共振器はフレーム内に懸架されている。

米国特許第８２６１６１４号明細書は、読み取りモードにおいて振動質量の並進偏向を抑制するために、２つの振動質量の間に結合バーが配置されている、２つの容量駆動振動素子を含む回転速度センサを提示している。

本発明の目的は、４つの検出質量を、結合レバーシステムを介して互いに適切に結合し、検出質量の逆相運動を可能にし、検出質量の同相および異相運動を防止して検出質量間の平衡および均等化を改善することによって、改善された共振器構造を提示することである。

米国特許第７４２１８９７号明細書 米国特許第８２６１６１４号明細書

本発明の目的は、従来技術の欠点を克服するための方法および装置を提供することである。本発明の目的は、請求項１の特徴部分に記載の装置によって達成される。本発明の目的は、請求項１０の特徴部分に記載の方法によってさらに達成される。

本発明の好ましい実施形態が、従属請求項に開示されている。

本発明の実施形態は、４つの慣性駆動要素の逆相駆動運動を容易にする外側レバーシステムと、４つの検出質量の逆相検出運動を容易にする内側レバーシステムとを含むデュアルレバーシステムの着想に基づく。外側レバーシステムは、駆動運動における要素の位相および振幅の両方を結合することができる。

一般に、リニア４質量ジャイロスコープは、振動に強い装置を提供する。本発明の実施形態は、外側レバーシステムが４つの慣性要素が等しい主運動をするようにし、その各々が隣接する任意の慣性要素に対して逆相方向を有し、４つの慣性要素の対応する機能要素間で等しい駆動振幅を有することさえできるという利点を提供する。このような等しい主運動は、例えば、製造プロセスが理想的でないことによって引き起こされるデバイス形状の不完全性の影響を抑制する。

別の利点は、検出質量の検出運動も強制的に同期され、逆相であることである。これにより、得られる検出信号のレベル、したがって検出の精度を最大にすることができる。さらなる利点は、検出質量の検出運動の振幅を等しく設定するために内側結合レバーシステムを使用することにより、得られる二重差動検出結果の精度および直線性が改善されることである。またさらなる利点は、異なる可動部分の運動量が本質的に互いに打ち消しあうため、装置によって引き起こされる総運動量が最小限に抑えられ、それによって、デバイス自体が引き起こす振動が最小限に抑えられることである。

以下において、添付の図面を参照しながら、好ましい実施形態に関連して、本発明をより詳細に説明する。

典型的なジャイロスコープ構造の概略図である。 駆動運動を示す図である。 検出運動を示す図である。

図１は、典型的なジャイロスコープ構造の概略図を示す。

説明を簡単にするために、図面に座標を配置している場合がある。原点が構造の中央に配置され、対称点にあると考えることができ、ｘ軸がデバイスの平面内で左右に延在し、ｙ軸がデバイスの平面内を上下に延在し、ｚ軸方向はｘ軸とｙ軸の両方に垂直であり、デバイスの平面を通じて延在する。デバイスの平面は、デバイスの構造要素が静止しており、いかなる運動をするようにも励起されていないときに、構造要素によって形成される平面を指す。

２つの構造要素間の「結合」という表現は、直接結合、またはビームまたはばねなどの１つまたは複数の中間要素を用いた結合を指すことができる。

軸に関連して整列されているという用語は、デバイスの実際的な実装によって有効化される通常の公差、例えば製造公差内にある、対称軸または運動方向を示す軸の幾何学的および／または機能的整合を示す。そのような整列は、本質的に整列された軸とも呼ばれることがある。

動きが線形または本質的に線形であると言われるとき、これは、動きが線形であることを意図していることを示し、その結果、運動する質量または要素は、直線軸または線に沿って動くとみなされ得る。線形または本質的に線形という用語は、互換的に使用することができる。

ジャイロスコープ構造は、例えば、駆動共振器と、検出共振器と、結合フレームシステムまたは短く結合フレームとも呼ばれる外側結合レバーシステムと、内側結合レバーシステムとを含むことができる。内側結合レバーシステムは、名前が示すように、駆動共振器および／または検出共振器の外縁によって形成される周縁内でジャイロスコープ構造の内部に配置される。結合フレームシステムは、駆動共振器および検出共振器を取り囲む可撓性フレームを形成する。主慣性駆動および検出システムは、基本的には同様の運動をするが、互いに対して設定された位相にある、対で配置された４つの駆動および検出共振器を備える。これら対の駆動共振器（開放駆動フレーム）（１００）および検出共振器（検出質量）（１０５）は、取り付けられたばねと共に、組み合わされて慣性要素と呼ばれる。４つの慣性要素の各々には、参照符号（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）が割り当てられている。後に、特定の慣性要素の全体を、もしくはこれら慣性要素内の特定の開放駆動フレームまたは特定の検出質量として、これらの参照符号で参照する場合がある。慣性要素ＡおよびＢは、ｙ軸に関して対称である対を形成し、慣性要素ＣおよびＤは、別の同様の対を形成することに留意することができる。他方、慣性要素ＡおよびＣは、慣性要素ＢおよびＤによって形成された同様の対と同様に、ｘ軸を考慮して対称な対を形成する。４つの慣性要素はともに四角形の４つの部分から成る対称構成を形成し、これは装置のｘ軸とｙ軸の両方を考慮して対称である。４つの慣性要素は、同じ単一軸を中心とした角運動を検出するように構成される。慣性要素は、２つの差動検出対を形成し、その両方が差動検出信号を提供するように構成される。２対の要素はともに、同じ軸を中心とした角速度の二重差動検出を可能にする。好ましくは、四角形構成は、４つのフィールドに分割される矩形の形状を有し、慣性要素は各々、４つの矩形フィールドのうちの１つに配置される。より好ましくは、慣性要素の２つの辺は、駆動運動の軸のような慣性要素の運動軸と本質的に整列している。一実施形態によれば、四角形は正方形である。ジャイロスコープ構造は、個々に番号を付されていないが、暗い模様の矩形でマークされている、図では容易に認識できる、アンカーとも呼ばれ得る複数の懸架構造（Ｓｕｓｐ）を含み、一方で、移動および／または変形が可能なデバイスの構造部品は明るい灰色でマークされている。これらの懸架構造は、ジャイロスコープ構造をデバイスベース要素と結合し、反して互いに対して運動および／または変形することができる部品を含むジャイロスコープ構造を考慮して固定領域または点と考えることができる。

駆動共振器は、この例では駆動ばね（１０１）を備える、駆動手段に接続された４つの開放駆動フレーム（１００）を含むことができる。慣性要素Ｂの駆動共振器の駆動ばねのみが図１において番号を付されているが、４つの慣性要素のすべてが同様の駆動ばねを有することが分かる。座標は、構造部品を見えるままにするためにこの図ではマークされていないが、図２および図３にマークされたものと同様であると理解されるべきであり、ｘ軸は水平に延在し、ｙ軸は垂直に延在し、ｚ軸はデバイスの平面に直交する。原点は、デバイスの中央に配置することができる。駆動共振器のフレーム構造は開いており、これは、フレームが閉鎖エンクロージャを形成せず、フレーム構造が開口を有し、したがって例えばＣ字形またはＵ字形を形成していることを示す。開放フレーム構造のこの開口は、結合レバー（１１５）が、フレームによって形成された半開放エンクロージャ内にある構造と結合されることを可能にする。４つの開放駆動フレーム（１００）は、４つの対称構成を形成する。開放駆動フレーム（１００）は、駆動ばねを励起することによって、駆動運動とも呼ばれる本質的に線形主運動をするように励起される。駆動ばね（１０１）は、圧電アクチュエータによって励起されてもよい。当業者に知られているように、駆動ばね（１０１）の圧電作動の代わりに、他の方法および構造を使用して、駆動コームによる静電作動のように、駆動手段に、開放駆動フレーム（１００）を駆動させることができる。小型のジャイロスコープ構造が求められる場合、圧電駆動が有益であることが判明している。駆動ばねは、少なくとも１つの対称軸を考慮して対称に配置することができ、これは駆動運動の軸と整列させることができるが、また非対称に配置されてもよい。駆動ばね（１０１）の対称な配置は、概して、開放駆動フレーム（１００）の駆動運動の線形性を改善することができる。この例では、各駆動ばね（１０１Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）の一端はそれぞれの開放駆動フレーム（１００Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）に接続され、一方で、他端は懸架構造に接続される。駆動要素の作動の詳細は、当業者には知られており、したがって省略されている。開放駆動フレームは閉じたエンクロージャではなく、半開放構造であることに注意すべきである。４つの開放駆動フレーム（１００）はすべて、デバイスの単一の対称軸と整列した方向の直線駆動運動のために構成され、本実施例では、これはｘ軸である。このようにして、開放駆動フレーム（１００）の駆動運動の軸は整列される。これに関連して、本質的に、軸の整列は、実際的な実装によって有効化される通常の公差、例えば製造公差内にあることを示す。

検出質量（１０５）は、本質的に直線的な駆動運動を検出質量に中継する第１のばね（１０６）によって開放駆動フレームに接続される。したがって、それぞれの開放ドライブ（１００）が駆動運動をするように励起されると、検出質量（１０５）も本質的に直線的な駆動運動をするように励起される。この例では、各検出質量（１０５）は、それぞれの開放駆動フレーム（１００）内に懸架されている。４つの検出質量１０５は、４つの部分からなる対称構成を形成する。開放駆動フレームと同様に、４つの検出質量（１０５）はすべて、デバイスの対称軸と整列した方向の直線駆動運動のために構成され、本実施例では、この対称軸はｘ軸である。言い換えると、４つの検出質量（１０５）の駆動運動の軸は整列される。これに関連して、本質的に、軸の整列または軸に沿った運動の整列は、実際的な実装によって有効化される通常の公差、例えば製造公差内にあることを示す。この実施形態では、検出質量（１０５）をその４つの角のそれぞれの近くで開放駆動フレーム（１００）に接続する、各検出質量に対する４つの第１のばね（１０６）がある。４つの第１のばね（１０６）の配置は、駆動運動に整列した軸、この場合はｘ軸と平行な軸に関して対称であってもよい。第１のばね（１０６）は、検出質量（１０５）がジャイロスコープデバイスの平面内でｙ軸方向に、またさらにはジャイロスコープの平面を出てｚ軸方向に動くことを可能にするが、第１のばね（１０６）は、ｘ軸方向に相対的に剛性であり、したがって、検出質量が、駆動運動の方向にそれぞれの開放駆動フレームに沿って動くようにする。第１のばね（１０６）の正確な数は、設計によって異なり得るが、第１のばね（１０６）の対称な配置は、駆動動作の直線性を高める。第１のばね（１０６）は、駆動運動の方向においてより高いばね定数を有して剛性でなければならないが、一方でそれらは、少なくとも検出運動の方向においてより緩くて可撓性であり、より低いばね定数を有するべきである。提示されている実施形態では、第１のばね（１０６）は、蛇行ばねとして形成されている。このばねタイプは、例えば単純なビームスプリングよりもｘ軸方向の剛性が低いが、検出運動のためにｙ軸方向に運動するのに必要な自由度を検出質量（１０５）に提供する。しかしながら、本要旨から逸脱することなく、第１のばね（１０６）として他の任意の適切な形態のばねを使用することができる。

Ｔ字形結合レバーは、第１のビームの第１の端部が第２のビームの長さの半分のところで第２のビームの側部に取り付けられるように、Ｔ字形に配置された第１のビームと第２のビームの２つのビームを含む。また、第１のビームをＴ字形結合レバーの垂直ビームと呼び、第２のビームをＴ字形結合レバーの水平ビームと呼ぶこともある。これに関連して、半分のところ、とは、取り付け点が構造の中間で実質的に半分のところにあることを示すが、位置は製造公差内でわずかに変化してもよい。２つのＴ字形結合レバー（１１５）は、内側結合レバーシステムの一部である。この典型的な実施形態では、検出質量（１０５）の内部の開口部が、Ｔ字形結合レバー（１１５）が検出質量の平面内で（また、デバイスの平面内で）エンクロージャに到達することを可能にするように、各検出質量（１０５）内の半開放エンクロージャ内に検出ばね（１１９）が懸架されている。提示されている実施形態では、Ｔ字形結合レバー（１１５）の各々の第１のビームの各端部にｘ方向軸に沿って対称に取り付けられた２つの検出ばね（１１９）がある。各検出ばね（１１９）の一端は懸架点に固定され、一方で、他端は結合レバー（１１５）に結合されている。駆動運動のみが存在するとき、検出ばね（１１９）は動かない。検出質量（１０５）の検出運動が生じると、結合レバー（１１５）も、結合レバー取り付けられている検出質量（１０５）とともにｘｙ平面内の（デバイスの平面内の）回転運動でｙ軸方向に動き始め、検出ばね（１１９）が動き始め、この動きが検出ばね（１１９）の変形を引き起こしている間、動きを電気的に検出することができる。この例では、検出は検出ばね（１１９）に関連する圧電現象に基づいている。検出ばね（１１９）の対称構造は、検出運動の直線性および安定性をさらに改善するが、特許請求される発明の機能性を達成するためには必要ではない。さらに、開放駆動フレームは閉鎖フレームではなく、結合構造がデバイスの平面内にあるように、結合レバー（１１５）が開放駆動フレーム内のエンクロージャ内に配置された検出質量（１０５）と結合することを可能にする開口部を有する開放フレームであることが留意され得る。このように、開放駆動フレーム（１００）の開口部は、検出運動において検出質量（１０５）の位相および振幅を互いに結合するために結合レバー（１１５）を使用することを可能にする。開放駆動フレームは、Ｕ字形またはＣ字形のフレームとして特徴付けることができる。

結合フレームシステムと呼ばれる外側レバーシステムは、レバーおよびばねを含み、外側レバーシステムは、４つの慣性要素を取り囲む。好ましくは、外側レバーシステムのレバーは、ビームとして形成されるが、他の形態を有してもよい。結合フレームシステムは、結合フレームシステムの動きを誘導するために、また、開放駆動フレームを逆相で動かすために、開放駆動フレームに適切に結合される。結合フレームシステムは、４つの開放駆動フレームを互いに結合し、他の相対位相における駆動動作を妨げながら、互いに比較したときに規定の位相で動くことを可能にする。開放駆動フレームの動きについては、図２に関連してさらに説明する。結合フレームシステムはさらに、開放駆動フレーム間の駆動運動を平衡して均等化する。垂直レバー（１１０）は、ｙ軸方向に互いに隣接する２つの開放駆動フレーム（１００）（この例では開放駆動フレームＡおよびＣならびに開放駆動フレームＢおよびＤ）を結合し、垂直レバー（１１０）は、第１の結合ばね（１２０）によって２つの隣接する開放駆動フレーム（１００）に結合される。２つの質量の間に構造的な部品があっても、開放駆動フレーム（１００）に関して隣接するという用語が使用されることに留意されたい。これに関連して、２つの開放駆動フレームが隣接する慣性要素の一部であることを説明するものとして隣接するという用語を理解すべきである。正確に１つのばねは、各開放駆動フレームを１つの垂直レバー（１１０）に結合する。第１の結合ばね（１２０）は、駆動運動の方向においてｘ軸方向に剛性であることが好ましい。垂直レバー（１１０）は、垂直レバー（１１０）のｙ軸方向の長さの半分のところに配置された第２の結合ばね（１２１）を有する懸架構造にさらに結合される。これに関連して、半分のところ、とは、取り付け点が構造の中間で実質的に半分のところにあることを示すが、位置は製造公差内でわずかに変化してもよい。このばねは、垂直レバー（１１０）の中央をほぼ固定位置において拘束するが、垂直レバー（１１０）がこの固定点を中心としてジャイロスコープ装置の平面内で回転運動することを可能にする。この動きは、図２に関してさらに議論される。本実施形態において、第１の結合ばね（１２０）および第２の結合ばね（１２１）は、相対的に細いビームとして形成される。第１の結合ばね（１２０）および第２の結合ばね（１２１）が駆動運動の方向に相対的に高いばね定数を有する限り、任意の形態のばねを使用することができるが、それらは、垂直レバー（１１０）の必要な回転を可能にするべきである。

外側結合レバーシステムは、２つの垂直レバー（１１０）を互いに結合する２対の水平レバー（１１１）をさらに含む。ループ（１１２）（Ｕ字形）と２つの傾斜ばね（１２２）とを備えた第２のばね装置が、各対の水平レバー（１１１）を結合し、第２のばね装置に結合された隣接する垂直レバー（１１０）が、同相運動を減衰させながら逆相で動くことを可能にする。第２のばね構成は、２つの水平レバー（１１１）の間に接続されており、２つの水平な狭いビームが水平レバー（１１１）と整列している。ループ（１１２）は、２つの水平レバー（１１１）に直交する２つの相対的に長い平行ビームと、２つの平行ビームを接続する相対的に短いビームとを含む。傾斜ばね（１２２）は、ループ（１１２）と水平レバー（１１１）との間に配置され、各々が、一端からループの根元でまたはその近くで、例えば、ループ（１１２）が水平方向の狭いビームに接続する点で、ループ（１１２）と接続されている。与えられている例では、ループ（１１２）と傾斜ばねとの間の角度は約４５度であるが、この角度は自由に選択することができる。傾斜ばね（１２２）はまた、２つの長い平行ビームおよび相互接続する短いビームとともにループ状の形状を形成する。各傾斜ばね（１２２）の他端は、この例ではそれぞれのサスペンション構造に取り付けられた剛性レバー構造を介して懸架構造（Ｓｕｓｐ）に接続されている。第３のスプリング（１１３）が、結合フレームシステムを、外側結合フレームシステムの隅近くのさらなる懸架点に結合する。第３のばね（１１３）は、ｚ方向における垂直レバー（１１０）の望ましくない動きを制限する。

結合フレームシステムのレバーは好ましくは、外側結合フレームシステムのレバーを剛性構造と考えることができるように、相対的に幅広で丈夫なビームとして形成することができる。

４つすべての検出質量（１０５）が、内側結合レバーシステムを介して相互接続されている。内側結合レバーシステムは、２つの結合レバー（１１５）と、複数のばねとを含む。結合レバー（１１５）は、２つの隣接する検出質量（１０５）を第４のばね（１１８）を介して互いに結合する。２つの検出質量の間に何らかの構造的な部品があっても、言い換えれば、それらが直に隣接していなくても、検出質量（１０５）に関して隣接するという用語が使用されることに留意されたい。これに関連して、２つの検出質量が隣接する慣性要素の一部であることを説明するものとして隣接するという用語を理解すべきである。本典型的な設計では、検出質量（１０５）のｘ軸方向対称軸を考慮して対称配置に配置されている、各検出質量（１０５）に対する２つの第４のばね（１１８）がある。代替の実施形態では、第４のばね（１１８）は対称に配置されていない。第４のばね（１１８）は、ｘ方向のばね定数が、この方向における検出質量の駆動運動を可能にするために、相対的により小さいが、ｙ方向のばね定数はより大きく、それによって、検出質量（１０５）の検出運動は、結合レバー（１１５）の運動と結合される。この結合は、検出質量（１０５）を、検出運動において互いに反対の位相で移動させるように誘導する。本実施形態では、それぞれの結合レバー（１１５）を通じた２対の検出質量のこれらの結合は、非ゼロ距離によって分離されており、また、ジャイロスコープデバイスの対称軸（ｘ軸）からの非ゼロ距離によっても分離されている、ｘ方向における２つの異なる軸に沿って延伸する。好ましくは、結合レバーによる２対の検出質量の接続は、ジャイロスコープデバイスのｘ軸を考慮して対称に配置される。

各結合レバー（１１５）は曲げばね（１２７）によって懸架点に結合され、結合レバーは、中央ばね（１２８）によって相互にさらに結合される。デバイスが静止しているときまたは駆動運動をしているときに中央ばね（１２８）が原点を通るが、ばねがいかなる懸架点にも直接的には結合していない間、ばねは、特に検出動作に関して原点から外方に動き得ることに留意されたい。曲げばね（１２７）および中央ばね（１２８）は、各結合レバーが互いから反対の位相で回転運動することを可能にし、これについては図３に関してさらに説明する。本実施形態では、曲げばね（１２７）はビームとして形成されている。内側結合レバーは、検出共振器の検出運動を平衡および均等化する。

図２は、駆動運動とも呼ばれる主運動を示す。構成部品は図１と同じ参照番号で参照されるが、明確にするためにこれらのうちのいくつかのみが図２に追加され、追加の文字が個々の構造部分を識別するために使用されている。図２では、駆動運動が一方向における開放駆動フレーム（１００）の最大変位に達したときの構造要素の位置を示し得る、駆動運動の１つの位相を見ることができる。その後、反対方向において最大変位に達するまで、駆動運動が逆転する。この他方の最大変位位置は、図２をｘ軸に関して鏡像反転することによって例示することができる。図２の要素の変位は、動きを視覚化するために幾分誇張されているが、実際のデバイスでは、同一平面内に位置する構造要素は互いに重なり合わないことがある。

この例では、駆動手段は、開放駆動フレーム（１００）をｘ軸方向において駆動運動するように励起する駆動ばね（１０１）を含むことができる。駆動力は、圧電作動によって駆動ばね（１０１）において発生する。代替の実施形態では、駆動手段は、静電作動用の駆動コームを含むことができる。開放駆動フレーム１００Ａおよび１００Ｂは、反対の位相に励起され、次いで、開放駆動フレーム１００Ａがｘ軸方向に右に動き、開放駆動フレーム１００Ｂがｘ軸方向に左に動き、逆も同様である。同様に、開放駆動フレーム１００Ｃおよび１００Ｄは、駆動運動において反対の位相で対になっている。駆動ばねを駆動する電気信号は、好ましくは位相で生成されるが、開放駆動フレーム１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃおよび１００Ｄの駆動運動が意図された相対位相を有することを保証するために、機械的レバーが使用される。この目的のために、外側結合レバーシステム、すなわち結合フレームシステムが導入されている。また、結合フレームシステムによって与えられる機械的結合により、開放駆動フレームの駆動運動の振幅（駆動振幅）までもが、互いに等しくなるように設定され得る。相互に等しい駆動振幅を有する駆動フレーム（１００）におけるこの駆動運動は、第１のばね（１０６）を介して検出質量（１０５）に向けてさらに結合され、検出質量（１０５）の逆相駆動運動を引き起こす。この結合は、検出質量（１０５）が相互に等しい駆動振幅を有するようにすることができる。

結合フレームシステムは、２つの垂直レバー（１１０）を含む。両方の垂直レバー（１１０）が、隣接する２つの開放駆動フレームを互いに結合する。開放駆動フレーム１００Ａおよび１００Ｃは垂直レバー１１０Ｌに、駆動フレーム１００Ｂおよび１００Ｄは垂直レバー１１０Ｒに、それぞれ第１の結合ばね（１２０）を通じて結合される。開放駆動フレーム１００Ａが開放駆動フレーム１００Ｂに向かってｘ軸方向に右に動く間に、第１の結合ばね（１２０）Ａを介して開放駆動フレーム１００Ａに結合されている、開放駆動フレーム１００Ａおよび１００Ｃの左側にある垂直レバー１１０Ｌの端部も右に動く。同時に、開放駆動フレーム１００Ｃは、ｘ軸方向に左に動き、開放駆動フレーム１００Ｃに隣接する垂直レバー１１０Ｌの端部は、別の第１の結合ばね１２０Ｃによって開放駆動フレーム１００Ｃに結合されている間、ｘ軸方向において左に動く。第２結合ばね１２１Ｌは、垂直レバー１１０Ｌを固定構造に結合する一方、垂直レバー１１０Ｌは傾斜して、開放駆動フレーム１００Ａおよび１００Ｃの互いに対する動きを中継し、それらが反対の位相で動くことを保証する。駆動フレーム（１００）の直線運動の方向は、ジャイロスコープ要素の外側の破線矢印で視覚化されている。これらの方向は反対の位相では逆になる。垂直レバー１１０Ｌは、それに取り付けられた開放駆動フレームの動きを均等化する。第１の結合ばね１２０Ａ、１２０Ｃは、好ましくは、ｘ軸方向にある開放駆動フレームの対称線を通じて延伸する、非ゼロ距離だけ分離した２つのｘ軸方向線に沿って開放駆動フレーム１００Ａ、１００Ｃに結合されている。これは、記載された垂直レバーの動きの直線性、およびまた、開放駆動フレームの動きの直線性を向上させる。開放駆動フレーム１００Ｂおよび１００Ｄに結合された構造の右側の垂直レバー１１０Ｒは、他方の垂直レバー１１０Ｌと同様に動くが、位相は反対である。言い換えれば、２つの垂直レバー１１０Ｌ、１１０Ｒの第１の端部は、ｘ軸方向において互いに向かって動き、他方の端部は、ｘ軸方向において互いから外方に動く。第１の結合ストリング１２０Ａおよび１２０Ｂは、共通の直線を通じて開放駆動フレーム１００Ａおよび１００Ｂならびに検出質量１０５Ａおよび１０５Ｂを横切る同じ線上にあることが留意され得る。提示された例では、この共通の直線は、開放駆動フレーム１００Ａおよび１００Ｂならびに検出質量１０５Ａおよび１０５Ｂの対称軸と整列され、運動の対称性を促進し、駆動運動を安定化および均等化する。代替の実施形態では、開放駆動フレーム１００Ａおよび１００Ｂまたは検出質量１０５Ａおよび１０５Ｂのいずれかが、この線に対して非対称な設計を有するように設計されてもよい。同様に、開放駆動フレーム１００Ｃおよび１００Ｄならびに検出フレーム１０５Ｃおよび１０５Ｄを通じてそれらの対称軸に沿って延在する、第１の結合ストリング１２０Ｃおよび１２０Ｄが、ｘ軸方向において直線上に配置される。

実際には、垂直レバー１１０の各々は、ｘ−ｙ平面内の回転運動と考えることができる動きをしている。しかし、傾き量は非常に小さいが、垂直レバー（１１０）の端部の動き、特に第１の結合ばね（１２０）の動きは、ｘ軸方向においてほぼ直線的と考えることができる。この図では、ジャイロスコープ構造の様々な構造的構成要素の動きが視覚的目的のために誇張されており、物理的構成要素の実際の動きは、示されているものよりも小さくなり得る。

結合フレームシステムは４つの水平レバー（１１１）をさらに含む。垂直レバー１１０Ｌ、１１０Ｒは、水平レバー１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃ、１１１Ｄと結合されている。２つの垂直レバー１１０のそれぞれの両端の間に結合された２つの水平レバー１１１が、ループ（１１２）および２つの傾斜ばね（１２２）を備えるさらなるばね構成と結合されている。水平レバー１１１Ａと１１１Ｂとの間、および水平レバー１１１Ｃと１１１Ｄの間にはそれぞれ、同様のさらなるばね構成が見られる。駆動運動において、水平レバー（１１１）は、ｘ軸方向の運動成分を有し、それによって、垂直レバー（１１０）のそれぞれ端部が互いに向かって動くとき、２つの隣接する水平レバー（１１１）がｘ軸方向において互いに向かって動き、垂直レバー（１１０）のそれぞれ端部が互いから外方に動くとき、水平レバー（１１１）はｘ軸方向において互いから外方に動く。水平レバーは、ｙ軸方向の運動成分をも有してもよく、それによって、それらは、駆動運動中にある程度の傾斜を経験することが分かる。水平レバー（１１１）の目的は、垂直レバー（１１０）を互いに結合し、２つの垂直レバー（１１０）の動きを互いに中継し、それによって、２つの垂直レバーが反対の位相で動くようにすることである。この構成は、開放駆動フレームの動きのさらなる均等化を促進し、その結果、駆動運動において、開放駆動フレーム１００Ａおよび１００Ｄの位相ならびに開放駆動フレーム１００Ｂおよび１００Ｃの位相までもが互いに結合されて同相になり、開放駆動フレーム１００Ａが左に動くと、開放駆動フレーム１００Ｄも左に動き、開放駆動フレーム１００Ｂが右に動くと、開放駆動フレーム１００Ｃも右に移動し、その逆も同様である。言い換えれば、結合フレームシステムは、隣接していない開放駆動フレーム（１００Ａと１００Ｄ、１００Ｂと１００Ｃ）の各対の駆動運動を、等しい位相（同相運動）に結合し、同時に、隣接する開放駆動フレーム（１００Ａと１００Ｂ、１００Ｂと１００Ｄ、１００Ａと１００Ｃ、１００Ｃと１００Ｄ）を反対の位相（逆相運動）に結合する。開放駆動フレーム１００Ａと１００Ｂとが互いに向かって動くと、開放駆動フレーム１００Ｃと１００Ｄとが互いから外方に動き、それによって、２対の開放駆動フレームは、互いから反対の位相で動くと考えることができる。開放駆動フレームの相対位相が、隣接するオープンドライブフレームの位相が、各隣接する開放駆動フレームが隣接する開放駆動フレームの位相と反対の異相を有し、両方の開放駆動フレーム対が他方の開放駆動フレーム対と反対の位相を有するように設定される、上述のような４つの開放駆動フレームのこの種の駆動運動は、同期逆相駆動運動と呼ばれ得る。言い換えれば、４対の隣接する開放駆動フレーム（１００Ａと１００Ｂ、１００Ａと１００Ｃ、１００Ｃと１００Ｄ、１００Ｂと１００Ｄ）の各々において、２つの隣接する開放駆動フレームは、反対の位相で動く。したがって、差動検出信号を提供するように構成された２対の慣性要素に加えて、この同期は、２つの異なる対の慣性要素の隣接する開放駆動フレームにも関係する。開放駆動フレーム（１００）の逆相駆動運動を可能にする一方、結合フレームシステムはまた、同相駆動運動および異相駆動運動を防止する。異相とは、同相または逆相（反対位相）ではない任意の動きを指すが、２つの要素の間の位相差は０度（同相）または１８０度（逆相）以外のものである。このような同期逆相運動の利点は、例えば、異なる部品の運動量が互いに打ち消し合うため、デバイスの総運動量が最小になることである。開放駆動フレーム（１００）の同期逆相駆動運動は、第１のばね（１０６）を介してそれぞれの検出質量（１０５）にさらに中継され、それによって、検出質量（１０５）は、互いに対して同期されて逆相主運動（駆動運動）を行う。第１のばね（１０６）は、検出質量（１０５）の位相がそれぞれの開放駆動フレーム（１００）の位相に追従するように、駆動運動の方向に剛性であり（高いばね定数を有し）、換言すれば、開放駆動フレーム（１００）の逆相駆動運動は、第１のばね（１０６）を介して検出質量（１０５）に中継され、検出質量（１０５）を逆相主運動するようにし、これはさらに、開放駆動フレーム（１００）の逆相駆動運動と同期される。結合フレームシステムは、開放駆動フレーム（１００）の相互の位相を結合するだけでなく、相互に等しい駆動振幅（駆動運動の振幅）をも有するように開放駆動フレーム（１００）を結合する。駆動フレーム（１００）の互いに等しい駆動振幅は、第１のばね（１０６）を介して検出質量（１０５）にさらに中継され、検出質量（１０５）もまた互いに等しい駆動振幅を有するようにし、これによって、検知要素（検出質量１０５）において等しいコリオリの力が生じることが保証される。相互に等しい駆動振幅とは、通常の製造公差内で、主運動中の機能的に類似した要素の振幅の大きさが本質的に等しいことを指す。駆動フレーム（１００）の同期逆相駆動運動と検出質量（１０５）の同期逆相主運動の両方が、同じ技術的利益に寄与し、主運動をするように励起されたときのデバイスの総運動量を最小にする。

図３は、二次検出運動を示す。構成部品は図１と同じ参照番号で参照されるが、明確にするためにこれらのうちのいくつかのみが図２に追加され、追加の文字が個々の構造部分を識別するために使用されている。図３では、検出運動が一方向における検出質量の最大変位に達したときの構造要素の位置を示し得る、検出運動の１つの位相を見ることができる。その後、反対方向において最大変位に達するまで、検出運動が逆転する。この他方の最大変位位置は、図３をｙ軸に関して鏡像反転することによって例示することができる。図３の要素の変位は、動きを視覚化するために幾分誇張されているが、実際のデバイスでは、同一平面内に位置する構造要素は互いに重なり合わないことがある。

このジャイロスコープデバイスはｚ軸を中心とした角速度を検出して測定するように設計されているが、慣性要素の検出運動は、要素の平面内、この例ではｙ軸方向において生じる。言い換えれば、４つすべての検出質量の検出運動の軸が整列される。駆動運動および検出運動の方向は、デバイスをデバイスの平面内で９０度回転させることによって容易に切り替えることができるが、検出軸は同じままである。この図に示されたジャイロスコープ装置がｚ軸を中心とした角速度を受けると、コリオリの力により、検出質量（１０５）がｙ軸方向における振動検出運動を得る。結合レバー１１５Ｕが、隣接する一対の検出質量１０５Ａと１０５Ｂとを結合し、結合レバー１１５Ｄが、一対の隣接する検出質量１０５Ｃと１０５Ｄとを互いに結合する。結合レバー（１１５）は、丸い点線の矢印によって視覚化された、ｘｙ平面内での回転運動をするようになる。結合レバー１１５Ｕは、検出質量１０５Ａと１０５Ｂとを、ｙ軸方向の検出質量運動の位相が反対になるように互いに結合する。第１の結合レバー１１５Ｕの一方の側が負のｙ軸に向かって動くと、反対側の端部は正のｙ軸に向かって動く。この図では、検出質量１０５Ａが本質的に負のｙ軸の方向に下降しており、一方で検出質量１０５Ｂが本質的に正のｙ軸の方向に上昇しており、結合レバー１１５Ｕが、Ｔ字形結合レバー１１５Ｕの水平ビームの重心を中心として回転運動をしていることが分かる。検出質量（１０５）の本質的に直線的な検出運動は、直線の破線の矢印で視覚化されており、結合レバーの回転運動は、湾曲した破線の矢印で視覚化されている。反対の位相では、方向が逆になる。他方の結合レバー１１５Ｄは、検出質量１０５Ｃおよび１０５Ｄを結合し、ｘｙ平面内で回転運動するようになるが、結合レバー１１５Ｕと比較すると反対の回転角度を有し、結合レバー１１５Ｄは、Ｔ字形結合レバー１１５Ｄの水平ビームの重心を中心として回転運動している。したがって、各結合レバー１１５Ｕおよび１１５Ｄは、それぞれに取り付けられた２つの検出質量（１０５）を逆位相の検出運動をするように結合する。

結合レバー１１５Ｕおよび１１５Ｄの回転運動は、２つの結合レバーに共通の曲げばね（１２７）および中央ばね（１２８）によって促進される。２つの結合レバー（１１５）を互いに接続する中央ばね（１２８）がいかなる固定点にも取り付けられていない間、中央ばね（１２８）は曲がり、原点に対してわずかに動くことさえできる。中央ばねは、２つの結合レバー（１１５）の互いに対する相対運動を中継し、各々の回転運動を他方と反対の位相にする。このようにして、結合レバー１１５Ｕおよび１１５Ｄは、４つの検出質量のすべての検出運動の位相を互いに中継し、隣接する検出質量の各々が互いに反対方向に動く同期検出運動を促進する。言い換えれば、隣接する検出質量からなる４つの対（１０５Ａと１０５Ｂ、１０５Ｃと１０５Ｄ、１０５Ａと１０５Ｃ、１０５Ｂと１０５Ｄ）の各々において、２つの隣接する検出質量は、同期逆相検出運動において互いに反対の位相を有する。さらに、検出質量の相対的な検出運動を以下のように記述することができる。結合レバー１１５Ｕの左側が検出質量１０５Ａと共に負のｙ軸に向かって動くとき、結合レバー１１５Ｄの左側は検出質量１０５Ｃと共に正のｙ軸の方向に動き、逆も同様である。このように、２対の検出質量、すなわち、第１の対１０５Ａと１０５Ｂおよび第２の対１０５Ｃと１０５Ｄは、結合レバーならびに曲げばね（１２７）および中央ばね（１２８）を介して互いに同期され、それによって、各対は、他方の対の位相とは反対の位相で検出動作をしている。他方、個々の検出質量の検出運動を見ると、検出質量１０５Ａおよび１０５Ｄは互いに同位相で動くに対し、検出質量１０５Ｂおよび１０５Ｃは前者の対の位相とは反対の相互に同じ位相で動くことが留意され得る。したがって、この構成により、４つの検出質量のすべての検出運動の位相も、実際には互いに同期することが保証される。本デバイスは検出質量の２つの差動対を有し、各対は差動検出のために構成されており、各対は相互に反対の位相の検出運動を有するように構成されているが、この構成は二重作動検出を行うと考えられ得る。４つの検出質量の各々は、本実施例ではｚ軸である、同じ単一軸を中心とした同じ角運動を検出するように構成されている。この軸は、検出軸と呼ばれることがある。各検出質量（１０５）の相対位相が、各検出質量の検出運動が隣接する検出質量のいずれかの位相と反対の位相を有するように設定される、４つの検出質量のこの種の二次すなわち検出運動は、同期逆相検出運動と呼ぶことができる。さらに、検出質量（１０５）の振幅は、内側結合レバーシステム（１１５Ｕ、１１５Ｄ）によって提供される結合を介して検出運動において等しくされ得る。検出質量（１０５）の逆相検出運動を可能にする一方、内側レバーシステムはまた、同相検出運動および異相検出運動を防止する。検出質量の各差動対（１０５Ａと１０５Ｂ、１０５Ｃと１０５Ｄ）の検出質量の検出運動の異相を同期させることによって、検出質量の動きが同期されないシステムと比較して、検出ばねから得られる差動検出信号を最大にすることができ、したがって、測定の精度が向上する。さらに、検出質量（１０５）の検出運動の振幅さえ均等化するために内側レバーシステムを使用することで、二重差動検出結果の精度および直線性がさらに改善される。またさらに、異なる部分の運動量が本質的に互いに打ち消しあうため、デバイス全体の総運動量が最小限に抑えられ、それによって、デバイス自体が引き起こす振動が最小限に抑えられる。したがって、デバイス自体によって引き起こされる振動によって引き起こされる誤った検知信号を最小限に抑えることができる。この図では、ジャイロスコープ構造の構成要素の動きが視覚的目的のために誇張されており、物理的構成要素の実際の動きは、示されているものよりも小さくなり得る。

図２および図３は、駆動および検出運動を別々に示しているが、これらは、ジャイロスコープ要素が測定軸の方向において角速度を受けるときは同時に生じることを理解されたい。上述の異なる構造要素の振動直線運動または回転運動は、純粋な意図された駆動または検出運動に加えて付加的な運動成分を含む場合がある。しばしば、これらの望ましくない運動成分は、製造プロセスが理想的でないこと、および／または、設計上の制約によって義務付けられる何らかの許容可能な非理想性によって引き起こされる場合がある。そのような設計ベースの非理想性の例は、ばねまたは非対称レバーもしくは質量構造の何らかの非対称配置である。したがって、実際に実施される駆動運動または検出運動では、任意の構造要素の動きが構造要素の動きの理想的な方向からわずかにずれている場合があること、および／または、駆動および検出運動の相対方向が正確に直交する構成からずれている場合があることは理解されたい。本明細書では、方向が通常の誤差公差内で実質的に垂直であるとき、垂直という用語を使用している。

技術の進歩とともに、本発明の基本的な着想を様々な方法で実施することができることが、当業者には明らかである。それゆえ、本発明およびその実施形態は上記の例には限定されず、特許請求項の範囲内で様々に変化してもよい。

本発明は、角速度を検出するためのマイクロメカニカルデバイスに関し、特に、独立請求項１のプリアンブルで定義されたマイクロメカニカルデバイスの平面に直交する単一の回転軸を中心とした角速度を検出するための４つの検出質量を含むマイクロメカニカルデバイスに関する。本発明はさらに、角速度を検出するためのマイクロメカニカルデバイスを動作させるための方法に関し、より詳細には、独立請求項１０のプリアンブルで定義されたマイクロメカニカルデバイスの平面に直交する単一の回転軸を中心とした角速度を検出するための４つの検出質量を含むマイクロメカニカルデバイスを動作させるための方法に関する。

微小電気機械システム、またはＭＥＭＳは、少なくともいくつかの要素が機械的機能を有する小型の機械的および電気機械的システムとして定義することができる。ＭＥＭＳデバイスは、集積回路を作成するために使用されるツールと同じまたは同様のツールを使用して作成されるため、同じシリコン上にマイクロマシンおよびマイクロエレクトロニクスを作成することができる。

ＭＥＭＳ構造は、物理的性質の非常に小さな変化を迅速かつ正確に検出するために適用することができる。例えば、マイクロ電子ジャイロスコープを適用して、非常に小さな角変位を迅速かつ正確に検出することができる。

運動には６つの自由度、すなわち、３つの直交方向における平行移動および３つの直交軸を中心とした回転がある。後者は、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することができる。ＭＥＭＳジャイロスコープでは、角速度を測定するためにコリオリ効果が使用される。質量が主運動と呼ばれる一方向に移動しており、回転角速度が加えられると、質量はコリオリの力の結果として直交方向の力を受ける。コリオリの力によって引き起こされる結果的な物理的変位は、その後、例えば容量性、圧電性またはピエゾ抵抗性の検知構造から読み取ることができる。コリオリ効果による変位は、センスモードとも呼ばれることがある。主運動は、代替的に、駆動運動、主モードまたは駆動モードと呼ばれることがある。

ジャイロスコープは、検出角速度のためのデバイスである。ＭＥＭＳジャイロスコープでは、機械的振動が主運動として使用される。振動ジャイロスコープが主運動の方向に直交する角運動を受けると、波状のコリオリの力が生じることになる。これは、主運動に、および角運動の軸に直交する、主振動の周波数における、センスモードまたは検出運動とも呼ばれる、二次振動を生成する。この結合された振動の振幅は、角速度の測度として使用することができ、この用語は角速度の絶対値を表す場合もある。

米国特許第７４２１８９７号明細書は、クロスクワッド構成の４つの共振素子を有する慣性センサを提示している。隣接する共振器素子のフレームが、フレームを逆相運動させるために互いに結合される。共振器はフレーム内に懸架されている。

米国特許第８２６１６１４号明細書は、読み取りモードにおいて振動質量の並進偏向を抑制するために、２つの振動質量の間に結合バーが配置されている、２つの容量駆動振動素子を含む回転速度センサを提示している。

本発明の目的は、４つの検出質量を、結合レバーシステムを介して互いに適切に結合し、検出質量の逆相運動を可能にし、検出質量の同相および異相運動を防止して検出質量間の平衡および均等化を改善することによって、改善された共振器構造を提示することである。

米国特許第７４２１８９７号明細書 米国特許第８２６１６１４号明細書

本発明の目的は、従来技術の欠点を克服するための方法および装置を提供することである。本発明の目的は、請求項１の特徴部分に記載の装置によって達成される。本発明の目的は、請求項１０の特徴部分に記載の方法によってさらに達成される。

本発明の好ましい実施形態が、従属請求項に開示されている。

本発明の実施形態は、４つの慣性駆動要素の逆相駆動運動を容易にする外側レバーシステムと、４つの検出質量の逆相検出運動を容易にする内側レバーシステムとを含むデュアルレバーシステムの着想に基づく。外側レバーシステムは、駆動運動における要素の位相および振幅の両方を結合することができる。

一般に、リニア４質量ジャイロスコープは、振動に強い装置を提供する。本発明の実施形態は、外側レバーシステムが４つの慣性要素が等しい主運動をするようにし、その各々が隣接する任意の慣性要素に対して逆相方向を有し、４つの慣性要素の対応する機能要素間で等しい駆動振幅を有することさえできるという利点を提供する。このような等しい主運動は、例えば、製造プロセスが理想的でないことによって引き起こされるデバイス形状の不完全性の影響を抑制する。

別の利点は、検出質量の検出運動も強制的に同期され、逆相であることである。これにより、得られる検出信号のレベル、したがって検出の精度を最大にすることができる。さらなる利点は、検出質量の検出運動の振幅を等しく設定するために内側結合レバーシステムを使用することにより、得られる二重差動検出結果の精度および直線性が改善されることである。またさらなる利点は、異なる可動部分の運動量が本質的に互いに打ち消しあうため、装置によって引き起こされる総運動量が最小限に抑えられ、それによって、デバイス自体が引き起こす振動が最小限に抑えられることである。

以下において、添付の図面を参照しながら、好ましい実施形態に関連して、本発明をより詳細に説明する。

典型的なジャイロスコープ構造の概略図である。 駆動運動を示す図である。 検出運動を示す図である。

図１は、典型的なジャイロスコープ構造の概略図を示す。

説明を簡単にするために、図面に座標を配置している場合がある。原点が構造の中央に配置され、対称点にあると考えることができ、ｘ軸がデバイスの平面内で左右に延在し、ｙ軸がデバイスの平面内を上下に延在し、ｚ軸方向はｘ軸とｙ軸の両方に垂直であり、デバイスの平面を通じて延在する。デバイスの平面は、デバイスの構造要素が静止しており、いかなる運動をするようにも励起されていないときに、構造要素によって形成される平面を指す。

２つの構造要素間の「結合」という表現は、直接結合、またはビームまたはばねなどの１つまたは複数の中間要素を用いた結合を指すことができる。

軸に関連して整列されているという用語は、デバイスの実際的な実装によって有効化される通常の公差、例えば製造公差内にある、対称軸または運動方向を示す軸の幾何学的および／または機能的整合を示す。そのような整列は、本質的に整列された軸とも呼ばれることがある。

動きが線形または本質的に線形であると言われるとき、これは、動きが線形であることを意図していることを示し、その結果、運動する質量または要素は、直線軸または線に沿って動くとみなされ得る。線形または本質的に線形という用語は、互換的に使用することができる。

ジャイロスコープ構造は、例えば、駆動共振器と、検出共振器と、結合フレームシステムまたは短く結合フレームとも呼ばれる外側結合レバーシステムと、内側結合レバーシステムとを含むことができる。内側結合レバーシステムは、名前が示すように、駆動共振器および／または検出共振器の外縁によって形成される周縁内でジャイロスコープ構造の内部に配置される。結合フレームシステムは、駆動共振器および検出共振器を取り囲む可撓性フレームを形成する。主慣性駆動および検出システムは、基本的には同様の運動をするが、互いに対して設定された位相にある、対で配置された４つの駆動および検出共振器を備える。これら対の駆動共振器（開放駆動フレーム）（１００）および検出共振器（検出質量）（１０５）は、取り付けられたばねと共に、組み合わされて慣性要素と呼ばれる。４つの慣性要素の各々には、参照符号（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）が割り当てられている。後に、特定の慣性要素の全体を、もしくはこれら慣性要素内の特定の開放駆動フレームまたは特定の検出質量として、これらの参照符号で参照する場合がある。慣性要素ＡおよびＢは、ｙ軸に関して対称である対を形成し、慣性要素ＣおよびＤは、別の同様の対を形成することに留意することができる。他方、慣性要素ＡおよびＣは、慣性要素ＢおよびＤによって形成された同様の対と同様に、ｘ軸を考慮して対称な対を形成する。４つの慣性要素はともに四角形の４つの部分から成る対称構成を形成し、これは装置のｘ軸とｙ軸の両方を考慮して対称である。４つの慣性要素は、同じ単一軸を中心とした角運動を検出するように構成される。慣性要素は、２つの差動検出対を形成し、その両方が差動検出信号を提供するように構成される。２対の要素はともに、同じ軸を中心とした角速度の二重差動検出を可能にする。好ましくは、四角形構成は、４つのフィールドに分割される矩形の形状を有し、慣性要素は各々、４つの矩形フィールドのうちの１つに配置される。より好ましくは、慣性要素の２つの辺は、駆動運動の軸のような慣性要素の運動軸と本質的に整列している。一実施形態によれば、四角形は正方形である。ジャイロスコープ構造は、個々に番号を付されていないが、暗い模様の矩形でマークされている、図では容易に認識できる、アンカーとも呼ばれ得る複数の懸架構造（Ｓｕｓｐ）を含み、一方で、移動および／または変形が可能なデバイスの構造部品は明るい灰色でマークされている。これらの懸架構造は、ジャイロスコープ構造をデバイスベース要素と結合し、反して互いに対して運動および／または変形することができる部品を含むジャイロスコープ構造を考慮して固定領域または点と考えることができる。

駆動共振器は、この例では駆動ばね（１０１）を備える、駆動手段に接続された４つの開放駆動フレーム（１００）を含むことができる。慣性要素Ｂの駆動共振器の駆動ばねのみが図１において番号を付されているが、４つの慣性要素のすべてが同様の駆動ばねを有することが分かる。座標は、構造部品を見えるままにするためにこの図ではマークされていないが、図２および図３にマークされたものと同様であると理解されるべきであり、ｘ軸は水平に延在し、ｙ軸は垂直に延在し、ｚ軸はデバイスの平面に直交する。原点は、デバイスの中央に配置することができる。駆動共振器のフレーム構造は開いており、これは、フレームが閉鎖エンクロージャを形成せず、フレーム構造が開口を有し、したがって例えばＣ字形またはＵ字形を形成していることを示す。開放フレーム構造のこの開口は、結合レバー（１１５）が、フレームによって形成された半開放エンクロージャ内にある構造と結合されることを可能にする。４つの開放駆動フレーム（１００）は、４つの対称構成を形成する。開放駆動フレーム（１００）は、駆動ばねを励起することによって、駆動運動とも呼ばれる本質的に線形主運動をするように励起される。駆動ばね（１０１）は、圧電アクチュエータによって励起されてもよい。当業者に知られているように、駆動ばね（１０１）の圧電作動の代わりに、他の方法および構造を使用して、駆動コームによる静電作動のように、駆動手段に、開放駆動フレーム（１００）を駆動させることができる。小型のジャイロスコープ構造が求められる場合、圧電駆動が有益であることが判明している。駆動ばねは、少なくとも１つの対称軸を考慮して対称に配置することができ、これは駆動運動の軸と整列させることができるが、また非対称に配置されてもよい。駆動ばね（１０１）の対称な配置は、概して、開放駆動フレーム（１００）の駆動運動の線形性を改善することができる。この例では、各駆動ばね（１０１Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）の一端はそれぞれの開放駆動フレーム（１００Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）に接続され、一方で、他端は懸架構造に接続される。駆動要素の作動の詳細は、当業者には知られており、したがって省略されている。開放駆動フレームは閉じたエンクロージャではなく、半開放構造であることに注意すべきである。４つの開放駆動フレーム（１００）はすべて、デバイスの単一の対称軸と整列した方向の直線駆動運動のために構成され、本実施例では、これはｘ軸である。このようにして、開放駆動フレーム（１００）の駆動運動の軸は整列される。これに関連して、本質的に、軸の整列は、実際的な実装によって有効化される通常の公差、例えば製造公差内にあることを示す。

検出質量（１０５）は、本質的に直線的な駆動運動を検出質量に中継する第１のばね（１０６）によって開放駆動フレームに接続される。したがって、それぞれの開放ドライブ（１００）が駆動運動をするように励起されると、検出質量（１０５）も本質的に直線的な駆動運動をするように励起される。この例では、各検出質量（１０５）は、それぞれの開放駆動フレーム（１００）内に懸架されている。４つの検出質量１０５は、４つの部分からなる対称構成を形成する。開放駆動フレームと同様に、４つの検出質量（１０５）はすべて、デバイスの対称軸と整列した方向の直線駆動運動のために構成され、本実施例では、この対称軸はｘ軸である。言い換えると、４つの検出質量（１０５）の駆動運動の軸は整列される。これに関連して、本質的に、軸の整列または軸に沿った運動の整列は、実際的な実装によって有効化される通常の公差、例えば製造公差内にあることを示す。この実施形態では、検出質量（１０５）をその４つの角のそれぞれの近くで開放駆動フレーム（１００）に接続する、各検出質量に対する４つの第１のばね（１０６）がある。４つの第１のばね（１０６）の配置は、駆動運動に整列した軸、この場合はｘ軸と平行な軸に関して対称であってもよい。第１のばね（１０６）は、検出質量（１０５）がジャイロスコープデバイスの平面内でｙ軸方向に、またさらにはジャイロスコープの平面を出てｚ軸方向に動くことを可能にするが、第１のばね（１０６）は、ｘ軸方向に相対的に剛性であり、したがって、検出質量が、駆動運動の方向にそれぞれの開放駆動フレームに沿って動くようにする。第１のばね（１０６）の正確な数は、設計によって異なり得るが、第１のばね（１０６）の対称な配置は、駆動動作の直線性を高める。第１のばね（１０６）は、駆動運動の方向においてより高いばね定数を有して剛性でなければならないが、一方でそれらは、少なくとも検出運動の方向においてより緩くて可撓性であり、より低いばね定数を有するべきである。提示されている実施形態では、第１のばね（１０６）は、蛇行ばねとして形成されている。このばねタイプは、例えば単純なビームスプリングよりもｘ軸方向の剛性が低いが、検出運動のためにｙ軸方向に運動するのに必要な自由度を検出質量（１０５）に提供する。しかしながら、本要旨から逸脱することなく、第１のばね（１０６）として他の任意の適切な形態のばねを使用することができる。

Ｔ字形結合レバーは、第１のビームの第１の端部が第２のビームの長さの半分のところで第２のビームの側部に取り付けられるように、Ｔ字形に配置された第１のビームと第２のビームの２つのビームを含む。また、第１のビームをＴ字形結合レバーの垂直ビームと呼び、第２のビームをＴ字形結合レバーの水平ビームと呼ぶこともある。これに関連して、半分のところ、とは、取り付け点が構造の中間で実質的に半分のところにあることを示すが、位置は製造公差内でわずかに変化してもよい。２つのＴ字形結合レバー（１１５）は、内側結合レバーシステムの一部である。この典型的な実施形態では、検出質量（１０５）の内部の開口部が、Ｔ字形結合レバー（１１５）が検出質量の平面内で（また、デバイスの平面内で）エンクロージャに到達することを可能にするように、各検出質量（１０５）内の半開放エンクロージャ内に検出ばね（１１９）が懸架されている。提示されている実施形態では、Ｔ字形結合レバー（１１５）の各々の第１のビームの各端部にｘ方向軸に沿って対称に取り付けられた２つの検出ばね（１１９）がある。各検出ばね（１１９）の一端は懸架点に固定され、一方で、他端は結合レバー（１１５）に結合されている。駆動運動のみが存在するとき、検出ばね（１１９）は動かない。検出質量（１０５）の検出運動が生じると、結合レバー（１１５）も、結合レバー取り付けられている検出質量（１０５）とともにｘｙ平面内の（デバイスの平面内の）回転運動でｙ軸方向に動き始め、検出ばね（１１９）が動き始め、この動きが検出ばね（１１９）の変形を引き起こしている間、動きを電気的に検出することができる。この例では、検出は検出ばね（１１９）に関連する圧電現象に基づいている。検出ばね（１１９）の対称構造は、検出運動の直線性および安定性をさらに改善するが、特許請求される発明の機能性を達成するためには必要ではない。さらに、開放駆動フレームは閉鎖フレームではなく、結合構造がデバイスの平面内にあるように、結合レバー（１１５）が開放駆動フレーム内のエンクロージャ内に配置された検出質量（１０５）と結合することを可能にする開口部を有する開放フレームであることが留意され得る。このように、開放駆動フレーム（１００）の開口部は、検出運動において検出質量（１０５）の位相および振幅を互いに結合するために結合レバー（１１５）を使用することを可能にする。開放駆動フレームは、Ｕ字形またはＣ字形のフレームとして特徴付けることができる。

結合フレームシステムと呼ばれる外側レバーシステムは、レバーおよびばねを含み、外側レバーシステムは、４つの慣性要素を取り囲む。好ましくは、外側レバーシステムのレバーは、ビームとして形成されるが、他の形態を有してもよい。結合フレームシステムは、結合フレームシステムの動きを誘導するために、また、開放駆動フレームを逆相で動かすために、開放駆動フレームに適切に結合される。結合フレームシステムは、４つの開放駆動フレームを互いに結合し、他の相対位相における駆動動作を妨げながら、互いに比較したときに規定の位相で動くことを可能にする。開放駆動フレームの動きについては、図２に関連してさらに説明する。結合フレームシステムはさらに、開放駆動フレーム間の駆動運動を平衡して均等化する。垂直レバー（１１０）は、ｙ軸方向に互いに隣接する２つの開放駆動フレーム（１００）（この例では開放駆動フレームＡおよびＣならびに開放駆動フレームＢおよびＤ）を結合し、垂直レバー（１１０）は、第１の結合ばね（１２０）によって２つの隣接する開放駆動フレーム（１００）に結合される。２つの質量の間に構造的な部品があっても、開放駆動フレーム（１００）に関して隣接するという用語が使用されることに留意されたい。これに関連して、２つの開放駆動フレームが隣接する慣性要素の一部であることを説明するものとして隣接するという用語を理解すべきである。正確に１つのばねは、各開放駆動フレームを１つの垂直レバー（１１０）に結合する。第１の結合ばね（１２０）は、駆動運動の方向においてｘ軸方向に剛性であることが好ましい。垂直レバー（１１０）は、垂直レバー（１１０）のｙ軸方向の長さの半分のところに配置された第２の結合ばね（１２１）を有する懸架構造にさらに結合される。これに関連して、半分のところ、とは、取り付け点が構造の中間で実質的に半分のところにあることを示すが、位置は製造公差内でわずかに変化してもよい。このばねは、垂直レバー（１１０）の中央をほぼ固定位置において拘束するが、垂直レバー（１１０）がこの固定点を中心としてジャイロスコープ装置の平面内で回転運動することを可能にする。この動きは、図２に関してさらに議論される。本実施形態において、第１の結合ばね（１２０）および第２の結合ばね（１２１）は、相対的に細いビームとして形成される。第１の結合ばね（１２０）および第２の結合ばね（１２１）が駆動運動の方向に相対的に高いばね定数を有する限り、任意の形態のばねを使用することができるが、それらは、垂直レバー（１１０）の必要な回転を可能にするべきである。

外側結合レバーシステムは、２つの垂直レバー（１１０）を互いに結合する２対の水平レバー（１１１）をさらに含む。ループ（１１２）（Ｕ字形）と２つの傾斜ばね（１２２）とを備えた第２のばね装置が、各対の水平レバー（１１１）を結合し、第２のばね装置に結合された隣接する垂直レバー（１１０）が、同相運動を減衰させながら逆相で動くことを可能にする。第２のばね構成は、２つの水平レバー（１１１）の間に接続されており、２つの水平な狭いビームが水平レバー（１１１）と整列している。ループ（１１２）は、２つの水平レバー（１１１）に直交する２つの相対的に長い平行ビームと、２つの平行ビームを接続する相対的に短いビームとを含む。傾斜ばね（１２２）は、ループ（１１２）と水平レバー（１１１）との間に配置され、各々が、一端からループの根元でまたはその近くで、例えば、ループ（１１２）が水平方向の狭いビームに接続する点で、ループ（１１２）と接続されている。与えられている例では、ループ（１１２）と傾斜ばねとの間の角度は約４５度であるが、この角度は自由に選択することができる。傾斜ばね（１２２）はまた、２つの長い平行ビームおよび相互接続する短いビームとともにループ状の形状を形成する。各傾斜ばね（１２２）の他端は、この例ではそれぞれのサスペンション構造に取り付けられた剛性レバー構造を介して懸架構造（Ｓｕｓｐ）に接続されている。第３のスプリング（１１３）が、結合フレームシステムを、外側結合フレームシステムの隅近くのさらなる懸架点に結合する。第３のばね（１１３）は、ｚ方向における垂直レバー（１１０）の望ましくない動きを制限する。

結合フレームシステムのレバーは好ましくは、外側結合フレームシステムのレバーを剛性構造と考えることができるように、相対的に幅広で丈夫なビームとして形成することができる。

４つすべての検出質量（１０５）が、内側結合レバーシステムを介して相互接続されている。内側結合レバーシステムは、２つの結合レバー（１１５）と、複数のばねとを含む。結合レバー（１１５）は、２つの隣接する検出質量（１０５）を第４のばね（１１８）を介して互いに結合する。２つの検出質量の間に何らかの構造的な部品があっても、言い換えれば、それらが直に隣接していなくても、検出質量（１０５）に関して隣接するという用語が使用されることに留意されたい。これに関連して、２つの検出質量が隣接する慣性要素の一部であることを説明するものとして隣接するという用語を理解すべきである。本典型的な設計では、検出質量（１０５）のｘ軸方向対称軸を考慮して対称配置に配置されている、各検出質量（１０５）に対する２つの第４のばね（１１８）がある。代替の実施形態では、第４のばね（１１８）は対称に配置されていない。第４のばね（１１８）は、ｘ方向のばね定数が、この方向における検出質量の駆動運動を可能にするために、相対的により小さいが、ｙ方向のばね定数はより大きく、それによって、検出質量（１０５）の検出運動は、結合レバー（１１５）の運動と結合される。この結合は、検出質量（１０５）を、検出運動において互いに反対の位相で移動させるように誘導する。本実施形態では、それぞれの結合レバー（１１５）を通じた２対の検出質量のこれらの結合は、非ゼロ距離によって分離されており、また、ジャイロスコープデバイスの対称軸（ｘ軸）からの非ゼロ距離によっても分離されている、ｘ方向における２つの異なる軸に沿って延伸する。好ましくは、結合レバーによる２対の検出質量の接続は、ジャイロスコープデバイスのｘ軸を考慮して対称に配置される。

各結合レバー（１１５）は曲げばね（１２７）によって懸架点に結合され、結合レバーは、中央ばね（１２８）によって相互にさらに結合される。デバイスが静止しているときまたは駆動運動をしているときに中央ばね（１２８）が原点を通るが、ばねがいかなる懸架点にも直接的には結合していない間、ばねは、特に検出動作に関して原点から外方に動き得ることに留意されたい。曲げばね（１２７）および中央ばね（１２８）は、各結合レバーが互いから反対の位相で回転運動することを可能にし、これについては図３に関してさらに説明する。本実施形態では、曲げばね（１２７）はビームとして形成されている。内側結合レバーは、検出共振器の検出運動を平衡および均等化する。

図２は、駆動運動とも呼ばれる主運動を示す。構成部品は図１と同じ参照番号で参照されるが、明確にするためにこれらのうちのいくつかのみが図２に追加され、追加の文字が個々の構造部分を識別するために使用されている。図２では、駆動運動が一方向における開放駆動フレーム（１００）の最大変位に達したときの構造要素の位置を示し得る、駆動運動の１つの位相を見ることができる。その後、反対方向において最大変位に達するまで、駆動運動が逆転する。この他方の最大変位位置は、図２をｘ軸に関して鏡像反転することによって例示することができる。図２の要素の変位は、動きを視覚化するために幾分誇張されているが、実際のデバイスでは、同一平面内に位置する構造要素は互いに重なり合わないことがある。

この例では、駆動手段は、開放駆動フレーム（１００）をｘ軸方向において駆動運動するように励起する駆動ばね（１０１）を含むことができる。駆動力は、圧電作動によって駆動ばね（１０１）において発生する。代替の実施形態では、駆動手段は、静電作動用の駆動コームを含むことができる。開放駆動フレーム１００Ａおよび１００Ｂは、反対の位相に励起され、次いで、開放駆動フレーム１００Ａがｘ軸方向に右に動き、開放駆動フレーム１００Ｂがｘ軸方向に左に動き、逆も同様である。同様に、開放駆動フレーム１００Ｃおよび１００Ｄは、駆動運動において反対の位相で対になっている。駆動ばねを駆動する電気信号は、好ましくは位相で生成されるが、開放駆動フレーム１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃおよび１００Ｄの駆動運動が意図された相対位相を有することを保証するために、機械的レバーが使用される。この目的のために、外側結合レバーシステム、すなわち結合フレームシステムが導入されている。また、結合フレームシステムによって与えられる機械的結合により、開放駆動フレームの駆動運動の振幅（駆動振幅）までもが、互いに等しくなるように設定され得る。相互に等しい駆動振幅を有する駆動フレーム（１００）におけるこの駆動運動は、第１のばね（１０６）を介して検出質量（１０５）に向けてさらに結合され、検出質量（１０５）の逆相駆動運動を引き起こす。この結合は、検出質量（１０５）が相互に等しい駆動振幅を有するようにすることができる。

結合フレームシステムは、２つの垂直レバー（１１０）を含む。両方の垂直レバー（１１０）が、隣接する２つの開放駆動フレームを互いに結合する。開放駆動フレーム１００Ａおよび１００Ｃは垂直レバー１１０Ｌに、駆動フレーム１００Ｂおよび１００Ｄは垂直レバー１１０Ｒに、それぞれ第１の結合ばね（１２０）を通じて結合される。開放駆動フレーム１００Ａが開放駆動フレーム１００Ｂに向かってｘ軸方向に右に動く間に、第１の結合ばね（１２０）Ａを介して開放駆動フレーム１００Ａに結合されている、開放駆動フレーム１００Ａおよび１００Ｃの左側にある垂直レバー１１０Ｌの端部も右に動く。同時に、開放駆動フレーム１００Ｃは、ｘ軸方向に左に動き、開放駆動フレーム１００Ｃに隣接する垂直レバー１１０Ｌの端部は、別の第１の結合ばね１２０Ｃによって開放駆動フレーム１００Ｃに結合されている間、ｘ軸方向において左に動く。第２結合ばね１２１Ｌは、垂直レバー１１０Ｌを固定構造に結合する一方、垂直レバー１１０Ｌは傾斜して、開放駆動フレーム１００Ａおよび１００Ｃの互いに対する動きを中継し、それらが反対の位相で動くことを保証する。駆動フレーム（１００）の直線運動の方向は、ジャイロスコープ要素の外側の破線矢印で視覚化されている。これらの方向は反対の位相では逆になる。垂直レバー１１０Ｌは、それに取り付けられた開放駆動フレームの動きを均等化する。第１の結合ばね１２０Ａ、１２０Ｃは、好ましくは、ｘ軸方向にある開放駆動フレームの対称線を通じて延伸する、非ゼロ距離だけ分離した２つのｘ軸方向線に沿って開放駆動フレーム１００Ａ、１００Ｃに結合されている。これは、記載された垂直レバーの動きの直線性、およびまた、開放駆動フレームの動きの直線性を向上させる。開放駆動フレーム１００Ｂおよび１００Ｄに結合された構造の右側の垂直レバー１１０Ｒは、他方の垂直レバー１１０Ｌと同様に動くが、位相は反対である。言い換えれば、２つの垂直レバー１１０Ｌ、１１０Ｒの第１の端部は、ｘ軸方向において互いに向かって動き、他方の端部は、ｘ軸方向において互いから外方に動く。第１の結合ストリング１２０Ａおよび１２０Ｂは、共通の直線を通じて開放駆動フレーム１００Ａおよび１００Ｂならびに検出質量１０５Ａおよび１０５Ｂを横切る同じ線上にあることが留意され得る。提示された例では、この共通の直線は、開放駆動フレーム１００Ａおよび１００Ｂならびに検出質量１０５Ａおよび１０５Ｂの対称軸と整列され、運動の対称性を促進し、駆動運動を安定化および均等化する。代替の実施形態では、開放駆動フレーム１００Ａおよび１００Ｂまたは検出質量１０５Ａおよび１０５Ｂのいずれかが、この線に対して非対称な設計を有するように設計されてもよい。同様に、開放駆動フレーム１００Ｃおよび１００Ｄならびに検出フレーム１０５Ｃおよび１０５Ｄを通じてそれらの対称軸に沿って延在する、第１の結合ストリング１２０Ｃおよび１２０Ｄが、ｘ軸方向において直線上に配置される。

実際には、垂直レバー１１０の各々は、ｘ−ｙ平面内の回転運動と考えることができる動きをしている。しかし、傾き量は非常に小さいが、垂直レバー（１１０）の端部の動き、特に第１の結合ばね（１２０）の動きは、ｘ軸方向においてほぼ直線的と考えることができる。この図では、ジャイロスコープ構造の様々な構造的構成要素の動きが視覚的目的のために誇張されており、物理的構成要素の実際の動きは、示されているものよりも小さくなり得る。

結合フレームシステムは４つの水平レバー（１１１）をさらに含む。垂直レバー１１０Ｌ、１１０Ｒは、水平レバー１１１Ａ、１１１Ｂ、１１１Ｃ、１１１Ｄと結合されている。２つの垂直レバー１１０のそれぞれの両端の間に結合された２つの水平レバー１１１が、ループ（１１２）および２つの傾斜ばね（１２２）を備えるさらなるばね構成と結合されている。水平レバー１１１Ａと１１１Ｂとの間、および水平レバー１１１Ｃと１１１Ｄの間にはそれぞれ、同様のさらなるばね構成が見られる。駆動運動において、水平レバー（１１１）は、ｘ軸方向の運動成分を有し、それによって、垂直レバー（１１０）のそれぞれ端部が互いに向かって動くとき、２つの隣接する水平レバー（１１１）がｘ軸方向において互いに向かって動き、垂直レバー（１１０）のそれぞれ端部が互いから外方に動くとき、水平レバー（１１１）はｘ軸方向において互いから外方に動く。水平レバーは、ｙ軸方向の運動成分をも有してもよく、それによって、それらは、駆動運動中にある程度の傾斜を経験することが分かる。水平レバー（１１１）の目的は、垂直レバー（１１０）を互いに結合し、２つの垂直レバー（１１０）の動きを互いに中継し、それによって、２つの垂直レバーが反対の位相で動くようにすることである。この構成は、開放駆動フレームの動きのさらなる均等化を促進し、その結果、駆動運動において、開放駆動フレーム１００Ａおよび１００Ｄの位相ならびに開放駆動フレーム１００Ｂおよび１００Ｃの位相までもが互いに結合されて同相になり、開放駆動フレーム１００Ａが左に動くと、開放駆動フレーム１００Ｄも左に動き、開放駆動フレーム１００Ｂが右に動くと、開放駆動フレーム１００Ｃも右に移動し、その逆も同様である。言い換えれば、結合フレームシステムは、隣接していない開放駆動フレーム（１００Ａと１００Ｄ、１００Ｂと１００Ｃ）の各対の駆動運動を、等しい位相（同相運動）に結合し、同時に、隣接する開放駆動フレーム（１００Ａと１００Ｂ、１００Ｂと１００Ｄ、１００Ａと１００Ｃ、１００Ｃと１００Ｄ）を反対の位相（逆相運動）に結合する。開放駆動フレーム１００Ａと１００Ｂとが互いに向かって動くと、開放駆動フレーム１００Ｃと１００Ｄとが互いから外方に動き、それによって、２対の開放駆動フレームは、互いから反対の位相で動くと考えることができる。開放駆動フレームの相対位相が、隣接するオープンドライブフレームの位相が、各隣接する開放駆動フレームが隣接する開放駆動フレームの位相と反対の異相を有し、両方の開放駆動フレーム対が他方の開放駆動フレーム対と反対の位相を有するように設定される、上述のような４つの開放駆動フレームのこの種の駆動運動は、同期逆相駆動運動と呼ばれ得る。言い換えれば、４対の隣接する開放駆動フレーム（１００Ａと１００Ｂ、１００Ａと１００Ｃ、１００Ｃと１００Ｄ、１００Ｂと１００Ｄ）の各々において、２つの隣接する開放駆動フレームは、反対の位相で動く。したがって、差動検出信号を提供するように構成された２対の慣性要素に加えて、この同期は、２つの異なる対の慣性要素の隣接する開放駆動フレームにも関係する。開放駆動フレーム（１００）の逆相駆動運動を可能にする一方、結合フレームシステムはまた、同相駆動運動および異相駆動運動を防止する。異相とは、同相または逆相（反対位相）ではない任意の動きを指すが、２つの要素の間の位相差は０度（同相）または１８０度（逆相）以外のものである。このような同期逆相運動の利点は、例えば、異なる部品の運動量が互いに打ち消し合うため、デバイスの総運動量が最小になることである。開放駆動フレーム（１００）の同期逆相駆動運動は、第１のばね（１０６）を介してそれぞれの検出質量（１０５）にさらに中継され、それによって、検出質量（１０５）は、互いに対して同期されて逆相主運動（駆動運動）を行う。第１のばね（１０６）は、検出質量（１０５）の位相がそれぞれの開放駆動フレーム（１００）の位相に追従するように、駆動運動の方向に剛性であり（高いばね定数を有し）、換言すれば、開放駆動フレーム（１００）の逆相駆動運動は、第１のばね（１０６）を介して検出質量（１０５）に中継され、検出質量（１０５）を逆相主運動するようにし、これはさらに、開放駆動フレーム（１００）の逆相駆動運動と同期される。結合フレームシステムは、開放駆動フレーム（１００）の相互の位相を結合するだけでなく、相互に等しい駆動振幅（駆動運動の振幅）をも有するように開放駆動フレーム（１００）を結合する。駆動フレーム（１００）の互いに等しい駆動振幅は、第１のばね（１０６）を介して検出質量（１０５）にさらに中継され、検出質量（１０５）もまた互いに等しい駆動振幅を有するようにし、これによって、検知要素（検出質量１０５）において等しいコリオリの力が生じることが保証される。相互に等しい駆動振幅とは、通常の製造公差内で、主運動中の機能的に類似した要素の振幅の大きさが本質的に等しいことを指す。駆動フレーム（１００）の同期逆相駆動運動と検出質量（１０５）の同期逆相主運動の両方が、同じ技術的利益に寄与し、主運動をするように励起されたときのデバイスの総運動量を最小にする。

図３は、二次検出運動を示す。構成部品は図１と同じ参照番号で参照されるが、明確にするためにこれらのうちのいくつかのみが図２に追加され、追加の文字が個々の構造部分を識別するために使用されている。図３では、検出運動が一方向における検出質量の最大変位に達したときの構造要素の位置を示し得る、検出運動の１つの位相を見ることができる。その後、反対方向において最大変位に達するまで、検出運動が逆転する。この他方の最大変位位置は、図３をｙ軸に関して鏡像反転することによって例示することができる。図３の要素の変位は、動きを視覚化するために幾分誇張されているが、実際のデバイスでは、同一平面内に位置する構造要素は互いに重なり合わないことがある。

このジャイロスコープデバイスはｚ軸を中心とした角速度を検出して測定するように設計されているが、慣性要素の検出運動は、要素の平面内、この例ではｙ軸方向において生じる。言い換えれば、４つすべての検出質量の検出運動の軸が整列される。駆動運動および検出運動の方向は、デバイスをデバイスの平面内で９０度回転させることによって容易に切り替えることができるが、検出軸は同じままである。この図に示されたジャイロスコープ装置がｚ軸を中心とした角速度を受けると、コリオリの力により、検出質量（１０５）がｙ軸方向における振動検出運動を得る。結合レバー１１５Ｕが、隣接する一対の検出質量１０５Ａと１０５Ｂとを結合し、結合レバー１１５Ｄが、一対の隣接する検出質量１０５Ｃと１０５Ｄとを互いに結合する。結合レバー（１１５）は、丸い点線の矢印によって視覚化された、ｘｙ平面内での回転運動をするようになる。結合レバー１１５Ｕは、検出質量１０５Ａと１０５Ｂとを、ｙ軸方向の検出質量運動の位相が反対になるように互いに結合する。第１の結合レバー１１５Ｕの一方の側が負のｙ軸に向かって動くと、反対側の端部は正のｙ軸に向かって動く。この図では、検出質量１０５Ａが本質的に負のｙ軸の方向に下降しており、一方で検出質量１０５Ｂが本質的に正のｙ軸の方向に上昇しており、結合レバー１１５Ｕが、Ｔ字形結合レバー１１５Ｕの水平ビームの重心を中心として回転運動をしていることが分かる。検出質量（１０５）の本質的に直線的な検出運動は、直線の破線の矢印で視覚化されており、結合レバーの回転運動は、湾曲した破線の矢印で視覚化されている。反対の位相では、方向が逆になる。他方の結合レバー１１５Ｄは、検出質量１０５Ｃおよび１０５Ｄを結合し、ｘｙ平面内で回転運動するようになるが、結合レバー１１５Ｕと比較すると反対の回転角度を有し、結合レバー１１５Ｄは、Ｔ字形結合レバー１１５Ｄの水平ビームの重心を中心として回転運動している。したがって、各結合レバー１１５Ｕおよび１１５Ｄは、それぞれに取り付けられた２つの検出質量（１０５）を逆位相の検出運動をするように結合する。

結合レバー１１５Ｕおよび１１５Ｄの回転運動は、２つの結合レバーに共通の曲げばね（１２７）および中央ばね（１２８）によって促進される。２つの結合レバー（１１５）を互いに接続する中央ばね（１２８）がいかなる固定点にも取り付けられていない間、中央ばね（１２８）は曲がり、原点に対してわずかに動くことさえできる。中央ばねは、２つの結合レバー（１１５）の互いに対する相対運動を中継し、各々の回転運動を他方と反対の位相にする。このようにして、結合レバー１１５Ｕおよび１１５Ｄは、４つの検出質量のすべての検出運動の位相を互いに中継し、隣接する検出質量の各々が互いに反対方向に動く同期検出運動を促進する。言い換えれば、隣接する検出質量からなる４つの対（１０５Ａと１０５Ｂ、１０５Ｃと１０５Ｄ、１０５Ａと１０５Ｃ、１０５Ｂと１０５Ｄ）の各々において、２つの隣接する検出質量は、同期逆相検出運動において互いに反対の位相を有する。さらに、検出質量の相対的な検出運動を以下のように記述することができる。結合レバー１１５Ｕの左側が検出質量１０５Ａと共に負のｙ軸に向かって動くとき、結合レバー１１５Ｄの左側は検出質量１０５Ｃと共に正のｙ軸の方向に動き、逆も同様である。このように、２対の検出質量、すなわち、第１の対１０５Ａと１０５Ｂおよび第２の対１０５Ｃと１０５Ｄは、結合レバーならびに曲げばね（１２７）および中央ばね（１２８）を介して互いに同期され、それによって、各対は、他方の対の位相とは反対の位相で検出動作をしている。他方、個々の検出質量の検出運動を見ると、検出質量１０５Ａおよび１０５Ｄは互いに同位相で動くに対し、検出質量１０５Ｂおよび１０５Ｃは前者の対の位相とは反対の相互に同じ位相で動くことが留意され得る。したがって、この構成により、４つの検出質量のすべての検出運動の位相も、実際には互いに同期することが保証される。本デバイスは検出質量の２つの差動対を有し、各対は差動検出のために構成されており、各対は相互に反対の位相の検出運動を有するように構成されているが、この構成は二重作動検出を行うと考えられ得る。４つの検出質量の各々は、本実施例ではｚ軸である、同じ単一軸を中心とした同じ角運動を検出するように構成されている。この軸は、検出軸と呼ばれることがある。各検出質量（１０５）の相対位相が、各検出質量の検出運動が隣接する検出質量のいずれかの位相と反対の位相を有するように設定される、４つの検出質量のこの種の二次すなわち検出運動は、同期逆相検出運動と呼ぶことができる。さらに、検出質量（１０５）の振幅は、内側結合レバーシステム（１１５Ｕ、１１５Ｄ）によって提供される結合を介して検出運動において等しくされ得る。検出質量（１０５）の逆相検出運動を可能にする一方、内側レバーシステムはまた、同相検出運動および異相検出運動を防止する。検出質量の各差動対（１０５Ａと１０５Ｂ、１０５Ｃと１０５Ｄ）の検出質量の検出運動の異相を同期させることによって、検出質量の動きが同期されないシステムと比較して、検出ばねから得られる差動検出信号を最大にすることができ、したがって、測定の精度が向上する。さらに、検出質量（１０５）の検出運動の振幅さえ均等化するために内側レバーシステムを使用することで、二重差動検出結果の精度および直線性がさらに改善される。またさらに、異なる部分の運動量が本質的に互いに打ち消しあうため、デバイス全体の総運動量が最小限に抑えられ、それによって、デバイス自体が引き起こす振動が最小限に抑えられる。したがって、デバイス自体によって引き起こされる振動によって引き起こされる誤った検知信号を最小限に抑えることができる。この図では、ジャイロスコープ構造の構成要素の動きが視覚的目的のために誇張されており、物理的構成要素の実際の動きは、示されているものよりも小さくなり得る。

図２および図３は、駆動および検出運動を別々に示しているが、これらは、ジャイロスコープ要素が測定軸の方向において角速度を受けるときは同時に生じることを理解されたい。上述の異なる構造要素の振動直線運動または回転運動は、純粋な意図された駆動または検出運動に加えて付加的な運動成分を含む場合がある。しばしば、これらの望ましくない運動成分は、製造プロセスが理想的でないこと、および／または、設計上の制約によって義務付けられる何らかの許容可能な非理想性によって引き起こされる場合がある。そのような設計ベースの非理想性の例は、ばねまたは非対称レバーもしくは質量構造の何らかの非対称配置である。したがって、実際に実施される駆動運動または検出運動では、任意の構造要素の動きが構造要素の動きの理想的な方向からわずかにずれている場合があること、および／または、駆動および検出運動の相対方向が正確に直交する構成からずれている場合があることは理解されたい。本明細書では、方向が通常の誤差公差内で実質的に垂直であるとき、垂直という用語を使用している。

技術の進歩とともに、本発明の基本的な着想を様々な方法で実施することができることが、当業者には明らかである。それゆえ、本発明およびその実施形態は上記の例には限定されず、特許請求項の範囲内で様々に変化してもよい。

Claims (15)

1. 角速度を検出するためのマイクロメカニカルデバイスであって、前記マイクロメカニカルデバイスの平面に直交する軸を中心とした角速度を検出するための４つの検出質量を備え、
   前記マイクロメカニカルデバイスが、４つの開放駆動フレームをさらに備えること、および、前記４つの検出質量が、前記軸を中心とした角速度を二重差動的に検出するように構成されていることを特徴とし、
   前記デバイスは、前記４つの検出質量を同期逆相検出運動をするように結合するための内側結合レバーシステムをさらに備える、マイクロメカニカルデバイス。
2. 前記４つの検出質量の本質的に直線的な検出運動の軸は、互いに整列している、請求項１に記載のマイクロメカニカルデバイス。
3. 前記４つの開放駆動フレームは、前記４つの開放駆動フレームを同期逆相駆動運動をするように結合するための結合フレームシステムに結合されており、前記開放駆動フレームの本質的に直線的な駆動運動の軸は相互に整列されている、請求項１〜２のいずれか一項に記載のマイクロメカニカルデバイス。
4. 前記４つの開放駆動フレームは４つの部分から成る対称構成に配置され、各４対の隣接する検出質量における２つの隣接する検出質量は、互いに反対の位相において同期して動くように構成されており、
   前記４つの開放駆動フレームの各々はばねによって前記結合フレームシステムに結合され、前記結合フレームシステムは、前記マイクロメカニカルデバイスの平面内での同期逆相駆動運動を可能にし、同相および異相駆動運動を防止し、
   前記４つの検出質量は、４つの部分から成る対称構成に配置され、４対の隣接する検出質量の各々における２つの隣接する検出質量は、互いに反対の位相で同期して動くように構成され、
   前記４つの検出質量の各々は、少なくとも１つのばねによって前記内側結合レバーシステムに結合され、前記内側結合レバーシステムは、前記マイクロメカニカルデバイスの平面における同期逆相検出運動を可能にし、同相および異相検出運動を防止し、
   前記同期逆相駆動運動の方向は前記同期逆相検出運動の方向に直交する、請求項３に記載のマイクロメカニカルデバイス。
5. 前記４つの開放駆動フレームは互いに等しい駆動振幅を有するように構成されており、前記４つの検出質量は互いに等しい駆動振幅を有するように構成されており、かつ／または、
   前記同期逆相駆動運動は、前記４つの検出質量の同期逆相主運動に中継され、かつ／または、
   前記同期逆相駆動運動は、前記駆動運動と整列した軸に関して対称に配置された複数の第１のばねによって、前記４つの開放駆動フレームの各々からそれぞれの前記検出質量に中継される、請求項１〜３のいずれか一項に記載のマイクロメカニカルデバイス。
6. 前記内側結合レバーシステムは、２つの結合レバーであって、各結合レバーは、前記デバイスの平面内で回転運動することができる、２つの結合レバーと、
   各々が前記２つの結合レバーのうちの１つを少なくとも１つの懸架構造に結合する、２つの第１の曲げばねと、
   前記２つの結合レバーを相互に結合するための中央ばねとを備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロメカニカルデバイス。
7. 前記２つの結合レバーの各々は、第１のビームと第２のビームとを備え、
   前記第１のビームの第１の端部は、前記第２のビームの長さの半分のところで前記第２のビームの第１の側に取り付けられており、
   前記第１のビームの第２の端部は、前記２つの結合レバーを相互に結合する前記中央ばねに結合されており、
   前記第２のビームの各端部は、少なくとも１つの第１のばねによってそれぞれの検出質量に結合されており、
   前記第２のビームは、前記第２のビームの、前記第１のビームを取り付ける前記側とは反対の側で、前記第２のビームの長さの半分のところで、前記第１の曲げばねのうちの１つによって懸架点に結合されており、前記第１の曲げばねおよび前記中央ばねは、前記デバイスが静止しているとき、および駆動運動をしているときに、２つの結合レバーの両方に共通の対称線と整列している、請求項６に記載のマイクロメカニカルデバイス。
8. 前記２つの結合レバーの各々の前記第２のビームの各端部は、前記それぞれの検出質量内のエンクロージャ内にパターン形成された少なくとも１つの検出ばねにさらに結合され、前記少なくとも１つの検出ばねの他方の端部が、懸架構造に結合されている、請求項７に記載のマイクロメカニカルデバイス。
9. 前記結合フレームシステムは、前記マイクロメカニカルデバイスの第１の対向する側に配置された２つの長尺レバーであって、各長尺レバーは、２つの異なる隣接する開放駆動フレームと結合され、各開放駆動フレームは、単一の結合点において正確に１つの長尺レバーに結合され、結合点は、それぞれの前記開放駆動フレームの対称軸上に配置される、２つの長尺レバーと、
   ２つの隣接する短尺レバーからなる対になるように構成されている４つの短尺レバーであって、前記短尺レバーの各対は、前記マイクロメカニカルデバイスの第２の対向する側に配置されており、短尺レバーの各対のうちのレバーは、ループおよび２つの傾斜ばねを備える第１のばね構成と相互に結合されており、前記第１のばね構成は、２つの隣接する前記短尺レバーが反対の位相で動くことを可能にし、前記駆動質量が駆動運動をしているときに、前記２つの隣接する短尺レバーが同相で動くのを防止する、４つの短尺レバーとを備え、
   前記長尺レバーおよび前記短尺レバーの隣接する端部は、前記それぞれのレバーの前記隣接する端部においてまたはその付近で互いに結合されており、
   前記２つの長尺レバーの各々は、第３のばねによって、前記長尺レバーの長さの半分のところで懸架構造にさらに結合されており、前記長尺レバーは、前記長尺レバーの前記懸架構造への前記結合点を中心として前記デバイスの高さで回転するように構成されている、請求項３〜８のいずれか一項に記載のマイクロメカニカルデバイス。
10. 各検出質量は、それぞれの前記開放駆動フレーム内のエンクロージャ内に配置され、各検出質量は、第２のばね構成を介して前記それぞれの開放駆動フレームに結合され、前記第２のばね構成内の前記ばねは、前記駆動運動の方向においてより高いばね定数を有し、前記検出運動の方向においてより低いばね定数を有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載のマイクロメカニカルデバイス。
11. 角速度を検出するためのマイクロメカニカルデバイスを動作させるための方法であって、前記マイクロメカニカルデバイスの平面に直交する軸を中心とした角速度を検出するための４つの開放駆動フレームおよび４つの検出質量を含むマイクロメカニカルデバイスを提供するステップを含み、
    前記方法が、
    前記４つの検出質量を内側結合レバーシステムによって同期逆相検出運動をするように結合するステップと、
    前記４つの検出質量によって前記軸を中心とした前記角速度を二重差動的に検出するステップとをさらに含むことを特徴とする、方法。
12. 前記４つの検出質量の本質的に直線的な検出運動の軸は、互いに整列している、請求項１１に記載の方法。
13. 前記方法は、前記４つの開放駆動フレームを、結合フレームシステムを用いて同期逆相駆動運動をするように結合するステップをさらに含み、前記開放駆動フレームの本質的に直線的な駆動運動の軸は相互に整列されている、請求項１１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記４つの開放駆動フレームを、４つの部分から成る対称構成において前記逆相駆動運動をするように励起するステップであって、２つの隣接する開放駆動フレームからなる４つの対の各々は、互いに反対の位相において同期して動く、励起するステップと、
    前記４つの開放駆動フレームの各々を、ばねによって前記結合フレームシステムに結合するステップであって、前記結合フレームシステムは、前記マイクロメカニカルデバイスの平面内での前記同期逆相駆動運動を可能にし、同相および異相駆動運動を防止する、結合するステップと、
    前記４つの検出質量の前記逆相駆動運動が、４つの部分から成る対称構成において行われるようにするステップであって、２つの隣接する検出質量からなる４つの対の各々は、互いに反対の位相で同期して動く、行われるようにするステップと、
    前記４つの検出質量の各々を、少なくとも１つのばねによって前記内側結合レバーシステムに結合するステップであって、前記内側結合レバーシステムは、前記マイクロメカニカルデバイスの平面における前記同期逆相検出運動を可能にし、同相および異相検出運動を防止し、前記同期逆相駆動運動の方向は前記同期逆相検出運動の方向に直交する、結合するステップとをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
15. 前記４つの開放駆動フレームを励起する前記ステップは、前記開放駆動フレームを、互いに等しい駆動振幅で前記逆相駆動運動をするように動かし、前記４つの検出質量を、互いに等しい駆動振幅で逆相主運動をするように動かし、または、前記方法は、前記４つの検出質量の同期逆相主運動を引き起こすために、前記同期逆相駆動運動を、前記４つの検出質量の同期逆相主運動に中継するステップを含み、または、前記方法は、前記同期逆相駆動運動を、前記駆動運動と整列した軸に関して対称に配置された複数の第１のばねによって、前記４つの開放駆動フレームの各々からそれぞれの前記検出質量に中継するステップを含む、請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の方法。

Images