JP2018524607A - 振動マイクロメカニカル角速度センサ、及びそれを動作させるための方法 - Google Patents

Abstract

ロータ質量と２つの線形的に運動する質量とを備える振動角速度センサを動作させるためのセンサ構造および方法が開示される。センサ構造は、各々が２つの線形的に運動する質量およびロータ質量に結合された２つのＴ字形レバーを備える。Ｔ字形レバーは、ロータ質量および２つの線形的に運動する質量を逆相主モードになるように励起されることを有効にし、ロータ質量の角運動量の方向は、線形的に運動する質量の角運動量の方向とは反対である。ロータ質量および線形的に運動する質量の角運動量は互いに大きく相殺され、それによって、構造の角運動量の総計は非常に小さい。逆相主モードの公称周波数は、平行位相主モードのような他の可能な主モードの公称周波数に比べて明らかに低い。【選択図】図２ａ

Description

本発明は、角速度の測定に用いられる測定デバイスに関し、特に、独立請求項１の前文で定義された振動角速度センサに関する。さらに、本発明は、マイクロメカニカルジャイロスコープ要素に関し、より詳細には、２つまたは３つの自由度を有する角速度を測定することができるジャイロスコープ要素に関する。本発明はまた、独立請求項１１の前文で定義された振動角速度センサを動作させる方法にも関する。

国際公開第２００９／１２７７８２号は、２軸または３軸に関して角速度を測定するために使用される微小電気機械ＭＥＭＳセンサを提示している。それは３つの質量、すなわち、ロータ質量および２つの線形振動質量を有する。線形振動質量は、可撓性ばねを用いてロータ質量に結合されている。線形振動質量は振動するように励起され、ロータ質量は、ロータ質量および２つの線形質量から導出される角運動量が常に、時計回りと反時計回りとの間で変化する相互に同じ方向を有するように、それらの方向に従う。

線形的に運動する質量、線形運動質量または単に線形質量という用語は、質量の形状または形状ではなく、質量の意図される線形的な主運動を指す。線形的に運動する質量は、回転軸を中心とする回転主運動ではなく、軸に沿った線形的な主振動運動をするように励起されるように意図されている。

振動角速度センサによる角運動速度または角速度（角運動速度ベクトルの絶対値）を測定することは、単純かつ信頼できる概念であることが知られている。振動角速度センサにおいては、振動質量（複数可）の主運動が生成され、センサ内に維持される。次に、測定される運動が、主運動からのずれとして検出される。

ＭＥＭＳジャイロスコープでは、主運動または主モードとも呼ばれる、主運動として機械振動が使用される。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。これは、主運動に、および／または、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、すなわち、角運動速度の絶対値の測度として使用することができる。

ジャイロスコープデバイスでは、複数の運動質量の組み合わせが、総線形運動量に加えて総角運動量を生じさせ得、これらは両方ともジャイロスコープデバイスにいくらかの問題を引き起こす可能性がある。例えば、非ゼロの総運動量は、より詳細に後述する開始時間中に生じる問題に加えて、速度オフセットの不安定性、速度信号ノイズ、外部の機械的衝撃および振動に対する感受性および／またはそれとの干渉を引き起こす可能性がある。

国際公開第２００９／１２７７８２号

本発明の目的は、先行技術の欠点を克服し、特に非ゼロの総角運動量によって引き起こされる問題を軽減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１１の特徴部分に記載の方法によってさらに達成される。

本発明の実施形態は、請求項に記載のセンサ素子が良好な性能で角速度の確実な測定を有効にするという利点を有する。提示されるセンサ素子構造は、低い公称周波数および非常に低い総角運動量を有する逆相主モードを有する。低い公称周波数は、センサデバイス全体の機械的堅牢性を促進する。低い総角運動量は、センサ素子の検出可能な振動を低減する。したがって、センサ素子の外側に振動エネルギーが漏れることはまったくないか、または非常に少なく、これによって、センサデバイスのＱ値の安定性が向上する。

第１の態様によれば、少なくとも１つのロータ質量と２つの線形的に運動する質量とを含む振動角速度センサのための構造が提供される。この構造は、各々が可撓性ばねによって２つの線形的に運動する質量およびロータ質量に結合された２つのＴ字形レバーを備える。Ｔ字形レバーは、ロータ質量および２つの線形的に運動する質量を逆相主モードになるように励起されることを有効にし、構造の幾何学的中心に対するロータ質量の角運動量の方向は、線形的に運動する質量の角運動量の方向とは反対である。

第２の態様によれば、２つのＴ字形レバーは、ロータ質量の第１の対向する側に対称に配置される。

第３の態様によれば、上記線形的に運動する質量は、ロータ質量の第２の対向する側に対称に配置される。

第４の態様によれば、センサは、２つの線形的に運動する質量をデバイスの平面内で線形主振動運動にするように励起するための励起手段をさらに備え、２つのＴ字形レバーは、２つの線形的に運動する質量の線形主振動運動をロータ質量の回転主運動に伝達し、回転主運動は、デバイスの平面内で発生する。

第５の態様によれば、線形主振動運動は、２つの平行な第１の軸に沿ってそれぞれ発生するように構成され、２つの線形的に運動する質量は逆の位相で運動するように構成され、２つの平行な第１の軸は、非ゼロ距離によって分離され、ロータ質量の回転主運動は、デバイスの平面に垂直な第２の軸を中心として発生するように構成される。

第６の態様によれば、ロータ質量および線形的に運動する質量に結合されたＴ字形レバーの端部は、二等辺三角形を形成し、各Ｔ字形レバーは、第１のレバーの長さのほぼ中央で第１のレバーに取り付けられた第２のレバーを備え、かつ／または、第２のレバーと第１のレバーとは９０度の角度で取り付けられている。

第７の態様によれば、Ｔ字形レバーは、ロータ質量および２つの線形的に運動する質量が平行位相主モードになるように励起されることをさらに有効にし、このモードにおいて、ロータ質量の角運動量の方向は、線形的に運動する質量の角運動量の方向と同じである。

第８の態様によれば、逆相主モードの公称周波数は、平行位相主モードの公称周波数よりも低い。

第９の態様によれば、逆相主モードは、ロータ質量と２つの線形的に運動する質量との角運動量の絶対値の合計の５％未満である総角運動量を有する。

第１０の態様によれば、構造は、２つの支持フレームをさらに備え、２つの支持フレームの各々は、第１の懸架構造に非可撓性に結合され、２つの支持フレームの各々は、可撓性ばねによって少なくとも２つの第２の懸架構造に結合される。２つの支持レバーの各々は、少なくとも２つの可撓性ばねによって、線形的に運動する質量のうちの１つに結合される。

少なくとも１つのロータ質量と２つの線形的に運動する質量とを含む振動角速度センサを動作させるための第１の方法態様によれば、この方法は、ロータ質量および２つの線形的に運動する質量を逆相主モードに設定するステップを含み、構造の幾何学的中心に対するロータ質量の角運動量の方向は、線形的に運動する質量の角運動量の方向とは反対である。

第２の方法態様によれば、方法は、２つのＴ字形レバーを使用してロータ質量および２つの線形的に運動する質量を逆相主モードに設定するステップを含み、各Ｔ形状レバーは、可撓性ばねによって、２つの線形的に運動する質量およびロータ質量に結合される。

第３の態様によれば、ロータ質量および２つの線形的に運動する質量を逆相主モードに設定するステップは、２つの線形的に運動する質量をデバイスの平面内で線形主振動運動するように励起するステップと、２つの線形的に運動する質量の線形主振動運動をロータ質量の回転主運動に伝達するために、２つのＴ字形レバーを使用するステップとを含み、回転主運動は、デバイスの平面内で発生する。

第４の方法態様によれば、線形主振動運動は、２つの平行な第１の軸に沿って発生し、２つの線形的に運動する質量は逆の位相で振動し、２つの平行な第１の軸は、互いから非ゼロ距離だけ離れており、回転主運動は、デバイスの平面に垂直な第２の軸を中心として発生する。

第５の方法態様によれば、２つのＴ字形レバーは、ロータ質量の第１の対向する側に対称に配置される。

第６の方法態様によれば、２つの線形的に運動する質量は、ロータ質量の第２の対向する側に対称に配置される。

第７の方法態様によれば、逆相主モードは、ロータ質量と２つの線形的に運動する質量との角運動量の絶対値の合計の５％未満である総角運動量を有する。

第９の方法態様によれば、上記Ｔ字形レバーは、ロータ質量および２つの線形的に運動する質量が平行位相主モードになるように励起されることをさらに有効にし、このモードにおいて、ロータ質量の角運動量の方向は、線形的に運動する質量の角運動量の方向と同じである。

第１０の方法態様によれば、逆相主モードの公称周波数は、平行位相主モードの公称周波数よりも低い。

第１１の方法態様によれば、２つの線形的に運動する質量は、２つの支持フレームによってさらに支持され、支持フレームは、線形主振動運動中に、デバイスの平面から外れる、２つの線形的に運動する質量の運動を低減する。

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。

センサ素子の主要な構造部分の概略図である。 センサ素子の一実施形態を示す図である。 第１の主振動モードを概略的に示す図である。 第１の主振動モードのＭＥＭＳ実施形態を示す図である。 第２の主振動モードを概略的に示す図である。 第２の主振動モードのＭＥＭＳ実施形態を示す図である。 センサデバイスを概略的に示す図である。 センサ素子の代替の実施形態を示す図である。

「デバイスの平面」、「構造の平面」、「センサの平面」、「質量の平面」または「ロータ質量の平面」が参照されている場合、これらは、いかなる運動をするようにも励起されていないときに、それらの初期位置においてセンサデバイスの慣性質量によって形成される平面を意味する。本明細書に添付の図面の座標において、この平面はｘｙ平面に対応する。物理的デバイスの慣性質量は、ｚ軸の方向に非ゼロの厚さを有する。これらの質量の平面は、それぞれの参照される構造要素の厚さ内に含まれる平坦な平面を含むと理解されるべきである。

「線形的に運動する質量」という用語は、線形主振動運動、すなわち、所与の軸に沿った縦振動を有するように意図されている振動質量を指し、これは、このような線形主振動運動を有するように意図された振動質量を、回転主運動を有するように意図された振動質量から区別するためである。線形的に運動する質量は、センサデバイスの設計および意図された用途に従って、様々な補助検出運動モードを有することができる。

「ロータ質量」という用語は、回転主運動を有するように意図されており、１つ，２つまたは３つの自由軸を中心として回転させることが可能であり、またそのように意図されている振動質量を指し、１つの特定の軸を中心とした回転運動は、主モードの一部であり、１つまたは２つの他の軸を中心とした回転運動は、補助検知運動に使用することができる。「線形主振動運動」は、線形的に運動する質量の運動を指し、「回転主運動」は、ロータ質量の運動を指すが、「主モード」は、主運動するように励起されるときの、センサ素子のすべての慣性部分の運動の組み合わせを表す。

慣性ＭＥＭＳデバイスでは、ばね構造は、通常は一様な断面を有するビームから構成されている。ＭＥＭＳ技術は基本的に平坦であるが、ビームの寸法は、特にｚ軸の寸法または厚さにおいて制限される。したがって、ＭＥＭＳデバイスの可動部分は、ｘｙ平面内に実質的に平坦な構造を形成すると考えることができる。ビームの長さおよび幅ならびに形状は、変化させることができる。本明細書では、「ばね」という用語は、可撓性ばねとして機能することを意図している任意の種類の直線状、折り畳まれた、または屈曲したビーム構造に使用される。例えば、ばねは、少なくとも１つの方向に柔軟な運動を可能にする、狭いビームが１回以上折り畳まれた構造である。直線ビームは、その剛性が低いときにばねとして機能することができ、これによってビームがねじれもしくは屈曲し、またはねじれを伴って動くことが可能になる。用語「レバー」は、剛性である、すなわちばねのように可撓性ではないように意図されている構造を指す。これらは、ビームとして、または、２つ以上のビームの組み合わせとして形成されてもよく、それらはより複雑な構造を含んでいてもよい。

図１ａは、センサ素子の主要な構造部分を概略的に示す。図１ｂは、いくつかのさらなる実施態様詳細を伴う、同じ要素の典型的な実施形態を示す。図面はここでは並列して記載されており、一般的な構造要素が見えている場合、これらは同じ参照符号を有する。この図は、センサ素子内の慣性要素、可動要素の性質および機能を説明することを目的としているが、センサ素子の支持体はこれらの図には示されていない。センサの支持体は、デバイス層の下にあるハンドルウェハを含むことができ、デバイス層は、ハンドルウェハの上に懸架されている。デバイス層は、本明細書に記載されている構造部品を含むセンサのすべての慣性部分および可動部分を含む。

図１ａおよび図１ｂによるセンサ素子は、少なくとも２つの線形的に運動する質量（１０１，１０２）およびロータ質量（１０３）を有する。線形的に運動する質量（１０１，１０２）は、平面内で主運動するように励起され、ｚ軸を中心とした角運動速度を検知するために使用され得る。より具体的には、線形的に運動する質量は、質量の平面内でｘ軸の方向に発生する線形主振動運動をするように励起される。ｘ軸の方向について、運動が主にｘ軸の方向に生じるように意図されているが、この方向の何らかのずれが、物理的デバイスの非理想性のために生じ得る。範囲から逸脱することなく、通常の動作公差内での意図された正確な方向からのずれが許容される。ｚ軸を中心とした角速度が、振動している、線形的に運動する質量（１０１，１０２）に作用すると、ｙ軸方向にコリオリ力が生じ、線形的に運動する質量（１０１，１０２）がｙ軸方向の検出運動を開始することができる。ロータ質量（１０３）は、質量の平面に垂直なｚ軸を中心として回転主運動をするように励起され、面内角運動速度を検出するために使用され得る。線形的に運動する質量の構造は変化し得る。それらは、各々単一の運動質量を含んでもよく、または、それらは各々少なくとも２つの運動質量から構成されてもよい。例えば、各線形的に運動する質量は、内側運動質量、および、フレームとも呼ばれる外側運動質量を含んでもよい。さらに別の代替形態では、各線形的に運動する質量は、フレーム内に２つ以上の運動質量を含んでもよい。種々の運動質量の目的は、質量に、主モードおよび補助検知運動（検知モード）に必要な自由度を与えることである。線形的に運動する質量の構造の詳細は、振動マイクロメカニカルセンサに精通した人には知られており、簡単にするために本明細書では詳細には説明しない。以下の例は、２つの典型的な実施形態を示す。

ロータ質量（１０３）は、典型的には、センサ素子の本体に対して、ロータ質量（１０３）がロータ質量（１０３）構造の中心の周りを回転することを可能にする、懸架構造（１０６）とロータ質量（１０３）との間の可撓性ばね（１１８、図１ａには明確には示されていない）を使用して、アンカーと呼ばれることもある、基本的にロータ質量（１０３）の中央にある懸架構造（１０６）に対して支持されている。この構成では、ロータ質量（１０３）の主回転は、ロータ質量（１０３）の面内において、すなわちｘｙ平面内で、センサ素子およびロータ質量（１０３）の幾何学中心を通過するｚ軸を中心として発生する。ロータ質量（１０３）の平面、すなわちセンサ素子の平面は、静止しているとき、すなわち、いかなる運動をするようにも励起されていないときに、センサ素子によって形成される平面を意味する。

センサ素子は、線形的に運動する質量（図示せず）の端部に配置された励起コームによって励起されてもよいが、当業者に知られているような、デバイスを励起するための任意の他の方法および構造が使用されてもよい。例えば、ピエゾ励起を代替的に使用してもよい。主振動運動および主モードは、図２ａ〜図２ｄに関連してさらに説明される。

ロータ質量（１０３）を所望の回転主運動をするように励起するために、このデバイスは、次に説明するビームおよびばね構成を有する。２つの線形的に運動する質量（１０１，１０２）は、第１のレバー（１１０，１１２）であって、剛性である、すなわち、すなわち、いかなる大きな曲げもねじれも許容しない第１のレバー（１１０，１１２）によって互いに結合されている。これらの第１のレバー（１１０，１１２）は、可撓性ばね（１２０，１２１，１２２，１２３）を用いて２つの線形的に運動する質量（１０１，１０２）に結合されている。線形的に運動する質量（１０１，１０２）がただ１つの部分で作られる場合、可撓性ばねは質量自体に結合されることになる。線形的に運動する質量（１０１，１０２）が内側質量および外側質量を有する場合、可撓性ばねは当然ながら外側質量、すなわちフレームに結合されることになる。各第１のレバー構造は、各々が２つの第１のレバー（１１０，１１２）の一方をそれぞれ可撓性ばね（１１５，１１７）を介してロータ質量（１０３）に結合するさらなる第２のレバー（１１４，１１６）を追加することによって、さらに増強されてレバーＴ字形レバー構造になる。第１のレバー（１１０）および第２のレバー（１１４）は、第１のレバー（１１２）および第２のレバー（１１６）によって形成されたものと基本的に同様のＴ字形レバーをともに形成し、Ｔ字形レバーは、ロータ質量（１０３）の対向する両側に配置される。Ｔ字形レバーを形成するこれらの異なるビーム構造は、好ましくは、同じ製造工程中に製造される。すなわち、ビームに要求される特別な「結合」、「取り付け」または「接続」はなく、それらは例えば、少なくともいくつかの共通の製造プロセスステップを使用してすべてのセンサ構造を作成することができる、単一のシリコンウェハ上でのマスキングおよびエッチングプロセスのようなパターニングプロセスを通じて形成することができる。

２つのＴ字形レバー構造は、好ましくはデバイスが静止しているときに対象な位置に配置され、それによって、第２のレバー（１１４，１１６）がそれらの間のロータ質量（１０３）に結合され、Ｔ字形レバーは、ロータ質量（１０３）の２つの対向する側で互いに反対に配置され、ロータ質量（１０３）とそれを懸架構造（１０６）に結合するばねとを備えるロータシステムは、ロータ質量（１０３）の中心を通過する少なくとも１つの軸に関して対称である。この例では、システムは、ｘ軸およびｙ軸の両方に関して対称である。現在の例では、ロータ質量（１０３）は四角形であり、Ｔ字形レバーは、対向する側のうち、線形的に運動する質量（１０１，１０２）とは異なる側にあり、それによって、線形的に運動する質量（１０１、１０２）またはＴ字形レバーのいずれかが、ロータ質量（１０３）の各側に見られる。基本的にロータ質量（１０３）の中間にある筐体内に懸架構造（１０６）があり得、これはロータをデバイス本体に懸架する。デバイス本体は、この図には示されていないが、提示されているセンサ素子の下または上に存在すると理解することができる。ロータ質量（１０３）は、ロータ質量（１０３）が少なくとも１つの方向において、すなわち、少なくとも１つの軸を中心として回転することを可能にするばね（１１８）を用いて、ロータ質量（１０３）の平面内で懸架構造（１０６）によって懸架することができる。現在の例では、ロータ質量（１０３）を懸架構造（１０６）に結合するばね構造（１１８）は、ロータ質量（１０３）が３つの軸（ｘ、ｙ、ｚ）のすべてを中心に回転することを可能にすることができる。基本的にロータ質量（１０３）の中央にある筐体内の懸架構造（１０６）に加えて、静止しているときおよび／または質量の平面内で発生している主モードになるように励起されたときに、ハンドルウェハの上にある質量の意図された平面内でセンサ素子を懸架する目的のためのいくつかのさらなる懸架構造（１０７）があってもよい。ばね構成は、ロータ質量（１０３）および線形的に運動する質量（１０１，１０２）が懸架構造（１０６，１０７）に対して運動することを可能にする。センサ素子は、駆動および検出コームならびに／またはばねもしくは他の駆動要素、追加の懸架構造などのさらなる構造部品を含むことができる。これらの構造および要素のすべてが、図１ａおよび図１ｂの概略図に示されているわけではなく、特許請求されている発明を理解するために必要な部分のみが示されている。

第１のレバー（１１０または１１２）および第２のレバー（それぞれ１１４または１１６）の構造をＴ字形レバーとして説明しているが、この構造は本発明から逸脱することなくいくつかの変形を有することができることを理解されたい。変形は、製造プロセスにおけるいくつかの非理想性によって引き起こされ得、またはそれらは意図的であり得る。第２のレバー（１１４，１１６）は、好ましくは、それぞれの第１のレバー（１１０，１１２）に９０度の角度で取り付けられているが、Ｔ字形レバーの機能を大きく変えることなく、角度がわずかに変化してもよい。同様に、第２のレバー（１１４，１１６）の位置は、それぞれの第１のレバー（１１０，１１２）の絶対的な中央になくてもよく、わずかに離れていてもよい。レバー間の頂点またはビーム／ばねの曲げ部の任意の角部は鋭くなくてもよく、頂点にはいくらかの丸み、すなわちフィレットがあってもよい。製造プロセスにおいて、いくつかの鋭い角部は、任意の設計上の対策さえなしに、フィレットによってわずかに滑らかになってもよい。他方、フィレットは、頂点領域内の応力を緩和する目的で頂点内に設計さえされてもよい。頂点領域に何らかの意図的に追加される材料、すなわち、Ｔ字形レバーの応力緩和または剛性増大のための材料があってもよい。なおさらに、剛性レバーは、断面が一様でないビームを含むことができる。Ｔ字形を形成する第１のレバーおよび／または第２のレバーは、さらに湾曲していてもよく、または湾曲もしくは屈曲した部分を含んでいてもよい。第１のレバー（１１０または１１２）の各端部と第２のレバー（１１４または１１６）の端部との間の距離が基本的に等しくなるように、振動質量（１０１，１０２，１０３）に結合されているＴ字形レバーの３つの端部が二等辺三角形を形成する限り、Ｔ字形レバーの任意の変形が範囲内にある。

図２ａ、図２ｂ、図２ｃおよび図２ｄは、図１ａおよび図１ｂの剛性線形ビーム（１１０，１１２）と第２のレバー（それぞれ１１４，１１６）との組合せに対応するＴ字形レバー構造（２１８，２１９）によって有効にされるいくつかの可能な運動モードの２つの例を示す。図２ａおよび図２ｂは、第１の主モードを示しており、図２ａはより一般的な概略図であり、図２ｂは、ＭＥＭＳデバイスに実装されたより多くの構造詳細を有する第１の主モードの一実施形態を示す。図２ｃおよび図２ｄは、第１の主モードとは異なる第２の主モードを示しており、図２ｃは一般的な概略図であり、図２ｄは、ＭＥＭＳデバイスに実装されたより多くの構造詳細を有する第２の主モードの典型的な実施形態を示す。線形的に運動する質量（１０１，１０２）とロータ質量（１０３）とを結合するＴ字形レバー（２１８，２１９）は、異なる構造部分の運動の相対的な方向だけでなく、異なる運動モードの公称周波数も相互に大きく異なる少なくとも２つの運動モードを有効にする。

システムは、好ましくは、２つの線形的に運動する質量（１０１，１０２）を、デバイス平面内でｘ軸の方向に振動する線形主振動運動で動かすことによって励起される。各線形的に運動する質量（１０１，１０２）は、ｘ軸からおよび互いから非ゼロの距離をおいて、ｘ軸に平行な異なる軸に沿って運動する。構造が外力によって励起されないとき、構造は平衡状態と呼ぶことができる位置にとどまる。線形的に運動する質量（１０１，１０２）は、線形的に運動する質量（１０１，１０２）が最初に、平衡状態からの設定された変位に達するまで平衡状態から外方に運動し、その後、平衡状態に戻って、さらに引き続き設定された変位まで反対方向に運動し、再び運動の方向が変化して平衡状態に戻る、所与の周波数を有する振動をするように励起され得る。例として、図２ａ、図２ｂ、図２ｃおよび図２ｄにおいて、上側の線形的に運動する質量（１０１）は右に運動し、下側の線形的に運動する質量（１０２）は左に運動している。したがって、２つの線形的に運動する質量（１０１，１０２）は、互いから非ゼロの距離をおいて、平行に位置するそれぞれの軸に沿って反対方向に運動する。２つの線形的に運動する質量の線形主振動運動の位相は逆であるとも言える。線形的に運動する質量（１０１，１０２）を現在の位置に運んだ運動の方向は、点線の矢印で概略的に示されている。すべての図２ａ、図２ｂ、図２ｃおよび図２ｄにおいて、最初に平衡状態であった後に線形的に運動する質量（１０１，１０２）の現在位置に達するために、線形的に運動する質量（１０１，１０２）はロータ質量（１０３）およびセンサ構造全体の幾何学的中心に位置する回転軸（ｚ軸）を中心とした時計回り方向にある角運動量を有する方向に移動していることも分かる。振動の次のサイクルでは、線形的に運動する質量（１０１，１０２）は、反時計回り方向にある総角運動量を有し、ｙ軸に関して鏡像反転したときの、図２ａ〜図２ｄの鏡像であると説明することができる位置に達する。サイクルは、再び図２ａ、図２ｂ、図２ｃおよび図２ｄに示されるような位置に向かって継続し、そこでは、線形的に運動する質量（１０１，１０２）は、回転軸（ｚ軸）を中心とした時計回り方向にある角運動量を有する。線形主振動運動の間に、線形的に運動する質量（１０１，１０２）の運動はさらに、意図された線形主振動運動に加えて望ましくない直交運動のような何らかの他の運動成分を有する場合がある。直交運動は、当業者に知られている任意の方法によって低減することができる。主モードを改善することを目標とする本発明に照らして、線形的に運動する質量（１０１，１０２）に対する主な関心は、線形主振動運動および主モードにおける上述の線形運動によって生じる角運動量であり、ここで、２つの線形的に運動する質量（１０１，１０２）が反対の位相で振動し、センサ構造全体の幾何学的中心でもあるロータ質量（１０３）の幾何学的中心における共通の回転軸（ｚ軸）を基準とした正味の（合計）角運動量を発生させる。

線形的に運動する質量（１０１，１０２）の線形主振動運動は、ロータ質量（１０３）をロータ質量（１０３）の中心周りに回転させる。この運動は、ロータ質量（１０３）の回転主運動と呼ばれる。線形振動運動は、Ｔ字形レバー（２１８，２１９）によってロータ質量（１０３）に向かって伝達され、ロータ質量（１０３）に、それ自身の特徴的な主運動を開始させる。２つの線形的に運動する質量（１０１，１０２）とロータ質量（１０３）とを組み合わせる可撓性ばねおよびＴ字形レバー構造（２１８，２１９）は、ロータ質量（１０３）に作用する力を発生させ、ロータ質量は、線形的に運動する質量（１０１，１０２）の線形主振動運動によって設定される周波数での振動回転運動を開始する。

剛性Ｔ字形レバー（２１８，２１９）は、直線ビーム、折り畳まれたビーム、Ｕ字形または蛇行ばねなどの可撓性ばねを用いて３つの運動質量に結合されると、ロータ質量（１０３）が所望の方向に自由に回転することを有効にする。この回転自由度は、センサ素子が、いくつかの異なる主振動モードになることを可能にし、そのうちの２つの典型的な振動モードが次に詳細に説明される。

図２ａおよび図２ｂは、線形的に運動する質量（１０１，１０２）およびロータ質量（１０３）が、本明細書において逆相主モードと呼ばれる方法で運動する第１の主モードを提示する。このモードでは、ロータ質量（１０３）は、線形的に運動する質量（１０１，１０２）の位相とは反対の位相で回転する。線形的に運動する質量（１０１，１０２）が時計回り方向の角運動量を有するようにする方向に運動した後にピーク位置に到達する位置に線形的に運動する質量（１０１，１０２）が達すると、ロータ質量（１０３）は、反時計回り方向に回転した後にそのピーク位置に達する。このピーク位置に向かう運動の間、ロータ質量（１０３）は、線形的に運動する質量（１０１，１０２）の運動によって引き起こされる角運動量とは反対の方向にある、ロータ質量（１０３）の中心に位置する回転軸（ｚ軸）を中心とした角運動量を有する。さまざまな要素の運動および運動量の方向が、点線の矢印で示されている。同様の状況および運動量の相対的な方向は、振動が次の回転位相に変わるときに継続する。線形的に運動する質量（１０１，１０２）は、反時計回り方向にある、原点、すなわちロータ質量（１０３）の幾何学的中心に位置する回転軸（ｚ軸）に対する合成角運動量を有し、一方で、ロータ質量（１０３）は、同じ回転軸（ｚ軸）に対する時計回り方向の角運動量を有する。Ｔ字形レバー、ばね、システムの全体構造の３つの質量の設計および慣性に基づいて、このような安定した逆位相振動運動に達すると、一定の周波数が存在する。この周波数は、逆相駆動モードの公称周波数と呼ぶことができる。線形的に運動する質量（１０１，１０２）およびロータ質量（１０３）が適切に設計されているとき、線形的に運動する質量（１０１，１０２）の角運動量の和は、ロータ質量（１０３）の角運動量と反対であり、その強度はほぼ等しく、それによって、角運動量同士が互いに大きく相殺され、振動システムの残りの総角運動量は、この種のシステムで可能なほぼすべての他の回転モードと比較して非常に低い。また、Ｔ字形レバー（２１８，２１９）さえも、ロータ質量（１０３）の回転と反対の方向に回転することも分かる。Ｔ字形レバー（２１８，２１９）はいかなる回転中心にも固定されていないが、ロータ質量（１０３）の回転軸に対していくらかの角運動量を有することができる。最小総角運動量を有するシステムを設計するとき、実際にはいくらかの質量自体を有する、Ｔ字形レバー（２１８，２１９）によって引き起こされる角運動量さえも考慮に入れられ得るが、ここでは簡略化のために省略している。

システム内の運動質量の残りの総角運動量の比は、以下のように記述することができる。

Ｌ_{Ｒｌｉｎｅａｒ１}およびＬ_{ｌｉｎｅａｒ２}はそれぞれ線形的に運動する質量（１０１，１０２）の角運動量を表し、Ｌ_{ｃｅｎｔｅｒ}はロータ質量（１０３）の角運動量を表す。線形的に運動する質量（１０１，１０２）の角運動量Ｌ_{Ｒｌｉｎｅａｒ１}、Ｌ_{ｌｉｎｅａｒ２}は、任意の瞬間におけるロータ質量（１０３）の中心から引かれた半径に対する接線の方向を有する、線形的に運動する質量（１０１，１０２）の総運動量の成分を含むものとして理解される。線形的に運動する質量（１０１，１０２）の運動は回転運動ではないが、ロータ質量（１０３）の中心と各線形的に運動する質量（１０１，１０２）の重心との間の半径は、線形的に運動する質量（１０１，１０２）が線形主振動運動にあるときに、経時的にわずかに変化する。図２ａの逆相主モードは、線形的に運動する質量（１０１，１０２）の振動の周波数が、好ましくは以下に説明する第２の主モードにおける振動の周波数よりも低い場合に生じる。これらの２つの公称振動周波数における顕著な差異は、デバイスの堅牢性を促進する。ロータ質量（１０３）および線形的に運動する質量（１０１，１０２）（ならびに随意によりＴ字形レバー（２１８，２１９）も）を適切な寸法にすることによって、この第１の主モードにおけるシステムの残りの総運動量Ｌ_{ｒｅｍａｉｎｉｎｇ}は、これらの質量の角運動量の絶対値の合計の５％以下にすることができる。例えば、角運動量の絶対値の合計の４％の総角運動量値がシミュレーションで達成されている。

図２ｃおよび図２ｄは、平行位相主モードまたは寄生モードと呼ばれる場合がある第２の主モードを説明する。線形的に運動する質量（１０１，１０２）の励振周波数が適切に設定されると、質量系は別の振動平衡状態を有し、その平衡状態では、ロータ質量（１０３）は常に、線形的に運動する質量（１０１，１０２）によって引き起こされる運動量と同じ方向にある角運動量を有する。ここでも、各部分の運動の方向は、点線の矢印で示されている。デバイスのすべての主要な慣性質量は同じ方向の角運動量を有し、それによって運動量が合計されるため、このモードはシステムに対してかなり高い総角運動量を発生させる。このモードにおける総角運動量は、方程式［１］の分母に対応する。言い換えれば、平行位相主モードの総角運動量は、線形的に運動する質量（１０１，１０２）とロータ質量（１０３）との運動量の絶対値の合計に対応する総運動量を有する。 さらに、Ｔ字形レバー（２１８，２１９）の角運動量さえも同じ方向を有し、角運動量の総計に加算される。さらにはＴ字形レバー（２１８，２１９）によって引き起こされるこの追加の角運動量も設計において考慮され得るが、ここでは簡略化のために省略されている。

平行位相主振動モードは、逆相主振動モードよりもはるかに高い公称周波数を有する。２つの振動は周波数によって明確に区別されるが、センサ構造は、高い信頼性で、高い所望の逆相主モード振動に励起することができる。典型的なシステムでは、逆相主モードは約８ｋＨｚの公称周波数を有し、一方、平行位相主モードは約１８ｋＨｚの２倍超の公称周波数を有する。好ましい主モードに低公称周波数を使用することを有効にすることにより、センサ素子に利益がもたらされる。逆相主モード（第１の主モード）が最低公称周波数モードとして設定されると、センサ素子の機械的堅牢性が促進される。

複数の運動する振動部分を有する本明細書に記載のセンサ素子は、１つまたは複数のさらなる主モードを有することができる。本明細書において説明されている最初の主モード（逆相主モード）が好ましい主モードであり得る一方、他のすべての主モードは寄生モードと呼ばれる場合がある。図２ｃおよび図２ｄは、典型的な寄生モードの１つを記載しており、これを第２の主モードと呼ぶ。好ましい動作モード（第１の逆相主モード）と任意の寄生動作モード（すなわち、第２の平行主モード）との間で公称周波数が明確に分離されることにより、好ましい主モードの安定性も向上する。したがって、センサ素子の設計が、好ましい主モードからできるだけ遠い公称周波数を有する寄生モードを促進することが有益である。第１の主モードが低い公称周波数を有するとき、これは、好ましくは、寄生動作モードが第１の主モードよりも明らかに高い公称周波数を有するべきであることを示唆する。

図３は、図１ａ、図１ｂ、図２ａ、図２ｂ、図２ｃ、図２ｄ、図４ａ、図４ｂで説明したもののような慣性要素および慣性要素を支持するデバイス本体を備えるセンサ素子（３０１）が、プラスチック材料から作られている予め成形されたもしくはオーバーモールドされたパッケージ、セラミックパッケージまたはチップサイズパッケージを含むことができるハウジング（３０３）の内部に配置されている、センサデバイス（３０５）を概略的に示す。センサ素子（３０１）はハウジング（３０３）の内部に配置され、接着剤（３０２）を用いてハウジングに取り付けられている。ハウジングは、キャップ（３０４）で覆われている。キャップ（３０４）は、ニッケル鉄合金のような金属またはプラスチック材料から作られていてもよい。

システムの総運動量を低くすることによって、大きな利点がもたらされる。センサ素子（３０１）の総運動量がゼロに近い場合、センサデバイス（３０５）はその環境に向かっていかなる振動も発生させず、センサデバイス（３０５）内部で発生する振動は外部から検出され得ない。センサ素子（３０１）の外部に漏れる振動エネルギーはほとんどまたはまったくなく、漏れは、例えばセンサデバイス（３０５）のＱ値の安定性の問題を引き起こす可能性がある。センサ素子（３０１）をそのハウジング（３０３）に取り付けるためにエポキシなどの硬質接着剤を使用したとしても、低いまたはゼロの総運動量は、センサデバイス（３０５）からの振動エネルギーの漏れの影響を低減または排除する。しかしながら、硬質接着剤の使用は、センサ素子（３０１）への機械的干渉の増加をさらに引き起こす可能性がある。例えば、類似の種類のセンサまたはセンサ素子（３０１）に近い共振周波数を有する他の部品のような、センサデバイス（３０５）の近くに位置する別の共振器からの干渉が、硬質接着剤が使用された場合に増加され得る。したがって、軟質接着剤を使用することができることが有益であることが判明している。

振動センサ素子（３０１）がそれ自体でハウジング（３０３）に向けていかなる有意な振動も生じさせない場合、振動センサ素子（３０１）をハウジング（３０３）に取り付けるために軟質接着剤（３０２）を使用することが有効になる。センサ素子（３０１）からの総運動量が非ゼロであり、センサ素子（３０１）が軟質接着剤（３０２）を用いてハウジング（３０３）に取り付けられた場合、センサ素子（３０１）はハウジング（３０３）内部で運動し得、これは許容可能でない。ゼロまたは非常に低い運動量のセンサ素子（３０１）は、センサ素子（３０１）をハウジング（３０３）内に取り付けるために軟質接着剤（３０２）を使用することを可能にする。シリコンのような軟質接着剤（３０２）の使用は、ハウジングおよびパッケージからのもしくはそれらを通じた、すなわち温度変化による、接着剤（３０２）を通る外部応力を減少させるので、有益であり、実行する価値がある。したがって、軟質接着剤（３０２）の使用は、変化する温度にわたってより良好なバイアス安定性および検知安定性を有効にする。低い総運動量はまた、センサ素子（３０１）の起動中またはセンサデバイス（３０５）に外部衝撃が発生したときに特に重要である、駆動振動（主モード）の全体的な安定性を改善する。

図４ａおよび図４ｂは別のものを示しており、これらの図はセンサ素子の主な慣性部分を示しており、支持体は示されていない。図４ａは、センサ素子の概略図であり、一方、図４ｂは、物理デバイスの一実施形態を示している。図１のように、２つの線形的に運動する質量（１０１，１０２）の間に設置されたロータ質量（１０３）がある。Ｔ字形レバー（２１８，２１９）は、可撓性ばね（１２０，１２１，１２２，１２３）を介して、線形的に運動する質量（１０１，１０２）を互いに結合する。ここで、各線形的に運動する質量（１０１，１０２）は、内側質量（１０１ｍ、１０２ｍ）と外側質量（１０１ｆ、１０２ｆ）とを備え、後者はフレームとも呼ばれる場合もある。各内側質量（１０１ｍ、１０２ｍ）は、それぞれの外側質量（１０１ｆ、１０２ｆ）に、線形主振動運動の方向に比較的剛性である、少なくとも２つのばねを用いて結合されており、したがって、内側質量（１０１ｍ、１０２ｍ）は、線形主振動運動をするように励起されたときに外側質量（１０１ｆ、１０２ｆ）の運動に追従する。Ｔ字形レバー（２１８，２１９）は、ここで、可撓性ばね（１２０，１２１，１２２，１２３）を用いて、線形的に運動する質量（１０１，１０２）のフレーム部分（１０１ｆ、１０２ｆ）に結合されており、可撓性ばね（１１５，１１７）を介してロータ質量（１０３）に結合されている。図１に示す典型的なデバイスと同様に、Ｔ字形レバー（２１８，２１９）は、線形的に運動する質量（１０１，１０２）の間の第１のレバーと、第１のレバーをロータ質量（１０３）に結合する第２のレバーとを備えるものと説明することができ、各Ｔ字形レバー（２１８，２１９）の３つの端部は二等辺三角形を形成する。ロータ質量（１０３）は、ロータ質量（１０３）の平面内のデバイスの中心を横切る２つの軸に関してｘ方向およびｙ方向の両方において対称である可撓性ばね構成（図４ｂでは１１８、明瞭にするために図４ａには示されていない）を用いて、筐体内で、基本的にロータ質量（１０３）の中央に配置された懸架構造（１０６）に結合されている。

図４ｂは、第２のレバーおよび第１のレバーが互いに接合してＴ字形レバー（２１８，２１９）を形成する領域における可能な構造的変形の例を示しており、構造の剛性を高めるために、すなわち、Ｔ字形レバーが第１のレバーと第２のレバーとの結合領域またはその付近で屈曲するのを防止するために、頂点に何らかの材料が付加されている。

図４ａおよび図４ｂに示された実施形態はまた、線形的に運動する質量（４１０，４１２）にさらなる支持を与える追加の支持フレーム構造（４３０，４３２）をも備える。これらの支持フレーム構造（４３０，４３２）は、主アンカーとも呼ばれるいくつかの懸架構造（４３３，４３４）に直接結合されている。好ましくは、支持フレーム（４３０，４３２）は、それぞれの主アンカー（４３３，４３４）を用いて固定される。支持フレーム構造（４３０）は、少なくとも２つのばね（４３５，４３６）を用いてそれぞれの線形的に運動する質量（１０１）に結合されている。支持フレーム構造（４３２）は、少なくとも２つのばね（４３７，４３８）を用いてそれぞれの線形的に運動する質量（１０２）に結合されている。支持フレーム構造（４３０，４３２）の目的は、特にｚ軸の方向における、線形的に運動する質量（１０１，１０２）の安定性を改善することである。

図４ａおよび図４ｂは、また静止状態および／または主モードにあるときにデバイスの意図された平面において支持フレーム構造（４３０，４３２）をさらに懸架するように構成されたサブアンカー（４４０，４４１，４４２，４４３）と呼ばれる追加の懸架構造を有する、さらなる支持構成を示す。ばね（４５０，４５２）は、支持フレーム構造（４３０）を２つのサブアンカー（４４０，４４２）にそれぞれ結合する。ばね（４５１，４５３）は、支持フレーム構造（４３２）を２つのサブアンカー（４４１，４４３）にそれぞれ結合する。サブアンカー（４４０，４４１，４４２，４４３）によって支持フレーム構造（４３０，４３２）の懸架を改善することによって、線形的に運動する質量（１０１，１０２）の主モードの安定性がさらに高められ、線形的に運動する質量（１０１，１０２）の望ましくない運動成分が、特にｚ軸方向において減少する。

図４ａおよび図４ｂに示された実施形態は、図１に示されたより従来式のタイプのデバイスよりも、外部応力または熱応力に起因する変形の下でさえ、温度変動に対してより安定した速度オフセットをもたらす。可能な直交信号（主運動のみが存在する場合には、ｚ軸の方向における質量の意図しない運動）が、追加の支持フレーム構成によって低減され、直交信号は温度変化に起因して変動も少なくなる。したがって、図４ａおよび図４ｂに記載された実施形態は、センサデバイスが厳しい条件で使用される場合に好ましい実施形態であり得る。

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 (20)

1. 少なくとも１つのロータ質量と２つの線形的に運動する質量とを含む振動角速度センサのための構造であって、前記構造が、可撓性ばねによって前記２つの線形的に運動する質量および前記ロータ質量に各々結合されている２つのＴ字形レバーを備え、前記Ｔ字形レバーは、前記ロータ質量および前記２つの線形的に運動する質量が逆相主モードになるように励起されることを有効にし、前記構造の幾何学的中心に対する前記ロータ質量の角運動量の方向は、前記線形的に運動する質量の角運動量の方向とは反対であることを特徴とする、振動角速度センサのための構造。
2. 前記２つのＴ字形レバーは、前記ロータ質量の第１の対向する側に対称に配置されている、請求項１に記載の振動角速度センサのための構造。
3. 前記線形的に運動する質量は、前記ロータ質量の第２の対向する側に対称に配置されている、請求項２に記載の振動角速度センサのための構造。
4. 前記構造は、前記２つの線形的に運動する質量を前記デバイスの平面内で線形主振動運動するように励起するための励起手段をさらに備え、前記２つのＴ字形レバーは、前記２つの線形的に運動する質量の前記線形主振動運動を前記ロータ質量の回転主運動に伝達し、前記回転主運動は、前記デバイスの平面内で発生する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の振動角速度センサのための構造。
5. 主運動は、２つの平行な第１の軸に沿ってそれぞれ発生するように構成されている前記線形主振動運動であって、前記２つの線形的に運動する質量は逆の位相で運動するように構成されており、前記２つの平行な第１の軸は、非ゼロ距離によって分離されている、前記線形主振動運動と、前記デバイスの前記平面に垂直な第２の軸を中心として発生するように構成されている前記ロータ質量の前記回転主運動とのうちの少なくとも一方を含む、請求項４に記載の振動角速度センサのための構造。
6. 前記ロータ質量および前記線形的に運動する質量に結合された前記Ｔ字形レバーの端部は、二等辺三角形を形成し、各Ｔ字形レバーは、第１のレバーの長さのほぼ中央で前記第１のレバーに取り付けられた第２のレバーを備え、かつ／または、前記第２のレバーと前記第１のレバーとは９０度の角度で取り付けられている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の振動角速度センサのための構造。
7. 前記Ｔ字形レバーは、前記ロータ質量および前記２つの線形的に運動する質量が平行位相主モードになるように励起されることをさらに有効にし、該モードにおいて、前記ロータ質量の角運動量の方向は、前記線形的に運動する質量の角運動量の方向と同じである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の振動角速度センサのための構造。
8. 前記逆相主モードの公称周波数が、前記平行位相主モードの公称周波数よりも低い、請求項７に記載の振動角速度センサのための構造。
9. 前記逆相主モードは、前記ロータ質量と前記２つの線形的に運動する質量との角運動量の絶対値の合計の５％未満である総角運動量を有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の振動角速度センサのための構造。
10. 前記構造は２つの支持フレームをさらに備え、前記２つの支持フレームの各々は、第１の懸架構造に非可撓性に結合されており、前記２つの支持フレームの各々は、可撓性ばねを用いて少なくとも２つの第２の懸架構造に結合されており、前記２つの支持レバーの各々が、少なくとも２つの可撓性ばねを用いて前記線形的に運動する質量のうちの１つに結合されている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の振動角速度センサのための構造。
11. 振動角速度センサを動作させるための方法であって、前記センサは、少なくとも１つのロータ質量と２つの線形的に運動する質量とを備える方法において、
    前記方法は、前記ロータ質量および前記２つの線形的に運動する質量を逆相主モードに設定するステップを含み、前記構造の幾何学的中心に対する前記ロータ質量の角運動量の方向は、前記線形的に運動する質量の角運動量の方向とは反対であることを特徴とする、振動角速度センサを動作させるための方法。
12. 前記方法は、２つのＴ字形レバーを使用して前記ロータ質量および前記２つの線形的に運動する質量を前記逆相主モードに設定するステップをさらに含み、各Ｔ形状レバーは、可撓性ばねによって、前記２つの線形的に運動する質量および前記ロータ質量に結合される、請求項１１に記載の振動角速度センサを動作させるための方法。
13. 前記ロータ質量および前記２つの線形的に運動する質量を逆相主モードに設定する前記ステップは、前記２つの線形的に運動する質量を前記デバイスの平面内で線形主振動運動するように励起するステップと、前記２つの線形的に運動する質量の前記線形主振動運動を前記ロータ質量の回転主運動に伝達するために、前記２つのＴ字形レバーを使用するステップとを含み、前記回転主運動は、前記デバイスの前記平面内で発生する、請求項１２に記載の振動角速度センサを動作させるための方法。
14. 前記線形主振動運動は、２つの平行な第１の軸に沿って発生し、前記２つの線形的に運動する質量は逆の位相で振動し、前記２つの平行な第１の軸は、互いから非ゼロ距離だけ離れており、前記回転主運動は、前記デバイスの前記平面に垂直な第２の軸を中心として発生する、請求項１３に記載の振動角速度センサを動作させるための方法。
15. 前記２つのＴ字形レバーは、前記ロータ質量の第１の対向する側に対称に配置されている、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の振動角速度センサを動作させるための方法。
16. 前記２つの線形的に運動する質量は、前記ロータ質量の第２の対向する側に対称に配置されている、請求項１５に記載の振動角速度センサを動作させるための方法。
17. 前記逆相主モードは、前記ロータ質量と前記２つの線形的に運動する質量との角運動量の絶対値の合計の５％未満である総角運動量を有する、請求項１１〜１６のいずれか一項に記載の振動角速度センサを動作させるための方法。
18. 前記Ｔ字形レバーは、前記ロータ質量および前記２つの線形的に運動する質量が平行位相主モードになるように励起されることをさらに有効にし、該モードにおいて、前記ロータ質量の角運動量の方向は、前記線形的に運動する質量の角運動量の方向と同じである、請求項１２〜１７のいずれか一項に記載の振動角速度センサを動作させるための方法。
19. 前記逆相主モードの公称周波数が、前記平行位相主モードの公称周波数よりも低い、請求項１８に記載の振動角速度センサを動作させるための方法。
20. 前記２つの線形的に運動する質量は、２つの支持フレームによってさらに支持され、前記支持フレームは、前記線形主振動運動中に、前記デバイスの前記平面から外れる、前記２つの線形的に運動する質量の運動を低減する、請求項１３〜１９のいずれか一項に記載の振動角速度センサを動作させるための方法。

Images