JP2019007940A - 角速度の微小機械センサ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ゼロでない全角運動量によって引き起こされる問題を軽減したＭＥＭＳジャイロスコープを提供する。【解決手段】平面に垂直な検出軸に関する角速度を検知するセンサ素子は２つの一次質量１０１、１０２と、２つのコリオリ質量１０３、１０４と、２つの検知セル１０５，１０６とを備える。センサ素子は、さらに、第１ばね１１８により２つの一次質量にそれぞれ連結され、第２ばね１１３により２つのコリオリ質量の１つにそれぞれ連結された２つの連結レバー１０８、１０９を備え、連結レバーは、２つの一次質量及び２つのコリオリ質量がセンサ素子の平面において生じる複合一次運動に励起されることを可能にする。複合一次運動では、センサ素子の幾何学的中心に関する一次質量の線形一次振動運動の角運動量と連結レバーの回転一次運動の角運動量の方向は、センサ素子の幾何学的中心に関するコリオリ質量の線形一次振動運動の角運動量の方向と逆である。【選択図】図１ｂ

Description

本発明は、角速度の測定に用いられる測定装置に関し、特に、独立請求項１に定義される角速度を検出するための振動センサ素子に関する。本発明は、より詳細には、実質的に平坦なセンサ素子の平面に垂直な単一の検出軸周りの角速度を検出するための振動センサ素子、及び、そのようなセンサ素子を含むセンサデバイスに関する。また、本発明は、独立請求項１２に定義される角速度を検出するための振動センサ素子を駆動させる方法に関する。

角速度の振動センサを用いて角速度又は角速度（角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。角速度の振動センサでは、１つ又は複数の振動質量の一次運動が生成され、センサ内で維持される。その後、測定される運動は、一次運動からの偏差として検出される。

国際公開第２０１０／１００３３３号は、共通軸の方向に連結された２つの質量を含む角速度の微小機械センサを開示している。

ＭＥＭＳジャイロスコープでは、機械的振動が一次運動として使用される。この機械的振動は、一次運動又は一次運動モードとも呼ばれる。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、波状のコリオリ力が生じる。これにより、二次振動が引き起こされる。この二次振動は、二次運動、検出運動、検出モード又は二次モードとも呼ばれ、一次運動及び／又は角運動の軸に直交し、一次振動の周波数で振動する。この連成振動の振幅は、角速度の大きさ、すなわち、角速度の絶対値として使用することができる。

ジャイロスコープ装置では、複数の移動質量の組み合わせにより、全線形運動量に加えて全角運動量を生じる可能性がある。これらの運動量は共に、ジャイロスコープ装置に問題を引き起こす可能性がある。例えば、ゼロ以外の全運動量により、レートオフセットの不安定、レート信号ノイズ、外部の機械的衝撃及び振動に対する感受性、及び／又は、外部の機械的衝撃及び振動への干渉が引き起こされる可能性がある。

本発明は、先行技術の欠点を克服するため、特に、ゼロでない全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及び装置を提供することを目的とする。

本発明の目的は、請求項１の特徴部分に記載の振動センサ素子と、請求項２０に記載のセンサデバイスと、によって達成される。さらに、本発明の目的は、請求項１２の特徴部分に記載の方法によって達成される。本発明の好ましい実施形態は、従属請求項に開示されている。

センサ素子のすべての動きは、本質的に平坦なセンサ素子の平面内、すなわち、当該デバイスの平面内で生じる。したがって、より多くの方向に運動が可能なセンサ素子と比較した場合、当該素子の設計において考慮されるべき次元が少なくなり、均衡の取れた低運動量のセンサ素子の設計が可能となる。

本発明は、特許請求の範囲に記載のセンサ素子を備えたセンサ素子が、良好な性能を有し、信頼性のある角速度の測定を可能にするという利点を有する。低い全角運動量により、当該センサ素子の検出可能な振動が減少する。したがって、ゼロ又は非常に微量の振動エネルギーしか当該センサ素子の外部にリークしない。そのため、センサ素子のＱ値の安定性が向上される。

第１態様によれば、振動センサ素子が提供される。振動センサ素子は、支持体と、静止懸架状態で前記センサ素子の基準面を形成する、前記支持体に対して振動するように懸架された少なくとも２つの一次質量及び少なくとも２つのコリオリ質量と、それぞれが前記２つの一次質量と前記２つのコリオリ質量のうちの１つとに連結されている少なくとも２つの連結レバー構造と、を備える。前記２つの一次質量は、前記基準面に沿った第１方向の前記２つの一次質量の線形一次振動運動を可能にし、他の方向の前記２つの一次質量の運動を不可能にするバネ構造によって前記支持体に懸架される。前記２つの連結レバー構造の各々は、前記２つの一次質量の逆位相一次運動を、前記１つの連結されたコリオリ質量の線形一次運動に中継するように構成される。前記１つの連結されたコリオリ質量の線形一次振動運動は、前記基準面に沿って前記第１方向に垂直な第２方向に生じる。前記２つの一次質量の前記逆位相一次運動は、前記連結レバー構造によって前記２つのコリオリ質量の逆位相一次運動に中継される。

第２態様によれば、前記２つの連結レバー構造は、前記センサ素子の幾何学的重心を通って横切る前記センサ素子の第１対称軸の両側に対称に配置される。

第３態様によれば、一次質量は、センサ素子の幾何学的重心を通って横切る前記センサ素子の第２対称軸の両側に対称に配置される。前記第２対称軸は、前記第１対称軸に直交する。

第４態様によれば、前記センサ素子は、さらに、互いからゼロでない距離を有する２つの平行な第１軸に沿って本質的に平坦な前記センサ素子の前記平面内で、前記２つの一次質量を前記線形一次振動運動に励起する手段を含む。前記２つの連結レバー構造は、第１ばねを用いて前記２つの一次質量に連結され、前記一次質量の前記線形一次振動運動を互いに結合するように構成されることにより、前記一次質量の前記線形一次振動運動は、第１公称周波数で互いに逆位相となる。前記２つの連結レバー構造は、さらに、第２ばねを用いて前記２つのコリオリの質量に連結され、互いからゼロでない距離を有する２つの平行な第２軸に沿って本質的に平坦な前記センサ素子の前記平面内で、前記第１公称周波数で前記コリオリ質量の前記逆位相一次運動に前記一次質量の前記逆位相一次運動を中継するように構成される。前記コリオリ質量の前記逆位相一次運動の前記第２軸は、前記一次質量の前記逆位相一次運動の前記第１軸に直交し、前記コリオリ質量の前記逆位相一次運動は、前記第１公称周波数で互いに逆位相となる。

第５態様によれば、前記一次質量及び前記コリオリ質量に連結された前記連結レバーの端部は、二等辺三角形を形成し、及び／又は、前記連結レバーのそれぞれは、第１レバーの長さのほぼ中央に前記第１レバーに取り付けられた第２レバーを備える。前記第２レバー及び前記第１レバーは、９０度の角度で取り付けられている。

第６態様によれば、前記複合一次モードは、前記２つの一次質量、前記２つの連結レバー及び前記２つのコリオリ質量の角運動量の絶対値の合計の５％未満である全角運動量を有する。

第７の態様によれば、前記センサが動作中に検出軸周りの角速度を受けた場合、前記コリオリの質量は、さらに、前記コリオリ力によって、前記コリオリ質量の前記逆位相一次運動の前記第２軸に直交する第３軸に沿って本質的に平坦な前記センサ素子の前記平面内で第１逆位相線形二次運動に励起されるように構成される。

第８の態様によれば、前記センサ素子は、さらに、２つの検知セルを備え、前記コリオリ質量は、第３ばねを用いて前記検知セルに連結される。前記第３ばねは、前記コリオリ質量の前記第１線形二次運動の前記第３軸と一直線になる軸に沿って前記検知セルを第２逆位相線形二次運動に励起させる。

第９の態様によれば、前記検知セルは、第２連結構成部が前記第１対称軸の両側に等しく延在するように前記第１対称軸上に対称に配置された前記第２連結構成部を用いて互いに連結される。前記第２連結構成部は、前記検知セルの前記第２逆位相線形二次運動に第２公称周波数を持たせ、前記検知セルを前記第２公称周波数で互いに逆位相で動かす。

第１０の態様によれば、前記センサ素子は、周波数分離型ジャイロスコープであり、前記第２公称周波数は、前記第１公称周波数の２５％未満前記第１公称周波数からずれている。

第１１の態様によれば、前記センサ素子は、モードマッチ型ジャイロスコープであり、前記第２公称周波数は、前記第１公称周波数と本質的に等しい。

第１方法態様によれば、本質的に平坦なセンサ素子の平面に垂直な検出軸周りの角速度を検出するための振動センサ素子を駆動させる方法が提供される。前記センサ素子は、支持体と、静止懸架状態で前記センサ素子の基準面を形成する、前記支持体に対して振動するように懸架された少なくとも２つの一次質量及び少なくとも２つの２つのコリオリ質量と、それぞれが前記２つの一次質量と前記２つのコリオリ質量のうちの１つとに連結されている少なくとも２つの連結レバー構造と、を備える。当該方法は、前記基準面に沿った第１方向に前記２つの一次質量の線形一次振動運動を可能にし、他の方向に前記２つの一次質量の運動を不可能にするばね構造によって、前記２つの一次質量を前記支持体に懸架することと、前記２つの連結レバー構造のそれぞれによって、前記２つの一次質量の逆位相一次運動を前記１つの連結されたコリオリ質量の線形一次振動運動に中継することと、を含む。前記１つの連結されたコリオリ質量の前記線形一次振動運動は、前記第１方向に垂直である、前記基準面に沿った第２方向に生じる。前記２つの一次質量の前記逆位相一次運動は、前記連結レバー構造により前記２つのコリオリ質量の逆位相一次運動に中継される。

第２方法態様によれば、当該方法は、さらに、互いからゼロでない距離を有する２つの平行な第１軸に沿って実質的に平坦な前記センサ素子の前記平面内で前記２つの一次質量を前記線形一次振動運動に励起することと、前記一次質量の前記線形一次振動運動を互いに結合するために第１ばねを用いて前記２つの連結レバー構造を前記２つの一次質量に連結して、前記一次質量の前記線形一次振動運動に前記第１公称周波数で互いに逆位相を持たせることと、前記第１公称周波数で前記一次質量の前記逆位相一次運動を前記コリオリ質量の逆位相一次運動に中継するために、第２ばねを用いて前記２つの連結レバー構造を前記２つのコリオリ質量に結合することと、を含む。前記コリオリ質量の前記逆位相一次振動運動は、互いからゼロでない距離を有する２つの平行な第２軸に沿って本質的に平坦な前記センサ素子の前記平面内に生じるように構成される。前記コリオリ質量の前記逆位相一次運動の前記第２軸は、前記一次質量の前記逆位相一次運動の前記第１軸に直交ずる。前記コリオリ質量の前記逆位相一次運動は、前記第１公称周波数で互いに逆位相を有する。

第３方法態様によれば、前記複合一次モードは、前記２つの一次質量、前記２つの連結レバー、及び、前記２つのコリオリ質量の前記角運動量の前記絶対値の合計の５%未満である全角運動量を有する。

第４方法態様によれば、当該方法は、前記センサが動作中に前記検出軸の周りに角速度を受ける場合、前記コリオリ質量の前記逆位相一次運動の前記第２軸に直交する第３軸に沿って本質的に平坦な前記センサ素子の前記平面内で、前記コリオリ質量を前記第１逆位相線形二次運動に励起することをさらに含む。

第５方法態様によれば、当該方法は、さらに、第３ばねを用いて前記コリオリ質量を検知セルに連結することを含み、前記第３ばねは、前記検知セルを、前記コリオリ質量の前記第１線形二次運動の前記第３軸と一直線になる軸に沿って前記第２逆位相線形二次運動に励起させる。

第６方法態様によれば、当該方法は、さらに、前記第１対称軸上に対称に配置された第２連結構成部を用いて前記検知セルを互いに連結することを含む。前記第２連結構成部は、前記第１対称軸の両側に等しく延在している。前記第２連結構成部は、前記検知セルの前記第２逆位相線形二次運動に第２公称周波数を持たせ、前記検知セルを前記第２公称周波数で互いに逆位相で動かす。

第７の方法態様によれば、前記センサ素子は、周波数分離型ジャイロスコープであり、前記第２公称周波数は、前記第１公称周波数の２５％未満前記第１公称周波数からずれている。

第８の方法態様によれば、前記センサ素子は、モードマッチ型ジャイロスコープであり、前記第２公称周波数は、前記第１公称周波数と本質的に等しい。

さらに別の態様によれば、センサデバイスは、第１〜第１１の態様のいずれかのセンサ素子を備える。

以下では、添付の図面を参照しながら、好ましい実施形態に関して本発明をより詳細に説明する。
図１ａは、例示的なセンサ素子の主要な構造部分を示す概略図である。 図１ｂは、センサ素子設計の典型的な実施形態を示す図である。 図２は、例示的な連結レバーを示す拡大図である。 図３は、第２連結構成部を示す拡大図である。 図４ａは、コリオリ質量の一次運動を示す図である。 図４ｂは、コリオリ質量の一次運動を示す図である。 図５は、センサ素子の二次運動を示す図である。 図６は、筐体の内部に配置されたセンサデバイスを示す図である。

当業者に知られているように、ＭＥＭＳセンサ素子は本質的に平面構造であってもよく、センサデバイスの機能的な可動要素の構造は、平面で図示されてもよい。「デバイスの平面」、「本質的に平坦なセンサ素子の平面」及び「質量の平面」という用語は、センサデバイス又はセンサデバイスのセンサ素子の可動質量がいかなる運動にも励起されない場合、センサデバイス又はセンサデバイスのセンサ素子の可動質量により、これらの初期位置で形成される平面を指す。本願の図中の座標において、この平面はｘｙ平面に対応する。物理デバイスの質量は、ｚ軸の方向にゼロでない厚さを有する。当該平面は、それぞれ参照された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たい。センサ素子の対称性を参照する場合、この対称性は、平衡位置にあるとき、すなわち、平衡位置から可動要素の変異を引き起こすいかなる運動にも励起されないとき、可動要素の位置を指すことに留意すべきである。

「センサ素子」という用語は、検知動作に積極的に関与するセンサデバイスの構造部分を指す。能動的に動くセンサ素子部分に加えて、センサ素子は受動構造を含んでもよい。センサ素子の幾何学的配置について言及すると同時に、可動質量、ばね及びレバーのようなセンサ素子の能動的な可動部分、及び、当該可動部分をセンサデバイスの本体に直接懸架している固定の懸架構造について言及する。

「一次質量」という用語は、一次振動運動に励起されるように構成された振動質量を指す。一次質量が線形一次振動運動、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場合、それは線形移動質量とも呼ばれる。一次質量は、センサ素子の一部である。

「コリオリ質量」という用語は、一次振動運動に励起されるように構成され、さらに、コリオリ力によって二次振動を始めるように構成された質量を指す。コリオリ質量は、感知する質量（ｓｅｎｓｉｎｇ ｍａｓｓ）、感知質量（ｓｅｎｓｅ ｍａｓｓ）、又は検知質量体と呼ばれてもよい。一次質量又はコリオリ質量が本質的に線形一次振動運動、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場合、それは線形移動質量とも呼ばれる。線形移動コリオリ質量は、センサデバイスの設計及び意図された用途に従って、様々な二次検出運動モードを有してもよい。二次運動モードは、線形及び／又は回転運動要素を含んでもよい。コリオリ質量は、センサ素子の一部である。

「検知セル」という用語は、検知セルの動きを検出するための容量検出コームを含むＭＥＭＳ構造を指す。あるいは、検知セルは、圧電検出素子を備えてもよい。検知セルは、好ましくは、センサデバイスが検出軸の周りに角運動を受ける場合、二次運動がデバイス内に存在するときにのみ移動するように構成される。検知セルは、センサ素子の一部である。

慣性ＭＥＭＳデバイスでは、ばね構造は、典型的には、均一な断面を有するビームから構成される。ＭＥＭＳ技術は、本来は平面的であるが、ビームの寸法は、特に、厚さと呼ばれるｚ軸寸法に制限される。ビームの長さ及び幅は、形状と同様に変えることができる。

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目的としている、任意の種類の直線状、折り畳まれた、又は、屈曲したビーム構造に使用される。ばねは、目的に応じて、１次元、２次元、又は３次元で柔軟に構成されてもよい。例えば、ばねは、細いビームが１回以上折り畳まれた構造であり、少なくとも一つの方向に柔軟な動作を可能にする。直線状のビームは、その剛性が低い場合、当該ビームが捩れる又は湾曲すること、又は、捩れて動くことを可能にするばねとして機能してもよい。

「レバー」という用語は、すべての次元において堅い、換言すれば、ばねのようにしなやかではないように意図された構造を指す。レバーは、ビーム又はバーとして、あるいは、複数のビーム又はバーの組み合わせとして形成されてもよい。あるいは、それらより複雑な構造を含んでもよい。レバーは、センサ素子の一部と見做される。

図１ａは、例示的センサ素子の主要な構造部分を示す概略図である。図１ｂは、懸架構造などの幾つかのより詳細な実装と共に、センサ素子の設計の例示的な実施形態を示す図である。

図１ａ及び図１ｂは、並列して説明され、それぞれの図面に共通な構造要素には同じ参照符号を付している。これらの図面は、センサ素子内の慣性可動要素の構造及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示されていない。当該センサの支持体は、例えば、ハンドルウエハ上に懸架されたデバイス層の下にあるハンドルウエハを含んでもよい。デバイス層は、ここで説明する構造部分を含むセンサの可動部分を含んでいる。

図１ａ及び図１ｂによれば、センサ素子は、２つの一次質量（１０１、１０２）、２つのコリオリ質量（１０３、１０４）、及び２つの検知セル（１０５、１０６）を備える。一次質量（１０１、１０２）は、平面内で一次運動に励起される。より詳細には、一次質量（１０１、１０２）は、当該質量の平面内でｙ軸の方向に生じる線形一次振動運動に励起される。言い換えれば、一次質量（１０１、１０２）は、互いからゼロでない距離だけ離れた２つの平行な軸に沿って動くように構成される。これらの軸は、センサ素子の対称軸にも平行であり、幾何学的重心を通ってｙ軸方向に横切る。ｙ軸の方向では、運動が主にｙ軸の方向に生じるように意図されていることを意味するが、この方向の多少のずれは、すなわち、物理デバイスの非理想性によって生じる可能性がある。通常の公差内での正確な所期の方向からのずれは、範囲から逸脱することなく許容される。２つの一次質量（１０１、１０２）は、好ましくは、ｙ軸方向に幾何学的重心を通って横切る、センサ素子の対称軸の両側に対称に配置される。

２つのコリオリ質量（１０３、１０４）も平面内で線形一次運動に励起される。より詳細には、コリオリ質量（１０３、１０４）は、当該質量の平面内でＸ軸の方向に生じる線形一次振動運動に励起される。言い換えれば、コリオリ質量（１０３、１０４）は、互いからゼロでない距離だけ離れた２つの平行な軸に沿って動くように構成されており、これらの軸は、センサ素子の幾何学的重心を通ってｘ軸方向に横切る、センサ素子の対称軸にも平行である。したがって、コリオリ質量（１０３、１０４）の線形一次振動運動の軸は、一次質量（１０１、１０２）の線形一次振動運動の軸に垂直である。２つのコリオリ質量（１０３、１０４）は、好ましくは、ｘ軸方向に幾何学的重心を通って横切る、センサ素子の対称軸の両側に対称に配置される。

複数の第１及び第２ばね（１１８、１１３）と、２つの連結レバー（１０８、１０９）とを備える第１連結構成部は、一次質量（１０１、１０２）及びコリオリ質量（１０３、１０４）の一次振動運動を互いに結合する。好ましくは、一次質量（１０１、１０２）のみが、それぞれ、容量性櫛型電極又は圧電性電極のような駆動電極を用いて線形一次運動に励起される。これらの駆動電極は、図示していない。一次質量（１０１、１０２）の線形一次運動は、第１連結構成部を介してコリオリ質量（１０３、１０４）に連結される。これにより、コリオリ質量（１０３、１０４）をそれらの所期の特徴的な線形一次運動に連結される。

ｚ軸周りの角速度がＸ軸方向に振動するコリオリ質量（１０３、１０４）に影響を与えると、波状のコリオリ力がｙ軸方向に生じ、コリオリ質量（１０３、１０４）はｙ軸方向に二次運動を開始する。２つの検知セル（１０５、１０６）は、第５ばね（１２５）によって２つのコリオリ質量（１０３、１０４）に連結され、１つの検知セルが１つのコリオリ質量に対してそれぞれ連結される。２つの検知セル（１０５、１０６）は、好ましくは、ｘ軸方向に幾何学的重心を通って横切る、センサ素子の対称軸の両側に対称に配置される。一次運動は存在するが、センサ素子がｚ軸周りの任意の角速度を受けない場合、一次質量（１０１、１０２）及びコリオリ質量（１０３、１０４）は、一次運動を行うが、検知セル（１０５、１０６）は静止したままである。センサ素子がｚ軸周りの角速度を受ける場合、コリオリ質量（１０３、１０４）は、コリオリ力によってｙ軸方向に動き始める。この二次運動は、第５ばね（１２５）によって検知セル（１０５、１０６）に連結される。その結果、検知セル（１０５、１０６）もｙ軸方向に二次運動を開始する。検知セル（１０５、１０６）は、二次運動の周波数が一次運動の周波数に対応する場合、検知セル（１０５、１０６）を逆位相で移動させる第２連結構成部（１１５、１１６）と相互に結合される。二次運動に関与する構造要素及びその動きについて、以下でより詳細に説明する。検知セル（１０５、１０６）は、静電容量検出コーム構造（図示せず）を含んでいてもよく、当該静電容量検出コーム構造からセンサ素子が受けるｚ軸周りの検出された角速度に関する情報を提供する電気信号が得られる。

図１ｂに図示されるように、一次質量（１０１、１０２）は、懸架構造（１２０）と一次質量（１０１、１０２）との間に支持ばね（１１０）を用いた、第１懸架構造（１２０）（単に、アンカーとも呼ばれる）によりセンサ素子の本体に支持される。支持バネ（１１０）は、ｙ軸方向に比較的低いばね定数を有するように構成される。したがって、一次質量（１０１、１０２）は、ｙ軸方向に動くことはできるが、他の方向には動けない。特に、支持ばね（１１０）は、ｘ軸方向のばね定数が高い。したがって、一次質量（１０１、１０２）のｘ軸方向の動きが実質的に無効にされる。有益には、支持バネ（１１０）は、一次質量（１０１、１０２）の十分に均等化された一次運動を容易にするために、センサ素子の幾何学的重心を通って横切り、ｙ軸及びＸ軸と一直線になるセンサ素子の対称軸の両方を考慮して対称に配置される。言い換えれば、Ｘ軸方向における第１懸架構造（１２０）の中央は、好ましくは、ｘｙ平面におけるセンサ素子の設計の幾何学的重心を横切るＸ軸に沿っており、ｙ軸方向における第１懸架構造（１２０）の中央は、好ましくは、センサ素子の幾何学的重心を通るｙ軸に沿っている。この構成では、一次質量（１０１、１０２）の線形一次運動は、ｘｙ平面における、一次質量の平面で生じる。なお、一次質量の平面は、当該デバイスの平面とも呼ばれる。一次質量（１０１、１０２）の平面は、センサ素子全体の平面にも相当し、静止している場合、すなわち、いかなる運動にも励起されていない場合、センサ素子の可動部分によって形成される平面を意味する。

センサ素子は、配置された容量性励振コームを介して励起されてもよいが、当業者に知られているように、デバイスを励起させるための他の方法及び構造を使用してもよい。例えば、圧電励起を代替的に使用してもよい。一次振動運動は、図４ａ及び図４ｂに関連してさらに説明される。

コリオリ質量（１０３、１０４）のそれぞれは、２つの連結レバー（１０８、１０９）と、各連結レバーを１つのコリオリ質量及び一次質量の両方に連結する第１及び第２ばね（１１８、１１３）とを備える第１連結構成部を用いて、２つの一次質量（１０１、１０２）の両方と連結される。図１ａ及び図１ｂに示す例では、２本の本質的に均一でまっすぐな剛性バーが各連結レバー（１０８、１０９）を形成する。しかしながら、連結レバーの部分は、各連結レバー（１０８、１０９）の剛性部分の外端が、二等辺三角形を形成する限り、いかなる形状のものであってもよい。２つの連結レバー（１０８、１０９）は、好ましくは、Ｘ軸方向に幾何学的重心を通って横切るデバイスの対称軸に関して対称に配置される。さらに、各連結レバー（１０８、１０９）は、好ましくは、センサ素子のｙ軸方向の対称軸上に対称に配置される。その結果、連結レバーそのものの対称軸と当該対称軸とが一直線になる。各連結レバー（１０８、１０９）は、連結レバーの水平（ｘ方向）部分の端部に対称に配置された２つの第１ばね（１１８）を用いて両方の一次質量（１０１、１０２）に連結される。各連結レバー（１０８、１０９）は、さらに、第２ばね（１１３）を用いてコリオリ質量（１０３、１０４）のうちの１つと連結されている。第１ばね（１１８）の連結点と一次質量（１０１、１０２）と第２ばね（１１３）とは、好ましくは、ｙ軸方向において幾何学的重心を通って横切るデバイスの対称軸に関して対称に配置される。これらの要素の対称的な連結は、それぞれのコリオリ質量（１０３、１０４）への連結レバー（１０８、１０９）を介した一次質量（１０１、１０２）の運動の対称的な連結を容易にする。これにより、互いにゼロでない距離を有する２つの平行な軸に沿ってコリオリ質量（１０３、１０４）のための平行で直線的な一次運動を可能にする。連結レバー（１０８、１０９）の各々は、さらに、第４ばね（１１９）を備えた懸架構造（１２８）に連結されている。第４ばね（１１９）と各連結レバー（１０８、１０９）との接続点は、好ましくは、ｙ軸方向にあるセンサ素子の対称軸に配置される。第４ばね（１１９）は、連結レバー（１０８、１０９）が第４ばね(１１９)の接続点の周りを回転することを可能にするが、ｘ軸又はｙ軸において連結レバーの線形運動を不可能にする。

２つの検知セル（１０５、１０６）は、第５ばね（１２５）を用いてコリオリ質量（１０３、１０４）と連結される。これらの第５ばね（１２５）は、ｘ軸方向において低いばね定数を有する。その結果、ｘ軸方向におけるコリオリのフレーム（１０３、１０４）の線形一次運動は、検知セル（１０５、１０６）の如何なる有意な動作も引き起こさない。第５ばね（１２５）は、ｙ軸方向において高いばね定数を有する。したがって、ｙ軸方向におけるコリオリのフレーム（１０３、１０４）の二次運動を引き起こす如何なるコリオリ力も、第５ばね（１２５）によって検知セル（１０５、１０６）に効率的に連結される。検知セル（１０５、１０６）は、さらに、第６ばね（１２６）を用いて、複数の第２懸架構造（１２３）に連結される。第６ばね（１２６）は、ｙ軸方向においてのみ低いばね定数を有している。これにより、検知セル（１０５、１０６）は、ｙ軸方向に動くことができるが、他の方向には動きを妨げる。したがって、第６ばね（１２６）は、検知セル（１０５、１０６）の二次運動の平衡を保ち、一様にする。上述のように、一次質量（１０１、１０２）は、少なくとも１つの第１懸架構造（１２０）により、不動の本体又はセンサ素子の筐体に対称に懸架される。同様に、検知セル（１０５、１０６）は、センサ素子の本体に対称に懸架される。ｘ軸の面において、検知セル（１０５、１０６）の第２懸架構造（１２３）の位置の中央は、好ましくは、ｘ軸、及び、ｙ軸の両方の面において、一次質量（１０１、１０２）の第１懸架構造（１２０）の位置の中央と同じであるべきである。

連結レバー（１０８、１０９）を備える第１連結構成部は、一次質量（１０１、１０２）の一次運動とコリオリ質量（１０３、１０４）の一次運動とを所望の複合一次運動に結合するように構成される。２つの直線的に動いている一次質量（１０１、１０２）は、連結レバー（１０８、１０９）の水平バーにより互いに結合される。これらの水平バーは、剛性である、すなわち、ほとんど屈曲又は捩れることがない。各連結レバー（１０８、１０９）は、それぞれ、第１ばね（１１８）を用いて２つの線形移動一次質量（１０１、１０２）に連結される。図１ａ及び図１ｂに示すように、一次質量（１０１、１０２）がそれぞれちょうど１つの部品から作られる場合、第１ばね（１１８）は、当該質量そのものに連結される。図１ａ及び図１ｂの例では、連結レバーは、センサ素子の２つの対向する側に配置される。その結果、連結レバーの水平バーは、センサ素子の可動部分の外周部分を形成する。レバー、ばね、及び、質量を形成するＭＥＭＳ構造は、好ましくは、同じ製造ステップにおいて製造される。つまり、当該レバー、ばね、及び、質量を互いに連結するために必要とされる特定の「連結」、「取付」又は「接続」はないが、それらは、単一のシリコンウエハ上に、マスキング及びエッチング工程などのパターニング工程、又は、単一のシリコンウエハ上におけるエピタキシアル成長工程を通じて形成されてもよい。

図１ａ及び図１ｂの例では、当該構造の幾何学的重心を通って横切るｘ軸は、センサ素子の第１対称軸を形成すると考えられ得る。また、当該構造の幾何学的重心を通って横切るｙ軸は、当該重心要素の第２対称軸を形成すると考えられ得る。２つの連結レバー（１０８、１０９）は、好ましくは、当該デバイスが静止している場合に、第１対称軸を考慮して対称位置に配置される。その結果、コリオリ質量（１０３、１０４）は、基本的に連結レバー間に配置される。また、連結レバーは、第１対称軸を考慮して連結されたコリオリ質量構造体の２つの対向する側に互いに対向して配置される。明確にするために、これらの図には、すべての懸架及び保護デバイスの本体部分が示されているわけではないが、これらは存在する、つまり、当該センサ素子の下又は一番上に存在すると理解される。センサ素子は、さらに、駆動検出くし、及び／又は、ばね、あるいは、他のタイプの駆動検出要素、追加の懸架構造などの構造部分を含んでもよい。明確にするために、図１ａ及び図１ｂの概略図には、これらの構造及び要素のすべてが示されているわけではないが、特許請求された発明を理解するために必要な部分のみが示されている。

図１ｂの例示的な実施形態に係るセンサ素子は、平衡状態では、２つの相互に垂直な軸、つまり、センサ素子の幾何学的重心を通って横切るｘ軸及びｙ軸を考慮して対称であることに留意されたい。単一軸ジャイロスコープ素子の検出軸、すなわち、Ｚ軸は、この共通の起点においてセンサ素子を通って横切ると考えられてもよい。対称的なレイアウトによって、十分に平衡化され、均等化された線形振動が容易になる。

図２は、図１ｂの例示的な連結レバーを示す拡大図である。この例において、連結レバーはそれぞれ、第１レバー又は第１バー（２０１）、及び、第２レバー又は第２バー（２０２）から構築されると考えてもよく、第１レバーは「Ｔ字型」の水平バーを形成し、第２レバーは、連結レバー（１０８、１０９）の垂直の「脚」を形成する。第１レバー（２０１）及び第２レバー（２０２）は、本質的に剛性な構造であり、所与の動作条件の範囲内で通常の一次及び二次運動の間にそれらのレバーに作用する力を受けても変形しない。連結レバーの構造は、本発明から逸脱することなく、いくつかの変形例を有してもよいことを理解されたい。バリエーションは、製造工程では理想の通りにはできないために引き起こされ得る、または、意図的であり得る。第２レバー（２０２）は、好ましくは、９０度の角度で、各第１レバー（２０１）に取り付けられるが、当該角度は、連結レバーの機能性をほとんど変化させることない範囲で、僅かに変化してもよい。同様に、第２レバー（２０２）の位置は、各第１レバー（２０１）の完全に中央でなくてもよいが、僅かにずれていてもよい。レバー間の頂点、又は、連結レバーを形成するビーム/ばねの曲げ部の任意の角部は、鋭くてもよく、頂点に幾分かの丸み、すなわち、フィレットを有してもよい。ＭＥＭＳ製造工程では、何らかの措置を講じなくても、フィレットによって鋭い角部が少し滑らかになり得る。一方、フィレットは、頂点領域の応力を取り除く目的で、頂点に設計されることさえあり得る。頂点領域に意図的に、すなわち、応力緩和のため、又は、連結レバーの剛性を高めるために追加されたある材料が存在し得る。さらに、第１及び第２レバーは、断面が均一でないビームを含んでもよい。「Ｔ字型」を形成する第１レバー及び／又は第２レバーは、さらに曲げられていてもよく、湾曲した又は折曲した部分を含んでもよい。それぞれの一次及びコリオリ質量（１０１、１０２、１０３； １０１、１０２、１０４）に連結された連結レバーの３つの端部が二等辺三角形を形成する限り、連結レバーのどのようなバリエーションも本発明の範囲に含まれる。その結果、第１レバー（２０１）の各端部と第２レバーの端部（それぞれ２０２）の間の距離は、本質的に等しい。

図３は、２つの検知セル（１０５、１０６）を相互に連結する、第２連結構成部（１１５、１１６）の１つを示す拡大図である。同様の第２連結構成部は、センサ素子の対称軸に関して対称に、当該検知セル（１０５、１０６）の間に基本的に配置される。好ましくは、２つの第２連結構成部の各々は、センサ素子のｘ軸方向の対称軸上に配置され、当該対称軸の両側へ等しく長辺を延伸している。第２連結構成部（１１５と１１６）の１つの目的は、逆位相では検知セル（１０５、１０６）の二次運動を容易にし、同位相では検知セル（１０５、１０６）が動く可能性を低減することである。そのような機能性は、検知セル（１０５、１０６）の質量と、コリオリ質量（１０３、１０４）と、第２連結構成部（１１５、１１６）のばね定数とを適切に設計することにより達成され得る。その結果、検知セルの二次運動の公称周波数は、一次運動の公称周波数に本質的に等しい、又は、近い。例えば、二次運動の公称周波数は、一次運動の公称周波数から２５％未満までずれていてもよい。

第２連結構成部（１１５、１１６）の各々は、２つの本質的にＬ字型のレバー（３０１）並びに支持及び接続ビーム（３０２、３０３、３０６）を含む。図３に示されるように、Ｌ字型レバー（３０１）は、互いに本質的に９０度で配置される少なくとも２つの本質的に真っすぐで長い部分を有する。本質的にＬ字型のレバー（３０１）は、本発明の範囲から逸脱することなく、図３の中の本質的にＬ字型のレバー（３０１）の中間部分（屈曲部分）に図示されるように、追加の屈曲を備えてもよい。簡略化のために、これらのレバーをＬ字型レバー（３０１）と呼ぶ。Ｌ字型レバー（３０１）は、それぞれ、好ましくは、Ｌ字型レバー（３０１）の中間でＬ字型レバー（３０１）に連結された支持ビーム（３０２）によって支持される。これにより、Ｌ字型レバー（３０１）は、支持ビーム（３０２）の他端に関してｚ軸周りに回転することだけできるが、線形運動に関して他のいかなる自由度も有さない。支持ビーム（３０２）の他端は、第３懸架構造（３０３）に連結される。支持ビーム（３０２）は、それぞれのＬ字型レバー（３０１）の真っすぐで長い部分と比較して、傾斜していてもよい。

隣接する検知セルに面するＬ字型レバー（３０１）の端部は、連結ビーム（３０５）によってそれぞれの検知セル（１０５、１０６）に連結され、２つの隣接するＬ字型レバー（３０１）は、屈曲ビーム（３０６）を用いて他のＬ字型レバー（３０１）に面するＬ字型レバー（３０１）の端部から互いに連結される。屈曲ビーム（３０６）は、好ましくは、２つのＬ字型レバー（３０１）の間で対称に連結される。

Ｌ字型レバー（３０１）は、Ｌ字型レバー（３０１）が回転している間、検知セル（１０５、１０６）から生じるｙ軸方向の検知動作の方向をＬ字型レバー（３０１）の他端のｘ軸方向の動作に変換する。Ｌ字型レバーが２つのＬ字型レバー（３０１）の間の相対変位に関してｘ軸に沿った可撓性を制限する屈曲ビーム（３０６）を介してＬ字型レバー（３０１）が互いに連結されるため、互いに面する２つのＬ字型レバー（３０１）の端部は、ｘ軸方向に、常に同じように動くことのみできる。したがって、第２連結構成部（１１５、１１６）は、２つの検知セル（１０５、１０６）がｙ軸方向に互いに反対方向に動くことを可能にするが、検知セルが同じ方向に動くことを防止する。

一次質量（１０１、１０２）とコリオリ質量（１０３と１０４）とを連結する連結レバー（１０８、１０９）は、異なる構造部分の運動の相対的な方向によるだけでなく、運動の異なるモードの公称周波数によっても互いに異なる、一次運動の複数の異なるモードを可能にしてもよい。一次運動の望ましい第１モードは、好ましくは、他の一次運動の不必要な寄生モードに比べて低い周波数で生じる。

図４ａ及び図４ｂは、一次運動の第１モードを示しており、連結レバー（１０８、１０９）によって可能にされた好ましい結合された一次運動を表わす。図４ａ及び図４ｂの上部は、図１ａで模式的に示したような運動の模式図である。一方、下部は、図１ｂの例示的な構造のシミュレーション結果であり、様々なばねが開示された運動フェーズ中にそれらの形状をどのように変化させるかをさらに示している。シミュレーション図における移動要素の変位及び変形は、見やすさの観点から、物理デバイス内の実際の移動要素の実際の変位及び／又は変形より誇張されていてもよい。

センサ素子は、好ましくは、２つの一次質量（１０１、１０２）に、デバイスの平面内で、ｙ軸と一直線になる第１軸に沿って振動する本質的に線形の一次振動運動を行わせることより励起される。各一次質量（１０１、１０２）は、センサ素子の共通のｙ軸方向の対称軸に平行な異なる第１軸に沿って動く。一次質量（１０１、１０２）のこれらの２つの運動軸は、ｙ軸からのゼロでない距離、及び、他の一次質量の運動軸からのゼロでない距離に位置する。センサ素子が外力によって励起されない場合、センサ素子の可動部分は、平衡状態と呼ばれる位置に留まる。一次質量（１０１、１０２）は、所定の周波数で振動に励起されてもよい。その結果、一次質量（１０１、１０２）は、平衡状態から設定量の変位に達するまで最初に平衡状態から離れるように動き、次いで、平衡状態に戻って、さらに、設定量の変位に対して反対方向への運動を継続し、再び運動の方向が変化して平衡状態に戻る。バランスの取れた振動を容易にするために、２つの一次質量（１０１、１０２）のそれぞれの平衡状態における位置からそれぞれ相対する方向への変位量は、好ましくは、等しいが、反対方向である。図４ａでは、第１一次質量（１０１）は、ｙ軸プラスの方向に上方に動き、第２一次質量（１０２）は、ｙ軸マイナスの方向に下方に動いた。したがって、２つの一次質量（１０１、１０２）は、互いからのゼロでない距離で平行に配置されたそれぞれの第１軸に沿って反対方向に直線的に動く。２つの一次質量の線形一次振動運動の位相は逆であるとも言える。一次質量（１０１、１０２）を現在の位置に導いた運動の方向は、図４ａで垂直方向の点線の矢印を用いて模式的に図示されている。また、最初に、例えば、図１ｂに示す平衡状態になった後、現在の位置に到達するために、一次質量（１０１、１０２）は、センサ構造全体の幾何学的中心に位置するｚ軸ジャイロスコープ素子の検出軸でもある共通の対称軸（ｚ軸）の周りを時計回り方向に半径ベクトルに垂直な運動量の成分を有する方向に動いたことが分かる。運動量のこの成分は、デバイスの平面に垂直な方向に下向きの角運動量を引き起こす。一次振動運動の次の半周期において、一次質量（１０１、１０２）は半径ベクトルに垂直な運動量の成分を反時計回りの方向に有し、最終的に、当該半周期を経て、一次質量は図４ｂに示す位置に到達する。この位置は、ｙ軸に関して映された場合、図４ａの鏡像として描写されてもよい。この運動は、デバイスの平面に垂直な方向に上向きの角運動量を引き起こす。一次質量を図４ｂに示す位置へ導く、一次質量（１０１、１０２）の運動の方向は、垂直方向の点線の矢印（４０１ｂ、４０２ｂ）を用いて示される。図４ａに示すように、振動周期は、一次質量（１０１、１０２）が対称軸（ｚ軸）の周りを時計回り方向に半径に対して垂直な成分の運動量を有する位置に戻り続ける。これにより、下向きの角運動が生じる。したがって、線形一次振動運動の間、一次質量（１０１、１０２）の運動、ひいてはコリオリ質量（１０３、１０４）の運動は、所期の線形一次振動運動に加えて一次質量（１０１、１０２）の不均衡の可能性があるため、不要な直角位相運動、及び／又は、過剰な線形運動量のような他のいくつかの運動成分をさらに有する可能性がある。改善された一次モードを目指す本発明を考慮すると、一次質量（１０１、１０２）に対する主な関心は、一次モードにおけるこの線形振動運動により引き起こされる対称軸（ｚ軸）における線形一次振動運動及び角運動量である。この一次モードでは、２つの一次質量（１０１、１０２）は互いに逆位相で振動し、センサ素子の幾何学的中心における共通の対称軸（ｚ軸）に関して最終の（合計）角運動量引き起こす。

一次質量（１０１、１０２）及び第１連結構成部の線形一次振動運動は、さらに、コリオリ質量（１０３、１０４）を振動一次運動に励起させる。この運動は、コリオリ質量（１０３、１０４）の一次運動と呼ばれてもよい。一次質量（１０１、１０２）の線形振動運動は、連結レバー（１０８、１０９）によりコリオリ質量（１０３、１０４）の方に中継される。これにより、コリオリ質量（１０３、１０４）は、特有の線形一次運動を開始する。一次質量（１０１、１０２）及びコリオリ質量（１０３、１０４）を連結している第１及び第２ばね（１１８、１１３）並びに連結レバー（１０８、１０９）は、コリオリ質量（１０３、１０４）に影響する力を引き起こし、一次質量（１０１、１０２）の線形一次振動運動によって定められた周波数で振動一次運動を開始する。したがって、線形一次振動運動の間、一次質量（１０１、１０２）の運動、ひいてはコリオリ質量（１０３、１０４）の運動は、所期の線形一次振動運動に加えて一次質量（１０１、１０２）の不均衡の可能性があるため、不要な直角位相運動、及び／又は、過剰な線形運動量のような他のいくつかの運動成分をさらに有する可能性がある。コリオリ質量（１０３と１０４）の直角位相運動は、当業者に知られている任意の方法によって減少されてもよい。コリオリ質量（１０３、１０４）に生じる直角位相運動は、コリオリ質量（１０３、１０４）上に特定の直角位相補償電極を設けることにより補正されてもよい。

一次質量（１０１、１０２）及びコリオリ質量（１０３、１０４）の一次運動の振幅さえも、Ｔ字型の連結レバー（１０８、１０９）を介して連結される。一次運動に励起された場合の一次質量（１０１、１０２）及びコリオリ質量（１０３、１０４）の間の振幅の比率は、可能な限りゼロに近い値にセンサ素子の全運動量を最適化及び／又は最小化した場合の最も重要な設計事項の１つである。当該振幅のこの比率は、質量及び連結レバー（１０８、１０９）の水平及び垂直の脚の長さを調節することにより制御されてもよい。

それぞれ複数のばねを用いて３つの移動質量に連結された堅牢な連結レバー（１０８、１０９）によって、各コリオリ質量（１０３、１０４）は、ｙ軸方向における一次質量（１０１、１０２）の本質的に線形の一次運動の軸に直交する本質的にｘ軸方向において、本質的に線形の一次運動に励起される。本質的に線形である運動を指す一方で、線形であるように設計された運動を指すが、当該運動は、例えば、理想どおりにはできない製造公差などによって、所期の線形運動から逸脱しているいくつかの回転成分、及び／又は、いくつかの直線成分を有してもよいことに留意すべきである。

さらに、図４ａ及び図４ｂは、コリオリ質量（１０３、１０４）の一次運動を示す図である。一次運動では、各コリオリ質量（１０３、１０４）は、センサデバイスのｘ軸方向の対称軸に平行であり、ｘ軸からゼロでない距離に配置され、他のコリオリ質量の第２軸からゼロでない距離で配置された第２軸に沿って直線的に動く。コリオリ質量が一次運動の間に沿って動く第２軸は、一次質量が一次運動の間に沿って動く第１軸に直交する。図４ａは、第１コリオリ質量（１０３）がｘ軸のマイナス方向に左の方へ動いた後の一次運動の状態を示す図である。それと同時に、第２コリオリ質量（１０４）は、ｘ軸のプラス方向に右の方に動いた。コリオリ質量（１０３、１０４）を現在の位置に導いた運動の方向は、水平方向の点線矢印（４０３ａ、４０４ａ）を用いて模式的に図示される。また、最初に平衡状態になった後、コリオリ質量（１０３、１０４）の現在の位置に到達するために、コリオリ質量（１０３、１０４）は、センサ素子の軸の周りを時計回りの方向に運動量を有する方向に動き、その結果、上向きの角運動量を有することが分かる。この角運動量は、一次運動の同じ位相の間、一次質量（１０１、１０２）の角運動量に対して方向が逆である。したがって、一次質量（１０１、１０２）及びコリオリ質量（１０３、１０４）の一次運動によって引き起こされた全角運動は、互いに効果的に相殺し、結合された一次運動によって引き起こされた全角運動量を減少させる。一次及びコリオリ質量の質量及び距離を適切に設計することによって、互いに打ち消し合うこのような角運動量は、最適化されてもよい。その結果、素子の瞬間的に反対の角運動量は、大きさがほぼ等しくなり、次いで、反対方向に効果的に互いに相殺する。

図４ｂは、第１コリオリ質量（１０３）がｘ軸のプラス方向に右の方へ動いた後の一次運動の第２位相を示す図である。それと同時に、第２コリオリ質量（１０４）は、ｘ軸のマイナス方向に左の方へ動いた。また、最初に、図４ａに示す位置にいた後、コリオリ質量（１０３、１０４）の現在の位置に到達するために、コリオリ質量（１０３、１０４）は、センサ素子の幾何学的中心に位置する対称軸（ｚ軸）の周りを時計回りの方向の運動を有する方向に動き、その結果、下向きの角運動量を有することが分かる。コリオリ質量（１０３、１０４）を現在の位置に移動させた運動の方向は、水平の点線矢印（４０３ｂ、４０４ｂ）を用いて模式的に図示される。この角運動量もまた、一次運動の同じ位相の間、一次質量（１０１、１０２）の角運動量に対して逆であり、一次及びコリオリ質量の結合された一次運動によって引き起こされた全角運動量は、効果的に減少される。好ましくは、センサの可動要素の全角運動量が最小化されるため、全角運動量は実質的にゼロになる。

図４ａ及び図４ｂは、一次運動の間、検知セル（１０５、１０６）が如何なる方向にも移動しないが、それらの均衡点に留まることを示している。

図４ａ及び図４ｂは、線形移動質量（１０１、１０２）及びコリオリ質量（１０３、１０４）が第１一次モードと呼ばれる方法で動く第１一次モードを示している。このモードでは、コリオリ質量（１０３、１０４）は、一次質量（１０１、１０２）の角運動量の方向に対して常に反対の角運動量を引き起こす。例えば、時計回りの運動成分により引き起こされる下向きの角運動量を一次質量（１０１、１０２）に持たせる方向に一次質量（１０１、１０２）が動いた後ピーク位置に到達した位置に到達する場合、コリオリ質量（１０３、１０４）は、反時計回りの方向に回転した後ピーク位置に到達する。このピーク位置に向かう運動の間、コリオリ質量（１０３、１０４）は、センサ素子の中心に位置する対称軸（ｚ軸）を基準とした角運動量を有する。当該角運動量は、一次質量（１０１、１０２）の運動によって引き起こされる角運動量とは逆方向である。振動が振動の次の半分の位相に変わる場合、同様の状況及び角運動量の相対的な方向は継続する。一次質量（１０１、１０２）は、起点、すなわち、反時計回りの方向の運動量成分により引き起こされるセンサ素子の幾何学的中心に位置する対称軸（ｚ軸）に関して上向きの複合角運動量を有するが、コリオリ質量（１０３、１０４）は、同じ対称軸（Ｚ軸）に関して時計回りの方向の運動量成分によって引き起こされる下向きの角運動量を有する。一次及びコリオリ質量、連結レバー、ばね及びセンサ素子システムの全体構造の設計及び慣性に基づいて、システムがそのような安定した逆位相振動運動に達する一定の周波数がある。当該周波数は、第１一次モードの公称周波数と呼ばれる。一次質量（１０１、１０２）及びコリオリ質量（１０３、１０４）が適切に設計されると、一次質量（１０１、１０２）の角運動量の合計は、コリオリ質量（１０３、１０４）の角運動量と逆であり、強度はほぼ等しい。その結果、角運動量は互いにかなり相殺され、振動システムの残りの全角運動量は、システムに対して可能な他のほとんどの振動モードと比較して非常に低い。

システム内の移動質量の残りの全角運動量の比は、以下のように表される。

Ｌｐｒｉｍａｒｙ１及びＬｐｒｉｍａｒｙ２がそれぞれ一次質量（１０１、１０２）の角運動量を表わす場合、ＬＣｏｒｉｏｌｉｓ１及びＬＣｏｒｉｏｌｉｓ２は、それぞれ、コリオリ質量（１０３、１０４）の角運動量を表わし、ＬＣｏｒｉｏｌｉｓＴ１及びＬＣｏｒｉｏｌｉｓＴ２は、連結レバー（１０８、１０９）の全角運動量を表わす。一次質量（１０１、１０２）の角運動量Ｌｐｒｉｍａｒｙ１、Ｌｐｒｉｍａｒｙ２は、一次質量（１０１、１０２）の全運動量の成分を含むと理解され、当該一次質量の全運動量は任意の瞬間にセンサ素子の幾何学的中心から引かれた半径に対する接線の方向を有する。一次質量（１０１、１０２）の運動は回転ではないが、回転子センサ素子の中心と各一次質量（１０１、１０２）の重力との間の半径は、一次質量（１０１、１０２）が線形一次振動運動にあるとき、時間の経過に従い半径は僅かに変化する。連結レバー（１０８、１０９）は、一次質量（１０１、１０２）及びコリオリ質量（１０３、１０４）に比べて比較的小さい。したがって、連結レバー（１０８、１０９）によって引き起こされる角運動量は、比較的低い。図４ａの第１一次モードは、一次質量（１０１、１０２）の振動の周波数が、好ましくは、センサ素子構造によって可能にされる他の任意の一次モードの振動の周波数より低い場合に生じる。好ましい公称振動周波数とセンサ素子構造の他の可能な共振周波数との間の顕著な相違により、デバイスの堅牢性が向上する。コリオリ質量（１０３、１０４）及び一次質量（１０１、１０２）（及び任意にさらに連結レバー（１０８））を適切な寸法にすると、この好ましい一次モードでの当該システムの残りの全運動量Ｌｒｅｍａｉｎｉｎｇは、５％又はこれらの質量の角運動量の絶対値の合計よりも小さくてもよい。例えば、角運動量の絶対値の合計の４％又はさらに１％未満の全角運動量の値は、センサ素子が移動要素の設計に依存する第１一次モードに励起されたときのシミュレーションで達成されている。

図４ａ及び図４ｂに示す第１一次モードに加えて、このセンサ素子構造は、少なくとも寄生モードと呼ばれる第２一次モードを有する。寄生モードでは、線形移動質量（１０１、１０２）及びコリオリ質量（１０３、１０４）の相対運動が第１一次モードの相対運動とは異なる関係を有する。第２一次モードでは、寄生モードの全角運動量は、少なくとも寄生一次運動周期の一部の間に、線形移動質量（１０１、１０２）及びコリオリ質量（１０３、１０４）の運動量の絶対値の合計に対応する全運動量を有する。

しかしながら、センサ素子の設計が正確に行われると、第２一次モード（寄生モード）振動は、第１一次モードよりも明らかに高い公称周波数を有する。２つの振動が周波数において明らかに異なるが、センサ素子構造は信頼性の高い所望の第１一次モード振動を励起させることができる。図１ｂに示す例示的な設計では、シミュレーションは、第１一次モードが約１８ｋＨｚの公称周波数を有することを示している。好ましい一次モードのために低い公称周波数の使用を可能にすることにより、センサ素子に利得がもたらされる。例えば、第１一次モードは、励起されやすい。第１一次モードが最も低い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向上する。

複数の移動部を有する、本明細書に記載のセンサ素子は、さらに、１つ以上の寄生モードを有してもよい。上述した第１の好ましい一次モード(第１一次モード)が好ましい一次モードであるが、他のすべての一次モードを寄生モードと呼ぶこともある。また、好ましい動作モード(第１モード)と任意の寄生動作モードとの間の明確な公称周波数分離により、好ましい第１一次モードの安定性が向上する。したがって、センサ素子の設計が、好ましい一次モードから可能な限り離れた公称周波数を有する寄生モードのみを促進する場合、有益である。異なる寄生一次モードは、好ましい第１一次モードよりも低い周波数又は高い周波数を有してもよい。

図５は、センサ素子の二次運動を示している。再び、図５の上部は、二次運動の概要図を示しているが、下部は、図１ｂに示すセンサ素子の二次運動のシミュレーションの結果を示している。第２モード又は検知モード又は検知動作としても知られている二次運動は、一次運動を行っているコリオリ質量（１０３、１０４）に影響を及ぼすコリオリ力によって引き起こされる。この二次運動は、ｙ軸方向に生じる。コリオリ質量（１０３、１０４）がｙ軸方向に動くと、各コリオリフレーム（１０３；１０４）を検知セル（１０５；１０６）に連結している第５ばね（１２５）によって検知セル（１０５、１０６）がｙ軸方向に動く。検知セル（１０５、１０６）は、検知セルのｙ軸方向の位置に応じて異なる値の容量性負荷を供給する容量検出くしを備えてもよい。あるいは、検知セル（１０５；１０６）は、圧電検知などの他の既知の検知方法を使用してもよい。コリオリフレーム（１０３、１０４）及び検知セル（１０５、１０６）の両方の二次運動は、センサ素子の対称軸に沿ってｙ軸方向に生じるが、検知動作はｚ軸の周りの角運もｘ軸及び／又はｙ軸に沿った線形運動量も生じさせない。

第２連結構成部（１１５、１１６）は、ばね定数を有する。当該ばね定数は、コリオリフレーム（１０３、１０４）の質量と検知セル（１０５、１０６）とを連結する場合、第１二次運動のための公称周波数を有する。この公称周波数は、一次質量（１０１、１０２）及びコリオリ質量（１０３、１０４）の第１一次モードの公称周波数と等しくてもよく、当該２つの周波数が特定の周波数距離内にあるように構成されてもよい。例えば、従来の周波数分離型ジャイロスコープでは、当該周波数距離は、第１一次周波数の２５％未満であってもよく、モードマッチ型ジャイロスコープ（周波数マッチ型ジャイロスコープ）では、周波数は本質的に等しくなるように構成されてもよい。その結果、当該周波数距離は、第１一次周波数の１％未満になる。例えば、モードマッチ型ジャイロスコープのシミュレーションが行われる。そのシミュレーションでは、第１一次運動の公称周波数が１７．９ｋＨｚであり、他と異なる第１二次運動は、１８．１ｋＨｚの公称周波数を有する。コリオリ力が第１一次運動の周波数で波打つ間に、一次及び二次モードの周波数が一致する場合、誘発された二次運動も、二次運動が好ましい第１二次モードになる公称周波数で生じる。この第１二次モードでは、ｘ軸の上方のコリオリ質量（１０３）及び検知セル（１０５）は、常に、ｘ軸の下方のコリオリ質量（１０４）及び検知セル（１０６）の運動の方向（５０４ａ、５０６ａ）に対して、ｙ軸に沿って反対方向（５０３ａ、５０５ａ）に動く。この種のバランスの取れた逆位相の二次運動は、二次運動によって生じる任意の振動を最小にする。点線の矢印（５０３ａ、５０５ａ、５０４ａ、５０５ａ）は、コリオリ質量（１０３、１０４）及び検知セル（１０５、１０６）の運動の方向を示している。当該運動の方向により、これらの質量は現在の位置に導かれた。ｙ軸方向の最大変位に達した後、コリオリ質量（１０３、１０４）及び検知セル（１０５、１０６）の運動の方向が図５に示された運動の方向とは逆になるように二次運動が逆向きになり、上方のコリオリ質量（１０３）及び検知セル（１０５）の組は下方のコリオリ質量（１０４）及び検知セル（１０６）の組に向かって動く。

図５は、さらに、センサ素子の設計のいくつかのさらなる利点を強調している。一次質量（１０１、１０２）は、検知セル（１０５、１０６）から完全に切り離される。検知セル（１０５、１０６）は、好ましくは、センサ素子の幾何学的中心のすぐ近くに配置される。

一次質量から検知セル（１０５、１０６）を切り離すことにより、以下で説明するいくつかの特定の利点がもたらされる。

ｙ軸方向の検出動作を行うように構成されたセンサ素子に容量性センシングを利用する場合、検知セル（１０５、１０６）に沿って移動する電極指はｙ軸方向に延伸し、当該可動電極指が検知セル（１０５、１０６）に連結される。また、固定電極指（固定子又は固定子構造とも呼ばれる）は、センサ素子の剛性な本体に連結される。その結果、可動電極指と固定電極指とが交錯する。この例では、ｙ軸に沿った検知セル（１０５、１０６）の動きを検出するために可動電極指と共に固定子が使用される。一次質量（１０１、１０２）及び検知セル（１０５、１０６）は、懸架構造を用いて懸架され、固定位置の中央は、好ましくは、一次質量（１０１、１０２）及び質量を移動させる検知セル（１０５、１０６）に対して同じ位置であるべきである。さらに、検知セル（１０５、１０６）内の固定子構造（不図示）は、好ましくは、センサ素子本体に固定され、それらの固定位置の中央は、一次質量の固定位置の中央と同じである。懸架構造、ひいては、検知セル（１０５、１０６）の固定位置がｘ軸に関して対称である場合、均等化された検知セル（１０５、１０６）の動きはｘ軸方向で促進されるが、検知セル（１０５、１０６）のいかなる動きもｙ軸方向で得られない。このように、可動検知セル（１０５、１０６）と各固定子構造との間の相対変位は、例えば、センサ素子を保護するためにオーバーモールドパッケージを使用する場合に生じ得る熱応力又は機械的応力に起因するひずみによるｘ軸方向の変化を生じない。

２つの一次質量（１０１、１０２）がｘｙ平面内のセンサ素子の幾何学的重心から遠くに位置するとき、十分に均等化された検知動作を達成することは、ｘ軸方向において可能であるが、ｙ軸方向において現実的ではない。

また、一次質量（１０１、１０２）とコリオリ質量（１０５、１０６）とを連結レバー（１０８、１０９）と第１及び第２ばね（１１３、１１８）とによって互いに分離することにより、設計上の利益が得られる。コリオリ質量（１０３、１０４）が一次質量に直接接続されている場合、ｘ軸に沿ったコリオリ質量（１０３、１０４）のニュートラルな位置は、一次質量（１０１、１０２）の固定によって影響を受ける可能性があり、好ましいことではない。しかしながら、現在の設計では、コリオリ質量（１０３、１０４）はそれぞれ、２つの一次質量（１０１、１０２）の中央に配置された連結ビーム（１０８、１０９）によって支持されているため、このような望ましくない副作用は相殺される。さらに、２つの一次質量（１０１、１０２）の間に生じる引っ張り力又は圧縮力は、接続点で連結レバーを一次質量（１０１、１０２）に連結する第１ばね（１１８）の柔軟性によって緩和される。

図６は、慣性要素を支持するデバイス本体が図１ａ、図１ｂに記載されたような慣性要素を含むセンサ素子（６０１）が筐体（６０３）内に配置されるセンサデバイス（６０５）を示す概略図である。図６は、プラスチック材料、セラミックパッケージ又はチップサイズパッケージからなる予め成形された、又は、オーバーモールドされたパッケージを含んでもよい。センサ素子（６０１）は、筐体（６０３）の内部に配置され、接着剤（６０２）で筐体に取り付けられている。筐体は蓋（６０４）で覆われている。蓋（６０４）は、例えば、ニッケル鉄合金のような金属で作られていてもよいし、プラスチック材料から作られていてもよい。

振動システムの全運動量を低くすることは、大きな利点をもたらす。一次振動運動に起因するセンサ素子（６０１）の全運動量がゼロに近い場合、センサデバイス（６０５）はその環境に対していかなる振動も生じさせない。その結果、センサデバイス（６０５）の内部で引き起こされるセンサ素子の可動部分の必要な振動を、外部から検出することができない。センサ素子（６０１）の外部に漏れ出る振動エネルギーはない、又は微少であるが、漏れは、例えばセンサデバイス（６０５）のＱ値の安定性の例における問題を引き起こす可能性がある。たとえセンサ素子（６０１）を筐体（６０３）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、全運動量が低い又はゼロであることにより、センサデバイス（６０５）の外に振動エネルギーが漏れ出ることの影響は低減、又は、排除されるだろう。しかしながら、硬質接着剤の使用は、センサ素子（６０１）に向かう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、硬質接着剤が使用された場合、センサ素子（６０１）の１つに近い共振周波数を有する別のセンサ又は他の振動部のような、センサデバイス（６０１）の近くに位置する別の共振器からの干渉を増加され得る。したがって、軟質接着剤を使用できることが有益であることが分かった。

振動センサ素子（６０１）自身が筐体（６０３）に対して有意な振動を生じさせない場合、振動センサ素子（６０１）を筐体（６０３）に取り付けるために軟質接着剤（６０２）の使用が可能になる。センサ素子（６０１）からの全運動量がゼロでなく、かつ、センサ素子が軟質接着剤（６０２）を用いて筐体（６０３）に取り付けられた場合、センサ素子（６０１）は筐体（６０３）の内部で動く可能性があり、容認できない。ゼロ又は非常に低い運動量のセンサ素子（６０１）は、センサ素子（６０１）を筐体（６０３）に取り付けるために軟質接着剤（６０２）の使用を可能にする。シリコンのような軟質接着剤（６０２）の使用は、有益で価値がある。それは、軟質接着剤の使用により、筐体及びパッケージからの、又は、筐体及びパッケージを通じて接着剤（６０２）を介する外部応力を低減するからである。したがって、軟質接着剤（６０２）の使用により、温度変化の範囲にわたってセンサデバイスのより良好なバイアス安定性及び検知安定性を可能にする。低い全運動量は、さらに、駆動振動(一次モード)の全安定性を改善する。このことは、特に、センサ素子（６０１）の起動中、又は、外部衝撃がセンサデバイス（６０５）に対して生じる場合に重要である。

当業者には、技術が進歩するにつれて、本発明の基本的な思想を様々な方法で実施できることが明らかである。したがって、本発明及びその実施形態は、上記の例に限定されず、特許請求の範囲内で変更されてもよい。

１０１、１０２ 一次質量
１０３、１０４ コリオリ質量（コリオリフレーム）
１０５、１０６ 検知セル
１１８ 第１ばね
１１３ 第２ばね
１０８、１０９ 連結レバー
１２５ 第５ばね
１１５、１１６ 第２連結構成部
１２０ 第１懸架構造
１１０ 支持ばね
１１９ 第４ばね
１２８ 懸架構造
１２６ 第６ばね
１２３ 第２懸架構造
２０１ 第１レバー（第１バー）
２０２ 第２レバー（第２バー）
３０１ Ｌ字型レバー
３０２、３０３ 支持ビーム
３０６ 接続ビーム
３０３ 第３懸架構造
３０５ 連結ビーム
３０６ 屈曲ビーム
６０１ センサ素子
６０３ 筐体
６０２ 接着剤（軟質接着剤）
６０５ センサデバイス
６０４ 蓋

Claims (20)

1. 支持体と、
   静止懸架状態でセンサ素子の基準面を形成する、前記支持体に対して振動するように懸架された少なくとも２つの一次質量及び少なくとも２つのコリオリ質量と、
   それぞれが前記２つの一次質量と、前記２つのコリオリ質量のうちの１つとに連結されている少なくとも２つの連結レバー構造と、
   を備え、
   前記２つの一次質量は、前記基準面に沿った第１方向の前記２つの一次質量の線形一次振動運動を可能にし、他の方向の前記２つの一次質量の運動を不可能にするばね構造によって前記支持体に懸架され、
   前記２つの連結レバー構造の各々は、前記２つの一次質量の逆位相一次運動を前記１つの連結されたコリオリ質量の線形一次運動に中継するように構成され、前記１つの連結されたコリオリ質量の線形一次振動運動は前記基準面に沿って前記第１方向に垂直な第２方向に生じることによって、前記２つの一次質量の前記逆位相一次運動が前記２つのコリオリ質量の逆位相一次運動に中継される、
   振動センサ素子。
2. 前記２つの連結レバー構造は、前記センサ素子の幾何学的重心を通って横切る前記センサ素子の第１対称軸の両側に対称に配置される、
   請求項１に記載のセンサ素子。
3. 前記一次質量は、前記センサ素子の前記幾何学的重心を通って横切る前記センサ素子の第２対称軸の両側に対称に配置され、
   前記第２対称軸は前記第１対称軸に直交する、
   請求項１又は２に記載のセンサ素子。
4. 前記センサ素子は、さらに、互いからゼロでない距離を有する２つの平行な第１軸に沿って本質的に平坦な前記センサ素子の前記平面内で、前記２つの一次質量を前記線形一次振動運動に励起する手段を備え、
   前記２つの連結レバー構造は、第１ばねを用いて前記２つの一次質量に連結され、前記一次質量の前記線形一次振動運動を互いに結合するように構成されることにより、前記一次質量の前記線形一次振動運動は第１公称振動数で互いに逆位相となり、
   前記２つの連結レバー構造は、さらに、第２ばねを用いて前記２つのコリオリ質量に連結され、互いからゼロでない距離を有する２つの平行な第２軸に沿って本質的に平坦な前記センサ素子の前記平面内で、前記第１公称周波数で前記コリオリ質量の前記逆位相一次運動に前記一次質量の前記逆位相一次振動運動を中継するように構成され、
   前記コリオリ質量の前記逆位相一次運動の前記第２軸は、前記一次質量の前記逆位相一次運動の前記第１軸に直交し、前記コリオリ質量の前記逆位相一次運動は前記第１公称周波数で互いに逆位相を有する、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のセンサ素子。
5. 前記一次質量及び前記コリオリ質量に連結された前記連結レバーの端部は、二等辺三角形を形成し、及び／又は、
   前記連結レバーのそれぞれは、第１レバーの長さのほぼ中央に前記第１レバーに取り付けられた第２レバーを備え、
   前記第２レバー及び前記第１レバーは、９０度の角度で取り付けられる、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のセンサ素子。
6. 前記複合一次モードは、前記２つの一次質量、前記２つの連結レバー及び前記２つのコリオリ質量の角運動量の絶対値の合計の５％未満である全角運動量を有する、
   請求項１〜５のいずれか一項に記載のセンサ素子。
7. 前記センサが動作中に検出軸周りの角速度を受ける場合、前記コリオリ質量は、さらに、前記コリオリ力によって、前記コリオリ質量の前記逆位相一次運動の前記第２軸に直交する第３軸に沿って本質的に平坦な前記センサ素子の前記平面内で第１逆位相線形二次運動に励起されるように構成される、
   請求項１〜６のいずれか一項に記載のセンサ素子。
8. 前記センサ素子は、さらに、２つの検知セルを備え、
   前記コリオリ質量は、前記コリオリ質量の前記第１線形二次運動の前記第３軸と一直線になる軸に沿って前記検知セルを第２逆位相線形二次運動に励起させる第３ばねを用いて前記検知セルに連結される、
   請求項１〜７のいずれか一項に記載のセンサ素子。
9. 前記検知セルは、第２連結構成部が前記第１対称軸の両側に等しく延在するように前記第１対称軸上に対称に配置された前記第２連結構成部を用いて互いに連結され、
   前記第２連結構成部は、前記検知セルの前記第２逆位相線形二次運動に第２公称周波数を持たせ、前記検知セルを前記第２公称周波数で互いに逆位相で動かす、
   請求項８に記載のセンサ素子。
10. 前記センサ素子は、周波数分離型ジャイロスコープであり、
    前記第２公称周波数は、前記第１公称周波数の２５％未満前記第１公称周波数からずれている、
    請求項９に記載のセンサ素子。
11. 前記センサ素子は、モードマッチ型ジャイロスコープであり、
    前記第２公称周波数は、前記第１公称周波数と本質的に等しい、
    請求項９に記載のセンサ素子。
12. 支持体と、静止懸架状態で前記センサ素子の基準面を形成する、前記支持体に対して振動するように懸架された少なくとも２つの一次質量及び少なくとも２つのコリオリ質量と、それぞれが前記２つの一次質量と、前記２つのコリオリ質量のうちの１つとに連結されている少なくとも２つの連結レバー構造と、を備える、本質的に平坦なセンサ素子の平面に垂直な検出軸周りの角速度を検出するための振動センサ素子を駆動させる方法であって、
    前記方法は、前記基準面に沿った第１方向の前記２つの一次質量の線形一次振動運動を可能にし、他の方向の前記２つの一次質量の運動を不可能にするばね構造によって、前記２つの一次質量を前記支持体に懸架することと、
    前記２つの連結構造のそれぞれによって、前記２つの一次質量の逆位相一次運動を前記１つの連結されたコリオリ質量の線形一次運動に中継することと、
    を含み、
    前記１つの連結されたコリオリ質量の前記線形一次振動運動は、前記第１方向に垂直である、前記基準面に沿った第２方向に生じることによって、前記２つの一次質量の前記逆位相一次運動が前記連結レバー構造により前記２つのコリオリ質量の逆位相一次運動に中継される、
    方法。
13. さらに、互いからゼロでない距離を有する２つの平行な第１軸に沿って、本質的に平坦な前記センサ素子の前記平面内で前記２つの一次質量を前記線形一次振動運動に励起することと、
    前記一次質量の前記線形一次振動運動を互いに結合するために第１ばねを用いて前記２つの連結レバー構造を前記２つの一次質量に連結して、前記一次質量の前記線形一次振動運動に前記第１公称周波数で互いに逆位相を持たせることと、
    前記第１公称周波数で前記一次質量の前記逆位相一次運動を前記コリオリ質量の逆位相一次運動に中継するために、第２ばねを用いて前記２つの連結レバー構造を前記２つのコリオリ質量に連結することと、
    を含み、
    前記コリオリ質量の前記逆位相一次振動運動は、互いからゼロでない距離を有する２つの平行な第２軸に沿って本質的に平坦な前記センサ素子の前記平面内に生じるように構成され、
    前記コリオリ質量の前記逆位相一次運動の前記第２軸は、前記一次質量の前記逆位相一次運動の前記第１軸に直交し、
    前記コリオリ質量の前記逆位相一次運動は、前記第１公称周波数で互いに逆位相となる、
    請求項１２に記載の方法。
14. 前記複合一次モードは、前記２つの一次質量、前記２つの連結レバー、及び、前記２つのコリオリ質量の前記角運動量の前記絶対値の合計の５％未満である全角運動量を有する、
    請求項１２又は１３に記載の方法。
15. 前記センサが動作中に前記検出軸周りの角速度を受ける場合、前記コリオリ質量の前記逆位相一次運動の前記第２軸に直交する第３軸に沿って本質的に平坦な前記センサ素子の前記平面内で前記コリオリ質量を前記第１逆位相線形二次運動に励起することをさらに含む、
    請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の方法。
16. さらに、第３ばねを用いて前記コリオリ質量を検知セルに連結することを含み、前記第３ばねは、前記検知セルを、前記コリオリ質量の前記第１線形二次運動の前記第３軸と一直線になる軸に沿って前記第２逆位相線形二次運動に励起させる、
    請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の方法。
17. さらに、前記第１対称軸上に対称に配置された第２連結構成部を用いて前記検知セルを互いに連結することを含み、
    前記第２連結構成部は、前記第１対称軸の両側に等しく延在し、
    前記第２連結構成部は、前記検知セルの前記第２逆位相線形二次運動に第２公称周波数を持たせ、前記検知セルを前記第２公称周波数で互いに逆位相で動かす、
    請求項１２〜１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記センサ素子は、周波数分離型ジャイロスコープであり、
    前記第２公称周波数は、前記第１公称数は数の２５％未満前記第１公称周波数からずれている、
    請求項１７に記載の方法。
19. 前記センサ素子は、モードマッチ型ジャイロスコープであり、
    前記第２公称周波数は、前記第１公称周波数と本質的に等しい、
    請求項１７に記載の方法。
20. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載のセンサ素子を備える、
    センサデバイス。