JP2020134515A - 同期フレームを有する多軸ジャイロスコープ - Google Patents

Abstract

【課題】ｚ軸二次振動モードを、ｘ軸二次振動モードおよびｙ軸二次振動モードから切り離すことが可能なジャイロスコープを提供する。【解決手段】微小電気機械多軸ジャイロスコープはプルーフマスカルテット７１１〜７１４と、中央アンカーポイントからプルーフマスカルテット７１１〜７１４を懸架する中央懸架部とを備える。ジャイロスコープは、さらに、同期フレーム７２と、検出マスカルテット７３１〜７３４とを備える。１以上の横コーナーばね７６は、横に隣接するプルーフマスから各検出マスまで延在し、１以上の縦コーナーばね７５は、縦に隣接するプルーフマスから各検出マスまで延在する。【選択図】図７ａ

Description

本開示は、微小電気機械ジャイロスコープに関し、特に、同じ振動プルーフマスシステムを用いて、１つ、２つ、または３つの互いに垂直な回転軸を中心とする角回転を測定可能な多軸ジャイロスコープに関する。

振動プルーフマスを利用する微小電気機械（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープにおける一般的な課題は、マスは、駆動アクチュエータによって容易に一次振動モード（駆動振動モードとも呼ばれる）に駆動され、また、コリオリの力によって容易に二次振動モード（センサ振動モードとも呼ばれる）にされることが好ましいと考えられるが、それにもかかわらず外部外乱によって動かされないことが好ましいという点である。言い換えると、ジャイロスコープは、周囲要素から与えられる線形振動および回転振動による摂動を受けないことが好ましいと考えられるので、ジャイロスコープの出力信号は、対象とする測定周波数範囲内でジャイロスコープが受ける角回転速度によってのみ決定される。たとえば、自動車用途では、外乱振動は通常１〜５０ｋＨｚの周波数範囲にあるが、一方、測定周波数範囲は通常１ｋＨｚ未満である。

単純なＭＥＭＳジャイロスコープは、１つの振動プルーフマスのみを利用して構築することができるが、ジャイロスコープの動作周波数に近い周波数で外部振動が存在する場合、通常、ジャイロスコープの出力信号は非常にノイズが多くなる。このようなジャイロスコープは、ジャイロスコープの感度が非常に低くなる可能性、および、製造不備から生じる直交信号などの他の外乱影響が非常に顕著になる可能性がある５０ｋＨｚを超える動作周波数でのみ実用的である。２つまたは４つのプルーフマスが逆位相で振動するプルーフマスシステムは、これら２つまたは４つのプルーフマスの同位相運動を引き起こす振動から生じる信号成分を差分測定法を用いてある程度まで自動的に相殺できるため、１マスのジャイロスコープよりもはるかにロバストにすることができることが知られている。さらに、差異を示す共振周波数に影響を与えることなく同位相共振周波数を５０ｋＨｚより高くすることができる場合、外乱振動に対する共振増幅がないため、ジャイロスコープは外部振動に対して非常にロバストであり得る。

いくつかのＭＥＭＳジャイロスコープは、デバイス基板に垂直な１つの軸を中心とした回転速度を測定するように設計されている。このようなジャイロスコープは、ｚ軸ジャイロスコープと呼ばれてもよい。他のＭＥＭＳジャイロスコープは、基板平面内にある２つの垂直軸のうちいずれかを中心とした回転速度を測定するように設計されている。このようなジャイロスコープは、ｘ軸ジャイロスコープおよび／またはｙ軸ジャイロスコープと呼ばれてもよい。

多軸ジャイロスコープは、同じデバイス内の異なる回転軸に対して２つまたは３つの１軸ジャイロスコープを組み込むことによって作成することができる。上記のような種類の多軸ジャイロスコープは、２つまたは３つの個別動作周波数を有することになるので、電子回路の設計が困難になる。また、一次振動に、複数の持続および安定化回路も必要になる。いくつかの多軸ＭＥＭＳジャイロスコープは、異なる周波数間の干渉の可能性を回避するために、同じ振動プルーフマスセットを用いてｘ軸、ｙ軸、および／または、ｚ軸を中心とした回転速度を測定するように設計されている。

単一の振動周波数に基づく多軸ジャイロスコープを外部外乱に対してロバストにすることは困難である。なぜなら、全てのプルーフマスには、互いに直交する３つの軸を中心とした角回転に対応する二次振動モードのいずれも自由に担うことができるように、多くの異なる方向に振動する自由が与えられなければならないからである。それにもかかわらず、外部振動を、プルーフマスを固定構造体に取り付ける、部分的に可撓性を有した懸架部および結合部において抑制するか、または、差分測定法で相殺しなければならない。２つまたは４つのプルーフマスを利用する多軸ジャイロスコープでは、エネルギー漏れからの全振動モードの分離、および、外部振動に対するロバスト性を得ることは困難である。

米国特許出願公開第２０１２／０４８０１７号明細書は、一次振動のために、中心点について半径方向に同時振動する４つのマスが必要な多軸ジャイロスコープについて開示している。

米国特許出願公開第２０１２／０４８０１７号明細書

この構成では、ｚ軸二次振動モードを、ｘ軸二次振動モードおよびｙ軸二次振動モードから容易に切り離すことができない。

本開示の目的は、上記課題を克服する装置を提供することである。

本開示の目的は、独立請求項に記載されたものによって特徴づけられる構成により実現される。本開示の好適な実施の形態は、従属請求項に開示される。

本開示は、プルーフマスカルテットおよび検出マスカルテットと、これらのプルーフマスを囲む同期フレームとを利用するという考えに基づく。プルーフマスは、ｘ軸二次振動モードおよびｙ軸二次振動モードの同期を促すように同期フレームに取り付けられる。検出マスは、プルーフマスから検出マスまでｚ軸二次振動を伝達する横コーナーばねおよび縦コーナーばねにより、プルーフマスに取り付けられる。横コーナーばねおよび縦コーナーばねの寸法は、プルーフマスが一次振動モードで振動する場合、および、プルーフマスがｘ軸二次振動モードおよびｙ軸二次振動モードで振動する場合に、検出マスがほぼ静止したままであるように決定される。

以下、本開示について、好適な実施の形態を用いて図面を参照しながら詳述する。

図１は、図２ａ〜図２ｆにおいて用いられる記号を説明する図である。 図２ａは、第１一次振動モードを示す図である。 図２ｂは、対応する二次振動モードを示す図である。 図２ｃは、対応する二次振動モードを示す図である。 図２ｄは、対応する二次振動モードを示す図である。 図２ｅは、第２一次振動モードを示す図である。 図２ｆは、対応する二次振動モードを示す図である。 図３ａは、周囲同期フレームおよびフレーム懸架ばねを示す図である。 図３ｂは、周囲同期フレームおよびフレーム懸架ばねを示す図である。 図４ａは、中央懸架部を示す図である。 図４ｂは、中央懸架部を示す図である。 図４ｃは、中央懸架部を示す図である。 図５ａは、一次振動モードを調整および／または同期させる同期フレームを示す図である。 図５ｂは、一次振動モードを調整および／または同期させる同期フレームを示す図である。 図６は、周囲懸架部を示す図である。 図７ａは、検出マスと、それらの揺れと、それらの懸架状態を示す図である。 図７ｂは、検出マスと、それらの揺れと、それらの懸架状態を示す図である。 図７ｃは、検出マスと、それらの揺れと、それらの懸架状態を示す図である。 図７ｄは、検出マスと、それらの揺れと、それらの懸架状態を示す図である。 図８は、より詳細なジャイロスコープ構造を示す図である。

本開示は、プルーフマスカルテットを形成する、第１プルーフマスと、第２プルーフマスと、第３プルーフマスと、第４プルーフマスとを備える微小電気機械ジャイロスコープについて説明する。前記複数のプルーフマスは、静止位置において、デバイス平面内において横軸が縦軸と直交し、垂直軸が横軸と縦軸の両方に直交しているジャイロスコープ中心点に対して対称に配置される。

第１プルーフマスおよび第２プルーフマスは、静止位置において、横軸上に配置され、第３プルーフマスおよび第４プルーフマスは、静止位置において、縦軸上に配置される。ジャイロスコープは、ジャイロスコープ中心点に位置する中央アンカーポイントを備える。

ジャイロスコープは、さらに、プルーフマスカルテットを一次振動モードにする１以上の駆動変換器と、垂直軸、横軸、および／または、縦軸を中心とした角回転をジャイロスコープが受けた場合に、それぞれ、コリオリ力によって引き起こされるｚ軸二次振動モード、ｘ軸二次振動モード、および／または、ｙ軸二次振動モードでのプルーフマスカルテットの振動を検出する１以上のセンサ変換器とを備える。

ジャイロスコープは、さらに、中央アンカーポイントからプルーフマスカルテットを懸架する中央懸架部を備える。中央懸架部は、ジャイロスコープ中心点を中心に構成され、プルーフマスカルテットよりもジャイロスコープ中心点の近くに位置する。プルーフマスカルテットの各プルーフマスは、中央懸架部に取り付けられ、中央懸架部は、一次振動モードと、ｚ軸二次モードと、ｘ軸二次モードと、ｙ軸二次モードとを可撓的に調整する。

ジャイロスコープは、さらに、カルテット中心点を中心に構成される同期フレームであって、プルーフマスカルテットよりもジャイロスコープ中心点から離れて位置する同期フレームを備える。プルーフマスカルテットの各プルーフマスは、１以上のフレーム懸架ばねを用いて同期フレームに取り付けられ、同期フレームは、少なくともｘ軸二次振動モードおよびｙ軸二次振動モードを同期させる。

ジャイロスコープは、静止位置においてジャイロスコープ中心点に対して対称配置される検出マスカルテットを一体として形成する、第１検出マス、第２検出マス、第３検出マス、および、第４検出マスを備える。第１検出マスおよび第２検出マスは、４５度の角度で横軸と縦軸とに交差する第１対角軸であって、ジャイロスコープ中心点を横断する第１対角軸上に配置される。第３検出マスおよび第４検出マスは、第１対角軸に直交する第２対角軸であって、ジャイロスコープ中心点を横断する第２対角軸上に配置される。

１以上の横コーナーばねは、横に隣接するプルーフマスから各検出マスまで延在し、１以上の縦コーナーばねは、縦に隣接するプルーフマスから各検出マスまで延在している。

１以上の横コーナーばねは、横方向に剛性を、縦方向に可撓性を有し、縦コーナーばねは、縦方向に剛性を、横方向に可撓性を有する。横コーナーばねおよび縦コーナーばねは両方とも接線方向に延在し、それらは、取り付けられている検出マスにプルーフマスのどんな接線運動もコーナーばねによって伝達されるように、同じ接線方向に剛性を有する。横コーナーばねおよび縦コーナーばねは、半径方向および垂直方向に可撓性を有するので、プルーフマスにおける半径運動および面外運動は、検出マスに伝達されない（または、非常にわずかしか伝達されない）。

本文脈において、コーナーばねのこれら「剛性／可撓性」特性とは、例えば、横／縦コーナーばねを１つだけ各プルーフマスと検出マスとの間で用いる場合に、接線方向に曲がるときのコーナーばねのばね定数が、半径方向および／または垂直方向に曲がるときのばね定数よりも少なくとも１．３倍、好ましくは１０倍大きくてもよいことを意味する。しかしながら、各プルーフマスと検出マスとの間に複数のコーナーばねを取り付ける場合は、これらの要件が異なるものでもよい。要件は、プルーフマスおよび検出マスの大きさに伴って変化してもよいし、コーナーばねの取り付けポイントの位置に伴って変化してもよい。また、代わりに、垂直方向の可撓性は、ねじりフレキシブル固定部を用いてプルーフマスおよび検出マスの両方にコーナーばねを取り付けることによって生成されてもよい。また、この場合、ばね定数の関係は、上述された範囲を超えるものでもよい。

一次振動モードは、デバイス平面における第１一次振動モードでもよい。第１一次振動モードでは、第１プルーフマスおよび第２プルーフマスは、第３プルーフマスおよび第４プルーフマスがジャイロスコープ中心点から離れるように半径方向に動く場合にジャイロスコープ中心点に向かって半径方向に動き、ジャイロスコープ中心点に向かって動く場合は離れるように動く。あるいは、一次振動モードは、デバイス平面における第２一次振動モードでもよい。第２一次振動モードでは、第１プルーフマス、第２プルーフマス、第３プルーフマス、および、第４プルーフマスは全て同時にジャイロスコープ中心点に向かって半径方向に動き、そして、ジャイロスコープ中心点から離れるように半径方向に動く。

垂直軸を中心とする角回転に反応して、対応する第１ｚ軸二次振動モードおよび第２ｚ軸二次振動モードが、プルーフマスカルテットに生じる。第１ｚ軸二次振動モードは、第３プルーフマスおよび第４プルーフマスが接線方向に反時計回りに動く場合に、第１プルーフマスおよび第２プルーフマスがジャイロスコープ中心点について時計回りに動き、時計回りに動く場合は反時計回りに動く、面内接線振動で構成される。第２ｚ軸二次振動モードは、第１プルーフマス、第２プルーフマス、第３プルーフマス、および、第４プルーフマスが全て同時にジャイロスコープ中心点について時計回りに動き、そして、反時計回りに動く、面内接線振動で構成される。

横軸を中心とする角回転に反応して、プルーフマスカルテットのｘ軸二次振動モードが、プルーフマスカルテットに生じる。ｘ軸二次振動モードは、縦垂直面において第３プルーフマスおよび第４プルーフマスが同時にジャイロスコープ中心点について時計回りに動き、そして、反時計回りに動く、面外接線振動で構成される。

縦軸を中心とする角回転に反応して、プルーフマスカルテットのｙ軸二次振動モードが、プルーフマスカルテットに生じる。ｙ軸二次振動モードは、横垂直面において第１プルーフマスおよび第２プルーフマスが同時にジャイロスコープ中心点について時計回りに動き、そして、反時計回りに動く、面外接線振動を有する。

ジャイロスコープは、第１ｚ軸二次振動モードまたは第２ｚ軸二次振動モード、ｘ軸二次振動モード、および、ｙ軸二次振動モードでのプルーフマスカルテットの振動を検出する１以上のセンサ変換器を備える。

本開示では、デバイス平面が図示され、ｘｙ平面と称される。ｘｙ平面は、水平面と呼ばれてもよい。ｚ軸は、ｘｙ平面に垂直である。ｚ軸は、垂直軸と呼ばれてもよい。プルーフマスが静止位置から離れるように動く場合にプルーフマスがデバイス平面内でレベルを維持する線形運動および／または回転運動は、「面内」運動または「デバイス平面内の運動」と称されてもよく、一方、プルーフマスが静止位置から垂直方向に離れるように動く線形運動および／または回転運動は、「面外」運動または「デバイス平面から外方への運動」と称されてもよい。

本開示の残りの部分では、デバイス平面に垂直な軸を中心とした回転は、ｚ軸を中心とした回転と称される。同様に、図示されたｘ軸に平行な軸を中心とした回転はｘ軸を中心とした回転と称され、図示されたｙ軸に平行な軸を中心とした回転はｙ軸を中心とした回転と称される。

本開示では、「半径」振動は、中心点から離れ、そして、中心点に向かう、ｘｙ平面内の線形運動のことを指す。「接線」振動とは、中心点を中心とした仮想円の接線に沿った、ｘｙ平面、ｘｚ平面（横垂直）、または、ｙｚ平面（縦垂直）内の動きのことを指す。ｘｙ平面内における接線振動は、面内接線振動と呼ばれてもよく、ｘｚ平面内およびｙｚ平面内における接線振動は、面外接線振動と呼ばれてもよい。接線運動は、実際には、線形運動および回転の混合物でもよい。懸架部によって、プルーフマスは接線方向にどのように動くか決定される。

本開示の図面において、第１プルーフマスカルテットのプルーフマス配置は、特に明記しない限り、静止位置に対応している。本開示の様々な実施形態におけるプルーフマスの振動方向、および、振動間の位相関係は、図１に示された記号を用いて説明される。行１１の白矢印は、デバイス平面内で生じる一次振動モードを示している。行１２の黒矢印は、ジャイロスコープがｚ軸を中心とした回転を受けたときに（デバイス平面内で）生じる二次モードを示している。行１３に示された記号のペアは、一緒に用いて、ジャイロスコープがｘ軸を中心とした回転を受けたときのプルーフマスペアの面外運動を示す。行１４に示された記号のペアは、一緒に用いて、ジャイロスコープがｙ軸を中心とした回転を受けたときのプルーフマスペアの面外運動を示す。

図２ａは、プルーフマスカルテットを有する微小電気機械ジャイロスコープと、その一次振動モードとを概略的に示している。

ジャイロスコープは、第１プルーフマス２１１と、第２プルーフマス２１２と、第３プルーフマス２１３と、第４プルーフマス２１４とを備える。これら４つのプルーフマスが一体となってプルーフマスカルテットを形成する。ジャイロスコープ中心点は、横軸２８が縦軸２９と交わる点である。

全てのプルーフマスは、振動動作を可能にするフレキシブル懸架ばね（図２ａでは図示されていない）によって、固定された支持部から懸架されてもよい。また、ジャイロスコープは、複数の容量型または圧電型アクチュエータ（図２ａでは図示されていない）と、１以上の駆動電圧信号をアクチュエータに加えるように構成された制御部とを備えてもよい。それによって、制御部は、プルーフマスの一次振動を駆動することができる。ジャイロスコープがｘ軸、ｙ軸、または、ｚ軸を中心とした回転を受けた場合、コリオリ力は、少なくともいくつかのプルーフマスを二次振動させる。

ジャイロスコープは、さらに、後ほど詳述する所望の振動位相が得られるようにプルーフマスの動きを同期させる複数の結合ばねを備えてもよい。いくつかのプルーフマスは、アクチュエータに直接接続される必要はない。代わりに、それらの一次振動は、アクチュエータによって駆動されたプルーフマスの運動を、アクチュエータに直接接続されていないプルーフマスに伝達する結合ばねによって間接的に作動させてもよい。

懸架ばねは、ジャイロスコープ中心点近くに形成される中央懸架部と、ジャイロスコープの周縁近くに形成される、プルーフマスの重量および／または周囲同期構造体の重量を支える周囲懸架部とを含んでもよい。これらの懸架部は、後ほど詳述するような同期機能を有してもよい。

図２ａおよび図２ｂは、第１一次振動モードと、その結果生じる二次振動モードとを示す図である。第１一次振動モードは、各プルーフマスがジャイロスコープ中心点について半径方向に振動する運動で構成される。第１プルーフマス２１１および第２プルーフマス２１２は、第３プルーフマス２１３および第４プルーフマス２１４がジャイロスコープ中心点に向かって動く場合、ジャイロスコープ中心点から離れるように動く。振動周期の逆半分では、これらの方向は逆転する。

プルーフマスカルテットの二次振動モードは、第１ｚ軸二次モードと、ｘ軸二次モードと、ｙ軸二次モードとを含む。

ｚ軸を中心とするジャイロスコープの回転に反応して、第１ｚ軸二次モードは、各プルーフマスが（ジャイロスコープ中心点について）デバイス平面内において接線方向に振動する運動で構成される。横軸に平行なｘ軸を中心とするジャイロスコープの回転に反応して、ｘ軸二次モードは、第３プルーフマス２１３および第４プルーフマス２１４によって形成されるプルーフマスペアが、ｙｚ平面内において接線方向にデバイス面外振動する運動で構成される。そして、縦軸に平行なｙ軸を中心とするジャイロスコープの回転に反応して、ｙ軸二次モードは、第１プルーフマス２１１および第２プルーフマス２１２によって形成されるプルーフマスペアが、ｘｚ平面内において接線方向にデバイス面外振動する運動で構成される。

図２ｂは、これらの二次振動モードを示す図である。ｚ軸を中心とするジャイロスコープの回転に反応して、コリオリ力により、全てのプルーフマスがデバイス平面内において接線方向に振動する。逆位相一次振動モードは、図２ｂに示すように、第３プルーフマス２１３および第４プルーフマス２１４が時計回りに動く場合に第１プルーフマス２１１および第２プルーフマス２１２が反時計回りに動き、反時計回りに動く場合は時計回りに動く、対応する逆位相二次振動モードを引き起こす。

複数の容量型または圧電型測定変換器を用いて、ｚ軸二次振動モードでの面内振動振幅を決定してもよい。後ほど詳述するが、これらの変換器は、図２ｂに図示されていない検出マスの運動を測定するように構成されてもよい。

ｘ軸を中心とするジャイロスコープの回転に反応して、コリオリ力により、第３プルーフマスおよび第４プルーフマスによって形成されるプルーフマスペア２１３＋２１４は面外振動、つまり、図２ｂにおいて記号で示されるようにジャイロスコープ中心点について接線方向に振動する。これらのプルーフマスペアは、中央懸架部および／または周囲懸架部と結合ばねとによって互いに連結されてもよい。明瞭性のため、このようなばねは図２ｂに図示されていないが、後述する。逆位相一次振動のため、プルーフマスペアのうち一方のプルーフマスは、第１面外方向に振動し、他方のプルーフマスは、逆の面外方向に振動する。

ｙ軸を中心とするジャイロスコープの回転に反応して、コリオリ力により、第１プルーフマスおよび第２プルーフマスによって形成されるプルーフマスペア２１１＋２１２は面外振動、つまり、図２ｂにおいて記号で示されるようにジャイロスコープ中心点について接線方向に振動する。前述したように、これらのプルーフマスペアは、中央懸架部および／または周囲懸架部と結合ばねとによって互いに連結されてもよく、逆位相一次振動のため、プルーフマスペアのうち一方のプルーフマスは、第１面外方向に振動し、他方のプルーフマスは、逆の面外方向に振動する。

容量型または圧電型測定変換器を用いて、ｘ軸二次振動モードおよびｙ軸二次振動モードでの面外振動振幅を決定してもよい。

実際には、接線振動は、線形運動および回転運動の組み合わせでもよい。図２ｃは、線形運動と回転との混合物として接線面内振動を示した図である。図２ｄは、線形運動と回転との混合物として面外接線振動を示した図である。懸架部により、どちらの成分、つまり線形運動または回転、が優位であるか決定される。

図２ｅおよび図２ｆは、第２一次振動モードと、その結果生じる二次振動モードとを示す図である。第２一次振動モードは、各プルーフマスがジャイロスコープ中心点について半径方向に振動する運動で構成される。しかしながら、図２ｅに示すように、この場合、４つのプルーフマスは全て同時にジャイロスコープ中心点から離れるように動く。振動周期の逆半分では、全てのマスが同時にジャイロスコープ中心点に向かって動く。

プルーフマスカルテットの二次振動モードは、第２ｚ軸二次モードと、ｘ軸二次モードと、ｙ軸二次モードとを含む。ｘ軸二次モードおよびｙ軸二次モードは、第１一次振動モードを用いた場合にｘ軸回転およびｙ軸回転から生じるｘ軸二次モードおよびｙ軸二次モードと同じである。したがって、以下では、第２ｚ軸二次モードについてのみ説明する。

図２ｆは、第２ｚ軸二次振動モードを示す図である。ｚ軸を中心とするジャイロスコープの回転に反応して、コリオリ力により、全てのプルーフマスがデバイス平面内において接線方向に振動する。同位相一次振動モードは、全てのプルーフマスが同時に時計回りに動く、対応する同位相二次振動モードを引き起こす。振動周期の逆部分では、全てのプルーフマスが同時に反時計回りに動く。

上述したように、容量型または圧電型測定変換器を用いて、ｚ軸二次振動モードでの面内振動振幅を決定してもよい。

本開示を通じて、用語「調整」および「促す」、ならびに「構造体Ａは、振動モードＸを調整する／促す」というような文言は、以下の意味を有する。Ｘは、図２ａ〜図２ｆに図示された所望の一次振動モードまたは二次振動モードを示す。モードＸで必要とされる動きにおいて構造体Ａが示すばね定数は、全ての二次振動モードから測定された出力信号を十分な精度で検出可能とするほど十分に小さなものである。必要とされるばね定数は、ＡおよびＸだけに左右されるものではなく、例えば、センサ変換器や出力信号状態にも左右されるものではない。

本開示を通じて、用語「同期」、ならびに「構造体Ａは、振動モードＸを同期させる」というような文言は、以下の意味を有する。構造体Ａは、所望のモードＸで振動することが好ましいが、所望しないモードＹでは振動しないことが好ましいと考えられる相互接続されたマス要素のシステムにおいて、機械的接続を構成する。構造体Ａは、剛性と可撓性の有益な組み合わせを示すので、構造体Ａの存在が、システムにおけるモードＸの共振周波数Ｆ_ＸとモードＹの共振周波数Ｆ_Ｙとの関係を改善する。

例えば、構造体Ａの存在により、比Ｆ_Ｘ／Ｆ_Ｙ、および／または、差Ｆ_Ｙ−Ｆ_Ｘは増加してもよい。この改善を測定する基準状態は、構造体Ａがない同じマス要素システムでもよい場合がある。この場合、構造体Ａは、同期のためだけに必要とされる。別の場合において、マス要素の重量を支えるためにも構造体Ａが必要とされるときは、同期の改善を測定する基準状態は、構造的な支えとなるだけの代替標準構造体ＢでＡを置き換えた同じマス要素システムでもよい。

通常、全ての懸架部は、ある方向における可撓性と他の方向における剛性だけでなく支えに対しても最適化される。これら３つの変数は、互いに矛盾する可能性があるため、最適化とは、良い妥協解決策を見つけることを意味する。ジャイロスコープの全ての要素が、これらの妥協策に影響を与えるかもしれない。

本開示で示された実施の形態において、容量型駆動変換器は、例えば、プルーフマスカルテットの少なくともいくつか、好ましくは全てのプルーフマス内に形成された開口部、または、中央懸架部内に形成された開口部に実装されてもよい。両方のこれら開口部の例は、後述の図８における白い領域で図示される。容量型センサ変換器を、ｚ軸二次振動モードを検出するために、１以上のプルーフマスにおける開口部内、または、１以上のプルーフマスに隣接して実装してもよい。

容量型センサ変換器を、ｘ軸二次振動モードおよび／またはｙ軸二次振動モードを検出をするために、１以上のプルーフマスの上方および／または下方に実装してもよい。容量型センサ変換器を、同じモードを検出するために、代わりに、または、補足的に、同期フレームの上方／下方に実装してもよい。

あるいは、駆動変換器およびセンサ変換器は、圧電変換器であってもよい。変換器は、本開示の図面には図示されていない。

図３ａは、中央懸架部と周囲同期フレームとを有する微小電気機械ジャイロスコープを示す図である。参照符号３１１〜３１４および３８〜３９はそれぞれ、図２ａ〜図２ｆにおける参照符号２１１〜２１４および２８〜２９に対応する。第１プルーフマス３１１、第２プルーフマス３１２、第３プルーフマス３１３、および、第４プルーフマス３１４は、ジャイロスコープ中心点を中心に構成されたプルーフマスカルテットを形成する。中央アンカーポイント３３１は、ジャイロスコープ中心点に位置する。検出マス、駆動変換器、および、センサ変換器は、図示されていない。

中央懸架部は、中央懸架ばね３５１〜３５４を備える。各中央懸架ばねは、中央アンカーポイント３３１から対応するプルーフマスまで延在している。中央懸架ばね３５１〜３５４は、一次振動モードを調整するために半径方向に可撓性を有するが、プルーフマス３１１〜３１４の重量を支えるために垂直方向は比較的剛性を有する。さらに、中央懸架ばねは、ｘ軸二次モードおよびｙ軸二次モードでのプルーフマスの面外接線振動を調整するために、ねじり可撓性をある程度示し、ｚ軸二次モードを調整するために、面内曲げに対する可撓性をある程度示す。中央懸架ばねは、例えば、蛇行ばねでもよい。

ジャイロスコープは、同期フレーム３２を備える。また、ジャイロスコープは、４以上のフレーム懸架ばね３４１〜３４４も備える。各プルーフマス３１１〜３１４は、対応するフレーム懸架ばね３４１〜３４４を用いて同期フレーム３２に取り付けられる。図示されたデバイスにおいて、各フレーム懸架ばねは、同期フレーム３２上の第１取付ポイントから同期フレーム３２上の第２取付ポイントまで延在する細長いばねである。フレーム懸架ばねの中点が、対応するプルーフマスに取り付けられる。この構造により、フレーム懸架ばねは半径方向に可撓性を有し、プルーフマスカルテットの一次振動モードをフレキシブルに可能にする。

フレーム懸架ばね３４１〜３４４は、面内接線方向には可撓性を欠いている。これにより、同期フレーム３２は、図２ｆに図示された第２ｚ軸二次振動モードを同期させることができる。マスが、図２ｅに図示された第２一次振動モードに駆動された場合、図２ｆに図示したように、ｚ軸二次モードにおいてそれらは全て同時に同じ面内接線方向に動く。この動きは、ジャイロスコープ中心点と交差するｚ軸を中心とした同期フレーム３２の時計回り回転および反時計回り回転によって同期される。

さらに、フレーム懸架ばねは、垂直方向に剛性を有するので、同期フレーム３２は、縦軸３９（ｙ軸二次モード）または横軸３８（ｘ軸二次モード）を中心とした同期フレーム３２の回転によって、ｘ軸二次振動モードおよび／またはｙ軸二次振動モードを同期させる。フレーム懸架ばね３４１〜３４４は、垂直方向に十分厚みがあり、プルーフマスカルテット３１１〜３１４全体を少なくとも同期フレーム３２とほぼ同じレベルに維持する。同期フレーム３２は、ジャイロスコープがｘ軸またはｙ軸を中心とする角運動を受けた場合、自由に回転することができる。

同期フレーム３２の回転により、ジャイロスコープがｙ軸を中心とした角回転を受けた場合は、第１プルーフマス３１１および第２プルーフマス３１２が同時に逆面外接線方向に確実に動き、ジャイロスコープがｘ軸を中心とした角回転を受けた場合は、第３プルーフマス３１３および第４プルーフマス３１４が同時に逆面外接線方向に確実に動く。しかしながら、同期フレーム３２は、必ずしも完全に剛性を有する必要はない。特に、ジャイロスコープが同時にｘ軸およびｙ軸を中心とした両方の角回転を受ける場合、ある程度ねじれてもよい。

図３ａに図示されているフレーム懸架ばね３４１〜３４４は、面内接線方向の可撓性に欠けているため、第１ｚ軸二次振動モードを調整しない。図３ｂは、特に第１二次振動モードが必要とする接線方向の可撓性を提供する別のフレーム懸架ばねを示した図である。

図３ｂに示すように、フレーム懸架ばねの数は、４より大きくてもよいので、プルーフマスカルテットのいくつかまたは全てのプルーフマスは、１以上のフレーム懸架ばねで同期フレーム３２から懸架される。図３ｂは、プルーフマスカルテットの各プルーフマスが、３４４１〜３４４２など２つのフレーム懸架ばねを用いて同期フレーム３２に取り付けられた別の実施の形態を示す図である。この場合、各フレーム懸架ばね３４４１および３４４２は、同期フレーム３２上の第１取付ポイントから隣接プルーフマス上の第２取付ポイントまで延在する。フレーム懸架ばね３４４１および３４４２は、ばねに半径方向および接線方向の可撓性を与える横長部分と縦長部分とを備える。同期フレームの隣接する辺と平行な細長部分は、この辺と直交する部分より長くてもよい。なぜなら、通常、半径方向の一次振動モードの振幅は、接線方向の二次振動モードの振幅よりも著しく大きいからである。

第２一次振動モードを用いる場合、図３ａに図示されたフレーム懸架ばね３４１〜３４４を用いることができる。その結果、第２ｚ軸二次モードの同期は非常に効果的になる。図３ｂに図示されたフレーム懸架ばね３４４１〜３４４２は、第１一次振動モードおよび第２一次振動モードと共に用いることができる。それらを第１一次振動モードで用いる場合、同期フレーム３２は、ｘ軸二次モードおよびｙ軸二次モードを同期させるだけで、いくつかのプルーフマスが逆接線方向に動く第１二次振動モードは同期させない。フレーム懸架ばね３４４１〜３４４２を第２一次振動モードで用いる場合、同期フレーム３２は、（ｘ軸二次モードおよびｙ軸二次モードの同期に加えて）ｚ軸二次モードもある程度同期させることができる。フレーム３２によってｚ軸二次モードに与えられる同期は、ばね３４４１〜３４４２の接線方向の可撓性のため、懸架ばね３４１〜３４４を用いるよりも、フレーム懸架ばね３４４１〜３４４２を用いる場合に弱い。

図３ａ〜３ｂに図示された実施の形態において、中央懸架部は、中央懸架ばね３５１〜３５４におけるねじれを介して面外運動に対する可撓性を示す。中央ジンバル構造を用いることによって、面外運動に対する中央懸架部の可撓性をより大きく得ることが好ましい場合があってもよい。面外運動を可能にするために必要な螺旋状のねじれは、この目的で特別に設計された、ｘ軸二次振動モードおよびｙ軸二次振動モードでの十分な振動振幅の確保をより容易にするねじりバーに集中させることができる。

参照符号４１１〜４１４、４２および４８〜４９が図３ａおよび図３ｂの参照符号３１１〜３１４、３２および３８〜３９に対応する図４ａは、中央アンカーポイントに接続された中央ジンバル構造を中央懸架部が備える別の実施の形態を示す図である。中央ジンバル構造は、内側ジンバルフレーム４５１と、外側ジンバルフレーム４５２と、１以上の内側ねじりバー４６１と、２つの外側ねじりバー４６２とを備える。内側ねじりバー４６１は、中央アンカーポイントから内側ジンバルフレーム４５１まで両方向に延在し、外側ねじりバー４６２は、内側ジンバルフレーム４５１の両側から外側ジンバルフレーム４５２まで、内側ねじりバー４６１と直交する方向に延在している。明瞭性のため、検出マスは図４ａに図示されていない。

図４ａに図示するように、内側ねじりバーと外側ねじりバーとは、縦軸と横軸とに対して４５度の角度を向く対角方向に延在してもよい。半径方向接続部４７は、各プルーフマスを外側ジンバルフレーム４５２に取り付けてもよい。あるいは、内側ねじりバーおよび外側ねじりバーは、横軸および縦軸に沿って延在してもよい。

半径方向接続部４７は、第１一次振動モードおよび第２一次振動モードを調整するために、半径方向の可撓性を示してもよい。第１一次振動モードを用いる場合、中央ジンバル構造は、ある程度まで第１一次振動モードを同期させてもよい。なぜなら、内側ジンバルフレームおよび外側ジンバルフレームは、１つのプルーフマスペアの内側への動きと、その他のプルーフマスペアの同時に生じる外側への動きとに相当する楕円形状変形を受ける可能性があるからである。

あるいは、第１一次モードの同期は、図４ｂに図示された構成の中央懸架部を介して実現されてもよい。この中央懸架部も、中央ジンバル構造を有する。しかしながら、中央懸架部は、さらに、外側ジンバルフレームを囲む、直列接続された４つの直角コーナー部４７１〜４７４を備える。コーナー部４７１〜４７４は、静止位置において、略矩形形状を形成する。各コーナー部（例えば４７１）の２端は、取り付けられるコーナー部の面内回転を互いに可能にするヒンジ部（４８３、４８１）を用いて、隣接するコーナー部（例えば４７２および４７４）の端に取り付けられる。中央懸架部は、さらに、少なくとも４つの接続バー４３を備える。各接続バー４３は、外側ジンバルフレームから隣接コーナー部の角の頂点まで延在している。プルーフマスカルテットの各プルーフマス４１１〜４１４は、隣接するヒンジ接続部４８１〜４８４に取り付けられる。各接続バー４３は、さらなるヒンジ接続部（図示せず）を用いて隣接コーナー部の角の頂点に接続されてもよい。したがって、接続バー４３は、後述する図４ｃで説明される回転運動に逆らえない。

ヒンジ接続部４８１〜４８４と、接続バー４３と、内側ジンバルフレームおよび外側ジンバルフレームとは、垂直方向にできるだけ剛性を有することが好ましいと考えられるので、面外振動を伴うｘ軸二次振動モードおよびｙ軸二次振動モードをできるだけ同期させる。

図４ｃは、同期機能をより詳細に示す図である。図４ｃの左側は、４つのヒンジ接続部４８１〜４８４で相互接続された、静止位置における４つのＬ字形コーナー部４７１〜４７４を示している。図４ｃの右側は、プルーフマスカルテットの第１プルーフマスおよび第２プルーフマスが横軸４８上で互いに離れるように動き、第３プルーフマスおよび第４プルーフマスが縦軸４９上で互いに近づくように動いている振動周期の一部における、これらコーナー部の位置を示している。

第１コーナー部４７１および第４コーナー部４７４は、ヒンジ接続部のアームによってなされる角度が中心点側に鈍角となるように、ヒンジ接続部４８１を中心として両方回転した。第２コーナー部４７２および第３コーナー部４７３は、ヒンジ接続部４８２のアームによってなされる角度が中心点側に鈍角となるように、両方回転した。一方、ヒンジ接続部４８３および４８４によってなされる角度は、中心点に向かって反対方向に鈍角である。図示されていない振動周期の逆部分では、各ヒンジ接続部によってなされる角度は、反対方向に鈍角である。各コーナー部の剛性は、ジャイロスコープ中心点に対する２つのプルーフマスペア４１１＋４１２および４１３＋４１４の逆位相振動を維持するように働く。異なるヒンジ接続部を用いることも可能であり、図４ｂおよび図４ｃにおける図は、概要のみである。

図４ａに図示された中央懸架部は、第１一次振動モードおよび第２一次振動モードの両方を含む、本開示における他の実施形態と組み合わせて用いることができる。図４ｂに図示された中央懸架部は、第１一次振動モードを用いる場合にのみ用いることができるが、第２一次振動モードも調整するために、図５ｂに類似して一部変更することができる。

第１一次振動モードを同期させるために、同期フレーム３２を用いることも可能である。図５ａは、参照符号５１１〜５１４、５８および５９がそれぞれ、図３ａの３１１〜３１４、３８および３９に対応しているデバイスの図である。同期フレームは、直列接続された４つの直角コーナー部５２１〜５２４を備える。これらコーナー部は、静止位置において、略矩形形状を形成する（図示せず）。各コーナー部（例えば５２１）の２端は、取り付けられるコーナー部の面内回転を互いに可能にするヒンジ部（５６１、５６２）を用いて、隣接する２つのコーナー部（５２２、５２４）の端に取り付けられてもよい。それにより、プルーフマスカルテットの第１一次振動モードを同期させるように周囲同期部を構成してもよい。

同期機構は、図４ｃに図示された中央懸架部の機構と同じ原理で動作する。図５ａは、第１プルーフマス５１１および第２プルーフマス５１２がジャイロスコープ中心点に向かって動く一方、第３および第４プルーフマス５１３および５１４がジャイロスコープ中心点から離れるように動く状態を示している。各コーナー部の剛性は、ジャイロスコープ中心点に対する２つのプルーフマスペア５１１＋５１２および５１３＋５１４の逆位相振動を維持するように働く。この場合、第１一次振動モードを調整する半径方向の可撓性は、ヒンジ部５６１〜５６４によってもたらされるため、半径方向に可撓性を有さないシンプルな線形フレーム懸架ばね５４１〜５４４を用いて、第１二次振動モードでの接線運動を調整してもよい。

図５ａに図示された同期フレームは、本開示で説明された中央懸架部のいずれとも組み合わせることができるが、第１一次振動モードで用いることのみできる。

図５ｂは、第２一次振動モードを調整する別の同期フレームを示す図である。同期フレームは、８つのヒンジ部５６１〜５６８と相互接続された８つの線形部５５１〜５５８を備える。各線形部（例えば５５１）の２端は、取り付けられる線形部の面内回転を互いに可能にするヒンジ部（５６８、５６１）を用いて、隣接する２つの線形部（５５８、５５２）の端に取り付けられる。

図５ｂは、全てのプルーフマス５１１〜５１４が同時に外側に向かって動き、同期フレームが拡大してこの動きを調整する振動フェーズを示す図である。コーナーヒンジ部（５６２、５６４、５６６、または、５６８）によって接続されたペアの線形部それぞれの間の角度は９０度よりも大きい。振動周期の逆半分では、全てのプルーフマス５１１〜５１４は内側に向かって動き、同期フレームは、コーナーヒンジ部（５６２、５６４、５６６、または、５６８）によって接続されたペアの線形部それぞれの間の角度が９０度より小さくなるようにこの動きを調整する。

上述した実施の形態において、中央アンカーポイントは、ジャイロスコープのアンカーポイントとしてのみ働くので、ジャイロスコープの全構成要素は、このアンカーポイントから懸架される。デバイス周縁でもこれらの構成要素の重量を支えることが必要な場合があってもよい。

図６は、どちらも横軸上に配置される２つの周囲アンカーポイントに接続された周囲ジンバル構造を周囲懸架部が備えるジャイロスコープを示す図である。これらの周囲アンカーポイントは、代わりに、縦軸に配置されてもよい。図６において、検出マスは図示されていない。

本実施の形態では、ジャイロスコープは、内側同期フレーム６２１と外側同期フレーム６２２とを備える。周囲ジンバル構造は、横軸を中心としたジンバル回転を容易にするために、横軸６８上に一直線に配置された２つの横ねじりバー６５３および６５４を備え、縦軸を中心としたジンバル回転を容易にするために、縦軸６９上に一直線に配置された２つの縦ねじりバー６５１および６５２を備える。周囲アンカーポイント６３２および６３３と同じ軸上に一直線に配置された２つのねじりバー６５３および６５４は、外側同期フレーム６２２の両側から対応する周囲アンカーポイントまで延在し、周囲アンカーポイント６３２および６３３と同じ軸上に配置されない２つのねじりバー６５１および６５２は、内側同期フレーム６２１の両側から外側同期フレーム６２２まで延在している。

つまり、周囲アンカーポイントが縦軸６９上に配置される場合は、縦ねじりバーが、外側同期フレームからこれら周囲アンカーポイントまで延在し、横ねじりバーが、内側同期フレーム６２１から外側同期フレーム６２２まで延在する。

図６に図示されたデバイスでは、プルーフマス６１１〜６１４の重量は、周囲懸架部によって部分的に支えられる。周囲懸架部は、横ねじりバー６５３および６５４における螺旋状のねじれを介して、プルーフマスカルテットのｘ軸二次振動モードを同期させる。周囲懸架部は、縦ねじりバー６５１〜６５２における螺旋状のねじれを介して、ｙ軸二次振動モードを同期させる。また、先の実施形態のように、内側同期フレーム６２１および外側同期フレーム６２２は、ある程度のねじり可撓性を示してもよい。周囲懸架部は、図３に図示された周囲懸架部と同様に、一次振動モードとｚ軸二次振動モードとを調整する。

図６に示された周囲懸架部は、本開示における別の実施形態のいずれとも組み合わせることができる。

プルーフマスの動きが線形移動と回転との組み合わせである場合、第１ｚ軸二次モードでのプルーフマスの接線振動を検出することが問題になり得る場合がある。この振動モードのより容易な検出を促すため、さらなる検出マスをジャイロスコープに追加してもよい。

図７ａは、検出マスを示した図である。参照符号７１１〜７１４および７２はそれぞれ、図３ａ〜図３ｂにおける参照符号３１１〜３１４および３２、図４ａ〜図４ｂにおける参照符号４１１〜４１４および４２、図５ａにおける参照符号５１１〜５１４および５２１〜５２４、図５ｂにおける参照符号５１１〜５１４および５５１〜５５８、図６における参照符号６１１〜６１４および６２１に対応する。参照符号７８は、横軸を、参照符号７９は、縦軸を示す。検出マスは、図３ａ〜６に図示されたいずれのデバイスに実装されてもよい。

図示されたジャイロスコープは、静止位置においてジャイロスコープ中心点に対して対称配置される検出マスカルテットを一体として形成する、第１検出マス７３１、第２検出マス７３２、第３検出マス７３３、および、第４検出マス７３４を備える。第１検出マス７３１および第２検出マス７３２は、４５度の角度で縦軸７９と横軸７８とに交差する第１対角軸であって、ジャイロスコープ中心点を横断する第１対角軸７７１上に配置される。第３検出マス７３３および第４検出マス７３４は、第１対角軸７７１に直交する第２対角軸であって、ジャイロスコープ中心点を横断する第２対角軸７７２上に配置される。１以上の横コーナーばね７６は、横に隣接するプルーフマス７１１〜７１４から各検出マス７３１〜７３４まで延在し、１以上の縦コーナーばね７５は、縦に隣接するプルーフマス７１１〜７１４から各検出マス７３１〜７３４まで延在している。

検出マス７３１〜７３４は、検出マスカルテットを形成する。検出マスは、同期フレーム７２のコーナー付近に置かれてもよいので、各検出マスが、１つのコーナーを占める。

プルーフマスカルテットおよび検出マスカルテットは、合わせて、図７ａのような正方形でも構わない略矩形領域を覆ってもよい。しかしながら、ｘｙ平面内のマス形状は、必ずしも矩形である必要はない。任意の適した形状を用いてもよい。検出マスのサイズは、ｘｙ平面内の形状を変えることにより、プルーフマスのサイズに対して適合させてもよい。

検出マス７３１〜７３４を利用して、線形的に第１ｚ軸二次振動モードを検出してもよい。これは、コーナーばね７５および７６によって容易になる。縦コーナーばね７５は、図７ａに図示したように、第１プルーフマス７１１から第１検出マス（７３１）および第３検出マス（７３３）の両方まで延在している。また、縦コーナーばね７５は、第２プルーフマス７１２から第２検出マス（７３２）および第４検出マス（７３４）の両方にも延在している。横コーナーばね７６は、第３プルーフマス７１３から第１検出マス（７３１）および第４検出マス（７３４）の両方まで延在している。また、横コーナーばね７６は、第４プルーフマス７１４から第２検出マス（７３２）および第３検出マス（７３３）の両方にも延在している。

プルーフマスカルテットのプルーフマス７１１〜７１４が第１ｚ軸二次モードで接線方向に振動する場合、この接線振動は、図７ｂに図示するように、横コーナーばねおよび縦コーナーばねによって検出マスに伝達される。プルーフマス７１１および７１３の逆接線方向振動により、検出マス７３１はジャイロスコープ中心点に向かって引っ張られ、一方、プルーフマス７１３および７１２の逆方向振動により、検出マス７３４はジャイロスコープ中心点から離れるように押される。コーナーばねから横方向および縦方向に与えられる運動量は等しい（または、ほぼ等しい）ので、図７ｂに図示するように、検出マスは対角軸７７１および７７２に沿って半径振動で動く。プルーフマスの接線振動と異なり、検出マスの半径振動は、面内回転の成分を含んでいない。

１以上の横コーナーばねは、横方向に剛性を有し、縦方向に可撓性を有する。一方、１以上の縦コーナーばねは、縦方向に剛性を有し、横方向に可撓性を有する。つまり、その特質により、全てのコーナーばねは、半径方向に可撓性を有するが、接線方向にはより剛性を有する。

これは、プルーフマスカルテット７１１〜７１４の一次振動モードは検出マス７３１〜７３４を動かさないことを意味する。その代わり、検出マス７３１〜７３４は、ジャイロスコープがｚ軸を中心とした回転を受けるまで、実質的に静止したままである。１以上の横コーナーばねおよび縦コーナーばねは全て、接線方向に向いているので、第１ｚ軸二次振動モードおよび第２ｚ軸二次振動モードでのプルーフマス振動が検出マスを動かす。つまり、コーナーばねは、ｚ軸二次振動モードを検出マスに強く機械結合するが、その間の機械結合は、プルーフマスの一次振動モードを検出マスに機械結合しない。

検出マスは、ｘ軸二次モードおよびｙ軸二次モードを検出する必要がないので、同期フレーム７２から切り離されていてもよい。それにより、検出マスの動きはｘｙ平面のみに制限され、測定が容易になる。

各検出マスは、検出マスが配置される対角軸７７１または７７２上に置かれた対角アンカーポイント（図示せず）から懸架されてもよい。対角アンカーポイントは、例えば、検出マスに形成された開口部内に位置してもよい。縦コーナーばね７５および横コーナーばね７６（および／または、これらのばねをプルーフマスおよび検出マスに取り付けるアタッチメントを有する固定部）は、垂直方向に十分な可撓性（または、固定部の場合は螺旋状の可撓性）を示して、検出マス７３１〜７３４をｘｙ平面内にとどめたまま、ｘ軸二次振動モードまたはｙ軸二次振動モードでのプルーフマスカルテットの面外運動を調整してもよい。したがって、ｚ軸二次モード測定は、同時に生じるｘ軸二次振動および／またはｙ軸二次振動において発生の可能性があるプルーフマス動作によって容易に乱されることはない。また、検出マスがｘｙ平面における１軸に沿った運動のみを受ける場合には、検出マス周辺のセンサ変換器の設計もより容易である。

容量型センサ変換器は、図７ｂに図示された半径方向のｚ軸二次振動モードを検出するために、１以上の検出マスにおける開口部内、または、１以上の検出マスに隣接して実装されてもよい。

また、検出マス７３１〜７３４を利用して、第２ｚ軸二次振動モードを検出してもよい。この検出も、コーナーばね７５および７６によって容易になる。図７ｃは、図２ｅに図示された第２一次振動モードを用いた場合に生じる、第２ｚ軸二次振動モードにおける１フェーズを示す図である。プルーフマス７１１〜７１４は、同じ接線方向に振動する。また、この接線振動は、コーナーばね７５および７６を介して検出マス７３１〜７３４も接線振動させる。

検出マスの接線振動は、図７ｃに図示されるように、線形運動と回転運動の組み合わせでもよい。検出マスの懸架により、回転成分がどの程度強いか決定される。図７ｄは、図７ｃに示された第２ｚ軸二次振動モードで動いている場合の検出マスの異なる２つの懸架部を示す図である。

検出マス７３１および７３２は、接線アンカーポイント７５２間の直線方向に可撓性を示す第１懸架ばね７４１によって、主に、２つの接線アンカーポイント７５２間の線形運動のために懸架される。一方、検出マス７３３および７３４は、垂直軸を中心とした回転をある程度可能にする第２懸架ばね７４２によって、線形運動と回転運動の両方のために懸架される。検出マスのこれら異なる２つの懸架部は、説明目的で図７ｄに示されるが、懸架部は、通常、実際のデバイスにおける検出マスごとに同じである。

また、全てのコーナーばねは、半径方向に可撓性を有するが、接線方向により剛性を有するので、プルーフマスカルテット７１１〜７１４の第２一次振動モードは、検出マス７３１〜７３４を動かさない。第１一次振動モードに関する前述の例と同様に、検出マス７３１〜７３４は、ジャイロスコープがｚ軸を中心とした回転を受けるまで、実質的に静止したままである。また、検出マスは、第２一次振動モードを用いる場合も、同期フレーム７２から切り離されてよいので、検出マスの動きはｘｙ平面のみに制限される。

また、図７ｄは、内側ねじりバーを１つだけ有するジンバル構造を備えた別の中央懸架部を示す図である。

センサ変換器は、４つ全ての検出マス７３１〜７３４に接続されてもよく、ｚ軸センサ信号は、これらセンサ変換器の組み合わせ出力から生成されてもよい。読み出しは、マス７３１および７３２から測定した信号をマス７３３および７３４から測定した信号から引く、または、マス７３３および７３４から測定した信号をマス７３１および７３２から測定した信号から引くように、差分的に行われてもよい。

しかしながら、２つの検出マス、例えば、７３１および７３４のみにセンサ変換器を接続し、合算または差のどちらかでこれらセンサ変換器からセンサ信号を生成することも可能である。この場合、例えば、ｚ軸におけるフォースフィードバック、または、二次振動モードにおける周波数調整を実装するために、残りの検出マスを用いることができる。そして、コーナーばねは、このフィードバックおよび／または調整を４つ全ての検出マスに分配する。

図８は、参照符号８１１〜８１４、８３１〜８３４、８５および８６がそれぞれ、図７ａおよび図７ｂの７１１〜７１４、７３１〜７３４、７５および７６に対応しているジャイロスコープ構造のより詳細な図である。参照符号８３および８７１〜８７４は、図４ｂおよび図４ｃの参照符号４３および４７１〜４７４に対応している。また、図８は、駆動変換器および／またはセンサ変換器を配置できる、プルーフマスと検出マスの両方における開口部８４を示す図でもある。また、中央懸架部内の開口部も、この目的で用いてもよい。駆動変換器は、例えば、コーナー部８７１〜８７４とジンバルフレームとの間に配置されてもよい。

Claims (5)

1. 微小電気機械ジャイロスコープであって、
   プルーフマスカルテットを形成する、第１プルーフマスと、第２プルーフマスと、第３プルーフマスと、第４プルーフマスとを備え、
   前記第１プルーフマス、前記第２プルーフマス、前記第３プルーフマスおよび前記第４プルーフマスは、静止位置において、デバイス平面内において横軸が縦軸と直交し、垂直軸が横軸と縦軸の両方に直交しているジャイロスコープ中心点に対して対称に配置され、
   前記第１プルーフマスおよび前記第２プルーフマスは、静止位置において、前記横軸上に配置され、
   前記第３プルーフマスおよび前記第４プルーフマスは、静止位置において、前記縦軸上に配置され、
   前記ジャイロスコープは、前記ジャイロスコープ中心点に位置する中央アンカーポイントを備え、
   前記ジャイロスコープは、さらに、
   前記プルーフマスカルテットを一次振動モードにする１以上の駆動変換器と、
   前記垂直軸、前記横軸、および／または、前記縦軸を中心とした角回転を前記ジャイロスコープが受けた場合に、それぞれ、コリオリ力によって引き起こされるｚ軸二次振動モード、ｘ軸二次振動モード、および／または、ｙ軸二次振動モードでの前記プルーフマスカルテットの振動を検出する１以上のセンサ変換器とを備え、
   前記ジャイロスコープは、さらに、前記中央アンカーポイントから前記プルーフマスカルテットを懸架する中央懸架部を備え、
   前記中央懸架部は、前記ジャイロスコープ中心点を中心に構成され、
   前記プルーフマスカルテットよりも前記ジャイロスコープ中心点の近くに位置し、前記プルーフマスカルテットの各プルーフマスは、前記中央懸架部に取り付けられ、
   前記中央懸架部は、前記一次振動モードと、前記ｚ軸二次モードと、前記ｘ軸二次モードと、前記ｙ軸二次モードとを可撓的に調整し、
   前記ジャイロスコープは、さらに、カルテット中心点を中心に構成される同期フレームであって、前記プルーフマスカルテットよりも前記ジャイロスコープ中心点から離れて位置する同期フレームを備え、
   前記プルーフマスカルテットの各プルーフマスは、１以上のフレーム懸架ばねを用いて前記同期フレームに取り付けられ、
   前記同期フレームは、少なくとも前記ｘ軸二次振動モードおよび前記ｙ軸二次振動モードを同期させ、
   前記ジャイロスコープは、静止位置において前記ジャイロスコープ中心点に対して対称に配置される検出マスカルテットを一体として形成する、第１検出マス、第２検出マス、第３検出マス、および、第４検出マスを備え、
   前記第１検出マスおよび前記第２検出マスは、４５度の角度で前記横軸と前記縦軸とに交差する第１対角軸であって、前記ジャイロスコープ中心点を横断する第１対角軸上に配置され、
   前記第３検出マスおよび前記第４検出マスは、前記第１対角軸に直交する第２対角軸であって、前記ジャイロスコープ中心点を横断する第２対角軸上に配置され、
   １以上の横コーナーばねは、横に隣接するプルーフマスから各検出マスまで延在し、
   １以上の縦コーナーばねは、縦に隣接するプルーフマスから各検出マスまで延在し、
   前記１以上の横コーナーばねは、横方向に剛性を、縦方向に可撓性を有し、
   前記１以上の縦コーナーばねは、縦方向に剛性を、横方向に可撓性を有する
   微小電気機械ジャイロスコープ。
2. 前記同期フレームは、静止位置において略矩形形状をつくる、直列接続された４つの直角コーナー部を備え、
   各コーナー部の２端は、取り付けられる前記コーナー部の面内回転を互いに可能にするヒンジ部を用いて、隣接する２つの前記コーナー部の端に取り付けられる
   請求項１に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
3. 前記ジャイロスコープは、横軸または縦軸上に配置された２つの周囲アンカーポイントに接続された周囲ジンバル構造を備える周囲懸架部を備え、
   前記同期フレームは、内側同期フレームであり、
   前記ジャイロスコープは、さらに、外側同期フレームを備え、
   前記周囲ジンバル構造は、前記横軸を中心としたジンバル回転を容易にするために、前記横軸上に一直線に配置された２つの横ねじりバーと、前記縦軸を中心としたジンバル回転を容易にするために、前記縦軸上に一直線に配置された２つの縦ねじりバーとを備え、
   前記周囲アンカーポイントと同じ軸上に一直線に配置された２つのねじりバーは、前記外側同期フレームの両側から対応する周囲アンカーポイントまで延在し、
   前記周囲アンカーポイントと同じ軸上に配置されない２つのねじりバーは、前記内側同期フレームの両側から前記外側同期フレームまで延在している
   請求項１または２に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
4. 前記中央懸架部は、前記中央アンカーポイントに接続された中央ジンバル構造を備え、
   前記中央ジンバル構造は、内側ジンバルフレームと、外側ジンバルフレームと、１以上の内側ねじりバーと、２つの外側ねじりバーとを備え、
   前記内側ねじりバーは、前記中央アンカーポイントから前記内側ジンバルフレームまで両方向に延在し、
   前記外側ねじりバーは、前記内側ジンバルフレームの両側から前記外側ジンバルフレームまで、前記内側ねじりバーと直交する方向に延在している
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
5. 前記中央懸架部は、さらに、前記外側ジンバルフレームを囲む、直列接続された４つの直角コーナー部を備え、
   前記４つの直角コーナー部は、静止位置において略矩形形状を形成し、
   各コーナー部の２端は、取り付けられる前記コーナー部の面内回転を互いに可能にするヒンジ部を用いて、隣接する前記コーナー部の端に取り付けられ、
   前記中央懸架部は、さらに、少なくとも４つの接続バーを備え、
   各接続バーは、前記外側ジンバルフレームから隣接する前記コーナー部の角の頂点まで延在し、
   前記プルーフマスカルテットの各プルーフマスは、隣接するヒンジ接続部に取り付けられる
   請求項４に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。