JP5615383B2 - 補正ユニットを有するコリオリジャイロスコープおよび直交バイアスを低減するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、直交バイアスを低減するための補正ユニットを有するコリオリジャイロスコープ、直交バイアスを低減するための補正ユニットを含むコリオリジャイロスコープが相互に結合されたシステム、および直交バイアスを低減するための方法に関する。

コリオリジャイロスコープ（振動ジャイロスコープ、回転速度センサ）は、通常はマルチパート（multi-part）であるワンパート（one-part）質量系を含み、該質量系は振動するように構成される。この目的のために、質量系の第１振動モード（励起振動）が、コリオリジャイロスコープを動作させるために励起される。コリオリジャイロスコープが、その受感軸における回転運動を受ける場合、発生するコリオリ力は、質量系の第２振動モードを励起し、第２振動モードは、直接または間接的に検知されており、第２振動モードを反映する読み出し信号が得られる。その後、読み出し信号は、コリオリジャイロスコープに与えられる回転速度の尺度である振幅の変化を解析される。閉ループシステムに従うコリオリジャイロスコープにおいて、制御回路が、読み出し振動の振幅を、固定値、たとえばゼロに連続的に回復させるために使用され、与えられた回転速度は、この目的のために必要とされる力から導出される。

コリオリジャイロスコープの質量系は、ワンパート質量系、またはマルチパート質量系として設計することが可能である。質量系は、たとえばツーパート（two-part）質量系（共振器）であり、該ツーパート質量系は、ばね系を用いて相互に結合され、相互に相対的な運動を行うことが可能である。マルチパート質量系において、製造上の公差は、相互に結合された質量系の部分質量、たとえばツーパート単一共振器の２つの共振器の相互の不整合をもたらし得る。前記不整合は、コリオリジャイロスコープの読み出し信号において、与えられた回転速度からの実際の信号部分に直交して（９０°位相シフトされて）重畳される信号部分を生成する。通常、直交信号成分（直交バイアス、直交信号、直交誤差）は、所望の回転速度分解能よりも非常に大きく、２つの信号部分を分離することを困難にする。前記２つの信号部分の大きな差のために、小さい位相シフトであっても、回転速度信号における著しい顕著な誤差（零点誤差、バイアス）をもたらす。

方法は、独国特許出願公開第１０３６０９６２Ｂ４号明細書および独国特許出願公開第１０２３７４１０Ａ１号明細書から知られており、前記方法において、コリオリ質量は、直交バイアスを低減するために、特別な制御電極に印加される電圧によって回転および／または変位させられる。

米国特許６，０６７，８５８号明細書は、直交バイアスを低減するための構造を記載し、前記構造は、個別の補正電極からなり、前記構造においては、個別の電極間の距離は、対称的でなければならない。

本発明の目的は、コリオリジャイロスコープおよび相互に結合したコリオリジャイロスコープのシステムにおける、直交バイアスへの不整合の寄与を、コリオリ質量を回転および／または変位させる必要なく、一方では、製造工程において、埋設された酸化物を省略し得るように、低減することである。

前述の目的は、本発明に従って、クレーム１に記載のコリオリジャイロスコープ、クレーム１０に記載のシステム、ならびにクレーム１７および２１に記載の方法によって達成される。有利な改良点は、対応する従属クレームから明らかである。

したがって、コリオリジャイロスコープは、質量系を含み、質量系は、励起されて、第１軸に平行な振動を行うことが可能である。質量系は、１部分として提供されてもよい。あるいは、少なくとも２つの部分質量を含んでもよい。マルチパート質量系の場合、部分質量（コリオリ要素）のうちの少なくとも１つは、第１軸に垂直な受感軸の周りの回転運動による部分質量の変位が、第１軸と受感軸とに対して垂直な第２軸に沿って、検知可能であるように、取り付けられる。閉ループにおける部分質量の変位は、たとえば変位を補償するための回復力の生成によって検知可能である。

本発明に従うコリオリジャイロスコープは、少なくとも１つの第１補正ユニットおよび少なくとも１つの第２補正ユニットをさらに含み、第１補正ユニットおよび第２補正ユニットは、各々、複数の静止補正電極と、複数の移動補正電極とをそれぞれ含む。静止補正電極は、第１軸の方向に延びて、対応するアンカー構造によって基板にしっかりと接続され、質量系は、該基板に対して、移動可能であるように懸架される。移動補正電極は、質量系の一体型部品であり、基板に対して移動可能である。

コリオリジャイロスコープは、たとえば第１部分質量（駆動フレーム）および第２部分質量（コリオリフレーム、コリオリ質量、検知フレーム）を含み、第１部分質量は、励起されて、第１軸に沿った線形振動を行い、第２部分質量は、第１部分質量に移動可能な方法で接続され、かつ、第１の質量に対して、励起方向に垂直に移動可能であるように接続され、回転速度の付与および励起運動によって生成されるコリオリ力の方向に沿った可能な変位運動が検知されることが可能である。これに関連して、第２部分質量は、移動補正電極、および第２部分質量の変位を検知するために機能する１組の検知電極を含み、かつ、随意的に、変位を回復するための１組の電極を含む。

別の実施形態に従って、コリオリジャイロスコープは、第１部分質量（駆動フレーム）、第２部分質量（コリオリフレーム、コリオリ質量）、および第３部分質量（検知フレーム）を含み、第１部分質量は、励起されて、第１軸に沿った線形振動を行い、第２部分質量は、コリオリ力のために変位し得るように取り付けられ、第３部分質量は、励起運動を行うことができないが、第２方向におけるコリオリ質量の変位運動に沿って移動させられ、コリオリフレームの変位が検知されるような移動可能な方法で、第２部分質量に接続される。言い換えれば、コリオリフレームの機能ユニットと検知フレームとは分離されている。補正ユニットの移動補正電極は、この関係において、コリオリフレームの固定部品である。通常、検知および／または回復のための電極のセットは、第３部分質量に対応付けられており、このことは、別個の電極のセットが検知および回復のために用いられる場合、これらの電極のセットを、第３部分質量および第２部分質量の上に、同様に、別個に配置する機会に対応付けられている。

本発明に従う補正ユニットは、各々、たとえば、第１静止補正電極および第２静止補正電極を同数含む。第１静止補正電極は、対応するアンカー構造から、第１軸に沿って、第１方向に延びる。第２静止補正電極は、対応するアンカー構造から、第１方向とは反対の、第２方向に延びる。同様に、補正ユニットは、第１および第２移動補正電極を同数含むことが可能である。第１移動補正電極は、一体型部品であるその部分質量の周囲の基準点から延び、第２移動補正電極は、第１方向に延びる。

静止補正電極と、それに隣接する各移動補正電極との間の距離は異なる。したがって、２つの距離の比は、１とは異なるように選択されなければならない。有効な力効果を得るために、前記比は、できるだけ大きく、またはできるだけ小さくなるように選択されなければならないが、このことは、空間的必要性を増大させる。距離の比の関数として増大する空間的必要性を考慮して、力効果をできるだけ有効にするために、得られる最適比は√２である。以下、静止補正電極へのより小さい距離を有する移動補正電極は、静止補正電極に対応付けられた移動補正電極と呼ばれる。第１静止補正電極は、第２軸に沿って配置され、各々、第１静止補正電極に対応付けられた第１移動補正電極の上方に配置されるが、第２静止補正電極は、各々、第２静止補正電極に対応付けられた第２移動補正電極の下方に配置される。これに関連して、「上方」および「下方」という用語は、第２軸に沿った方向を言う。移動補正電極を含む部分質量は、部分質量が、第１および第２移動補正電極であり、第１および第２静止補正電極の各々に対する、第１および第２移動補正電極としてそれぞれ機能するような方法で提供される。静止補正電極の配置であって、第２軸に沿って静止補正電極に対応付けられた移動補正電極に対する静止補正電極の配置は、全く同様に反転されてもよい。

一実施形態において、コリオリジャイロスコープは、第１および第２補正ユニットを含み、第１および第２補正ユニットは、相互に反転させて設けられる。１つの選択肢として、コリオリジャイロスコープは、多数の第１補正ユニットおよび／または多数の第２補正ユニットを含むことができ、各補正ユニットは同様に設けられる、または第１補正ユニットおよび第２補正ユニットの多数の対が相互に反転されて提供される。

静止補正電極および／または移動補正電極は、各々、最大１０μｍの幅を有する羽根を有してもよい。

一実施形態において、コリオリジャイロスコープは、補正電圧を生成する少なくとも１つの制御ユニットを有する。静止補正電極および移動補正電極は、少なくとも１つの制御ユニットに接続され、異なる補正ユニットは異なる補正電圧によって別個に動作および／または制御されてもよい。補正電圧は、少なくとも一時的に一定であり、補正電圧の大きさを直交バイアスが最小化されるように調整することができる最も簡単な場合において、直流電圧である。しかしながら、補正電圧を、励起運動（ｙ方向）に垂直な変位の関数として制御することも可能である。補正ユニットの電極は、電気的電圧が印加されている間の、移動電極部分の励起方向における運動によって、励起方向の変位の関数である検知方向の力が生成されるように提供される。

さらに、本発明は、相互に結合された少なくとも２つのコリオリジャイロスコープを有するシステムを提供し、各コリオリジャイロスコープは、励起されて、第１軸に平行な振動を行うことができる質量系を含み、コリオリ力による質量系の変位であって、第１軸に垂直に延びる第２軸に沿った変位が検知されることが可能である。これに関連して、システムは、少なくとも１つの第１補正ユニットおよび少なくとも１つの第２補正ユニットを含み、第１および第２補正ユニットは、個別のコリオリジャイロスコープとの関連で述べられた種類の補正ユニットである。

システムは、たとえば２つのコリオリジャイロスコープであって、共に線形二重共振器として提供される２つのコリオリジャイロスコープを含み、２つの単一共振器は、励起されて、第１軸に沿った相互に反対の振動を行う。

コリオリジャイロスコープが励起だけに対して結合する一実施形態において、各コリオリジャイロスコープにおける補正ユニットは、各々、相互に反転されるように、対をなして配置される。

個別のコリオリジャイロスコープが検知に関しても結合する場合、たとえば独国特許出願公開第１０２００７０３０１２０Ａ１号明細書から知られているように、相互に反転された配置にある少なくとも２つの別個の補正ユニットは、個別のコリオリジャイロスコープに任意に配置されてもよい。

本発明に従うコリオリジャイロスコープまたは本発明に従うシステムの直交バイアスを低減するための、本発明に従う方法は、補正ユニットの静止および移動補正電極の間への補正電圧の印加を含む。

補正電圧は、直流電圧であり、その大きさは、低減されるべき直交バイアスの方向および大きさの関数として調整されている。存在し、かつ相互に反転されて配置された、少なくとも２つの補正ユニットのうちのどちらが、それに印加される電圧を有するかは、補償されるべき直交バイアスの代数的符号に依存する。

代替的または追加的に、直流電圧の大きさは、第２軸に沿った質量系の共振周波数における所定の変化の関数として調整されてもよい。この場合、存在する２つの補正ユニットであって、対をなして配置され、かつ相互に反転された２つの補正ユニットの両方が、それらに印加される等しい大きさの電圧を有する。直交バイアス補償のための直流電圧部分は、周波数調整のための電圧の上に正確な代数符号を有して重畳される。

コリオリジャイロスコープが、２つ以上の補正ユニット、好ましくは２の倍数の補正ユニットを含む場合、補正ユニットは、それらに印加される異なる電圧を有することが可能であり、好適には、電圧の和は相殺する。たとえば、同じ種類の補正ユニット、すなわち相互に反転されて提供されていない補正ユニットは、それらに印加される同じ大きさであるが異なる極性の電圧を有してもよい。
以下、添付の例示的実施形態の図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。

本発明の実施形態に従うツーパート単一共振器として提供されたコリオリジャイロスコープの概略上面図である。 補正ユニットを含む図１の詳細の概略上面図である。 同一種類の多数の補正ユニットが設けられたコリオリジャイロスコープの詳細の概略上面図である。 本発明の別の実施形態に従う２つの結合したコリオリジャイロスコープのシステムの概略上面図である。

図１は、一実施形態に従うコリオリジャイロスコープ１の概略構造を示し、該実施形態に従って、コリオリジャイロスコープ１は線形単一共振器として提供される。好適には、線形単一共振器は、エッチングプロセスを用いてシリコンディスクから製造され、第１部分質量１０（駆動フレーム）、第２部分質量２０（コリオリ質量）、第１ばね要素１１、および第２ばね要素２１を含む。駆動フレーム１０は、第１ばね要素１１によって部分質量１０，２０の下方に位置する基板に接続されている。第１ばね要素１１は、第１部分質量１０および第２部分質量２０が第１軸（ｘ方向）に沿って一緒に振動できるように設けられる。コリオリ質量２０は、第２ばね要素２１によって第１部分質量１０に接続されて、懸架されており、第１部分質量１０に対して、第１軸に垂直な第２軸（ｙ方向）に沿って振動させてもよい。

ばね要素２１の設計は、特定の実施形態に制限されるものではない。
第１および第２部分質量１０，２０は、コリオリジャイロスコープ１の質量系を形成する。コリオリジャイロスコープは、静止励起電極１２、および静止検知電極２３をさらに含み、該電極は、基板に機械的に接続されているが、電気的には基板から絶縁されている。「基板」という用語は、機械的な、非振動構造を意味すると理解すべきであり、該構造において、部分質量１０，２０は基板内に「埋設」された、たとえばシリコンディスクの非振動部分、またはシリコンディスクの一部の非振動部分である。コリオリジャイロスコープは、移動励起電極１３および移動検知電極２２をさらに含み、移動検知電極は、第１部分質量１０の一体型部品であり、移動検知電極は、本実施形態の第２部分質量２０の一体型部品である。励起電極１２，１３は、本実施形態において、２つの機能を担っており、２つの機能は、第１に励起機能であり、第２に第１部分質量の第１方向（図面に記載された座標系のｘ軸）における運動を検知する機能であり、励起電極は、この目的のために適した方法で電気的に動作させられる。別の例示的実施形態において、励起電極の機能は、二重の共振電極を設けることによって分離させることも可能である。

静止励起電極１２に交流電圧を印加することが通常であるが、移動励起電極１３は、駆動フレーム１０にしっかりと接続されて、駆動フレームと共に移動し、電気的対向極を形成する。結果として生じる静電気力が、駆動フレーム１０を励起して、ｘ方向に沿った振動を行わせる。第２ばね要素２１は、上述の運動を、コリオリ質量２０に伝達する。第１ばね要素１１の垂直配向のために、駆動フレーム１０は、第１軸に垂直に延びる第２軸（ｙ方向）に沿った運動を行うことを妨げられる。しかしながら、ｙ方向における垂直振動は、第２ばね要素２１の本質的な水平配向のために、コリオリ質量２０によって行われてもよい。対応するコリオリ力が、紙面に垂直な受感軸の周りの回転のために発生すると、コリオリ質量２０は、励起されて、ｙ方向の振動を行う。

コリオリ力によって生成されたｙ方向の運動は、移動検知電極２２および静止検知電極２３によって検知されて、読み出され、移動検知電極は、コリオリ質量２０にしっかりと接続され、コリオリ質量と一緒に移動し、上述の運動は、与えられた回転速度の尺度である。上述の開ループ法の代わりに、第２共振器２０のｙ方向の運動は、制御回路および適切な減衰電極によって妨げられることも可能であり、この種類の閉ループ法において必要とされる力は、ｙ移動を抑制するために必要とされる電圧によって測定され、与えられた回転速度の尺度である。ここで選択された例示的実施形態において、検知電極２２および２３は、閉ループ法のための２つの機能、すなわちそのような検知機能、および減衰機能を有し、そのために、これらの電極は、電気的手段によって適切に動作させられる。しかしながら、検知電極は、全く同様に、同一設計の２つのサブユニットに分割されることが可能であり、各サブユニットは、それに割り当てられた２つの機能のうちの１つを有してもよい。

図１に示された実施形態に加えて、コリオリジャイロスコープの他の実施形態が同様に可能である。たとえば、コリオリ質量のｙ移動の検知は、別個の本体上で進行することが可能であり、別個の本体は、それ自体はｘ運動を行わないが、適切なばね手段によってコリオリ質量のｙ運動に沿って移動し、したがって検知機能だけを担い、したがって検知フレームとも呼ばれる。ジャイロスコープを閉ループ法で動作させる場合、通常、検知および回復の機能は、別個の本体（検知フレーム）で発生するが、両機能は、コリオリ質量および別個の本体に全く同様に分配されてもよい。

別の実施形態において、コリオリジャイロスコープは、１つだけの振動質量を含むことが可能であり、以下、該振動質量は、「コリオリ質量」という用語に従って理解されるべきである。閉ループ法における減衰機能と同様に、駆動フレーム、コリオリ質量、および検知の機能は、単一の構造において提供される。

さらに、幾つかの図１に示されたコリオリジャイロスコープが、図４に示されるように、単一のセンサに組み合わせられてもよい。これに関連して、たとえば２つのコリオリジャイロスコープが、共通の振動軸に沿ってプッシュプル方式で振動させられてもよい。このことは、外部干渉および／または単一共振器が設けられた結合システムによって基板に放出される干渉に対する、結合システムの受感性が低減されることを可能にする。明らかに、２つのコリオリジャイロスコープの結合は、図４に示された程度を越えることが可能であり、特定の実施形態に依存して、駆動質量が相互に結合されるだけではなく、コリオリ質量または検知フレームも同様に結合される。

励起運動が、検知運動に対して厳密に垂直になるように方向付けられていない場合には、励起運動からの加速力の一部は、たとえばコリオリ加速よりも９桁大きくなることが可能であり、検知の方向において結合し、それは回転運動によって生成されたコリオリ力が急速に検知運動を誘発する力の何分の１かになり、回転速度の測定における誤差をもたらすことを意味する。特に、非常に低い回転速度の場合、２つの部分質量の相互の方向誤差、または励起電極および静止検知電極によって規定される座標系に対するコリオリ質量の運動方向のずれが、コリオリジャイロスコープの機能に悪影響を与える測定誤差をもたらす。図１および図４は、上述の誤差メカニズムの可能な例を、製造上の公差によって、ｘ軸に沿った励起運動に対してやや傾斜して方向付けられた第２ばね要素２１の形式で示す。コリオリ力は励起運動の速度の直接の関数であるので、コリオリ力は、励起運動の振幅および／または振幅の時間についての２階微分に直接に関連付けられる励起運動からの加速力に対して、位相が９０°ずれている（直交している）。

直交バイアスとも呼ばれるこの誤差を低減するまたは補償するために、図１に示されたコリオリジャイロスコープは、第１補正ユニット３０および第２補正ユニット４０をそれぞれ有し、第１および第２補正ユニットはコリオリ質量に、少なくとも１回、対になって常に存在し、第１および第２補正ユニットは、各々、静止補正電極および移動補正電極を含み、前記静止補正電極は、基板に機械的に接続されているが、基板から電気的に絶縁されており、前記移動補正電極は、固定的方法で機械的に接続されている。図１に示された実施形態において、第１補正ユニット３０の静止補正電極は、第１制御ユニット５０に電気的に接続され、第２補正ユニット４０の静止補正電極は、第２制御ユニット６０に電気的に接続され、補正ユニット３０および４０の静止補正電極は、それぞれの場合に規定される電位に維持および／または制御される。第１制御ユニット５０は、第１補正電圧を第１補正ユニット３０に印加するが、第２制御ユニット６０は、第２補正電圧を第２補正ユニット４０に印加する。補正ユニット３０および４０は、それぞれ電気的結合線５１および６１によって、対応する制御ユニット５０および６０にそれぞれ接続され、電気的結合線５１および６１は、それぞれコリオリジャイロスコープの他の部品から電気的に絶縁されている。電気的結合線５１，６１は、たとえば基板の導電性領域として、または導電性材料からなる印刷導体として、基板上に設けられてもよい。

図１に示されたコリオリジャイロスコープの実施形態の補正ユニット３０および４０は、コリオリ質量２０の中央線２８に関して、鏡像配置されている。しかしながら、２つの補正ユニット３０および４０は、全く同様に、その両方が中央線２８よりも上部もしくは下部、および／または中央線２８から同一または異なる距離に配置されてもよい。同様に、検知電極２２，２３に対する補正ユニット３０および４０の位置は、コリオリジャイロスコープの設計に合わせて自由に調整されてもよい。したがって、たとえば一方または両方の補正ユニットが、検知電極２２，２３の右側、上方、または下方に配置されてもよい。図１に示されるように、検知電極２２，２３の部分的領域の間の配置が、全く同様に、可能である。

図２は、線形単一共振器の補正ユニット３０および４０を詳細に示す。各補正ユニット３０，４０は、複数の第１静止補正電極３１および／または４１、ならびに複数の第２静止補正電極３２および／または４２からなり、第１および第２静止補正電極は基板に固定的に接続されている。さらに、各補正ユニット３０および／または４０は、複数の第１移動補正電極２４および／または２６、ならびに複数の第２移動補正電極２５および／または２７を有し、第１および第２移動補正電極は、コリオリ質量２０と一緒に単一の部分として提供される。したがって、移動補正電極２４，２５，２６，２７は、コリオリ質量２０が移動されたとき、静止補正電極３１，３２，および／または４１，４２に対して、それぞれ移動する。

その後、一定の電圧が静止補正電極３１，３２および／または４１，４２に印加されると、励起運動は、励起運動の振幅および該振幅の時間についての２階微分に直接に比例した静電気力を生成し、直交電圧の低減をもたらす。この目的のために、前記一定の電圧の大きさは、低減または補償されるべき直交信号の大きさと向きとに適合するように選択される。さらに、印加された一定の電圧は、ｙ方向におけるコリオリ質量２０の共振周波数に影響を与えるために用いられることも可能であり、加えて、励起および読み出しの共振周波数のトリミングおよび／または目標とされる調整のために利用されてもよい。

一次において、このように生成された力は、ｘ−依存またはｙ−依存の力成分だけを有する。ｙ−依存の力成分は、負のばね剛性をもたらし、該ばね剛性は、第２ばね要素２１のばね剛性に対して作用し、したがって、検知方向（ｙ方向）におけるコリオリ質量２０の減少した共振周波数をもたらす。上述の力の影響は、静止補正電極３１，３２および／または４１，４２の移動補正電極２４，２５および／または２６，２７に対する静止状態における、重なり長さの適切な選択によって最小化すてもよい。あるいは、ｙ−依存の力成分は、検知方向における、コリオリ質量の励起周波数および共振周波数の所望の周波数調整のために、全く同様に、用いられてもよい。

力の影響は、ｘ方向におけるコリオリ質量の変位運動に直接に比例し、このことは、ｘ方向におけるコリオリ質量の変位運動に、励起の速度に対して９０°の固定された位相位置を与える。したがって、補正電極からの力の影響は、位相回転を受けにくく、このことは、生成されているバイアスへの寄与を妨げる。このことは、励起の読み出し運動への伝達機能における位相位置の一時的変化であって、理想的には９０°であるべきであるが、９０°である必要はない位相位置の一時的変化により、補正力は、直交位相のための力と同一の位相で回転し、したがって補償効果が維持されることも意味する。

別の態様は、たとえば図４に示された配置と類似の配置ではあるが、コリオリ質量および／または検知フレームの追加の結合を有する配置において、製造上の公差が、ｙ方向におけるコリオリ質量の変位によって直交バイアスが補償されないという状況をもたらし得るということである。しかしながら、直交バイアスは、ここにおいて記載された補正電極の形式で常に補償されてもよい。

直交バイアスを低減または補償するための力成分は、静止補正電極３１，３２および／または４１，４２、ならびに移動補正電極２４，２５および／または２６，２７の重なりに依存しない。したがって、補正ユニット３０および４０は、非常に小型になるように設計されてもよい。したがって、必要とされる重なりの最小の長さは、およそ、励起振動の振幅の２倍の長さに線形振幅依存力に達するためのある長さを加えた長さである。たとえば、およそ１０μｍである励起振幅に対して、補正電極の全長は３０〜３５μｍであるが、およそ１５μｍである重なり長さが考えられる。これは、駆動周波数および検知共振周波数の周波数調整のために必要とされる寸法のおよそ１０分の１である。

図２に詳細に示されているように、補正ユニット３０，４０は、対をなして存在する、複数の静止補正電極３１，３２および／または４１，４２、ならびに複数の移動補正電極２４，２５および／または２６，２７を含む。静止補正電極３１，３２および／または４１，４２は、各々、機械的に固定される方法で、通常のアンカー構造３３および／または４３によって基板に接続されているが、電気的に基板から絶縁されている。

アンカー構造の寸法は、コリオリジャイロスコープの製造方法に適合するように調整されてもよい。アンカー構造のベース領域は、２，５００μｍ^２と０．０４ｍｍ^２との間の範囲にある。原則として、アンカー構造は、追加的な場所の要求を生み出して、全体の構造を結果的に大きくするので、アンカー構造は可及的に小さいことが要求される。ベース領域の下限は、技術的能力およびコリオリジャイロスコープの製造方法によって決定される。アンカー構造が、たとえばシリコン融解ボンディング（ＳＦＢ）によって基板に接続される場合、アンカー構造は、特に、ほんの小さな補正電極の重なり長さのために、補正電極のための低い空間的必要性の利点を失うことなく、少なくとも７０×７０μｍ^２の寸法であるように提供されてもよい。必要とされる補正電極の全長は短いので、補正電極は、非常に細くしておくことも可能であり、製造方法に依存して、たとえば最大でおよそ５μｍ、またはさらに小さくしておくことが可能である。補正電極の最小幅は、ここで寄与をなす力学的側面（たとえば、動作中の電極の屈曲、スナップイン）を有する技術的能力によっても制限される。したがって、このことは、比較的大きなアンカー構造にもかかわらず、補正ユニット３０および４０の全体の小さい寸法が達成されることを可能にする。上述されているようなアンカー構造の寸法は、アンカー構造および静止補正電極のような、基板とは別個に製造される静止構造を基板に接続するために、シリコン融解ボンディングが用いられる製造方法に対して、特に有利なものである。しかしながら、静止構造は、基板または基板上に付与された層における、直接の、エッチング工程によっても全く同様に生成すてもよい。

第１静止補正電極３１および４１は、それぞれアンカー構造３３および４３から第１方向（正のｘ方向）に延びるが、第２静止補正電極３２および４２は、それぞれアンカー構造３３および４３から第２方向（負のｘ方向）に延びる。第２方向は、第１方向の反対方向である。第１移動補正電極２４および／または２６は、コリオリ質量２０から第２方向に延びるが、第２移動補正電極２５および／または２７は、コリオリ質量２０から第１方向に延びる。したがって、第１移動補正電極２４および２６は、それぞれ個別の第１静止補正電極３１および４１の間に設けられる介在空間に延在するが、第２移動補正電極２５および２７は、それぞれ個別の第２静止補正電極３２および４２の間に設けられる介在空間に延在する。このことは、櫛型構造を有する補正電極をもたらし、該櫛型構造の補正電極において、１つの静止補正電極および１つの移動補正電極は、それぞれ相互に対向して位置し、ｙ方向において、間隙によって相互に分離されている。

好適には、補正ユニットにおいて第１方向に延びる静止補正電極と移動補正電極との数は、第２方向に延びる静止補正電極と移動補正電極との数に等しい。

静止補正電極３１，３２、および４１，４２は、各々、移動補正電極２４，２５、および２６，２７のうちの１つに個別に対応付けられる。コリオリ質量２０の一部は、１つの静止補正電極に対応付けられた移動補正電極として作用する。たとえば、第１補正ユニット３０におけるコリオリ質量２０の左上部分は、最上部の静止補正電極３２に対する移動補正電極として作用するが、コリオリ質量２０の右下部分は、最下部の静止補正電極３１に対する移動補正電極として作用する。以下、静止補正電極と、それに対応付けられた移動補正電極との間の距離は、「間隙距離」と呼ばれ、２つの同一の静止補正電極間または２つの同一の移動補正電極間の距離よりも小さく、かつ当該静止補正電極と別の隣接する移動補正電極との間の距離よりも小さい。移動補正電極２４および２６、ならびに移動補正電極２５および２７の、対応する静止補正電極３１および４１ならびに３２および４２のそれぞれに対する非対称配置によって、直流電圧の印加は、補正電極の第１方向（ｘ方向）に沿った変位に直接に比例する力を生成する。補正ユニット３０および４０は、ｘ軸に関して鏡像配置にあり、代数的な符号に依存しない直交位相の補償を可能にする。移動補正電極２４，２５，２６，および２７の、それぞれ隣接する静止補正電極３１，３２，４１，および４２までの、異なる距離は、製造技術のためであり、アンカー構造のために必要とされる領域を最小にすることを可能にする。さらに、それらは、直交位相の補償の方向を規定することに寄与する。

補正ユニット３０において、第１方向に延在する静止電極は、それらに対応付けられた移動補正電極の上方に、各々配置されるが、第２方向に延在する静止補正電極は、それらに対応付けられた移動補正電極の下方に、各々配置される。これに関連して、「上方」は、対応付けられた移動補正電極に関する第３方向（正のｙ方向）を意味するが、「下方」は、対応付けられた移動補正電極に関する第４方向（負のｙ方向）であり、第３方向とは反対である第４方向を意味する。第３および第４方向は、第２軸（ｙ軸）に沿って延び、第１および第２方向に直交している。

図２の例示的実施形態において、補正ユニット４０における、静止および移動補正電極の相互の配置は、ｘ軸に関して鏡像対称となるように設けられる。

第２補正ユニット４０の静止補正電極は、それらに対応付けられた移動補正電極に対して、第１補正ユニット３０の静止補正電極の配置とは正反対に配置される。第２補正ユニット４０から生じる力の方向は、任意に印加された電圧および第１軸（ｘ軸）に沿ったコリオリ質量２０の運動に関して、第１補正ユニット３０からの合力に対して、反転されている。

本発明に従って、コリオリ質量２０は、図２に示された相互に反転された配置における補正ユニット３０および４０の両方を含む。補正ユニット３０が、４０の（ｙ方向における）上方に位置付けられているか、もしくは下方に位置付けられているか、または、各補正ユニットがｙ方向に反転されているか（ｘ軸について鏡像配置されているか）は、重要ではない。特定の配置は、補正ユニットへの電圧の印加だけに影響する。

コリオリジャイロスコープが、さらなる補正ユニットを含む場合、該補正ユニットは、それらに印加される、同一の一定電圧、同一の大きさであって異なる極性の電圧、同一の極性であって異なる大きさの電圧、または全く異なる電圧および極性の電圧を有すてもよい。補正ユニットのうちの１つだけに直流電圧を印加してもよい。他の補正ユニットは、接地されてもよく、あるいはフローティングであってもよい。

図３は、別の実施形態の詳細を示し、該実施形態においては、第１補正ユニットおよび第２補正ユニットの各々が重複して存在する。図３は、図２と類似したコリオリ質量２０の詳細を示す。本実施形態において、コリオリジャイロスコープは、４つの補正ユニット３０１，３０２，４０１，および４０２を有する。補正ユニット３０１および３０２は、同様に設けられ、各々が、図２に示された補正ユニットのような、第１補正ユニットに対応する。補正ユニット４０１および４０２も、同様に設けられ、各々が、図２に示された補正ユニットのような、第２補正ユニットに対応する。補正ユニット３０１および３０２は、補正ユニット４０１および４０２に対して反転させて設けられる。補正ユニット３０１および４０１は、相互に反転された補正ユニットの第１の対を形成するが、補正ユニット３０２および４０２は、相互に反転された補正ユニットの第２の対を形成する。

補正ユニット３０１および３０２は、それらに印加される、反対方向であって同一の大きさの電圧を有すてもよい。補正ユニット４０１および４０２についても同様である。このことは、電気的結合の影響、たとえば補償電流のような影響を低減する。この効果は、開ループ処理だけではなく、閉ループ処理においても、レギュレーションによる常に存在する残留運動のために、有益な効果を有している。

本発明に従うコリオリジャイロスコープの１つの効果が、本発明に従うコリオリジャイロスコープの、ばね要素２１の構造からの独立性である。コリオリ質量２０は、変位または回転される必要がないので、さまざまな種類のばね要素２１を利用してもよい。特に、ばね要素２１は、加速に対して低感度であるように設計されることが可能であり、このことは、より広範な振動に対する低受感性をコリオリジャイロスコープに与える。その結果、直交信号は、ばね要素２１の傾斜位置だけによって決定され、それらの変位および／または励起振動からの加速力の負荷への暴露によって決定されない。

別の明らかな利点が、１つの補正ユニットにつき、１つだけの必要とされる隣接アンカー構造によってもたらされ、このことは、設計および製造工程を簡素化する。

前述の補正ユニットは、１つ以上の共振器のシステム、ならびに、駆動運動および／もしくは検知運動に対して、完全に閉鎖された、部分的に閉鎖された、または開放されたシステムのために用いられてもよい。これに関連して、閉鎖された運動は、運動から生じる加速度および運動量が全体として相殺することを意味する。

この種類の補正ユニットは、多数のコリオリジャイロスコープで構成されている結合システムにおいても使用されることが可能であり、個別のコリオリジャイロスコープの配置は、補正ユニットの機能方法にとって重要ではない。たとえば、２つのコリオリジャイロスコープから構成される結合システムにおいて、１つのコリオリジャイロスコープの励起運動は、他のコリオリジャイロスコープの励起運動に対して、１８０度位相シフトさせてもよい。４つのコリオリジャイロスコープから構成される配置において、２つのコリオリジャイロスコープの各々の励起運動は、相互に１８０度位相シフトされており、個別のコリオリジャイロスコープは、たとえば直列に、または相互に対をなして配置されてもよい。固定された結合を有するシステムにおける補正ユニットおよび／または補正ユニットのサブユニットは、検知の観点から、様々なコリオリ質量に、自由に分割することが可能である。このことは、コリオリジャイロスコープに導かれる必要がある印刷導体の数を減らすことを可能にする。

図４は、この種類の結合システムの実施形態を示す。結合システムは、たとえば厳密に２つのコリオリジャイロスコープ１００および２００を含み、２つのコリオリジャイロスコープは、各々、図１に示された実施形態に従って提供され、機械的結合要素３００、たとえばばねを用いて、励起運動に関して、相互に結合されている。これに関連して、各々のコリオリジャイロスコープの同一の部品は、図１を参照して示された参照符号と同じ参照符号が付されている。図４に示された型の各コリオリジャイロスコープ１００または２００は、補正ユニット１３０および１４０ならびに／または２３０および２４０の対を有する。

２つのコリオリ質量１２０および２２０を、それらのｙ方向における可動性に関して結合する実施形態において、第１コリオリジャイロスコープ１００は補正ユニット１３０だけを有するが、第２コリオリジャイロスコープ２００は補正ユニット２４０だけを有する、または、１つだけのコリオリジャイロスコープ１００が補正ユニット１３０および１４０の両方を有し、他のコリオリジャイロスコープ、たとえばコリオリジャイロスコープ２００は補正ユニットを有しないことも可能である。

図１に関して述べたように、補正ユニット１３０，１４０，２３０，および／または２４０は、少なくとも１つの制御ユニット（図示せず）によってそれらに印加される一定の補正電圧をそれぞれ有する。これに関連して、補正ユニット１３０，１４０，２３０および／または２４０の静止補正電極は、電気的接続線を用いて、少なくとも１つの制御ユニットに接続される。

Claims (16)

1. 励起されて、第１軸に平行な振動を行うことが可能な質量系であって、前記第１軸に垂直に設けられた第２軸に沿ったコリオリ力による該質量系の変位が検知可能である質量系と、
   少なくとも１つの第１補正ユニット（３０）および第２補正ユニット（４０）であって、各々、複数の静止補正電極（３１，３２，４１，４２）および移動補正電極（２４，２５，２６，２７）を含み、静止補正電極（３１，３２，４１，４２）は、第１軸の方向に延びて、対応するアンカー構造（３３，４３）によって基板にしっかりと接続され、移動補正電極（２４，２５，２６，２７）は、前記質量系の一部分である第１および第２補正ユニットとを含み、
   各静止補正電極（３１，３２，４１，４２）は、それに対応付けられた移動補正電極（２４，２５，２６，２７）を有し、各々の静止補正電極（３１，３２，４１，４２）と、それに対応付けられた移動補正電極（２４，２５，２６，２７）との間の距離は、各々の静止補正電極（３１，３２，４１，４２）と別の隣接する移動補正電極（２４，２５，２６，２７）との間の距離よりも小さく、
   第１補正ユニット（３０）または第２補正ユニット（４０）の第１静止補正電極（３１，４１）は、対応するアンカー構造（３３，４３）から、第１軸に沿った第１方向に延び、第１補正ユニット（３０）または第２補正ユニット（４０）の第２静止補正電極（３２，４２）は、対応するアンカー構造（３３，４３）から、第１軸に沿った第２方向に延び、第２方向は、第１方向の反対方向であり、
   第１移動補正電極（２４，２６）は、前記質量系から、第１軸に沿った第２方向に延び、第２移動補正電極（２５，２７）は、前記質量系から、第１軸に沿った第１方向に延び、
   第１補正ユニット（３０）の各第１静止補正電極（３１）は、それに対応付けられた第１移動補正電極（２４）から見て、第２軸に沿った第３方向に配置され、一方、各第２静止補正電極（３２）は、それに対応付けられた第２移動補正電極（２５）から見て、第２軸に沿った第４方向に配置され、第４方向は第３方向の反対方向であり、
   第２補正ユニット（４０）の各第１静止補正電極（４１）は、それに対応付けられた第１移動補正電極（２６）から見て、第２軸に沿った第４方向に配置され、一方、各第２静止補正電極（４２）は、それに対応付けられた第２移動補正電極（２７）から見て、第２軸に沿った第３方向に配置される、コリオリジャイロスコープ（１）において、
   同一の補正ユニット（３０，４０）の第１および第２静止補正電極は、各々、共通のアンカー構造（３３，４３）から延びることを特徴とするコリオリジャイロスコープ（１）。
2. コリオリジャイロスコープ（１）の前記質量系は、第１部分質量（１０）および第２部分質量（２０）からなり、コリオリ力によって第２部分質量（２０）の変位が検知されることが可能であり、移動補正電極（２４，２５，２６，２７）は、第２部分質量（２０）と一緒に、同一部分として設けられることを特徴とする、請求項１に記載のコリオリジャイロスコープ。
3. 制御回路をさらに含み、該制御回路は、コリオリ力による前記質量系の変位を、該変位を補償するための回復力の生成を利用して検出するために適していることを特徴とする、請求項１または２に記載のコリオリジャイロスコープ。
4. 複数の静止補正電極（３１，３２，４１，４２）は、各々、同数の第１静止補正電極（３１，４１）および同数の第２静止補正電極（３２，４２）を有し、
   複数の移動補正電極（２４，２５，２６，２７）は、各々、同数の第１移動補正電極（２４，２６）および同数の第２移動補正電極（２５，２７）を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のコリオリジャイロスコープ。
5. コリオリジャイロスコープ（１）は、同一設計の多数の第１補正ユニット（３０）および／または同一設計の多数の第２補正ユニット（４０）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のコリオリジャイロスコープ。
6. 第１および第２補正ユニット（３０，４０）を同数含むことを特徴とする、請求項５に記載のコリオリジャイロスコープ。
7. 静止補正電極（３１，３２，４１，４２）および／または移動補正電極（２４，２５，２６，２７）は、最大で１０μｍの幅を有し、該幅は、第２軸に沿った方向において測定した長さであることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載のコリオリジャイロスコープ。
8. 少なくとも１つの制御ユニット（５０，６０）をさらに含み、該制御ユニットは、補正ユニット（３０，４０）に電気的に接続され、かつ少なくとも一時的に一定の補正電圧を補正ユニットに印加するために適していることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のコリオリジャイロスコープ。
9. 少なくとも２つのコリオリジャイロスコープ（１００，２００）であって、前記少なくとも２つのコリオリジャイロスコープは、各々、質量系を含み、前記質量系は、励起されて、第１軸に平行な振動を行うことが可能であり、第１軸に垂直に設けられた第２軸に沿ったコリオリ力による前記質量系の変位が検知可能であり、前記少なくとも２つのコリオリジャイロスコープは、相互に結合されている少なくとも２つのコリオリジャイロスコープ（１００，２００）と、
   少なくとも１つの第１補正ユニット（１３０，２３０）および少なくとも１つの第２補正ユニット（１４０，２４０）であって、各々、複数の静止補正電極（３１，３２，４１，４２）および移動補正電極（２４，２５，２６，２７）を含み、静止補正電極（３１，３２，４１，４２）は、第１軸の方向に延びて、対応するアンカー構造（３３，４３）によって基板にしっかりと接続され、移動補正電極（２４，２５，２６，２７）は、前記少なくとも２つのコリオリジャイロスコープ（１００，２００）のうちの少なくとも１つの質量系の一部である第１および第２補正ユニットとを含むシステムであって、
   各静止補正電極（３１，３２，４１，４２）は、それに対応付けられた移動補正電極（２４，２５，２６，２７）を有し、各々の静止補正電極（３１，３２，４１，４２）と、それに対応付けられた移動補正電極（２４，２５，２６，２７）との間の距離は、各々の静止補正電極（３１，３２，４１，４２）と別の隣接する移動補正電極（２４，２５，２６，２７）との間の距離よりも小さく、
   第１補正ユニット（３０）または第２補正ユニット（４０）の第１静止補正電極（３１，４１）は、対応するアンカー構造（３３，４３）から、第１軸に沿った第１方向に延び、第１補正ユニット（３０）または第２補正ユニット（４０）の第２静止補正電極（３２，４２）は、対応するアンカー構造（３３，４３）から、第１軸に沿った第２方向に延び、第２方向は、第１方向の反対方向であり、
   第１移動補正電極（２４，２６）は、前記質量系から、第１軸に沿った第２方向に延び、第２移動補正電極（２５，２７）は、前記質量系から、第１軸に沿った第１方向に延び、
   第１補正ユニット（１３０，１４０）の各第１静止補正電極（３１）は、それに対応付けられた第１移動補正電極（２４）から見て、第２軸に沿った第３方向に配置され、一方、各第２静止補正電極（３２）は、それに対応付けられた第２移動補正電極（２５）から見て、第２軸に沿った第４方向に配置され、第４方向は第３方向の反対方向であり、
   第２補正ユニット（１４０，２４０）の各第１静止補正電極（４１）は、それに対応付けられた第１移動補正電極（２６）から見て、第２軸に沿った第４方向に配置され、一方、各第２静止補正電極（４２）は、それに対応付けられた第２移動補正電極（２７）から見て、第２軸に沿った第３方向に配置される、システムにおいて、
   同一の補正ユニット（１３０，１４０，２３０，２４０）の第１および第２静止補正電極は、各々、共通のアンカー構造（３３，４３）から延びることを特徴とするシステム。
10. 複数の静止補正電極（３１，３２，４１，４２）は、各々、同数の第１静止補正電極（３１，４１）および同数の第２静止補正電極（３２，４２）を有し、
    複数の移動補正電極（２４，２５，２６，２７）は、各々、同数の第１移動補正電極（２４，２６）および同数の第２移動補正電極（２５，２７）を有することを特徴とする、請求項９に記載のシステム。
11. 前記少なくとも２つのコリオリジャイロスコープ（１００，２００）は、第１軸に平行な振動を行うように前記質量系を励起する励起運動に関して相互に結合され、
    各コリオリジャイロスコープ（１００，２００）は、少なくとも１つの第１補正ユニット（１３０，２３０）および少なくとも１つの第２補正ユニット（１４０，２４０）を含むことを特徴とする、請求項９または１０に記載のシステム。
12. 第１コリオリジャイロスコープ（１００）の少なくとも１つの第１補正ユニット（１３０）は、第２コリオリジャイロスコープ（２００）の少なくとも１つの第１補正ユニット（２３０）に同一となるように設計され、
    第１コリオリジャイロスコープ（１００）の少なくとも１つの第２補正ユニット（１４０）は、第２コリオリジャイロスコープ（２００）の少なくとも１つの第２補正ユニット（２４０）に同一となるように設計されることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
13. 前記少なくとも２つのコリオリジャイロスコープ（１００，２００）は、第２軸に沿って作用するコリオリ力による前記質量系の変位の検知に関して相互に結合され、
    コリオリジャイロスコープ（１００，２００）のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの第１補正ユニット（１３０，２３０）を含み、コリオリジャイロスコープ（１００，２００）のうちの少なくとも１つは、少なくとも１つの第２補正ユニット（１４０，２４０）を含むことを特徴とする、請求項９または１０に記載のシステム。
14. 少なくとも１つの制御ユニットをさらに含み、該制御ユニットは、補正ユニット（１３０，１４０，２３０，２４０）に電気的に接続され、かつ少なくとも一時的に一定の補正電圧を補正ユニットに印加するために適していることを特徴とする、請求項９〜１３のいずれか１項に記載のシステム。
15. 請求項１に記載のコリオリジャイロスコープ（１）の直交バイアスを低減する方法であって、前記方法は、少なくとも一時的に一定の補正電圧を補正ユニット（３０，４０）に印加する工程を含み、前記補正電圧は、低減されるべき直交バイアスを考慮して選択される、方法において、
    前記補正電圧の大きさは、第２軸に沿った前記質量系の共振周波数の所定の変化の関数として調整されることを特徴とする方法。
16. 請求項５に記載のコリオリジャイロスコープ（１）の直交バイアスを低減する方法であって、前記方法は、少なくとも一時的に一定の補正電圧を補正ユニット（３０，４０）に印加する工程を含み、前記補正電圧は、低減されるべき直交バイアスを考慮して選択される、方法において、
    同一設計の補正ユニット（３０，４０）に印加される補正電圧の和が相殺することを特徴とする方法。

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