JP6627911B2 - 圧電回転ｍｅｍｓ共振器 - Google Patents

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Description

本開示は、ＭＥＭＳ共振器に関し、より詳細には、圧電作動によって１以上のマス要素を回転運動させる、または圧電手段によって１以上のマス要素の回転運動を検出するＭＥＭＳ共振器に関する。本開示は、さらに、圧電回転ＭＥＭＳ共振器と共に実装するジャイロスコープおよびクロック発振器に関する。
本開示に記載する共振器は、少なくとも１つのばね構造体から懸架されている慣性マス要素を備える。周期的な作動力によって、慣性マス要素を一次振動運動させる。慣性マス要素は、他のマス要素に機械的に結合することができる。
図１は、ＭＥＭＳ共振器構造体の簡略化された図を示す。慣性マス１１は、懸架部１３によって、固定フレーム１２から懸架されている。本開示において、「固定」物体とは、上にＭＥＭＳ構造体が形成される支持台などの、ＭＥＭＳ共振器構造体よりはるかに大きな物体、あるいは、はるかに大きな構造体に確実に取り付けられ、この構造体に対していかなる方向にも動くことができない物体を意味する。「アンカ点」という用語は、懸架部などの部分的に可動の物体が固定物体に取り付けられ得る部位を指す。「取付点」という用語は、固定または可動の２つの物体が互いに取り付けられている部位を指す。
本開示において、「懸架」物体とは、ばねまたは梁などのフレキシブル手段によって、固定台に取り付けられている物体を意味する。シリコン系ＭＥＭＳ用途では、これらのばねおよび梁は、典型的には少なくとも１つの寸法において薄いシリコンの部位を含み、その結果、ばねおよび梁はアクチュエータの動作によって、または、ばねおよび梁が取り付けられている慣性マスの動作によって曲がる、またはねじれるのに十分な可撓性を有する。圧電ＭＥＭＳ用途では、これらのばねおよび梁は、圧電変換器によって曲がる、またはねじれるのに十分な可撓性を有するべきである。本開示において、「懸架部」という用語は、可動の慣性マスを固定物体に取り付けるばねまたは梁の一般的な用語として使用する。
図１の慣性マス１１は、２つの異なるモードで、図示したその初期休止位置に対してｘｙ平面内で回転してもよい。本開示において、「面内振動」という用語は、図１のｚ軸を中心とする回転振動を指す。「面外振動」という用語は、例えばｙ軸などの、ｘｙ平面内の任意の軸を中心とする回転振動を指す。慣性マス１１の休止位置によって画定される平面（図１のフレーム１２の平面と一致する）は、「マス面」または「慣性マス面」とも呼ぶ。
本開示の図に示す座標系は、慣性マスの長手方向と平行なｙ軸と、ｙ軸に直角であり、かつマス面内にある横断方向のｘ軸とを含む。本開示において、慣性マスの長手方向の寸法は、典型的にはその横断方向の寸法より大きい。垂直方向のｚ軸は、ｙ軸およびｘ軸の両方に直角である。上述のように、マス面は、慣性マスの休止位置によって画定される。言いかえれば、共振器内のマス面は、慣性マスが運動していない時の慣性マスの上面と平行である。本開示において、「面内」回転とはマス面内の回転運動を指し、「面外」回転とはマス面外の回転運動を指す。
ＭＥＭＳ共振器内で慣性マスを運動させる作動力は、典型的には電磁気、静電気または圧電気のいずれかである。圧電作動のセットアップの例を図２に示す。この場合、慣性マス２１は、中央開口部と、中央開口部内の固定アンカ点２２とを有するフレームのような形状をしている。慣性マスは、懸架部２３１および２３２によってアンカ点２２から懸架されている。各懸架部の一端部は、その第１の取付点２４１、２４２でアンカ点２２に取り付けられ、他端部は、その第２の取付点２５１、２５２で慣性マスに取り付けられている。懸架部２３１および２３２は、より詳細に以下に説明するように、面内振動および面外振動の両方を発生させることができる圧電変換器で少なくとも部分的にコーティングされている。これらの変換器には、例えばアンカ点２２または本目的専用の別個の緩いばねを介して、電気接点が引き付けられてもよい。
懸架部上の圧電変換器を使用して、（第１に）慣性マスを運動させ、それを維持し、（第２に）慣性マスの運動を検出することができる。本開示において、「駆動」という接頭語は、慣性マスを回転振動させ、それを維持することに関係する、すべての機械的および電気的な手段および方法に用いる。
「感知」という接頭語は、慣性マスの回転振動を検出することに関係する、機械的および電気的な手段および方法に用いる。
本開示において、共振器を駆動する圧電変換器を駆動変換器と呼ぶ。駆動変換器の駆動電極に駆動電圧が印加されると、変換器は、変換器が位置する懸架部を曲げる。この曲げ動作によって、慣性マスを運動させる。交流駆動電圧が適切な周波数に設定されると、慣性マスは共振回転振動を受ける。
慣性マスの運動を感知する圧電変換器は、本開示において、感知変換器と呼ぶ。感知変換器は、駆動変換器が取り付けられている同じ慣性マスに連結されている懸架部、または、駆動変換器によって駆動される慣性マスに機械的に結合されている他の慣性マスに連結されている懸架部のいずれに取り付けられてもよい。慣性マスの振動運動により、感知変換器が位置する懸架部が曲がり、これによって、変換器の両側にある感知電極に反対符号の電荷蓄積が生じる。振幅が慣性マスの振動運動の振幅に比例し、かつ周波数が慣性マスの発振周波数と同じである感知電圧信号を、感知電極から読み取ることができる。
より詳細に以下に説明するように、圧電駆動変換器および圧電感知変換器は、別個の懸架部または同じ懸架部のいずれに位置してもよい。変換器は、時には駆動変換器として、また時には感知変換器として使用されてもよい。本開示において、変換器は、前者の場合には「駆動モード」で、後者の場合には「感知モード」で動作すると言える。
図３は、面外曲げ用の曲げ圧電変換器の３つの断面図を示す。変換器は、圧電材料の層と、シリコン懸架部３１に配置された２つの電極層とを含む。変換器は、ｘｙ平面において長方形の形状を有する。変換器は、第１の電極層３４と、圧電材料の層３２と、第２の電極層３３とを含む。層３４、３２および３３は共に、圧電変換器を形成する。駆動電圧が電極に印加されると、シリコン梁３１はｘｙ平面外に曲がる。反対に、懸架部３１が外力によってｘｙ平面外に曲がると、電極層３３および３４から感知電圧信号を読み取ることができる。
図４は、面内曲げ用の曲げ圧電変換器の３つの断面図を示す。この変換器は、シリコン梁４１と、１組の第１の電極層４４１および４４２、すなわち、圧電材料の層４２の上側にある電極層および下側にある電極層とを含む（この場合、上下とは、ｚ軸の方向を指す）。図に示すように、これらの電極は、それぞれ第２の電極層４３１および４３２と対をなしている。層４４１、４２および４３１は共に、第１の圧電変換器を形成し、層４４２、４２および４３２は共に、第２の圧電変換器を形成する。
２つの変換器に極性が逆の駆動電圧が印加される場合、平均ｙ軸ひずみは０であり、そのため、変換器はｘｙ平面外に曲がらない。しかしながら、２つの変換器はｘｙ平面内に逆のひずみを生み、これにより、シリコン梁４１がこの平面内で曲がる。変換器が感知変換器として使用される場合、面内曲げにより、２つの変換器間に電圧差が生じるが、面外曲げでは生じない。
本開示全体にわたって、図３および図４の図面規約を使用して、それぞれ面外曲げおよび面内曲げの変換器を示す。言いかえれば、懸架部上の単一の長方形を用いて面外変換器を示し、懸架部上の反対色の２つの平行な長方形を用いて面内変換器を示す。上に説明したように、実際に構造体が２つの変換器を備える分割構造でも、これら２つの平行な長方形は主に、単一の「面内変換器」と単数で呼ぶ。変換器の灰色および白色は、極性を示す。
圧電層（３２、４２）は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層であってもよく、典型的には数マイクロメートル以下の厚さである。シリコン梁（３１、４１）の厚さは、例えば５０μｍであってもよい。
ＭＥＭＳ共振器では、慣性マスは剛性が高すぎるため、圧電変換器は典型的に、慣性マスに直接取り付けることができない。その代わりに、上で説明したように、慣性マスが懸架されているばねまたは梁を圧電変換器でコーティングしてもよい。したがって、容量性変換器が典型的に変換しているように、圧電変換器は、慣性マスではなく、ばねもしくは梁への、または、ばねもしくは梁からの運動エネルギーを変換する。これは、懸架部の寸法が圧電共振器において非常に重要になることを意味する。
圧電材料の層が外力によって曲げられると、層の一方側に正電荷、他方側に負電荷が蓄積する。周期的に振動する曲げ動作により振動電界が生じ、この振動電界は、感知変換器からの交流感知電圧信号として測定することができる。
国際公開第２０１１／１３６９７２号には、慣性マスを中央アンカ点から懸架する懸架部に圧電変換器が配置されている圧電回転共振器が開示されている。
慣性マスが共振振動している場合、感知変換器を保持する懸架部は、必ずしもそれらの全長に沿って一様な曲率で曲がらない。感知変換器の曲げモードは、共振器の共振周波数、懸架部の寸法、および振動する慣性マスへの懸架部の取付方法に依存する。
図５は、図２に示した従来技術の共振器において、慣性マス２１がｘ軸を中心とする面外回転を受け、懸架部２３１および２３２が第１の取付点２４１、２４２および第２の取付点２５１、２５２で可撓性なく取り付けられている場合のそれら懸架部の曲がり方を示す。第２の取付点２５１、２５２における可撓性のない取付けにより、懸架部２３１および２３２の外側端部はガイド端として運動する。言いかえれば、第２の取付点２５１、２５２において、回転する慣性マスから生じる点荷重力によってだけでなく、懸架部を慣性マス２１に対して一定の角度で維持する曲げモーメント荷重によっても、懸架部２３１および２３２は影響を受ける。これにより、懸架部２３１および２３２は、図５に示すように、取付点２４１、２４２と２５１、２５２との間の２／３のところに、懸架部の表面応力における符号逆転、ひいては対応する変換器の両側における電荷の符号逆転を生じさせるＳ字形状に曲がる。図５の符号は、懸架部に沿ったその各側の表面応力の符号を表す。懸架部の上面が変換器によってコーティングされている場合、符号は、変換器の各側における電荷の符号も表し得る。これは、反対符号の電荷が各感知電極において打ち消される場合、感知電圧信号が低下し、信号対雑音比が低下するため、最適な曲げモードではない。この課題は、１つの懸架部を２つの別個の感知変換器でコーティングし、電荷逆転に対処することによって軽減されてもよいが、これには複雑な接触配置が必要である。あるいは、懸架部の一部分のみが感知変換器でコーティングされてもよいが、これにより、発生した電荷の一部を損失し、ひいては信号対雑音比が低下する。同じ課題が面内回転中にも生じる。可撓性なく取り付けられた懸架部２３１および２３２は、慣性マスがｚ軸を中心として回転する際、ｘｙ平面においてＳ字形状をとる。
可撓性のない取付けおよびＳ字曲げから生じる別の課題は、外力と懸架部の変位との関係が非線形になることである。言いかえれば、曲げは、単一のばね定数で特徴付けられない。駆動変換器で、共振時に高い振幅振動が生じる場合には、振幅が増加すると、この非線形により振動の共振周波数が低下する。この効果は、基準発振器およびジャイロセンサの場合のように、周波数安定性または２つの共振器間の周波数トラッキングを目的とする用途には望ましくない。また、エネルギー損失が増加し、そのため、振動のエネルギーの一部が不可逆的に高調波周波数に変換されるため、非線形により有効Ｑ値は低下する。
従来技術の懸架部および取付部に関する第３の課題は、懸架部の曲げのＳ字モードによって生じる比較的高いばね定数である。所与のばね寸法に対してばね定数を低下させることは、デバイス面積の縮小を可能にし、より小さいデバイスで同じ共振周波数を達成すると考えられるため有益であろう。懸架部の曲げモードに関係する第１の技術的課題について、感知変換器の観点から上に記載してきた。言いかえれば、慣性マスは、ある特定の方法で懸架部を曲げる外力を生じさせると仮定した。しかしながら、慣性マスの共振振動が決定する曲げモードを懸架部がとらない限り、慣性マスを共振振動させることができないため、同じ技術的課題が駆動変換器に生じる。慣性マスの振動が共振に近づき、最終的に共振に達すると、この振動によって、懸架部の曲げおよび結果として生じる電荷蓄積がほぼ完全に決定される。
言いかえれば、駆動変換器の機械的作動、および共振している慣性マスから生じる力は常に、共に作用し、懸架部を共に曲げるが、慣性マスが共振振動する場合、共振している慣性マスから生じる力は、はるかにより強い決定要因である。曲げモードは、共振運動に適合しなければならない。
上で概説した技術的課題により、一部において、圧電回転共振器の開発が遅れている。静電駆動共振器および静電感知共振器は、高いバイアス電圧を必要とし、圧電共振器より広い表面積を消費し、動作周波数に反比例する容量性出力信号を生成するにもかかわらず、主流となっている。圧電変換により、これらの点すべてにおいて共振器の性能を改善することができるであろうが、懸架部の設計が非常に重要となる。懸架部の共振曲げモードが、変換器の長さに沿ってより一様な電荷分布を示すならば、圧電変換は、駆動変換器および感知変換器の両方の動作に有益であろう。
本開示の目的は、上記の欠点を軽減するための装置および方法を提供することである。
本開示の目的は、独立クレームに記載することを特徴とする装置によって達成される。本開示の好ましい実施形態を従属クレームに開示する。
本開示は、少なくとも１つのたわみ部を用いて懸架部を慣性マスに取り付け、これにより、慣性マスが運動している時に、慣性マスに取り付けられている懸架部の端部が、この取付点において慣性マスに対して回転することができるという考えに基づく。
本開示について、添付図面を参照して、より詳細に説明する。
図１は、単純な共振器を示す。 図２は、単純な圧電駆動共振器を示す。 図３は、懸架部上の面外圧電変換器を示す。 図４は、懸架部上の面内圧電変換器を示す。 図５は、慣性マスが共振振動する場合の従来技術の懸架部における曲げモードを示す。 図６は、第１の共振器の実施形態に係る回転共振器を示す。 図７もまた、第１の共振器の実施形態に係る別の回転共振器を示す。 図８は、たわみ部の３つの例を示す。 図９は、たわみ部を示す。 図１０は、慣性マスが面内振動する場合のたわみ部の曲げを示す。 図１１は、慣性マスが面外振動する場合のたわみ部の曲げを示す。 図１２は、慣性マスが共振振動する場合の、たわみ部を用いて慣性マスに取り付けられている懸架部の曲げモードを示す。 図１３は、面内回転用共振器を示す。 図１４は、面外回転用共振器を示す。 図１５は、面内回転用共振器を示す。 図１６は、面外回転用共振器を示す。 図１７は、面内回転用共振器を示す。 図１８は、面外回転用共振器を示す。 図１９は、２組の懸架部を有する共振器を示す。 図２０は、２組の懸架部を有する共振器を示す。 図２１は、異なる幅の２つの懸架部を備える共振器を示す。 図２２は、異なる長さの２つの懸架部を備える共振器を示す。 図２３ａは、１つの懸架部に面内変換器を、別の懸架部に面外変換器を備える共振器を示す。 図２３ｂは、各懸架部に面内変換器および面外変換器の両方を備える共振器を示す。 図２４ａは、面外振動用に構成された共振器システムを示す。 図２４ｂは、面内振動用に構成された共振器システムを示す。 図２５は、代替機械的結合の共振器システムを示す。 図２６は、第１のジャイロスコープの実施形態に係るジャイロスコープを示す。 図２７もまた、第１のジャイロスコープの実施形態に係るジャイロスコープを示す。 図２８もまた、第１のジャイロスコープの実施形態に係るジャイロスコープを示す。 図２９は、第２のジャイロスコープの実施形態に係るジャイロスコープを示す。 図３０もまた、第２のジャイロスコープの実施形態に係るジャイロスコープを示す。 図３１もまた、第２のジャイロスコープの実施形態に係るジャイロスコープを示す。
（第１の共振器の実施形態）
第１の共振器の実施形態では、本開示は、１以上のアンカ点を有する基板と、第１の長手方向端部および第２の長手方向端部を有する慣性マスとを備える回転共振器に関する。慣性マスは、１以上のアンカ点から慣性マスの第１の長手方向端部に向かって延在する１以上の懸架部によって、および、同じ１以上のアンカ点から慣性マスの第２の長手方向端部に向かって延在する１以上の懸架部によって、１以上のアンカ点から懸架されている。各懸架部は、第１の取付点からそのアンカ点に、および、第２の取付点から慣性マスに取り付けられている。１以上の懸架部は、慣性マスの振動回転運動を駆動または検出するように構成された圧電変換器構造体でコーティングされている。１以上のコーティングされた懸架部は、その第２の取付点から慣性マスにたわみ部を用いて取り付けられている。
本開示に記載する圧電変換器が感知モードで使用される場合、変換器静電容量が、通常数ｐＦとなる、外部接続の静電容量と増幅器の入力静電容量との合計に等しい時に、最良の信号対雑音比が達成され得る。変換器の静電容量は、その面積および圧電層の厚さによって決定される。圧電層が０．８μｍ厚のＡｌＮ層である場合、ｘｙ平面における変換器のアスペクト比（言いかえれば、ｘ方向のその横断幅で割ったｙ方向のその長手方向の長さ）は、１０〜３０の範囲、好ましくは１５〜２５の範囲とし、アスペクト比（２〜２０、好ましくは５〜１０）および厚さ（２０μｍ〜５０μｍ）が実用範囲にある慣性マスを用いて、典型的なＭＥＭＳ共振器周波数（２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ）において２ｐＦ〜５ｐＦの範囲の変換器静電容量を達成すべきであることが示され得る。ｘｙ平面における必要な変換器面積は、０．８μｍ厚のＡｌＮ層で５ｐＦの静電容量を達成するためには約０．０５ｍｍ２となる。この面積は、例えば、１０００μｍｘ５０μｍの寸法で得られてもよい。したがって、本開示に記載する圧電変換器、および、圧電変換器がコーティングされている懸架部は、アスペクト比が１０〜３０の範囲、好ましくは１５〜２５の範囲の長方形の形状を有する。
本開示で示すように、慣性マスが大きい場合、複数の懸架部をマスに取り付けることができるため、慣性マスのサイズおよび寸法はより自由に選択されてもよい。また、本開示で描いた慣性マスは長方形の形状を有するが、それらのアスペクト比は、変換器および懸架部のアスペクト比より小さくてもよい。慣性マスは、アンカ点の両側にある２つの長手方向端部を有してもよい。長手方向端部は、ｙ方向に長手方向の長さだけ離れている。また、慣性マスは、ｘ方向に横断幅だけ離れた、アンカ点の両側にある２つの横断方向側面を有してもよい。しかしながら、いくつかの実施形態では、慣性マスは、非対称であってもよく、その結果、アンカ点の片側にある１つの横断方向側面のみ有する。
図６は、この第１の共振器の実施形態に係る回転共振器を示す。共振器は、２つの懸架部６３１および６３２によってアンカ点６２から懸架された慣性マス６１を含む。アンカ点６２は、慣性マスの中央開口部内に位置する。懸架部６３１および６３２は、対をなしている。慣性マスは、第１の長手方向端部６９１および第２の長手方向端部６９２を有する。
各懸架部６３１、６３２は、その第１の取付点６４１、６４２からアンカ点６２に取り付けられている。各懸架部６３１、６３２は、その第２の取付点６５１、６５２から慣性マス６１にたわみ部６６１、６６２で取り付けられている。懸架部６３１および６３２上の圧電変換器は、図４の上部に示すように面内回転用に構成されている。
図７は、同じ構成要素を有する回転共振器を示し、圧電変換器は、図３の上部に示すように面外回転用に構成されている。懸架部７３１および７３２上の変換器の色付けによって示すように、変換器の両方に電圧信号が印加されると、慣性マス７１の一端部が上がり、他端部が下がるように、変換器は逆の極性を有する。繰り返すが、各懸架部７３１、７３２は、その第１の取付点７４１、７４２からアンカ点７２に取り付けられ、各懸架部は、その第２の取付点７５１、７５２から慣性マス７１にたわみ部７６１、７６２で取り付けられている。慣性マスは、第１の長手方向端部７９１および第２の長手方向端部７９２を有する。
「たわみ部」という用語は、曲げまたはねじりによって、慣性マスと第２の取付点との間に作用する曲げモーメントを吸収するのに十分な可撓性を有するエッチングされたシリコン構造体を指す。言いかえれば、たわみ部６６１、６６２および７６１、７６２により、第２の取付点６５１、６５２および７５１、７５２と、慣性マス６１および７１との間の曲げモーメントが、それぞれほぼ０まで低下する。そのため、図５に示したように、たわみ部によって、表面応力の符号逆転、ひいては電荷の符号逆転をなくすことで感知変換器の両側間の電荷分布の差が縮まる。
ｚ方向のたわみ部の高さは、ＺＦと表してもよい。この高さは、慣性マスおよび懸架部の厚さと等しくてもよい。いくつかの実用的な構成では、これらの高さは５０μｍ程度である。
ＸＦは、ここではｘ方向のたわみ部の長さを示す。図８は、たわみ部の３つの例を示す。たわみ部８６１は、慣性マス８１１の中央開口部の幅にわたる。たわみ部８６２は、慣性マス８１２の中央開口部の幅の半分にわたる。たわみ部８６３は、長さＸＦが慣性マス８１３の中央開口部の幅の半分を超える蛇行形状を有する。取付点に近い慣性マスの中央開口部の幅は、例えば、慣性マス８１１、８１２、８１３の幅の３０％〜７０％であってもよい。ＹＦは、ｙ方向のたわみばねの幅である。図８に示したたわみ部のいずれも、以下に示す実施形態に使用することができる。
たわみ部の厚さＺＦは、ｘｙ平面外の並進運動に対してたわみ部の剛性を高める。それらの狭い幅ＹＦによって、懸架部６３１および６３２の面内曲げが第２の取付点６５１、６５２を介して慣性マスに伝わる場合、たわみ部はｘｙ平面内でたわみ（またはその逆）、懸架部７３１および７３２の面外運動が第２の取付点７５１、７５２を介して慣性マスに伝わる場合、たわみ部はｘ軸を中心としてらせん状にねじれる（またはその逆）。
言いかえれば、たわみ部はマス面外の並進運動に対して剛性を有するが、マス面内の曲げに対して可撓性を有し、また、たわみ部の長さ方向と平行な軸を中心とするらせん状ねじれに対して可撓性を有する。
ＺＦ／ＹＦアスペクト比およびＸＦ／ＹＦアスペクト比によって、たわみ部が第２の取付点で曲げモーメントを吸収し得る程度が決まる。アスペクト比が大きければ、曲がりやすく、ねじれやすいが、ＹＦは、製造しやすく、かつ、曲がったり、ねじれたりした時に生じる機械的なひずみにたわみ部が耐え得るほど十分大きいままでなければならない。したがって、アスペクト比は、最適な下限値および上限値の両方を有する。
図８の蛇状たわみ部８６３の場合、適切なアスペクト比は、ＺＦ／ＹＦおよびΣＸＦ／ＹＦとして計算されてもよい。ここで、ΣＸＦ＝ＸＦ１＋ＸＦ２＋ＸＦ３…は、蛇状たわみ部のすべての構成要素のｘ方向における長さの合計である。
本開示では、ＺＦ／ＹＦアスペクト比を高さ／幅アスペクト比と呼び、ＸＦ／ＹＦアスペクト比およびΣＸＦ／ＹＦアスペクト比を長さ／幅アスペクト比と呼ぶ。
第２の取付点における曲げモーメントの部分的な吸収は、高さ／幅アスペクト比および長さ／幅アスペクト比が２に等しい場合に達成されてもよい。曲げモーメントのほぼ完全な吸収は、高さ／幅アスペクト比および長さ／幅アスペクト比が４よりも大きい場合に達成されてもよい。高さ／幅アスペクト比は、製造可能性または応力耐久性を損なうことなく、１０まで増加させることができる。長さ／幅アスペクト比は、そのような製造限界値または強度限界値を有しないが、ここで、全ばね係数が影響を受けないように、長さは懸架長さよりはるかに短くなければならないという決まりがある。高さ／幅アスペクト比が１０よりも大きければ、第２の取付点における曲げモーメントをすべて吸収するが、製造可能性は低下し、応力耐久性も低下し、歩留まり損失および耐衝撃性の低下を引き起こし得る。
たわみ部のたわみおよびねじれ運動の機構は、たわみ部の寸法および第２の取付点の寸法に依存する。これについて、図８のたわみ部８６１を描いた図９〜図１１に概略的に示す。この場合、たわみ部８６１はｚ方向において慣性マスと同じ厚さであり、そのため、第２の取付点はｚ方向において点８５１から点８５２まで延在し、一方、たわみ部８６１は８８１から８８２まで、および８７１から８７２まで、慣性マス８１１に取り付けられている。８９は、懸架部８３１の端部にある任意選択の狭いシリコンブリッジである。懸架部８３１は、狭いブリッジなしで、その全幅に沿ってたわみ部に取り付けることもできるであろう。
図１０は、ｘｙ平面で見た、慣性マスが面内回転を受ける場合のたわみ部８６１の曲げを概略的に示す。第２の取付点の幅は、明瞭さを高めるために誇張しており、同じ理由により、図１０に示す回転角は、慣性マスがＭＥＭＳ共振器内で通常得るであろう角度よりはるかに大きい。たわみ部８６１は、点８７１〜８７２および点８８１〜８８２において、運動している慣性マスに取り付けられたままであるが、曲げモーメントが慣性マスから第２の取付点８５１〜８５２まで、および懸架部８３１まで前方へ伝わらないように、中間で曲がる。
図１１は、図９と同じ角度から見た、慣性マスがｘ軸を中心とする時計回りの面外回転を受けている場合のたわみ部８６１の曲げを概略的に示す。たわみ部８６１は、ｘ軸を中心としてらせん状にねじれ、その結果、第２の取付点の上部８５１および下部８５２は、ｙ軸上の異なる方向に移動する。たわみ部８６１の両端部には、たわみ部の上部コーナー８７１、８８１が、下部コーナー８７２、８８２と整列したままである。図１１に示した回転角は、慣性マスがＭＥＭＳ共振器内で通常得るであろう回転角より大きい。たわみ部８６１は中間でねじれ、その結果、曲げモーメントが慣性マスから第２の取付点８５１〜８５２まで、および懸架部８３１まで前方へ伝わらない。面内変換器を有する懸架部８３１を図８に示すが、意図される回転モードである場合、懸架部８３１は面外変換器でコーティングされるであろう。
たわみ部７６１、７６２のらせん状ねじれにおける技術的効果を図１２に示す。たわみ部７６１、７６２および懸架部７３１、７３２の両方は、ｙ方向において慣性マス７１と実際同じ厚さであってもよいが、明瞭化のために、たわみ部は黒い点のみで示し、懸架部は比較的薄く描いた。たわみ部７６１、７６２のらせん状ねじれにより、懸架部７３１は、曲率が懸架部の全長に沿って同じ方向にある形状をとることができる。
その結果、変換器の両側の懸架部にかかる表面応力、ひいては蓄積電荷は、懸架部の全長に沿って同じ符号を有する。これにより、慣性マスをより有効に駆動することができ、反対に、簡略化された変換器形状で、より強い感知信号を感知モードで検出することができる。変換器は、曲げモードの懸架部の長さにおける大部分に強く結合されており、懸架部の振動は、変位が大きくても線形である。線形性により、機械損失が増加したり、発振周波数が変化したりすることなく、慣性マスの振動振幅を増大させやすくなる。
図１２の「＋」および「−」の符号は、懸架部の各側の表面応力の符号を示す。図５のように、符号は電荷分布の符号も示す。明瞭化のために、懸架部の全厚にわたって示したが、実際には、電荷分布は変換器の厚さにわたってのみ延在する。
本開示の装置で得られる利点には、懸架部の長さに沿った符号逆転を示さない懸架部電荷分布、ばね定数の低い懸架部曲げモード、ひいては所与の共振周波数における高い圧電変換器静電容量、共振器の小型化が挙げられる。ジャイロスコープおよびクロック発振器の用途では、これらの利点により、低い運動抵抗、高い結合係数、確実かつ高速の振動スタートアップ、および感知電圧信号の高い信号対雑音比が容易になる。また、たわみ部は、懸架部の長さ方向に（図１２のｙ方向に）たわむため、懸架部の応力緩和が容易になり、これにより、共振器の線形性が大幅に向上する。
表面応力、電荷分布、応力緩和および線形性についての同じ考察が、慣性マス６１をｚ軸を中心として面内回転させる場合の図６における共振器および懸架部に当てはまる。
図１２に示すように、変換器の電荷密度は、示した曲げモードにおいて、第２の取付点７５１の近くよりも第１の取付点７４１に近い方が高くてもよい。これは、懸架部７３１が第２の取付点の近くで曲がるよりも第１の取付点の近くで曲がる方が曲率が大きい場合に起こる。この理由により、変換器が、第１の取付点により近い端部から始まり、例えば懸架部の長さの５０％〜７０％を覆うように変換器を短くするのが有益であり得る。言いかえれば、１以上のコーティングされた懸架部上の圧電変換器構造体は、第１の取付点から、第１の取付点からの距離が懸架部の長さの５０％〜７０％に相当する点まで懸架部に沿って延在してもよい。
懸架部と慣性マスとの間のたわみ部は、異なる形の慣性マスで実装されてもよい。慣性マスの重心は、所望の回転軸上に位置することが好ましいが、これは絶対条件ではない。図１３は、重心が、長手方向軸に垂直な方向において、懸架部１３３１、１３３２およびアンカ点１３２からずれている面内回転用共振器を示す。図１４は、面外回転用の同様の共振器を示す。参考番号１３１〜１３２、１３３１〜１３３２、１３４１〜１３４２、１３５１〜１３５２、１３６１〜１３６２、１３９１〜１３９２、１４１〜１４２、１４３１〜１４３２、１４４１〜１４４２、１４５１〜１４５２、１４６１〜１４６２および１４９１〜１４９２は、それぞれ図６および図７の番号６１〜６２、６３１〜６３２、６４１〜６４２、６５１〜６５２、６６１〜６６２、６９１〜６９２、７１〜７２、７３１〜７３２、７４１〜７４２、７５１〜７５２、７６１〜７６２および７９１〜７９２と同じ要素を示す。
アンカ点は、図１３および図１４に示した共振器の重心と一致しない。慣性マスは、アンカ点および懸架部が位置する中央開口部を有する。重心は、図１４に示した共振器の回転軸上にあるが、図１３に示した共振器の回転軸上にはない。したがって、図１３に示した共振器の振動運動に線形並進が重なる。慣性マスが対称で、重心が回転軸上にあることは一般に好ましいが、面積最小化または共振器のすぐ近くにある他の構成要素に関係する理由により、時には図１３および図１４の構造などの非対称構造がより好ましくなり得る。
他の代替的な非対称形状を図１５および図１６に示す。繰り返すが、参考番号１５１〜１５２、１５３１〜１５３２、１５４１〜１５４２、１５５１〜１５５２、１５６１〜１５６２、１５９１〜１５９２、１６１〜１６２、１６３１〜１６３２、１６４１〜１６４２、１６５１〜１６５２、１６６１〜１６６２および１６９１〜１６９２は、それぞれ図６および図７の番号６１〜６２、６３１〜６３２、６４１〜６４２、６５１〜６５２、６６１〜６６２、６９１〜６９２、７１〜７２、７３１〜７３２、７４１〜７４２、７５１〜７５２、７６１〜７６２および７９１〜７９２と同じ要素を示す。慣性マス１５１および１６１は、アンカ点の片側に１つの横断方向側面１５０、１６０しか備えていないため、非対称である。アンカ点は、負のｘ方向に長手方向端部を延在させることによって、重心と一致させることができる。
さらなる代替形状を図１７および図１８に示す。繰り返すが、参考番号１７１〜１７２、１７３１〜１７３２、１７４１〜１７４２、１７５１〜１７５２、１７６１〜１７６２、１７９１〜１７９２、１８１〜１８２、１８３１〜１８３２、１８４１〜１８４２、１８５１〜１８５２、１８６１〜１８６２および１８９１〜１８９２は、それぞれ図６および図７の番号６１〜６２、６３１〜６３２、６４１〜６４２、６５１〜６５２、６６１〜６６２、６９１〜６９２、７１〜７２、７３１〜７３２、７４１〜７４２、７５１〜７５２、７６１〜７６２および７９１〜７９２と同じ要素を示す。これらの共振器は、重心がアンカ点１７２および１８２と一致する任意の形状を示す。慣性マス１７１および１８１は、各コーナーに突部を有し、これらの突部により、慣性マスのサイズは大きくなる。アンカ点１７２および１８２に対して対称であることは、依然として重心がアンカ点に存在することを意味する。回転軸もまた、重心を通る。
上に例示した様々な形状のたわみ部および慣性マスのいずれも、本開示に記載する実施形態のいずれにも使用することができる。
（第２の共振器の実施形態）
第２の共振器の実施形態では、回転共振器内の慣性マスは、３以上の懸架部によって１以上のアンカ点から懸架されている。第１の共振器の実施形態のように、懸架部は、第１の取付点から１以上のアンカ点に取り付けられ、懸架部の少なくとも１つは、慣性マスの振動回転運動を駆動または検出するように構成された圧電変換器構造体でコーティングされている。たわみ部により、コーティングされた懸架部の第２の取付点が慣性マスに取り付けられている。
圧電変換器構造体でコーティングされた懸架部の数を増やすことにより、慣性マスを広げてそのサイズを大きくすることができる。例えば図７にあるような２つの懸架部を用いると、懸架部の長手方向軸の周りの回転慣性は、慣性マスを広げることにより増加し、垂直の面外モードの共振周波数は低くなり、共振器の意図した動作に干渉し得るであろう。面内でそれら同士がいくらか離れている３以上の懸架部によって、このモードの有効ばね定数をはるかに高くすることができ、そのため、妨害の影響を緩和することができる。また、圧電変換器構造体でコーティングされた懸架部の数を増やすことは、変換器が共振器の駆動に使用される場合には作動振幅を増大させ、反対に、変換器が共振器の振動の感知に使用される場合には信号を強くする。
懸架部間が面内で離れていることで面内回転モードのばね定数が非常に大きくなるため、懸架部の数を３以上に増やすことは、面外共振器にのみ実用的である。
図１９は、第２の共振器の実施形態における１つの実装を示す。慣性マス１９１は、２つのアンカ点１９２１および１９２２が位置する２つの開口部を備えてもよい。この例では、圧電変換器構造体でコーティングされた４つの懸架部１９３１、１９３２、１９３３および１９３４が、アンカ点１９２１および１９２２から慣性マス１９１を懸架している。懸架部１９３１および１９３２が１つの対をなし、懸架部１９３３および１９３４が別の対をなしている。他の共振器の実施形態のように、図１９において、すべての懸架部がコーティングされているが、実施形態はまた、懸架部のうちの１つまたはいくつかのみをコーティングすることによって実装されてもよい。図１９のすべての取付点１９４１〜１９４４および１９５１〜１９５４は、第１の共振器の実施形態に記載した任意の方法で実装されてもよい。慣性マスは、第１の長手方向端部１９９１および第２の長手方向端部１９９２を有する。
図２０は、慣性マス２０１が１つのアンカ点２０２を有する開口部を１つのみ備える第２の共振器の実施形態における代替実装を示す。この例では、繰り返すが、４つの懸架部２０３１〜２０３４が、アンカ点２０２から慣性マス２０１まで延在し、２つの対をなしている。しかしながら、この構成では、懸架部の数はまた、アンカ点２０２の第１の側では２、アンカ点２０２の第２の側では１にもすることができるであろう。第１の側または第２の側のいずれかに、１を超えない懸架部が使用されている場合、この懸架部は、他方側の２つの懸架部のいずれかよりｘ方向に広くてもよい。懸架部の数は、対応する変更により任意の奇数または偶数に増加してもよい。図２０のすべての取付点２０４１〜２０４４、２０５１〜２０５４およびたわみ部２０６１〜２０６４は、第１の共振器の実施形態に記載の任意の方法で実装されてもよい。慣性マスは、第１の長手方向端部２０９１および第２の長手方向端部２０９２を有する。
図３に対応する色付けによって示すように、図１９および図２０に示す圧電変換器は、面外曲げを駆動および／または検出してもよい。アンカ点の少なくとも１つの側に複数の懸架部を有する構造は、典型的に、低周波数での面内回転共振に対して剛性が高すぎる。
（第３の共振器の実施形態）
第３の共振器の実施形態では、アンカ点から慣性マスの第１の長手方向端部に向かって延在するコーティングされた懸架部上の少なくとも１つの圧電変換器構造体の長さは、同じアンカ点から慣性マスの第２の長手方向端部に向かって延在するコーティングされた懸架部上の少なくとも１つの圧電変換器構造体の長さと異なる。あるいは、アンカ点から慣性マスの第１の長手方向端部に向かって延在するコーティングされた懸架部上の少なくとも１つの圧電変換器構造体の幅は、同じアンカ点から慣性マスの第２の長手方向端部に向かって延在するコーティングされた懸架部上の少なくとも１つの圧電変換器構造体の幅と異なる。懸架部は、第１の取付点から少なくとも１つのアンカ点に取り付けられ、懸架部の少なくとも２つは、慣性マスの振動回転運動を駆動または検出するように構成された圧電変換器構造体でコーティングされている。たわみ部により、コーティングされた懸架部の第２の取付点が慣性マスに取り付けられている。
前述の２つの共振器の実施形態では、アンカ点は、慣性マスの重心、ならびに／または懸架部および他の構造体を含んだ共振器全体の合成重心にほぼ位置していた。回転軸もまた、前述の２つの実施形態では重心を通っていた。しかしながら、また、回転軸を重心に保持しながら、アンカ点を共振器の重心から離して配置してもよい。これは、ばね定数が異なる懸架部を共振器の両側に実装することによって、この第３の共振器の実施形態で達成される。
図２１は、１つは面内曲げ用、１つは面外曲げ用である、第３の共振器の実施形態における２つの実装を示す。この場合、重心は、アンカ点２１２の片側に位置し、懸架部および変換器は、アンカ点の当該側の方が対向側よりも幅広くてもよい。懸架部２１３１および２１３２は、対をなしている。両方の共振器において、アンカ点２１２の右側の懸架部２１３１は、アンカ点２１２の左側の懸架部２１３２よりｘ方向に広い。それに対応して、懸架部上にコーティングされた変換器の寸法に差があってもよい。幅の差は、ばね定数、ならびに懸架部および変換器の変換強度の差につながる。幅を適切に選択することで、重心がアンカ点と一致しなくても、図示した共振器を、共振器の重心を通る軸を中心として回転振動させてもよい。回転軸は、図２１において点線で示す（上部共振器では、回転軸はｙ軸と平行である）。言いかえれば、異なる幅の変換器により、アンカ点を通らない回転軸に対する非対称慣性マスのバランスのとれた回転が容易になる。
第３の共振器の実施形態を実装する別の方法を図２２に示す。両方の共振器では、アンカ点２２２の右側の懸架部２２３１は、アンカ点２２２の左側の懸架部２２３２よりｙ方向に短い。それに対応して、懸架部上にコーティングされた変換器の寸法に差があってもよい。長さの差は、ばね定数、ならびに共振器の両側の懸架部および変換器の変換強度の差につながる。長さを適切に選択することで、アンカ点が重心になくても、図示した共振器を、共振器の重心を通る軸を中心として回転振動させることができる。回転軸は、図２２において点線で示す（上部共振器では、回転軸はｙ軸と平行である）。言いかえれば、異なる長さの変換器により、アンカ点を通らない回転軸に対する非対称慣性マスのバランスのとれた回転が容易になる。
第３の実施形態は、第２の実施形態と組み合わせてもよく、その結果、ある特定の長さ／幅の複数の変換器がアンカ点の一方側に実装され、異なる長さ／幅の１以上の変換器が他方側に実装される。
（第４の共振器の実施形態）
第４の共振器の実施形態では、アンカ点から慣性マスの第１の長手方向端部に向かって延在するコーティングされた懸架部上の各変換器は、面内曲げ用に構成され、アンカ点から慣性マスの第２の長手方向端部に向かって延在するコーティングされた懸架部上の各変換器は、面外曲げ用に構成されている。あるいは、各コーティングされた懸架部は、面内曲げ用に構成された１つの圧電変換器構造体と、面外曲げ用に構成された１つの圧電変換器構造体とでコーティングされてもよい。懸架部は、第１の取付点から少なくとも１つのアンカ点に取り付けられ、たわみ部により、コーティングされた懸架部の第２の取付点が慣性マスに取り付けられている。
これらの配置により、圧電回転共振器を作動させ、面内モードおよび面外モードで同時に振動させることができる。面内変換器および面外変換器は、図２３ａに示すように別個の懸架部上に、または、図２３ｂに示すように同じ懸架部上に配置されてもよい。図２３ａでは、面外振動用変換器が懸架部２３３１上にコーティングされ、面内振動用変換器が懸架部２３３２上にコーティングされている。図２３ｂでは、各種類１つの変換器が各懸架部２３３３および２３３４上にコーティングされている。各図では、慣性マス２３１は、第１の長手方向端部２３９１および第２の長手方向端部２３９２を有する。
面内振動モードおよび面外振動モードの共振周波数は、少なくとも懸架部の厚さおよび幅に依存する。懸架部の厚さおよび幅がアンカ点２３２の両側で等しい場合、通常、共振周波数もほぼ等しい。しかしながら、各振動モードにおけるたわみ部２３６１〜２３６４の挙動により、わずかなずれがあり得る。２つの振動モードにおける共振周波数の検出されたずれは、共振周波数が等しくなるように、懸架部の幅および厚さを少し調整することで補償されてもよい。
（第１の共振器システムの実施形態）
第１の共振器システムの実施形態では、回転共振器システムは、１以上の第１のアンカ点および１以上の第２のアンカ点を有する基板と、互いに機械的に結合されている第１の慣性マスおよび第２の慣性マスとを備える。第１の慣性マスは、１以上の第１の懸架部および１以上の第２の懸架部によって第１のアンカ点から懸架され、第２の慣性マスは、１以上の第３の懸架部および１以上の第４の懸架部によって第２のアンカ点から懸架されている。第１の懸架部および第３の懸架部は、それぞれのアンカ点から共振器システムの第１の長手方向端部に向かって延在し、第２の懸架部および第４の懸架部は、それぞれのアンカ点から共振器システムの第２の長手方向端部に向かって延在する。第１の懸架部および第２の懸架部は、それらの第１の取付点から第１のアンカ点に取り付けられ、第３の懸架部および第４の懸架部は、それらの第１の取付点から第２のアンカ点に取り付けられている。懸架部の少なくとも１つは、懸架部の少なくとも１つが取り付けられている慣性マスの振動回転運動を駆動または検出するように構成された圧電変換器構造体でコーティングされ、コーティングされた懸架部の少なくとも１つは、その第２の取付点から第１の慣性マスまたは第２の慣性マスのいずれかにたわみ部を用いて取り付けられている。
単一の慣性マスを有する共振器は、外部振動から生じる乱れに弱い。回転共振器は、線形外部振動に影響を受けないが、依然として回転振動に弱い。回転共振器はまた、慣性懸架部と共振器の固定台とが機械的に結合されているため、音響損失を生じ得る。この結合は、懸架部によってアンカ点、ひいては固定台にかかるトルクによるものであり、固定台は、実際には全体的に固定されておらず、大きいが無限ではない質量、ひいては有限の慣性モーメントを有する。固定台が多少でも回転することができる場合、エネルギーが共振器から漏れ、固定台の支持部が、接着剤または他の消音材料によって取り付けられているか、プラスチックまたは複合材料などの消音材料に取り付けられているならば、熱に変換され得る。その結果、取付材料の特性に応じて、共振器のＱ値は低下し、大きく変化し得る。これらの課題は、２つの慣性マスを含む共振器システムで解決されてもよい。２つの慣性マスは、互いに機械的に結合され、同期して振動してもよい。ロバスト性の向上および損失の低減は、２つの慣性マスを逆位相振動させることによって得られてもよく、この場合、いかなる時も一方のマスが所与の軸を中心として時計回りに回転すると、他方が等しい角速度で、平行な軸を中心として反時計回りに回転し、逆の場合も同じである。２つの共振器によって固定台にかかるトルクは、等しいが逆であり、打ち消し合う。圧電変換器から差動信号を読み取ることによって、同じ利点が感知側で得られてもよい。各共振器への外部振動の影響は等しく、外部振動は差動読取値によって打ち消し合う。
図２４ａおよび図２４ｂは、２つの共振器システムを示す。各共振器システムは、第１の長手方向端部２４９１および第２の長手方向端部２４９２を有する。図２４ａの共振器システムは、面外振動用に構成されている。第１の懸架部２４３１および第４の懸架部２４３４は、一方の極性の変換器でコーティングされており、第２の懸架部２４３２および第３の懸架部２４３３は、逆の極性の変換器でコーティングされている。２つの慣性マス２４１１および２４１２は、例えば単一のねじりばね２４７１で互いに機械的に結合され、同期してもよい。また、他の結合機構が使用されてもよい。すべての変換器が同じ駆動電圧信号で駆動されると、この変換器セットアップは、２つの慣性マス２４１１および２４１２の逆位相振動を引き起こし、その結果、一方のマスがｘ軸を中心として時計回りに回転する場合、他方のマスが反時計回りに回転し、逆の場合も同じである。次いで、差動感知電圧信号を変換器から読み取ることができる。あるいは、第１の懸架部２４３１および第３の懸架部２４３３が一方の極性の変換器でコーティングされ、第２の懸架部２４３２および第４の懸架部２４３４が逆の極性の変換器でコーティングされている場合、第３の懸架部また第４の懸架部上の変換器に印加される信号と１８０°の位相差で分離されている駆動電圧信号を第１の懸架部および第２の懸架部上の変換器に印加することによって、２つの慣性マス２４１１および２４１２を逆位相振動させてもよい。
反対に、図２４ｂの共振器システムは、面内振動用に構成されている。変換器は、第１の懸架部２４３５および第３の懸架部２４３７上にはある順番に、第２の懸架部２４３６および第４の懸架部２４３８上には逆の順番にコーティングされている。２つの慣性マス２４１３および２４１４は、例えば単一の曲げばね２４７２で互いに機械的に結合され、同期してもよい。駆動電圧を適切に選択することで、一方のマスがｚ軸を中心として時計回りに回転する場合、他方が反時計回りに回転し、逆の場合も同じである。駆動電圧がそれに応じて調整される場合、４つの懸架部すべてが同じ順番に変換器でコーティングされてもよい。
前述の共振器の実施形態に記載したいかなる共振器およびたわみ部の構成も、第１の共振器システムの実施形態および第２共振器システムの実施形態に実装することができる。
（第２の共振器システムの実施形態）
また、共振器システム内の共振器は、例えば、両方の共振器が同じ位相で振動する共通モード振動を抑制するために、より複雑な相互連結構造で互いに機械的に結合され、同期してもよい。
第２の共振器システムの実施形態では、２つの慣性マスは、ばねシステムで機械的に結合され、同期しており、ばねシステムは、第１の慣性マスと第２の慣性マスとの間の第３のアンカ点と、第３のアンカ点から第１の横断バーまで延在する第１の長手方向ばねと、第１の横断バーから第１の慣性マスまで延在する第２の長手方向ばねと、第１の横断バーから第２の慣性マスまで延在する第３の長手方向ばねとを備える。ばねシステムは、さらに、第１の慣性マスと第２の慣性マスとの間の第４のアンカ点と、第４のアンカ点から第２の横断バーまで延在する第５の長手方向ばねと、第２の横断バーから第１の慣性マスまで延在する第６の長手方向ばねと、第２の横断バーから第２の慣性マスまで延在する第７の長手方向ばねとを備える。
図２５は、この第２の実施形態に係る共振器システムを示す。ばねシステムは、共振器システムの一方の長手方向端部のみに、または両端部に構造体を備えてもよい。後者の代替案を図２５に示す。
第１の慣性マス２５１１は、第１の懸架部２５３１および第２の懸架部２５３２からの第１のアンカ点２５２１から懸架されている。第２の慣性マス２５１２は、第３の懸架部２５３３および第４の懸架部２５３４からの第２のアンカ点２５２２から懸架されている。前述の実施形態のように、懸架部は、それらの第２の取付点２５５１〜２５５４から第１の慣性マス２５１１および第２の慣性マス２５１２にたわみ部２５６１〜２５６４で取り付けられてもよい。
この場合、ばねシステムは、追加の中央アンカ点２５２３および２５２４を備え、図２５に示すように、これらのアンカ点には、第１の長手方向ばね２５７１および第４の長手方向ばね２５７４の一端部が取り付けられてもよい。第１の長手方向ばね２５７１および第４の長手方向ばね２５７４の他端部は、それぞれ第１の横断バー２５８１および第２の横断バー２５８２に取り付けられてもよい。第２の長手方向ばね２５７２は、一端部から第１の横断バー２５８１に、および、その他端部から第１の慣性マス２５１１に取り付けられてもよい。第３の長手方向ばね２５７３は、一端部から第１の横断バー２５８１に、および、その他端部から第２の慣性マス２５１２に取り付けられてもよい。第５の長手方向ばね２５７５は、一端部から第２の横断バー２５８２に、および、その他端部から第１の慣性マス２５１１に取り付けられてもよい。第６の長手方向ばね２５７６は、一端部から第２の横断バー２５８２に、および、その他端部から第２の慣性マス２５１２に取り付けられてもよい。
第２、第３、第５、および第６の長手方向ばね２５７２〜２５７３および２５７５〜２５７６は、それぞれ慣性マス２５１１〜２５１２の、第３のアンカ点および第４のアンカ点とは反対の側面に取り付けられてもよい。これを図２５に示す。あるいは、第２、第３、第５および第６の長手方向ばね２５７２〜２５７３および２５７５〜２５７６は、慣性マス２５１１〜２５１２の、各慣性マスの長手方向中央線により近いところに取り付けられてもよい。
図に示すように、ばね２５７１〜２５７６および横断バー２５８１〜２５８２は、一方向において狭い。それらのアスペクト比が高いほど、共通モードの抑制の効率が良い。また、アスペクト比が高い場合、所望の振動モードの総ばね定数が同期の影響をあまり受けないため、高アスペクト比が好ましい。ばねおよび横断バーのアスペクト比は、８〜１２の範囲が好ましいが、３．４のアスペクト比であっても、ばね定数を１０％を超えてまで変更することなく、共通モード振動を著しく抑制することができる。
長手方向ばね２５７１〜２５７６は、ｙ軸を中心とする面内曲げおよびねじりに対して可撓性を有し得るが、面外曲げに対して剛性を有する。横断バー２５８１〜２５８２は、すべての曲げモードおよびねじりモードでは剛性を有してもよいが、面内曲げにはある程度の可撓性が与えられてもよい。特に、ばね２５７２〜２５７３および２５７５〜２５７６の取付点が各慣性マスの長手方向中央線上にない場合、面内曲げに対する可撓性が必要とされてもよい。また、横断バーの可撓性により、面内ばね作用の線形性が改善され得る。
（第１のジャイロスコープの実施形態）
前述した２つの共振器システムの実施形態のいずれかに係る共振器システムは、２つの直交共振モードを可能にするように構成される場合、および、少なくとも２つの変換器、すなわち、駆動運動させるための変換器と、ジャイロスコープが角運動を受ける際のコリオリの力から生じる二次回転振動運動を感知するための変換器とを備える場合、ジャイロスコープに実装されてもよい。前述の共振器の実施形態に記載したいかなる共振器およびたわみ部の構成も、以下のジャイロスコープの実施形態に実装することができる。一般的に、前述の実施形態に係る共振器をジャイロスコープに使用する利点は、駆動変換器内で高い結合係数が得られ、感知変換器内で大信号が得られることである。
いくつかの変換器構成がジャイロスコープにおいて可能である。図２６〜図２８は、第１のジャイロスコープの実施形態に係るジャイロスコープ内の３つの代替変換器構成を示す。
図２６は、第１の懸架部２６３１および第２の懸架部２６３２上の駆動変換器によって、第１の慣性マス２６１１を回転面内振動させることができる共振器システムを有するジャイロスコープを示す。曲げばね２６７は、この面内振動を第２の慣性マス２６１２に結合する。また、他の結合機構が使用されてもよい。慣性マス上の白色矢印で示すように、両方の慣性マス２６１１および２６１２は、同じ面内回転振幅を得てもよい。次いで、ジャイロスコープがｙ軸を中心とする回転を受ける場合、コリオリの力は、ｘ軸を中心とする二次回転振動を引き起こす。この振動は、第３の懸架部２６３３および第４の懸架部２６３４上の感知変換器によって検出および測定されてもよい。この場合、第１の慣性マス２６１１に取り付けられた第１の懸架部２６３１および第２の懸架部２６３２は、面内変換器のみを備え、第２の慣性マス２６１２に取り付けられた第３の懸架部２６３３および第４の懸架部２６３４は、面外変換器のみを備える。
また、第３の懸架部２６３３および第４の懸架部２６３４上の変換器は駆動変換器として使用されてもよく、第１の懸架部２６３１および第２の懸架部２６３２上の変換器は感知変換器として使用されてもよい。しかしながら、面外変換器は、通常、面内変換器より良好な電気機械的結合を有するため、感知変換器として使用することが好ましい場合がある。言いかえれば、感知信号は、面内変換器より面外変換器においてより強い傾向があり、感知信号を最大化することは、通常、駆動力を最大化するより重要な考えである。
面内共振周波数および面外共振周波数は、互いに近いことが好ましい場合がある。少なくとも、重心がアンカ点と一致し、回転軸がアンカ点を通る場合、回転軸に対する回転慣性は、面内振動および面外振動において同じである。懸架部の厚さをそれらの幅に極めて近づけるか、等しくすることによって、共振周波数を極めてほぼ等しくしてもよい。言いかえれば、各懸架部の横断幅は、その懸架部の垂直厚さにほぼ等しくてもよく、すべての懸架部の横断幅および垂直厚さの両方は、ほぼ等しくてもよい。
この第１のジャイロスコープの実施形態に係るジャイロスコープでは、各慣性マスに取り付けられた第１の懸架部は、少なくとも１つの面内変換器を備えてもよく、各慣性マスに取り付けられた第２の懸架部は、少なくとも１つの面外変換器を備えてもよい。
図２７は、両方の共振器が、第２の懸架部２７３２および第４の懸架部２７３４上の面内変換器と、第１の懸架部２７３１および第３の懸架部２７３３上の面外変換器とを備えるジャイロスコープを示す。ばね２７７は、駆動変換器として使用される変換器に応じて、曲げばねまたはねじりばねであってもよい。また、他の結合機構が使用されてもよい。図２７では、両方の面外変換器が右側に位置し、両方の面内変換器が左側に位置する。この構成では、第１の懸架部２７３１および第３の懸架部２７３３上の面外変換器は逆の極性を有し、そのため、両方の変換器の低い方の電極同士が同じ電位になり得る。また、第２の懸架部２７３２および第３の懸架部２７３３上の面外変換器を構成し、第１の懸架部２７３１および第４の懸架部２７３４上の面内変換器を構成することが可能である。次いで、面外変換器の上部電極は同じ極性を有し、差動検出にはより複雑な配線が必要となる。
図２８は、面内変換器および面外変換器の両方が各懸架部２８３１、２８３２、２８３３および２８３４上に配置されているジャイロスコープを示す。言いかえれば、各懸架部は、少なくとも１つの面内変換器および少なくとも１つの面外変換器を備える。図２８に示すように、面内変換器を第２の取付点２８５１〜２８５４の近くに、面外変換器を第１の取付点２８４１〜２８４４の近くに配置し、また、面内変換器を駆動変換器として使用し、面外変換器を感知変換器として使用することが好ましい。しかしながら、両方の点において反対の構成が可能である。
完全なジャイロスコープはまた、一次振幅の検出および感知モードでのフォースフィードバックまたは直交位相信号キャンセリングなどの追加の機能を含んでもよいことを、当業者であれば理解する。これらの機能は、追加の変換器で実現することができ、それら変換器は、図２６〜図２８に示した懸架部または補助懸架部構造体のいずれかの上に配置することができる。しかしながら、そのような追加の機能、懸架部および変換器については、本開示においてさらに詳細には述べない。
この第１のジャイロスコープの実施形態の変形例はすべて、前述の共振器の実施形態および共振器システムの実施形態のうちのいずれかと共に実装されてもよい。
（第２のジャイロスコープの実施形態）
図２９〜図３１は、第１のジャイロスコープの実施形態と共に実装されてもよい第２のジャイロスコープの実施形態に係る共振器システムを示す。この実施形態では、共振器システムは、さらに、慣性マスの振動回転運動を駆動または検出するように構成された圧電変換器構造体でコーティングされた少なくとも１つの外部懸架部を備え、外部懸架部の一端部はアンカ点に取り付けられ、外部懸架部の他端部は慣性マスにたわみ部を用いて取り付けられている。
図２９は、前述の実施形態で述べた手段によって、第１の懸架部、第２の懸架部、第３の懸架部および第４の懸架部２９３１〜２９３４が、それぞれ第１のアンカ点２９２１および第２のアンカ点２９２２、ならびに、慣性マス２９１１および２９１２に取り付けられた共振器システムを示す。懸架部２９３１〜２９３４は、慣性マス２９１１および２９１２の中央開口部内に位置するため、「内部」懸架部と呼んでもよい。
図示した共振器システムでは、第５の懸架部２９３５および第６の懸架部２９３６が、慣性マス２９１１および２９１２に隣接して配置されている。これらの第５の懸架部および第６の懸架部は、慣性マスの中央開口部内に位置しないため、「外部懸架部」と呼んでもよい。図示したシステムでは、内部懸架部２９３１〜２９３４システムは面外変換器でコーティングされ、外部懸架部２９３５〜２９３６は面内変換器でコーティングされている。この構成は、懸架部２９３１〜２９３４が面内変換器で、懸架部２９３５〜２９３６が面外変換器でコーティングされるように逆にしてもよい。いずれの場合も、追加の懸架部により、共振器システムの駆動、およびコリオリ効果から生じる振動の感知の両方のために、変換器のより広い面積が使いやすくなる。
慣性マス２９１１および２９１２の中央開口部内における第１のアンカ点２９２１および第２のアンカ点２９２２に加えて、図２９に示したジャイロスコープは、第３のアンカ点２９２３および第４のアンカ点２９２４を備える。各外部懸架部２９３５および２９３６は、第３の取付点２９９５、２９９６で第１の端部から第２のアンカ点に取り付けられてもよい。第５の懸架部２９３５および第６の懸架部２９３６のそれぞれの第２の端部は、第４の取付点２９７５、２９７６で第５のたわみ部２９６５および第６のたわみ部２９６６に取り付けられてもよい（第１、第２、第３および第４のたわみ部２９６１〜２９６４は、図示するように慣性マス内にある）。懸架部２９３５または２９３６の端部２９７５または２９７６の面内角および面外角と、対応する慣性マス２９１１または２９１２の対応する角とが異なるため、たわみ部２９６５および２９６６によって面内回転および面外回転に対する可撓性が付与されるべきであり、また、たわみ部によって取付点でトルクが発生すべきではない。また、懸架部２９３５および２９３６が、それらの曲げ、ひいては非線形によって張力がかからないように、ｙ軸に沿った並進に対する可撓性が付与されるべきである。しかし、たわみ部２９６５および２９６６は、ｘ方向またはｚ方向に力を伝達することができるように、ｘ軸またはｚ軸に沿った並進に対する剛性を有するべきである。駆動および感知に使用される変換器に応じて、これらの剛性形態のうちの１つが必要とされる。内部懸架部２９３１〜２９３４上の変換器が駆動変換器として使用されてもよく、外部懸架部２９３５〜２９３６上の変換器が感知変換器として使用されてもよく、またはその逆が行われてもよい。
図３０は、外部懸架部３０３５および３０３６が内部懸架部３０３１〜３０３４より短いジャイロスコープを示す。外部懸架部３０３５および３０３６はまた、内部懸架部より長くてもよく、それに応じて第２のアンカ点３０２３および３０２４の位置は変わってもよい。たわみ部３０６５〜３０６６は、慣性マス３０１１および３０１２の長さに沿って慣性マスのどこに取り付けられてもよい。図３１は、第２のアンカ点３１２３および３１２４が、共振器システムの重心を通る対称軸ａ１およびａ２の両方を挟んで位置する代替構成を示す。
この第２のジャイロスコープの実施形態のすべての変形例は、前述の共振器の実施形態および共振器システムの実施形態のうちのいずれと実装されてもよい。
（クロック発振器）
前述の共振器の実施形態および共振器システムの実施形態に記載したいかなる共振器およびたわみ部の構成も、従来技術から既知の付加物と共に、クロック発振器に実装することができる。一般的に、前述の実施形態に係る共振器をクロック発振器に使用する利点には、少なくとも高い結合係数、小さな運動抵抗、確実なスタートアップおよび低騒音がある。

Claims (21)

  1. １以上のアンカ点を有する基板と、第１の長手方向端部および第２の長手方向端部を有する慣性マスとを備える回転共振器であって、前記慣性マスは、前記１以上のアンカ点から前記慣性マスの前記第１の長手方向端部に向かって延在する１以上の懸架部によって、および、同じ前記１以上のアンカ点から前記慣性マスの前記第２の長手方向端部に向かって延在する１以上の懸架部によって、前記１以上のアンカ点から懸架され、各懸架部は、第１の取付点からアンカ点に、および、第２の取付点から前記慣性マスに取り付けられ、１以上の懸架部は、前記慣性マスの振動回転運動を駆動または検出するように構成された圧電変換器構造体でコーティングされている回転共振器であって、
    １以上のコーティングされた懸架部は、第２の取付点から前記慣性マスにたわみ部を用いて取り付けられ、
    前記たわみ部は、前記慣性マスと前記第２の取付点との間に作用する曲げモーメントを吸収するのに十分な可撓性を有する
    回転共振器。
  2. 各たわみ部は、前記慣性マス面外の並進運動に対して剛性を有するが、前記慣性マス面内の曲げに対して可撓性を有し、前記たわみ部の長さ方向と平行な軸を中心とするらせん状ねじれに対して可撓性を有する
    請求項１に記載の圧電回転共振器。
  3. 前記たわみ部の高さ／幅アスペクト比は２〜６の範囲にあり、前記たわみ部の長さ／幅アスペクト比は２〜６の範囲にある
    請求項１に記載の圧電回転共振器。
  4. 前記慣性マスは、３以上の懸架部によって１以上のアンカ点から懸架されている
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電回転共振器。
  5. １のアンカ点から前記慣性マスの前記第１の長手方向端部に向かって延在するコーティングされた懸架部上の少なくとも１つの圧電変換器構造体の長さは、同じ前記１のアンカ点から前記慣性マスの前記第２の長手方向端部に向かって延在するコーティングされた懸架部上の少なくとも１つの圧電変換器構造体の長さと異なる、または、１のアンカ点から前記慣性マスの前記第１の長手方向端部に向かって延在するコーティングされた懸架部上の少なくとも１つの圧電変換器構造体の幅は、同じ前記１のアンカ点から前記慣性マスの前記第２の長手方向端部に向かって延在するコーティングされた懸架部上の少なくとも１つの圧電変換器構造体の幅と異なる
    請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電回転共振器。
  6. １のアンカ点から前記慣性マスの前記第１の長手方向端部に向かって延在するコーティングされた懸架部上の各変換器は、面内曲げ用に構成され、１のアンカ点から前記慣性マスの前記第２の長手方向端部に向かって延在するコーティングされた懸架部上の各変換器は、面外曲げ用に構成されている
    請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電回転共振器。
  7. 各コーティングされた懸架部は、面内曲げ用に構成された１つの圧電変換器構造体と、面外曲げ用に構成された１つの変換器構造体とでコーティングされている
    請求項１〜５のいずれか１項に記載の圧電回転共振器。
  8. １以上のコーティングされた懸架部上の前記圧電変換器構造体は、前記第１の取付点から、前記第１の取付点からの距離が懸架部の長さの５０％〜７０％に相当する点まで前記懸架部に沿って延在する
    請求項１〜７のいずれか１項に記載の圧電回転共振器。
  9. １以上の第１のアンカ点および１以上の第２のアンカ点を有する基板と、互いに機械的に結合されている第１の慣性マスおよび第２の慣性マスとを備える回転共振器システムであって、前記第１の慣性マスは、１以上の第１の懸架部および１以上の第２の懸架部によって前記第１のアンカ点から懸架され、前記第２の慣性マスは、１以上の第３の懸架部および１以上の第４の懸架部によって前記第２のアンカ点から懸架され、前記第１の懸架部および前記第３の懸架部は、それぞれのアンカ点から前記共振器システムの第１の長手方向端部に向かって延在し、前記第２の懸架部および前記第４の懸架部は、それぞれのアンカ点から前記共振器システムの第２の長手方向端部に向かって延在し、さらに、前記第１の懸架部および前記第２の懸架部は、それぞれの第１の取付点から前記第１のアンカ点に取り付けられ、前記第３の懸架部および前記第４の懸架部は、それぞれの第１の取付点から前記第２のアンカ点に取り付けられ、さらに、前記懸架部の少なくとも１つは、前記懸架部の少なくとも１つが取り付けられている前記慣性マスの振動回転運動を駆動または検出するように構成された圧電変換器構造体でコーティングされている回転共振器システムであって、
    前記コーティングされた懸架部の少なくとも１つは、第２の取付点から、前記第１の慣性マスまたは前記第２の慣性マスのいずれかにたわみ部を用いて取り付けられ、
    前記たわみ部は、前記慣性マスと前記第２の取付点との間に作用する曲げモーメントを吸収するのに十分な可撓性を有する
    回転共振器システム。
  10. 前記たわみ部は、前記慣性マス面外の並進運動に対して剛性を有するが、前記慣性マス面内の曲げに対して可撓性を有し、前記たわみ部の長さ方向と平行な軸を中心とするらせん状ねじれに対して可撓性を有する
    請求項９に記載の回転共振器システム。
  11. 前記たわみ部の高さ／幅アスペクト比は２〜６の範囲にあり、前記たわみ部の長さ／幅アスペクト比は２〜６の範囲にある
    請求項９に記載の回転共振器システム。
  12. ２つの前記慣性マスは、単一のねじりばねまたは単一の曲げばねで機械的に結合され、同期している
    請求項９〜１１のいずれか１項に記載の回転共振器システム。
  13. ２つの前記慣性マスは、ばねシステムで機械的に結合され、同期しており、前記ばねシステムは、前記第１の慣性マスと前記第２の慣性マスとの間の第３のアンカ点と、前記第３のアンカ点から第１の横断バーまで延在する第１の長手方向ばねと、前記第１の横断バーから前記第１の慣性マスまで延在する第２の長手方向ばねと、前記第１の横断バーから前記第２の慣性マスまで延在する第３の長手方向ばねとを備える
    請求項９〜１１のいずれか１項に記載の回転共振器システム。
  14. 前記ばねシステムは、さらに、前記第１の慣性マスと前記第２の慣性マスとの間の第４のアンカ点と、前記第４のアンカ点から第２の横断バーまで延在する第５の長手方向ばねと、前記第２の横断バーから前記第１の慣性マスまで延在する第６の長手方向ばねと、前記第２の横断バーから前記第２の慣性マスまで延在する第７の長手方向ばねとを備える
    請求項１３に記載の回転共振器システム。
  15. 第１の慣性マスに取り付けられた前記懸架部は、面内変換器のみを備え、第２の慣性マスに取り付けられた前記懸架部は、面外変換器のみを備える
    請求項９〜１４のいずれか１項に記載の回転共振器システム。
  16. 各懸架部の横断幅は、当該懸架部の垂直厚さにほぼ等しく、すべての懸架部の前記横断
    幅および前記垂直厚さの両方は、ほぼ等しい
    請求項１５に記載の回転共振器システム。
  17. 各慣性マスに取り付けられた第１の懸架部は、少なくとも１つの面内変換器を備え、同じ前記慣性マスに取り付けられた第２の懸架部は、少なくとも１つの面外変換器を備える
    請求項９〜１４のいずれか１項に記載の回転共振器システム。
  18. 各懸架部は、少なくとも１つの面内変換器および少なくとも１つの面外変換器を備える
    請求項９〜１４のいずれか１項に記載の回転共振器システム。
  19. 前記共振器システムは、さらに、前記第１の慣性マスまたは前記第２の慣性マスの前記振動回転運動を駆動または検出するように構成された圧電変換器構造体でコーティングされた少なくとも１つの外部懸架部を備え、前記外部懸架部の一端部はアンカ点に取り付けられ、前記外部懸架部の他端部は前記第１の慣性マスまたは前記第２の慣性マスにたわみ部を用いて取り付けられている
    請求項９〜１４のいずれか１項に記載の回転共振器システム。
  20. 請求項９〜１４のいずれか１項に記載の回転共振器システムを備えるクロック発振器。
  21. 請求項１５〜１９のいずれか１項に記載の回転共振器システムを備えるジャイロスコープ。
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