JP6741113B2 - ジャイロスコープのための同期構造 - Google Patents

Description

本開示は、微小電気機械（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープに関し、より詳細には、基板平面に対して垂直な軸を中心とした角回転を測定するｚ軸ジャイロスコープに関する。本開示はさらに、２つの試験質量対が線形運動および／または回転運動で振動するＭＥＭＳジャイロスコープ、ならびに、所望のモードが同期され、望ましくないモードが抑制されるように試験質量振動モードを構成するために使用される同期構造に関する。

ＭＥＭＳジャイロスコープは、通常、線形振動運動と回転振動運動とのうちのいずれか、またはこれら２つの運動の組み合わせに駆動される試験質量を含む。試験質量が、質量の重心と交差しない軸を中心に回転する場合、重心の動きは回転運動と線形運動との組み合わせになる。ｚ軸ＭＥＭＳジャイロスコープでは、駆動トランスデューサによって誘導される駆動または一次振動は、基板平面内で発生するように構成される。ジャイロスコープが、基板平面に対して垂直であるｚ軸を中心とした角回転を受ける場合、コリオリ力によって引き起こされる、結果として生じるセンスまたは二次振動も基板平面内で発生することになる。

ジャイロスコープの回転検知要素を構成する部分可動試験質量は、所望の共振周波数で振動駆動運動およびセンス運動を柔軟に許容するように構成された懸架装置によって固定構造から懸架され得る。駆動振動モードおよびセンス振動モードの正味の反力およびトルクは、運動エネルギーがこれらの所望のモードから漏れず、外部振動がこれらの所望のモードに結合しないように、好ましくはゼロであるべきである。この理想は、所望の共振周波数が所望のモードに対して達成されるように、所望の振動モードに対して適切に柔軟である懸架構成を用いて達成することができる。

しかしながら、駆動振動モードおよびセンス振動モードが理想的であるか否かにかかわらず、外部振動または衝撃がジャイロスコープに作用する場合、試験質量は同時に望ましくない振動運動を呈することがある。ｚ軸ジャイロスコープ内の試験質量は、所望の振動モードに対して完全に柔軟性であり、望ましくない振動モードに対して完全に剛性である懸架装置を設計することが困難であるため、基板平面に平行な望ましくない振動運動の影響を特に受けやすい。望ましくない共振振動モードを防止することができない場合、外部振動は、電気信号を取得するために使用されるトランスデューサおよび／または増幅器に過負荷をかけることによって角速度測定に擾乱を容易に引き起こす可能性がある。また、ジャイロスコープの機械的構造および／または機械的振動を電気信号に変換するための電気的トランスデューサおよび／または信号増幅に使用される差動増幅器の製造公差による小さな非対称性を介した所望のモードへの外部振動の結合によって、擾乱が発生する可能性もある。

相互接続された一対の試験質量が対向する方向に連続的に振動するように同期されているジャイロスコープは、振動試験質量が１つだけのジャイロスコープと比較して、外部振動によって引き起こされる擾乱に対する脆弱性が低いことが知られている。これは、測定信号を差動様式で読み取ることによって、擾乱の影響を自動的に相殺することができるためである。また、第１の対と直交して振動する追加の試験質量対を用いてさらなるロバスト性を達成することができることも知られている。

しかしながら、結合された試験質量対を有するｚ軸ジャイロスコープにおける一般的な問題は、差動測定における意図された相殺に必要とされる反対方向ではなく、試験質量対が同じ方向に同時に動くコモンモード振動を外部振動が誘発する場合があることである。したがって、所望の共振周波数を達成するための懸架構成に加えて、ｚ軸ジャイロスコープは、共振周波数での差動モード発振を柔軟に許容するが、コモンモード発振を抑制するべきである同期構成を必要とする。望ましくないコモンモード振動モードは線形並進と回転の両方を含み得る。

特許文献１は、並進振動する２対の試験質量を有するＭＥＭＳジャイロスコープを開示している。この文献に開示されている同期構成に関する問題は、所望の差動モードを同期させている間、いかなる運動モードまたは運動方向においても試験質量対のコモンモード振動をまったく抑制しないことである。

欧州特許出願公開第３２４９３５６号明細書

本開示の目的は、上記の欠点を軽減するための装置を提供することである。

本開示の目的は、独立請求項に述べられている事項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が従属請求項に開示されている。

本開示は、２つの振動試験質量対を有するジャイロスコープの中心に実質的に円形の同期構造を配置し、所望の振動モードに対応する同期構造の楕円変形のみを許容し、同期構造の線形並進も回転も許容しないような、接線方向に向けられた線形懸架装置を用いてこの同期構造を基板から懸架するという着想に基づく。

この構成の利点は、駆動振動およびセンス振動が邪魔されずに進行することを可能にしながら、すべての線形および回転コモンモード振動が効果的に抑制されることである。この構成の別の利点は、この構成がジャイロスコープの中心近くの比較的小さな領域のみを使用しており、ジャイロスコープの面積およびコストへのこの構成の寄与が小さいままであることである。

以下において、添付の図面を参照しながら、好ましい実施形態を用いて、本開示をより詳細に説明する。

２つの試験質量対を有するジャイロスコープにおける所望の振動モードを示す図である。 ２つの試験質量対を有するジャイロスコープにおける所望の振動モードを示す図である。 ２つの試験質量対を有するジャイロスコープにおける所望の振動モードを示す図である。 ２つの試験質量対を有するジャイロスコープにおける望ましくない振動モードを示す図である。 ２つの試験質量対を有するジャイロスコープにおける望ましくない振動モードを示す図である。 ２つの試験質量対を有するジャイロスコープにおける望ましくない振動モードを示す図である。 所望の振動モードにおける固定円形同期要素の作用を示す図である。 望ましくない振動モードにおける固定円形同期要素の作用を示す図である。 所望の振動モードにおける固定円形同期要素の作用を示す図である。 望ましくない振動モードにおける固定円形同期要素の作用を示す図である。 望ましくない振動モードにおける固定円形同期要素の作用を示す図である。 代替的な同期構造を示す図である。 試験質量の代替的な取り付けを示す図である。 同期要素の代替的な固定を示す図である。 代替的な試験質量形状を示す図である。

本開示は、第１の軸が第２の軸と実質的に直交して交差する、ジャイロスコープ中心点に中心を置く試験質量システムを備える微小電気機械ｚ軸ジャイロスコープを記載しており、試験質量システムは、静止位置において第１の軸と位置整合されている第１の試験質量対と、静止位置において第２の軸と位置整合されている第２の試験質量対とを備え、その結果、第１の試験質量対および第２の試験質量対は、静止位置において、ジャイロスコープ中心点に対して本質的に対称な質量分布を形成する。第１の試験質量対および第２の試験質量対は、１つ以上の駆動トランスデューサによって基板面内で駆動振動モードに駆動され、ジャイロスコープが角回転を受けるときに基板面内でセンス振動モードを受けるように構成される。

駆動振動モードとセンス振動モードとのうちの一方は、第１の試験質量対と第２の試験質量対とがジャイロスコープ中心点に対して逆相で振動するように、第１の試験質量対が、ジャイロスコープ中心点に対して対称に、第１の軸に沿って第１の線形対向振動をしながら動き、第２の試験質量対が、ジャイロスコープ中心点に対して、第２の軸に沿って第２の線形対向振動運動をしながら動く振動運動を含む。

駆動振動モードまたはセンス振動モードの他方は、以下のような運動を含む。

−第１の試験質量対が第２の軸と平行な方向において第１の軸上の静止位置から外方への、および、静止位置に向かって戻る、第３の線形対向振動をしながら動き、第２の試験質量対が第１の軸と平行な方向において第２の軸上の静止位置から外方への、および、静止位置に向かって戻る、第４の線形対向振動をしながら動き、第３の線形対向振動および同じ線形対向振動は、それぞれの静止位置に対して同じ位相を有し、第１の試験質量対および第２の試験質量対は、ジャイロスコープ中心点を通る第３の軸と第４の軸の両方の方向に同相で振動し、第３の軸と第４の軸は互いに直交し、第１の軸および第２の軸に対して４５°の角度で傾斜しており、かつ／または
−第１の試験質量対の両方の試験質量が、第１の試験質量対の各試験質量を通る垂直軸を中心として第１の方向に第１の回転振動をしながら回転し、一方で、第２の試験質量対の両方の試験質量は、第２の試験質量対の各試験質量を通過する垂直軸を中心として、第１の方向とは反対の第２の方向において、第１の回転振動に対して逆相である第２の回転振動をしながら回転する。

第１の試験質量対および第２の試験質量対の振動は、第１の試験質量対および第２の試験質量対よりもジャイロスコープ中心点の近くに配置された実質的に円形の同期要素によって同期させられる。実質的に円形の同期要素は、ジャイロスコープ中心点に中心を置き、４つの第１の取り付け点を備える。各第１の取り付け点は、実質的に円形の同期要素が第１の軸または第２の軸と交差する点に配置されている。各試験質量は、実質的に円形の同期要素上の最も近い第１の取り付け点に取り付けられている。

実質的に円形の同期要素は、２つ以上の第２の取り付け点をさらに備え、実質的に線形の懸架装置が、各第２の取り付け点からアンカー点まで接線方向に延伸する。

図１ａは、上記で特定された線形振動モードを概略的に示す。図示のジャイロスコープは、第１の試験質量対１３１＋１３２および第２の試験質量対１４１＋１４２を有する試験質量システムを含む。第１の軸１１は、ジャイロスコープ中心点で実質的に直交して第２の軸１２と交差する。試験質量はすべての図１ａ〜１ｆにおいて静止位置にあり、矢印は図示された振動モードにおける試験質量の差し迫った動きを示している。矢印はすべての試験質量の同時の動きを示しており、そのため、第１の試験質量対および第２の試験質量対の運動位相も示している。

本開示では、「実質的に直交して」および「本質的に対称な」などの表現は、理想的にはそれぞれ完全に直交しおよび対称であるべき向きおよび分布を参照するために使用される。それにもかかわらず、完全な直交性および対称性からのわずかな逸脱は可能であり、製造精度の制限のために時には避けられない。当業者は、向きまたは分布が理想的な直交性または対称性からある程度逸脱していても、同じ技術的効果を生み出すことができることを理解するであろう。

各試験質量上の大きな白い矢印は、振動サイクルの１つの位相におけるその試験質量の運動方向を示している。振動サイクルの別の位相では、各試験質量は反対方向に動く。第１の試験質量対１３１＋１３２は、第１の軸１１に沿って第１の線形対向振動をしながら動く。本開示では、「ジャイロスコープ中心点に対して対称」である「対向振動」は、質量が反対方向に動く振動質量対を指す。例えば、図１ａでは、試験質量１３１が右に動くと試験質量１３２が左に動き、逆もまた同様である。両方の試験質量１３１および１３２が振動サイクルの各位相において中心点から等距離にあるとき、この振動は中心点に対して対称である。この所望の振動モードは、上述のように、差動測定を通じて誤差の相殺を容易にするため、差動振動とも呼ばれる。

第２の試験質量対１４１＋１４２は、第２の軸１２に沿って第２の線形対向振動をしながら動く。この第２の振動も、第１の振動と同様に反対で対称である。さらに、第２の線形対向振動は、第１の線形対向振動運動に対して逆相で発生する。言い換えれば、図１ａに示すように、第１の試験質量対１３１＋１３２が中心点に向かって動くとき、第２の試験質量対１４１＋１４２は中心点から外方に動く。逆に、第１の試験質量対１３１＋１３２が中心点から外方に動くとき、第２の試験質量対１４１＋１４２は中心点に向かって動く。

試験質量１３１〜１３２および１４１〜１４２を固定構造から懸架する懸架装置、および試験質量システムを駆動振動に設定する駆動トランスデューサは、図１ａ、または本開示における他の図には示されていない。（後述する）第１の所望の振動モードおよび（後述する）第２の所望の振動モードのうちの１つを発生させることを可能にする任意の適切な懸架および駆動構成を利用することができる。駆動トランスデューサは、静電トランスデューサ、ピエゾトランスデューサ、または磁気トランスデューサであってもよい。

ジャイロスコープの第１の所望の振動モードと名付けられ得る図１ａに示す振動モードは、駆動（一次）振動モードとセンス（二次）振動モードとのうちのいずれかであり得る。言い換えれば、その振動モードは、試験質量システムに振動力を加える駆動トランスデューサのセットによって引き起こされる得か、または、ジャイロスコープが角回転を受けるときにコリオリ力によって引き起こされ得る。単純にするために、第１の所望の振動モードが駆動運動であり、第２の所望の振動モードがセンス振動である場合についてのみ詳細に説明する。しかしながら、第１の所望の振動モードがセンス運動であり、第２の所望の振動モードが駆動運動である逆の構成は、本開示全体を通じて代替的な選択肢である。本開示に記載された同期構造は、所望の振動モードを可能にすることによって（そして、より詳細に後述するように、望ましくない振動モードを抑制することによって）両方の場合において同じ機能を実行する。

次に、図１ａが駆動振動モードを示すと仮定すると、図１ｂおよび１ｃは２つの代替的なセンス振動モード（２つの代替的な第２の所望の振動モードと呼ばれることもある）を示す。センス振動モードはまた、質量の重心に対する回転中心の位置に応じて、２つの示された代替的なモードの組み合わせであり得る。デバイス平面に垂直な軸を中心とする角回転を検知するｚ軸ジャイロスコープでは、懸架構成は、駆動振動に直交する、デバイス平面に作用するコリオリ力によって試験質量を動かすことができるように構成される。懸架構成は、このコリオリ力に応答して線形運動もしくは回転運動またはこれら２つの組み合わせを可能にするように構成することができる。センスモード振動は、容量性トランスデューサ、ピエゾトランスデューサ、ピエゾ抵抗性トランスデューサまたは磁気トランスデューサを用いて検知することができる。

図１ｂは、第１の試験質量対１３１＋１３２が第２の軸１２に平行な第３の線形対向振動運動をしながら、第１の軸上で静止位置から外方に（また、振動サイクルの反対位相では、静止位置に向かって戻って）動く、１つのセンス振動モードを示す。第２の試験質量対１４１＋１４２は同時に、第１の軸１１に平行な第４の線形対向振動運動をしながら、第２の軸上で静止位置から外方に（また、振動サイクルの反対位相では、静止位置に向かって戻って）動く。第３の線形対向振動は、第４の線形対向振動と同じ位相を有し、これは、第１の試験質量対が第１の軸から外方におよび第１の軸に向かって戻って動く位相と同じ位相で、第２の試験質量対が第２の軸から外方におよび第２の軸に向かって戻って動くことを意味する。さらに、第３の線形対向振動および第４の線形対向振動は、ジャイロスコープ中心点を通り、互いに直交し、第１の軸および第２の軸に対して４５°の角度で傾斜している第３の軸１５および第４の軸１６の方向においても同じ位相で発生する。

言い換えれば、第１の軸から外方で、第２の軸に平行な反対方向の振動は、最初は第１の軸上に位置整合し、第１の軸と第２の軸の両方に対して対称に位置決めされ、質量がその後、第１の軸から外方に対向する両方向に振動する振動質量対を指す。１つの質量対（例えば、１３１＋１３２）のこの対向振動は中心点に対して鏡面対称である。図１ｂのように２つの質量対が同時にこのように振動するとき、各試験質量は、第３の対角軸１５の方向にある１つの運動成分と、第４の対角軸１６の方向にある別の運動成分とを有する。質量対１３１＋１３２および１４１＋１４２は、第３の軸に沿った質量１３１および１４１の運動成分が常に同じ方向を向いている場合、かつ、第３の軸に沿った質量１３２および１４２の運動成分もまた常に同じ方向を向いている場合、第３の軸１５の方向において同相で振動する。これらの基準が満たされる場合、質量対１３１＋１３２および１４１＋１４２はまた、第４の軸１６の方向においても同相で振動する。

図１ｃは、第１の試験質量対１３１＋１３２の両方の試験質量が、各試験質量１３１および１３２を通る垂直軸を中心として第１の方向に第１の回転振動をしながら回転し、一方で、第２の試験質量対１４１＋１４２の両方の試験質量が、各試験質量１４１および１４２を通過する垂直軸を中心として、第１の方向とは反対の第２の方向において、第１の回転振動に対して逆相である第２の回転振動をしながら回転する、代替的なセンス振動モードを示す。図１ｃでは、第１の回転振動は、反時計回りを指す白い矢印で示されており、一方、第２の回転振動は、時計回りを指す白い矢印で示されている。各試験質量の回転運動の中心を形成する垂直軸は、懸架構成によって決定される。各試験質量の質量中心は、垂直回転軸から外方に位置していてもよく、その結果、質量に作用するコリオリ力は、所望の回転運動を生じさせることができる。各試験質量の質量中心が垂直軸から外方に位置している場合、試験質量の重心の運動は回転運動と線形運動との組み合わせであることに留意されたい。

図１ｂに示すセンス振動が線形であり、図１ｃに示すセンス振動が部分的に回転であるとしても、それらの振動の両方がコリオリ力によって引き起こされる。コリオリ力は、各試験質量の質量中心が、垂直回転軸から外方に位置する場合、図１ａに示す駆動運動に対して垂直な線形力である。センス振動の種類、およびそれらの組み合わせの程度（線形または回転）は、懸架構成によって決まる。２つの試験質量対の駆動振動がジャイロスコープ中心点に対して完全に逆相である場合、図１ｂおよび１ｃに示されるセンス振動は第３の軸および第４の軸に沿って完全に同相となる。１つの位相では、試験質量１３２および１４２も互いに向かって運動または回転するのと同時に、試験質量１３１および１４１は互いに向かって運動または回転し、反対の位相では、試験質量１３２および１４１も互いに向かって運動または回転するのと同時に、試験質量１３１および１４２は互いに向かって運動または回転する。

２つの試験質量対が上述のように振動するｚ軸ジャイロスコープにおける一般的な設計原理は、所望の共振周波数が達成されるように懸架装置が駆動振動モードとセンス振動モードの両方を柔軟に許容するべきであり、同期構造が、試験質量システムにおいて所望の逆相および同相関係が得られることを保証すべきであるというものである。しかしながら、この種のジャイロスコープにおける一般的な設計上の問題は、所望の振動モードを同期させ促進する懸架および同期構成が、所望のモードとほぼ同じ周波数における望ましくない振動モードをも許容し、等しく促進し得ることである。もう１つの設計上の問題は、同期構成がデバイスの周縁の試験質量の周りに設計されている場合、同期構成がデバイスの比較的大きな面積を使用し、したがってサイズおよびコストを増大させることである。

図１ｄ〜図１ｆは、図１ａ〜図１ｃに示す所望の振動モードを促進するように構成された試験質量システムにおいて起こり得る３つの望ましくない振動モードを示す。質量の慣性力によって質量の望ましくない振動を引き起こすジャイロスコープに作用してジャイロスコープの運動を引き起こす外力の方向は、これらの図の各々において試験質量システムの外側に幅の広い矢印として示されている。擾乱を引き起こす外力は振動力であり、振動力の周波数は質量の望ましくないコモンモード振動の共振周波数に近い。図１ｄ〜図１ｆの白い矢印は、この外部振動の半周期の影響を示している。この外部振動の原因は、環境を振動させる回転機械、音もしくは超音波の機械的発生源（例えば、スピーカ）または機械的衝撃（例えば、自動車のシャーシに当たる石）であり得る。図１ｄでは、試験質量１３１および１３２は、第１の軸上でジャイロスコープを動かす線形外力によって第１の軸１１に沿って同じ方向に同時に動く。試験質量１４１および１４２は、代替的にまたは同時に、第２の軸上でジャイロスコープを動かす線形外力によって第２の軸１２に沿って同じ方向に同時に動く。例えば、製造公差に起因して差動対称性が完全ではない場合、または、これらのコモンモード振動が、トランスデューサ（例えば、容量性櫛歯トランスデューサ）の機械的過負荷を引き起こす場合、または、これらのコモンモード振動が増幅器に過負荷をかけ、したがって等しい大きさの負の信号と正の信号との減算による擾乱信号の相殺を阻害する信号をトランスデューサ内で生成する場合、これらのコモンモード振動は差動モード測定に直接の擾乱効果を及ぼす。

図１ｅにおいて、第３の軸１５の方向における線形外力による運動は、試験質量１３２および１４２が互いに向かって回転するのと同時に試験質量１３１および１４１を互いから外方に回転させることによって、試験質量の所望の運動を擾乱する。外部振動が第４の軸に沿っている場合、図１ｅの振動と直交するが、同様のコモンモード振動が誘発されるであろう。図１ｆにおいて、（図示されたｘｙ平面に垂直な）垂直軸を中心とした回転外力（トルク）は、すべての試験質量を同時に同じ方向に回転させることによって試験質量の所望の運動を擾乱する。実際的な状況では、外部振動は典型的には全方向における線形振動と回転振動との混合であり、したがって上述のすべての擾乱コモンモード振動は同時に排除することができる。本発明の目的は、図１ａ〜図１ｃに示す所望の振動モードを柔軟に許容するが、図１ｄ〜図１ｆに示す、外部振動によって誘発される可能性がある望ましくない振動モードを抑制する同期構造を提供することである。

図２ａは、ＭＥＭＳジャイロスコープを示し、参照符号２３１〜２３２および２４１〜２４２がそれぞれ図１ａ〜図１ｃの参照符号１３１〜１３２および１４１〜１４２に対応する。ジャイロスコープはまた、２つの軸１１と１２との間の交点に中心を置く円形同期要素２５を備える。図に見られるように、円形同期要素２５は４つの試験質量２３１〜２３２および２４１〜２４２の内側にある。言い換えれば、円形同期要素２５は、第１の試験質量対および第２の試験質量対よりもジャイロスコープ中心点の近くに配置されている。

同期要素は、４つの第１の取り付け点２５１〜２５４を備える。図２ａに見られるように、取り付け点は、同期要素２５が第１の軸１１または第２の軸２２と交差する位置で、中心点に対して対称に分布し得る。各試験質量２３１〜２３２および２４１〜２４２は、最も近い第１の取り付け点において同期要素に取り付けられる。最も近い第１の取り付け点は、試験質量と交差する軸上で試験質量に最も近いものであり得る。

第２の取り付け点の数は４であってもよい。図２ａに示されている円形同期要素は、４つの第２の取り付け点２５１〜２５４と、４つの実質的に線形の懸架装置２６１〜２６４とを備える。各線形懸架装置は、１つの第２の取り付け点から１つのアンカー点２７１〜２７４まで接線方向に延伸する。図２ａに示すジャイロスコープのように、各第１の取り付け点は第２の取り付け点と一致してもよい。しかしながら、以下に説明されるように、取り付け点は必ずしも一致する必要はない。

本開示において、用語「線形懸架装置」は、ｘｙ平面において高いアスペクト比（例えば、長さ対幅の比）を有する構造を指す。言い換えれば、第１の方向における線形懸架装置の長さは、第１の方向に垂直な第２の方向における懸架装置の幅よりもはるかに大きい。垂直方向における懸架装置の高さは通常、ＭＥＭＳジャイロスコープ内の他の要素の高さと同じであり、そのため、懸架装置の長さ対高さのアスペクト比は長さ対幅の比に近くないものであり得る。高さ対幅のアスペクト比は４より大きくてもよく、それにより垂直対面内の剛性の比６４が与えられる。これにより、線形懸架装置の面内の柔軟性が、固定構造体から試験質量を懸架する（そして質量によって共振周波数を決定する）懸架装置の面内の柔軟性よりも８倍高い設計が可能になるが、線形懸架装置の面外の柔軟性は、固定構造から試験質量を懸架する懸架装置の面外の柔軟性よりも８倍小さい。このような線形懸架装置は、第２の方向に非常に柔軟に屈曲するが、第１の方向（長手方向）およびまた垂直方向（高さ対幅のアスペクト比に応じて）の動きに大きく抵抗する。

次に、実質的に円形の同期要素および関連する線形懸架装置の動作について説明する。図１ａに示されたものと同じ所望の振動モードが、試験質量上に白い矢印で図２ａにも示されている。実質的に円形のリング状要素２５は、図２ａに２５５として示すように楕円形に容易に変形するが、他の変形の形状に対しては比較的剛性である。接線方向に位置整合した固定線形懸架装置は、試験質量が図示のように動くときに同期要素２５が柔軟に楕円形をとることを可能にするが、それらの懸架装置は、要素２５のすべての線形および回転運動を妨げる。

対照的に、図２ｂは、同期要素２５に作用する変形力が楕円形をもたらさない、図１ｄに示された望ましくない振動モードを示す。ここで、図２ｂの黒い矢印は、運動が許容される場合に発生する可能性がある試験質量の運動を示す。試験質量対２３１＋２３２の左への同時運動は、楕円変形なしに同期要素を変位させようとして同期要素２５全体に左向きの力を与えるが、接線方向に向いた線形懸架装置２６３および２６４はｘ方向に作用する力に効果的に抵抗すし、要素２５の線形変位を防ぐ。試験質量対２３１＋２３２の左への同時運動は同期要素２５の若干の望ましくない高次の非楕円変形を生じさせる可能性があるが、同期要素は第２の取り付けパイント２５３および２５４の左右両側で独立して変形することになる。同様に、懸架装置２６１および２６２は、ｙ方向の線形運動に抵抗し、試験質量対２４１＋２４２の同時の下方運動は、同期要素２５にわずかな高次の変形のみを生じさせ得る。

言い換えれば、図２ａの所望の振動モードの共通の特徴は、同期要素２５を軸１１および１２に沿って楕円形に変形させ、それによって同期要素に作用する半径方向および接線方向の力が小さくなることである。はるかに強い半径方向および接線方向の力が、図２ｂおよび図１ｅ〜図１ｆに示される望ましくない振動モードにおいて同期要素に作用し、このとき、試験質量の半径方向の動きは、同期要素に強制的に楕円形ではなく初期の実質的に円形の形状に非常に近い形状をとらせようとする。各線形懸架装置は、２つの直交方向においてこれらの接線方向の力に抵抗するように設計されており、したがって要素２５のいかなる面内方向においても線形変位を防止する。

互いに直角に向けられた少なくとも２つの固定線形懸架装置は、典型的には、線形変位に対する有効な抵抗のための最小要件である。線形懸架装置の数が増えると、向きの要件は緩和される。２つの軸１１および１２を中心とする試験質量システムの対称性のために、図２ａおよび図２ｂのように直角に向けられた４つの線形懸架装置が最も都合のよい配置であることが多いが、すべての接線方向に向けられた線形懸架装置が、要素２５の線形変位に抵抗する。

図１ｂおよび図１ｃに示されたものと同じ所望の第２の振動モードが、試験質量上に白い矢印で図２ｃにも示されている。試験質量は、ここで試験質量の回転中心となる点２５１〜２５４において実質的にリング形状の要素２５に取り付けられる。ここで、各試験質量の重心の動きは、図２ｃの曲線の矢印で示すような回転と線形変位の組み合わせである。実質的に円形のリング状要素２５はここでも、試験質量の取り付け点２５１〜２５４における曲げモーメントに起因して楕円形に容易に変形するが、他の変形形状に対しては比較的剛性である。この場合、図２ｃに２５５として示されている楕円変形は、第１の望ましい振動モードの楕円変形から４５度回転しており、その結果、楕円の主軸は軸１５および１６である。接線方向に位置整合した固定線形懸架装置２６１〜２６４は、試験質量が図示のように動くときに同期要素２５が柔軟に楕円形をとることを可能にするが、すべての方向における要素２５の線形変位を妨げ、すべての軸を中心とした要素の回転を妨げる。

図２ｄは、同期要素２５に作用する変形力が楕円形をもたらさない、図１ｅに示された望ましくない振動モードを示す。ここで、図２ｄの黒い矢印は、運動が許容される場合に発生する可能性がある試験質量の運動を示す。試験質量対２３１＋２３２の上方への同時回転は、変形なしに同期要素を変位させようとして同期要素２５全体に下向きの力を与えるが、接線方向に向いた線形懸架装置２６１および２６２はｘ方向に作用する力に効果的に抵抗すし、要素２５の線形変位を防ぐ。同様に、懸架装置２６３および２６４は、ｘ方向の線形運動に抵抗し、試験質量対２４１＋２４２の同時の右向きの運動は、同期要素２５にわずかな非楕円の高次の変形のみを生じさせ得る。

図２ｅは、同期要素２５に作用する変形力が楕円形をもたらさない、図１ｆに示された望ましくない振動モードを示す。ここで、図２ｅの黒い矢印は、運動が許容される場合に発生する可能性がある試験質量の運動を示す。すべての試験質量をそれらの回転中心の周りで同時に回転させると、同期要素を変形させずに回転させようとするトルクが同期要素２５全体に与えられるが、接線方向に向いた線形懸架装置２６１〜２６４は要素２５の回転に効果的に抵抗する。

言い換えれば、図２ｃの所望の振動モードの共通の特徴は、同期要素２５を軸１５および１６に沿って楕円形に変形させ、それによって同期要素に作用する接線方向の力および曲げモーメントが小さいことである。はるかに強い接線方向の力および曲げモーメントが、試験質量の動きが楕円形ではなく同期要素を面内で線形的に変形させまたは面内で回転させようとする形状を強制しようとする、図２ｄ、図２ｅ、図１ｃおよび図１ｄに示される望ましくない振動モードにおいて同期要素に作用する。各線形懸架装置は、２つの直交方向においてこれらの接線方向の力および曲げモーメントに抵抗するように設計されており、したがって要素２５のあらゆる面内方向への線形変位および要素２５の面内回転を防止する。

図３は、第２の取り付け点３８１〜３８４が第１の取り付け点３５１〜３５４と一致しない同期構造を示す。この構成では、線形懸架装置は変位および回転に等しく効果的に抵抗することができる。さらに、任意の線形懸架装置の方向は自由に変えることができる。例えば、図３では、各線形懸架装置は、第２の取り付け点から対応するアンカー点まで時計回りに延伸する。代わりに、線形懸架装置の１つ以上が、第２の取り付け点から対応するアンカー点まで反時計回りの方向に接線方向に延伸することができる。

例えば、４つの線形懸架装置が第２の取り付け点３８１〜３８４から懸架装置のアンカー点まで接線方向に延伸する一方、４つの追加の線形懸架装置が取り付け点３５１〜３５４から懸架装置のアンカー点まで接線方向に延伸するように、追加の線形懸架装置を同期構造に加えることができる。後者の場合、取り付け点３５１〜３５４もまた第１の取り付け点および第２の取り付け点の両方として機能する。線形懸架装置の数が５つ以上に増えた場合、いくつかの懸架装置は図３の懸架装置より短くすることができる。

本開示では、「実質的に円形の同期要素」という表現は、それぞれ図２ａ〜図２ｂおよび図３の要素２５および３５のようなリング形状の要素、または、例えば、八角形または六角形のような正多角形の形状を有する要素を指し得る。正多角形の場合、多角形の１つの角が各第１の取り付け点に配置される。そのような正多角形状に成形された同期要素は、上記の所望の振動モードの下で準楕円形の変形を受ける場合がある。

試験質量は、図２ａ〜図２ｂおよび図３のように、必ずしも第１の取り付け点に直接取り付けられる必要はない。図４ａは、各試験質量が取り付けビーム４９を介して第１の取り付け点に取り付けられているジャイロスコープを示している。この比較的狭いビームは、例えば、追加の線形懸架装置またはより長い線形懸架装置を同期要素の近くに配置することを可能にし得る。代替的に、各アンカー点は、試験質量内に形成されたキャビティ内に配置されてもよい。これによっても、線形懸架装置の数または長さを増やすことが可能になり得る。図４ｂは、アンカー点のために適切に配置されたキャビティを有する４つの試験質量を示す。試験質量は、線形懸架装置の方向を除いて、すべてまたはほぼすべての方向において、ｘｙ平面内の対応するアンカー点を囲むことができる。

各試験質量の形状は、各二等辺三角形または等脚台形の底辺がジャイロスコープ中心点から最も遠くなるようにジャイロスコープ中心点に向けられる、実質的に二等辺三角形または等脚台形の形状であり得る。例えば、図３の試験質量３３１は二等辺三角形の形状をしている。三角形の頂点は第１の取り付け点３５１に位置し、底辺３３３は中心点から最も遠い部分である。一方、図４ａの試験質量４３１は、底辺４３３が中心点から最も遠い位置にある等脚台形の形状をしている。

これに関連して、「実質的に二等辺三角形または等脚台形の形状」という表現は、形状が完全な三角形または台形でなくてもよいことを意味する。形状は、例えば、図４ｂに示されるもののようなキャビティ、または切頭先端を含み得る。

他の形状もまた可能である。試験質量は、例えば、正方形もしくは長方形の形状、または図５に示すようなハンマー型の形状を有してもよい。試験質量の角は、長方形の角が切頭されている図５のように、任意の試験質量形状に切頭されてもよい。

Claims (6)

1. 微小電気機械ｚ軸ジャイロスコープであって、
   第１の軸が第２の軸と実質的に直交して交差するジャイロスコープ中心点に中心を置く試験質量システムを備え、前記試験質量システムは、静止位置において第１の軸と位置整合されている第１の試験質量対と、静止位置において第２の軸と位置整合されている第２の試験質量対とを備え、その結果、前記第１の試験質量対および前記第２の試験質量対は、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本質的に対称な質量分布を形成し、前記第１の試験質量対および前記第２の試験質量対は、１つ以上の駆動トランスデューサによって基板面内で駆動振動モードに駆動され、前記ジャイロスコープが角回転を受けるときに前記基板面内でセンス振動モードを受けるように構成されており、
   前記駆動振動モードと前記センス振動モードとのうちの一方は、前記第１の試験質量対と前記第２の試験質量対とが前記ジャイロスコープ中心点に対して逆相で振動するように、前記第１の試験質量対が、前記ジャイロスコープ中心点に対して対称に、前記第１の軸に沿って第１の線形対向振動をしながら動き、前記第２の試験質量対が、前記ジャイロスコープ中心点に対して、前記第２の軸に沿って第２の線形対向振動運動をしながら動く振動運動を含み、
   前記駆動振動モードと前記センス振動モードとのうちの他方は、
   前記第１の試験質量対が、前記第２の軸と平行な方向において前記第１の軸上の静止位置から外方への、および、静止位置に向かって戻る、第３の線形対向振動をしながら動き、前記第２の試験質量対が前記第１の軸と平行な方向において前記第２の軸上の静止位置から外方への、および、静止位置に向かって戻る、第４の線形対向振動をしながら動き、前記第３の線形対向振動および同じ線形対向振動は、それぞれの静止位置に対して同じ位相を有し、前記第１の試験質量対および前記第２の試験質量対は、前記ジャイロスコープ中心点を通る第３の軸と第４の軸の両方の方向に同相で振動し、前記第３の軸と前記第４の軸は互いに直交し、前記第１の軸および前記第２の軸に対して４５°の角度で傾斜している運動と、前記第１の試験質量対の両方の試験質量が、前記第１の試験質量対の各試験質量を通る垂直軸を中心として第１の方向に第１の回転振動をしながら回転し、一方で、前記第２の試験質量対の両方の試験質量が、前記第２の試験質量対の各試験質量を通過する垂直軸を中心として、前記第１の方向とは反対の第２の方向において、前記第１の回転振動に対して逆相である第２の回転振動をしながら回転する運動と
   のうちの一方を含み、
   前記第１の試験質量対および前記第２の試験質量対の前記振動が、前記第１の試験質量対および前記第２の試験質量対よりも前記ジャイロスコープ中心点の近くに配置された実質的に円形の同期要素によって同期させられ、前記実質的に円形の同期要素は、前記ジャイロスコープ中心点に中心を置き、４つの第１の取り付け点を備え、各第１の取り付け点は、前記実質的に円形の同期要素が前記第１の軸または前記第２の軸と交差する点に配置されており、各試験質量は、前記実質的に円形の同期要素上の最も近い前記第１の取り付け点に取り付けられていることを特徴とし、
   前記実質的に円形の同期要素が、２つ以上の第２の取り付け点をさらに備え、実質的に線形の懸架装置が、各第２の取り付け点からアンカー点まで接線方向に延伸することを特徴とする、
   微小電気機械ｚ軸ジャイロスコープ。
2. 前記第２の取り付け点の数が４であることを特徴とする、請求項１に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
3. 各第１の取り付け点が第２の取り付け点と一致することを特徴とする、請求項２に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
4. 各試験質量の形状が、各二等辺三角形または等脚台形の底辺が前記ジャイロスコープ中心点から最も遠くなるように、前記ジャイロスコープ中心点に向けられる、実質的に二等辺三角形または等脚台形の形状であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
5. 各試験質量が、取り付けビームを介して前記第１の取り付け点に取り付けられていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
6. 各アンカー点が、前記試験質量のうちの１つに形成されたキャビティ内に配置されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。

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