JP6787437B2 - ピエゾリングジャイロスコープ - Google Patents

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Description

本開示は、角回転速度を測定するためのセンサに関し、より詳細には、所与の平面内のリング状構造の振動を利用して当該平面に垂直な軸を中心とする角回転の大きさを検出するｚ軸ジャイロスコープに関する。本開示はさらに、一次リング振動を駆動するため、一次リング振動の大きさを測定するため、角回転によって引き起こされる二次リング振動を検出するため、または二次モードで逆振動を駆動するために使用することができるトランスデューサに関する。本開示はまた、取り付けられた質量要素を有するリングの共振特性を調整するための手段に関する。
微小電気機械ジャイロスコープは、コリオリ効果を使用して角速度を測定する。振動ＭＥＭＳジャイロスコープでは、物体が、作動駆動力によって振動運動するように駆動される。本開示では、この振動を「一次振動」または「駆動振動」と呼び、この振動モードは「一次モード」と呼ばれる。リングは典型的には共振するため、このモードは「一次共振モード」とも呼ばれる場合がある。ＭＥＭＳジャイロスコープでは、駆動振動は、固体慣性質量の線形振動または回転振動を含み得るが、駆動振動はまた、リング状構造の柔軟な変形を含み得る。本開示は後者の種類の用途に専ら焦点を当てている。
駆動振動をしているリングが（リングによって規定されるｘｙ平面に垂直な）ｚ軸を中心とした角回転速度Ωを受けると、リングはコリオリ力ＦＣの影響を受ける。リングの所与のセグメントに対するコリオリ力の大きさおよび方向は、リングの当該セグメントにおける振動運動の大きさおよび方向、ならびに角回転速度ベクトルの大きさによって決まる。リング内のコリオリ力によって引き起こされる振動は、本開示では「二次振動」または「センス振動（ｓｅｎｓｅ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）」と呼ばれ、この振動モードは「二次モード」または「二次共振モード」と呼ばれる。
図１は、振動リングジャイロスコープにおける一次モードおよび二次モードを示す。太いリング１１は、静止位置にあるリングを示し、リングは、リングが完全に静止しているとき、またはすべての振動モードの振幅がゼロであるときに静止位置を得る。２つの横対称軸Ｔ１およびＴ２ならびに２つの対角対称軸Ｄ１およびＤ２が図１に示されるリングに示されている。
一次モードは、２つの横対称軸に沿ったリング振動を含む。この振動運動の両極端は、図１において点線で示されている。第１の点線１２は、第１の横軸Ｔ１に沿って拡張し、第２の横軸Ｔ２に沿って収縮したときのリングの形状を示し、第２の点線１３は、第２の横軸Ｔ２に沿って拡張し、第１の横軸Ｔ１に沿って収縮したときのリングの形状を示す。一次振動では、リングはこれら２つの形状の間で連続的に切り替わる。
リングが中心ｚ軸を中心とする角回転速度Ω（リングの真ん中に図示）を受けると、リング上のセグメントはコリオリ力ＦＣの影響を受ける。第１の点線１２上にマークされた力ＦＣは、リングが第１の横軸Ｔ１に沿って拡張しているときのコリオリ力の局所方向を示す。右側のセグメント１２１が正のｘ方向に移動すると、ＦＣはこのセグメント内で負のｙ方向を向く。左側のセグメント１２２が負のｘ方向に移動すると、ＦＣはこのセグメント内で正のｙ方向を向く。同様に、セグメント１２３が負のｙ方向に移動すると、ＦＣはこのセグメント内で負のｘ方向を向く。図１に示すように、セグメント１２４はこのセグメント内で正のｙ方向に移動し、ＦＣは正のｘ方向に向く。リングが第１の横軸Ｔ１に沿って再び収縮すると、コリオリ力の方向は各セグメントにおいて反転する（この状況は図示されていない）。
同様に、第２の点線１３上にマークされた力ＦＣは、リングが第２の横軸Ｔ２に沿って拡張しているときのコリオリ力の局所方向を示す。セグメント１３１が負のｘ方向に移動すると、ＦＣは正のｙ方向を向く。セグメント１３２が正のｘ方向に移動すると、ＦＣは負のｙ方向を向く。セグメント１３３は正のｙ方向に動き、ＦＣは正のｘ方向を向き、一方で、セグメント１２４は負のｙ方向に動き、ＦＣはこのセグメントにおいて負のｘ方向を向く。リングが第２の横軸Ｔ２に沿って再び収縮すると、コリオリ力の方向は各セグメントにおいて再び反転する（この状況は図示されていない）。
図１から分かるように、リングの第１の振動極値（１２）では、セグメント１２１〜１２４に作用するコリオリ力がリングを第１の対角軸Ｄ１に沿って拡張する。振動極値は同時に第２の対角軸Ｄ２に沿ってリングを収縮させる。第２の振動極値（１３）において、セグメント１３１〜１３４に作用するコリオリ力は、第２の対角軸Ｄ２に沿ってリングを拡張し、第１の対角軸Ｄ１に沿ってリングを収縮させる。セグメント１２１〜１２４は、それぞれセグメント１３１〜１３４と同じリングの部分であるが、振動の異なる位相を表す。
単純にするために、コリオリ力は図１のリングのこれらのセグメントにのみ描かれている。実際には、コリオリ力はリングの周に沿ってリングのあらゆる点において作用する。各局所力成分は、リングの当該点の速度および角速度に比例し、両方に垂直である。すべてのコリオリ力成分の積分が、第１の対角軸Ｄ１および第２の対角軸Ｄ２に沿ってリングの楕円変形を引き起こす。
言い換えれば、一次共振モードでは、環状リング１１は、直交する横軸Ｔ１およびＴ２に沿って楕円形状１２および１３に周期的に変形する。ｚ軸を中心とした角回転が存在しない場合、横軸Ｔ１およびＴ２から正確に４５度の角度に配置された４つの静止節点１４がある。これらの点１４は、対角軸Ｄ１およびＤ２上にある。これらの節点１４にあるリングのセグメントは、一次振動ではいかなる直線運動も経験せず、節点の周りの回転のみを経験する。
二次共振モードでは、楕円変形は、上で説明したように、一次モード軸から４５度回転している。数学的に（しかし幾何学的にではなく）、二次モードは一次モードと直交している。なぜなら、リングの考えられるすべての一次振動はこれら２つのモードの線形結合として表すことができるためである。
リングが一次振動モードに励起され、所与の回転速度でリングの中心の周りで面内回転を受けるとき、２つの振動の重ね合わせは、節点１４が元の位置からわずかにずれた楕円振動である。このずれを測定することによって角回転速度を検出することができる。
リングの振動が容量性または電磁的手段によって駆動されるリングジャイロスコープが、従来技術から知られている。二次振動の検出は典型的には容量性手段によって行われる。特許文献１および特許文献２はそのようなジャイロスコープを例示している。
リングと電極との間に印加された電圧が（一次モードにおいて）リングを変形させることができるように、または、リングの変形を（二次モードにおいて）リングと電極との間の静電容量によって測定することができるように、電極を側面から距離を置いて配置することによって、リングの側面近くに容量性トランスデューサを製造する必要がある。一次モードの電磁励起は、リングが永久磁石によって生成された外部磁場内に配置されたときにリングに力を与える、リングの上面に形成された導体を必要とする。
これらのジャイロスコープでは、１μｍより小さい空隙を生成することは非常に困難であるため、検出容量は非常に小さく、一次振動の高い振幅は、二次モード検出電極を節点からどれだけ遠くまで延伸することができるかを制限する。一方、一次モードに必要とされる励起キャパシタは、振幅の大きい振動を可能にするために大きな間隙を有していなければならず、したがってこれらのキャパシタによって発生される静電気力は非常に小さいままである。電磁励起が使用される場合、リング上にマルチターン導体のためのスペースがなく、したがって強くて大きな永久磁石が使用されなければならない。そのようなデバイスは、通常、シリコンデバイスの標準的なパッケージング要件と互換性がない。
米国特許第５９３２８０４号明細書 米国特許第５２２６３２１号明細書
本開示の目的は、上記の不都合を軽減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ているものを特徴とする構成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、リングジャイロスコープにおける一次共振モードを励起し、二次共振モードを検出するためにピエゾトランスデューサを利用するという着想、および、狭いブリッジコネクタを用いて追加の質量要素をリングに固定することによってデバイスの共振特性を変更することに基づく。これにより、リング自体に新しい寸法の可能性が開かれる。
以下において、添付の図面を参照しながら、好ましい実施形態によって、本開示をより詳細に説明する。
振動リングジャイロスコープにおける一次モードおよび二次モードを示す。 ジャイロスコープリング上に配置された曲げピエゾトランスデューサの３つの断面図である。 ジャイロスコープリングの内周および外周に沿った接線応力の変化を示す図である。 トランスデューサの一実施形態によるリングジャイロスコープを示す図である。 別のトランスデューサの実施形態によるリングジャイロスコープを示す図である。 別のトランスデューサの実施形態によるリングジャイロスコープを示す図である。 別のトランスデューサの実施形態によるリングジャイロスコープを示す図である。 別のトランスデューサの実施形態によるリングジャイロスコープを示す図である。 １つの実施形態によるリングジャイロスコープを示す図である。 １つの実施形態によるリングジャイロスコープを示す図である。 １つの実施形態によるリングジャイロスコープを示す図である。 １つの実施形態によるリングジャイロスコープを示す図である。 １つの実施形態によるリングジャイロスコープを示す図である。 １つの実施形態によるリングジャイロスコープを示す図である。 １つの実施形態によるリングジャイロスコープを示す図である。 １つの実施形態によるリングジャイロスコープを示す図である。 １つの実施形態によるリングジャイロスコープを示す図である。 １つの実施形態によるリングジャイロスコープを示す図である。
図２は、ジャイロスコープリング上に配置された曲げピエゾトランスデューサの３つの断面図である。トランスデューサは、ｘｙ平面内で曲げ運動を生成または測定することができる。一対の第１の電極層２４１および２４２が、シリコンリング２１上に、一方はピエゾ材料層２２の上側に、他方は下側に配置されている（この場合、上下はｚ軸の方向を参照する）。これらの電極は、図示のように、それぞれ第２の電極層２３１、２３２と対になっている。層２４１、２２および２３１はともにリング２１の上に第１のピエゾトランスデューサを形成し、層２４２、２２および２３２はともにリング２１の上に第２のピエゾトランスデューサを形成する。
反対の極性を有する駆動電圧がこれらの２つのトランスデューサに印加されると、２つのトランスデューサはｘｙ平面内に反対の歪みを生じ、これがシリコンリング２１を変形させることができる。トランスデューサがセンストランスデューサとして使用される場合、面内曲げは２つのトランスデューサ間に電圧差を発生させることになる。
ピエゾトランスデューサを説明するために、本開示全体を通して図２の図面規約を利用する。言い換えれば、反対色の２つの平行な長方形がピエゾトランスデューサを示すために使用される。単純にするために、構造が実際には２つのトランスデューサを含む構築物であるとしても、これら２つの平行な長方形は主に単数形で、単一の「分割トランスデューサ（ｓｐｌｉｔ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）」と呼ばれる。言い換えれば、分割トランスデューサは２つの並列トランスデューサを含まなければならない。
白色および黒色はトランスデューサの極性を示す。分割トランスデューサ内の黒色長方形および白色長方形の順序付けは、リングの外側に白色長方形があるトランスデューサの極性が、リングの外側に黒色長方形があるトランスデューサの極性と反対になるように（同図面に見られるように）極性を示す。
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層とすることができるピエゾ層２２は、典型的には数マイクロメートル以下の厚さである。シリコンリング２１の厚さは、例えば、４〜１００μｍ、好ましくは１０〜５０μｍであり得る。
本開示に記載のピエゾトランスデューサがセンスモードで使用されるとき、トランスデューサの静電容量が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ときに、トランスデューサの電極間の最大出力電圧が達成され得る。トランスデューサの静電容量は、当該トランスデューサの面積およびピエゾ層の厚さによって決まる。
一次および二次振動モードは、リングの内周および外周に機械的応力を生じさせる。瞬間応力は、リング周長に沿った長さの正弦関数として変化する。この場合、長さ変数は、図１の正のｙ方向を指すＴ２軸に対する時計回りの角度によって表される。図３は、両方の振動モードについてリングの内周および外周に沿った接線応力の変化を示す。図示の瞬間には、応力は一次モードについて角度の正弦関数として、および、二次モードについて余弦関数として変化し、内周の応力は各場合において等しいが、向きは外周の応力とは反対である。この応力分布は、リングの上面にかつリングの周に沿って長手方向に位置決めされたピエゾ分割トランスデューサによって発生させ検出することができる。一次振動を駆動するためにリング上に位置決めされた分割トランスデューサは、リングの各周上に反対方向の一定の応力を生じさせる。
本開示は、リング平面を画定し、かつリングがリング計画内で形状振動を受けることができるように基板から柔軟に懸架される実質的に円形で柔軟性のリングを備えるリングジャイロスコープを記載する。リングは、互いに直交するリング平面内の第１の横対称軸および第２の横対称軸を備える。リングはまた、互いに直交するリング平面内の第１の対角対称軸および第２の対角対称軸をも備える。各横対称軸と隣接する対角対称軸との間の角度は４５°である。
ジャイロスコープは、リングを共振するように駆動するように構成され、リングの第１のセクタに配置された１つまたは複数の一次ピエゾ分割トランスデューサをさらに備える。ジャイロスコープは、リングの振動を検知するように構成され、リングの１つまたは複数の第２のセクタに配置された１つまたは複数の二次ピエゾ分割トランスデューサをさらに備える。各第１のセクタは、リングの横対称軸と交差し、当該対称軸に関して対称であり、各第２のセクタは、リングの対角対称軸と交差し、リングの当該対角対称軸に関して対称である。
本開示では、「リングのセクタＡ上に配置されたピエゾ分割トランスデューサ」のような表現は、常に、ピエゾ分割トランスデューサがリングのセクタＡ内でリングの上に配置されることを意味する。図２は、分割トランスデューサをリングの上に配置することができる方法を示す。
ジャイロスコープは、第１の横対称軸および第２の横対称軸と第１の対角対称軸および第２の対角対称軸の両方に関して対称的な質量分布を形成する４つ以上の質量要素をさらに備え、各質量要素はブリッジコネクタからリングに取り付けられ、ブリッジコネクタはリングに沿って均等に分散されている。
本開示はまた、上述のリングジャイロスコープを使用する方法を記載し、この方法は、少なくとも１つの一次ピエゾ分割トランスデューサに駆動電圧信号を印加して、リングジャイロスコープにおいて一次振動モードを生成するステップと、少なくとも１つの二次ピエゾ分割トランスデューサからセンス電圧信号を読み取って、リングジャイロスコープにおける二次振動の振動振幅を測定するステップとを含む。本開示に記載の任意のリングジャイロスコープによって同じ方法を利用することができる。図４は、リング４２を備えるリングジャイロスコープを示す。平面リングは、図４のｘｙ平面に対応するリング平面を画定する。サスペンション構成は図示されていない。第１の横対称軸Ｔ１および第２の横対称軸Ｔ２ならびに第１の対角対称軸Ｄ１および第２の対角対称軸Ｄ２は、図１を参照して上述した対称軸に対応する。少なくとも１つの一次ピエゾ分割トランスデューサ４１１がリング４２上に配置されている。この分割トランスデューサ４１１は、図４に示すように、角度αに対応するリングの第１のセクタをカバーする。このセクタの中点（または、等価的に、トランスデューサ４１１の中点）は、第１の横対称軸Ｔ１の方向を規定する。分割トランスデューサ４１１に印加される交流駆動電圧は、横対称軸Ｔ１に沿ってリング４２を交互に伸張および圧縮する。
言い換えれば、円は無限に多数の対称軸を有するため、第１の対称軸の方向は、第１の一次分割トランスデューサ４１１の配置によって自由に選択することができる。最初の軸Ｔ１が規定されると、他の３つの対称軸Ｔ２、Ｄ１、およびＤ２もすでに一意に規定されており、リング上の後続の一次分割トランスデューサおよび二次分割トランスデューサの配置は以下の要件に準拠しなければならない。
１．第２の一次ピエゾ分割トランスデューサ４１２は、任意選択的に、リングの他方の側で、４１１と反対側に配置されてもよい。この第２の一次分割トランスデューサ４１２の中点は、第１の横対称軸Ｔ１に可能な限り近くなければならない。言い換えれば、分割トランスデューサ４１２は、リングの横対称軸Ｔ１と交差しなければならず、当該軸に関して対称でなければならない、リングの別の第１のセクタを画定する。これに関連して、対称性は、セクタが軸Ｔ１の両側で等しい範囲まで延伸することを意味する。図４に示される第２の分割トランスデューサ４１２は、リングの中心に関して第１の分割トランスデューサ４１１と同じ極性対称性を有するため、トランスデューサ４１２に印加される駆動電圧信号は、トランスデューサ４１１に印加される駆動電圧信号と同じ位相を有するべきである。これら２つの分割トランスデューサによって引き起こされる駆動振動は、互いを増強する。リングの中心に対する第２の分割トランスデューサ４１２の極性がトランスデューサ４１１の極性と反対である場合、駆動電圧信号は１８０°の位相差を呈するはずである。
２．第３の一次ピエゾ分割トランスデューサ４１３および第４の一次ピエゾ分割トランスデューサ４１４が、任意選択的に、リングの対向する両側に配置されてもよい。第３の一次ピエゾ分割トランスデューサおよび第４の一次ピエゾ分割トランスデューサの位置は、第１の一次ピエゾ分割トランスデューサ４１１および第２の一次ピエゾ分割トランスデューサ４１２の位置から９０°ずれている。これらの第３の一次分割トランスデューサ４１３および第４の一次分割トランスデューサ４１４の中点は、第２の横対称軸Ｔ２に可能な限り近くなければならない。言い換えれば、分割トランスデューサ４１３および４１４は、リングの横対称軸Ｔ２と交差しなければならず、当該軸に関して対称でなければならない、リングの追加の第１のセクタを画定する。図４に示される第３の分割トランスデューサ４１３および第４の分割トランスデューサ４１４は、リングの中心に関して第１の分割トランスデューサ４１１と反対の極性対称性を有するため、分割トランスデューサ４１３および４１４に印加される駆動電圧信号は、トランスデューサ４１１に印加される駆動電圧信号と同じ位相を有するべきである。このとき、リングは、軸Ｔ１に沿って拡張するときに軸Ｔ２に沿って収縮するように駆動され、また逆も同様である。分割トランスデューサ４１３および４１４の一方または両方が４１１と同じ極性を有する場合、当該トランスデューサは、トランスデューサ４１１に印加される信号に対して１８０°シフトされた駆動電圧信号によって駆動することができる。
３．１つから４つの二次ピエゾ分割トランスデューサ４３１〜４３４をリングの４つの側に配置することができ、各々が隣接する二次分割トランスデューサから９０°の角度だけずれている。これらの二次分割トランスデューサ４３１〜４３４の中点は、第１の対角対称軸Ｄ１または第２の対角対称軸Ｄ２のいずれかに可能な限り近くなければならない。上記で説明したように、これらの対角対称軸は横対称軸から４５°の角度だけずれている。各二次分割トランスデューサ４３１〜４３４はリングの第２のセクタを画定する。各第２のセクタは、リングの対角対称軸と交差し、当該軸に関して対称でなければならない。前述のように、この文脈における対称性は、セクタが対角対称軸の両側で等しい範囲まで延伸することを意味する。リングの中心に対する二次分割トランスデューサの極性は自由に選択することができる。図４は、第１の対角対称軸Ｄ１と交差する二次分割トランスデューサ４３１および４３２の極性が、第２の対角対称軸Ｄ２と交差する二次分割トランスデューサ４３３および４３４の極性と反対である最も単純な代替形態を示す。Ｄ１に沿った拡張は常にＤ２に沿った収縮を伴い、また逆もあるため、この場合、すべての二次分割トランスデューサ４３１〜４３４から得られるセンス電圧は直接ともに結合することができる。
言い換えれば、リングの一次共振運動を励起するために、少なくとも１つの一次ピエゾ分割トランスデューサがリング上に存在しなければならない。この励起は、リングの共振周波数と等しいか近い周波数で、一次ピエゾ分割トランスデューサに交流電圧を印加することによって達成される。一次ピエゾ分割トランスデューサは、好ましくは、リングの横対称軸に関して対称に配置されるべきである。
さらに、リングがリング平面に垂直な中心軸の周りを回転するときにコリオリ力によって結合される振動を検出するために、少なくとも１つの二次ピエゾ分割トランスデューサがリング上に存在しなければならない。二次ピエゾ分割トランスデューサは、好ましくは、リングの対角対称軸に関して対称に配置されるべきである。
任意の第１のセクタまたは第２のセクタ（すなわち、任意の一次トランスデューサまたは二次トランスデューサ）の不整合は、一次振動の二次振動モードへの望ましくない結合を引き起こす。これは、リングが一次共振モードでのみ振動するときには節点４４が静止したままであるはずであっても、不整合の一次トランスデューサ４１１〜４１４が隣接する節点４４を動かす振動を発生させるためである。節点４４の振動は、二次分割トランスデューサ４３１〜４３４によって拾い上げられ、誤ったセンス信号を生成することになる。逆に、不整合の二次トランスデューサは、節点４４とは異なる点を中心とし、これもまた一次共振振動を拾い上げて誤ったセンス信号を発生させることになる。一方、すべての一次分割トランスデューサおよび二次分割トランスデューサが完全に位置整合されている場合、二次分割トランスデューサ４３１〜４３４は真の二次共振モード、すなわちコリオリ力によって誘起された節点４４の振動のみを拾う。
リングジャイロスコープを動作させるには、リングの第１のセクタ上の単一の一次ピエゾ分割トランスデューサおよびリングの第２のセクタ上の単一の二次分割トランスデューサで十分である。しかしながら、信号対雑音比を改善し、不整合による誤差の可能性を減らすために、一次分割トランスデューサおよび二次分割トランスデューサの両方の数は、図４に示すように例示されている幾何学的配置に従って増大されてもよい。
言い換えれば、ジャイロスコープは、リング４２の対向する両側で第１の横対称軸Ｔ１と交差する２つの第１のセクタ上に第１の対の一次ピエゾ分割トランスデューサ４１１、４１２を備えることができる。任意選択的に、ジャイロスコープはまた、リング４２の対向する両側で第２の横対称軸Ｔ２と交差する２つの第１のセクタ上に第２の対の一次ピエゾ分割トランスデューサ４１３、４１４を備えることもできる。第１の対の一次ピエゾ分割トランスデューサ４１１、４１２は、リング４２の中心に対する第２の対のピエゾ分割トランスデューサ４１３、４１４の極性対称性とは反対である、リング４２の中心に対する極性対称性を有することができる。
さらに、ジャイロスコープは、リング４２の対向する両側で第１の対角対称軸Ｄ１と交差する２つの第２のセクタ上に第１の対の二次ピエゾ分割トランスデューサ４３１、４３２を備えることができる。任意選択的に、ジャイロスコープはまた、リング４２の対向する両側で第２の対角対称軸Ｄ２と交差する２つの第２のセクタ上に第２の対の二次ピエゾ分割トランスデューサ４３３、４３４を備えることもできる。第１の対の二次ピエゾ分割トランスデューサ４３１、４３２は、リング４２の中心に対する第２の対の二次ピエゾ分割トランスデューサ４３３、４３４の極性対称性とは反対である、リング４２の中心に対する極性対称性を有することができる。
図４に示すリングジャイロスコープでは、各第１のセクタおよび各第２のセクタの幅は４５°である。言い換えれば、各一次分割トランスデューサ４１１〜４１４の長さおよび各二次分割トランスデューサ４３１〜４３３の長さは、リング円周の１／８に等しい。合計８つの分割トランスデューサがある図４では、一次分割トランスデューサおよび二次分割トランスデューサがともにリングの全周をカバーする。これにより、一次トランスデューサから得られる力および二次トランスデューサから得られるセンス信号強度が最大になる。
しかしながら、時には、リングの上面の一部の領域が、力の変換以外の目的、例えば駆動振幅の監視、結合の相殺、または電気的な接触のために必要とされ得る。
図５は、別のトランスデューサの実施形態によるリングジャイロスコープを示す図である。参照符号５１１〜５１４、５３１〜５３４、５２および５４は、それぞれ図４の参照符号４１１〜４１４、４３１〜４３４、４２および４４に対応する。図５では、各第１のセクタの幅は４５°未満であり、各第２のセクタの幅は４５°未満である。説明のために、各トランスデューサの長さはリング円周の１／１６であり、結果、各第１のセクタおよび第２のセクタの対応する幅は２２．５°であるが、トランスデューサの長さは自由に選択することができる。対称基準は図４と同じままであり、各第１のセクタおよび第２のセクタは当該セクタが交差する対称軸に関して対称であるものとする。この対称性からの逸脱は、上述のように、一次モード振動の二次モードへの望ましくない結合を引き起こす。
図６は、すべての第１のセクタおよび２つの第２のセクタの幅が４５°未満であり、他の２つの第２のセクタの幅が４５°である代替的なトランスデューサの実施形態を示す。参照符号６１１〜６１４、６３１〜６３４、６２および６４は、それぞれ図５の参照符号５１１〜５１４、５３１〜５３４、５２および５４に対応する。代替的に、各第１のセクタの幅が４５°未満であってもよく、各第２のセクタの幅が４５°であってもよい。第１のセクタを狭くすることによってリング表面上のいくらかの空間を広げるこれらの構成は、駆動力を犠牲にすることができるがセンス信号強度を犠牲にすることができないときに有利であり得る。一次振動を駆動するために必要な力は、リングの寸法、一次トランスデューサの長さ、および、これらの一次トランスデューサに印加される駆動電圧信号の振幅に依存する。前述のように、各第１のセクタおよび第２のセクタは当該セクタが交差する対称軸に関して依然として対称的でなければならない。
リングジャイロスコープが閉ループサーボモードで使用されるとき、または二次モード共振が閉ループフィードバックによって減衰されるとき、少なくとも一つの二次ピエゾ分割トランスデューサが交流電圧によって駆動され、結果、一次振動の二次振動への結合を能動的に相殺する。当該事例において、能動的な相殺専用の二次トランスデューサの長さは、二次振動を検知する二次トランスデューサの長さとは異なり得る。
代替的に、各第１のセクタの幅が４５°であってもよく、各第２のセクタの幅が４５°未満であってもよい。この構成は、駆動力を最大にしなければならないが、センス信号強度のいくらかを犠牲にすることができるときに、リング上のスペースを解放するのに有利であり得る。このオプションは別個に示されてはいないが、各一次分割トランスデューサがリング円周の１／８をカバーし、二次分割トランスデューサが円周の大部分をカバーしないことを除いて、図６に直接対応する。
すべての一次分割トランスデューサが、一次振動を駆動するために必ずしも使用される必要はない。一次分割トランスデューサのいくつかは、例えば、一次振動の振幅を測定するために使用されてもよい。これは、環境変数または経年変化による駆動周波数または共振器のＱ値の変化と無関係に安定した振動振幅を維持するために必要である。
言い換えれば、本開示に記載される任意のリングジャイロスコープを使用する方法は、少なくとも１つの一次ピエゾ分割トランスデューサから第３の電圧信号を読み取って、リングジャイロスコープにおける一次振動の振動振幅を測定するステップを含み得る。
同様に、すべての二次分割トランスデューサが、二次振動を測定するために必ずしも使用される必要はない。二次分割トランスデューサのいくつかは、例えば、二次振動モードへの積極的な介入のために使用されてもよい。例えば、リングジャイロスコープが閉ループサーボモードで使用されるとき、または二次モード共振が閉ループフィードバックによって減衰されるとき、または加えられる電気機械力が使用されて直交信号が相殺されるとき、少なくとも一つの二次ピエゾ分割トランスデューサが交流電圧によって駆動され、結果、一次振動の二次振動への結合を能動的に相殺する。能動的な相殺専用の二次トランスデューサの長さは、二次振動を検知する二次トランスデューサの長さとは異なり得る。
言い換えれば、本開示に記載される任意のリングジャイロスコープを使用する方法は、少なくとも１つの二次ピエゾ分割トランスデューサに第４の電圧信号を印加して、一次振動の二次振動への結合を能動的に相殺するステップを含み得る。
一次分割トランスデューサおよび二次分割トランスデューサがともにリングの全周をカバーしない場合、空いている表面領域（例えば、図５および図６のリング上の未使用領域）を他の目的に使用することができる。図７は代替的な実施形態を示し、参照符号７１１〜７１４、７３１〜７３４、７２および７４は、それぞれ図６の参照符号６１１〜６１４、６３１〜６３４、６２および６４に対応する。この実施形態では、少なくとも１つの第１のセクタまたは第２のセクタの幅は４５°未満である。ジャイロスコープは、第１のセクタまたは第２のセクタと重ならない、リングの第３のセクタ上に１つまたは複数の三次ピエゾ分割トランスデューサを備える。
８つの三次ピエゾ分割トランスデューサ７５１〜７５８が図７に示されている。三次ピエゾ分割トランスデューサの数はより少なくてもよく、この数は一次トランスデューサおよび二次トランスデューサの幅に依存し得る。三次ピエゾ分割トランスデューサの数はまた、８より多くてもよい。いくつかの第３のセクタが第１のセクタと第２のセクタとの間に収まってもよい。
一次振動の振幅を検出するために、三次ピエゾトランスデューサ７５１〜７５８のうちの１つまたは複数を使用することができる。この振幅は、熱応力および他の経年変化の影響により、デバイスの寿命期間中一定に保たれない可能性がある。駆動振幅がドリフトすると、比例する誤差が、検知される振幅にただちに導入されるが、一次振動が監視される場合、この誤差は補正することができる。
言い換えれば、第１のセクタまたは第２のセクタと重ならない、リングの第３のセクタ上に１つまたは複数の三次ピエゾ分割トランスデューサを備えるリングジャイロスコープを使用する方法は、少なくとも１つの三次ピエゾ分割トランスデューサから第５の電圧信号を読み取って、リングジャイロスコープの一次振動の振動振幅を測定するステップを含むことができる。
上述したように、ジャイロスコープが閉ループサーボモードで使用されるとき、または二次共振モードが閉ループフィードバックによって能動的に減衰されるとき、または電気機械力が使用されて直交信号が相殺されるとき、三次ピエゾトランスデューサ７５１〜７５８のうちの１つまたは複数がまた、結合振動を相殺するために使用され得る。
言い換えれば、第１のセクタまたは第２のセクタと重ならない、リングの第３のセクタ上に１つまたは複数の三次ピエゾ分割トランスデューサを備えるリングジャイロスコープを使用する方法は、少なくとも１つの三次ピエゾ分割トランスデューサに第６の電圧信号を印加して、一次振動の二次振動への結合を能動的に相殺するステップを含むことができる。
図８は代替的な実施形態を示し、参照符号８１１〜８１４、８３１〜８３４、８５５〜８５６、８２および８４は、それぞれ図７の参照符号７１１〜７１４、７３１〜７３４、７５５〜７５６、７２および７４に対応する。この実施形態では、第２のセクタ上の３つの二次トランスデューサ８３１〜８３３は４５°よりも大きい幅を有し、第４の二次トランスデューサ８３４は４５°未満の幅を有する。これらすべての二次トランスデューサが二次振動を検出するために使用される。一次セクタ８１１〜８１４上のすべてのトランスデューサは４５°未満の幅を有し、一次振動を励起するために使用される。第３のセクタ上には２つの三次トランスデューサ８５５および８５６しかない。上述したように、一次振動の振幅を検出するために、これらの三次トランスデューサのうちの１つが使用される。もう１つは、上述したように、ジャイロスコープが閉ループサーボモードで使用されるとき、または二次共振モードが閉ループフィードバックによって能動的に減衰されるとき、または電気機械力が使用されて直交信号が相殺されるとき、結合振動を相殺するために使用される。
図８に視覚的に示されるように、リングの全周は、説明された機能のためにトランスデューサによって完全にカバーすることができる。ジャイロスコープは、一次振動を駆動するため、および、印加される電気機械力によって二次振動を補償するための電圧を適切に低く維持しながら、一次信号および二次信号について十分に高い信号対雑音比が得られるように、各機能に対して最適なトランスデューサ長を選択することによって最適化され得る。
ピエゾトランスデューサがリングの上面に製造されるときには、特定の設計上のトレードオフが必要とされ得る。実用的な分割電極トランスデューサは、少なくとも１５μｍ、好ましくは２０μｍを超える幅を必要とする。１０００μｍの外径および６．８μｍの幅を有するシリコンリングは３０ｋＨｚの共振周波数を有するが、そのような狭いリングの上面にピエゾ分割トランスデューサを製造することはほとんど不可能である。
基本的なジャイロスコープリング上でピエゾ変換を実施するためには、リングの幅を広げなければならない。これにより、共振周波数が上がる。リング幅が１５μｍの場合、共振周波数は６７ｋＨｚに増加する。しかし、１μｍのＡｌＮ層を有する１５μｍ幅の分割トランスデューサの合計最大静電容量はわずか３、８ｐＦであり、これが二次振動の検出に加えて、例えば、一次振動の駆動、一次振動の大きさの検知および閉フィードバックループにおける二次振動の相殺のための二次モードにおける補償信号の駆動、および／または、二次共振の減衰、および／または、直交信号の相殺など、多くの機能と共有されることになるため、これでも狭すぎる場合がある。５０％を超える最大静電容量を二次振動の検知に使用するのは容易ではないため、周囲の電子機器と完全に一致させるには、合計静電容量は好ましくは７〜１５ｐＦとすべきある。
リング幅を３０μｍに増やすと、静電容量は７．６ｐＦになるが、対応する共振周波数は１４０ｋＨｚになる。高周波動作では、ジャイロスコープは主に低い周波数である外部振動に対してより強くなるが、一次モードの二次トランスデューサへの直接の機械的結合による直交信号も周波数と共に増加する。
共振周波数を上げすぎずにリングの幅および静電容量を増やす自明の方法は、リングの直径を大きくすることである。直径が１．６ｍｍ、幅が１８μｍに選択される場合、共振周波数は３１ｋＨｚ、静電容量は７．２ｐＦになる。この値は理想的な目標に近い値である。しかし、このジャイロスコープは、直径１ｍｍのジャイロスコープの２．５倍の面積があり、したがって製造コストは２．５倍である。
これらの設計上のトレードオフは、追加の質量要素をリングに固定することによって軽減することができる。これらの質量要素は、リングの内側の部分円セクタのように、またはリングの外側に垂直な側面を有するコーナ要素のように成形することができる。下記のように、他の形状も可能である。これらの追加の質量要素は、リングの弾性的な柔軟性の喪失を招くため、リングの周の大部分をカバーする締結具からリングに取り付けることはできない。しかしながら、各マスが狭い橋のような形状の締結具からリングに取り付けられている場合、相当量の追加の質量が振動システムに追加されても、リングの弾性および当該リングのばね定数（すなわち力／変形比）を維持することができる。共振周波数はばね定数／質量比に依存するため、過度に狭いリングを使用する必要なしに追加の質量要素を使用してシステムの共振周波数を低減することができる。
図９ａは、１つの実施形態による典型的なリングジャイロスコープを示す。明瞭さを保つために、ピエゾトランスデューサは図から省略されているが、上述のトランスデューサの実施形態のいずれをも、本開示に記載の実施形態のいずれかと共に実施することができる。言い換えれば、図９ａの参照符号９２は、先行する図からの参照符号４２、５２、６２、または７２のうちのいずれかに対応し得る。図９ａは、３２個の小さな質量要素９３を有するリング９２を示しており、当該質量要素のすべてがリングの内側に配置されている。各質量要素９３は、リング内の部分円セクタのような形状をしているが、他の形状も使用することができる。
各質量要素９３はブリッジコネクタ９４からリングに取り付けられている。リングの柔軟性がリングに追加された質量要素によって可能な限り影響を受けないようにすることを保証するために、リング周に沿ったブリッジコネクタの幅は、リング周辺部に沿った対応する質量要素９３の幅よりも大幅に小さい。にもかかわらず、ブリッジコネクタ９４は、質量要素９３の重量を支持するのに十分に広くなければならない。したがって、最小幅は質量要素のサイズに依存する。リング９２の面内柔軟性はブリッジコネクタ９４の垂直の高さに依存しないため、ｘｙ平面に垂直な垂直ｚ方向においてブリッジコネクタ９４は質量要素９３およびリング９２と同じ高さであってもよい。ブリッジコネクタ９４の半径方向の長さは、大きな振幅の一次振動を可能にするためにリングと質量要素との間に要求される間隙および製造公差によって制限されて、可能な限り小さくすべきである。一次振動モードおよび二次振動モードにおけるリングの弾性変形と比較してブリッジコネクタのいかなる曲げも無視できるように、半径方向の長さは十分に小さくすべきである。
図１に示す上記で説明したように、４５°の角度におけるリングの２つの楕円共振モードを維持するために、かつ、いかなる他の低次の面内共振モードも導入しないようにするために、すべての質量要素９３の合計によって生成される質量分布は、第１の横対称軸Ｔ１および第２の横対称軸Ｔ２と第１の対角対称軸Ｄ１および第２の対角対称軸Ｄ２の両方に関して対称でなければならない。これは、リングジャイロスコープの基本的な利点を維持するために、すなわち、振動エネルギーを一切漏らさずに共振の高いＱ値を達成し、かつ、外部の線形振動および角振動に対する良好な堅牢性を達成するために、必要とされる。
必要な対称性を維持するには多くの方法がある。図９ａに示す構成は、より一般的には、質量要素の数が４Ｎであり、Ｎはゼロより大きい整数である、かつ質量要素が横対称軸および対角対称軸の両方に関して対称的に分布する構成として説明することができる。図９ａでは、質量要素の数は３２であり、質量要素は対称軸と交差しない。図９ｂは、３２個の要素を有するリングジャイロスコープを示し、４つの質量要素ごとに対称軸が交差している。
質量要素は必ずしも等しいサイズである必要はない。図９ｃは、４つのより大きい質量要素９３１と８つのより小さい質量要素９３２とを有する構成を示す。にもかかわらず、質量要素はすべての対称軸に関して対称的に分布している。
質量要素が取り付けられていないリングでは、１つの振動モードに対する有効移動質量は、総リング質量の２９．７％であることが示され得る。図９ａおよび図９ｂの追加の質量要素９３によって、移動質量は、リングのばね定数に影響を与えることなく相当に増加する。図９ａまたは図９ｂの質量要素の半径方向の長さが２００μｍの場合、２０μｍのリング幅で３０ｋＨｚの共振周波数を生成することができる。質量要素９３が追加されない場合、幅２０μｍのリングの共振周波数は９１ｋＨｚとなる。図９ａおよび図９ｂの質量要素の数が多いため、追加された質量はリングの周に沿ってほぼ均等に分布し、追加された質量の約２９．７％が各モードの有効移動質量に寄与し、これは、分布質量を有する裸のリングと同じ割合である。
別の観点から見ると、質量要素が追加されている１つの振動モードでの有効移動質量は、幅６．８μｍのリング（３０ｋＨｚの共振周波数の生成に適している）のみが使用される場合の１つの振動モードでの有効質量の２５倍になる。言い換えれば、これらの追加の質量要素が使用されると、元の振動エネルギーの２５倍が共振システムに蓄積され、結果、元の最大出力信号よりも５倍大きい出力信号振幅が得られる。１μｍのＡｌＮを使用した場合、２０μｍ幅のトランスデューサセットの総静電容量は４．９ｐＦになる。
所望の共振周波数が５０ｋＨｚである場合、所望の周波数を達成するために、質量要素のない裸のリングはわずか１１μｍの幅でなければならないであろう。これはピエゾトランスデューサにとっては狭すぎる。図９ａおよび図９ｂの質量要素９３の半径方向の長さが２００μｍであると再び仮定すると、質量要素の存在は、依然として共振周波数を５０ｋＨｚに維持しながら、利用可能な幅を２８μｍに増加させる。この場合、振動のエネルギーは、質量要素を追加しないジャイロスコープと比較して、１６倍、信号振幅は４倍増加する。トランスデューサの総静電容量は６．８ｐＦに増加する。質量要素９３の半径方向の長さが３７０μｍに増大すると、５０ｋＨｚの共振周波数でリング幅を３１μｍに増大することができる。このとき、総静電容量は７．５ｐＦになる。
リング直径が約１０００μｍである場合、質量要素の適切な半径方向長さは、例えば、５０〜５００μｍ、１００〜４００μｍ、または２００〜３００μｍの範囲内であり得る。リング幅は、例えば、１５〜５０μｍ、２０〜４０μｍまたは２５〜３５μｍであり得る。リング直径が１０００μｍより大きい場合、質量要素の半径方向長さおよびリング幅は同じ割合で増加し得る。
図９ａおよび図９ｂに示される質量要素の分布はリングジャイロスコープ内の振動質量を増加させるが、追加された質量の全体が振動モードの移動質量に完全に寄与するのではない。リングの一次振動は質量要素を半径方向に動かす。しかし、主軸から離れた位置では半径方向の運動量が減少する。主軸から４５°の角度にある周上の位置では、半径方向の動きはまったくない。対称軸との交点上に正確に配置されていないリング周のすべての部分が半径方向の動きに加えて回転を受けるため、振動はブリッジコネクタもある程度曲げる。主軸から４５°の角度にある周上の位置では、回転しかない。この回転はブリッジコネクタをわずかに曲げ、取り付けられた質量を横に振り、質量要素の半径方向の動きに加えて追加の接線方向の動きを導入する。しかしながら、運動の半径方向成分は、主軸から離れた質量要素については大幅に減少し、４５°の角度でゼロになり、結果、主軸から離れて取り付けられた質量要素は、振動の移動質量に完全には寄与しない。ただし、接線方向の動きは、特に質量要素が半径方向にかなり長い場合には、ある程度、半径方向の動きの減少を補償し得る。
図１０ａ〜図１０ｅは、代替的な実施形態による典型的なリングジャイロスコープを示す。この実施形態では、質量要素のサイズが増大し、質量要素の数が減少している。図１０ａは、すべての質量要素１０３１および１０３２がリングの内側に配置されている実施形態を示している。質量要素の数は８で、各質量要素は、１つの対称軸と交差し、当該対称軸に対して対称になり、かつ当該質量要素のブリッジコネクタが当該対称軸に中心を置かれるように、配置されている。
図１０ａのリングジャイロスコープは、横対称軸と交差する４つの質量要素１０３１と、対角対称軸と交差する４つの質量要素１０３２とを備える。質量要素１０３１は、質量要素と同じ横対称軸と交差するブリッジコネクタ１０４１によってリング１０２に取り付けられている。質量要素１０３２は、質量要素と同じ対角対称軸と交差するブリッジコネクタ１０４２によってリング１０２に取り付けられている。質量要素９３と比較して質量要素１０３１および１０３２のサイズが大きいため、ブリッジコネクタ１０４１および１０４２もまた、図９ａおよび図９ｂのブリッジコネクタ９４よりも広くなければならない。
図１０ａに示す質量要素分布では、質量要素１０３１は駆動振動において横対称軸Ｔ１およびＴ２に沿って前後に動くことになる。センス振動が生じると、質量要素１０３２は対応して対角対称軸Ｄ１およびＤ２に沿って前後に動く。最良の信号対雑音比は典型的には一次モードの共振周波数が二次モードの共振周波数に等しいときに得られる。このバランスは、図１０ａの構成において、各質量要素が等しい広さの部分円セクタを占めるときに得られる。各部分円セクタの幅は、例えば４５°であり得る。
図１０ｂは、質量要素が、リング１０２の内側に配置されている内側質量要素１０３１および１０３２と、リング１０２の外側に配置されている外側質量要素１０３３とを含む代替的な実施形態を示す。図１０ａのように、内側質量要素の数は８で、各内側質量要素１０３１または１０３２は、１つの対称軸と交差し、当該対称軸に対して対称になり、かつ当該質量要素のブリッジコネクタが当該対称軸に中心を置かれるように、配置されている。さらに、外側質量要素１０３３の数は４で、各外側質量要素１０３３は、対角対称軸と交差し、当該対角対称軸に対して対称になり、かつ当該質量要素のブリッジコネクタ１０４３が当該対角対称軸に中心を置かれるように、配置されている。
外側質量要素１０３３は、質量要素と同じ対角対称軸と交差するブリッジコネクタ１０４３によってリング１０２に取り付けられている。センス振動が生じると、質量要素１０３３は対角対称軸Ｄ１およびＤ２に沿って前後に動く。
図１０ｂに示される質量要素分布は、正方形のリングジャイロスコープ構成要素内の利用可能な面積のすべてを利用するのに便利である。ジャイロスコープが内側質量要素と外側質量要素の両方を含む場合、一次モード共振周波数と二次モード共振周波数の等化は、例えば、横対称軸と交差する内側質量要素１０３２が、対角対称軸と交差する内側質量要素１０３１より狭い部分円セクタを占めるようにすることによって得られる。この選択肢は図１０ｂに示されている。１つの外側質量要素＋内側質量要素対１０３２＋１０３３の合計面積は、１つの内側質量要素１０３１の面積に等しくなり得る。
内側質量要素は、必ずしも部分的円セクタのような形状である必要はない。図１０ｃは、内側質量要素１０３１および１０３２が異なる形状を与えられているリングジャイロスコープを示す。４つの対称軸Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、およびＴ４に関する質量要素の対称性が維持される限り、他の多くの形状を使用することもできる。
図１０ａ〜図１０ｃに示す構成では、全質量の５０％の４つの質量要素が横対称軸の交点でリングに接続されており、質量要素は一次振動モードで純粋な半径方向運動を呈する。対角対称軸の交点でリングに接続された４つの質量要素は、主振動モードにおいて接線方向の動きと回転運動との組み合わせを呈する。したがって、一次モードの全有効移動質量は全質量の５０％をはるかに超え、これは、大きな接線方向および回転運動のない、均等に分布した小さい質量要素の２９．７％をはるかに超える。二次振動モードについても同様である。
例として、図１０ｄは、一次振動中の質量要素の動きを示す。節点１０５１〜１０５４はこの共振モードでは半径方向に静止しているが、これらの点は楕円モード形状による回転を呈する。内側質量要素および外側質量要素の各対は、ｘｙ平面に垂直でありかつ質量要素間の節点を通過する軸の周りの回転運動を受け、質量対の重心が対応する節点と一致しない場合、運動の正味の接線方向成分も存在する。この動き、および、横軸と交差する質量要素の半径方向の動きは、白い矢印で示されており、質量要素の動きはすべて一次振動モードでの動き、したがって当該モードにおいて蓄積されるエネルギーに寄与する。図１０ｄに示す振動位相では、対１０３２１＋１０３３１および１０３２３＋１０３３３はそれぞれ節点１０５１および１０５３に対して時計回りに動き、対１０３２２＋１０３３２および１０３２４＋１０３３４はそれぞれ節点１０５２および１０５４に対して反時計回りに動く。リング周の運動が逆転した反対の振動位相では、節点に対する各接線方向運動は反対方向になる。
図１０ｅは、二次振動中の節点の同様の半径方向運動および回転の効果を示す。軸Ｄ１およびＤ２上の節点はここでは純粋な半径方向運動をしており、対角対称軸と交差する内側および外側質量要素は半径方向にのみ動く。一方、横対称軸と交差する内側質量要素１０３１１〜１０３１４は、半径方向にはまったく動かず、ｘｙ平面に垂直でリング上のそれぞれの対称点１０６１〜１０６４を通る軸を中心とした回転を受ける。各質量要素の重心は対応する節点からずれているため、要素は相当の接線方向運動も呈する。図１０ｅに示す振動位相では、質量要素１０３１１および１０３１３はそれぞれ対称点１０６１および１０６３に対して時計回りに動き、対１０３１２および１０３１４はそれぞれ対称点１０６２および１０６４に対して反時計回りに動く。リング周の運動が逆転した反対の振動位相では、対称点を中心とした各接線方向運動は反対方向になる。
各モードについて節点に４つの質量要素を取り付けると、各モードの有効移動質量は、要素の総質量の５０％を超えるまでに増加する。これは、純粋なリングの場合と同様の割合である、全質量の２９．７％のみが各モードに寄与する図９ａおよび図９ｂのような半径のみのモードにおける分散付加質量を用いる場合からは、大幅な改善である。二次モードでは、センサ出力信号は少なくとも３０％高くなる。リングの幅を同じ共振周波数で１０％を超えて増大することができ、したがって、静電容量が増大する。代替的に、リングの直径を１０％を超えて低減してもよい。
上述の質量要素の回転運動および接線方向運動は、振動モードへの運動エネルギーをさらに増加させる。各モードの有効運動質量は、要素の全質量の５０％をはるかに超え、最大１００％になる。これは、純粋なリングの場合と同様の割合である、全質量の２９．７％のみが各モードに寄与する図９ａおよび図９ｂのような半径のみのモードにおける分散付加質量と比べて、大幅な改善である。二次モードでは、センサ出力信号は３０〜８３％高くなる。リングの幅を同じ共振周波数で１０〜２２％だけ増大することができ、したがって、静電容量が増大し、または、代替的に、リングの直径を１０〜２２％だけ低減することができる。
図１０ａ〜図１０ｅに示すリングジャイロスコープが単結晶シリコンから作成されている場合、リング直径が直径１０００μｍのリングである場合、共振周波数が３０ｋＨｚである場合、中心孔の直径が２００μｍである場合、かつ、１μｍ厚のＡｌＮ膜を有するピエゾトランスデューサがリングに利用される場合、リングの幅は２８μｍにすることができ、トランスデューサの総容量は６．８ｐＦになる。周波数が５０ｋＨｚに増大する場合、リングの幅は３９μｍにすることができ、静電容量は９．４ｐＦになる。後者の設計は、静電容量を実際の増幅回路に整合させるのに最適であり得る。
図１１ａ〜図１１ｂは、代替的な実施形態による典型的なリングジャイロスコープを示す。これらの実施形態では、質量要素のサイズは、前の実施形態と比較してここでも増加しており、質量要素の数は減少している。図１１ａは、質量要素が、リングの内側に配置されている内側質量要素１１３１と、リングの外側に配置されている外側質量要素１１３３とを含む実施形態を示す。内側質量要素の数は４で、各内側質量要素は、対角対称軸と交差し、当該対角対称軸に対して対称になり、かつ当該質量要素のブリッジコネクタが当該対角対称軸に中心を置かれるように、配置されている。外側質量要素の数は４で、各外側質量要素は、対角対称軸と交差し、当該対角対称軸に対して対称になり、かつ当該質量要素のブリッジコネクタが当該対称軸に中心を置かれるように、配置されている。
すべての質量要素が節点においてリングに取り付けられ、各モードにおいて等しく動くため、図１１ａに示す質量要素構成では、一次振動および二次振動への質量寄与が質量要素の総質量の１００％に最大化される。これは、純粋なリングの場合と同様の割合である、全質量の２９．７％のみが各モードに寄与する図９ａおよび図９ｂのような半径のみのモードにおける分散付加質量を用いる場合と比較して、多大な改善である。二次モードでは、センサ出力信号は８３％高くなる。リングの幅を同じ共振周波数で２２％だけ増大することができ、したがって、静電容量が増大する。代替的に、リングの直径を２２％だけ低減してもよい。
図１１ａでは、一次振動の１つの位相における各質量要素１１３１および１１３３の運動が太い白色矢印で示されている。一次振動の反対位相では、各質量要素の運動は逆方向になる。内側質量要素１１３１のすべてが対角対称軸と交差するため、質量要素は一次振動において半径方向に前後に動くことはない。代わりに、図１１ａに示すように、すべての質量要素１１３１および１１３３が接線方向に動く。二次振動の１つの位相における各質量要素１１３１および１１３３の運動は、細い白い矢印で示されている。この運動は対角対称軸に沿って半径方向に起こる。
リングジャイロスコープは、代替的に、４つの質量要素がリングの内側に配置され、図１１ａの内側質量要素１１３１のよう位置決めされ、外側質量要素を含まない状態で実装されてもよい。この場合、質量要素の数は４で、各質量要素は、対角対称軸と交差し、当該対角対称軸に対して対称になり、かつ当該質量要素のブリッジコネクタが当該対称軸に中心を置かれるように、配置されている。この構成は別個には示されていない。一次振動および二次振動中のこの構成における質量要素の動きは、図１１ａの質量要素１１３１に対する矢印で示された動きと同じである。
図１１ｂは、質量要素が、リングの内側に配置されている内側質量要素１１３１と、リングの外側に配置されている外側質量要素１１３３とを含む別の実施形態を示す。この場合、内側質量要素１１３１の数は４で、各内側質量要素は、横対称軸と交差し、当該横対称軸に対して対称になり、かつ当該質量要素のブリッジコネクタが当該横対称軸に中心を置かれるように、配置されている。外側質量要素１１３３の数は４で、各外側質量要素は、対角対称軸と交差し、当該対角対称軸に対して対称になり、かつ当該質量要素のブリッジコネクタが当該対称軸に中心を置かれるように、配置されている。
前の図と同様に、一次振動の１つの位相における各質量要素１１３１および１１３３の運動は、図１１ｂにおいて太い白色矢印で示されている。一次振動の反対位相では、各質量要素の運動は逆方向になる。内側質量要素１１３１のすべてが横対称軸と交差するため、内側質量要素は一次振動において半径方向に前後に動く。外側質量要素は、一次振動において接線方向に動く。二次振動の１つの位相における各質量要素１１３１および１１３３の運動は、細い白い矢印で示されている。外側質量要素１１３３は対角対称軸に沿って半径方向に動き、一方、内側質量要素１１３１は接線方向に移動する。
すべての質量要素が節点においてリングに取り付けられ、各モードにおいて等しく動くため、図１１ａに示す質量要素構成では、一次振動への質量寄与が質量要素の総質量の１００％に最大化される。これは、純粋なリングの場合と同様の割合である、全質量の２９．７％のみが各モードに寄与する図９ａおよび図９ｂのような半径のみのモードにおける分散付加質量を用いる場合と比較して、多大な改善である。二次モードでは、センサ出力信号は８３％高くなる。リングの幅を同じ共振周波数で２２％だけ増大することができ、したがって、静電容量が増大し、または、代替的に、リングの直径を２２％だけ低減することができる。
前の例と同様に、リングジャイロスコープは、代替的に、４つの質量要素がリングの内側に配置され、図１１ｂの内側質量要素１１３１のよう位置決めされ、外側質量要素を含まない状態で実装されてもよい。この場合、質量要素の数は４で、各質量要素は、横対称軸と交差し、当該横対称軸に対して対称になり、かつ当該質量要素のブリッジコネクタが当該対称軸に中心を置かれるように、配置されている。この構成は別個には示されていない。一次振動および二次振動中のこの構成における質量要素の動きは、図１１ｂの質量要素１１３１に対する矢印で示された動きと同じである。
代替的に、質量要素はリングの外側に配置される。このとき、質量要素の数は４で、各質量要素は、対角対称軸と交差し、当該対角対称軸に対して対称になり、かつ当該質量要素のブリッジコネクタが当該対称軸に中心を置かれるように、配置されている。この構成は別個には示されていない。一次振動および二次振動中のこの構成における質量要素の動きは、図１１ａおよび図１１ｂの外側質量要素１１３３に対する矢印で示された動きと同じである。
図１１ａおよび図１１ｂに示すリングジャイロスコープが単結晶シリコン材料から作成されている場合、ジャイロスコープが１０００μｍのリング直径および３０ｋＨｚの共振周波数で設計されている場合、リングの中心の孔の直径が２００μｍである場合、かつ、リングに１μｍのＡｌＮ膜を有するピエゾトランスデューサが設けられている場合、リング幅は２８μｍになり得、トランスデューサ全体の静電容量は６．８ｐＦになる。周波数が５０ｋＨｚに増大する場合、リングの幅は３９μｍにすることができ、静電容量は９．４ｐＦになる。後者の設計は、静電容量を実際の増幅回路に整合させるのに最適であり得る。

Claims (12)

  1. リングジャイロスコープであって、
    実質的に円形で柔軟性のリングであり、前記リングは、リング平面を画定し、かつ前記リングが前記リング平面内で形状振動を受けることができるように基板から柔軟に懸架され、前記リングは、互いに直交する前記リング平面内の第１の横対称軸および第２の横対称軸を備え、前記リングはまた、互いに直交する前記リング平面内の第１の対角対称軸および第２の対角対称軸をも備え、各横対称軸と隣接する各前記第１の対角対称軸および前記第２の対角対称軸との間の角度は４５°である、リングを備え、前記ジャイロスコープは、
    前記リングを共振振動するように駆動するように構成され、前記リングの複数の第１のセクタに配置された１つまたは複数の一次ピエゾ分割トランスデューサ、および、前記リングの前記振動を検知するように構成され、前記リングの１つまたは複数の第２のセクタに配置された１つまたは複数の二次ピエゾ分割トランスデューサであり、各第１のセクタは、前記リングの横対称軸と交差し、前記横対称軸に関して対称であり、各第２のセクタは、前記リングの対角対称軸と交差し、前記リングの前記対角対称軸に関して対称である、１つまたは複数の一次ピエゾ分割トランスデューサおよび１つまたは複数の二次ピエゾ分割トランスデューサと、
    前記第１の横対称軸および前記第２の横対称軸と前記第１の対角対称軸および前記第２の対角対称軸の両方に関して対称的な質量分布を形成する４つ以上の質量要素であり、各質量要素はブリッジコネクタから前記リングに取り付けられ、前記ブリッジコネクタは前記リングに沿って均等に分散されている、４つ以上の質量要素と
    をさらに備えることを特徴とする、リングジャイロスコープ。
  2. すべての質量要素がリングの内側に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のリングジャイロスコープ。
  3. 前記質量要素の数が４Ｎであり、ここでＮはゼロより大きい整数であり、前記質量要素が前記横対称軸および前記対角対称軸の両方に関して対称的に分布することを特徴とする、請求項２に記載のリングジャイロスコープ。
  4. 前記質量要素の数が８であり、各質量要素が、１つの対称軸と交差し、前記対称軸に対して対称になり、かつ前記質量要素のブリッジコネクタが前記対称軸に中心を置かれるように、配置されている、請求項２に記載のリングジャイロスコープ。
  5. 前記質量要素の数が４であり、各質量要素が、対角対称軸と交差し、前記対角対称軸に対して対称になり、かつ前記質量要素のブリッジコネクタが前記対角対称軸に中心を置かれるように、配置されている、請求項２に記載のリングジャイロスコープ。
  6. 前記質量要素の数が４であり、各質量要素が、横対称軸と交差し、前記横対称軸に対して対称になり、かつ前記質量要素のブリッジコネクタが前記横対称軸に中心を置かれるように、配置されている、請求項２に記載のリングジャイロスコープ。
  7. すべての質量要素が前記リングの外側に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のリングジャイロスコープ。
  8. 前記質量要素の数が４であり、各質量要素が、対角対称軸と交差し、前記対角対称軸に対して対称になり、かつ前記質量要素のブリッジコネクタが前記対角対称軸に中心を置かれるように、配置されている、請求項７に記載のリングジャイロスコープ。
  9. 前記質量要素が、前記リングの内側に配置されている内側質量要素と、前記リングの外
    側に配置されている外側質量要素とを含むことを特徴とする、請求項１に記載のリングジャイロスコープ。
  10. 前記内側質量要素の数は８であり、各内側質量要素は、１つの対称軸と交差し、前記対称軸に対して対称になり、かつ前記質量要素のブリッジコネクタが前記対称軸に中心を置かれるように、配置されており、
    前記外側質量要素の数は４であり、各外側質量要素は、対角対称軸と交差し、前記対角対称軸に対して対称になり、かつ前記質量要素のブリッジコネクタが前記対角対称軸に中心を置かれるように、配置されていることを特徴とする、請求項９に記載のリングジャイロスコープ。
  11. 前記内側質量要素の数は４であり、各内側質量要素は、対角対称軸と交差し、前記対角対称軸に対して対称になり、かつ前記質量要素のブリッジコネクタが前記対角対称軸に中心を置かれるように、配置されており、
    前記外側質量要素の数は４であり、各外側質量要素は、対角対称軸と交差し、前記対角対称軸に対して対称になり、かつ前記質量要素のブリッジコネクタが前記対角対称軸に中心を置かれるように、配置されていることを特徴とする、請求項９に記載のリングジャイロスコープ。
  12. 前記内側質量要素の数は４であり、各内側質量要素は、横対称軸と交差し、前記横対称軸に対して対称になり、かつ前記質量要素のブリッジコネクタが前記横対称軸に中心を置かれるように、配置されており、
    前記外側質量要素の数は４であり、各外側質量要素は、対角対称軸と交差し、前記対角対称軸に対して対称になり、かつ前記質量要素のブリッジコネクタが前記対角対称軸に中心を置かれるように、配置されていることを特徴とする、請求項９に記載のリングジャイロスコープ。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11668553B2 (en) * 2020-02-14 2023-06-06 Applied Materials Inc. Apparatus and method for controlling edge ring variation
CN114353776A (zh) * 2021-12-31 2022-04-15 瑞声开泰科技(武汉)有限公司 一种基于旋转模态的mems陀螺

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69102590T2 (de) 1990-05-18 1994-10-06 British Aerospace Trägheitssensoren.
JPH10115526A (ja) * 1996-10-15 1998-05-06 Ngk Insulators Ltd 振動ジャイロ・センサ及び振動ジャイロ・センサの製造方法
JPH10132571A (ja) * 1996-10-25 1998-05-22 Murata Mfg Co Ltd 角速度センサ
GB2322196B (en) 1997-02-18 2000-10-18 British Aerospace A vibrating structure gyroscope
JP3942762B2 (ja) * 1998-02-12 2007-07-11 日本碍子株式会社 振動子、振動型ジャイロスコープ、直線加速度計および回転角速度の測定方法
JPH11304494A (ja) * 1998-04-22 1999-11-05 Meidensha Corp 振動ジャイロ及びその使用方法
JP2000009473A (ja) * 1998-06-22 2000-01-14 Tokai Rika Co Ltd ２軸ヨーレートセンサ及びその製造方法
GB0122254D0 (en) 2001-09-14 2001-11-07 Bae Systems Plc Vibratory gyroscopic rate sensor
US7281426B1 (en) * 2006-06-15 2007-10-16 Innalabs Technologies, Inc. Stemless hemispherical resonator gyroscope
EP2239541B1 (en) 2008-01-29 2013-10-23 Sumitomo Precision Products Co., Ltd. Vibrating gyroscope using piezoelectric film
US20110185829A1 (en) * 2008-08-06 2011-08-04 Pioneer Corporation Rotational vibration gyro
US20100058861A1 (en) 2008-09-11 2010-03-11 Analog Devices, Inc. Piezoelectric Transducers and Inertial Sensors using Piezoelectric Transducers
JP5523755B2 (ja) 2009-02-11 2014-06-18 住友精密工業株式会社 圧電体膜を用いた振動ジャイロ及びその製造方法
DE102009001244A1 (de) 2009-02-27 2010-09-02 Sensordynamics Ag Mikro-Gyroskop zur Ermittlung von Rotationsbewegungen um eine x-, y- oder z-Achse
JP2011158319A (ja) * 2010-01-29 2011-08-18 Akebono Brake Ind Co Ltd 角速度センサ
CN103620343B (zh) * 2011-07-04 2016-06-08 株式会社村田制作所 振子及振动陀螺仪
EP2544370B1 (en) 2011-07-06 2020-01-01 Nxp B.V. MEMS resonator
FI126070B (en) * 2014-01-28 2016-06-15 Murata Manufacturing Co Improved ring gyroscope structure and gyroscope
WO2016088291A1 (ja) * 2014-12-01 2016-06-09 ソニー株式会社 センサ素子、ジャイロセンサ及び電子機器
US10113873B2 (en) * 2015-05-22 2018-10-30 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Whole angle MEMS gyroscope
US10317210B2 (en) * 2015-05-22 2019-06-11 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Whole angle MEMS gyroscope on hexagonal crystal substrate
CN104897145B (zh) 2015-05-29 2018-03-23 上海交通大学 一种外缘固定式压电驱动多环陀螺及其制备方法
JP6514790B2 (ja) * 2016-01-27 2019-05-15 株式会社日立製作所 ジャイロスコープ
US10520331B2 (en) * 2017-02-27 2019-12-31 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Calibration system and method for whole angle gyroscope
JP6769517B2 (ja) * 2018-05-08 2020-10-14 株式会社村田製作所 ピエゾリングジャイロスコープ

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