JP7151819B2 - 周囲検出を備えたジャイロスコープ - Google Patents

Description

本開示は、微小電気機械ジャイロスコープに関し、より詳細には、振動プルーフマスシステムを使用して、デバイス面内にある１つの回転軸を少なくとも中心とする角回転を測定するジャイロスコープに関する。

微小電気機械（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープでは、プルーフマスが、一次振動モード（駆動振動モードとも呼ばれ得る）で振動するように容易に駆動され、また、コリオリ力によって引き起こされる二次振動モード（センス振動モードとも呼ばれ得る）の振動も容易に受けることが好ましい。ジャイロスコープにおける一般的な課題は、これらの２つのモードにおけるプルーフマスの振動が、外部外乱、例えば周囲の要素の振動によって摂動しないことが好ましい。ジャイロスコープは、意図した周波数範囲内でジャイロスコープが受ける角回転速度によってのみ出力信号が決定されるように、線形振動と回転振動との両方によって摂動しないことが好ましい。例えば、自動車用途では、潜在的な外乱は通常０ｋＨｚ～５０ｋＨｚの周波数範囲にあり、一方、入力周波数範囲は通常１ｋＨｚ未満である。

単純なＭＥＭＳジャイロスコープは、１つの振動プルーフマスのみを利用して構成されてもよいが、動作周波数に近い周波数で外部振動が存在する場合、通常、そのようなジャイロスコープの出力信号は非常にノイズが多くなる。１つのマスジャイロスコープは、５０ｋＨｚを超える動作周波数でのみ実用的と考えられるが、これらの周波数では、ジャイロスコープの感度が非常に低くなる可能性があり、製造欠陥から生じる直交信号などの他の妨害作用が非常に顕著になることが多い。また、単一マス駆動における不均衡な駆動モードでは、駆動振動の反力による駆動モードからのエネルギー漏洩が生じる。これは、動作に必要な駆動力の増加、安定性問題、および硬質ダイの取付要件など、あらゆる種類の問題を引き起こす。

２つまたは４つのプルーフマスが逆位相で振動するプルーフマスシステムは、マスが１つのジャイロスコープよりも振動に対してはるかにロバストにし得ることが知られている。２つまたは４つのプルーフマスの同位相運動を引き起こす振動から生じる信号成分は、差動測定によってある程度自動的に相殺することができる。さらに、差動共振周波数に影響を与えることなく同位相共振周波数を５０ｋＨｚよりも高くできる場合、通常、妨害振動により共振増幅は生じない。

いくつかのＭＥＭＳジャイロスコープは、デバイス基板に垂直な１つの軸を中心とする回転速度を測定するように設計されている。そのようなジャイロスコープは、ｚ軸ジャイロスコープと呼ばれてもよい。他のＭＥＭＳジャイロスコープは、基板面内にある２つの垂直軸のどちらかを中心とする回転速度を測定するように設計されている。そのようなジャイロスコープは、ｘ軸ジャイロスコープおよび／またはｙ軸ジャイロスコープと呼ばれてもよい。多軸ＭＥＭＳジャイロスコープは、同じ振動プルーフマスセットを用いてｘ軸、ｙ軸、および／またはｚ軸を中心とする回転速度を測定するように設計されている。

特許文献１は、複数のマス要素が連結要素の複雑なシステムと互いに入れ子になったジャイロスコープを開示している。

米国特許出願公開第２０１７／２３４６８４号明細書

本開示の目的は、単純であるがロバストなジャイロスコープ構造体を提供することである。

本開示のその目的は、独立請求項に記載されること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は、従属請求項に開示する。

本開示は、コリオリマスのカルテットをカルテット中心点を中心として配置し、当該カルテットの周囲に近接して１対の長尺マス要素を各コリオリマスに結合するという考えに基づく。適切に結合することで、これらの長尺マス要素の動きからいくつかの二次振動モードを検出することができ、一方、コリオリマスカルテットの動きから他の二次振動モードを検出することができる。

以下に、添付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。
図１は、本開示における一次振動モードおよび二次振動モードを表す記号を示す図である。 図２ａは、第１実施形態によるジャイロスコープを示す図である。 図２ｂは、代替連結ばね部を示す図である。 図２ｃは、代替一次振動モードを示す図である。 図２ｄは、代替一次振動モードを示す図である。 図２ｅは、ｘ軸二次振動モードおよびｙ軸二次振動モードを示す図である。 図２ｆは、代替ｚ軸二次振動モードを示す図である。 図２ｇは、代替ｚ軸二次振動モードを示す図である。 図３ａは、第２実施形態によるジャイロスコープを示す図である。 図３ｂは、代替一次振動モードを示す図である。 図３ｃは、代替一次振動モードを示す図である。 図４ａは、第１実施例を示す図である。 図４ｂは、第１実施例を示す図である。 図５ａは、第２実施例を示す図である。 図５ｂは、第２実施例を示す図である。 図６は、第３実施例を示す図である。

本開示では、休止位置においてデバイス面内にある第１コリオリマスカルテットと、デバイス面内の第１横軸上にある対応する第１カルテット中心点とを備える微小電気機械ジャイロスコープについて説明する。

第１コリオリマスカルテットは、休止位置において第１カルテット中心点を中心として対称に配置される４つのコリオリマスを含み、第１横軸は、デバイス面内において第１縦軸に直交する。第１コリオリマスカルテットの第１コリオリマスおよび第２コリオリマスは、休止位置において第１横軸上に並び、第１コリオリマスカルテットの第３コリオリマスおよび第４コリオリマスは、休止位置において第１縦軸上に並ぶ。

ジャイロスコープは、さらに、第１コリオリマスカルテットの内部に第１カルテット中心点を中心とする第１中央同期部を備える。

ジャイロスコープは、さらに、長尺マス要素の第１対と、第２対と、第３対と、第４対とを備える。第１対をなす長尺マス要素は、第１コリオリマスの外側で第１横軸の両側に縦方向に並ぶ。第２対をなす長尺マス要素は、第２コリオリマスの外側で第１横軸の両側に縦方向に並ぶ。第３対をなす長尺マス要素は、第３コリオリマスの外側で第１縦軸の両側に横方向に並ぶ。第４対をなす長尺マス要素は、第４コリオリマスの外側で第１縦軸の両側に横方向に並ぶ。

長尺マス要素の第１対、第２対、第３対および第４対における各長尺マス要素は、対応する第１周囲アンカーポイントから第１マス要素サスペンダによって懸架される。当該第１マス要素サスペンダは、当該第１周囲アンカーポイントから、当該マス要素の略中点に位置する固定点まで延在する。長尺マス要素の第１対、第２対、第３対および第４対における各長尺マス要素は、対応するコリオリマスに連結ばね部によって取り付けられる。

ジャイロスコープは、各カルテット中心点に位置する中央アンカーポイント、または各カルテット中心点を中心として対称に、例えば中心点と交わる対角軸上に配置された複数の中央アンカーポイントを任意選択で備えてもよい。ジャイロスコープは、また、対応する１以上の中央アンカーポイントから各コリオリマスカルテットを懸架する中央懸架部を備えてもよい。これにより、中央懸架部は、コリオリマスカルテットを構造的に支持し、中央懸架部は、一次振動モードにおけるコリオリマスカルテットの振動を同期させる中央同期部を含んでもよい。本開示で挙げる実施例では、中央同期部を含む中央懸架部を示す。

しかしながら場合によっては、コリオリマスカルテットは、周囲アンカーポイントから、または当該コリオリマス内に形成された開口部内に位置するアンカーポイントから懸架されてもよい。次いで、コリオリマスは、これらのアンカーポイントから十分な構造的支持を得てもよく、中央懸架部を必要としなくてもよい。そのような場合、中央同期部は、構造的に支持することなく同期機能を実施してもよい。

各長尺マス要素は、デバイス面内において長い方の寸法と短い方の寸法とを有する。長い方の寸法が延在する方向は、当該長尺マス要素の長手方向と呼ばれてもよい。本開示において、「横方向に並ぶ」という表現は、両方の長尺マス要素の長手方向が実質的に一致し、これらの長手方向が横になるように、長尺マス要素の対をなす２つの長尺マス要素が端部同士対向するように配置されることを意味する。「縦方向に並ぶ」という表現は、１対の長手方向が縦になる、端部同士が対向する同様の配列を指す。対をなす２つの長尺マス要素は互いに離間しているが、場合によっては、より詳細に以下に説明するように、連結ばね部を２つの長尺マス要素の間に配置して、それらの両方に取り付けてもよい。

「横／縦軸上に並ぶ」という表現は、当該軸がコリオリマスの中点と実質的に交わるように当該コリオリマスが配置されることを指す。コリオリマスは当該軸に対して対称であってもよく、かつ／または、当該軸は当該コリオリマスの重心と交わってもよい。

ｘｙ平面内の各コリオリマスの表面積は、対応する長尺マス要素対の表面積の合計より大きくてもよく、または、対応する長尺マス要素対の表面積の合計と実質的に等しくてもよい。あるいは、ｘｙ平面内の各コリオリマスの表面積は、対応するマス要素対の表面積の合計より小さくてもよい。

長尺マス要素の第１対、第２対、第３対および第４対における各長尺マス要素は、当該固定点の第１側に第１辺と、当該固定点の第２側に第２辺とを有する。固定点の第１側は第２側の反対側であり、長尺マス要素の各対におけるマス要素の第１辺同士は、互いに隣接してもよい。

ジャイロスコープは、さらに、第１コリオリマスカルテットおよび長尺マス要素を一次振動運動させる１以上の駆動変換器と、第１コリオリマスカルテットおよび／または長尺マス要素の二次振動運動を検出する１以上のセンス変換器とを備えてもよい。二次振動運動は、ジャイロスコープが角回転を受ける場合にコリオリ力によって引き起こされる。振動モードの例を以下に挙げる。

本開示で説明する任意選択の中央懸架部は、コリオリマスを構造的に支持する。中央同期部は、所望の一次振動モードおよび二次振動モードに柔軟に対応し、コリオリマスの互いに対する動きが所望の位相で生じない望ましくない振動には強固に抵抗してもよい。中央同期部は、１セットの剛性要素と相互連結される１セットの可撓性要素から構成されてもよい。中央同期部は、可撓性要素同士間および／または剛性要素同士間に開口領域を有してもよい。可撓性要素と剛性要素とが適切な方法で相互連結される場合、所望の対応特性および抵抗特性を得ることができる。そのような相互連結の実施例を以下に述べる。

可撓性要素および剛性要素は、また、互いに連結されることに加え、１以上の中央アンカーポイントに連結されてもよい。これにより、中央同期部はまた、コリオリマスの重量を支持する中央懸架部を形成してもよい。

マス要素サスペンダは、特に長尺マス要素を構造的に支持し、一次振動運動および二次振動運動に柔軟に対応する。連結ばね部は、長尺マス要素と対応するコリオリマスとの間で一次振動運動を結合し、また、より詳細に以下に説明する方法で二次振動運動にも柔軟に対応する。

センス変換器が生じたコリオリ力を検出することができる信号対雑音比は、二次振動の振幅に依存する。懸架部および結合部は、コリオリマスおよび長尺マス要素が所望の一次振動モードおよび二次振動モードで振動することを柔軟に可能にする一方、望ましくない振動モードにおけるこれらのマスの振動には強固に抵抗することが好ましい。所望の振動モードの例を以下に挙げる。

本開示において、デバイス面が図示され、ｘｙ平面と称される。ｘ方向は横方向、ｙ方向は縦方向と称される。デバイス面はまた、水平面と呼ばれてもよい。ｚ軸は、ｘｙ平面に垂直である。ｚ軸はまた、垂直軸と呼ばれてもよい。プルーフマスが休止位置から遠ざかる場合にデバイス面内において水平のままである線形運動および／または回転運動は、「面内」運動または「デバイス面内運動」と称されてもよく、一方、プルーフマスが休止位置から垂直方向に遠ざかる線形運動および／または回転運動は、「面外」運動または「デバイス面外運動」と称されてもよい。

本開示において、「水平」および「垂直」という用語は、単に、それぞれデバイス面およびデバイス面に垂直な方向を指す。デバイス面は、通常、微小機械構造体が作製される基板によって定義される。「水平」および「垂直」という用語は、製造中または使用中にデバイスをどのように方向付けるべきかについては何も示唆していない。「上方」および「下方」という用語は、図を説明する際の垂直ｚ座標の差を指しており、「上に」および「下に」という用語は、逆の２つの垂直方向を指す。

デバイス面に垂直な任意の軸を中心とする回転は、ｚ軸を中心とする回転と称される。同様に、図示したｘ軸と平行な任意の軸を中心とする回転は、ｘ軸を中心とする回転と称され、図示したｙ軸と平行な任意の軸を中心とする回転は、ｙ軸を中心とする回転と称される。これらの３つのタイプの回転でコリオリ力によって引き起こされる二次振動モードは、それぞれｚ軸二次振動モード、ｘ軸二次振動モードおよびｙ軸二次振動モードと称される。

本開示において、「ばね」という用語は、少なくとも一方向において可撓性を有するデバイス部品を指す。「サスペンダ」という用語は、固定部（アンカーポイントなど）と、デバイスが動作するときに振動するデバイス部品との間に配置される（場合によっては他のデバイス部品と共に）ばねを指す。「懸架構造体」および「懸架部」という用語は、共に可動マスを構造的に支持する部品のより複雑な組合せを指す。懸架構造体および懸架部は、所望の振動モードに対応するために必要な可撓性を与える少なくとも１つの可撓性サスペンダを含む。懸架構造体および懸架部は、多くのサスペンダを含んでもよく、また、剛性部分を含んでもよい。懸架された可動マスが動いているとき、サスペンダは通常、曲がるか、またはねじれる。

可動マスが動いているとき（当該剛性部分と、対応するアンカーポイントとの間に１以上の可撓性サスペンダがあると仮定する）、懸架構造体／部の剛性部分は動くことが多い。いくつかのばねは、同期構造体を形成してもよく、または、剛性部分と組み合わされて同期構造体を形成してもよい。同期構造体は、また、懸架構造体として機能してもよい。あるいは、同期構造体は、構造的に支持することなく同期を行ってもよい。より一般的には、マス要素を互いに連結し、１つのマス要素から別のマス要素に振動を伝達するばねはまた、結合ばねまたは連結ばねと呼ばれてもよい。動きを伝達することは、通常、結合／連結ばねの主要な機能であるが、同期機能を実施するように設計されることも多い。そのようなばねが含まれる構造体は、結合構造体または連結構造体と呼ばれてもよい。

本開示全体を通して、「同期する」という用語および「構造体Ａは、振動モードＸを同期させる」などの表現は、以下の意味を有する。構造体Ａは、所望のモードＸで振動することが好ましく、望ましくないモードＹでは振動しないことが好ましい相互連結されたマス要素のシステムにおいて機械的連結を構成する。構造体Ａは、剛性および可撓性の有益な組合せを示し、その結果、構造体Ａの存在により、システムにおけるモードＸの共振周波数Ｆ_ＸとモードＹの共振周波数Ｆ_Ｙとの関係が改善される。

例えば、構造体Ａの存在により、比率Ｆ_Ｙ／Ｆ_Ｘおよび／または差Ｆ_Ｙ－Ｆ_Ｘが増加してもよい。この改善が測定される基準状態は、場合によっては構造体Ａのない同じマス要素システムであってもよい。この場合、構造体Ａは同期にのみ必要とされる。その他の場合において、マス要素の重量を支持するためにも構造体Ａが必要なときは、同期改善が測定される基準状態は、構造的支持のみを与える代替構造体ＢでＡを置き換えた同じマス要素システムであってもよい。

一般に、懸架部、同期部および結合部はすべて、支持するように、および特定の方向に可撓性、他の方向に剛性を有するように最適化される。これらの３つの変数は互いに相反し得るため、最適化とは、良好な妥協的解決策を見つけることを意味する。ジャイロスコープのすべての要素が、これらの妥協に影響を与える可能性がある。

本開示において、「径方向」振動とは、中心点から離れ、および中心点に向かうｘｙ平面内の線形運動を指す。「接線方向」振動とは、中心点を中心とする仮想円の接線に沿った、ｘｙ平面、ｘｚ平面（横垂直）またはｙｚ平面（縦垂直）内の動きを指す。ｘｙ平面内の接線方向振動は、面内接線方向振動と呼ばれてもよく、一方、ｘｚ平面内およびｙｚ平面内の接線方向振動は、面外接線方向振動と呼ばれてもよい。接線方向振動は、実際には、線形運動と回転との混合物になる場合がある。通常、コリオリマスがどのように接線方向に動くかは、懸架部によって決まる。

本開示の図において、別段の記載がない限り、コリオリマスの配置は休止位置に対応する。本開示の様々な実施形態におけるプルーフマスの振動方向、および振動間の位相関係は、図１に示した記号を用いて示す。行１１に示した白矢印は、デバイス面内に生じる一次振動モードを示す。行１２の黒矢印は、ジャイロスコープがｚ軸を中心とする回転を受ける場合に（デバイス面内に）生じ得る二次モードを示す。行１３に示した１対の記号は、一緒に用いて、ジャイロスコープがｘ軸を中心とする回転を受けたときのプルーフマス対の面外運動を示す。行１４に示した１対の記号は、一緒に用いて、ジャイロスコープがｙ軸を中心とする回転を受けたときのプルーフマス対の面外運動を示す。行１３および１４の両方において、クロスは観察者から遠ざかる動きを示し、ドットは観察者に向かう動きを示す。

本開示に示すいずれの実施形態においても、例えば、１以上のコリオリマス内に形成された開口部に容量性駆動変換器が実装されてもよい。ｚ軸二次振動モードを検出するために、１以上のコリオリマスの開口部内に、または１以上のコリオリマスに隣接して容量性センス変換器が実装されてもよい。容量性ｘ軸センス変換器および容量性ｙ軸センス変換器が、それぞれｘ軸二次振動モードおよび／またはｙ軸二次振動モードを検出するために１以上のコリオリマスの上方および／または下方に実装されてもよい。変換器は、本開示の図に示していない。
第１実施形態

図２ａは、第１横軸２９１および第１縦軸２９２が第１ジャイロスコープ中心点で互いに交差するジャイロスコープを概略的に示す。第１コリオリマス、第２コリオリマス、第３コリオリマスおよび第４コリオリマス２１１～２１４は、第１ジャイロスコープ中心点の周りに第１コリオリマスカルテットを形成する。第１コリオリマスカルテットの動きは、中央同期部２７１によって同期する。

ジャイロスコープは、第１長尺マス要素および第２長尺マス要素２２１１＋２２１２によって形成された長尺マス要素の第１対を備える。これらの２つの要素は、第１コリオリマス２１１の外側に縦方向に並ぶ。ジャイロスコープは、また、第３長尺マス要素および第４長尺マス要素２２２１＋２２２２によって形成された長尺マス要素の第２対と、第５長尺マス要素および第６長尺マス要素２２３１＋２２３２によって形成された長尺マス要素の第３対と、第７長尺マス要素および第８長尺マス要素２２４１＋２２４２によって形成された長尺マス要素の第４対とを備える。上に定義したように、第２対は縦方向に並び、第３対および第４対は横方向に並ぶ。第１長尺マス要素２２１１の第１辺および第２辺には、それぞれ参照番号２２１１１および２２１１２を付した。他の長尺マス要素の第１辺および第２辺に付した参照番号も、同じ方法によるものである。長尺マス要素は、それぞれ第１辺および第２辺に対応する第１端部および第２端部を有する。

ジャイロスコープは、コリオリマスカルテットの周囲に配置された１セットの第１周囲アンカーポイント２３１１～２３１２、２３２１～２３２２、２３３１～２３３２および２３４１～２３４２を備える。ここでは、第１周囲アンカーポイントを長尺マス要素の外側に図示するが、代替方法として、対応する長尺マス要素よりもジャイロスコープ中心点側に配置してもよく、または、当該マス要素内の開口部に位置付けしてもよい。

図２ａでは、各第１周囲アンカーポイントが１つ長尺マス要素のみに対応するように、各長尺マス要素は、個別の第１周囲アンカーポイントから懸架されている。図２ａのジャイロスコープは、１セットの第１マス要素サスペンダ２４２を備える。各第１マス要素サスペンダ２４２は、対応する周囲アンカーポイントから長尺マス要素を懸架し、以下に紹介する一次振動モードおよび二次振動モードにおける取り付けられた長尺マス要素の動きに柔軟に対応する。

あるいは、対をなす２つの長尺マス要素が同じ第１周囲アンカーポイントから懸架されるように、第１周囲アンカーポイントの数を減らすことが可能であろう。次いで、第１マス要素サスペンダは、当該第１周囲アンカーポイントから対応する長尺マス要素まで延在する剛性部分と、一次振動モードおよび二次振動モードにおける取り付けられた長尺マス要素の動きに対応する可撓性部分とを含んでもよい。この選択肢を別には図示していない。各第１周囲アンカーポイントが対応するマス要素の近くにある図２ａの構成では、アンカーポイントが長尺マス要素からより遠くにある場合よりも、第１マス要素サスペンダ２４２によってもたらされる支持よび屈曲を単一の均一なサスペンダに容易に組み込むことができる。

図２ａは、また、長尺マス要素の各対と対応するコリオリマスとの間の連結ばね部２４１を示す。この場合、各長尺マス要素は、それ自体の連結ばね部によって隣接するコリオリマスに連結され、各連結ばね部は、対応する長尺マス要素の略中点に取り付けられる。図２ｂは、２つの長尺マス要素２２３１と２２３２とが同じ連結ばね部２４１を共有する代替選択肢を示し、連結ばね部２４１は、第１ばねで互いにマス要素を結合し、第１ばねから隣接するコリオリマス２１３まで延在する第２ばねを含む。ここでは、各連結ばね部は、コリオリマスに取り付けられる対をなす２つの対応する長尺マス要素の隣接する端部に取り付けられる。これらの選択肢のどちらかを本開示に示す任意の実施形態および任意の例に用いることができる。さらに、隣接するコリオリマスに長尺マス要素を結合するために図２ａの連結ばね部を利用し、長尺マス要素を互いに結合するために別個のマス要素結合ばねを使用することも可能である。これらのマス要素サスペンダ、連結ばね部および中央懸架部の実施例を以下に挙げる。

図２ｃは第１一次振動モードを示し、要素が休止位置から遠ざかっているのを示す。コリオリマス２１１～２１４はすべて、ジャイロスコープ中心点に対して径方向に線形振動する。一次振動周期の図示した半分において、コリオリマス２１３および２１４が中心点から遠ざかるように線形平行移動で動くと、コリオリマス２１１および２１２はジャイロスコープ中心点に向かって線形平行移動で動く。一次振動周期の逆半分（図示せず）では、各コリオリマスの動きは、逆の径方向に動くように逆転する。言い換えれば、第１一次振動モードにおいて、コリオリマス２１１および２１２は第１横軸２９１上を逆位相で動き、一方、コリオリマス２１３および２１４は、第１縦軸２９２上を逆位相で動く。

各コリオリマスに結合される長尺マス要素は、デバイス面内において回転運動を受ける。図に示すように、マス要素のうちの一方が反時計回りに回転すると他方は時計回りに回転するため、コリオリマスのうちの１つに結合された長尺マス要素の各対の回転は、逆位相回転と呼ばれてもよい。この場合も、一次振動周期の逆半分では、それらの動きは逆転する。長尺マス要素の回転角は、説明のために非常に誇張した。図２ｂでは、対応するコリオリマスの動きに対する長尺マス要素の図示した回転位相は、図２ａに示した連結ばね部２４１によって得られる。図２ｂの連結ばね部が代わりに利用される場合、位相は逆になるであろう（例えば、コリオリマス２１１が右に動くと、長尺マス要素２２１１は反時計回りに回転し、一方、２２１２は時計回りに回転するであろう）。

各第１マス要素サスペンダは、対応する長尺マス要素の取付点に取り付けられ、取付点は、当該長尺マス要素の中点または中点付近にある。取付点は、例えば図２ａが示すように当該長尺マス要素の縁部にあってもよく、または代替として、図４ａおよび図５ａが示すように長尺マス要素の開口部内にあってもよい。第１マス要素サスペンダは、各長尺マス要素が、当該長尺マス要素の重心と実質的に交わる垂直ｚ軸を中心に一次振動モードで回転することを可能にするバランスのとれた懸架を任意選択で行ってもよい。各マス要素の重心は、当該長尺マス要素の中点または中点付近にあってもよい。

さらなる選択肢（先の選択肢と無関係に、または先の選択肢と共に実装されてもよい）は、第１マス要素サスペンダが、後述するｘ軸二次振動モードおよびｙ軸二次振動モードにおいてバランスのとれた懸架を行うことである。その場合、第１マス要素サスペンダはまた、取り付けられた長尺マス要素が、当該長尺マス要素の重心と実質的に交わる水平（当該長尺マス要素に応じて横または縦のどちらか）軸を中心とする当該二次振動モードのうちの一方においてデバイス面外に回転することも可能にする。次いで、各長尺マス要素は、その重心の最小の動きを含む回転慣性モーメントとして一次振動および／または二次振動で動く。バランスのとれた懸架に関するこれらの考慮事項は、以下に述べる第２一次振動モードにおいても、本開示に示すすべてのｘ軸二次振動モードおよびｙ軸二次振動モードならびにすべての実施例に適用される。

図２ｄは、第１一次振動モードの代替である第２一次振動モードを示す。ここで、デバイス部品が休止位置から遠ざかっているのを示す。どちらかの一次振動モードを用いることができる。一次振動モードの選択に基づいて、二次振動モードはある特定の差異を示す。さらに、中央同期部は、選択された一次振動モードに対応するように設計されなければならない。

第２一次振動モードでは、コリオリマス２１１～２１４はすべて、ジャイロスコープ中心点に対して径方向に線形振動する。しかしながら、図２ｃとは異なり、一次振動周期の図示した半分では、４つのコリオリマス２１１～２１４すべてがジャイロスコープ中心点に向かって同時に線形平行移動で動く。一次振動周期の逆半分では（図示せず）、４つのコリオリマス２１１～２１４すべてがジャイロスコープ中心点から外側に向かって逆の径方向に同時に動く。図２ｃのように、コリオリマス２１１および２１２は第１横軸２９１上を逆位相で動き、一方、コリオリマス２１３および２１４は第１縦軸２９２上を逆位相で動く。

各コリオリマスに結合される長尺マス要素は、第１一次振動モードの場合と同じ回転運動を受け、この振動は、図２ｄが示すように、各長尺マス要素が結合されるコリオリマスの振動と同期する。図２ｄにおいて、対応するコリオリマスの動きに対する各長尺マス要素の回転位相は、図２ｃの場合と同じである。図２ｃのように、図２ｂの連結ばね部の利用により、図２ｄにおいても逆位相の回転が生じるであろう。

図２ｅは、ジャイロスコープがそれぞれｘ軸およびｙ軸を中心とする回転を受ける場合にコリオリ力によって引き起こされるｘ軸二次振動モードおよびｙ軸二次振動モードを示す。ここで、長尺マス要素はｘｙ平面外に回転する。ｙ軸二次振動モードでは、長尺マス要素の第２対において第１端部が上がり、第２端部が下がると、長尺マス要素の第１対の第１端部は下がり、第２端部は上がる。言い換えれば、第１対の長尺マス要素は、図２ｃおよび図２ｄにおいて垂直軸を中心に逆位相で回転するのと全く同じように、互いに対して横回転軸を中心に逆位相で回転する。同様に、第１対は全体として、第２対に対して逆位相で回転する。

ｘ軸二次振動モードでは、長尺マス要素の第４対において第１端部が上がり、第２端部が下がると、長尺マス要素の第３対の第１端部は下がり、第２端部は上がる。これにより、第３対の長尺マス要素も、この場合、図２ｃおよび図２ｄにおいて垂直軸を中心に逆位相で回転するのと全く同じように、縦回転軸を中心に逆位相で回転する。第３対は全体として、第４対に対して逆位相で回転する。

図２ｅに示したｘ軸二次振動モードとｙ軸二次振動モードとの位相関係は、第２一次振動モードに対応する。第１一次振動モードが用いられる場合、コリオリマス２１３～２１４に結合された長尺マス要素の振動位相に対するコリオリマス２１１～２１２に結合された長尺マス要素の二次振動位相は、図２ｅに示すものの逆になる（これについて、別には図示していない）。

なお、コリオリマス２１１～２１４は、図２ｅに示したｘ軸二次振動モードおよびｙ軸二次振動モードに関与しない（第１一次振動モードが用いられる場合にも、これらのモードに関与しない）。言い換えれば、ジャイロスコープがｘ軸またはｙ軸を中心とする回転を受ける場合でさえ、コリオリマス２１１～２１４はｘｙ平面内にとどまっている。次いで、ｘ軸二次振動モードおよびｙ軸二次振動モードは、長尺マス要素の面外運動を測定する１以上のセンス変換器のみを用いて検出される。ｘ軸およびｙ軸を中心とする振動を測定する専用のセンス変換器は、例えば、第１容量性電極として長尺マス要素の一端部と、第２容量性電極としてデバイスパッケージ（または他の筐体）の壁上の垂直方向に隣接する固定電極とを使用することによって構成することができる。これにより、ｘ軸およびｙ軸を中心とする回転を検出するセンス変換器は、各ジャイロスコープ中心点の周囲に配置されてもよい。中央懸架構造体は、例えば、コリオリマス２１１～２１４をｘｙ平面内に維持するために面外方向に剛性を有してもよい。ｘ軸二次振動モードおよびｙ軸二次振動モードならびに関連するセンス変換器に関するこれらの考慮事項は、本開示に示すすべての実施形態および例に適用される。

ジャイロスコープがｚ軸を中心に回転する場合、コリオリマス２１１～２１４は二次振動を受ける。中央同期部と、長尺マス要素への結合部とは、第１ｚ軸二次振動モードに柔軟に対応し、この第１ｚ軸二次振動モードは、一次振動モードが第１一次振動モードであり、かつジャイロスコープがｚ軸を中心とする角回転を受ける場合にコリオリ力によって引き起こされる。第１ｚ軸二次振動モードを図２ｆに示す。

この二次振動モードでは、コリオリマス２１１～２１４はすべて、図に示す方向に第１ジャイロスコープ中心点に対して接線方向に動く。振動周期の逆半分では、これらのコリオリマスの各々は逆の接線方向に動く。そして、ジャイロスコープは、また、第１ｚ軸二次振動モードにおけるコリオリマス２１１～２１４の振動を検出するセンス変換器も備えるべきである。

しかしながら、中央同期部と、長尺マス要素への結合部との構成方法に応じて、コリオリマス２１１～２１４の接線方向振動は平行運動と回転運動との混合物になる場合があり、これにより、場合によっては、これらのマスの動きからｚ軸二次振動振幅を正確に検出することが困難になる可能性がある。追加の検出マス２５１～２５４がジャイロスコープに加えられてもよい。これらの検出マスの（第１ジャイロスコープ中心点に対する）対角線方向の動きにより、第１ｚ軸二次振動モードの検出がより容易になる。

図２ｆに示したジャイロスコープは、共に検出マスカルテットを形成する第１検出マス、第２検出マス、第３検出マスおよび第４検出マス２５１～２５４を備え、検出マスカルテットは、休止位置において、第１ジャイロスコープ中心点を中心として対称に配置される。第１検出マス２５１および第２検出マス２５２は第１対角軸２９３上に並び、第１対角軸２９３は、横軸２９１および縦軸２９２と４５度の角度で交差し、ジャイロスコープ第１中心点と交わる。第３検出マス２５３および第４検出マス２５４は第２対角軸２９４上に並び、第２対角軸２９４は、第１対角軸２９３に直交し、第１ジャイロスコープ中心点と交わる。

横コーナーばね２６１～２６４は、横方向に隣接するコリオリマスから各検出マス（それぞれ２５１～２５４）まで延在する。縦コーナーばね２７１～２７４は、縦方向に隣接するコリオリマスから各検出マス（それぞれ２５１～２５４）まで延在する。

言い換えれば、第１横コーナーばね２６１および第３横コーナーばね２６３は、図２ｆに示すように、第３コリオリマス２１３から、それぞれ第１検出マス（２５１）および第３検出マス（２５３）まで延在する。第２横コーナーばね２６２および第４横コーナーばね２６４は、第４コリオリマス２１４から、それぞれ第２検出マス（２５２）および第４検出マス（２５４）まで延在する。第１縦コーナーばね２７１および第４縦コーナーばね２７４は、第１コリオリマス２１１から、それぞれ第１検出マス（２５１）および第４検出マス（２５４）まで延在し、一方、第２縦コーナーばね２７２および第３縦コーナーばね２７３は、第２コリオリマス２１２から、それぞれ第２検出マス（２５２）および第３検出マス（２５３）まで延在する。

コリオリマス２１１～２１４が第１ｚ軸二次振動モードで接線方向に振動する場合、この接線方向振動は、横コーナーばねおよび縦コーナーばねによって検出マスに伝達される。互いに逆の接線方向におけるプルーフマス２１１および２１３の振動により、検出マス２５１は第１ジャイロスコープ中心点に向かって引っ張られ、一方、互いに逆方向のプルーフマス２１２および２１３の振動により、検出マス２５３は第１ジャイロスコープ中心点から遠ざかるように引っ張られる。コーナーばねによって与えられる横方向および縦方向の運動量は等しい（または、ほぼ等しい）ため、検出マスは、図２ｆに示した方法で対角軸２９３および２９４に沿って径方向振動で動く。

横コーナーばねは横方向に剛性を有し、縦方向に可撓性を有し、一方、縦コーナーばねは縦方向に剛性を有し、横方向に可撓性を有する。言い換えれば、すべてのコーナーばねは、それらの寸法により、第１一次振動モードに柔軟に対応するために必要な径方向の可撓性を有するが、接線方向においては剛性がはるかに高い。

これは、第１コリオリマスカルテットの一次振動モードにより、検出マス２５１～２５４は作動しないことを意味する。それどころか、検出マス２５１～２５４は、ジャイロスコープがｚ軸を中心とする回転を受けない限り実質的に静止したままである。

各検出マスは、当該検出マスが並ぶ対角軸（２９３、２９４）上にある対角線上に配置されたアンカーポイント（図示せず）から懸架されてもよい。対角アンカーポイントは、例えば、当該検出マスに形成された開口部内に位置してもよい。

容量性センス変換器は、第１ｚ軸二次振動モードにおける図示した径方向の動きを検出するために、１以上の検出マスの開口部内または１以上の検出マスに隣接して実装されてもよい。

図２ｇは、第１コリオリマスカルテットが第２一次振動モードで駆動され、ジャイロスコープがｚ軸を中心とする回転を受ける場合にコリオリ力によって引き起こされる第２ｚ軸二次振動モードを示す。この場合、コリオリマス２１１～２１４はすべて、第１ジャイロスコープ中心点に対して同じ接線方向に動く。振動周期の逆半分では、これらのコリオリマスの各々は逆の接線方向に動く。容量性センス変換器は、第２ｚ軸二次振動モードにおける動きを検出するために、コリオリマス２１１～２１４の開口部内またはこれらのコリオリマスのうちの１以上に隣接して実装されてもよい。図２ｆの２４１～２４４などの追加の検出マスを利用し、それらにセンス変換器を連結することも、図２ｇにおいて可能であろう。

図２ｆ～図２ｇのコリオリマス２１１～２１４の二次振動が、これらのコリオリマスに結合される長尺マス要素に伝達されないように、連結ばね部２４１は、ｚ軸二次振動モードに対して可撓性を示すことが好ましい。このことは、以下に述べる例示的連結ばね部を用いて達成することができる。
第２実施形態

図３ａはジャイロスコープを示し、参照番号３１１～３１４、３２１１、３２１１１、３２１１２、３２１２、３２１２１、３２１２２、３２２１、３２２１１、３２２１２、３２２２、３２２２１、３２２２２、３２３１、３２３１１、３２３１２、３２３２、３２３２１、３２３２２、３２４１、３２４１１、３２４１２、３２４２、３２４２１、３２４２２、３３１１、３３１２、３３２１、３３２２、３３３１、３３３２、３３４１、３３４２、３４１～３４２、３７１および３９１～３９２は、それぞれ図２ａの参照番号２１１～２１４、２２１１、２２１１１、２２１１２、２２１２、２２１２１、２２１２２、２２２１、２２２１１、２２２１２、２２２２、２２２２１、２２２２２、２２３１、２２３１１、２２３１２、２２３２、２２３２１、２２３２２、２２４１、２２４１１、２２４１２、２２４２、２２４２１、２２４２２、２３１１、２３１２、２３２１、２３２２、２３３１、２３３２、２３４１、２３４２、２４１～２４２、２７１および２９１～２９２に対応する。

ジャイロスコープは、さらに、休止位置においてデバイス面内にある第２コリオリマスカルテットと、第１横軸３９１上にある対応する第２カルテット中心点とを備える。

第２コリオリマスカルテットは、休止位置において第２カルテット中心点を中心として対称に配置される４つのコリオリマス３５１～３５４を含み、第１横軸３９１は、デバイス面内において第２縦軸３９３に直交する。第２コリオリマスカルテットの第１コリオリマスおよび第２コリオリマス３５１～３５２は、休止位置において第１横軸３９１上に並び、第２コリオリマスカルテットの第３コリオリマスおよび第４コリオリマス３５３～３５４は、休止位置において第２縦軸３９３上に並ぶ。ジャイロスコープは、さらに、第１カルテット中心点と第２カルテット中心点との略中間で第１横軸３９１と交差する第３縦軸３９４を備える。

対応するカルテット中心点に対する第１コリオリマス、第２コリオリマス、第３コリオリマスおよび第４コリオリマスの休止位置は、第１カルテット（３１１～３１４）と第２カルテット（３５１～３５４）の両方において同じである。両方のコリオリマスカルテットの第３コリオリマス（３１３、３５３）は第１横軸３９１の第１側に位置し、両方のコリオリマスカルテットの第４コリオリマス（３１４、３５４）は、第１横軸３９１の第２側に位置する。第１コリオリマスカルテットの第２コリオリマス（３１２）と第２コリオリマスカルテットの第１コリオリマス（３５１）とは、第３縦軸（３９４）の両側で互いに隣接している。

ジャイロスコープは、さらに、第２コリオリマスカルテット（３５１～３５４）の内部に第２カルテット中心点を中心とする第２中央同期部（３７２）を備える。

ジャイロスコープは、さらに、長尺マス要素の第５対（３６１１～３６１２）と、第６対（３６２１～３６２２）と、第７対（３６３１～３６３２）と、第８対（３６４１～３６４２）とを備える。第５対をなす長尺マス要素（３６１１、３６１２）は、第２コリオリマスカルテットの第１コリオリマス３５１の外側で第１横軸３９１の両側に縦方向に並ぶ。第６対をなす長尺マス要素（３６２１、３６２２）は、第２コリオリマスカルテットの第２コリオリマス３５２の外側で第１横軸３９１の両側に縦方向に並ぶ。第７対をなす長尺マス要素（３６３１、３６３２）は、第２コリオリマスカルテットの第３コリオリマス３５３の外側で第２縦軸３９３の両側に横方向に並ぶ。第８対をなす長尺マス要素（３６４１、３６４２）は、第２コリオリマスカルテットの第４コリオリマス３５４の外側で第２縦軸３９３の両側に横方向に並ぶ。

長尺マス要素の第５対、第６対、第７対および第８対における各長尺マス要素は、対応する第２周囲アンカーポイント（３３５１～３３５２、３３６１～３３６２、３３７１～３３７２、３３８１～３３８２）から第２マス要素サスペンダ３４４によって懸架される。当該第２マス要素サスペンダ３４４は、当該第２周囲アンカーポイントから、当該長尺マス要素の略中点に位置する固定点まで延在する。長尺マス要素の第５対、第６対、第７対および第８対における各長尺マス要素は、対応するコリオリマスに連結ばね部３４３によって取り付けられる。

ジャイロスコープは、また、第３縦軸３９４を横切って長尺マス要素の第２対３２２１＋３２２２を長尺マス要素の第５対３６１１＋３６１２に結合する横同期ばね３７５を備えてもよい。横同期ばね３７５は、例えば、要素３２２１＋３２２２を互いに結合するばねから、要素３６１１＋３６１２を互いに結合する別のばねまで延在してもよい。これを以下の実施例において説明する。

第１実施形態において第１マス要素サスペンダおよび連結ばね部について述べたすべてのことは、この実施形態における第２マス要素および連結ばね部にも同様に適用される。

図３ｂは、第１一次振動モードを示す。ここで、デバイス部品が休止位置から遠ざかっているのを示す。ここで、第１コリオリマスカルテットおよび第２コリオリマスカルテットと、結合された長尺マス要素との両方は、図２ｃに示した第１一次振動モードに対応する方法で振動する。それらは逆位相でそのように振動し、その結果、例えば、第２カルテット３５１の第１コリオリマスが左に（第２ジャイロスコープ中心点から遠ざかるように）動くと、第１カルテットの第１コリオリマス３１１は右に（第１ジャイロスコープ中心点に向かって）動き、その逆も同様である。中央横同期ばね３７５は、第１カルテットの一次振動を第２カルテットの一次振動に結合することができる。各コリオリマスカルテットの振動は、さらに、対応する中央同期部によって同期させてもよい。

図３ｃは、第２一次振動モードを示す。ここで、デバイス部品が休止位置から遠ざかっているのを示す。ここで、第１コリオリマスカルテットおよび第２コリオリマスカルテットと、結合された長尺マス要素との両方は、図２ｄに示した第２一次振動モードに対応する方法で振動する。この場合も、それらは逆位相でそのように振動し、その結果、第２カルテットのすべてのマスが第２ジャイロスコープ中心点から遠ざかるように動くと、第１カルテットのすべてのコリオリマスは第１ジャイロスコープ中心点に向かって動き、その逆も同様である。マス３１２および３５１は常に第１横軸に沿って同じ方向に動くため、この場合も、横同期ばね３７５は、第１カルテットの振動を第２カルテットの振動に有効に結合することができる。この場合も、各コリオリマスカルテットの振動は、さらに、対応する中央同期部によって同期させてもよい。

第１一次振動モードおよび第２一次振動モードの両方において、コリオリマス３１１および３１２は第１横軸３９１上を逆位相で動き、コリオリマス３５１および３５２もまた、第１横軸３９１上を逆位相で動き、一方、コリオリマス３１３および３１４は第１縦軸３９２上を逆位相で動き、コリオリマス３５３および３５４は第２縦軸３９３上を逆位相で動く。

図３ｂおよび図３ｃに示した第１一次振動モードおよび第２一次振動モードに対応するｘ軸二次振動モードおよびｙ軸二次振動モードは、図２ｅを参照して上述した振動モードに対応する。さらに、図３ｂおよび図３ｃに示した第１一次振動モードおよび第２一次振動モードに対応するｚ軸二次振動モードは、それぞれ図２ｆおよび図２ｇを参照して上述した振動モードに対応する。第１一次振動モードまたは第２一次振動モードが利用される場合、図２ｆに従って、追加の検出マスが第１コリオリマスカルテットおよび第２コリオリマスカルテットの両方の周りに実装されてもよい。
実施例

図４ａは、第１実施例を示す。参照番号４１１、４１３、４２１１、４２１２、４３１１、４９１および４９２は、それぞれ図２ａの参照番号２１１、２１３、２２１１、２２１２、２３１１、２９１および２９２に対応する。４８１は、中央アンカーポイントを示す。明瞭さを保つために、図４ａにおいて、コリオリマス、長尺マス要素および第１周囲アンカーポイントのすべてに参照番号を付しているわけではない。参照番号４５１は図２ｆの参照番号２５１に対応し、他の３つの対角線上に配置された検出マスもジャイロスコープ内に示す。図４ａのコリオリマスおよび検出マスの形状は、密集した正方形構成を可能にする。他の形状を用いることもできるであろう。

第２横軸４９５および第３横軸４９６を図４ａに示す。長尺マス要素４２１１の第２端部および第３コリオリマス４１３の外縁部は、第２横軸４９５上に並ぶ。長尺マス要素４２１２の第２端部および第４コリオリマスの外縁部は、第３横軸４９６上に並ぶ。第２コリオリマスに取り付けられた２つの長尺マス要素の第２端部も、図４ａが示すように、それぞれ第２横軸および第３横軸と一致する。

それに対応して、第４縦軸４９７および第５縦軸４９８を図に示す。第３コリオリマスに取り付けられた２つの長尺マス要素の第２端部は、図４ａが示すように、それぞれ第４縦軸および第５縦軸と一致する。第１コリオリマス４１１の外縁部は第４縦軸４９７と一致し、第２コリオリマス４１２の外縁部は第５縦軸４９８と一致する。第４コリオリマスに取り付けられた２つの長尺マス要素の第２端部も、図４ａが示すように、それぞれ第４縦軸４９７および第５縦軸４９８と一致する。

４３１１などの第１周囲アンカーポイントは、対応する長尺マス要素、この場合は４２１１の開口部内に位置する。コリオリマスおよび検出マスは、４６などの開口部を有する。駆動変換器、ｚ軸センス変換器、一次センス変換器、直交補償変換器および／または他の変換器は、これらの開口部内に実装されてもよい。

中央懸架部は、中央アンカーポイント４８１から互いに逆の横方向に延在する２つの剛性中央バー４７１１と、剛性中央バー４７１１の端部から略直交して２つの互いに逆の縦方向に延在する２つの剛性延長バー４７１２とを含む。あるいは、中央バーは、中央懸架部が９０度回転するように中央アンカーポイント４８１から互いに逆の縦方向に延在することができるであろう。

中央懸架部は、また、第１一次振動モードにおけるコリオリマスの動きに対応し、それらの動きを同期させる中央同期部を含む。中央同期部は、当該剛性延長バー４７１２の端部に取り付けられる４つのコーナー要素４７１３を含む。各コーナー要素の取付点は、実質的に、対応する対角軸４９９上にあってもよい。コーナー要素４７１３は共に、休止位置において、対応するジャイロスコープ中心点の周りに略正方形を形成してもよい。

コーナー要素は、面内可撓性ばねによってコリオリマスおよび互いに取り付けられ、面内可撓性ばねは、コリオリマスが第１一次振動モードで動く際、コーナー要素４７１３が互いに対して回転することを可能にする。コーナー要素４７１３は、回転する際にデバイス面内で形状を強固に維持するため、コーナー要素の一端部はジャイロスコープ中心点に近づき、一方、他端部はジャイロスコープ中心点から遠ざかり、これは、図２ｃに示した第１一次振動モードにおいてコリオリマスを維持する助けとなる。

より一般的には、図２ｃまたは図３ｂに示す第１一次振動モードが用いられる任意の実施形態では、中央懸架構造体は、対応する中央アンカーポイントに固定され、かつ対応する各コリオリマスに結合される対称閉パターンをデバイス面内に有する懸架部を各中心点の周りに含んでもよく、その結果、対称閉パターンは、横軸上で容易に収縮し、それとマッチして、対応する縦軸上で強制的に拡張され、その逆も同様である。

図４ｂは、図４ａで利用されたマス要素サスペンダおよび連結ばね部をより詳細に示す。参照番号４４２は図２ａの参照番号２４２に対応し、一方、参照番号４７１は図２ｆの２７１に対応する。マス要素サスペンダ４４２は、取り付けられた長尺マス要素４２１１の重量を支持し、マス要素がデバイス面内で回転する際にデバイス面内で曲がることによって、第１一次振動モードおよび第２一次振動モードの両方におけるこの要素の面内回転運動に対応する。マス要素サスペンダ４４２は、らせん状のねじれを受けることによって、ｙ軸二次振動モードにおける取り付けられたマス要素４２１１の面外回転運動に対応する。

連結ばね部は、第１ばね４４３１が取り付けられている長尺マス要素４２１１の第１辺と略平行に延在する当該第１ばね４４３１を含む。連結ばね部は、また、第１ばね４４３１に略直交する第２ばね４４３２を含む。第２ばね４４３２は、第１ばね４４３１上のばね連結ポイント４４３１１から対応するコリオリマス４１１まで延在する。各連結ばね部は、さらに、第３ばね４４３３を含む。第１ばね４４３１に直交する方向（図４ｂのｘ方向）の第２ばね４４３２の動きが、長尺マス要素４２１１の第１辺と平行な方向（図４ｂのｙ方向）の第１ばね４４３１の動きに変換されるように、第３ばね４４３３の一端部はばねアンカーポイント４３９に連結され、第３ばね４４３３の他端部は第１ばね４４３１上のばね連結ポイント４４３１１に連結される。

第１ばね４４３１に対する第３ばね４４３３の角度、および第２ばね４４３２に対する第３ばね４４３３の角度は、上で説明した直交変換を容易にする所与の適切な値にすべきである。これらの値は、第３ばね４４３３の寸法および形状に依存するが、例えば、ばね連結ポイント４４３１１において３０°～６０°の範囲内であってもよい。

図示した連結ばね部では、第３ばね４４３３は、ばねアンカーポイント４３９から第１ばね方向に蛇行する第１蛇行部と、第１蛇行部からばね連結ポイント４４３１１まで、第１ばね方向に略直交する第２ばね方向に延在する第２直線部とを含む。図示した場合において、第１蛇行部は、１つの折り返ししか有していないが、複数の折り返しを含めることもできるであろう。この場合、第１ばね方向は、図４ｂにおいて、ばねアンカーポイント４３９から遠ざかるように横方向と縦方向の両方に対して略４５度の角度で当該アンカーポイントから左上に向かって延在する。一方、第２ばね方向は、横方向と縦方向の両方に対して略４５度の角度で左下向きである。ここで、第３ばね４４３３は、ばね連結ポイント４４３１１において４５度の角度で第１ばねおよび第２ばね４４３１～４４３２に接触する。

あるいは、第３ばねは、ばねアンカーポイントからばね連結ポイントまで直接延在する単なる線形ばねにすることができるであろう。その場合、ばねアンカーポイントは、ばね連結ポイントからさらに遠ざけて配置しなければならない。この代替方法は図示していない。

第１一次振動モードおよび第２一次振動モードの両方において、第２ばね４４３２は、第１コリオリマス４１１の動きによって横方向に前後に押し引きされる。固定された第３ばね４４３３は、第２ばね４４３２が横方向に相当量の動きを受けるのを防ぐ。代わりに、第３ばね４４３３の弾性力によって、第１ばね４４３１が縦方向の動きを受けるように押し引き力が第１ばね４４３１に伝達される。短く、比較的剛性を有するコネクタばね４４３４が、第１ばねの縦方向の動きを長尺マス要素４２１１に伝達し、これによって、上記図２ｃおよび図２ｄに示した方法で長尺マス要素４２１１を回転させる力が生成される。コネクタばね４４３４は、図に示すようにマス要素サスペンダ４４２と一直線になってもよい。

図２ｅに示したｙ軸二次振動モードにおいて、コネクタばね４４３４およびマス要素サスペンダ４４２は共に、らせん状のねじれを受ける。ｙ軸二次振動モードにおける２つの長尺マス要素４２１１および４２１２の動きを同期させるために、それらの間にマス要素結合ばね４４４が実装されてもよい。このマス要素結合ばねは、例えば、２つの長尺マス要素が一次振動モードにおいて回転する際に互いに対して回転することができる十分な面内可撓性を有する蛇行ばねであってもよい。

図４ｂに示したマス要素サスペンダ、連結ばね部、コネクタばねおよびマス要素結合ばねはすべて、以下に述べる第２実施例のジャイロスコープにも利用することができる。それらはすべて、第１一次振動モードで駆動されるジャイロスコープと、第２一次振動モードで駆動されるジャイロスコープとの両方に利用することができる。しかしながら、図４ａに示した中央懸架部は、第１一次振動モードを用いる場合にのみ適用可能である。

図５ａは、第２実施例を示す。参照番号５１１、５１３、５２１１、５２１２、５３１１、５９１および５９２は、それぞれ図２ａの参照番号２１１、２１３、２２１１、２２１２、２３１１、２９１および２９２に対応する。５８１は、中央アンカーポイントを示す。他のコリオリマス、長尺マス要素および第１周囲アンカーポイントは、それらの位置決めから特定することができる。図５ａのコリオリマスおよび検出マスの形状は、密集した正方形構成を可能にする。他の形状および構成を用いることもできるであろう。図５ａに示したジャイロスコープは、第２一次振動モードで動作することができる。

参照番号５９５～５９９は、それぞれ図４ａの参照番号４９５～４９９に対応する。第１例の場合のように、長尺マス要素５２１１の第２端部および第３コリオリマス５１３の外縁部は第２横軸５９５上に並び、図４ａを参照して言及した他のすべてのコリオリマス／マス要素の位置合わせが、この場合も同様に適用される。

ここでも、５３１１などの第１周囲アンカーポイントは、対応する長尺マス要素、この場合は５２１１の開口部内に位置する。第１例の場合のように、コリオリマスは、５６などの開口部を有する。駆動変換器および／またはｚ軸センス変換器は、例えば、これらの開口部内に実装されてもよい。

中央同期部は、第１中央アンカーポイント５８１から外側に向かって軸５９９に沿って対角線方向に延在する４つの剛性支持部５７１１を含む。各剛性支持部５７１１は、径方向に可撓性を有する第１同期ばね５７１２に連結され、第１同期ばね５７１２は、第２一次振動モードにおけるコリオリマスの同時に生じる外側および内側に向かう動きに柔軟に対応する。

接線方向には可撓性を有するが径方向には剛性を有する２つの第２同期ばね５７１３が、各第１同期ばね５７１２から隣接するコリオリマスの各々まで延在する。第２同期ばね５７１３は、第２ｚ軸二次振動モードにおけるコリオリマスの同時に生じる接線方向の動きに柔軟に対応する。

コリオリマスは、図５ａにおいて、追加の中間懸架構造体によって支持される。４つの対角アンカーポイント５３８が、対角軸５９９上に第１ジャイロスコープ中心点に対して対称に配置される。径方向サスペンダ５５１は、これらの対角アンカーポイント５３８の各々から外側に向かって延在する。各径方向サスペンダ５５１は、対角軸上でコーナーばね５４１に結合され、コーナーばね５４１は、隣接する２つのコリオリマスの外側に、２つのコリオリマスが並ぶ軸上の中心点まで延在する。例えば、コーナーばね５４１は、軸５９１付近の第１コリオリマス５１１上の第１取付点から、コーナーばね５４１が径方向サスペンダの端部に連結されるコーナーポイントまでと、当該コーナーポイントから、軸５９２付近の第３コリオリマス５１３上の第２取付点まで右方向に延在する。他のコーナーばねおよび径方向サスペンダの各々も、同様に連結される。

径方向サスペンダ５５１は、径方向には剛性を有するが接線方向には可撓性を有するため、図２ｇに示した第２ｚ軸二次振動モードにおけるコリオリマスの同時に生じる接線方向の動きに柔軟に対応する。径方向サスペンダ５５１はまた、コーナーばね５４１を用いて、図４ｂのばね４４３１～４４３３の作用について上で説明したのと同じ仕組みにより、コリオリマスの同時に生じる接線方向の動きを同期させる。

より一般的には、図２ｄまたは図３ｃに示した第２一次振動モードが用いられる任意の実施形態では、中央懸架構造体は、対応する各コリオリマスに結合され、かつコリオリマスが中心点に向かって、および中心点から遠ざかるように径方向に同時に動くことを可能にする懸架部を各中心点の周りに含んでもよい。ジャイロスコープは、ｚ軸二次振動モードにおける接線方向の動きに対して、コリオリマス同士を結合する追加の懸架構造体を備えてもよい。

図５ｂは、図５ａで利用された連結ばね部をより詳細に示す。図５ａのマス要素サスペンダは、図４ａのものと同じであるため、ここでは再度説明しない。

各連結ばね部は、２つの対応する長尺マス要素間に延在する第１ばねと、第１ばねに直交して第１ばねから対応するコリオリマスまで延在する第２ばねとを含んでもよい。図５ｂに示す例では、第１ばねは５４３１であり、第２ばねは５４３２である。図５ｂでは、第１ばねは、当該長尺マス要素（５２１１および５２１２）のうちの一方から他方に蛇行する蛇行ばねである。

第１一次振動モードおよび第２一次振動モードの両方において、第２ばね５４３２は、第１コリオリマス５１１の動きによって横方向に前後に押し引きされる。第１ばね５４３１は、この動きを長尺マス要素５２１１および５２１２に伝達し、これによって、図２ｂを参照して説明した方法でコリオリマスと共に振動する。第１ばねは、また、ｙ軸二次振動モードにおける２つの長尺マス要素５２１１および５２１２の動きを同期させる。蛇行第１ばねは、長尺マス要素５２１１および５２１２が一次振動モードにおいて互いに対して回転することができる十分な面内可撓性を有する。

図５ｂに示した連結ばね部は、上に示した第１実施例のジャイロスコープに利用することもできる。この連結ばね部は、第１一次振動モードで駆動されるジャイロスコープと、第２一次振動モードで駆動されるジャイロスコープとの両方に利用することができる。しかしながら、図５ａに示した中央懸架部および中間懸架部は、第２一次振動モードを用いる場合にのみ適用可能である。

図６は第３実施例を示し、これは、第１コリオリマスカルテットが第１ジャイロスコープ中心点の周りにあり、第２コリオリマスカルテットが第２ジャイロスコープ中心点の周りある両面構造体である。この考えは、概略図３ａを参照して示し、説明した。第１コリオリ構造体および第２コリオリ構造体の周りに実装された中央構造体および周囲構造体は、図４ａ～図４ｂを参照して示し、説明したものと同じであるため、ここでは再び説明しない。この構造体に利用される中央同期部は第１一次振動モードに適しているため、図６に示したジャイロスコープは、上で図３ｂに示した第１一次振動モードで駆動することができる。

図６の参照番号６７５は、図３ａおよび図３ｂの参照番号３７５に対応する。この横同期ばね６７５は、長尺マス要素の第２対のマス要素結合ばねから長尺マス要素の第５対のマス要素結合ばねまで延在する。ばね６７５は、一次振動モードおよび／またはｙ軸二次振動モードにおける第２対および第５対の動きを同期させてもよい。

ジャイロスコープは、また、長尺マス要素の第３対を長尺マス要素の第７対に結合する第１追加結合構造体６２１と、長尺マス要素の第４対を長尺マス要素の第８対に結合する第２追加結合構造体６２２とを備える。これらの追加結合構造体は、例えば、対応する追加アンカーポイント（それぞれ６３１および６３２）から懸架ばねによって懸架される剛性バーを含んでもよく、懸架ばねは、バーが、一次振動モードではｚ軸を中心とし、またｘ軸二次振動モードではｙ軸を中心とするシーソー運動で回転することを可能にする。これによって、追加結合構造体は、一次振動モードおよびｘ軸二次振動モードにおいて対応するマス要素対の動きを同期させることができる。

Claims (6)

1. 休止位置においてデバイス面内にある第１コリオリマスカルテットと、前記デバイス面内の第１横軸上にある対応する第１カルテット中心点とを備える微小電気機械ジャイロスコープであって、
   前記第１コリオリマスカルテットは、休止位置において前記第１カルテット中心点を中心として対称に配置される４つのコリオリマスを含み、前記第１横軸は、前記デバイス面内において第１縦軸に直交し、前記第１コリオリマスカルテットの第１コリオリマスおよび第２コリオリマスは、休止位置において前記第１横軸上に並び、前記第１コリオリマスカルテットの第３コリオリマスおよび第４コリオリマスは、休止位置において第１縦軸上に並び、
   前記ジャイロスコープは、さらに、前記第１コリオリマスカルテットの内部に前記第１カルテット中心点を中心とする第１中央同期部を備え、
   前記ジャイロスコープは、さらに、長尺マス要素の第１対と、第２対と、第３対と、第４対とを備え、前記第１対をなす長尺マス要素は、前記第１コリオリマスの外側で前記第１横軸の両側に縦方向に並び、前記第２対をなす長尺マス要素は、前記第２コリオリマスの外側で前記第１横軸の両側に縦方向に並び、前記第３対をなす長尺マス要素は、前記第３コリオリマスの外側で前記第１縦軸の両側に横方向に並び、前記第４対をなす長尺マス要素は、前記第４コリオリマスの外側で前記第１縦軸の両側に横方向に並び、
   長尺マス要素の前記第１対、前記第２対、前記第３対および前記第４対における各長尺マス要素は、対応する第１周囲アンカーポイントから第１マス要素サスペンダによって懸架され、当該第１マス要素サスペンダは、当該第１周囲アンカーポイントから、当該長尺マス要素の略中点に位置する固定点まで延在し、長尺マス要素の前記第１対、前記第２対、前記第３対および前記第４対における各長尺マス要素は、前記対応するコリオリマスに連結ばね部によって取り付けられ、
   前記ジャイロスコープは、さらに、前記第１コリオリマスカルテットおよび前記長尺マス要素を一次振動運動させる１以上の駆動変換器と、前記第１コリオリマスカルテットおよび／または前記長尺マス要素の二次振動運動を検出する１以上のセンス変換器とを備える
   微小電気機械ジャイロスコープ。
2. 前記ジャイロスコープは、さらに、休止位置において前記デバイス面内にある第２コリオリマスカルテットと、前記第１横軸上にある対応する第２カルテット中心点とを備え、
   前記第２コリオリマスカルテットは、休止位置において前記第２カルテット中心点を中心として対称に配置される４つのコリオリマスを含み、前記第１横軸は、前記デバイス面内において第２縦軸に直交し、前記第２コリオリマスカルテットの第１コリオリマスおよび第２コリオリマスは、休止位置において前記第１横軸上に並び、前記第２コリオリマスカルテットの第３コリオリマスおよび第４コリオリマスは、休止位置において第２縦軸上に並び、前記ジャイロスコープは、さらに、前記第１カルテット中心点と前記第２カルテット中心点との略中間で前記第１横軸と交差する第３縦軸を備え、
   前記対応するカルテット中心点に対する前記第１コリオリマス、前記第２コリオリマス、前記第３コリオリマスおよび前記第４コリオリマスの休止位置は、前記第１カルテットと前記第２カルテットの両方において同じであるため、両方のコリオリマスカルテットの前記第３コリオリマスは前記第１横軸の第１側に位置し、両方のコリオリマスカルテットの前記第４コリオリマスは、前記第１横軸の第２側に位置し、前記第１コリオリマスカルテットの前記第２コリオリマスと前記第２コリオリマスカルテットの前記第１コリオリマスとは、前記第３縦軸の両側で互いに隣接しており、
   前記ジャイロスコープは、さらに、前記第２コリオリマスカルテットの内部に前記第２カルテット中心点を中心とする第２中央同期部を備え、
   前記ジャイロスコープは、さらに、長尺マス要素の第５対と、第６対と、第７対と、第８対とを備え、前記第５対をなす長尺マス要素は、前記第２コリオリマスカルテットの前記第１コリオリマスの外側で前記第１横軸の両側に縦方向に並び、前記第６対をなす長尺マス要素は、前記第２コリオリマスカルテットの前記第２コリオリマスの外側で前記第１横軸の両側に縦方向に並び、前記第７対をなす長尺マス要素は、前記第２コリオリマスカルテットの前記第３コリオリマスの外側で前記第２縦軸の両側に横方向に並び、前記第８対をなす長尺マス要素は、前記第２コリオリマスカルテットの前記第４コリオリマスの外側で前記第２縦軸の両側に横方向に並び、
   長尺マス要素の前記第５対、前記第６対、前記第７対および前記第８対における各長尺マス要素は、対応する第２周囲アンカーポイントから第２マス要素サスペンダによって懸架され、当該第２マス要素サスペンダは、当該第２周囲アンカーポイントから、当該長尺マス要素の略中点に位置する固定点まで延在し、長尺マス要素の前記第５対、前記第６対、前記第７対および前記第８対における各長尺マス要素は、前記対応するコリオリマスに連結ばね部によって取り付けられ、
   前記ジャイロスコープは、さらに、前記第３縦軸を横切って長尺マス要素の前記第２対を長尺マス要素の前記第５対に結合する横同期ばねを備える
   請求項１に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
3. 各連結ばね部は、第１ばねが取り付けられている前記長尺マス要素の第１辺と略平行に延在する当該第１ばねと、前記第１ばねに略直交する第２ばねとを含み、前記第２ばねは、前記第１ばね上のばね連結ポイントから前記対応するコリオリマスまで延在し、各連結ばね部は、さらに、第３ばねを含み、前記第１ばねに直交する方向の前記第２ばねの動きが、前記長尺マス要素の前記第１辺と平行な方向の前記第１ばねの動きに変換されるように、前記第３ばねの一端部はばねアンカーポイントに連結され、前記第３ばねの他端部は前記第１ばね上の前記ばね連結ポイントに連結される
   請求項１または２に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
4. 前記第３ばねは、第１蛇行部と第２直線部とを含み、
   前記第１蛇行部は、前記第３ばねのうちの、一端部が前記ばねアンカーポイントに連結され、他端部が前記第２直線部に連結され、１つ以上の折り返しを有する部分であり、
   前記第２直線部は、前記第３ばねのうちの、一端部が前記第１蛇行部の前記他端部に連結され、他端部が前記連結ポイントに連結される部分である
   請求項３に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
5. 各連結ばね部は、２つの前記対応する長尺マス要素間に延在する第１ばねと、前記第１ばねに直交して前記第１ばねから前記対応するコリオリマスまで延在する第２ばねとを含む
   請求項１または２に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。
6. 各第１ばねは、前記長尺マス要素のうちの一方から他方に蛇行する蛇行ばねである
   請求項５に記載の微小電気機械ジャイロスコープ。

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