JPH05248874A - 多軸振動モノリシックジャイロスコープ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 １つより多くの軸の回りの回転運動を測定可
能であり、小型、低価格かつ再現性に優れた多軸振動モ
ノリシックジャイロスコープを提供する。 【構成】 中央ポスト（１５）に対する振動運動のため
に装着された質量部材（１２）を備えた振動ジャイロス
コープである。検出容量（３０，４０，４１，４２）が
質量部材に隣接して装着され２つの直交軸の振動運動を
検出する。前記質量部材はＨ形状フレーム（１４）の平
行アーム間に装着されかつ等しい逆方向の振動のために
駆動される１対の要素（２２，２３）を含み、回転運動
によって引起こされる力によって生ずるものを除きフレ
ーム（１４）には何らの運動も加えられない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はマイクロ機械的ジャイロ
スコープに関しかつ、より詳細には、多方向マイクロ機
械的ジャイロスコープに関する。

【０００２】

【従来の技術】過去においては、ジャイロスコープおよ
びジャイロスコープ的装置は比較的大きなかつ高価な電
磁気的装置によって構成されていた。これらの電磁気的
装置は比較的高速の、連続的な回転運動のためにコイル
および位置センサを導入していた。

【０００３】やがては、マイクロ機械的レートジャイロ
（ｍｉｃｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｒａｔｅ ｇｙｒｏ
ｓ）が開発され、該ジャイロは半導体処理技術によって
形成された構成要素を含んでいた。これらの装置は比較
的小さくかつ連続的な回転運動ではなく振動運動を利用
しているが、比較的鈍感でありかつ製造するのにコスト
がかかる。

【０００４】一般に、マイクロ機械的レートジャイロは
中央質量を備えて構成され、該中央質量はジャイロの大
きさが非常に小さいため十分な質量を提供するために金
のようないずれかの非常に重い材料を必要とする。該中
央質量（ｃｅｎｔｒａｌ ｍａｓｓ）は互いに直交する
自在に動く軸を含むジンバル構造に装着され、前記質量
およびジンバル構造は一般に共通の面に位置する。中央
質量および内側装着ジンバルは第１の直交軸の回りに振
動しかつ前記共通の面に垂直な軸の回りの回転運動は、
コリオリ（Ｃｏｒｉｏｌｉｓ）またはジャイロスコープ
効果により、前記直交軸の他のものの回りに振動運動を
発生する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上に述べたマイクロ機
械的レートジャイロは幾つかの問題を有する。特に、中
央に装着された質量が高価でありかつ製造するのが困難
である。良好な感度のため十分な慣性を与えるために十
分大きな質量を達成することが困難であり、かつこの構
造が検出容量の感度を低下させる。また、もし前記質量
が前記ジンバルマウント内で少しでもずれておれば交差
軸の加速度に対する著しい感度が発生する。第２に、振
動運動の量は平面的に構成されたジンバルシステムが平
坦な面に隣接して装着されかつジンバルシステムと該平
坦な面との間の距離の増大が実質的に装置の大きさを増
大させるという事実により制限され、これは構造体のコ
ストおよび複雑さを増大させるのみならず容量空間を増
大させるため感度を低下させる。さらに、装置を入力軸
が前記共通面に垂直であるように構成することにより、
装置が単一軸の装置に制限される。該装置は単一軸の回
りの運動のみを検出するため、すべての方向における運
動を検出するためには３つのそのような装置を互いに直
交関係にある入力軸で装着しなければならない。

【０００６】レートジャイロの大きさ、コストおよび有
用性をさらに改善するためには、増大した移動距離およ
び／または実効質量の増大によって達成される増大した
慣性、より高い振動周波数およびより小さな容量プレー
ト間隔によって、増大した感度を備えたマイクロ機械的
レートジャイロの必要性が存在する。さらに、単一の装
置で１つより多くの軸の回りの運動を検出することが好
都合であろう。

【０００７】本発明の目的は、新規なかつ改良された多
軸振動モノリシックジャイロスコープを提供することに
ある。

【０００８】本発明の他の目的は、１つより多くの軸の
回りの回転運動を測定することができる新規なかつ改良
された振動モノリシックジャイロスコープを提供するこ
とにある。

【０００９】本発明のさらに他の目的は、小型で、低価
格でありかつ再現性に優れ、バッチ製造が可能な新規な
かつ改良された多軸振動モノリシックジャイロスコープ
を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段および作用】これらのかつ
他の目的および利点は本発明に係わる多軸振動モノリシ
ックジャイロスコープによって実現され、該ジャイロス
コープは半導体基板上に形成され、かつ前記基板に平行
な振動運動のために装着された質量部材および前記質量
部材に隣接して配置され回転運動によって前記質量部材
に対し２つの直行する軸の回りに生成される力を検出す
るための検出装置を含む。

【００１１】

【実施例】図１を参照すると、本発明を実施した多軸
（ｍｕｌｔｉ−ａｘｅｓ）振動モノリシックジャイロス
コープ１０が示されている。ジャイロスコープ１０はほ
ぼＨ形状のフレーム１４を備えた質量部材１２を含んで
おり、該フレーム１４は該フレームの中間交差アームを
通る中央開口１３を有する。中央に配置された装着ポス
ト１５が基板の平面に対し直角になるように該平面に固
定されている。ポスト１５はジャイロスコープ１０のＺ
軸を規定する。フレーム１４は複数の、この特定の実施
例においては２つの、らせん形ばね１７Ａおよび１７Ｂ
によって可動的にポスト１５に取付けられている。らせ
ん形ばね１７Ａおよび１７Ｂの各々は一端でポスト１５
にかつ他端でフレーム１４の開口１３の内側エッジに固
定的に取付けられている。らせん形ばね１７Ａおよび１
７Ｂはフレーム１４をすべての方向に対し限られた振動
運動ができるようにしながら基板の平面に平行な面に維
持するよう設計されている。

【００１２】質量部材１２はさらにＨ形状のフレーム１
４の平行なアームの間の開口部に装着された一対のほぼ
長方形の質量要素２２および２３を含む。各質量要素２
２および２３はフレーム１４の平行アームに対して細長
い弾性部材２５によって固定されており、該細長い弾性
部材２５の各々はアームの終端から質量要素２２および
２３の対向する側部に延びている。弾性部材２５は質量
要素２２および２３を、フレーム１４とは独立に、質量
要素２２および２３の各々を通りかつ装着ポスト１５の
端部を通り、Ｚ軸に垂直に延びているＸ軸に沿った、振
動運動が可能なように装着する。Ｙ軸はさらに質量部材
１２によって規定されかつ、ポスト１５の端部を通り、
ＸおよびＺ軸に互いに垂直に、質量部材１２の面に延び
る。

【００１３】各々上部および下部の平行な、間隔を開け
た長方形の導電性プレートを含む複数の駆動要素２６，
２７，２８および２９が設けられている。この特定の実
施例においては、各々の複数の駆動要素２６，２７，２
８および２９は一対の駆動要素を含み、対の駆動要素２
７は図１の質量要素２２の左側のコーナに隣接して配置
され、対の駆動要素２８は質量要素２２の右側コーナに
隣接して配置され、対の駆動要素２６は質量部材２３の
左側コーナに隣接して配置され、かつ対の駆動要素２９
は質量要素２３の右側コーナに隣接して配置されてい
る。複数の駆動要素２６，２７，２８および２９の駆動
要素の各々の前記対の導電プレートは質量要素２２およ
び２３の（図１および図５において）上および下に配置
されている。駆動要素２６，２７，２８および２９のす
べての導電プレートはまた質量部材１２に平行である。
プレート（複数）２６は電気的に接続されており、プレ
ート（複数）２７，２８および２９も同様である。図５
は質量要素２２および駆動要素２７および２８のさらに
詳細を示す拡大斜視図である。

【００１４】プレート２７および２８そしてプレート２
９および２６に交互にパルスを加えることにより、プレ
ート２７，２８と質量要素２２との間の、かつ同様にプ
レート２９，２６と質量要素２３との間の、静電気的吸
引力がフレーム１４と独立に質量要素２２および２３の
Ｘ軸に沿った振動運動を生成する。各駆動要素は正反対
方向に（ｄｉａｍｅｔｒｉｃａｌｌｙ）対向して配置さ
れ、一般にチューニングフォークにおいて見られるよう
に、フレーム１４に対しゼロの力を与える結果となる同
期した駆動パルスによって、質量要素２２および２３の
反対方向の一様な振動運動を生成する。

【００１５】例えば、もしある電圧がプレート２７およ
び要素２２の間に印加されかつ同時にプレート２９およ
び要素２３の間に印加されれば、両方の要素２２および
２３は結果として生ずる静電気力により外側に移動す
る。この電圧はプレート２７，２８と質量要素２２との
間にかつ同様にプレート２９，２６と質量要素２３との
間に所定の差分容量が検出されるまで印加される。この
時点において、電気電圧はプレート２７および２９から
除去されかつプレート２８および２６に印加される。質
量要素２２および２３は今や、前と同様に所定の容量が
検出されるまで、ポスト１５の方向に内側に駆動され
る。このサイクルが次に繰返される。この手法を用いる
ことにより、質量要素２２および２３は差分容量のトリ
ップ点によってセットされる知られた振幅でそれらの固
有共振周波数で外側および内側に同期して駆動される。
差分容量の検出および質量要素２２および２３の駆動は
前記駆動サイクルの間に前記容量を周期的にサンプリン
グすることにより行われる。

【００１６】１つずつ各々、フレーム１４の各アームの
端部に装着された、検出容量３０，４０，４１および４
２を含む、検出装置はジャイロスコープ１０およびフレ
ーム１４のＹおよびＺ軸の回りの回転を検出するよう設
計されている。各検出容量３０，４０，４１および４２
は１組の固定的に装着された上部プレート、１組の固定
的に装着された下部プレート、およびフレーム１４の端
部に取付けられそれと共に移動するための１組の中央プ
レートを含む。例えば、検出容量３０は上部プレート３
０Ａおよび３０Ｄ、下部プレート３０Ｂおよび３０Ｅ、
そして中央プレート３０Ｃを含み、これらは図３および
図４に同様に設計された他の検出容量４０，４１および
４２の各々と共に、さらに詳細に示されている。この特
定の実施例においては、すべての容量プレートは並列に
間隔をおいて延びた細長いフィンガの形状で形成されて
いる。

【００１７】特に図４を参照すると、上部容量プレート
および下部容量プレートが対のプレートとして形成され
ていることが分かる。プレート３０Ａおよびプレート３
０Ｄを含む各々の上部対およびプレート３０Ｂおよびプ
レート３０Ｅを含む各々の下部対がある。各々の上部お
よび下部対は単一の中央プレート３０Ｃに対して部分的
に重なるような関係に配置されている。さらに、この特
定の実施例においては、各々の検出容量３０は２組の容
量に分割されており、各組は１４個の上部プレート３０
Ａ，３０Ｄ（６個が示されている）、１４個の下部プレ
ート３０Ｂ，３０Ｅ（６個が示されている）および７個
の中央プレート３０Ｃ（３個が示されている）を含み、
図４では１組が示されている。

【００１８】ジャイロスコープ１０の動作は例えば図４
に示される容量プレートのセットを参照することにより
最も容易に理解できる。第２、第４、第６、その他の上
部プレート３０Ａは一緒に接続されかつインバータ３２
によってターミナル３３に接続されている。第１、第
３、第５、他の上部プレート３０Ｄは一緒に接続されか
つインバータ３４によってターミナル３５に接続されて
いる。第１、第３、第５、他の下部プレート３０Ｅは一
緒に接続されかつインバータ３６によってターミナル３
７に接続されている。第２、第４、第６、他の下部プレ
ート３０Ｂは一緒に接続されかつインバータ３８によっ
てターミナル３９に接続されている。適切な電圧を種々
の容量プレート３０Ａ〜３０Ｅに印加することにより、
プレート３０Ａ〜３０Ｅと３０Ｃとの間に静電力が発生
し、この静電力がプレート３０Ｃを適切にプレート３０
Ａ〜３０Ｅの間の中心に適切に維持するために使用で
き、ジャイロスコープ１０は最も敏感な状態に留りかつ
容量プレートを中央に保持するために必要な駆動量が測
定されてジャイロスコープ１０に作用する回転的に誘起
される力の量および方向が決定される。

【００１９】図６はおよび図７は一体となって、図１の
ジャイロスコープ１０に電気的に接続される検出および
制御回路の電気回路図を示す。図８は、この検出および
制御回路の各点において得られる信号波形を示す。図９
は限られた時間スパンの間における図６および図７の検
出および制御回路の時間と種々の制御機能との間の関係
を示す時間−機能チャートである。中央ポスト１５、フ
レーム１４、質量要素２２および２３、そして検出容量
３６，４０，４１および４２の中央プレート３０Ｃ，４
０Ｃ，４１Ｃおよび４２Ｃはすべて図６の２１５として
表されたノードに電気的に接続されている。検出および
制御信号は図示された論理要素を介して容量プレート３
０Ａ〜３０Ｅ、４０Ａ〜４０Ｅ、４１Ａ〜４１Ｅ、およ
び４２Ａ〜４２Ｅに印加される。

【００２０】時間Ｔ＝０（図８）において、入力ターミ
ナル１Ｐ１はハイになり、グランド電位を容量プレート
３０Ｂおよび３０Ｅに印加しかつＶ_ＲＥＦを容量プレー
ト３０Ａおよび３０Ｄに印加する。また、入力端子１Ｐ
２がローに駆動されかつ入力端子１Ｐ３がハイに駆動さ
れて第１のラッチ２１９からの信号が容量プレート３０
Ａ，３０Ｂ，３０Ｄおよび３０Ｅの駆動電圧を制御でき
るようにする。中央プレート３０Ｃは仮想（ｖｉｒｔｕ
ａｌ）グランド増幅器２１６によってＶ_ＲＥＦに保持さ
れる。増幅器２１６は入力端子Ｐ４におけるローの信号
によりスイッチ２１７が閉じられることにより単一ゲイ
ンを有することになる。

【００２１】時間Ｔ＝１において、入力端子Ｐ４がハイ
に駆動されかつスイッチ２１７がターンオフされ、それ
により増幅器２１６が仮想グランド積分増幅器としてア
クティブになる。時間Ｔ＝２において、入力端子１Ｐ２
がローからハイに切替えられ、これは容量プレート３０
Ｂおよび３０Ｅの電圧をグランドからＶ_ＲＥＦに切替え
させかつ容量プレート３０Ａおよび３０Ｄの電圧をＶ
_ＲＥＦからグランドに切替えさせる。容量プレート３０
Ｂ，３０Ｅおよび３０Ｃ対３０Ａ，３０Ｄおよび３０Ｃ
によって形成される何らかの容量差はノード２１５に電
荷を生じさせ、この電荷は増幅器２１６によって増幅さ
れ、反転されかつ電圧に変換される。増幅器２１６から
の信号はさらに増幅器２１８によって増幅される。

【００２２】時間Ｔ＝４において、前記増幅器が落ちつ
く（ｓｅｔｔｌｅ）時間を持った後、増幅器２１８の出
力信号はラッチ２１９によってラッチされる。ラッチ２
１９は信号１Ｐ２によってクロッキングされる負エッ
ジ、トリガラッチ回路である。ラッチ２１９において
は、増幅器２１８からの正の電圧はハイとしてラッチさ
れ、かつ負の電圧はローとしてラッチされる。ラッチ２
１９からの出力信号はインバータ２２７および論理ゲー
ト２２９〜２３４を介してインバータ２３５，２３６，
３６，３２，３８および３４にフィードバックされ、こ
れらのインバータはＶ_ＲＥＦおよびグランドを容量プレ
ート３０Ｄ，３０Ａおよび３０Ｂ，３０Ｅに印加する。
Ｖ_ＲＥＦおよびグランド電位は容量プレート３０Ｄ，３
０Ａおよび３０Ｂ，３０Ｅに印加されて容量プレート３
０Ｃ上に静電力を発生させ、それらを時間Ｔ＝４〜Ｔ＝
３２の間に中央の垂直位置に向けかつ維持させる。この
場合水平方向の力はないことに注目すべきである。

【００２３】時間Ｔ＝３２において、入力端子１Ｐ２は
ローからハイに駆動されかつ入力端子１Ｐ３はハイから
ローに駆動される。従って、時間Ｔ＝３２〜Ｔ＝３６の
間に容量プレート３０Ｄ，３０Ｅおよび３０Ｃの間およ
び容量プレート３０Ｂ，３０Ａおよび３０Ｃの間の差分
容量が検出されかつその信号が第２のラッチ２２０にラ
ッチされる。入力端子１Ｐ３の入力信号がローになる
と、ラッチ２２０からの出力信号はゲート２３７，２３
８，２３１，２３９，２４０および２３４を介してイン
バータ３４，３８，３２，３６，２２８，２４１，２３
５および２３６にフィードバックされこれらはＶ_ＲＥＦ
およびグランドを容量プレート３０Ｄ，３０Ｅおよび３
０Ｂ，３０Ａに印加する。Ｖ_ＲＥＦおよびグランド電位
は容量プレート３０Ｄ，３０Ｅおよび３０Ｂ，３０Ａに
印加されプレート３０Ｃに対して静電力を発生させプレ
ート３０Ｃを時間Ｔ＝３６〜Ｔ＝６４の間に中央水平位
置に向けかつ維持させる。ここでも、結果的に垂直方向
の力がないことに注意を要する。時間Ｔ＝６４におい
て、上のサイクルが反復される。従って、このような交
互のサイクルの間に、図６および図７に示されるよう
に、閉ループ動作モードにおいて、垂直位置が検出され
かつ修正力が印加されそして次に水平位置が検出されか
つ修正力が印加される。

【００２４】同様に、時間Ｔ＝８〜Ｔ＝１２において、
容量プレート４０Ｃの垂直位置が検出されかつ修正力が
時間Ｔ＝１２〜Ｔ＝４０の間に印加される。容量プレー
ト４０Ｃの水平位置は時間Ｔ＝４０〜Ｔ＝４４の間に検
出されかつ水平方向の修正力が時間Ｔ＝４４〜Ｔ＝７２
の間に印加される。同様の動作モードおよびタイミング
が図９のタイミングチャートにおいて容量プレート４１
Ｃおよび４２Ｃに与えられる。また、各々上に述べたも
のと同様の論理回路を含む、３つのその他のブロックが
図６および図７に示されている。従って、各組の容量プ
レートが各セクションにおいてサンプルされかつ修正作
用が行われフレーム１２の位置を中心に合わせる。

【００２５】ＭＰＵまたは他の特別のカスタム論理、図
示せず、を用いることにより、ラッチ回路２１９〜２２
６はサンプルされ、かつ平均のハイおよびロー駆動期間
が長い時間にわたり比較される。例えば、 駆動時間 駆動時間 ４１Ｃ垂直＋４２Ｃ垂直 対 ３０Ｃ垂直＋４０Ｃ垂直 を比較することにより、Ｙ軸の回りの回転運動の速度
（ｒａｔｅ）が測定される。Ｚ軸方向の何らかの直線的
な加速度は容量プレート４１Ｃ垂直＋４０Ｃ垂直に対し
かつ３０Ｃ垂直＋４２Ｃ垂直に対し同じ効果を有するか
ら、上の不等性におけるこれらの変化は打消される。同
様に、 駆動時間 駆動時間 ３０Ｃ水平＋４１Ｃ水平 対 ４０Ｃ水平＋４２Ｃ水平 を比較することにより、Ｚ軸の回りの回転運動速度が測
定される。また、 駆動時間 駆動時間 ３０Ａ＋３０Ｄ＋４０Ａ＋４０Ｄ＋ 対 ３０Ｅ＋３０Ｂ＋４０Ｅ＋４０Ｂ＋ ４１Ａ＋４１Ｄ＋４２Ａ＋４２Ｄ ４１Ｅ＋４１Ｂ＋４２Ｅ＋４２Ｂ を比較することにより、Ｚ軸に沿った直線的加速度が測
定されかついずれの回転速度も打消される。例えばＭＰ
Ｕの水晶に対して、時間領域を測定することにより、デ
ジタル的方法を用いて長い期間にわたり、非常に正確な
測定を行うことができ、非常に広いダイナミックレンジ
で測定することができる。このようにして、正確な測
定、ノイズの打消し、および非常に高感度の装置が提供
される。もちろん、当業者は第３の互いに直行する軸Ｘ
の回りの回転検出を単に、ジャイロスコープ１０と同様
の、しかしながらＺ軸の回りに９０度回転した、第２の
ジャイロスコープを提供することにより測定できること
を理解すべきである。

【００２６】ジャイロスコープ１０はよく知られたマイ
クロマシン技術によって半導体基板上にマイクロ機械的
構造として製造すると好都合であり、該マイクロマシン
技術はエッチング可能な材料の犠牲層（ｓａｃｒｉｆｉ
ｃｉａｌ ｌａｙｅｒｓ）および、多結晶シリコン、ド
ーピングされたシリコン、金属、その他のような半導体
／導体層の成長および／または被着を含む。ジャイロス
コープ１０はまたはバルクマイクロ機械加工（ｂｕｌｋ
ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ）およびウェーハボン
ディング技術を用いて好適に製造することができる。ど
のような技術が用いられても、下部検出容量プレートお
よび駆動要素２６，２７，２８および２９の下部プレー
トは基板上に支持される第１の層に形成される。ポスト
１５、質量部材１２および中央容量プレートは前記第１
の層から離れた第２の層に形成される。ポスト１５はも
ちろん基板によって固定的に支持される。最後に、上部
容量プレートおよび駆動要素２６，２７，２８および２
９の上部プレートは前記第２の層から離れた第３の層に
形成される。コラム（ｃｏｌｕｍｎｓ）および第３の層
はまた振動質量部材２２および２３そしてフレーム１２
の余分の垂直方向の動きを制限するためのストッパとし
て作用し高感度であるが丈夫な装置を形成する。これら
の断面図は図２および図３に示されている。構造全体は
側部が４０ミル（約１ｍｍ）の大きさに形成される。

【００２７】特に図１０を参照すると、全体として５０
で示されている、他の実施例のジャイロスコープが示さ
れており、このジャイロスコープは単一軸の回りの回転
を測定するよう構成されている。ジャイロスコープ５０
は基本的にはジャイロスコープ１０と同じ質量部材、中
央装着ポスト（真っ直ぐなサスペンションアーム５３を
備えている）および駆動要素を含む。しかしながら、複
数の互いに間隔を開けた平行なフィンガを含む検出容量
の代わりに、この特定の実施例においては、上部検出容
量プレート５２および下部プレート（図示せず）は振動
質量要素と平行に配置されている。上部プレートは前記
質量部材のスロットを通して下部プレートに延びている
コラムによって固定的に装着されており、もちろん当業
者はこのような装着を行うために多くの方法を考案する
であろう。この実施例においては、コラムおよびスロッ
トそして第３の層はまた質量部材の有害な過剰運動を防
止する働きをなす。

【００２８】図１１を参照すると、さらに別の実施例
の、全体的に６０で示された、ジャイロスコープが図示
されており、これは単一軸の回りの回転を測定するよう
構成されている。ジャイロスコープ６０は基本的にはジ
ャイロスコープ１０と同じ質量部材、中央装着ポストお
よび駆動要素を含む。しかしながら、複数の互いに間隔
を開けた平行なフィンガを含む検出容量の代わりに、こ
の特定の実施例においては、上部検出容量プレート６２
および下部プレート（図示せず）は質量フレームのアー
ムの延長された終端部と平行に配置されている。上部プ
レートは前記フレームのアームの延長部の両側に沿って
下部プレートに延びているコラムによって固定的に装着
されているが、当業者はこのような装着を行うために多
くの方法を考案するであろう。この実施例においては、
コラムはまた質量部材の有害な過剰運動を防止する働き
をなす。

【００２９】次に図１２を参照すると、一般的に７０で
示されている、さらに他の実施例に係わるジャイロスコ
ープが示されており、このジャイロスコープはＺおよび
Ｙ軸の回りの回転を測定するよう構成されている。ジャ
イロスコープ７０は基本的にはジャイロスコープ１０と
同じ振動質量部材、中央装着ポストおよび駆動要素を含
む。しかしながら、回転を測定する場合に装置の操作を
行うことなく質量を加えるためにＨ形フレーム７２はよ
り広くなっている。加えられた質量はより丈夫なフレー
ムを与えると共に、Ｚ軸方向における加速度を測定する
ために使用された場合構造体の感度を改善する。

【００３０】ジャイロスコープ５０，６０および７０は
利用できる種々の検出装置を示すために本明細書に含ま
れている。また、３軸システムにおいては、第３の軸の
感度は、上に示したように、第２のジャイロスコープ１
０ではなく、ジャイロスコープ５０または６０の内の１
つを含めることにより提供することができる。最後に、
装着ポスト、質量部材および駆動装置の新規な構造は、
単一軸の検出が用いられてもあるいは多軸検出が用いら
れても、極めて高感度かつ正確なジャイロスコープを作
成できる結果となる。

【００３１】

【発明の効果】本発明の構造においては、単一の装着ポ
スト（もちろん必要であれば複数の装着ポストを用いる
こともできるが）が平坦な質量部材を装着するために使
用され、これはジンバル装着質量部材を使用する従来技
術の構造に対し実効質量を大幅に増大する。本発明に従
って構成されたジャイロスコープの新規な構造のため、
実効質量が大幅に増大しかつ、従って、感度も大幅に増
大する。さらに、開示された実施例における質量部材の
新規な構成はより簡単な、より小型の構造を可能にしか
つ十分な質量を提供するために従来技術において必要と
されたような、何らの付加的な工程も必要としない。も
ちろん、本構造はまたバルクマイクロ機械加工およびウ
ェーハボンディング技術を用いても構成できることが理
解される。また、質量部材を中央または中立位置に近く
維持するためにループを閉じることによって、ダイナミ
ックレンジが実質的に増大される。また、比較的簡単な
装置によりジャイロスコープの質量要素を揺動させある
いは振動させ、回転を検出し、かつ質量部材を実質的に
中心に維持することができる。最後に、特別に設計され
た検出装置を利用することにより、本ジャイロスコープ
は１つまたは複数の軸の回りの回転を検出しかつ加速度
を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例に係わる多軸振動ジャイロス
コープを示す平面図である。

【図２】図１の２−２線に沿った断面図である。

【図３】図１の３−３線に沿った断面図である。

【図４】図１のジャイロスコープの一部を示す説明的回
路図である。

【図５】図１の装置の一部を示す拡大斜視図である。

【図６】図７と共に、図１のジャイロスコープに電気的
に接続される検出および制御回路を示す電気回路図であ
る。

【図７】図６と共に、図１のジャイロスコープに電気的
に接続される検出および制御回路を示す電気回路図であ
る。

【図８】図６および図７の検出および制御回路の種々の
点において得られる信号を示す波形図である。

【図９】図６および図７の検出および制御回路の時間お
よび種々の制御機能の間の関係を示す時間−機能チャー
トである。

【図１０】図１と同様の、他の実施例を示す平面図であ
る。

【図１１】図１と同様の、さらに他の実施例を示す平面
図である。

【図１２】図１と同様の、振動ジャイロスコープの他の
実施例を示す平面図である。

【符号の説明】

１０ ジャイロスコープ １２ 質量部材 １３ 中央開口 １４ Ｈ形フレーム １５ 装着ポスト １７Ａ，１７Ｂ らせん形ばね ２２，２３ 質量要素 ２５ 弾性部材 ２６，２７，２８，２９ 駆動要素 ３０，４０，４１，４２ 検出容量 ３０Ａ，３０Ｄ 上部プレート ３０Ｂ，３０Ｅ 下部プレート ３０Ｃ 中央プレート

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に形成され前記基板に平行
   な振動運動のために装着された質量部材（１２，２２，
   ２３）および前記質量部材に隣接して配置され前記質量
   部材（１２，２２，２３）に対して２つの直交軸（Ｘ，
   Ｙ）の回りの回転運動によって生ずる力を検出するため
   の検出装置（３０，４０，４１，４２）を含むことを特
   徴とする多軸振動モノリシックジャイロスコープ。
2. 【請求項２】 多軸振動モノリシックジャイロスコープ
   であって、ベースに固定的に取付けられかつ第１の軸
   （Ｚ）を規定する装着ポスト（１５）、 振動運動のために前記ポスト（１５）に固定的に装着さ
   れかつ前記ポスト（１５）に垂直な面に配置された質量
   部材（１２，２２，２３）であって、該質量部材（１
   ２，２２，２３）は互いに対しかつ前記第１の軸（Ｚ）
   に対し互いに垂直な第２および第３の軸（Ｘ，Ｙ）を規
   定するもの、 前記質量部材（１２，２２，２３）に隣接して装着され
   前記質量部材を前記第２の軸（Ｘ）に沿って振動運動さ
   せるための駆動装置（２６，２７，２８，２９）、そし
   て 前記質量部材（１２，２２，２３）に隣接して配置され
   回転運動によって生成される力に応じて第３の軸（Ｙ）
   に沿った前記質量部材の運動を検出しかつ回転運動によ
   って生成される力に応じて前記第１の軸（Ｚ）に沿った
   前記質量部材の運動を検出するための検出装置（３０，
   ４０，４１，４２）、 を具備することを特徴とする多軸振動モノリシックジャ
   イロスコープ。
3. 【請求項３】 多軸振動モノリシックジャイロスコープ
   であって、ほぼ平坦な面を有する基板、 前記基板の前記平坦な面に固定的に取付けられ、前記基
   板の前記平坦な面にほぼ垂直でありかつ第１の軸（Ｚ）
   を規定する中央装着ポスト（１５）、 そこを貫通する中央開口（１３）を有しかつ前記基板の
   前記平坦な面に平行な面内に前記ポスト（１５）の回り
   に対称的に配置された質量部材（１２）であって、該質
   量部材はさらに前記フレーム（１４）に弾性部材（２
   ５）によって取付けられ前記第１の軸（Ｚ）に垂直な第
   ２の軸（Ｘ）に沿ってかつ前記平行な面内で前記フレー
   ム（１４）に対して振動運動を行うための１対の質量要
   素（２２，２３）を含むもの、 前記中央開口（１３）内で一端において前記ポスト（１
   ５）に固定されかつ他端において前記質量部材（１２）
   のフレーム（１４）に固定され、かつ前記質量部材（１
   ２）を前記ポスト（１５）に対して振動運動を行うよう
   装着するほぼらせん形のばね（１７Ａ，１７Ｂ）、 前記対の質量要素（２２，２３）に隣接して装着され前
   記対の質量部材（２２，２３）を前記第２の軸（Ｘ）に
   沿って互いに反対方向に振動運動させるための振動運動
   駆動装置（２６，２７，２８，２９）、そして前記質量
   部材（１２）に隣接して配置されかつ前記第１および第
   ２の軸に対し互いに直交する第３の軸（Ｙ）を規定し、
   回転運動によって生成される力による前記質量部材（１
   ２）の第１の軸（Ｚ）および第３の軸（Ｙ）における運
   動を検出するための検出容量（３０，４０，４１，４
   ２）、 を具備することを特徴とする多軸振動モノリシックジャ
   イロスコープ。