機械的に頑強なマイクロマシニングによるジャイロスコープのための三質量体連結振動の技術
【課題】電力消費が低下したマイクロマシニングによるジャイロスコープを提供する
【解決手段】基板と、第１方向ｘ又はｙに沿って振動するように構成された３つの質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３とを備え、第１質量体ｍ１は基板に機械的に連結され、第２質量体ｍ２は、第１質量体ｍ１及び基板に機械的に連結され、第３質量体ｍ３は、第２質量体ｍ２に機械的に連結され、各質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３の重さ及びばね定数ｋ１，ｋ２、並びに、機械的連結ｋ１２，ｋ２３が、動作中に質量体ｍ１及び質量体ｍ３の共振周波数を充分に上回る周波数で質量体ｍ２が振動するように選択される。質量体ｍ２の共振周波数は、質量体ｍ１又はｍ３の共振周波数より、少なくとも２倍、更には２．５倍大きくてもよい。
【解決手段】基板と、第１方向ｘ又はｙに沿って振動するように構成された３つの質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３とを備え、第１質量体ｍ１は基板に機械的に連結され、第２質量体ｍ２は、第１質量体ｍ１及び基板に機械的に連結され、第３質量体ｍ３は、第２質量体ｍ２に機械的に連結され、各質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３の重さ及びばね定数ｋ１，ｋ２、並びに、機械的連結ｋ１２，ｋ２３が、動作中に質量体ｍ１及び質量体ｍ３の共振周波数を充分に上回る周波数で質量体ｍ２が振動するように選択される。質量体ｍ２の共振周波数は、質量体ｍ１又はｍ３の共振周波数より、少なくとも２倍、更には２．５倍大きくてもよい。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
マイクロマシニングによるジャイロスコープは、通常、コリオリ効果と呼ばれる物理現象に従って動作する角速度センサである。コリオリ効果は、単に、回転座標系から見た運動物体の偏差である。基板に実装された物体の場合、基板が回転するときに垂直平面内で振動（例えば、揺れ、運動又は駆動）しやすい。したがって、コリオリ効果を利用すべく、マイクロマシニングによるジャイロスコープは、少なくとも１つの質量体を備えた振動部と、振動部に対して垂直な平面内で自由に運動する検出部とで構成することができる。振動部が撓むことになるので、検出部はジャイロスコープの回転によって影響を受ける。外的な回転の下、振動質量体は撓み、その偏差は検出部の運動を通じて検出される。
【０００２】
かかる振動型ジャイロスコープの感度は、その振幅に依存する。安定して高感度を達成するためには、安定した大きい振幅が好ましい。
【０００３】
一般に、大きい振動は、その共振周波数で動作する１自由度（１−ＤＯＦ）振動子を使用して達成される。安定性は、安定化回路（例えば、位相ロックループ（ＰＬＬ）、比例積分（ＰＩ）コントローラ）の助けを得て、この共振周波数付近でジャイロスコープを動作させ続けることにより得られる。
【０００４】
いくつかのケースでは、１自由度振動子を非共振周波数で動作させることができ、これにより安定化回路の必要性を低下させることができる。しかしながら、非共振周波数での振幅は、共振周波数での振幅より小さくなる。やはり、振動子が非共振周波数で振動する場合に、周波数及び品質係数の変化が振動の大きさに与える影響は、共振周波数で振動する場合に比べてより小さくなる。
【０００５】
一般にジャイロスコープは、商業的用途の加速度計の１０倍から２０倍の電力を消費する。この電力消費の一部は、大きい振幅を得るために使用される櫛歯駆動に起因する。櫛歯駆動は、２つの櫛歯型構造の間で発生する静電気力を伴う。一つの櫛が基板に固定される一方、他方の櫛は運動可能である。櫛歯駆動によって発生する力は、２つの櫛の間の静電容量の変化に比例する。しかしながら、この静電容量は、両櫛の間の駆動電位差、櫛歯の数を反映した連結面積、及びこれらの歯の間のギャップに応じて増加する。結果として、櫛歯駆動により大きい振幅を達成するには、大きい分極電位差が必要となり、一般に商用デバイスでは１２Ｖが必要となる。かかる大きい分極電位差は、低電力ジャイロスコープにつながらない。この電力消費の別の原因は、振動子によるジャイロスコープの電力消費の増加を安定化させるのに使用される安定化回路、例えばＰＬＬ及び／又はＰＩコントローラである場合があるが、これも同様に低電力ジャイロスコープにつながらない。また、電力消費の他の原因もまた存在している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ジャイロスコープの電力消費を低下させるための１つの選択肢は、２つの質量体を含む、したがって２つの共振周波数を有する２自由度（２−ＤＯＦ）振動子を使用することである。２−ＤＯＦジャイロスコープは、２つの共振周波数の間で動作することができる。一般に、振幅応答は、種々の品質係数及び共振周波数に僅かしか依存しない。しかしながら、この応答の大きさは依然として極度に小さく、上述の１−ＤＯＦ振動子の非共振応答と同程度である。
【０００７】
したがって、電力消費が低下したマイクロマシニングによるジャイロスコープが好ましい。かかるマイクロマシニングによるジャイロスコープは、アクチュエータと駆動部との間に高い機械的増幅率が存在する安定した振動周波数範囲を有することが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
通常のジャイロスコープと比較して、電力消費が低下したジャイロスコープが開示されている。開示されているジャイロスコープは、安定化回路を必要とせず、駆動回路及び制御回路に対する必要性が低下するように設計され、それゆえジャイロスコープの電力消費が低下する。
【０００９】
一態様では、マイクロマシニングによるジャイロスコープが開示されている。そのマイクロマシニングによるジャイロスコープは、基板と、少なくとも３つの質量体（ｍ１，ｍ２，ｍ３）とを備える。第１質量体ｍ１は、機械的接続部ｋ１を介して基板に機械的に連結され、第２質量体ｍ２は、接続部ｋ１２を介して第１質量体ｍ１に機械的に連結され、機械的接続部ｋ２を介して基板に連結され、第３質量体ｍ３は、機械的接続部ｋ２３を介して第２質量体ｍ２に機械的に連結されている。３つの質量体は、それぞれ第１方向ｘ又はｙに沿って振動するように構成されている。
【００１０】
質量体ｍ１，ｍ２，ｍ３及び機械的接続部ｋ１，ｋ２，ｋ１２，ｋ２３の間に、次の関係、［（ｋ２＋ｋ１２＋ｋ２３）／ｍ２］≫（［（ｋ１＋ｋ１２）／ｍ１］〜［（ｋ２３）／ｍ３］）が存在する。
【００１１】
いくつかの実施形態では、第３質量体ｍ３は、機械的接続部ｋ３を介して基板にも機械的に連結されている。
【００１２】
質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３は、第１方向ｘに沿って振動するように構成されたジャイロスコープの駆動質量体とすることができる。この目的のために、ジャイロスコープは、これらの駆動質量体を刺激するためのアクチュエータをさらに備えてもよい。これらのアクチュエータは、平行板アクチュエータでもよい。
【００１３】
別の実施形態では、マイクロマシニングによるジャイロスコープは、これらの３質量体構成の複製組ｍ１’、ｍ２’及びｍ３’をさらに備えてもよく、この複製組は、第１方向に沿って且つこれらの３質量体構成ｍ１、ｍ２及びｍ３と逆位相で振動するように構成されている。
【００１４】
質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３は、ジャイロスコープの検出質量体とし、ジャイロスコープが回転する際には、ｙ方向に沿って振動するように構成されるようにすることができる。
【００１５】
いくつかの実施形態では、３つの質量体ｍ１，ｍ２，ｍ３は、直線的に振動するように構成することができる。
【００１６】
別の態様では、基板と、検出質量体に機械的に連結される駆動質量体とを備え、両質量体は直交する方向に運動可能であり、コリオリ力の影響の下に動作する場合は、駆動質量体は検出質量体を駆動し、駆動質量体又は検出質量体のうち少なくとも１つが３つの質量体ｍ１，ｍ２，ｍ３の接続部として構成され、第１質量体ｍ１は、基板に機械的に連結され、第２質量体ｍ２は、第１質量体ｍ１及び基板に機械的に連結され、第３質量体ｍ３は、第２質量体ｍ２に機械的に連結され、次の関係、［（ｋ２＋ｋ１２＋ｋ２３）／ｍ２］≫（［（ｋ１＋ｋ１２）／ｍ１］〜［（ｋ２３）／ｍ３］）が存在し、ｍ１、ｍ２、ｍ３は、それぞれ質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３の重量であり、ｋ１，ｋ２（及びｋ３）は、それぞれ質量体ｍ１、ｍ２又はｍ３と基板との間の機械的接続部のばね定数であり、ｋ１２，ｋ２３は、それぞれ質量体ｍ２と質量体ｍ１又は質量体ｍ３との間の機械的接続部のばね定数であるようにした、マイクロマシニングによるジャイロスコープが開示されている。
【００１７】
さらに別の態様では、基板と、第１方向ｘ又はｙに沿って振動するように構成された３つの質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３とを備え、第１質量体ｍ１は基板に機械的に連結され、第２質量体ｍ２は、第１質量体ｍ１及び基板に機械的に連結され、第３質量体ｍ３は、第２質量体ｍ２に機械的に連結され、各質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３の重量及びばね定数ｋ１，ｋ２，ｋ３、並びに、機械的連結ｋ１２，ｋ２３が、動作中に質量体ｍ１及び質量体ｍ３の共振周波数を充分に上回る周波数で質量体ｍ２が振動するように選択されるようにした、マイクロマシニングによるジャイロスコープが開示されている。
【００１８】
いくつかの実施形態では、質量体ｍ２の共振周波数は、質量体ｍ１又はｍ３の共振周波数より、少なくとも２倍、更には２．５倍大きくてもよい。
【００１９】
さらに別の態様では、マイクロマシニングによるジャイロスコープを設計するための方法が開示されている。このマイクロマシニングによるジャイロスコープは、基板と、第１方向ｘ又はｙに沿って振動するように構成された少なくとも３つの質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３とを備え、第１質量体ｍ１は、基板に機械的に連結され、第２質量体ｍ２は、第１質量体ｍ１及び基板に機械的に連結され、第３質量体ｍ３は、第２質量体ｍ２に機械的に連結され、次の関係、［（ｋ２＋ｋ１２＋ｋ２３）／ｍ２］≫（［（ｋ１＋ｋ１２）／ｍ１］〜［（ｋ２３）／ｍ３］）が存在し、ｍ１、ｍ２、ｍ３は、それぞれ質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３の重さであり、ｋ１，ｋ２（及びｋ３）は、それぞれ質量体ｍ１又はｍ２又はｍ３と基板との間の機械的接続部のばね定数であり、ｋ１２，ｋ２３は、それぞれ質量体ｍ２と質量体ｍ１又は質量体ｍ３との間の機械的接続部のばね定数である。
【００２０】
その方法は、［（ｋ１＋ｋ１２）／ｍ１］〜［ｋ３＋ｋ２３）／ｍ３］を満たすようにｍ１、ｍ３、ｋ１及びｋ３を選択する工程と、ジャイロスコープの動作中に、［（ｋ２＋ｋ１２＋ｋ２３）／ｍ２］≫［（ｋ１＋ｋ１２）／ｍ１］＞［（ｋ３＋ｋ２３）／ｍ３］を満たすようにｍ２、ｋ２を選択する工程とを含む。
【００２１】
その方法はさらに、質量体ｍ１の運動と質量体ｍ３の運動との間の機械的増幅率を選択する工程と、ｋ２をこの所望の機械的増幅率を考慮した値とする工程とを含む。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
例示的な実施形態が、図面の参照図中に示されている。本明細書で開示した実施形態及び図面は、例示的であり、限定的でないと考えるべきである。
【００２３】
【図１】一実施形態に係る、３つの駆動質量体ｍ１，ｍ２，ｍ３と１つの検出質量体ｍｓｅｎｓｅとを備えたマイクロマシニングによるジャイロスコープと機械的に等価な概略図を示す。
【図２】一実施形態に係る、３つの駆動質量体ｍ１，ｍ２，ｍ３と１つの検出質量体ｍｓｅｎｓｅとを備え、質量体ｍ３が基板に連結されているマイクロマシニングによるジャイロスコープと機械的に等価な概略図を示す。
【図３】一実施形態に係る、図２に示すジャイロスコープの共振挙動を示す。正規化した変位応答（単位なし）対周波数（Ｈｚ）を示す。
【図４】一実施形態に係る、３つの駆動質量体ｍ１，ｍ２，ｍ３と１つの検出質量体ｍｓｅｎｓｅとを備え、検出質量体は駆動質量体ｍ３から分離しているマイクロマシニングによるジャイロスコープと機械的に等価な概略図を示す。
【図５】一実施形態に係る、３つの駆動質量体ｍ１，ｍ２，ｍ３と３つの検出質量体ｍｓｅｎｓｅ−２，ｍｓｅｎｓｅ−３とを備え、検出質量体は駆動質量体ｍ３から分離しているマイクロマシニングによるジャイロスコープと機械的に等価な概略図を示す。
【図６】一実施形態に係る、音叉構成で配置された駆動質量体ｍ１，ｍ２，ｍ３と、１つの検出質量体ｍｓｅｎｓｅとを備えたマイクロマシニングによるジャイロスコープと機械的に等価な概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本開示は、特定の実施形態を包含し、特定の図面を参照するが、それに限定されることはない。記載した図面は概略的なものに過ぎず、限定的でない。図面において、いくつかのエレメントの大きさは、説明目的のため誇張し、また、スケールどおり描いていないことがある。寸法及び相対寸法は、開示の実施に対する実際の縮小には対応していない。この明細書を通じて「一実施形態(one embodiment又はan embodiment)」が意味するのは、その実施形態と関連して説明される特定の特徴、構造又は特性は、本開示の少なくとも１つの実施形態に含まれる、ということである。したがって、本明細書を通じてさまざまな所で現れるフレーズ「一実施形態では」は、必ずしも同じ実施形態を指すのでなく、異なる実施形態を指してもよい。さらに、特定の特徴、構造又は特性は、この開示から当業者に明らかなように、１つ以上の実施形態において好適な方法で組み合わせることができる。さらに、説明及び請求項での用語「上(top)」「底(bottom)」「〜の上(over)」「〜の下(under)」等は、説明目的で使用しており、必ずしも相対的な位置を記述するためのものでない。こうして用いた用語は、好適な状況下で交換可能であって、本明細書で説明した開示の特定の実施形態が本明細書で説明又は図示した以外の他の向きで動作可能であると理解すべきである。請求項で使用する用語「備える、有する、含む(comprising)」は、それ以降に列挙された手段に限定されるものと解釈すべきでなく、他のエレメント又は工程を除外していない。それゆえ、記述した特徴、整数、工程又はコンポーネントの存在を、参照したように特定するよう解釈する必要があるが、１つ以上の他の特徴、整数、工程又はコンポーネント、或いはこれらのグループの存在又は追加を除外していない。したがって、「コンポーネントＡ及びＢを含むソリューション」という表現の範囲は、コンポーネントＡ及びＢだけからなるソリューションに限定すべきでない。本開示に関して、Ａ及びＢが、関連するソリューションのコンポーネントであることを意味するに過ぎない。
【００２５】
この開示では、マイクロマシニングによるジャイロスコープを開示している。かかるマイクロマシニングによるジャイロスコープは、既に説明したコリオリ効果に従って動作する角速度センサである。かかるマイクロマシニングによるジャイロスコープは、半導体プロセスの製造工程を使用して製造する。
【００２６】
特に、機械的に連結され、第１方向ｙに沿って振動する３質量体構成を備えたマイクロマシニングによるジャイロスコープを開示している。かかる三質量体振動スキームでは、図１で示すように、質量体ｍ１は質量体ｍ２及び基板に連結され、質量体ｍ２は質量体ｍ３及び基板に連結される。また、質量体ｍ３は、検出部ｍｓｅｎｓｅを駆動する。質量体ｍ３は、第２質量体ｍ２を介してのみ質量体ｍ１に機械的に連結されている。
【００２７】
質量体ｍ１はアクチュエータによって駆動されるが、通常は静電気的に駆動される。低電圧では櫛歯アクチュエータを使用可能であるが、より低電圧で動作するので、平行板アクチュエータを使用するのが好ましい場合もある。かかる平行板アクチュエータは、電力効率に優れるが、非線形挙動に起因して大きな変位を提供することができない。しかしながら、後述するように、質量体ｍ１の運動と質量体ｍ３の運動との間の機械的増幅率に起因して、平行板アクチュエータの小さい変位を増幅して、適度に大きい第３質量体ｍ３の振幅が得られる。増加した振幅は、例えば数マイクロメートルである場合がある。
【００２８】
第３質量体ｍ３は、外的な回転の際にコリオリ力を作り出す振動質量体として使用することができる。質量体ｍ３の偏差は、駆動質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３が振動する方向に沿った方向ｘに垂直な方向ｙ方向に運動する質量体ｍｓｅｎｓｅによって検出する。この質量体ｍｓｅｎｓｅは、図１に示す構成では質量体ｍ３ｄｒｉｖｅに直接連結され、それ自体は駆動質量体ｍ３の一部である。
【００２９】
質量体ｍ１，ｍ２，ｍ３の質量、ばね定数ｋ１，ｋ２，ｋ３，ｋ１２，ｋ２３並びに減衰レベルｂ１及びｂ２の値は、質量体ｍ３についての、大きくて周波数範囲（例えば５０Ｈｚ以上）で平坦な変位応答、及び、質量体ｍ３の平坦な周波数応答での質量体ｍ１とｍ３との間の機械的増幅率が得られるように設計される。したがって、質量体ｍ１の振幅は小さくてもよく、通常２００ｎｍ未満であり、さらに１００ｎｍ未満でもよい。上述のように、このｍ１の小さい振幅はアクチュエータ（例えば平行板アクチュエータ又は櫛歯アクチュエータ）の低電圧駆動を可能にする。したがって、質量体ｍ３のアクチュエータに対する応答は、いかなる外部回路も必要とすることなく頑強となり、全体の電力消費が低下することとなる。
【００３０】
図１では、質量体ｍ３は基板に連結されなかったが、図２は、質量体ｍ３が基板にも機械的に連結される別の実施形態を示す。この連結は、ばねｋ３及び減衰ｂ３によってモデル化される。このような構成は、マイクロマシニングによるジャイロスコープの製造に起因する欠陥に適合するであろう。ばねｋ１及びｋ３が同様の形状で設計され、さらに、プロセスに関連する欠陥がある場合、すべてのばねｋ１，ｋ２，ｋ３，ｋ１２，ｋ２３が同程度の影響を受ける。さらに、すべての質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３を基板に固定することで、一端が飛び出した質量体の座屈／屈曲に関する機械的応力が最小化すると共に、より大きく、より平坦なデバイスが可能となる。
【００３１】
図２に示す機械的なシステムは、下記の３つの式（１）でモデル化することができる。
【００３２】
【数１】
【００３３】
これらの３つの式から、各質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３の変位応答を下記の式（２）のように解析的に得ることができる。
【００３４】
【数２】
【００３５】
図３は、連結した三質量体の振動構成の共振挙動を示す。駆動力の周波数は掃引され、駆動された質量体の変位はＤＣ変位に関連して測定される。したがって、図３のｙ軸は、振動ピークの品質係数を表す。応答ピークｆ１とｆ３との間で、実質的に平坦な応答領域が得られる。これら２つの共振ピークｆ１及びｆ３は、質量体ｍ２の共振周波数が両共振ピークのいずれより大きいように選択された場合には、質量ｍ１及びｍ３によって決定する。
【００３６】
質量体ｍ３の平坦で大きい応答、及び、質量体ｍ１と質量体ｍ３との間の機械的増幅率を達成するために、次の設計方法を適用する。第１に、質量体ｍ２は非運動剛体であり、ｋ２は無限であると仮定する。このとき、質量体ｍ１の運動と質量体ｍ３の運動とは別個に決定することができる。次に、質量体ｍ１及び質量体ｍ３のそれぞれの共振周波数ｆ１及びｆ２は、下記の式（３）に示すように質量体ｍ２が全く影響を与えないことを仮定して、互いに等しいとみなされる。
【００３７】
【数３】
【００３８】
減衰レベルｂ１及びｂ２が充分小さく、かつ、基板に連結されている（ｂ３）場合、有限のｋ２の値は、質量体ｍ１の共振周波数ｆ１及び質量体ｍ３の共振周波数ｆ３が互いに分離し、両者の間で頑強な応答プラトーを形成すると共に、質量体ｍ１と質量体ｍ３との間に機械的増幅率を形成する。質量体ｍ１及び質量体ｍ３の共振周波数の分離と、プラトーでの質量体ｍ３の応答レベルは、ｋ２の値に依存する。ｋ２が大きいほど、分離は小さく、応答は大きくなる。
【００３９】
この機械的増幅率は、ジャイロスコープが動作する環境の真空レベル、又は個々のピークの品質係数を増加させることにより、さらに向上させることができる。
【００４０】
機械的増幅率は質量体ｍ１から質量体ｍ３に向かって最も大きくなるが、質量体ｍ１の反共振周波数の位置は、ｋ１を変化させることにより調整することができる。平行板アクチュエータを使用して質量体ｍ１を駆動する場合、ｋ１の値を容易に調整することができる。しかしながら、アプリケーションの観点から、質量体ｍ１の反共振周波数で動作しない方が好ましい場合もある。なぜなら、質量体ｍ１が不安定となるからである。その場合、ジャイロスコープは、質量体ｍ１の反共振周波数から僅かに隔てた周波数で動作し、質量体ｍ１から質量体ｍ３までの機械的増幅率は、真空レベルに関わらず約２０〜３０であろう。
【００４１】
減衰レベルｂ１，ｂ２（及び存在する場合はｂ３）又は各共振ピークｆ１及びｆ３の品質係数は、ジャイロスコープの動作に重要な役割を担っている。品質係数が充分に大きくない場合、連結は生じず、プラトーを形成することもできない。
【００４２】
共振周波数ｆ１及びｆ２の品質係数の選択は、設計基準である。ｋ２が大きいほど、両方の共振周波数の品質係数は大きい必要がある。質量体ｍ２を介して連結される場合、これらの品質係数の値は、ばね定数ｋ２の有限の値に起因して、質量体ｍ１及び質量体ｍ３の共振周波数ｆ１とｆ３との間のプラトーの平均周波数に対する質量体ｍ２の共振周波数の比、よりも大まかに言って１桁大きい必要がある。
【００４３】
質量体ｍ１の反共振周波数の位置は、プラトーの中間地点である必要はない。この位置は、質量ｍ１の質量ｍ３に対する比に依存するが、ｋ１を変化させることで調整可能である。それゆえ、初期の設定段階で、質量体１の共振周波数及び質量体３の共振周波数は互いにｆ１〜ｆ３に一致するが、質量体ｍ２が非運動物体であると仮定すると、最終的には変化したｋ１に起因して式（３）が有効である必要はない。
【００４４】
質量体１と質量体３との間の機械的増幅率は動作周波数に依存する。動作周波数が質量体ｍ１の反共振位置での周波数である場合、増幅率は最大となる。しかしながら、この状況は、質量体ｍ１の運動に不安定性をもたらす可能性がある。反共振から僅かに隔てて動作することが提案されている。この場合、機械的増幅率は現実的に２０〜３０が可能である。
【００４５】
図４、図５及び図６は、代替の実施形態を示す。振動するジャイロスコープ内で１−ＤＯＦ振動子を使用する場合であれば、提案した三質量体連結振動技術を使用可能である。分離した、又は分離していない検出スキーム及び駆動スキーム並びに音叉トポロジーを使用可能である。さらに、この三質量体振動トポロジーをジャイロスコープの検出部内で使用して、大きいバンド幅及び増幅された感度を達成可能である。
【００４６】
図４は、３つの駆動質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３を備え、ｍ１は基板に（ｋ１，ｂ１）、及び、質量体ｍ２に（ｋ１２）連結され、ｍ２は基板に（ｋ２，ｂ２）、及び、質量体ｍ３に（ｋ２３）に連結され、質量体ｍ３は、分離質量体ｍｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇを介して検出質量体ｍｓｅｎｓを駆動するようにしたマイクロマシニングによるジャイロスコープを示す。
【００４７】
図５は、３つの駆動質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３を備え、ｍ１は基板に（ｋ１，ｂ１）、及び、質量体ｍ２に（ｋ１２）連結され、ｍ２は基板に（ｋ２，ｂ２）、及び、質量体ｍ３に（ｋ２３）連結され、質量体ｍ３は、分離質量体ｍｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇを介して検出質量体ｍｓｅｎｓを駆動するようにしたマイクロマシニングによるジャイロスコープを示す。この実施形態ではまた、検出質量体ｍｓｅｎｓは、３つの質量体ｍｓｅｎｓ＿１，ｍｓｅｎｓ＿２，ｍｓｅｎｓ＿３が連結されたものとして構成され、質量体ｍｓｅｎｓ＿２は、基板及び質量体ｍｓｅｎｓ＿２に連結され、質量体ｍｓｅｎｓ＿２は、基板及び質量体ｍｓｅｎｓ＿３に連結されている。この構成では、駆動質量体についての安定した振動周波数範囲が得られ、質量体ｍ１の運動は質量体ｍ３に向かって機械的に増幅されると共に、安定な検出周波数帯が得られ、質量体ｍｓｅｎｓ＿１の運動は質量体ｍｓｅｎｓ＿３に向かって機械的に増幅される。
【００４８】
図６は、音叉構成で３つの駆動質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３を備え、質量体ｍ１は基板に（ｋ１，ｂ１）、及び、質量体ｍ２に（ｋ１２）連結され、ｍ２は、基板に（ｋ２，ｂ２）、及び、質量体ｍ３に（ｋ２３）連結され、質量体ｍ３は、分離質量体ｍｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇを介して検出質量体ｍｓｅｎｓを駆動するようにしたマイクロマシニングによるジャイロスコープを示す。それはさらに、第２の組の、３つの駆動質量体ｍ１’、ｍ２’及びｍ３’を備え、ｍ１’は基板及び質量体ｍ２’に（ｋ１２’）連結され、ｍ２’は基板及び質量体ｍ３’に（ｋ２３’）連結され、質量体ｍ３’は検出質量体ｍｓｅｎｓ’を駆動する。機械的に連結したｍ１、ｍ２及びｍ３と、ｍ１’、ｍ２’及びｍ３’の両方の組が、同じアクチュエータによって駆動される。
【００４９】
多くの実施形態の例が考慮される。１つの実施形態の例では、マイクロマシニングによるジャイロスコープは、基板と、第１方向に沿って振動するように構成された３つの質量体とを含んでもよい。第１質量体ｍ１は、基板に機械的に連結されてもよく、第２質量体ｍ２は、第１質量体及び基板に機械的に連結されてもよく、第３質量体ｍ３は第２質量体ｍ２に機械的に連結されてもよい。ジャイロスコープは、次の式、［（ｋ２＋ｋ１２＋ｋ２３）／ｍ２］≫（［（ｋ１＋ｋ１２）／ｍ１］〜［（ｋ２３）／ｍ３］）のように規定してもよい。ここで、ｍ１，ｍ２，ｍ３は、それぞれ質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３の重さであり、ｋ１，ｋ２は、それぞれの質量体と基板との間の機械的接続部のばね定数であり、ｋ１２，ｋ２３は、それぞれ第２質量体と第１質量体、第２質量体と第３質量体との間の機械的接続部のばね定数である。
【００５０】
いくつかの実施形態では、第３質量体ｍ３は基板に機械的に連結されてもよく、次の関係、［（ｋ２＋ｋ１２＋ｋ２３）／ｍ２］≫［（ｋ１＋ｋ１２）／ｍ１］〜［ｋ３＋ｋ２３）／ｍ３］が存在してもよい。ここで、ｋ３は、質量体ｍ３と基板との間の機械的接続部のばね定数である。
【００５１】
いくつかの実施形態では、３つの質量体は駆動質量体である。ジャイロスコープはさらに、第１質量体ｍ１を駆動するための駆動手段を含んでもよい。駆動手段は、例えば、１つ以上の平行板静電アクチュエータでもよい。
【００５２】
いくつかの実施形態では、３つの質量体はジャイロスコープが回転する際に運動するように構成された検出質量体でもよい。
【００５３】
いくつかの実施形態では、ジャイロスコープはさらに、３質量体構成の複製組を含んでもよい。その複製組は、３質量体構成と逆位相で第１方向に沿って振動するように構成してもよい。
【００５４】
いくつかの実施形態では、質量体が直線的に振動するように構成してもよい。
【００５５】
別の実施形態の例では、マイクロマシニングによるジャイロスコープの設計方法が、［（ｋ１＋ｋ１２）／ｍ１］〜［ｋ３＋ｋ２３）／ｍ３］を満たすようにｍ１、ｍ３、ｋ１及びｋ３を選択する工程を含んでもよい。その方法はさらに、動作中に、［（ｋ２＋ｋ１２＋ｋ２３）／ｍ２］≫［（ｋ１＋ｋ１２）／ｍ１］＞［ｋ３＋ｋ２３）／ｍ３］を満たすようにｍ２、ｋ２を選択する工程を含んでもよい。
【００５６】
いくつかの実施形態では、その方法はさらに、質量体ｍ１の運動と質量体ｍ３の運動との間の機械的増幅率を選択する工程と、ｋ２をこの所望の機械的増幅率を考慮した値とする工程とを含んでもよい。
【背景技術】
【０００１】
マイクロマシニングによるジャイロスコープは、通常、コリオリ効果と呼ばれる物理現象に従って動作する角速度センサである。コリオリ効果は、単に、回転座標系から見た運動物体の偏差である。基板に実装された物体の場合、基板が回転するときに垂直平面内で振動（例えば、揺れ、運動又は駆動）しやすい。したがって、コリオリ効果を利用すべく、マイクロマシニングによるジャイロスコープは、少なくとも１つの質量体を備えた振動部と、振動部に対して垂直な平面内で自由に運動する検出部とで構成することができる。振動部が撓むことになるので、検出部はジャイロスコープの回転によって影響を受ける。外的な回転の下、振動質量体は撓み、その偏差は検出部の運動を通じて検出される。
【０００２】
かかる振動型ジャイロスコープの感度は、その振幅に依存する。安定して高感度を達成するためには、安定した大きい振幅が好ましい。
【０００３】
一般に、大きい振動は、その共振周波数で動作する１自由度（１−ＤＯＦ）振動子を使用して達成される。安定性は、安定化回路（例えば、位相ロックループ（ＰＬＬ）、比例積分（ＰＩ）コントローラ）の助けを得て、この共振周波数付近でジャイロスコープを動作させ続けることにより得られる。
【０００４】
いくつかのケースでは、１自由度振動子を非共振周波数で動作させることができ、これにより安定化回路の必要性を低下させることができる。しかしながら、非共振周波数での振幅は、共振周波数での振幅より小さくなる。やはり、振動子が非共振周波数で振動する場合に、周波数及び品質係数の変化が振動の大きさに与える影響は、共振周波数で振動する場合に比べてより小さくなる。
【０００５】
一般にジャイロスコープは、商業的用途の加速度計の１０倍から２０倍の電力を消費する。この電力消費の一部は、大きい振幅を得るために使用される櫛歯駆動に起因する。櫛歯駆動は、２つの櫛歯型構造の間で発生する静電気力を伴う。一つの櫛が基板に固定される一方、他方の櫛は運動可能である。櫛歯駆動によって発生する力は、２つの櫛の間の静電容量の変化に比例する。しかしながら、この静電容量は、両櫛の間の駆動電位差、櫛歯の数を反映した連結面積、及びこれらの歯の間のギャップに応じて増加する。結果として、櫛歯駆動により大きい振幅を達成するには、大きい分極電位差が必要となり、一般に商用デバイスでは１２Ｖが必要となる。かかる大きい分極電位差は、低電力ジャイロスコープにつながらない。この電力消費の別の原因は、振動子によるジャイロスコープの電力消費の増加を安定化させるのに使用される安定化回路、例えばＰＬＬ及び／又はＰＩコントローラである場合があるが、これも同様に低電力ジャイロスコープにつながらない。また、電力消費の他の原因もまた存在している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ジャイロスコープの電力消費を低下させるための１つの選択肢は、２つの質量体を含む、したがって２つの共振周波数を有する２自由度（２−ＤＯＦ）振動子を使用することである。２−ＤＯＦジャイロスコープは、２つの共振周波数の間で動作することができる。一般に、振幅応答は、種々の品質係数及び共振周波数に僅かしか依存しない。しかしながら、この応答の大きさは依然として極度に小さく、上述の１−ＤＯＦ振動子の非共振応答と同程度である。
【０００７】
したがって、電力消費が低下したマイクロマシニングによるジャイロスコープが好ましい。かかるマイクロマシニングによるジャイロスコープは、アクチュエータと駆動部との間に高い機械的増幅率が存在する安定した振動周波数範囲を有することが好ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
通常のジャイロスコープと比較して、電力消費が低下したジャイロスコープが開示されている。開示されているジャイロスコープは、安定化回路を必要とせず、駆動回路及び制御回路に対する必要性が低下するように設計され、それゆえジャイロスコープの電力消費が低下する。
【０００９】
一態様では、マイクロマシニングによるジャイロスコープが開示されている。そのマイクロマシニングによるジャイロスコープは、基板と、少なくとも３つの質量体（ｍ１，ｍ２，ｍ３）とを備える。第１質量体ｍ１は、機械的接続部ｋ１を介して基板に機械的に連結され、第２質量体ｍ２は、接続部ｋ１２を介して第１質量体ｍ１に機械的に連結され、機械的接続部ｋ２を介して基板に連結され、第３質量体ｍ３は、機械的接続部ｋ２３を介して第２質量体ｍ２に機械的に連結されている。３つの質量体は、それぞれ第１方向ｘ又はｙに沿って振動するように構成されている。
【００１０】
質量体ｍ１，ｍ２，ｍ３及び機械的接続部ｋ１，ｋ２，ｋ１２，ｋ２３の間に、次の関係、［（ｋ２＋ｋ１２＋ｋ２３）／ｍ２］≫（［（ｋ１＋ｋ１２）／ｍ１］〜［（ｋ２３）／ｍ３］）が存在する。
【００１１】
いくつかの実施形態では、第３質量体ｍ３は、機械的接続部ｋ３を介して基板にも機械的に連結されている。
【００１２】
質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３は、第１方向ｘに沿って振動するように構成されたジャイロスコープの駆動質量体とすることができる。この目的のために、ジャイロスコープは、これらの駆動質量体を刺激するためのアクチュエータをさらに備えてもよい。これらのアクチュエータは、平行板アクチュエータでもよい。
【００１３】
別の実施形態では、マイクロマシニングによるジャイロスコープは、これらの３質量体構成の複製組ｍ１’、ｍ２’及びｍ３’をさらに備えてもよく、この複製組は、第１方向に沿って且つこれらの３質量体構成ｍ１、ｍ２及びｍ３と逆位相で振動するように構成されている。
【００１４】
質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３は、ジャイロスコープの検出質量体とし、ジャイロスコープが回転する際には、ｙ方向に沿って振動するように構成されるようにすることができる。
【００１５】
いくつかの実施形態では、３つの質量体ｍ１，ｍ２，ｍ３は、直線的に振動するように構成することができる。
【００１６】
別の態様では、基板と、検出質量体に機械的に連結される駆動質量体とを備え、両質量体は直交する方向に運動可能であり、コリオリ力の影響の下に動作する場合は、駆動質量体は検出質量体を駆動し、駆動質量体又は検出質量体のうち少なくとも１つが３つの質量体ｍ１，ｍ２，ｍ３の接続部として構成され、第１質量体ｍ１は、基板に機械的に連結され、第２質量体ｍ２は、第１質量体ｍ１及び基板に機械的に連結され、第３質量体ｍ３は、第２質量体ｍ２に機械的に連結され、次の関係、［（ｋ２＋ｋ１２＋ｋ２３）／ｍ２］≫（［（ｋ１＋ｋ１２）／ｍ１］〜［（ｋ２３）／ｍ３］）が存在し、ｍ１、ｍ２、ｍ３は、それぞれ質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３の重量であり、ｋ１，ｋ２（及びｋ３）は、それぞれ質量体ｍ１、ｍ２又はｍ３と基板との間の機械的接続部のばね定数であり、ｋ１２，ｋ２３は、それぞれ質量体ｍ２と質量体ｍ１又は質量体ｍ３との間の機械的接続部のばね定数であるようにした、マイクロマシニングによるジャイロスコープが開示されている。
【００１７】
さらに別の態様では、基板と、第１方向ｘ又はｙに沿って振動するように構成された３つの質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３とを備え、第１質量体ｍ１は基板に機械的に連結され、第２質量体ｍ２は、第１質量体ｍ１及び基板に機械的に連結され、第３質量体ｍ３は、第２質量体ｍ２に機械的に連結され、各質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３の重量及びばね定数ｋ１，ｋ２，ｋ３、並びに、機械的連結ｋ１２，ｋ２３が、動作中に質量体ｍ１及び質量体ｍ３の共振周波数を充分に上回る周波数で質量体ｍ２が振動するように選択されるようにした、マイクロマシニングによるジャイロスコープが開示されている。
【００１８】
いくつかの実施形態では、質量体ｍ２の共振周波数は、質量体ｍ１又はｍ３の共振周波数より、少なくとも２倍、更には２．５倍大きくてもよい。
【００１９】
さらに別の態様では、マイクロマシニングによるジャイロスコープを設計するための方法が開示されている。このマイクロマシニングによるジャイロスコープは、基板と、第１方向ｘ又はｙに沿って振動するように構成された少なくとも３つの質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３とを備え、第１質量体ｍ１は、基板に機械的に連結され、第２質量体ｍ２は、第１質量体ｍ１及び基板に機械的に連結され、第３質量体ｍ３は、第２質量体ｍ２に機械的に連結され、次の関係、［（ｋ２＋ｋ１２＋ｋ２３）／ｍ２］≫（［（ｋ１＋ｋ１２）／ｍ１］〜［（ｋ２３）／ｍ３］）が存在し、ｍ１、ｍ２、ｍ３は、それぞれ質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３の重さであり、ｋ１，ｋ２（及びｋ３）は、それぞれ質量体ｍ１又はｍ２又はｍ３と基板との間の機械的接続部のばね定数であり、ｋ１２，ｋ２３は、それぞれ質量体ｍ２と質量体ｍ１又は質量体ｍ３との間の機械的接続部のばね定数である。
【００２０】
その方法は、［（ｋ１＋ｋ１２）／ｍ１］〜［ｋ３＋ｋ２３）／ｍ３］を満たすようにｍ１、ｍ３、ｋ１及びｋ３を選択する工程と、ジャイロスコープの動作中に、［（ｋ２＋ｋ１２＋ｋ２３）／ｍ２］≫［（ｋ１＋ｋ１２）／ｍ１］＞［（ｋ３＋ｋ２３）／ｍ３］を満たすようにｍ２、ｋ２を選択する工程とを含む。
【００２１】
その方法はさらに、質量体ｍ１の運動と質量体ｍ３の運動との間の機械的増幅率を選択する工程と、ｋ２をこの所望の機械的増幅率を考慮した値とする工程とを含む。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
例示的な実施形態が、図面の参照図中に示されている。本明細書で開示した実施形態及び図面は、例示的であり、限定的でないと考えるべきである。
【００２３】
【図１】一実施形態に係る、３つの駆動質量体ｍ１，ｍ２，ｍ３と１つの検出質量体ｍｓｅｎｓｅとを備えたマイクロマシニングによるジャイロスコープと機械的に等価な概略図を示す。
【図２】一実施形態に係る、３つの駆動質量体ｍ１，ｍ２，ｍ３と１つの検出質量体ｍｓｅｎｓｅとを備え、質量体ｍ３が基板に連結されているマイクロマシニングによるジャイロスコープと機械的に等価な概略図を示す。
【図３】一実施形態に係る、図２に示すジャイロスコープの共振挙動を示す。正規化した変位応答（単位なし）対周波数（Ｈｚ）を示す。
【図４】一実施形態に係る、３つの駆動質量体ｍ１，ｍ２，ｍ３と１つの検出質量体ｍｓｅｎｓｅとを備え、検出質量体は駆動質量体ｍ３から分離しているマイクロマシニングによるジャイロスコープと機械的に等価な概略図を示す。
【図５】一実施形態に係る、３つの駆動質量体ｍ１，ｍ２，ｍ３と３つの検出質量体ｍｓｅｎｓｅ−２，ｍｓｅｎｓｅ−３とを備え、検出質量体は駆動質量体ｍ３から分離しているマイクロマシニングによるジャイロスコープと機械的に等価な概略図を示す。
【図６】一実施形態に係る、音叉構成で配置された駆動質量体ｍ１，ｍ２，ｍ３と、１つの検出質量体ｍｓｅｎｓｅとを備えたマイクロマシニングによるジャイロスコープと機械的に等価な概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
本開示は、特定の実施形態を包含し、特定の図面を参照するが、それに限定されることはない。記載した図面は概略的なものに過ぎず、限定的でない。図面において、いくつかのエレメントの大きさは、説明目的のため誇張し、また、スケールどおり描いていないことがある。寸法及び相対寸法は、開示の実施に対する実際の縮小には対応していない。この明細書を通じて「一実施形態(one embodiment又はan embodiment)」が意味するのは、その実施形態と関連して説明される特定の特徴、構造又は特性は、本開示の少なくとも１つの実施形態に含まれる、ということである。したがって、本明細書を通じてさまざまな所で現れるフレーズ「一実施形態では」は、必ずしも同じ実施形態を指すのでなく、異なる実施形態を指してもよい。さらに、特定の特徴、構造又は特性は、この開示から当業者に明らかなように、１つ以上の実施形態において好適な方法で組み合わせることができる。さらに、説明及び請求項での用語「上(top)」「底(bottom)」「〜の上(over)」「〜の下(under)」等は、説明目的で使用しており、必ずしも相対的な位置を記述するためのものでない。こうして用いた用語は、好適な状況下で交換可能であって、本明細書で説明した開示の特定の実施形態が本明細書で説明又は図示した以外の他の向きで動作可能であると理解すべきである。請求項で使用する用語「備える、有する、含む(comprising)」は、それ以降に列挙された手段に限定されるものと解釈すべきでなく、他のエレメント又は工程を除外していない。それゆえ、記述した特徴、整数、工程又はコンポーネントの存在を、参照したように特定するよう解釈する必要があるが、１つ以上の他の特徴、整数、工程又はコンポーネント、或いはこれらのグループの存在又は追加を除外していない。したがって、「コンポーネントＡ及びＢを含むソリューション」という表現の範囲は、コンポーネントＡ及びＢだけからなるソリューションに限定すべきでない。本開示に関して、Ａ及びＢが、関連するソリューションのコンポーネントであることを意味するに過ぎない。
【００２５】
この開示では、マイクロマシニングによるジャイロスコープを開示している。かかるマイクロマシニングによるジャイロスコープは、既に説明したコリオリ効果に従って動作する角速度センサである。かかるマイクロマシニングによるジャイロスコープは、半導体プロセスの製造工程を使用して製造する。
【００２６】
特に、機械的に連結され、第１方向ｙに沿って振動する３質量体構成を備えたマイクロマシニングによるジャイロスコープを開示している。かかる三質量体振動スキームでは、図１で示すように、質量体ｍ１は質量体ｍ２及び基板に連結され、質量体ｍ２は質量体ｍ３及び基板に連結される。また、質量体ｍ３は、検出部ｍｓｅｎｓｅを駆動する。質量体ｍ３は、第２質量体ｍ２を介してのみ質量体ｍ１に機械的に連結されている。
【００２７】
質量体ｍ１はアクチュエータによって駆動されるが、通常は静電気的に駆動される。低電圧では櫛歯アクチュエータを使用可能であるが、より低電圧で動作するので、平行板アクチュエータを使用するのが好ましい場合もある。かかる平行板アクチュエータは、電力効率に優れるが、非線形挙動に起因して大きな変位を提供することができない。しかしながら、後述するように、質量体ｍ１の運動と質量体ｍ３の運動との間の機械的増幅率に起因して、平行板アクチュエータの小さい変位を増幅して、適度に大きい第３質量体ｍ３の振幅が得られる。増加した振幅は、例えば数マイクロメートルである場合がある。
【００２８】
第３質量体ｍ３は、外的な回転の際にコリオリ力を作り出す振動質量体として使用することができる。質量体ｍ３の偏差は、駆動質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３が振動する方向に沿った方向ｘに垂直な方向ｙ方向に運動する質量体ｍｓｅｎｓｅによって検出する。この質量体ｍｓｅｎｓｅは、図１に示す構成では質量体ｍ３ｄｒｉｖｅに直接連結され、それ自体は駆動質量体ｍ３の一部である。
【００２９】
質量体ｍ１，ｍ２，ｍ３の質量、ばね定数ｋ１，ｋ２，ｋ３，ｋ１２，ｋ２３並びに減衰レベルｂ１及びｂ２の値は、質量体ｍ３についての、大きくて周波数範囲（例えば５０Ｈｚ以上）で平坦な変位応答、及び、質量体ｍ３の平坦な周波数応答での質量体ｍ１とｍ３との間の機械的増幅率が得られるように設計される。したがって、質量体ｍ１の振幅は小さくてもよく、通常２００ｎｍ未満であり、さらに１００ｎｍ未満でもよい。上述のように、このｍ１の小さい振幅はアクチュエータ（例えば平行板アクチュエータ又は櫛歯アクチュエータ）の低電圧駆動を可能にする。したがって、質量体ｍ３のアクチュエータに対する応答は、いかなる外部回路も必要とすることなく頑強となり、全体の電力消費が低下することとなる。
【００３０】
図１では、質量体ｍ３は基板に連結されなかったが、図２は、質量体ｍ３が基板にも機械的に連結される別の実施形態を示す。この連結は、ばねｋ３及び減衰ｂ３によってモデル化される。このような構成は、マイクロマシニングによるジャイロスコープの製造に起因する欠陥に適合するであろう。ばねｋ１及びｋ３が同様の形状で設計され、さらに、プロセスに関連する欠陥がある場合、すべてのばねｋ１，ｋ２，ｋ３，ｋ１２，ｋ２３が同程度の影響を受ける。さらに、すべての質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３を基板に固定することで、一端が飛び出した質量体の座屈／屈曲に関する機械的応力が最小化すると共に、より大きく、より平坦なデバイスが可能となる。
【００３１】
図２に示す機械的なシステムは、下記の３つの式（１）でモデル化することができる。
【００３２】
【数１】
【００３３】
これらの３つの式から、各質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３の変位応答を下記の式（２）のように解析的に得ることができる。
【００３４】
【数２】
【００３５】
図３は、連結した三質量体の振動構成の共振挙動を示す。駆動力の周波数は掃引され、駆動された質量体の変位はＤＣ変位に関連して測定される。したがって、図３のｙ軸は、振動ピークの品質係数を表す。応答ピークｆ１とｆ３との間で、実質的に平坦な応答領域が得られる。これら２つの共振ピークｆ１及びｆ３は、質量体ｍ２の共振周波数が両共振ピークのいずれより大きいように選択された場合には、質量ｍ１及びｍ３によって決定する。
【００３６】
質量体ｍ３の平坦で大きい応答、及び、質量体ｍ１と質量体ｍ３との間の機械的増幅率を達成するために、次の設計方法を適用する。第１に、質量体ｍ２は非運動剛体であり、ｋ２は無限であると仮定する。このとき、質量体ｍ１の運動と質量体ｍ３の運動とは別個に決定することができる。次に、質量体ｍ１及び質量体ｍ３のそれぞれの共振周波数ｆ１及びｆ２は、下記の式（３）に示すように質量体ｍ２が全く影響を与えないことを仮定して、互いに等しいとみなされる。
【００３７】
【数３】
【００３８】
減衰レベルｂ１及びｂ２が充分小さく、かつ、基板に連結されている（ｂ３）場合、有限のｋ２の値は、質量体ｍ１の共振周波数ｆ１及び質量体ｍ３の共振周波数ｆ３が互いに分離し、両者の間で頑強な応答プラトーを形成すると共に、質量体ｍ１と質量体ｍ３との間に機械的増幅率を形成する。質量体ｍ１及び質量体ｍ３の共振周波数の分離と、プラトーでの質量体ｍ３の応答レベルは、ｋ２の値に依存する。ｋ２が大きいほど、分離は小さく、応答は大きくなる。
【００３９】
この機械的増幅率は、ジャイロスコープが動作する環境の真空レベル、又は個々のピークの品質係数を増加させることにより、さらに向上させることができる。
【００４０】
機械的増幅率は質量体ｍ１から質量体ｍ３に向かって最も大きくなるが、質量体ｍ１の反共振周波数の位置は、ｋ１を変化させることにより調整することができる。平行板アクチュエータを使用して質量体ｍ１を駆動する場合、ｋ１の値を容易に調整することができる。しかしながら、アプリケーションの観点から、質量体ｍ１の反共振周波数で動作しない方が好ましい場合もある。なぜなら、質量体ｍ１が不安定となるからである。その場合、ジャイロスコープは、質量体ｍ１の反共振周波数から僅かに隔てた周波数で動作し、質量体ｍ１から質量体ｍ３までの機械的増幅率は、真空レベルに関わらず約２０〜３０であろう。
【００４１】
減衰レベルｂ１，ｂ２（及び存在する場合はｂ３）又は各共振ピークｆ１及びｆ３の品質係数は、ジャイロスコープの動作に重要な役割を担っている。品質係数が充分に大きくない場合、連結は生じず、プラトーを形成することもできない。
【００４２】
共振周波数ｆ１及びｆ２の品質係数の選択は、設計基準である。ｋ２が大きいほど、両方の共振周波数の品質係数は大きい必要がある。質量体ｍ２を介して連結される場合、これらの品質係数の値は、ばね定数ｋ２の有限の値に起因して、質量体ｍ１及び質量体ｍ３の共振周波数ｆ１とｆ３との間のプラトーの平均周波数に対する質量体ｍ２の共振周波数の比、よりも大まかに言って１桁大きい必要がある。
【００４３】
質量体ｍ１の反共振周波数の位置は、プラトーの中間地点である必要はない。この位置は、質量ｍ１の質量ｍ３に対する比に依存するが、ｋ１を変化させることで調整可能である。それゆえ、初期の設定段階で、質量体１の共振周波数及び質量体３の共振周波数は互いにｆ１〜ｆ３に一致するが、質量体ｍ２が非運動物体であると仮定すると、最終的には変化したｋ１に起因して式（３）が有効である必要はない。
【００４４】
質量体１と質量体３との間の機械的増幅率は動作周波数に依存する。動作周波数が質量体ｍ１の反共振位置での周波数である場合、増幅率は最大となる。しかしながら、この状況は、質量体ｍ１の運動に不安定性をもたらす可能性がある。反共振から僅かに隔てて動作することが提案されている。この場合、機械的増幅率は現実的に２０〜３０が可能である。
【００４５】
図４、図５及び図６は、代替の実施形態を示す。振動するジャイロスコープ内で１−ＤＯＦ振動子を使用する場合であれば、提案した三質量体連結振動技術を使用可能である。分離した、又は分離していない検出スキーム及び駆動スキーム並びに音叉トポロジーを使用可能である。さらに、この三質量体振動トポロジーをジャイロスコープの検出部内で使用して、大きいバンド幅及び増幅された感度を達成可能である。
【００４６】
図４は、３つの駆動質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３を備え、ｍ１は基板に（ｋ１，ｂ１）、及び、質量体ｍ２に（ｋ１２）連結され、ｍ２は基板に（ｋ２，ｂ２）、及び、質量体ｍ３に（ｋ２３）に連結され、質量体ｍ３は、分離質量体ｍｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇを介して検出質量体ｍｓｅｎｓを駆動するようにしたマイクロマシニングによるジャイロスコープを示す。
【００４７】
図５は、３つの駆動質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３を備え、ｍ１は基板に（ｋ１，ｂ１）、及び、質量体ｍ２に（ｋ１２）連結され、ｍ２は基板に（ｋ２，ｂ２）、及び、質量体ｍ３に（ｋ２３）連結され、質量体ｍ３は、分離質量体ｍｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇを介して検出質量体ｍｓｅｎｓを駆動するようにしたマイクロマシニングによるジャイロスコープを示す。この実施形態ではまた、検出質量体ｍｓｅｎｓは、３つの質量体ｍｓｅｎｓ＿１，ｍｓｅｎｓ＿２，ｍｓｅｎｓ＿３が連結されたものとして構成され、質量体ｍｓｅｎｓ＿２は、基板及び質量体ｍｓｅｎｓ＿２に連結され、質量体ｍｓｅｎｓ＿２は、基板及び質量体ｍｓｅｎｓ＿３に連結されている。この構成では、駆動質量体についての安定した振動周波数範囲が得られ、質量体ｍ１の運動は質量体ｍ３に向かって機械的に増幅されると共に、安定な検出周波数帯が得られ、質量体ｍｓｅｎｓ＿１の運動は質量体ｍｓｅｎｓ＿３に向かって機械的に増幅される。
【００４８】
図６は、音叉構成で３つの駆動質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３を備え、質量体ｍ１は基板に（ｋ１，ｂ１）、及び、質量体ｍ２に（ｋ１２）連結され、ｍ２は、基板に（ｋ２，ｂ２）、及び、質量体ｍ３に（ｋ２３）連結され、質量体ｍ３は、分離質量体ｍｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇを介して検出質量体ｍｓｅｎｓを駆動するようにしたマイクロマシニングによるジャイロスコープを示す。それはさらに、第２の組の、３つの駆動質量体ｍ１’、ｍ２’及びｍ３’を備え、ｍ１’は基板及び質量体ｍ２’に（ｋ１２’）連結され、ｍ２’は基板及び質量体ｍ３’に（ｋ２３’）連結され、質量体ｍ３’は検出質量体ｍｓｅｎｓ’を駆動する。機械的に連結したｍ１、ｍ２及びｍ３と、ｍ１’、ｍ２’及びｍ３’の両方の組が、同じアクチュエータによって駆動される。
【００４９】
多くの実施形態の例が考慮される。１つの実施形態の例では、マイクロマシニングによるジャイロスコープは、基板と、第１方向に沿って振動するように構成された３つの質量体とを含んでもよい。第１質量体ｍ１は、基板に機械的に連結されてもよく、第２質量体ｍ２は、第１質量体及び基板に機械的に連結されてもよく、第３質量体ｍ３は第２質量体ｍ２に機械的に連結されてもよい。ジャイロスコープは、次の式、［（ｋ２＋ｋ１２＋ｋ２３）／ｍ２］≫（［（ｋ１＋ｋ１２）／ｍ１］〜［（ｋ２３）／ｍ３］）のように規定してもよい。ここで、ｍ１，ｍ２，ｍ３は、それぞれ質量体ｍ１、ｍ２及びｍ３の重さであり、ｋ１，ｋ２は、それぞれの質量体と基板との間の機械的接続部のばね定数であり、ｋ１２，ｋ２３は、それぞれ第２質量体と第１質量体、第２質量体と第３質量体との間の機械的接続部のばね定数である。
【００５０】
いくつかの実施形態では、第３質量体ｍ３は基板に機械的に連結されてもよく、次の関係、［（ｋ２＋ｋ１２＋ｋ２３）／ｍ２］≫［（ｋ１＋ｋ１２）／ｍ１］〜［ｋ３＋ｋ２３）／ｍ３］が存在してもよい。ここで、ｋ３は、質量体ｍ３と基板との間の機械的接続部のばね定数である。
【００５１】
いくつかの実施形態では、３つの質量体は駆動質量体である。ジャイロスコープはさらに、第１質量体ｍ１を駆動するための駆動手段を含んでもよい。駆動手段は、例えば、１つ以上の平行板静電アクチュエータでもよい。
【００５２】
いくつかの実施形態では、３つの質量体はジャイロスコープが回転する際に運動するように構成された検出質量体でもよい。
【００５３】
いくつかの実施形態では、ジャイロスコープはさらに、３質量体構成の複製組を含んでもよい。その複製組は、３質量体構成と逆位相で第１方向に沿って振動するように構成してもよい。
【００５４】
いくつかの実施形態では、質量体が直線的に振動するように構成してもよい。
【００５５】
別の実施形態の例では、マイクロマシニングによるジャイロスコープの設計方法が、［（ｋ１＋ｋ１２）／ｍ１］〜［ｋ３＋ｋ２３）／ｍ３］を満たすようにｍ１、ｍ３、ｋ１及びｋ３を選択する工程を含んでもよい。その方法はさらに、動作中に、［（ｋ２＋ｋ１２＋ｋ２３）／ｍ２］≫［（ｋ１＋ｋ１２）／ｍ１］＞［ｋ３＋ｋ２３）／ｍ３］を満たすようにｍ２、ｋ２を選択する工程を含んでもよい。
【００５６】
いくつかの実施形態では、その方法はさらに、質量体ｍ１の運動と質量体ｍ３の運動との間の機械的増幅率を選択する工程と、ｋ２をこの所望の機械的増幅率を考慮した値とする工程とを含んでもよい。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、第１方向に沿って振動するように構成された３つの質量体とを備え、
第１質量体は、基板に機械的に連結され、
第２質量体は、第１質量体及び基板に機械的に連結され、
第３質量体は、第２質量体に機械的に連結され、
次の関係、
［（ｋ２＋ｋ１２＋ｋ２３）／ｍ２］≫（［（ｋ１＋ｋ１２）／ｍ１］〜［（ｋ２３）／ｍ３］）
が存在し、
ｍ１、ｍ２、ｍ３は、それぞれ第１質量体、第２質量体及び第３質量体の重さであり、
ｋ１、ｋ２及びｋ３は、それぞれ第１質量体、第２質量体又は第２質量体と基板との間の機械的接続部のばね定数であり、
ｋ１２、ｋ２３は、それぞれ第２質量体と第１質量体又は第３質量体との間の機械的接続部のばね定数であるようにした、マイクロマシニングによるジャイロスコープ。
【請求項２】
第３質量体は、基板に機械的に連結され、
次の関係、
［（ｋ２＋ｋ１２＋ｋ２３）／ｍ２］≫［（ｋ１＋ｋ１２）／ｍ１］〜［ｋ３＋ｋ２３）／ｍ３］
が存在し、
ｍ１、ｍ２、ｍ３は、それぞれ第１質量体、第２質量体及び第３質量体の重さであり、
ｋ１、ｋ２及びｋ３は、それぞれ第１質量体、第２質量体又は第２質量体と基板との間の機械的接続部のばね定数であり、
ｋ１２、ｋ２３は、それぞれ第２質量体と第１質量体又は第３質量体との間の機械的接続部のばね定数であるようにした、マイクロマシニングによるジャイロスコープ。
【請求項３】
３つの質量体は駆動質量体であり、
第１質量体を駆動するための駆動手段をさらに備えた、請求項１又は２に記載のマイクロマシニングによるジャイロスコープ。
【請求項４】
駆動手段は、平行板静電アクチュエータである、請求項３に記載のマイクロマシニングによるジャイロスコープ。
【請求項５】
３つの質量体は、ジャイロスコープを回転させるときに運動するように構成された検出質量体である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のマイクロマシニングによるジャイロスコープ。
【請求項６】
この３質量体構成の複製組であって、第１方向に沿って、かつ、この３質量体構成と逆位相で振動するように構成された複製組をさらに備えた、請求項１〜５のいずれか１項に記載のマイクロマシニングによるジャイロスコープ。
【請求項７】
３つの質量体は、直線的に振動するように構成された、請求項１〜６のいずれか１項に記載のマイクロマシニングによるジャイロスコープ。
【請求項８】
第１質量体、第１質量体と基板との間のばね定数、第３質量体、及び、第３質量体と基板との間のばね定数を、
［（ｋ１＋ｋ１２）／ｍ１］〜［ｋ３＋ｋ２３）／ｍ３］
を満たすように選択する工程と、
第２質量体、及び、第２質量体と基板との間のばね定数を、動作中に、
［（ｋ２＋ｋ１２＋ｋ２３）／ｍ２］≫［（ｋ１＋ｋ１２）／ｍ１］＞［ｋ３＋ｋ２３）／ｍ３］
を満たすように選択する工程とを含み、
ｍ１、ｍ２、ｍ３は、それぞれ第１質量体、第２質量体及び第３質量体の重さであり、
ｋ１、ｋ２及びｋ３は、それぞれ第１質量体、第２質量体又は第２質量体と基板との間の機械的接続部のばね定数であり、
ｋ１２、ｋ２３は、それぞれ第２質量体と第１質量体又は第３質量体との間の機械的接続部のばね定数であるようにした、請求項１〜７のいずれか１項に記載のマイクロマシニングによるジャイロスコープを設計するための方法。
【請求項９】
第１質量体の運動と第３質量体の運動との間の機械的増幅率を選択する工程と、
第２質量体と基板との間のばね定数を、この所望の機械的増幅率を考慮した値とする工程とをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１】
基板と、第１方向に沿って振動するように構成された３つの質量体とを備え、
第１質量体は、基板に機械的に連結され、
第２質量体は、第１質量体及び基板に機械的に連結され、
第３質量体は、第２質量体に機械的に連結され、
次の関係、
［（ｋ２＋ｋ１２＋ｋ２３）／ｍ２］≫（［（ｋ１＋ｋ１２）／ｍ１］〜［（ｋ２３）／ｍ３］）
が存在し、
ｍ１、ｍ２、ｍ３は、それぞれ第１質量体、第２質量体及び第３質量体の重さであり、
ｋ１、ｋ２及びｋ３は、それぞれ第１質量体、第２質量体又は第２質量体と基板との間の機械的接続部のばね定数であり、
ｋ１２、ｋ２３は、それぞれ第２質量体と第１質量体又は第３質量体との間の機械的接続部のばね定数であるようにした、マイクロマシニングによるジャイロスコープ。
【請求項２】
第３質量体は、基板に機械的に連結され、
次の関係、
［（ｋ２＋ｋ１２＋ｋ２３）／ｍ２］≫［（ｋ１＋ｋ１２）／ｍ１］〜［ｋ３＋ｋ２３）／ｍ３］
が存在し、
ｍ１、ｍ２、ｍ３は、それぞれ第１質量体、第２質量体及び第３質量体の重さであり、
ｋ１、ｋ２及びｋ３は、それぞれ第１質量体、第２質量体又は第２質量体と基板との間の機械的接続部のばね定数であり、
ｋ１２、ｋ２３は、それぞれ第２質量体と第１質量体又は第３質量体との間の機械的接続部のばね定数であるようにした、マイクロマシニングによるジャイロスコープ。
【請求項３】
３つの質量体は駆動質量体であり、
第１質量体を駆動するための駆動手段をさらに備えた、請求項１又は２に記載のマイクロマシニングによるジャイロスコープ。
【請求項４】
駆動手段は、平行板静電アクチュエータである、請求項３に記載のマイクロマシニングによるジャイロスコープ。
【請求項５】
３つの質量体は、ジャイロスコープを回転させるときに運動するように構成された検出質量体である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のマイクロマシニングによるジャイロスコープ。
【請求項６】
この３質量体構成の複製組であって、第１方向に沿って、かつ、この３質量体構成と逆位相で振動するように構成された複製組をさらに備えた、請求項１〜５のいずれか１項に記載のマイクロマシニングによるジャイロスコープ。
【請求項７】
３つの質量体は、直線的に振動するように構成された、請求項１〜６のいずれか１項に記載のマイクロマシニングによるジャイロスコープ。
【請求項８】
第１質量体、第１質量体と基板との間のばね定数、第３質量体、及び、第３質量体と基板との間のばね定数を、
［（ｋ１＋ｋ１２）／ｍ１］〜［ｋ３＋ｋ２３）／ｍ３］
を満たすように選択する工程と、
第２質量体、及び、第２質量体と基板との間のばね定数を、動作中に、
［（ｋ２＋ｋ１２＋ｋ２３）／ｍ２］≫［（ｋ１＋ｋ１２）／ｍ１］＞［ｋ３＋ｋ２３）／ｍ３］
を満たすように選択する工程とを含み、
ｍ１、ｍ２、ｍ３は、それぞれ第１質量体、第２質量体及び第３質量体の重さであり、
ｋ１、ｋ２及びｋ３は、それぞれ第１質量体、第２質量体又は第２質量体と基板との間の機械的接続部のばね定数であり、
ｋ１２、ｋ２３は、それぞれ第２質量体と第１質量体又は第３質量体との間の機械的接続部のばね定数であるようにした、請求項１〜７のいずれか１項に記載のマイクロマシニングによるジャイロスコープを設計するための方法。
【請求項９】
第１質量体の運動と第３質量体の運動との間の機械的増幅率を選択する工程と、
第２質量体と基板との間のばね定数を、この所望の機械的増幅率を考慮した値とする工程とをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−６１３３８（Ｐ２０１３−６１３３８Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−２００７５１（Ｐ２０１２−２００７５１）
【出願日】平成２４年９月１２日（２０１２．９．１２）
【出願人】（５９１０６０８９８）アイメック (302)
【氏名又は名称原語表記】ＩＭＥＣ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２００７５１（Ｐ２０１２−２００７５１）
【出願日】平成２４年９月１２日（２０１２．９．１２）
【出願人】（５９１０６０８９８）アイメック (302)
【氏名又は名称原語表記】ＩＭＥＣ
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]