軸外ばねシステムを有する慣性センサ
【課題】慣性センサを提供する。
【解決手段】慣性センサ（２０）は、振動運動を受けるように構成された駆動質量（３０）と、駆動質量（３０）に連結された感知質量（３２）とを含む。軸上トーションばね（５８）は、感知質量（３２）に結合され、当該軸上トーションばね（５８）は回転軸（２２）と同一ロケーションに配置されている。慣性センサ（２０）は、軸外ばねシステム（６０）をさらに含む。軸外ばねシステム（６０）は、軸外ばね（６８、７０、７２、７４）を含み、その各々は、感知質量（３２）上の回転軸（２２）からずれたロケーションにおいて感知質量（３２）に結合された接続接合部分（７６）を有する。合わせて、軸上トーションばね（５８）および軸外ばねシステム（６０）は、感知質量（３２）が、駆動質量（３０）の駆動周波数に実質的に一致する感知周波数において回転軸（２２）を中心として平面外で振動することを可能にする。
【解決手段】慣性センサ（２０）は、振動運動を受けるように構成された駆動質量（３０）と、駆動質量（３０）に連結された感知質量（３２）とを含む。軸上トーションばね（５８）は、感知質量（３２）に結合され、当該軸上トーションばね（５８）は回転軸（２２）と同一ロケーションに配置されている。慣性センサ（２０）は、軸外ばねシステム（６０）をさらに含む。軸外ばねシステム（６０）は、軸外ばね（６８、７０、７２、７４）を含み、その各々は、感知質量（３２）上の回転軸（２２）からずれたロケーションにおいて感知質量（３２）に結合された接続接合部分（７６）を有する。合わせて、軸上トーションばね（５８）および軸外ばねシステム（６０）は、感知質量（３２）が、駆動質量（３０）の駆動周波数に実質的に一致する感知周波数において回転軸（２２）を中心として平面外で振動することを可能にする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスに関する。より詳細には、本発明は、駆動周波数と感知周波数との間の整合性が向上したＭＥＭＳ慣性センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術は、非常に小さな機械構造を作成し、従来のバッチ半導体処理技法を使用して単一の基板上で電気デバイスとこれらの構造を取り入れる方法を提供するため、近年において広く高い評判を勝ち得ている。ＭＥＭＳの１つの一般的な用途が、センサデバイスの設計および製造である。微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサデバイスは、自動車、慣性誘導システム、家庭電化製品、ゲームデバイス、さまざまなデバイスのための保護システム、ならびに、多くの他の産業、科学、および工学システムのような用途に広く使用されている。
【０００３】
１つまたは複数の軸を中心とする角速度または角加速度を感知するＭＥＭＳ角度慣性センサが実装される場合がある。代替的に「ジャイロスコープ」、「角速度センサ」、「ジャイロメータ」、「ジャイロスコープセンサ」、または「ヨー・レート・センサ」と称されるＭＥＭＳジャイロセンサは、１つまたは複数の軸を中心とする角速度または運動速度を感知する慣性センサである。「ｘ軸」ジャイロと称される１つのこのようなセンサは、コリオリの加速度成分の影響による、ジャイロ基板に平行な軸を中心とする角回転を検知するように構成される。角加速度計は、角速度の変化率を測定する加速度計である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６８９２５７５号明細書
【特許文献２】米国特許第７４３４４６４号明細書
【特許文献３】米国特許第６９１５６９３号明細書
【特許文献４】米国特許第６９２１９５２号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００９／００６４７８０号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２０１０／０２３６３２７号明細書
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】ツァイ（ＴＳＡＩ）他、「二軸感知式減結合振動型ホイール・ジャイロスコープの設計とシミュレーション（Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｄｕａｌ−Ａｘｉｓ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ Ｖｉｂｒａｔｏｒｙ Ｗｈｅｅｌ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ）」、Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｕｔａｔｏｒｓ Ａ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ，Ｖｏｌ．１２６，Ｉｓｓｕｅ １，２００６年１月２６日，３３−４０頁，ｗｗｗ．ｓｃｉｅｎｃｅｄｉｒｅｃｔ．ｃｏｍ
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の側面によれば、慣性センサであって、表面を有する基板と、前記表面に実質的に平行な平面内で振動運動を受けるように構成された駆動質量と、前記駆動質量に連結された感知質量と、前記感知質量に結合された軸上トーションばねであって、該軸上トーションばねは、回転軸と同一ロケーションに配置されている、前記軸上トーションばねと、前記感知質量上の、前記回転軸からずれたロケーションにおいて、前記感知質量に結合された接続接合部分を有する軸外ばねシステムとを備え、前記軸上トーションばねおよび前記軸外ばねシステムは、前記感知質量が前記平面外で振動することを可能にする、慣性センサが提供される。
【０００７】
本発明の第２の側面によれば、慣性センサであって、表面を有する基板と、回転軸の対向する両側に対称に配置された第１の外側端部および第２の外側端部を有する感知質量であって、該感知質量は中央開口を含む、前記感知質量と、前記感知質量に連結されるとともに前記中央開口内に存在する駆動質量であって、該駆動質量は、前記表面に実質的に平行な平面内で振動運動を受けるように構成されている、前記駆動質量と、前記感知質量に結合された軸上トーションばねであって、該軸上トーションばねは、前記回転軸と同一ロケーションに配置されている、前記軸上トーションばねと、前記感知質量の前記第１の外側端部に配置された第１の軸外ばね、および、前記感知質量の前記第２の外側端部に配置された第２の軸外ばねを含む軸外ばねシステムであって、前記第１の軸外ばねおよび前記第２の軸外ばねの各々は、前記感知質量上の前記回転軸からずれたロケーションにおいて前記感知質量に結合された接続接合部分を含む、前記軸外ばねシステムとを備え、前記軸上トーションばねおよび前記軸外ばねシステムは、前記感知質量が、前記回転軸を中心として前記平面外で回転することを可能にする、慣性センサが提供される。
【０００８】
本発明の第３の側面によれば、慣性センサであって、表面を有する基板と、駆動周波数において前記表面に実質的に平行な平面内で振動運動を受けるように構成された駆動質量であって、該駆動質量は、第１の駆動質量構造および第２の駆動質量構造を含み、該第１の駆動質量構造および該第２の駆動質量構造は、回転軸に対する鏡映対称性を呈し、前記第１の駆動質量構造および前記第２の駆動質量構造は、前記平面に平行な対向する二つの方向において駆動される、前記駆動質量と、前記駆動質量に連結された感知質量と、前記感知質量に結合された軸上トーションばねであって、該軸上トーションばねは、前記回転軸と同一ロケーションに配置されている、前記軸上トーションばねと、前記感知質量上の前記回転軸からずれたロケーションにおいて前記感知質量に結合された接続接合部分を有する軸外ばねシステムとを備え、前記軸上トーションばねおよび前記軸外ばねシステムは、前期感知質量が、前記駆動周波数に実質的に等しい感知周波数において前記平面外で振動することを可能にする、慣性センサが提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態によるジャイロセンサの上面図を示す。
【図２】図１のジャイロセンサの側面概念図を示す。
【図３】代替的な実施形態によるジャイロセンサの上面図を示す。
【図４】代替的な実施形態による二軸ジャイロセンサの上面図を示す。
【図５】さらに別の代替的な実施形態による二軸ジャイロセンサの上面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面と併せて考察して詳細な説明および請求項を参照することで、より完全に本発明を理解することができる。これらの図面では全般にわたり同様の参照符号は類似の項目を示している。
【００１１】
本明細書において開示される実施形態によって、例えば、１つまたは複数のシーソー型感知質量（ｓｅｎｓｅ ｍａｓｓ）を有するジャイロセンサおよび角加速度計センサの形態の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）慣性センサデバイスがもたらされる。例示的な実施形態では、ジャイロセンサは、コリオリの加速度成分の影響による、ジャイロセンサの基板に平行な軸を中心とする角回転速度を感知するように構成されることができる。ジャイロセンサは、軸上トーションばね、およびシーソー感知質量に結合される軸外ばねシステムの両方を含む。軸上トーションばねは回転軸に沿って配置され、軸外ばねシステムは、回転軸からずれた１つまたは複数のロケーションにおいて感知質量に結合される。軸外ばねシステムは回転軸において、ジャイロセンサの駆動周波数と感知周波数との間の整合性の向上を達成するのに十分なねじり剛性を提供する。
【００１２】
図１および図２を参照すると、図１は一実施形態による慣性センサ２０の上面図を示しており、図２は慣性センサ２０の側面概念図を示している。慣性センサ２０は一般的に、回転軸２２、すなわち三次元座標系におけるＸ軸を中心とする角速度を感知するように構成される。従って、慣性センサ２０はここではジャイロセンサ２０と称される。慣例により、ジャイロセンサ２０は、Ｘ−Ｙ平面２４内の全体的に平坦な構造を有するものとして示されており、図１内のＸ−Ｙ平面２４に対して垂直なＺ軸２６が紙面の外に延在しており、図２に示される場合には、Ｚ軸２６は上下に延在している。
【００１３】
ジャイロセンサ２０は、基板２８と、駆動質量（ｄｒｉｖｅ ｍａｓｓ）３０と、感知質量３２と、下記に詳細に記載されるさまざまな機械的連結機構とを含む。図１および図２の具体的な実施形態では、駆動質量３０は感知質量３２を貫通して延在する中央開口３４内に存在している。駆動質量３０は、駆動質量構造３６、および、Ｘ−Ｙ平面２４内で駆動構造３６に対し側方に配置されたもう一つの駆動質量構造３８を含む。駆動質量構造３６および３８は回転軸２２を中心として互いに対して対称に配置されている。
【００１４】
中央開口３４内に駆動システム４０が存在し、駆動システム４０は、駆動質量構造３６および３８の各々と動作可能に通信する。より具体的には、駆動システム４０は、駆動構造３６を振動させるように構成される駆動素子のセット４２、および、駆動構造３８を振動させるように構成される駆動素子の別のセット４４を含む。駆動素子の各セット４２および４４は、櫛歯４６および４８として参照される電極の対を含む。一実施形態では、櫛歯４６は、駆動質量構造３６および３８の各々に結合され、その周縁から延在する。櫛歯４８は、アンカー５２を介して基板２８の表面５０に固定される。櫛歯４８は、櫛歯４６から離間され、互い違いの配列で配置されている。櫛歯４６は、駆動質量構造３６および３８に取り付けられているため、駆動質量構造３６および３８とともに運動可能である。逆に、櫛歯４８は、基板２８に固定されて取り付けられているため、櫛歯４６に対して動かない。従って、櫛歯４６はここでは可動櫛歯４６と称され、櫛歯４８はここでは固定櫛歯４８と称される。図を簡潔にするため、少数の可動櫛歯４６および固定櫛歯４８しか示されていない。櫛歯の量および構造は設計要件に応じて変化することを当業者は容易に認識するはずである。
【００１５】
いくつかの実施形態では、固定櫛歯４８の全長が基板２８の表面５０に取り付けられてもよい。代替的な実施形態では、固定櫛歯４８の各々がアンカー５２によって表される単一のロケーションにおいて基板２８の表面５０に固定されてもよく、固定櫛歯４８の各々の残りの部分は表面２８の上に懸垂されて（ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ）いる。この第２の手法は、いくつかの実施形態において、利用領域においてより高い効率を達成するのに、および、パッケージ応力に対する影響の受けやすさを低減するのに望ましい可能性がある。
【００１６】
以下の図面の説明全体を通じての一貫性のために、ジャイロセンサ２０の要素を、基板２８の下層の表面５０に接続するアンカー５２のような任意の固定構造は点描のパターンで示されている。逆に、固定構造でない任意の要素はこの点描のパターンを含まず、それゆえ基板２８の表面５０の上に懸垂されている。
【００１７】
駆動質量構造３６および３８は、Ｘ−Ｙ平面２４内で振動運動を受けるように構成される。一般的に、駆動質量構造３６および３８を、Ｙ軸５４に沿って線形に振動させるように、交流電流（ＡＣ）電圧が、駆動回路（図示せず）を介して固定櫛歯４８に印加されることができる。一実施形態では、ＡＣ電圧は、可動櫛歯４６（および従って駆動質量構造３６および３８）を、固定櫛歯４８に対して概して平行に運動させるように、固定櫛歯４８に適切に印加される。駆動質量構造３６および３８は、共に適切に連結されるか、または他の様態で適切に駆動されて、Ｙ軸５４に沿って対向する二つの方向（ｏｐｐｏｓｉｔｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ）に、すなわち逆位相で、運動することができる。
【００１８】
複数の連結ばね構成要素５６はそれぞれ、駆動質量構造３６および３８の各々を感知質量３２に結合する。従って、駆動質量構造３６および３８は基板２８の表面５０の上に懸垂され、基板２８に対して直接物理的に取り付けられていない。連結ばね構成要素５６は、平面２４におけるＹ軸５４に沿った駆動質量構造３６および３８の大きな振動線形運動を可能にし、なお駆動質量構造３６および３８から感知質量３２までＺ軸２６に沿ってコリオリの力を伝達するのに十分な剛性を有する、任意の好都合な形状、サイズ、および材質であってよい。
【００１９】
ジャイロセンサ２０は、軸上トーションばね５８、および軸外ばねシステム６０をさらに含む。軸上トーションばね５８は、感知質量３２に結合され、Ｘ回転軸２２と同一ロケーションに配置されている。示されている実施形態では、軸上トーションばね５８の各々は、感知質量３２を、同じくＸ回転軸２２と同一ロケーションに配置されたアンカー６２を介して基板２８の表面５０に接続する。
【００２０】
感知質量３２は、Ｘ回転軸２２の対向する両側（２つの側）に対称に配置された外側端部６４および６６を含む。すなわち、感知質量３２の枠組み構造が、Ｘ回転軸２２を中心として置かれ、それによって、外側端部６４および６６は、Ｘ回転軸２２から等距離にある。示されている実施形態では、軸外ばねシステム６０は、軸外ばね６８、７０、７２、および７４を含む。軸外ばね６８および７２は、感知質量３２の外側端部６４に配置されており、軸外ばね７０および７４は、感知質量３２の外側端部６６に配置されている。特に、軸外ばね６８、７０、７２、および７４の各々は、Ｘ回転軸２２からずれたロケーションにおいて感知質量３２に直接物理的に結合している接続接合部分（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）７６を有する。示されている実施形態では、ばね６８、７０、７２、７４の各々は、感知質量３２を、アンカー７８を介して基板２８の表面５０に接続する。従って、ばね６８、７０、７２、および７４は全体的に線形のばねであり、その各々が、感知質量３２に結合される接続接合部分７６、および、アンカー７８のうちの１つに結合される反対側の端部を有し、当該ばねは、感知質量３２の面外運動を抑制し、それによって感知質量３２はＸ回転軸２２を中心として回転する。
【００２１】
一般的に、ばね６８、７０、７２、および７４を実装することによって被る回転剛性ＫＲ，Ｓは、Ｚ軸ばね定数ＫＺ（すなわち、線形ばね６８、７０、７２、および７４の各々のばね定数）、および、感知質量３２の端部６４にあるばね６８、７２と、端部６６にあるばね７０、７４との間の距離Ｌｓの関数である。回転剛性ＫＲ，Ｓは、図２において式８０によって表されている。ばね６８、７０、７２、および７４のための事実上の枢着部（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｐｉｖｏｔ ｐｏｉｎｔ）は、これらのばねが同じばね定数ＫＺを有する場合、中ほどにある。すなわち、ばね６８、７０、７２、および７４が対称に配置されている結果として、感知質量３２の事実上の枢着部はＸ回転軸２２および軸上トーションばね５８と同一の空間を占めるようになる。軸上トーションばね５８、ならびに、軸外ばねシステム６０のばね６８、７０、７２、および７４の形状、サイズ、量、ロケーション、材質、およびばね定数は、周波数整合、安定性、および感知距離のための所望の剛性を達成するための既知の機械的設計原則に従って適切に選択されることができる。
【００２２】
基板２８は、１つまたは複数の絶縁層（図示せず）によって被覆される半導体層（図示せず）を含むことができる。半導体層は通常、シリコンウェーハであり、その上に、ジャイロセンサ２０に関連付けられる電子装置が、いくつかの事例において、同じく従来の製造技術を使用して製造されることができる。絶縁層は、ガラス、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、または任意の他の性質の合う材料を含むことができる。さまざまな導電板、または電極が、ジャイロセンサ２０の他の固定構成要素とともに基板２８の表面５０上に形成される。
【００２３】
簡略化された実施形態では、電極はＸ感知電極８２および８４を含む。電極８２および８４ならびに感知質量３２に別個の電気接続を提供するために導体（図示せず）が基板２８上に形成されることができる。電極８２および８４は、多結晶シリコンのような導電性材料から形成され、このような構成要素のために同じ材料が選択される場合には、それぞれの導体と同時に形成されることができる。電極８２および８４は、図２においては見ることができるが、図１においては上に重なる感知質量３２によって覆い隠されている。従って、図１においては、電極８２および８４は、感知質量３２に対するそれらの物理的配置を示すために破線形式で表されている。Ｘ感知電極８２および８４のみが示されているが、代替的な実施形態では、周波数同調、力フィードバック、および／または直交位相補償のために追加の電極タイプが提供されてもよいことを当業者は認識しよう。
【００２４】
動作時、駆動質量３０の駆動質量構造３６および３８は、Ｘ−Ｙ平面２４内で逆位相で振動線形運動を受ける。回転軸がＸ軸２２と指定されている、示されている実施形態では、駆動質量構造３６および３８は、Ｙ軸５４に実質的に平行な対向する二つの方向（すなわち、図１内の上下）において線形に振動する。コリオリの加速度成分の結果として、軸上トーションばね５８、および、軸外ばねシステム６０を構成するばね６８、７０、７２、７４は、感知質量３２が、ジャイロセンサ２０のＸ回転軸２２を中心とする角速度、すなわち、角運動速度に応じてＺ軸２６に沿ってＸ−Ｙ平面２４外で振動することを可能にする。
【００２５】
感知質量３２が、駆動質量３０の振動線形運動に関して駆動質量３０から実質的に結合解除されるが、感知質量３２のＸ−Ｙ平面２４外の振動運動に関しては駆動質量３０に結合されるように、連結ばね構成要素５６は、感知質量３２を駆動質量３０に結合する。換言すれば、連結ばね構成要素５６を介して確立される連結は、感知質量３２がＹ軸５４に沿った駆動質量３０の線形運動によって比較的影響されないように構成される。しかしながら、感知質量３２は、感知質量３２および駆動質量３０の両方が共に（ｊｏｉｎｔｌｙ）ジャイロセンサ２０のＸ回転軸２２を中心とする回転の間のコリオリの力による平面外運動を受けるように、駆動質量３０に連結される。感知質量３２が振動平面外運動を受けると、位置変化が、電極８２および８４によってキャパシタンスの変化として感知される。このキャパシタンスの変化は電極８２および８４において感知され、従来の様式で電子的に処理されて、ジャイロセンサ２０のＸ回転軸２２を中心とする角速度が得られる。
【００２６】
コリオリの力を生成するのは、駆動質量３０のＹ軸５４を中心とする駆動運動と、ジャイロセンサのＸ回転軸２２を中心とする角速度との間の結合であり、このコリオリの力は感知質量３２を、Ｚ軸２６に沿って平面２４外にずらす。コリオリの力の大きさは非常に小さい。一実施形態によれば、ジャイロセンサ２０の共振が、有利には出力信号（すなわち、電極８２および８４において感知されるキャパシタンス）を増強するために利用される。すなわち、感知質量３２の振動の周波数は、駆動質量３０から感知質量３２までの最適なエネルギー伝達のために、駆動質量３０の振動の周波数に十分に近い。
【００２７】
いくつかの従来技術の慣性センサでは、軸上トーションばねは、感知質量の低周波数における（例えば、約１０キロヘルツ未満の周波数における）回転を可能にするように、比較的可撓性を有するか、または柔軟であるように設計されている。不都合なことに、このような軸上トーションばねの柔軟性は、結果として駆動質量と感知質量との間の周波数不整合をもたらす可能性がある。すなわち、出力周波数（すなわち、感知質量の振動の周波数）が入力周波数（すなわち、駆動質量の振動の周波数）に十分に追随せず、または等しくならない場合がある。十分なねじり剛性を達成するために、他の従来のジャイロセンサ設計においては、トーションばねは短く幅広になるように設計されている。しかしながら、ＭＥＭＳジャイロセンサ製造において処理はウェーハごとに異なるため、駆動ばねは曲げ運動を受ける可能性があるためにこのような短く広いトーションばねは駆動ばね（すなわち、駆動質量と感知質量との間の連結部材）に十分に追随しない場合がある。従って、従来技術の設計では感知質量の振動の周波数は駆動質量の振動の周波数から著しく異なる場合があり、それによって、結果として駆動質量から感知質量へのエネルギー伝達が準最適なものになる。
【００２８】
軸上トーションばね５８および軸外ばねシステム６０は、感知質量３２が平面２４の外でジャイロセンサ２０の角速度に応じて振動することを可能にする。その上、軸上トーションばね５８および軸外ばねシステム６０は協働して機能して、ジャイロセンサ製造プロセスにおける変動に起因するばね定数変動を効果的に低減する。すなわち、軸上トーションばね５８、ならびに、軸外ばねシステム６０のばね６８、７０、７２、および７４は、それらの合計ばね定数が連結ばね構成要素５６の合計ばね定数に実質的に等しくなるように設計される。この結果として、駆動質量３０の振動の周波数（すなわち、駆動周波数）と感知質量３２の振動の周波数（すなわち、感知周波数）との間の緊密な整合を達成する設計がもたらされる。従って、感知質量３２は、出力信号、すなわち電極８２および８４において感知されるキャパシタンスを増強するために、主にそのプロセス変動に起因する広範な駆動周波数にわたる駆動周波数に実質的に等しい感知周波数において振動する。
【００２９】
図３は、代替的な実施形態によるジャイロセンサ８６の上面図を示す。ジャイロセンサ２０と同様に、ジャイロセンサ８６は一般的に、Ｘ回転軸２２を中心とする角速度を感知するように構成される。従って、ジャイロセンサ８６はＸ−Ｙ平面２４内で全体的に平坦な構造を有する。ジャイロセンサ８６は、基板８８と、駆動質量構造９０および９１と、感知質量９２と、下記に詳細に記載されるさまざまな機械的連結機構を含む。図３の具体的な実施形態では、感知質量９２は駆動質量構造９０および９１を貫通して延在する中央開口９４内に存在している。
【００３０】
ジャイロセンサ８６は、駆動質量構造９０および９１と通信する駆動システム９６をさらに含む。この実施形態では、駆動システム９６は駆動質量構造９０および９１の外周９８の外側に位置している。駆動システム９６は駆動質量構造９０を振動させるように構成される駆動素子のセット１００、および、駆動質量構造９１を振動させるように構成される駆動素子の別のセット１０１を含む。駆動素子の各セット１００および１０１は、駆動質量構造９０および９１の各々の外周９８に結合されそこから延在する可動櫛歯１０２と、アンカー１０８によって基板８８の表面１０６に固定される固定櫛歯１０４とを含む。
【００３１】
駆動質量構造９０および９１は、Ｙ軸５４に沿って対向する二つの方向に、すなわち逆位相で運動するように、共に適切に連結されるか、または他の様態で適切に駆動されることができる。連結ばね構成要素１１０は、駆動質量構造９０および９１を感知質量９２に結合する。従って、駆動質量構造９０および９１は、基板８８の表面１０６の上に懸垂され、基板８８に対して直接物理的に取り付けられていない。連結ばね構成要素１１０は、駆動質量構造９０および９１のＸ−Ｙ平面２４におけるＹ軸５４に沿った大きな振動線形運動を可能にし、なお駆動質量構造９０から感知質量９２までＺ軸２６（図２）に沿ってコリオリの力を伝達するのに十分な剛性を有する、任意の好都合な形状、サイズ、および材質であってもよい。
【００３２】
ジャイロセンサ８６は、軸上トーションばね１１２、および軸外ばねシステム１１４をさらに含む。軸上トーションばね１１２は感知質量９２に結合され、Ｘ回転軸２２と同一ロケーションに配置されている。示されている実施形態では、感知質量９２は、感知質量９２の内周部（ｉｎｎｅｒ ｐｅｒｉｐｈｅｒｙ）１１８によって画定される中央開口１１６を含む。感知質量９２の中央開口１１６内にアンカー構造１２０が存在する。一実施形態では、アンカー構造１２０は、Ｘ回転軸２２と同一ロケーションに配置されている。軸上トーションばね１１２が、感知質量９２を、この中央に位置するアンカー構造１２０を介して基板８８の表面１０６に接続する。
【００３３】
感知質量９２の内周部１１８は、Ｘ回転軸２２の対向する両側に対称に配置された内側端部１２２および１２４を含む。すなわち、感知質量９２の枠組み構造がＸ回転軸２２を中心として置かれ、それによって、内側端部１２２および１２４はＸ回転軸２２から等距離に離間している。軸外ばねシステム１１４は、中央開口１１６内に存在する軸外ばね１２６および１２８を含む。軸外ばね１２６は、感知質量９２の内側端部１２２に配置され、軸外ばね１２８は、感知質量９２の内側端部１２４に配置されている。特に、軸外ばね１２６および１２８の各々は、Ｘ回転軸２２からずれたロケーションにおいて感知質量９２に直接物理的に結合している接続接合部分１３０を有する。軸外ばね１２６および１２８の各々は、アンカー１２０に結合しており、それによって、感知質量９２を、中央に位置するアンカー１２０を介して基板の表面１０６に接続する。軸上トーションばね１１２、ならびに、軸外ばねシステム１１４のばね１２６および１２８の形状、サイズ、量、ロケーション、材質、およびばね定数は、周波数整合、安定性、および感知距離のための所望の剛性を達成するための既知の機械的設計原則に従って適切に選択されることができる。特に、軸上トーションばね１１２、ならびに、軸外ばねシステム１１４のばね１２６および１２８は、それらの合計ばね定数が、連結ばね構成要素１１０の合計ばね定数に実質的に等しくなるように適切に構成される。
【００３４】
動作時、駆動質量構造９０および９１は、Ｘ−Ｙ平面２４内で逆位相で振動線形運動を受ける。回転軸がＸ軸２２と指定されている、示されている実施形態では、駆動質量構造９０および９１は、Ｙ軸５４に実質的に平行な対向する二つの方向（すなわち、図３内の上下）において線形に振動する。コリオリの加速度成分の結果として、軸上トーションばね１１２、ならびに、軸外ばねシステム１１４を構成する軸外ばね１２６および１２８は、感知質量９２ならびに試験質量構造９０および９１が、ジャイロセンサ８６のＸ回転軸２２を中心とする角速度、すなわち角運動速度に応じてＺ軸２６に沿ってＸ−Ｙ平面２４外で（すなわちＸ回転軸２２を中心として）振動することを可能にする。感知質量９２が振動平面外運動を受けると、位置変化が、感知質量９２の下にある電極（破線形式で示す）によってキャパシタンスの変化として感知される。このキャパシタンスの変化は続いて従来の様式で電子的に処理されて、ジャイロセンサ８６のＸ回転軸２２を中心とする角速度が得られる。
【００３５】
ジャイロセンサ２０（図１）と同様に、ジャイロセンサ８６の軸上トーションばね１１２および軸外ばねシステム１１４は協働して機能して、ジャイロセンサ製造プロセスにおける変動に起因するばね定数変動を効果的に低減する。この結果として、駆動質量９０の振動の周波数（すなわち、駆動周波数）と感知質量９２の振動の周波数（すなわち、感知周波数）との間のより緊密な整合を達成するもう一つの設計がもたらされる。
【００３６】
上記で提供された例は、単軸ジャイロ慣性センサの実施形態である。しかしながら、軸上トーションばねおよび軸外ばねシステムの両方の概念は、付加的に、二軸ジャイロ慣性センサ設計に適応することができ、その２つの例が下記に例示を目的として提供される。
【００３７】
図４は、代替的な実施形態による二軸ジャイロセンサ１３２の上面図を示す。ジャイロセンサ１３２は、Ｘ−Ｙ平面２４内で全体的に平坦な構造を有し、一般的に、Ｘ回転軸２２およびＹ回転軸５４の両方を中心とする角速度を感知するように構成される。ジャイロセンサ１３２は、基板１３４と、駆動質量１３６と、感知質量１３８と、もう一つの感知質量１４０と、下記に詳細に記載されるさまざまな機械的連結機構を含む。図４の具体的な実施形態では、感知質量１４０は感知質量１３８を貫通して延在する中央開口１４２内に存在している。
【００３８】
駆動質量１３６は、感知質量１３８の周囲に適切に配列され、連結ばね構成要素１４６を介して感知質量１３８に接続される複数の駆動質量構造１４４を含む。従って、駆動質量構造１４４は、基板１３４の表面１４８の上に懸垂され、基板１３４に対して直接物理的に取り付けられていない。駆動質量１３６は、感知質量１４０の周囲に適切に配列され、さらなる連結ばね構成要素１５２を介して感知質量１４０に接続される複数の駆動質量構造１５０をさらに含む。従って、駆動質量構造１５０も基板１３４の表面１４８の上に懸垂され、基板１３４に対して直接物理的に取り付けられていない。駆動質量構造１４４はＸ回転軸２２を中心として互いに対して対称に配置されている。同様に、駆動質量構造１５０はＹ回転軸５４を中心として互いに対して対称に配置されている。
【００３９】
駆動システム１５４は、駆動質量構造１４４および１５０に近接して存在する。駆動システム１５４は、駆動質量構造１４４に近接する駆動素子のセット１５６を含み、駆動質量構造１４４を振動させるように構成される。駆動システム１５４は、駆動質量構造１５２に近接する駆動素子のさらなるセット１５８をさらに含み、駆動質量構造１５０を振動させるように構成される。駆動素子の各セット１５６および１５８は、可動櫛歯１６０および固定櫛歯１６２を含む。一実施形態では、可動櫛歯１６０は、駆動質量構造１４４および１５０の各々の周縁に結合されてそこから延在し、固定櫛歯１６２は、アンカー１６３を介して基板１３４の表面１４８に結合される。固定櫛歯１６２は、可動櫛歯１６０から離間され、互い違いの配列で配置されている。
【００４０】
駆動質量構造１４４および１５０は、Ｘ−Ｙ平面２４内で振動運動を受けるように構成される。一般的に、駆動質量構造１４４をＹ軸５４に実質的に平行に線形に振動させるように、交流電流（ＡＣ）電圧が駆動回路（図示せず）を介して駆動素子１５６の固定櫛歯１６２に印加されることができる。同様の原理によって、駆動質量構造１５０を、Ｘ軸２２に実質的に平行に線形に振動させるように、ＡＣ電圧が駆動回路を介して駆動素子のセットの１５８の固定櫛歯１６２に印加されることができる。
【００４１】
二軸ジャイロセンサ１３２は、感知質量１３８に結合されるとともにＸ回転軸２２と同一ロケーションに配置された軸上トーションばね１６４と、軸外ばねシステムとをさらに含む。示されている実施形態では、軸外ばねシステムは、軸外ばね１６８および１７０を含む。軸外ばね１６８は、感知質量１３８の外側端部１７２に配置され、軸外ばね１７０は、感知質量１３８の外側端部１７４に配置され、ここで、外側端部１７２および１７４はＸ回転軸２２の対向する両側に対称に配置されている。特に、軸外ばね１６８および１７０の各々は、Ｘ回転軸２２からずれたロケーションにおいて感知質量１３８に直接物理的に結合している接続接合部分１７６を有する。軸上トーションばね１６４ならびに軸外ばね１６８および１７０は、感知質量１３８が、ジャイロセンサ１３２のＸ回転軸２２を中心とする角速度、すなわち角運動速度に応じてＺ軸２６に沿ってＸ−Ｙ平面２４外で振動することを可能にする。
【００４２】
加えて、二軸ジャイロセンサ１３２は、感知質量１４０に結合されるとともにＹ回転軸５４と同一ロケーションに配置された軸上トーションばね１７８と、軸外ばねシステムとを含む。示されている実施形態では、軸外ばねシステムは、軸外ばね１８２および１８４を含む。軸外ばね１８２は、感知質量１４０の外側端部１８６に配置され、軸外ばね１８４は、感知質量１４０の外側端部１８８に配置され、ここで外側端部１８６および１８８はＹ回転軸５４の対向する両側に対称に位置している。特に、軸外ばね１８２および１８４の各々は、Ｙ回転軸５４からずれたロケーションにおいて感知質量１４０に直接物理的に結合している接続接合部分１９０を有する。軸上トーションばね１７８、ならびに、軸外ばねシステムの軸外ばね１８２および１８４は、感知質量１４０が、ジャイロセンサ１３２のＹ回転軸５４を中心とする角速度、すなわち角運動速度に応じてＺ軸２６に沿ってＸ−Ｙ平面２４外で振動することを可能にする。
【００４３】
示されている実施形態では、軸上トーションばね１６４ならびに軸外トーションばね１６８および１７０の各々は、感知質量１３８を、アンカー１９２を介して基板１３４の表面１４８に接続する。加えて、軸上トーションばね１７８ならびに軸外トーションばね１８２および１８４の各々は、内側の感知質量１４０を感知質量１３８に接続する。従って、感知質量１３８および１４０の各々は、下にある基板１３４の上に懸垂される。感知質量１３８および１４０の各々が、振動平面外運動を受けるときの位置変化を感知するために、感知質量１３８および１４０の下層の適切なロケーションにおいて、基板１３４の表面１４８上に、電極（図示せず）が形成される。
【００４４】
動作時、駆動質量１３６の駆動質量構造１４４および１５０はＸ−Ｙ平面２４内で振動線形運動を受ける。示されている実施形態では、駆動質量構造１４４は、Ｙ軸５４に実質的に平行に（すなわち、図４において上下に）線形に振動する。Ｘ回転軸２２の対向する両側の駆動質量構造１４４は、上述のように対向する二つの方向に（逆位相で）線形に振動するように駆動されることができる。加えて、駆動質量構造１５０は、Ｘ軸２２に実質的に平行に（すなわち、図４において左右に）線形に振動する。駆動質量構造１４４と同様に、Ｘ回転軸５４の対向する両側の駆動質量構造１５０は、対向する二つの方向に（逆位相で）線形に振動するように駆動されることができる。
【００４５】
コリオリの加速度成分の結果として、軸上トーションばね１６４ならびに軸外ばね１６８および１７０は、感知質量１３８が、ジャイロセンサ１３２のＸ回転軸２２を中心とする角速度、すなわち角運動速度に応じてＺ軸２６（図１）に沿ってＸ−Ｙ平面２４外で振動することを可能にする。同じ原理によって、軸上トーションばね１７８ならびに軸外ばね１８２および１８４は、感知質量１４０が、ジャイロセンサ１３２のＹ回転軸５４を中心とする角速度、すなわち角運動速度に応じてＺ軸２６に沿ってＸ−Ｙ平面２４外で振動することを可能にする。
【００４６】
ジャイロセンサ２０に関連して上述したように、ジャイロセンサ１３２の軸上トーションばね１６４ならびに軸外ばね１６８および１７０は共同して機能して、ジャイロセンサ製造プロセスにおける変動に起因するばね定数変動を効果的に低減する。この結果として、駆動質量構造１４４の振動の周波数（すなわち、駆動周波数）と感知質量１３８の振動の周波数（すなわち、感知周波数）との間のより緊密な整合を達成する設計がもたらされる。同様に、軸上トーションばね１７８ならびに軸外ばね１８２および１８４は協働して機能して、ジャイロセンサ製造プロセスにおける変動に起因するばね定数変動を効果的に低減する。この結果として、駆動質量構造１５０の振動の周波数（すなわち、駆動周波数）と感知質量１４０の振動の周波数（すなわち、感知周波数）との間のより緊密な整合を達成する設計がもたらされる。
【００４７】
図５は、さらに別の代替的な実施形態による二軸ジャイロセンサ１９４の上面図を示す。二軸ジャイロセンサ１３２（図４）は、Ｘ軸およびＹ軸に平行なそれらのそれぞれの方向において線形に振動する複数の駆動質量構造を含む構成を実装する。二軸ジャイロセンサ１９４の代替的な実施形態では、単一の駆動質量が、Ｘ−Ｙ平面２４に実質的に平行な平面においてＺ軸２６を中心とする回転運動において振動するように駆動される。ジャイロセンサ１９４は、Ｘ−Ｙ平面２４内で全体的に平坦な構造を有し、一般的に、Ｘ回転軸２２およびＹ回転軸５４の両方を中心とする角速度を感知するように構成される。
【００４８】
ジャイロセンサ１９４は、基板１９６と、駆動質量１９８と、感知質量２００と、もう一つの感知質量２０２と、下記に詳細に記載されるさまざまな機械的連結機構とを含む。図５の具体的な実施形態では、感知質量２０２は、感知質量２００を貫通して延在する中央開口２０４内に存在し、感知質量２００は、駆動質量１９８を貫通して延在する中央開口２０６内に存在する。従って、駆動質量１９８および感知質量２００は、枠組み構造であり、駆動質量１９８、感知質量２００、および感知質量２０２の各々は共通の中心を有する。
【００４９】
複数の折りたたみばね２０８が駆動質量１９８に接続され、複数の折りたたみばね２０８の各々がアンカー２１２を介して基板１９６の表面２１０に結合される。従って、駆動質量１９８は、表面２１０の上に懸垂される。駆動システム２１４は、駆動質量１９８に近接して存在する。駆動システム２１４は、駆動質量１９８を回転運動において振動させるための、駆動質量１９８に近接する駆動素子のセット２１６を含む。駆動素子の各セット２１６は、可動櫛歯２１８および固定櫛歯２２０を含む。一実施形態では、可動櫛歯２１８は、駆動質量１９８の周縁に結合されてそこから延在し、固定櫛歯２２０は、アンカー２２２を介して基板１９６の表面２１０に結合される。固定櫛歯２２０は、可動櫛歯２１８から離間され、互い違いの配列で配置されている。
【００５０】
駆動質量１９８は、Ｘ−Ｙ平面２４に実質的に平行なＺ軸２６を中心とする回転振動運動を受けるように構成される。一般的に、駆動質量１９８を、適切に印加される電圧および折りたたみばね２０８の構造に起因してＺ軸２６を中心として振動させるように、交流電流（ＡＣ）電圧が、駆動回路（図示せず）を介して固定櫛歯２２０に印加されることができる。
【００５１】
二軸ジャイロセンサ１９４は、感知質量２００に結合されるとともにＸ回転軸２２と同一ロケーションに配置された軸上トーションばね２２４と、軸外ばねシステムとをさらに含む。示されている実施形態では、軸外ばねシステムは、軸外ばね２２８および２３０を含む。軸外ばね２２８は、感知質量２００の内側端部２３２に配置され、軸外ばね２３０は、感知質量２００の内側端部２３４に配置され、ここで、内側端部２３２および２３４は、Ｘ回転軸２２の対向する両側に対称に位置している。特に、軸外ばね２２８および２３０の各々は、Ｘ回転軸２２からずれたロケーションにおいて感知質量２００に直接物理的に結合している接続接合部分２３６を有する。軸上トーションばね２２４ならびに軸外ばね２２８および２３０は、感知質量２００が、ジャイロセンサ１９４のＸ回転軸２２を中心とする角速度、すなわち角運動速度に応じてＺ軸２６に沿ってＸ−Ｙ平面２４外で振動することを可能にする。
【００５２】
加えて、二軸ジャイロセンサ１９４は、感知質量２０２に結合されるとともにＹ回転軸５４と同一ロケーションに配置された軸上トーションばね２３８と、軸外ばねシステムとを含む。示されている実施形態では、軸外ばねシステムは、軸外ばね２４２および２４４を含む。軸外ばね２４２は、感知質量２０２の外側端部２４６に配置され、軸外ばね２４４は、感知質量２０２の外側端部２４８に配置され、ここで外側端部２４６および２４８は、Ｙ回転軸５４の対向する両側に対称に位置している。特に、軸外ばね２４２および２４４の各々は、Ｙ回転軸５４からずれたロケーションにおいて感知質量２０２に直接物理的に結合している接続接合部分２５０を有する。軸上トーションばね２３８ならびに軸外ばね２４２および２４４は、感知質量２０２が、ジャイロセンサ１９４のＹ回転軸５４を中心とする角速度、すなわち角運動速度に応じてＺ軸２６に沿ってＸ−Ｙ平面２４外で振動することを可能にする。
【００５３】
示されている実施形態では、軸上トーションばね２２４ならびに軸外トーションばね２２８および２３０の各々は、感知質量２００を駆動質量１９８に接続する。加えて、軸上トーションばね２３８ならびに軸外トーションばね２４２および２４４の各々は、内側の感知質量２０２を感知質量２００に接続する。従って、感知質量２００および２０２の各々は下にある基板１９６の上に懸垂される。感知質量２００および２０２の各々が振動平面外運動を受けるときの位置変化を感知するために、感知質量２００および２０２の下層の適切なロケーションにおいて基板１９６の表面２１０上に、電極（図示せず）が形成される。
【００５４】
動作時、駆動システム２１６は、基板２１０に垂直なＺ回転軸２６を中心とする、基板１９６の表面２１０に平行な平面における駆動質量１９８の機械的振動を可能にする。感知質量２００および感知質量２０２の両方は、駆動質量１９８と共に、この運動に対するそれぞれの軸上トーションばね２２４および２３８の高い剛性に起因して、Ｚ回転軸２６を中心として振動する。感知質量２００および２０２がＺ回転軸２６を中心とする振動運動に入ると、感知質量２００は、ジャイロセンサ１９４のＹ回転軸５４を中心とする角運動速度を検出することが可能になる。特に、ジャイロセンサ１９４のＹ回転軸５４を中心とする角運動速度は、感知質量２００に、ジャイロセンサ１９４のＹ回転軸５４を中心とする角回転速度に比例する振幅において、その感知軸、すなわちＸ回転軸２２を中心として振動させるコリオリの加速度を生成する。同様の原理によって、感知質量２０２は、ジャイロセンサ１９４のＸ回転軸２２を中心とする角運動速度を検出することが可能である。すなわち、ジャイロセンサ１９４がＸ回転軸２２を中心とする角運動速度を受けると、コリオリの加速度がＹ回転軸５４を中心として発生する。コリオリの加速度の結果として、感知質量２０２がその感知軸、すなわちＹ回転軸５４を中心として運動することになる。
【００５５】
軸上トーションばね２２４ならびに軸外トーションばね２２８および２３０は、協働して機能して、駆動質量１９８の振動の周波数（すなわち、駆動周波数）と感知質量２００の振動の周波数（すなわち、感知周波数）との間のより緊密な整合を達成する。同様に、軸上トーションばね２３８ならびに軸外トーションばね２４２および２４４は協働して機能して、駆動質量１９８の振動の周波数（すなわち、駆動周波数）と感知質量２０２の振動の周波数（すなわち、感知周波数）との間のより緊密な整合を達成する。
【００５６】
ジャイロセンサ１９４は、駆動質量および感知質量（複数の場合もあり）のための全体的に矩形の構造１９８、２００、および２０２によって提供される。しかしながら、代替的な実施形態では、駆動質量および／または感知質量（複数の場合もあり）は、円形リング、ディスクなどのような異なる形状を有することができる。加えて、駆動質量および感知質量（複数の場合もあり）は図示されているものとは異なって配列されてもよい。例えば、１つの感知質量が中央に配置されてもよく、もう一つの感知質量が外側枠組み構造を形成してもよく、駆動質量が２つの感知質量の間に入ってもよい。本明細書に記載されている実施形態によれば、このような構造に変化があっても、協働して機能して、駆動周波数と感知周波数とのより緊密な整合を達成する軸上トーションばねおよび軸外ばねシステムをなお含むことになる。加えて、本明細書においてジャイロセンサが記載されているが、軸上トーションばねおよび軸外ばねシステムの組み合わせは、角運動速度の変化率を測定する角加速度設計において容易に実装することができることが理解されるべきである。
【００５７】
要約すると、本発明の実施形態は、１つまたは複数のシーソー型感知質量を有するジャイロセンサおよび角加速度計の形態の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）慣性センサデバイスをもたらす。特に、ジャイロセンサは、コリオリの加速度成分の影響による、ジャイロセンサの基板に平行な軸を中心とする角回転を感知するように構成される。ジャイロセンサのさまざまな実施形態は、軸上トーションばね、およびシーソー感知質量に結合される軸外ばねシステムの両方を含む。軸上トーションばねは回転軸に沿って配置され、軸外ばねシステムは、回転軸からずれた１つまたは複数のロケーションにおいて感知質量に結合される。軸外ばねシステムは回転軸において、ジャイロセンサの駆動周波数と感知周波数との間の整合性の向上を達成するのに十分なねじり剛性を提供する。駆動周波数と感知周波数との間の整合性が向上すると、駆動質量から感知質量へのエネルギー伝達が増大し、それによって信号出力が増強される。その上、軸外ばねシステムを含む角慣性センサデバイスは、製造プロセス変動の影響をより受けにくいを既存の製造技術を使用して製造されることができ、一貫して誤りのより少ない信号成分を提供することができる。
【００５８】
本発明の好ましい実施形態が詳細に例示および記載されてきたが、本発明の精神または添付の特許請求項の範囲から逸脱することなく、そこにさまざまな改変を行うことができることが当業者には容易に明らかとなろう。すなわち、例示的な実施形態は例に過ぎず、本発明の範囲、適用性または構成を限定することは意図されていないことが理解されるべきである。
【符号の説明】
【００５９】
２０…慣性センサ、２２…回転軸、３０…駆動質量、３２…感知質量、５８…軸上トーションばね、６０…軸外ばねシステム、７６…接続接合部分。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスに関する。より詳細には、本発明は、駆動周波数と感知周波数との間の整合性が向上したＭＥＭＳ慣性センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術は、非常に小さな機械構造を作成し、従来のバッチ半導体処理技法を使用して単一の基板上で電気デバイスとこれらの構造を取り入れる方法を提供するため、近年において広く高い評判を勝ち得ている。ＭＥＭＳの１つの一般的な用途が、センサデバイスの設計および製造である。微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサデバイスは、自動車、慣性誘導システム、家庭電化製品、ゲームデバイス、さまざまなデバイスのための保護システム、ならびに、多くの他の産業、科学、および工学システムのような用途に広く使用されている。
【０００３】
１つまたは複数の軸を中心とする角速度または角加速度を感知するＭＥＭＳ角度慣性センサが実装される場合がある。代替的に「ジャイロスコープ」、「角速度センサ」、「ジャイロメータ」、「ジャイロスコープセンサ」、または「ヨー・レート・センサ」と称されるＭＥＭＳジャイロセンサは、１つまたは複数の軸を中心とする角速度または運動速度を感知する慣性センサである。「ｘ軸」ジャイロと称される１つのこのようなセンサは、コリオリの加速度成分の影響による、ジャイロ基板に平行な軸を中心とする角回転を検知するように構成される。角加速度計は、角速度の変化率を測定する加速度計である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６８９２５７５号明細書
【特許文献２】米国特許第７４３４４６４号明細書
【特許文献３】米国特許第６９１５６９３号明細書
【特許文献４】米国特許第６９２１９５２号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００９／００６４７８０号明細書
【特許文献６】米国特許出願公開第２０１０／０２３６３２７号明細書
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】ツァイ（ＴＳＡＩ）他、「二軸感知式減結合振動型ホイール・ジャイロスコープの設計とシミュレーション（Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｄｕａｌ−Ａｘｉｓ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ Ｖｉｂｒａｔｏｒｙ Ｗｈｅｅｌ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ）」、Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｕｔａｔｏｒｓ Ａ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ，Ｖｏｌ．１２６，Ｉｓｓｕｅ １，２００６年１月２６日，３３−４０頁，ｗｗｗ．ｓｃｉｅｎｃｅｄｉｒｅｃｔ．ｃｏｍ
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の側面によれば、慣性センサであって、表面を有する基板と、前記表面に実質的に平行な平面内で振動運動を受けるように構成された駆動質量と、前記駆動質量に連結された感知質量と、前記感知質量に結合された軸上トーションばねであって、該軸上トーションばねは、回転軸と同一ロケーションに配置されている、前記軸上トーションばねと、前記感知質量上の、前記回転軸からずれたロケーションにおいて、前記感知質量に結合された接続接合部分を有する軸外ばねシステムとを備え、前記軸上トーションばねおよび前記軸外ばねシステムは、前記感知質量が前記平面外で振動することを可能にする、慣性センサが提供される。
【０００７】
本発明の第２の側面によれば、慣性センサであって、表面を有する基板と、回転軸の対向する両側に対称に配置された第１の外側端部および第２の外側端部を有する感知質量であって、該感知質量は中央開口を含む、前記感知質量と、前記感知質量に連結されるとともに前記中央開口内に存在する駆動質量であって、該駆動質量は、前記表面に実質的に平行な平面内で振動運動を受けるように構成されている、前記駆動質量と、前記感知質量に結合された軸上トーションばねであって、該軸上トーションばねは、前記回転軸と同一ロケーションに配置されている、前記軸上トーションばねと、前記感知質量の前記第１の外側端部に配置された第１の軸外ばね、および、前記感知質量の前記第２の外側端部に配置された第２の軸外ばねを含む軸外ばねシステムであって、前記第１の軸外ばねおよび前記第２の軸外ばねの各々は、前記感知質量上の前記回転軸からずれたロケーションにおいて前記感知質量に結合された接続接合部分を含む、前記軸外ばねシステムとを備え、前記軸上トーションばねおよび前記軸外ばねシステムは、前記感知質量が、前記回転軸を中心として前記平面外で回転することを可能にする、慣性センサが提供される。
【０００８】
本発明の第３の側面によれば、慣性センサであって、表面を有する基板と、駆動周波数において前記表面に実質的に平行な平面内で振動運動を受けるように構成された駆動質量であって、該駆動質量は、第１の駆動質量構造および第２の駆動質量構造を含み、該第１の駆動質量構造および該第２の駆動質量構造は、回転軸に対する鏡映対称性を呈し、前記第１の駆動質量構造および前記第２の駆動質量構造は、前記平面に平行な対向する二つの方向において駆動される、前記駆動質量と、前記駆動質量に連結された感知質量と、前記感知質量に結合された軸上トーションばねであって、該軸上トーションばねは、前記回転軸と同一ロケーションに配置されている、前記軸上トーションばねと、前記感知質量上の前記回転軸からずれたロケーションにおいて前記感知質量に結合された接続接合部分を有する軸外ばねシステムとを備え、前記軸上トーションばねおよび前記軸外ばねシステムは、前期感知質量が、前記駆動周波数に実質的に等しい感知周波数において前記平面外で振動することを可能にする、慣性センサが提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態によるジャイロセンサの上面図を示す。
【図２】図１のジャイロセンサの側面概念図を示す。
【図３】代替的な実施形態によるジャイロセンサの上面図を示す。
【図４】代替的な実施形態による二軸ジャイロセンサの上面図を示す。
【図５】さらに別の代替的な実施形態による二軸ジャイロセンサの上面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面と併せて考察して詳細な説明および請求項を参照することで、より完全に本発明を理解することができる。これらの図面では全般にわたり同様の参照符号は類似の項目を示している。
【００１１】
本明細書において開示される実施形態によって、例えば、１つまたは複数のシーソー型感知質量（ｓｅｎｓｅ ｍａｓｓ）を有するジャイロセンサおよび角加速度計センサの形態の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）慣性センサデバイスがもたらされる。例示的な実施形態では、ジャイロセンサは、コリオリの加速度成分の影響による、ジャイロセンサの基板に平行な軸を中心とする角回転速度を感知するように構成されることができる。ジャイロセンサは、軸上トーションばね、およびシーソー感知質量に結合される軸外ばねシステムの両方を含む。軸上トーションばねは回転軸に沿って配置され、軸外ばねシステムは、回転軸からずれた１つまたは複数のロケーションにおいて感知質量に結合される。軸外ばねシステムは回転軸において、ジャイロセンサの駆動周波数と感知周波数との間の整合性の向上を達成するのに十分なねじり剛性を提供する。
【００１２】
図１および図２を参照すると、図１は一実施形態による慣性センサ２０の上面図を示しており、図２は慣性センサ２０の側面概念図を示している。慣性センサ２０は一般的に、回転軸２２、すなわち三次元座標系におけるＸ軸を中心とする角速度を感知するように構成される。従って、慣性センサ２０はここではジャイロセンサ２０と称される。慣例により、ジャイロセンサ２０は、Ｘ−Ｙ平面２４内の全体的に平坦な構造を有するものとして示されており、図１内のＸ−Ｙ平面２４に対して垂直なＺ軸２６が紙面の外に延在しており、図２に示される場合には、Ｚ軸２６は上下に延在している。
【００１３】
ジャイロセンサ２０は、基板２８と、駆動質量（ｄｒｉｖｅ ｍａｓｓ）３０と、感知質量３２と、下記に詳細に記載されるさまざまな機械的連結機構とを含む。図１および図２の具体的な実施形態では、駆動質量３０は感知質量３２を貫通して延在する中央開口３４内に存在している。駆動質量３０は、駆動質量構造３６、および、Ｘ−Ｙ平面２４内で駆動構造３６に対し側方に配置されたもう一つの駆動質量構造３８を含む。駆動質量構造３６および３８は回転軸２２を中心として互いに対して対称に配置されている。
【００１４】
中央開口３４内に駆動システム４０が存在し、駆動システム４０は、駆動質量構造３６および３８の各々と動作可能に通信する。より具体的には、駆動システム４０は、駆動構造３６を振動させるように構成される駆動素子のセット４２、および、駆動構造３８を振動させるように構成される駆動素子の別のセット４４を含む。駆動素子の各セット４２および４４は、櫛歯４６および４８として参照される電極の対を含む。一実施形態では、櫛歯４６は、駆動質量構造３６および３８の各々に結合され、その周縁から延在する。櫛歯４８は、アンカー５２を介して基板２８の表面５０に固定される。櫛歯４８は、櫛歯４６から離間され、互い違いの配列で配置されている。櫛歯４６は、駆動質量構造３６および３８に取り付けられているため、駆動質量構造３６および３８とともに運動可能である。逆に、櫛歯４８は、基板２８に固定されて取り付けられているため、櫛歯４６に対して動かない。従って、櫛歯４６はここでは可動櫛歯４６と称され、櫛歯４８はここでは固定櫛歯４８と称される。図を簡潔にするため、少数の可動櫛歯４６および固定櫛歯４８しか示されていない。櫛歯の量および構造は設計要件に応じて変化することを当業者は容易に認識するはずである。
【００１５】
いくつかの実施形態では、固定櫛歯４８の全長が基板２８の表面５０に取り付けられてもよい。代替的な実施形態では、固定櫛歯４８の各々がアンカー５２によって表される単一のロケーションにおいて基板２８の表面５０に固定されてもよく、固定櫛歯４８の各々の残りの部分は表面２８の上に懸垂されて（ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ）いる。この第２の手法は、いくつかの実施形態において、利用領域においてより高い効率を達成するのに、および、パッケージ応力に対する影響の受けやすさを低減するのに望ましい可能性がある。
【００１６】
以下の図面の説明全体を通じての一貫性のために、ジャイロセンサ２０の要素を、基板２８の下層の表面５０に接続するアンカー５２のような任意の固定構造は点描のパターンで示されている。逆に、固定構造でない任意の要素はこの点描のパターンを含まず、それゆえ基板２８の表面５０の上に懸垂されている。
【００１７】
駆動質量構造３６および３８は、Ｘ−Ｙ平面２４内で振動運動を受けるように構成される。一般的に、駆動質量構造３６および３８を、Ｙ軸５４に沿って線形に振動させるように、交流電流（ＡＣ）電圧が、駆動回路（図示せず）を介して固定櫛歯４８に印加されることができる。一実施形態では、ＡＣ電圧は、可動櫛歯４６（および従って駆動質量構造３６および３８）を、固定櫛歯４８に対して概して平行に運動させるように、固定櫛歯４８に適切に印加される。駆動質量構造３６および３８は、共に適切に連結されるか、または他の様態で適切に駆動されて、Ｙ軸５４に沿って対向する二つの方向（ｏｐｐｏｓｉｔｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ）に、すなわち逆位相で、運動することができる。
【００１８】
複数の連結ばね構成要素５６はそれぞれ、駆動質量構造３６および３８の各々を感知質量３２に結合する。従って、駆動質量構造３６および３８は基板２８の表面５０の上に懸垂され、基板２８に対して直接物理的に取り付けられていない。連結ばね構成要素５６は、平面２４におけるＹ軸５４に沿った駆動質量構造３６および３８の大きな振動線形運動を可能にし、なお駆動質量構造３６および３８から感知質量３２までＺ軸２６に沿ってコリオリの力を伝達するのに十分な剛性を有する、任意の好都合な形状、サイズ、および材質であってよい。
【００１９】
ジャイロセンサ２０は、軸上トーションばね５８、および軸外ばねシステム６０をさらに含む。軸上トーションばね５８は、感知質量３２に結合され、Ｘ回転軸２２と同一ロケーションに配置されている。示されている実施形態では、軸上トーションばね５８の各々は、感知質量３２を、同じくＸ回転軸２２と同一ロケーションに配置されたアンカー６２を介して基板２８の表面５０に接続する。
【００２０】
感知質量３２は、Ｘ回転軸２２の対向する両側（２つの側）に対称に配置された外側端部６４および６６を含む。すなわち、感知質量３２の枠組み構造が、Ｘ回転軸２２を中心として置かれ、それによって、外側端部６４および６６は、Ｘ回転軸２２から等距離にある。示されている実施形態では、軸外ばねシステム６０は、軸外ばね６８、７０、７２、および７４を含む。軸外ばね６８および７２は、感知質量３２の外側端部６４に配置されており、軸外ばね７０および７４は、感知質量３２の外側端部６６に配置されている。特に、軸外ばね６８、７０、７２、および７４の各々は、Ｘ回転軸２２からずれたロケーションにおいて感知質量３２に直接物理的に結合している接続接合部分（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）７６を有する。示されている実施形態では、ばね６８、７０、７２、７４の各々は、感知質量３２を、アンカー７８を介して基板２８の表面５０に接続する。従って、ばね６８、７０、７２、および７４は全体的に線形のばねであり、その各々が、感知質量３２に結合される接続接合部分７６、および、アンカー７８のうちの１つに結合される反対側の端部を有し、当該ばねは、感知質量３２の面外運動を抑制し、それによって感知質量３２はＸ回転軸２２を中心として回転する。
【００２１】
一般的に、ばね６８、７０、７２、および７４を実装することによって被る回転剛性ＫＲ，Ｓは、Ｚ軸ばね定数ＫＺ（すなわち、線形ばね６８、７０、７２、および７４の各々のばね定数）、および、感知質量３２の端部６４にあるばね６８、７２と、端部６６にあるばね７０、７４との間の距離Ｌｓの関数である。回転剛性ＫＲ，Ｓは、図２において式８０によって表されている。ばね６８、７０、７２、および７４のための事実上の枢着部（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｐｉｖｏｔ ｐｏｉｎｔ）は、これらのばねが同じばね定数ＫＺを有する場合、中ほどにある。すなわち、ばね６８、７０、７２、および７４が対称に配置されている結果として、感知質量３２の事実上の枢着部はＸ回転軸２２および軸上トーションばね５８と同一の空間を占めるようになる。軸上トーションばね５８、ならびに、軸外ばねシステム６０のばね６８、７０、７２、および７４の形状、サイズ、量、ロケーション、材質、およびばね定数は、周波数整合、安定性、および感知距離のための所望の剛性を達成するための既知の機械的設計原則に従って適切に選択されることができる。
【００２２】
基板２８は、１つまたは複数の絶縁層（図示せず）によって被覆される半導体層（図示せず）を含むことができる。半導体層は通常、シリコンウェーハであり、その上に、ジャイロセンサ２０に関連付けられる電子装置が、いくつかの事例において、同じく従来の製造技術を使用して製造されることができる。絶縁層は、ガラス、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、または任意の他の性質の合う材料を含むことができる。さまざまな導電板、または電極が、ジャイロセンサ２０の他の固定構成要素とともに基板２８の表面５０上に形成される。
【００２３】
簡略化された実施形態では、電極はＸ感知電極８２および８４を含む。電極８２および８４ならびに感知質量３２に別個の電気接続を提供するために導体（図示せず）が基板２８上に形成されることができる。電極８２および８４は、多結晶シリコンのような導電性材料から形成され、このような構成要素のために同じ材料が選択される場合には、それぞれの導体と同時に形成されることができる。電極８２および８４は、図２においては見ることができるが、図１においては上に重なる感知質量３２によって覆い隠されている。従って、図１においては、電極８２および８４は、感知質量３２に対するそれらの物理的配置を示すために破線形式で表されている。Ｘ感知電極８２および８４のみが示されているが、代替的な実施形態では、周波数同調、力フィードバック、および／または直交位相補償のために追加の電極タイプが提供されてもよいことを当業者は認識しよう。
【００２４】
動作時、駆動質量３０の駆動質量構造３６および３８は、Ｘ−Ｙ平面２４内で逆位相で振動線形運動を受ける。回転軸がＸ軸２２と指定されている、示されている実施形態では、駆動質量構造３６および３８は、Ｙ軸５４に実質的に平行な対向する二つの方向（すなわち、図１内の上下）において線形に振動する。コリオリの加速度成分の結果として、軸上トーションばね５８、および、軸外ばねシステム６０を構成するばね６８、７０、７２、７４は、感知質量３２が、ジャイロセンサ２０のＸ回転軸２２を中心とする角速度、すなわち、角運動速度に応じてＺ軸２６に沿ってＸ−Ｙ平面２４外で振動することを可能にする。
【００２５】
感知質量３２が、駆動質量３０の振動線形運動に関して駆動質量３０から実質的に結合解除されるが、感知質量３２のＸ−Ｙ平面２４外の振動運動に関しては駆動質量３０に結合されるように、連結ばね構成要素５６は、感知質量３２を駆動質量３０に結合する。換言すれば、連結ばね構成要素５６を介して確立される連結は、感知質量３２がＹ軸５４に沿った駆動質量３０の線形運動によって比較的影響されないように構成される。しかしながら、感知質量３２は、感知質量３２および駆動質量３０の両方が共に（ｊｏｉｎｔｌｙ）ジャイロセンサ２０のＸ回転軸２２を中心とする回転の間のコリオリの力による平面外運動を受けるように、駆動質量３０に連結される。感知質量３２が振動平面外運動を受けると、位置変化が、電極８２および８４によってキャパシタンスの変化として感知される。このキャパシタンスの変化は電極８２および８４において感知され、従来の様式で電子的に処理されて、ジャイロセンサ２０のＸ回転軸２２を中心とする角速度が得られる。
【００２６】
コリオリの力を生成するのは、駆動質量３０のＹ軸５４を中心とする駆動運動と、ジャイロセンサのＸ回転軸２２を中心とする角速度との間の結合であり、このコリオリの力は感知質量３２を、Ｚ軸２６に沿って平面２４外にずらす。コリオリの力の大きさは非常に小さい。一実施形態によれば、ジャイロセンサ２０の共振が、有利には出力信号（すなわち、電極８２および８４において感知されるキャパシタンス）を増強するために利用される。すなわち、感知質量３２の振動の周波数は、駆動質量３０から感知質量３２までの最適なエネルギー伝達のために、駆動質量３０の振動の周波数に十分に近い。
【００２７】
いくつかの従来技術の慣性センサでは、軸上トーションばねは、感知質量の低周波数における（例えば、約１０キロヘルツ未満の周波数における）回転を可能にするように、比較的可撓性を有するか、または柔軟であるように設計されている。不都合なことに、このような軸上トーションばねの柔軟性は、結果として駆動質量と感知質量との間の周波数不整合をもたらす可能性がある。すなわち、出力周波数（すなわち、感知質量の振動の周波数）が入力周波数（すなわち、駆動質量の振動の周波数）に十分に追随せず、または等しくならない場合がある。十分なねじり剛性を達成するために、他の従来のジャイロセンサ設計においては、トーションばねは短く幅広になるように設計されている。しかしながら、ＭＥＭＳジャイロセンサ製造において処理はウェーハごとに異なるため、駆動ばねは曲げ運動を受ける可能性があるためにこのような短く広いトーションばねは駆動ばね（すなわち、駆動質量と感知質量との間の連結部材）に十分に追随しない場合がある。従って、従来技術の設計では感知質量の振動の周波数は駆動質量の振動の周波数から著しく異なる場合があり、それによって、結果として駆動質量から感知質量へのエネルギー伝達が準最適なものになる。
【００２８】
軸上トーションばね５８および軸外ばねシステム６０は、感知質量３２が平面２４の外でジャイロセンサ２０の角速度に応じて振動することを可能にする。その上、軸上トーションばね５８および軸外ばねシステム６０は協働して機能して、ジャイロセンサ製造プロセスにおける変動に起因するばね定数変動を効果的に低減する。すなわち、軸上トーションばね５８、ならびに、軸外ばねシステム６０のばね６８、７０、７２、および７４は、それらの合計ばね定数が連結ばね構成要素５６の合計ばね定数に実質的に等しくなるように設計される。この結果として、駆動質量３０の振動の周波数（すなわち、駆動周波数）と感知質量３２の振動の周波数（すなわち、感知周波数）との間の緊密な整合を達成する設計がもたらされる。従って、感知質量３２は、出力信号、すなわち電極８２および８４において感知されるキャパシタンスを増強するために、主にそのプロセス変動に起因する広範な駆動周波数にわたる駆動周波数に実質的に等しい感知周波数において振動する。
【００２９】
図３は、代替的な実施形態によるジャイロセンサ８６の上面図を示す。ジャイロセンサ２０と同様に、ジャイロセンサ８６は一般的に、Ｘ回転軸２２を中心とする角速度を感知するように構成される。従って、ジャイロセンサ８６はＸ−Ｙ平面２４内で全体的に平坦な構造を有する。ジャイロセンサ８６は、基板８８と、駆動質量構造９０および９１と、感知質量９２と、下記に詳細に記載されるさまざまな機械的連結機構を含む。図３の具体的な実施形態では、感知質量９２は駆動質量構造９０および９１を貫通して延在する中央開口９４内に存在している。
【００３０】
ジャイロセンサ８６は、駆動質量構造９０および９１と通信する駆動システム９６をさらに含む。この実施形態では、駆動システム９６は駆動質量構造９０および９１の外周９８の外側に位置している。駆動システム９６は駆動質量構造９０を振動させるように構成される駆動素子のセット１００、および、駆動質量構造９１を振動させるように構成される駆動素子の別のセット１０１を含む。駆動素子の各セット１００および１０１は、駆動質量構造９０および９１の各々の外周９８に結合されそこから延在する可動櫛歯１０２と、アンカー１０８によって基板８８の表面１０６に固定される固定櫛歯１０４とを含む。
【００３１】
駆動質量構造９０および９１は、Ｙ軸５４に沿って対向する二つの方向に、すなわち逆位相で運動するように、共に適切に連結されるか、または他の様態で適切に駆動されることができる。連結ばね構成要素１１０は、駆動質量構造９０および９１を感知質量９２に結合する。従って、駆動質量構造９０および９１は、基板８８の表面１０６の上に懸垂され、基板８８に対して直接物理的に取り付けられていない。連結ばね構成要素１１０は、駆動質量構造９０および９１のＸ−Ｙ平面２４におけるＹ軸５４に沿った大きな振動線形運動を可能にし、なお駆動質量構造９０から感知質量９２までＺ軸２６（図２）に沿ってコリオリの力を伝達するのに十分な剛性を有する、任意の好都合な形状、サイズ、および材質であってもよい。
【００３２】
ジャイロセンサ８６は、軸上トーションばね１１２、および軸外ばねシステム１１４をさらに含む。軸上トーションばね１１２は感知質量９２に結合され、Ｘ回転軸２２と同一ロケーションに配置されている。示されている実施形態では、感知質量９２は、感知質量９２の内周部（ｉｎｎｅｒ ｐｅｒｉｐｈｅｒｙ）１１８によって画定される中央開口１１６を含む。感知質量９２の中央開口１１６内にアンカー構造１２０が存在する。一実施形態では、アンカー構造１２０は、Ｘ回転軸２２と同一ロケーションに配置されている。軸上トーションばね１１２が、感知質量９２を、この中央に位置するアンカー構造１２０を介して基板８８の表面１０６に接続する。
【００３３】
感知質量９２の内周部１１８は、Ｘ回転軸２２の対向する両側に対称に配置された内側端部１２２および１２４を含む。すなわち、感知質量９２の枠組み構造がＸ回転軸２２を中心として置かれ、それによって、内側端部１２２および１２４はＸ回転軸２２から等距離に離間している。軸外ばねシステム１１４は、中央開口１１６内に存在する軸外ばね１２６および１２８を含む。軸外ばね１２６は、感知質量９２の内側端部１２２に配置され、軸外ばね１２８は、感知質量９２の内側端部１２４に配置されている。特に、軸外ばね１２６および１２８の各々は、Ｘ回転軸２２からずれたロケーションにおいて感知質量９２に直接物理的に結合している接続接合部分１３０を有する。軸外ばね１２６および１２８の各々は、アンカー１２０に結合しており、それによって、感知質量９２を、中央に位置するアンカー１２０を介して基板の表面１０６に接続する。軸上トーションばね１１２、ならびに、軸外ばねシステム１１４のばね１２６および１２８の形状、サイズ、量、ロケーション、材質、およびばね定数は、周波数整合、安定性、および感知距離のための所望の剛性を達成するための既知の機械的設計原則に従って適切に選択されることができる。特に、軸上トーションばね１１２、ならびに、軸外ばねシステム１１４のばね１２６および１２８は、それらの合計ばね定数が、連結ばね構成要素１１０の合計ばね定数に実質的に等しくなるように適切に構成される。
【００３４】
動作時、駆動質量構造９０および９１は、Ｘ−Ｙ平面２４内で逆位相で振動線形運動を受ける。回転軸がＸ軸２２と指定されている、示されている実施形態では、駆動質量構造９０および９１は、Ｙ軸５４に実質的に平行な対向する二つの方向（すなわち、図３内の上下）において線形に振動する。コリオリの加速度成分の結果として、軸上トーションばね１１２、ならびに、軸外ばねシステム１１４を構成する軸外ばね１２６および１２８は、感知質量９２ならびに試験質量構造９０および９１が、ジャイロセンサ８６のＸ回転軸２２を中心とする角速度、すなわち角運動速度に応じてＺ軸２６に沿ってＸ−Ｙ平面２４外で（すなわちＸ回転軸２２を中心として）振動することを可能にする。感知質量９２が振動平面外運動を受けると、位置変化が、感知質量９２の下にある電極（破線形式で示す）によってキャパシタンスの変化として感知される。このキャパシタンスの変化は続いて従来の様式で電子的に処理されて、ジャイロセンサ８６のＸ回転軸２２を中心とする角速度が得られる。
【００３５】
ジャイロセンサ２０（図１）と同様に、ジャイロセンサ８６の軸上トーションばね１１２および軸外ばねシステム１１４は協働して機能して、ジャイロセンサ製造プロセスにおける変動に起因するばね定数変動を効果的に低減する。この結果として、駆動質量９０の振動の周波数（すなわち、駆動周波数）と感知質量９２の振動の周波数（すなわち、感知周波数）との間のより緊密な整合を達成するもう一つの設計がもたらされる。
【００３６】
上記で提供された例は、単軸ジャイロ慣性センサの実施形態である。しかしながら、軸上トーションばねおよび軸外ばねシステムの両方の概念は、付加的に、二軸ジャイロ慣性センサ設計に適応することができ、その２つの例が下記に例示を目的として提供される。
【００３７】
図４は、代替的な実施形態による二軸ジャイロセンサ１３２の上面図を示す。ジャイロセンサ１３２は、Ｘ−Ｙ平面２４内で全体的に平坦な構造を有し、一般的に、Ｘ回転軸２２およびＹ回転軸５４の両方を中心とする角速度を感知するように構成される。ジャイロセンサ１３２は、基板１３４と、駆動質量１３６と、感知質量１３８と、もう一つの感知質量１４０と、下記に詳細に記載されるさまざまな機械的連結機構を含む。図４の具体的な実施形態では、感知質量１４０は感知質量１３８を貫通して延在する中央開口１４２内に存在している。
【００３８】
駆動質量１３６は、感知質量１３８の周囲に適切に配列され、連結ばね構成要素１４６を介して感知質量１３８に接続される複数の駆動質量構造１４４を含む。従って、駆動質量構造１４４は、基板１３４の表面１４８の上に懸垂され、基板１３４に対して直接物理的に取り付けられていない。駆動質量１３６は、感知質量１４０の周囲に適切に配列され、さらなる連結ばね構成要素１５２を介して感知質量１４０に接続される複数の駆動質量構造１５０をさらに含む。従って、駆動質量構造１５０も基板１３４の表面１４８の上に懸垂され、基板１３４に対して直接物理的に取り付けられていない。駆動質量構造１４４はＸ回転軸２２を中心として互いに対して対称に配置されている。同様に、駆動質量構造１５０はＹ回転軸５４を中心として互いに対して対称に配置されている。
【００３９】
駆動システム１５４は、駆動質量構造１４４および１５０に近接して存在する。駆動システム１５４は、駆動質量構造１４４に近接する駆動素子のセット１５６を含み、駆動質量構造１４４を振動させるように構成される。駆動システム１５４は、駆動質量構造１５２に近接する駆動素子のさらなるセット１５８をさらに含み、駆動質量構造１５０を振動させるように構成される。駆動素子の各セット１５６および１５８は、可動櫛歯１６０および固定櫛歯１６２を含む。一実施形態では、可動櫛歯１６０は、駆動質量構造１４４および１５０の各々の周縁に結合されてそこから延在し、固定櫛歯１６２は、アンカー１６３を介して基板１３４の表面１４８に結合される。固定櫛歯１６２は、可動櫛歯１６０から離間され、互い違いの配列で配置されている。
【００４０】
駆動質量構造１４４および１５０は、Ｘ−Ｙ平面２４内で振動運動を受けるように構成される。一般的に、駆動質量構造１４４をＹ軸５４に実質的に平行に線形に振動させるように、交流電流（ＡＣ）電圧が駆動回路（図示せず）を介して駆動素子１５６の固定櫛歯１６２に印加されることができる。同様の原理によって、駆動質量構造１５０を、Ｘ軸２２に実質的に平行に線形に振動させるように、ＡＣ電圧が駆動回路を介して駆動素子のセットの１５８の固定櫛歯１６２に印加されることができる。
【００４１】
二軸ジャイロセンサ１３２は、感知質量１３８に結合されるとともにＸ回転軸２２と同一ロケーションに配置された軸上トーションばね１６４と、軸外ばねシステムとをさらに含む。示されている実施形態では、軸外ばねシステムは、軸外ばね１６８および１７０を含む。軸外ばね１６８は、感知質量１３８の外側端部１７２に配置され、軸外ばね１７０は、感知質量１３８の外側端部１７４に配置され、ここで、外側端部１７２および１７４はＸ回転軸２２の対向する両側に対称に配置されている。特に、軸外ばね１６８および１７０の各々は、Ｘ回転軸２２からずれたロケーションにおいて感知質量１３８に直接物理的に結合している接続接合部分１７６を有する。軸上トーションばね１６４ならびに軸外ばね１６８および１７０は、感知質量１３８が、ジャイロセンサ１３２のＸ回転軸２２を中心とする角速度、すなわち角運動速度に応じてＺ軸２６に沿ってＸ−Ｙ平面２４外で振動することを可能にする。
【００４２】
加えて、二軸ジャイロセンサ１３２は、感知質量１４０に結合されるとともにＹ回転軸５４と同一ロケーションに配置された軸上トーションばね１７８と、軸外ばねシステムとを含む。示されている実施形態では、軸外ばねシステムは、軸外ばね１８２および１８４を含む。軸外ばね１８２は、感知質量１４０の外側端部１８６に配置され、軸外ばね１８４は、感知質量１４０の外側端部１８８に配置され、ここで外側端部１８６および１８８はＹ回転軸５４の対向する両側に対称に位置している。特に、軸外ばね１８２および１８４の各々は、Ｙ回転軸５４からずれたロケーションにおいて感知質量１４０に直接物理的に結合している接続接合部分１９０を有する。軸上トーションばね１７８、ならびに、軸外ばねシステムの軸外ばね１８２および１８４は、感知質量１４０が、ジャイロセンサ１３２のＹ回転軸５４を中心とする角速度、すなわち角運動速度に応じてＺ軸２６に沿ってＸ−Ｙ平面２４外で振動することを可能にする。
【００４３】
示されている実施形態では、軸上トーションばね１６４ならびに軸外トーションばね１６８および１７０の各々は、感知質量１３８を、アンカー１９２を介して基板１３４の表面１４８に接続する。加えて、軸上トーションばね１７８ならびに軸外トーションばね１８２および１８４の各々は、内側の感知質量１４０を感知質量１３８に接続する。従って、感知質量１３８および１４０の各々は、下にある基板１３４の上に懸垂される。感知質量１３８および１４０の各々が、振動平面外運動を受けるときの位置変化を感知するために、感知質量１３８および１４０の下層の適切なロケーションにおいて、基板１３４の表面１４８上に、電極（図示せず）が形成される。
【００４４】
動作時、駆動質量１３６の駆動質量構造１４４および１５０はＸ−Ｙ平面２４内で振動線形運動を受ける。示されている実施形態では、駆動質量構造１４４は、Ｙ軸５４に実質的に平行に（すなわち、図４において上下に）線形に振動する。Ｘ回転軸２２の対向する両側の駆動質量構造１４４は、上述のように対向する二つの方向に（逆位相で）線形に振動するように駆動されることができる。加えて、駆動質量構造１５０は、Ｘ軸２２に実質的に平行に（すなわち、図４において左右に）線形に振動する。駆動質量構造１４４と同様に、Ｘ回転軸５４の対向する両側の駆動質量構造１５０は、対向する二つの方向に（逆位相で）線形に振動するように駆動されることができる。
【００４５】
コリオリの加速度成分の結果として、軸上トーションばね１６４ならびに軸外ばね１６８および１７０は、感知質量１３８が、ジャイロセンサ１３２のＸ回転軸２２を中心とする角速度、すなわち角運動速度に応じてＺ軸２６（図１）に沿ってＸ−Ｙ平面２４外で振動することを可能にする。同じ原理によって、軸上トーションばね１７８ならびに軸外ばね１８２および１８４は、感知質量１４０が、ジャイロセンサ１３２のＹ回転軸５４を中心とする角速度、すなわち角運動速度に応じてＺ軸２６に沿ってＸ−Ｙ平面２４外で振動することを可能にする。
【００４６】
ジャイロセンサ２０に関連して上述したように、ジャイロセンサ１３２の軸上トーションばね１６４ならびに軸外ばね１６８および１７０は共同して機能して、ジャイロセンサ製造プロセスにおける変動に起因するばね定数変動を効果的に低減する。この結果として、駆動質量構造１４４の振動の周波数（すなわち、駆動周波数）と感知質量１３８の振動の周波数（すなわち、感知周波数）との間のより緊密な整合を達成する設計がもたらされる。同様に、軸上トーションばね１７８ならびに軸外ばね１８２および１８４は協働して機能して、ジャイロセンサ製造プロセスにおける変動に起因するばね定数変動を効果的に低減する。この結果として、駆動質量構造１５０の振動の周波数（すなわち、駆動周波数）と感知質量１４０の振動の周波数（すなわち、感知周波数）との間のより緊密な整合を達成する設計がもたらされる。
【００４７】
図５は、さらに別の代替的な実施形態による二軸ジャイロセンサ１９４の上面図を示す。二軸ジャイロセンサ１３２（図４）は、Ｘ軸およびＹ軸に平行なそれらのそれぞれの方向において線形に振動する複数の駆動質量構造を含む構成を実装する。二軸ジャイロセンサ１９４の代替的な実施形態では、単一の駆動質量が、Ｘ−Ｙ平面２４に実質的に平行な平面においてＺ軸２６を中心とする回転運動において振動するように駆動される。ジャイロセンサ１９４は、Ｘ−Ｙ平面２４内で全体的に平坦な構造を有し、一般的に、Ｘ回転軸２２およびＹ回転軸５４の両方を中心とする角速度を感知するように構成される。
【００４８】
ジャイロセンサ１９４は、基板１９６と、駆動質量１９８と、感知質量２００と、もう一つの感知質量２０２と、下記に詳細に記載されるさまざまな機械的連結機構とを含む。図５の具体的な実施形態では、感知質量２０２は、感知質量２００を貫通して延在する中央開口２０４内に存在し、感知質量２００は、駆動質量１９８を貫通して延在する中央開口２０６内に存在する。従って、駆動質量１９８および感知質量２００は、枠組み構造であり、駆動質量１９８、感知質量２００、および感知質量２０２の各々は共通の中心を有する。
【００４９】
複数の折りたたみばね２０８が駆動質量１９８に接続され、複数の折りたたみばね２０８の各々がアンカー２１２を介して基板１９６の表面２１０に結合される。従って、駆動質量１９８は、表面２１０の上に懸垂される。駆動システム２１４は、駆動質量１９８に近接して存在する。駆動システム２１４は、駆動質量１９８を回転運動において振動させるための、駆動質量１９８に近接する駆動素子のセット２１６を含む。駆動素子の各セット２１６は、可動櫛歯２１８および固定櫛歯２２０を含む。一実施形態では、可動櫛歯２１８は、駆動質量１９８の周縁に結合されてそこから延在し、固定櫛歯２２０は、アンカー２２２を介して基板１９６の表面２１０に結合される。固定櫛歯２２０は、可動櫛歯２１８から離間され、互い違いの配列で配置されている。
【００５０】
駆動質量１９８は、Ｘ−Ｙ平面２４に実質的に平行なＺ軸２６を中心とする回転振動運動を受けるように構成される。一般的に、駆動質量１９８を、適切に印加される電圧および折りたたみばね２０８の構造に起因してＺ軸２６を中心として振動させるように、交流電流（ＡＣ）電圧が、駆動回路（図示せず）を介して固定櫛歯２２０に印加されることができる。
【００５１】
二軸ジャイロセンサ１９４は、感知質量２００に結合されるとともにＸ回転軸２２と同一ロケーションに配置された軸上トーションばね２２４と、軸外ばねシステムとをさらに含む。示されている実施形態では、軸外ばねシステムは、軸外ばね２２８および２３０を含む。軸外ばね２２８は、感知質量２００の内側端部２３２に配置され、軸外ばね２３０は、感知質量２００の内側端部２３４に配置され、ここで、内側端部２３２および２３４は、Ｘ回転軸２２の対向する両側に対称に位置している。特に、軸外ばね２２８および２３０の各々は、Ｘ回転軸２２からずれたロケーションにおいて感知質量２００に直接物理的に結合している接続接合部分２３６を有する。軸上トーションばね２２４ならびに軸外ばね２２８および２３０は、感知質量２００が、ジャイロセンサ１９４のＸ回転軸２２を中心とする角速度、すなわち角運動速度に応じてＺ軸２６に沿ってＸ−Ｙ平面２４外で振動することを可能にする。
【００５２】
加えて、二軸ジャイロセンサ１９４は、感知質量２０２に結合されるとともにＹ回転軸５４と同一ロケーションに配置された軸上トーションばね２３８と、軸外ばねシステムとを含む。示されている実施形態では、軸外ばねシステムは、軸外ばね２４２および２４４を含む。軸外ばね２４２は、感知質量２０２の外側端部２４６に配置され、軸外ばね２４４は、感知質量２０２の外側端部２４８に配置され、ここで外側端部２４６および２４８は、Ｙ回転軸５４の対向する両側に対称に位置している。特に、軸外ばね２４２および２４４の各々は、Ｙ回転軸５４からずれたロケーションにおいて感知質量２０２に直接物理的に結合している接続接合部分２５０を有する。軸上トーションばね２３８ならびに軸外ばね２４２および２４４は、感知質量２０２が、ジャイロセンサ１９４のＹ回転軸５４を中心とする角速度、すなわち角運動速度に応じてＺ軸２６に沿ってＸ−Ｙ平面２４外で振動することを可能にする。
【００５３】
示されている実施形態では、軸上トーションばね２２４ならびに軸外トーションばね２２８および２３０の各々は、感知質量２００を駆動質量１９８に接続する。加えて、軸上トーションばね２３８ならびに軸外トーションばね２４２および２４４の各々は、内側の感知質量２０２を感知質量２００に接続する。従って、感知質量２００および２０２の各々は下にある基板１９６の上に懸垂される。感知質量２００および２０２の各々が振動平面外運動を受けるときの位置変化を感知するために、感知質量２００および２０２の下層の適切なロケーションにおいて基板１９６の表面２１０上に、電極（図示せず）が形成される。
【００５４】
動作時、駆動システム２１６は、基板２１０に垂直なＺ回転軸２６を中心とする、基板１９６の表面２１０に平行な平面における駆動質量１９８の機械的振動を可能にする。感知質量２００および感知質量２０２の両方は、駆動質量１９８と共に、この運動に対するそれぞれの軸上トーションばね２２４および２３８の高い剛性に起因して、Ｚ回転軸２６を中心として振動する。感知質量２００および２０２がＺ回転軸２６を中心とする振動運動に入ると、感知質量２００は、ジャイロセンサ１９４のＹ回転軸５４を中心とする角運動速度を検出することが可能になる。特に、ジャイロセンサ１９４のＹ回転軸５４を中心とする角運動速度は、感知質量２００に、ジャイロセンサ１９４のＹ回転軸５４を中心とする角回転速度に比例する振幅において、その感知軸、すなわちＸ回転軸２２を中心として振動させるコリオリの加速度を生成する。同様の原理によって、感知質量２０２は、ジャイロセンサ１９４のＸ回転軸２２を中心とする角運動速度を検出することが可能である。すなわち、ジャイロセンサ１９４がＸ回転軸２２を中心とする角運動速度を受けると、コリオリの加速度がＹ回転軸５４を中心として発生する。コリオリの加速度の結果として、感知質量２０２がその感知軸、すなわちＹ回転軸５４を中心として運動することになる。
【００５５】
軸上トーションばね２２４ならびに軸外トーションばね２２８および２３０は、協働して機能して、駆動質量１９８の振動の周波数（すなわち、駆動周波数）と感知質量２００の振動の周波数（すなわち、感知周波数）との間のより緊密な整合を達成する。同様に、軸上トーションばね２３８ならびに軸外トーションばね２４２および２４４は協働して機能して、駆動質量１９８の振動の周波数（すなわち、駆動周波数）と感知質量２０２の振動の周波数（すなわち、感知周波数）との間のより緊密な整合を達成する。
【００５６】
ジャイロセンサ１９４は、駆動質量および感知質量（複数の場合もあり）のための全体的に矩形の構造１９８、２００、および２０２によって提供される。しかしながら、代替的な実施形態では、駆動質量および／または感知質量（複数の場合もあり）は、円形リング、ディスクなどのような異なる形状を有することができる。加えて、駆動質量および感知質量（複数の場合もあり）は図示されているものとは異なって配列されてもよい。例えば、１つの感知質量が中央に配置されてもよく、もう一つの感知質量が外側枠組み構造を形成してもよく、駆動質量が２つの感知質量の間に入ってもよい。本明細書に記載されている実施形態によれば、このような構造に変化があっても、協働して機能して、駆動周波数と感知周波数とのより緊密な整合を達成する軸上トーションばねおよび軸外ばねシステムをなお含むことになる。加えて、本明細書においてジャイロセンサが記載されているが、軸上トーションばねおよび軸外ばねシステムの組み合わせは、角運動速度の変化率を測定する角加速度設計において容易に実装することができることが理解されるべきである。
【００５７】
要約すると、本発明の実施形態は、１つまたは複数のシーソー型感知質量を有するジャイロセンサおよび角加速度計の形態の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）慣性センサデバイスをもたらす。特に、ジャイロセンサは、コリオリの加速度成分の影響による、ジャイロセンサの基板に平行な軸を中心とする角回転を感知するように構成される。ジャイロセンサのさまざまな実施形態は、軸上トーションばね、およびシーソー感知質量に結合される軸外ばねシステムの両方を含む。軸上トーションばねは回転軸に沿って配置され、軸外ばねシステムは、回転軸からずれた１つまたは複数のロケーションにおいて感知質量に結合される。軸外ばねシステムは回転軸において、ジャイロセンサの駆動周波数と感知周波数との間の整合性の向上を達成するのに十分なねじり剛性を提供する。駆動周波数と感知周波数との間の整合性が向上すると、駆動質量から感知質量へのエネルギー伝達が増大し、それによって信号出力が増強される。その上、軸外ばねシステムを含む角慣性センサデバイスは、製造プロセス変動の影響をより受けにくいを既存の製造技術を使用して製造されることができ、一貫して誤りのより少ない信号成分を提供することができる。
【００５８】
本発明の好ましい実施形態が詳細に例示および記載されてきたが、本発明の精神または添付の特許請求項の範囲から逸脱することなく、そこにさまざまな改変を行うことができることが当業者には容易に明らかとなろう。すなわち、例示的な実施形態は例に過ぎず、本発明の範囲、適用性または構成を限定することは意図されていないことが理解されるべきである。
【符号の説明】
【００５９】
２０…慣性センサ、２２…回転軸、３０…駆動質量、３２…感知質量、５８…軸上トーションばね、６０…軸外ばねシステム、７６…接続接合部分。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
慣性センサであって、
表面を有する基板と、
前記表面に実質的に平行な平面内で振動運動を受けるように構成された駆動質量と、
前記駆動質量に連結された感知質量と、
前記感知質量に結合された軸上トーションばねであって、該軸上トーションばねは、回転軸と同一ロケーションに配置されている、前記軸上トーションばねと、
前記感知質量上の、前記回転軸からずれたロケーションにおいて、前記感知質量に結合された接続接合部分を有する軸外ばねシステムと
を備え、前記軸上トーションばねおよび前記軸外ばねシステムは、前記感知質量が前記平面外で振動することを可能にする、慣性センサ。
【請求項２】
前記駆動質量は、駆動周波数における前記振動運動を受け、前記軸上トーションばねおよび前記軸外ばねシステムは、前記感知質量が、前記駆動周波数に実質的に等しい感知周波数において振動することを可能にする、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項３】
前記感知質量を前記駆動質量に結合する連結ばね構成要素をさらに備え、前記軸上トーションばねおよび前記軸外ばねシステムの第１の合計ばね定数は、前記連結ばね構成要素の第２の合計ばね定数に実質的に等しい、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項４】
前記軸外ばねシステムは、前記感知質量が前記回転軸を中心として回転するように該感知質量の運動を制限する、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項５】
前記感知質量は、前記回転軸の対向する両側に対称に配置された第１の外側端部および第２の外側端部を含み、
前記軸外ばねシステムは、前記感知質量の前記第１の外側端部に配置された第１の軸外ばねと、前記感知質量の前記第２の外側端部に配置された第２の軸外ばねとを含み、前記第１の軸外ばねおよび前記第２の軸外ばねの各々は、前記接続接合部分を含む、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項６】
前記感知質量は、中央開口を有し、前記駆動質量は前記中央開口内に存在する、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項７】
前記感知質量は、前記感知質量の内周部によって画定された中央開口を含み、前記内周部は、前記回転軸の対向する両側に対称に配置された第１の内側端部および第２の内側端部を含み、
前記軸外ばねシステムは、前記中央開口内に存在する第１の軸外ばねであって、前記感知質量の前記第１の内側端部に配置された接続接合部分を有する前記第１の軸外ばねと、前記中央開口内に存在する第２の軸外ばねであって、前記感知質量の前記第２の内側端部に配置された接続接合部分を有する前記第２の軸外ばねとを含む、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項８】
前記軸上トーションばねおよび前記軸外ばねシステムは、前記感知質量を前記基板の前記表面に接続する、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項９】
前記駆動質量は、中央開口を有し、前記感知質量は、前記中央開口内に存在する、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項１０】
前記感知質量は、第２の中央開口を有し、
前記慣性センサは、前記軸上トーションばねを前記基板の前記表面に結合するアンカーをさらに備え、該アンカーは前記第２の中央開口内に配置されている、請求項９に記載の慣性センサ。
【請求項１１】
前記アンカーは、前記回転軸と同一ロケーションに配置されている、請求項１０に記載の慣性センサ。
【請求項１２】
前記駆動質量に連結された第２の感知質量と、
前記第２の感知質量に結合された第２の軸上トーションばねであって、該第２の軸上トーションばねは、前記回転軸に垂直な第２の回転軸と同一ロケーションに配置されている、前記第２の軸上トーションばねと、
前記第２の回転軸からずれた第２のロケーションにおいて前記第２の感知質量に結合された第２の接続接合部分を有する第２の軸外ばねシステムと
をさらに備え、前記第２の軸上トーションばねおよび前記第２の軸外ばねシステムは、前記第２の感知質量が前記平面外で振動することを可能にする、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項１３】
前記駆動質量は、
第１の駆動質量構造と、
第２の駆動質量構造と
を含み、前記第１の駆動質量構造および前記第２の駆動質量構造は、前記回転軸に対する鏡映対称性を呈する、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項１４】
前記第２の駆動質量構造は、前記平面内で前記第１の駆動質量構造に対して側方に配置され、
前記慣性センサは、前記第１の駆動質量構造および前記第２の駆動質量構造を、前記平面に平行な対向する二つの方向に駆動するように構成された駆動システムをさらに備える、請求項１３に記載の慣性センサ。
【請求項１５】
慣性センサであって、
表面を有する基板と、
回転軸の対向する両側に対称に配置された第１の外側端部および第２の外側端部を有する感知質量であって、該感知質量は中央開口を含む、前記感知質量と、
前記感知質量に連結されるとともに前記中央開口内に存在する駆動質量であって、該駆動質量は、前記表面に実質的に平行な平面内で振動運動を受けるように構成されている、前記駆動質量と、
前記感知質量に結合された軸上トーションばねであって、該軸上トーションばねは、前記回転軸と同一ロケーションに配置されている、前記軸上トーションばねと、
前記感知質量の前記第１の外側端部に配置された第１の軸外ばね、および、前記感知質量の前記第２の外側端部に配置された第２の軸外ばねを含む軸外ばねシステムであって、前記第１の軸外ばねおよび前記第２の軸外ばねの各々は、前記感知質量上の前記回転軸からずれたロケーションにおいて前記感知質量に結合された接続接合部分を含む、前記軸外ばねシステムと
を備え、前記軸上トーションばねおよび前記軸外ばねシステムは、前記感知質量が、前記回転軸を中心として前記平面外で回転することを可能にする、慣性センサ。
【請求項１６】
前記駆動質量は、駆動周波数における前記振動運動を受け、前記慣性センサは、前記感知質量を前記駆動質量に結合する連結ばね構成要素をさらに備え、前記軸上トーションばねおよび前記軸外ばねシステムは、前記連結ばね構成要素の第２の合計ばね定数に実質的に等しい第１の合計ばね定数を有し、前記感知質量が、前記駆動周波数に実質的に等しい感知周波数において前記回転軸を中心として振動することを可能にする、請求項１５に記載の慣性センサ。
【請求項１７】
前記駆動質量は、第１の駆動質量構造および第２の駆動質量構造を含み、前記第１の駆動質量構造および前記第２の駆動質量構造は、前記回転軸に対する鏡映対称性を呈し、
前記慣性センサは、前記第１の駆動質量構造および前記第２の駆動質量構造を前記平面に平行な対向する二つの方向において駆動するように構成された駆動システムをさらに備える、請求項１５に記載の慣性センサ。
【請求項１８】
慣性センサであって、
表面を有する基板と、
駆動周波数において前記表面に実質的に平行な平面内で振動運動を受けるように構成された駆動質量であって、該駆動質量は、第１の駆動質量構造および第２の駆動質量構造を含み、該第１の駆動質量構造および該第２の駆動質量構造は、回転軸に対する鏡映対称性を呈し、前記第１の駆動質量構造および前記第２の駆動質量構造は、前記平面に平行な対向する二つの方向において駆動される、前記駆動質量と、
前記駆動質量に連結された感知質量と、
前記感知質量に結合された軸上トーションばねであって、該軸上トーションばねは、前記回転軸と同一ロケーションに配置されている、前記軸上トーションばねと、
前記感知質量上の前記回転軸からずれたロケーションにおいて前記感知質量に結合された接続接合部分を有する軸外ばねシステムと
を備え、前記軸上トーションばねおよび前記軸外ばねシステムは、前期感知質量が、前記駆動周波数に実質的に等しい感知周波数において前記平面外で振動することを可能にする、慣性センサ。
【請求項１９】
前記感知質量は、中央開口を有し、前記第１の駆動質量構造および前記第２の駆動質量構造は、前記中央開口内に存在する、請求項１８に記載の慣性センサ。
【請求項２０】
前記感知質量は、前記回転軸からずれて、かつ前記回転軸の対向する両側に対称に配置された第１の外側端部および第２の外側端部を含み、
前記軸外ばねシステムは、前記感知質量の前記第１の外側端部に配置された第１の軸外ばねと、前記感知質量の前記第２の外側端部に配置された第２の軸外ばねとを含み、前記第１の軸外ばねおよび前記第２の軸外ばねの各々は、前記接続接合部分を含む、請求項１８に記載の慣性センサ。
【請求項１】
慣性センサであって、
表面を有する基板と、
前記表面に実質的に平行な平面内で振動運動を受けるように構成された駆動質量と、
前記駆動質量に連結された感知質量と、
前記感知質量に結合された軸上トーションばねであって、該軸上トーションばねは、回転軸と同一ロケーションに配置されている、前記軸上トーションばねと、
前記感知質量上の、前記回転軸からずれたロケーションにおいて、前記感知質量に結合された接続接合部分を有する軸外ばねシステムと
を備え、前記軸上トーションばねおよび前記軸外ばねシステムは、前記感知質量が前記平面外で振動することを可能にする、慣性センサ。
【請求項２】
前記駆動質量は、駆動周波数における前記振動運動を受け、前記軸上トーションばねおよび前記軸外ばねシステムは、前記感知質量が、前記駆動周波数に実質的に等しい感知周波数において振動することを可能にする、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項３】
前記感知質量を前記駆動質量に結合する連結ばね構成要素をさらに備え、前記軸上トーションばねおよび前記軸外ばねシステムの第１の合計ばね定数は、前記連結ばね構成要素の第２の合計ばね定数に実質的に等しい、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項４】
前記軸外ばねシステムは、前記感知質量が前記回転軸を中心として回転するように該感知質量の運動を制限する、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項５】
前記感知質量は、前記回転軸の対向する両側に対称に配置された第１の外側端部および第２の外側端部を含み、
前記軸外ばねシステムは、前記感知質量の前記第１の外側端部に配置された第１の軸外ばねと、前記感知質量の前記第２の外側端部に配置された第２の軸外ばねとを含み、前記第１の軸外ばねおよび前記第２の軸外ばねの各々は、前記接続接合部分を含む、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項６】
前記感知質量は、中央開口を有し、前記駆動質量は前記中央開口内に存在する、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項７】
前記感知質量は、前記感知質量の内周部によって画定された中央開口を含み、前記内周部は、前記回転軸の対向する両側に対称に配置された第１の内側端部および第２の内側端部を含み、
前記軸外ばねシステムは、前記中央開口内に存在する第１の軸外ばねであって、前記感知質量の前記第１の内側端部に配置された接続接合部分を有する前記第１の軸外ばねと、前記中央開口内に存在する第２の軸外ばねであって、前記感知質量の前記第２の内側端部に配置された接続接合部分を有する前記第２の軸外ばねとを含む、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項８】
前記軸上トーションばねおよび前記軸外ばねシステムは、前記感知質量を前記基板の前記表面に接続する、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項９】
前記駆動質量は、中央開口を有し、前記感知質量は、前記中央開口内に存在する、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項１０】
前記感知質量は、第２の中央開口を有し、
前記慣性センサは、前記軸上トーションばねを前記基板の前記表面に結合するアンカーをさらに備え、該アンカーは前記第２の中央開口内に配置されている、請求項９に記載の慣性センサ。
【請求項１１】
前記アンカーは、前記回転軸と同一ロケーションに配置されている、請求項１０に記載の慣性センサ。
【請求項１２】
前記駆動質量に連結された第２の感知質量と、
前記第２の感知質量に結合された第２の軸上トーションばねであって、該第２の軸上トーションばねは、前記回転軸に垂直な第２の回転軸と同一ロケーションに配置されている、前記第２の軸上トーションばねと、
前記第２の回転軸からずれた第２のロケーションにおいて前記第２の感知質量に結合された第２の接続接合部分を有する第２の軸外ばねシステムと
をさらに備え、前記第２の軸上トーションばねおよび前記第２の軸外ばねシステムは、前記第２の感知質量が前記平面外で振動することを可能にする、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項１３】
前記駆動質量は、
第１の駆動質量構造と、
第２の駆動質量構造と
を含み、前記第１の駆動質量構造および前記第２の駆動質量構造は、前記回転軸に対する鏡映対称性を呈する、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項１４】
前記第２の駆動質量構造は、前記平面内で前記第１の駆動質量構造に対して側方に配置され、
前記慣性センサは、前記第１の駆動質量構造および前記第２の駆動質量構造を、前記平面に平行な対向する二つの方向に駆動するように構成された駆動システムをさらに備える、請求項１３に記載の慣性センサ。
【請求項１５】
慣性センサであって、
表面を有する基板と、
回転軸の対向する両側に対称に配置された第１の外側端部および第２の外側端部を有する感知質量であって、該感知質量は中央開口を含む、前記感知質量と、
前記感知質量に連結されるとともに前記中央開口内に存在する駆動質量であって、該駆動質量は、前記表面に実質的に平行な平面内で振動運動を受けるように構成されている、前記駆動質量と、
前記感知質量に結合された軸上トーションばねであって、該軸上トーションばねは、前記回転軸と同一ロケーションに配置されている、前記軸上トーションばねと、
前記感知質量の前記第１の外側端部に配置された第１の軸外ばね、および、前記感知質量の前記第２の外側端部に配置された第２の軸外ばねを含む軸外ばねシステムであって、前記第１の軸外ばねおよび前記第２の軸外ばねの各々は、前記感知質量上の前記回転軸からずれたロケーションにおいて前記感知質量に結合された接続接合部分を含む、前記軸外ばねシステムと
を備え、前記軸上トーションばねおよび前記軸外ばねシステムは、前記感知質量が、前記回転軸を中心として前記平面外で回転することを可能にする、慣性センサ。
【請求項１６】
前記駆動質量は、駆動周波数における前記振動運動を受け、前記慣性センサは、前記感知質量を前記駆動質量に結合する連結ばね構成要素をさらに備え、前記軸上トーションばねおよび前記軸外ばねシステムは、前記連結ばね構成要素の第２の合計ばね定数に実質的に等しい第１の合計ばね定数を有し、前記感知質量が、前記駆動周波数に実質的に等しい感知周波数において前記回転軸を中心として振動することを可能にする、請求項１５に記載の慣性センサ。
【請求項１７】
前記駆動質量は、第１の駆動質量構造および第２の駆動質量構造を含み、前記第１の駆動質量構造および前記第２の駆動質量構造は、前記回転軸に対する鏡映対称性を呈し、
前記慣性センサは、前記第１の駆動質量構造および前記第２の駆動質量構造を前記平面に平行な対向する二つの方向において駆動するように構成された駆動システムをさらに備える、請求項１５に記載の慣性センサ。
【請求項１８】
慣性センサであって、
表面を有する基板と、
駆動周波数において前記表面に実質的に平行な平面内で振動運動を受けるように構成された駆動質量であって、該駆動質量は、第１の駆動質量構造および第２の駆動質量構造を含み、該第１の駆動質量構造および該第２の駆動質量構造は、回転軸に対する鏡映対称性を呈し、前記第１の駆動質量構造および前記第２の駆動質量構造は、前記平面に平行な対向する二つの方向において駆動される、前記駆動質量と、
前記駆動質量に連結された感知質量と、
前記感知質量に結合された軸上トーションばねであって、該軸上トーションばねは、前記回転軸と同一ロケーションに配置されている、前記軸上トーションばねと、
前記感知質量上の前記回転軸からずれたロケーションにおいて前記感知質量に結合された接続接合部分を有する軸外ばねシステムと
を備え、前記軸上トーションばねおよび前記軸外ばねシステムは、前期感知質量が、前記駆動周波数に実質的に等しい感知周波数において前記平面外で振動することを可能にする、慣性センサ。
【請求項１９】
前記感知質量は、中央開口を有し、前記第１の駆動質量構造および前記第２の駆動質量構造は、前記中央開口内に存在する、請求項１８に記載の慣性センサ。
【請求項２０】
前記感知質量は、前記回転軸からずれて、かつ前記回転軸の対向する両側に対称に配置された第１の外側端部および第２の外側端部を含み、
前記軸外ばねシステムは、前記感知質量の前記第１の外側端部に配置された第１の軸外ばねと、前記感知質量の前記第２の外側端部に配置された第２の軸外ばねとを含み、前記第１の軸外ばねおよび前記第２の軸外ばねの各々は、前記接続接合部分を含む、請求項１８に記載の慣性センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−９２５２５（Ｐ２０１３−９２５２５Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２３５７３０（Ｐ２０１２−２３５７３０）
【出願日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【出願人】（５０４１９９１２７）フリースケール セミコンダクター インコーポレイテッド (806)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【出願人】（５０４１９９１２７）フリースケール セミコンダクター インコーポレイテッド (806)
【Ｆターム（参考）】
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