JP6689227B2 - ジャイロスコープ - Google Patents

Description

本発明は、回転角度または回転速度を検出するジャイロスコープ、特にコリオリ振動ジャイロスコープ（ＣＶＧ）の分野に関する。

特許文献１は、フーコーの振り子を使用して回転角度を検出するＣＶＧを開示している。

ＵＳ２０１６／００８４６５４Ａ１

ジャイロスコープは、航法、照準、安定性制御システムの基本ブロックである。ジャイロスコープは角速度を検出することができる。ジャイロスコープの精度は、加速度計、磁力計、および他のセンサによって形成される慣性計測ユニット（ＩＭＵ）である場合が多い、システム全体の精度に直接影響する。

屋内駐車場内、または高い建物がある人口密集都市の路上など、従来の汎地球測位システム（ＧＰＳ）からの従来の航法援助信号が信頼できないか、または単純に利用不能である環境における自立航法の場合、１時間当たり０．０１度未満の精度が求められる。今日まで、このレベルの性能は、嵩高で高価な光ファイバージャイロスコープ（ＦＯＧ）およびレーザーリングジャイロスコープ（ＲＬＧ）によって達成されている。しかしながら、小型化、コスト削減、および遍在性に対する世界的傾向により、かかるユニットを使用することは望ましくなくなっている。

微小電気機械コリオリ振動型ジャイロスコープは、低コスト、小型、かつ低消費電力であることによって、代替物と見られている。今日まで、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープの性能レベルは、航法グレードの仕様に達していない。

ＣＶＧの適用の一例は、地下の車両の軌道の角度を測定するものである。鉱山などの地下区間では、ＧＰＳなどの外部位置信号へのアクセスがない。この場合、航法、位置標定、および制御は、ＩＭＵにグループ化されている慣性センサのみに依存する。ジャイロスコープは、角度計測能力により、かかるシステムの重要部分である。

例えば、ＧＰＳにアクセスしない地下の車両は、地下掘削トンネルの座標を含むメモリを有する。正しい軌道を安全に追随するため、センサを使用して、ホイールの舵取り角度および車両の回転が制御され、速度および回転角度を制御するとともに、車両の現在位置を更新する情報が提供される。

一般に、ＣＶＧはＸおよびＹ軸で対称である。一般に、ＣＶＧは、連続的に振動する駆動質量および感知質量によって形成される。場合によっては、駆動質量および感知質量は同じである。角速度が質量に加えられると、コリオリの力が発生する。角速度は、コリオリの力によって誘起されている感知質量の変位を検出することによって、計測することができる。

かかるタイプの共振器の場合、コリオリの力によって発生した変位の大きさは、かかるモードの品質因子（Ｑ因子）によって乗算され、それによって感度が増大する。駆動運動の方向および感知運動の方向は直交する。駆動運動軸は、以下、「駆動」と呼ばれ、コリオリによって誘起される力の軸は、以下、「感知」と呼ばれる。かかるセンサでは、Ｑ因子を増加させることが重要である。それに加えて、Ｑ因子は、熱機械的雑音、フォーサ電子部品が誘起するバイアス、および電力消費に関連するので、ジャイロスコープの性能に影響する。

しかしながら、共振器のＱ因子全体に影響するいくつかの因子がある。
（１）可動部品の周りの空気または他の流動物質によって引き起こされる粘性減衰。
（２）熱弾性減衰などの材料損失。
（３）基板を介して機械エネルギーが漏れることによるアンカーロス。

高性能用途では、それまでのＱ因子すべてが最大化されている。この理由のため、また空気減衰を排除するために、振動ジャイロスコープは高真空で動作する場合が多い。材料損失は大幅に低減することができる。

アンカーロスは、製造欠陥および現象の複雑さにより、低減するのがより困難な因子の１つである。以下のパラグラフで、微細加工されたジャイロスコープにおけるエネルギー漏れ（低いＱ因子の原因）を緩和することができる、従来技術の設計の展開を示す。

単純なＣＶＧは、Ｘ−Ｙ面のいずれの方向でも振動することができる、単一の質量であり得る。一般に、ＣＶＧは、軸の１つで、例えばＸ軸(駆動軸）で振動させられる。また、直交軸Ｙ（感知軸）の振動が計測される。面Ｘ−Ｙの垂直軸、即ちＺ軸における回転がある場合、Ｘ軸からのエネルギーはコリオリの力によってＹ軸に伝達される。感知軸における振動の大きさはコリオリの力に比例する。感知軸における振動を計測することによって、角速度を計測することができる。

従来のＭＥＭＳベースのＣＶＧでは、試験質量が曲げばね（可撓性リンク）を介して基板に固定される。試験質量の変位によってばねに対する荷重が作られる。Ｆ＝ｋｘであり、式中、Ｆは力、ｋは曲げばねのばね定数、およびｘは試験質量の変位である。ニュートンの第二法則にしたがって、試験質量によってばねに働く力は、基板からばねに対する等しい反対方向の力を伴う。これは、基板を介したエネルギー損失の主要源である。

エネルギー損失の問題に対処するために、二重質量音叉（dual mass tuning fork）構成が提案されてきた。しかしながら、２つの質量中心の間に距離があるため、両方の質量中心を横断する軸におけるアンカーロスは相殺されるが、直交する軸においては相殺されなかった。

特許文献１では、他の研究者らが、音叉の形式で動作する同心の共振器に基づいて、力および運動量の動的に均衡した構造を提案している。すなわち、特許文献１の図１４に示されるように、このデバイスは、一方が中心に位置し、他方がそれを取り囲む２つの質量を有する。両方の質量は同じ方向で、ただし反対の位相で移動している。４つのアンカーがデバイスの中心付近に位置する。それに加えて、４つのシャトル対が、運動をＸおよびＹ軸から切り離すのに使用され、変換器がシャトルの内部に構築された。

しかしながら、高いＱ因子は、駆動および感知軸の周波数が同じ場合にのみ有効である。任意の熟練した設計者の場合、コンピュータ支援設計(ＣＡＤ)ツールおよび有限要素シミュレータを使用することによって、ＸおよびＹ両方の動作モードで同じ周波数を有する、質量が均衡したジャイロスコープを設計するのは簡単である。

しかしながら、製造プロセス中に生じる製造欠陥によって非対称性が生じ、それによって感知および駆動の動作周波数が分離され（感知および駆動の動作周波数間の差：Δｆ≠０）、その結果、高いＱ因子によって得られる利益が相殺される。

それに加えて、ＣＶＧはモード整合条件下で動作するので、周波数を整合するために、静電同調などの作製後周波数同調が行われる場合が多い。この場合、可動質量に加えられる静電力によって力の不均衡がもたらされ、結果として最初に行った設計考慮点が損なわれる。

一般に、微細加工センサは、大面積のシリコン系ウェハ上で作製される。作製プロセスにおいて、誤差の主要源の１つは、強反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）による構造的シリコンのエッチングである。特に、ばねは製造欠陥の影響をより受けやすい。ＤＲＩＥプロセスを最適化することによって、作製プロセス中の欠陥の量を低減することができるが、プロセスは依然として、ウェハの中心とウェハの周辺に位置するデバイスに対する影響が異なる不均一プロセスである。したがって、エッチングが施される目標の面積によってプロセスの公差が規定される。

本発明の目的は、動作モードの周波数間の分離が小さく、象限誤差を低減する、高いＱ因子を有するジャイロスコープを得ることである。

本発明の１つの態様は、半導体チップを含むジャイロスコープである。この半導体チップは、基板と、第１の質量と、第２の質量と、接続ユニットとを備える。第１の質量は、Ｘ−Ｙ面の任意の方向で移動することができる。第２の質量は、Ｘ−Ｙ面の任意の方向で移動することができる。第１の質量と第２の質量との間に位置する接続ユニットは、第１の質量および第２の質量を機械的に接続する。

接続ユニットは、基板に固着されたアンカーと、アンカーと第１の質量との間に位置する第１のシャトルと、アンカーと第２の質量との間に位置する第２のシャトルと、アンカーおよび第１のシャトルを接続する第１のビームと、アンカーおよび第２のシャトルを接続する第２のビームと、第１の質量および第１のシャトルを接続する第３のビームと、第２の質量および第２のシャトルを接続する第４のビームと、第１のシャトルおよび第２のシャトルを接続する第５のビームとを備える。アンカーは、第１のシャトルと第２のシャトルとの間に位置する。

１つの可能な配置によれば、第１のシャトルおよび第２のシャトルは異なる形状を有し、それぞれ電極を有する。

１つの可能な配置によれば、面積Ａｃを半導体チップの面積として、面積Ａｓを接続ユニットすべてを包含する面積として規定すると、Ａｓ対Ａｃの比は０．７未満である。

高いＱ因子を有するジャイロスコープを得るとともに、象限誤差を低減すること。

提案される実施形態の一例を示す平面図である。 提案される実施形態の一例を示す平面図である。 集中アンカーアーキテクチャの効果を示す図である。 感知ピックオフおよび駆動ピックオフに関する一例の検出回路図である。 提案される実施形態を示す上面図である。 外側質量ＭＳ２および内側質量ＭＳ１の変位を示す図である。 提案される実施形態を示す断面図である。 図５および７の改善されたシャトルを示す詳細上面図である。 図８の内側質量ＭＳ１および外側質量ＭＳ２の変位を示す詳細図である。 静電電極の一例を示す概略図である。 非対称のばね・シャトル・アンカーモジュールの実際の一実現例を示す上面図である。 図１１に示されるビームの変形の一例を示す上面図である。 感知および励起用の接続ユニットＣＵおよび電極の可能なトポロジーを示す上面図である。 制御回路を示すブロック図である。 機械的要素の可能な実現例を示す断面図である。

本発明の正確な性質、ならびにその目的および利点は、以下の詳細な説明を参照し、添付図面と併せて検討することで、容易に明白となるであろう。図面全体を通して、類似の参照番号は類似の部分を指す。

実施例１は、電極が試験質量に埋め込まれたコリオリ振動ジャイロスコープの一例である。シャトルは対称的に位置する。

図１は、提案される実施形態の一例を示す。微細加工されたジャイロスコープＣＶＧ １００は、同じ質量中心を共有する、２自由度（２ＤＯＦ）の同心の試験質量ＭＳ１およびＭＳ２を有する。第１の質量（内側質量）ＭＳ１は内側位置に配置され、第２の質量（外側質量）ＭＳ２は外側位置に配置され、内側質量ＭＳ１および外側質量ＭＳ２は実質的に同じ質量を有する。

２つの質量間に、４つの接続ユニットＣＵが配置される。接続ユニットＣＵは、２つの質量ＭＳ１、ＭＳ２およびアンカーＡＣＲを機械的に接続している。接続ユニットＣＵは、アンカーＡＣＲと、２つの質量ＭＳ１、ＭＳ２およびアンカーＡＣＲを接続する曲げビームとを含む。

ＣＶＧ １００は、Ｎ個のアンカーと、２×Ｎ個のシャトルとを有する。図１は、４つのアンカーＡＣＲを有し、それらが接続ユニットＣＵの中心に位置する一例を示す。２つのシャトルＳＨが各アンカーＡＣＲに対して準備される。各シャトルは１自由度（１ＤＯＦ）の可動部品を構成する。

Ｎ組の曲げビームは、アンカーＡＣＲをシャトルＳＨに、シャトルＳＨを質量ＭＳ１、ＭＳ２およびシャトルＳＨの各対に接続する。特に、各アンカーＡＣＲは一対のシャトルＳＨの中央に配置される。曲げビームは２つの機能を有してもよい。一方は可撓性ばね（可撓性リンク）であり、他方は剛性リンクである。可撓性ばねＦＳおよび剛性リンクＲＬは、図１では別個に示されているが、単一部品であることができる。

質量ＭＳ２をＸ方向で振動させる駆動フォーサＤＦがある。駆動フォーサＤＦは質量ＭＳ２に配置される。Ｘ方向での質量ＭＳ２の振動を検出する、複数の駆動ピックオフＤＰがある。駆動ピックオフＤＰは質量ＭＳ２に配置される。質量ＭＳ１をＸ方向で振動させる駆動フォーサＤＦがある。駆動フォーサＤＦは質量ＭＳ１に配置される。Ｘ方向での質量ＭＳ１の振動を検出する、駆動ピックオフＤＰがある。駆動ピックオフは質量ＭＳ１に配置される。

質量ＭＳ２をＹ方向で振動させる感知フォーサＳＦがある。感知フォーサＳＦは質量ＭＳ２に配置される。Ｙ方向での質量ＭＳ２の振動を検出する、感知ピックオフＳＰがある。感知ピックオフＳＰは質量ＭＳ２に配置される。質量ＭＳ１をＹ方向で振動させる感知フォーサＳＦがある。感知フォーサＳＦは質量ＭＳ１に配置される。Ｙ方向での質量ＭＳ１の振動を検出する、感知ピックオフＳＰがある。感知ピックオフＳＰは質量ＭＳ１に配置される。

駆動フォーサＤＦ、駆動ピックオフＤＰ、感知フォーサＳＦ、および感知ピックオフＳＰは平行板電極（図示せず）を備えている。各電極は、複数の固定プレートおよび複数の可動プレートを備える。固定プレートおよび可動プレートは平行に配置される。質量の変位にしたがって、可動プレートが変位して、固定プレートと可動プレートとの間の距離が変調される。次に、電極の容量が変化し、質量変位を電気信号として、駆動ピックオフＤＰおよび感知ピックオフＳＰによって検出することができる。他方で、振動信号が電極に加えられると、駆動フォーサＤＦおよび感知フォーサＳＦとして機能する。

図２は、接続ユニットＣＵの１つにおける詳細な面構造を示す。シャトルＳＨは、アンカーＡＣＲおよびシャトルＳＨの一対の質量中心と交差する線ＬＸの方向で従順な一組のばねＳＰＸを用いて、アンカーＡＣＲに取り付けられる。可撓性ばねＳＰＸによって、シャトルＳＨに対してＸ方向で１自由度が可能になる。シャトルＳＨは、一組の剛性リンクＲＬＹによって、対応する線ＬＸの垂直方向で非常に剛直に、アンカーＡＣＲに取り付けられる。以下の図７の説明で言及するように、アンカーＡＣＲは２つのシャトルＳＨの間に配置される。２つのシャトルは左右対称に配置される。この構造によって、アンカーＡＣＲにおけるエネルギー損失を減少させることができる。

シャトルＳＨは、線ＬＸの方向で従順な曲げばねＳＰＸＣを用いて機械的に接続される。シャトルＳＨは、線ＬＸに垂直な方向で従順な曲げばねＳＰＹを用いて、同心の質量ＭＳ１またはＭＳ２に取り付けられる。シャトルＳＨは、一組の剛性リンクＲＬＸによって、線ＬＸの方向で非常に剛性に同心の質量に取り付けられる。

シャトルＳＨを質量ＭＳ１、ＭＳ２に、またシャトルＳＨをアンカーＡＣＲに接続する、ばねＳＰＸ、ＳＰＹの剛性定数は、xとy両方の方向で同じ固有周波数を保証するため、同じであるように設計される。シャトルＳＨの各対を接続するばねＳＰＸＣの剛性定数は、異なる値であることができる。

図１に示される構造では、パッケージによって提供される熱応力の効果を低減するために、集中アンカーアーキテクチャに基づくＭＥＭＳ、ＣＶＧを開発した。この方針により、アンカーをデバイスの中心付近に配置している。それに加えて、この方針に従うことによって、ばねなどのＤＲＩＥの影響を受けやすい要素が置かれる面積を低減することもできる。

図３は、集中アンカーアーキテクチャの効果を示す。接続ユニットＣＵはアンカーおよび曲げばねを含む。ここでは、面積Ａｃ ３００をチップ面積として規定する。面積Ａｃ ３００は、デバイス（ＭＥＭＳジャイロスコープ）が形成される半導体チップの面積と実質的に同じである。デバイスが丸形の場合、チップ形状は外接正方形であるものと考えられる（図１３を参照）。また、面積Ａｓ ３０１、３０２を、すべての接続ユニットＣＵを包含する面積として規定する。上述したように、接続ユニットＣＵはアンカーおよび曲げビームを含む。Ａｓ対Ａｃの比は０．７未満である。より好ましくは、０．５未満である。

「分散」アンカーアーキテクチャ（左側の図３（ａ）、例えば特許文献１の図１４に対応する）によれば、接続ユニットＣＵはデバイス３００上で拡散され、接続ユニットＣＵを含む面積Ａｓ ３０１は広範である。図３はまた、周波数特性のグラフを示す。波形のグラフの横座標は周波数であり、縦座標は強度値を表す。この場合、ばねの物理的性質の差によって、１０Ｈｚよりも大きいＸおよびＹ軸の周波数シフトΔｆが生じる（Δｆ＞１０Ｈｚ）。

他方で、面積Ａｓ ３０２（右側の図３（ｂ）、図１に対応する）を低減することによって、ばねのエッチング許容差を低減することでＤＲＩＥの均一性を増加させることができる。ＸおよびＹにおける周波数の組は、潜在的に、ＸおよびＹにおける作製時の対称性に応じた完全性を達成する。ＸおよびＹ軸の周波数シフトΔｆは１０Ｈｚ未満とすることができる（Δｆ＜１０Ｈｚ）。この場合、Ａｓ対Ａｃの比は図３（ａ）の条件よりも小さい。

集中アンカーアーキテクチャにしたがって、接続ユニットＣＵはデバイス３００の縁部から後退する。アンカーＡＣＲをデバイスの中心付近に保つために、デカップリングシャトルＳＨのサイズが低減され、電極（静電作動および容量センサ）が可動構造内に埋め込まれる。ジャイロスコープを駆動するため、共振周波数と同じ周波数の信号が駆動電極（駆動フォーサＤＦ）に加えられる。Ｘ方向での質量の変位は、ピックオフ容量電極（駆動ピックオフＤＰ）を使用することによって計測される。回転の存在下で、両方の質量はＹ方向で振動し始める。

図１に示される実際の構成で、Ｙ軸の変位によって、駆動ピックオフＤＰコンデンサの重なり合う面積の変化が生じる。音叉の移動により、内側質量に配置されたピックオフ電極の面積が増加した場合、外側質量に配置されたピックオフ電極の面積は減少する。したがって、この差動挙動により、容量の共通のモード変化が相殺される。

同じように、角速度が適用されない場合、駆動フォーサＤＦを使用してジャイロスコープがＸ軸に沿って駆動されると、感知ピックオフＳＰ電極は、横変位を検出し、出力を提供することができ、誤った回転が提供される。

製造欠陥により、フォーサおよびピックオフ容量の作製されたパラメータによって、駆動軸および感知軸両方に対して感知信号の誤差がもたらされる。これは、図１に示される以前の改善を含むすべての微細加工ジャイロスコープに起こる。感知ピックオフＳＰ電極は、コリオリの力によって誘起される振動速度（「ＲＡＴＥ」と呼ばれる）の検出に対して責任を負うが、同時に、駆動振動による変位も得られる。コリオリ振動および駆動振動は互いに９０°位相ずれしている。そのため、駆動発振器に依存する信号は、象限誤差（「ＱＵＡＤ」と呼ばれる）と呼ばれる場合が多い。したがって、出力信号の直交復調を行い、速度測定値を誤差から分離することは比較的簡単である。

しかしながら、大きい象限誤差によって２つの問題がもたらされる。一方で、製造欠陥が原因で象限誤差が大きい場合、信号は、コンディショニング電子部品を飽和することがある。他方で、復調位相の制御が非常に緊密でない場合、象限信号の一部が速度信号に流し込まれ、結果として検出がもたらされるかもしれない。

図４は、感知ピックオフおよび駆動ピックオフに関する検出回路図の一例を示す。信号「ＲＡＴＥ」および「ＱＵＡＤ」は、ｓｉｎ ｆｒ（振動周波数）シグナチャーおよびｃｏｓ ｆｒシグナチャーによって同期検出される。上述したように、製造欠陥が原因で象限誤差が大きい場合、信号は図４（ａ）に示されるように飽和することがある。「ＱＵＡＤ」が図４（ｂ）に示されるように制御されることが好ましい。

感知電極の横変位を回避し、低いアンカー損失など、設計の特定の特徴を維持するために、アンカーを集中させて製造周波数の分割を低減し、次の実施形態を提案する。

実施例２は、電極がシャトルに埋め込まれたコリオリ振動ジャイロスコープの一例である。シャトルは、一方向では対称に、他方の方向では非対称に配置される。

図５は、提案される実施形態の上面図を示す。デバイスのコアは、任意の形状の２つの同心質量であり、その質量中心はほぼ一致する。内側質量ＭＳ１および外側質量ＭＳ２の両方の質量は、実質的に同じ質量を有する。質量は均衡している。外側質量ＭＳ２は外側シャトルＯＳＨに機械的に接続される。内側質量ＭＳ１は内側シャトルＩＳＨに機械的に接続される。

Ｎ組の曲げビームは、アンカーＡＣＲをシャトルに、シャトルを質量ＭＳ１、ＭＳ２およびシャトルＳＨの各対に接続する。曲げビームは２つの機能を有してもよい。一方は可撓性ばねであり、他方は剛性リンクである。可撓性ばねＦＳおよび剛性リンクＲＬは、図５では別個に示されているが、単一部品であることができる。内側シャトルＩＳＨおよび外側シャトルＯＳＨは、曲げビームを用いてアンカーＡＣＲに接続される。

内側質量ＭＳ１および外側質量ＭＳ２は、シャトルＩＳＨ、ＯＳＨを介して相互に接続される。浮遊した質量ＭＳ１、ＭＳ２は、アンカーＡＣＲを使用して固定の基板に取り付けられる。アンカーＡＣＲは、２つの質量ＭＳ１、ＭＳ２の間に配置される。

図１の実施形態と同じく、駆動フォーサＤＦが、例えば、平行板電極を有する容量によって提供される。駆動フォーサＤＦは、外側シャトルＯＳＨをＸ方向で振動させる。また、駆動フォーサＤＦを、内側シャトルＩＳＨを振動させるように配置することが可能である。シャトルに埋め込まれた電極は、四角形として単純化されているが、この形状に限定されない。平行板、櫛歯、および他の形式も、変換のために使用することができる。

図１または図５に示されるように、２つの質量は複雑な形状と組み合わされる。２つの質量の一部は、デバイスの中心から同距離に配置される。例えば、第１の質量ＭＳ１はその中心に向かう凹部を有する。第２の質量ＭＳ２は、第１の質量ＭＳ１を取り囲み、凹部に対向する凸部を有する。接続ユニットＣＵは凹部と凸部との間に位置する。

図６は、Ｘ−Ｙ軸での位相外れ条件における、外側質量ＭＳ２および内側質量ＭＳ１の変位の図を示す。質量は、Ｘ−Ｙ面の任意の方向において、この位相合わせで動くことができる（２ＤＯＦ）。図６では、理解を単純にするため、ばね、シャトル、アンカーが除去されている。質量の変位についてのみここで説明する。機械的センサの主な動作モードは位相外れモードである。質量は、同じ方向で、ただし図６に示されるような逆位相で振動している。

図７は、図５に示されるデバイスの線Ａにおける断面を示す。断面はラジアル軸に沿っている。図は、外側質量ＭＳ２が左に変位し、内側質量ＭＳ１が右に変位している瞬間を捕えている。

左側の外側シャトルＯＳＨ（Ｌ）は、２つの部分を機械的に接続する剛性リンクＲＬ１により、外側質量の左側セグメントＭＳ２（Ｌ）と同じ方向で動く。左側の外側シャトルＯＳＨ（Ｌ）はアンカーＡＣＲ（Ｌ）から離れる方向で動く。左側の内側シャトルＩＳＨ（Ｌ）は、内側質量ＭＳ１を内側シャトルＩＳＨ（Ｌ）に機械的に接続する剛性リンクＲＬ２により、内側質量ＭＳ１と同じ方向で動く。

左側の内側シャトルＩＳＨ（Ｌ）および外側シャトルＯＳＨ（Ｌ）は反対方向で動く。内側シャトルＩＳＨ（Ｌ）および内側質量ＭＳ１によって働く力、ならびに左側の外側シャトルＯＳＨ（Ｌ）および外側質量ＭＳ２（Ｌ）によって働く力が同じ場合、結果として得られるアンカーＡＣＲ（Ｌ）に対する力は無効になる。これによって、アンカーＡＣＲ（Ｌ）を通した基板ＳＵＢに対するエネルギー損失が低減される。

内側質量ＭＳ１および右側の内側シャトルＩＳＨ（Ｒ）は、内側質量ＭＳ１を内側シャトルＩＳＨ（Ｒ）に機械的に接続する剛性リンクＲＬ３により、同じ方向（右）で動く。右側の内側シャトルＩＳＨ（Ｒ）は、アンカーＡＣＲ（Ｒ）に向かって動き、右側の内側シャトルＩＳＨ（Ｒ）とアンカーＡＣＲ（Ｒ）との間で軟性リンクＦＳ３の曲げを圧縮する。右側の外側シャトルＯＳＨ（Ｒ）および外側質量ＭＳ２（Ｒ）は、外側シャトルＯＳＨ（Ｒ）および外側質量ＭＳ２（Ｒ）を機械的に接続する剛性リンクＲＬ４により、同じ方向（左）で動く。右側の外側シャトルＯＳＨ（Ｒ）は、アンカーＡＣＲ（Ｒ）に向かって動き、外側シャトルＯＳＨ（Ｒ）とアンカーＡＣＲ（Ｒ）との間で軟性リンクＦＳ４を曲げる。内側質量ＭＳ１および右側の内側シャトルＩＳＨ（Ｒ）によって働く力、ならびに外側質量ＭＳ２（Ｒ）および右側の外側シャトルＯＳＨ（Ｒ）によって働く力が同じ場合、アンカーＡＣＲ（Ｒ）に働く力は無効であり、アンカーＡＣＲ（Ｒ）を通した基板ＳＵＢへのエネルギーの漏れが回避される。

上述の説明では、剛性リンクＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３、およびＲＬ４のばね定数は、ラジアル軸方向で大きく（剛性であり）、可撓性リンク（ばね）ＦＳ１、ＦＳ２、ＦＳ３、およびＦＳ４のばね定数は、ラジアル方向で小さい（弾性である）。

図６および７によって説明される現象は、実施例１によってももたらされる。

図８は、図５および７の改善されたシャトルの詳細を示す。要素の多くは、上記パラグラフに記載している。図７で説明したように、外側シャトルＯＳＨからアンカーＡＣＲまでの可撓性リンク（弾性ばね）ＦＳ１は、Ｘ方向で低い剛性定数を有する。外側シャトルＯＳＨから外側試験質量ＭＳ２までの剛性リンク（弾性ばね）ＲＬ１は、Ｘ方向で高い剛性定数を有する。

Ｙ方向では、外側シャトルＯＳＨからアンカーＡＣＲまでの剛性リンクＲＬＹ１は、Ｙ方向で高い剛性定数を有する。外側シャトルＯＳＨから外側試験質量ＭＳ２までの可撓性リンクＦＳＹ１は、Ｙ方向で低い剛性定数を有する。

図７で説明したように、内側シャトルＩＳＨからアンカーＡＣＲまでの可撓性リンク（弾性ばね）ＦＳ２は、Ｘ方向で低い剛性定数を有する。内側シャトルＩＳＨから内側試験質量ＭＳ１までの剛性リンク（弾性ばね）ＲＬ２は、Ｘ方向で高い剛性定数を有する。

Ｙ方向では、内側シャトルＩＳＨからアンカーＡＣＲまでの剛性リンクＲＬＹ２は、Ｙ方向で高い剛性定数を有する。内側シャトルＩＳＨから内側試験質量ＭＳ１までの可撓性リンクＦＳＹ２は、Ｙ方向で低い剛性定数を有する。

外側シャトルＯＳＨおよび内側シャトルＩＳＨは、Ｘ方向で低い剛性定数を有する可撓性リンクＦＳＢによって接続される。各シャトルＯＳＨ、ＩＳＨは、電極に対応する変換器ＳＦＴのための複数の空間を有する。

シャトルＯＳＨ、ＩＳＨを質量ＭＳ１、ＭＳ２に、シャトルＯＳＨ、ＩＳＨをアンカーＡＣＲに接続するばね（可撓性リンク）は、一方向では非常に弾性であり、他方向では非常に剛性であるものと知ることが重要である。この事実によって、シャトルは一方向でのみ変位し（１ＤＯＦ）、試験質量がＸＹ面の両方の方向で動くことが可能になる（２ＤＯＦ）。それに加えて、一方向で非常に弾性であり、他方向では剛性であるという条件を満たす限り、ばねの好ましい形状または幾何学形状は存在しない。上述の構造によれば、シャトルＯＳＨおよびＩＳＨは、Ｘ方向振動およびＹ方向振動のリンク機構を切断する。したがって、象限誤差（ＱＵＡＤ）が減少する。

集中アンカーを保持するために、非対称のシャトルを使用する。図８では、対称軸Ｓを規定する。２つの試験質量の質量中心ＣＭ（通常、２つの質量の中心は一致する）から、アンカーの幾何学中心ＡＣＲＣまでの線Ｓを追跡することができる。シャトルＯＳＨ、ＩＳＨは、ばねの構成により、この方向に沿ってのみ変位する。上述の線Ｓに対するシャトル・ばね・アンカーモジュールを観察した場合、シャトル・ばね・アンカー構造の両方が完全対称を示す。しかしながら、アンカーの質量中心と交差する線ＳＹを垂直に引いた場合、ばね・シャトル・アンカーモジュール（ＳＳＡ、一組のばね、シャトル、アンカー）またはＣＵが、この最後の線ＳＹに対して非対称であるのを見ることができる。後者は、シャトルの対称性または非対称性を規定する対称軸を規定する。

設計の柔軟性は、非対称のシャトルを適用することによって改善される。大きい信号を獲得するため、大型電極をシャトルに挿入するのは簡単である。図８によって説明される設計規則に従っている限り、非対称設計は、精度信号の点で悪影響を与えない。シャトルＯＳＨおよびＩＳＨの質量は、質量ＭＳ１およびＭＳ２の同じ共振周波数を得るために同じであるべきである。

改善点の別の重要な態様は、集中アンカーの定義である。先に紹介した図３では、チップの面積をＡｃとして、また接続ユニットＣＵの面積をＡｓとして、図式的に描写する。面積Ａｓは、接続ユニットＣＵ全体を包含する面積として規定される。完全な機能性およびばねの無限小面積Ａｃを有するセンサを技術的に実現できる場合、理想的には、周波数分割を排除するか、または少なくとも無限小に低減することができる。理想のＡｓ／Ａｃ比はほぼ０である。

しかしながら、後者は実際のデバイスに実装することが困難である。駆動および感知モードで同じ周波数を要する、センサの実際の実現例は、ばねの有限の面積を有する。我々は集中アンカーを、０．７未満、好ましくは０．５以下のＡｃ／Ａｓとして規定する。文献では、シリコン系の微小加工ジャイロスコープのほとんどは、０．８よりも大きいＡｓ／Ａｃ比を提示する。この値よりも低いＡｓ／Ａｃを有するデバイスの実際の実現例はない。

この実現例において考慮する別の重要な態様は、周波数を低減し、有効変換器面積を増大させるため、電極の数、電極の面積、シャトルのサイズ、および垂下した質量のサイズを増大させることができる点である。ただし、質量中心ＣＭとアンカーの中心ＡＣＲＣとの間の距離、図８のＤを、常にできるだけ小さく保ち、したがって集中アンカーアーキテクチャを保つ。最も重要なのは、Ａｓ／Ａｃ比を増大させることなく、デバイスの面積、電極の数、および質量の形状を修正できる点である。

図９は、図８の内側質量ＭＳ１および外側質量ＭＳ２の変位の詳細を示す。図９は、２つの機械的モードに関する可撓性リンクの変形を示し、質量ＭＳ１、ＭＳ２がＸまたはＹで動いているときのシャトルＯＳＨ、ＩＳＨが説明される。この図では、Ｙ変位はラジアル軸に垂直、または対称軸ＳＹに平行である。Ｘ変位は、ラジアル軸に平行であり、対称軸ＳＹに垂直である。

図９（ａ）に示されるように、質量ＭＳ１、ＭＳ２がＹ軸において位相外れ形式で動いているとき、内側および外側質量を内側および外側シャトルとそれぞれ接続するばねは、Ｙ方向で弾性である。同時に、内側および外側シャトルをアンカーと接続するばねは、Ｙ方向で剛性である。その結果、試験質量ＭＳ１、ＭＳ２はＹ方向で自由に振動するが、シャトルはＸ方向で「係止」される。それらは動かない。

次に、内側および外側質量がＸ軸に沿って位相外れの変位で動いているときに何が起こるかを分析する。図９（ｂ）に示されるように、内側および外側質量を内側および外側シャトルとそれぞれ接続する弾性ばねは、Ｘ方向に沿って剛性であり、それによって内側シャトルＩＳＨが内側質量ＭＳ１の変位に追随し、外側シャトルＯＳＨが外側質量ＭＳ２の変位に追随する。同時に、内側および外側シャトルをアンカーと接続する機械的コネクタは、Ｘ軸に沿って可撓性であり（ただし、Ｙ軸では剛性である）、その結果、シャトル（および試験質量）は、外側質量の変位にしたがって、互いに近付き、また互いから離れる。内側および外側シャトルは、ラジアル方向で弾性であるばねと機械的に接続される。このばねの目的は、内側および外側質量の振動を機械的に同期させることである。

この改善例で示されるような、任意の結合された発振器システムは、任意の軸で位相が逆である、結合共振モードを有する。上述の逆相モードがあり、また次に、対応する同相モードがある。同相モードでは、両方の質量が同じ位相の同じ方向で動いている。同相モードでは、内側および外側質量両方の質量中心間の相対距離は一定である。

また、このモードは、少なくともＸおよびＹ軸で観察することができるが、このモードをＺ軸で観察することが可能である。同相および位相外れねじりモードも可能である。ジャイロスコープの動作において、逆相モードは、上述の性質によって機能的モードと見なされる。また、同相モードは望ましくない寄生性の機械的モードと見なされる。一般に、機械的干渉を回避するため、両方のモードは互いから離隔しているべきである。同相モードはまた、線形加速を計測するのに使用することができる。

ラジアル軸に対する垂直方向で質量ＭＳ１、ＭＳ２をシャトルＯＳＨ、ＩＳＨと接続するばねの剛性定数をｋ_ｙｓとし、ラジアル軸方向でシャトルＯＳＨ、ＩＳＨをアンカーＡＣＲと接続するばねの剛性定数をＫ_ｘａとし、内側および外側質量の質量をそれぞれｍ_ｉおよびｍ_ｏとし、シャトル間の有効ばねをＫ_ｃと見なす。Ｋ_ｃとｋ_ｙｓとの間の関係を制御することによって、同相および位相外れモードの間の周波数分離を制御することができる。

図１０は、質量の感知および励起のための静電電極の一例を示す。このデバイスは、駆動フォーサＤＦ、駆動ピックオフＤＰ、および感知ピックオフＳＰのいずれにも適用される。

一例では、基板に固定された固定プレート（固定子）１００１は、いくつかの平行板が間に差し挟まれた静電プレート１００２、シャトルのシャトルプレート１００３といった、いくつかの容量プレートを有する。この電極１００２および１００３は、同じ等価の変換容量を有することができ、または異なることができる。デバイスを動的に均衡させて保つため、２つの質量に加えられる力は同じであることが重要である。図面では、変換ギャップ１００４は変換アンチギャップ１００５よりも小さい。しかしながら、任意の構成で動作する。

制御容量を増加して精度および感度を向上させ、ジャイロスコープを振動させて保つのに要するエネルギーを低減するために、解決策は、容量の数またはサイズを増大させることである。それには、電極のサイズを増大させることを要する。

図１１は、容量を効率的に増加させる、非対称のばね・シャトル・アンカーモジュールの実際の１つの実現例を示す。この特定の図では、静電プレート１００２がシャトルプレート１００３に組み込まれているが、図面の理解をより簡単にするため、この図には示されていない。

ばねの形状は、一方向での弾性と、垂直方向での高い剛性とを達成するために選択されている。ばねのサイズ、形状、および材料は重要ではない。それらのいずれかを使用することができる。図１１の実施形態では、ばねは、可撓性リンクおよび剛性リンクの両方の機能を有するＵ字ばねによって準備される。

内側シャトルＩＳＨから内側質量ＭＳ１（ＭＳ１は図１１には示されていない）までのＵ字ばね１１０１（「ビーム」とも呼ばれる）。ばね１１０１は、軸線方向軸に垂直な方向で弾性であり、ラジアル方向では静止している。
外側シャトルＯＳＨから外側質量ＭＳ２（ＭＳ２は図１１には示されていない）までのＵ字ばね１１０２。ばね１１０２は、軸線方向軸に垂直な方向で弾性であり、ラジアル方向では剛性である。

アンカーＡＣＲから内側シャトルＩＳＨまでのＵ字ばね１１０３。ばね１１０３は、ラジアル方向で弾性であり、垂直方向では剛性である。
アンカーＡＣＲと外側シャトルＯＳＨとの間のＵ字ばね１１０４。ばね１１０４は、ラジアル方向で可撓性であり、垂直方向では剛性である。

内側シャトルＩＳＨと外側シャトルＯＳＨとの間でのＵ字ばね１１０５の結合。ばね１１０５は、ラジアル方向で可撓性であり、垂直方向では剛性である。

図１２Ａおよび１２Ｂは、図１１に示されるビームの変形例を示す。図１２（ａ）では、２つの試験質量（図面に含まれない）がラジアル軸に対して垂直に位相外れモードで動いているときの、ビームの変形を見ることができる。この状況では、シャトルは、ばねの特別な構成によって、いずれの方向でも動いていない。したがって、シャトルに埋め込まれた電極の周りでの運動は無効にされる。

図１２（ｂ）では、２つの質量がラジアル軸に沿って逆相モードで動いているときの、ビームの変形を見ることができる。この場合、シャトルは、関連する試験質量と同じ方向および同じ位相で動いている。この特定の例では、内側試験質量（図面には示されない）は右に動いており、対応する内側シャトルも同じである。外側試験質量（図面には示されない）は右に動いており、対応する外側シャトルも同じである。この場合、静電プレート１００２とシャトルプレート１００３との間のギャップは、シャトルの変位に従って変化する。

図１３は、感知および励起用の接続ユニットＣＵおよび電極の可能なトポロジーを示す。図１３では、集中アンカージャイロスコープの実際的な実現例を示している。この場合、円形の外側質量ＭＳ２および円形の内側質量ＭＳ１がある。互いから９０°でデバイス中心の周りに分配された、４つのばね・シャトル・アンカーモジュール１３００がある。各シャトル内部の静電電極はこの図には含まれない。ただし、この電極は静電作動および容量感知に必要であることが理解される。

この特定の例では、３２個の電極がある。すなわち、Ｘ軸の１６個の電極、およびＹ軸の１６個の電極である。軸毎の電極の数は増加させることができ、デバイスの面積は増大させることができる。しかしながら、ばねの面積を一定に保ち、それによって比Ａｓ／Ａｃを低減させることができる。それに加えて、この実施形態は４つのシャトル・ばね・アンカーモジュール１３００を示しているが、他の任意の実物は８個を含むことができる。デバイスの良好な性能のため、シャトル・ばね・アンカーモジュールを含むデバイスが、ＸおよびＹで対称であって、動的均衡および両方の軸で同じ性能を保証することが重要である。図面では、試験質量の形状は円形であるが、正方形、三角形、多角形、または他の形状も容認可能であろうことが理解される。この時点で、どの形状がより良好な性能をもたらすかを判断する研究はない。

上述のジャイロスコープを制御するための回路に関して、特許文献１に記載の回路を使用することができる。内側質量ＭＳ１および外側質量ＭＳ２は、電極に電気的および機械的に結合される。感知電極ＤＰは、駆動軸での変位を感知し、電流である感知信号を生成する。電流は、電流電圧変換器または増幅器によって電流に変換される。構成の一例は、内側試験質量ＭＳ１の電極が差動増幅器の＋端子に接続され、外側試験質量ＭＳ２が差動増幅器の−端子に接続されるものである。差動増幅器出力は、位相遅れ回路を通して、反転増幅器および非反転増幅器に供給される。このように、内側質量ＭＳ１に適用される駆動信号は、外側質量ＭＳ２に適用される駆動信号に対して１８０°位相遅れである。増幅器は、ジャイロスコープの逆相または同相運動を制御することができる。

増幅器の出力は、位相ロックループ（ＰＬＬ）に供給することができる。ＰＬＬの出力は、反転および非反転増幅器に返すことができる。

図１４は、制御回路のブロック図を示す。ＹおよびＺ軸で感知電極によってピックアップした電流ＰｙおよびＰｘは、ＰＬＬ増幅器１４０１に供給される。信号は、発振器によって生成された、直交位相シフトした正弦ｓｉｎ（ｆ）およびｃｏｓ（ｆ）と混合される。次に、信号はフィルタ１４０２に入力して、出力信号ｓｘ、ｃｘ、ｓｙ、ｃｙを提供するように、寄生信号および雑音などの望ましくない周波数成分を除去する。

復調器からの出力は、振り子方程式変換器１４０３によって処理され、振り子変数Ｅ、Ｑ、およびθが得られる。この変数は、比例−積分−微分（ＰＩＤ）ブロック１４０４に供給される。Ｅ変数は、２つの質量の一定振動を制御するブロックＡＧＣに入力される。Ｑは、象限誤差を無効にする力を生成するＱヌルに供給され、最終的に、振動を一方向でロックするのに使用されるＦＲＢに用いられる。しかしながら、ジャイロスコープがレート積分ジャイロスコープとして動作しているとき、ブロックＦＲＢは不活性化されるので、振動パターンを自由に処理できる。力は、座標変換器１４０５に供給され、そこでジャイロスコープの処理角度を使用して、力をジャイロスコープの角度と位置合わせする。座標変換器の出力は、変調器１４０６によって変調され、（Ｆｘ，Ｆｙ）が対応する電極に返されてジャイロスコープが制御される。

図１５は、機械的要素１５０１および電極１５０２の可能な実現例の断面を示す。例えば、ＭＥＭＳジャイロスコープがシリコンで作製され、キャップ１５０３によって被覆され、その機械的適合度を保存するために真空封止される。例えば、真空パッケージングは、空気減衰による損失を除去する。それに加えて、封止および被覆は、可動の小型化構造をほこりなどの外的脅威から保護する。

電子部品１５０２は、標準的な相補型金属酸化物シリコン（ＣＭＯＳ）技術を使用して実装することができ、アナログまたはデジタル技術を使用して、図１４で説明した様々な構成ブロックすべてを実装する。機械的要素１５０１およびＣＭＯＳ回路は、接着剤の使用によって積層方式で機械的に取り付けることができる。電気接続は、ワイヤボンディング１５０４を使用して行うことができる。

より高度な技術により、機械的要素とＣＭＯＳ回路を、２つのチップを接続する金属ビアを使用することによって相互接続することが可能になる。それを行うため、特別に調整したプロセスを行わなければならない。他の技術により、ＣＭＯＳプロセス内部でみいだすことができる金属層を使用することによって、デバイスを作製することが可能になり、結果として異種集積の必要性が除去される。これはＣＭＯＳ−ＭＥＭＳプロセスと呼ばれる。ＭＥＭＳ要素およびＣＭＯＳ制御電子部品によって形成された積層デバイスは、航法または位置制御システムの他の部品との相互接続を容易にするため、プラスチックまたはセラミックのパッケージ内部でパッケージ化される。

地下航法では、ＧＰＳなどの外部位置基準へのアクセスがない。地下トンネルのマップが車両メモリに格納される。可動プラットフォームは、ＩＭＵを使用して自身を自己位置決めする。速度の他に、ＩＭＵは、車両の操舵を規制するために、地面に垂直な軸を中心とした車両の回転を検出することができる。そのようにして、車両はＧＰＳが故障停止しても安全に航行することができる。

プラットフォームは高速で曲線経路を走行している。重要データにアクセスするためのインターネットとの通信は、衛星利用のデータリンクを使用して高速で行われる。通信衛星は、地球から３６０００ｋｍで静止している。安全で信頼性の高いデータ転送を確保するために、車両の通信アンテナは一定して通信衛星を指していなければならない。ジャイロスコープは、可動プラットフォームの旋回および回転を検出して制御ループに入力信号を提供し、制御ループがモータを作動させてアンテナの位置を補正する。

上述の実施形態によれば、駆動および感知モード間の周波数分離を低減するが、感知容量の横運動も相殺して象限誤差を低減する、作製公差の効果によって、高いＱ因子を有するジャイロスコープを得ることができる。

当業者であれば、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、上述の実施形態の様々な適応および修正を構成できることを理解するであろう。したがって、添付の特許請求の範囲内で、本発明は、本明細書に具体的に記載したもの以外に予測されてもよいことを理解されたい。

ＭＳ１ 第１の質量
ＭＳ２ 第２の質量
ＡＣＲ アンカー
ＳＨ シャトル
ＯＳＨ 外側シャトル
ＩＳＨ 内側シャトル
ＣＵ 接続ユニット
ＤＦ 駆動フォーサ
ＤＰ 駆動ピックオフ
ＳＰ 感知ピックオフ
ＳＦ 感知フォーサ
ＲＬ 剛性リンク
ＦＳ 可撓性ばね

Claims (12)

1. 半導体チップを含むジャイロスコープであって、
   前記半導体チップが、
   基板と、
   Ｘ−Ｙ面の任意の方向で移動することができる第１の質量と、
   前記Ｘ−Ｙ面の任意の方向で移動することができる第２の質量と、
   前記第１の質量と前記第２の質量との間に位置し、前記第１の質量および前記第２の質量を機械的に接続する接続ユニットとを備え、
   前記接続ユニットが、
   前記基板に固着されたアンカーと、
   前記アンカーと前記第１の質量との間に位置する第１のシャトルと、
   前記アンカーと前記第２の質量との間に位置する第２のシャトルと、
   前記アンカーおよび前記第１のシャトルを接続する第１のビームと、
   前記アンカーおよび前記第２のシャトルを接続する第２のビームと、
   前記第１の質量および前記第１のシャトルを接続する第３のビームと、
   前記第２の質量および前記第２のシャトルを接続する第４のビームと、
   前記第１のシャトルおよび前記第２のシャトルを接続する第５のビームとを備え、
   前記アンカーが前記第１のシャトルと前記第２のシャトル,との間に位置し、
   前記第１のシャトルおよび前記第２のシャトルが異なる形状を有し、それぞれ電極を有
   する、ジャイロスコープ。
2. 前記第１のビームがＹ方向よりもＸ方向で可撓性であり、
   前記第２のビームがＹ方向よりもＸ方向で可撓性であり、
   前記第３のビームがＸ方向よりもＹ方向で可撓性であり、
   前記第４のビームがＸ方向よりもＹ方向で可撓性である、請求項１に記載のジャイロスコープ。
3. 前記第１のビーム、前記第２のビーム、前記第３のビーム、前記第４のビーム、および前記第５のビームのうち少なくとも１つがＵ字形の曲げビームである、請求項２に記載のジャイロスコープ。
4. 前記第１の質量の質量および前記第２の質量の質量が実質的に同じである、請求項１に記載のジャイロスコープ。
5. 前記第１の質量の質量中心および前記第２の質量の質量中心が、実質的に同じ位置にあって質量中心ＣＭを規定する、請求項４に記載のジャイロスコープ。
6. 前記質量中心ＣＭおよび前記アンカーの中心をリンクする線Ｓを規定し、前記線Ｓに垂直な前記アンカーの前記中心を通る線ＳＹを規定したとき、
   前記第１のシャトルおよび前記第２のシャトルが前記線Ｓに対して対称性を示し、
   前記第１のシャトルおよび前記第２のシャトルが前記線ＳＹに対して非対称性を示す、請求項５に記載のジャイロスコープ。
7. 前記第１のシャトルの質量および前記第２のシャトルの質量が実質的に同じである、請求項１に記載のジャイロスコープ。
8. 前記第１の質量が中心に向かって凹部を有し、
   前記第２の質量が、前記第１の質量を取り囲み、前記凹部に対向する凸部を有し、
   前記接続ユニットが前記凹部と前記凸部との間に位置する、請求項１に記載のジャイロスコープ。
9. 第１のシャトルの前記電極が前記第１のシャトルを一方向で振動させ、
   前記第２のシャトルの前記電極が、前記一方向での前記第２のシャトルの振動を感知する、請求項１に記載のジャイロスコープ。
10. 第１のシャトルの前記電極が、一方向での前記第１のシャトルの振動を感知し、
    前記第２のシャトルの前記電極が、前記一方向での前記第２のシャトルの振動を感知する、請求項１に記載のジャイロスコープ。
11. 面積Ａｃを前記半導体チップの面積として、面積Ａｓを前記接続ユニットすべてを包含する面積として規定したとき、
    Ａｓ対Ａｃの比が０．７未満である、請求項１に記載のジャイロスコープ。
12. Ａｓ対Ａｃの比が０．５未満である、請求項１１に記載のジャイロスコープ。

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