JP2008537114A - クロスした４個の縦方向に連結された慣性センサ - Google Patents

Abstract

慣性センサは、クロスした４個の構成の４つの相互接続されたセンサ素子を含んでいる。各センサ素子は、フレーム、およびフレーム内にサスペンドされている共振器を含んでいる。隣接するセンサ素子のフレームが、互いに逆位相で動くことを可能にするが、互いに同位相で動くことを実質的に防止するように、センサ素子は配置されている。センサ素子は、横方向に連結された配置、縦方向に連結された配置、または完全に連結された配置で構成されている。一組の対のセンサ素子は、縦方向に連結され得る。

Description

本発明は概ねセンサに関し、さらに詳細には、本発明は慣性センサに関する。

慣性センサ、例えば、ＭＥＭＳジャイロスコープは、多くの場合に、駆動周波数における回転振動ノイズ（多くの場合に「ゆらぎ」と呼ばれている）によって悪影響を及ぼされる。特に、ジャイロスコープが、回転振動と、ジャイロスコープが検出しようとしている実際の動きとを区別することが可能ではない場合に、ＭＥＭＳジャイロスコープは誤った表示を生成し得る。

また、振動する質量を有するＭＥＭＳデバイス、例えば、ジャイロスコープの幾何形状の歪は、長手方向の駆動指針に対して横方向の力における不均衡を生成し得る。この不均衡は、コリオリの力と区別することのできない正味の力をもたらし得る。その結果、ジャイロスコープは誤った出力を生成し得る。これらの幾何形状の歪は少なくとも２つの原因を有する。１つは、基板の表面のずれ（例えば、ダイシングの際の解放／ウエハの湾曲）から生じる。もう１つは、パッケージの膨張差と適用された加速度（例えば、対角的、ＧｘＧ）とから生じる。ＧｘＧエラーの原因の一部は、非特許文献１において述べられており、その全体が本明細書において参考として援用される。
Ｇｒｅｅｎ、Ｊ．Ａ．、「Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ」、ＩＥＥＥ ＰＬＡＮＳ ２００４ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、ｐｐ．１〜６

本発明の特定の実施形態は、クロスした４個の構成の４個のセンサ素子を有する慣性センサを提供する。各センサ素子は、フレームとフレーム内にサスペンドされている可動な質量を有する。少なくとも二組の対の隣接するフレームが連結器によって相互接続されており、該連結器は、フレームが互いに逆位相で動くことを可能にするが、フレームが同位相で動くことを実質的に防止する。センサ素子は、横方向に連結された配置、縦方向に連結された配置、または完全に連結された（横方向と縦方向に連結された）配置で構成され得る。本発明の特定の実施形態は、一組の対の縦方向に連結されたセンサ素子を有する慣性センサを提供する。

本発明の一局面に従って、少なくとも１つの基板と、少なくとも１つの基板の上方の面に実質的にクロスした４個の構成で配置されている４個のセンサ素子を有する慣性センサが提供される。４つのジャイロスコープは、第１のフレーム内にサスペンドされている第１の共振器を有する第１のセンサ素子と、第２のフレーム内にサスペンドされている第２の共振器を有する第２のセンサ素子と、第３のフレーム内にサスペンドされている第３の共振器を有する第３のセンサ素子と、第４のフレーム内にサスペンドされている第４の共振器を有する第４のセンサ素子を含んでいる。第１および第３のフレームは、前記面の第１の軸に沿って共通直線上を動くように構成されている。第２および第４のフレームは、第１の軸に平行である、前記面の第２の軸に沿って共通直線上を動くように構成されている。少なくとも二組の対の隣接するセンサ素子のフレームは、連結器によって相互接続されており、該連結器は、フレームの逆位相の動きを可能にするが、フレームの同位相の動きを実質的に防止する。

一般的な実施形態において、第１および第２の共振器は、面の第１および第２の軸に対して垂直な第３の軸に沿って、共通直線上を互いに逆位相で動かされ、第３および第４の共振器は、面の第３の軸に対して平行な第４の軸に沿って、共通直線上を互いに逆位相で動かされ、第１と第３の共振器は、共通直線上を互いに逆位相で動かされ、第２と第４の共振器は、共通直線上を互いに逆位相で動かされる。

そのような構成において、面に垂直な軸の周りでの基板の回転は、フレームの動きをもたらす。特に、第１の方向への基板の回転は、第１と第３のフレームを互いに向けて動かし、第２と第４のフレームを互いから離れるように動かし、一方、第１と第２の質量が互いに向けて動き、第２の方向への基板の回転は、第１と第３のフレームを互いから離れるように動かし、第２と第４のフレームを互いに向けて動かし、同時に、第１と第２の質量が互いに向けて動く。

特定の実施形態において、第１と第２のフレームは、第１の横方向連結器によって相互接続されており、該第１の横方向連結器は、フレームのそれぞれの軸に沿ったフレームの逆位相の動きを可能にするが、フレームの同位相の動きを実質的に防止し、一方、第３と第４のフレームは、第２の横方向連結器によって相互接続されており、該第２の横方向連結器は、フレームのそれぞれの軸に沿ったフレームの逆位相の動きを可能にするが、フレームの同位相の動きを実質的に防止する。

第１と第２の横方向連結器のそれぞれは、フレーム間で連結されている少なくとも１つの棒を備えており、該少なくとも１つの棒は、少なくとも１つの基板に固定されている構造によって支持されている。フレームが互いに逆位相で動くが、フレームの同位相の動きを実質的に防止するときに、該構造は、少なくとも１つの棒がピボットポイントにおいて回転することを可能にする。

１つの例示的な実施形態において、第１と第２の横方向連結器のそれぞれは、フレームのうちの１つから延伸し、第１の長いフレクシャによって相互接続されている短いフレクシャの第１の対と、フレームのうちのもう１つから延伸し、第２の長いフレクシャによって相互接続されている短いフレクシャの第２の対と、実質的に第１および第２の長いフレクシャの中間点において、第１の長いフレクシャを第２の長いフレクシャに連結する棒と、棒を支持しているアンカーフレクシャとを含んでいる。アンカーフレクシャは、実質的に棒およびアンカーフレクシャの中間点において、棒と交差している。アンカーフレクシャの各端は、基板に固定されている。

別の例示的な実施形態において、第１と第２の横方向連結器のそれぞれは、フレームのうちの１つから延伸している第１のフレクシャと、フレームのうちのもう１つから延伸している第２のフレクシャと、第１と第２のフレクシャの間で連結されている棒と、棒を支持している少なくとも１つのアンカーフレクシャとを含んでいる。各アンカーフレクシャは、一端で少なくとも１つの基板に固定され、かつ、棒と接するように１８０°折れ戻っている構造を含んでいる。

特定の実施形態において、第１と第３のフレームは、第１の縦方向連結器によって相互接続されており、該第１の縦方向連結器は、それぞれの軸に沿ってのフレームの逆位相の動きを可能にするが、フレームの同位相の動きを実質的に防止し、第２と第４のフレームは、第２の縦方向連結器によって相互接続されており、該第２の縦方向連結器は、それぞれの軸に沿ってのフレームの逆位相の動きを可能にするが、フレームの同位相の動きを実質的に防止する。

第１と第２の縦方向連結器のそれぞれは、フレームのうちの１つに連結されている相互接続レバーの第１の対であって、該レバーの第１の対は、第１のレバーと第２のレバーとを含んでいる、相互接続レバーの第１の対と、フレームのうちのもう１つに連結されている相互接続レバーの第２の対であって、該レバーの第２の対は、第３のレバーと第４のレバーとを含んでいる、相互接続レバーの第２の対と、フレームが互いに逆位相で動くにつれ、該レバーが回転することを可能にする複数のレバー支持構造と、実質的にそれぞれのピボットポイント間で該第１のレバーと該第３のレバーとを相互接続している第１の連結フレクシャと、実質的にそれぞれのピボットポイント間で該第２のレバーと該第４のレバーとを相互接続している第２の連結フレクシャとを含み得る。連結フレクシャは、フレームの同位相の動きを実質的に防止する。各連結フレクシャの両端は、一般的には、フレームの逆位相の動きの間には、フレームの動きに対して横方向である同じ方向に、実質的に同じ量だけ動くが、フレームの同位相の動きの間には、反対方向に動かされる。

複数のレバー支持構造は、一般的には、一端でレバーに連結され、もう１つの端で、前記基板に固定されている構造に連結されている少なくとも１つのピボットフレクシャを含んでいる。その少なくとも１つのピボットフレクシャは、あるポイントにおいて相互接続されている第１のピボットフレクシャと第２のピボットフレクシャとを含み得る。ピボットフレクシャの相互接続ポイントは、レバーの中央付近か、フレームに最も近いレバーの端付近にあり得る。第１の連結フレクシャは、好適には、実質的に第１と第３のレバーの相互接続ポイントと並んでおり、第２の連結フレクシャは、好適には、実質的に第２と第４のレバーの相互接続ポイントと並んでいる。基板に固定されている構造は、一般的には、基板に固定されている棒である。レバーの各対は、一般的には、レバーフレクシャによって相互接続されている。各レバーは、一般的には、サスペンションフレクシャによってそれぞれのフレームに接続されている。

フレームの動きを検出するために、各フレームは、指針構造を含み得、該指針構造は、フレームの動きを静電気的に感知するために、少なくとも１つの基板に固定されている固定感知指針と交互嵌合している。質量を動かすために、各質量は指針構造を含み得、該指針構造は、質量を静電気的に動かすために、少なくとも１つの基板に固定されている固定駆動指針と交互嵌合している。

特定の実施形態において、第１と第２のフレームは、第１の横方向連結器によって相互接続されており、第３と第４のフレームは、第２の横向連結器によって相互接続されており、第１と第３のフレームは、第１の縦方向連結器によって相互接続されており、第２と該４のフレームは、第２の縦方向連結器によって相互接続されている。

発明の別の局面に従って、少なくとも１つの基板と、実質的に該少なくとも１つの基板の上方の面でクロスした４個の構成に配置されている４個のセンサ素子とを有する慣性センサが提供される。該４個のセンサ素子は、第１のフレーム内にサスペンドされている第１の共振器を有する第１のセンサ素子と、第２のフレーム内にサスペンドされている第２の共振器を有する第２のセンサ素子と、第３のフレーム内にサスペンドされている第３の共振器を有する第３のセンサ素子と、第４のフレーム内にサスペンドされている第４の共振器を有する第４のセンサ素子とを含む。第１と第３のフレームは、面の第１の軸に沿って共通直線上を動くように連結されている。第２と第４のフレームは、第１の軸に平行である、面の第２の軸に沿って共通直線上を動くように連結されている。該慣性センサはまた、第１の対の隣接するセンサ素子のフレームを相互接続し、フレームの逆位相の動きを可能にするが、フレームの同位相の動きを実質的に防止するための手段を含む。慣性センサはまた、第２の対の隣接するセンサ素子のフレームを相互接続し、該フレームの逆位相の動きを可能にするが、該フレームの同位相の動きを実質的に防止するための手段を含む。

慣性センサはまた、第３の対の隣接するセンサ素子のフレームを相互接続し、フレームの逆位相の動きを可能にするが、フレームの同位相の動きを実質的に防止するための第３の手段と、第４の対の隣接するセンサ素子のフレームを相互接続し、フレームの逆位相の動きを可能にするが、フレームの同位相の動きを実質的に防止する第４の手段とをさらに包含し得る。

本発明の別の局面に従って、少なくとも１つの基板と、実質的に少なくとも１つの基板の上方の面における一組の対のセンサ素子であって、各センサ素子は、フレーム内にサスペンドされている共振器を有ており、該フレームは、面の軸に沿って共通直線上を動く、一組の対のセンサ素子と、フレームを相互連接続する縦方向連結器であって、該縦方向連結器は、共通直線軸に沿う該フレームの逆位相の動きを可能にするが、フレームの同位相の動きを実質的に防止する、縦方向転結器とを有する慣性センサが提供される。

前記縦方向連結器は、フレームのうちの１つに連結されている相互接続されたレバーの第１の対であって、第１のレバーと第２のレバーとを含んでいる、レバーの第１の対と、フレームのうちのもう１つに連結されている相互接続レバーの第２の対であって、第３のレバーと第４のレバーとを含んでいる、レバーの第２の対と、フレームが互いに逆位相で動くにつれて、レバーが回転することを可能にする複数のレバー支持構造と、実質的にそれぞれのピボットポイントで第１のレバーと第３のレバーとを相互接続している第１の連結フレクシャと、実質的にそれぞれのピボットポイントで第２のレバーと第４のレバーとを相互接続している第２の連結フレクシャとを含み得る。連結フレクシャは、フレームの同位相の動きを実質的に防止する。

本発明の上記内容および利点は、添付の図面を参考にして、以下のさらなる記述からさらに完全に理解される。

図面は例示目的のためであり、サイズを合わせて描かれていないこともあり得る。

本発明の特定の実施形態において、慣性センサは、「クロスした４個の」構成に配置されている４個のセンサ素子を含む。好適な実施形態において、センサ素子は、極小電気機械システム（すなわち、「ＭＥＭＳ」）ジャイロスコープである。センサ素子は、単一のジャイロスコープの機能を効果的に実行するように組み合っている。センサ素子は、一般的には、下にある１つ以上の基板（図示せず）の上でサスペンドされており、様々な位置で基板に固定されている。クロスした４個の構成のジャイロスコープを使用することの望ましい状況は米国特許第６，１２２，９６１号で述べられており、該特許の開示内容は、その全体が本明細書において参考として援用される。

各ジャイロスコープは、フレーム内でサスペンドされている少なくとも１つの共振器（質量）を有する。記述の目的として、慣性センサジャイロスコープの共振器は、２つの平行なＸ軸に沿って動くように構成されており、慣性センサジャイロスコープのフレームは、Ｘ軸に対して垂直な２つの平行なＹ軸に沿って動くように構成されている。従って、Ｚ軸の周りでの慣性センサの回転は各共振器にコリオリの力を生じさせ、該コリオリの力は対応するジャイロスコープのフレームに伝えられる。このコリオリの力の受け取りの際に、フレームはＹ軸に沿って動く。フレームおよび基板の上に容量的に連結されている指針は、これらのＹ軸方向の動きを検出し、該これらのＹ軸方向の動きは、角速度の大きさを表している信号に変換される。本発明の実施形態において、少なくとも２対の隣接するジャイロスコープのフレームが連結器によって相互連結されており、該連結器は、フレームの逆位相の動きを可能にするが、フレームの同位相の動きを実質的に防止する。

図１Ａは、本発明の例示的な実施形態に従った、横方向に連結されたクロスした４個の構成に配置されている４つのジャイロスコープ１６Ａ〜１６Ｄの描写を示している。ここでは、上側の対のジャイロスコープフレームおよび下側の対のジャイロスコープフレームが（以下では「横方向」連結器と呼ばれる）連結器９９によって相互連結されており、該連結器９９は、別個の平行なＹ軸に沿って、フレームの逆位相の動きを可能にする。各ジャイロスコープは、好適には、横方向連結器９９の反対の側面においてバランサ９７によって支持されており、該バランサ９７は、横方向連結器の一定の影響を相殺する。例示的な横方向連結器９９とバランサ９７とは以下で記述される。各ジャイロスコープはまた、好適には、残りの２つの側面のそれぞれでサスペンション９３によって支持されている。

図１Ｂは、本発明の例示的な実施形態に従った、縦方向に連結されたクロスした４個の構成に配置されている４つのジャイロスコープ１６Ａ〜１６Ｄの描写を示している。ここでは、左側の対のジャイロスコープフレームおよび右側の対のジャイロスコープフレームが（以下では「縦方向」連結器と呼ばれる）連結器９５によって相互連結されており、該連結器９５は、Ｙ軸に沿った、フレームの共通直線上での逆位相の動きを可能にする。例示的な縦方向連結器９５は以下で記述される。各ジャイロスコープは、好適には、縦方向連結器９５の反対の側面においてサスペンション９３によって支持されている。

図１Ｃは、本発明の例示的な実施形態に従った、縦方向および横方向に連結されたクロスした４個の構成に配置されている４つのジャイロスコープ１６Ａ〜１６Ｄの描写を示している。ここでは、上側の対のジャイロスコープフレームおよび下側の対のジャイロスコープフレームが連結器９９によって相互連結されており、該連結器９９は、別個の平行なＹ軸に沿った、フレームの逆位相の動きを可能にし、左側の対のジャイロスコープフレームおよび右側の対のジャイロスコープフレームが連結器９５によって相互連結されており、該連結器９５は、フレームの共通直線上での逆位相の動きを可能にする。各ジャイロスコープは、好適には、縦方向連結器９５の反対側でサスペンション９３によって支持されている。

例示的な実施形態において、ジャイロスコープ１６Ａ〜１６Ｄは、米国特許第６，５０５，５１１号および米国特許第６，１２２，９６１号において開示されたものと同様であり、該特許の開示内容はまた、その全体が本明細書において参考として援用される。ジャイロスコープ１６Ａ〜１６Ｄはまた、米国特許第６，８７７，３７４号において開示されたものと同様であり得、該特許の開示内容はまた、その全体が本明細書において参考として援用される。

ジャイロスコープ１６Ａ〜１６Ｄは、好適には、共通の重心を有するように構成および動作される。このために、ジャイロスコープの各対角方向の対の共振器およびフレームは、一般的は、互いに同位相で動作され、隣接するジャイロスコープの任意の対の共振器およびフレームは、互いに逆位相で動作される。従って、以下の方程式が概ね成り立つ：
Ｖ１＋Ｖ４＝Ｖ２＋Ｖ３、
ここで、
Ｖ１は、回転の位置までの第１のジャイロスコープ１６Ａのベクトル距離であり、
Ｖ２は、回転の位置までの第２のジャイロスコープ１６Ｂのベクトル距離であり、
Ｖ３は、回転の位置までの第３のジャイロスコープ１６Ｃのベクトル距離であり、
Ｖ４は、回転の位置までの第４のジャイロスコープ１６Ｄのベクトル距離である。

この等式を考えるときに、ベクトル距離の符号が考慮に入れられなければならないことに留意されたい。この関係が保持されているときに、ジャイロスコープは、全体として、フレームの応答が互いに一致するまで、その回転位置の周りの角加速度に対して実質的に無反応となる。連結器は、製造公差によって誘発される不一致を克服することにより、角加速度のノイズ除去を改善する。

それでもやはり、この配置は、基礎角速度を検出することにより、基礎角速度を検出するために設計されている慣性センサに逆の影響を及ぼすべきではない。

従って、本発明の実施形態は実質的に表面のずれに鈍感であるべきであり、また上記のように、角加速度を相殺させるべきである。

図２は、本発明の例示的な実施形態、例えば、図１Ａおよび図１Ｃに示されるような実施形態に従った、２つのジャイロスコープフレーム、例えば、ジャイロスコープ１６Ａと１６Ｂのフレームまたはジャイロスコープ１６Ｃと１６Ｄのフレームを横方向に相互接続するための第１の例示的な横方向連結装置９９の詳細を概略的に示している。便宜的に、ジャイロスコープ１６Ａおよび１６Ｂのフレームが描かれている。具体的には、第１のフレーム１６Ａは第１の対の短いフレクシャ２０Ａを有しており、該第１の対のフレクシャ２０Ａは、第１の長いフレクシャ２２Ａと連結されている。対応するように、第２のフレーム１６Ｂは第２の対の短いフレクシャ２０Ｂを有しており、該第２の対のフレクシャ２０Ｂは、第２の長いフレクシャ２２Ｂと連結されている。棒２４は第１の長いフレクシャ２２Ａを第２の長いフレクシャ２２Ｂに固定する。ある程度の安定性を提供するために、一組の対のアンカー２６Ａおよび６Ｂが、棒２４の両側に延伸し、アンカーフレクシャ２８によって棒と連結する。

２つのフレーム１６Ａと１６Ｂが同位相で動かされるときには、この配置は実質的に適合性がない。逆に、２つのフレーム１６Ａと１６Ｂが逆位相で動かされるときには、この配置は実質的に適合性がある。言い換えると、第１のフレーム１６ＡがＹ軸に沿って上方に押されるときには、第２のフレーム１６ＢはＹ軸に沿って下方に押される。しかしながら、両方がＹ軸に沿って上方に押されるときには、この配置は実質的に適合性がない。一部の実施形態において、フレーム１６Ａと１６ＢがＹ軸方向に動くにつれ、この配置はフレーム１６Ａと１６Ｂがある程度まで回転することを可能にする。

図３は、本発明の例示的な実施形態、例えば、図１Ａおよび図１Ｃに示されるような実施形態に従った、２つのジャイロスコープフレーム、例えば、ジャイロスコープ１６Ａと１６Ｂのフレームまたはジャイロスコープ１６Ｃと１６Ｄのフレームを横方向に相互接続するための第２の例示的な横方向連結装置９９の詳細を概略的に示している。具体的には、この例示的な実施形態において、アンカーフレクシャ２８は実際に外側に延伸し、それから１８０°折れ戻ることにより棒２４と接する。さらに、連結装置はまた腐食補償を有する。折り曲げられたアンカーフレクシャ２８は、ピボットポイントの周りでの棒２４の回転を可能にするが、棒２４の軸に対して垂直な平行移動を実質的に防止する。また、各フレーム上に一組の対の短いフレクシャ２０を有するよりもむしろ、この実施形態は、各フレーム上で単一の短いフレクシャ２０を使用する。

横方向連結装置９９は、フレーム１６の動きに対して質量および剛性を効果的に加える。各フレームは、フレームの側面のうちの１つに沿った隣接するフレームに連結されるだけであるので、連結装置９９は各フレームの動きを事実上不均衡にする。従って、横方向結合部を有する慣性センサは、好適には、多数のバランサ９７を含むことにより、横方向連結装置９９の影響を相殺することを助ける。具体的には、バランサ９７は、好適には、横方向連結装置９９を有する側面とは反対側の各ジャイロスコープフレームの側面に連結される。各バランサ９７の構成は、一般的には、半分にした横方向連結装置９９と同じものであり、従って、それぞれのジャイロスコープフレームに、等しいが反対の機械的な影響を実質的に及ぼす。

図４は、本発明の例示的な実施形態に従った例示的なバランサ９７の詳細を概略的に示している。示されているように、各バランサ９７の構成は、図３に示されているような連結装置の半分に本質的に等しい。

図５は、本発明の第１の例示的な実施形態に従った、縦方向および横方向に連結された「クロスした４個の」構成に配置されている４つのジャイロスコープを示している。具体的には、クロスした４個の構成は、ジャイロスコープ５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、および５０Ｄを含む。各ジャイロスコープは、フレーム（５２Ａ、５２Ｂ、５２Ｃ、５２Ｄ）と、フレームの内側周縁内に可動にサスペンドされている共振器（５４Ａ、５４Ｂ、５４Ｃ、５４Ｄ）とを含む。ジャイロスコープ５０Ａおよび５０Ｂのフレーム５２Ａおよび５２Ｂは、実質的に、図３を参照して上に記述されたように連結され、ジャイロスコープ５０Ｃおよび５０Ｄのフレーム５２Ｃおよび５２Ｃも同様である。さらに、本発明の例示的な実施形態に従って、ジャイロスコープ５０Ａおよび５０Ｃのフレーム５２Ａおよび５２Ｃは互いに連結され、ジャイロスコープ５０Ｂおよび５０Ｄのフレーム５２Ｂおよび５２Ｄも同様である。図６は、ジャイロスコープ間の様々な連結部の位置を示している。ジャイロスコープ５０Ａ／５０Ｂおよび５０Ｃ／５０Ｄ間の連結部は、図２〜図４を参照して上に記述されている。ジャイロスコープ５０Ａ／５０Ｃおよび５０Ｂ／５０Ｄ間の連結部は、以下で記述される。

ジャイロスコープ５０Ａ／５０Ｂおよび５０Ｃ／５０Ｄの各対の共振器は、互いに逆位相で動作する。さらに、本発明の例示的な実施形態において、ジャイロスコープ５０Ａおよび５０Ｂの共振器は、ジャイロスコープ５０Ｃおよび５０Ｄの対応する共振器に対して逆位相で動作する。従って、対角線上の反対側にあるジャイロスコープの共振器は互いに同位相で動作するが、隣接するジャイロスコープの任意の対の共振器は、互いに逆位相で動作する。図７Ａおよび図７Ｂは、本発明のこの例示的な実施形態に従った、共振器の同位相および逆位相の動きの描写を示している。

また、ジャイロスコープ５０Ａ／５０Ｂおよび５０Ｃ／５０Ｄの各対のフレームは、反対方向への動きを可能とするが、同じ方向への動きを実質的に防止するように連結されている。さらに、本発明の例示的な実施形態に従って、ジャイロスコープ５０Ａと５０Ｃのフレームは、反対方向への動きを可能とするが、同じ方向への動きを実質的に防止するように連結され、ジャイロスコープ５０Ｂと５０Ｄのフレームも同様である。ジャイロスコープ５０Ａ／５０Ｃのフレームは、ジャイロスコープ５０Ｂ／５０Ｄのフレームまで逆位相で動く。従って、対角線上の反対側にあるジャイロスコープのフレームは互いに同位相で動作するが、隣接するジャイロスコープの任意の対のフレームは、互いに逆位相で動作する。

上記のように、共振器はＸ軸において前後に共振させられる。Ｚ軸の周りでの慣性センサの回転は、Ｙ軸におけるフレームの移動をもたらす。図８Ａは、ジャイロスコープフレームがＺ軸の周りを時計方向に回転し、共振器が図７Ａに示されるように動いているときの、基板に対するジャイロスコープフレームの動きの描写を示している。この場合に、ジャイロスコープ５０Ａと５０Ｃのフレーム５２Ａと５２Ｃは、互いに向けて動き、ジャイロスコープ５０Ｂと５０Ｄのフレーム５２Ｂと５２Ｄは、互いから離れるように動く。図８Ｂは、ジャイロスコープフレームがＺ軸の周りを反時計方向に回転し、共振器が図７Ａに示されるように動いているときの、基板に対するジャイロスコープフレームの動きの描写を示している。この場合に、ジャイロスコープ５０Ａと５０Ｃのフレーム５２Ａと５２Ｃは互いから離れるように動き、ジャイロスコープ５０Ｂと５０Ｄのフレーム５２Ｂと５２Ｄは互いに向けて動く。共振器が図７Ｂに示されているように動いているときには、フレームの動きは反対になるということに留意されたい。

上記のように、ジャイロスコープ５０Ａと５０Ｃのフレーム５２Ａと５２Ｃは縦方向に連結されており、ジャイロスコープ５０Ｂと５０Ｄのフレーム５２Ｂと５２Ｄ＋も同様である。本発明の例示的な実施形態において、一組の対のフレームが様々なレバーとフレクシャとによって縦方向に連結されており、該様々なレバーとフレクシャとは、所望の共通直線上での逆位相のフレームの動き可能にするが、同位相のフレームの動きを実質的に制限する。

図９Ａは、ジャイロスコープ５０Ａと５０Ｃの間の相互接続部の一部分を示している。図９Ｂは、関連性のある特徴に番号を付されている、図９Ａと同じ部分を示している。簡略的に、相互接続特徴の約半分のみが示されている（残りの相互接続特徴は、実質的には、レバーフレクシャ６６Ａと６６Ｃを通る線に沿った、図示された特徴のミラーイメージである）。特に、相互接続部は、レバー５６Ａおよび５６Ｃと、（実質的には、レバー５６Ａおよび５６Ｃのミラーイメージである）レバー５７Ａおよび５７Ｃと、棒５８Ａおよび５８Ｃとを含む。レバー５６Ａおよび５６Ｃは、サスペンションフレクシャ６０Ａおよび６０Ｃによってフレーム５２Ａおよび５２Ｃにそれぞれ連結され、レバーフレクシャ６６Ａおよび６６Ｃによってレバー５７Ａおよび５７Ｃにそれぞれ連結され、ピボットフレクシャ６２Ａ、６４Ａ、６２Ｃ、および６４Ｃによってレバー５８Ａおよび５８Ｃにそれぞれ連結される。レバー５６Ａと５６Ｃはまた、連結フレクシャ７０によって相互接続される。棒５８Ａおよび５８Ｃは、アンカー６８Ａおよび６８Ｃによってそれぞれ基板に固定される。この例示的な相互接続部のミラーイメージの性質によって、相互接続部は、相互接続部の反対側に実質的に同一のアンカー、レバー、およびフレクシャを含むということが留意されるべきである。図１０Ａは、図９Ａに示されている相互接続部の強調部分を示す。図１０Ｂは、図１０Ａで強調された部分の拡大図を示している。

サスペンション６２Ａと６２Ｃは互いに正反対にあり、連結フレクシャ７０はピボットポイントの間のレバー５６Ａおよび５６Ｃ内にはめ込まれるように、サスペンション６２Ａおよび６２Ｃのピボットポイントは並べられているということに留意されたい。フレームが互いに逆位相で動くときに、連結フレクシャ７０の両端は、フレームの動きに対して横方向に向けて同じ方向に実質的に同じ量だけ動く。従って、連結フレクシャ７０は、動きに合わせるために、ごくわずかな量だけフレクシャすることを必要とするのみである。従って、連結フレクシャは、所望の動きに関する剛性に対してほとんど寄与しない。

例えば、再び図９Ｂを参照すると、フレーム５２Ａとフレーム５２Ｃが、互いに離れるように動いているとき、サスペンションフレクシャ６０Ａと６０Ｃは、互いに離れるように引っ張られ、サスペンションフレクシャ６０Ａと６０Ｃ付近のレバー５６Ａと５６Ｃの端は互いに離れるように引っ張られ、レバー５６Ａと５６Ｃのその反対側の端は互いに向けて動くようにされる。ピボットフレクシャ６２Ａおよび６４Ａは、レバー５６Ａが棒５８Ａに対して回転することを可能にし、ピボットフレクシャ６２Ｃおよび６４Ｃは、レバー５６Ｃが棒５８Ｃに対して回転することを可能にする。連結フレクシャ７０は、レバー５６Ａおよび５６Ｃのピボットポイントに実質的に配置され、レバー５６Ａと５６Ｃが互いに対して回転することを可能にする。同時に、レバー５７Ａと５７Ｃは、レバー５６Ａと５６Ｃに対してミラーイメージで動いていることにより、ピボットフレクシャ６６Ａと６６Ｃが互いに向けて動いている。レバーフレクシャ６６Ａは、レバー５６Ａと５７Ａが互いに対して回転することを可能にし、レバーフレクシャ６６Ｃは、レバー５６Ｃと５７Ｃが互いに対して回転することを可能にする。

フレーム５２Ａと５２Ｃが互いに向けて動いているときに、サスペンションフレクシャ６０Ａと６０Ｃは互いに向けて押され、サスペンションフレクシャ６０Ａと６０Ｃ付近のレバー５６Ａと５６Ｃの端が互いに向けて押され、レバー５６Ａと５６Ｃのその反対側の端は互いに離れるように動かされる。ピボットフレクシャ６２Ａおよび６４Ａは、レバー５６Ａが棒５８Ａに対して回転することを可能にし、ピボットフレクシャ６２Ｃおよび６４Ｃは、レバー５６Ｃが棒５８Ｃに対して回転することを可能にする。連結フレクシャ７０は、レバー５６Ａと５６Ｃのピボットポイントに実質的に配置され、レバー５６Ａと５６Ｃが互いに対して回転することを可能にする。同時に、ピボットフレクシャ６６Ａと６６Ｃが互いから離れるように動いているように、レバー５７Ａと５７Ｃは、レバー５６Ａと５６Ｃに対してミラーイメージで動いている。ピボットフレクシャ６６Ａは、レバー５６Ａと５７Ａが互いに対して回転することを可能にし、ピボットフレクシャ６６Ｃは、レバー５６Ｃと５７Ｃが互いに対して回転することを可能にする。

一方、フレームが同じ方向に動かされる場合に、連結フレクシャ７０の端は対応するように反対方向に動かされる。連結フレクシャ７０は、そのような反対方向の動きに強固に抵抗し、その代わりに、所望のクロスした４個の動きに合うようにする。このようにして、相互接続部は、フレームの所望の逆位相の動きを可能にするが、フレームの同位相の動きを実質的に防止する。

図１１に示されているような代替的な実施形態において、ピボットフレクシャの方向が図９および図１０に示されている方向と反対であり、連結フレクシャとサスペンションピボットポイントとの間の距離が増加されている。特に、これは所望の動きについての全体的な剛性を下げることを可能にする（このことはより小さい構造を作ることに有益である）。また、連結フレクシャとサスペンションピボットポイントとの間の距離を増加させることによって、相互接続部は、フレームの同位相の動きに対してさらに抵抗する。

図１１は、本発明の第２の例示的な実施形態に従った、「クロスした４個の」構成に配置されている４つのジャイロスコープを示している。図１２Ａは、図１１に示されているクロスした４個の構成の強調部分を示す。図１２Ｂは、図１２Ａで強調されている部分の拡大図を示す。図１２Ｃは、関連性のある特徴に番号を付されている、図１２Ｂと同じ部分を示す。図１２Ｃに示されているように、ピボットフレクシャ６２Ｃと６４Ｃの方向は、図９および図１０に示されているピボットフレクシャとは反対の方向である。ピボットフレクシャ６２Ｃと６４Ｃの交差部は、図９および図１０の場合のようにレバーの中央付近というよりも、フレーム５６Ｃに最も近いレバー５６Ｃの縁に近い。フレーム５２Ｃ、共振器５４Ｃ、レバーフレクシャ６６Ｃ、および連結フレクシャ７０が参考のために示されている。この構成において、連結フレクシャとピボットフレクシャの交差部との間の距離が増加されることにより、フレームの同位相の動きをさらに排除する。

図９〜図１２を参考にして上で記述されてきた例示的な縦方向連結器は、図１で示されたような、縦方向に連結されたクロスした４個の構成において使用され得るということを留意されたい。

本発明の特定の特徴および利点は、縦方向に連結された一組の対のジャイロスコープ（例えば、図１Ｂに示されたように連結されたジャイロスコープの左側または右側の対のみ）を用いて実現され得るということもまた留意されたい。従って、縦方向に連結された一組の対のジャイロスコープを有する慣性センサを有することは本発明の範囲内となる。

例示的な実施形態において、ジャイロスコープは約１７ボルトで作動される。

本発明は、本発明の真の範囲を逸脱することなく、他の特定の形式で実現され得る。記述された実施形態は、あらゆる点において、単なる例示として考えられるべきであり、限定として考えられるべきではない。

図１Ａは、本発明の例示的な実施形態に従った、横方向に連結されたクロスした４個の構成に配置されている４個のジャイロスコープの描写を示している。 図１Ｂは、本発明の例示的な実施形態に従った、縦方向に連結されたクロスした４個の構成に配置されている４個のジャイロスコープの描写を示している。 図１Ｃは、本発明の例示的な実施形態に従った、縦方向および横方向に連結されたクロスした４個の構成に配置されている４つのジャイロスコープの描写を示している。 図２は、本発明の例示的な実施形態に従った、２つのジャイロスコープフレームを横方向に連結するための第１の例示的な横方向連結装置を概略的に示している。 図３は、本発明の例示的な実施形態に従った、２つのジャイロスコープフレームを横方向に連結するための第２の例示的な横方向連結装置を概略的に示している。 図４は、本発明の例示的な実施形態に従った例示的なバランサを概略的に示している。 図５は、本発明の例示的な実施形態に従った、縦方向および横方向に連結された「クロスした４個の」構成に配置されている４つのジャイロスコープを示している。 図６は、図５に示されている例示的な実施形態に従った、ジャイロスコープ間の様々な連結の位置を示している。 図７Ａは、図５に示されている例示的な実施形態に従った、共振器の同位相および逆位相の動きの描写を示している。 図７Ｂは、図５に示されている例示的な実施形態に従った、共振器の同位相および逆位相の動きの描写を示している。 図８Ａは、図５に示されている例示的な実施形態に従った、慣性センサがＺ軸の周りで回転されるときの、ジャイロスコープの動きの描写を示している。 図８Ｂは、図５に示されている例示的な実施形態に従った、慣性センサがＺ軸の周りで回転されるときの、ジャイロスコープの動きの描写を示している。 図９Ａは、図５に示されている本発明の第１の例示的な実施形態に従った、２つのジャイロスコープ間の縦方向連結の一部分を示している。 図９Ｂは、関連性のある特徴に番号を付されている、図９Ａと同じ部分を示している。 図１０Ａは、図９Ａに示されている相互接続部の強調部分を示す。 図１０Ｂは、図１０Ａで強調された部分の拡大図を示している。 図１１は、本発明の第２の例示的な実施形態に従った、「クロスした４個の」構成に配置されている４つのジャイロスコープを示している。 図１２Ａは、図１１に示されているクロスした４個の構成の強調部分を示している。 図１２Ｂは、図１２Ａで強調された部分の拡大図を示している。 図１２Ｃは、関連性のある特徴に番号を付されている、図１２Ｂと同じ部分を示している。

Claims (26)

1. 少なくとも１つの基板と、
   該少なくとも１つの基板の上方の面に実質的にクロスした４個の構成で配置されている４個のセンサ素子と
   を備えている慣性センサであって、該４個のセンサ素子は、
   第１のフレーム内にサスペンドされている第１の共振器を有する第１のセンサ素子と、
   第２のフレーム内にサスペンドされている第２の共振器を有する第２のセンサ素子と、
   第３のフレーム内にサスペンドされている第３の共振器を有する第３のセンサ素子と、
   第４のフレーム内にサスペンドされている第４の共振器を有する第４のセンサ素子と
   を含み、該第１および該第３のフレームは、該面内の第１の軸に沿って共通直線上を動くように構成され、該第２および該第４のフレームは、該第１の軸に平行である該面内の第２の軸に沿って共通直線上を動くように構成されており、該少なくとも二組の対の隣接するセンサ素子のフレームは、連結器によって相互接続されており、該連結器は、該フレームの逆位相の動きを可能にするが、該フレームの同位相の動きを実質的に防止する、慣性センサ。
2. 前記第１と前記第２の共振器は、前記面内の前記第１および前記第２の軸に対して垂直な第３の軸に沿って、共通直線上を互いに逆位相で動かされ、
   前記第３と前記第４の共振器は、該面内の該第３の軸に平行である第４の軸に沿って、共通直線上を互いに逆位相で動かされ、
   該第１と該第３の共振器は、互いに逆位相で動かされ、
   該第２と該第４の共振器は、互いに逆位相で動かされる、請求項１に記載の慣性センサ。
3. 前記面に垂直な軸の周りでの前記少なくとも１つの基板の回転は、前記フレームの動きを引き起こす、請求項１に記載の慣性センサ。
4. 第１の方向への前記基板の回転は、前記第１と前記第３のフレームを互いに向けて動かし、前記第２と前記第４のフレームを互いから離れるように動かし、一方、第１と第２の質量が互いに向けて動く、請求項３に記載の慣性センサ。
5. 前記第１と前記第２のフレームは、第１の横方向連結器によって相互接続されており、該第１の横方向連結器は、該第１と第２のフレームのそれぞれの軸に沿った該第１と第２のフレームの逆位相の動きを可能にするが、該第１と第２のフレームの同位相の動きを実質的に防止し、
   前記第３と前記第４のフレームは、第２の横方向連結器によって相互接続されており、該第２の横方向連結器は、該第３と第４のフレームのそれぞれの軸に沿った該第３と第４のフレームの逆位相の動きを可能にするが、該第３と第４のフレームの同位相の動きを実質的に防止する、請求項１に記載の慣性センサ。
6. 前記第１および前記第２の横方向連結器のそれぞれは、
   前記第１と前記第２のフレームの間で連結されている少なくとも１つの棒を備えており、該少なくとも１つの棒は、前記少なくとも１つの基板に固定されている構造によって支持されており、該フレームが互いに逆位相で動くが、該フレームの同位相の動きを実質的に防止するときに、該構造は、該少なくとも１つの棒がピボットポイントにおいて回転することを可能にする、請求項５に記載の慣性センサ。
7. 前記第１および前記第２の横方向連結器のそれぞれは、
   前記フレームのうちの１つから延伸し、第１の長いフレクシャによって相互接続されている短いフレクシャの第１の対と、
   前記フレームのうちのもう１つから延伸し、第２の長いフレクシャによって相互接続されている短いフレクシャの第２の対と、
   実質的に該第１と該第２の長いフレクシャの中間点において、該第１の長いフレクシャを該第２の長いフレクシャに連結している棒と、
   該棒を支持しているアンカーフレクシャであって、該アンカーフレクシャは、実質的に該棒と該アンカーフレクシャとの中間点において、該棒と交差しており、該アンカーフレクシャの各端は、前記基板に固定されている、アンカーフレクシャと
   を含んでいる、請求項６に記載の慣性センサ。
8. 前記第１および前記第２の横方向連結器のそれぞれは、
   前記フレームのうちの１つから延伸している第１のフレクシャと、
   該フレームのうちのもう１つから延伸している第２のフレクシャと、
   該第１および該第２のフレクシャの間で連結されている棒と、
   該棒を支持している少なくとも１つのアンカーフレクシャであって、各アンカーフレクシャは、一端で少なくとも１つの基板に固定され、かつ、該棒と接するように１８０°折れ戻っている構造を含んでいる、少なくとも１つのアンカーフレクシャと
   を含んでいる、請求項６に記載の慣性センサ。
9. 前記第１と前記第３のフレームは、第１の縦方向連結器によって相互接続されており、該第１の縦方向連結器は、共通直線の軸に沿う該フレームの逆位相の動きを可能にするが、該フレームの同位相の動きを実質的に防止し、
   前記第２と前記第４のフレームは、第２の縦方向連結器によって相互接続されており、該第２の縦方向連結器は、共通直線の軸に沿う該フレームの逆位相の動きを可能にするが、該フレームの同位相の動きを実質的に防止する、請求項１に記載の慣性センサ。
10. 前記第１および前記第２の縦方向連結器のそれぞれは、
    前記フレームのうちの１つに連結されている相互接続されたレバーの第１の対であって、該レバーの第１の対は、第１のレバーと第２のレバーとを含んでいる、レバーの第１の対と、
    該フレームのうちのもう１つに連結されている相互接続されたレバーの第２の対であって、該レバーの第２の対は、第３のレバーと第４のレバーとを含んでいる、レバーの第２の対と、
    該フレームが互いに逆位相で動くにつれて、該レバーが回転することを可能にする複数のレバー支持構造と、
    実質的にそれぞれのピボットポイント間で該第１のレバーと該第３のレバーとを相互接続している第１の連結フレクシャと、
    実質的にそれぞれのピボットポイント間で該第２のレバーと該第４のレバーとを相互接続している第２の連結フレクシャと
    を含み、該連結フレクシャは、該フレームの同位相の動きを実質的に防止する、請求項９に記載の慣性センサ。
11. 各連結フレクシャの両端は、前記フレームの逆位相の動きの間は、該フレームの動きに対して横方向である同じ方向に、実質的に同じ量だけ動くが、該フレームの同位相の動きの間は、反対方向に動かされる、請求項１０に記載の慣性センサ。
12. 前記複数のレバー支持構造は、
    一端でレバーに連結され、もう１つの端で、前記基板に固定されている構造に連結されている少なくとも１つのピボットフレクシャを含んでいる、請求項１０に記載の慣性センサ。
13. 前記少なくとも１つのピボットフレクシャは、あるポイントにおいて相互接続されている第１のピボットフレクシャと第２のピボットフレクシャとを含んでいる、請求項１２に記載の慣性センサ。
14. 前記相互接続ポイントは、前記レバーの中央付近にある、請求項１３に記載の慣性センサ。
15. 前記相互接続ポイントは、前記フレームに最も近い前記レバーの端付近にある、請求項１３に記載の慣性センサ。
16. 前記第１の連結フレクシャは、実質的に前記第１および前記第３のレバーの前記相互接続ポイントと並んでおり、
    前記第２の連結フレクシャは、実質的に前記第２および前記第４のレバーの前記相互接続ポイントと並んでいる、請求項１３に記載の慣性センサ。
17. 前記基板に固定されている前記構造は、該基板に固定されている棒である、請求項１２に記載の慣性センサ。
18. 前記レバーの各対は、レバーフレクシャによって相互接続されている、請求項１０に記載の慣性センサ。
19. 前記各レバーは、サスペンションフレクシャによってそれぞれのフレームに接続されている、請求項１０に記載の慣性センサ。
20. 前記各フレームは、指針構造を含んでおり、該指針構造は、該フレームの動きを静電気的に感知するために、前記少なくとも１つの基板に固定されている固定感知指針と交互嵌合している、請求項１に記載の慣性センサ。
21. 各質量は、指針構造を含んでおり、該指針構造は、該質量を静電気的に動かすために、前記少なくとも１つの基板に固定されている固定駆動指針と交互嵌合している、請求項１に記載の慣性センサ。
22. 前記第１と前記第２のフレームは、第１の横方向連結器によって相互接続されており、該第１の横方向連結器は、それぞれの軸に沿うフレームの逆位相の動きを可能にするが、該フレームの同位相の動きを実質的に防止し、
    前記第３と前記第４のフレームは、第２の横向連結器によって相互接続されており、該第２の横方向連結器は、それぞれの軸に沿うフレームの逆位相の動きを可能にするが、該フレームの同位相の動きを実質的に防止し、
    該第１と該第３のフレームは、第１の縦方向連結器によって相互接続されており、該第１の縦方向連結器は、共通直線上の軸に沿うフレームの逆位相の動きを可能にするが、該フレームの同位相の動きを実質的に防止し、
    該第２と該第４のフレームは、第２の縦方向連結器によって相互接続されており、該第２の縦方向連結器は、共通直線上の軸に沿うフレームの逆位相の動きを可能にするが、該フレームの同位相の動きを実質的に防止する、請求項１に記載の慣性センサ。
23. 少なくとも１つの基板と、
    該少なくとも１つの基板の上方の面内でクロスした４個の構成に実質的に配置されている４個のセンサ素子と
    を備えている慣性センサであって、該４個のセンサ素子は、
    第１のフレーム内にサスペンドされている第１の共振器を有する第１のセンサ素子と、
    第２のフレーム内にサスペンドされている第２の共振器を有する第２のセンサ素子と、
    第３のフレーム内にサスペンドされている第３の共振器を有する第３のセンサ素子と、
    第４のフレーム内にサスペンドされている第４の共振器を有する第４のセンサ素子と
    を含み、該第１と該第３のフレームは、該面内の第１の軸に沿って共通直線上を動くように構成され、該第２と該第４のフレームは、該第１の軸に平行である該面内の第２の軸に沿って共通直線上を動くように構成されており、
    隣接するセンサ素子の第１の対のフレームを相互接続する第１の手段は、該フレームの逆位相の動きを可能にするが、該フレームの同位相の動きを実質的に防止し、
    隣接するセンサ素子の第２の対のフレームを相互接続する第２の手段は、該フレームの逆位相の動きを可能にするが、該フレームの同位相の動きを実質的に防止する、慣性センサ。
24. 隣接するセンサ素子の第３の対のフレームを相互接続する第３の手段は、該フレームの逆位相の動きを可能にするが、該フレームの同位相の動きを実質的に防止することと、
    隣接するセンサ素子の第４の対のフレームを相互接続する第４の手段は、該フレームの逆位相の動きを可能にするが、該フレームの同位相の動きを実質的に防止することと
    をさらに包含する、請求項２３に記載の慣性センサ。
25. 少なくとも１つの基板と、
    実質的に該少なくとも１つの基板の上方の面内にある一組の対のセンサ素子であって、該各センサ素子は、フレーム内にサスペンドされている共振器を有しており、該フレームは、該面内の軸に沿って共通直線上を動く、一組の対のセンサ素子と、
    該フレームを相互接続し、共通直線の軸に沿う該フレームの逆位相の動きを可能にするが、該フレームの同位相の動きを実質的に防止する縦方向連結器と
    を備えている、慣性センサ。
26. 前記縦方向連結器は、
    前記フレームのうちの１つに連結されている相互接続されたレバーの第１の対であって、第１のレバーと第２のレバーとを含む、レバーの第１の対と、
    該フレームのうちのもう１つに連結されている相互接続されたレバーの第２の対であって、第３のレバーと第４のレバーとを含む、レバーの第２の対と、
    該フレームが互いに逆位相で動くにつれて、該レバーが回転することを可能にする複数のレバー支持構造と、
    実質的にそれぞれのピボットポイントで該第１のレバーと該第３のレバーとを相互接続している第１の連結フレクシャと、
    実質的にそれぞれのピボットポイントで該第２のレバーと該第４のレバーとを相互接続している第２の連結フレクシャと
    を含み、該連結フレクシャは、該フレームの同位相の動きを実質的に防止する、請求項２５に記載の慣性センサ。

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