特許 5889903 センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5889903

(24)【登録日】2016年2月26日

(45)【発行日】2016年3月22日

(54)【発明の名称】センサ

(51)【国際特許分類】

   G01C 19/5684 20120101AFI20160308BHJP

   H01L 29/84 20060101ALI20160308BHJP

   B81B 3/00 20060101ALI20160308BHJP

   H03H 9/24 20060101ALI20160308BHJP

【ＦＩ】

   G01C19/56 184

   H01L29/84 Z

   B81B3/00

   H03H9/24 Z

【請求項の数】10

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2013-528756(P2013-528756)

(86)(22)【出願日】2011年9月5日

(65)【公表番号】特表2013-539858(P2013-539858A)

(43)【公表日】2013年10月28日

(86)【国際出願番号】GB2011001297

(87)【国際公開番号】WO2012035288

(87)【国際公開日】20120322

【審査請求日】2014年8月18日

(31)【優先権主張番号】1015585.1

(32)【優先日】2010年9月17日

(33)【優先権主張国】GB

(73)【特許権者】

【識別番号】508296554

【氏名又は名称】アトランティック・イナーシャル・システムズ・リミテッド

【氏名又は名称原語表記】Ａｔｌａｎｔｉｃ Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｌｉｍｉｔｅｄ

(74)【代理人】

【識別番号】100108855

【弁理士】

【氏名又は名称】蔵田 昌俊

(74)【代理人】

【識別番号】100109830

【弁理士】

【氏名又は名称】福原 淑弘

(74)【代理人】

【識別番号】100088683

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100103034

【弁理士】

【氏名又は名称】野河 信久

(74)【代理人】

【識別番号】100095441

【弁理士】

【氏名又は名称】白根 俊郎

(74)【代理人】

【識別番号】100075672

【弁理士】

【氏名又は名称】峰 隆司

(74)【代理人】

【識別番号】100119976

【弁理士】

【氏名又は名称】幸長 保次郎

(74)【代理人】

【識別番号】100153051

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140176

【弁理士】

【氏名又は名称】砂川 克

(74)【代理人】

【識別番号】100158805

【弁理士】

【氏名又は名称】井関 守三

(74)【代理人】

【識別番号】100124394

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 立志

(74)【代理人】

【識別番号】100112807

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 貴志

(74)【代理人】

【識別番号】100111073

【弁理士】

【氏名又は名称】堀内 美保子

(74)【代理人】

【識別番号】100134290

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 将訓

(72)【発明者】

【氏名】フェル、クリストファー・ポール

【審査官】 梶田 真也

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００５−５３５８８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５４５３３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００８−５４６２４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１７８６７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００５／０１７２７１４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−０７１９８５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｃ １９／００ − １９／７２

Ｂ８１Ｂ １／００ − ７／０４

Ｂ８１Ｃ １／００ − ９９／００

Ｈ０１Ｌ ２７／２０

Ｈ０１Ｌ ２９／８４

Ｈ０３Ｈ ３／００７ − ３／０６

Ｈ０３Ｈ ９／００ − ９／１３５

Ｈ０３Ｈ ９／１５ − ９／２４

Ｈ０３Ｈ ９／３０ − ９／４０

Ｈ０３Ｈ ９／４６ − ９／６２

Ｈ０３Ｈ ９／６６

Ｈ０３Ｈ ９／７０

Ｈ０３Ｈ ９／７４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

実質的に平らなリング又はたが型の振動共振器１を具備する振動構造を備えている、高い品質係数（Ｑ）を有する、センサであって、
前記共振器１は、
中立軸４を中心にして延在している内側周縁部及び外側周縁部２、３と、
前記共振器１を振動させる駆動手段１２、１３と、
前記共振器１を支持する複数の支持手段１０、１１であって、前記センサの回転レートに応じて前記支持手段１０、１１に関連して前記共振器１が動くことを可能にするように、実質的に非減衰の発振モードで前記駆動手段１２、１３に応じて前記共振器１を振動させる、前記複数の支持手段１０、１１と、
を具備し、
前記共振器１は、
前記共振器１の前記中立軸４の内側の、第１の一連の半径方向に配置されている複数のスロット５ａと、
前記中立軸４の外側の、第２の一連の半径方向に配置されている複数のスロット５ｂと、
を含み、
前記第１と第２の一連の半径方向に配置されている複数のスロット５ａ、５ｂを、前記共振器１の前記中立軸４に関連して同軸に配置し、その結果、前記複数のスロット５を配置することが、前記共振器１の共振周波数に影響を及ぼすことなく、前記共振器１の熱緩和経路の長さを調整し、それによって前記共振器１の前記Ｑ係数を上げ、運動エネルギ密度と歪みエネルギ密度が等しく、その結果、前記共振器１の剛性に対する影響が、前記共振器１の質量に対する影響にほぼ等しく、前記共振器１上の位置に、前記複数のスロット５が半径方向に配置されている、センサ。

【請求項2】

前記共振器１は、前記共振器１の前記中立軸４の内側と外側に配置されている、更なる一連の複数のスロット５ｃ、５ｄを含む、請求項１に記載のセンサ。

【請求項3】

前記一連の複数のスロット５は、一連の接続されたより薄い複数のリングセグメント６の形成をもたらし、
前記共振器１が前記ｃｏｓ２θのモードで振動しているときに、前記一連の接続されたより薄い複数のリングセグメント６は、均一構造の一部のように実質的に振る舞う、請求項１又は２に記載のセンサ。

【請求項4】

前記一連の接続されたより薄い複数のリングセグメント６の弓形の角度は、５度以下であり、
何れかの一連のものの中の隣接するスロット５間の円周方向の間隔は、２度以上である、請求項３に記載のセンサ。

【請求項5】

前記共振器１の前記共振周波数又は減衰において引き起こされる不均衡を回避するために、一次と二次のｃｏｓ２θのモード形状に対する結果として生じる影響が等しくなるように、前記複数のスロットは一様な設計を有する、請求項１乃至４の何れか１項に記載のセンサ。

【請求項6】

前記複数のスロット５ａと５ｂは、
前記中立軸４から同じ半径方向の距離に配置されており、
同じ角度範囲と間隔を有しており、
前記共振器１の周囲に等角度で配置されている、請求項５に記載のセンサ。

【請求項7】

熱緩和経路の長さがより長くなるように、前記共振器１の前記中立軸の内側の前記複数のスロット５の位置は、前記共振器１の前記中立軸４の外側の前記複数のスロット５に対して、互い違いにされている、請求項１乃至６の何れか１項に記載のセンサ。

【請求項8】

平らなリング又はたが型の共振器１を有するセンサの品質係数Ｑを改善する方法であって、
前記方法は、前記共振器１に複数のスロットを形成するステップを含み、
前記複数のスロット５が前記共振器１の共振周波数に影響を及ぼさないように、前記複数のスロットは、前記共振器１の前記中立軸に対して外側と内側に、同軸で配置されており、運動エネルギ密度と歪みエネルギ密度が等しく、その結果、前記共振器１の剛性に対する影響が、前記共振器１の質量に対する影響にほぼ等しく、前記共振器１上の位置に、前記複数のスロット５が半径方向に配置されている、方法。

【請求項9】

前記共振器１の共振周波数又は減衰において引き起こされる不均衡を回避するために、一次と二次のｃｏｓ２θモード形状に対する、結果として生じる影響が等しくなるように、前記複数のスロット５を一様な設計で形成するステップを更に含む、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

前記中立軸４から同じ半径方向の距離に前記複数のスロット５を配置するステップを更に含み、
前記複数のスロットは、同じ角度範囲と間隔を有しており、
前記複数のスロットは、前記共振器１の周囲に等角度で配置されている、請求項８又は９に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、センサに関する。より具体的に、本発明は、慣性センサのようなセンサ、例えばコリオリジャイロスコープ（coriolis gyroscope）に関するが、これに限られるわけではない。コリオリジャイロスコープでは、最初に線形速度成分（linear velocity component）が定められ、レート依存性のコリオリの力(rate dependent coriolis force)は、この速度の関数である。

【背景技術】

【0002】

平らなシリコンリング構造(planar silicon ring structure）は、微小電気機械システム（Micro-Electro-Mechanical-Systems, MEMS）のジャイロスコープに一般に使用されている。このようなデバイスの例は、ＵＳ５９３２８０４号とＵＳ６２８２９５８号とに記載されている。これらの共振器設計を利用するジャイロスコープデバイスは、ある範囲の自動推進式乗物の商業的応用（automotive commercial application）に使用されている。更に、これらのデバイスの性能は、幾つかの誘導制御の応用（guidance and control applications）、例えば、飛行時間が比較的に短い（数十乃至数百秒）誘導発射体（guided projectile）において使用するのに適しているかもしれない。より長い動作時間が要求される応用の場合に、これらのデバイスの性能は、特に問題のあるバイアスドリフトの誤差（bias drift error）の大きさが原因で、十分に正確でない場合がある。

【0003】

バイアスドリフトの動作を制限する主要因子のうちの１つは、共振器構造の品質係数（Quality Factor, Q）である。一次モード（primary mode）を共振に設定するために加えなければならない駆動電圧を下げる際に、高いＱは有益である。レート感知チャネル（rate sensing channel）への駆動信号の相互結合（cross-coupling）は、バイアスの安定性のための主な誤差ドライバ（error driver）のうちの１つである。この場合に、結合された信号は、加えられる回転レートによって生成されるものと区別できない。更に、共振器のＱ値を大きくすることによって、減衰の非一様性と、変換器(transducer)の調整不良に関連する他のバイアス誤差がかなり減るかもしれない。

【0004】

ＭＥＭＳデバイスにおいて、Ｑは、幾つかの寄与する減衰係数（contributory damping factor）によって決定される。実効品質係数（effective Quality Factor）、Ｑ_Ｅｆｆは、これらの減衰の寄与の全ての合計によって決定され、次のように表され得る。

【数1】

【0005】

ここで、Ｑ_ＴＥは、熱弾性減衰の寄与（thermoelastic damping contribution）であり、Ｑ_Ｇａｓは、ガス減衰の寄与（gas damping contribution）であり、Ｑ_{Ｏｔｈｅｒ}は、支持損失(support loss)と、固有物質の損失(intrinsic material loss)と、電子機器の減衰(electronics damping)とからの寄与を含む。

【0006】

ＵＳ５９３２８０４号の共振器設計に基づくジャイロスコープデバイスは、リング構造を使用している。このリング構造は、６ｍｍの外径と、１２０ミクロンのリムの厚さとを有する。乾燥窒素の１０トル（Torr）の残留圧力を有する部分真空（室温値）の中で、この構造を動作させる。このデバイスに対するＱ_Ｅｆｆの値は、５，０００であることが示されており、熱弾性とガスの減衰からのほぼ等しい寄与と、かなりより小さいＱ_{Ｏｔｈｅｒ}の寄与とからもたらされることが示されている。従って、高真空の下であっても、Ｑ_Ｅｆｆの値は、熱弾性減衰によって１０，０００に制限される。

【0007】

ＭＥＭＳ共振器における熱弾性減衰の仕組みは、当業者に周知であり、単に、本発明の理解を助けるためにここに要約して記載されている。共振器がｃｏｓ２θのたわみモード（flexural mode）で発振するとき、リングは、振動の波腹（anti-node）のあたりで、内側と外側の垂直面において、周期的な圧縮応力と引っ張り応力とを受ける。リングが圧縮されている場合に、温度は僅かに上がり、リングが引っ張られている場合に、温度は僅かに下がり、リングの全体にわたる温度勾配をもたらす。リングが発振すると、この温度勾配が交互に起こる。従って、リングの全体にわたって、時間依存性の熱流（time dependent heat flow）が存在する。関連する時定数τに従って、リングの中のより熱い圧縮領域から、より冷たい拡張領域へ、熱が流れるときに、緩和（relaxation）が発生する。次の式に記載されているように、緩和時間は、温度勾配の長さ(この場合は、リングの幅ｒ_ｔ)と、材料の温度拡散率χとによって決まる。

【数2】

【0008】

固有減衰（intrinsic damping）は、緩和時間と、構造が振動する周波数（frequency）と、幾つかの材料特性と、の関数である。損失係数（loss factor）は、次の式によって与えられる。

【数3】

【0009】

ここで、Ｅと、αと、Ｃ_Ｖは、それぞれ、材料、この場合はシリコン、の単位体積当たりの、ヤング率と、熱膨張係数と、熱容量であり、ω_ｎは発振周波数（oscillation frequency）であり、Ｔは周囲温度（ambient temperature）である。Ｑ_ＴＥの係数は、次の式によって与えられる。

【数4】

【0010】

式３と４の検査は、動作周波数がピーク損失周波数ω_ｍａｘと一致するときに、Ｑ_ＴＥの係数が最小になることを示している。ω_ｎは、次の式によって与えられる。

【数5】

【0011】

ＵＳ５９３２８０４号の設計に基づく製品において使用されているような、６ｍｍのシリコンリング構造について、周波数に対する損失係数の変動が、図１に示されている。ピーク損失が１０ｋＨｚのあたりで発生することが分かる。このデバイスに対するｃｏｓ２θの動作周波数は、１４ｋＨｚであり、従って、ピーク損失周波数とほとんど一致している。これは、熱弾性減衰が最大値にほぼ等しく、計算されたＱ_ＴＥの値が、〜１０，０００の実験観測値に非常に近いことを意味する。

【0012】

共振器を減圧で実装することによって、このデバイスに対するＱ_Ｅｆｆを幾らか改善できるが、増加は、熱弾性減衰によって基本的に制限されている。Ｑ_ＴＥの寄与を減らすことができる場合のみ、このデバイスに対するＱ_Ｅｆｆをかなり上げることができる。従来は、この項を小さくするには、リムの厚さｒ_ｔを変化させること、従って、損失周波数を変化させることが必要であった。しかしながら、これは、共振周波数をシフトさせることになる。共振周波数のシフトは、制御電子機器に対する望ましくない変化を必然的に伴うであろう。リングの直径とリムの厚さとを適切な比率で減らすことによって、ｃｏｓ２θの共振周波数をシフトすることなく、Ｑ_ＴＥを効果的に大きくすることができる。しかしながら、これはＱ_ＴＥを大きくできる一方で、より小さな幾何学的形状（geometry）が、デバイスの性能の他の状況に悪影響を及ぼすであろう。特に、感知変換器（sensing transducer）のサイズを小さくすることにより、信号対雑音比は下がる。更に、組み立て工程の機械公差は、より臨界状態（critical）になり、これは生産の歩留まり（production yield）に悪影響を及ぼし得る。更に、磁気回路コンポーネントを変更することが必要になり、また、これはスケールファクタとバイアスの動作特性との両者を逆転させることになるであろう。

【0013】

上述は、特に、ＵＳ５９３２８０４号に記載されている設計の６ｍｍのリングの実施に関する。しかしながら、ＵＳ６２８２９５８号に記載されている設計に基づいて生産されるデバイスに対して、同様の考察が当てはまることが分かるであろう。実際のデバイスは、４ｍｍと８ｍｍとの直径のリングを利用して生成されている。これらの設計に対するＱ_Ｅｆｆは、熱弾性減衰によって様々な程度に同様に制限されることが示されている。

【0014】

従って、一般的なリング構造に対するＱ_ＴＥを大きくするために、リングの直径とリムの厚さとから独立して、ピーク損失周波数を調節する能力を有することが、有益である。これは、他の性能パラメータ又は生産の歩留まりに悪影響を及ぼすことなく、且つ制御電子機器における何らかの変更を必要とすることなく、臨界状態のバイアスドリフトの誤差を改善できる。

【発明の概要】

【0015】

本発明によると、実質的に平らなリング又はたが型（hoop shaped）の振動共振器を具備する振動構造を備えている、高い品質係数（Ｑ）を有する、センサであって、前記共振器は、中立軸を中心にして延在している内側周縁部及び外側周縁部と、前記共振器を振動させる駆動手段と、前記共振器を支持する複数の支持手段であって、前記センサの回転レートに応じて前記支持手段に関連して前記共振器が動くことを可能にするように、実質的に非減衰の発振モードで前記駆動手段に応じて前記共振器を振動させる、前記複数の支持手段と、を具備し、前記共振器は、前記共振器の前記中立軸の内側の、第１の一連の半径方向（radially）に配置されている複数のスロットと、前記中立軸の外側の、第２の一連の半径方向に配置されている複数のスロットと、を含み、前記第１と第２の一連の半径方向に配置されている複数のスロットを、前記共振器の前記中立軸に関連して同軸に配置し、その結果、前記複数のスロットを配置することが、前記共振器の共振周波数に影響を及ぼすことなく、前記共振器の熱緩和経路の長さを調整し、それによって前記共振器の前記Ｑ係数を上げる、センサが提供される。

【0016】

本発明の更なる態様によると、平らなリング又はたが型の共振器を有するセンサの品質係数Ｑを改善する方法であって、前記方法は、前記共振器に複数のスロットを形成するステップを含み、前記複数のスロットが前記共振器の共振周波数に影響を及ぼさないように、前記複数のスロットは、前記共振器１の前記中立軸に対して外側と内側に、同軸で配置されている、方法が提供される。

【0017】

式５によって定義されているように、シリコン共振器の梁（beam）構造に対するピーク損失周波数は、半径方向の厚さ（radial thickness）ｒ_ｔに大きく左右される。半径方向の厚さは、梁が共振するときに、熱流に対する緩和経路（relaxation path）の長さを定める。このやり方において、本発明は、リングの直径又は共振器の周波数を変更する必要なく、平らなシリコンリング共振器における緩和経路の長さを効果的に調節する、センサと方法とを定義している。

【0018】

ここで、添付の図面を参照して、本発明について説明する。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】既知の共振器構造に対する励起周波数の関数として、熱弾性損失係数の変動のプロットを示している。

【図2】両端部で固定されている長方形の梁の基本振動モードの概略図を示しており、ここで、振動の両極端を点線によって示し、モードの波腹における主熱緩和経路（矢印）を示している。

【図3】本発明の１つの形式に従ってスロットを組み込み、矢印によって表わされている熱緩和に対する変化を示している、図２の長方形の梁に類似した長方形の梁の概略図を示している。

【図4】リング共振器構造を利用する既知のコリオリジャイロスコープにおいて一般的に用いられている、ｃｏｓ２θの振動モード形状の概略図を示している。

【図5】既知のリング共振器構造に対するｃｏｓ２θの振動モードの半径方向の波腹付近の、リングのリムの部分にわたる歪みエネルギ密度と運動エネルギ密度の変動を示している。

【図6】矢印によって示されている典型的な熱緩和経路の例を有する、中立軸(点線によって示されている)の両側に２列のスロットで組み込んだ本発明の一形式に従って、リング構造の一部分の概略図を示している。

【図7】中立軸(点線によって示されている)の両側に４列のスロットを組み込んだ本発明の一形式に従って、リング構造の一部分の概略図を示している。

【図8】本発明が適用され得るタイプの慣性センサを示している。

【発明を実施するための形態】

【0020】

最初に図８を参照すると、慣性センサ(例えば、ＵＳ６２８２９５８号により一層詳しく記載されている一般的なタイプ)は、リング状の共振器１を具備し、リング状の共振器１は、リング状の共振器１の内側周縁部からボス（boss）１１に延在している支持梁１０によって取り付けられている。支持梁１０は、フレキシブルであり、更に、回転レートに応じてボス１１に関連して共振器１が動くことを可能にするように、実質的に非減衰の発振モードで電気駆動装置（electrostatic drive）１２、１３に応じて共振器１を振動させる。

【0021】

図２は、(点線によって示されている)基本モードで振動する、両端部で固定された、例示的な一様に発振する梁を示している。図２において矢印によって示されているように、この構造に対する主熱緩和経路は、梁の幅を直線的に横切る。図３に示されているように、スロット５を梁構造の中に組み込むことによって、この経路の長さを調節することが可能である。従って、熱流は、シリコン構造における切れ目（discontinuity）によって中断され、特性緩和経路の長さを変える。点ＸとＹとの間における１本のラインに沿って梁を横切る熱流について、単純化して検討すると、２本の新たな主要な緩和経路がある。図３において矢印によって示されているように、一方は、外側リムとスロットとの間の薄い梁部分の幅を直線的に横切り、より長い第２の経路は、リムからスロットを迂回して、梁の他方の側へわたる。このより長い経路の場合に、熱流経路のかなりの部分は、梁構造に沿って横方向に向かっている。これらの経路に対するピーク損失周波数は、単純な梁経路の長さから大幅にシフトしている。短い緩和経路に対する特性ピーク損失周波数は、かなりより高い周波数にシフトし、より長い緩和経路に対する特性ピーク損失周波数は、非常により低い周波数にシフトしている。

【0022】

このようなスロット５をリング構造の中に組み込み、リングの剛性（stiffness）と質量とを局部的に調節する。このようなデバイスにおいて一般的に使用されているｃｏｓ２θの振動モード形状は、図４に概略的に示されている。ｃｏｓ２θの半径方向の波腹における、リムのセグメントにわたる、歪みエネルギ密度(strain energy density)と運動エネルギ密度(kinetic energy density)の半径方向の変動は、図５に示されている。スロット５がリムの中心(即ち、リング１の中立軸４上)に配置されている場合に、これらは、主に運動エネルギ密度に影響を及ぼす一方で、歪みエネルギ密度にほんの少ししか影響を及ぼさない。これは、ｃｏｓ２θのモード周波数を増加させる。この周波数は、次の式によって与えられる。

【数6】

【0023】

ここで、ｎはモードの次数(ｃｏｓ２θモードの場合に、＝２)であり、ｍはモードの質量であり、ｋはリングの剛性である。スロットを中立軸上に配置すると、ｋにあまり影響を及ぼすことなく、ｍを減らし、従って共振周波数を増加させる。スロットが、リムの外縁部の方に配置される場合は、歪みエネルギ密度を下げ、従ってリングの剛性ｋを下げる。外縁部に近くなると、この影響は、モードの質量ｍに対する影響よりも大きくなる。この正味の影響は、スロットの正確な半径方向の位置に大きく左右される量のリング周波数を低減することである。

【0024】

上述と、ＭＥＭＳジャイロスコープの他の既知の例とにおける、シリコンリング構造は、周知のディープリアクティブイオンエッチ(Deep Reactive Ion Etch, DRIE)技術を使用して形成され得る。この工程では、細かい幾何学的形状の高アスペクト比の溝（trench）を形成することが可能である。これを使用して、リング１と、支持脚構造（support leg structure）１０とを組み立てる。本発明によると、スロット５は、リング１に設けられ、更に、都合のよいことに、リングの組み立てと同時に形成され、従って、１つのフォトマスクを使用して、リングのリムに対して正確に整列したスロット５を形成することができる。この工程は、構造を高精度に生成することが可能である。しかしながら、関連する工程の変形（variation）があり、これはリングの幾何学的形状に異なる程度の影響を及ぼし、従って、組み立てられた共振器構造の共振周波数を変動させる。リムの縁部の近くにスロット５を加えることによって、リングの周波数に対するこれらの幾何学的形状の変形(一般に、±１ミクロンのオーダ)の影響が大きくなる。ＭＥＭＳデバイスは、限られた動作周波数の範囲を通常有する制御電子機器と共に動作しなければならないので、リングの周波数の正確な制御は不可欠である。

【0025】

これらの工程の変形に対する共振器１の周波数の影響され易さを最小にするために、リングの剛性に対する影響が、質量に対する影響にほぼ等しくなる

【数7】

【0026】

ように、スロット５の半径方向の位置を選択することが好都合である。この領域の半径方向の位置は、図５において見ることができ、ここでは、運動エネルギ密度と歪みエネルギ密度が等しい。これは、組み立て工程中に生じる小さな幾何学的形状の変形の影響が、共振周波数に悪影響を及ぼさないことを保証するのを助ける。

【0027】

詳しいスロットの構成を設計するときに考慮に入れなければならない、幾つかの更なる実施上の制限がある。スロット５は、一連の接続されたより薄いリングセグメント６の形成を効果的にもたらす。これらのセグメントの長さと厚さは、ｃｏｓ２θモードで発振しているときに、これらのセグメントがリングの剛性よりもかなり堅くなるようになっていなければならない。これは、リング１がｃｏｓ２θモードで発振しているときに、これらのセグメントが均一構造の一部であるかのように、これらが本質的に振る舞うことを意味する。これは、隣接するスロット間の２度以上の円周方向の間隔と共に、セグメントの弓形の角度（arcuate angle）を５度以下の実施上の限度に効果的に制限する。更に、周波数又は減衰において引き起こされる何らかの不均衡を回避するために、一次と二次のｃｏｓ２θのモード形状に対する結果として生じる影響が等しくなるように、スロット５の位置を定めなればならない。都合のよいことに、これは、一様な設計（即ち、中立軸からの半径方向の距離と、角度範囲（angular extent）と間隔(separation)が、同じであること）のスロット５を利用することによって達成される。一様な設計のスロット５は、周囲(circumference)に等角度に配置される。スロット５の数と位置は、熱弾性減衰を最小にするために、リングのリムの周囲の大半に対して緩和経路が調節されるようのなっていなければならない。

【0028】

図６は、２列のスロットを利用する本発明の実施形態を示している。スロット５ｂからなる一方の列は、中立軸４に対して外側にある距離を置いたところにスロットの中心を有するように配置されている。中立軸４は、（図２に示されているように）歪みエネルギ密度と運動エネルギ密度とが等しくなる点と一致している。スロット５ａからなる第２の列は、中立軸４に対して内側に同じ距離を置いたところに配置されている。従って、このようなリング１の共振周波数は、スロット５を有していないリング１と同じになる。２つの列の角度位置（angular position）は、外側列の各スロット５ｂの中心が、内側列のスロット５ａ間の中心位置と一致するようになっている。これは、リング１を横切る直線的な熱緩和経路がないことを保証する。幾つかの緩和経路の例は、図６に矢印で示されている。実際には、このようなリング１の熱緩和特性を正確に決定するには、有限要素モデル化技術を使用しなければならない。有限要素モデル化技術は、熱弾性減衰の推定値、従ってＱ_ＴＥの値を与えることができる。

【0029】

サンプルの共振器デバイスは、上述のようにスロット５ａ、５ｂの２つの列を組み込んで組み立てられている。スロットは、３度の角度スパン（angular span）であり、２度の間隔を有し、リングの全周に合計で１４４個のスロットを与える。スロットは、幅１０ミクロンであり、歪みエネルギ密度と運動エネルギ密度が等しくなる場所の周りに配置されている。これらのデバイスを測定すると、およそ２５，０００のＱ_Ｅｆｆを有する。およそ２５，０００のＱ_Ｅｆｆは、およそ３０，０００のモデル値に適切に一致する。これは、先行技術のスロットの無いリングに対して、１０，０００の値を超えるかなりの増加を表わす。

【0030】

図７は、中立軸４の周りに対称的に配置されているスロット５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの４つの列を組み込んだ、本発明の代わりの実施形態を示している。スロット５ｂ、５ｄの外側列は、主に歪みエネルギ密度に摂動を起こさせる（perturb）(従って、剛性ｋを減少させる)ので、共振周波数を減少させる傾向がある。スロット５ａ、５ｃの内側列は、主に運動エネルギ密度に摂動を起こさせる(従って、モード質量ｍを減少させる)ので、共振周波数を増加させる傾向がある。従って、共振周波数に対する影響が大幅に打ち消されるように、内側５ａ、５ｃのスロットと、外側５ｂ、５ｄのスロットの位置を定めることができる。スロット５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの４つの列を組み込むと、Ｑ_ＴＨを最適化する更なる機会を明らかに与える(即ち、短い緩和経路をより短くし、長い緩和経路をより長くすることができる)。

【0031】

上述の２つの例示的な実施形態は、シリコンリング構造におけるＱ_ＴＥを大きくする特定の設計を表わしている。現在の発明の範囲内に、設計変更のかなりの可能性があることが、当業者に分かるであろう。これは、スロットの、数と、角度範囲と、間隔と、半径方向の位置と、を含む。共振周波数の摂動（perturbation）を補うために、リングのリムの幅を調節することによって、運動エネルギ密度と歪みエネルギ密度の影響を一致させる条件は、ある程度緩和され得る。

【0032】

更に、上述の実施形態は、シリコンリング構造として形成されている共振器に関連しているが、共振器は、任意の適切な材料から形成され得ることが分かるであろう。更に、共振器は、１つのバルク材料（bulk material）から形成される必要はなく、バルク基板（bulk substrate）上にシリコン又は他の適切な材料を含んでいてもよい。
以下に、本出願時の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[１] 実質的に平らなリング又はたが型の振動共振器１を具備する振動構造を備えている、高い品質係数（Ｑ）を有する、センサであって、
前記共振器１は、
中立軸４を中心にして延在している内側周縁部及び外側周縁部２、３と、
前記共振器１を振動させる駆動手段１２、１３と、
前記共振器１を支持する複数の支持手段１０、１１であって、前記センサの回転レートに応じて前記支持手段１０、１１に関連して前記共振器１が動くことを可能にするように、実質的に非減衰の発振モードで前記駆動手段１２、１３に応じて前記共振器１を振動させる、前記複数の支持手段１０、１１と、
を具備し、
前記共振器１は、
前記共振器１の前記中立軸４の内側の、第１の一連の半径方向に配置されている複数のスロット５ａと、
前記中立軸４の外側の、第２の一連の半径方向に配置されている複数のスロット５ｂと、
を含み、
前記第１と第２の一連の半径方向に配置されている複数のスロット５ａ、５ｂを、前記共振器１の前記中立軸４に関連して同軸に配置し、その結果、前記複数のスロット５を配置することが、前記共振器１の共振周波数に影響を及ぼすことなく、前記共振器１の熱緩和経路の長さを調整し、それによって前記共振器１の前記Ｑ係数を上げる、センサ。
[２] 運動エネルギ密度と歪みエネルギ密度が等しく、その結果、前記共振器１の剛性に対する影響が、前記共振器１の質量に対する影響にほぼ等しい、前記共振器１上の位置に、前記複数のスロット５が半径方向に配置されている、付記[１]に記載のセンサ。
[３] 前記共振器１は、前記共振器１の前記中立軸４の内側と外側に配置されている、更なる一連の複数のスロット５ｃ、５ｄを含む、付記[１]又は[２]に記載のセンサ。
[４] 前記一連の複数のスロット５は、一連の接続されたより薄い複数のリングセグメント６の形成をもたらし、
前記一連の接続されたより薄い複数のリングセグメントの長さと厚さは、ｃｏｓ２θのモードで発振しているときに、前記一連の接続されたより薄い複数のリングセグメントが前記共振器１の前記剛性よりも堅くなるようにされており、
前記共振器１が前記ｃｏｓ２θのモードで振動しているときに、前記一連の接続されたより薄い複数のリングセグメント６は、均一構造の一部のように実質的に振る舞う、付記[１]乃至[３]の何れか１項に記載のセンサ。
[５] 前記一連の接続されたより薄い複数のリングセグメント６の弓形の角度は、５度以下であり、
何れかの一連のものの中の隣接するスロット５間の間隔は、２度以上である、付記[４]に記載のセンサ。
[６] 前記共振器１の前記共振周波数又は減衰において引き起こされる不均衡を回避するために、一次と二次のｃｏｓ２θのモード形状に対する結果として生じる影響が等しくなるように、前記複数のスロットは一様な設計を有する、付記[１]乃至[５]の何れか１項に記載のセンサ。
[７] 前記複数のスロット５ａと５ｂは、
前記中立軸４から同じ半径方向の距離に配置されており、
同じ角度範囲と間隔を有しており、
前記共振器１の周囲に等角度で配置されている、付記[６]に記載のセンサ。
[８] 前記複数のスロット５ｃと５ｄは、
前記中立軸４から同じ半径方向の距離に配置されており、
同じ角度範囲と間隔を有しており、
前記共振器１の周囲に等角度で配置されている、付記[６]に記載のセンサ。
[９] 熱緩和経路の長さがより長くなるように、前記共振器１の前記中立軸の内側の前記複数のスロット５の位置は、前記共振器１の前記中立軸４の外側の前記複数のスロット５に対して、互い違いにされている、付記[１]乃至[８]の何れか１項に記載のセンサ。
[１０] 平らなリング又はたが型の共振器１を有するセンサの品質係数Ｑを改善する方法であって、
前記方法は、前記共振器１に複数のスロットを形成するステップを含み、
前記複数のスロット５が前記共振器１の共振周波数に影響を及ぼさないように、前記複数のスロットは、前記共振器１の前記中立軸に対して外側と内側に、同軸で配置されている、方法。
[１１] 前記共振器１の共振周波数又は減衰において引き起こされる不均衡を回避するために、一次と二次のｃｏｓ２θモード形状に対する、結果として生じる影響が等しくなるように、前記複数のスロット５を一様な設計で形成するステップを更に含む、付記[９]に記載の方法。
[１２] 前記中立軸４から同じ半径方向の距離に前記複数のスロット５を配置するステップを更に含み、
前記複数のスロットは、同じ角度範囲と間隔を有しており、
前記複数のスロットは、前記共振器１の周囲に等角度で配置されている、付記[９]又は[１０]に記載の方法。
[１３] 添付の複数の図面のうちの図６と７とを参照して上述に記載されているセンサ又は方法。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】