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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-02-27
(54)【発明の名称】平面構造を有する振動ジャイロメータ
(51)【国際特許分類】
G01C 19/5642 20120101AFI20240219BHJP
【ＦＩ】
G01C19/5642
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023550239
(86)(22)【出願日】2022-03-01
(85)【翻訳文提出日】2023-08-21
(86)【国際出願番号】 FR2022050368
(87)【国際公開番号】W WO2022189730
(87)【国際公開日】2022-09-15
(31)【優先権主張番号】2102249
(32)【優先日】2021-03-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】518023164
【氏名又は名称】オフィス ナショナル デテュード エ ドゥ ルシェルシュ アエロスパシアル
(74)【代理人】
【識別番号】110000338
【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ
(72)【発明者】
【氏名】ル トゥラオン，オリヴィエ
(72)【発明者】
【氏名】ルヴィ，ラファエル
(72)【発明者】
【氏名】ゲラール，ジャン
(72)【発明者】
【氏名】ペリエ，トマ
【テーマコード（参考）】
2F105
【Ｆターム（参考）】
2F105AA02
2F105BB01
2F105CC04
(57)【要約】
慣性角度位置センサは、センサの感知軸（Ａ－Ａ）の周りに対称に配置された、少なくとも３つの同等の共振器（Ｒ１～Ｒ３）を備える。その結果、前記センサによって構成されたジャイロメータは、積分機能を有する。前記センサは、各共振器の振動部分を、センサの他の全ての共振器の振動部分に接続する接続要素（Ｅｃ）をさらに備える。慣性角度位置センサの好適な構成は、高感度および低製造コストを伴う積分ジャイロメータを得ることを可能にする。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
慣性角度位置センサ（１０１～１０７）であって、感知軸（Ａ－Ａ）と称される軸の周りに対称に配置されており、かつ、前記感知軸の周りの２π／ｎの回転に対して不変である、少なくとも３つの同等な共振器（Ｒ１～Ｒ３；Ｒ１～Ｒ４）を含んでおり、
ｎは、前記センサの共振器の数であり、
前記センサが振動の少なくとも２つの縮退モードを有するように、ｎ個の前記共振器（Ｒ１～Ｒ３；Ｒ１～Ｒ４）が互いに接続されることにより、前記感知軸（Ａ－Ａ）の周りの前記センサの回転を特性決定することが可能であり、
各共振器（Ｒ１～Ｒ３；Ｒ１～Ｒ４）は、平坦かつ平行な２つの対向する面を有するウェハのそれぞれの部分を含んでおり、
各共振器に専用のウェハ部分は、前記共振器の振動部分と称され、前記センサの使用時に曲げ振動するように設計されており、
前記ウェハは、前記センサのｎ個の前記共振器（Ｒ１～Ｒ３；Ｒ１～Ｒ４）に共通であり、
前記センサは、各共振器（Ｒ１～Ｒ３；Ｒ１～Ｒ４）の前記振動部分を、前記センサのｎ個の前記共振器の内の他の全ての前記振動部分に接続する接続要素（Ｅｃ）をさらに含んでおり、
前記接続要素も、前記感知軸（Ａ－Ａ）の周りの２π／ｎの回転に対して不変であり、
ｎ個の前記共振器の前記振動部分は、前記接続要素の周りに角度的に分布しており、
各共振器（Ｒ１～Ｒ３；Ｒ１～Ｒ４）の前記振動部分は、前記共振器に専用の足部（Ｐｄ）と称される前記ウェハの中間的なセグメントによって、前記振動部分および前記接続要素（Ｅｃ）の外部に位置している前記センサの支持部（Ｐｆ）に接続されており、
前記足部は、前記振動部分と一体化されており、かつ、前記支持部と前記振動部分との間の接続部を形成しており、
各共振器（Ｒ１～Ｒ３；Ｒ１～Ｒ４）について、
前記共振器の前記振動部分は、
前記ウェハの両面と平行であり、かつ、前記両面から等距離にある、中央平面と称される第１対称平面と、
前記中央平面に直交しており、かつ、前記支持部と前記振動部分との間に位置する前記足部（Ｐｄ）によって形成された前記接続部を長手方向に通過する、前記ウェハに直交する対称平面と称される第２対称平面と、を有しており、
前記中央平面と前記ウェハに直交する対称平面との共通部分は、前記振動部分の中心軸（Ｘｍ）を成しており、
前記振動部分は、それぞれが曲げ振動するように設計されている２つの延在部（Ｐ１，Ｐ２）を含んでおり、
２つの前記延在部は、前記足部（Ｐｄ）から、前記ウェハに直交する対称平面の各側に対称的に延在しており、
各延在部（Ｐ１，Ｐ２）には、前記ウェハに直交する対称平面から前記延在部の遠位端に向かうが、前記遠位端に達することなく、前記中央平面に直交して前記振動部分を通過する長手方向のスロット（ＦＬ１，ＦＬ２）が設けられており、
各延在部は、蛇行形状であり、
両方の延在部（Ｐ１，Ｐ２）のそれぞれの前記スロット（ＦＬ１，ＦＬ２）は、前記ウェハに直交する対称平面に対して対称であり、かつ、前記ウェハに直交する対称平面において交わり、
前記振動部分は、２つのプライマリセグメント（Ｌ１ｅｘｔ，Ｌ２ｅｘｔ）と、２つのセカンダリセグメント（Ｌ１ｉｎｔ，Ｌ２ｉｎｔ）とを含んでおり、
２つの前記プライマリセグメントのそれぞれは、前記足部（Ｐｄ）を前記延在部のうちの１つの遠位端に接続し、
２つの前記セカンダリセグメントは、前記ウェハに直交する対称平面において前記セカンダリセグメントのそれぞれの近位端によって相互接続されており、
２つの前記セカンダリセグメントのそれぞれは、前記延在部のうちの１つの遠位端に向かって延在しており、前記遠位端において前記プライマリセグメントのうちの１つに接続されており、
前記感知軸（Ａ－Ａ）の周りの回転を特性決定することを可能にする前記センサにおける両方の縮退モードについて、
各共振器の前記振動部分は、前記中央平面と平行であり、かつ、前記ウェハに直交する対称平面に対して対称な動きのみを伴っており、
両方のプライマリセグメント（Ｌ１ｅｘｔ，Ｌ２ｅｘｔ）は、振動中の各時点において、前記中心軸（Ｘｍ）に平行な瞬時速度成分を有しており、
前記瞬時速度成分の方向は、前記中心軸（Ｘｍ）に平行な前記セカンダリセグメント（Ｌ１ｉｎｔ，Ｌ２ｉｎｔ）の瞬時速度成分の方向とは逆である、センサ。
【請求項2】
前記接続要素（Ｅｃ）は、前記ウェハに形成されたパターンによって構成されており、かつ、各共振器（Ｒ１～Ｒ３；Ｒ１～Ｒ４）の前記振動部分と一体化されている、請求項１に記載のセンサ。
【請求項3】
各共振器（Ｒ１～Ｒ３；Ｒ１～Ｒ４）について、前記中央平面に平行であり、かつ、前記ウェハに直交する対称平面に対して対称な動きのみを伴う前記センサの振動の各縮退モードが、前記センサに、前記中心軸（Ｘｍ）に平行な前記足部（Ｐｄ）のいかなる動きをも生じさせないように、前記振動部分が質量分布を有している、請求項１または２に記載のセンサ。
【請求項4】
各共振器（Ｒ１～Ｒ３）の各延在部（Ｐ１，Ｐ２）は、前記延在部の遠位端において、前記中央平面に平行に、前記延在部の前記プライマリセグメント（Ｌ１ｅｘｔ，Ｌ２ｅｘｔ）および前記セカンダリセグメント（Ｌ１ｉｎｔ，Ｌ２ｉｎｔ）の外側の長手方向のエッジに対する拡張部を有している、請求項１から３のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項5】
前記接続要素（Ｅｃ）は、前記セカンダリセグメント（Ｌ１ｉｎｔ，Ｌ２ｉｎｔ）の相互接続された近位端において、前記共振器の中心軸（Ｘｍ）と平行に、かつ、前記共振器の足部（Ｐｄ）とは反対側の前記振動部分の側において、各共振器（Ｒ１～Ｒ３；Ｒ１～Ｒ４）の前記振動部分に接続されている、請求項１から４のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項6】
前記ウェハの材料は、単結晶であり、三方晶系に属しており、かつ、圧電性を有しており、各共振器（Ｒ１～Ｒ３；Ｒ１～Ｒ４）について、
前記振動部分の前記中心軸（Ｘｍ）は、前記材料の軸Ｘｃに平行であり、
前記振動部分の両方の前記プライマリセグメント（Ｌ１ｅｘｔ，Ｌ２ｅｘｔ）および両方の前記セカンダリセグメント（Ｌ１ｉｎｔ，Ｌ２ｉｎｔ）は、前記材料の軸Ｙｃに平行である、請求項１から５のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項7】
各共振器（Ｒ１～Ｒ３；Ｒ１～Ｒ４）の前記振動部分の両方の延在部（Ｐ１，Ｐ２）が、６０°、９０°、または１８０°に等しい角度（α）を当該延在部間に成している、請求項１から６のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項8】
振動の前記縮退モードのうちの第１縮退モードに従って、ｎ個の前記共振器（Ｒ１～Ｒ３；Ｒ１～Ｒ４）の前記振動部分の曲げ歪みを生じさせる励起手段と、振動の前記第１縮退モードとは異なる、振動の別の縮退モードに従って、前記センサの振動振幅を測定する検出手段と、をさらに備えている、請求項１から７のいずれか１項に記載のセンサ。
【請求項9】
慣性角度位置センサを備えているジャイロメータであって、前記センサは、請求項１から８のいずれか１項に記載のセンサである、ジャイロメータ。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【0001】
［技術分野］
本発明は、慣性角度位置センサ、および、当該センサを備えるジャイロメータに関する。本発明は、平面構造を有するジャイロメータについての複数のモデルを提供する。当該平面構造は一体的（統合的）なエッチングプロセスによって製造可能であり、当該平面構造のそれぞれが、積分ジャイロメータの機能を提供する。本発明は、クオーツ（石英）結晶などの圧電材料、および、マイクロシステムの分野において一般的な他の結晶材料（例：シリコン）の両方に適用される。
本発明は、慣性角度位置センサ、および、当該センサを備えるジャイロメータに関する。本発明は、平面構造を有するジャイロメータについての複数のモデルを提供する。当該平面構造は一体的（統合的）なエッチングプロセスによって製造可能であり、当該平面構造のそれぞれが、積分ジャイロメータの機能を提供する。本発明は、クオーツ（石英）結晶などの圧電材料、および、マイクロシステムの分野において一般的な他の結晶材料（例：シリコン）の両方に適用される。
【0002】
［先行技術］
既知の通り、少なくとも２つの個別の振動モードを有する少なくとも１つの振動部分からジャイロメータを形成することが可能である。この場合、これら２つのモードは、少なくとも１つの振動部分に加えられる回転によって互いにカップリング（結合）されうる。そこで、ジャイロメータは、（少なくとも１つの）振動部分に加えて、（ｉ）２つの振動モードのうちの一方（パイロットモードと称される）を励起するための手段と、（ｉｉ）他方のモード（センシングモードと称される）における振動の振幅を検出するための手段と、を備える。
既知の通り、少なくとも２つの個別の振動モードを有する少なくとも１つの振動部分からジャイロメータを形成することが可能である。この場合、これら２つのモードは、少なくとも１つの振動部分に加えられる回転によって互いにカップリング（結合）されうる。そこで、ジャイロメータは、（少なくとも１つの）振動部分に加えて、（ｉ）２つの振動モードのうちの一方（パイロットモードと称される）を励起するための手段と、（ｉｉ）他方のモード（センシングモードと称される）における振動の振幅を検出するための手段と、を備える。
【0003】
積分ジャイロメータと称される物品においては、直接的に測定される値は、回転速度ではなく、ガリレオ基準系に対してジャイロが回転した回転角度に対応する値である。この動作原理は、「本体の振動の慣性」として知られており、１８５１年にレオン・フーコーによって振子を用いて実証された。このことは、ギュスターヴ・コリオリによって明らかにされた慣性力が、振動のいかなる好ましい軸をも有しない１つ以上の共振器に作用する場合には、当該慣性力の結果的な表現に関する。角速度を時間積分した結果を直接的に測定することは、高度に動的な用途において、かつ、角偏差に関する情報が必須である場合には、非常に有益でありうる。例えば、特に慣性ナビゲーションの用途では、このことが当てはまる。
【0004】
ロード・ブライアンによる１８９２年の論文「"On a revolving cylinder or bell", Proceedings of the Cambridge Philosophical Society, Volume VII, October 28, 1889 - May 30, 1892」によって理論化された通り、上述の周知の積分ジャイロメータは、半球状の共振器またはベルを使用する。当該共振器の構成の場合、回転は、共振器における縮退している２つのモード間の振動エネルギーの部分的な伝達に起因する、共振器振動の部分的な同調を生じさせる。
【0005】
既知の通り、２つの振動モードが、（ｉ）共振器の幾何学的な歪み（変形）の個別のカテゴリに対応しているが、（ｉｉ）同じ振動周波数値を有している場合に、当該２つの振動モードが縮退していると称される。本明細書全体を通じて、共振器または慣性角度位置センサの振動モードは、単にその固有振動モードの１つとして表記されている。すなわち、外部干渉がない場合には、このモードでのプロセスにおける振動は、共振器またはセンサの別の固有振動モードと混合することなく継続する。ジャイロメータの場合、２つの固有モード間のカップリングを生じさせるのは、コリオリ力である。その結果、２つの固有モードのうちの１つに従って励起される振動は、他の固有モードに部分的にまたは完全に伝達される。振動エネルギーのこの伝達の強度は、回転速度の測定値をもたらす。あるいは、積分ジャイロメータの場合には、当該強度は回転角度の測定値をもたらす。
【0006】
積分ジャイロメータの別の例は、曲げ振動するように設計（意図）されている梁に基づいている。この梁は、等方性材料によって作成されており、かつ、互いに異なる少なくとも２つの曲げ方向においてその曲げ慣性が同等となるような断面を有している。特に、梁の断面が、円形、正方形、または二等辺三角形である場合、より一般的には、当該梁が、矩形（長方形）断面を有する梁とは対照的に、曲げ振動の好ましい軸を有していない場合には、このことが当てはまる。（ｉ）梁または支持体内への埋込物における何らかの非対称性は、所望の効果を損なわせるおそれがあること、および、（ｉｉ）振動の慣性を得るためには、振動部分は外界から隔離されていると見なされなければならないことを、読者は理解できるであろう。このことは、当該振動が振動部分の取付状態に依存しないことを意味する。さらに、振動部分の材料は、考慮されている振動に適した対称性を有していることが必要でありうる。
【0007】
マイクロシステムの形態をとる共振器の場合、平面構造が必要である。これにより、ジャイロメータにおける（１つ以上の）共振器を形成するために選択された材料のウェハに基づく一体的な製造プロセスによって、当該共振器を容易に具現化できる。従来では、この材料は、単結晶または多結晶のシリコン、あるいはクオーツ結晶である。
【0008】
シリコンベース（シリコン系）の共振器では、静電力を使用することによって質量体の動きが設定されることが通常である。そして、移動部と固定部との間に形成された少なくとも１つのキャパシタに対してなされるキャパシタンス測定によって、このように生じた動きが検出されることが通常である。
【0009】
圧電材料によって作成されている共振器の場合、圧電効果による振動の有用な励起、および、検出される有用な信号は、動き（運動）にはもはや由来しておらず、機械的な応力または歪みに由来している。その結果、応力および歪みが共振器の拡張領域に亘って分布している共振器構造は、応力および歪みがスプリング（バネ）として作用する材料の部分にのみ存在している、当該スプリングに関連する非変形可能な慣性質量体の形態をとる構造に比べて圧電材料に適している。
【0010】
論文「"The theory of a piezoelectric disc gyroscope", J.S. Burdess et al., IEEE Transactions on Aerospace And Electronic Systems, 1986, Volume: AES-22, issue 4」では、平面構造を有しており、かつ、圧電材料によって作成されている積分ジャイロメータが提案されている。当該論文において考慮されている共振器は、ディスク（円板）形状を有している。当該共振器の振動の２つの縮退モードは、励起電極および検出電極の設計によって選択される。振動電子回路は、共振器がディスクに直交する軸回転に供される場合に、振動の自然な（本来の）歳差運動に追従することを可能にする。このジャイロの主な欠点は、取付状態に対する共振器の多大な感度から生じる。すなわち、ディスクの中心に位置する取付領域は、共振器の効果的な取り付けを可能にするために、十分に大きくなければならない。ただし、当該取付領域は、振動の２つの有用なモードの周波数および減衰を大きく変化させる。ほとんどの場合、取付領域は、２つのモードの縮退における損失を引き起こし、積分ジャイロメータとして機能することを困難にするか、あるいは不可能にしさえする。例えば、ＦＲ２，７２３，６３５では、より高次のモードを使用することによる改善が提案されているが、環境から共振器を十分に隔離することが実現されていない。
【0011】
ＵＳ７，０４０，１６３に記載の通り、静電力による励起のための手段、および、振動モードの容量性検出のための手段、の挿入を可能にする開口ディスクを提案することによって、共振器に応じたディスク形状もシリコン材料と共に使用されていた。しかし、圧電材料によって作成されたディスクに当てはまることであるが、中心への取り付けでは、振動モードの十分な縮退を実現できない。そして、中心への取り付けは、複雑かつ高価なバランシングおよび／または電子補償技術を用いることを要する。
【0012】
論文「"Flat is not dead: current and future performance of Si-MEMS Quad Mass Gyro (QMG) system", A.A. Trusov et al., DOI: 10.1109/PLANS.2014.6851383」に記載の通り、他の振動構造は、（ｉ）剛体と、（ｉｉ）質量体間の接続手段と、に接続された非変形可能な質量体を実装している。当該論文に記載されている構造は、逆位相の運動を強制するために、レバーのシステムによってペアで互いに接続された４つの質量体によって構成されている。ただし、これらのレバーは製造が複雑であり、構造体の平面内の振動モード間での対称性を得るためには高いレベルの製造精度を要する。したがって、この構造は、特に静電剛体を加えることによって、有用なモードをバランシングする補助システムを導入することを要する。
【0013】
文献ＣＮ１０６，４４１，２６１Ａは、内側リングおよび外側リングに接続された４つの振動質量体を備えたマイクロメカニカルジャイロを記載している。これらの内側リングへの接続は、レバーによって行われている。ジャイロ全体は、９０°の回転に対して不変である。
【0014】
［技術的課題］
この状況に基づいて、本発明の目的は、積分ジャイロメータのための新規な慣性角度位置センサを提供することにある。上述の通り、当該ジャイロメータは、従来のセンサの欠点の少なくとも一部に関して改善される。
この状況に基づいて、本発明の目的は、積分ジャイロメータのための新規な慣性角度位置センサを提供することにある。上述の通り、当該ジャイロメータは、従来のセンサの欠点の少なくとも一部に関して改善される。
【0015】
本発明の副次的な目的は、クオリティファクタ（品質係数）値の増大をもたらし、かつ、２つの縮退モードをより容易に得るために、外部への振動エネルギー損失が低減されるセンサを提供することにある。
【0016】
本発明の別の副次的な目的は、ウェットケミカルエッチングプロセスによってセンサが製造される場合に、当該センサの形状に影響を及ぼしうる対称性欠陥を低減することにある。ウェットケミカルエッチングプロセスは、センサを形成するために使用される材料の異なる結晶方位間に存在するエッチング速度の差異に起因した、低コストの製造プロセスである。
【0017】
［発明の概要］
これらの目的または他の目的のうちの少なくとも１つを実現するために、本発明の第１の態様は、新規な慣性角度位置センサを提案している。前記センサは、感知軸と称される軸の周りに対称に配置された少なくとも３つの同等な共振器を備える。当該共振器は、この感知軸の周りの２π／ｎの回転に対して不変である。ｎはセンサの共振器の数である。ｎ個の共振器は、センサが振動の少なくとも２つの縮退モードを有するように互いに接続されている。これにより、センサの感知軸周りの回転を特性決定することが可能とする。
これらの目的または他の目的のうちの少なくとも１つを実現するために、本発明の第１の態様は、新規な慣性角度位置センサを提案している。前記センサは、感知軸と称される軸の周りに対称に配置された少なくとも３つの同等な共振器を備える。当該共振器は、この感知軸の周りの２π／ｎの回転に対して不変である。ｎはセンサの共振器の数である。ｎ個の共振器は、センサが振動の少なくとも２つの縮退モードを有するように互いに接続されている。これにより、センサの感知軸周りの回転を特性決定することが可能とする。
【0018】
本発明のセンサの第１の構成によれば、各共振器は、平坦かつ平行な２つの対向する面を有するウェハのそれぞれの部分を含んでいる。各共振器に専用のウェハ部分は、センサの使用時に振動するように設計されており、当該共振器の振動部分と称される。さらに、ウェハは、センサのｎ個の共振器に共通である。
【0019】
本発明のセンサの第２の構成によれば、各振動部分は、センサの使用時に曲げ振動するように設計されている。
【0020】
最後に、本発明のセンサの第３の構成によれば、センサは接続要素をさらに備えている。接続要素は、各共振器の振動部分を、当該センサのｎ個の共振器の内の他の全ての振動部分に接続する。接続要素も、感知軸の周りの２π／ｎの回転に対して不変である。ｎ個の共振器の振動部分は、接続要素の周りに角度的に分布している。
【0021】
本発明のセンサは、ｎ個の共振器のそれぞれの振動部分を形成するように設計されている、ウェハに基づく一体的な製造プロセスを使用して、工業的に低コストで製造されうる。
【0022】
加えて、本発明の慣性角度位置センサは、振動の２つの縮退しているモードを有しているので、積分ジャイロメータの構成要素の一部であることに適している。当該振動の２つのモードでは、当該センサが受けるガリレオ基準系に対する感知軸の周りの回転によって、振動エネルギーが一方のモードから別のモードへと伝達されやすい。より正確には、センサを形成する個別の共振器の数の値（３以上）は、振動の縮退モードのペアの存在を、当該縮退モード間でエネルギーを伝達する感知軸の周りの回転の可能性と組み合わせることを可能にする。上述の通り、縮退している２つのモードは、共通の振動周波数値を有している。ただし、センサは、振動の２つの縮退モードにそれぞれ関連する、複数の振動周波数値を有していてもよい。
【0023】
最後に、本発明のセンサの接続要素は、センサの感知軸の周りの２π／ｎの回転に対して不変であるので、測定されるべき感知軸の周りの回転について、振動の２つの縮退モード間で振動エネルギーを伝達する場合に、良好な効率を保証しつつ、共振器のセットの振動における２つのモード間の縮退を維持できる。したがって、センサは、当該センサが組み込まれたジャイロメータに、高い検出感度および測定感度をもたらす。
【0024】
好ましくは、センサにおける共振器の数ｎは、８以下である。
【0025】
好ましくは、各振動部分は、センサの使用時に、ウェハの面に平行に曲げ振動するように設計されていてもよい。
【0026】
好ましくは、接続要素は、センサの共振器のそれぞれの振動部分と一体的に（一体化されて）ウェハ内に形成されたパターンから構成されていてもよい。
【0027】
本発明の第４の構成によれば、各共振器の振動部分は、足部と称されるウェハの中間的なセグメント（部分）によって、振動部分および接続要素の外部に位置しているセンサの支持部に接続される。足部は、振動部分と一体化されており、振動部分と支持部分との間の接続部を形成する。そして、各共振器について、下記の通りである。
【0028】
この共振器の振動部分は、（ｉ）ウェハの両面と平行であり、かつ、これらの２つの面から等距離にある第１対称平面（中央平面と称される）と、（ｉｉ）中央平面に直交しており、かつ、支持部分と振動部分との間に位置する足部によって形成された接続部を長手方向に通過する第２対称平面（ウェハに直交する対称平面と称される）と、を有している：
（ｉ）中央平面と、（ｉｉ）ウェハに直交する対称平面と、の共通部分（交点）は、振動部分の中心軸を成している：
振動部分は、２つの延在部を有する。２つの延在部のそれぞれは、曲げ振動するように設計されている。これらの２つの延在部は、足部から、ウェハに直交する対称平面の各側に対称的に延在している：
各延在部には、長手方向のスロットが設けられている。当該スロットは、ウェハに直交する対称平面からこの延在部の遠位端に向かうが、当該遠位端に達することなく、中央平面と直交するように振動部分を通過する。その結果、各延在部は蛇行形状である：
両延在部のそれぞれのスロットは、ウェハに直交する対称平面に対して対称であり、ウェハに直交するこの対称平面において交わる。その結果、振動部分は、２つのプライマリセグメント（１次セグメント）と、２つのセカンダリセグメント（２次セグメント）とを備える。２つのプライマリセグメントは、足部を延在部のうちの１つの遠位端にそれぞれ接続する。２つのセカンダリセグメントは、ウェハに直交する対称平面において、当該セカンダリセグメントのそれぞれの近位端によって相互接続されている。２つのセカンダリセグメントのそれぞれは、延在部のうちの１つの遠位端へと延在しており、その遠位端においてプライマリセグメントのセグメントのうちの１つに接続されている。
（ｉ）中央平面と、（ｉｉ）ウェハに直交する対称平面と、の共通部分（交点）は、振動部分の中心軸を成している：
振動部分は、２つの延在部を有する。２つの延在部のそれぞれは、曲げ振動するように設計されている。これらの２つの延在部は、足部から、ウェハに直交する対称平面の各側に対称的に延在している：
各延在部には、長手方向のスロットが設けられている。当該スロットは、ウェハに直交する対称平面からこの延在部の遠位端に向かうが、当該遠位端に達することなく、中央平面と直交するように振動部分を通過する。その結果、各延在部は蛇行形状である：
両延在部のそれぞれのスロットは、ウェハに直交する対称平面に対して対称であり、ウェハに直交するこの対称平面において交わる。その結果、振動部分は、２つのプライマリセグメント（１次セグメント）と、２つのセカンダリセグメント（２次セグメント）とを備える。２つのプライマリセグメントは、足部を延在部のうちの１つの遠位端にそれぞれ接続する。２つのセカンダリセグメントは、ウェハに直交する対称平面において、当該セカンダリセグメントのそれぞれの近位端によって相互接続されている。２つのセカンダリセグメントのそれぞれは、延在部のうちの１つの遠位端へと延在しており、その遠位端においてプライマリセグメントのセグメントのうちの１つに接続されている。
【0029】
センサの共振器のそれぞれの振動部分の上記構成によれば、感知軸の周りの回転を特性決定することを可能にするセンサの振動の両方の縮退モードについて、この振動部分は、中央平面に平行であり、かつ、ウェハに直交する対称平面に対して対称な動きのみを伴う。さらに、両方のプライマリセグメントは、振動中の各時点において、中心軸と平行な瞬時速度成分を有する。当該瞬時速度成分の方向は、セカンダリセグメントの瞬時速度成分の方向とは逆である。セカンダリセグメントの瞬時速度成分も、中心軸と並行である。これらの正反対の速度の向きは、それらに関連する運動量成分の一部が、各共振器について互いに少なくとも部分的に補償することを可能にする。それゆえ、振動部分によってこの共振器の足部に伝達される動きが低減される。その結果、共振器は、低い振動エネルギー損失を有する。それゆえ、そのクオリティファクタは高くなりうる。このため、２つの縮退振動モードのそれぞれに有効なセンサのクオリティファクタも高い。
【0030】
有益であることに、各共振器について、中央平面に平行であり、かつ、ウェハに直交する対称平面に対して対称な動きのみを伴うセンサの振動の各縮退モードは、考慮されている共振器に、中心軸に平行な足部のいかなる動きをも生じさせないよう、振動部分は質量分布を有していてもよい。言い換えれば、考慮されている共振器の中心軸に平行な各振動部分の運動量成分の補償は、精密（正確）またはほぼ精密でありうる。この場合、共振器の足部を通じた振動エネルギー損失は、ゼロまたはほぼゼロである。このため、振動の２つの縮退モードに対するセンサのクオリティファクタは、非常に高くなりうる。加えて、足部に上記動きを生じさせないことにより、センサを、対称性欠陥に対して低感度にすることができる。当該対称性欠陥は、外部基部への取り付け時に生じることがあり、振動モード間の縮退を排除することがある。
【0031】
各共振器の各延在部は、当該延在部の遠位端において、中央平面に平行に、この延在部のプライマリセグメントおよびセカンダリセグメントの外側の長手方向のエッジ（端部）に対する拡張部を含みうる。当該拡張部は、追加の自由度を提供する。これにより、各振動部分内において、中心軸に平行な運動量成分の補償をもたらすことができる。したがって、足部を通じて動きを伝達しない共振器の設計が容易化される。
【0032】
有益であることに、本発明の好ましい実施形態では、接続要素は、共振器の中心軸と平行に、かつ、足部とは反対側の振動部分の側で、セカンダリセグメントの相互接続された近位端において、各共振器の振動部分に接続されていてもよい。センサの上記構成は、振動の２つの縮退モードにおいて測定されるべき回転によって生じる振動エネルギーの伝達を増大させる。したがって、センサの感度はさらに高くなる。
【0033】
有益であることに、ウェハ材料は、単結晶であってよく、三方晶系に属していてよく、かつ、圧電性を有していてもよい。この場合、上述した本発明の好適な実施形態の各共振器について、振動部分の中心軸は、材料の軸Ｘｃに平行でありうる。そして、この振動部分のプライマリセグメントおよびセカンダリセグメントの両方は、材料の軸Ｙｃに平行でありうる。言い換えれば、各振動部分の両方の延在部のうちの一方は結晶軸Ｙｃ＋に平行であってよく、他方は結晶軸Ｙｃ－に平行であってよい。このため、それらの延在部は、６０°（度）に等しい角度を当該延在部間に成している。したがって、各センサ共振器は、センサパターンをウェハ内にエッチングするためのウェットケミカルエッチングプロセスを使用して直接的に製造されるので、対称的になりうる。特に、ウェハは、（ｉ）αクオーツ結晶（α－ＳｉＯ２）によって作成されてもよいし、（ｉｉ）オルトリン酸ガリウム（ＧａＰＯ４）、酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２）、ヒ酸ガリウム（ＧａＡｓＯ４）などの三方晶系クラス３２の任意の他の結晶によって作成されてもよいし、あるいは、（ｉｉｉ）ＬＧＸファミリの結晶、すなわち、ランガサイト（ＬＧＳ、すなわちＬａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）、ランガテイト（ＬＧＴ、すなわちＬａ３Ｇａ５，５ＴａＯ，５Ｏ１４）、またはランガナイト（ＬＧＮ、すなわちＬａ３Ｇａ５，５ＮｂＯ，５Ｏ１４）によって作成されてもよい。
【0034】
あるいは、各振動部分の両方の延在部は、９０°または１８０°に等しい角度を当該延在部間に成していてもよい。
【0035】
一般的には、本発明におけるセンサは、
－センサの振動の複数の縮退モードのうちの第１モードに従って、ｎ個の共振器の振動部分の曲げ歪みを生じさせるように適合化された励起手段と、
－第１振動縮退モードとは異なる別の振動の縮退モードに従ってセンサの振動振幅を測定するように適合化された検出手段と、
をさらに有している。
－センサの振動の複数の縮退モードのうちの第１モードに従って、ｎ個の共振器の振動部分の曲げ歪みを生じさせるように適合化された励起手段と、
－第１振動縮退モードとは異なる別の振動の縮退モードに従ってセンサの振動振幅を測定するように適合化された検出手段と、
をさらに有している。
【0036】
最後に、本発明の第２の態様は、本発明の第１の態様に係るセンサを備えるジャイロメータに関する。当該ジャイロメータの機能は、振動の２つの縮退モード間のコリオリ力によって生じるカップリングを使用する。そのタイプは、積分ジャイロメータである。
【0037】
［図面の簡単な説明］
本発明の構成および利点は、添付の各図面を参照することにより、複数の非限定的かつ例示的な実施形態の以下の詳細な説明からより明確になるであろう。図面は、下記のものを含んでいる：
図１ａは、本発明に係る第１慣性角度位置センサの平面図である；
図１ｂは、図１ａに対応しており、第１慣性角度位置センサにおける振動の第１縮退モードを示す；
図１ｃは、図１ｂに対応しており、第１慣性角度位置センサにおける振動の第２縮退モードを示す；
図２ａは、図１ａに対応しており、本発明に係る第２慣性角度位置センサに関する；
図２ｂは、図１ｂに対応しており、第２慣性角度位置センサに関する；
図２ｃは、図１ｃに対応しており、第２慣性角度位置センサに関する；
図３ａは、図１ａに対応しており、本発明に係る第３慣性角度位置センサに関する；
図３ｂは、図１ｂに対応しており、第３慣性角度位置センサに関する；
図３ｃは、図１ｃに対応しており、第３慣性角度位置センサに関する；
図４ａは、図１ａに対応しており、本発明に係る第４慣性角度位置センサに関する；
図４ｂは、図１ｂに対応しており、第４慣性角度位置センサに関する；
図４ｃは、図１ｃに対応しており、第４慣性角度位置センサに関する；
図５ａは、本発明の好適な実施形態において使用可能な第１共振器モデルを示す平面図である；
図５ｂは、図５ａに対応しており、第１共振器モデルの振動モードにおける歪みを、関連する運動量とともに示す；
図５ｃは、図５ａに対応しており、本発明の他の好適な実施形態において使用可能な第２共振器モデルに関する；
図５ｄは、図５ｂに対応しており、第２共振器モデルに関する；
図６ａは、図１ａに対応しており、図５ａ～図５ｂの第１共振器モデルを使用する本発明に係る第５慣性角度位置センサに関する；
図６ｂは、図１ｂに対応しており、第５慣性角度位置センサに関する；
図６ｃは、図１ｃに対応しており、第５慣性角度位置センサに関する；
図７ａは、図１ａに対応しており、図５ｃ～図５ｄの第２共振器モデルを使用する本発明に係る第６慣性角度位置センサに関する；
図７ｂは、図１ｂに対応しており、第６慣性角度位置センサに関する；
図７ｃは、図１ｃに対応しており、第６慣性角度位置センサに関する；
図８ａは、図１ａに対応しており、本発明に係る第７慣性角度位置センサに関する；
図８ｂは、図１ｂに対応しており、第７慣性角度位置センサに関する；
図８ｃは、図１ｃに対応しており、第７慣性角度位置センサに関する；
図９は、圧電性を有しており、かつ、三方晶系および対称性クラス３２に属する梁材料（例：αクオーツ）の場合に、梁の曲げ振動を励起および検出するために使用可能な圧電カップリングに適した、実現可能な電極構成を示す。
本発明の構成および利点は、添付の各図面を参照することにより、複数の非限定的かつ例示的な実施形態の以下の詳細な説明からより明確になるであろう。図面は、下記のものを含んでいる：
図１ａは、本発明に係る第１慣性角度位置センサの平面図である；
図１ｂは、図１ａに対応しており、第１慣性角度位置センサにおける振動の第１縮退モードを示す；
図１ｃは、図１ｂに対応しており、第１慣性角度位置センサにおける振動の第２縮退モードを示す；
図２ａは、図１ａに対応しており、本発明に係る第２慣性角度位置センサに関する；
図２ｂは、図１ｂに対応しており、第２慣性角度位置センサに関する；
図２ｃは、図１ｃに対応しており、第２慣性角度位置センサに関する；
図３ａは、図１ａに対応しており、本発明に係る第３慣性角度位置センサに関する；
図３ｂは、図１ｂに対応しており、第３慣性角度位置センサに関する；
図３ｃは、図１ｃに対応しており、第３慣性角度位置センサに関する；
図４ａは、図１ａに対応しており、本発明に係る第４慣性角度位置センサに関する；
図４ｂは、図１ｂに対応しており、第４慣性角度位置センサに関する；
図４ｃは、図１ｃに対応しており、第４慣性角度位置センサに関する；
図５ａは、本発明の好適な実施形態において使用可能な第１共振器モデルを示す平面図である；
図５ｂは、図５ａに対応しており、第１共振器モデルの振動モードにおける歪みを、関連する運動量とともに示す；
図５ｃは、図５ａに対応しており、本発明の他の好適な実施形態において使用可能な第２共振器モデルに関する；
図５ｄは、図５ｂに対応しており、第２共振器モデルに関する；
図６ａは、図１ａに対応しており、図５ａ～図５ｂの第１共振器モデルを使用する本発明に係る第５慣性角度位置センサに関する；
図６ｂは、図１ｂに対応しており、第５慣性角度位置センサに関する；
図６ｃは、図１ｃに対応しており、第５慣性角度位置センサに関する；
図７ａは、図１ａに対応しており、図５ｃ～図５ｄの第２共振器モデルを使用する本発明に係る第６慣性角度位置センサに関する；
図７ｂは、図１ｂに対応しており、第６慣性角度位置センサに関する；
図７ｃは、図１ｃに対応しており、第６慣性角度位置センサに関する；
図８ａは、図１ａに対応しており、本発明に係る第７慣性角度位置センサに関する；
図８ｂは、図１ｂに対応しており、第７慣性角度位置センサに関する；
図８ｃは、図１ｃに対応しており、第７慣性角度位置センサに関する；
図９は、圧電性を有しており、かつ、三方晶系および対称性クラス３２に属する梁材料（例：αクオーツ）の場合に、梁の曲げ振動を励起および検出するために使用可能な圧電カップリングに適した、実現可能な電極構成を示す。
【0038】
［発明の詳細な説明］
明瞭化のために、これらの図に示されている各要素の寸法は、実際の寸法には対応していないし、実際の寸法比にも対応していない。特に、図示されている全ての共振器の歪みは、より良好な視認性を目的として誇張された程度まで拡大されている。さらに、異なる図中において示されている同一の参照符号は、同一の要素または測定値、もしくは、同一の機能を有する要素または測定値を示す。
明瞭化のために、これらの図に示されている各要素の寸法は、実際の寸法には対応していないし、実際の寸法比にも対応していない。特に、図示されている全ての共振器の歪みは、より良好な視認性を目的として誇張された程度まで拡大されている。さらに、異なる図中において示されている同一の参照符号は、同一の要素または測定値、もしくは、同一の機能を有する要素または測定値を示す。
【0039】
図９を除く全ての図は、２つの平坦かつ平行な面を有する固体材料のウェハの内部にエッチングされた慣性角度位置センサまたは共振器を示す。これらの図は、ウェハの２つの面に平行であり、これらの２つの面の間に位置しており、かつ、これらの面から等距離に位置している平面における図示である。この平面は、各センサまたは共振器の対称平面であり、中央平面と称される。一体的なエッチングプロセスによって作成される小型のセンサの場合、使用されるウェハの厚さ（当該厚さは上記面に垂直に測定される）は、数マイクロメートルから数ミリメートルまででありうる。
【0040】
図１ａ～図１ｃ、図２ａ～図２ｃ、図３ａ～図３ｃ、および、図４ａ～図４ｃは、各請求項に係る発明に対応していない。また、これらの図に関する説明として示されている部分は、本発明および本発明の利点の理解を容易化することを意図している。
【0041】
図１ａは、４つの共振器を有する（すなわちｎ＝４である）、本発明に係る第１慣性角度位置センサ１０１を示す。当該センサは、正方形の周辺フレームの形態をとる支持部を備える。当該支持部は、参照符号Ｐｆによって示されており、固定部とも称される。この固定部Ｐｆは、センサ１０１をベース（不図示）に固定し、共振器によって担持されている電極（不図示）と電子励起・検出回路（不図示）との間に電気的コンタクトを確立するように設計されている。４つの梁Ｐは、固定部Ｐｆのフレームの内側に、当該フレームの４つの辺に平行に、かつ、当該４つの辺から離間して配置されている。梁Ｐはそれぞれ、自身の２つの対向する端部において、固定部Ｐｆのコーナー（隅部）に位置する２つの足部Ｐｄによって、固定部Ｐｆに接続されている。したがって、足部Ｐｄはそれぞれ、２つの隣接する梁Ｐによって共有されている。次いで、梁Ｐはそれぞれ、自身の２つの端部の間において、中央平面と平行に曲げ振動しうる。したがって、梁Ｐはそれぞれ、個別の共振器を構成する。４つの共振器は、参照符号Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、およびＲ４によって個別に示されている。このように、梁Ｐはそれぞれ、各共振器の振動部分を構成する。センサ１０１は、Ｅｃとして示されている十字形の接続要素をさらに備える。接続要素Ｅｃも、梁Ｐおよび足部Ｐｄと同様に、ウェハの内部にエッチングされている。接続要素Ｅｃのアームの端部は、梁Ｐのそれぞれの中央に１対１で接続されている。このように、固定部Ｐｆ、足部Ｐｄ、梁Ｐ、および接続要素Ｅｃを備えるセンサ１０１の全体は、中央平面に直交しており、かつ、当該センサの中心を通過する軸の周りのπ／２の回転に対して不変である。当該センサは、接続要素Ｅｃの中心点の振動変位に対応する２つの縮退モードを有する。図１ｂに示す通り、第１モードでは、当該振動変位はＸ軸に平行である。また、図１ｃに示す通り、第２モードでは、当該振動変位はＹ軸に平行である。対称性のため、これらの２つのモードは、それぞれ同一の振動周波数値を有しているので、縮退している。さらに、ウェハに直交しており、かつ、センサの中心を通過する軸Ａ－Ａの周りの当該センサの回転によって生じ、接続要素Ｅｃに印加されるコリオリ力は、これらの２つの縮退モードのカップリングをもたらす。このように、センサ１０１の回転は、一方のモードから他方のモードへの振動エネルギーの伝達を生じさせる。したがって、この第１慣性角度位置センサ１０１は、感知軸として軸Ａ－Ａを有する積分ジャイロメータを作成するために適している。
【0042】
図２ａは、３つの共振器を有する（すなわちｎ＝３である）、本発明に係る第２慣性角度位置センサ１０２を示す。この第２センサの設計は、図１ａの第１センサの設計と同様であるが、固定部Ｐｆのフレームの正方形形状が、正三角形形状に置き換えられている。したがって、当該第２センサは、（ｉ）３つの個別の共振器Ｒ１～Ｒ３と、（ｉｉ）３つのアームを有する接続要素Ｅｃと、を備える。共振器Ｒ１～Ｒ３のそれぞれは、固定部Ｐｆに接続された梁Ｐの２つの対向する端部によって形成されている。３つのアームのそれぞれは、自身に隣接するアームから１２０°だけ離間している。接続要素Ｅｃの各アームは依然として、３つの梁Ｐのうちの１つの中央に接続されている。この第２センサ１０２は依然として、振動の２つの縮退モードとして第１モードおよび第２モードを有する。図２ｂに示す通り、第１モードでは、接続要素Ｅｃの中心点は、Ｘ軸に平行な振動運動を伴う。また、図２ｃに示す通り、第２モードでは、接続要素Ｅｃの中心点は、Ｙ軸に平行な振動運動を伴う。したがって、この第２慣性角度位置センサ１０２も、積分ジャイロメータを作成するために適している。
【0043】
ただし、図１ａ～図１ｃおよび図２ａ～図２ｃの２つのセンサでは、振動の両方の縮退モードのそれぞれに関与する運動量は補償されない。そのため、固定部Ｐｆは、共振器のセットおよび接続要素Ｅｃの動きとは逆方向の動きによって移動させられる。固定部Ｐｆに対するこの動きの伝達は、足部Ｐｄを介して生じる。このため、センサは、外部ベースへの固定部Ｐｆの取付条件に対して非常に高い感度を有することになる。特に、これらの取付条件によって引き起こされるＸ軸とＹ軸との間における対称性の損失は、センサの振動の２つの固有モードにおける縮退を妨げる結果をもたらす。この場合、ジャイロはもはや積分器として機能しない。しかしながら、固定部Ｐｆを外部ベースに取り付けるための条件は、（特にこの取り付けが接着剤によって行われる場合には）十分に制御できないことが一般的である。加えて、固定部Ｐｆに伝達される動きは、振動の複数のモードにおいて振動エネルギーの損失を引き起こす。このことは、共振過電圧を生じさせ、ジャイロの感度を低下させる。以降に説明する本発明の改良は、この欠点を克服する。
【0044】
この改良によれば、センサにおける共振器はそれぞれ、個別にバランシングされる。その結果、当該共振器はそれぞれ、固定部Ｐｆから動的に分離される。したがって、各共振器の振動は、自身が接続されている（複数の）足部の運動を引き起こさない。その結果、足部を介した振動エネルギーの損失が生じない。したがって、センサにおける振動の縮退モードは、固定部Ｐｆを外部ベースに取り付ける場合における対称性の欠陥に対して低い感度を有することになる。その結果、センサを組み込んだジャイロメータは、高性能の積分機能を有しうる。言い換えれば、本発明におけるこの改良は、慣性角度位置センサのｎ次の軸対称配置に加えて、内在的にバランシングされた共振器モデルを使用することを含む。
【0045】
上述の通り固定部から分離された共振器は、先行技術によって公知である。先行技術の例としては、（ｉ）特にＵＳ４，２１５，５７０に記載されている両端音叉、および、（ｉｉ）ＦＲ８，４１８，５８７に記載されている両端に慣性質量体を有する単純な両端ブレード、を挙げることができる。
【0046】
言い換えれば、本発明のこの改良は、慣性角度位置センサのｎ次の軸対称配置において内在的にバランシングされた共振器モデルを使用することを含む。
【0047】
図３ａの第３慣性角度位置センサ１０３は、依然として図１ａのセンサの４次（ｎ＝４）の軸対称性を使用している。ただし、当該センサは、両端音叉に基づく共振器モデルを使用している。したがって、共振器Ｒ１～Ｒ４のそれぞれは、互いに平行であり、かつ、当該共振器が接続されている２つの足部Ｐｄの間にそれぞれ延在している２つの梁Ｐ１およびＰ２によって構成されている。好ましくは、共振器Ｒ１～Ｒ４のそれぞれは、梁Ｐ１およびＰ２と各足部Ｐｄとの間に中間領域ＺＩを有している。当該中間領域ＺＩの内部に、２つの梁が埋め込まれている。中間領域ＺＩは、当該中間領域が存在していなければ、梁Ｐ１およびＰ２によって足部Ｐｄに伝達されるであろう残留力を除去する。さらに、この共振器の梁Ｐ１に対する接続要素Ｅｃによって生じる慣性寄与をバランシングさせるために、付加的な慣性質量体ＭＩが、それぞれの共振器の梁Ｐ２にリジッドに接続されている。好ましくは、付加的な慣性質量体ＭＩのそれぞれは、ウェハセグメントによって構成されていてもよい。当該ウェハセグメントの中心は、梁Ｐ２の中心に接続されている。その結果、ウェハセグメントの剛性は変更されない。あるいは、共振器における対称性が損なわれない。次いで、図３ｂおよび図３ｃは、Ｘ軸またはＹ軸にそれぞれ平行な接続要素Ｅｃの動きを伴う、当該センサに対して有効な振動の２つの縮退モードを示す。これらの振動の縮退のモードのそれぞれについて、２つの梁Ｐ１およびＰ２は逆位相で振動し、互いに離れるように移動し、次いで、中央平面に平行なそれぞれの曲げによって互いの方向に向かうように移動する。このため、センサ１０３の各足部Ｐｄには、結果として生じるいかなる力も伝達されない。したがって、センサ１０３の固定部Ｐｆは、２つの縮退モードのそれぞれの振動時に静止したままとなる。このため、ジャイロは、高性能な積分機能を有しうる。
【0048】
図４ａの第４慣性角度位置センサ１０４は、依然として図１ａのセンサの４次（ｎ＝４）の軸対称性を使用している。ただし、この例における当該センサは、ＦＲ８，４１８，５８７に記載されている共振器モデルを使用して、共振器Ｒ１～Ｒ４のそれぞれを形成している。したがって、それぞれの共振器は、２つの慣性質量体ＭＩ１およびＭＩ２を備える。これらの慣性質量体はそれぞれ、ヒンジとして作用するそれぞれの足部Ｐｄによって固定部Ｐｆに接続されている。加えて、慣性質量体ＭＩ１およびＭＩ２は、フレキシブルセグメントＳによって互いに接続されている。それぞれの共振器Ｒ１～Ｒ４が振動すると、２つの慣性質量ＭＩ１およびＭＩ２はウェハの面に平行に、同じ側に向かって移動しつつ、逆方向に回転する。その一方、フレキシブルセグメントＳの中央部は、反対側に向かって移動する。接続要素Ｅｃの各アームは、共振器Ｒ１～Ｒ４のうちの１つのフレキシブルセグメントＳの中央に接続されている。そこで、接続要素Ｅｃの質量を考慮している慣性質量体ＭＩ１およびＭＩ２に応じた寸法を採用することによって、および、場合によっては、接続要素Ｅｃの中心に追加の慣性質量体を追加することによって、それぞれの共振器Ｒ１～Ｒ４は、見かけ上、センサ１０４内において個別にバランシングされているようになる。図４ｂおよび図４ｃは、Ｘ軸またはＹ軸にそれぞれ平行な接続要素Ｅｃの動きを伴う、センサ１０４の振動の２つの縮退モードを示す。この第４慣性角度位置センサ１０４を組み込んだジャイロメータは、高性能な積分機能を有しうる。
【0049】
ただし、図３ａおよび図４ａの２つのセンサ構成はかさばっているため、高レベルの小型化を要する用途にはあまり適していない。図５ａおよび図５ｃは、本発明の改良に係る、依然としてバランシングされており、かつ、慣性角度位置センサに使用されうる２つの新規な共振器モデルを示す。さらに、これら２つの新規な共振器モデルは、図３ａおよび図４ａに示されている共振器モデルと比較して、より小さい寸法にて作成されうる。
【0050】
図５ａおよび図５ｃの共振器は、従来の共振器とは異なり、１つの足部Ｐｄのみによって固定部Ｐｆに接続されている。さらに、それぞれの共振器は、それぞれの軸Ａ１およびＡ２に沿って長手方向に延在している２つの延在部（それぞれＰ１およびＰ２と表記されている）を有する振動部分によって、個別に構成されている。図５ａの共振器では、軸Ａ１とＡ２とが、軸Ａ１とＡ２との間に６０°に等しい角度αを成している。図５ｃの共振器では、軸Ａ１とＡ２との角度αは１８０°に等しい。２つの延在部Ｐ１およびＰ２は、足部Ｐｄから、当該足部Ｐｄの長手方向と一致する中心軸Ｘｍの各側に対称的に延在している。この中心軸Ｘｍは、（ｉ）すでに説明された中央平面と、（ｉｉ）ウェハの面に直交している別の対称平面と、の共通部分に対応している。２つの延在部Ｐ１およびＰ２は、当該対称平面について鏡面対称に対応している。本明細書の残りの部分では、ＵＳ３，６８３，２１３に記載されている音叉共振器との類推により、２つの延在部Ｐ１およびＰ２は、梁Ｐ１およびＰ２とも称される。図５ａおよび図５ｃの共振器の本来の特性によれば、それぞれ参照符号ＦＬ１、ＦＬ２によって示されている長手方向のスロットが、それぞれの梁Ｐ１、Ｐ２に設けられている。これらの２つの長手方向のスロットＦＬ１およびＦＬ２は、共振器の中心軸Ｘｍにおいて交わる。したがって、１または２に等しい添字ｉについて、それぞれの梁Ｐｉは、２つのブレードＬｉｅｘｔおよびＬｉｉｎｔによって構成されている。本明細書の全般的な部分において、ブレードＬ１ｅｘｔ（あるいはＬ２ｅｘｔ）は、延在部Ｐ１（あるいはＰ２）のプライマリセグメントと称されている。また、ブレードＬ１ｉｎｔ（あるいはＬ２ｉｎｔ）は、延在部Ｐ１（あるいはＰ２）のセカンダリセグメントと称されている。したがって、２つのブレードＬ１ｅｘｔおよびＬ２ｅｘｔは、足部Ｐｄに接続されており、梁Ｐ１およびＰ２のそれぞれの遠位端に向かって延在している。当該遠位端において、２つのブレードＬ１ｅｘｔおよびＬ２ｅｘｔは、２つのブレードＬ１ｉｎｔおよびＬ２ｉｎｔに１対１で接続されている。したがって、それぞれの梁または延在部Ｐ１、Ｐ２は、中心軸Ｘｍとその遠位端との間において、蛇行形状となる。加えて、ブレードＬ１ｉｎｔおよびＬ２ｉｎｔは、中心軸Ｘｍにおいて、当該２つのブレードＬ１ｉｎｔおよびＬ２ｉｎｔのそれぞれの近位端によって相互接続されている。また、それぞれの梁Ｐ１およびＰ２の２つの長手方向のスロットＦＬ１およびＦＬ２は、中心軸Ｘｍにおいて交わる。したがって、２つのブレードＬ１ｉｎｔおよびＬ２ｉｎｔのそれぞれの近位端の接合部は、ブレードＬ１ｅｘｔおよびＬ２ｅｘｔから分離されているとともに、足部Ｐｄからも分離されている。
【0051】
図５ａの共振器では、図５ｂに示す通り、共振器の振動時に、延在部Ｐ１およびＰ２の遠位端が中心軸Ｘｍから反対方向に対称的に離れるように動く場合、ブレードＬ１ｅｘｔおよびＬ２ｅｘｔは、運動量ＭＶ１およびＭＶ２をそれぞれ有している。ＭＶ１とＭＶ２とは、斜めかつ対称的に方向付けられており、足部Ｐｄと同じ側に向かう。このため、ブレードＬ１ｉｎｔとＬ２ｉｎｔとの共通の接合部は、運動量ＭＶ１２を有する。運動量ＭＶ１２は、中心軸Ｘｍに平行であり、かつ、足部Ｐｄから離れる方向を向いている。その結果、ブレードＬ１ｉｎｔおよびＬ２ｉｎｔは、足部Ｐｄとは反対側の共振器の側に向かって、斜めかつ対称的に方向付けられた運動量をそれぞれ有する。このため、全てのブレードＬ１ｅｘｔとＬ２ｅｘｔとＬ１ｉｎｔとＬ２ｉｎｔとの間の振動部分における質量の分布は、これらの運動量に起因する足部Ｐｄの動きが０またはほぼ０であるような分布となりうる。このように足部Ｐｄの動きを無くすことにより、振動部分から支持部Ｐｆへの振動エネルギーの伝達は、０または非常に低くなりうる。このため、共振器のクオリティファクタは高くなりうる。振動部分の４つのブレード間における質量の最適化された分布は、依然として中心軸に対して対称である。当該分布は、２つのブレードＬ１ｅｘｔおよびＬ２ｅｘｔに共通の厚みｅｅｘｔを割り当てることによって得られうる。ｅｅｘｔは、２つのブレードＬ１ｉｎｔおよびＬ２ｉｎｔの厚み（ｅｉｎｔと表記されている）とは異なっている。こうした最適化が適用されることにより、共振器はバランシングされる。ブレードの厚さｅｅｘｔおよびｅｉｎｔは、ウェハの面に平行に測定される。上記バランシングを提供する共振器寸法の値は、複数の方法に従って、特に有限要素計算を使用することによって、決定されてよい。
【0052】
図５ａにおいて併せて示されているが、互いに独立して使用されうる共振器の２つの改良によれば、共振器の振動部分は、（ｉ）第１改良に応じた２つの慣性質量体ＭＩ１およびＭＩ２と、（ｉｉ）第２改良に応じたステムＰｃと、によって補足されうる。好ましくは、２つの慣性質量体ＭＩ１およびＭＩ２は、２つの梁Ｐ１およびＰ２の遠位端に位置しており、同等である。当該２つの慣性質量体はそれぞれ、対応する梁Ｐ１、Ｐ２をその遠位端において広げることによって形成されうる。ステムＰｃは、付加的なブレードによって形成されうる。当該付加的なブレードは、ブレードＬ１ｉｎｔおよびＬ２ｉｎｔの近位端の接合部から、中心軸Ｘｍに平行に、かつ、足Ｐｄから離れる方向に、当該中心軸Ｘｍと重なるように延在している。有利には、ステムＰｃも、中心軸Ｘｍに対して対称である。２つの慣性質量体ＭＩ１およびＭＩ２、および／または、ステムＰｃを共振器の振動部分に追加することにより、付加的な自由度を用いて共振器のバランシングを実現できる。したがって、バランシングをさらに容易化できる。図５ｂは、共振器の振動中における同じ時点における慣性質量体ＭＩ１およびＭＩ２の動きを、ステムＰｃの動きと共に示している。２つの慣性質量体ＭＩ１およびＭＩ２は、中心軸Ｘｍに沿って、ステムＰｃの運動量成分ＭＶ１２とは逆方向（逆向き）の運動量成分ＭＶ１及びＭＶ２を有する。慣性質量体ＭＩ１およびＭＩ２ならびにステムＰｃのこれらの運動量成分は、４つのブレードＬ１ｅｘｔ、Ｌ２ｅｘｔ、Ｌ１ｉｎｔおよびＬ２ｉｎｔの運動量成分と組み合わさって、０またはほぼ（実質的に）０である足部Ｐｄの動きをもたらす。
【0053】
図５ｃの共振器では、図５ｄに示す通り、共振器の振動時に、２つの慣性質量体ＭＩ１およびＭＩ２は中心軸Ｘｍに平行に同位相で移動する。ブレードＬ１ｉｎｔとＬ２ｉｎｔとの接合部も、中心軸Ｘｍに平行に移動するが、慣性質量体ＭＩ１およびＭＩ２に対して逆位相で移動する。このことは、関与する運動量の少なくとも部分的な補償をもたらす。その結果、足部Ｐｄの動きは、共振器に応じた適切な寸法を決定することによって低減または排除されうる。慣性質量体ＭＩ１およびＭＩ２は、共振器の正確なバランシングを実現するために必要である。一方、ステムＰｃは任意である。ただし、当該ステムは、共振器のバランシングをもたらす寸法について付加的な自由度を与える。
【0054】
図６ａの第５慣性角度位置センサ１０５は、共振器Ｒ１～Ｒ３のそれぞれについて、その２つの端部によって保持されている単一梁共振器モデルに替えて、図５ａの共振器モデルを使用することにより、図２ａの第２センサから得られる。３つの共振器Ｒ１～Ｒ３のそれぞれの足部Ｐｄは、固定部Ｐｆによって形成されている三角形フレームのコーナーのうちの１つにおいて、当該固定部Ｐｆに接続されている。次いで、図６ｂおよび図６ｃは、Ｘ軸またはＹ軸のいずれかに平行な接続要素Ｅｃの動きを伴う、当該第５センサに有効な振動の２つの縮退モードを示す。
【0055】
図７ａの第６慣性角度位置センサ１０６も、図２ａの第２センサから得られる。ただし、この例では、共振器Ｒ１～Ｒ３のそれぞれについて、２つの端部によって保持されている単一梁共振器モデルに替えて、図５ｃの共振器モデルを使用している。３つの共振器Ｒ１～Ｒ３のそれぞれの足部Ｐｄは、固定部Ｐｆによって形成されているフレームの辺のうちの１つの中央において、当該固定部Ｐｆに接続されている。次いで、図７ｂおよび図７ｃは、Ｘ軸またはＹ軸のいずれかに平行な接続要素Ｅｃの動きを伴う、当該第６センサに有効な振動の２つの縮退モードを示す。
【0056】
最後に、図８ａの第７慣性角度位置センサ１０７は、図１ａの第１センサから得られる。ただし、この例では、共振器Ｒ１～Ｒ４のそれぞれについて、２つの端部によって保持されている単一梁共振器モデルに替えて、角度αが９０°に等しい図５ａの共振器モデルを使用している。４つの共振器Ｒ１～Ｒ４のそれぞれの足部Ｐｄは、固定部Ｐｆによって形成されている正方形フレームのコーナーのうちの１つにおいて、当該固定部Ｐｆに接続されている。次いで、図８ｂおよび図８ｃは、Ｘ軸またはＹ軸のいずれかに平行な接続要素Ｅｃの動きを伴う、当該第７センサに有効な振動の２つの縮退モードを示す。
【0057】
これらの第５慣性角度位置センサ、第６慣性角度位置センサ、および第７慣性角度位置センサは、個別にバランシングされた共振器によって作成されているので、特にパイロットモードおよびセンシングモードにおいて、高いまたは非常に高いクオリティファクタ値を有する高性能な積分ジャイロメータを得ることができる。このようにして得られたジャイロは、非常に高感度でありうる。
【0058】
有益であることに、上述した慣性角位置センサは全て、（ｉ）αクォーツ（α－ＳｉＯ２）の単結晶ウェハによって作成されてもよいし、（ｉｉ）オルトリン酸ガリウム（ＧａＰＯ４）、酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ２）、ヒ酸ガリウム（ＧａＡｓＯ４）などの三方晶系クラス３２の任意の他の単結晶によって作成されてもよいし、あるいは、（ｉｉｉ）ＬＧＸファミリの結晶、すなわち、ランガサイト（ＬＧＳ、すなわちＬａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）、ランガテイト（ＬＧＴ、すなわちＬａ３Ｇａ５，５ＴａＯ，５Ｏ１４）、またはランガナイト（ＬＧＮ、すなわちＬａ３Ｇａ５，５ＮｂＯ，５Ｏ１４）によって作成されてもよい。これらの材料は、圧電性を有している。このケースでは、図５ａのモデルまたは図５ｃのモデルの共振器が使用される場合、センサのそれぞれの共振器の梁Ｐ１およびＰ２の向き（すなわち、それらの長手方向の軸Ａ１およびＡ２）は、有利には結晶軸Ｙｃ、Ｙｃ＋、およびＹｃ－に平行であるように選択される。ウェハの面は、結晶面Ｘｃ－Ｙｃに平行である。ウェハの結晶に対してセンサパターンを上記の通り方向付けることにより、結晶面Ｘｃ－Ｙｃにおけるそれらのそれぞれの曲げ振動に従って、パイロットモードを励起し、かつ、センシングモードを検出するための最適な圧電カップリングからの利益を得ることが可能となる。実際のところ、三方晶系クラスの結晶の圧電テンソルは、電界Ｅｘｘを伴う、各梁の軸に沿った歪みＳｙｙに応じた最適なカップリングをもたらす。これにより、（ｉ）ブレードに沿って配置された電極を用いてパイロットモードの曲げ振動を直接的な圧電効果によって励起して電界Ｅｘｘを生じさせること、および、（ｉｉ）これらの同じ電極における間接的な圧電効果によって生じた電荷を用いて歪みＳｙｙを検出すること、が可能となる。このため、複数の異なる電極構成が知られている。図９に示す通り、これらの構成のうちの第１の構成によれば、３つの電極セグメントが、ウェハの面のうちの１つと一致する各ブレードの両面のそれぞれに配置される。当該第１の構成の電極は、導電材料蒸着のプロセスによって容易に製造される。別の可能な構成によれば、２つの電極セグメントが、ウェハの面に直交している各ブレードのそれぞれの側に配置される。例えばＵＳ４，５２４，６１９に記載の通り、この他の構成は、より効果的ではあるが、実現がより困難である。また、ウェハの結晶に対してセンサのパターンを同じく方向付けることにより、ウェットケミカルエッチング速度が、結晶軸Ｚからの利益を得ることが可能となる。すなわち、結晶軸Ｚに沿ったウェットケミカルエッチング速度が、より速くなる。この軸Ｚは、使用されるウェハの面に直交している。この場合、ウェットケミカルエッチングプロセス、特に、フッ化アンモニウム（ＮＨ４Ｆ）とフッ化水素酸（ＨＦ）との混合物を使用する当該プロセスによって、センサを低価格で製造できる。さらに、対称性クラス３２の三方晶系の単結晶材料のウェハ内に作成されており、かつ、結晶軸に対して上述の向きを有している図５ａまたは図５ｃに係る各共振器が、ウェットケミカルエッチングステップの終了時に対称欠陥を伴うことなく直接的に得られる。このように、各共振器は直接的にバランシングされているので、図６ａおよび図７ａの慣性角度位置センサにおける複数の共振器は厳密に同等である。
【0059】
上記の通りウェットケミカルエッチングプロセスのみを使用してセンサのパターンを製造できることは、マイクロデバイスに応じたこの一体的な製造プロセスによって得られる低コストゆえに、特に有益である。加えて、ウェットケミカルエッチングプロセスは、結晶の固有のクオリティファクタを保持する。実際のところ、ケミカルエッチングは、原子ごとの結晶の溶解を生じさせる局所的な反応に基づいている。この事実により、ケミカルエッチングは、センサを形成する残りのウェハ材料の結晶格子を変化させない。プローブ（ソノトロード）とエッチングされるべき表面との間に生じる超音波によって励起される微細な研磨粒子を使用する超音波機械加工、または、イオンの運動エネルギーを使用するイオン衝突などの、局所的な研磨に基づくエッチングの場合には、このことは当てはまらない。これらの最後の２つの技術は、最高エネルギーエッチングのために数十ナノメートルから数マイクロメートルまでの特性距離に亘って、エッチングのエッジにおける結晶格子を変化させる。このため、共振器に固有のクオリティファクタは、センサの大幅な小型化が望まれる場合には、ますます低減させられる。
【0060】
本発明は、対称性クラス３２の三方晶系の圧電材料に限定されないことが理解される。取付部に対して分離されており、軸対称構成にて配置され、軸対称でもある接続要素によって互いに接続されている同等の共振器の原理は、他の材料、特にシリコン結晶の使用と組み合わせられてよい。単結晶シリコンの立方晶系結晶構造を考慮すると、図１ａ、図３ａ、図４ａ、および図８ａなどの、４つの共振器に基づく配置が好ましい。この場合、パイロットモードの励起は、静電力を印加することによって実現されうる。センシングモードにおける振幅は、センサの固定部と当該センサの可動部との間のキャパシタンスを測定することによって決定されうる。
【図面の簡単な説明】
【0061】
【図1a】本発明に係る第１慣性角度位置センサの平面図である。
【図5a】本発明の好適な実施形態において使用可能な第１共振器モデルを示す平面図である。
【図9】圧電性を有しており、かつ、三方晶系および対称性クラス３２に属する梁材料（例：αクオーツ）の場合に、梁の曲げ振動を励起および検出するために使用可能な圧電カップリングに適した、実現可能な電極構成を示す。
【図1a】
【図1b】
【図1c】
【図2a】
【図2b】
【図2c】
【図3a】
【図3b】
【図3c】
【図4a-4c】
【図5a】
【図5b】
【図5c】
【図5d】
【図6a】
【図6b】
【図6c】
【図7a】
【図7b】
【図7c】
【図8a】
【図8b】
【図8c】
【図9】
【国際調査報告】