(57)【要約】      （修正有）【課題】多軸検出を可能にし、さらに、厳しい動作条件において、より高いロバスト性を有する微小電気機械デバイスを提供する。【解決手段】各慣性マス２０４，２０６は、面外方向ＯＰと平行である駆動軸を中心として逆位相面内回転運動するように構成され、第２面内方向ＩＰ２と平行である第１感知軸を中心とする慣性マス２０４，２０６の回転に対応する第１感知信号を各々に対して生成するように構成され、第１面内方向ＩＰ１と平行である第２感知軸を中心とする慣性マス２０４，２０６の回転に対応する第２感知信号を各々に対して生成するように構成される。【選択図】図２
2020091280.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持部（１００）と、
前記支持部（１００）に結合される平面デバイス構造体（１０２）と
を含む微小電気機械デバイスであって、
前記微小電気機械デバイスの初期静止状態において、前記平面デバイス構造体（１０２）は、基準面（１０４）を形成し、
第１面内方向（ＩＰ１）および第２面内方向（ＩＰ２）は、前記基準面（１０４）と平行で、互いに直交しており、
面外方向（ＯＰ）は前記基準面（１０４）に垂直であり、
前記デバイス構造体は、２つの慣性マス（２０４、２０６）と、第１ばねシステムと、面外シーソー梁システムとを含み、
前記２つの慣性マス（２０４、２０６）は、前記基準面（１０４）に沿って延在し、
各慣性マス（２０４、２０６）は、前記第１面内方向（ＩＰ１）に延在する少なくとも２つの水平エッジ（２１２、２１４；２２０、２２２）と、前記第２面内方向（ＩＰ２）に延在する少なくとも２つの垂直エッジ（２０８、２１０；２１６、２１８）とを有し、
前記２つの慣性マスシステムの前記慣性マスにおける隣接する垂直エッジ（２０８、２１６）は、前記第１ばねシステムのばね構造体（２３０）によって互いに結合され、
前記第１ばねシステムは、前記第２面内方向（ＩＰ２）において前記慣性マス（２０４、２０６）間でフレキシブルに曲がり、また、前記第１面内方向（ＩＰ１）と平行であるばね軸を中心として、前記慣性マスシステム間でフレキシブルにねじれるように構成され、
前記第２面内方向（ＩＰ２）の同じ方向を向いている前記慣性マス（２０４、２０６）の少なくとも２つの水平エッジ（２１２、２２０）は、前記面外シーソー梁システムの梁（２４０）の両端部に結合され、前記梁は、前記基準面内にあり、かつ前記第２面内方向（ＩＰ２）と平行である軸を中心として回転するように構成され、
各慣性マス（２０４、２０６）は、前記初期静止状態において前記面外方向（ＯＰ）と平行である駆動軸を中心として逆位相面内回転運動するように構成され、
前記微小電気機械デバイスは、前記初期静止状態において前記第２面内方向（ＩＰ２）と平行である第１感知軸を中心とする前記慣性マスの回転に対応する第１感知信号を前記慣性マスの各々に対して生成するように構成された回路と、前記初期静止状態において前記第１面内方向（ＩＰ１）と平行である第２感知軸を中心とする前記慣性マスの回転に対応する感知信号を前記慣性マスの各々に対して生成するように構成された回路とを含む
微小電気機械デバイス。
【請求項２】
前記回路は、前記微小電気機械デバイスの回転運動の差動検出のために、前記２つの慣性マスの第１感知信号または前記２つの慣性マスの第２感知信号を組み合わせて適用するように構成されている
請求項１に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項３】
各面外シーソー梁システムは、梁（２４０）と、第１取付要素の取付点（２４２）と、第２ばねシステムのばね構造体（２４４）とを含み、
前記第１取付要素の前記取付点（２４２）は、前記支持部（１００）に固定され、
前記梁（２４０）は、剛性を有し、前記第１面内方向（ＩＰ１）に延在し、
前記梁（２４０）は、前記第２ばねシステムの前記ばね構造体（２４４）によって前記第１取付要素の前記取付点（２４２）に結合され、
前記第２ばねシステムの前記ばね構造体（２４４）は、前記初期静止状態において前記第２面内方向（ＩＰ２）と平行である軸を中心としてフレキシブルにねじれるように構成される
請求項１または２に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項４】
各面外シーソー梁システムは、さらに、第３ばねシステムのばね構造体（２６０）を含み、
前記面外シーソー梁システムの剛性を有する前記梁（２４０）の一端部は、前記第３ばねシステムの前記ばね構造体（２６０）によって前記慣性マスの一方（２０４）の水平エッジ（２１２）に結合され、剛性を有する前記梁（２４０）の他端部は、前記第３ばねシステムの別のばね（２６２）によって前記慣性マスの他方（２０６）の水平エッジ（２２０）に結合され、
前記第３ばねシステムの各ばね構造体（２６０、２６２）は、前記初期静止状態において前記第２面内方向（ＩＰ２）と平行である軸を中心としてフレキシブルにねじれ、また、前記第１面内方向（ＩＰ１）および前記第２面内方向（ＩＰ２）の両方に曲がり、前記慣性マスシステム（２００、２０２）の前記逆位相面内回転運動を可能にするように構成される
請求項３に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項５】
前記慣性マスの各々（２０４）は、駆動要素（２７０）に結合され、
前記駆動要素（２７０）は、線形駆動要素（２７１）および変換駆動要素（２７２）を含み、
前記線形駆動要素（２７１）は、前記面内方向の一方（ＩＰ２）に線形駆動運動するように構成され、
前記変換駆動要素（２７２）は、前記慣性マス（２０４）および前記線形駆動要素（２７１）に結合され、前記線形駆動要素の前記線形駆動運動を、前記駆動軸を中心とする前記慣性マス（２０４）の面内回転運動に変換するように構成される
請求項１〜４のいずれか１項に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項６】
前記駆動要素（２７０、２９０）の各々は、それぞれの慣性マス（２０４、２０６）内に配置される
請求項５に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項７】
前記線形駆動要素（２７１）は、２つの線形駆動マス（２７３、２７４）と、第２取付要素の取付点（２７５）と、第４ばねシステム（２７６）のばね構造体（２７７）とを含み、
前記第２取付要素の前記取付点（２７５）は、前記支持部（１００）に固定され、
前記線形駆動マス（２７３、２７４）は、前記第４ばねシステムの前記ばね構造体（２７７）によって前記第２取付要素の前記取付点（２７５）に結合され、
前記第４ばねシステムの前記ばね構造体（２７７）は、前記第２面内方向（ＩＰ２）における前記線形駆動マス（２７３、２７４）の線形運動を可能にするように構成される
請求項５または６に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項８】
前記第２取付要素は、前記支持部（１００）にそれぞれ固定された２対の取付点を含み、
前記線形駆動マス（２７３、２７４）は、前記第２面内方向（ＩＰ２）に延在する縦梁であり、
前記第４ばねシステムの１対のばね構造体（２７７、２７８）は、各線形駆動マス（２７３）の両端部を前記第２取付要素の１対の取付点（２７５、２７６）に結合し、
前記線形駆動マス（２７３、２７４）は、第５ばねシステムのばね構造体（２８０、２８１）によって変換駆動要素（２７２）の対向する垂直エッジに結合され、
前記第５ばねシステムの前記ばね構造体の一方（２８０）は、前記線形駆動マスの一方（２７３）の線形運動を前記変換駆動要素（２７２）の一方の垂直エッジに中継するように構成され、前記第５ばねシステムの前記ばね構造体の他方（２８１）は、前記線形駆動マスの他方（２７４）の線形運動を前記変換駆動要素（２７２）の反対側の垂直エッジに中継するように構成される
請求項７に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項９】
前記変換駆動要素（２７２）は、変換駆動マス（２７９）と、第６ばねシステムのばね構造体（２８２、２８３）とを含み、
前記変換駆動マス（２７９）は、前記変換駆動要素（２７２）の２つの前記垂直エッジと、前記第１面内方向（ＩＰ１）に延在する２つの水平エッジとを有し、
前記変換駆動マス（２７９）の各水平エッジは、前記第６ばねシステムのばね構造体（２８２）によって前記慣性マス（２０４）に結合され、前記ばね構造体は、前記初期静止状態において前記第２面内方向（ＩＰ２）にある軸を中心としてねじれて曲がるように構成される
請求項８に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項１０】
前記変換駆動要素（２７２）は、さらに、第３取付要素の取付点（２８５）と、第７ばねシステムのばね構造体（２８６）とを含み、
前記第３取付要素の前記取付点（２８５）は、前記支持部に固定され、
前記変換駆動マス（２７９）は、前記第７ばねシステムの前記ばね構造体（２８６）によって前記第３取付要素の前記取付点（２８５）に結合され、
前記第７ばねシステムの前記ばね構造体（２８６）は、前記初期静止状態において前記第２面内方向（ＩＰ２）である方向に曲がり、前記初期静止状態において前記第１面内方向（ＩＰ１）にある軸を中心としてねじれて曲がるように構成され、
前記第３取付要素の前記取付点（２８５）および前記第７ばねシステムの前記ばね構造体（２８６）は、前記変換駆動要素（２７２）の前記変換駆動マス（２７９）内に配置される
請求項９に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項１１】
前記線形駆動要素（６０４）は、前記第１面内方向（ＩＰ１）に逆位相線形運動するように構成された２つの線形駆動マス（６１２、６１４）を含み、
前記変換駆動要素（６０６）は、前記線形駆動マス（６１２、６１４）から前記慣性マス（２０４）までの結合部を含み、
前記線形駆動マス（６１２、６１４）の各々は、前記慣性マス（２０４）の外側に配置される
請求項５に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項１２】
前記慣性マス（２０４）は、前記慣性マスの前記逆位相面内回転運動の前記駆動軸と同一位置にある回転中心（６３０）を有し、
前記変換駆動要素（６０６）は、前記２つの線形駆動マスのうちの第１線形駆動マス（６１２）の動きを、前記慣性マス（２０４）内の第１結合点（６０８）に中継するように構成され、
前記変換駆動要素（６０６）は、前記２つの線形駆動マスのうちの第２線形駆動マス（６１４）の動きを、前記慣性マス（２０４）内の第２結合点（６１０）に中継するように構成され、
前記第１結合点（６０８）および前記第２結合点（６１０）は、前記第２面内方向（ＩＰ２）において前記回転中心（６３０）の両側にある
請求項１１に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項１３】
前記変換駆動要素（６０６）は、前記線形駆動マス（６１２、６１４）の一方から前記慣性マス（２０４）の結合点（６０８、６１０）まで前記第１面内方向（ＩＰ１）にそれぞれ延在する２つの縦梁を含む
請求項１２に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項１４】
前記デバイス構造体は、さらに、第４取付要素の取付点（６４０）と、前記第１面内方向（ＩＰ１）の第１回転軸（６２０）および前記第２面内方向（ＩＰ２）と一致する第２回転軸（６２２）を中心とする前記慣性マス（２０４）の回転を可能にするように構成された第８ばねシステムのばね構造体（６４１、６４２、６４３）とを含み、前記第１軸（６２０）および前記第２軸（６２２）は、前記回転中心（６３０）と重なる
請求項１２または１３に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項１５】
前記慣性マス（２０４）は、前記慣性マスの前記逆位相面内回転運動の前記駆動軸と同一位置にある回転中心（７３０）を有し、
前記線形駆動要素（７０４）は、前記慣性マス（２０４）の外側に配置され、前記第１面内方向（ＩＰ１）に線形運動するように構成された１つの線形駆動マス（７１２）を含み、
前記変換駆動要素（７０６）は、前記慣性マス内に位置する中央ばね構造体と、前記初期静止状態において前記第１面内方向（ＩＰ１）である方向において、前記線形駆動マス（７１２）と前記中央ばね構造体との間に延在する縦梁（７１６）とを含み、
前記縦梁（７１６）は、前記線形駆動マス（６１２）から前記中央ばね構造体内の連結点（７４２）まで延在し、前記連結点は、前記第２面内方向（ＩＰ２）において前記回転中心（６３０）からずれている
請求項５に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項１６】
１つの面外シーソー梁システムは、前記第２面内方向（ＩＰ２）に沿った前記慣性マス（２０４）の一方側で前記慣性マス（２０４、２０６）を結合し、
各慣性マス（２０４）用の前記線形駆動要素（８０４）は、前記慣性マス（２０４）の他方側にあり、
各慣性マス（２０４）用の前記変換駆動要素（８０６）は、当該変換駆動要素に含まれた面内シーソー梁システムによって、前記線形駆動要素の前記線形駆動運動を前記慣性マス（２０４）の回転運動に変換するように構成された面内シーソー梁システム（８６０、８６１、８６２）を含む
請求項５に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項１７】
前記慣性マス（２０４）は、直交して重なる２つのバー形状から形成された十字形状を有し、第１バー形状は前記第１面内方向（ＩＰ１）に延在し、前記第２バー形状は前記第２面内方向（ＩＰ２）に延在し、前記慣性マス（２０４）の前記水平エッジ（２１２、２１４）は前記第２バー形状の両端部によって設けられ、前記垂直エッジ（２０８、２１０）は前記第２バー形状の両端部によって設けられ、
前記線形駆動要素（９０４）は、十字形状の前記慣性マス（２０４）の隣接するバー形状間の領域によって設けられた位置に配置される
請求項５に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項１８】
前記線形駆動要素（９０４）は、フレームを前記支持部に結合する取付点を囲む当該フレームからそれぞれ形成される２つの線形駆動マス（９１２、９１４）を含み、
前記線形駆動マスは、第５ばねシステムのばねによって変換駆動要素の対向する垂直エッジに結合され、
線形駆動マスと前記変換要素とを結合する前記第５ばねシステムの各ばねは、結合された当該線形駆動マスの前記線形運動を前記変換駆動要素の前記垂直エッジに中継するように構成される
請求項１７に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項１９】
前記変換駆動要素（９０６）は、前記線形駆動マス（９１２、９１４）の一方から前記慣性マス（２０４）内の結合点（６０８、６１０）まで前記第１面内方向（ＩＰ１）にそれぞれ延在する２つの縦梁を含む
請求項１８に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項２０】
前記慣性マス（２０４）は、前記慣性マスの前記逆位相面内回転運動の前記駆動軸と同一位置にある回転中心（９３０）を有し、
前記変換駆動要素（９０６）は、前記２つの線形駆動マスのうちの第１線形駆動マス（９１２）の動きを前記慣性マス（２０４）内の第１結合点（９０８）に中継するように構成され、
前記変換駆動要素（９０６）は、前記２つの線形駆動マスのうちの第２線形駆動マス（９１４）の動きを前記慣性マス（２０４）内の第２結合点（９１０）に中継するように構成され、
前記第１結合点（９０８）および前記第２結合点（９１０）は、前記第２面内方向（ＩＰ２）において前記回転中心（９３０）の両側にある
請求項１９に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項２１】
前記変換駆動要素（９０６）は、前記線形駆動マス（９１２、９１４）の一方から前記慣性マス（２０４）内の結合点（９０８、９１０）まで前記第１面内方向（ＩＰ１）にそれぞれ延在する２つの縦梁を含む
請求項２０に記載の微小電気機械デバイス。
【請求項２２】
前記線形駆動要素（２７１）は、２つの線形駆動マス（２７３、２７４）と、第２取付要素の取付点（２７５）と、第４ばねシステム（２７６）のばね構造体（２７７）とを含み、
前記第２取付要素の前記取付点（２７５）は、前記支持部（１００）に固定され、
前記線形駆動マス（２７３、２７４）は、前記第４ばねシステムの前記ばね構造体（２７７）によって前記第２取付要素の前記取付点（２７５）に結合され、
前記第４ばねシステムの前記ばね構造体（２７７）は、前記第１面内方向（ＩＰ１）における前記線形駆動マス（２７３、２７４）の線形運動を可能にするように構成される
請求項５または６に記載の微小電気機械デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、微小電気機械デバイス、より詳細には、コリオリ力によって角運動を検出するように構成されたデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
微小電気機械デバイスは、物体にかかる加速度を測定するために、その物体と共に動かすことができる。このため、微小機械デバイスは通常、可動慣性マス構造体を含み、微小機械デバイスに作用する加速力は、固定電極に対するこれらのマスの変位を検出することによって測定することができる。図１は、微小電気機械デバイスの基本要素を示す側面図を示す。
【０００３】
微小電気機械デバイスは、支持部１００およびデバイス構造体１０２を備える。支持部１００という用語は、本明細書において、測定される物体と共に動くように固定され得る剛性機械要素を指す。したがって、支持部は、微小電気機械デバイスの可動要素に、剛性を有し、局部的に動かないリファレンスを与える構造要素である。微小電気機械デバイスの可動要素は、支持部から変形可能要素によって懸架することができる。ウェハ構造体では、支持部は、デバイス構造体を形成する可動要素または変形可能要素がパターニングされる構造体層から面外ギャップだけ離れた下部にある支持層によって設けられてもよい。支持部および構造体層内の要素は、例えば、支持部から突出する１以上の取付部位によって互いに結合されてもよい。あるいは、またはさらに、支持部は、支持層に強固に固定され、構造体層内のいくつか、またはすべての要素を取り囲むフレームを含んでもよい。支持部はまた、デバイス構造体の上方に配置され、面外ギャップだけデバイス構造体から離れたキャップ部によって設けられてもよいし、そのキャップ部を含んでもよい。
【０００４】
デバイス構造体１０２という用語は、本明細書において、微小電気機械デバイスに作用する加速度によって引き起こされる動きの定義されたモードを構成するように共に構成される剛性要素と可撓性要素との組合せを指す。言いかえれば、デバイス構造体は、１以上の測定された方向の加速度による力が慣性マスの動きの定義されたモードを引き起こすように、支持部にフレキシブルに結合される慣性マス部を含む。一方、機械設計によって、可撓性部の変形は方向性を有するため、任意の他の方向の加速度によって引き起こされるデバイス構造体の変位または変形は、最小限に抑えられるか、デバイスの測定機能に影響を与えない。動きの定義されたモードでは、デバイス構造体の少なくとも一部の変位を容量的に検出し、測定された加速度を極めて正確に表す電気信号に変換することができる。
【０００５】
デバイス構造体がパターニングされる構造体層は、主として平面形状を有する。デバイスの初期静止状態では、デバイス構造体１０２の平面は、デバイスの基準面１０４を形成する。初期静止状態とは、ここでは、支持部から懸架されたデバイス構造体が重力によって作用を受けるが、引き起こされるいずれの加速度にも影響を受けない状況を指す。基準面１０４は、デバイス構造体がパターニングされる平面構造体層の平面、有利には、中心面と一致すると考えられてもよい。図１の例では、基準面１０４は、デバイス構造体１０２の上面と底面との間の平面と一致すると考えることができる。よって、基準面のある方向に延在する要素についての表現は、本来平面である構造体層から、または本来平面である構造体層にパターニングされる要素として解釈することができる。これはまた、デバイス構造体内の要素の面外寸法が構造体層の厚さに相当することを意味する。しかしながら、ある特別な機能的な目的のために、要素をパターニング中に薄くすることもできる。
【０００６】
本開示では、方向ＩＰ１、ＩＰ２、ＯＰの直交セットが以下のように適用される。第１面内方向ＩＰ１および第２面内方向ＩＰ２は、互いに直交し、両方とも基準面１０４と平行である。面外方向ＯＰは基準面１０４に垂直であり、そのため、第１面内方向ＩＰ１および第２面内方向ＩＰ２に対して直交している。
【０００７】
動きには、６つの自由度、すなわち、３つの直交方向における並進および３つの直交軸周りの回転がある。後者の３つは、ジャイロスコープとしても知られている角速度センサによって測定されてもよい。微小電気機械（ＭＥＭＳ）ジャイロスコープは、コリオリの効果を利用して、角速度を測定する。マスは、一方向に動いて回転角速度が加わると、コリオリの効果によって直交方向の力を受ける。次いで、コリオリ力によって引き起こされる結果として生じる物理的変位が、例えば、当技術分野において一般に知られている適切な感知構造体によって容量的に、圧電的に、またはピエゾ抵抗的に検出されてもよい。
【０００８】
微小電気機械ジャイロスコープでは、十分なベアリングが不足しているために、一次運動を従来のジャイロスコープのような連続回転にすることはできない。その代わりに、機械的振動が一次運動として利用されてもよい。振動ジャイロスコープが一次運動の方向に直交する角運動を受けると、波状のコリオリ力が生じる。これにより、一次運動と角運動軸とに直交し、かつ一次振動の周波数である二次振動が引き起こされる。この連成振動の振幅は、角速度の尺度として用いることができる。
【０００９】
容量測定において、検出は、静止基準に対して動く慣性マスの静電容量の変化に基づく。例えば、図１の微小電気機械デバイスでは、デバイス構造体１０２内の慣性マスは、支持部１００にフレキシブルに懸架されるため、可動ロータ電極として適用されてもよい。支持部１００は、静止ステータ電極を含んでもよく、容量測定は、面外方向ＯＰにおける慣性マスの変位に基づいてもよい。あるいは、構造体層は、支持部に固定される要素および支持部にフレキシブルに懸架される要素を含んでもよい。そして、固定された要素はステータ電極を設けるために使用されてもよく、懸架された要素はロータ電極を設けるために使用されてもよい。そして、容量測定は、面内方向ＩＰ１、ＩＰ２のどちらかにおけるステータ電極に対するロータ電極の変位に基づいてもよい。当業者によく知られている方法では、ステータ電極およびロータ電極の１対は、ロータ電極がステータ電極に対して変位すると、それらの間の静電容量の変化をステータ電極およびロータ電極が検出するように電気的に結合することができる。この変化はアナログ電圧信号に変換することができ、次いで、アナログ電圧信号は、例えば、電荷増幅、信号の調整、復調、フィルタリングによってデジタル形状に変換して、さらに信号処理することができる。
【００１０】
通常、デバイスの構造体層は、利用可能領域をできるだけ効率的に使用するように非常に注意深く設計される。具体的には、多くのコンシューマ向けＭＥＭＳ用途では、構造デバイス設計により、２方向または３方向においてさえも角速度の感知が可能になる。このような多軸構成により、電子機器をより単純にし、部品サイズを縮小して消費電力を低下させ、コストを下げることができる。しかしながら、このような多軸構成をより厳しい条件、例えば自動車用途で使用することは、車両用途の動作要件が非常に難しいために非常に制限される。デバイスは、高感度である必要がありながら、同時に、外部振動に対して非常にロバストでなければならない。これは、複数の異なる駆動機能および感知機能を実施するために様々なマス要素およびばね要素を本質的に含む必要のある多軸構成で実施するには非常に難しいバランスである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本開示の目的は、多軸検出を可能にし、さらに、厳しい動作条件において、よりロバストな微小電気機械デバイスの改善された設計を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本開示の目的は、独立クレームに記載することを特徴とするデバイス構造体によって達成される。本開示の好ましい実施形態を従属クレームに開示する。
【００１３】
本開示は、２つの振動慣性マスによって形成され、かつ、組み合わされたデバイス構造体のロバスト性を高めるためにばね構造体の固有の剛性を最適に利用する特別な方法で結合された、バランスのとれた構造体に基づく。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
以下に、添付図面を参照しながら、好ましい実施形態によって本開示をより詳細に記載する。
【図１】図１は、微小電気機械デバイスの基本要素を示す側面図を示す。
【図２】図２は、新規のデバイス構造体の例を示す。
【図３Ａ】図３Ａは、図２の構造体によって可能になる動きのモードを示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図２の構造体によって可能になる動きのモードを示す。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図２の構造体によって可能になる動きのモードを示す。
【図４】図４は、動きの駆動モード段階における図２のデバイス構造体をより詳細に示す。
【図５Ａ】図５Ａは、図２におけるばねシステムの可能な形状を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図２におけるばねシステムの可能な形状を示す。
【図６】図６は、開示するデバイスの代替例を示す。
【図７】図７は、開示するデバイスの別の代替例を示す。
【図８】図８は、開示するデバイスのさらなる代替例を示す。
【図９】図９は、開示するデバイスのさらなる代替例を示す。
【図１０】図１０は、開示するデバイスのさらなる代替例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図２は、上記欠点を解消または少なくとも緩和する方法で平面構造体層から形成される新規のデバイス構造体を示す。
【００１６】
示した例では、微小電気機械デバイスは、基準面内に並んで延在する２つの慣性マス２０４、２０６を含む。言いかえれば、２つの慣性マス２０４、２０６は、互いに接近しており、互いに隣同士または近くにある。慣性マスとは、本明細書において、単一体として外力に応答する機械的に剛性を有する物体を指す。慣性マス２０４、２０６は、実質的に平面の全体形状を有する。しかしながら、慣性マスの全体的な平面形状は、当然、以下に述べる、慣性マスの機能特性を可能にするための凹部および貫通エッチングパターンを含んでもよい。したがって、微小電気機械デバイスの初期静止状態では、２つの慣性マス２０４、２０６の上面または底面は、微小電気機械デバイスの基準面と平行に延在する。
【００１７】
慣性マス２０４、２０６の各々は、直交する二方向にエッジを有する。本開示では、主として第１面内方向ＩＰ１に延在するエッジを水平エッジと呼び、主として第２面内方向ＩＰ２に延在するエッジを垂直エッジと呼ぶ。「エッジ」という用語は、本明細書において、慣性マスの一辺を形成する面を指し、その一辺は、一方の面内方向を向き、他方の直交面内方向に延在する。したがって、「主としてＩＰｎ面内方向に延在する」という表現は、ここでは、ＩＰｎ面内方向の一辺の面の少なくとも一部がＩＰｎ面内方向と平行であるか、面の接線が少なくとも１点においてＩＰｎ面内方向と平行であることを定義している。したがって、「水平」および「垂直」という用語は、エッジ形状の線形性も平面性も暗示していない。各慣性マスは、少なくとも２つの水平エッジおよび少なくとも２つの垂直エッジを有する。それらに加えて、慣性マスは、さらなる構造エッジ形状、例えば、図２に示すコーナーくぼみ部を含んでもよい。図２は、第１垂直エッジ２０８、第２垂直エッジ２１０、第１水平エッジ２１２および第２水平エッジ２１４を備えた第１慣性マス２０４を示す。図２はまた、第１垂直エッジ２１６、第２垂直エッジ２１８、第１水平エッジ２２０および第２水平エッジ２２２を備えた第２慣性マス２０６を示す。
【００１８】
慣性マス２０４、２０６の隣接する垂直エッジは、第１ばねシステムのばね構造体２３０によって互いに結合される。図２の例では、第１慣性マス２０４の第１垂直エッジ２０８は、第２慣性マス２０６の第１垂直エッジ２１６に隣接している。慣性マス２０４、２０６のそれぞれ第１垂直エッジ２０８、２１６は、第１ばねシステムのばね構造体２３０によって互いにそれぞれ結合される。
【００１９】
本開示では、ばね構造体とは、その形状により、ある変形にはフレキシブルに、ある変形には剛性的に、機械的に抵抗するよう構成されるデバイス構造体のパターニングされた要素を指す。ばね構造体におけるフレキシブルな変形の剛性と剛性を有する変形の剛性との差は、有利には、１０桁以上である。したがって、ばね構造体は、異なる方向から加えられた力に特定の応答を行う機械設計で構成された１以上の弾性変形可能なばねを含んでもよい。ばね構造体は、さらに、ばね構造体の方向機能を適切に制御するために、剛性を有するフレームまたは梁のような中間剛性部を含んでもよい。本開示のばね構造体は、慣性マスが製造されるのと同じ構造体層にパターニングされるため、本質的に面外方向の曲げに対して剛性的に抵抗する傾向がある。
【００２０】
慣性マス２０４、２０６におけるバランスのとれたデュアル動作のために、内部対称性が基本要件である。本開示では、慣性マス２０４、２０６の両方の動きのモードにおいて定義された機能的特徴を、組み合わせて実施するように構成された１以上の同様のばね構造体の１セットをばねシステムと呼ぶ。したがって、以下において、別個のばね構造体は、特定の自由度の変形に対するそれらの抵抗（フレキシブルまたは剛性的な）の観点から定義する。ばねシステムは、ばねシステムを形成するばね構造体のそれぞれの組合せがデバイス構造体全体にもたらす結果の観点から定義する。
【００２１】
多軸デバイスでは、比較的汎用性の高い構造体層厚さが必要とされる。しかしながら、厚い構造体層にパターニングされたばね構造体は、面外方向に容易に変形しない。多軸機能は、感覚および検出運動に複数の方向を用いる必要があるため、２以上の方向の回転運動を感知することができるロバストな構造体層構成を設けることは非常に難しい。角速度の測定には、デバイスのばねシステムは、測定された角運動から生じるコリオリ力によって共に引き起こされる、動きの駆動モードと、動きの少なくとも２つの感知モードとを可能にする必要がある。図２の例は、動きの２つの感知モードを可能にする。図２の構造体によって可能になる動きの３つのモードを、図３Ａ〜図３Ｃに簡略化した機構で示す。動きのこれらのモードについては、以下の記載において詳述する。
【００２２】
図３Ａ〜図３Ｃでは、第１マス３０４は、第１慣性マス２０４の動きのモードを示し、第２マス３０６は、第２慣性マス２０６の動きのモードを示している。図３Ａは、面外方向ＯＰにおける慣性マスの上面図であり、構造体の動きの駆動モードを示す。駆動モードでは、第１マス３０４は駆動軸３０８を中心として振動し、第２マス３０６は駆動軸３１０を中心として振動する。第１マスの駆動軸３０８および第２マスの駆動軸３１０は、ＩＰ１方向に０でない距離だけ離れており、初期静止状態では、面外方向ＯＰと平行である。図３Ｂは、第２面内方向ＩＰ２における慣性マスの側面図であり、構造体の動きのＩＰ１感知モードを示す。ＩＰ１感知モードでは、第１マス３０４は第１感知軸３１２を中心として振動し、第２マス３０６は第１感知軸３１４を中心として振動する。第１マスの第１感知軸３１２および第２マスの第１感知軸３１０は、ＩＰ１方向に０でない距離だけ離れており、初期静止状態では、第２面内方向ＩＰ２と平行である。図３Ｃは、第１面内方向ＩＰ１における慣性マスの側面図であり、構造体の動きのＩＰ２感知モードを示す。ＩＰ２感知モードでは、第１マス３０４および第２マス３０６は、初期静止状態において第１面内方向ＩＰ１と平行である共通第２感知軸３１６を中心として振動する。本明細書において、動きのモードは、初期静止状態において静止基準面に対して別々に記載していることに留意すべきである。動作中の慣性マスの動きは、通常、動きのこれらの意図した３つのモードの少なくとも１つの成分と、しばしば、直交誤差のようないくつかの望ましくない現象の成分とを含む。
【００２３】
図２に戻ると、第１ばねシステムのばね構造体２３０は、動きの駆動モードでは慣性マス２０４と２０６との間で曲がり、動きのＩＰ１感知モード中は、面外方向ＯＰと平行の慣性マス２０４、２０６の隣接エッジを結合し、ＩＰ２感知モード中は、第１面内方向ＩＰ１の共通回転軸を設けるように構成される。
【００２４】
図２は、第１ばねシステムのばね構造体２３０の一例示的形状を示す。このばね構造体２３０の形状によって、構造体２３０は、第２面内方向ＩＰ２において慣性マス２０４と２０６との間でフレキシブルに曲がり、第１面内方向ＩＰ１と平行であるばね軸を中心として、慣性マス２０４と２０６との間でフレキシブルにねじれ得る。さらに、ばね構造体の形状によって、ばね構造体は、面外方向ＯＰの曲げに対して剛性的に抵抗するか、面外方向ＯＰに真ん中から対称的に曲がり、対称的に曲がる間、ばね構造体によって結合された慣性マス２０４、２０６の隣接エッジは、面外方向において同じ高さを維持することができる。
【００２５】
これらの特性は、様々な三次元ばね構造体で達成されてもよい。図２は、主として長尺のばね構造体２３０の例を示し、ばね構造体２３０の面外方向ＯＰの寸法は、ばね構造体２３０の第２面内方向ＩＰ２の主要寸法の大きい倍数（通常５倍より大きい）であり、ばね構造体２３０の第１面内方向ＩＰ１の寸法は、ばね構造体２３０の第２面内寸法ＩＰ２の寸法の少なくとも５倍である。これにより、ばね構造体２３０は、第２面内方向ＩＰ２において２つの慣性マス２０４と２０６との間で容易に曲がり、慣性マス２０４、２０６に、図３Ａに示す逆位相面内回転運動をさせることが可能になる。
【００２６】
図４は、動きの駆動モード段階における図２のデバイス構造体をより詳細に示す。前述したように、微小電気機械デバイス内の要素の回転運動は、通常、平衡点を中心とする機械的振動、言いかえれば、要素の周期的振動運動である。面内回転運動とは、本明細書では、平面要素の平面に垂直な軸を中心とする円曲線に沿った平面要素の回転振動運動を指す。図４の例では、慣性マス２０４、２０６に垂直な軸４００、４０２は、面外方向ＯＰと平行である。面内回転運動における慣性マスの動きの位相は、ここでは、慣性マス内の点への線が基準面内軸方向、例えば第２面内軸ＩＰ２の方向となす角度に相当する。したがって、逆位相面内回転運動において、第１慣性マス２０４内の選択された点４１２への線４１０が第２面内方向ＩＰ２となす角度θ１は、第１慣性マス２０４の位相を表していると考えることができる。対応して、第２慣性マス２０６内の対称点４２２への線４２０が第２面内方向ＩＰ２となす角度θ２は、第２慣性マス２０６の位相を表していると考えることができる。逆位相面内回転運動では、角度θ１および角度θ２の絶対値は同じであるが、それらの角度の極性、すなわち符号は異なる（θ１＝−θ２）。
【００２７】
２つの慣性マスの逆位相面内回転運動は、一方の慣性マスの一時的な角運動量が常に、他方の慣性マスの一時的な角運動量の逆であるため、２つの慣性マスの駆動運動はバランスがよくとれている点で有利である。望ましくない外部振動および外部衝撃は、同相運動成分を引き起こし、言いかえれば、動きの共通モードを引き起こす傾向がある。しかしながら、示した構成では、動きのこのモードは、第１ばねシステムのばね構造体２３０の特性によって有効に除去される。
【００２８】
図４に示すように、逆位相駆動運動では、ばね構造体２３０の部分４３０が第１慣性マス２０４と共に径方向に動こうとし、ばね構造体２３０の部分４３２が第２慣性マス２０６と共に径方向に動こうとする。第１慣性マス２０４が回転軸４００を中心として時計回り方向に角度θ１だけ回転し、第２慣性マス２０６が回転軸４０２を中心として反時計回り方向に角度−θ１（θ２）だけ回転すると、ばね構造体２３０は、両端部で支持され、真ん中に横置きされる梁のように機能する。したがって、ばね構造体２３０は、真ん中で曲がり、実質的に弧を形成し、曲げの間、その中心点４５０が第２面内方向ＩＰ２において前後に動く。
【００２９】
図４の例では、ばね構造体２３０は、部分４３０と４３２との間の中心点４５０を取り囲む任意選択の矩形部４４０を含む。この矩形部３４０は、ばね構造体の真ん中に配置し、面外方向ＯＰにもいくらかの対称的な可撓性をばね構造体に加えてもよい。慣性マス２０４、２０６の隣接エッジにおける必要な結合部は、部分４３０と４３２との間に中間構造要素を用いることなく、単純な曲げ梁で実装することができる。しかしながら、結合されたエッジ間の距離は、３ＢのＩＰ１感知モードの振動振幅によってわずかに変わるため、単純な曲げ梁は、かなり長く作られない限り、比較的剛性を有するばねを提供するであろう。また、矩形部により、図４に示すように、第１ばねシステムのばね構造体２３０は、懸架に対して過度の応力を引き起こすことなく、動きの駆動モードにおいて伸びることができる。それによって、矩形部は、駆動変位回転に対するばね力の線形性を改善する。
【００３０】
動きの望ましくない共通モードでは、第１慣性マス２０４は回転軸４００を中心として時計回り方向に角度θ１だけ回転しようとし、第２慣性マス２０６は回転軸４０２を中心として時計回り方向に同じ角度θ１（−θ２）だけ回転しようとするであろう。したがって、この場合、ばね構造体に作用する力は、ばね構造体をＳ字形に変形させようとするであろう。しかしながら、ばね構造体２３０がこのようなＳ字変形に強く抵抗することは、容易に理解される。
【００３１】
図３Ｂで示すように、慣性マス２０４、２０６が逆位相面内回転運動で振動する場合、第１面内方向ＩＰ１の軸を中心とするデバイスの角回転は、慣性マスを、第２面内方向ＩＰ２と平行に延在するそれぞれの軸を中心として逆位相で回転させるコリオリ力を引き起こす。あるいは、第２面内方向ＩＰ２の軸を中心とするデバイスの角回転は、慣性マス２０４、２０６を、第１面内方向ＩＰ１に延在する共通軸を中心として回転させるコリオリ力を引き起こす。したがって、デバイスは、２つの面内方向の少なくとも一方、しかしそれらの両方における２つの慣性マス２０４、２０６の動きからでも感知信号を生成するように構成された回路を含んでもよい。回路はまた、差動検出において２つの慣性マス２０４、２０６の感知信号を使用するように構成されてもよい。両方の感知運動が逆位相で生じる際、感知運動のいずれにおいても慣性マスの一時的な角運動量は常に逆であり、これは、両方の感知方向における２つの慣性マスの動きの感知モードも、バランスがよくとれていることを意味する。したがって、駆動運動、および２つの感知運動においてさえ十分にバランスのとれたモードを有する開示した構造体により、セーフティクリティカルな自動車用途の条件のような、より厳しい条件にも十分ロバストな多軸ジャイロデバイスの提供が可能になる。
【００３２】
図２に再び戻ると、デバイス構造体はまた、デバイス構造体のロバスト性を高めるように設計された１以上の面外シーソー梁システムを含む。面外シーソー梁システムについては、２つの慣性マス２０４、２０６の同じ方向を向いている少なくとも２つの水平エッジが、中間剛性梁の両端部に結合されてもよく、剛性梁は、第２面内方向ＩＰ２と平行である軸を中心として回転するように構成されてもよい。このような面外シーソー梁システムの支点は、支持部への機械的連結点を与え、慣性マスを面外方向ＯＰに安定させる。面外シーソー梁システムはまた、慣性マスを、面外方向ＯＰにおいてお互い反対方向に強制的に動かすため、具体的にはＩＰ２感知モードにおいて、動きの共通モードをさらに除去する。
【００３３】
図２の例には、２つの面外シーソー梁システムが含まれ、別の構成については明細書に後述する。図２では、正の第２面内方向ＩＰ２を向いている水平エッジ２１２、２２０が、１つの梁２４０に結合され、負の第２面内方向ＩＰ２を向いている水平エッジが、別の梁２５０に結合されている。より詳細には、図２は、正の第２面内方向ＩＰ２を向いている第１慣性マス２０４の第１水平エッジ２１２と、同じ方向を向いている第２慣性マス２０６の第１水平エッジ２２０とを示す。第１剛性梁２４０は第１面内方向ＩＰ１に延在し、第１慣性マス２０４の第１水平エッジ２１２は、第１剛性梁２４０の一端部に結合される。第２慣性マス２０６の第１水平エッジ２２０は、第１剛性梁２４０の他端部に結合される。第１剛性梁２４０および慣性マス２０４、２０６の結合は、慣性マスの一方が負の面外方向−ＯＰに動くと、慣性マスの他方が正の面外方向＋ＯＰに動き、第１剛性梁２４０は、基本的に第１剛性梁の真ん中にある固定ヒンジである支点で枢動する、面外シーソー梁システムを形成するように構成される。第２剛性梁２５０および慣性マス２０４、２０６の結合は、対称的であり、同様に機能する。
【００３４】
図２の面外シーソー梁システムでは、支点は、支持部への取付部と、ばね構造体との組合せによって提供される。好ましくは、剛性梁２４０の面外シーソー梁システムの支点と、剛性梁２５０の面外シーソー梁システムの支点とを横切る線は、慣性マス２０４と２０６との真ん中にあり、第１ばねシステムのばね構造体２３０の中心を横切る。
【００３５】
支持部への取付は取付点で行われ、取付点とは、本明細書において、支持部、または構造体層に突出する支持部の一部に直接的または間接的に固定される構造体層の部位を指す。したがって、取付点は、面外シーソー梁システムの１以上の可撓部を結合する局部的静止点を提供する。本開示では、慣性マス２０４、２０６の両方に対して、定義された機能的固定特徴を、組み合わせて実施するように構成された１以上の取付点の１セットを取付要素と呼ぶ。それに応じて、取付点について、支持部に固定取付するように取付点が結合しているばね構造体に関連して以下に定義する。取付要素は、取付点のそれぞれの組合せがデバイス構造体全体にもたらす結果の観点から定義する。
【００３６】
第１取付要素は、結合点と、そして同時に、慣性マス２０４、２０６の動きのモードを結合する１以上のシーソー梁システムの支点とを提供するように構成される。第２ばねシステムは、１以上の面外シーソー梁システムの剛性梁２４０、２５０を第１取付要素に結合するように構成される。第１剛性梁２４０は、第２ばねシステムの第１ばね構造体２４４によって第１取付要素の取付点２４２に結合され、第２剛性梁２５０は、第２ばねシステムの第２ばね構造体２５４によって第１取付要素の取付点２５２に結合される。
【００３７】
第１ばね構造体２４４は、第２面内方向ＩＰ２と平行である軸を中心として、第１取付点２４２と第１剛性梁２４０との間でフレキシブルにねじれるように構成されたねじれ要素である。第１ばね構造体２４４の一端部は、第１取付点２４２に固定されてもよく、第１ばね構造体２４４の他端部は、第１剛性梁２４０の中心に固定されてもよい。図２の例では、第１取付点２４２は、慣性マス２０４、２０６が空けたままにしているスペースの第１剛性梁２４０から内方に（第１ばねシステムの方に）配置される。しかしながら、取付点は、それぞれの剛性梁から外方に、またはそれぞれの剛性梁の内部にも同様に配置することができる。対応する第２ばね構造２５４による、第２剛性梁２５０と、対応する第２取付点２５２との結合は、要素２４０、２４２および２４６の結合に類似しており、鏡面対称にすぎない。
【００３８】
第３ばねシステムは、動きの駆動モードおよび動きの２つの感知モードを可能にする方法で、剛性梁２４０、２５０と慣性マス２０４、２０６とを結合するように構成される。図２のデバイス構造体では、第１剛性梁２４０の一端部は、第３ばねシステムの第１ばね構造体２６０によって第１慣性マス２０４の第１水平エッジ２１２に結合され、第１剛性梁２４０の他端部は、第３ばねシステムの第２ばね構造体２６２によって第２慣性マス２０６の第１水平エッジ２２０に結合される。対応して、第２剛性梁２５０の一端部は、第３ばねシステム２５８の第３ばね構造体２６４によって第１慣性マス２０４の第２水平エッジ２１４に結合され、第２剛性梁２５０の他端部は、第３ばねシステムの第４ばね構造体２６６によって第２慣性マス２０６の第２水平エッジ２２２に結合される。
【００３９】
第３ばねシステムのばね構造体２６０、２６２、２６４、２６６の各々は、初期静止状態においてＩＰ２方向に延在する軸を中心とする結合された慣性マスの振動回転を可能にするように構成される。これは、ＩＰ１感知モードにおける慣性マス２０４、２０６の回転振動に対応する。第３ばねシステムのばね構造体２６０、２６２、２６４、２６６の各々はまた、初期静止状態において、剛性梁への連結点と、慣性マスの水平エッジへの連結点との間で、第１面内方向ＩＰ１および第２面内方向ＩＰ２の両方に曲がるように構成され、その曲げにより、慣性マスへの連結点による基準面内の曲線に沿った動きが可能になる。図５Ａおよび図５Ｂは、図２の第３ばねシステムの記載したばね機能特徴を可能にする１つの可能な形状をより詳細に示す。他の機能的に等価な形状が、その範囲内で適用されてもよい。
【００４０】
図５Ａは、初期静止状態における第３ばねシステムの第１ばね構造体２６０を示す。なお、図５Ａおよび図５Ｂは、可能な機械的形状が所望のばね機能を生み出す方法について説明するために簡略化した概略図であり、特定の寸法を示していない。当業者であれば、開示したばね特性を構造ばねの様々な形状および寸法で実施することができる。第３ばねシステムの第１ばね構造体２６０は、第１剛性梁２４０への連結点５００と、第１慣性マス２０４への連結点５０２とを有する。連結点間に、第２面内方向ＩＰ２の梁セクションが両端部において第１面内方向ＩＰ１の短い方の梁セクションによって交互に結合される蛇状ばねから形成され得る第１ばね構造体２６０が延在する。デバイス構造体の厚さにより、梁セクション、ひいてはばね構造体２６０全体は、面外方向ＯＰの曲げに対して剛性的に抵抗する。少なくとも長い方の梁セクションは、それらの長さ寸法に垂直な方向に曲がってもよい。
【００４１】
したがって、図５Ｂに示すように、縦部分の曲げによって、第１慣性マス２０４は面内回転駆動運動を受けることができ、第１剛性梁２４０への連結点は、その位置を維持し、第１慣性マス２０４への連結点は、基準面内の円曲線に沿って動く。一方、前述のように、第１面内方向ＩＰ１の軸を中心とするデバイスの角回転は、初期静止状態において第２面内方向ＩＰ２に延在する軸を中心として慣性マス２０４を回転させるコリオリ力を引き起こす。ここで、動きのこのＩＰ１感知モードは、第１ばね構造体２６０のねじれによって容易になり、動きのこのようなモードから生じる信号をＩＰ１感知信号と呼ぶ。当該ＩＰ１感知モードでは、ねじれの主な部分は、連結点５０２に結合される第１長梁セクションで起こる。しかしながら、第１梁セクション上のねじれの一部は次の長梁セクションに伝達されるようになってもよく、そして、そのねじれの一部は次の長梁セクションに伝達されるようになってもよく、その結果、すべての梁セクションがねじれを容易にすると考えることができる。ＩＰ１感知モードにおける回転軸は、第１慣性マス２０４の第１水平エッジ２１２の連結点５０２と、第１慣性マス２０４の第２水平エッジ２１４の連結点とを通る。第２面内方向ＩＰ２の軸を中心とするデバイスの回転は、初期静止状態において第１面内方向ＩＰ１に延在する共通軸を中心として慣性マスを回転させるコリオリ力を引き起こす。ここで、動きのこのＩＰ２感知モードは、第２ばねシステムのばね構造体２４４、２５４のねじれによって容易になり、動きのこのようなモードから生じる信号をＩＰ２感知信号と呼ぶ。蛇状ばね構造体は、面外方向に剛性を有する、言いかえれば、面外方向の曲げに対して剛性的に抵抗するため、第１ばね構造体２６０は、第１慣性マス２０４の第１水平エッジ２１２を第１剛性梁２４０の端部の面外運動に、剛性的に結合する。
【００４２】
図２から分かるように、第３ばねシステムでは、第１剛性梁２４０の他端部の第２ばね構造体２６２は、第１ばね構造体２６０に鏡面対称である。バランスのよくとれた面内回転駆動運動では、慣性マス２０４、２０６を、それぞれの駆動軸を中心として回転させることができ、また、第１ばねシステムのばね構造体２３０によって強制的に逆位相で振動させる。これは、逆位相でもコリオリ誘起回転が生じることを意味する。よって、駆動モードおよび感知モードは共にバランスがとれている。ＩＰ１感知モードでは、第１ばねシステムのばね構造体２３０は、慣性マス２０４、２０６のＩＰ１感知モードがＩＰ２方向の平行な２つの軸を中心とする逆位相回転であるよう並んで動くように、第１垂直エッジ２０８、２１８を結合する。ＩＰ２感知モードでは、面外シーソー梁システムは、互いに反対方向に動くように第１水平エッジ２１２、２２０を剛性的に結合するため、ＩＰ１方向の共通軸を中心とする慣性マス２０４、２０６の逆位相回転振動が可能になる。
【００４３】
ＩＰ１感知モードでは、ランダムな加速によって、両方の慣性マス２０４、２０６内の慣性マスは同位相で動こうとするであろう。そのため、第１垂直エッジ２０８は一方の面外方向に、第１垂直エッジ２１６は反対方向に動くはずである。しかしながら、このような動きは、第１ばねシステムのばね構造体２３０の面外剛性によって無効になる。
【００４４】
一方、ＩＰ２感知モードでは、ランダムな加速によって、両方の慣性マス２０４、２０６は同位相で動こうとするであろう。そのため、正のＩＰ２方向を向いている第１水平エッジ２１２、２２０は、一方の面外方向に同時に動くはずであり、一方、負のＩＰ２方向を向いている第２水平エッジ２１４、２２２は、他方の面外方向に同時に動くはずである。しかしながら、支持部にしっかりと留められ、面外方向に剛性を有する面外シーソー梁システムは、動きのこのような共通モードに対して剛性的に抵抗する。
【００４５】
また、駆動運動では、ランダムな加速によって、両方の慣性マス２０４、２０６は同位相で動こうとする。すなわち、その結果、慣性マスは、初期位置から同じ時計回り方向または反時計回り方向に回転するであろう。しかしながら、第１ばね構造体２３０が慣性マス２０４と２０６との間でＳ形状に曲がることができないため、これは無効になる。
【００４６】
よって、開示した構成により、バランスのとれた駆動運動モードおよびバランスのとれた検出運動モードが容易になって第１面内方向ＩＰ１および第２面内方向ＩＰ２の軸を中心とするデバイスの角回転が感知され、同時に、外部衝撃に対して当該駆動モードおよび感知モードが安定する。上に開示したように、逆位相感知モードは、１つのモードにおける検出信号が、２つの慣性マスのそれぞれの面内軸を中心とする動きから生成された信号の差に対応する差動検出を可能にする。これによって、動作条件（温度、湿度、機械的応力、ＥＭＣなど）の一時的な変化の影響から生じる測定誤差が有効に低減される。
【００４７】
図２はまた、慣性システムの逆位相面内駆動運動を生成するのに適用可能な有利な構造体を示す。図２に示すように、慣性マス２０４、２０６の各々は、それぞれの駆動要素２７０、２９０に結合されてもよい。線形駆動運動は、通常、回転駆動運動より有効に引き起こされるため、駆動要素は、線形駆動要素および変換駆動要素を含むように構成されてもよい。この第１例では、線形駆動要素は、面内方向のうちの一方向の線形駆動運動を受けるように構成されており、変換駆動要素は、慣性マスおよび線形駆動要素に結合され、線形駆動要素の線形駆動運動を面外方向の軸を中心とする慣性マスの面内回転運動に変換するように構成される。質量分布のバランスをとるために、慣性マスは鏡面対称性を有することが好ましいため、駆動要素の駆動機能について、第１慣性マス２０４の駆動要素２７０に関連して以下に説明する。当業者にとって、第２慣性マス２０６用の駆動要素２９０の実装は、簡単な作業である。この例では、駆動要素２７０は、第１慣性マス２０４内に配置される。他の例については後述する。
【００４８】
図２の第１慣性マス２０４用の駆動要素２７０は、線形駆動要素２７１および変換駆動要素２７２を含む。線形駆動要素２７１は、第２取付要素の取付点によって支持部に結合され、かつ、第４ばねシステムのばね構造体によって線形振動することが可能な線形駆動マスを含む。第２取付要素は、慣性マス２０４、２０６の両方の駆動要素２７０、２９０を懸架するために支持部に静止結合するように構成される。第１慣性マス２０４の駆動要素２７０の線形駆動要素２７１は、２つの線形駆動マス２７３、２７４を含み、線形駆動マス２７３、２７４は、この例では、第２面内方向ＩＰ２に各々延在する縦梁である。第４ばねシステムは、両方の慣性マス２０４、２０６の線形駆動マスを第２取付要素の取付点に結合し、かつ第２面内方向ＩＰ２の線形駆動マスの線形逆位相運動を可能にするように構成される。線形駆動要素２７１の安定化を向上させるために、第２取付要素は、２対の取付点、すなわち各線形駆動マスにつき１対２７５、２７６を含んでもよい。対応して、線形駆動要素２７１について、第４ばねシステムは、第２取付要素の各取付点につき１つのばね構造体を含んでもよく、１対のばね構造体は、１つの線形駆動マスを支持部に結合する。例えば、図２に示すように、第４ばねシステムの１対のばね構造体２７７、２７８は、線形駆動マス２７３の縦梁の両端部に配置されてもよく、ばね構造体２７７、２７８の各々は、縦梁のそれぞれの端部を取付点２７５、２７６に結合するように配置されてもよい。線形駆動マス２７４についても、同様に配置されてもよい。
【００４９】
この例では、変換駆動要素２７２は、第１線形駆動マス２７３と第２線形駆動マス２７４との間に配置される。変換駆動要素２７２は、第５ばねシステムのばねによって線形駆動マス２７３、２７４に、かつ第６ばねシステムのばねによって第１慣性マス２０４に結合される変換駆動マス２７９を含む。第５ばねシステムは、変換駆動マスの動きが線形駆動マスの動きの和であるように、２つの線形駆動マスの動きを慣性マス２０４、２０６の駆動要素内の中間変換駆動マス２７９に結合するように構成される。図２では、変換駆動マス２７９は、主として第１面内方向ＩＰ１に延在する２つの水平エッジと、主として第２面内方向ＩＰ２に延在する２つの垂直エッジとを有する。第５ばねシステムの第１ばね構造体２８０は、第１線形駆動マス２７３を変換駆動マス２７９の一方の垂直エッジに結合し、第５ばねシステムの第２ばね構造体２８１は、第２線形駆動マス２７４を変換駆動マス２７９の反対側の垂直エッジに結合する。第５ばねシステムのばね構造体２８０、２８１は、有利には、第２面内方向ＩＰ２および面外方向ＯＰの変位に剛性的に抵抗するが、第１面内方向ＩＰ１の軸を中心としてねじれて曲がる。初期静止状態では、この軸は、慣性マス２０４の駆動軸と一致している。図２は、第５ばねシステムのばね構造体２８０、２８１が、第１面内方向ＩＰ１に延在する短梁と、それぞれの慣性マスへの梁の連結点付近において第２面内方向ＩＰ２に延在する縦凹部とを含む例を示す。梁により、説明したねじれおよび安定性が第２面内および面外方向にもたらされ、凹部により、線形駆動マスの線形運動と、被駆動慣性マスの回転運動との間の第１面内方向ＩＰ１における必要な可撓性が可能になる。
【００５０】
したがって、ここで、第１線形駆動マス２７３には、線形駆動マス２７３をＩＰ２方向の前後に振動させる容量性駆動システム（図示せず）が備えられてもよい。振動駆動運動の誘導は当業者によく知られており、本明細書ではより詳細には述べない。第２線形駆動マス２７４にはまた、線形駆動マスを、ＩＰ２方向、しかし常に第１線形駆動マス２７３と反対方向（逆位相）に振動させる容量性駆動システム（図示せず）が備えられてもよい。線形駆動マス２７３、２７４の逆位相線形運動は、第５ばねシステムのばね構造体２８０、２８１によって変換駆動マス２７９の対向する垂直エッジに中継され、それにより、変換駆動マス２７９は、ＯＰ方向の軸を中心とする回転運動で振動する。慣性マス内で起こるしっかりと留められた線形駆動運動は、有効であると同時に非常に正確であるため、測定結果のエラーが低減される。
【００５１】
変換駆動マス２７９の水平エッジは、第６ばねシステムのばね２８２、２８３によって慣性マス２０４に結合される。第６ばねシステムは、内部変換駆動マスの回転振動が周囲の慣性マスの回転振動に中継されるように、慣性マス２０４、２０６の各々をその内部変換駆動マスに結合するように構成される。図２では、第６ばねシステムの第１ばね構造体２８２は、変換駆動マス２７９の一方の水平エッジと、第１慣性マス２０４の内部水平エッジとの間に結合され、初期静止状態において第２面内方向ＩＰ２に延在する軸を中心としてねじれて曲がるように構成される。対応して、第６ばねシステムの第２ばね構造体２８３は、変換駆動マス２７９の他方の水平エッジと、第１慣性マス２０４の別の内部水平エッジとの間に結合され、また、初期静止状態において第２面内方向ＩＰ２に延在する軸を中心としてねじれて曲がるように構成される。有利には、第６ばねシステム２７９のばね構造体２８２、２８３は、共線的であり、他の種類の変形に抵抗する。ばね構造体２８２、２８３は面内方向に曲がらないため、各変換駆動要素の面内回転は、周囲の慣性マスに有効に中継され、その結果、第１慣性マス２０４の駆動モードの動きを引き起こす。第６ばねシステムのばね構造体２８２、２８３によってもたらされるねじれ可撓性によって、慣性マス２０４はＩＰ１感知モードで振動することができる。面外方向ＯＰの曲げに対する第６ばねシステムのばね構造体２８２、２８３の剛性によって、ＩＰ２感知モードにおいて、変換駆動マス２７９は慣性マス２０４の回転振動に結合される。変換駆動マス２７９のこの動きは、第５ばねシステムのばね構造体２８０、２８１のねじれ可撓性によって可能になる。
【００５２】
駆動マスおよび被駆動マスの動きのモードを定義するばねの開示した組合せにより、高感度で角速度を感知することができ、同時に、デバイスの慣性マスと同じ構造体層からパターニングされたばね構造体の固有の機械的特性を有利に利用することによって、外部衝撃に対するロバスト性が高まる。
【００５３】
デバイス構成のロバスト性は、さらに駆動要素２７０、２９０を支持部に固定し、ひいては動きの駆動モードを安定させる中央アンカ部によって高められてもよい。中央アンカ部は、第３取付要素および第７ばねシステムで実装されてもよい。第３取付要素は、変換駆動マスを慣性マス２０４、２０６の内部駆動要素内に内部懸架するために支持部に静止結合するように構成される。第７ばねシステムは、第３取付要素から、慣性マス２０４、２０６の内部駆動要素内の変換駆動マスを懸架するように構成される。例えば、図２の例で示すように、第３取付要素の取付点２８５は、支持部に固定されてもよく、変換駆動マス２７９は、第７ばねシステムのばね構造体２８６によって取付点２８５に結合されてもよい。ばね構造体２８６は、第２面内方向ＩＰ２に曲がり、第１面内方向ＩＰ１の軸を中心としてねじれて曲がるように構成されてもよい。取付点２８５およびばね構造体２８６は、変換駆動マス２７９内に配置され、その結果、初期静止状態において、変換駆動マス２７９の回転軸は、第１感知軸、言いかえれば、動きのＩＰ２感知モードにおける第１慣性マス２０４の回転軸と一致する。有利には、第７ばねシステムのばね構造体２８６は、変換駆動マス２７９の動きの他のモードによって生じる変形に抵抗する。図２の例では、ばね構造体２８６は、変換駆動マス２７９および取付点２８５を結合する梁で実装される。変換駆動マス２７９の中央位置におけるばね構造体２８６の面内曲げにより、動きの駆動モードにおいて回転駆動マスの面内回転が可能になる。面外方向の曲げに対するばね構造体２８６の剛性によって、駆動モードおよびＩＰ１感知モードにおいて起こり得る寄生振動が有効に除去される。ばね構造体２８６のねじれ可撓性によって、ＩＰ２感知モードにおいて、変換駆動マス２７９の面外シーソー運動と第１慣性マス２０４とを直接結合することができる。
【００５４】
前述したように、開示した構造体は対称であるため、第２慣性マスシステム２０２の慣性マス２０６の駆動要素２９０についての説明は、本明細書において提供する駆動要素２７０の説明から容易に導くことができる。
【００５５】
図６は、開示するデバイスの代替例を示す。図２で既に説明した要素は、同じ参照番号で表示している。指摘するように、図６は慣性マスの代替形状を示し、その代替形状では、慣性マスがデバイスの利用可能な表面積をより広く占め得るため、駆動運動および感知運動に関して慣性マスが増大している。したがって、この実施形態では、慣性マスの水平エッジおよび垂直エッジは、へこみがなく真っ直ぐであるため、第１取付要素の部品および第２ばねシステムの部品は、面外シーソー梁システムの第１梁２４０から外方に配置される。さらに、ここでは、図２の完全に内部の駆動要素２７０、２９０が、図２で開示した慣性マス２０４、２０６の動きの逆位相面内駆動モードを対応して引き起こす部分的に外部の駆動要素６００、６０２に置き換えられている。図６の例では、各駆動要素は、この場合も線形駆動要素および変換駆動要素を含むが、ここでは、線形駆動要素の各々は、それぞれの慣性マスの外側に配置される。
【００５６】
第１慣性マス２０４の駆動要素６００に関して、以下に詳細に説明する。６００慣性マス２０６の駆動要素６０２の実装に関する開示は、同じ説明から容易に導くことができる。図２のように、図６の第１慣性マス２０４の駆動要素６００は、線形駆動要素６０４および変換駆動要素６０６を含む。しかしながら、ここで、線形駆動要素６０４は、第１慣性マス２０４の外側の位置において支持部から懸架され、変換駆動要素６０６は、線形駆動要素６０４を、第１慣性マス２０４内の２つの結合点６０８、６１０に結合する。
【００５７】
線形駆動要素６０４は、第１線形駆動マス６１２および第２線形駆動マス６１４を含む。図２のように、これらの線形駆動マス６１２、６１４は、線形駆動マス６１２、６１４の線形運動を可能にする方法で第２取付要素の取付点に線形駆動マス６１２、６１４を結合する第４ばねシステムの方向ばねで、第２取付要素の取付点から懸架することができる。しかしながら、図２の構成とは違って、方向ばねは、第１面内方向ＩＰ１における線形駆動マス６１２、６１４の線形運動を可能にするように構成され、第２取付要素の取付点は、第１慣性マス内にはなく、第１慣性マスの外側にある。
【００５８】
第１慣性マス２０４は、第１慣性マス２０４の面内回転運動の回転軸を意味する駆動軸が基準面と交差する点に回転中心６３０を有する。この例では、２つの線形駆動マス６１２、６１４の線形運動は、線形駆動マスの逆位相振動を直接第１慣性マス２０４の２つの内部点に中継することによって、第１慣性マス２０４の回転運動に変換される。２つの内部点は、本質的に、回転中心６３０を横切る第２面内方向ＩＰ２の線において、回転中心の両側に位置する。ここで、この表現は本質的に、内部材料のひずみ、および面内方向と面外方向との異なる寸法の関係により、結合点用の第１慣性マス２０４の開口部を結ぶ線は、ＩＰ１感知モードにおいてＩＰ２方向軸を中心とする回転がその周りで生じる内部材料ゼロひずみ点同士を結ぶ線からわずかにずれてもよいことを暗示している。機能としては、結合点および中心点の本質的な共線性は、ＩＰ１感知モードにおける慣性マスの回転が可能になるように結合点６０８、６１０が第１慣性マス２０４内に十分に深く延在することを意味する。
【００５９】
したがって、図６は、変換駆動要素６０６が２つの縦梁６２２、６２４を含む例を示す。変換駆動要素６０６の第１梁６２２は、第１線形駆動マス６１２から第１慣性マス２０４内の第１結合点６０８まで延在する。変換駆動要素６０６の第２梁６２４は、第２線形駆動マス６１４から第１慣性マス２０４内の第２結合点６１０まで延在する。線形駆動マス６１２、６１４が逆位相で駆動される場合、梁６２２、６２４は、線形運動を第１慣性マス２０４内の内部点６０８、６１０に中継することによって、線形プッシュ・プルを引き起こし、回転駆動運動を引き起こす。
【００６０】
デバイス構造体のロバスト性は、この場合も、中央アンカ部によってさらに高められてもよい。図６では、ＩＰ１方向の第１回転軸６２０は、ＩＰ２感知モード用の初期共通回転軸を示す。ＩＰ２方向の第２回転軸６２２は、ＩＰ１感知モード用の第１慣性マス２０４の初期回転軸を示す。中央アンカ部は、慣性マス２０４、２０６を支持部から中央懸架するために静止結合することが既に開示された第４取付要素の取付点と、第８ばねシステムのばね構造体とで実装される。図６では、第１慣性マス２０４用の第４取付要素の取付点６４０が、第１慣性マス２０４の回転中心６３０と一致することを示す。第８ばねシステムのばね構造体は、第１結合ばね構造体６４１と、フレーム６４２と、第２結合ばね構造体６４３とを含む。フレーム６４２は、ここでは、剛性を有し、内部の空きスペースの周りを少なくとも部分的に囲む境界を形成する構造要素を表す。フレーム６４２は、第１結合ばね構造体６４１によって取付点６４０に、また、第２結合ばね構造体６４３によって第１慣性マス２０４に結合される。結合ばね構造体６４１、６４３の一方または両方は、第１慣性マス２０４の面内回転が可能になるように、それぞれの面内方向にフレキシブルに曲がってもよい。第１結合ばね構造体６４１は、さらに、取付点６４０とフレーム６４２との間で、初期静止状態において第１面内方向ＩＰ１に延在する軸を中心としてフレキシブルにねじれるように構成されている。
【００６１】
図６では、第１結合ばね構造体６４１は、第１面内方向ＩＰ１の両側に突出し、フレーム６４２の内側エッジ内に延在する２つの部分を含む。第２結合ばね構造体６４３は、さらに、第１慣性マス２０４とフレーム６４２との間で第２面内方向ＩＰ２の軸を中心としてフレキシブルにねじれるように構成されてもよい。図６では、第２結合ばね構造体６４３は、第２面内方向ＩＰ２の両側に突出し、第１慣性マス２０４の内側水平エッジ内に延在する２つの部分を含む。結合ばね構造体６４１、６４３とフレーム６４２とのこの組合せにより、動きのＩＰ１感知モードおよび動きのＩＰ２感知モードが可能になる。第１結合ばね構造体６４１は、面外方向に曲がることができず、フレーム６４２も面外方向に曲がることができない。第１慣性マス２０４がＩＰ１感知モードにおいて第２回転軸６２２を中心として回転する場合、第２結合ばね構造体６４３は、フレーム６４２と第１慣性マスとの間でねじれ得る。同様に、第２結合ばね構造体６４３は、面外方向に曲がることができず、フレーム６４２も面外方向に曲がることができない。第１慣性マス２０４がＩＰ２感知モードにおいて第１回転軸６２０を中心として回転する場合、第１結合ばね構造体６４１は、フレーム６４２と取付点６４０との間でねじれ得る。
【００６２】
図７は、開示するデバイスのさらなる代替例を示す。図２で既に説明した要素は、この場合も、同じ参照番号で表示している。図６にように、図２の完全に内部の駆動要素２７０、２９０が、図２で開示した慣性マス２０４、２０６の動きの逆位相面内駆動モードを対応して引き起こす部分的に外部の駆動要素７００、７０２で置き換えられている。図７の例では、各駆動要素は、この場合も線形駆動要素および変換駆動要素を含み、線形駆動要素の各々は、それぞれの慣性マスの外側に配置される。
【００６３】
第１慣性マス２０４の駆動要素７００に関して、以下に詳細に説明する。第２慣性マス２０６の駆動要素７０２の実装に関する開示は、同じ説明から容易に導くことができる。図２および図６のように、図７の第１慣性マス２０４の駆動要素７００は、線形駆動要素７０４および変換駆動要素７０６を含む。しかしながら、図６のように、線形駆動要素７０４は、第１慣性マス２０４の外側の位置において支持部から懸架される。さらに、変換駆動要素７０６はまた、図６の構成における第１慣性マス２０４用の別個の要素として開示する中央アンカ部を提供する。
【００６４】
線形駆動要素７０４は、１つの線形駆動マス７１２を含む。図２および図６のように、第４ばねシステムの方向ばねは、線形駆動マス７１２を第２取付要素の取付点に結合し、かつ線形駆動マス７１２の線形運動を可能にするように構成される。図７の構成では、方向ばねは、第１面内方向ＩＰ１における線形駆動マス７１２の線形運動を可能にするように構成される。線形駆動マス７１２の線形運動は、駆動マス７１２の振動を第１慣性マス２０４内に位置する中央ばね構造体に非対称的に中継することによって、第１慣性マス２０４の回転運動に変換される。
【００６５】
第１慣性マス２０４は、第１慣性マス２０４の面内回転運動の回転軸（駆動軸）が基準面と交差する点に回転中心７３０を有する。図７では、ＩＰ１方向の第１回転軸７２０は、ＩＰ２感知モード中の共通回転軸を示す。ＩＰ２方向の第２回転軸７２２は、ＩＰ１感知モードにおける第１慣性マス２０４の回転軸を示す。図６のように、第１慣性マス２０４用の中央アンカ部は、慣性マス２０４、２０６を支持部から中央懸架するために静止結合するように構成された第４取付要素の取付点６４０で実装される。
【００６６】
第１慣性マス２０４は、第９ばねシステムのばね構造体７４０によって取付点６４０に結合される。第１慣性マス２０４用の第９ばねシステムのばね構造体７４０は、第１結合ばね構造体７４１と、フレーム７４２と、第２結合ばね構造体７４３とを含む。フレーム７４２は、第１結合ばね構造体７４１によって取付点６４０に、また、第２結合ばね構造体７４３によって第１慣性マス２０４に結合される。第１結合ばね構造体７４１は、第２面内方向にフレキシブルに曲がり、第１慣性マス２０４の面内回転を可能にするように構成される。第１結合ばね構造体７４１は、さらに、初期静止状態において第１面内方向ＩＰ１に延在するばね軸を中心として、取付点７４０とフレーム７４２との間でフレキシブルにねじれるように構成される。回転中心７３０は、取付点６４０からずれており、第１結合ばね構造体７４１のばね軸のある点に位置する。しかしながら、第１結合ばね構造体７４１は、フレーム７４２と同様に面外方向ＯＰにおいて剛性を有する。
【００６７】
第２結合ばね構造体７４３は、第２面内方向ＩＰ２の軸を中心として、第１慣性マス２０４とフレーム７４２との間でフレキシブルにねじれるように構成される。図７では、第２結合ばね構造体７４３は、第２面内方向ＩＰ２の両側に突出し、第１慣性マス２０４の内側水平エッジ内に延在する２つの部分を含む。
【００６８】
したがって、説明した構造的組合せは、第１慣性マス２０４がＩＰ２感知モードにおいて第１回転軸７２０を中心として回転する場合、第１結合ばね構造体７４１を、フレーム７４２と取付点６４０との間でねじれるように構成する。一方、第１慣性マス２０４がＩＰ１感知モードにおいて第２回転軸７２２を中心として回転する場合、第２結合ばね構造体７４３は、フレーム７４２と第１慣性マス２０４との間でねじれ得る。第２結合ばね構造体７４３は面内方向に曲がらず、フレーム７４２も面内方向に曲がないため、フレームに引き起こされる動きは、直接第１慣性マス２０４に中継される。
【００６９】
この例では、線形駆動マス７１２の線形運動は、駆動マスの振動をフレーム７４２に非対称的に中継することによって、第１慣性マス２０４の回転運動に変換される。このため、変換駆動要素７０６は、線形駆動マス７１２からフレーム内の結合点まで第１面内方向ＩＰ１に延在する縦梁７２２を含む。有利には、梁７２２は、梁および第１回転軸７２０が同一平面上にあるが、０でない距離だけ離れているように、第１慣性マス２０４と同じ構造体材料層にパターニングされる。動作において、これは、正のＩＰ１方向における線形駆動マス７１２の線形運動によってフレーム７４２が引っぱられようとすると、取付点６４０と第１結合ばね構造体との組合せによって、その引っ張る力が、回転中心７３０を中心とするフレーム７４２の時計回り回転運動に変換されることを意味する。対応して、負のＩＰ１における線形駆動マス７１２の線形運動からの引っ張る力は、フレーム７４２の反時計回り回転運動に変換される。第２結合ばね構造体７４３は、フレーム７４２のこの回転運動を直接第１慣性マス２０４の回転振動に中継する。
【００７０】
図８は、開示するデバイスのさらなる代替例を示す。図２で既に説明した要素は、この場合も、同じ参照番号で表示している。図６および図７のように、図２の完全に内部の駆動要素２７０、２９０が、図２で開示した慣性マス２０４、２０６の動きの逆位相面内駆動モードを対応して引き起こす部分的に外部の駆動要素８００、８０２で置き換えられている。図８の例では、各駆動要素８００、８０２は、この場合も線形駆動要素および変換駆動要素を含み、線形駆動要素の各々は、それぞれの慣性マスの外側に配置される。
【００７１】
この例では、ＩＰ１方向のデバイス構造体の寸法は、先の例の面外シーソー梁システム２５０のうちの１つの位置に駆動要素８００、８０２を配置することによって縮小されている。したがって、第２面内方向ＩＰ２に沿って、駆動運動が慣性マス２０４、２０６の一方側で駆動要素によって引き起こされ、安定化結合が慣性マス２０４、２０６の他方側にある面外シーソー梁システムによってなされる。
【００７２】
第１慣性マス２０４の駆動要素８００に関して、以下に詳細に説明する。第２慣性マス２０６の駆動要素８０２の実装に関する開示は、同じ説明から容易に導くことができる。図２、図６および図７のように、図７の第１慣性マス２０４の駆動要素８００は、線形駆動要素８０４および変換駆動要素８０６を含む。線形駆動要素８０４は、第１慣性マス２０４の外側の位置において支持部から懸架され、変換駆動要素８０６も振動運動のための中央アンカ部を提供する。
【００７３】
線形駆動要素８０２は、線形駆動マス８１２の線形運動を可能にするように構成される第４ばねシステムの方向ばね８５４、８５６で第２取付要素の取付点８５０、８５２から懸架することができる１つの線形駆動マス８１２を含む。図８の構成では、方向ばね８５４、８５６は、第１面内方向ＩＰ１における線形駆動マス８１２の線形運動を可能にするように構成される。線形駆動マス８１２の線形運動は、変換駆動要素に含まれた面内シーソー梁システムによって第１慣性マス２０４の回転運動に変換される。
【００７４】
第１慣性マス２０４は、第１慣性マス２０４の面内回転運動の回転軸が基準面と交差する点に回転中心８３０を有する。図８では、ＩＰ１方向の第１回転軸８２０は、ＩＰ２感知モード中の共通回転軸を示す。ＩＰ２方向の第２回転軸８２２は、ＩＰ１感知モードにおける第１慣性マス２０４の回転軸を示す。図６のように、第１慣性マス２０４用の中央アンカ部は、第４取付要素の取付点６４０で実装され、第４取付要素は、慣性マス２０４、２０６を支持部から中央懸架するために静止結合するように構成される。
【００７５】
第１慣性マス２０４は、第１０ばねシステムのばね構造体８４０によって取付点６４０に結合される。第１慣性マス２０４用の第１０ばねシステムのばね構造体８４０は、第１結合ばね構造体８４１と、フレーム８４２と、第２結合ばね構造体８４３とを含む。フレーム８４２は、第１結合ばね構造体８４１によって取付点６４０に、また、第２結合ばね構造体８４３によって第１慣性マス２０４に結合される。第１結合ばね構造体８４１は、第１面内方向ＩＰ１にフレキシブルに曲がり、第１慣性マス２０４の面内回転を可能にするように構成される。第１結合ばね構造体８４１は、さらに、第２面内方向ＩＰ２のばね軸を中心として、取付点６４０とフレーム８４２との間でフレキシブルにねじれるように構成される。回転中心８３０は、取付点６４０からずれており、第１結合ばね構造体８４１のばね軸のある点に位置する。しかしながら、第１結合ばね構造体８４１は、フレーム８４２と同様に面外方向ＯＰにおいて剛性を有する。
【００７６】
第２結合ばね構造体８４３は、第１面内方向ＩＰ１の軸を中心として、第１慣性マス２０４とフレーム８４２との間でフレキシブルにねじれるように構成される。図８では、第２結合ばね構造体８４３は、第１面内方向ＩＰ１の両側に突出し、第１慣性マス２０４の内側垂直エッジ内に延在する２つの部分を含む。
【００７７】
したがって、説明した構造的組合せは、第１慣性マス２０４がＩＰ１感知モードにおいて第２回転軸８２２を中心として回転する場合、第１結合ばね構造体８４１を、フレーム８４２と取付点６４０との間でねじれるように構成する。一方、第１慣性マス２０４がＩＰ２感知モードにおいて第１回転軸８２０を中心として回転する場合、第２結合ばね構造体８４３は、フレーム８４２と第１慣性マス２０４との間でねじれ得る。第２結合ばね構造体８４３は面内方向に曲がらず、フレーム８４２も面内方向に曲がらないため、フレームに引き起こされる動きは、直接第１慣性マス２０４に中継される。
【００７８】
この例では、線形駆動マス８１２の線形振動を面内シーソー梁システムの梁の一端部に結合し、梁の他端部をフレーム８４２に結合することによって、線形駆動マス８１２の線形運動は第１慣性マス２０４の回転運動に変換される。フレーム８４２に結合する梁の端部における主としてＩＰ１方向の動きはフレームに中継されるが、取付点６４０への結合によって、フレーム８４２は、強制的に、第２結合ばね構造体８４３によって第１慣性マス２０４に中継される回転運動をする。
【００７９】
したがって、この例では、慣性マス２０４、２０６の各々の駆動要素内の変換駆動要素は、面内シーソー梁システムを含む。面内シーソーシステムは、第５取付要素の取付点によって支持部に結合される。慣性マス２０４用の面内シーソーシステムでは、剛性梁８６０は、第１１ばねシステムのばね構造体によって第５取付要素の取付点８６１に結合される。第１１ばねシステムは、梁８６０のシーソー運動の支点を局部的静止点に安定させるように構成される。このため、梁８６０の面内シーソー運動が可能になるように、図８のばね構造体８６２は、取付点８６１が連結するより小さい部位で梁８６０に連結する。梁８６０の端部は、第１２ばねシステムのばね構造体８６３によって線形駆動マス８１２とフレームとに結合する。第１面内方向ＩＰ１におけるばね構造体８６３の形状は、梁８６０の形状より薄い。線形駆動マス８１２の端部にあるばね構造体８６３の一部では、これが線形駆動運動を面内シーソー運動に結合する。フレーム８４２の端部にあるばね構造体８６３の一部では、より薄い形状により、ばね構造体８６３は、ＩＰ１感知モードにおいて第２面内方向ＩＰ２の軸を中心として梁８６０の端部とフレームとの間でねじれ得る。
【００８０】
動作において、この要素の組合せは、線形駆動マス８１２が正のＩＰ１方向に動く場合に、線形駆動マス８１２が梁８６０の一端部を同じ方向へ引っ張ることによって、梁の他端部がフレーム８４２を反対方向に動かすように動作する。取付点６４０と第１結合ばね構造体８４１との組合せにより、引っ張る力が、回転中心８３０を中心とするフレーム８４２の時計回り回転運動に変換される。対応して、負のＩＰ１方向における線形駆動マス８１２の線形運動からの引っ張る力は、フレーム８４２の反時計回り回転運動に変換される。第２結合ばね構造体８４３は、フレーム８４２のこの回転運動を直接第１慣性マス２０４の回転振動に中継する。
【００８１】
図９は、開示するデバイスのさらなる代替例を示す。図２で既に説明した要素は、この場合も、同じ参照番号で表示している。図６、図７および図８のように、図２の完全に内部の駆動要素２７０、２９０が、図２で開示した慣性マス２０４、２０６の動きの逆位相面内駆動モードを対応して引き起こす部分的に外部の駆動要素９００、９０２で置き換えられている。図９の例では、各駆動要素９００、９０２は、この場合も線形駆動要素および変換駆動要素を含む。この例では、慣性マスは、図９に示すように、第１バー形状が第１面内方向ＩＰ１に延在し、第２バー形状が第２面内方向ＩＰ２に延在し、慣性マス２０４の水平エッジ２１２、２１４は第２バー形状の両端部によって設けられ、垂直エッジ２０８、２１０は第１バー形状の両端部によって設けられる十字形状を有する。図９はまた、第２ばねシステムのばね構造体２４４の代替実装を示す。慣性マス２０４、２０６の十字形状がそれらの間にいくらかの空きスペースを残す場合、第１取付要素の取付点２４２、２５２は、個々のそれぞれの剛性梁２４０、２５０の内側に位置付けすることができる。ばね構造体２４４、２５４は、その取付点の異なる側からそれぞれの剛性梁まで各々突出している２つの部分からなるように対応して構成することができる。
【００８２】
第１慣性マス２０４の駆動要素９００に関して、以下に詳細に説明する。第２慣性マス２０６の駆動要素９０２の実装に関する開示は、同じ説明から容易に導くことができる。図２、図６、図７および図８にように、図９の第１慣性マス２０４の駆動要素９００は、線形駆動要素９０４および変換駆動要素９０６を含む。線形駆動要素９０４は、図９に示すように、十字形状の第１慣性マス２０４におけるバー形状の隣接して直交する辺間の領域によって設けられた位置において支持部から懸架される。
【００８３】
線形駆動要素９０４は、第１線形駆動マス９１２および第２線形駆動マス９１４を含む。線形駆動マス９１２、９１４は、この例では第１面内方向ＩＰ１における線形面内運動を可能にする第４ばねシステムの方向ばね構造体で第２取付要素の取付点から懸架することができる。
【００８４】
第１慣性マス２０４は、第１慣性マス２０４の面内回転運動の回転軸が基準面と交差する点に回転中心９３０を有する。図６のように、２つの線形駆動マス９１２、９１４の線形運動は、第２面内方向ＩＰ２の回転中心９３０を横切る線において回転中心の両側に本質的に位置する２つの内部点に駆動マスの逆位相振動を中継することによって、第１慣性マス２０４の回転運動に変換される。
【００８５】
したがって、図９は、変換駆動要素９０６が２つの縦梁を含む例を示す。変換駆動要素９０６の第１梁９２２は、第１線形駆動マス９１２から第１慣性マス２０４内の第１結合点９０８まで延在する。変換駆動要素９０６の第２梁９２４は、第２線形駆動マス９１４から第１慣性マス２０４内の第２結合点９１０まで延在する。有利には、梁９２２、９２４は、第１慣性マス２０４と同じ構造体材料層にパターニングされる。
【００８６】
第１慣性マス２０４の十字形状により、梁９２２は、図２の梁６２２より短く見えるかもしれない。これによる動きのＩＰ１感知モードにおける材料ひずみを回避するために、第１慣性マス２０４が第２回転軸９２２を中心として回転する場合に、第２面内方向ＩＰ２の軸に巻き付くねじれ部分９３０を含むように、第１慣性マス２０４への結合点９０８を実装することができる。さらに、梁９２２は、線形駆動マス９１２に結合するフォーク状拡張部を含むことができる。このフォーク状拡張部により、第１慣性マス２０４がＩＰ２感知モードにおいて第１回転軸９２０を中心として回転する場合、結合点９０８は、線形駆動マス９１２に対して面外方向に動くことができる。
【００８７】
図９では、構成のロバスト性は、図６のように、動きのすべてのモードを可能にする別個の中央アンカ部によって高められている。図９では、ＩＰ１方向の第１回転軸９２０は、ＩＰ２感知モード用の初期共通回転軸を示す。ＩＰ２方向の第２回転軸９２２は、ＩＰ１感知モード用の第１慣性マス２０４の初期回転軸を示す。中央アンカ部は、慣性マス２０４、２０６を支持部から中央懸架するために静止結合することが既に開示された第４取付要素の取付点と、第８ばねシステムのばね構造体とで実装される。しかしながら、図９に示すように、第１慣性マス２０４用の第４取付要素の取付点６４０は、第１慣性マス２０４の回転中心９３０と一致しない。図６で概説したように、第８ばねシステムのばね構造体は、第１結合ばね構造体６４１と、フレーム６４２と、第２結合ばね構造体６４３とを含む。フレーム６４２は、第１結合ばね構造体６４１によって取付点６４０に、また、第２結合ばね構造体６４３によって第１慣性マス２０４に結合される。この例は、１つのばね梁がフレーム６４２を取付点６４０に結合する第１結合ばね構造体６４１の代替実装を示す。第１結合ばね構造体６４１は、それぞれの面内方向にフレキシブルに曲がり、その結果、第１慣性マス２０４の面内回転が可能になるように構成される。第１結合ばね構造体６４１は、さらに、初期静止状態において第１面内方向ＩＰ１に延在する軸を中心として、取付点６４０とフレーム６４２の間でフレキシブルにねじれるように構成されている。
【００８８】
第２結合ばね構造体６４３は、第２面内方向ＩＰ２の軸を中心として、第１慣性マス２０４とフレーム６４２との間でフレキシブルにねじれるように構成されてもよい。図９では、第２結合ばね構造体６４３は、この場合も、第２面内方向ＩＰ２の両側に突出し、第１慣性マス２０４内の内側結合点内に延在する２つの部分を含む。結合ばね構造体６４１、６４３とフレーム６４２とのこの組合せにより、図６で説明したように、動きのＩＰ１感知モードおよび動きのＩＰ２感知モードが可能になる。
【００８９】
中央アンカ部は、第４取付要素の取付点と、第８ばねシステムのばね構造体とで実装される。この例は、１つのばね梁がフレーム６４２を取付点６４０に結合する第１結合ばね構造体６４１の代替実装を示す。
【００９０】
図１０は、開示するデバイスのさらなる代替例を示す。図２で既に説明した要素は、この場合も、同じ参照番号で表示している。構成は、駆動要素２７０、２９０の向きが、図２の駆動要素の向きから９０度回転している点以外は図２の構成のとおりである。この向きにより、図２の実施形態における要素のバランスのとれた組合せによって達成されるのと同じ利点がもたらされるが、いくつかのさらに有利な設計可能性ももたらされる。
【００９１】
前述のように、図２の構造体では、線形駆動マス２７３、２７４の逆位相線形駆動運動は、第５ばねシステムのばね構造体２８０、２８１によって変換駆動マス２７９の対向する垂直エッジに中継され、それにより、変換駆動マス２７９は、ＯＰ方向の軸を中心とする回転運動で振動する。第６ばねシステムのばね構造体２８２、２８３によってもたらされるねじれ可撓性によって、第１慣性マス２０４はＩＰ２方向の軸を中心としてＩＰ１感知モードで振動することができ、一方、面外方向ＯＰの曲げに対する第６ばねシステムのばね構造体２８２、２８３の剛性によって、ＩＰ２感知モードにおいて、変換駆動マス２７９は、ＩＰ１方向の軸を中心とする第１慣性マス２０４の回転振動に結合される。変換駆動マス２７９のシーソー運動は、さらに、第５ばねシステムのばね構造体２８０、２８１のねじれ可撓性によって可能になる。
【００９２】
これは、図２のＩＰ１感知モードでは、変換駆動マス２７９は、第１慣性マス２０４の回転振動に加わらないことを意味する。一方、図１０のＩＰ１感知モードでは、第１慣性マス２０４の回転振動は、第５ばねシステムのばね構造体２８０、２８１によって可能になり、第６ばねシステムのばね構造体２８２、２８３は、変換駆動マス２７９と結合して第１慣性マス２０４と共に振動する。これは、ＩＰ１感知モードにおける容量感知の電極が、第１慣性マス２０４の代わりに変換駆動マス２７９に交互に配置されてもよいことを意味する。次いで、容量感知は、面外方向ＯＰの電極の上または下に配置された静止対向電極で実施することができる。その配置により、クロスチャネル感度が最適に最小限に抑えられる。
【００９３】
十分にバランスのとれた対称的な動作にするために、ＩＰ２感知モードにおける容量感知の電極が剛性梁２４０、２５０に配置されてもよい。図２のＩＰ２感知モードでは、変換駆動マス２７９は、第１慣性マス２０４の回転振動の一部である。一方、図１０のＩＰ２感知モードでは、第１慣性マス２０４の回転振動は、第６ばねシステムのばね構造体２８２、２８３のねじれ可撓性によって可能になり、第５ばねシステムのばね構造体２８０、２８１および第４ばねシステムのばね構造体２７７、２７８の面外剛性により、変換駆動マス２７９は第１慣性マス２０４の回転振動に加わることはできない。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【外国語明細書】
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【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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