(57)【要約】      （修正有）【課題】ＭＥＭＳデバイスのためのばねシステムを提供する。【解決手段】ＭＥＭＳデバイス７２の駆動質量部の対３０、３２を連結する平行四辺形構成８４を形成するように方向づけられている剛性ビーム７６、７８、８０、８２を含む。ビームは質量部３０、３２の駆動方向５６に対して斜めに方向づけられている。平行四辺形構成８４の対角線上で対向するコーナ８６、８８は駆動質量部３０、３２に結合されている。ばね９０は平行四辺形構成のコーナ９４に結合されており、ばね９２は対角線上で対向するコーナ９６に結合されている。ばね９０、９２は駆動質量部を包囲する感知フレーム３４と相互接続されている。ビームおよび側方ばねは駆動質量部の同相運動を実質的に妨げるために剛性である。回転に柔軟な屈曲部１０２、１０４、１０６、１０８が、駆動質量部の逆相運動６０を可能にするために、構成８４がつぶれて、拡張することを可能にする。【選択図】図３
2014160070.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスであって、
第１の可動質量部と、
第２の可動質量部と、
前記第１の可動質量部を前記第２の可動質量部に結合するためのばねシステムとを備え、前記ばねシステムは、
平行四辺形構成を形成するように互いに対して方向づけられた剛性ビームのセットであって、前記ビームは前記第１の可動質量部および前記第２の可動質量部の駆動方向に対して斜めに方向づけられており、前記平行四辺形構成の第１のコーナは前記第１の可動質量部に結合するように構成されており、前記平行四辺形構成の第２のコーナは前記第２の可動質量部に結合するように構成されており、前記第２のコーナは前記第１のコーナに対して対角線上で反対である、剛性ビームのセットと、
前記平行四辺形構成の第３のコーナに結合されている第１の側方ばねと、
前記平行四辺形構成の第４のコーナに結合されている第２の側方ばねであって、前記第４のコーナは前記第３のコーナに対して対角線上で反対である、第２の側方ばねとを備える、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項２】
前記ばねシステムは、
前記第１のコーナにおいて前記平行四辺形構成の第１のビームおよび第２のビームを相互接続する第１の屈曲構成と、
前記第２のコーナにおいて前記平行四辺形構成の第３のビームおよび第４のビームを相互接続する第２の屈曲構成と、
前記第３のコーナにおいて前記平行四辺形構成の前記第１のビームおよび前記第３のビームを相互接続する第３の屈曲構成と、
前記第４のコーナにおいて前記平行四辺形構成の前記第２のビームおよび前記第４のビームを相互接続する第４の屈曲構成とをさらに備え、前記第１の屈曲構成、前記第２の屈曲構成、前記第３の屈曲構成、および前記第４の屈曲構成の各々は、前記ＭＥＭＳデバイスの平坦な基板に実質的に垂直である軸を中心とする回転に対して柔軟である、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項３】
前記第１の屈曲構成、前記第２の屈曲構成、前記第３の屈曲構成、および前記第４の屈曲構成の前記各々は、該第１の屈曲構成、該第２の屈曲構成、該第３の屈曲構成、および該第４の屈曲構成の回転運動を、前記平坦な基板に実質的に平行である面に実質的に制限するために、軸方向に剛性である、請求項２に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項４】
前記平行四辺形構成は、前記第１の可動質量部および前記第２の可動質量部の逆相運動を可能にするために、駆動信号を受けているときはつぶれるように構成されている、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項５】
前記平行四辺形構成は、外部振動信号を受けているときはつぶれていない構成に制約される、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項６】
前記第１の側方ばねおよび前記第２の側方ばねは前記駆動方向においては剛性であり、前記駆動方向に直交する第２の方向においては柔軟である、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項７】
前記駆動方向および前記第２の方向は前記ＭＥＭＳデバイスの平坦な基板に実質的に平行である、請求項６に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項８】
前記第１の可動質量部および前記第２の可動質量部を包囲するフレームをさらに備え、前記第１の側方ばねおよび前記第２の側方ばねの各々の対向する端部は、前記フレームと相互接続するように適合されている、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項９】
平坦な基板をさらに備え、前記剛性ビームのセット、前記第１の側方ばね、および前記第２の側方ばねは、前記平坦な基板に直接接続されることなく該平坦な基板の上に懸垂されている、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１０】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスを作製する方法であって、
第１の可動質量部、第２の可動質量部、ならびに前記第１の可動質量部および前記第２の可動質量部を包囲する感知フレームを平坦な基板上に形成するステップと、
ばねシステムを形成するステップであって、該ばねシステムは、平行四辺形構成を形成するように互いに対して方向づけられた剛性ビームのセット、第１の側方ばね、および第２の側方ばねを含む、ばねシステムを形成するステップとを備え、
前記ばねシステムは、前記ビームが前記第１の可動質量部および前記第２の可動質量部の駆動方向に対して斜めに方向づけられるように、前記第１の可動質量部および前記第２の可動質量部に結合されており、前記平行四辺形構成の第１のコーナは前記第１の可動質量部に結合されており、前記平行四辺形構成の第２のコーナは前記第２の可動質量部に結合されており、前記第２のコーナは前記第１のコーナに対して対角線上で反対であり、前記第１の側方ばねは前記平行四辺形構成の第３のコーナに結合されており、前記第２の側方ばねは前記平行四辺形構成の第４のコーナに結合されており、該第４のコーナは前記第３のコーナに対して対角線上で反対である、方法。
【請求項１１】
前記形成する動作の後に、
前記平行四辺形構成の第１のビームおよび第２のビームは前記第１のコーナにおいて第１の屈曲構成を介して相互接続され、
前記平行四辺形構成の第３のビームおよび第４のビームは前記第２のコーナにおいて第２の屈曲構成を介して相互接続され、
前記平行四辺形構成の前記第１のビームおよび前記第３のビームは前記第３のコーナにおいて第３の屈曲構成を介して相互接続され、
前記平行四辺形構成の前記第２のビームおよび前記第４のビームは前記第４のコーナにおいて第４の屈曲構成を介して相互接続され、前記第１の屈曲構成、前記第２の屈曲構成、前記第３の屈曲構成、および前記第４の屈曲構成の各々は、前記ＭＥＭＳデバイスの平坦な基板に実質的に垂直である軸を中心とする回転に対して柔軟である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記形成する動作の後に、前記第１の側方ばねおよび前記第２の側方ばねの各々の対向する端部は、前記感知フレームと相互接続する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記形成する動作の後に、前記平行四辺形構成は、前記第１の可動質量部および前記第２の可動質量部の逆相運動を可能にするために、駆動信号を受けているときはつぶれるように構成され、前記平行四辺形構成は、外部振動信号を受けているときはつぶれていない構成に制約される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の側方ばねおよび前記第２の側方ばねは前記駆動方向においては剛性であり、前記駆動方向に直交する第２の方向においては柔軟であり、前記駆動方向および前記第２の方向は前記ＭＥＭＳデバイスの平坦な基板に実質的に平行である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記平行四辺形構成、前記第１の側方ばね、および前記第２の側方ばねを、前記ＭＥＭＳデバイスの前記平坦な基板に直接接続することなく前記平坦な基板の上に懸垂するステップをさらに備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスであって、
平坦な表面を有する基板と、
前記平坦な表面の上に懸垂されて運動可能に固定されている感知フレームであって、該感知フレームは中央開口を有する、感知フレームと、
第１の駆動質量部と、
第２の駆動質量部であって、前記第１の駆動質量部および該第２の駆動質量部は前記感知フレームの前記中央開口内に位置付けられている、第２の駆動質量部と、
前記第１の可動質量部および前記第２の可動質量部の同相運動を低減するように構成されているばねシステムとを備え、前記ばねシステムは、
平行四辺形構成を形成するように互いに対して方向づけられた剛性ビームのセットであって、前記ビームは前記第１の可動質量部および前記第２の可動質量部の駆動方向に対して斜めに方向づけられており、前記平行四辺形構成の第１のコーナは前記第１の可動質量部に結合されており、前記平行四辺形構成の第２のコーナは前記第２の可動質量部に結合されており、前記第２のコーナは前記第１のコーナに対して対角線上で反対である、剛性ビームのセットと、
前記平行四辺形構成の第３のコーナに結合されており、前記感知フレームと相互接続されている第１の対向する端部を有する第１の側方ばねと、
前記平行四辺形構成の第４のコーナに結合されており、前記感知フレームと相互接続されている第２の対向する端部を有する第２の側方ばねであって、前記第４のコーナは前記第３のコーナに対して対角線上で反対であり、前記第１の側方ばねおよび該第２の側方ばねは前記駆動方向においては剛性であり、前記駆動方向に直交する第２の方向においては柔軟である、第２の側方ばねとを含む、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項１７】
前記ばねシステムは、
前記第１のコーナにおいて前記平行四辺形構成の第１のビームおよび第２のビームを相互接続する第１の屈曲構成と、
前記第２のコーナにおいて前記平行四辺形構成の第３のビームおよび第４のビームを相互接続する第２の屈曲構成と、
前記第３のコーナにおいて前記平行四辺形構成の前記第１のビームおよび前記第３のビームを相互接続する第３の屈曲構成と、
前記第４のコーナにおいて前記平行四辺形構成の前記第２のビームおよび前記第４のビームを相互接続する第４の屈曲構成とをさらに備え、前記第１の屈曲構成、前記第２の屈曲構成、前記第３の屈曲構成、および前記第４の屈曲構成の各々は、前記基板の前記平坦な表面に実質的に垂直である軸を中心とする回転に対して柔軟である、請求項１６に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１８】
前記第１の屈曲構成、前記第２の屈曲構成、前記第３の屈曲構成、および前記第４の屈曲構成の前記各々は、前記軸を中心とした回転運動を、前記基板の前記平坦な表面に実質的に平行である面に実質的に制限するために、軸方向に剛性である、請求項１７に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１９】
前記平行四辺形構成は、前記第１の可動質量部および前記第２の可動質量部の逆相運動を可能にするために、駆動信号を受けているときはつぶれるように構成されており、前記平行四辺形構成は、外部振動信号を受けているときはつぶれていない構成に制約される、請求項１６に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項２０】
前記駆動方向および前記第２の方向は前記基板の前記平坦な表面に実質的に平行である、請求項１６に記載のＭＥＭＳデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスに関する。より具体的には、本発明は、同相運動の影響を受けにくいＭＥＭＳデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術は、非常に小さな機械構造を作成し、従来のバッチ半導体処理技法を使用して単一の基板上に電気デバイスとこれらの構造を集積する方法を提供するため、近年において広く高い評判を勝ち得ている。ＭＥＭＳの１つの一般的な用途が、センサデバイスの設計および製造である。ＭＥＭＳセンサデバイスは、自動車、慣性誘導システム、家庭電化製品、ゲームデバイス、さまざまなデバイスのための保護システム、ならびに、多くの他の産業、科学、および工学システムのような用途に広く使用されている。ＭＥＭＳセンサの１つの例が、ＭＥＭＳ角速度センサである。角速度センサは、１つ以上の軸を中心とする角速度または運動速度を感知する。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
以下の図面と併せて考察して詳細な説明および請求項を参照することで、より完全に本発明を理解することができる。これらの図面では全般にわたり同様の参照符号は類似の項目を示している。
【０００４】
【図１】従来技術の角速度センサの上面図。
【図２】２つの動作モードの下での従来技術の角速度センサの駆動質量部の概念モデルを示す図。
【図３】一実施形態に応じた角速度センサの上面図。
【図４】図３の角速度センサの一部分の上面図。
【図５】一実施形態に応じたばねシステムを介して結合されている図３の角速度センサの駆動質量部の概念モデルを示す図。
【図６】第１の向きにおける駆動質量部の逆相運動を説明する図５の概念モデルを示す図。
【図７】第２の向きにおける駆動質量部の逆相運動を説明する図５の概念モデルを示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
図１および図２を参照すると、図１は従来技術の角速度センサ２０の上面図を示しており、図２は２つの動作モードの下での従来技術の角速度センサ２０の駆動質量部の概念モデル２１を示している。従来技術の角速度センサ２０は、本明細書においては、従来技術の設計において発生する場合がある望ましくない同相運動を示すために与えられている。角速度センサ２０は概して、入力軸２２として称される回転軸を中心とした角速度を感知するように構成されている。示されている構成において、入力軸２２は、３次元座標系におけるＸ軸である。慣例により、角速度センサ２０は、Ｘ−Ｙ平面２４内の全体的に平坦な構造を有するものとして示されており、図１内のＸ−Ｙ平面２４に対して垂直なＺ軸２６が紙面の外に延在している。
【０００６】
角速度センサ２０は、基板２８と、駆動質量部３０と、別の駆動質量部３２と、感知質量部３４と、さまざまな機械的連結機構とを含む。図１の例において、感知質量部３４は感知フレームであり、駆動質量部３０および３２は感知質量部３４を貫通して延在する中央開口３６内に存在している。駆動質量部３２はＸ−Ｙ平面２４内で駆動質量部３０から側方に配置されており、駆動質量部３０および３２は入力軸２２を中心として互いに対して対称に位置付けられている。
【０００７】
連結ばね構成要素３８がそれぞれ、駆動質量部３０および３２の各々を感知質量部３４に結合する。従って、駆動質量部３０および３２は基板２８の表面４０の上に懸垂され、基板２８に対する直接の物理的付着を有しない。角速度センサ２０は、感知質量部３４に結合されているねじりばね４２の形態の可撓性支持要素をさらに含む。ねじりばね４２は、感知質量部３４をアンカー４４を介して基板２８の表面４０に接続する。
【０００８】
さまざまな導電板、または電極が、角速度センサ２０の他の固定構成要素とともに基板２８の表面４０上に形成されてもよい。この単純な実例において、電極は、Ｘ軸２２を中心とした角速度センサ２０の回転を感知するのに使用されるセンス電極４６および４８を含む。電極４６および４８は、図１においては感知質量部３４が上に重なることによって見えなくなっている。従って、図１においては、電極４６および４８は、感知質量部３４に対するそれらの物理的配置を示すために破線形式で表されている。
【０００９】
駆動系５０は中央開口３６内に存在している。駆動系５０は、駆動質量部３０および３２を振動させるように構成されている駆動素子の複数のセットを含む。駆動素子の各セットは可動フィンガ５２および固定フィンガ５４として称される電極の複数の対を含む。示されている例において、可動フィンガ５２は駆動質量部３０および３２に結合されてそこから延在しており、固定フィンガ５４は基板２８の表面４０に固定されている。固定フィンガ５４は、可動フィンガ５２から離間され、互い違いの配列に位置付けられる。可動フィンガ５２は駆動質量部３０および３２に付着していることから、駆動質量部３０および３２とともに運動可能である。逆に、固定フィンガ５４は基板２８に固定して付着しているため、可動フィンガ５２に対して動かない。
【００１０】
駆動質量部３０および３２はＸ−Ｙ平面２４内で振動運動を受けるように構成されてもよい。一般に、駆動質量部３０および３２を駆動軸５６、すなわち、３次元座標系におけるＹ軸に沿って振動させるために、交流（ＡＣ）電圧が駆動信号として駆動回路（図示せず）を介して固定フィンガ５４に印加されてもよい。駆動質量部３０および３２は、Ｙ軸５６に沿って反対の向き、すなわち逆相で運動するために結合ばね５８を介してともに連結されている。
【００１１】
動作時、駆動系５０はＸ−Ｙ平面２４内で逆相の振動線形運動を駆動質量部３０および３２に付与する。回転軸がＸ軸２２と指定されている、示されている実施形態では、駆動質量部３０および３２はＹ軸４６にほぼ平行な対向する両方の向き（すなわち、図１内の上下）において振動する。駆動質量部３０および３２の逆相運動は図１および図２において反対に向いた矢印６０によって表されており、従って、本明細書において逆相運動６０と称する。駆動質量部３０および３２がＹ軸４６に沿った振動運動（すなわち、逆相運動６０）に入ると、質量部３０、３２、および３４から成る系は角速度センサ２０がＸ軸２２を中心として回転されることによって誘起される角速度、すなわち角運動速度を検出することが可能になる。特に、コリオリの加速度成分の結果として、Ｘ回転軸２２を中心とした角速度センサ２０の角速度、すなわち、角運動速度の関数としてねじりばね４２を中心として旋回させることによって、ねじりばね４２は感知質量部３４がＸ−Ｙ平面２４外で振動することを可能にする。この運動は、電極４６および４８によって感知される、入力軸、すなわちＸ軸２２を中心とした角速度センサ２０の角回転速度に比例する振幅を有する。
【００１２】
特に図２の概念モデル２１を参照すると、角速度センサ２０（図１）は、結合ばね５８によって連結されている駆動質量部３０および３２、ならびに、駆動質量部３０および３２を感知質量部３４に結合する連結ばね構成要素３８によって表されている。ばね３８および５８から成る系が、駆動質量部３０および３２の逆相運動６０を可能にする。式６２は、駆動質量部３０および３２に付与される逆相運動６０の逆相駆動周波数成分６４を表す。
【００１３】
駆動質量部３０および３２は、外部振動、衝撃、干渉などに起因する同相運動を受ける可能性がある。同相運動とは、２つの駆動質量部３０および３２が同じ振幅で同じ向きに振動する状態を指す。駆動質量部３０および３２の同相運動は、図２においては同じ向きを指す一対の矢印６６によって表されており、従って、本明細書においては同相運動６６と称する。同相運動６６は角速度センサ２０においては不都合である。事実、望ましくない同相モードの共振周波数における外部振動は、相当の同相運動６６を引き起こす可能性があり、従って、角速度センサを不正確にする駆動質量部３０および３２の制御不可能な大きい運動を引き起こす。不都合なことに、例示的な従来技術の設計におけるばね３８および５８から成る系は、駆動質量部３０および３２の望ましくない同相運動６６を許容する場合がある。式６８は、駆動質量部３０および３２に付与される同相運動６６の同相周波数成分７０を表す。
【００１４】
本明細書に開示の実施形態は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスのためのばねシステム、ばねシステムを含むＭＥＭＳデバイス、および、ばねシステムを有するＭＥＭＳデバイスを作製する方法をもたらす。特に、ＭＥＭＳ角速度センサは、一対の駆動質量部を結合するばねシステムを含み、当該ばねシステムは、駆動質量部の基本的な「音叉型」逆相運動を可能にする。ばねシステムは、駆動質量部に結合された、対角線方向に向いた剛性ビームの矩形構造を含む。ばねシステムは、矩形構造と周囲の感知フレームとの間に相互接続された側方ばねをさらに含み、当該側方ばねは、駆動運動の方向においては剛性であるが、駆動運動の方向に直交する方向においては柔軟である。対角線方向に配列されたビームは、回転に対して柔軟な屈曲部によって側方ばねに連結されている。結果もたらされる構造は、駆動質量部の運動を逆相振動に制約し、駆動質量部の同相振動に対しては剛性な耐性を提供する。本明細書においてはＭＥＭＳ角速度センサが記載されているが、ばねシステムは、逆相で駆動されるべきであり、同相運動が抑制されるべきである二重可動駆動質量部を実装する他のＭＥＭＳデバイスにおける使用に適合されてもよいことは理解されたい。
【００１５】
図３および図４を参照すると、図３は一実施形態に応じた角速度センサ７２の上面図を示し、図４は角速度センサ７２の一部分の上面図を示す。Ｘ角速度センサ２０のように、角速度センサ７２は概して、入力軸２２として称される、すなわちＸ軸の回転軸を中心とした角速度を感知するように構成されており、駆動軸５６がＹ軸であり、感知軸２６がＺ軸である。角速度センサ７２の構成要素の多くは角速度センサ２０のものと同じである。そのため、同じ要素については同じ参照符号が利用され、それらの構造および機能の説明は反復されない。しかしながら、一実施形態に応じて、結合ばね５８（図１）はばねシステム７４に置き換えられている。ばねシステム７４は、駆動質量部３０および３２の同相運動６６を低減するように構成されている。
【００１６】
ばねシステム７４は剛性ビームのセットを含み、当該セットは、第１のビーム７６と、第２のビーム７８と、第３のビーム８０と、第４のビーム８２とを含む。ビーム７６、７８、８０、および８２は駆動質量部３０および３２の駆動方向に斜めに向いている、すなわち、それに対して斜めに傾いている。すなわち、ビーム７６、７８、８０、および８２は駆動軸５６に対して斜めに向いている。本明細書において使用される「斜め」という用語は、ビーム７６、７８、８０、および８２の各々が駆動質量部３０および３２の駆動方向に対して平行に配列されておらず、ビーム７６、７８、８０、および８２が駆動質量部３０および３２の駆動方向に垂直に配列されていない構成を指す。そうではなく、ビーム７６、７８、８０、および８２は斜めに傾いていてもよく、ただし、それらは駆動方向に対する４５度の傾きには限定されない。本明細書において使用される「第１の」、「第２の」、「第３の」などという用語は、数えられる一連の要素の中での要素の順序付けまたは優先順位付けを指すものではない。そうではなく、「第１の」、「第２の」、「第３の」などという用語は、説明を明瞭にするために、特定の要素、または要素のグループを互いから区別するために使用されている。
【００１７】
ビーム７６、７８、８０、および８２は互いに対して、平行四辺形構成８４を形成するように方向づけられている。そのため、第１のビーム７６と第４のビーム８２とは概して長さが等しく、互いに平行である。同様に、第２のビーム７８と第３のビーム８０とは概して長さが等しく、互いに平行である。ビーム７６、７８、８０、および８２の平行四辺形構成８４は、４つのコーナを含む。平行四辺形構成８４の第１のコーナ８６は駆動質量部３０に結合するように構成されており、平行四辺形構成８４の第２のコーナ８８は駆動質量部３２に結合するように構成されており、第２のコーナ８８は第１のコーナ８６に対して対角線上で反対である。
【００１８】
ばねシステム７４は、第１の側方ばね９０および第２の側方ばね９２をさらに含む。第１の側方ばね９０は平行四辺形構成８４の第３のコーナ９４に結合されており、第２の側方ばね９２は平行四辺形構成８４の第４のコーナ９６に結合されており、第４のコーナ９６は第３のコーナ９４に対して対角線上で反対である。第１の側方ばね９０および第２の側方ばね９２の各々の対向する端部９８および１００は感知質量部３４のフレーム構造と相互接続する。一実施形態において、第１の側方ばね９０および第２の側方ばね９２はそれぞれ、駆動質量部３０および３２の駆動方向において剛性である。すなわち、第１の側方ばね９０および第２の側方ばね９２はＹ方向におけるそれらの長さと比較してＸ軸方向において細い。従って、第１の側方ばね９０および第２の側方ばね９２は駆動軸５６に平行である駆動方向における湾曲に対して耐性がある。しかしながら、第１の側方ばね９０および第２の側方ばね９２は、Ｘ−Ｙ平面２４に平行である別の方向において柔軟である、すなわち、湾曲、屈曲、または他の様態で変形することが可能である。従って、第１の側方ばね９０および第２の側方ばね９２はＸ軸２２に実質的に平行である方向において柔軟である。そのため、第１の側方ばね９０および第２の側方ばね９２は駆動軸５６に平行な駆動方向における運動を許容しない。そうではなく、第１の側方ばね９０および第２の側方ばね９２はＸ軸２２に平行である別の方向における運動を許容する。この柔軟性は特に図４において例示されている。
【００１９】
ばねシステム７４は、それぞれ、第１のコーナ８６において平行四辺形構成８４の第１のビーム７６および第２のビーム７８を相互接続する第１の屈曲構成１０２をさらに含む。同様に、第２の屈曲構成１０４が、それぞれ、第２のコーナ８８において第３のビーム８０および第４のビーム８２を相互接続する。第３の屈曲構成１０６が、第３のコーナ９４において第１のビーム７６および第３のビーム８０を相互接続する。そして、第４の屈曲構成１０８が、第４のコーナ９６において第２のビーム７８および第４のビーム８２を相互接続する。屈曲構成１０２、１０４、１０６、および１０８の各々は、基板２８の平面４０に実質的に垂直である軸を中心とする回転に対して柔軟である。すなわち、屈曲構成１０２、１０４、１０６、および１０８の各々は、Ｚ軸２６を中心とした回転を可能にする任意の適切なばね構成から形成されている。しかしながら、屈曲構成１０２、１０４、１０６、および１０８は軸方向には剛性であり、すなわち、Ｚ軸２６に平行な線形運動は妨げられ、それによって、屈曲構成１０２、１０４、１０６、および１０８の回転運動はＸ−Ｙ平面２４に制約される。
【００２０】
加えて、ビーム７６、７８、８０、および８２のばね定数は屈曲構成１０２、１０４、１０６、および１０８のばね定数よりもはるかに剛性であるように調整されることができ、それによって、ビーム７６、７８、８０、および８２はほとんど柔軟でなく、屈曲構成は７６、７８、８０、および８２よりも柔軟である。たとえば、ビーム７６、７８、８０、および８２のＸ−Ｙ平面２４における幅は、屈曲構成１０２、１０４、１０６、および１０８のいずれかのＸ−Ｙ平面における幅よりも大幅に大きくてもよい。
【００２１】
図５は、一実施形態に応じたばねシステム７４を介して結合されている角速度センサ７２（図３）の駆動質量部３０、３２の概念モデル１１０を示す。概念モデル１１０において、第１の側方ばね９０および第２の側方ばね９２は各々、要素１１２およびばね１１４によって表されている。上述のように、第１の側方ばね９０および第２の側方ばね９２（要素１１２およびばね１１４によって表されている）は、剛性ビーム７６、７８、８０、および８２から成る平行四辺形構成８４を感知フレーム３４と相互接続する。
【００２２】
前述のように、第１の側方ばね９０および第２の側方ばね９２はＹ軸５６に平行なＹ方向において剛性である、すなわち、柔軟でない。この剛性は概念モデル１１０において、要素１１２が固定構造１１６によって制約されていることによって表されている。しかしながら、ばね１１４は、第１の側方ばね９０および第２の側方ばね９２の各々が、Ｘ軸２２に平行な方向において運動、すなわち、伸長、収縮、または他の様態で変形することが可能であることを表している。
【００２３】
ビーム７６、７８、８０、および８２の剛性、ならびにＹ方向における第１の側方ばね９０および第２の側方ばね９２の剛性によって、角速度センサ７２の共振周波数、すなわち、動作周波数における同相運動６６に対して機械的制約がもたらされる。従って、外部振動、誤った加速、または干渉に起因する駆動質量部３０および３２の同相運動６６が大きく妨げられる。ばねシステム７４の機械的制約は、同相運動６６に起因する同相周波数成分７０（図２）を、同相周波数成分７０が角速度センサ７２の動作範囲外になるように十分高くプッシュすることができる。
【００２４】
図６および図７を参照すると、図６は第１の向き１１８における駆動質量部３０および３２の逆相運動６０を説明する概念モデル１１０を示しており、図７は第２の向き１２０における駆動質量部３０および３２の逆相運動６０を説明する概念モデル１１０を示している。駆動質量部３０および３２は、図１に関連して上述したように、駆動系５０を介して逆相運動６０をするように駆動される。
【００２５】
図６において、駆動系５０からの駆動信号が駆動質量部３０および３２を互いに向けて第１の向き１１８に動かす。駆動質量部３０が互いに向けて駆動されると、屈曲構成１０２、１０４、１０６、および１０８は、矢印１２２によって表されているようにビーム７６、７８、８０、および８２の回転運動を可能にし、それによって、側方ばね９０および９２がＸ方向において変形し、平行四辺形構成８４が駆動方向においてつぶれる、すなわち、収縮する。図７において、駆動系５０からの駆動信号が駆動質量部３０および３２を互いから外方に第２の向き１２０に動かす。駆動質量部３０が互いから外方に駆動されると、屈曲構成１０２、１０４、１０６、および１０８はこの場合も、ビーム７６、７８、８０、および８２の回転運動１２２を可能にし、それによって、側方ばね９０および９２がＸ方向において変形し、平行四辺形構成８４が駆動方向において拡張する。従って、第１の駆動質量部３０および第２の駆動質量部３２の振動逆相運動６０が可能になり、一方で同相運動６６（図５）は実質的に妨げられる。さらに、平行四辺形構成８４は、第１の側方ばね９０および第２の側方ばね９２がＹ方向において柔軟でないことに起因して外部振動を受けているときはつぶれていない構成１２４（図５）に制約される。
【００２６】
図３に戻って参照すると、角速度センサ７２を作製する方法は、概して、基板２８の表面４０の上に懸垂されている、第１の駆動質量部３０、第２の駆動質量部３２、および、駆動質量部３０および３２を包囲する感知質量部３４を形成することを伴う。ばねシステム７４は、平行四辺形構成８４を形成するように互いに対して方向づけられている剛性（たとえば、Ｘ−Ｙ平面２４において相対的に太い）ビーム７６、７８、８０、および８２のセットを含むように形成されており、それぞれ第１の側方ばね９０および第２の側方ばね９２を含むように形成されている。角速度センサ７２を作製する結果として、ばねシステム７４が、ビーム７６、７８、８０、および８２が駆動質量部３０および３２の駆動方向５６に対して斜めに方向づけられるように、駆動質量部３０および３２に結合される。角速度センサ７２を作製する結果としてさらに、平行四辺形構成８４の第１のコーナ８６が第１の駆動質量部３０と相互接続され、平行四辺形構成８４の第２のコーナ８８が第２の駆動質量部３２と相互接続され、第２のコーナ８８は上記第１のコーナに対して対角線上で反対である。角速度センサ７２を作製する結果としてさらにまた、第１の側方ばね９０が平行四辺形構成８４の第３のコーナ９４と相互接続され、第２の側方ばね９２が平行四辺形構成８４の第４のコーナ９６と相互接続され、第４のコーナ９６は第３のコーナ９４に対して対角線上で反対である。加えて、作製中に適切な屈曲構成１０２、１０４、１０６、および１０８の相互接続が行われ、側方ばね９０および９２の対向する端部９８および１００の感知質量部３４に対する相互接続が行われる。
【００２７】
角速度センサ７２の作製は、任意の適切な既知のまたは将来の作製工程を使用して実行されてもよい。たとえば、作製工程は、角速度センサ７２の懸垂構造を生成するために適切に堆積、パターニング、およびエッチングされる構造層および犠牲層を結果としてもたらすシリコンマイクロマシニング作製工程を実装する。
【００２８】
要約すると、実施形態は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスのためのばねシステム、ばねシステムを含むＭＥＭＳデバイス、および、ばねシステムを有するＭＥＭＳデバイスを作製する方法をもたらす。特に、ＭＥＭＳ角速度センサは、一対の駆動質量部を結合するばねシステムを含み、当該ばねシステムは、駆動質量部の基本的な逆相運動を可能にする。ばねシステムは、駆動質量部に結合されている、対角線方向に方向づけられた剛性ビームから成る平行四辺形構成を含む。ばねシステムは、平行四辺形構成と周囲の感知フレームとの間に相互接続された側方ばねをさらに含み、当該側方ばねは、駆動運動の方向においては剛性であるが、駆動運動の方向に直交する方向においては柔軟である。対角線方向に配列されたビームは、回転対して柔軟な屈曲部によって側方ばねに連結されている。結果もたらされる構造は、駆動質量部の運動を逆相振動に制約し、駆動質量部の同相振動に対しては剛性な耐性を提供する。その結果、信号出力の精度をより大きくすることが達成されることができる。
【００２９】
本発明の好ましい実施形態が詳細に例示および記載されてきたが、本発明の精神または添付の特許請求項の範囲から逸脱することなく、そこにさまざまな改変を行うことができることが当業者には容易に明らかとなろう。すなわち、例示的な実施形態は例に過ぎず、本発明の範囲、適用性または構成を限定することは意図されていないことが理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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