(57)【要約】【課題】微細機械加工加速度計、特に、２つ又はそれよりも多くの軸線に沿った加速度をモニタするための加速度計を提供する。【解決手段】一部の開示する実施形態では、第１及び第２の軸線に沿った加速度に応答する移動のために基板上方に吊り下げられた試験質量と、試験質量に接続されて第１の軸線に沿った移動だけに拘束された第１の検出電極と、試験質量に接続されて第２の軸線に沿った移動だけに拘束された第２の検出電極とを有する多軸微細機械加工加速度計。別の実施形態では、試験質量はまた、基板に垂直な第３の軸線に沿った加速度に応答して移動可能であり、第３の検出電極が、第３の軸線に沿った加速度に応答する試験質量の移動を検出するために試験質量のすぐ下で基板上に装着される。他の実施形態では、２つの試験質量が、第１の軸線に沿った加速度に応答する基板に垂直な軸線周りの捩り移動のために、かつ基板に垂直な第２の軸線に沿った加速度に応答する基板に平行な第２の軸線周りの回転移動のために基板の上方に装着され、第１の検出器が、第１の軸線に沿った加速度を検出するために試験質量に接続されて第１の軸線に沿った移動だけに拘束された入力電極を有し、検出電極が、試験質量の回転移動及び第２の軸線に沿った加速度を検出するために試験質量のすぐ下で基板上に装着される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の軸線に沿った加速度に応答する移動のために基板の上方に吊り下げられた試験質量と、
前記試験質量に接続され、かつ前記第１の軸線に沿った移動だけに拘束された第１の検出電極と、
前記試験質量に接続され、かつ前記第２の軸線に沿った移動だけに拘束された第２の検出電極と、
を含むことを特徴とする多軸微細機械加工加速度計。
【請求項２】
前記第１及び第２の軸線は、互いに垂直であることを特徴とする請求項１に記載の加速度計。
【請求項３】
前記第１の検出電極は、前記第１の軸線と垂直な方向に延びる可撓性ビームによって前記基板の上方に吊り下げられ、前記第２の検出電極は、前記第２の軸線と垂直な方向に延びる可撓性ビームによって該基板の上方に吊り下げられていることを特徴とする請求項１に記載の加速度計。
【請求項４】
前記試験質量は、前記第１の軸線に沿って剛性であって前記第２の軸線に沿って可撓性である結合リンクによって前記第１の検出電極に接続され、該試験質量は、該第２の軸線に沿って剛性であって該第１の軸線に沿って可撓性である結合リンクによって前記第２の検出電極に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の加速度計。
【請求項５】
前記試験質量は、該試験質量の増幅された移動を検出電極に印加するレバーによって該電極に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の加速度計。
【請求項６】
前記レバーは、前記移動軸線に垂直であり、かつ該軸線に沿って剛性で横方向に可撓性の結合リンクによって前記試験質量及び前記検出電極に接続されていることを特徴とする請求項５に記載の加速度計。
【請求項７】
前記試験質量はまた、前記基板と垂直な第３の軸線に沿った加速度に応答して移動可能であり、第３の検出電極が、該第３の軸に沿った加速度に応答した該試験質量の移動を検出するために該試験質量のすぐ下で該基板上に装着されていることを特徴とする請求項１に記載の加速度計。
【請求項８】
前記試験質量は、前記第１及び第２の軸線に沿った移動のために前記基板の上方に吊り下げられたフレーム上に装着され、該試験質量は、該基板と平行な軸線周りの回転移動のために該フレーム上に非対称に装着されていることを特徴とする請求項７に記載の加速度計。
【請求項９】
第１及び第２の互いに垂直な入力軸線に沿った加速度を検出するための微細機械加工加速度計であって、
基板と、
固定電極の間に挟まれた入力電極を有する第１及び第２の検出器と、
前記第１の軸線と垂直であり、かつ該第１の軸線に沿った移動だけのための前記第１の検出器の前記入力電極を装着する可撓性ビームと、
前記第２の軸線に垂直であり、かつ該第２の軸線に沿った移動だけのための前記第２の検出器の前記入力電極を装着する可撓性ビームと、
試験質量と、
前記第１の軸線に沿って剛性であって前記第２の軸線に沿って可撓性であり、かつ前記試験質量と前記第１の検出器の前記可動電極とを相互接続する結合リンクと、
前記第２の軸線に沿って剛性であって前記第１の軸線に沿って可撓性であり、かつ前記試験質量と前記第２の検出器の前記可動電極とを相互接続する結合リンクと、
を含むことを特徴とする加速度計。
【請求項１０】
基板の上方に、該基板に平行な第１の軸線と該基板に垂直な第２の軸線に沿った加速度に応答する移動のために吊り下げられた試験質量と、
前記試験質量に接続され、かつ前記第１の軸線に沿った加速度を検出するために該第１の軸線に沿った移動だけに拘束された第１の検出電極と、
前記第２の軸線に沿った加速度を検出するために前記試験質量のすぐ下で前記基板上に装着された第２の検出電極と、
を含むことを特徴とする多軸微細機械加工加速度計。
【請求項１１】
前記試験質量は、前記第１の軸線に沿った加速度に応答する直線移動のために拘束されていることを特徴とする請求項１０に記載の加速度計。
【請求項１２】
前記試験質量は、前記第１の軸線に沿った加速度に応答する捩り移動のために拘束されていることを特徴とする請求項１０に記載の加速度計。
【請求項１３】
前記試験質量は、前記第２の軸線に沿った加速度に応答する前記基板に平行な軸線周りの回転移動のために拘束されていることを特徴とする請求項１０に記載の加速度計。
【請求項１４】
基板と、
固定電極の間に挟まれた入力電極を有する第１及び第２の検出器と、
第１の軸線に垂直であり、かつ該第１の軸線に沿った移動だけのための前記第１の検出器の前記入力電極を装着する可撓性ビームと、
第２の軸線に垂直であり、かつ該第２の軸線に沿った移動だけのための前記第２の検出器の前記入力電極を装着する可撓性ビームと、
ジンバルフレームと、
前記第１の軸線に沿って剛性であって前記第２の軸線に沿って可撓性であり、かつ前記ジンバルフレームと前記第１の検出器の前記可動電極とを相互接続する結合リンクと、
前記第２の軸線に沿って剛性であって前記第１の軸線に沿って可撓性であり、かつ前記ジンバルフレームと前記第２の検出器の前記可動電極とを相互接続する結合リンクと、
前記基板に垂直な軸線に沿った加速度に応答する該基板に平行な軸線周りの回転移動のために前記ジンバルフレーム上に装着された試験質量と、
前記試験質量の前記回転移動を検出するために該試験質量のすぐ下で前記基板上に装着された検出電極と、
を含むことを特徴とする多軸微細機械加工加速度計。
【請求項１５】
前記第１及び第２の軸線は、前記基板に平行であり、かつ互いに垂直であることを特徴とする請求項１４に記載の加速度計。
【請求項１６】
第１及び第２の互いに垂直な軸線に沿った加速度を検出するための微細機械加工加速度計であって、
基板と、
前記基板の上方に並列に装着され、かつ第１の軸線に沿った加速度に応答した該基板に垂直な軸線周りの捩り移動及び第２の軸線に沿った加速度に応答した該基板に平行な軸線周りの回転移動のために、その隣接する縁部部分に沿って互いに接続された第１及び第２のほぼ平面の試験質量と、
前記試験質量に接続され、かつ前記第１の軸線に沿った移動だけに拘束された入力電極を有する第１の検出器と、
前記試験質量の前記回転移動を検出するために該試験質量のすぐ下で前記基板上に装着された検出電極と、
を含むことを特徴とする加速度計。
【請求項１７】
前記試験質量は、前記基板に平行な前記軸線周りの回転移動のためにジンバルに装着され、該ジンバルは、該基板に垂直な前記軸線周りの捩り移動のために装着されていることを特徴とする請求項１６に記載の加速度計。
【請求項１８】
前記試験質量は、前記基板に平行な前記軸線周りの回転移動のために内側フレーム上に装着され、該内側フレームは、該基板に垂直な前記軸線周りの捩り移動のために装着されていることを特徴とする請求項１６に記載の加速度計。
【請求項１９】
第１及び第２の軸線に沿った加速度を検出するための微細機械加工加速度計であって、
基板と、
１対のジンバルと、
第１の軸線に沿った加速度に応答した前記基板に垂直な軸線周りの捩り移動のために前記ジンバルを該基板上に装着する撓み部と、
第２の軸線に沿った加速度に応答した前記基板に平行な軸線周りの回転移動のために前記ジンバル上に回転的に装着された１対の試験質量と、
前記試験質量に接続され、かつ前記第１の軸線に沿った移動だけに拘束された可動入力電極を有する検出器と、
前記試験質量の前記回転移動を検出するために該試験質量のすぐ下で前記基板上に装着された検出電極と、
を含むことを特徴とする加速度計。
【請求項２０】
前記試験質量は、反対方向の移動のために互いに接続されていることを特徴とする請求項１９に記載の加速度計。
【請求項２１】
前記ジンバルは、反対方向の移動のために互いに接続されていることを特徴とする請求項１９に記載の加速度計。
【請求項２２】
第１及び第２の軸線に沿った加速度に応答する移動のために基板の上方に吊り下げられた試験質量と、
前記第１の軸線に沿った移動だけに拘束された第１の検出電極と、
前記第２の軸線に沿った移動だけに拘束された第２の検出電極と、
前記第１の軸線にほぼ平行な方向の支点周りの回転移動のために該第１の軸線に垂直な方向に延びる第１のレバーと、
第２の軸線にほぼ平行な方向の支点周りの回転移動のために該第２の軸線に垂直な方向に延びる第２のレバーと、
前記第１の軸線に沿って剛性であって前記第２の軸線に沿って可撓性であり、かつ前記試験質量を前記支点近くのポイントで前記第１のレバーに接続する第１の結合リンクと、
前記第１の軸線に沿って剛性であって前記第２の軸線に沿って可撓性であり、かつ前記第１の検出電極を前記支点から離れたポイントで前記第１のレバーに接続する第２の結合リンクと、
前記第２の軸線に沿って剛性であって前記第１の軸線に沿って可撓性であり、かつ前記試験質量を前記支点近くのポイントで前記第２のレバーに接続する第１の結合リンクと、
前記第２の軸線に沿って剛性であって前記第１の軸線に沿って可撓性であり、かつ前記第２の検出電極を前記支点から離れたポイントで前記第２のレバーに接続する第２の結合リンクと、
を含むことを特徴とする多軸微細機械加工加速度計。
【請求項２３】
前記検出電極は、固定電極の間に挟まれていることを特徴とする請求項２２に記載の加速度計。
【請求項２４】
前記第１の検出電極は、前記第１の軸線に垂直な方向に延びる可撓性ビームによって前記基板の上方に吊り下げられ、前記第２の検出電極は、前記第２の軸線に垂直な方向に延びる可撓性ビームによって該基板の上方に吊り下げられていることを特徴とする請求項２２に記載の加速度計。
【請求項２５】
基板に平行な第１の軸線及び該基板に垂直な第２の軸線に沿った加速度を検出するための微細機械加工加速度計であって、
第１の軸線に沿った加速度に応答した基板に垂直な軸線周りの捩り移動のために該基板上に装着された１対のフレームと、
第２の軸線に沿った加速度に応答した前記フレームによる捩り移動及び前記基板に平行な軸線周りの回転移動のために該フレーム上に装着された１対のほぼ平面の試験質量と、
前記試験質量及びフレームの捩り移動を検出するために該フレームから延び、かつ前記基板上に装着された固定電極と交互配置された入力電極を有する感知コンデンサと、
前記試験質量の前記回転移動を検出するために該試験質量のすぐ下で前記基板上に装着された検出電極と、
を含むことを特徴とする加速度計。
【請求項２６】
前記フレーム及び前記感知コンデンサは、完全に前記試験質量の横方向境界内に位置していることを特徴とする請求項２５に記載の加速度計。
【請求項２７】
前記試験質量は、前記回転軸周りに質量不均衡を作り出すように構成されていることを特徴とする請求項２５に記載の加速度計。
【請求項２８】
前記試験質量の上部部分が、前記質量不均衡を強化するために前記回転軸の一方の側で取り除かれていることを特徴とする請求項２７に記載の加速度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に微細機械加工加速度計に関し、より詳細には、２つ又はそれよりも多くの軸線に沿った加速度をモニタするための加速度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来提供されていた多軸微細機械加工加速度計は、望ましくない交差軸線感度の影響を受けやすく、１つの軸線に沿った加速度による試験質量の偏位が、別の軸線に沿った加速度を検出するための電極の幾何学形状に僅かな変化をもたらすものである。
【発明の開示】
【０００３】
新規で改良された多軸微細機械加工加速度計を提供することが一般的に本発明の目的である。
本発明の別の目的は、実質的に交差軸線感度が認められない上記特性の多軸微細機械加工加速度計を提供することである。
これらの及び他の目的は、一部の実施形態において、第１及び第２の軸線に沿った加速度に応答する移動のために基板上方に吊り下げられた試験質量と、試験質量に接続されて第１の軸線に沿った移動だけに拘束された第１の検出電極と、試験質量に接続されて第２の軸線に沿った移動だけに拘束された第２の検出電極とを有する多軸微細機械加工加速度計を提供することにより本発明に基づいて達成される。
【０００４】
別の実施形態では、試験質量はまた、基板に垂直な第３の軸線に沿った加速度に応答して移動可能であり、第３の検出電極が、第３の軸線に沿った加速度に応答する試験質量の移動を検出するために試験質量のすぐ下で基板上に装着される。
他の実施形態では、２つの試験質量が、第１の軸線に沿った加速度に応答する基板に垂直な軸線周りの捩り移動のために、かつ基板に垂直な第２の軸線に沿った加速度に応答する基板に平行な第２の軸線周りの回転移動のために基板の上方に装着され、第１の検出器が、第１の軸線に沿った加速度を検出するために試験質量に接続されて第１の軸線に沿った移動だけに拘束された入力電極を有し、検出電極が、試験質量の回転移動及び第２の軸線に沿った加速度を検出するために試験質量のすぐ下で基板上に装着される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
図１に示すように、加速度計は、シリコンのような適切な材料で作られたほぼ平面の基板１１を有し、ほぼ平面の試験質量１２が、平面内にある互いに垂直なｘ及びｙ入力軸線に沿った加速度に応答する基板に平行な平面内の移動のために基板上方に吊り下げられている。
ｘ軸線に沿った加速度に応答する試験質量の移動は、可動フレーム１６上に装着され、かつ基板に固定されたフレーム１８上に装着された固定電極又はプレート１７と交互配置された入力電極又はプレート１４を有する容量検出器１３によってモニタされる。可動フレームは、ｘ方向の直線移動のために折り畳み懸架ビーム２２によって固定部２１から吊り下げられる。ビーム２２は、ｙ方向に延びてｘ方向に可撓性であるがｙ及びｚ方向に比較的剛性であり、そのためにｘ方向だけの移動にフレームを拘束する。
【０００６】
ｙ軸線に沿った加速度に応答する試験質量の移動は、可動フレーム２６上に装着され、かつ基板に固定されたフレーム２８上に装着された固定電極又はプレート２７と交互配置された入力電極又はプレート２４を有する容量検出器２３によってモニタされる。可動フレーム２６は、ｙ方向の直線移動のために折り畳み懸架ビーム３２によって固定部３１から吊り下げられる。ビーム３２は、ｘ方向に延びてｙ方向に可撓性であるがｘ及びｚ方向に比較的剛性であり、そのためにｙ方向だけの移動にフレーム２６を拘束する。
【０００７】
結合リンク３４、３６は、それぞれ、検出器フレーム１６、２６と試験質量１２を相互接続する。結合リンク３４は、折り畳んだビームであり、ｘ方向に延びてｘ及びｚ方向に比較的剛性であるがｙ方向に可撓性である。従って、リンク３４は、試験質量のｘ軸線の移動を検出器１３の可動電極１４に結合すると同時に、試験質量を検出器１３とは無関係にｙ方向に移動させる。同様に、結合リンク３６は、折り畳んだビームであり、ｙ方向に延びてｙ及びｚ方向に比較的剛性であるがｘ方向に可撓性である。このようにして、リンク３４は、試験質量のｙ軸線の移動を検出器２３の可動電極２４に結合すると同時に、試験質量を検出器２３とは無関係にｙ方向に移動させる。
【０００８】
使用中は、加速度計は、そのｘ及びｙ軸線が、加速度がモニタされる方向に整列するように据え付けられる。装置がｘ軸線に沿って加速される時に、リンク３６は、曲がって基板に対して試験質量１２をその軸線に沿って移動させ、リンク３４は、その移動をｘ軸線検出器１３の入力電極１４に結合し、１つの検出器のキャパシタンスを増加させて他の検出器のキャパシタンスを低減する。懸架ビーム２２は、入力電極１４がｘ方向に移動するようにするがそれらがｙ方向に移動しないようにし、それによってｙ軸線に沿った試験質量の移動から検出器１３を切り離す。ｙ方向のリンク３４の可撓性によって更に別の切り離しが行われる。
【０００９】
同様に、ｙ軸線検出器２３は、ｙ軸線に沿った試験質量の移動だけに応答する。リンク３４は、曲がって試験質量１２をｙ軸線に沿って移動させ、リンク３６は、その移動を検出器２３の入力電極に結合し、１つの検出器のキャパシタンスを増加させ、他の検出器のキャパシタンスを低減する。懸架ビーム３２は、入力電極２４がｙ方向に移動するようにするがｘ方向に移動しないようにし、それによってｘ軸線に沿った試験質量の移動から検出器２３を切り離す。ｘ方向のリンク３６の可撓性によって更に別の切り離しが行われる。
このようにして、検出器の入力電極を装着する懸架ビームと、試験質量を電極と相互接続するリンクとは、試験質量の直角移動から電極を隔離して試験質量の所望方向の移動に対してだけ検出器が応答するようにし、それによって実質的に交差軸線感度を解消する。
【００１０】
図２の実施形態は、全体的に図１の実施形態と同様であり、同じ参照番号は、２つの実施形態で相当する要素を示している。図２の実施形態では、しかし、試験質量も第３の軸線に沿った加速度に応答して移動することができ、その移動を感知するための検出器は、他の２つの軸線に沿った加速度及び移動から隔離される。
この実施形態では、試験質量１２に直接接続されるのではなく、結合リンク３４、３６は、ｘ−ｙ平面にあり、ｘ及びｙ方向に自由に移動するジンバルフレーム３８に結合される。試験質量は、ｘ軸線に沿って延びる比較的狭い中心区画１２ｃの反対側に大きな端部区画１２ａと小さな端部区画１２ｂとを有する。試験質量は、ｙ軸線に沿って整列して大きな端部区画にその区画の内縁近くで接続した捩りバネ又は撓み部３９によってジンバルフレームから吊り下げられる。試験質量は、このように非対称又は不安定な状態でジンバルフレームに装着され、基板に対して垂直な方向のｚ軸線に沿った加速度は、ｙ軸線の周りに試験質量の慣性モーメント及び回転移動を発生させることになる。捩りバネは、ｘ及びｙ方向に比較的剛性であるために、試験質量及びジンバルフレームは、それらの方向に共に移動する。
【００１１】
感知電極プレート４１、４２は、試験質量端部区画のすぐ下の固定位置で基板に装着され、ｙ軸線周りの試験質量の回転移動を検出する。電極プレートは、試験質量と共にコンデンサを形成し、コンデンサは、試験質量が軸線周りに回転する時に値を反対方向に変える。
ｘ及びｙ軸線に沿った加速度の検出に関心があり、試験質量１２及びジンバルフレーム３８がｘ及びｙ軸線に沿った加速度に応答してｘ及びｙ方向にユニットとして移動する限り、図２の実施形態の作動は、図１の実施形態の作動と同様である。
【００１２】
ｚ軸に沿った加速度は、非対称に装着された試験質量をｙ軸線周りに回転させ、それによって電極プレート４１、４２の一方と試験質量とで形成されたコンデンサのキャパシタンスを上昇させ、他のキャパシタンスを低下させる。その加速度は、入力電極１４及び２４が、ｚ方向の移動のために拘束されているために、ｘ及びｙ検出器１３及び２３に影響を及ぼさない。同様に、ｚ軸線に沿った加速度を感知するためのコンデンサは、ｘ及びｙ軸線に沿った試験質量の移動が、試験質量とそのすぐ下の電極プレートとの間の間隔を変えないために、ｘ及びｙ軸線に沿った加速度によって影響されない。
【００１３】
図１の実施形態の場合、ｘ及びｙ検出器の入力電極と、試験質量をそれらの電極に相互接続するリンクとを装着する懸架ビームは、試験質量の直角移動から電極を隔離し、試験質量の所望方向の移動に対してだけ検出器に応答させる。更に、ｚ軸線に沿った加速度を検出するコンデンサは、ｘ及びｙ方向の試験質量の移動によって影響されず、ｚ方向の加速度は、ｘ及びｙ検出器に影響を及ぼさない。従って、交差軸線感度は、３つの軸線全ての間から実質的に除去される。
【００１４】
図３の実施形態では、ｘ及びｚ軸線に対して平行な軸線周りの回転又は捩り移動のために、２つのほぼ平面の試験質量４６、４７が、基板４８の上方に吊り下げられる。試験質量は、懸架ビーム又は撓み部５４、５６によって固定部５２、５３から吊り下げられたＵ字形状ジンバル４９、５１に装着される。ビーム５４は、ｙ軸線に沿って延び、ビーム５６は、ｘ及びｙ軸線に対して約４５度の角度で斜めに延びている。これらのビームは、ｚ軸線方向に比較的固く又は剛性であり、ｚ軸線に平行な軸線周りの回転に対してジンバルを拘束する。
【００１５】
試験質量４６、４７は、ｘ軸に平行な軸線周りの回転移動のために捩りバネ又は撓み部５７によってジンバル４９、５１から吊り下げられる。バネは、ｘ及びｙ方向に固く又は剛性であり、そのために試験質量及びジンバルは、それらの方向に共に移動する。試験質量は、比較的大きな内側区画４６ａ、４７ａと、ｙ方向に延びる剛性アーム４６ｃ、４７ｃによって内側区画に接続した１対の比較的小さな外側区画４６ｂ、４７ｂとを有する。試験質量は、非対称又は不安定な状態でジンバルに装着され、捩りバネが内側区画の外端近くで試験質量に接続される。質量の不均衡のために、ｚ軸に沿った加速度は、捩りバネの周りに試験質量の慣性モーメント及び回転モーメントを発生させる。
【００１６】
試験質量４６、４７の内側又は隣接縁部部分は、ｘ軸線に沿ってかつジンバルに対して平面内へ及び外への両方で一斉に移動するための連結部５９によって互いに接続される。このように互いに接続した内縁を用いて、２つの試験質量は、ｘ軸線に平行な軸線周りとｚ軸線に平行な軸線周りとの両方で反対方向の回転のために拘束される。Ｕ字形状ジンバルの内縁は、ｘ及びｙ方向に比較的固く又は剛性であり、ｙ方向に可撓性である連結部６１によって同様に互いに接続される。それらの連結部は、ｘ方向の一斉の移動のためにジンバルの内端を拘束する一方、ｚ軸線に平行な軸線の周りでジンバルを回転させる。
【００１７】
ｘ軸線に沿った加速度に応答する試験質量の移動は、試験質量及びジンバルを取り囲み、かつｘ方向の直線移動のために折り畳み懸架ビーム６９によって固定部６７から吊り下げられたフレーム６６に取り付けられた入力電極又はプレート６４を有する容量検出器６３によってモニタされる。ビーム６９は、ｘ方向の移動だけのためにフレームを拘束するようにｙ方向に延びてｘ方向に可撓性であるが、ｙ及びｚ方向に比較的剛性である。フレームは、ｘ軸線に沿って延びてｘ方向に比較的剛性であると共にｙ方向に可撓性であるリンク７１によってジンバルに接続される。
【００１８】
入力電極又はプレート６４は、基板上の固定部７６に固定されたフレーム７４に装着された静止電極又はプレート７３と交互配置され、試験質量の反対側にコンデンサ６３を形成する。他の実施形態と同様に、ｘ軸線に沿った加速度に応答する試験質量の移動は、２つのコンデンサのキャパシタンスを反対方向に変える。
感知電極プレート８１、８２は、試験質量の内側及び外側区画のすぐ下の固定位置で基板に装着され、試験質量の平面外回転を検出する。電極プレートは、試験質量と共にコンデンサを形成し、コンデンサは、試験質量が平面内へ及び平面外へ回転する時にキャパシタンスを反対方向に変える。
【００１９】
使用中は、加速度計は、ｘ及びｚ軸線が、加速度が検出される方向に延びるように配向される。ｘ軸線に沿って装置が加速される時に、ビーム５４、５６は、ジンバル４９、５１及び試験質量４６、４７をｚ軸線周りに回転させる。質量は、反対方向に回転し、それらの内縁がｘ軸線に沿って同じ方向に移動する。その移動は、リンク７１によって感知フレーム６６に伝達され、コンデンサ６３のキャパシタンスの変化をもたらす。フレーム６６は、ｘ軸線に沿った移動だけに拘束されるので、コンデンサ６３は、ｙ又はｚ軸線に沿った加速度によって影響されない。
【００２０】
ｚ軸線に沿った加速度は、試験質量４６、４７をｘ軸線周りに回転させる。その回転は、試験質量と電極プレート８１、８２とによって形成されたコンデンサのキャパシタンスの変化をもたらす。図２の実施形態と同様に、それらのコンデンサのキャパシタンスは、ｘ又はｙ軸線に沿った試験質量の移動が試験質量とそれらのすぐ下にある電極プレートとの間の間隔を変えないので、それらの軸線に沿った加速度によって影響されない。
【００２１】
図４の実施形態は、それが、ｘ及びｙ方向の移動のために基板１１の上方に吊り下げられて試験質量のそれらの方向の移動を感知するための感知コンデンサ１３、２３を備えたほぼ平面の試験質量１２を有するという点で図１の実施形態と同様である。コンデンサ１３の入力フレーム１６は、ｙ方向に延び、かつｘ方向だけの移動のためにフレーム１６を拘束するようにｘ方向に可撓性であるがｙ及びｚ方向に比較的剛性であるビーム２２ａ、２２ｂによって固定部２１ａ、２１ｂから吊り下げられる。コンデンサ２３の入力フレーム２６は、ｘ方向に延び、かつｙ方向だけの移動のためにフレーム２６を拘束するようにｙ方向に可撓性であるがｘ及びｚ方向に比較的剛性であるビーム３２ａ、３２ｂによって固定部３１ａ、２１ｂから吊り下げられる。
【００２２】
この実施形態では、ｘ及びｙ方向の試験質量の偏位又は移動は、その移動を増大又は増幅することによってより高い感度を提供するレバーを通じて感知コンデンサに付与される。ｘ方向の運動を伝達するレバーは、ｙ方向に延び、かつアームの内端近くの支点周りの回転のために撓み部８６、８７によって固定部２１ａに接続したアーム８４を有する。試験質量は、入力リンク８８によってアームの内端近くでレバーアームに接続され、レバーアームは、レバーアームの外端とコンデンサの入力フレーム１６との間に延びる出力リンク８９によって感知コンデンサに接続される。リンク８８、８９は、ｘ方向に延び、その方向に剛性でありかつｙ方向に可撓性である。
【００２３】
ｙ方向の運動を伝達するレバーは、ｘ方向に延び、かつアームの内端近くの支点周りの回転のために撓み部９２、９３によって固定部３１ａに接続したアーム９１を有する。試験質量は、入力リンク９４によってアームの内端近くでレバーアームに接続され、レバーアームは、レバーアームの外端とコンデンサの入力フレーム２６との間に延びる出力リンク９６によって感知コンデンサに接続される。リンク９４、９６は、ｙ方向に延び、その方向に剛性でありかつｘ方向に可撓性である。
図４の実施形態の作動及び使用は、試験質量に対して感知コンデンサの入力電極又はプレートの移動を増幅又は増大するレバーを備えた図１の実施形態のそれと同様である。これは、入力リンクが支点近くのポイントでレバーに接続され、それに対して出力リンクが支点から離れたポイントでレバーに接続され、移動の増大がリンクと支点の間の距離の比に比例するという事実に起因する。
【００２４】
図５の実施形態では、ｘ及びｚ軸線に平行な軸線周りの回転又は捩り移動のために２つのほぼ平面の試験質量１０１、１０２が基板１０３の上方に吊り下げられる。試験質量は、ｘ及びｙ軸線に対して約４５度の角度で斜めに延びる懸架ビーム又は撓み部１０７によって固定部１０６から吊り下げられた内側フレーム１０４に装着される。それらのビームは、ｚ方向に比較的固く又は剛性であり、ｚ軸線に平行な軸線周りの回転のためにフレームを拘束する。
【００２５】
試験質量１０１、１０２は、ｘ軸線に平行な軸線１０９、１１１周りの回転移動のために捩りバネ又は撓み部１０８によってフレーム１０４から吊り下げられる。バネは、ｘ及びｙ方向に比較的固く又は剛性であり、そのために試験質量とフレームは、それらの方向に共に移動する。
試験質量１０１、１０２の内側又は隣接縁部部分は、ｘ軸線に沿ってかつフレームに対して平面内へ及び外への両方で一斉に移動するために連結部１１２によって互いに接続される。このように互いに接続した内縁を用いて、２つの試験質量は、ｘ軸線に平行な軸線周りとｚ軸線に平行な軸線周りとの両方で反対方向の回転のために拘束される。
【００２６】
ｘ軸線に沿った加速度に応答する試験質量の移動は、外側部分フレーム１０４の反対側からｘ方向に延びる入力電極又はプレート１１４を有する感知コンデンサ１１３によってモニタされる。入力電極又はプレートは、基板上の固定部１１８に固定されたフレーム１１７に装着された静止電極又はプレート１１６と交互配置される。
フレーム１０４の内側部分から延び、かつ基板上の固定部１２４に固定されたフレーム１２３に装着された静止電極又はプレート１２２と交互配置された可動電極又はプレート又は電極１２１により、より小さなコンデンサ１１９が形成される。
【００２７】
フレーム１０４とコンデンサ１１３、１１９とは、完全に試験質量１０１、１０２の横方向境界内に位置している。コンデンサ１１３がコンデンサ１１９よりも大きく、試験質量の内側部分が外側部分よりも重いので、質量がｚ軸線に沿って加速された時に、質量の不均衡が、軸線１０９、１１１の周りで質量を回転させる。
感知電極プレート１２６、１２７は、試験質量の内側及び外側部分のすぐ下の固定位置で基板に装着され、試験質量の平面外回転を検出する。電極プレートは、試験質量と共にコンデンサを形成し、コンデンサは、試験質量が平面内へ及び平面外へ回転する時にキャパシタンスを反対方向に変える。
【００２８】
ｘ方向の加速度は、基板に垂直でｚ軸線に平行な軸線周りの試験質量及びフレームの捩り移動をもたらす。フレームが回転すると、そこから延びる電極又はプレートは、静止電極に対して近づくように又は離れるように移動し、各試験質量の一方の側のセンサのキャパシタンスを増大させ、かつ他方の側のセンサのキャパシタンスを低減する。２つの試験質量の内側部分が互いに接続されるので、２つの質量が反対方向に回転する。
【００２９】
ｚ方向の加速度は、軸線１０９、１１１の周りで２つの試験質量の平面外の回転移動をもたらし、電極プレート１２６、１２７と試験質量の間のキャパシタンスを変える。軸線の反対側のプレートによりキャパシタンスが反対方向に変わり、互いに接続した質量の内側部分により２つの質量の平面外の回転も反対方向になる。
ｘ及びｚ軸線の両方に沿った加速度に対する感度は、試験質量の外側又はより軽い部分から材料を除去して質量の不均衡を増すことによって高めることができる。従って、図５の実施形態では、２つの質量の外側部分に凹部領域１２９が形成され、図６に更に示されている。凹部領域は、質量の底面と、それらの表面と電極プレート１２７の間のキャパシタンスとを乱さないように、質量の上部側からエッチングすることによって形成される。
【００３０】
代替的に、図７に示すように、試験質量の外側部分に狭いトレンチ１３１を形成することができる。これらのトレンチは、底面を乱さないように質量の上部側からエッチングすることによって形成される。トレンチを試験質量とフレームの間の間隙１３２、及びコンデンサ電極又はプレートのような他の要素間の間隙よりも狭くすることにより、トレンチのエッチングが底面に到達しないことになり、間隙は、始めから終わりまで全てエッチングされる。
【００３１】
加速度計は、単一結晶シリコンウェーハの深部反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）である現在の好ましい処理を用いたあらゆる適切な微細機械加工処理によって製造することができる。この処理は、微細機械加工ジャイロスコープの製造で利用される処理に適合し、それによって開発時間が短縮されると同時にジャイロスコープと同一の工場で、それどころか同一のウェーハ上で加速度計を製造することができると考えられる。
【００３２】
本発明は、いくつかの重要な特徴及び利点を有する。所望方向の加速度だけに応答する検出器を用いて、交差軸線感度が実質的に除去される。図１及び２の実施形態では、単一の試験質量を用いて多軸測定が達成され、それによって各方向に対して個別の試験質量を有する加速度計よりも大幅に小さなダイ寸法がもたらされる。更に、検出器は、比較的大きな全体プレート面積を有し、それによって低重力用途の場合でさえも比較的高いＳＮ比をもたらすことができる。図４の実施形態では、試験質量と検出器の間にレバーを使用することによって感度が上がる。
【００３３】
図３及び５の実施形態では、ジンバル及びフレーム構造は、ｘ及びｚ軸線に沿った加速度に対する試験質量の応答を実質的に切り離し、それによって漏話を最小にし、かつｘ軸線に沿った移動に制限された感知フレームを用いて、他の方向の加速度に対するｘ検出器の応答も最小にされる。更に、外部角加速度入力は、剛性リンクによる反対方向の移動のために互いに接続された対称捩り装着試験質量によりゼロにされる。
上述の説明から新規で改善された多軸微細機械加工加速度計が提供されたことは明らかである。単に現在の好ましいある一定の実施形態を詳細に説明したが、当業者には明らかなように、特許請求の範囲に規定した本発明の範囲から逸脱することなくある一定の変更及び修正を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明を組み込んだ多軸微細機械加工加速度計の一実施形態の上面図である。
【図２】本発明を組み込んだ多軸微細機械加工加速度計の付加的な実施形態の上面図である。
【図３】本発明を組み込んだ多軸微細機械加工加速度計の付加的な実施形態の上面図である。
【図４】本発明を組み込んだ多軸微細機械加工加速度計の付加的な実施形態の上面図である。
【図５】本発明を組み込んだ多軸微細機械加工加速度計の付加的な実施形態の上面図である。
【図６】図５の線６−６に沿った部分断面図である。
【図７】本発明を組み込んだ微細機械加工加速度計の別の実施形態の図６と同様の図である。
【符号の説明】
【００３５】
１１  基板
１２  試験質量
１３  容量検出器
１４  入力電極又はプレート
１６  可動フレーム
【図１】
2009505064.tif 000003
【図２】
2009505064.tif 000004
【図３】
2009505064.tif 000005
【図４】
2009505064.tif 000006
【図５】
2009505064.tif 000007
【図６】
2009505064.tif 000008
【図７】
2009505064.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成20年4月14日(2008.4.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の軸線に沿った加速度に応答する移動のために基板の上方に吊り下げられた試験質量と、
前記試験質量に接続され、かつ前記第１の軸線に沿った移動だけに拘束された第１の検出電極と、
前記試験質量に接続され、かつ前記第１の軸線に沿った移動の成分を持たないように拘束された第２の検出電極と、
を有することを特徴とする多軸微細機械加工加速度計。
【請求項２】
前記第２の検出電極は、前記第２の軸線に沿った移動だけに拘束されていることを特徴とする請求項１に記載の加速度計。
【請求項３】
前記第１の検出電極は、前記第１の軸線と垂直な方向に延びる可撓性ビームによって前記基板の上方に吊り下げられ、前記第２の検出電極は、前記第２の軸線と垂直な方向に延びる可撓性ビームによって該基板の上方に吊り下げられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の加速度計。
【請求項４】
前記試験質量は、前記第１の軸線に沿って剛性であって前記第２の軸線に沿って可撓性である結合リンクによって前記第１の検出電極に接続され、該試験質量は、該第２の軸線に沿って剛性であって該第１の軸線に沿って可撓性である結合リンクによって前記第２の検出電極に接続されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の加速度計。
【請求項５】
前記試験質量は、該試験質量の増幅された移動を前記検出電極に印加するレバーによって該検出電極に接続されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の加速度計。
【請求項６】
前記レバーは、前記移動軸線に垂直であり、かつ該軸線に沿って剛性で横方向に可撓性の結合リンクによって前記試験質量及び前記検出電極に接続されていることを特徴とする請求項５に記載の加速度計。
【請求項７】
前記試験質量はまた、前記基板と垂直な第３の軸線に沿った加速度に応答して移動可能であり、第３の検出電極が、該第３の軸に沿った加速度に応答した該試験質量の移動を検出するために該試験質量のすぐ下で該基板上に装着されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の加速度計。
【請求項８】
前記試験質量は、前記第１及び第２の軸線に沿った移動のために前記基板の上方に吊り下げられたフレーム上に装着され、該試験質量は、該基板と平行な軸線周りの回転移動のために該フレーム上に非対称に装着されていることを特徴とする請求項７に記載の加速度計。
【請求項９】
前記第１及び第２の軸線は、互いに垂直であることを特徴とする請求項１に記載の加速度計。
【請求項１０】
固定電極の間に挟まれた入力電極を有する第１及び第２の検出器と、前記第１の軸線と垂直であり、かつ該第１の軸線に沿った移動だけのための該第１の検出器の該入力電極を装着する可撓性ビームと、前記第２の軸線に垂直であり、かつ該第２の軸線に沿った移動だけのための該第２の検出器の該入力電極を装着する可撓性ビームと、該第１の軸線に沿って剛性であって該第２の軸線に沿って可撓性であり、かつ前記試験質量と該第１の検出器の該入力電極とを相互接続する結合リンクと、該第２の軸線に沿って剛性であって該第１の軸線に沿って可撓性であり、かつ該試験質量と該第２の検出器の該入力電極とを相互接続する結合リンクとを含むことを特徴とする請求項９に記載の加速度計。
【請求項１１】
前記基板の上方に並列に装着され、かつ前記第１の軸線に沿った加速度に応答した該基板に垂直な軸線周りの捩り移動及び前記第２の軸線に沿った加速度に応答した該基板に平行な軸線周りの回転移動のために、その隣接する縁部部分に沿って互いに接続された第１及び第２のほぼ平面の試験質量と、該試験質量に接続され、かつ該第１の軸線に沿った移動だけに拘束された入力電極を有する第１の検出器と、該試験質量の該回転移動を検出するために該試験質量のすぐ下で該基板上に装着された検出電極とを含むことを特徴とする請求項９に記載の加速度計。
【請求項１２】
前記試験質量は、前記基板に平行な前記軸線周りの回転移動のためにジンバルに装着され、該ジンバルは、該基板に垂直な前記軸線周りの捩り移動のために装着されていることを特徴とする請求項１１に記載の加速度計。
【請求項１３】
前記試験質量は、前記基板に平行な前記軸線周りの回転移動のために内側フレーム上に装着され、該内側フレームは、該基板に垂直な前記軸線周りの捩り移動のために装着されていることを特徴とする請求項１１に記載の加速度計。
【請求項１４】
前記第１の軸線は、前記基板と平行であり、前記第２の軸線は、該基板に垂直であり、前記第２の検出電極は、該第２の軸線に沿った加速度を検出するために前記試験質量のすぐ下で該基板上に装着されていることを特徴とする請求項１に記載の加速度計。
【請求項１５】
前記試験質量は、前記第１の軸線に沿った加速度に応答する直線移動のために拘束されていることを特徴とする請求項１４に記載の加速度計。
【請求項１６】
前記試験質量は、前記第１の軸線に沿った加速度に応答する捩り移動のために拘束されていることを特徴とする請求項１４に記載の加速度計。
【請求項１７】
前記試験質量は、前記第２の軸線に沿った加速度に応答する前記基板に平行な軸線周りの回転移動のために拘束されていることを特徴とする請求項１４に記載の加速度計。
【請求項１８】
固定電極の間に挟まれた入力電極を有する第１及び第２の検出器と、前記第１の軸線に垂直であり、かつ該第１の軸線に沿った移動だけのための該第１の検出器の該入力電極を装着する可撓性ビームと、前記第２の軸線に垂直であり、かつ該第２の軸線に沿った移動だけのための該第２の検出器の該入力電極を装着する可撓性ビームと、ジンバルフレームと、該第１の軸線に沿って剛性であって該第２の軸線に沿って可撓性であり、かつ該ジンバルフレームと該第１の検出器の該入力電極とを相互接続する結合リンクと、該第２の軸線に沿って剛性であって該第１の軸線に沿って可撓性であり、かつ該ジンバルフレームと該第２の検出器の該入力電極とを相互接続する結合リンクとを含み、
前記試験質量は、前記基板に垂直な軸線に沿った加速度に応答する該基板に平行な軸線周りの回転移動のために前記ジンバルフレーム上に装着されており、
前記試験質量の前記回転移動を検出するために該試験質量のすぐ下で前記基板上に装着された検出電極、
を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の加速度計。
【請求項１９】
前記第１及び第２の軸線は、前記基板に平行であり、かつ互いに垂直であることを特徴とする請求項１８に記載の加速度計。
【請求項２０】
１対のジンバルと、前記第１の軸線に沿った加速度に応答した前記基板に垂直な軸線周りの捩り移動のために該ジンバルを該基板上に装着する撓み部と、前記第２の軸線に沿った加速度に応答した該基板に平行な軸線周りの回転移動のために該ジンバル上に回転的に装着された１対の試験質量と、該試験質量に接続され、かつ該第１の軸線に沿った移動だけに拘束された可動入力電極を有する検出器と、該試験質量の該回転移動を検出するために該試験質量のすぐ下で該基板上に装着された検出電極とを含むことを特徴とする請求項１に記載の加速度計。
【請求項２１】
前記試験質量は、反対方向の移動のために互いに接続されていることを特徴とする請求項２０に記載の加速度計。
【請求項２２】
前記ジンバルは、反対方向の移動のために互いに接続されていることを特徴とする請求項２０に記載の加速度計。
【請求項２３】
前記第２の検出電極は、前記第２の軸線に沿った移動だけに拘束されており、
前記第１の軸線にほぼ平行な方向の支点周りの回転移動のために該第１の軸線に垂直な方向に延びる第１のレバーと、第２の軸線にほぼ平行な方向の支点周りの回転移動のために該第２の軸線に垂直な方向に延びる第２のレバーと、該第１の軸線に沿って剛性であって該第２の軸線に沿って可撓性であり、かつ前記試験質量を該支点近くのポイントで該第１のレバーに接続する第１の結合リンクと、該第１の軸線に沿って剛性であって該第２の軸線に沿って可撓性であり、かつ前記第１の検出電極を該支点から離れたポイントで該第１のレバーに接続する第２の結合リンクと、該第２の軸線に沿って剛性であって該第１の軸線に沿って可撓性であり、かつ該試験質量を該支点近くのポイントで該第２のレバーに接続する第１の結合リンクと、該第２の軸線に沿って剛性であって該第１の軸線に沿って可撓性であり、かつ前記第２の検出電極を該支点から離れたポイントで該第２のレバーに接続する第２の結合リンクとを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の加速度計。
【請求項２４】
前記検出電極は、固定電極の間に挟まれていることを特徴とする請求項２３に記載の加速度計。
【請求項２５】
前記第１の検出電極は、前記第１の軸線に垂直な方向に延びる可撓性ビームによって前記基板の上方に吊り下げられ、前記第２の検出電極は、前記第２の軸線に垂直な方向に延びる可撓性ビームによって該基板の上方に吊り下げられていることを特徴とする請求項２３に記載の加速度計。
【請求項２６】
前記第１の軸線は、前記基板と平行であり、前記第２の軸線は、該基板に垂直であり、
前記第１の軸線に沿った加速度に応答した前記基板に垂直な軸線周りの捩り移動のために該基板上に装着された１対のフレームと、前記第２の軸線に沿った加速度に応答した該フレームによる捩り移動及び該基板に平行な軸線周りの回転移動のために該フレーム上に装着された１対のほぼ平面の試験質量と、該試験質量及びフレームの捩り移動を検出するために該フレームから延び、かつ該基板上に装着された固定電極と交互配置された入力電極を有する感知コンデンサと、該試験質量の該回転移動を検出するために該試験質量のすぐ下で該基板上に装着された検出電極とを含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の加速度計。
【請求項２７】
前記フレーム及び前記感知コンデンサは、完全に前記試験質量の横方向境界内に位置していることを特徴とする請求項２６に記載の加速度計。
【請求項２８】
前記試験質量は、前記回転軸周りに質量不均衡を作り出すように構成されていることを特徴とする請求項２６に記載の加速度計。
【請求項２９】
前記試験質量の上部部分が、前記質量不均衡を強化するために前記回転軸の一方の側で取り除かれていることを特徴とする請求項２８に記載の加速度計。
【国際調査報告】
2009505064.tif 000010