(57)【要約】      （修正有）【課題】機械的衝撃や外部応力に対して強い構造をもつ容量性微小機械加速度計を提供する。【解決手段】ローターバー１３、１４、１５で構成されるロータは、ロータ回転軸ＲＲＡの第１の側に一以上の第１の制動板１０１、１０２と、ロータ回転軸ＲＲＡの第２の側に一以上の第１の制動板１０３、１０４と、を含む。一以上の第２の制動板は、一以上の第１の制動板１０１〜１０４の少なくとも一部の上方または下方の内部パッケージ平面に固定され、第１の制動板１０１〜１０４がロータ回転軸ＲＲＡの各側にある第２の制動板の投影と重なる。【選択図】図１
2019023613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
横方向および縦方向に延在し、前記横方向が前記縦方向に垂直である基板平面を画定する基板と、
前記基板平面に垂直な垂直軸方向の加速度を測定するための第１のセンサと、
前記基板平面の上方および／または下方の前記基板平面に隣接し、かつ、前記基板平面に平行な内部パッケージ平面を有する加速度計パッケージと、
を備え、
前記第１のセンサは、前記基板に対して可動なロータと、ロータ吊具と、前記基板に対して不動の一以上のステータと、を含み、
前記ロータは、差動容量測定のための一以上のロータ電極を含み、前記一以上のステータは、差動容量測定のための一以上のステータ電極を含み、
前記吊具は、一以上の固定されたロータ吊具バーと、横方向のロータ回転軸に配置された第１の横方向のねじりバネおよび第２の横方向のねじりバネと、を含み、
前記第１の横方向ねじりバネおよび前記第２の横方向ねじりバネは、前記ロータに取り付けられている、容量性微小機械加速計であって、
前記ロータは、少なくとも、横方向ロータバーと、前記横方向ロータバーに取り付けられた第１の縦方向ロータバーと、前記横方向ロータバーに取り付けられた第２の縦方向ロータバーと、を含む両面シーソーフレームであり、
前記縦方向ロータバーのそれぞれは、前記横方向のロータ回転軸の第１の側から前記横方向のロータ回転軸の第２の側まで延在し、
前記縦方向ロータバーのそれぞれは、前記横方向のロータ回転軸の前記第１の側にある一以上の第１の制動板と、前記横方向のロータ回転軸の前記第２の側にある一以上の第１の制動板と、を含み、
少なくとも１つの前記第１の制動板が、前記横方向のロータ回転軸の前記第１の側にある第１の重複領域において前記基板平面への前記第２の制動板の投影と重なり、かつ、少なくとも１つの前記第１の制動板が、前記横方向のロータ回転軸の前記第２の側にある第２の重複領域において前記基板平面への前記第２制動板の投影と重なるように、一以上の第２制動板は、前記一以上の第１の制動板の少なくとも一部の上方および／または下方の前記内部パッケージ平面に固定される、
容量性微小機械加速度計。
【請求項２】
前記第１の重複領域における前記ねじり減衰係数は、前記第２の重複領域における前記減衰係数に等しい、
請求項１に記載の容量性微小機械加速度計。
【請求項３】
前記第１の重複領域は、前記横方向のロータ回転軸を含む垂直平面に対して前記第２の重複領域と平面対称である、
請求項１または２に記載の容量性微小機械加速度計。
【請求項４】
前記加速度計は、さらに、
横軸方向の加速度を測定するための第２のセンサと、
縦軸方向の加速度を測定するための第３のセンサと、
を備え、
前記ロータは、前記第２のセンサおよび前記第３のセンサの両方を部分的に囲んでいる、
請求項１〜３のいずれかに一項に記載の容量性微小機械加速度計。
【請求項５】
前記一以上の固定された前記ロータ吊具バーは、
第１の横方向ロータ吊具バーと、
第２の横方向ロータ吊具バーと、
を備え、
第１の横方向ねじりバネは、前記第１の横方向ロータ吊具バーの端部に取り付けられており、
第２の横方向ねじりバネは、前記第２の横方向ロータ吊具バーの端部に取り付けられている、
請求項４記載の容量性微小機械加速度計。
【請求項６】
前記一以上の固定されたロータ吊具バーは、
第１の横方向ロータ吊具バーと、
第２の横方向ロータ吊具バーと、
を備え、
前記第１の横方向ロータ吊具バーに取り付けられた第１の縦方向変位バーは、前記横方向ロータバーから離れる方向に前記第１の横方向ロータ吊具バーから延伸しており、
前記第２の横方向ロータ吊具バーに取り付けられた第２の縦方向変位バーは、前記横方向ロータバーから離れる方向に前記第２の横方向ロータ吊具バーから延伸しており、
前記第１の横方向ねじりバネは、前記第１の縦方向変位バーに取り付けられており、
前記第２の横方向ねじりバネは、前記第２の縦方向変位バーに取り付けられている、
請求項４に記載の容量性微小機械加速度計。
【請求項７】
前記一以上の固定されたロータ吊具バーは、
第１の縦方向変位バーと、
第２の縦方向変位バーと、
を備え、
前記第１の横方向ねじりバネは、前記第１の縦方向変位バーの端部に取り付けられており、
前記第２の横方向ねじりバネは、前記第２の縦方向変位バーの端部に取り付けられており、
両方の縦方向変位バーは、横方向ロータバーから離れたそれぞれのアンカーポイントから延伸している、
請求項４に記載の容量性微小機械加速度計。
【請求項８】
前記一以上の固定されたロータ吊具バーは、縦方向のロータ吊具バーを備え、
前記第１の横方向ねじりバネは、第１の横方向吊具バーの一端に取り付けられており、
前記第１の横方向吊具バーの他端は、前記縦方向ロータ吊具バーに取り付けられており、
前記第２の横方向ねじりバネは、第２の横方向吊具バーの一端に取り付けられており、
前記第２の横方向吊具バーの他端は、前記縦方向ロータ吊具バーに取り付けられている、
請求項４に記載の容量性微小機械加速度計。
【請求項９】
前記一以上の第１の制動板の少なくとも１つ、および、前記基板平面への投影が当該少なくとも１つの第１の制動板と重なる少なくとも１つの前記第２の制動板は、電圧源に接続された導電性電極である、
請求項１〜８のいずれか一項に記載の容量性微小機械加速度計。
【請求項１０】
請求項９に記載の加速度計で自己検査を実施する方法であって、
駆動力は、導電性電極である前記制動板に試験電圧を印加することによって前記第１のセンサの前記ロータに供給され、
試験応答信号は、前記ロータ電極および前記ステータ電極からの静電容量測定を用いて読み取られる、
加速度計で自己検査を実施する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、加速度計が基板平面に対して垂直な加速度成分で移動するときに、基板平面から回転する可動ロータを有する容量性加速度計および加速度センサに関する。このようなセンサは、３軸加速度計を形成するために基板面内の加速度を測定する２つの他のセンサと組み合わせることができる。このような加速度計は、（ＥＳＰ／ＥＳＣ）、アンチロックブレーキ（ＡＢＳ）、電動パーキングブレーキ（ＥＰＢ）、ヒルスタートアシスタンス（ＨＳＡ）、電子制御サスペンション（ＥＣＳ）、ヘッドライトレベリングまたはエアバッグ展開などの自動車への応用に有用である。
【背景技術】
【０００２】
３軸加速度計における各容量性センサは、基板に対して不動であるステータと、基板に対して少なくとも部分的に可動であるロータとを備えてもよい。本開示では、「ロータ」および「ステータ」という用語は共に、バーまたはビームなどの、互いに連結された微小機械構造体を指す。当該構造体およびそれらの相互連結体は、基板、例えばシリコン基板をエッチングすることによって形成されてもよい。
【０００３】
本開示では、「バー」および「ビーム」という用語は、例えばシリコン製の細長い構造体を指し、「バネ」と呼ばれるより柔軟な構造体と比較して剛性を有する。剛性と柔軟性とは相対的な用語である。ロータを構成するバーおよびビームは、いくらかの可撓性を有するが、ロータが動くときにほぼ互いの位置関係を保ったまま静止し、ロータが懸架されているバネのみが、ロータの動きによってかなり柔軟に変形する。
【０００４】
ロータおよびステータは、典型的には、ロータとステータとの間の電気的測定を容易にするために、それらの相互連結構造体のうちの少なくとも一部に導電性電極領域を含む。
【０００５】
３軸加速度計は、典型的には、基板平面を含み、当該基板平面は、ｘｙ平面と表してもよい。ステータは、基板平面内に固定された構造体であってもよい。加速度センサは、平面内の軸に加速運動に応じて、当該軸に沿って直線運動をするロータと共に基板平面内に実装されてもよい。本開示は、主として、ロータがシーソーとして実装される加速度センサに注目しており、当該ロータは、一以上のねじりバネに取り付けられており、ねじりバネによって画定される回転軸に平行でない加速運動に応じて、当該軸の周りに回転運動する。
【０００６】
ロータがシーソーとして実装される場合、その質量中心は回転軸と一致してはならない。なぜなら、線形加速に反応しなくなるからである。したがって、シーソーロータは、少なくともある程度、不均衡なシーソーでなければならない。シーソーロータは、ロータの全ての部分が回転軸の片側に位置するように、完全に片側のシーソーとして実装されてもよい。より正確には、シーソーロータが、ロータ全体が平面の片側に位置するように、その回転軸を横切る平面を描くことができれば、シーソーロータは片側である。シーソーとして実施されるロータは、また、両面であってよく、当該ロータのいくつかの部分が当該軸の片側のあり、いくつかの部分が当該軸の反対側にある。両面ロータは、ロータ全体が平面の片側に位置するように、回転軸を横切る平面を描くことができない。
【０００７】
米国特許出願公開第２００７／１１９２５２号明細書は、基板平面における加速度、および、面外加速度、すなわち、基板に対して垂直方向の加速度を測定するための加速度センサを備える３軸加速度計を開示している。この文献の面外測定に使用されるロータの欠点は、振動および機械的衝撃に敏感な傾向があることである。
【０００８】
また、米国特許出願公開第２０１１／００２３６０６号明細書も、基板平面における加速度および面外加速度、すなわち、基板に対して垂直方向の加速度を測定する３軸加速度計を開示する。この文献において面外測定に使用されるロータの欠点は、多くのデバイス面積を消費し、外部応力に敏感なことである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本開示の目的は、上記の欠点を緩和するための装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示の目的は、独立請求項に記載されていることを特徴とする構成により達成される。本開示の好ましい実施形態は、従属請求項に開示されている。
【００１１】
本開示は、両面シーソーであるフレーム型のロータを有するｚ軸加速度センサを実装し、回転軸の両側のシーソー上に対称的に配置された減衰領域を形成するという考えに基づいている。
【００１２】
本開示の構成の有利な点は、構造が振動に対して強いこと、および、デバイス領域を殆ど消費しないにもかかわらず、効率的な減衰を生じることである。
【００１３】
以下に、添付の図面を参照しながら、好ましい実施の形態を用いてより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、容量性加速度計における第１のセンサを示す。
【図２】図２は、図１のＡ−Ａ断面における第１のセンサおよび加速度計パッケージの一部を示す。
【図３】図３は、第１および第２の制動板の重複領域の第一の例を示す。
【図４】図４は、第１および第２の制動板の重複領域の第二の例を示す。
【図５】図５は、加速度計が第２および第３のセンサを備える実施の形態を示す。
【図６】図６は、加速度計が第２および第３のセンサを備える実施の形態を示す。
【図７】図７は、加速度計が第２および第３のセンサを備える実施の形態を示す。
【図８】図８は、加速度計が第２および第３のセンサを備える実施の形態を示す。
【図９】図９は、本開示に記載の方法を示す。
【００１５】
以上の図は概略的なものであり、縮尺通りに描かれていない。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本開示では、横方向および縦方向（なお、横方向は縦方向に垂直である）に延在する平面基板を画定する基板と、平面基板に垂直な垂直軸方向の加速度を測定するための第１のセンサと、平面基板の上方および／または下方の基板平面に隣接し、かつ、基板平面に平行である内部パッケージ平面を有する加速度計パッケージと、を備える容量性微小機械加速度計について説明する。第１のセンサは、基板に対して可動なロータと、ロータ吊具と、基板に対して不動の一以上のステータと、を備える。当該ロータは、差動容量測定のための一以上のロータ電極を備え、当該一以上のステータは、差動容量測定のための一以上のステータ電極を備える。当該吊具は、一以上の固定されたロータ吊具バーと、横方向のロータ回転軸上に配置された第１の横方向ねじりバネおよび第２の横方向ねじりバネと、を備え、第１の横方向ねじりバネおよび第２の横方向ねじりバネは、ロータに取り付けられている。
【００１７】
ロータは、少なくとも、横方向ロータバーと、当該横方向ロータバーに取り付けられた第１の縦方向ロータバーと、当該横方向ロータバーに取り付けられた第２の縦方向ロータバーと、を備える両面シーソーフレームである。縦方向ロータバーは、それぞれ横方向のロータ回転軸の第１の側から当該横方向のロータ回転軸の第２の側まで延在している。縦方向ロータバーは、それぞれ横方向のロータ回転軸の第１の側にある一以上の第１の制動板と、当該横方向のロータ回転軸の第２の側にある一以上の第１の制動板と、を備える。一以上の第２の制動板が一以上の第１の制動板の少なくともいくつかの上方および／または下方で内部パッケージ平面に固定される。その結果、少なくとも１つの第１の制動板が横方向のロータ回転軸の第１の側にある第１の重複領域において基板平面への第２の制動板の投影と重なり、かつ、少なくとも１つの第１の制動板が横方向のロータ回転軸の第２の側にある第２の重複領域において基板平面への第２の制動板の投影と重なる。
【００１８】
横方向ねじりバネが互いに離間して配置されると、振幅がより小さくなる高い周波数帯に寄生共振モードが引き上げられるため、当該センサは、振動に対して強くなる。さらに、制動電極を互いに離間して配置することによっても、最小の寄生共振モードでより減衰させることができるため、振動に対する頑強性が向上する。
【００１９】
図１は、容量性加速度計における第１のセンサを概略的に示している。基板平面は、本開示ではｘｙ平面に相当する。本開示では、「基板」という用語は、センサを構成する微小機械構造体が作製された本体を指す。当該構造体が完成すると、当該基板の残りの部分が加速度計を囲む支持体を形成する。基板は、例えば、シリコンウエハであってもよい。センサを構成する微小機械構造は、エッチングおよびコーティング方法によって当該基板から製造されてもよい。言い換えると、本開示において、「基板」という用語は、加速度計の微小電気機械構造体が製造される構造層（またはデバイス層）を形成する薄い基板を指す。この基板は、典型的には、はるかに厚い別個のハンドルウエハまたは支持ウエハからの構造的支持を必要とする。
【００２０】
垂直なｚ軸はｘｙ平面に垂直であると定義される。図１に示すいくつかの微小機械構成要素は、基板と同じ厚さであってもよく、その他の微小機械構成要素は、基板より薄い厚さであってもよい。本開示では、基板の厚さ全体がｘｙ平面を構成し、「上方」および「下方」という用語は、ｚ座標における基板表面からの差を指す。言い換えれば、図１に示された基板平面の「上方」の物体は、図１に示された構成要素の上面よりも観察者の近くに位置し、基板平面の「下方」の物体は、図１に示された構成要素の底面よりも観察者から遠くに位置すると解釈され得る。図２は、基板平面内にあるデバイス構成要素１４の上方の加速度計パッケージ２１を示している。
【００２１】
第１のセンサは、ｚ軸の方向の加速度を測定するように構成される。ｚ軸は、本開示では垂直軸と呼ばれ、基板平面に対して垂直である。第１のセンサは、１つの横方向ロータバー１３と、２つの縦方向ロータバー１４および１５と、を有するロータを備える。横方向ロータバー１３と２つの縦方向ロータバー１４および１５とは共に、基板平面上の他の構成要素を部分的に囲むフレームを形成する。また、ロータは、ロータ電極として機能する、１セットのロータ電極指１３１を含む。指の数は、図１に概略的に示されているものよりも、はるかに多く、複数の指同士の間隔ははるかに小さくてもよい。
【００２２】
図１のセンサは、また、横方向ステータバー１６および１７と、上記ステータバーにそれぞれ対応し、ステータ電極として機能するステータ電極指１６１および１７１のセットと、を有する２つのステータを備える。ロータ電極およびステータ電極はコーティングされていてもよく、基板の上面および／または底面から垂直に窪んでいてもよい。図１に示すように、フレーム形状のロータは、ステータを部分的に囲んでもよい。横方向ステータバー１６および１７は、ステータアンカーポイント１６２および１７２で基板に固定されている。「アンカーポイント」という用語は、本開示では、バーなどの物体が基板にしっかりと取り付けられ得る領域を指す。
【００２３】
ロータ電極およびステータ電極の位置および数、ならびにそれらの形状および相互位置決めは、所望の測定用途に応じて多くの方法で容量測定のために最適化され得る。
【００２４】
ロータは、一以上のロータアンカーポイントに固定され得るロータ吊具から懸架される。本開示では、「吊具」という用語は、ロータアンカーポイントから一対のねじりバネまで延伸する順序で連結されたバーまたはビームを指す。横方向のねじりバネが螺旋状にねじれたときにロータが回転する。本開示では、吊具を構成するバーまたはビーム自体が、相当量の曲げまたはねじりを受けることはない。それらの主な機能は変位である。それらによってロータのアンカーポイントがねじりバネから一定の距離に配置され得る。
【００２５】
本開示では、「ねじりバネ」という用語は、ねじりバネがその長手方向の寸法の周りに螺旋状のねじりを起こしやすくするアスペクト比を有するシリコン構造体を指す。この場合、「横方向」ねじりバネは、図１のｘ軸と平行な長さ方向の寸法を有するバネを意味する。横方向ねじりバネは、螺旋状のねじりを可能にするためｙ方向に狭くてもよいが、ｙ平面からの並進運動を防ぐために垂直ｚ方向には厚くてもよい。代わりに、横方向ねじりバネは、ｘｙ平面内で曲がりくねった形状を有してもよく、ｚ方向に厚くてもよい。曲がりくねったバネによって、例えば、ｙ軸の方向に必ずしも狭くなくても、ｘ軸の周りにねじりを生じ得る。
【００２６】
図１は、一以上の固定されたロータ吊具バーが、第１の横方向ロータ吊具バー１８１と第２の横方向ロータ吊具バー１８３とを備え、第１の横方向ねじりバネ１９１が、第１の横方向ロータ吊具バー１８１の端部に取り付けられ、第２の横方向ねじりバネ１９３が、第２の横方向ロータ吊具バー１８３の端部に取り付けられているセンサを示す。横方向ロータ吊具バー１８１および１８３は、ロータアンカーポイント１８２にしっかり固定されている。以下に説明する他の実施の形態では、追加の吊具バーは、固定された吊具バーとねじりバネとの間に追加されてもよい。これらの追加の吊具バーは、以下に説明するように、横方向または縦方向のいずれかに延在してもよい。
【００２７】
横方向ロータバー１３と、縦方向ロータバー１４および１５と、を備えるロータは、横方向ねじりバネ１９１および１９３が、図１に示す横方向のロータ回転軸（ＲＲＡ）の周りを旋回することを可能にするので、「シーソー」と呼ばれてもよい。この軸は、ねじりバネ１９１および１９３の位置によって決定される。ロータの回転または旋回を容易にするために、２つのねじりバネを同じ軸上に配置する必要がある。
【００２８】
加速度計が垂直方向に加速運動を受けると、ロータは横方向のロータ回転軸の周りを回転することができる。この動きは、上述のロータ電極とステータ電極との間で行われる差動容量測定を用いて検出され得る。
【００２９】
図１に示されるロータは、横方向のロータ回転軸（以下、ＲＲＡまたは横ＲＲＡともいう）の両側に延在するため、両面シーソーとして特徴付けられてもよい。言い換えれば、縦方向ロータバー１４および１５のそれぞれは、横方向のロータ回転軸の第１の側から第２の側まで横方向のロータ回転軸を横切って延在する。
【００３０】
これは、図１の断面Ａ−Ａを示す図２において、別の角度から図示されている。図２は、基板平面に隣接する内部パッケージ平面２１１を有する、第１の縦方向ロータバー１４および加速度計パッケージ２１を示す。縦方向ロータバー１４は、ＲＲＡの両側に延在している。換言すれば、ロータ１４は、ＲＲＡから第１の方向および第２の方向の両方に延在している。これらの２つの方向は、ロータがＲＲＡの周りを回転する平面構造を形成するため、正反対である。図２では、第１の縦方向ロータバーは基板平面内にある。第１の方向はｙ軸のプラス方向であり、第２の方向はｙ軸のマイナス方向である。加速度計がｚ軸方向に加速度を受けると、ロータはｘｙ平面からＲＲＡを中心に回転する。ねじりバネ１９１および１９３の剛性は、用途に応じた所望の加速度で適切な動作に達するように構成されるべきである。
【００３１】
パッケージ２１は、第１のセンサを越えて左右に延在している。パッケージは、全ての側面で加速度計を囲んでいるが、センサから離れた部分のパッケージは本開示には関係がなく、図２には示されていない。パッケージとセンサとの間の空間は、密封された空間であり、典型的には、不活性ガスで満たされている。
【００３２】
ロータは、パッケージ２１内の隣接する制動板とともに、ロータの動きの振動を減衰するように構成され得る制動板を含む。ロータ上の制動板は、例えば、図１の制動板１０１〜１０４のように、縦方向のロータバー１４および１５における対称な正方形形状の突出部であってもよい。しかしながら、制動板は、長方形または他の任意の形状を有する縦方向ロータバーの突出部であってもよい。狭いバーの表面領域は、それ自体、確実な減衰効果を生じるには不十分であるため、突出部が必要とされる。
【００３３】
制動板として機能するために、ロータ上の第１の制動板（１０１〜１０４）は、加速度計パッケージ上の第２の制動板に垂直に近接している必要がある。第２の制動板２０１および２０２は、第１の制動板１０１および１０２の上方または下方のいずれかの内部パッケージ平面２１１上に作製されてもよい。第２の制動板が第１の制動板１０１および１０２の上方に作製された装置を図２に示す。第２の制動板２０３および２０４（図示せず）は、それぞれ、第１の制動板１０３および１０４に垂直に近接して、第１の制動板１０３および１０４の上方または下方のいずれかの内部パッケージ平面上に対応するように作製されてもよい。第１の制動板および第２の制動板の間の垂直方向の間隔は、０．５μｍ〜５μｍの間であってもよい。ロータとパッケージとの接触を防止するために、別個の停止構造を利用してもよい。
【００３４】
第１の制動板は、第２の制動板と完全に同じ大きさ、面積またはｘｙの位置を有する必要はない。減衰は、第１の制動板が基板平面における第２の制動板の投影と重なるところであれば生じる。基板平面における第２の制動板の投影は、ここで問題となっている第２の制動板の真下のｘｙ平面内に位置する領域である。第１の制動板が当該投影と重なる領域を重複領域と呼ぶことがある。第１の制動板は、第２の制動板よりも大きくてもよく、第２の制動板より小さくてもよい。
【００３５】
図３は、２つの第１の制動板と、２つの第２の制動板の基板平面への投影と、を示す。重複領域は、ストライプで示されている。図示の構成では、ロータ上の第１の制動板１０１および１０２は、パッケージ上の第２の制動板２０１および２０２よりも大きく、それらは部分的に重なっている。第１の重複領域は３１であり、第２の重複領域は３２である。図４は、ｘｙ平面への投影が第１の制動板１０１および１０２の両方を覆う第２の制動板２０１が１つしかない構成を示す。この場合、第１の重複領域４１は制動板１０１と一致し、第２の重複領域４２は制動板１０２と一致する。
【００３６】
一実施形態では、減衰効果は、ロータ回転軸の各側に少なくとも１つの重複領域を構成することによって達成される。他の実施形態では、減衰効果は、第１および第２の重複領域をロータ回転軸に対して対称に配置することによって達成される。対称性の一形態は、図３および図４の両方に示す実例のように、第１および第２の重複領域の全ての対が、同じ形状、面積およびロータ回転軸からの距離を共有する場合である。第１および第２の重複領域は、この場合、横方向のロータ回転軸が存在する垂直面に対して平面対称である。
【００３７】
また、ロータの回転軸に関する対称性も、より限定が少ない方法で理解され得る。第１および第２の重複領域は、第１の重複領域内のねじり減衰係数が第２重複領域内のねじり減衰係数と等しい場合に、横方向のロータ回転軸に対して対称であると考えることができる。ねじり減衰係数は、ねじり運動のためのシステムの運動方程式に含まれる。
【００３８】
【数１】
2019023613.tif 000003
【００３９】
ここで、ｃはねじり減衰係数、Ｊは慣性モーメント、θは回転角、κはねじりバネ定数、ｔは時間、ｄ２θ/ｄｔ２はｔに関するθの２次導関数、ｄθ/ｄｔはｔに関するθの１次導関数であり、Ｍｅｘｔは外部モーメントである。減衰係数は、減衰領域、ロータ回転軸からの距離、第１および第２の制動板の間の垂直方向の間隔、および、有効気体粘度の関数である。
【００４０】
基板平面に対して垂直な垂直方向の加速度を測定するように構成された第１のセンサを備える上述の加速度計は、基板平面内の２つの直交する方向の加速度を測定するために２つの追加のセンサが使用される３軸加速度計で使用されてもよい。３軸加速度計は、フレーム型の第１のセンサがこれらの追加のセンサを部分的に囲む場合、基板平面内の小さな領域上に形成され得る。以下に、小さな領域に複数のセンサを取り付けるための様々な代替設計を説明する。
【００４１】
第２のセンサは、ｘ軸方向の加速度を測定するように構成されてもよい。本開示では、ｘ軸を横軸と称する場合がある。第２のセンサは、容量性微小機械加速度センサであってもよい。第３のセンサは、ｙ軸方向の加速度を測定するように構成されてもよい。本開示では、ｙ軸を縦軸と称する場合がある。当該横軸は、当該縦軸に直交する。第３のセンサは、容量性微小機械加速度センサであってもよい。
【００４２】
使用される面積に加えて、第１のセンサに関する他の設計上の考慮点は、横方向のロータ回転軸からロータ電極およびステータ電極上の測定電極までの距離を含む。距離が長くなればなるほど、ステータ電極に対するロータ電極の変位が大きくなり、静電容量の変化であり得る静電容量信号が強くなる。図１および以下に説明する実施形態では、ロータ電極指１３１が横方向ロータバー１３にのみ取り付けられているため、当該電極とロータ回転軸との間の距離は、横方向ロータバーからロータ回転軸までの距離Ｌによって表すことができる。ロータ電極指がロータ上のどこか別の場所に取り付けられる場合であっても、同様の距離の最適化が適用される。
【００４３】
ロータアンカーとステータンカーとを互いにかなり接近させておくことは、しばしば有益である。その場合、機械的応力によって、ロータおよびステータは、ほぼ同じ方法で駆動され、ロータおよびステータの間の差動容量測定でエラー信号が生成されない。当該アンカーと、指電極が配置されている横方向ロータバーとが近接している場合、エラー信号も小さくなる。さらに、第１および第２のねじりバーがロータ回転軸上で互いに離れている場合、寄生共振はより高い周波数に移動する。また、制動板を横方向に互いに大きく離間したまま保つことも有益である。なぜなら、これにより、ロータがその対称の縦軸の周りを回転する振動モードを、当該制動板が効果的に減衰させることができるからである。
【００４４】
図５では、符号５３〜５７、５０１〜５０４、５３１〜５３２、５６１〜５６２、５７１〜５７２、５８１〜５８３および５９１〜５９３は、それぞれ図１の符号１３〜１７、１０１〜１０４、１３１〜１３２、１６１〜１６２、１７１〜１７２、１８１〜１８３および１９１〜１９３と同じ構成要素を示す。
【００４５】
図１に示す構成では、ロータアンカーポイント１８２は、ロータ回転軸上にある。図５は、加速度計が図１で同じ構成要素を備える実施形態を示すが、さらに、横方向のｘ軸に沿った加速度を測定するための第２のセンサ５１と、縦方向のｙ軸に沿った加速度を測定する第３のセンサ５２と、をも備える。第１センサのロータ（５３、５４、５５）は、第２センサ５１および第３センサ５２の両方を部分的に囲んでいる。本開示では、「ロータがセンサを部分的に囲んでいる」とは、矩形形状のセンサ５１および５２それぞれの３つの側面が当該ロータの一部に面することを意味する。図５では、センサの上方の面は横方向ロータバー５３に面し、左方の面は第１の縦方向ロータバー５４に面し、右方の面は第２の縦方向ロータバー５５に面する。図５では、センサの下方の面は、横方向ロータ吊具５８１および５８３に面している。
【００４６】
図５に示す実施形態では、一以上の固定されたロータ吊具バーは、第１の横方向ロータ吊具バー５８１と、第２の横方向ロータ吊具バー５８３と、を備える。第１の横方向ねじりバネ５９１は、第１の横方向ロータ吊具バー５８１の端部に取り付けられており、第２の横方向ねじりバネ５９３は、第２の横方向にロータ吊具バー５８３の端部に取り付けられている。この構成では、長距離Ｌが達成されるが、ロータアンカーポイント５８２は、ステータアンカーポイント５６２および５７２からかなり遠くにある。
【００４７】
ロータ回転軸と横方向ロータバーとの間に長距離Ｌを維持しながら、ロータアンカーポイントをステータンカーポイントに近づける１つの方法は、横方向ねじりバーを縦方向ねじりバーに取り付けることである。縦方向変位バーの他端がロータ回転軸上になければ、当該端部をアンカーポイントまたは横方向バーに直接取り付けてもよい。
【００４８】
図６では、符号６１〜６７、６０１〜６０４、６３１〜６３２、６６１〜６６２、６７１〜６７２、６８１〜６８３および６９１〜６９３は、それぞれ、図５の符号５１〜５７、５０１〜５０４、５３１〜５３２、５６１〜５６２、５７１〜５７２、５８１〜５８３および５９１〜５９３と同じ構成要素を示す。
【００４９】
図６は、第１の横方向ねじりバネ６９１が第１の縦方向変位バー６８４に取り付けられており、第１の縦方向変位バー６８４が第１の横方向ロータ吊具バー６８１に取り付けられている実施形態を示す。同様に、第２の横方向ねじりバネ６９３は、第２の縦方向変位バー６８５に取り付けられており、第２の縦方向移動バー６８５は、第２の横方向ロータ吊具バー６８３に取り付けられている。第１の縦方向変位バー６８４は、第１の横方向ロータ吊具バー６８１からｙ軸マイナス方向に延在している。言い換えれば、それは、横方向ロータバー６３から離れる方向に延在している。第２の縦方向変位バー６８５は、同様に、横方向ロータバー６３から離れた第２の横方向ロータ吊具バーから延在している。これにより、ロータアンカーポイント６８２をステータアンカーポイント６６２および６７２に近接して配置することができるが、当該距離Ｌは依然として長い。ロータアンカーポイント６８２を横切る横方向の線と、横方向ロータバー６３との間の距離Ｄは、距離Ｌよりも短い。なぜなら、２つの縦方向変位バー６８４および６８５が横方向ロータバー６３からさらに遠くにロータ回転軸をシフトするからである。ロータは、第２のセンサ６１および第３のセンサ６２の両方を部分的に囲んでいる。
【００５０】
アンカーポイントとねじりバーとの間に吊具バーと変位バーとが順番に連結されると、先行バーの端部に正確に各バーを取り付ける必要はない。当該連結は、また、先行バーの中間点に近いところで形成され得る。
【００５１】
図７では、符号７１〜７７、７０１〜７０４、７３１〜７３２、７６１〜７６２、７７１〜７７２および７９１〜７９３は、それぞれ、図５の符号５１〜５７、５０１〜５０４、５３１〜５３２、５６１〜５６２、５７１〜５７２および５９１〜５９３と同じ構成要素を示す。
【００５２】
図７は、一以上の固定されたロータ吊具バーが、第１の縦方向変位バー７８１と、第２の縦方向変位バー７８３と、を備える実施形態を示す。言い換えると、第１の縦方向変位バー７８１は、一端から第１のロータアンカーポイント７８２に取り付けられ、第２の縦方向移動バー７８３は、一端から第２のロータアンカーポイント７８４に取り付けられる。第１の横方向ねじりバネ７９１は、第１の縦方向変位バー７８１の他端に取り付けられ、第２の横方向ねじりバネ７９３は、第２の縦方向変位バー７８３の他端に取り付けられる。図７に見られるように、縦方向変位バー７８１および７８３の両方は、横方向ロータバー７３から離れたそれぞれのアンカーポイント７８２および７８４から延在している。上述したように、ロータは、第２のセンサ７１および第３のセンサ７２の両方を部分的に囲んでいる。
【００５３】
図８では、符号８１〜８７、８０１〜８０４、８３１〜８３２、８６１〜８６２、８７１〜８７２および８９１〜８９３は、それぞれ、図５の符号５１〜５７、５０１〜５０４、５３１〜５３２、５６１〜５６２、５７１〜５７２および５９１〜５９３と同じ構成要素を示す。
【００５４】
図８は、固定されたロータ吊具バーが１つしかない実施形態を示す。これは、ロータの縦方向の対称軸上にある縦方向ロータ吊具バー８８４であり、ロータアンカーポイント８８２に取り付けられている。第１の横方向ねじりバネ８９１は、第１の横方向吊具バー８８１の端部に取り付けられ、第１の横方向吊具バー８８１の他端は、縦方向ロータ吊具バー８８４に取り付けられている。第２の横方向ねじりバネ８９３は、第２の横方向吊具バー８８３の端部に取り付けられ、第２の横方向吊具バー８８３の他端は、縦方向ロータ吊具バー８８４に取り付けられている。上述したように、ロータは、第２のセンサ８１および第３のセンサ８２の両方を部分的に囲んでいる。
【００５５】
縦方向ロータ吊具バー８８４をより長くすることによって、図８に示す実施形態を変更することも可能である。それによって、第１および第２の横方向吊具バーは、図面の下方にシフトされる。第１および第２の縦方向変位バーは、それぞれ、第１および第２の横方向吊具バーの一端から他端までに取り付けられてもよく、第１および第２の縦方向変位バーの他端は、それぞれ、第１および第２の横方向ねじりバネ８９１および８９３に取り付けられてもよい。この配置は、例えば、図８に示すように、第２および第３のセンサが大きすぎて吊具および吊具フレームの内部に嵌合できない場合に、採用されてもよい。
【００５６】
また、上記の制動板は、他の目的のために使用されてもよい。例えば、加速度計は、自己検査機能を備えていてもよい。自己検査が行われると、第１のセンサのロータに駆動力が供給される。その結果、当該ロータは、その横方向の回転軸の周りを回転する。駆動力が分かっていて、第１のセンサのロータ電極およびステータ電極からの静電容量測定により自己検査への反応が測定された場合、センサの感度または測定範囲が変化したかどうかを確認することができる。加速度計は、さまざまな駆動力で自律的に自己検査を実施することができる。
【００５７】
一以上の第１の制動板と、少なくとも基板平面への投影が当該第１の制動板と重なる第２の制動板とが、電圧源に接続された導電性電極である場合、自己検査に必要な駆動力は、これらの対向電極に電圧を印加することによってロータに供給され得る。ロータおよび吊具が、第１のセンサの縦方向の対称軸の周りの回転運動に抵抗するのに十分に固定されている場合、自己検査電極が、一対の第１の制動板−第２の制動板上にのみ配置されてもよい。また、自己検査は、縦方向の対称軸（ＬＳＡ）の左側にある制動板上の１つの電極対と、縦方向の対称軸の右側にある１つの電極とを使用している対称駆動を用いて実施されてもよい。
【００５８】
言い換えれば、本開示に記載された加速度計を用いて自己検査を実施する方法は、導電性電極を有する制動板に試験電圧を印加することによって第１のセンサのロータに駆動力を供給し、ロータ電極およびステータ電極からの静電容量測定信号を受信することによって達成される。
【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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【図８】
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【図９】
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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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【図８】
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【図９】
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