(57)【要約】  本発明は、弾性連結部（１２、１４）によって基板に対して懸架されることにより自身の平面上で受感軸（Ｏｙ）に沿った並進移動のみが可能になる可動振動質量体（１０）を使用する微細加工加速度計に関する。少なくとも１つの細長い共振子（２０）が力増幅構造体と関連付けられることにより、質量体はその共振子に作用する。増幅構造体は、剛性レバーアーム（３０）を備え、このレバーアームの第１の端部（３２）が、質量体の平面上において受感軸（Ｏｙ）の方向に高いスチフネスを有し且つ垂直方向に低いスチフネスを有する連結部（３６）によって振動質量体に連結され、第２の端部（３４）が基板上のアンカーポイント（Ａ６）に連結される。レバーアームの第２の端部（３２）は、アンカーポイント（Ａ６）を取り囲み且つ回転中心（Ｍ）を中心にした回転連結部（３８、４０）によってこのアンカーポイント（Ａ６）に連結される剛性頭部である。共振子の縦軸が回転連結部の回転中心（Ｍ）から距離ｈ（レバーアームの長さＬに対して小さいがゼロではない）だけ離れたところを通るような点（Ｂ）にて共振子の一端が剛性頭部に固定される。【選択図】      図１
2010503839.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弾性連結部（１２、１４）によって基板に対して懸架されることにより自身の平面上で受感軸（Ｏｙ）に沿った並進移動が基本的に可能になる可動振動質量体（１０）を使用して提案される微細加工加速度計であって、前記質量体は細長い共振子（２０）と関連付けられた力増幅構造体によって少なくとも１つの前記共振子に作用し、前記増幅構造体は剛性レバーアーム（３０）を備え、前記レバーアームの第１の端部（３４）が、前記質量体の平面上において前記受感軸（Ｏｙ）の方向に高いスチフネスを有し且つ垂直方向に低いスチフネスを有する連結部（３６）によって前記振動質量体に連結され、前記レバーアームの第２の端部（３２）が前記基板上のアンカーポイント（Ａ６）に連結される加速度計において、
前記レバーアームの前記第２の端部（３２）が回転中心（Ｍ）を中心にした純回転連結部（３８、４０）によって前記アンカーポイント（Ａ６）に連結される剛性頭部であり、
前記共振子の縦軸が前記回転連結部の前記回転中心（Ｍ）から距離ｈ（前記レバーアームの長さＬに対して小さいがゼロではない）だけ離れたところを通るような点（Ｂ）にて、前記共振子の一端が前記剛性頭部に固定されることを特徴とする加速度計。
【請求項２】
前記レバーアームの前記第２の端部にある前記剛性頭部が前記アンカーポイント（Ａ６）を取り囲むことを特徴とする請求項１に記載の加速度計。
【請求項３】
前記共振子（２０）が、前記振動質量体の一側部に沿って配置され前記側部に近接することを特徴とする請求項１〜２のいずれか一項に記載の加速度計。
【請求項４】
前記レバーアームが、前記振動質量体の一側部に沿って配置され、前記受感軸（Ｏｙ）に対して垂直であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の加速度計。
【請求項５】
前記レバーアームの前記剛性頭部（３２）と前記アンカーポイント（Ａ６）との間の前記回転連結部は、少なくとも２本の撓み曲げアーム（３８及び４０）からなり、前記少なくとも２本の撓み曲げアームは、向きが異なり、前記アンカーポイント（Ａ６）上にある互いに非常に近接した点で取り付けられ、更に、前記剛性頭部（３２）に取り付けられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の加速度計。
【請求項６】
前記回転中心（Ｍ）が、前記レバーアームの前記第２の端部（３４）と前記撓み曲げアーム（３８）の１つとの間に設置され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】
前記回転連結部の前記撓み曲げアーム（３８）の１つが、前記回転中心と前記レバーアームの前記第２の端部（３４）との間に配置されることを特徴とする請求項５に記載の加速度計。
【請求項８】
前記剛性頭部（３２）が、閉じた矩形フレーム又は部分的に開いた矩形フレームからなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の加速度計。
【請求項９】
前記剛性頭部における前記共振子の取付け点が、一方は前記取付け点と前記回転中心（Ｍ）をつなぐラインと、他方は前記共振子の長手方向との間で形成される角度が９０度に近くなるような、前記剛性頭部の点Ｂに設置されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の加速度計。
【請求項１０】
前記共振子が、簡単な細長い共振ビームであるか、又は機械的に結合された２つの平行な共振ビームのアセンブリであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の加速度計。
【請求項１１】
前記共振子の一端が、前記基板上のアンカーポイント（Ａ５）に取り付けられることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の加速度計。
【請求項１２】
前記振動質量体が前記受感軸に沿って移動したときに反対方向に回転移動するように駆動される２本の対称なレバーアーム（３０ａ、３０ｂ）を有することと、前記共振子（２０）が２つの端部を有し、各端部が各レバーアームの剛性頭部（３２ａ、３２ｂ）に取り付けられることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の加速度計。
【請求項１３】
前記２本の対称なレバーアームが、前記振動質量体の一方のエッジに沿って互いに一列に配置され、前記２本の対称なレバーアームの第２の端部（３４ａ、３４ｂ）が前記質量体の前記エッジの中央近くにある各撓み連結部（３６ａ、３６ｂ）によって前記振動質量体に連結されることを特徴とする請求項１２に記載の加速度計。
【請求項１４】
前記振動質量体の重心に対して対称に配置される少なくとも２つの共振子（２０、２０’）と、それぞれが各共振子と関連付けられると共に前記重心に対して対称となる２つの力増幅構造体（３０、３０’）と、を有することを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の加速度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子集積回路の大量加工で使用されるものと類似した大量加工技術に従ってモノリシック材料のウェーハで微細加工される加速度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
こうした加速度計にはいくつもの用途があり、特に微細化と製造コストの削減が同時に求められる分野で使用される。特権的な応用分野は自動車又は航空分野で、こうした加速度計により、加速度計が提供する信号を統合することで、速度の特定、ひいては軌道の特定が可能になる。
【０００３】
加速度計には多くの特性が期待されるが、主として所要サイズの小型化、「受感軸」と称されるうまく認識された方向に対する加速度の感度の向上、もう一方の軸に対する感度の可能な限りの低減、直線性の向上、測定精度の向上、機械的強度の向上、及び低コストが期待される。
【０００４】
マイクロエレクトロニクスで使用される大量加工技術は、製造コストの削減の達成に特に適し、このコストは微細加工される素子のサイズに直結する。加速度計に予見される用途に応じて、上記の各種特性の最適化が試行され、例えば小型化と良好な感度との間の妥協等、必要な妥協が行われる。
【０００５】
微細加工された加速度計は、通常、可動振動質量体（又は慣性質量体）とそれが機械加工されている基板が弾性連結によって連結されて成る。共振ビーム又は振動ビーム（又はそのような複数のビーム）が質量体と固定した基板との間に固定され、直接的又は間接的に、おそらく機械的な増幅の場合であっても、加速時に振動質量体の移動に連動した力を受ける。ビームは電気的な励起回路によって振動励起（例えば、向かい合う伝導領域の間の静電気力の作用により）される。この励起回路は、導電性ビームがその一部を成す振動回路である。ビームの動作は、静電気力を受けて静電容量の変動を引き起こす可動コンデンサプレートに似ている。このような回路で設定される電気振動周波数は、ビームの機械的な共振周波数である。この周波数は縦方向のビームの引張（又は圧縮）に依存する。この引張は振動質量体によって及ぼされる力、従って質量体が受ける加速度によってもたらされる。電気振動の周波数の測定により、質量体が受ける加速度を決定することができる。
【０００６】
振動周波数ｆはｆ＝ｆ０（１＋Ｐ／Ｐｃ）１／２の形式をとり、ここでｆ０は引張応力又は圧縮応力がない状態の固有振動周波数、Ｐはビームに及ぼされる引張（符号付き、即ちＰが正か負かに応じて引張又は圧縮）、Ｐｃはビームの形状及びビームを構成する材料と連関した固定値である。
【０００７】
従来技術では加速度計の多くの構成が提案されている。特に、以下を挙げることができる。
【０００８】
質量体を基板と連結させるためのヒンジを中心として質量体が回転する振り子式加速度計。
【０００９】
このような加速度計は、加速度が小さい場合、特に共振ビームが複数ある場合、ビーム間の機械的な結合が原因で、通常、その性能は高くない。更に、質量体の移動時に生じる回転により、質量体によって共振ビームに及ぼす力が必ずしもビームの軸に対してではないという影響が生じる。この結果、干渉力の分力が生じ、質量体によってビームに加えられる運動エネルギーが十分に使用されない。エネルギーの一部は、屈曲によりビームを変形させるために使用され、直線性及び感度が最適ではなく、測定には好都合であるとは言えない。
【００１０】
一部の構造体では、ビームの軸が受感軸と平行で、質量体の回転点とビーム上の力の作用点とを結ぶラインと垂直になるような方法で、共振子が配置される。ただし、これはしばしば、小型化という観点からして不都合な配置となり、工業生産に問題がある。
【００１１】
こうした加速度計は、例えば以下の出版物に記載される。
欧州特許第０  ３３１  ５５７  Ｂ１号明細書、米国特許第６  ９４１  ８０９  Ｂ２号明細書、仏国特許出願公開２  ７８４  ７５２  Ａ１号明細書、国際公開第９８／５３３２８  Ａ１号パンフレット
Ｙｏｕｎｇ  Ｈｏ  Ｓｅｏ及びＹｏｕｎｇ−Ｈｏ  Ｃｈｏ：Ｄｅｓｉｇｎ，Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，Ｓｔａｔｉｃ  Ｔｅｓｔ  ａｎｄ  Ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ａ  Ｒｅｓｏｎａｎｔ  Ｍｉｃｒｏａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ（Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ、ｖｏｌ．１４、Ｎｏ．２（２００２）、９１〜１０８頁）
Ｏ．Ｌｅ  Ｔｒａｏｎら：Ｔｈｅ  Ｖｉａ  Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ  Ｂｅａｍ  Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ：Ａ  Ｎｅｗ  Ｑｕａｒｔｚ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｓｅｎｓｏｒ（１９９９  Ｊｏｉｎｔ  Ｍｅｅｔｉｎｇ  ＥＦＴＦ−ＩＥＥＥ  ＩＦＣＳ、１０４１〜１０４４頁）
Ｍ．Ａｉｋｅｌｅら：Ｒｅｓｏｎａｎｔ  Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｓ  ｗｉｔｈ  Ｓｅｌｆ−Ｔｅｓｔ（Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ａ  ９２（２００１）、１６１〜１６７頁）
Ｐｅｔｅｒ  Ｈ．Ｌａｆｏｎｄ：Ｍｏｄｅｌｉｎｇ  ｆｏｒ  Ｅｒｒｏｒ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｖｉｂｒａｔｉｎｇ  Ｂｅａｍ  Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｓ（ＩＥＥＥ  １９９２、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｌｏｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ  Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、１２６〜１３２頁）
Ｒｏｅｓｓｉｇら：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｒｅｓｏｎａｎｔ  Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ  ９７  ＩＥＥＥ、８５９〜８６２頁）
【００１２】
共振構造体の運動誤差を補正するため、振動質量子が自身に平行して移動する（従って、並進移動であり、ヒンジを中心とした回転移動でない）他の構造も提案されている。それから、共振子は加速度が得られたことによる力の増幅効果を妨げる質量体と直接連結されることがほとんどである。このため、感度は制限される。こうした構造体は一般にかさばり、特に２本の共振ビームを使用した差動動作（一方のビームが引張力を受け、もう一方のビームが圧縮力を受ける）が望ましい場合は特にかさばる。
【００１３】
質量体の並進移動を伴う他の構造が、質量体と共振ビームとの間に増幅構造体が配置された状態で提案されている。この増幅構造体は力増幅レバーを含む。質量体によってレバーの一点に及ぼされる力が、増幅係数でレバーのもう一点に伝達される。こうした構造体は複雑であり、レバーと共振ビームとの間に中間部及び枢着部が更に必要となる。これは、特に振動質量体の移動時に、一方が引張を受け、もう一方が圧縮を受けて作用する２本の共振ビームを使用して差動動作しなければならない場合にはかさばる。
【００１４】
機械的な力増幅手段を備えたこのような加速度計は、例えば以下の出版物に記載されている。
【００１５】
仏国特許出願公開第２  ８４８  ２９８  Ａ１号明細書：この構造体の力増幅係数は、工業製造で正確に制御するのが難しい角度のタンジェントの値に関連付けられている。
【００１６】
米国特許５  ９６９  ２４９号明細書及びＡｓｈｗｉｎ  Ａ．Ｓｅｓｈｉａらによる論文：Ａ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｐａｃｋａｇｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｒｅｓｏｎａｎｔ  Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍｓ、ｖｏｌ．１１、Ｎｏ．６、２００２年１２月）。この構造体はレバー増幅効果を有するものの、特にかさばり、サイズ要件を更に増やすことなく、より撓みやすい枢着部を収納するだけの余裕がないため、基板とレバーとの枢着部がどうしてもかなり堅くなる。
【００１７】
ここで考慮される加速度計は、（受感軸が基板の平面と垂直をなす他の加速度計に対し）質量体が機械加工される基板の平面上にある受感軸に沿って主に並進移動可能な振動質量体を有する共振加速度計である。以下では、加速度計の形状が加速度計に特有の直交基準座標系Ｏｘ、Ｏｙ、Ｏｚで画定されるものと仮定する。軸Ｏｙは基板の平面上にあり、受感軸である。軸Ｏｘも基板の平面上にあり、Ｏｙと垂直である。軸Ｏｚは平面と垂直である。
【００１８】
このような加速度計では、受感軸Ｏｙの方向ではスチフネスが低く、他の２つの軸Ｏｘ及びＯｚ沿いではスチフネスが高い弾性連結部により、基板に対して固定されているアンカーポイントから振動質量体が懸架される。このため、振動質量体は、事実上、Ｏｙ軸方向にしか動かない。その移動は、弾性連結部によって及ぼされる復帰力によって測定される加速度の範囲内に制限される。
【００１９】
振動質量体は、力増幅構造体を介して、引張又は圧縮を及ぼす共振子に連結される。この共振子は、一般に、単純な共振ビーム、又は平行で機械的に結合された２つの共振ビームの集合装置（音叉共振子）である。また、基板に微細加工され、一般に、一端が基板に固定されている。質量体とビームとの間の機械的な連結は、Ｏｙに沿った質量体の移動がビームに対してビームの縦方向で引張又は圧縮を及ぼすものである。共振子は、振動を励起するための手段と、結果として生じる振動周波数を測定するための手段と関係付けられる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００２０】
小型化、感度、及び加速度計に要望されるその他の品質の間でより望ましい妥協を実現するため、本発明では全く新規な加速度計の構造体を提案する。
【００２１】
本発明によれば、弾性連結部によって基板に対して懸架されることにより自身の平面上で受感軸（Ｏｙ）に沿った並進移動が基本的に可能になる可動振動質量体を使用する微細加工加速度計であって、質量体は細長い共振子と関連付けられた力増幅構造体によって少なくとも１つの共振子に作用し、増幅構造体は剛性レバーアームを備え、前記レバーアームの第１の端部が、質量体の平面上において受感軸（Ｏｙ）の方向に高いスチフネスを有し且つ垂直方向に低いスチフネスを有する連結部によって振動質量体に連結され、このレバーアームの第２の端部が基板上のアンカーポイントに連結される加速度計において、レバーアームの第２の端部が純回転連結部によってアンカーポイントに連結される剛性頭部であり、共振子の縦軸が回転連結部の回転中心から距離ｈ（レバーアームの長さＬに対して小さいがゼロではない）だけ離れたところを通るような点にて共振子の一端が剛性頭部に固定されることを特徴とする加速度計が提案される。
【００２２】
「距離ｈは長さＬに対して小さい」は、Ｌ／ｈ比が、力増幅が得られるのに十分な大きさ、即ち、レバーによって共振子に及ぼされる力が質量体によってレバーに及ぼされる力よりも大きくなるのに十分な大きさを意味するものと理解される。Ｌ／ｈは少なくとも１０に等しくなることが好ましい。この構成により、共振子の位置及び方向をどのようにでも選択できるので、質量体によって及ぼされる力のかなりの増幅を有しながら、スペース要件の観点から構造を最適化することが可能である。回転的に枢着された増幅レバーを使用する従来の装置では、共振子は、原則として、振動質量体の両側部で互いに位置が揃えられる。この配置は、サイズ要件の観点からすると、非常に不都合である。
【００２３】
本発明によると、特にスペース要件を最小にするために、共振子（複数の共振子）を振動質量体の一側部に沿って、しかもその側部のごく近傍に配置することが可能である。また、振動質量体の一側部に沿ってレバーアームを配置してもよく、この場合、レバーアームは受感軸と垂直である側部に沿う。レバーアームが質量体の一側部と隣接し、更に共振子も質量体の一側部と隣接することで、従来技術の増幅構造体に対して、スペース要件のかなりの改善が得られる。
【００２４】
この共振子は単純な細長い共振ビームであってよい。また、両端が連結される対称な２つの平行ビームからなる音叉共振子であってもよい。それから、レバーの回転中心から距離ｈ離れたところを進む共振子の縦軸は、ビームと平行な直線であるとみなされ、従って２つのビームの間を２つのビームから同じ距離だけ離れて進むことになる。
【００２５】
剛性頭部は、レバーアームの第２の端部のアンカーポイントを少なくとも部分的に取り囲むことが好ましい。それぞれの一端がこのアンカーポイントに連結される２本の垂直な撓み曲げアームによって、剛性頭部がアンカーポイントに連結されることが好ましい。アンカーポイントに連結される端部は互いに非常に近接するため、２本の曲げアームの方向によって画定される直線の交点に設置される同一の点（レバーの回転中心と称する）を中心として撓み曲げアームが事実上回転され得る。剛性頭部は、アンカーポイントを取り囲む閉じたフレーム又は部分的に開いたフレームから構成され、このフレームに対して曲げアームを固定できる。フレームは矩形の形状、より正確には正方形であってよい。
【００２６】
レバーの回転連結部のアンカーポイントを取り囲む、レバー端部に位置するこの剛性頭部により、従来技術よりも可撓性のある回転連結部を簡単に作り出すことができる。この可撓性は、頭部をアンカーポイントに連結する撓み連結アームが構造を妨害することなくかなりの長さになり得るということに結び付く。剛性頭部は、原則として振動質量体の端部に配置し、特殊なケースを除き、端の中央には配置しない。
【００２７】
剛性頭部における共振子の取付け点は、一方は取付け点と回転中心を結ぶラインと、もう一方は共振子の縦方向との間で形成される角度が９０°に近くなる（できる限り近いことが好ましい）ような位置になることが好ましい。
【００２８】
共振子は、原則として、もう一方の端部が基板に固定される。ただし、この他方の端部は対称な第２の同一のレバーアームに固定して、２本のレバーアームが共振子のそれぞれの側で同時に引き、または共振子のそれぞれの側で同時に押すようにしてもよい。このため、構成は以下のようになることが好ましい。２本のレバーアームは、振動質量体の重心を通るＯｙ軸に対して対称である。これらのレバーアームは振動質量体の一方のエッジに沿って互いに一列に配置され、第１の端部（レバーを作動させるもの）がそれぞれ撓み連結部によって振動質量体のエッジの中央近くで質量体と連結される。共振子は２本のアームと平行に配置される。
【００２９】
このため、レバーアームは必ずしも単一である必要はない。即ち、共振子ごとに２本のレバーアームがあってもよい。
【００３０】
一般的に言えば、２つの共振子が振動質量体の同じ移動に対して反対の力（それぞれ引張と圧縮）を受ける、対称な差動構造が好ましい。この場合、原則として、質量体の一方の側に（例えば、受感軸Ｏｙに垂直なエッジに沿って）１本のレバーアームが設けられ、質量体の他方の側に（例えば、質量体と反対のエッジに沿って）もう一本のレバーアームが設けられる。更に、この好ましい構造体は、振動質量体の重心に対して対称に配置された少なくとも２つの共振子、及びそれぞれが個々の共振子に対応し、重心に対して対称な２つの力増幅構造体から構成される。
【００３１】
本発明の更なる特徴及び利点は、以下の詳細な説明を読み、添付の図面を参照することにより、明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による微細加工加速度計の一般的な構造体の平面図を示し、レバー頭部を構成する剛性フレームは、共振子の取付け場所に凹部を有する。
【図２】変形実施形態を示し、剛性頭部は共振子の取付け場所が切り抜かれたフレームである。
【図３】変形実施形態を示し、剛性フレームは閉じており凹部がない。
【図４】一実施形態を示し、フレームは共振子の取付け場所に突出部を有する。
【図５】一実施形態を示し、レバーアームの長さが先行する図の場合に対して長くなっている。
【図６】一実施形態を示し、引張又は圧縮において同時に作用する２つの対称なレバーアームの端部間に共振子が取り付けられている。
【図７】一実施形態を示し、共振子がレバーアームの場合と同じ振動質量体のエッジにない。
【図８】一実施形態を示し、共振子は振動質量体の側部及びレバーアームと常に任意の角度を成す。
【図９】一実施形態を示し、共振子が音叉共振子である。
【図１０】一実施形態を示し、振動質量体が、その四隅ではなく中心に設置されたアームによって懸架されている。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明による加速度計の一般的な構造体を図１に示す。ハッチングを施した領域は固定される部分、即ち、構造体を微細加工して形成された基板のまさに一部である。このような領域は、構造体の他の部分が懸架されるアンカーポイントを構成する。
【００３４】
可動振動質量体は参照番号１０で示される。可動振動質量体は、Ｏｙ軸に沿って並進移動可能であるという一自由度を実質的に有する撓み弾性連結部によって基板から懸架されている。Ｏｙ軸は加速度計の受感軸である。当然ながら、撓み弾性連結部は実際には、他の軸方向に沿って完全に剛性があるわけではなく、他の並進移動又は回転の自由度に応じた移動も可能な状態にある。しかし、それらの移動はＯｙに沿った移動と比べて無視することができるので、簡単のため、Ｏｙに沿った並進移動の一自由度のみが存在するとみなすことが可能である。
【００３５】
この結果を得るために、例えば、図１に示すように、振動質量体のまわりに分散された４つのアンカーポイントＡ１、Ａ２、Ａ’１、Ａ’２を設けると共に、このようなアンカーポイントのそれぞれに振動質量体を連結するために、細長いブランチを２つ備えた各Ｕ形弾性修正アームを設けることが可能である。細長いブランチ（１２、１４、１２’、１４’）を備えたこのＵ形連結アームは、Ｕ形の長手方向に高いスチフネスを持ち、Ｕ形の長手方向に対して垂直方向に低いスチフネスを持つ。このため、Ｕ形の連結アームは垂直方向にのみ移動可能である。したがって、Ｕ形の細長いブランチは、基板平面においてＯｙとは垂直にＯｘ軸に沿って、延びている。Ｕ形の連結アームはまた、Ｏｚ方向への質量体の移動を不可能にするために十分なスチフネスをＯｚ方向に持つ。
【００３６】
Ｏｙに沿った並進移動のみを可能にするために他の解決策を使用することができる。例えば、振動質量体の中央部（振動質量体によって取り囲まれた）に設置された１つ又は複数のアンカーポイントや、当該アンカーポイントと質量体との間をＯｘ方向に延びる弾性連結アームを使用することができる。
【００３７】
構造体はまた、共振子と、この共振子に関連付けられた力増幅構造体とを備え、質量体が受けた加速力を増幅効果により共振子に伝達する。図１に示すように加速度計の構造体は対称であることが好ましく、その観点から２つの共振子２０、２０’が存在し、これらの共振子のそれぞれと関連付けられた各増幅構造体と質量体とが同じ動きをしているときに、この２つの共振子は反対の方向に力を受ける。
【００３８】
図１では、共振子２０、２０’は、それぞれ単一の共振ビームによって構成され、この共振ビームの一端は固定されたアンカーポイント（それぞれＡ５とＡ’５）に連結され、他端は各力増幅構造体に連結されている。
【００３９】
共振子２０と関連付けられた力増幅構造体は、レバーアーム３０を有し、このレバーアーム３０の第１の端部、すなわち作動端３４は剛性質量体に連結され、第２の端部は剛性頭部（本明細書では正方形のフレーム３２）で構成される。レバーアームの第１の端部と振動質量体との間の連結部３６は、質量体がその受感軸に沿って加速を受けたとき、当該端部が質量体によって引っ張られたり、押されたりするようになっている。更に、この連結部は、押されたり、引っ張られたりするレバーアームが回転の自由度を保持できるように、Ｏｙに対する垂直方向に弾性がある。図１では、振動質量体とレバーアームの第１の端部との間の連結部３６はＯｙ方向に延びている真っ直ぐな撓みアームであり、従ってＯｘ方向に曲がり得る。この撓みアームには、振動質量体の隅近傍に質量体との取付け点がある（即ち、Ｏｙに平行であり且つ質量体の重心を通る軸から離れた点）。
【００４０】
正方形の剛性フレーム３２全体で構成されるレバーの第２の端部は、移動の一自由度（固定された回転中心Ｍを中心にした平面回転の自由度）を実質的に有する撓み連結部によって基板に接続される。レバーは、回転中心を中心にして基板の平面上を回転できるだけである。図１の実施形態では、正方形フレーム３２は回転中心Ｍ全体を取り囲んでいるが、部分的にしか取り囲まない場合も考えられよう。
【００４１】
レバーアーム３０は、その第１の端部３４に作用する質量体によって押されたり、引っ張られたりすることが可能であり、回転中心Ｍを中心して回転できるだけである。また、レバーアーム３０は、（特に屈曲により）大きく変形しないように十分な剛性がある。撓みアーム３６の高い可撓性（ＯｙではなくＯｘに沿った）により、この純回転移動が可能になる。即ち、高いスチフネスを有するとみなされている連結部のスチフネスは無限ではなく、せいぜい高い剛性が無限となり得るだけなので、二次干渉の可能性を考慮した純回転又はほぼ純な回転が可能である。アームの端部３４がＯｙ軸に沿って作動されても、この純回転は可能である。
【００４２】
図１に示す細長い共振子２０の第１の端部は、取付け点にて剛性のある正方形３２に連結されているので、レバーアームが回転中心Ｍを中心にして回転したとき、この正方形のフレームにより共振子に縦力が与えられる。尚、レバーアームの存在により、この縦力は質量体がレバーアームに及ぼす力よりも大きくなる。共振子の第２の端部は、前述したように、アンカーポイントＡ５に固定されている。
【００４３】
共振子は、その縦軸が共振子の延在方向を向き共振子の対称軸を通る直線となるように検討されている。共振子が長さの短い単純な共振ビームである場合、軸は実際にはビーム自体で構成される。共振子がダブルビーム（２つの並列なビームを持つ音叉型共振子）である場合、軸は、ビームに平行な直線であってビームを分離するビーム間のギャップの中央を通る直線となる。
【００４４】
共振子の構成がどうであろうと、共振子は、その軸が回転中心Ｍから距離ｈだけ離れたところを通るように配置される。距離ｈはレバーアーム３０の長さＬよりも短い。レバーアームの長さは、回転中心Ｍから、レバーアームと質量体との取付け点までの離間距離と理解される。Ｌ／ｈ比は少なくとも１０に等しいことが好ましい。
【００４５】
図１の例では、レバーアームはＯｘ軸方向（受感軸に対して垂直）に延び、回転中心Ｍはレバーアームの縦軸に近接して設置されている。この軸が厳密に回転中心Ｍを通る必要ない。
【００４６】
レバーアームの端部の剛性フレーム３２上にある共振子の取付け点をＢと称する場合、一方はラインＢＭ（取付け点Ｂと回転中心Ｍとをつなぐ）と、他方は共振子の長手方向（図１のＯｘ）との間で形成される角度ができるだけ９０度に近くなるような位置に、点Ｂを設置することが望ましい。これにより、共振ビームは、その長手方向にのみ力を受けることが可能である。共振ビームがその端部で曲げモーメント（共振ビーム自体の長手方向に対して垂直）を受けることは、事実上意味のないことである。角度αが９０°と異なるように取付け点Ｂを任意の場所に配置した場合、この角度が原因となって構造体は、ビーム曲がり成分と低下した力増幅効果で作動する（引張方向又は縦の圧縮方向）。質量体によって加えられた力と縦方向圧縮力又は引張力によって加えられた力との間の増幅係数は、事実上ほぼ（Ｌ／ｈ）の形をとる。製造時の現実的な問題により、角度αが９０°と異なる角度になる必要がある場合がある。９０°に近い角度を使用することが不可能な場合（図３で更に示すように）、増幅比率として少なくとも１０を確保することが望まれるならばＬ／ｈ比を大きくすることが望ましいことがある。
【００４７】
図１の場合、取付け点Ｂは、剛性フレームに切抜きを形成することにより、ビームの軸と９０°を成す当該ライン上に構成されている。尚、この剛性フレームは回転中心Ｍの周囲全体に一定の領域を有することが好ましい。高さｈを最小限にしてこの取付け点を形成するように、この場所で剛性フレームを切り抜くことが可能なことも理解されよう。一方、切抜き又は凹部によってフレーム３２の剛性が低下する恐れが生じることが望ましくない場合は、剛性フレーム上に突出部を形成することも他のより複雑な形状を形成することも可能であることは理解できよう。
【００４８】
剛性頭部（フレーム３２）と基板との間の純回転連結は、次の方法で形成することが好ましい。回転中心Ｍを基板のアンカー領域Ａ６に設置する。２つの簡単な撓みアーム３８及び４０は、このアンカー領域のほぼ同じ取付け点から（又は、回転中心Ｍの所望の位置にできるだけ近い、極めて近接した２つの点から）引き出される。撓みアーム３８及び４０は、アンカー領域Ａ６への取付け点から剛性フレーム内の取付け点まで、異なる方向（直交することが好ましく、例えば１つはＯｘに沿って、他方はＯｙに沿って）に延在している。フレームの内部サイズは、アーム３８及び４０が伸長部を持つのに十分であり、この伸長部によりアームは伸長部に対して垂直な方向のスチフネスが低くなっている。これらのアームの長手方向のスチフネスＫｘは、曲げスチフネスＫｙよりもかなり大きい。ｋｘ／ｋｙは［Ｌｐ／ｗｐ］２にほぼ等しく、ここでＬｐはアームの長さで、ｗｐはアームの幅である。この構成のおかげで低スチフネスの純回転又はほとんど純回転の連結がもたらされる。このことは、従来技術の構造体ではまず考えられないことであった（非常に短いヒンジを使用しないで）。アーム３８及び４０のサイズと剛性フレーム３２のサイズが原因で、この連結部が比較的大きく扱いにくいとしても、振動質量体の非常に近くに共振ビームを配置する可能性は残されており、振動質量体の全体のサイズ要件が緩和され得る。
【００４９】
本発明の好適な構造体は、対称な構造体であり、図１に示すように、第２の共振子２０’と第２のレバーアーム３０’（反対方向に回転し、レバーアーム３０の作動点とは対角線上の反対側にある質量体の点から作動される）を含む。より一般的に、質量体の全ての要素と、質量体の一方に配置されたレバーアーム及び共振子の全ての要素は他方の対応する要素と対称になっており、この対称性は振動質量体の重心に対するものである。
【００５０】
共振子は従来のものと変わりがなく、振動ビームが主に示されているが、完全な共振子は当然ながら振動励起要素やビームの振動周波数の読み取り要素を備えている。これらの要素は、図１には単に符号の形式で表示されている。振動励起要素ＥＸはビームの片側に、ビームに沿って全て設置することができ、読取り要素ＬＣはビームの反対側に設置することができる。これは図の上部に示す構成である。しかし、他の構成を提供することも可能であり、例えば、ビームの両端部に振動励起要素ＥＸ’を設け、ビームの中央部近傍に読出し要素ＬＣ’を設けることができる。これは図１の下部に示す構成である。産業上の実施形態では、励起要素と読取り要素は同じ方法で配置されるが、図の上部と下部で対称に配置されるであろう。図１に種々の要素を示したのは、ただ単に、これらの要素の構成が複数考えられることを理解できるようにしたものである。
【００５１】
励起要素と読出し要素は、図面が重複しないように他の図では省略している。
【００５２】
アンカーポイントＡ６は共振ビームの取付け点Ｂにできるだけ近づけて設置され、剛性フレーム３２の内部端に非常に近接しているが、アンカーポイントＡ６の一般的な形態は、撓み連結アーム３８及び４０によって占有される部分を除き、このフレームの内側に提供されているすべての空間をほとんど占有することが可能なことに留意されたい。更に、アンカーポイントＡ１とＡ２は、質量体のための止め子を構成し、衝撃による不適切な移動が発生した場合に破損の恐れを軽減することができる。他の止め子（図示せず）を付随的に設けることも可能である。
【００５３】
図２は剛性頭部の可能な変形実施形態を示している。この実施形態では、ビームの方向に対して９０°を成す回転半径上の点Ｂに設置された共振ビームのハンギングを防止することなしに高さｈを更に小さくするように、剛性フレーム３２が切り抜かれている。
【００５４】
図３には別の変形例を示す。この変形例では、フレーム３２に凹部も切抜きも形成しないでフレーム３２の剛性を高めているが、ビームの軸に対して９０°を成す回転半径上に共振ビームの取付け点を設置されていないため、力増幅係数が減少する結果となる。
【００５５】
図４に示す変形例では、フレーム３２は一定の領域を有するが、突出部４２を設けることにより、フレームの剛性を低下させることなくビームの軸に対して９０°を成す回転半径上で共振子を取り付けることを可能にしている。しかしながら、この構成では距離ｈが長くなり、その結果、レバーアームの力増幅係数が減少する傾向にある。
【００５６】
図５に示す変形例では、固定された回転中心Ｍが剛性フレーム３２内に異なる方法で配置されている。この回転中心Ｍは、図１〜図４の場合よりも外側に配置されているので、空間要件の一部を変更するだけで、レバーアームの長さＬを長くすることが可能である。特に、図１〜図４の場合に回転中心が剛性フレーム３２の右内側エッジに非常に近接していた（レバーの作動端３４に最も近接）のと同じように、回転中心はフレーム３２の左側の内側エッジに最も近接するようになっている（端部３４から最も遠い）。剛性フレーム３２は、２本の長手方向撓みアーム（互いに垂直であることが好ましい）によってアンカー領域Ａ６に連結されている。この２本のアームは互いに非常に近接した２つの点でアンカー領域に交わり、２本のアームの長手方向の軸３８及び４０の交点で回転中心Ｍを構成する。この実施形態では、図２の切抜きフレームを使用した構成を採用する場合、剛性フレームのより多くの部分を切り抜く必要がある。しかしながら、フレームの他の構成要素（凹部、突出部）も可能である。
【００５７】
したがって、図５に特有の特徴としてレバーアーム３０の端部３４と回転中心Ｍとの間に連結アーム（３８）が設けられており、一方、図１〜図４では、連結アーム（３８）とレバーアーム３０の端部３４との間に回転中心Ｍが設置されていることは理解できよう。
【００５８】
図６に示す変形実施形態では、質量体の重心を通る垂直軸（受感軸Ｏｙに平行）に対して対称性が確立される。構造体は一列に並んだ２本のレバー３０ａと３０ｂとを有し、これらは互いに質量体の一方のエッジに沿って（Ｏｘと平行に）いる。この２本のレバーは、質量体によって同じ方向に沿って引き寄せられたり、押されたりするが、それぞれ反対方向に回転するように向きが反対になっており、共振子は２本のレバーの端部３２ａ、３２ｂ（正方形の剛性フレーム）に懸架されている。質量体が一方向に移動したとき、２本のレバーはそれぞれ共振子の一端を引っ張り、質量体が他方に移動したとき、２本のレバーは共振子の２つの端を互いの方へ押す。振動質量体の他方の側部に設置された２本のレバーについては力が逆方向に作用し、対称性は、Ｏｘと平行な中心軸と、Ｏｙと平行な中心軸の両方に対して確立される。この場合は、共振子が基板に一端部で固定されていないことに注目することが重要である。この構成では、２本の対称レバーの端部３４ａ、３４ｂは独立しており、それぞれの連結撓みアーム３６ａ、３６ｂによって振動質量体の上方エッジの中心に接続されている（受感軸Ｏｙの方向に延びてスチフネスがあり、軸Ｏｘに沿って可撓性がある）。
【００５９】
図６に示す構造体は、共振子の取付け点を画定するために剛性フレームのそれぞれに突出部が形成されるという場合に対応する。しかし、当然ながら、図１に示すような凹部又は図２に示すような切抜きが形成されたフレーム、又は図３のようにビームの軸と９０°を成す半径上から外れた場所に位置する点で取付けが行われるフレームを考えることもできる。各レバーの回転中心を図４のようにではなく、図５のように配置してレバーアームの有効長Ｌを増大させるという方法も考えることができる。レバーアームの長さは、事実上、前に示した図の場合の半分であり、レバーアームの長さを増大させるためのあらゆる可能性を利用することが有用である。
【００６０】
図７では上記のものと異なる構成を示している。この構成では、レバーアーム３０は振動質量体の一側部（受感軸とほぼ垂直である）に沿って配置されているが、細長い共振子２０は、第１の側部と垂直（したがって、受感軸Ｏｙと平行）である別の側部に配置されている。動作は同じであるが、この構成は、質量体の第１の側部がレバーアームによってすでに占有されているとき、サイズの要件に関して一部の例で好ましい場合がある。共振子のアンカーポイントＡ５は、質量体の第２の側部に近接して配置されている。回転中心の位置は図５の位置となることが好ましい。即ち、回転中心Ｍとレバーアームの端部３４との間に曲げアーム３８が配置される。本明細書では剛性フレーム３２上に凹部又は突出部を備えた構成を使用することも可能である。
【００６１】
図８は、共振ビーム２０が振動質量体の一側部に沿って配置されていない構成を示している。この構成の場合はサイズ要件が全体的に増えるが、振動を励起する要素及びビームの周りの振動周波数を読み取る要素を設けるための空間を広げる必要がある場合に使用できる。本発明による構造体では共振子のいかなる向きも選択することができるので、コネクタ技術を備える装置の製造及び空間要件の最適化の際に、特に、制約を考慮するのに有利であることが分かるであろう。この配置は最も有利であるが、レバーアームが振動質量体の一側部と必ずしも平行になるとは限らないことにも留意すべきである。したがって、レバーアームは共振子の長手方向とも、Ｏｘ及びＯｙの方向とも、任意の角度を形成することができる。しかし、サイズ要件及びレバーアームの効率について最も有利な構成は、振動励起要素や振動読取り要素を収容するのに必要な空間があると、前述した図で示した構成となる。
【００６２】
図９では図３がきっかけとなってもたらされた構成を示す（他の図もきっかけとなっているかもしれないが）。この構成では、共振子２０は互いに近接した２つの平行な共振ビームからなる音叉共振子であり、両方の共振ビームはアンカーポイントＡ５と剛性フレーム３２に固定されている。剛性フレームと２本の共振ビームとの間に中間部を備えることが可能であり、ビームはこの中間部に嵌合され、中間部はヒンジ又は撓み連結によって剛性フレームに連結され（共振子の軸で）、レバーアームによって及ぼされた力が２本のビームに適切に分散されるようになっていることに留意されたい。回転中心Ｍから距離ｈのところに位置する共振子の軸は、ビームに沿って延びる縦軸であり、この軸は２つのビーム間で、しかも２つのビームから同じ距離だけ離れた位置にある。
【００６３】
図１０は一実施形態であり、この実施形態では振動質量体が基板の４つの隅ではなく基板の中央部によって基板から懸架されている。アンカーＡ１、Ａ２、Ａ’１、Ａ’２に代えて、単一のアンカーポイントＡ０で十分な場合がある。ポイントＡ０は質量体のほぼ重心に位置するが、Ｏｘと平行な軸上にあり重心を通る２つのアンカーポイントが適している場合もある。質量体を支える撓み連結アーム１２及び１４は、Ｏｘと平行な対称な軸に沿って延び、Ｏｘ方向に高いスチフネスを提供し、Ｏｙ方向に低いスチフネスを提供することができる。質量体の中央に細長い切抜きを形成することにより、アーム１２及び１４をそこに入れることができる。
【００６４】
上記の説明では正方形の剛性フレームを示したが、剛性フレームは別の形状を呈してもよく、例えば、開いたＯ形又は閉じたＯ形、同じ長さ又は異なる長さのブランチを持つＵ形等が挙げられる。所望の可撓性を実現する長さを持つ２本の（又は２本以上の）撓みアームを取り付けることができるように、剛性フレームは回転中心Ｍから少し離れて回転中心を完全に（又はフレームの剛性の低下が許容される場合は部分的に）取り囲んでいる。
【００６５】
共振子の引張／圧縮の強度が原因で、振動質量体によって引っ張られたり押されたりするレバーアームの大きな屈曲が生じないようにするため、受感軸Ｏｙに沿った曲げ方向のレバーアームの剛性は、共振子の引張／圧縮剛性よりかなり大きくなければならない。
【００６６】
レバーを形成する棒と十分な幅を持つ剛性フレームとを設けることにより、必要な剛性がほぼ達成される。Ｏｚ方向のレバーアームの厚さが共振子の厚さに等しいと仮定すれば、４Ｌ３／ｗ３比はＫ．（Ｌｒ／ｗｒ）比より顕著に小さいことが必要である。本明細書では、ｗはレバーアームの幅であり、ｗｒは共振子の幅であり、Ｌｒは共振子の長さである。Ｋは増幅構造体の増幅比であり、最も好適な場合でＬ／ｈに等しい。
【００６７】
加速度計の構造体は、シリコンウェーハ上で加速度計を微細加工するための従来の技術を使用して製造することができる。シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板から始めて、酸化被膜上に載っているシリコンのフォトリソグラフィー及びエッチングによりパターンが作られる。電気接続部を形成するために金属膜が蒸着及びエッチングされ（例えば、クロム及び金の重ね合わせ）、移動可能な部分が載っている酸化シリコンを除去（ウェットエッチングによって）することによって構造体のそのような移動可能な部分が放出される。このために、移動可能な部分には酸化物を抜出し可能な複数の小さな穴が開けられ、それによって移動可能な部分は基板上に突き出たままとなる。
【００６８】
本発明による構造体の利点の中で、以下のことを示すこともできる。
−  並進移動可能な質量体と、レバーアームと、回転可能な枢着部とを併用する構成では、適切な動作が行われるように、全ての要素の相対位置を固定しない（励起電極又は検出電極の場所を最適化するのに有用な場合がある）、特に、振動質量体の重心の位置を固定しないので、この構成はモジュール性に優れている。
−  差動動作又は非差動動作のために１個又は２個の共振子を使用できる。差動動作の場合、構造体は質量体の重心に対して対称でなければならない。共振子はビーム式でも音叉式でもよい。
−  モジュール方式により質量体のサイズ、レバーアームのサイズ、及び共振子のサイズの独立性が実現される。しかし、増幅に有利に働くように、レバーアームは有利に長くなっており、レバーアームの端部が質量体に接続される。
−  サイズの要件を最適化するために、レバーアームは振動質量体に沿って有利に配置され、共振子はレバーアームに沿って配置される。
−  提示された枢着部では、共振子を所望の角度で配置し、回転中心の場所を正確に把握することが可能である。この中心から共振子までの距離は把握されており、できるだけ小さくすることにより、増幅に有利に働く。
−  この枢着部の動作は、撓みヒンジの製造品質に基礎を置くのでなく、製造が簡単なビームに基づいている。
−  アーキテクチャでは単一の撓みヒンジしか使用しないので、その性能は一次的には撓みヒンジに依存しない。
−  各共振子の一端は基板に固定され、他端は剛性フレームに連結されるので、優れた品質係数を実現するのに有利である。
−  差動用途の場合、２つの共振子は機構部分で直接連結されず、一方の共振子によってもたらされた弾性波が他方の共振子に到達するのは非常に困難である。連結現象が最小限に抑えられ、デッドゾーンが制限される。
−  質量体がアンカーによって基板から懸架される場合、これらのアンカーが止めしとして働き、任意の方向に衝撃を受けた場合に質量体の動きを制限することができる。これにより、センサーの破壊が回避される。
【図１】
2010503839.tif 000003
【図２】
2010503839.tif 000004
【図３】
2010503839.tif 000005
【図４】
2010503839.tif 000006
【図５】
2010503839.tif 000007
【図６】
2010503839.tif 000008
【図７】
2010503839.tif 000009
【図８】
2010503839.tif 000010
【図９】
2010503839.tif 000011
【図１０】
2010503839.tif 000012
【国際調査報告】
2010503839.tif 000013
2010503839.tif 000014
2010503839.tif 000015
2010503839.tif 000016