(57)【要約】  本発明は、固定された基板内にプルーフマスを備える加速度計であって、プルーフマスが、１つまたは複数のＶビームによって基板に接続される、加速度計を提供する。加速度は、Ｖビームまたはその複数のビームの偏りを測定することによって決定される。
2015503759.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定された基板内にプルーフマスを備える加速度計であって、プルーフマスが、１つまたは複数のＶビームによって基板に接続され、加速度が、Ｖビームまたはその複数のＶビームの偏りを測定することによって決定される、加速度計。
【請求項２】
Ｖビームまたはその複数のＶビームの偏りが、Ｖビームまたはその複数のＶビームの最大偏り点において測定される、請求項１に記載の加速度計。
【請求項３】
偏りが、Ｖビームまたはその複数のビームの偏りによる静電容量の変動を測定することによって測定される、請求項１または請求項２に記載の加速度計。
【請求項４】
偏りが、光手段によって測定される、請求項１または請求項２に記載の加速度計。
【請求項５】
光学的手段が、ファイバ光ケーブルであり、ファイバ光ケーブルの端部および１つのＶビームが、ファブリペロー空洞を形成する、請求項４に記載の加速度計。
【請求項６】
プルーフマスの同じ側に位置する２つのビームであって、互いに反対方向に偏る、ビームを備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の加速度計。
【請求項７】
ファブリペロー空洞が、２つの対向するＶビームの間に形成される、請求項６に記載の加速度計。
【請求項８】
Ｖビームまたはその複数のビームが、反射性を高める層でコーティングされたセクションを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の加速度計。
【請求項９】
反射性を高める層が金を含む、請求項８に記載の加速度計。
【請求項１０】
別のＶビームが、Ｖビームにつながり、基板に接続される、請求項１から９のいずれか一項に記載の加速度計。
【請求項１１】
プルーフマスおよび基板が、シリコンから形成される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の加速度計。
【請求項１２】
Ｖビームまたは複数のＶビームの偏りが、アクチュエータによって発生させられた、プルーフマスの移動に対向する力の大きさを決定する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の加速度計。
【請求項１３】
アクチュエータが、静電アクチュエータである、請求項１２に記載の加速度計。
【請求項１４】
アクチュエータが、熱アクチュエータである、請求項１２に記載の加速度計。
【請求項１５】
添付の図を参照して本明細書においてほぼ説明された加速度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度計およびそのようなものに関する。
【背景技術】
【０００２】
加速度計は通常、ばね上の減衰されるプルーフマスを使用する。外部加速の影響の下、プルーフマスはその中立位置から偏る。この偏りが測定され、そこから加速度が算出される。一般的に、固定された電極のセットとプルーフマスに取り付けられた電極のセットの間の静電容量が測定される。この方法は簡単で確実、そして安価である。
【０００３】
現代の加速度計は、しばしば、小型のマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）であり、ほとんどプルーフマス（震動性マスとしても知られている）を備えた片持ちビームのみからなる。減衰は、装置内にシールされた残留ガスの結果生じる。そのような装置を作製するための一般的な方法は、単一のシリコンブロックから構成要素をエッチングすることである。プルーフマスが移動するとき、このプルーフマスとプルーフマスが懸架される片持ちビームの基部との間の変位が、測定される。
【０００４】
ＭＥＭＳ加速度計は、安価で小型であるため、しばしば、数多くの現代の装置内の構成要素として使用される。ソリッドステート加速度計は、たとえば数多くの現在のスマートホンにおいて見出され、それにより、スマートホンのソフトウエアがその配向を検出し、それにしたがってディスプレイを回転させることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そのような装置の感度は限定されており、向上した感度を有するＭＥＭＳタイプの装置を作り出すことが有利である。したがって、本発明は、固定された基板内にプルーフマスを備える加速度計であって、プルーフマスが１つまたは複数のＶビームによって基板に接続され、基板の加速度が、Ｖビームまたはその複数のビームの偏りを測定することによって決定される、加速度計を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そのような構成は、偏りの増幅を導き、それによって加速度に対する装置の感度を高める。
【０００７】
プルーフマスが固定された基板に対して移動するとき、Ｖビームは、中央において反るまたは曲がることによって偏り、この偏りが検出器によって取り上げられる。幾何学的に、Ｖビームの偏りはプルーフマスの移動より大きいため、加速度計には増幅が組み込まれ、それによって加速度計の感度をより高くする。
【０００８】
検出は、静電容量の変動を検出することによるもの、または電気光学式検出によるものでよい。検出方法が光学式である場合、金または別の適切な反射材料などの光学的反射性コーティングをＶビームの頂点に施して感度を強めることが可能である。これは、偏りを測定するために使用され得るファブリペロー干渉計の１つの鏡を形成する。
【０００９】
１つのＶビームが使用される場合、ファブリペロー空洞が、Ｖビーム鏡および装置に応答する光ファイバの端部からの反射によって形成され得る。Ｖビームは、連接される必要はない。直線または反ったビームは、これが予想可能な方法で適切な方向に偏る限り使用され得る。
【００１０】
ファブリペロー空洞は、２つの隣接するシリコンブロックの対向する側壁間に形成され得る。シリコンは、１．１３μｍを超える光波長において光学的に透過性であり、そのため赤外領域内の適切な波長、たとえば１．５５μｍを選択することにより、空洞は、ブロックの１つを通って入る光によって照らされ得る。ブロックの外側側壁からの望ましくないさらなる反射は、ブロックを矩形ではなくさび形状にすることによって回避され得る。
【００１１】
照明は、単一モードの光ファイバを介して届けられ得るが、多重モードファイバもまた使用され得る。空洞からの光出力は、同じ光学ファイバ（反射モード）によって、または空洞の反対側の第２の光学ファイバ（送信モード）によって収集され得る。光ファイバ（複数可）は、光をコリメートするようにレンズを組み合わされ得る。コリメーションは、より高いフィネス空洞を生み出し、その一方で感知のための出力光ファイバ内への光の結合を最大限にすることも確実にする。鏡ブロックがくさび形状の場合、入力ファイバは、ファイバから出現する軸方向光線が、第１のブロックに入った際に空洞の軸に沿って位置するよう屈折されるように傾斜して装着されなければならない。
【００１２】
単一Ｖビームを用いた設計では、ファブリペロー空洞は、代替的には、Ｖビーム上の鏡と光ファイバの端面との間に形成されてよい。
【００１３】
加速度計のすべての変形形態に関して、鏡表面は、薄い金属層でコーティングされてより高い反射性、故に空洞フィネスを達成することができる。高反射性薄膜コーティングまたは分布ブラッグ反射器が使用されてもよい。加えて、入力および出力のファイバ端面は、耐反射コーティングされてこれらの表面からの望ましくない反射を回避することができる。
【００１４】
本明細書で説明される装置は光加速度計であるが、説明される機械的増幅の方法もまた、電気的読み出しを使用する加速度計の感度および／または帯域幅を増大させるために使用され得ることに留意されたい。
【００１５】
１つの実施形態では、２つのＶビームが使用される。これらは、それぞれ反対方向に偏る。これは、所与のマス変位に対する空洞長さの変化を２倍にし、それによって、分離されたビームの最大偏りの２つの点間の測定を可能にすることによって装置の感度をさらに高める。この実施形態では、２つのビーム間の分離が使用され得るという事実が、好都合には、システムの横断移動などの影響を軽減し、それによってエラーの無い測定に導き、そのため、２つのビームシステムは、正確性の向上ならびに増幅の向上を促進する。この場合、ファブリペロー空洞は、Ｖビーム上の２つの反射表面間に形成される。
【００１６】
説明は一方方向の加速度を測定することに焦点をあててきたが、プルーフマスの各々の面は、Ｖビームに固定され得る。ビームはまた、適切な弾性のものである場合にプルーフマスに復元力を与えることもできる。
【００１７】
装置は、ＭＥＭＳ装置（コンパトで、製造性があり、正確であるなどの品質を含む）のすべての利点を有する。加えて、光学的にアドレスされるため、これは、電気システムに勝る光学式のすべての利点を有する（過酷な環境に適する、電磁干渉がない、高帯域幅、故に敏感な環境において接続線が配備されなくてよいなど）。
【００１８】
プルーフマス動作の増幅は、加速度計の共振周波数、故に測定帯域幅を、同じ感度を保持しながら増大させることを可能にする。代替的には、これは、感度を所与の帯域幅に対して増大させることを可能にする。最も一般的には、これは、帯域幅−感度積を増大させることを可能にする。
【００１９】
装置は、加速度計が適用されるいかなる状況においても使用され得る。その結果、膨大な数のビジネス機会が存在する。これらは、ナビゲーションおよびガイダンスシステム、材料および構造／システムの動的試験用になることができる。これは、マイクロシステム、たとえばエアバッグ展開のためのＭＥＭＳ加速度計、慣性センサー、仮想現実／娯楽システム（たとえば任天堂Ｗｉｉ（ＴＭ））および移動体通信に特に適合される。これは、光学的システムが電気システムよりも好まれる場合、たとえば過酷な環境（高いＥＭＩ、爆発性など）の場合または高忠実性、高帯域幅用途のための小型化および高性能に役立つ。
【００２０】
本発明は、次に、以下の図を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態による加速度計の平面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態による加速度計の平面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態により加速度計の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１では、プルーフマス（１０）が、シリコン空洞内で移動することができるようにシリコンブロック（１２）内にエッチングされる。これは、フォトリソグラフィならびにシリコンオンインシュレータウエハの反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）およびウェットエッチングを通して空洞を生み出すことによって達成される。単一のＶビーム（１４）が、プルーフマス（１０）とブロック（１２）の縁部の間に位置し、ブロックの壁に固着される。装置は、ＵＶ硬化型エポキシおよびアクティブアライメント技術を用いて組み立てられる。プルーフマスは、ばね（１５）を通してブロックの壁と接触し、このばねは、その動作を一方方向に限定し、復元力を与える。
【００２３】
プルーフマスの移動は、Ｖビームの偏りを引き起こし、その結果、その中心部において、プルーフマス動作に直交する方向の増幅された偏りを生じさせる。シリコン鏡がＶビームの中心部に装着され、それにより、ファブリペロー空洞が、この鏡と固定された鏡との間に形成される。
【００２４】
代替的には、薄い金コーティングまたは他の反射装置（１６）が、鏡として作用するために、スパッタコーティング／薄膜蒸着コーティング技術を用いてビーム上に設けられてよい。光分析器（１８）は、ビームの移動を検出することができる。増幅された動作は、１つまたは２つの光ファイバによる応答によって検出される。装置は、標準的なマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）加工を用いてシリコンで製作され得る。
【００２５】
第２の実施形態の図２では、２つのＶビームが、各々における増幅された動作が、他方におけるのものとは反対方向であるような方法で使用される。これは、２つのビームは反対かつ相等しい方向に偏るため、プルーフマス動作のさらに２倍の増幅を可能にする。この場合、ファブリペロー空洞は、２つのＶビーム（１４、１４’）上に装着された鏡（１６、１６’）間に形成される。
【００２６】
単一Ｖビーム設計と比較して、２つのＶビームを有する設計は、交差軸感度に関してより良好なパフォーマンスを与えるが、これは、鏡動作と同じ軸に沿ってかけられた加速は、両方のＶビーム上に同じ影響を与えるはずであり、その結果空洞長さの変化を生じさせないためである。
【００２７】
図３では、第２のＶビーム（２４）が、第１のＶビーム（１４）の中央、および基板の壁に取り付けられる。これは、第１のＶビームが偏ったときに第２がこの偏りを再増幅させる倍数的増幅を与える。第３のＶビーム（３４）は、第２のＶビーム（２４）の中央および基板の壁に取り付けられ、したがって、第１のＶビーム（１４）、第２のＶビーム（２４）および第３のＶビーム（３４）の偏りの累積効果によって引き起こされたさらなる倍数的増幅をもたらす。実際、基板の壁と前のＶビームの頂点の間にすべて位置するＶビーム（４）の「カスケード」を有することが可能である。これは、応答およびエッチングプロセスの両方において製造に複雑性を加え、極めて専門的な用途では頑強性を低減させることがあるが、必要とされる技術者の試みは、得られる利点によって正当化され得る。
【００２８】
この発明の別の実施形態では、Ｖビームまたはその複数のＶビームの偏りの大きさは、プルーフマスの移動に対向する、アクチュエータによって発生させられた力の大きさを決定する。アクチュエータは、たとえば、静電アクチュエータまたは熱アクチュエータでよい。これは作動の閉ループモード内で起こり、それにより、Ｖビームまたはその複数のＶビームの偏りが、加速度計が非線形モードで作動することを防止するために必要とされる力の大きさを連続的に決定する。加速度は、したがって、アクチュエータによってかけられた力の大きさを測定することによってさらに確実にされ得る。
【図１】
2015503759.tif 000003
【図２】
2015503759.tif 000004
【図３】
2015503759.tif 000005
【国際調査報告】
2015503759.tif 000006
2015503759.tif 000007