(57)【要約】証明質量と、基板の上方で証明質量の上に質量をつるすように構成された複数の支持アームを含むつり下げられる微小機械加工構造。少なくとも一つの支持アームは２つのバネ要素を備え、それぞれ基板だけでなく、剛性横方向要素にも取り付けられている。したがって、各横方向要素に沿って３つの取付点がある。これらの取付点により、各剛性横方向要素に沿って３つの実効屈曲点が形成され、証明質量は基板に平行に軸に沿って大きな自由度で移動できる。証明質量に作用するバネ定数の線形性は、改善することができる。
2004527387.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小機械加工装置であって、
可動質量と、
可動質量に取り付けられており、各々が可動質量を基板に自在に結合できる複数の支持アームとを備え、
前記支持アームの少なくとも一つが、基板に結合されている第１端と基板に結合されている第２端を有し、
前記可動質量が、支持アームの第１端と第２端の間の一点で少なくとも一つの支持アームに接続されている、微小機械加工装置。
【請求項２】
前記少なくとも一つの支持アームが、
基板に取り付けられている第１のバネ要素と、
基板に取り付けられている第２のバネ要素と、
第１端と第２端を持つ剛性横方向要素を備え、剛性横方向要素の第１端が第１のバネ要素に接続され、剛性横方向要素の第２端が第２のバネ要素に接続され、
可動質量を剛性横方向要素の第１端と第２端の間で少なくとも一つの支持アームの剛性横方向要素に接続する請求項１に記載の微小機械加工装置。
【請求項３】
可動質量が剛性横方向要素の中間に接続される請求項２に記載の微小機械加工装置。
【請求項４】
第１のバネ要素を剛性横方向要素に接続することにより第１端屈曲点が形成され、第２のバネ要素を剛性横方向要素に接続することにより第２端屈曲点が形成され、可動質量を剛性横方向要素に接続することにより中間屈曲点が形成される請求項２に記載の微小機械加工装置。
【請求項５】
第１端屈曲点、第２端屈曲点、および中間屈曲点が実質的に直線を形成する請求項４に記載の微小機械加工装置。
【請求項６】
実質的な直線がアライメント軸を含む請求項５に記載の微小機械加工装置。
【請求項７】
アライメント軸が可動質量の振動の軸に平行である請求項６に記載の微小機械加工装置。
【請求項８】
可動質量が振動の軸に沿って移動するとき、中間屈曲点がアライメント軸に沿って移動する請求項７に記載の微小機械加工装置。
【請求項９】
第１端が基板に結合され、第２端が基板に結合されている第２の支持アームを更に備え、可動質量が支持アームの第１端と第２端の間の一点で第２の支持アームに接続されている請求項１に記載の微小機械加工装置。
【請求項１０】
少なくとも一つの支持アームと第２の支持アームが可動質量の同じ側に配置されている請求項９に記載の微小機械加工装置。
【請求項１１】
少なくとも一つの支持アームと第２の支持アームが可動質量の反対側に配置されている請求項９に記載の微小機械加工装置。
【請求項１２】
第１と第２のバネ要素がアライメント軸を中心に対称的である請求項６に記載の微小機械加工装置。
【請求項１３】
微小機械加工装置であって、
第１と第２の側面を持つ可動質量と、
可動質量の第１の側面から延びている第１の支持アームと、
可動質量の第２の側面から延びている第２の支持アームとを備え、
前記各支持アームは、可動質量を基板に自在に結合でき、また基板に結合されている第１端と基板に結合されている第２端とを有し、
可動質量が、支持アームの第１端と第２端の間の一点で各支持アームに接続されている、微小機械加工装置。
【請求項１４】
前記各支持アームが、
基板に取り付けられている第１のバネ要素と、
基板に取り付けられている第２のバネ要素と、
第１のバネ要素に接続される第１端と第２のバネ要素に接続される第２端とを有する剛性横方向要素とを備え、
可動質量が、前記剛性横方向要素の第１端と第２端の間で、各支持アームの剛性横方向要素に接続されている、請求項１３に記載の微小機械加工装置。
【請求項１５】
可動質量は剛性横方向要素のそれぞれの中間に接続されている請求項１４に記載の微小機械加工装置。
【請求項１６】
支持アーム毎に、第１のバネ要素を剛性横方向要素に接続することにより第１端屈曲点が形成され、第２のバネ要素を剛性横方向要素に接続することにより第２端屈曲点が形成され、可動質量を剛性横方向要素に接続することにより第３の屈曲点が形成される請求項１４に記載の微小機械加工装置。
【請求項１７】
第１端屈曲点、第２端屈曲点、および中間屈曲点が支持アーム毎に、実質的に直線を形成する請求項１６に記載の微小機械加工装置。
【請求項１８】
各支持アームの実質的な直線がアライメント軸を含む請求項１７に記載の微小機械加工装置。
【請求項１９】
各支持アーム毎のアライメント軸が、他の支持アームのすべてのアライメント軸に平行である請求項１８に記載の微小機械加工装置。
【請求項２０】
可動質量が振動の軸に沿って移動し、各支持アームの中間屈曲点が各アライメント軸に沿って移動する請求項１９に記載の微小機械加工装置。
【請求項２１】
微小機械加工装置であって、
第１と第２の側面を持つ可動質量と、
可動質量を基板に自在に結合できる可動質量の側面から延びる４つの支持アームとを備え、
前記４つの支持アームの各々が、基板に接続されている第１端と、基板に接続されている第２端と、剛性横方向要素とを含み、
前記剛性横方向要素が、第１のバネ要素に接続される第１端と、第２のバネ要素に接続される第２端とを備え、
前記可動質量の各接続アームが、各剛性横方向要素の第１端と第２端との間でそれぞれの剛性横方向要素に接続されており、
第１のバネ要素を各剛性横方向要素に接続することにより第１端屈曲点が形成され、第２のバネ要素を各剛性横方向要素に接続することにより第２端屈曲点が形成され、各接続アームを各剛性横方向要素に接続することにより中間屈曲点が形成される微小機械加工装置。
【請求項２２】
各支持アームの３つの屈曲点をアライメント軸を含む実質的な直線上に揃える請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
４つの支持アームの各アライメント軸が互いに平行であり、また可動質量の振動の軸に平行である請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
可動質量が振動の軸に沿って移動するときに、各支持アームの中間屈曲点が各アライメント軸に沿って移動する請求項２２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小機械加工装置に関するものであり、より具体的には微小機械加工装置用のサスペンションシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
微小機械加工の最近の進歩により、既存の非微小機械加工装置に比べて性能およびコストの改善が可能なさまざまな微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）の製造が可能になった。ＭＥＭＳ装置は、フォトリソグラフィ技術を使ってシリコンウェーハをエッチングすることで大規模に製造することができ、これは、従来の超小型電子集積回路をエレクトロニクス産業で生産しているのと全く同じ方法で行っている。従来の集積回路手法を使用して作製されているシリコンベースのＭＥＭＳ装置では、三次元構造を同じチップ上の電子回路に集積し、センサ、アクチュエータ、およびその他の装置を大幅に改良することが可能である。当初、ＭＥＭＳ装置はマイクロ電子装置と同様に、厳密にシリコンベースであったが、今日では、この用語はシリコンベースであってもなくても完全な小型デバイスを意味し、フォトリソグラフィ技術以外の方法を用いて生産することができる。
【０００３】
ＭＥＭＳ装置の１つは、微小電気機械システムのジャイロスコープ（ＭＥＭＳジャイロ）である。ＭＥＭＳジャイロは、基板に取り付けられているバネ要素により基板の上につり下げられた１つまたは複数の振動証明質量からなる。証明質量は、電子駆動メカニズムにより軸方向に基板に平行な形で正確な周波数で振動させられる。本明細書では、「証明質量」という用語は広い意味で定義されており、ＭＥＭＳシステムで使用するのに適している任意の質量を含む。ＭＥＭＳジャイロは、ジャイロが回転しているときに振動する証明質量に作用するコリオリ加速度を感知することにより機能する。さらに、基板は通常、証明質量の下に凹みを持ち、ジャイロが基板の上で自由に振動する。凹みは、基板が選択的にエッチングされるフォトレジストマスクを堆積することにより基板上に形成される。
【０００４】
バネ要素を使用して基板の上に証明質量をつり下げる場合、通常は、バネ要素の少なくとも一端を基板に取り付けて、他端を証明質量に取り付ける。一端を固定しており、また微小機械加工構造はピン継手を持たないので、証明質量が軸方向に振動したときにバネ要素は通常、延びるだけでなく曲がらなければならない。バネ弾性を証明質量をつり下げるために使用されるバネ要素のそれぞれに加えることで、この延びに対応できる。
【０００５】
しかし、証明質量が取り付けられ移動できるようにバネ要素を延ばさなければならないときに、振動方向のその結果のバネ定数は非線形となる。非線形バネ定数により、質量の振動の振幅が変化した場合に、周波数がシフトする可能性がある。このような周波数シフトは望ましくなく、ＭＥＭＳジャイロスコープの精度に影響を及ぼす。さらに、可動質量を使用する微小機械加工装置のパフォーマンスも、サスペンションシステム内の非線形バネ定数の悪影響を受ける可能性がある。そこで、より線形性の高いバネ定数を持つサスペンションシステムがあれば、微小機械加工装置のパフォーマンスが向上するであろう。
【０００６】
さらに証明質量が振動したときに延びてさらに曲がるように構成されているバネ要素で証明質量をつり下げることで、証明質量が振動するように設計されていた方向とは異なる方向にある自由度の運動が可能になる。このような運動の自由は望ましいことではなく、ジャイロによる測定に悪影響を及ぼすことがあり、十分に大きければ、証明質量の一部がジャイロの静止要素と衝突した場合にジャイロを損傷したり破壊したりすることさえありうる。そこで、一つの軸に沿った運動の自由度を大きく取りながら、基板の平面内の他の方向では運動を著しく制限するサスペンションシステムがあれば、微小機械加工装置の信頼性とパフォーマンスが向上すると思われる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
懸吊微小機械加工構造を開示する。この構造には、可動証明質量と、基板の上に証明質量をつるすように構成された複数の支持アームを含めることができる。それぞれの支持アームは、１つまたは複数のバネ要素と少なくとも１つの剛性横方向要素を備える。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
証明質量を一体として、基板の上に証明質量をつり下げている４つの支持アームのそれぞれの剛性横方向要素に接続するのが好ましい。それぞれの支持アームは、延びるバネ要素を持つ剛性横方向要素を備える。バネ要素は、２点で基板に取り付け、支持アームのそれぞれの剛性横方向要素を１点で証明質量に取り付けることができる。バネ要素は、それぞれの剛性横方向要素の他端に取り付けるのが好ましい。さらに、証明質量は、剛性横方向要素の中心に取り付けるのが好ましい。したがって、剛性横方向要素には３つの取付点があるのが好ましい。これらの取付点では、３つの実効屈曲点またはそれぞれの剛性横方向要素に沿って各支持アームの屈曲点が形成される。したがって、証明質量と剛性横方向要素との交差点さらに剛性横方向要素とそれぞれのバネ要素との交差点に屈曲点がある。
【０００９】
支持アームの実効屈曲点は、基板に平行に軸方向に大きな自由度で証明質量が動くようにしながら、基板に平行な平面内の他の方向では運動自由度は実質的にほとんどないように構成することができる。さらに、支持アームは、証明質量に作用するバネ定数がバネ要素の曲げで生じるように構成することができ、サスペンションシステムの正味バネ定数の線形性を大きく高めることができる。このようなシステムでは、証明質量と剛性横方向要素の間の取付点と関連する屈曲点は、証明質量の運動の軸方向に平行な直線方向に移動し、ジャイロのパフォーマンスが向上する。
【００１０】
本発明のこれらや他の態様および利点は、付属の図面を適宜参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより、当業者には明らかになるであろう。
本発明の例示的実施形態について、付属の図面を参照しながら説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図面を参照すると、図１は、本発明の平面図である。微小機械加工証明質量１２は、４つの支持アーム１４により基板１０の上につるすことができる。しかし、本発明は、使用する４つの支持アームの数が少なくても（多くても）、また図１に示されているように構成された支持アームのすべてよりも少なくても多くても、機能する。証明質量１２および支持アーム１４は、適当な微小機械加工手法を使用して一体形成できる。証明質量１２は、剛性横方向要素１８に沿う点で各支持アーム１４と交差する接続アーム２２により各支持アーム１４に接続される。それぞれの支持アーム１４は、各剛性横方向要素１８のそれぞれの端から延びているバネ要素２０を介して基板１０に２つの取付点１６で接続される。動作中、証明質量１２は図の振動軸に沿って振動する。好ましい実施形態では、本発明のＭＥＭＳジャイロスコープは単一の単位シリコン基板から作製されるが、これは、必要というわけでもなく、考慮されているように本発明の制限でもなく、ＭＥＭＳジャイロスコープはシリコン、多結晶シリコン、その他の結晶またはアモルファス材料などの微小機械加工に適していると判明しているさまざまな材料から製作することができる。また、証明質量は１つしか示されていないが、それぞれの証明質量の変位をシステム側で測定できるため、本発明は基板内の望ましくない振動を中和し、感度を高めることを目的として互いに反対向きに振動する２つまたはそれ以上の証明質量を備えるＭＥＭＳジャイロに等しく適用可能である。
【００１２】
図２は、支持アーム１４のうちの１つを詳細に示しており、また、本発明の動作原理を例示している。それぞれの支持アーム１４は、２つのバネ要素２０と剛性横方向要素１８を備え、バネ要素２０は２つの取付点１６で基板１０に取り付けられている。剛性横方向要素１８は、比較的広く、したがって、バネ要素２０に比べて剛性が高い。さらに、証明質量１２の接続アーム２２は、剛性横方向要素１８に取り付ける場所を狭めるように設計されている。この設計のため、それぞれの剛性横方向要素１８と関連する３つの実効屈曲点があるが、これらは各バネ要素１６が剛性横方向要素１８の末端と出会う２つの端屈曲点３９と接続アーム２２が剛性横方向要素１８の中心に出会う１つの中間屈曲点３２である。より大きな機械システムの場合、実効屈曲点はピボット継手またはピン継手として作用する。
【００１３】
実効屈曲点３０および３２は、ＡＮＳＹＳなどの有限要素モデリングプログラムにより決定できる。サスペンションシステムの対称的設計により、アライメントの軸３４が形成される。サスペンションシステムの全体的な屈曲を最小にするため、３つの屈曲点３０および３２はアライメント軸３４と同一線形順序で並んでいる直線上に置かれている必要がある。
【００１４】
各剛性横方向要素１８の３つの屈曲点がアライメント軸３４に沿って置かれている場合、サスペンションシステムの全体的屈曲が最小になる。さらに、それぞれの支持アーム１４はアライメント軸３４に関して対称的なので、それぞれの中間屈曲点３２は基板１０に平行な平面内の他の方向と比べてアライメント軸３４に沿った運動自由度のほうが実質的に大きくなる。この原理については後に詳述する。さらに、それぞれの支持アーム１４が対称的でなく設計の全体構成が図のとおりであれば、基板１０に平行な平面内の他の方向と比べて直線バネレートを高くし、またアライメント軸に沿った中間屈曲点３２の運動の自由度も大きくすることが可能である。つまり、本発明を適切に機能させるうえで完全対称は必要ないということである。
【００１５】
４つの支持アーム１４すべてのアライメント軸３４は平行であるのが好ましい。したがって、証明質量１２を各支持アーム１４の中間屈曲点３２に接続するのが好ましいため、各中間屈曲点３２がアライメント軸３４に沿って持つ運動の自由度が大きいほど証明質量をアライメント軸３４に平行な振動の軸に制限する傾向がある。
【００１６】
電気駆動システム（図に示されていない）により駆動力が振動の軸の一般的方向で証明質量１２に加えられると、図２に示されている中心位置の左または右へ変位する。例えば、証明質量１２は（図３に誇張して示されているように）右に変位され、右バネ要素２０もまた右に移動する。右のバネ要素２０が右に移動すると、その屈曲点３０は移動半径３６に沿って移動する。それと同時に、左のバネ要素２０も右に移動し、その屈曲点４０は移動半径３８に沿って移動する。
【００１７】
端屈曲点３０および４０はそれぞれの移動半径３６および３８に沿って（アライメント軸３４に沿ってではなく）移動するので、剛性横方向要素１８は証明質量１２がシステムの中心位置から離れる方向に変位すると時計回りに回転し、剛性横方向要素１８は証明質量１２が中心位置に向かって移動すると反時計回りに回転する。
【００１８】
しかし、重要なのは、支持アーム１４が中間屈曲点３２を中心に対称的であるため、証明質量が振動の軸に沿って移動するときに中間屈曲点３２もアライメント軸３４上に残りそれに沿って移動するということである。支持アーム１４は対称的であるため、剛性横方向要素１８の各端は、結果として中間屈曲点３２がアライメント軸３４に沿って移動することになる他端（反対方向）と同じ距離だけアライメント軸３４から変位して離れる。
【００１９】
屈曲を最小に保つことは最適なこととは言えないが、中間屈曲点３２はそれでも支持アーム１４が対称的である限りアライメント軸３４に沿って直線方向に移動する（つまり、３つの屈曲点が特定の支持アーム１４と関連するアライメント軸３４に平行でない直線上に配置されているとしても）。
【００２０】
非線形運動により証明質量１２が基板１０に取り付けられている静止構造（図に示されていない）に衝突したり、証明質量とデバイスの感知要素（図に示されていない）との位置関係に望ましくない変化が生じるためにセンサの精度に悪影響及ぼすおそれがあるため、振動の軸に沿って移動するように証明質量１２を制限することが望ましい。証明質量１２の運動に対する制限は基板１０と同一平面内の運動に限られる。つまり、証明質量１２は（例えば）基板１０に平行な平面内では容易に回転できないが、基板１０に垂直な方向に移動するある程度の自由度を持つ（かつ持たなければならない）が、これは、このような平面から外れている運動はＭＥＭＳジャイロによって最終的には測定されるトルクおよび加速度から生じるからである。
【００２１】
図に示されている構成により、剛性横方向要素１８は、上述のようにシステムの幾何形状に起因して中間屈曲点３２を中心に自由回転することができ、証明質量１２を振動の軸に沿って移動できるようにしたときにバネ要素２０の伸張が制限されるか、またはなくなる。その代わりに、バネ要素２０は実効屈曲点３０および４０で屈曲し、証明質量１２は望むとおりに移動させる。バネ要素２０の伸張が限られているか、または全くないこのような屈曲では、証明質量１２に作用する正味バネ定数は、証明質量１２を振動させるためにバネ要素２０の伸張と曲がりに必要になる場合よりも高い線形性を持つ。示されている図では、説明されている幾何形状を持つ４つの支持アームが示されている。このような構成の支持アームの数は増やすことも減らすこともできることは理解されるであろう。最適ではないが、この種の構成の支持アームを１つ使用しただけでも、システムの正味バネ定数の線形性は向上し、証明質量の意図した振動経路が改善される傾向がある。
【００２２】
線形なバネ定数は振動の振幅が変化したとしても証明質量をより正確な周波数で振動させ続ける傾向があるため、振動する証明質量を使用するセンサにはバネ定数は線形なのが望ましい。正確な周波数制御を行うと、センサの精度および感度が向上し、さらに、振動する質量センサに使用される電子駆動システムが簡素化される。
【００２３】
これで本発明の実施形態の例示、解説が終わった。しかし、請求項で定められているように、本発明の精神と範囲を逸脱することなく本発明に変更および修正を加えられることは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】簡単のため駆動要素と感知要素を省いた、本発明の証明質量およびサスペンションシステムの平面図である。
【図２】証明質量が変位していない（つまり中心）位置にある状態で基板の上に証明質量をつるしている本発明の一支持アームの詳細図である。
【図３】証明質量がその中心位置から変位したときの証明質量と支持アームとの間の位置関係を誇張して示している本発明の一支持アームの詳細図である。
【図１】
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【国際公開パンフレット】
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2004527387.tif 000005
2004527387.tif 000006
2004527387.tif 000007
2004527387.tif 000008
2004527387.tif 000009
2004527387.tif 000010
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2004527387.tif 000012
2004527387.tif 000013
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2004527387.tif 000015
2004527387.tif 000016
2004527387.tif 000017
2004527387.tif 000018
2004527387.tif 000019
2004527387.tif 000020
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004527387.tif 000021
2004527387.tif 000022
【国際調査報告】
2004527387.tif 000023
2004527387.tif 000024