(57)【要約】【課題】ＭＥＭＳデバイスにおける回転高調波の周波数シフトのための構造及び方法を提供する。【解決手段】例示的なＭＥＭＳデバイスは、基板と、基板に結合された検知電極と、検知電極に隣接するプルーフ・マスとを含むことができる。プルーフ・マス上に不均一に分散された幾つかの穴または開口を、プルーフ・マス内の質量の分布を変えるように、構成することができる。動作中に、穴または開口が存在することによって、回転モードにおいてプルーフ・マスが中心線について回転する周波数が変わり、それにより、駆動システム及び検知システム中へ高調波がもたらされることを低減される。【選択図】図４
2007218905.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板に隣接する少なくとも１つのプルーフ・マスであって、各プルーフ・マスが、幾つかの端部と、幾つかの側部と、厚みと、前記プルーフ・マスのモータ駆動軸に直角に前記プルーフ・マスの中心部を通って延びる中心線とを有するものである、少なくとも１つのプルーフ・マスと
を備え、
各プルーフ・マスが、少なくとも部分的に前記厚みを貫いて形成された複数の穴または開口を含み、前記穴または開口は、前記プルーフ・マス内で不均一に分布されるものである、
ＭＥＭＳデバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスであって、不均一に分布された前記穴または開口は、前記中心線から離れて前記プルーフ・マスの各端部の方に位置する、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項３】
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスであって、不均一に分布された前記穴または開口は、前記プルーフ・マスの各端部から離れて前記中心線の方に位置する、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項４】
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスであって、前記プルーフ・マスの各端部または各端部近傍における質量が、前記プルーフ・マスの前記中心部分における質量よりも小さい、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項５】
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスであって、複数の前記穴または開口が、前記プルーフ・マスの各端部または各端部近傍においてパターンまたはアレイに配される、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項６】
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスであって、複数の前記穴または開口が、前記プルーフ・マスの各端部または各端部近傍においてスタガ状のパターンまたはアレイに配される、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項７】
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスであって、複数の前記穴または開口が、前記プルーフ・マスの厚さ全体を貫通している、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項８】
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスであって、複数の前記穴または開口が、前記プルーフ・マスの上部だけを貫いて延びている、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項９】
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスであって、複数の前記穴または開口が、前記プルーフ・マスの上部及び下部だけを貫いて延びている、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項１０】
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスであって、それぞれの前記穴または開口の大きさが、前記プルーフ・マスの中心線から離れる方に増加する、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項１１】
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスであって、複数の前記穴または開口が幾つかのスロットを備える、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項１２】
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスであって、前記中心線に沿って前記プルーフ・マスの厚さを貫いて配された幾つかの穴または開口を更に備える、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項１３】
基板と、
前記基板に結合された少なくとも１つの検知電極と、
前記少なくとも１つの検知電極に隣接する少なくとも１つのプルーフ・マスであって、各プルーフ・マスが、幾つかの端部と、幾つかの側部と、厚みと、前記プルーフ・マスのモータ駆動軸に直角に前記プルーフ・マスの中心部を通って延びる中心線とを有するものである、少なくとも１つのプルーフ・マスと、
前記プルーフ・マスの第１端部または該第１端部近傍において、前記プルーフ・マスの厚さを少なくとも部分的に貫いて形成された穴または開口の第１のパターンまたはアレイであって、穴または開口を含まない第１内部部分に隣接して配置されるものである、穴または開口の第１のパターンまたはアレイと、
前記プルーフ・マスの第２端部または該第２端部近傍において、前記プルーフ・マスの厚さを少なくとも部分的に貫いて形成された穴または開口の第２のパターンまたはアレイであって、穴または開口を含まない第２内部部分に隣接して配置されるものである、穴または開口の第２のパターンまたはアレイと、
を備えるＭＥＭＳデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳデバイスにおける回転高調波の周波数シフトのための構造及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ型のジャイロスコープまたは加速度計を用いる慣性センサでは、例えば、幾つかのプルーフ・マスを使用して、レート軸についてのデバイスの運動に応答して変位及び／又は加速度を検知することができる。設計によっては、１または複数のジャイロスコープ及び／又は加速度計を、多次元における運動及び加速度を計測するために使用することのできる慣性計測ユニット（ＩＭＵ）の一部として、設けることができる。
【０００３】
チューニング・フォーク・ジャイロスコープ（ＴＦＧ）などのような、典型的なＭＥＭＳに基づくセンサでは、コリオリの力の生成および検出を通じて角速度を検知するために、一組の振動するプルーフ・マスが使用される。駆動電圧源からの時間変化信号によって静電気を帯電すると、駆動軸に沿って前後するモータ・モードにおいてプルーフ・マスへ力を加えるように、幾つかのインターデジタル構成のコーム・フィンガ（ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ  ｃｏｍｂ  ｆｉｎｇｅｒｓ）を構成することができる。各プルーフ・マスの運動を下部の支持基板の上方における特定の方向に制限するために、典型的には、幾つかのサスペンション・スプリングまたは他の撓むエレメント（ｆｌｅｘｕｒａｌ  ｅｌｅｍｅｎｔ）が使用される。
【０００４】
検知電極または基板上に配置される他の感知手段を使用して、ジャイロスコープの検知軸に沿ったプルーフ・マスの運動を検知して計測することができる。各プルーフ・マスが基板の上方で前後に運動するときに、質量（マス）がレート軸の回りを回転するときの、質量の運動量保存から生じるコリオリの力によって、各プルーフ・マスと検知電極との間の間隔が変化し、それに付随してキャパシタンスの変化が生じる。このコリオリの力は、感知（検知）モードとも呼ばれることのある第２の振動モードを駆動する。各プルーフ・マスと、対応する検知電極との間のキャパシタンスを測定することによって、移動体の回転運動及び／又は加速度の測度を把握することができる。
【０００５】
ＭＥＭＳ型の慣性センサにおける誤差源の１つは、所望されるモータ・モード及び検知モードと異なる振動モードでのプルーフ・マスの振動から生じ得るものである。典型的には、プルーフ・マスの振動は、特定の振幅及び／又は周波数に維持される。センサの制御ループ通過帯域（ｃｏｎｔｒｏｌ  ｌｏｏｐ  ｐａｓｓ  ｂａｎｄ）内の振動周波数から生じ得る望まれない振動モードの例としては、プルーフ・マスの各々が駆動軸に沿ってタンデムで動くフラ・モード（ｈｕｌａ  ｍｏｄｅ）や、プルーフ・マスの各々が駆動軸に直交する検知軸方向に沿ってタンデムで動くトランポリン・モード（ｔｒａｍｐｏｌｉｎｅ  ｍｏｄｅ）などがある。その他の一般的な振動モードとしては、ツイスト・モード及びフリップ・フラップ・モード（ｆｌｉｐ−ｆｌａｐ  ｍｏｄｅ）などがある。
【０００６】
回転モードと呼ばれることの多い１つの有害な動作モードにおいては、センサの検知軸に実質的に平行である、プルーフ・マスの中心軸について、各々のプルーフ・マスの回転が誘導される。そのような望ましくない回転は、例えば、プルーフ・マスの振動周波数が、プルーフ・マスをそのモータ・モードで駆動するための駆動電子回路で使用する制御ループ通過帯域の範囲にあるときに、発生することがある。場合によっては、そのような回転は、プルーフ・マス、サスペンション・スプリング及び／又はコーム・フィンガ、それに、プルーフ・マスを駆動するために使用される駆動電子回路を形成するために使用される製造工程における欠陥から、生じることもある。そのような回転が存在する場合、そのような回転は、所望のモータ・モードでの動作を開始するデバイスの能力に影響を与える可能性があり、また、デバイスの動作と干渉する可能性のある回転高調波を、駆動システム及び検知システムへ導くこともある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ジャイロスコープや加速度計などのようなＭＥＭＳデバイスにおける回転高調波の周波数シフトに関する。例示的な一実施形態のＭＥＭＳデバイスは、基板と、基板に結合された少なくとも１つの検知電極と、この少なくとも１つの検知電極と隣接する少なくとも１つのプルーフ・マスとを含むことができる。プルーフ・マス内に、不均一に分散された幾つかの穴または開口を作り、プルーフ・マスのモータ駆動軸の方向に直角の質量中心線についての質量の分布を変化させるように構成することができる。穴または開口は、プルーフ・マスの各端部またはその近傍に、或るパターンまたはアレイとして配することができる。実施形態によっては、穴または開口は、プルーフ・マスの厚さ全体を貫通してもよい。他の実施形態においては、穴または開口は、プルーフ・マスの上部及び／又は下部だけを貫いて延びるようにしてもよい。
【０００８】
プルーフ・マス上の穴または開口の存在を利用して、プルーフ・マスの端部またはその近傍における質量を低減して、プルーフ・マスの中心線についての慣性モーメントを低減することができる。そのような慣性モーメントの低減は、プルーフ・マスがその回転モードで回転する周波数を増加させて、駆動システム及び検知システムへ回転高調波が導かれるのを低減または防止する。例えば、実施形態によっては、駆動システムがプルーフ・マスを駆動するのに使用する制御ループ通過帯域より上のレベルに、プルーフ・マスの回転モード周波数を上げるように、穴または開口の分布を構成することができる。その他の実施形態においては、プルーフ・マスの回転モード周波数を低下させるように穴または開口を分布させて、その他の有害な振動モードを補償することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下の説明は図面を参照して読むべきであり、図面では、様々な図面における同様の要素には同様の番号を付けている。図面は、必ずしも実際の尺度ではなく、選ばれた実施形態を示すものであり、本発明を限定するものではない。様々な要素に対しての構造、寸法、及び材料の実施例を示してあるが、当業者は、本明細書に提示する実施例の多くには、使用可能な適当な代替案があることを認識するであろう。本明細書に示する様々な実施例は、ＭＥＭＳ型のジャイロスコープ及び加速度計における、回転高調波の周波数シフトについて考察するが、本明細書において考察する技法は、回転モードに影響を受けやすい構造を用いる任意の異なるデバイスにおいて使用可能であることを、理解すべきである。その他のＭＥＭＳデイバスとしては、慣性計測ユニット（ＩＭＵ）、アクチュエータ、共振器、スイッチ、弁、ポンプ、圧力センサ、温度センサ、光学素子などがあるが、それらに限定されるものではない。
【００１０】
ここで図１を参照して、ＭＥＭＳ型ジャイロスコープ１０の概略平面図について説明する。ジャイロスコープ１０は、例として、インプレーン・チューニング・フォーク・ジャイロスコープ（ＴＦＧ）（in-plane tuning fork gyroscope）であり、第１のプルーフ・マス１２及び第２のプルーフ・マス１４を含み、その各々は、慣性運動を測定されるジャイロスコープ１０の入力軸またはレート軸１８に直交する駆動面で、下部支持基板１６の上方で、前後に動くように適合されている。第１のプルーフ・マス１２は、右／左組の矢印２０で概して示すように、支持基板１６上を第１の駆動電極２２と第１のモータ・ピックオフ・コーム２４との間で前後に動くように構成することが可能であり、第１の駆動電極２２と第１のモータ・ピックオフ・コーム２４との双方は支持基板１６上で静止しており、第１のプルーフ・マス１２の運動を制限する。同様に、第２のプルーフ・マス１４は、左／右組の矢印３０で概して示すように、支持基板１６の上方で、第２の駆動電極２６と第２のモータ・ピックオフ・コーム２８との間で前後に動くが、第１のプルーフ・マスの動きとは１８０度位相がずれるように構成する。
【００１１】
第１及び第２のプルーフ・マス１２、１４は、１または複数のサスペンション・スプリングを使用して、下部支持構造１６の上方で、１または複数の方向に制限することができる。図１に示すように、例えば、第１のプルーフ・マス１２は、第１の組の４つのサスペンション・スプリング３２を使用して下部支持基板１６に固定またはその他の方法で結合することが可能であり、これらのスプリングは、基板１６の上に形成された、幾つかのクロス・ビーム３４、３６に取り付けられる。同様の様式で、第２のプルーフ・マス１４を、図に示すように、やはりクロス・ビーム３４、３６に取り付けられた同様の組の４つのスプリング３２を使用して、下部支持基板１６に固定することができる。４つのサスペンション・スプリングを示してあるが、任意の数のサスペンションを使用することが考えられる。
【００１２】
使用に際して、右／左組の矢印２０、３０で概して示す方向への、第１及び第２のプルーフ・マス１２、１４の運動を分離して、レート軸１８の方向およびジャイロスコープ１０の検知軸４０に沿った望まれない運動を低減するように、サスペンション・スプリング３２を構成することができる。プルーフ・マス１２、１４を支持基板１６の上方に支持することに加えて、サスペンション・スプリング３２及びクロス・ビーム３４、３６は、プルーフ・マス１２、１４がそれぞれの発動サイクル中にそのゼロ点を通過して駆動されるときにプルーフ・マス１２、１４に対して回復力を与えるように、構成することができる。
【００１３】
ジャイロスコープ１０は、駆動軸２０、３０に沿ったプルーフ・マス１２、１４のモータ・モード運動を誘導するために使用することのできる駆動電子回路４２を含むことができる。この駆動電子回路４２は、第１のプルーフ・マス１２の運動を誘導するために第１の駆動電極２２へ第１の駆動電圧信号４４を印加するように、および第２のプルーフ・マス１４の運動を誘導するために第２の駆動電極２６へ第２の駆動電圧信号４６を印加するように、構成することができる。示した例示的な実施形態においては、駆動電極２２、２６の各々が幾つかのコーム・フィンガ４８、５０を含み、これらは、各プルーフ・マス１２、１４から外向きに延びるそれぞれの値数のコーム・フィンガ５２、５４とインターデジタル構成となるようにする。駆動電圧信号４４、４６を介して充電されると、それぞれの駆動電極２２、２６のコーム・フィンガ４８、５０は、インターデジタルのコーム・フィンガ４８、５０、５２、５４のそれぞれの組の間で静電引力を生成し、コーム・フィンガ４８、５０、５２、５４を互いに移動させる。それぞれの駆動電極２２、２６に印加される電圧信号４４、４６は、時間変動可能であり、また、互いに位相がずれており、これは、サスペンション・スプリング３２と関連して、支持基板１６の上方で第１及び第２のプルーフ・マス１２、１４を互いに反対向きに前後運動させる。実施形態によっては、例えば、電圧信号４４、４６は、それぞれ互いに１８０度位相ずれを維持したＡＣ信号とすることができる。代替例として、また、他の実施形態において、電圧信号４４、４６は、その大きさ及び／又は極性が時間とともに変化するＤＣ信号とすることができる。何れの実施形態においても、周波数特性及び振幅特性の制御は、駆動電子回路４２を介して達成することができる。
【００１４】
駆動電圧信号４４、４６は、下部支持基板１６の上方で、プルーフ・マス１２、１４を、差動動作モード（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  ｍｏｄｅ  ｏｆ  ｏｐｅｒａｔｉｏｎ）で駆動するように構成することができる。実施形態によっては、それぞれの駆動電極２４、２８へ印加される駆動電圧信号４４、４６は、モータ駆動ループ５６を介して調整することが可能であり、この駆動ループ５６は、以下により詳細に示すように、ジャイロスコープ１０の様々な検知及びモータ・ピックオフ電子回路７０、８８からのフィードバック信号を受け取る閉ループ・システムを備えることができる。
【００１５】
一対の検知電極５８、６０を、検知システムの一部として設けて、レート軸１８の回りのジャイロスコープ運動の結果としての、検知モード方向４０における第１および第２のプルーフ・マス１２、１４の面外たわみ（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ  ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）を検出および測定することができる。これらの検知電極５８、６０は、第１及び第２のプルーフ・マス１２、１４を形成するのに使用される材料（例えば、シリコン・ドープした導電体）と電気的に導通可能な、シリコンなどの適当な材料で形成して、それにより、検知バイアス電圧Ｖｓに相対して検知電極５８、６０で生成される電荷が、プルーフ・マス１２、１４へ送られるようにすることができる。図１に示す例示的な実施形態において、検知電極５８、６０のそれぞれは、薄い長方形の電極プレートを含むことができ、この電極プレートは、プルーフ・マス１２、１４の下方に配置され、それぞれの検知電極５８、６０の上面が、各々のプルーフ・マス１２、１４の下側に垂直に隣接し且つそれと平行に位置するように配向されて、平行プレート・キャパシタを形成する。図１には静止形の検知電極５８、６０を示しているが、ＭＥＭＳデバイスの個々の構成に応じて、移動形の検知電極を使用することもできることを、理解すべきである。
【００１６】
動作中に、プルーフ・マス１２、１４が駆動モータ軸２０、３０に沿って運動しているときに、角速度（例えば、航空機の旋回）がレート軸１８に沿ってジャイロスコープ１０へ与えられると、検知軸４０の方向に、コリオリの力を検出することができる。典型的には、ＤＣ及び／又はＡＣバイアス電圧Ｖｓが、検知電極５８、６０の各々に印加され、その結果として、検知モードにおけるプルーフ・マス１２、１４の運動が、キャパシタンスを変化させる。しかしながら、他の実施形態においては、ＤＣ及び／又はＡＣバイアス電圧Ｖｓをプルーフ・マス１２、１４に印加し、検知電極を仮想接地に維持してもよい。次いで、検知軸４０に沿った運動の検知において、プルーフ・マス１２、１４とそれぞれの検知電極５８、６０との間のキャパシタンスが使用され、これは、図１に示すように、検知信号６２、６４として増幅器６６へ供給することができる。次いで、増幅器６６からの増幅された信号６８が様々な検知電極７０へ供給されて、プルーフ・マス１２、１４が検知電極５８、６０に向かう方向及び／又は遠ざかる方向に動くときのキャパシタンスの変化を検出および測定する。実施形態によっては、検知電子回路７０は、プルーフ・マス１２、１４が駆動電極２２、２６及びピックオフ・コーム２４、２８と相対的に動くときにキャパシタンスの変化を検出するように、構成することもできる。
【００１７】
検知電子回路７０は、レート軸１８についてのジャイロスコープ１０の回転を示すレート信号７２を出力するように構成することができる。実施形態によっては、例えば、検知電子回路７０は、航空機、ミサイル、または他の移動物体の制御用の航行ガイド・システムへレート信号７２を出力するように、構成することができる。ジャイロスコープ１０が慣性計測ユニット（ＩＭＵ）の一部である実施形態においては、レート信号７２を、１または複数の他のそのような信号と共に供給して、望ましい場合には、多次元における角速度（角レート）のインジケーション（指示）を提供することができる。実施形態によっては、モータ駆動ループ５６を、検知電子回路７０からフィードバック信号７４を受け取るように構成することができ、これを用いて、検知電極５８、６０から受け取る検知信号６２、６４に少なくとも部分的に基づいて、駆動電圧信号４４、４６を制御することができる。
【００１８】
モータ・バイアス電圧ＶＤＣを、第１及び第２のモータ・ピックオフ・コーム２４、２８の両端に印加して、駆動電圧信号４４、４６を介して誘導されるプルーフ・マス１２、１４の変位を検出及び／又は計測することができる。第１及び第２のモータ・ピックオフ・コーム２４、２８のコーム・フィンガ８０、８２に対する、第１及び第２のプルーフ・マス１２、１４の多数の外向きに延びるコーム・フィンガ７６、７８の運動から生じるモータ・ピックオフ電圧ＶＰＩＣＫを用いて、第１及び第２のプルーフ・マス１２、１４の運動を検出することができる。次いで、モータ・ピックオフ電圧ＶＰＩＣＫから生じるモータ・ピックオフ信号８４、８６を、モータ・ピックオフ電子回路８８へ供給することができる。この電子回路は、様々な増幅器及びインバータを含み、プルーフ・マス１２、１４のモータ・モードの振幅を表す出力信号９０を提供することができる。次いで、出力信号９０は、駆動電子回路４２による更なる制御のために、モータ駆動ループ５６へフィードバックされる。実施形態によっては、望ましい場合には、駆動電子回路４２によって出力される駆動信号４４、４６の自動利得制御に使用するために、基準電圧９２を制御ループ５６へ入力することができる。
【００１９】
図２は、図１のプルーフ・マス１２の一つの構成を、より詳細に示す概略上面図である。図２において更に分かるように、それぞれのプルーフ・マス１２は、第１端部９４、第２端部９６、第１側部９８、及び第２側部１００を有する薄板または他の適当な構造を含むことができる。プルーフ・マス１２の第１端９４から外向きに延びるのは、左組のコーム・フィンガ５２であり、このコーム・フィンガは、プルーフ・マス１２のモータ・モードを駆動するための駆動コーム・フィンガ４８とインターデジタルにされている。更に、プルーフ・マス１２の第２端部９６から外向きに延びるのは、右組のコーム・フィンガ７６であり、このコーム・フィンガは、プルーフ・マス１２の運動を検知するためのモータ・ピックオフ・コーム・フィンガ８０とインターデジタルにされている。第２のプルーフ・マス１４は、第１のプルーフ・マス１２と同様に構成することができ、従って、図を分かり易くするために示していない。４つのコーム・フィンガ５２、７６がプルーフ・マス１２の各端部９４、９６から延びているように示されているが、望まれる場合には、より多くのまたは少ない数のコーム・フィンガを使用してもよいことを、理解すべきである。更に、駆動コーム・フィンガ４８及び／又はモータ・ピックオフ・コーム・フィンガ８０の数及び構成も変えてよいことを、理解すべきである。
【００２０】
図２に示す例示のジャイロスコープ１０において、プルーフ・マス１２は、プルーフ・マス１２が下部基板１６の上で前後に振動するときに、プルーフ・マス１２の空気力学的抵抗を低減するために幾つかの貫通穴１０２を更に含む。図２に示すように、貫通穴１０２は、プルーフ・マス１２の第１と第２の端部９４、９６の間の長さ方向（即ち左右）と、プルーフ・マス１２の第１と第２の側部９８、１００の間の幅方向（即ち上下）との両方で、均一に分散して配されている。この構成において、プルーフ・マス１２の質量は構造全体にわたって均等に配されており、質量の分布は、プルーフ・マス１２の端部９４、９６及び側部９８、１００と、プルーフ・マス１２の中心部１０４とにおいて実質的に同じになっている。モータ駆動軸の方向と直角で中心部１０４を通って延びる中心線Ｃは、プルーフ・マス１２の中心軸を画定する。
【００２１】
図３は、図１〜２の例示的ジャイロスコープ１０の動作を示す概略側面図である。図３に示すように、プルーフ・マス１２、１４の各々は、対応するそれぞれの検知電極５８、６０の上にさしかかるように適合された薄板構造を更に含むことができる。プルーフ・マス１２、１４の各々は、上部１０６、下部１０８、及びその間の厚さを含む。
【００２２】
プルーフ・マス１２、１４が下部支持基板１６の上方を駆動軸２０、３０に沿って前後に動くと、プルーフ・マス１２、１４の長さ全体にわたって均一に分布する重量によって、プルーフ・マス１２、１４は、矢印１１２で概して示すように、回転モードでその重心１１０の回りを回転する。そのような回転は、重心１１０から遠ざかってプルーフ・マス１２の端部９４、９６へ向かう質量分布に部分的に基づいて、誘起される。回転モードにおけるプルーフ・マス１２、１４の回転の振幅及び周波数の特性は、プルーフ・マスの中心線Ｃについてのプルーフ・マス１２、１４の慣性モーメントに、少なくとも部分的に依存することになり、これは、平面領域に対して、概して下記の式から導出できる。
【００２３】
【数１】
2007218905.tif 000003
【００２４】
上記式において、
Ｉｙはプルーフ・マスの中心線についての慣性モーメントであり、
ｘはプルーフ・マスの端部間の差分面積Ａに対する座標である。
【００２５】
それぞれのプルーフ・マス１２、１４への結果的な力Ｆｙは、下記の式から求めることができる。
【００２６】
【数２】
2007218905.tif 000004
【００２７】
上記の式において、
ｋｙは、プルーフ・マスに対するバネ定数である。
【００２８】
従って、質量が重心１１０から更に離れて分布する場合には、プルーフ・マス１２、１４の中心線Ｃについての慣性モーメントは大きくなる傾向にあり、プルーフ・マス１２、１４は矢印１１２で示す方向に回転させられる。プルーフ・マス１２、１４の慣性モーメントが比較的大きいと、プルーフ・マス１２、１４が回転モードで回転する周波数を低下させる。場合によっては、プルーフ・マス１２、１４の端部９４、９６へ向かって質量が分布することによって生じる回転モードの周波数は、プルーフ・マス１２、１４を駆動するのに使用される制御ループ通過帯域の範囲内にあり、駆動電子回路４２と干渉する可能性のある回転高調波を駆動システムにもたらすことがある。用途によっては、駆動電子回路４２が回転モードで始動し、プルーフ・マス１２、１４が所期の駆動モードで適切に作動するのを妨げることがある。
【００２９】
次に図４を参照して、幾つかの不均一に分布された穴または開口を有するプルーフ・マス１１６を含むプルーフ・マス構造１１４の一部分の概略上面図について、説明する。プルーフ・マス１１６は、上述のプルーフ・マス１２と同様に構成されており、同様のエレメントには同様の名称が付けられている。しかしながら、図４の例示的な実施形態においては、穴または開口１１８は、プルーフ・マス１１６の端部９４、９６の方に配されており、プルーフ・マス１１６の内部領域には実質的にそのような穴または開口が存在しない。破線１２２で概して境界を画定されているように、例えば、中心線Ｃと第１端部９４との間に位置するプルーフ・マス１１６の第１の内部領域１２４には、実質的に穴または開口は存在しない。同様に、破線１２６によって更に境界を画定されているように、中心線Ｃと第２端部９６との間に位置するプルーフ・マス１１６の第２の内部領域１２８には、実質的に穴または開口は存在しない。そのような構成において、プルーフ・マス１１６内の質量の分布は、より中心部分１０４に集中しており、それによって、中心線Ｃについてのプルーフ・マス１１６の慣性モーメントが低下する。望まれる場合には、プルーフ・マス１１６の中心線Ｃに沿って配される幾つかの貫通穴１３０を設けて、プルーフ・マス１１６が駆動モード及び検知モードで振動するときの空気力学的抵抗を低減すると共に、プルーフ・マス構造１１４の全体の質量を更に低減することができる。
【００３０】
動作中に、中心部分１０４に向かっての質量分布によって構造の慣性モーメントが低下すると、回転モードにおけるプルーフ・マス１１６の回転周波数が増加する。ある実施形態においては、穴または開口１１８の数、大きさ、及び／又は配置を、プルーフ・マス１１６の回転周波数が駆動システムの制御ループ通過帯域より上になるように、選択することができる。そのような回転周波数の増加は、不適切なモードでのプルーフ・マス１１６の始動及び／又は動作を防止し、所望のモータ・モードでの適切な刺激および動作を確実にする。望まれる場合には、その他の特徴、例えば、プルーフ・マス１１６の製作に使用される材料、プルーフ・マス１１６の厚さ及び寸法、周囲環境の温度及び組成、サスペンション・スプリング３２及びコーム・フィンガ５２、７６の特徴などを選択して、プルーフ・マス１１６の回転周波数を調節することもできる。
【００３１】
図５は、図４の線５−５に沿ったプルーフ・マス１１６の断面図である。図５において分かるように、穴または開口１１８の各々は、プルーフ・マス１１６の上部及び下部１０６、１０８の間の全厚さｔを貫通してもよい。穴または開口１１８の形成は、例えば、適当なエッチング工程を用いて達成可能であり、この工程では、パターン形成されたフォトマスクをプルーフ・マス構造上に適用され、適当な湿式及び／又は乾式エッチング剤を使用して厚さｔを貫く穴または開口１１８がエッチングされる。プルーフ・マス１１６の端部９４、９６の方の質量を低減することに加えて、更に、貫通穴１１８を使用して、駆動モード及び検知モードにおける空気力学的抵抗を低減することができる。
【００３２】
穴または開口１１８はプルーフ・マス１１６の全厚さｔを貫通するように示してあるが、穴または開口１１８は、プルーフ・マス１１６の一部分だけを貫いて延びるものでもよいことを理解すべきである。例えば、図６に示す一つの代替実施形態においては、穴または開口１１８は、プルーフ・マス１１６の上部１０６だけを貫いて延び、下部はそのままに残すものでもよい。図７に示す別の実施形態においては、穴または開口１１８はプルーフ・マス１１６の上部及び下部１０６、１０８の両方を貫いて延びるが、プルーフ・マス１１６の全厚さｔを貫通しないようにすることができる。穴または開口１１８の厚さｔに対しての深さは、プルーフ・マス１１６に所望の機械的性質を与えるために、変えることができる。開口１１８の数、大きさ、形状及び／又は配置などのようなその他の要因を更に選択して、プルーフ・マス１１６の機械的性質を変更することができる。
【００３３】
図８は、穴または開口のアレイを備えるプルーフ・マス１３４を有する別の例示的実施形態による、プルーフ・マス構造１３２の一部分の概略上面図である。プルーフ・マス１３４は、上記で考察したプルーフ・マス１１６と同様に構成されており、同様のエレメントには同様の名称が付けられている。しかしながら、図８の例示的実施形態においては、プルーフ・マス１３４には、プルーフ・マス１３４の端部９４、９６の方に配された穴または開口のアレイを含めることができる。例えば、内部領域１２４の左のプルーフ・マス１３４の第１端部９４の近くに位置する穴または開口の第１のアレイ１３８を設けて、プルーフ・マス１３４の第１端部９４の方のプルーフ・マス構造の質量を低減することができる。同様に、内部領域１２８の右のプルーフ・マス１３４の第２端部９６の近くに位置する穴または開口の第２のアレイ１４０を設けて、プルーフ・マス１３４の第２端部９６の方のプルーフ・マス構造の質量を低減することができる。
【００３４】
穴または開口１３８、１４０のアレイのそれぞれは、行と列の二次元アレイとして配置することができ、アレイ内のそれぞれの穴または開口１３８、１４０が同じ大きさと形状を有するようにすることができる。各アレイは、６つの開口からなる２つの列を有するように示してあるが、より多くの数または少ない数の行及び／又は列を設けることができることを理解すべきである。本明細書における他の実施形態と同様に、穴または開口１３８、１４０は、プルーフ・マス構造の全厚さを貫通するようにしても、また、望まれる場合には、その一部分だけを貫いて延びるようにしてもよい。
【００３５】
図９は、穴または開口の千鳥格子（スタガ）状のパターンまたはアレイを備えるプルーフ・マス１４６を有する別の例示的実施形態によるプルーフ・マス１４４の一部分の概略上面図である。プルーフ・マス１４６は、上記で考察したプルーフ・マス１１６と同様に構成することができ、同様のエレメントには同様の名称が付けられている。しかしながら、図９の例示的実施形態においては、プルーフ・マス１４６には、プルーフ・マス１４６の端部９４、９６の方に配された穴の千鳥格子状パターンまたはアレイを含めることができる。例えば、内部領域１２４の左のプルーフ・マス１４６の第１端部９４の近くに位置する穴または開口の第１のスタガ状パターンまたはアレイ１５０を設けて、その第１端部９４の方のプルーフ・マス１４６の質量を低減することができる。また、内部領域１２８の右のプルーフ・マス１４６の第２端部９６の近くに位置する穴または開口の第２のスタガ状パターンまたはアレイ１５２を設けて、その第２端部９６の方のプルーフ・マス１４６の質量を低減することができる。図９に更に示すように、パターンまたはアレイのそれぞれの垂直列の穴または開口１５０、１５２は、隣接するそれぞれの列の穴または開口１５０、１５２に対してスタガ状に配置することができる。
【００３６】
図１０は、プルーフ・マスのそれぞれの端部に向かって大きさが増大する穴または開口のアレイを備えるプルーフ・マス１５８を有する別の例示的実施形態による、プルーフ・マス構造１５６の一部分の概略上面図である。プルーフ・マス１５８は、上記で考察したプルーフ・マス１１６と同様に構成されており、同様のエレメントには同様の名称が付けられている。しかしながら、図１０の例示的実施形態においては、穴または開口の大きさを、プルーフ・マス１５８の中心線Ｃに対する穴または開口の位置に応じて、変えることができる。内部領域１２４の左のプルーフ・マス１５８の第１端部９４の近くに位置する穴または開口の第１のアレイ１６０は、大きさが様々であり、それぞれの垂直列内のそれぞれの穴または開口の領域の大きさを、第１端部９４に向かうほど増大させることができる。同様に、プルーフ・マス１５８の第２端部９６の近くに位置するプルーフ・マス１５８の穴または開口の第２のアレイ１６２は、大きさが様々であり、それぞれの垂直列内のそれぞれの穴または開口の領域の大きさを、第２端部９６に向かうほど増大させることができる。
【００３７】
図１１は、幾つかのスロットを備えるプルーフ・マス１７０を有する別の例示的実施形態によるプルーフ・マス構造１６８の一部分の概略上面図である。図１１に示すように、プルーフ・マス１７０の第１端部９４の近くに位置する第１のスロット１７２を設けて、内部領域１２４の左のプルーフ・マス１７０の質量を低減することができる。同様に、プルーフ・マス１７０の第２端部９６の近くに位置する第２のスロット１７４を設けて、内部領域１２８の右のプルーフ・マス１７０の質量を低減することができる。使用に際して、スロット１７２、１７４は、本明細書において説明した穴または開口と同様に機能して、中心線についてのプルーフ・マスの慣性モーメントを低減する。本明細書における他の実施形態と同様に、スロット１７２、１７４の数、大きさ、形状及び／又は配置を変えて、ジャイロスコープに所望の機械的性質を与えることができる。実施形態によっては、例えば、スロット１７２、１７４は、各プルーフ・マス１６８の回転周波数をジャイロスコープの制御ループ通過帯域よりも上に増加させるように構成して、回転モードでのプルーフ・マス始動を防止すると共に、駆動システム及び検知システムへ回転高調波がもたらされるのを減少させることができる。
【００３８】
次に図１２を参照して、幾つかの不均一に分布された穴または開口を備えるプルーフ・マスを含む例示のＭＥＭＳ型加速度計１７６の概略上面図について説明する。図１２に示すように、加速度計１７６は、静止フレーム１７８、プルーフ・マス１８０、及びフレーム１７８とプルーフ・マス１８０との間に結合された幾つかのビーム１８２、１８４を含むことができる。動作中に、フレーム１７８の内部１８６において、矢印１８８で概して示すモータ駆動軸に沿ってプルーフ・マス１８０を前後に駆動するように、ビーム１８２、１８４を構成することができる。
【００３９】
プルーフ・マス１８０は、第１端部１９０、第２端部１９２、第１側部１９４及び第２側部１９６を有する実質的に平面の構造を含むことができる。図示した例示的な実施形態において、プルーフ・マス１８０は、プルーフ・マス１８０の各端部１９０、１９２またはその近傍に位置する穴または開口のパターンまたはアレイ１９８を含むことができ、破線２０２によって概して境界を画定したプルーフ・マス１８０の内部領域２００には、そのような穴または開口は実質的に存在しないようにすることができる。
【００４０】
使用に際して、本明細書に記載したその他の実施形態と同様に、プルーフ・マス１８０の両端１９０、１９２の方に穴または開口１９８を分布させることによって、中心線Ｃについてのプルーフ・マス１８０の慣性モーメントを減少させ、その結果として、プルーフ・マス１８０が望まれない振動モードにおいて振動するところの周波数における、随伴的な増加を生じる。この回転周波数における増加については、その望まれない振動モードの周波数を、振動ビーム１８２、１８４を駆動する駆動システムにより使用される制御ループ通過帯域の周波数よりも高くなるように調整して、それにより、所望される駆動モード及び検知モードにもたらされる回転高調波のレベルを低減することができる。
【００４１】
穴または開口は、中心線から離れてプルーフ・マスの各端部に向かって不均一に分散させてもよいが、用途によっては、それと反対の配置、即ち、穴または開口を、プルーフ・マスの各端部から離れてプルーフ・マスの中心線の方に均一に分散させるのが望ましいこともある。例えば、用途によっては、回転モードにおけるプルーフ・マス運動の回転周波数を低下させて、ＭＥＭＳデバイスの動作に影響を与える可能性のある他の望ましくない振動モードを補償するのが望ましいこともある。
【００４２】
図１３に示すそのような一実施形態においては、例えば、プルーフ・マス構造２０４は、各プルーフ・マス端部に向かって大きさが減少する穴または開口２０８のアレイを備えるプルーフ・マス２０６を含むことができる。プルーフ・マス２０６は、上記で考察したプルーフ・マス１２と同様に構成され、同様のエレメントは同様の名称が付けられている。しかしながら、図１３の例示的実施形態においては、穴または開口２０８は、プルーフ・マス２０６の中心線Ｃの方に位置し、プルーフ・マス２０６の端部９４、９６の近くの周辺には、そのような穴または開口は実質的に存在しない。破線２１０で概して境界を画定されているように、例えば、第１端部９４の方に位置するプルーフ・マス２０６の周辺部分には、実質的に穴または開口は存在しない。同様に、破線２１２によって概して境界を画定されているように、第２端部９６の近くの方に位置するプルーフ・マス２０６の周辺部分には、同様に穴または開口は実質的に存在しない。そのような構成において、プルーフ・マス２０６における質量の分布は、中心線Ｃよりも端部９４、９６の近くの方に集中している。動作中に、中心線Ｃまたはその近傍において質量が減少する結果として、その回転モードにおけるプルーフ・マス２０６の回転周波数が低下する。
【００４３】
穴または開口２０８の大きさは、プルーフ・マス２０６の中心線に対する穴または開口２０８の位置に応じて、変えてもよい。図１３の例示的な実施形態においては、例えば、穴または開口２０８の大きさは、中心線Ｃからの距離に応じて変えることができ、それぞれの垂直列内のそれぞれの穴または開口２０８の領域の大きさを、第１及び第２端部９４、９６に向かっていくほど減少するようにしてもよい。異なる大きさの穴または開口２０８のアレイを図１３に示したが、望まれる場合には、その他の穴または開口の構成を使用することもできる。
【００４４】
本発明の幾つかの実施形態を説明したが、当業者であれば、本明細書に添付した特許請求の範囲の範囲に含まれるその他の実施形態を製作して使用することもできることに、容易に気づくであろう。この文書で扱った発明の多数の利点は、前記の説明において記載されている。この開示は、多くの点で、例示のためだけのものであることが理解されるであろう。本明細書において記述した様々な要素について、本発明の範囲を超えることなく変更を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】図１は、例示的ＭＥＭＳ型チューニング・フォーク・ジャイロスコープの概略平面図である。
【図２】図２は、プルーフ・マスが幾つかの均一に分散された貫通穴を含む、図１のプルーフ・マスの一方の構成をより詳細に示す概略上面図である。
【図３】図３は、図１〜２の例示的ジャイロスコープの動作を示す概略側面図である。
【図４】図４は、幾つかの不均一に分散された穴または開口を有する例示的実施形態によるプルーフ・マス構造の一部分の概略上面図である。
【図５】図５は、プルーフ・マスの全厚さを貫通する穴または開口を示す、図４の線５−５に沿ったプルーフ・マスの断面図である。
【図６】図６は、プルーフ・マスの上部だけを貫いて延びる穴または開口を示すプルーフ・マスの別の断面図である。
【図７】図７は、プルーフ・マスの上部及び下部だけを貫いて延びる穴または開口を示すプルーフ・マスの別の断面図である。
【図８】図８は、穴または開口のアレイを有する別の例示的実施形態によるプルーフ・マス構造の一部分の概略上面図である。
【図９】図９は、穴または開口のスタガ状のパターンまたはアレイを有する、別の例示的実施形態によるプルーフ・マスの一部分の概略上面図である。
【図１０】図１０は、各プルーフ・マス端部に向かって大きさが増大する穴または開口のアレイを有する別の例示的実施形態によるプルーフ・マス構造の一部分の概略上面図である。
【図１１】図１１は、幾つかのスロットを有する別の例示的実施形態によるプルーフ・マス構造の一部分の概略上面図である。
【図１２】図１２は、幾つかの不均一に分布された穴または開口を備えるプルーフ・マスを含む例示的な加速度計を示す概略上面図である。
【図１３】図１３は、各プルーフ・マス端部に向かって大きさが減少する穴または開口のアレイを有する別の例示的実施形態によるプルーフ・マス構造の一部分の概略上面図である。
【図１】
2007218905.tif 000005
【図２】
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【図３】
2007218905.tif 000007
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2007218905.tif 000011
【図８】
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【図９】
2007218905.tif 000013
【図１０】
2007218905.tif 000014
【図１１】
2007218905.tif 000015
【図１２】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年3月19日(2007.3.19)
【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】
基板と、
前記基板に隣接する少なくとも１つのプルーフ・マスであって、各プルーフ・マスが、幾つかの端部と、幾つかの側部と、厚みと、前記プルーフ・マスのモータ駆動軸に直角に前記プルーフ・マスの中心部を通って延びる中心線とを有するものである、少なくとも１つのプルーフ・マスと
を備え、
各前記プルーフ・マスが、少なくとも部分的に前記厚みを貫いて形成された複数の穴または開口を含み、前記穴または開口は、前記プルーフ・マス内で不均一に分布されるものである、
ＭＥＭＳデバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスであって、不均一に分布された前記穴または開口は、前記プルーフ・マスの前記中心線から離れて各前記端部の方に位置する、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項３】
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスであって、不均一に分布された前記穴または開口は、前記プルーフ・マスの各前記端部から離れて前記中心線の方に位置する、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項４】
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスであって、前記プルーフ・マスの各前記端部または各前記端部近傍における質量が、前記プルーフ・マスの前記中心部分における質量よりも小さい、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項５】
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスであって、複数の前記穴または開口が、前記プルーフ・マスの各前記端部または各前記端部近傍においてパターンまたはアレイに配される、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項６】
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスであって、複数の前記穴または開口が、前記プルーフ・マスの各前記端部または各前記端部近傍においてスタガ状のパターンまたはアレイに配される、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項７】
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスであって、複数の前記穴または開口が、前記プルーフ・マスの厚さ全体を貫通している、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項８】
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスであって、複数の前記穴または開口が、前記プルーフ・マスの上部だけを貫いて延びている、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項９】
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスであって、複数の前記穴または開口が、前記プルーフ・マスの上部及び下部だけを貫いて延びている、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項１０】
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスであって、それぞれの前記穴または開口の大きさが、前記プルーフ・マスの中心線から離れる方に増加する、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項１１】
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスであって、複数の前記穴または開口が幾つかのスロットを備える、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項１２】
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスであって、前記中心線に沿って前記プルーフ・マスの厚さを貫いて配された幾つかの穴または開口を更に備える、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項１３】
請求項１に記載のＭＥＭＳデバイスであって、前記ＭＥＭＳデバイスはジャイロスコープまたは加速時計である、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項１４】
基板と、
前記基板に結合された少なくとも１つの検知電極と、
前記少なくとも１つの検知電極に隣接する少なくとも１つのプルーフ・マスであって、各プルーフ・マスが、幾つかの端部と、幾つかの側部と、厚みと、前記プルーフ・マスのモータ駆動軸に直角に前記プルーフ・マスの中心部を通って延びる中心線とを有するものである、少なくとも１つのプルーフ・マスと、
前記プルーフ・マスの厚みを少なくとも部分的に貫いて形成された複数の穴または開口であって、前記プルーフ・マスの前記中心線から離れて各前記端部の方に分散されるものである、複数の穴または開口と
を備え、
前記穴または開口の分布は、前記中心線についての前記プルーフ・マスの回転の周波数を増加させるように構成される、
ＭＥＭＳデバイス。
【請求項１５】
請求項１４に記載のＭＥＭＳデバイスであって、前記プルーフ・マスの各前記端部または各前記端部近傍における質量が、前記プルーフ・マスの前記中心部分における質量よりも小さい、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項１６】
請求項１４に記載のＭＥＭＳデバイスであって、複数の前記穴または開口が、前記プルーフ・マスの各前記端部または各前記端部近傍においてパターンまたはアレイに配される、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項１７】
請求項１４に記載のＭＥＭＳデバイスであって、複数の前記穴または開口が、前記プルーフ・マスの各前記端部または各前記端部近傍においてスタガ状のパターンまたはアレイに配される、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項１８】
請求項１４に記載のＭＥＭＳデバイスであって、それぞれの前記穴または開口の大きさが、前記プルーフ・マスの中心線から離れる方に増加する、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項１９】
請求項１４に記載のＭＥＭＳデバイスであって、複数の前記穴または開口が幾つかのスロットを備える、ＭＥＭＳデバイス。
【請求項２０】
基板と、
前記基板に結合された少なくとも１つの検知電極と、
前記少なくとも１つの検知電極に隣接する少なくとも１つのプルーフ・マスであって、各プルーフ・マスが、幾つかの端部と、幾つかの側部と、厚みと、前記プルーフ・マスのモータ駆動軸に直角に前記プルーフ・マスの中心部を通って延びる中心線とを有するものである、少なくとも１つのプルーフ・マスと、
前記プルーフ・マスの第１端部または該第１端部近傍において、前記プルーフ・マスの厚みを少なくとも部分的に貫いて形成された穴または開口の第１のパターンまたはアレイであって、穴または開口を含まない第１内部部分に隣接して配置されるものである、穴または開口の第１のパターンまたはアレイと、
前記プルーフ・マスの第２端部または該第２端部近傍において、前記プルーフ・マスの厚みを少なくとも部分的に貫いて形成された穴または開口の第２のパターンまたはアレイであって、穴または開口を含まない第２内部部分に隣接して配置されるものである、穴または開口の第２のパターンまたはアレイと、
を備えるＭＥＭＳデバイス。
【外国語明細書】
2007218905000001.pdf