(57)【要約】【課題】平面外に移動可能なモバイルマスを有するマイクロ電子機械装置を提供する。【解決手段】本発明は、力センサーとして使用されるマイクロ電子機械装置に関し、スプリングまたは変形可能なエレメントによって一つ以上のアンカリングエリアに接続されるモバイルマスと、モバイルマスの変位を検知する手段と、外部フレームおよび内部ボディを有し、外部フレームおよび内部ボディは、外部フレームの二つの異なる側に接続されるデカップリングスプリングを形成する少なくとも二つの可撓部によって接続される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｘ軸およびｙ軸に沿う平面を定義するレイヤーを有する半導体基板から形成されるマイクロ電子機械装置であって、前記レイヤーに垂直な軸はｚ軸を定義し、
前記基板に対して固定される少なくとも一つのアンカリングエリア（４、１４、２４、３４、４４）と、
ｘ軸に沿う方向の回転軸周りの回転によってｚ軸に沿って前記基板の平面外の変位が可能な少なくとも一つのモバイルマスと、
前記モバイルマスを前記アンカリングエリア（４、１４、２４、３４、４４）に接続する少なくとも一つの変形可能なエレメント（１０、１１０、２１０、３１０、４１０）と、
前記モバイルマスの変位を検知する少なくとも一つの検知手段（３）と、を有し、
前記モバイルマスは、サポート構造を形成する第１の部分（８、１８、２８、３８、４８）と、前記モバイルマスのメインボディを形成する第２の部分（１１、１１１、２１１、３１１、４１１）とを有し、前記第１の部分（８、１８、２８、３８、４８）は、前記変形可能なエレメント（１０、１１０、２１０、３１０、４１０）によって前記アンカリングエリアに接続され、前記第１の部分および前記第２の部分（１１、１１１、２１１、３１１、４１１）は、前記第１の部分の二つの異なる側に接続されるデカップリングスプリングを形成する少なくとも二つの可撓部（７、１１７、２１７、２２７、３０７、３３７、４３７）によって接続されることと、前記アンカリングエリアに対して相対的に前記モバイルマスの第２の部分（１１、１１１、２１１、３１１）の変位を制限するストップ（（９、１１９、２２９、３０９）を形成する前記第２の部分および前記基板の間の少なくとも一つの共同の領域を有することとを特徴とするマイクロ電子機械装置。
【請求項２】
前記第１の部分は、前記モバイルマスのメインボディを形成する前記第２の部分を囲むフレームを形成する請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記モバイルマスのメインボディを形成する前記第２の部分は、前記第１の部分の周囲に配置される請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記可撓部（７、１１７）は、ｙ軸に沿って前記モバイルマスの内部ボディ（１１、１１１）のｙ軸に沿った長さの半分以上の距離をおいて離れて配置される請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記可撓部（７、３０７）は、曲げ変形可能なビームである請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記可撓部（１１７、２１７、２２７、３３７、４３７）は、互いに相対的にゼロでない角度を有する複数の連続するセグメントを有する請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記装置は、少なくとも四つの可撓部（７）を有し、前記可撓部（７）は、２対２で相互に対向して配置される請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記モバイルマスの前記メインボディ（１１、１１１、２１１、３１１）のためのストップ（９、１１９、２２９、３０９）を形成するための前記領域は、前記アンカリングエリア（４、１４、２４、３４）に対向して位置するモバイルマスの側部の手前に配置される請求項１〜７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記モバイルマスの前記メインボディ（４１１）のためのストップ（４２９）を形成するための前記領域は、前記基板にアンカリングされ、前記モバイルマスの前記メインボディ（４１１）の凹部に嵌合される柱状部である請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記ストップ（９、１１９、３０９）は、上面から見てＴ字状である請求項８に記載の装置。
【請求項１１】
前記ストップ（１１９）の側部に凸状の突起を有する請求項８〜１０のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１２】
前記モバイルマスの前記メインボディ（１１、１１１、３１１、４１１）は、前記ストップ（９、１１９、３０９、４２９）の形状を実質的に補完する形状を備えた凹部を有する請求項８〜１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１３】
横方向のストップを形成する領域（１３９）は、前記モバイルマスの前記側部に対向して設けられる請求項８〜１１のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１４】
横方向のストップを形成する前記領域（１３９）は、丸みを帯びた突起を有する請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
ｘ軸に沿った少なくとも一つの第１可撓部（２１７）とｙ軸に沿った少なくとも一つの第２可撓部（２２７）とを有する請求項１〜１４のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ電子機械システム、あるいはＭＥＭＳと称される装置に関する。本発明は、特に、センサーを形成する変形可能なエレメントおよびゲージが当該力センサーに加わる。強い機械的ストレスによる破壊から保護される力センサータイプのマイクロ電子機械構造に関する。
【０００２】
本発明は、たとえば、加速度計、ジャイロメーター、および磁力計、あるいは圧力センサーにも適用され、より一般的には、様々な種類の力の適用に伴う移動可能部分の変位の計測が望まれるいかなる装置にも適用される。
【背景技術】
【０００３】
高度なエッチングおよび成長の技術が、特にマイクロ電子機械において用いられるようになってから、マイクロおよびナノ電子機械装置またはセンサーの製造が現実的になっている。そのような装置は、センサーの分野や、エミッター、アクチュエーター、受動デバイス等の分野において様々な応用が可能であるため、大きな感心を集めている。それらは、たとえば、自動車産業、航空産業、あるいは携帯電話において、より大きく巨視的な装置を置換するために用いられる。
【０００４】
マイクロ電子機械センサーの中で、たとえば、加速度計、ジャイロメーター、または磁力計のような力センサーは、一般的には、移動可能な質量体（モバイルマス）と、力の影響による当該質量体の変位を計測する計測手段とを有する装置の形態で利用される。
【０００５】
図１に示すように、力センサーのモバイルマス１は、一般に、半導体材料のレイヤーの形態であり、特に、１０または数１０ミクロンのオーダーの厚みを有するシリコンであり、回転軸の周囲において曲げや捻り等の変形が可能なエレメント２によって基板５上に保持される。変形可能なエレメント２は、スプリングとも称され、好ましくは、モバイルマス１の側端の一つのレベルに位置する。スプリング２自体は、基板に取り付けられた固定されたアンカリング領域４に接続される。図１に示される３軸ｘ、ｙ、ｚは、モバイルマス１の回転軸に沿う方向のｘ軸、静止したモバイルマス１の平面に沿う方向でありｘ軸に垂直な方向のｙ軸、静止したモバイルマス１およびにより定義される平面に垂直な方向であり、基板５からモバイルマス１に向かう方向であるｚ軸として定義される。好ましくは、この種の装置は、シリコン・オン・インシュレーター（ＳＯＩ）タイプの基板、モバイルマス１がエッチングされるシリコンレイヤーを基板５から分離する電気的絶縁酸化物レイヤー６から形成される。
【０００６】
モバイルマスの動作の検知手段は、一般に、モバイルマスの変位が静電容量システムの二つの電極を互いに離間させたり近接させたりして、エアーキャップの変動、すなわち当該システムのキャパシタンスの変動を起こさせる静電容量システムの形態である。検知手段の一例が、米国特許４７３６６２９に記載されている。変形例として、図１に示すように、モバイルマス１の変位に対する圧縮および引張を感知する一つまたは複数のピエゾ抵抗素子のゲージ３を用いる力センサーがある。両方のケースにおいて、力センサーの感度は、モバイルマスによって許容される変位の大きさと、モバイルマスの動作の検知手段の位置によって決定される。また、加わるひずみに応じて共振器の共振周波数が変化する機械共振器をひずみゲージとして用いることも可能である。
【０００７】
ピエゾ抵抗素子のゲージ３は、好ましくは、ゲージ３に加わる圧縮および引張のひずみを可能な限り増大させるように配置される。そのような操作は、力センサーの検知感度を増大させることを目的とする。
【０００８】
また、ゲージ３における圧縮／引張の変形により生成されるひずみは、ひずみに比例したゲージ３の抵抗の変化をもたらす。ピエゾ抵抗素子のゲージ３に電圧を印加することによって、モバイルマス１の変位によってもたらされ、加えられる変形に比例する、関連する抵抗の変化を検知することが可能となる。モバイルマス１の変位は、それに加わる外力によるため、ピエゾ抵抗素子のひずみゲージを用いることにより、抵抗の変化の計測に基づいて、力の値を知ることができる。単位力あたりの抵抗の変化が大きいほど、マイクロ電子機械力センサーの感度が高い。
【０００９】
たとえば、仏国特許２９５４５０５および仏国特許２９４１５３３に記載されるような、モバイルマスの平面外の変位を伴うピエゾ抵抗素子のゲージ３を備える力センサーは、通常は、図１に示すように、破壊閾値を超えることなく最大の圧縮および引張を受けるように、ピエゾ抵抗素子のゲージ３を、アンカーポイントの近くに、モバイルマスの上面および／または下表に合わせてｚ軸に沿うように配置することを提案する。
【００１０】
モバイルマス１が、ｘ軸および／またはｙ軸に沿って、平面内における変位を生成する機械的ストレスを受けるようにすることも可能である。そのような変位は、ひずみゲージ３の不可逆変形を発生させ、力センサーを使用不能にする。この不利益を解消するため、仏国特許２９４１５３３において提案されているように、ｘ軸周りに変形可能な二つのタイプのエレメントを用いて、捻り変形可能なエレメント２を曲げ変形可能なエレメントと結合し、モバイルマス１の変位をｘ軸およびｙ軸によって定義される平面に限定することは有益である。また、捻り変形可能なエレメントは、ｙ軸に沿った変位には弱点を有する一方、ｘ軸に沿った変位に対して良好な抵抗を提供する。同様に、曲げ変形可能なエレメントは、ｘ軸に沿った変位には弱点を有する一方、ｘ軸に沿った変位に対して良好な抵抗を提供する。このように、両方のタイプの変形可能なエレメント２は、ｘ軸に沿った変位およびｙ軸に沿った変位の両方に対して、補足的な抵抗を提供し、ひずみゲージ３の保護を可能とする。
【００１１】
しかし、そのような変形可能なエレメントの結合は、測定範囲および可動範囲を同時に最適化できないという不利益を有する。測定範囲は、センサーが検知可能な全ての力の値を意味し、可動範囲は、その値の範囲外においては基板上でモバイルマスが停止する値のセットを意味する。測定範囲は、可動範囲の中に含まれる。可動範囲の上限は、測定範囲の上限よりも数十パーセント大きいことが望ましい。
【００１２】
曲げ変形可能なエレメントおよび捻り変形可能なエレメントを組み合わせた場合、機械的な感度は低く、可動範囲は測定範囲よりも大きく、二つの範囲の比率は、一般には１０程度である。
【００１３】
二つの範囲をより合わせるために、二つの解決策が可能である。
【００１４】
一つ目の解決策は、基板をモバイルマスに近づけ、他の全ては同じとし、可動範囲を減少させる。これは、モバイルマスがエッチングされるレイヤーを基板から分離する酸化物レイヤーの厚みを減少させることにより実行される。しかし、この一つ目の解決策には、３００ｎｍの厚みに相当する下限が存在し、これを下回ると酸化物レイヤーを化学的技術によって生成することが困難となり、またモバイルマスが基板に接着するリスクが増大するため、十分でない。
【００１５】
測定範囲を可動範囲に近づけるための二つ目の解決策は、機械的な感度を増大させることである。後者はＳｍと称され、単位力あたりのｚ軸に沿ったモバイルマスの最大変位に対応する。この変位は、モバイルマスに適用される力Ｆ、モバイルマスの重心および回転軸間の距離Ｄｇ、モバイルマスの長さＬ、および変形可能なエレメントの剛度Ｋによって、下記の関係式によって表現される。
【００１６】
Ｓｍ＝ＦＤｇＬ／Ｋ
機械的な感度を増大させるために、モバイルマスの長さは増大され、回転軸をモバイルマスの重心から引き離し、結果としてＤｇが増大する。これを行った場合でも、得られる機械的な感度の増大は、二つの範囲を合わせるためには不十分である。
【００１７】
機械的な感度を増大させる他の方法は、変形可能なエレメントの剛度を減少させることである。ここで、同じ次元において、曲げ変形可能なエレメントの剛度は、捻り変形可能なエレメントの剛度よりも大きい。そのため、力センサーのモバイルマスの機械的感度を増大させるように、捻り変形可能なエレメントを選択することが望ましい。この方法によりもたらされる不利益は、ひずみゲージがｙ軸に沿ったストレスを受け、それらに不可逆的な損傷を与えうることである。
【００１８】
当業者は、モバイルマス上における横方向の力、すなわちｘ−ｙ平面内であり主にｙ軸に沿う力を加えることによる機械的ストレスから、ひずみゲージを保護しつつ、可動範囲が測定範囲に十分に近くなるような機械的感度を提供する、平面外の変位を伴う力センサーにおいて、剛度が低い変形可能なエレメント、好ましくは捻り変形可能なエレメントを使用可能とする解決策はないことを知っている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明の目的の一つは、ｘ軸およびｙ軸によって定義される平面外において平面外の変位を伴い、モバイルマスのｙ軸およびｙ軸によって定義される平面におけるストレスに強く、高い機械的感度を有する力センサーを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
これを実現するために、本発明は、ｘ軸およびｙ軸に沿う平面を定義するレイヤーを有する半導体基板から形成されるマイクロ電子機械装置を提供し、レイヤーに垂直な軸はｚ軸を定義し、当該装置は、基板に対して固定される少なくとも一つのアンカリングエリアと、ｘ軸に沿う方向の回転軸周りの回転によってｚ軸に沿って基板の平面外の変位が可能な少なくとも一つのモバイルマスと、モバイルマスをアンカリングエリアに接続する少なくとも一つの変形可能なエレメントと、モバイルマスの変位を検知する少なくとも一つの検知手段とを有する。
【００２１】
本装置のモバイルマスは、二つの部分を有する。第１の部分は、サポート構造を形成し、変形可能なエレメントによってアンカリングエリアに接続され、第２の部分は、モバイルマスのメインボディを形成する。第１および第２の部分は、第１の部分の二つの異なる側に接続されるデカップリングスプリングを形成する少なくとも二つの可撓部によって接続される。装置は、モバイルマスのメインボディの変位を制限するストップを形成するメインボディおよび基板の間の少なくとも一つの共同の領域を有する。
【００２２】
モバイルマスを形成するメインボディをサポート構造に接続するデカップリングスプリングの使用は、サポート構造の平面外の変位からメインボディの平面内の変位をデカップリングすることを可能とする。さらに、メインボディの質量は、サポート構造よりも大きい慣性を有するように、サポート構造の質量よりも大きく、好ましくは、かなり大きい。これにより、モバイルマスに加えられる力は主にモバイルマスのメインボディにおいて作用する。
【００２３】
装置に対してｙ軸に沿って加えられる力は、モバイルマスの平面において、モバイルマスのサポート構造に対してメインボディの変位を引き起こす。そのようなサポート構造に対するメインボディの変位は、特に、可撓部またはデカップリングスプリングの弾性変形による。可撓部は、弾性閾値および破壊閾値を有し、ストップは、二つの閾値に到達しないようにモバイルマスのメインボディから距離をおいて配置される。すなわち、ストップを形成する領域は、デカップリングスプリングが準線形の弾性動作をする前およびスプリングの異なるブランチが互いに接する前に有効になる。したがって、これは、モバイルマスの動作を検知する部材を保護でき、制限された大きさの変位のみ許容できる。
【００２４】
モバイルマスの平面において、特にｙ軸に沿って加えられる外力が大きいと、メインボディは、モバイルマスの平面においてｙ軸に沿って、ストップに接触するまでモバイルマスに対して移動する。この場合、外力の影響によるこの動作に起因するエネルギーは、ストップとの衝突によって吸収される。モバイルマスの平面において、特にｙ軸に沿って、加えられる外力が小さいと、モバイルマスのメインボディは、わずかしか移動しないか、全く移動せず、装置に加えられる外力に関する全てのエネルギーは、アンカリングエリアにおいて消散される。
【００２５】
実際には、モバイルマスのサポート構造およびメインボディの相対的な配置について、複数の形状が想定される。したがって、サポート構造は、モバイルマスの内部ボディを形成するメインボディを囲む外部フレームを形成してもよい。逆に、メインボディがサポート構造の周囲に配置され、サポート構造が、メインボディが周囲に配置される中央ビームを形成してもよい。
【００２６】
モバイルマスをアンカリングエリアに接続する変形可能なエレメントは、好ましくは、低い剛度を提供し、力センサーの機械的感度を増大させる捻り変形可能なエレメントの中から選択される。これにより、本発明の装置は、力センサーの高い機械的感度を確保でき、ｘ軸およびｙ軸によって定義される平面における、主にｙ軸に沿った機械的ストレスに対するひずみゲージを保護する。
【００２７】
デカップリングスプリングについて、様々な形状が想定される。それぞれの場合において、デカップリングスプリングはｚ方向に沿って高い剛度を有し、メインボディおよびサポート構造について、ｚ方向に沿って同じ大きさの、同調した動作を提供する。すなわち、可撓部のｚ方向に沿った剛度は、メインボディおよびサポート構造が実質的に常に同じ平面にあるように設定される。一方、デカップリングスプリングは、ｘ軸およびｙ軸によって定義される平面において、特にｙ軸に沿って、低い剛度を有し、サポート構造に対するメインボディの平面内での動作を許容するように提供される。このように、可撓部、またはデカップリングスプリングによって提供されるデカップリングは、モバイルマスに加えられる外力を選択的に分散させる。特に、モバイルマスに加えられる外力のｚ方向に沿う成分は、可撓部の変形を起こさせず、モバイルマスに加えられる外力のｘ方向およびｙ方向に沿う成分は、可撓部の変形を起こさせる。
【００２８】
実施形態によれば、可撓部は、ｙ軸に沿って、モバイルマスのメインボディのｙ軸に沿った長さの半分より大きい距離をおいて離れて配置される。
【００２９】
そのように可撓部またはデカップリングスプリングの間に間隔をあけることにより、メインボディおよびサポート構造を常に同じ平面に維持できる。
【００３０】
実施形態によれば、少なくとも二つの可撓部は、モバイルマスのｘ軸に沿った幅の半分よりも長く延びる。
【００３１】
この長さに関する条件によって、デカップリングスプリングのｘ方向に沿った剛度を大きく減少させることなく、可撓部またはデカップリングスプリングのｙ軸に沿った剛度を減少させることができる。
【００３２】
デカップリングスプリングを形成する可撓部について、異なる形状も上述した要件を満たす。
【００３３】
可撓部は、曲げ変形可能なビームでもよい。このシンプルな形状により、ｚ軸に沿って高い剛度を提供し、ｙ軸に沿って低い剛度を提供する寸法を有するビームを容易に形成できる。そのようなビームは、ｘ軸に沿っても高い剛度を有する。
【００３４】
実施形態によれば、可撓部は、互いに相対的にゼロでない角度を有する複数の連続するセグメントを有する。
【００３５】
そのような可撓部またはデカップリングスプリングは、所望の方向に沿って、特に、ｚ軸に沿って高い剛度を保ち、ｘ軸に沿っていくぶん少ない剛度を保ちつつ、ｙ方向に沿って、スプリングの剛度をさらに減少させることができるため、有益である。
【００３６】
実施形態によれば、装置は、少なくとも四つの可撓部を有し、当該可撓部は、２対２で互いに対向して配置される。そのような形状により、ｙ軸に沿ってできるだけ対照にデカップリングを行うことができ、これは、ひずみのより均質な分散や温度変化への耐性の向上につながる。
【００３７】
可撓部の破壊点、さらに好ましくは、可撓部の弾性限界に到達することを防止可能な距離において、基板にアンカリングされ、モバイルマスの内部ボディに対向して配置されたたストップは、異なる方法において形成されうる。
【００３８】
実施形態によれば、本発明の装置は、モバイルマスのメインボディのためのストップを形成する少なくとも一つの領域を有し、ストップは、アンカリングエリアに対向して位置するモバイルマスの手前に配置される。
【００３９】
ストップを形成するために、さらに異なる形状が想定される。
【００４０】
第１の実施形態によれば、装置は、モバイルマスのメインボディのためのストップを形成する少なくとも一つの領域を有してもよく、ストップは、基板にアンカリングされ、モバイルマスのメインボディの凹部に嵌合される柱状部でもよい。
【００４１】
第２の実施形態によれば、ストップは、上面から見てＴ字状であってもよい。
【００４２】
他の実施形態によれば、ストップの側部は凸状の突起を有する。
【００４３】
ストップの側部に凸状の突起が存在し、モバイルマスに対向する凸部が存在することにより、モバイルマスおよびストップの接触や接着のリスクを最小化でき、内部の動作エレメントのロバスト性を最大化できる。ストップの側部およびモバイルマスの側部において互いに対向する凸部により、力センサーの健全性を損なわない方法において機械的衝撃のエネルギーを分散できる。
【００４４】
モバイルマスの内部ボディのためのストッピング領域を形成するストップの配置について、様々な実施形態が想定される。
【００４５】
第１の場合、モバイルマスのメインボディは、ストップの形状を実質的に補完する形状を有する凹部を有することが可能である。すなわち、ストップは、基板に対して固定され、モバイルマスにおいてこの目的のために提供されるハウジングに統合される。好ましくは、ストップおよびモバイルマス間の接触ができるだけローカルになるように、十分なスペースを提供することによって、凸部が側部または凹部の対向する面に提供される。良好なひずみの分散が提供され、接着リスクや破片の発生リスクが制限される。
【００４６】
他の場合における変形例として、ストップをモバイルマスに固定的に接続し、メインボディから突出させ、基板の固定された部分に形成される凹部において変位するように形成してもよい。ストップが基板にアンカリングされ、モバイルマスのメインボディの外部に位置する場合でも、ストップが凸部を有するような構成としてもよい。
【００４７】
ｚ軸に沿った動作においてモバイルマスをガイドし、ｘ軸に沿った機械的ストレスによる衝撃を最小化するために、本発明の装置は、モバイルマスの側部に対応して配置される横方向ストップを形成する領域を有してもよい。
【００４８】
好ましくは、横方向ストップを形成する領域は、モバイルマスとの衝突時の力を分散させ、損傷を避けるために、丸みを帯びた突起を有する。
【００４９】
ｘ軸およびｙ軸の両方に沿った機械的ひずみゲージを保護するために、直交する方向に沿った少なくとも二つの可撓部またはデカップリングスプリングとして、ｘ軸に沿った少なくとも一つの第１可撓部と、ｙ軸に沿った少なくとも一つの第２可撓部とを有する。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
本発明は、添付の図面に関する例として提供される下記の説明を参照することによりよく理解され、同じ参照番号は同じまたは類似する要素を示す。
【図１】ＡおよびＢは、平面外の変位を伴う従来の力センサーの上面図および側面図である。
【図２】第１の実施形態に係る平面外の変位を伴う力センサーの上面図である。
【図３】第２の実施形態に係る平面外の変位を伴う力センサーの上面図である。
【図４】第２の実施形態に係る平面外の変位を伴う力センサーに組み込まれたデカップリングスプリングの上面図である。
【図５】第３の実施形態に係る平面外の変位を伴う力センサーの上面図である。
【図６】第４の実施形態に係る平面外の変位を伴う力センサーの上面図である。
【図７】第５の実施形態に係る平面外の変位を伴う力センサーの上面図である。
【図８】第６の実施形態に係る平面外の変位を伴う力センサーの上面図である。
【００５１】
図面の要素は、理解の容易化のために拡大されていることがあり、実際の寸法とは異なることがある。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
ｘ軸およびｙ軸によって形成される平面におけるモバイルマスの意図しない動作による機械的ストレスに対するモバイルマスの変位を測定するためのひずみゲージを保護しつつ、増大された機械的感度を有することを可能とする、平面外の変位を伴う力センサーを形成するマイクロ電子機械装置が説明される。「平面外の変位」はｚ軸に沿って発生する変位を示し、「平面内の変位」はｘ軸およびｙ軸によって定義される平面において発生する変位を示す。
【００５３】
図２に示すように、本発明は、圧縮および引張を感知するひずみゲージ３および捻り変形可能なエレメント１０によって、二つの部分に分離されうるモバイルマスに接続される少なくとも一つのアンカリングエリア４を有し、モバイルマスは、外側フレーム８から形成される第１の部分すなわちサポートフレームと、内部ボディから形成される第２の部分すなわちモバイルマスのメインボディとに分離されうる。内部ボディ１１の質量は、モバイルマスの合計質量の半分以上になる。したがって、内部ボディ１１は、外部フレーム８よりも大きな慣性を有する。二つの部分は、デカップリングスプリング７と称される少なくとも二つの曲げ変形可能なエレメントを介して相互に接続される。デカップリングスプリング７は、これらの二つの部分の平面外の動作を強く拘束しつつ、平面内における外部フレームの動作から内部ボディ１１の動作をデカップリングすることを許容するように構成される。したがって、外部フレーム８および内部ボディ１１は、実質的に常に同じ平面に存在するが、この同じ平面における内部ボディ１１の変位および外部フレーム８の変位は異なりうる。
【００５４】
図２に示すように、本発明の力センサーは、アンカリングエリア４および捻り変形可能なエレメント１０を有する端部とは逆の端部において、ｙ軸に沿う平面において加えられる大きな外力によってモバイルマスの内部ボディ１１を接触させるストップ９を形成するエリアを有する。ストップ９は、基板に対するアンカリング４を有し、異なる形状であってもよい。図２において、ストップ９は、上面から見てＴ字型であるが、ストップ９のために他の形状が用いられてもよい。図７において、ストップ９は、モバイルマスの内部ボディ１１に形成される凹部の内部に設けられる。モバイルマスの内部ボディに凹部を形成することなく、モバイルマスの内部ボディの反対側にストップを配置することも可能である。
【００５５】
平面においてシステムに加えられる外力が、装置の形状的特徴、特に内部ボディ１１の質量、デカップリングスプリング７の剛度、および内部ボディをストップ９から分離する距離によって決定される閾値よりも大きい値を有するとき、内部ボディ１１は、ストップ９と接触する。この場合、デカップリングスプリング７は、ｙ軸に沿って、装置の形状によって許容される最大限まで張り詰められ、装置に対してｙ軸に沿って加えられる外力に関連するエネルギーの大部分は、この内部ボディ１１およびストップ９間の衝突において分散される。さらに、外部フレーム８は、アンカリングエリア４を介して、この力によってもたらされるエネルギーの部分を分散することによって、装置に対して加えられるｙ軸に沿った外力の影響を受ける。しかし、外部フレーム８における装置に対して加えられるｙ軸に沿った外力の影響は、内部ボディ１１におけるこの力の影響に比べるとわずかである。
【００５６】
デカップリングスプリング７は、それを超えると曲げ変形が不可逆となる弾性限界と、それを超えるとデカップリングスプリング７が破壊される破壊点を有する。ストップ９は、デカップリングスプリング７の曲げ変形が破壊点を超えないように、好ましくは弾性限界を超えないように、モバイルマスの内部ボディ１１の反対に距離をおいて設けられる。これにより、力センサーの寿命が延びる。
【００５７】
当業者は、同じ原理を、ｘ軸に沿って装置に加えられる外力から力センサーを保護するために適用しうる。
【００５８】
図２の実施形態において、デカップリングスプリング７は、曲げ変形可能なビームである。デカップリングスプリング７は内部ボディ１１の両側に設けられ、好ましくは、カップリングスプリング７の捻り変形を防止可能な距離をおいてｘ軸およびｙ軸に沿って離れて設けられる。この距離は、好ましくは、モバイルマスの内部ボディ１１の全長の少なくとも半分に対応する。実際、デカップリングスプリング７が十分に適合して配置されていない、すなわち、デカップリングスプリング７が互いに近すぎたり、あるいは内部ボディ１１の同じ側に配置されていたりする場合、平面外における内部ボディ１１および外部フレーム８の動作がデカップリングされ、ひずみゲージ３の全ての変位測定が変更される。図２に示される実施形態によれば、本発明の力センサーは、２対２で互いに対向する四つのデカップリングスプリング７を有し、したがって、外部フレーム８を内部ボディ１１により強く拘束し、外部フレーム８および内部ボディ１１は実質的に常に同じ平面に存在する。複数のデカップリングスプリング７は、内部ボディ１１および外部フレーム８の間に配置され、スプリングは、互いに対向しないように設けられてもよい。
【００５９】
図３は、本発明の他の実施形態に係る力センサーを示し、特に、デカップリングスプリング１１７が、曲げ部分がジグザグ形状を有するＳ字状を形成するように互いに接続されたセグメントに設けられる点で、図２の実施形態とは異なる。デカップリングスプリング１１７は、モバイルマスの内部ボディ１１１の両端に反対側に設けられる。図４は、デカップリングスプリング１１７の上面図を示す。
【００６０】
図３および図４に示されるデカップリングスプリング１１７は、ｙ軸に沿った平面内の変位に対して低い剛度を有し、ｘ軸またはｚ軸に沿った変位に対して高い剛度を有するという利点を有する。
【００６１】
図３に示されるように、デカップリングスプリング１１７は、モバイルマスの内部ボディ１１１の幅の半分よりも大きいｘ軸に沿った長さを有する。これは、ｙ軸に沿った曲げ変形の自由度を最適化しつつ、効果的なデカップリングを可能とする。
【００６２】
図３に示される外部フレーム１８の形状は、図２に示される外部フレーム８とは異なる。当業者は、外部フレームの質量がモバイルマス合計質量の５０％より小さければ、特に、外部フレームの質量がモバイルマスの内部ボディの質量よりも小さければ、外部フレームの形状について幅広く様々な形状を選択できる。
【００６３】
図３に示される力センサーは、モバイルマスの相対する側方に、アンカリングエリア１４に近接して、に凸状の突起１３９の形態の横方向のストップを有する。横方向のストップ１３９は、ｘ軸に沿った変位を制限して、モバイルマスをガイドするために用いられてもよい。同様に、アンカリングエリア１４に対向する端部に位置するストップ１１９の両側に、凸状の突起として形成された追加のストップ１２９が配置されてもよい。追加のストップ１２９は、ｙ軸に沿って大きすぎる変位があった場合に、モバイルマスの内部ボディ１１１をストップさせるための追加の担保を形成する。
【００６４】
図３に示されるように、ストップ１１９は、好ましくは、凸状の側部を有する。本実施形態において、モバイルマスの内部ボディ１１１に形成された凹部は、ストップ１１９の形状を実質的に補完する形状を有する。ストップ１１９の凸部は、図３の構成図における補完的なくぼみの凹部に対向するものではないが、図示しない他の実施形態においてそのように構成されてもよい。ストップ１１９の両側部の凸部および対向するモバイルマスの部分を使用することにより、ストップ１１９に対するモバイルマスの衝撃を引き起こすｙ軸に沿った変位の間、モバイルマスの内部ボディ１１１の損傷を防止することができる。
【００６５】
図５に示される実施形態によれば、ｘ軸およびｙ軸に沿って向けられた一つ以上のデカップリングスプリングの対が、ｘ軸およびｙ軸の両方に沿った平面において発生する変位のデカップリングを許容するように結合される。ストップ２２９は、好ましくは、モバイルマスの隣接する側部に対向して配置される。
【００６６】
図６は、異なる原理の二つのデカップリングスプリング３３７、３０７、すなわち、アンカリングエリア３４に対向するモバイルマスの内部ボディ３１１の端部に近接するモバイルマスの外部フレーム３８にモバイルマスの内部ボディ３１１を接続する曲げビーム３０７と、「アコーディオンスプリング」と称されるデカップリングスプリング３３７とを使用する他の実施形態を示す。デカップリングスプリング３３７は、一方がモバイルマスの外部フレーム３８に、もう一方がモバイルマスの内部ボディ３１１に接続される二つの対向する端部によって接続されるダイヤモンド構造を形成するように相互に接続された少なくとも四つのセグメントの形態として設けられる。「アコーディオン」デカップリングスプリング３３７は、内部ボディ３１１および外部フレーム３８に対する接続がｙ軸に沿うように配置される。
【００６７】
図７は、本発明の第５の実施形態に係る力センサーを示し、モバイルマスの内部ボディ４１１のｙ軸に沿った二つの端部が、「アコーディオン」デカップリングスプリング４３７によって外部フレーム４８に接続される。基板５にアンカリングされた柱状のストップ４２９は、モバイルマスの内部ボディ４１１に形成された凹部に配置される。
【００６８】
図８は、代替的な構成を示し、メインボディ５１およびサポート構造５５の相対的な位置関係が図２の実施形態の逆にされている。より具体的には、アンカリングエリア４に接続される横断ビーム５６から垂直に延びる中央ビーム５８の形態としてサポート構造５５が設けられる。メインボディ５１は、中央ビーム５８の周囲に配置され、横断部５４によってその対向する端部がアンカリングエリア４に接続される二つの側部５２、５３を有する。スプリング５７は、中央ビーム５８に沿う面において対照的に設けられ、中央ビームをメインボディの側部５２、５３に接続する。図２の実施形態のように、ストップ９は基板に対するアンカリングエリア４を有し、モバイルマスのメインボディ５１の横断ビーム５４に形成される凹部に設けられる。もちろん、メインボディの中央または周囲への配置は、上述した異なる実施形態においても用いられる。
【００６９】
上述した発明は、平面外の変位を伴う力センサーのひずみゲージを平面内において発生する機械的ストレスから保護し、力センサーの高い機械的感度を確保し、モバイルマスを形成する内部ボディおよび外部フレームの平面外における動作の統合を許容し、両方の構成は実質的に常に同じ平面に存在し、平面において外部フレームに対する内部ボディの相対的な変位を許容するデカップリングスプリングによってモバイルマスの外部フレームの平面における変位から内部ボディの変位をデカップリングするという利点を提供する。
【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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【国際調査報告】
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