JP2007127654A - マイクロメカニカルデバイス、共鳴構造、およびマイクロメカニカルデバイスの励起方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造公差に対してより耐性を有するマイクロメカニカルデバイス、共鳴構造、およびマイクロメカニカルデバイスの励起方法を提供すること。
【解決手段】 共鳴構造１０を備えたマイクロメカニカルデバイス２０であって、共鳴構造１０は、所定方向に延びるビーム１と、ビーム１に取り付けられた少なくとも１つの質量要素２とを備える。共鳴構造１０は、励起されると主に回転する励起運動を行い、共鳴構造１０には、励起運動の大部分がが行われる励起面９が形成され、質量要素２は、共鳴構造１０の回転慣性テンソルの主軸の全てが励起面９の法線と一致しないように構成されていることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、マイクロメカニカルデバイス、このデバイスに利用される共鳴構造、およびこのデバイスの共鳴構造を励起させるマイクロメカニカルデバイスの励起方法に関する。

従来、励起状態にあるセンサー素子の動きに生じた変化により外力を感知するマイクロメカニカルセンサーデバイスが知られている。このようなセンサーデバイスの一例には、車両の転覆検出等の用途に使用される角速度センサーがある（特許文献１など参照）。

このような角速度センサーの一部では、加速度などの外部刺激に応答する共鳴構造を構成し、この共鳴構造の運動を測定して前述した外部刺激の計測を行うような構成とされる。
例えば角速度センサー等のデバイスの各部材は、センサー素子を備えた共鳴構造の励起が、励起運動の所望面に対して法線面でなされるように配置する必要がある。角速度センサーでは、センサーに含まれるセンサー素子が励起電極により、励起電極表面に略平行な動きに振動するよう励起されなくてはならない。つまり、このようなデバイスは、励起運動において、各部材が励起運動の所望面に対して法線方向になるように設計されなくてはならない。

このようなセンサーに含まれるセンサー素子の代表的な構造として、加速度などの外部刺激に応答する単一または複数の質量要素がビームに取り付けられた構造が採用されている。既存のデバイスは、特別に設計された形状を有するビームを使用することによって、所望の励起特性を得ている。ビームの断面は非対称になるよう構成され、かつ、ビームの主軸が質量要素の表面法線に平行にならないような形状になっている（図１参照）。つまり、ビームが表面から湾曲傾向にある。その結果、励起モードでは、小さな部材が質量要素の表面外に位置することになり、そのため、質量要素の表面側から静電駆動可能となる。

特開２００２−２０３９７４号

このようなセンサー技術における問題点は、ビームおよ質量要素のサイズが比較的小さいことから、製造工程における僅かな形状誤差（製造公差）であっても、この製造公差がビームの特性、特にビームの主軸方向に影響を及ぼすことである。そのため、製造公差をどうコントロールするかということが、製造工程における重要事項となる。
このような問題は、前述したようなセンサへの適用に限らず、共鳴構造を使用する他のマイクロメカニカルデバイスにも同様の問題がある。

本発明は、製造公差の影響を回避できるマイクロメカニカルデバイス、共鳴構造、およびマイクロメカニカルデバイスの励起方法を提供することを目的とする。

本発明によるマイクロメカニカルデバイスは
少なくとも１つの共鳴構造と、
前記共鳴構造に励起運動させる励起手段とを備え、
前記共鳴構造は、所定方向に延びるビームと、
前記ビームに取り付けられた少なくとも１つの質量要素とを備え、
前記共鳴構造は、
励起されると主に回転する励起運動を行うものであるとともに、
前記共鳴構造には、前記励起運動の大部分が行われる励起面が形成され、
前記質量要素は、該共鳴構造の回転慣性テンソルの主軸の全てが前記励起面の法線と一致しないように構成されていることを特徴とする。

さらに、本発明によるマイクロメカニカルデバイスにおいて使用される共鳴構造は、
ビームと、
該ビームに取り付けられた、少なくとも１つの質量要素とを備え、
前記共鳴構造は、励起されると主に回転する励起運動を行うものであるとともに、
前記共鳴構造には、前記励起運動の大部分が行われる励起面が形成され、
前記質量要素は、前記共鳴構造の回転慣性テンソルの主軸の全てが前記励起面の法線と一致しないように構成されている
ことを特徴とする。

さらに、本発明によるマイクロメカニカルデバイスの励起面で共鳴構造を励起するマイクロメカニカルデバイスの励起方法は、
共鳴構造の回転慣性テンソルの主軸がいずれも励起面の法線とならないように構成された形状を有する質量要素を少なくとも１つ設けておき、
前記共鳴構造が前記励起面の法線方向に励起運動するよう励起する
ことを特徴とする。

次に、本発明の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。
図２を参照すると、本実施形態の共鳴構造１０は、例えば結晶シリコンの基板（図４の基板１１参照）に構成される。この共鳴構造１０は、所定方向（図２の紙面直交方向、図４のＹ軸方向）に延びるビーム１と、このビーム１に取り付けられた単一または複数の質量要素２とを備えている。共鳴構造１０は、例えば、センサー素子としてもよく、また、車輪の回転からエネルギーを得てセンサーデバイスなどのデバイスを駆動する装置と一体として設けられてもよい。

図２に示す本実施形態において、ビーム１は例えば矩形など規則的な断面形状を有し、単一または複数の質量要素２は不規則的な断面形状を有する。具体的に、ビーム１の断面形状は矩形であるため、その対角線の交点および断面形状の中心（重心）は点Ｃ１に単純に一致する。しかし、質量要素２の断面形状においては、両端の対角位置に凹部が形成され、これにより一方には厚みの比較的薄い辺縁部２Ａ（質量要素２の全厚みより薄い）が形成され、他方には厚みが比較的厚い辺縁部２Ｂ（質量要素２の全厚みより厚い）が形成されている。その結果、質量要素２の概略輪郭（実線および点線で示される長方形）の中心が点Ｃ１であるのに対し、質量要素２の断面形状の中心は点Ｃ２に偏ることになる。

ここで、本実施形態の共鳴構造１０と図１に示す先行技術によるセンサー素子１０Ａとを比較すると、従来のセンサー素子１０Ａは、不規則的な断面形状を有するビーム３および規則的な断面形状を有する質量要素４を備えている。そして、従来のセンサー素子１０Ａは、背景技術でも述べた通り、ビーム３の断面形状を不規則にすることで所望の励起特性を得ていた。
これに対し、本実施形態の共鳴構造１０では、質量要素２の端部形状を調整することにより、質量要素２の断面形状を不規則にし、これにより所望の励起特性を確保することができる。そして、励起特性の確保が質量要素２側で行えるようにすることで、ビーム１の断面形状による調整が不要となり、ビーム１の断面形状を単純な矩形とすることが可能となり、細かな部分の製造に伴う形状誤差の発生の可能性を大幅に低減することができ、製造公差の影響を大幅に緩和することができる。
従って、本発明に基づく共鳴構造によって、不規則なビーム断面を有する従来のデバイスと同等の動作が可能なセンサーデバイスが提供されるだけでなく、製造公差に対してより耐性のあるセンサーデバイスを提供することができる。

図３Ａ〜図３Ｅに、質量要素２の具体的な形状例を示す。各図において、質量要素２にはその端部に前述した辺縁部２Ａ，２Ｂの一方または両方が形成され、断面形状の不規則化がなされている。
各図において、質量要素２の表面（ＸＹ平面）は共鳴構造１０の励起面９となる。質量要素２の回転慣性テンソル主軸はＸ、Ｚとして示されており、質量要素２の断面形状の不規則化によって変更された主軸はそれぞれＸ´、Ｚ´として示される。質量要素２の形状は、回転慣性テンソルの主軸が励起面９（ＸＹ平面）の法線（Ｚ軸）にならないように構成されている。
一方、ビーム１は、励起面９の法線方向の断面形状が矩形など規則的な断面形状を有する。これにより、小さな部材が表面外におかれる励起モードとなり、例えばセンサー素子等の共鳴構造１０の一方側から、共鳴構造１０を励起させ、また検出することが可能になる。

図３Ａに示すように、質量要素２の断面形状は、ビーム１の中心を通る軸について非対称に、かつビーム１の長手方向に平行に構成されてもよい。図３Ａにおいては、一本のビーム１の中間に２つの質量要素２が配置され、各質量要素２にはその一方の端部のみに比較的薄い辺縁部２Ａが形成されている。
図３Ｂに示すように、図３Ａに示す質量要素２の形状を変形して、ビーム１の中心を通る軸について線対象となるが、面対称とはならないような形状にしてもよい。図３Ｂにおいては、一本のビーム１の中間に２つの質量要素２が配置され、各質量要素２にはその両端にそれぞれ比較的薄い辺縁部２Ａおよび比較的厚い辺縁部２Bが形成されている。辺縁部２Ａと辺縁部２Ｂとは、互いに質量要素２の上下逆側に形成されており、質量要素２の断面形状はビーム１の中心軸に対してほぼ点対称（質量要素２としてはビーム１の中心軸に対してほぼ線対称）となっている。ここで、辺縁部２Ａと辺縁部２Ｂとの厚みの相違があるが、実用上問題にならない程度に収められればよい。

これまでは、一本のビーム１の中間に質量要素２を設けた例を説明したが、本発明は一本のビーム１の先端に質量要素２を設けた片持ち式の共鳴構造１０にも適用できる。
図３Ｃに示すように、ビーム１の先端に質量要素２を設け、その両側に辺縁部２Ａ、辺縁部２Ｂを設けてもよい。このような構成においては前述した図３Ｂと同様な特性が得られる。
図３Ｄに示すように、ビーム１の先端に質量要素２を設け、その一方の側に辺縁部２Ｂだけを設けてもよい。このような構成においては前述した図３Ａと同様な特性が得られる。

以上の各例では、辺縁部２Ａ、辺縁部２Ｂがビーム１の延びる方向に沿って形成されていたが、励起特性の調整に利用できればビーム１と交差する方向であってもよい。
図３Ｅに示すように、ビーム１の先端に質量要素２を設け、そのビーム１と接続されるのとは反対側に辺縁部２Ｂを設けてもよい。このような構成においても、質量要素２の断面形状が不規則化されるため、その調整により所望の励起特性を得ることが可能となる。

前述した図３Ａ〜図３Ｅの各形状において、共鳴構造１０が励起面９（ＸＹ平面）で動くよう励起することが望ましく、共鳴構造１０の励起運動の大部分が、励起面９において行われることが望ましい。また共鳴構造１０は、励起されると回転運動を主とする励起運動を行うよう構成されてもよい。その後、例えば、共鳴構造１０にコリオリの力を作用させる運動（センサー素子が搭載される車両など外部の角運動）は、励起状態にあるセンサー素子１０のＺ方向の運動を検出することで検出可能である。励起状態の各部材がＸＹ平面の法線方向つまりＺ方向にあるということは、Ｚ方向に励起させる励起手段を用いることで、ＸＹ平面において所望の励起運動を間接的に静電駆動することが可能ということである。

図４において、マイクロメカニカルデバイス２０は、励起面９（ＸＹ平面）に平行な軸廻りの回転運動における角速度を感知するセンサーとして機能するものであり、前述した共鳴構造１０をセンサー素子として用いるものである。
マイクロメカニカルデバイス２０は、結晶性シリコンウエハからなる基板１１を有し、この基板１１の中央に形成された開口部分にはビーム１がいわば橋状に掛け渡されている。ビーム１の中間部分には質量要素２が形成されている。
本実施形態において、質量要素２は一つであるが、複数がビーム１に設置されてもよい。一つの基板１１に複数のビーム１が設けられていてもよい。ビーム１は両端が基板１１に固定される両持ち形式に限らず、一方の端部だけが基板１１に固定されるいわゆる片持ち形式としてもよく、この場合には質量要素２はビーム１の固定されていない端部に配置されていてもよい。
マイクロメカニカルデバイス２０は、励起手段である励起電極５および検出手段である検出電極６を備え、かつ励起面９（ＸＹ平面）に平行な軸廻りの角速度を感知する。励起電極５は使用時に、励起面の法線方向に共鳴構造１０が励起運動をするよう励起する。一方で検出電極６は、励起電極５により引き起こされたのではない励起面の法線方向の動きを検出する。デバイス２０はこのような共鳴構造１０を１つ以上備えていてもよい。

本発明のセンサー素子を用いれば、不規則なビーム断面を有する従来のデバイスと同等の動作が可能なセンサーデバイスが提供されるだけでなく、製造公差に対してより耐性のあるセンサーデバイスを提供することができる。

他にも本発明による共鳴装置は、車両に搭載して使用されるエネルギー発生装置に応用できる。ここで、コリオリの力は有用なエネルギーに変換される。、変換エネルギーのうち一部はデバイスにフィードバックされ励起手段を駆動するために使用され、また一部は車両に搭載されたセンサーデバイスの電力として使用される。さらに共鳴構造１０は、励起状態になると、その回転軸が車両の車輪において、車輪の回転軸にほぼ直交するように固定される。上述の共鳴装置は、振動が主に回転運動からなるデバイスであれば、どのようなデバイスにも適用可能である。

従来のセンサー素子を模式的に示す断面図である。 本発明の共鳴構造の一実施形態を模式的に示す概念断面図である。 前記実施形態の共鳴構造の更に具体的な形状を示す斜視図である。 前記実施形態の共鳴構造の更に具体的な形状を示す斜視図である。 前記実施形態の共鳴構造の更に具体的な形状を示す斜視図である。 前記実施形態の共鳴構造の更に具体的な形状を示す斜視図である。 前記実施形態の共鳴構造の更に具体的な形状を示す斜視図である。 本発明のマイクロメカニカルデバイスの一実施形態を示す斜視図である。

符号の説明

１ ビーム
２ 質量要素
２Ａ，２B 辺縁部
５ 励起手段である励起電極
６ 検出手段である検出電極
９ 励起面
１０ 共鳴構造（センサー素子）
２０ マイクロメカニカルデバイス

Claims (15)

1. 少なくとも１つの共鳴構造と、
   前記共鳴構造に励起運動させる励起手段とを備えたマイクロメカニカルデバイスであって、
   前記共鳴構造は、所定方向に延びるビームと、
   前記ビームに取り付けられた少なくとも１つの質量要素とを備え、
   前記共鳴構造は、
   励起されると主に回転する励起運動を行うものであるとともに、
   前記共鳴構造には、前記励起運動の大部分が行われる励起面が形成され、
   前記質量要素は、前記共鳴構造の回転慣性テンソルの主軸の全てが前記励起面の法線と一致しないように構成されている
   ことを特徴とするマイクロメカニカルデバイス。
2. 請求項１に記載のマイクロメカニカルデバイスにおいて、
   前記共鳴構造の前記ビームは前記励起面に直交する方向の断面が矩形であることを特徴とするマイクロメカニカルデバイス。
3. 請求項１または請求項２に記載のマイクロメカニカルデバイスにおいて、
   前記共鳴構造の前記質量要素は、前記ビームの断面形状の中心を通る軸線について非対称に、かつ、前記ビームの長手方向軸線に平行に構成されていることを特徴とするマイクロメカニカルデバイス。
4. 請求項１または請求項２に記載のマイクロメカニカルデバイスにおいて、
   前記共鳴構造の前記質量要素が、前記ビームの断面形状の中心を通る軸線について線対称であり、かつ前記ビームの長手方向軸線に平行に構成されているが、前記ビームの断面形状の中心を通る軸線について面対称にはなっていないことを特徴とするマイクロメカニカルデバイス。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のマイクロメカニカルデバイスにおいて、
   前記共鳴構造はセンサー素子であることを特徴とするマイクロメカニカルデバイス。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のマイクロメカニカルデバイスにおいて、
   前記マイクロメカニカルデバイスはセンサーデバイスであり、
   前記励起手段は使用時に、前記励起面の法線方向に前記共鳴構造が励起運動をするよう励起し、
   前記マイクロメカニカルデバイスはさらに、使用時に前記励起手段によらない前記励起面の法線方向の動きを検出する検出手段を備えた
   ことを特徴とするマイクロメカニカルデバイス。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のマイクロメカニカルデバイスにおいて、
   前記共鳴構造は励起されると主に回転運動を行うように構成されていることを特徴とするマイクロメカニカルデバイス。
8. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のマイクロメカニカルデバイスにおいて、
   前記マイクロメカニカルデバイスはエネルギー発生装置であり、
   前記共鳴構造は励起されると主に回転運動を行うように構成され、
   前記共鳴構造は使用時に、励起状態にある前記共鳴構造の回転軸が車輪の回転軸に略直交するように前記車輪に固定され、
   前記マイクロメカニカルデバイスはさらに、使用時に、励起状態にある前記共鳴構造のコリオリの力を変換しエネルギーを発生させる
   ことを特徴とするマイクロメカニカルデバイス。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれかに記載のマイクロメカニカルデバイスにおいて、
   前記励起手段が前記共鳴構造の励起運動を静電駆動することを特徴とするマイクロメカニカルデバイス。
10. マイクロメカニカルデバイスに使用される共鳴構造であって、
    前記共鳴構造は、
    ビームと、前記ビームに取り付けられた、少なくとも１つの質量要素とを備え、
    前記共鳴構造は、励起されると主に回転する励起運動を行うものであるとともに、
    前記共鳴構造には、前記励起運動の大部分が行われる励起面が形成され、
    前記質量要素は、前記共鳴構造の回転慣性テンソルの主軸の全てが前記励起面の法線と一致しないように構成されている
    ことを特徴とする共鳴構造。
11. 請求項１０に記載の共鳴構造において、
    前記ビームはその断面が前記励起面の法線となることを特徴とする共鳴構造。
12. 請求項１０または請求項１１に記載の共鳴構造において、
    前記質量要素は、前記ビームの断面形状の中心を通る軸線について非対称に、かつ、前記ビームの長手方向軸線に平行に構成されていることを特徴とする共鳴構造。
13. 請求項１０または請求項１１に記載の共鳴構造において、
    前記質量要素が、前記ビームの断面形状の中心を通る軸線について線対称であり、かつ前記ビームの長手方向軸線に平行に構成されているが、前記ビームの断面形状の中心を通る軸線について面対称にはなっていないことを特徴とする共鳴構造。
14. 請求項１０ないし請求項１３のいずれかに記載の共鳴構造において、
    前記共鳴構造はセンサー素子であることを特徴とする共鳴構造。
15. マイクロメカニカルデバイスの励起面で共鳴構造を励起するマイクロメカニカルデバイスの励起方法であって、
    共鳴構造の回転慣性テンソルの主軸がいずれも励起面の法線とならないように構成された形状を有する質量要素を少なくとも１つ設けておき、
    前記共鳴構造が前記励起面の法線方向に励起運動するよう励起する
    ことを特徴とするマイクロメカニカルデバイスの励起方法。

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