JP2010145394A - プルーフマスの回転を最小化する慣性センサを吊るすためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】慣性センサにおいて、感度を低下させずに、線形入力に対する応答を低減する。
【解決手段】ＭＥＭＳ装置は、少なくとも１つの基板、少なくとも１つのプルーフマス、および吊り下げシステムを含む。吊り下げシステムは、少なくとも１つのプルーフマスを基板に接続する少なくとも１つの屈曲部を有し、また、分割支持梁を備える、少なくとも１つのアンカー吊り下げ素子を有する、分割支持梁は、第１分割部分と第２分割部分とを有する。第１分割部分および第２分割部分は湾曲した形状である。これにより、差動モード入力に対して可撓性を有し、共通モードに対して剛性を有するアンカー吊り下げ素子を実現できる。
【選択図】図４−１

Description

本発明は、プルーフマスの回転を最小化する慣性センサを吊るすためのシステムおよび方法に関する。

機械式共振器および慣性センサのような微小電気機械センサ（ＭＥＭＳ）装置は、駆動入力および特定の軸に沿う慣性力に対する応答を形成するために、機械的な吊り下げ部を用いる。これらの吊り下げ部は、所望の入力に対して最適な感度を提供し、同時に、望まない入力に対する感度を最小にするように設計される。特に重要な領域は、実質的に線形な力の入力に対する、センサのプルーフマスの回転運動を最小化することである。プルーフマスの回転運動は、不正確なセンサの出力、線形力入力に対する感度の低下、および他の多くの有意な性能特性の全体的な低下に寄与する。

回転運動に対する抵抗が特に重要である、吊り下げ素子を備える例示的なＭＥＭＳ装置は、平面外音叉型ジャイロスコープ（ＯＰＧ）である。ＯＰＧは、典型的には、少なくとも２つのプルーフマスを含み、また、各プルーフマス上に配置される上部基板、および／または各プルーフマスの下に配置される下部基板を備える。

さらに、ＯＰＧは典型的には、プルーフマスの両側に側方駆動モーター（たとえば櫛形駆動モーター）を備え、側方駆動モーターは、昆虫の平均棍に類似して、側方駆動軸に沿ってモーターの共振周波数で連続的に振動するようにプルーフマスを駆動する。基板の平面に垂直な軸を中心とする回転入力により、プルーフマスは、駆動軸に垂直であり且つ入力回転軸に垂直なコリオリ力を受ける。コリオリ力は、基板の平面に平行であり且つ駆動軸に垂直な、２つのプルーフマスの等しく反対の運動（差動変位）を生成する。このプルーフマスの差動変位はトランスデューサにより測定される。トランスデューサは典型的には噛み合う櫛のフィンガーペアからなり、容量センサを形成するために、各ペアの１つの部材は基板に取り付けられ、他の部材はプルーフマスに取り付けられる。センサキャパシタンス上のＤＣ検知バイアス電圧の存在において、プルーフマスの差動変位は、入力回転速度に比例してセンサキャパシタンス上の電荷の変化を生じさせる。典型的には、電荷の変化は、電子増幅器により出力電圧に変換される。出力電圧の入力回転速度に対する割合は装置のスケールファクタを画定する。

図１は従来技術によるＯＰＧ１０を示し、ＯＰＧ１０は、均一な剛性の屈曲吊り下げ素子１６を備えるクロスバー部分１２に連結された複数の吊り下げられたプルーフマス２０を備える。ＯＰＧ１０の駆動運動は、検出軸３２に沿ってプルーフマス２０の間に位置するアンカー吊り下げ素子１８により、プルーフマス２０の間に連結される。検出軸３２に平行に走る矢印２２および矢印２６は、軸上の応答の方向を示し、検出軸３２に垂直に走る矢印２４および矢印２８は、軸外の応答の方向を示す。この構成において、矢印２２、２６で示される検出軸運動は検出軸３２に平行に走り、矢印２４、２８で示される駆動軸運動は検出軸３２に垂直に走り、両方の運動はＯＰＧ１０の平面内にある。プルーフマスの望ましくない回転運動は、ＯＰＧ１０の平面に垂直な軸３０を中心に生じる。

図２−１は、差動力（矢印５０、５２）を受ける吊り下げ素子１８を示している。図２−２は、共通モードの力（矢印４６、４８）を受けるアンカー吊り下げ素子１８を示している。差動力は、応力を受けた右側部分および左側部分を備える吊り下げ素子１８（低剛性応答）内に有意な曲げを生じさせる。反対の差動入力力は、軸３０を中心とするプルーフマス２０の望ましくない回転を生じさせる。共通モードの力は、均一な共通モードの力に応答して、吊り下げ素子１８を曲げる（高剛性応答）。

さらに、組み合わされた屈曲吊り下げ素子１６および駆動軸２８に沿うアンカー吊り下げ素子１８の運動は、検出軸２６に沿うプルーフマス２０の所望の差動運動に干渉し得る。この干渉は、差動検出運動を生じさせ、反対方向の回転特性を備え（図３参照）、望ましい純粋な平行特性に反対である。他の重要な性能特性もまた悪影響を受け、この悪影響は、検出モードの静電的なバネ軟化の低下、再平衡トルク電極に関連する力の静電アクチュエータの強さの低下、所望の回転入力に対するセンサの感度の低下（スケールファクターとして測定される）を含む。

本発明は、軸外運動を最小化する慣性センサの吊り下げ部のためのシステムおよび方法を提供する。本発明は、入力回転軸を中心とする回転を測定するための微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサ、すなわちＭＥＭＳジャイロスコープを含む。このＭＥＭＳ装置は、基板、少なくとも１つのプルーフマス、および吊り下げシステムを含む。吊り下げシステムは、少なくとも１つのプルーフマスを基板に（クロスバーを介して）接続する少なくとも１つの屈曲部、第１分割部分おおよび第２分割部分を備える分割支持梁を有する少なくとも１つのアンカー吊り下げ素子、を含む。第１分割部分および第２分割部分は、湾曲した形状である。

本発明のさらなる側面によれば、アンカー吊り下げ素子は、実質的に叉骨（wishbone）の形状であり、また、差動入力力または共通モード入力力に応答して、少なくとも１つのプルーフマスの入力回転軸の周の回転運動に抵抗するように構成される。

本発明の他の側面によれば、少なくとも１つの屈曲部は、実質的にペアピン形状であり、また、差動入力力または共通モード入力力に応答して、少なくとも１つのプルーフマスの入力回転軸の周の回転運動に抵抗するように構成される。

本発明の好ましい実施形態および代替実施形態を以下に添付図面とともに説明する。添付図面は以下のとおりである。

従来技術による音叉型ジャイロスコープの概略図である。 従来技術による音叉型ジャイロスコープのアンカー吊り下げ素子の拡大図である。 従来技術による音叉型ジャイロスコープのアンカー吊り下げ素子の拡大図である。 従来技術によるアンカー吊り下げ素子の応答を示す図である。 本発明の一実施形態によるＭＥＭＳ装置のアンカー吊り下げ素子の拡大図である。 本発明の一実施形態によるＭＥＭＳ装置のアンカー吊り下げ素子の拡大図である。 本発明の一実施形態によるアンカー吊り下げ素子の概略図である。 本発明の一実施形態によるＭＥＭＳ装置の、一対の屈曲吊り下げ素子の拡大図である。 本発明の一実施形態によるＭＥＭＳ装置の、一対の屈曲吊り下げ素子の拡大図である。 本発明の様々な実施形態による吊り下げ部の設計テストデータのグラフである。 本発明の様々な実施形態による吊り下げ部の設計テストデータのグラフである。 本発明の様々な実施形態による吊り下げ部の設計テストデータのグラフである。 本発明の様々な実施形態による吊り下げ部の設計テストデータのグラフである。

本発明は、改良された微小電気機械センサ（ＭＥＭＳ）吊り下げ部の設計を提供し、この吊り下げ部は、ＭＥＭＳ装置内の有害なプルーフマスの軸外運動を最小化するために複数の吊り下げ素子を用いる。例示的な一実施形態において、差動検出軸運動を受け取るように（たとえば異なる剛性により）最適化された複数の屈曲吊り下げ素子を、差動モード入力に対して可撓性であり且つ共通モード入力に対して剛性であるアンカー吊り下げ構造に結合することにより、これが達成される。両方の吊り下げ素子を結合することは、ＭＥＭＳ装置内のプルーフマスの望ましくない回転運動を有利に最小化する。一実施形態において、ＭＥＭＳ装置は、限定するわけではないが、平面外音叉型ジャイロスコープ（ＯＰＧ）に関する。

図４−１は、本発明の一実施形態によるＭＥＭＳ装置８０内にアンカー吊り下げ素子８４を示している。ＭＥＭＳ装置８０は２つのプルーフマス８１を含み、これらはそれぞれ複数の屈曲吊り下げ素子８３とともにクロスバー８２に連結される。また、ＭＥＭＳ装置８０は、クロスバー８２に接続され且つ下ＭＥＭＳ基板（図示せず）にアンカー留めされる、複数のアンカー吊り下げ素子８４を含む。

図４−２は、アンカー吊り下げ素子８４を示し、この吊り下げ素子８４は、アンカー８８、２つの支持梁８６、および各クロスバーの薄い区画９０を含む。例示的な実施形態において、アンカー吊り下げ素子８４は概ね叉骨形状に形成され、また、屈曲吊り下げ素子８３は概ねヘアピンバネ形状に形成される。各支持梁８６は、第１端部において第１幅だけ隔てられてアンカー８８に取り付けられる。支持梁８６の第２端部は、第２幅だけ隔てられて同一のクロスバー８２に取り付けられる。第１幅は第２幅よりも小さい。薄い区画９０は、支持梁８６の接続された第２端部の間に位置する。

アンカー吊り下げ素子８４および屈曲吊り下げ素子８３は、差動力（矢印９２および矢印９８）に応答する入力回転軸の周りのプルーフマス８１の回転運動に抵抗するように、または、共通モード力（矢印９２および９４）によるプルーフマスの直線運動に抵抗するように設計される。上述のような効果を生じさせることができるならば、支持梁８６の他の形状を用いることができる。

図５−１は、アンカー吊り下げ素子８４がどのように差動力（矢印９２、９８）に応答するかを示している。クロスバー８２の薄い区画９０の左側部分１１０と分割支持梁８６の右側部分８６−１とは、吸収応答（圧縮）により、作用する差動力（矢印９２、９８）を補償し、また一方で、同時に、薄い区画９０の右側部分１０８と分割支持梁８６の左側部分８６−２とは、伸長により差動力に応答する。

図５−２は、アンカー吊り下げ素子８４がどのように共通モード力（矢印９２、９４）に応答するかを示している。左部分１１０、右部分１０８、および分割支持梁８６の左部分８６−１、右部分８６−２は、均一な安定化応答により作用する共通モード力（矢印９２、９４）を補償する。

アンカー吊り下げ素子８６の左右部分の共働応答は、差動入力および共通モード入力に対する改良された選択的な剛性を提供し、それにより、個別的なプルーフマスの検出軸に沿う純粋な直線運動を可能にする。さらに、プルーフマスの望ましくない軸外運動は最小化され、共振周波数間隔が、プルーフマスの差動運動および共通モード運動からなるモード間で維持される。

図６−１は、プルーフマス８１をそれぞれのクロスバー８２に連結する屈曲吊り下げ素子８３を示している。図６−２は、プルーフマス８１の両側に配置される屈曲吊り下げ素子８３が変化する剛性の２つのヘアピンバネ屈曲部８３−１、８３−２である実施形態を示しており、各屈曲部８３−１、８３−２は、複数の細長い接続部１２６、１３４を備え、また、２つのクロスバー部分１２８、１３２を備える複数のバネ部分と、１つの接続部分１３０を備える。一実施形態において、細長い接続部の一方１３４はクロスバー８２に接続され、他方の細長い接続部分１２６はプルーフマス８１に接続される。ヘアピンバネ屈曲部８３−１、８３−２は、部分１２６、１３４が同一になり、部分１２８、１３２が同一になるように中心について対称である。

一実施形態において、２つの隣接するヘアピンバネ屈曲部８３−１、８３−２の要素部分（１２６、１２８、１３０、１３２、１３４）は、異なる厚さ、長さ、幅、密度、形状、または材料とすることができ、異なる検出軸の運動およびプルーフマス８１の回転抵抗を受け取るようにヘアピンバネ屈曲部８３−１、８３−２は個別的に最適化される。

アンカー吊り下げ素子８４と組み合わされると、最適化された屈曲吊り下げ素子８３は、さらに差動入力力に応答するプルーフマス８１の回転を最小化することを助ける。ＭＥＭＳ装置の差動検出応答の回転の厳格さ（severity）は、センサ入力力に応答して運動するときに描くプルーフマスの回転半径により特徴つけられる。純粋な直進運動においては、軸外成分はなく、プルーフマス８１は無限の半径で運動する。有限の回転が存在する場合、軸外成分は半径の減少とともに増加する。一実施形態において、本発明の組み合わされた吊り下げ素子（８４および８３）は、存在する従来技術の設計（たとえば図１−３）と比較して、２より大きいファクターで差動検出運動の半径を増加させることができる。

一実施形態において、吊り下げ素子（８４および８３）は、共通モード入力を、吊り下げ部応答を硬くする引っ張りおよび圧縮になるように導き、一方で、吊り下げ部応答を、差動モード入力を柔軟にする曲げに導く。これらの２つ効果の組み合わせの交換は、吊り下げ素子要素を選択的に、薄くする、厚くする、短くする、または長くすることにより達成される。他の実施形態において、また、この効果は、アンカー吊り下げ素子８４の曲率を変更する、または、屈曲吊り下げ素子８３のバネ（１２８、１３０、１３２）の配置または形状を変更することにより達成され得る。

試験データは、本発明の吊り下げシステムを組み込んだ装置の感度が優位に増加したことを示す。さらに、プルーフマスの差動運動のためのバネ定数の静電軟化（electrostatic softening）が増加した。プルーフマスに取り付けられたＭＥＭＳ力再平衡トルクアクチュエータの強さは、増加した。図７は、ＭＥＭＳ装置（たとえばＯＰＧ）の試験データ（１４２、１４４）のグラフを示し、従来技術による吊り下げシステム（図１−３）と本発明の吊り下げシステムとのためのＭＥＭＳ装置内の静電軟化の効果を示している。グラフ中の各データ点は１つのセンサを表し、検出バイアス電圧を１．０Ｖから７．５Ｖまで変化させたときの、検出共振周波数（deltaＳＯＬＦ、Ｈｚの単位）における測定された電荷を示し、モーター共振周波数（ＭＣＬＦ、Ｈｚの単位）を示し、ＭＣＬＦはバイアス電圧が変化しても有意に変化しない。検出共振周波数は、図１に示す検出軸３２に沿う２つのプルーフマスの差動運動からなる共振モードに対応する。この検出バイアス電圧にともなう共振周波数のシフトは、静電軟化によるものである。データ１４２は、本発明の吊り下げシステムを備えるＤ１６Ｅの型式のセンサからのものである。データ１４４は、図１−３に類似する従来技術の吊り下げシステムＤ１６Ｄからのものである。Ｄ１６ＤとＤ１６Ｅとの設計の唯一の違いは、吊り下げ部の設計である。図７におけるデータは、Ｄ１６Ｅセンサは、類似のモーター共振周波数を備えるセンサが比較されたときに、Ｄ１６Ｄの場合よりも約８０Ｈｚ大きな検出周波数シフトを示している。したがって、Ｄ１６Ｅセンサにおける本発明の吊り下げシステムは、Ｄ１６Ｄセンサにおける従来技術の吊り下げシステムと比較して、静電軟化の有意な増加をもたらす。

図８は、ＭＥＭＳ装置（たとえばＯＰＧｓ）試験データのグラフ１５０であり、検出容量の様々な値を備えるＭＥＭＳ装置の測定されたスケールファクター（ratedSF）を示している。本発明の吊り下げシステム（Ｄ１６Ｅセンサ）は、従来技術（Ｄ１６Ｄセンサ）の測定データ１５４と比較してより高いratedSFに対応する測定データ１５２を備える。図８はＤ１６ＥおよびＤ１６Ｄの検出容量が同等であることを示しているので、Ｄ１６Ｅのより高いスケールファクターは、より高い検出容量によるものではない。

図９は、ＭＥＭＳ装置（たとえばＯＰＧｓ）試験データ（１６２、１６４）のグラフ１６０であり、検出共振周波数とモーター共振周波数との間の様々な値の分離（ＤｅｌｔａＦ）を備えるＭＥＭＳ装置の測定されたスケールファクター（ratedSF）を示している。ＭＥＭＳジャイロスコープのスケールファクターは、ＤｅｌｔａＦに反比例する。本発明の吊り下げシステム（Ｄ１６Ｅセンサ）は、従来技術（Ｄ１６Ｄセンサ）の測定データ１６４と比較してより高いrated スケールファクターに対応する測定データ１６２を備える。また、Ｄ１６Ｅセンサは、Ｄ１６Ｄセンサの場合よりも大きなＤｅｌｔａＦを備え、これは、Ｄ１６Ｄセンサの場合よりもＤ１６Ｅセンサのスケールファクターを減少させる傾向がある。本発明の吊り下げシステムは、Ｄ１６ＥセンサにおけるＤｅｌｔａＦの効果を補償する以上の効果である。

図１０は、有限要素モデリングシミュレーションにより得られる、ＯＰＧのプルーフマスの計算された回転半径を示すグラフ１７０であり、図６Ｂに示される吊り下げ部８３−２の検出軸剛性に対する吊り下げ部８３−１の検出軸剛性の比の関数として示している。剛性比が大きくなると、回転半径は増加し、プルーフマスの運動は、望ましい検出軸に沿う純粋な直線の場合に近づく。

本発明のいくつかの実施形態が図示および説明されたが、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに多くの変形形態が可能である。本発明の範囲は、開示されたいかなる実施形態によっても限定されない。本発明の範囲は添付の特許請求の範囲により決定される。

Claims (3)

1. 入力回転軸に沿う回転を測定するための微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置（８０）であって、前記装置は、
   基板と、
   少なくとも１つのプルーフマス（８１）と、
   吊り下げシステムと、を有し、
   前記吊り下げシステムは、少なくとも２つのクロスバー（８２）と、
   少なくとも１つの前記プルーフマスを前記クロスバーの１つに接続する少なくとも１つの屈曲部（８３）と、
   少なくとも２つのアンカー吊り下げ素子（８４）と、を有し、前記アンカー吊り下げ素子（８４）は、第１分割部分および第２分割部分を備える分割支持梁（８６）を有し、少なくとも２つの前記アンカー吊り下げ素子は、少なくとも２つの前記クロスバーと基板アンカーとの間に接続され、前記第１分割部分および前記第２分割部分の第１端部は第１幅だけ隔てられ、前記第１分割部分および前記第２分割部分の第２端部は第２距離だけ隔てられ、前記第１幅は前記第２幅よりも小さい、装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、少なくとも２つの前記アンカー吊り下げ素子は、差動力に応答する、少なくとも１つの前記プルーフマスの前記入力回転軸の周りの回転運動に抵抗し、且つ、共通モード入力力による直線運動に抵抗するように構成される、装置。
3. 請求項１に記載の装置であって、前記アンカー吊り下げ素子はさらに、前記第１分割部分を前記第２分割部分に接続するアンカー（８８）を有し、前記第１分割部分および前記第２分割部分は湾曲している、装置。
   
   
   

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