JP2017510795A - 改良されたリングジャイロスコープ構造およびジャイロスコープ - Google Patents

改良されたリングジャイロスコープ構造およびジャイロスコープ Download PDF

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Abstract

中央スプリング構造を有する、26モードを好み好み、かつそれらの周波数を低くするリングジャイロスコープ構造。外部からの機械的励起に対して連動する傾向の屈曲共振モードは、26モードよりも明らかに高い。図の構造は、こうして、外部からの機械的衝撃と振動に対して非常に堅牢である。【選択図】図1

Description

発明の分野
本発明は、微小電気機械デバイス、および、特に独立請求項の前文に記載するジャイロスコープ構造およびジャイロスコープに関する。
発明の背景
微小電気機械システム(マイクロエレクトロメカニカルシステム;Micro−Electro−Mechanical System)、即ち、MEMSは、小型化された機械的システムおよび電気機械的システムであって、少なくともいくつかの要素が機械的機能性を有するもの、と定義できる。MEMSデバイスは、集積回路の作成に使用するツールと同じものを使って作られるので、複数のマイクロマシンとマイクロエレクトロニクスとを1片のシリコン上に組み立てて、先進のマシンが可能となる。
MEMS構造は、物理的性質(physical properties)におけるごく僅かな変化を迅速かつ正確に検出するために適用できる。例えば、微小電気機械のジャイロスコープは、ごく僅かな角変位を迅速かつ正確に検出するために適用できる。運動(motion)は、3直交方向における並進と3直交軸の周りの回転の、6自由度を有する。後者の3つは、ジャイロスコープとしても知られる角速度センサによって測定され得る。MEMSジャイロスコープは、角速度の測定にコリオリの効果を利用する。質量体が1方向において運動中に回転角速度が加えられると、質量体は、コリオリ力の結果として直交方向の力を受ける。そして、コリオリ力によって結果として生じた物理的変位が、例えば、容量型、圧電型または圧抵抗型の検知構造から検出され得る。
MEMSジャイロにおいては、適切なベアリングを欠くため、一次運動(primary motion)は、通常、従来のジャイロにみられるような連続的な回転にならない。その代わりに、機械的振動(mechanical oscillation)が一次運動として利用され得る。振動ジャイロスコープが一次運動の方向に直交する角運動を受けると、波状の(undulating)コリオリ力が生ずる。これが、該一次運動と該角運動の軸とに直交する二次振動を一次振動の周波数にて作り出す。この連動した振動の振幅を角速度の尺度(measure)に用いることができる。
ジャイロスコープは、非常に複雑な慣性MEMSセンサであり、現在もトレンドは更にコンパクトな構造に向かっている。ジャイロスコープの設計における基本的課題は、コリオリ力がごく小さいため、発生する信号が、ジャイロスコープにおいて存在する他の電気信号に比べて極めて小さくなりがちなことである。スプリアス応答と振動の影響を受けやすいことが、従来の音叉型構造のような、多くのコンパクトなMEMSジャイロ設計における悩みの種である。
外部からの振動に対する感度を低くするための1つの既知のアプローチは、共通軸の周りに延びる内縁または外縁(inner and outer peripheries)を有する環状または輪状の構造を有する平面状振動共振器を含む平衡リング構造(balanced ring structure)である。平面状共振器は、典型的に、45°の相互角度において縮退対の振動モードとして存在するcos2θ共振モードに励起される。これらのモードの1つは、キャリアモードとして励起される。構造がリングの平面に垂直な軸の周りに回転するとき、コリオリ力がエネルギーを応答モードに連動させる。応答モードの運動の振幅は、適用回転速度の直接的な尺度を与える。
従来のリング構造の欠点は、典型的には、2つの動作振動モード(operational vibration modes)の周波数よりも低い寄生(parasitic)モードを有していることである。そのような寄生モードは、外部からの衝撃と振動に容易に連動する。
発明の概要
本発明の目的は、外部からの衝撃に対する感度がより低いコンパクトなリング型ジャイロスコープ構造を提供することである。本発明の目的は、独立請求項の特徴部分に従うジャイロスコープ構造を用いて達成される。
特許請求の範囲は、平面状の微小電気機械のジャイロスコープ構造であって、中心点の周りに広がる円形構造と、中心点の周りに対称的に位置する4つの中央アンカー点に該円形構造を懸架するための中央スプリング構造と、該円形構造上の4つの中央円周点および該中央円周点の間の4つの周辺円周点とを有する、平面状の微小電気機械のジャイロスコープ構造を規定する。隣接する周辺円周点は、周辺円周点のペアを形成し、かつ、隣接する中央円周点は、中央円周点のペアを形成する。中央スプリング構造は、前記4つの中央アンカー点の各々を円形構造上の中央円周点のペアに接続するように構成されている。中央スプリング構造と円形構造との間の接続は、周辺または中央円周点ペアの第1の円周点の半径方向の面上の変位を周辺または中央円周点ペアの第2の円周点上の、逆の半径方向の面上の力(reverse radial on−plane force)に変換するように構成されている。第1の円周点の半径方向の面上の変位の方向と、第2の円周点上の半径方向の面上の力の方向とは、直交する。
また、特許請求の範囲は、微小電気機械のジャイロスコープ構造を含むジャイロスコープを規定する。本発明の有利な実施態様は、従属請求項に開示される。
本発明は、cos2θ共振モード(駆動および検知)を最も低い周波数に整える(arrange)具体的な中央スプリング構造を規定する。これは、寄生モードの簡易な除去を可能にする。
本発明のさらなる利点を以下の実施態様とともに詳述する。
図面の簡単な説明
以下に、好ましい実施態様に関連して、添付の図面を参照して、本発明をより詳細に説明する。
図1は、ジャイロスコープ構造の実施態様を示す。 図2は、より詳細に例示的な中央部分構造(central substructure)を示す。 図3は、例示的な周辺スプリング部分構造(peripheral spring substructure)を示す。 図4A〜図4Cは、ジャイロスコープ構造において適用可能な代替的駆動構造を示す。 図5は、ジャイロスコープ構造を用いて作成した振動シミュレーションを示す。 図6は、ジャイロスコープの要素を示す。
いくつかの実施態様の詳細な説明
下記の各実施態様は例示である。明細書中において「或る」、「1つの」または「いくつかの」実施態様ということがあるが、これは、必ずしもこれらの語による言及が同じ実施態様を意味したり、1つの実施態様にのみ適用される特徴を意味したりするものではない。異なる実施態様の特徴を1つずつ組み合わせて更なる実施態様を提供してもよい。
以下、本発明の様々な実施態様を実施しうるデバイス構成の単純な実施例を用いて本発明の特徴を説明するが、実施態様の描写に関係のある要素のみを詳細に説明する。ジャイロスコープ構造の様々な実装においては、一般的に当業者に知られている要素やここに具体的に記載しない要素を有することがある。
図1は、本発明に従うジャイロスコープ構造100の実施態様を示す。図1において、支持基板に懸架されているが、これに作用する外部の力が全く加わらない時の、初期状態にあるジャイロスコープ構造が示されている。この構成は、中心点104の周りに広がる円形構造102を含む。ジャイロスコープ構造100は、平面の形状(a planar form)を有していてもよい。これは、円形構造102が、二次元(長さ、幅)における平面に位置合わせされている(aligned)ことを意味する。円形構造100は、ジャイロスコープに一次運動に励起されていてもよい振動質量体を提供し、コリオリ力の結果として生ずるその二次運動が検出されてもよい。
中央スプリング構造106を使用して、円形構造102が、固定(共振しない)支持体に、典型的には、MEMSジャイロスコープの他の本体要素に、懸架されていてもよい。ジャイロスコープ構造がMEMS構造ウェハの場合は、他の本体要素は、例えば、下層のハンドルウェハ、またはジャイロスコープのダイを被覆するキャップウェハによって提供されてもよい。懸架の目的で、ジャイロスコープ構造100は、中心点104の周りに対称的に位置する4つの中央アンカー点108、110、112、114を含んでいてもよい。本明細書において、用語「アンカー点(anchor point)」とは、支持体に対する接続が経由して作られるまたは作られてもよいスプリング構造の部分、多くの場合には極端部分である。ジャイロスコープ構造は、2つの半径方向を有していると考えることができ、各々の半径方向は、2つの中央アンカー点と中心点と(110、114、104、または108、112、104)を接続する対角線132または134と重なり合う。
中央スプリング構造106が構成されて、4つの中央アンカー点108、110、112、114の各々を円形構造102上の中央円周点のペアに接続するようにしてもよい。この目的のために、中央スプリング構造106は、4つの中央部分構造を有していてもよく、これらの各々は、2つの中央円周点と、1つの中央アンカー点とに接続する。図2は、より詳細に、2つの中央円周点120、122とアンカー点112とを接続する、例示的な中央部分構造200を示す。
本明細書において、「円周点(circle point)」とは、円形構造120の極めて小さなセクターであって、そこにスプリング部分構造の要素が取り付け(attach)られていてもよいものを意味する。接点は、円形構造102の内面と外面において生じていてもよい。「内面(inner surface)」とは、半径方向内側に面し、中心点104の方向に向いている、円形構造102の表面の部分を意味する。「外面(outer surface)」とは、半径方向外側に面し、中心点104から離れる方向に向いている、円形構造102の表面の部分を意味する。図1は、接続が円形構造102の内面上でされる例示的な構成を示す。図1に示すように、4つの中央円周点116、118、120、122は、円形構造102の内面上に均等に分配されていてもよい。2つの隣接する中央円周点(例えば、116と118、118と120、120と122、および122と116)が、中央円周点のペアを形成すると考えてもよい。
中央部分構造は、長手方向に細長くて硬い(stiff)少なくとも3つのスプリング202、204、206を含んでいてもよい。この文脈において、「細長(elongate)」とは、円形構造の平面において、スプリングの長さの寸法(その平面における最長の寸法)が、スプリングの(長さの寸法に対して垂直な)幅の寸法の数倍(multifold)であることを意味する。その長手方向における細長いスプリングの硬さは、その長さの寸法の方向におけるスプリングの剛性に対応する。この結果、スプリングが長手方向において硬いとき、他の方向におけるよりも何倍もの、長手方向において加えられる力に応答する変形に抵抗する。それゆえ、その長手方向において硬い細長いスプリングは、その他の方向においては柔軟であってもよい。
3つのスプリングのうちの第1のスプリング206は、半径方向に、中央アンカー点112から接続点208に向かって延び、そこで第1のスプリング206が、中央部分構造の第2のスプリング202と第3のスプリング204とに接続する。第2のスプリング202は、接続点208と第1の中央円周点120との間に延びており、第3のスプリング204は、接続点208と第2の中央円周点122との間に延びている。
スプリング部分構造200は、有利には、それを貫通する対角線132に対して対称である。その結果、第1の中央円周点120と接続点208とを接続する線と、対角線132によって定められる半径方向との間の角度は、第2の中央円周点122と接続点208とを接続する線と半径方向との間の角度に等しい。なお、図2の例示的な構成において、第2のスプリング202は、第1の中央円周点120の半径方向の振動の方向に平行であり、第3のスプリング204は、第2の中央円周点122の半径方向の振動の方向に平行である。ただし、これはスプリング部分構造にとって必須ではない。本発明の技術的範囲内において、他の構成も可能であり、例えば、第2のスプリングと第3のスプリングとが接続する点が中央アンカー点の方により近く配置されて、これにより、第2のスプリングと第3のスプリングとが、それらが接続される円周点の半径方向の振動と一直線にならない(non−aligned)ようにしてもよい。
図2から見て取れるように、3つのスプリング202、204、206と、第1の中央円周点120と第2の中央円周点122との間の円形の要素102の円弧との組み合わせは、第1の中央円周点120の半径方向の面上の変位を第2の円周点122上の逆の半径方向の面上の力(reverse radial on−plane force)に変換することができる構造を作り出す。したがって、第1の中央円周点120が内向きに、中心点104に向かって運動するとき、その運動は、第2の中央円周点122から外側に、中心点104から離れる方向に、円形構造102を押す機械力を作り出す。対応して、第2の中央円周点122が内向きに運動するとき、その運動は、第1の中央円周点120から外側に、中心点104から離れる方向に、円形構造102を押す機械力を作り出す。その結果生ずる中央円周点120、122の半径方向の運動は、第1の中央円周点120の振動の方向が、円形構造120の平面における第2の中央円周点122の振動の方向に対して垂直であるように、振動し、かつ、直交する。
図1を再び参照すると、円形構造102の外面上には、4つの周辺円周点124、126、128、130があってもよい。周辺円周点124、126、128、130は、外面上に均等に分配され、中央円周点116、118、120、122の間で交互配置(インターリーブ;interleave)されていてもよい。2つの隣接する周辺円周点(例えば、124と126、126と128、128と130、および130と124)は、周辺円周点のペアを形成すると考えてもよい。ジャイロスコープ構造は、4つの周辺部分構造であって、その各々が周辺アンカー点140、142、144、および146を含む周辺スプリング構造を含んでいてもよい。周辺アンカー点140、142、144、および146と中央アンカー点116、118、120、122とは、周辺アンカー点140、142、144、および146の各々が微小電気機械のジャイロスコープ構造の対角線132、134のいずれかと一致するように、相互に位置合わせされていてもよい。図1の構成において、中央アンカー点108と周辺アンカー点140、144とは、対角線132に一致し、中央アンカー点110、114と周辺アンカー点142、146とは、対角線134に一致する。
図3は、図1の周辺アンカー点140を含む例示的な周辺スプリング部分構造をより詳細に示す。周辺スプリング部分構造300は、周辺アンカー点140と円形構造上の周辺円周点124とを接続する第4のスプリング302を含んでいてもよい。周辺アンカー点140と周辺円周点124とを接続する線は、有利には、対角線132の半径方向Rに対して位置合わせされる。第4のスプリング302は、有利には、接線方向が円形構造の平面における半径方向に垂直であるとき、半径方向Rにおいて周辺円周点の運動に対して柔軟であって、かつ、接線方向Tにおいて周辺円周点の運動に対して硬い(stiff)ように配置される。
図3は、例示的なスプリング形状を示すが、対応する方向関数を提供する他のスプリング形状が、本発明の技術的範囲内で適用されてもよい。例えば、周辺アンカー点140と第4のスプリングとは、円形構造内の対角線132の半径方向R上に配置されてもよい。これに従い、中央円周点と周辺円周点のそれぞれに対する接点が、円形構造102の内面上にあってもよい。
構造の角運動を測定するために、平面の円形構造は、面内一次運動に励起されて、運動する振動質量として作動するようにしてもよい。回転角速度が加えられるとき、一方向に運動する質量体は、コリオリ力の結果として直交方向の力を受ける。そうしてコリオリ力によって結果として生じた物理的変位(二次振動)が、例えば、容量型、圧電型または圧抵抗型の検知構造から検出され得る。リング構造において、半径方向に振動する差分質量が、接線方向におけるコリオリ効果の結果として生ずる力を経験してもよい。
したがって、ジャイロスコープ構造は、円形構造における半径方向の面上の変位を誘導することによって一次運動を励起するように構成されている、1以上の駆動構造を含んでいてもよい。また、ジャイロスコープ構造は、円形構造の半径方向の面上の変位を検知することによって二次運動を検出するように構成されている検知構造も含んでいてもよい。構造の構成に起因して、駆動方向と検知方向とは、2θモードに対応する。これは、仮に、駆動構造が中央円周点の半径方向の振動を駆動するように構成されているとすると、その検出は、周辺円周点の変位を検知することによって行われてもよいこと、あるいはその逆も可能であること、を意味する。
図4A〜図4Cは、図1のジャイロスコープ構造において適用できる代替的駆動構造を示す。図4Aは、励起と検出とが容量的に実現されている例示的な構成を示す。駆動構造400は、円形構造102の外面に面する角度付き電極(curved electrode)を含んでいてもよく、また、検知構造は、円形構造102の内面に面する他の角度付き電極402を含んでいてもよい。電圧差が円形構造102と駆動構造400との間に加えられるとき、中央円周点118は、円形構造102と駆動電極400との間の静電力に従って運動するように誘導されてもよい。対応して、角運動は、円形構造102と検知電極402との間の静電容量の変化として検出されてもよい。
図4Bは、駆動構造400と検知構造402とが、円形構造に含まれる圧電要素を用いて実現されている更なる代替的態様を示す。
図4Cは、図1のジャイロスコープ構造の中心点104の周囲の拡大図を示す。この例示的な構成において、圧電手段は、駆動構造400を提供するように適用される。図の実施態様において、中央スプリング部分構造の第1のスプリングは、長手方向において、圧電材料の2つの電気的に分離された部分に分割されている。これらの2つの部分は、異なる模様を用いて示されている。作動中は、第1の部分410と第2の部分412とは、逆位相モードにおいて駆動されてもよい。検知構造は、図4Aに示す検知電極を用いて容量的に実現されてもよく、または図4Bに示す検知要素を用いて圧電的に実現されてもよい。
図5の表は、図1に従うジャイロスコープ構造のために為されたシミュレーションを示す。このシミュレーションにおいて、円形構造102の直径は3mm、円形構造102の(円形構造の平面に沿う)幅は35μm、円形構造102の厚さは65μmであり、中央スプリング構造の第1のスプリング206の幅は17μm、中央スプリング構造の第2および第3のスプリング202、204の幅は11μmであり、そして、周辺スプリング構造の第4のスプリングの幅は6μmであった。表には、振動中の共振モードが示されている。図から分かるように、規定された要素の構成は、2θモードを好み、かつそれらの周波数を低くする。従来のリングジャイロスコープにおいて中心点の周りの円形構造の回転に対応するモードは、周辺スプリング構造によって効果的に除去されている。外部からの機械的励起に対して連動する傾向の屈曲共振モードは、2θモードよりも明らかに高い。このように、図の構造は、外部からの機械的衝撃と振動に対して非常に堅牢である。
また、構成は、高いクオリティーファクターのモードが共振周波数における機械的振動によって励起されるようになるときに起こり得る過剰な振幅を回避することも可能にする。さらに、中央スプリング構造は、無駄を省いて複数の要素を含むことができるので、したがって、非常にコンパクトな要素設計を可能にする。
図6は、第1の部分600と第2の部分602とを含むジャイロスコープの要素を示す。第1の部分600は、図1のジャイロスコープ構造を含んでいてもよく、第2の部分602は、ジャイロスコープ構造からの少なくとも入力電気信号に接続されている電気回路を含んでいてもよい。図6に示すように、1以上の検知構造からの信号は、ジャイロスコープ構造によって検出される角運動を表す出力信号に処理されるべく電気回路602に入力されてもよい。
ジャイロスコープは、様々なセンサ要素を含む複合的なセンサ要素に含まれていてもよく、その例を挙げれば、有線または移動コンピューティング、ゲーム用または通信用デバイス、測定デバイス、レンダリングデバイス、または車両用機能制御ユニット等がある。
技術の進歩に従い、本発明の基本概念が様々な方法で実施し得ることは、当業者に自明である。従って、本発明およびその実施態様は、上記の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の技術的範囲内で変化しうるものである。

Claims (14)

  1. 平面の微小電気機械のジャイロスコープ構造であって、
    中心点の周りに広がる円形構造と、
    中央スプリング構造であって、前記中心点の周りに対称的に位置する4つの中央アンカー点に、前記円形構造を懸架するための前記中央スプリング構造と、
    前記円形構造上の4つの中央円周点および前記中央円周点の間の4つの周辺円周点であって、隣接する周辺円周点が周辺円周点のペアを形成し、かつ、隣接する中央円周点が中央円周点のペアを形成する、前記4つの中央円周点および前記4つの周辺円周点とを有し、
    前記中央スプリング構造が、前記4つの中央アンカー点の各々を前記円形構造上の中央円周点のペアに接続するように構成されており、
    前記中央スプリング構造と前記円形構造との間の前記接続が、周辺または中央円周点のペアの第1の円周点の半径方向の面上の変位を周辺または中央円周点の前記ペアの第2の円周点上の逆の半径方向の面上の力に変換するように構成されており、
    前記第1の円周点の前記半径方向の面上の変位の前記方向と、前記第2の円周点上の前記半径方向の面上の力の前記方向とが直交する
    平面の微小電気機械のジャイロスコープ構造。
  2. 前記微小電気機械のジャイロスコープ構造が、2つの半径方向を有するものであって、半径方向が、2つの中央アンカー点と前記中心点とを接続する対角線に対して位置合わせされており、
    前記中央スプリング構造が、4つの中央部分構造を含むものであって、中央部分構造が前記長手方向において細長くかつ硬い少なくとも3つのスプリングを含んでおり、
    前記3つのスプリングの第1のスプリングが、半径方向において、中央アンカー点から接続点に延びており、それが前記3つのスプリングの第2のスプリングと第3のスプリングとに接続しており、
    前記第2のスプリングが、前記接続点と前記第1の中央円周点との間に延びており、
    前記第3のスプリングが、前記接続点と前記第2の中央円周点との間に延びている
    ことを特徴とする請求項1に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造。
  3. 前記第1の中央円周点と前記接続点とを接続する線と半径方向との間の角度が、前記第2の中央円周点と前記接続点とを接続する線と前記半径方向との間の角度に等しい
    ことを特徴とする請求項2に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造。
  4. 前記中心点の周りに対称的に位置する4つの周辺アンカー点を含む周辺スプリング構造を有する
    ことを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造。
  5. 前記周辺アンカー点と前記中央アンカー点とが、前記周辺アンカー点の各々が前記微小電気機械のジャイロスコープ構造の前記対角線の1つと一致するように配置されている
    ことを特徴とする請求項4に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造。
  6. 前記周辺スプリング構造が4つの周辺部分構造を含むものであって、周辺部分構造が、前記円形構造上の周辺アンカー点と周辺円周点とを接続する第4のスプリングを含み、前記周辺アンカー点と前記周辺円周点とを接続する線が半径方向に対して位置合わせされている
    ことを特徴とする請求項4または5に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造。
  7. 前記第4のスプリングが、前記半径方向における前記周辺円周点の運動に対して柔軟であり、かつ、接線方向における前記周辺円周点の運動に対抗するものであって、前記接線方向が前記半径方向に垂直である
    ことを特徴とする請求項6に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造。
  8. 前記中央円周点の前記半径方向の面上の変位が、前記円形構造の前記円の半径方向における線形の振動を含む
    ことを特徴とする前記請求項1〜7のいずれかに記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造。
  9. 前記中央円周点の半径方向の面上の変位を誘導するように構成されている駆動構造を有する
    ことを特徴とする請求項8に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造。
  10. 前記周辺円周点の半径方向の面上の変位を検出するように構成されている検知構造を有する
    ことを特徴とする請求項9に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造。
  11. 前記周辺円周点の半径方向の面上の変位を誘導するように構成されている駆動構造を有する
    ことを特徴とする請求項8に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造。
  12. 前記中央円周点の半径方向の面上の変位を検出するように構成されている検知構造を有する
    ことを特徴とする請求項9に記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造。
  13. 前記半径方向の面上の変位が圧電的または容量的に誘導または検出される
    ことを特徴とする前記請求項9〜12のいずれかに記載の微小電気機械のジャイロスコープ構造。
  14. 前記請求項のいずれかに記載の前記微小電気機械のジャイロスコープ構造を含むジャイロスコープ。

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