JP2022099263A - Ｍｅｍｓデバイス用の早期衝突モーションリミッタ - Google Patents

Abstract

【課題】微小機械デバイス、特に可動デバイス部と静止デバイス部との望ましくない接触を防ぐモーションリミッタを提供する。【解決手段】本開示では、第１デバイス部と第２デバイス部とを備える微小機械デバイスについて説明する。第１デバイス部および第２デバイス部のうちの一方は可動ロータであり、第１デバイス部および第２デバイス部のうちの他方は固定ステータである。微小機械デバイスは、さらに、第１デバイス部から第２デバイス部まで延在するモーションリミッタを備える。モーションリミッタは、第１長尺レバーを含み、また、モーションリミッタは、長尺レバーを回動させることによってストッパをカウンタ構造体と接触させる。【選択図】図１ｂ

Description

本開示は、微小電気機械（ＭＥＭＳ）デバイス、特に可動デバイス部と静止デバイス部との望ましくない接触を防ぐモーションリミッタに関する。

加速度計およびジャイロスコープなどの微小電気機械デバイスは、可撓性懸架構造体によって固定アンカから懸架されるマス要素を備えることが多く、この可撓性懸架構造体により、マス要素は、隣接する固定構造体に対して動くことができる。可動マス要素はロータと呼ばれてもよく、隣接する固定構造体（または、隣接する固定構造体の何らかの特定領域）は、ステータと呼ばれてもよい。ロータが懸架される固定アンカは、ステータの一部を形成してもよいが、ステータとは別体であってもよく、ステータの電位と異なる電位を有してもよい。ロータの電位は、ある用途ではステータの電位と同じであるが、他の用途では異なる。

ロータとステータとの直接の物理的接触は、デバイスの動作を妨害し得るため、通常望ましくない。通常動作で直接接触が起こらないようにロータを寸法付けることはできるが、依然として外部衝撃によってロータが非常に変位する可能性があるため、ロータは、ステータと直接接触し、構造損傷、静止摩擦、電気的短絡または他の不具合を引き起こす。

外部衝撃を受けた場合のロータとステータとの過度の物理的接触を防ぐために、ＭＥＭＳデバイス内にモーションリミッタを実装することができる。モーションリミッタは、例えば、ロータからステータに向かって延在するバンプを有してもよい。外部衝撃を受けた場合に、モーションリミッタが、ステータと接触するロータの最初の部分となるように、モーションリミッタ・バンプとステータの対向領域とのギャップは、予想される運動方向におけるロータとステータとの他のギャップよりも狭くすべきである。例えば、ロータの最も感度の高いエリアから離れている領域にモーションリミッタ・バンプを配置することによって、損傷を回避するか、または最小にすることができる。モーションリミッタ・バンプおよび対応する構造体は、ストッパと呼ばれてもよい。

しかしながら、モーションリミッタ・バンプが、ロータとステータとの界面における感度の低い領域に位置する場合でさえ、バンプとロータまたはステータとの衝突により、対向するロータもしくはステータから、またはバンプ自体から粒子が放出されるリスクがある。これらの粒子は、一旦放出されると、デバイスのより感度の高い領域に向かって移動し、動的動作範囲を制限し、短絡または他の損傷を引き起こす可能性がある。

特許文献１には、ロータの周りに部分的に延在する２つの可撓性ばねを備えるモーションリミッタが開示されている。

独国特許出願公開第１０２０１３２０８６８４号明細書

本開示の目的は、独立請求項に記載されることを特徴とする構成によって達成される。本開示の好ましい実施形態は、従属請求項に開示される。

本開示は、ロータがステータに近づくか、またはステータから遠ざかると取付点を中心に回動するレバーを含むモーションリミッタを使用するという考えに基づく。レバーは、動きの早い段階でモーションリミッタをカウンタ構造体と接触させる。この構成の利点は、ロータが相当の運動量を得る前にモーションリミッタが動作し得ることである。用途によっては、ロータが限界寸法と等しい距離を動く前にモーションリミッタが動作することもできる。

以下に、添付の図面を参照しながら、好ましい実施形態によって本開示をより詳細に説明する。

図１ａは、第１デバイス部と第２デバイス部との間のモーションリミッタを示す図である。 図１ｂは、第１デバイス部と第２デバイス部との間のモーションリミッタを示す図である。 図１ｃは、第１デバイス部と第２デバイス部との間のモーションリミッタを示す図である。 図２ａは、シングルレバーの実施形態を示す図である。 図２ｂは、シングルレバーの実施形態を示す図である。 図３ａは、シングルレバーの実施形態を示す図である。 図３ｂは、シングルレバーの実施形態を示す図である。 図４ａは、ピンセットの実施形態を示す図である。 図４ｂは、ピンセットの実施形態を示す図である。 図５ａは、ピンセットの実施形態を示す図である。 図５ｂは、ピンセットの実施形態を示す図である。 図６ａは、ピンセットの実施形態を示す図である。 図６ｂは、ピンセットの実施形態を示す図である。

本開示では、少なくともモーションリミッタ領域において互いに隣接する、第１デバイス部と第２デバイス部とを備える微小機械デバイスについて説明する。第１デバイス部および第２デバイス部のうちの一方は可動ロータであり、第１デバイス部および第２デバイス部のうちの他方は固定ステータである。

モーションリミッタ領域において、第１デバイス部のエッジは実質的に横方向に延在し、第２デバイス部のエッジもまた実質的に横方向に延在する。第１デバイス部のエッジは、モーションリミッタ領域において、横方向に直交する縦方向のロータ・ステータ・ギャップだけ第２デバイス部のエッジから離れている。

微小機械デバイスは、さらに、ロータ・ステータ・ギャップを挟んで第１デバイス部から第２デバイス部まで延在するモーションリミッタを備える。モーションリミッタは、第１ストッパを含む。微小機械デバイスは、さらに、第１カウンタ構造体を備える。ロータである第１デバイス部または第２デバイス部が制限方向の動きを受けると、モーションリミッタは、第１デバイス部が第２デバイス部と直接物理的接触する前に、第１ストッパを第１カウンタ構造体と接触させる。

モーションリミッタは、第１デバイス部のエッジに取り付けられ、かつ第２デバイス部に向かって延在する第１取付部分を含む。第１取付部分は、第１縦軸上に位置合わせされる。モーションリミッタは、さらに、第１長尺レバーを含む。

当該第１長尺レバーの第１側は、第１取付部分から実質的に第１側方向に延在し、当該第１長尺レバーの第２側は、第１取付部分から実質的に第２側方向に延在する。第２側方向は、第１側方向と反対である。第１ストッパは、当該第１長尺レバーの第２側に取り付けられる。

モーションリミッタは、さらに、第２デバイス部のエッジから当該第１長尺レバーの第１側まで延在する連結構造体を含む。第１長尺レバーの第１側における連結構造体の取付点は、第２縦軸上に位置合わせされる。

モーションリミッタは、ロータである第１デバイス部または第２デバイス部が制限方向の動きを受けると、第１取付点を中心に第１長尺レバーを回動させることによって第１ストッパを第１カウンタ構造体と接触させる。

本開示全体を通して、第１デバイス部は、ロータまたはステータのいずれであってもよい。第１デバイス部がロータである場合、第２デバイス部はステータである。第１デバイス部がステータである場合、第２デバイス部はロータである。

ロータは、エッチングによってデバイスウェハ内に形成されたマス要素であってもよい。デバイスウェハは、例えば、シリコンウェハであってもよい。デバイスウェハは、デバイス面を規定する。「横」と記載される方向は、デバイス面と平行であり、デバイス面内にあってもよい。上記の「縦」として記載される方向もまた、デバイス面内にあり、横方向に垂直である。デバイス面に垂直な方向は、鉛直方向と呼ばれてもよい。

モーションリミッタは、モーションリミッタ・ギャップを隔てた第１デバイス部と第２デバイス部との接触を防いでもよい。言い換えれば、モーションリミッタは、ロータがモーションリミッタ領域内でステータに近づくときに作動してもよい。しかしながら、より詳細に以下に説明するように、モーションリミッタは、また、モーションリミッタ領域以外のどこかで、例えばロータであるデバイス部の反対側において、第１デバイス部と第２デバイス部との接触を代替的にまたは相補的に防いでもよい。この場合、モーションリミッタは、ロータがモーションリミッタ領域内でステータから遠ざかるときに作動してもよい。ロータは、モーションリミッタ領域内でステータから遠ざかるにつれ、ロータの縦方向反対側のステータに近づき得る。

本開示で説明するストッパは、比較的大きい矩形構造体として概略的に示す。しかしながら、ストッパは、例えば長尺レバーの端部にすることもできる。一般に、ロータが制限方向の動きを受けたときにカウンタ構造体と最初に接触するモーションリミッタの部分をストッパと考えることができる。

「制限方向」という用語は、意図的な作動の結果または外部から加わる加速度の結果のどちらかとしてロータが動き得る方向を指す。モーションリミッタの目的は、ロータが遠くに進みすぎる前に制限方向のロータの動きを停止するか、または逆にするように、その動きを制限することである。本開示に提示する実施形態において、制限方向とは、デバイス面（ｘｙ平面として示す）内の縦方向である。

カウンタ構造体とは、ロータが制限方向に非常に遠くに動いたためにモーションリミッタがさらなる動きを防ぎ始めるときにストッパが当たる構造体である。以下の実施形態で説明するように、カウンタ構造体は、第１デバイス部もしくは第２デバイス部のエッジ、別の隣接するデバイス部のエッジ、または別のストッパであってもよい。カウンタ構造体として使用されるいずれのエッジも、ストッパと一直線上に並ぶ凸部を任意選択で含んでもよく、それによって、エッジとストッパとの距離が局部的に短くなる。

図１ａは、第１デバイス部１１と第２デバイス部１２との間のモーションリミッタ領域内に配置されたモーションリミッタを示す。本開示のすべての図において、ｘ軸は横方向を示し、ｙ軸は縦方向を示す。これらの方向は、デバイス面内にある。

本開示で示すすべての実施形態において、第１デバイス部および第２デバイス部の両方はデバイス面内にあり、モーションリミッタは、デバイス面内のロータの動きによってトリガされる。

図１ａにおいて、第１デバイス部１１のエッジ１１１は実質的に横方向に延在し、第２デバイス部１２のエッジ１２１もまた実質的に横方向に延在する。ロータ・ステータ・ギャップ１８１は、第１デバイス部と第２デバイス部との間に延在する。モーションリミッタは、第１ストッパ１６１を含む。

図１ａは、第１長尺レバー１３が取り付けられた第１取付部分１４１を示す。この第１取付部分は、第１縦軸１９１上に位置合わせされる。この取付けは、図示した平面内で長尺レバーが容易に回動するのに十分な可撓性を有するべきである。第１取付部分１４１自体が、この回動を可能にするのに十分な可撓性を有してもよい。あるいは、第１取付部分は剛性を有してもよいが、別個のたわみ要素（図示せず）によって第１長尺レバー１３が第１取付部分１４１に取り付けられてもよい。第１取付部分１４１は、モーションリミッタが必要とする回動量を第１長尺レバー１３が受け得るのに十分な距離だけ第１長尺レバー１３を第１デバイス部のエッジ１１１からずらしている限り、任意の適切な形状を有することができる。

長尺レバー１３の第１側１３１は、図１ａの右側に、この場合、第１側方向に延在する。長尺レバー１３の第２側１３２は、図１ａの左側に、この場合、第２側方向に延在する。言い換えれば、第１側方向は第１横方向であってもよく、第２側方向は第１横方向と反対の第２横方向であってもよい。しかしながら、長尺レバー１３は、第１デバイス部および第２デバイス部が休止位置にあるとき、それらの側部１１１および１２１と必ずしも平行である必要はない。あるいは、長尺レバー１３は、この休止位置にあっても、第１取付部分１４１を中心にある程度回動することができるであろう。その場合、第１側方向および第２側方向は、横方向ではないであろう。

第１ストッパ１６１は、長尺レバー１３の第２側１３２に取り付けられる。本開示の図では、１６１などのストッパは、対応する長尺レバー１３の端部に配置された。しかしながら、ストッパは、代替的に、長尺レバーの端部よりも第１取付部分１４１側に配置することができるであろう。

図１ａは、また、第２デバイス部１２のエッジ１２１から長尺レバー１３の第１側１３１まで延在する連結構造体１５を概略的に示す。図１において、連結構造体１５が長尺レバーの第１側１３１に取り付けられる点が、第２縦軸１９２上に位置合わせされることが分かる。第２縦軸１９２は、第１縦軸１９１からゼロでない横方向距離だけ離れている。

図１ａは、また、２つの選択的な第１カウンタ構造体１７２を示し、そのうちの一方は、第２デバイス部１２のエッジ１２１上の凸部であり、そのうちの他方は、第１デバイス部１１のエッジ１１１上の領域である。カウンタ構造体が第１デバイス部または第２デバイス部のエッジ上の領域である本開示のすべての実施形態において、エッジは、その位置に、カウンタ構造体として機能する凸部を任意選択で有することができるであろう。第１ストッパ１６１および第１カウンタ構造体１７２は、第３縦軸１９３上に並び、互いにストッパ・ギャップ１８３だけ離れている。第３縦軸１９３は、第１縦軸１９１からゼロでない横方向距離だけ離れている。

図１ｂおよび図１ｃは、ロータがステータに対して動くときのモーションリミッタの動作を示す。ロータである第１デバイス部または第２デバイス部が制限方向の動きを受けると、図１ｂが示すように、第１デバイス部１１と第２デバイス部１２とは互いに近づいてもよい。あるいは、図１ｃが示すように、第１デバイス部１１と第２デバイス部１２とは互いに遠ざかってもよい。図１ｂおよび図１ｃの第１デバイス部１１および第２デバイス部１２の脇の矢印は、これらの２つのデバイス部の互いに対する相対的な動きを示す。実際には、ロータであるデバイス部だけが動き、一方、ステータであるデバイス部は、ＭＥＭＳチップの周囲の固定部に対して実質的に静止したままである。

図１ｂでは、第１デバイス部と第２デバイス部とは互いに近づき、連結構造体１５は、長尺レバー１３の第１側１３１を第１デバイス部１１の方に押す。レバー１３は、第１ストッパ１６１が第２デバイス部１２のエッジ上のカウンタ構造体１７２と接触するように、図示した平面内で回動する。この接触により、ロータであるデバイス部（１１または１２）がモーションリミッタ領域内でステータに近づくのを防ぐ。

図１ｃでは、第１デバイス部と第２デバイス部とは互いに遠ざかり、連結構造体１５は、長尺レバー１３の第１側１３１を第１デバイス部１１から引き離す。レバー１３は、第１ストッパ１６１が第１デバイス部１１のエッジ上のカウンタ構造体１７２と接触するように、図示した平面内で回動する。この接触により、ロータであるデバイス部（１１または１２）がモーションリミッタ領域内でステータからさらに遠ざかるのを防ぎ、これは、ロータの反対側のエッジがモーションリミッタ領域外のステータに近づくのを防ぎ得る。

縦軸１９１と１９３との横方向距離が縦軸１９１と１９２との横方向距離よりも長い場合、ロータ・ステータ・ギャップ１８１がストッパ・ギャップ１８３の幅と等しい距離だけ増加する前にストッパ１６１とカウンタ構造体１７２との衝突が起こる。一方、縦軸１９１と１９３との横方向距離が縦軸１９１と１９２との横方向距離よりも短い場合、ロータ・ステータ・ギャップ１８１がストッパ・ギャップ１８３の幅と等しい距離だけ増加した後にストッパ１６１とカウンタ構造体１７２との衝突が起こるが、ストッパ１６１とカウンタ構造体１７２との相対速度は、ロータとステータとの相対速度よりも小さい。

本開示のいずれの実施形態においても、連結構造体１５は、図１ｂに示した動きで縦方向に縮み、図１ｃに示した動きで縦方向に伸びる、縦方向に可撓性を有するばね構造体であってもよい。この縦方向の可撓性の利点は、長尺レバー１３が、その取付部分１４１を中心に回動する場合でも略直線状を保つことである。しかしながら、本開示のいずれの実施形態においても、縦方向に剛性を有する連結構造体を使用することも可能である。これにより、長尺レバー１３がいくらか曲がる可能性はあるが、必ずしも有害ではない。最適な設計は、レバーの寸法、様々なギャップの幅、ロータの質量、およびモーションリミッタが防ぐべき予想されるロータ変位の大きさなどの多くの変数に依存する。

シングルレバーの実施形態
図２ａ～図２ｂおよび図３ａ～図３ｂは、モーションリミッタが、１つの長尺レバーの端部にストッパを１つのみ含むシングルレバーの実施形態を示す。図２ａ～図２ｂおよび図３ａ～図３ｂに示した実施形態において、連結構造体は、縦方向に剛性を有する構造体として示した。しかしながら、連結構造体は、代替的に、縦方向に可撓性を有する構造体にすることもできるであろう（この選択肢は、図１ａ～図１ｃに概略的に示したが、図２ａ～図２ｂおよび図３ａ～図３ｂには示していない）。

図２ａ～図２ｂの実施形態において、ロータである第１デバイス部または第２デバイス部が制限方向の動きを受けると、第１デバイス部と第２デバイス部とはデバイス面内で互いに近づき、第１カウンタ構造体は、第２デバイス部のエッジ上の領域である。モーションリミッタは、ロータである第１デバイス部または第２デバイス部が制限方向の動きを受けると、第１長尺レバーをデバイス面内で回動させる。第２デバイス部のエッジは、第１ストッパおよび第３縦軸と一直線上に並ぶ凸部を任意選択で有してもよい。

参照番号２１～２２、２１１、２２１、２３、２３１～２３２、２４１、２５、２６１、２７２および２９１～２９３は、それぞれ図１ａの参照番号１１～１２、１１１、１２１、１３、１３１～１３２、１４１、１５、１６１、１７２および１９１～１９３に対応する。図２ａは、また、長尺レバー２３の第１端部２３１と第１デバイス部２１１のエッジとのギャップ２８２を示す。このギャップ２８２は、レバー・ギャップと呼ばれてもよい。図２ａは、また、ストッパ２６１とカウンタ構造体２７２との別のギャップ２８３を示す。このギャップ２８３は、ストッパ・ギャップと呼ばれてもよい。

モーションリミッタの動作は、図１ｂに示した動作に対応する。図２ａは休止位置のデバイス部を示し、図２ｂは、ロータである第１デバイス部または第２デバイス部が他方のデバイス部に非常に近づいたため、モーションリミッタが完全にトリガされ、ストッパ２６１がカウンタ構造体２７２と接触し、さらなる動きを防ぎ始めるときのデバイスを示す。

第１ストッパ２６１がカウンタ構造体２７２と接触する前に長尺レバー２３の第１側２３１が第１デバイス部２１のエッジ２１１と接触しないように、ギャップおよびレバー寸法を設計することが通常好ましい。図２ａが示すように、長尺レバー２３が休止位置で横向きに方向付けられていると仮定すると、第１縦軸２９１と第３縦軸２９３との横方向距離は、「Ａ」と称することができる。また、第１縦軸２９１と長尺レバー２３の第１端部との横方向距離に相当する、長尺レバー２３の第１側２３１の長さは、「Ｂ」と称することができる。図示する場合において、連結構造体２５は長尺レバー２３の第１端部に取り付けられているため、長尺レバー２３の第１側２３１の長さは、第１縦軸２９１と第２縦軸２９２との横方向距離とも等しい。また、レバー・ギャップ２８２を「ＬＧ」、ストッパ・ギャップ２８３を「ＳＧ」と称することができる。

長尺レバー２３が曲がることなく図示した平面内で回動する場合、次の不等式が成り立つならば、第１ストッパ２６１は、長尺レバー２３の反対側の端部が第１デバイス部２１の側部２１１と接触する前にカウンタ構造体２７２と接触することが示され得る。
ＳＧ＜ＬＧ×（１＋Ａ／Ｂ）

ある特定の実用上の制約により、微小電気機械デバイス構造体が製造され得る精度は常に制限される。十分な再現性を保持しながらデバイスの最小寸法をどれくらい小さくできるかには下限がある。この最小寸法は、限界寸法と呼ばれてもよい。通常、限界寸法より小さい幅では、重要なデバイス部も、２つの重要なデバイス部間のギャップも設計することはできない。

本実施形態および本開示の他のすべての実施形態で得ることができる利点は、モーションリミッタの動作が限界寸法によって制限されないことである。モーションリミッタは、ロータが限界寸法と等しい距離を動く前でもロータの動きを制限し始めることができる。この利点は、レバー２３を用いて得られる。

繰り返すが、長尺レバー２３は、曲がることなく撓まないように回動することができ、また、休止位置で横向きに方向付けられていると仮定し、上記のように「Ａ」および「Ｂ」を定義する。さらに、ロータである第１デバイス部または第２デバイス部が距離Ｄだけステータに近づいたと仮定する。言い換えれば、休止位置は図２ａに示されており、第１デバイス部と第２デバイス部とが互いに近づいた図２ｂでは、ロータ・ステータ・ギャップは（図２ａのものと比較して）Ｄだけ減少したと仮定する。第１デバイス部と第２デバイス部とが互いに近づき始めるとすぐに、第１ストッパ２６１はカウンタ構造体２７２に近づき始める。ロータが距離Ｄだけステータに近づくと、第１ストッパ２６１は距離Ｃだけ下降した。

第１ストッパ２６１は、ＳＧ－Ｄ＝Ｃ（ＳＧは、ここでもなお図２ａに示した休止位置のストッパ・ギャップ２８３の幅を指す）のとき、カウンタ構造体２７２と接触する。レバーの第１端部は距離Ｄだけ変位し、レバーの形態により、Ｃ＝Ｄ×（Ａ／Ｂ）の関係が与えられ、以下の結果が得られる。
Ｄ＝ＳＧ／（１＋Ａ／Ｂ）
これは、ロータが限界寸法と等しい距離を動く前でもモーションリミッタが動作し得る理由を説明している。例えば、休止位置のストッパ・ギャップ２８３の幅ＳＧを限界寸法ＣＤと等しくする場合、第１デバイス部と第２デバイス部とのロータ・ステータ・ギャップが、ＣＤより小さい距離Ｄだけ減少すると、モーションリミッタは接触する。
Ｄ＝ＣＤ／（１＋Ａ／Ｂ）
モーションリミッタは、当然、すべてのギャップが、限界寸法よりはるかに大きい幅を有するデバイスでも使用することができる。上式は、モーションリミッタがどれくらい早くトリガされるかを示す。

モーションリミッタは、Ａ＞Ｂの場合、特に早く動作し始める。比率Ａ／Ｂは、例えば、０．５～５、０．８～５、１～５、１．１～３または１．１～２の範囲のうちの１つにあってもよい。しかしながら、モーションリミッタの機能は、ＡおよびＢの大きさ、ならびに長尺レバー２３の縦方向幅にも依存することに留意すべきである。長尺レバーは、ロータのさらなる動きを効率的に防ぎ、かつほぼ剛体として回動するのに十分な剛性を有するべきであるため、ＡもＢも極端に大きくすることはできない。本開示で説明する長尺レバーは、例えば、５より大きい、１０より大きい、または２０より大きい、横方向長さ／縦方向幅アスペクト比を有してもよい。最適寸法は、ここでは、ロータの質量、モーションリミッタが防ぐべき予想されるロータ変位の大きさ、および長尺レバー２３と取付部分２４１との取付けの回動剛性などの多くの変数にひどく依存する。

上に挙げた限界寸法の分析では、連結構造体２５は、縦方向に剛性を有すると仮定しているため、第１デバイス部と第２デバイス部との間のいかなる相対的な動きもすべて、長尺レバー２３の第１端部に直接伝達される。図１ｂが示す方法において、連結構造体２５が縦方向に可撓性を有する場合、長尺レバー２３の第１端部の変位は、ロータ・ステータ・ギャップの減少Ｄに比例するが、等しくはない。それでもなお、同じ早期衝突の利点を依然として得ることができる。連結構造体２５は、確実に長尺レバー２３がそれほど曲がらないように十分可撓性を有するが、モーションリミッタを所望の方法でトリガするのに十分な力でロータの運動量を長尺レバー２３に伝達するように十分剛性も有するよう寸法付けられてもよい。

図３ａ～図３ｂの実施形態において、ロータである第１デバイス部または第２デバイス部が制限方向の動きを受けると、第１デバイス部と第２デバイス部とはデバイス面内で互いに遠ざかり、第１カウンタ構造体は、第１デバイス部のエッジ上の領域である。モーションリミッタは、ロータである第１デバイス部または第２デバイス部が制限方向の動きを受けると、第１長尺レバーをデバイス面内で回動させる。

参照番号３１～３２、３１１、３２１、３３、３３１～３３２、３４１、３５、３６１、３７２および３９１～３９３は、それぞれ図１ａの参照番号１１～１２、１１１、１２１、１３、１３１～１３２、１４１、１５、１６１、１７２および１９１～１９３に対応する。モーションリミッタの動作は、図１ｃに示した動作に対応する。図３ａは、デバイス部が休止位置にあることを示し、図３ｂは、ロータである第１デバイス部または第２デバイス部が他方のデバイス部から非常に遠ざかったため、モーションリミッタが完全にトリガされ、ストッパ３６１がカウンタ構造体３７２と接触し、さらなる動きを防ぎ始めるときのデバイスを示す。

図２ａ～図２ｂを参照して行ったストッパ・ギャップ間の早期衝突の分析は、１つの変更を加えて図３ａ～図３ｂに当てはまる。参照番号３８３は、図２ａの参照番号２８３に対応し、変数Ａ、Ｂ、ＣおよびＤは、上記分析と同じ意味を有する。Ｃは、レバーの回動により第１ストッパがｙ方向に動く距離であり、Ｄは、ロータ・ステータ・ギャップが増加する距離である。ストッパ３６１は、この場合もカウンタ構造体３７２に近づき、これは、この時のみ起こる。その理由は、長尺レバー３３の第１端部が、第１デバイス部３１のエッジ３１１からさらに遠ざかるように引っ張られるためである。しかしながら、カウンタ構造体３７２を含む第１デバイス部３１は、レバーの回動点をなす第１取付部分３４１からさらには遠ざからない。

したがって、第１ストッパ３６１は、ＳＧ＝Ｃのとき、カウンタ構造体３７２と接触する。Ｃ＝Ａ^＊Ｄ／Ｂであるため、Ｄ＝ＳＧ^＊Ｂ／Ａのとき、接触が起こる。したがって、Ａ＞Ｂの場合、ストッパは、そのカウンタ構造体に早期衝突にて接触する（Ｄ＜ＳＧ）。一方、Ｂ＞Ａの場合、衝突は、遅れた衝突であるが（Ｄ＞ＳＧ）、カウンタ構造体３７２に対するストッパ３６１の相対速度は、第１デバイス部３１と第２デバイス部３２との相対速度よりも小さい。

図２ａ～図２ｂと図３ａ～図３ｂの両方において、ロータである第１デバイス部または第２デバイス部が制限方向に動くと、連結構造体２５／３５は、長尺レバー２３／３３の第１側２３１／３３１に縦方向の力を伝達する。この力は、第１デバイス部と第２デバイス部とが互いに近づく図２ｂでは押す力であり、第１デバイス部と第２デバイス部とが互いに遠ざかる図３ｂでは引く力である。この縦方向の力の結果、長尺レバーは、デバイス面内で回動し、第１ストッパ２６１／３６１をカウンタ構造体と接触させる。

上に提示したシングルレバーの実施形態のうちのいずれも、第１デバイス部と第２デバイス部とが互いに近づく場合と、それらが互いに遠ざかる場合の両方において動きを制限することができる双方向モーションリミッタとして使用することができる。これには、第１デバイス部上および第２デバイス部上の両方に、ストッパに十分隣接するカウンタ構造体が必要である。

ピンセットの実施形態
図４ａ～図４ｂ、図５ａ～図５ｂおよび図６ａ～図６ｂは、モーションリミッタが２つの長尺レバーの端部に２つのストッパを含むダブルレバーの実施形態を示す。モーションリミッタの動作は、ピンセットの動作に似ており、これらの実施形態は、ピンセットの実施形態と呼ばれてもよい。

連結構造体は、この実施形態において、第２長尺レバーと、第２デバイス部のエッジから第１デバイス部に向かって延在する第２取付部分とを含み、縦方向に可撓性を有するばね構造体であってもよい。当該第２長尺レバーの第１側は、第２取付部分から実質的に第３側方向に延在し、連結構造体は、さらに、第２長尺レバーの第１側から第１長尺レバーの第１側まで実質的に第２縦軸に沿って延在する縦コネクタを含む。

図４はモーションリミッタを示し、参照番号４１～４２、４１１、４２１、４３、４３１～４３２、４４１、４６１、４７２および４９１～４９３は、それぞれ図１ａの参照番号１１～１２、１１１、１２１、１３、１３１～１３２、１４１、１６１、１７２および１９１～１９３に対応する。参照番号４４２、４５および４７は共に、図１ａの参照番号１５に対応する。参照番号４５は第２長尺レバーを示し、４５１は第２長尺レバーの第１側を示す。４４２は第２取付部分であり、４７は縦コネクタである。

ロータが休止位置にあるときの第１長尺レバーの方向に関する上記説明が、第２長尺レバー４５にも当てはまる。すなわち、第２長尺レバー４５の第１側４５１は、図４ａの右側、この場合、第３側方向に延在する。しかしながら、第１デバイス部および第２デバイス部が休止位置にあるとき、第２長尺レバー４５は、第１デバイス部および第２デバイス部の側部４１１および４２１と必ずしも平行である必要はない。あるいは、第２長尺レバー４５は、この休止位置にあっても、第２取付部分４４２を中心にある程度回動することができるであろう。その場合、第３側方向は、横方向ではないであろう。言い換えれば、第３側方向は、第１側方向と略平行であってもよいが、必ずしもそうである必要はない。第２取付部分４４２は、図４ａが示すように、第１縦軸４９１上に位置合わせされてもよいが、必ずしもそうである必要はない。第２長尺レバー４５および第２取付部分４４２についてのこれら考慮事項は、以下に提示される他のピンセットの実施形態にも当てはまる。

図４ａ～図４ｂに示した実施形態において、ロータである第１デバイス部または第２デバイス部が制限方向の動きを受けると、第１デバイス部と第２デバイス部とは互いに近づく。第２デバイス部４２のエッジ４２１は、第１カウンタ構造体である。エッジ４２１は、第３縦軸４９３上に第１ストッパ４６１と一直線上に並ぶ凸部４７２を任意選択で有してもよい。

したがって、図４ａのモーションリミッタの動作は、図１ｂおよび図２ｂに示したモーションリミッタの動作に対応する。図４ｂは、ロータである第１デバイス部または第２デバイス部が他方のデバイス部に非常に近づいたため、モーションリミッタがトリガされ、ストッパ４６１がカウンタ構造体４７２と接触し、さらなる動きを防ぎ始めるときのデバイスを示す。連結構造体４４２＋４５＋４７の縦方向の可撓性は、モーションリミッタへのロータの影響を和らげるが、その他の点では、動作原理は同じである。

上記のように、モーションリミッタは、第１長尺レバー４３の第１端部４３１が第１デバイス部４１のエッジ４１１と接触する前に、第１ストッパ４６１がカウンタ構造体４７２と接触するように寸法付けられてもよい。これは、以下の場合に当てはまる。
ＳＧ＜ＬＧ×（１＋Ａ／Ｂ）
上式において、ＡおよびＢは、図２ａのように定義され、ＳＧは、休止位置のストッパ・ギャップ４８３の幅であり、ＬＧは、休止位置のレバー・ギャップ４８２の幅である。

第１デバイス部と第２デバイス部とのロータ・ステータ・ギャップが、以下の距離Ｄだけ減少すると、モーションリミッタがカウンタ構造体と接触することも示され得る。
Ｄ＝ＳＧ／（１＋Ａ／Ｂ）
しかしながら、ＤとＳＧの関係は、連結構造体の縦方向の可撓性により、多少この式から外れる。それでもなお、図２を参照して上述した限界寸法に関する同じ潜在的利点を、この構造体でも得ることができる。先の例のように、寸法が限界寸法より明らかに大きい場合でも、図４ａのモーションリミッタを使用することができる。

図５はモーションリミッタを示し、参照番号５１～５２、５１１、５２１、５３、５３１～５３２、５４１、５６１、５７２および５９１～５９３は、それぞれ図１ａの参照番号１１～１２、１１１、１２１、１３、１３１～１３２、１４１、１６１、１７２および１９１～１９３に対応する。参照番号５４２、５５および５７は共に、図１ａの参照番号１５に対応し、参照番号５７は図４ａの４７に対応する。

図５ａ～図５ｂおよび図６ａ～図６ｂに示したピンセットの実施形態において、第２長尺レバー５５は、さらに、第２取付部分５４２から実質的に第４側方向に延在する第２側５５２を有する。第４側方向は、上に規定された第３側方向と反対である。モーションリミッタは、さらに、当該第２長尺レバー５５の第２側５５２に取り付けられる第２ストッパ５６２を含む。第２ストッパ５６２は、第３縦軸５９３上に第１ストッパ５６１と一直線上に並ぶ。モーションリミッタは、ロータである第１デバイス部または第２デバイス部が制限方向の動きを受けると、第２取付部分５４２を中心にデバイス面内で第２長尺レバー５５を回動させる。第２取付部分５４２は、第１縦軸５９１上に位置合わせされてもよい。

図５ａ～図５ｂに示す実施形態において、微小機械デバイスは、さらに、第２カウンタ構造体５７３を備える。モーションリミッタは、第１デバイス部が第２デバイス部と直接物理的接触する前に、第２ストッパ５６２を第２カウンタ構造体と接触させる。

ロータである第１デバイス部５１または第２デバイス部５２が制限方向の動きを受けると、第１デバイス部５１と第２デバイス部５２とは互いに遠ざかる。第１カウンタ構造体５７２は、第１デバイス部５１のエッジ５１１上の領域であり、第２カウンタ構造体５７３は、第２デバイス部５２のエッジ５２１上の領域である。

あるいは、第１カウンタ構造体５７２は、第１デバイス部５１のエッジ５１１のエッジ上にバンプまたは凸部を有することができるであろう。あるいは、第２カウンタ構造体５７３は、第２デバイス部５２のエッジ５１２上にバンプまたは凸部を有することができるであろう。

図５ａのモーションリミッタの動作は、図１ｂに示したモーションリミッタの動作にある程度対応する。しかしながら、図５ｂが示すように、この動作はここで、第１デバイス部のエッジおよび第２デバイス部のエッジの両方に向かって起こる。第１ストッパ５６１は第１カウンタ構造体５７２と接触し、第２ストッパ５６２は第２カウンタ構造体５７３と接触し、第１ストッパ５６１および第２ストッパ５６２は両方とも、さらなる動きを防ぎ始める。２つのレバーが異なる方向に離れて広がるため、連結構造体５４２＋５５＋５７の縦方向の可撓性は、この場合も、モーションリミッタへのロータの影響を和らげる。

さらなる動きを防ぐために必要な力は、図示した構成において、第１長尺レバー５３と第２長尺レバー５５との間に略均等に分散される。第１ストッパ・ギャップ５８３の幅は、第２ストッパ・ギャップ５８４の幅と等しくてもよい。

しかしながら、各ピンセットモーションリミッタを非対称にすることも可能である。例えば、第１ストッパ・ギャップ５８３は、第２ストッパ・ギャップ５８４より広くてもよく、または狭くてもよい。代替的にまたは相補的に、第２取付部分５４２は、第１縦軸５９１上に位置合わせされなくてもよい。第２取付部分５４２は、図５ａの第１縦軸５９１の左側または右側のいずれかに配置されてもよい。先の選択肢のさらなる代替的または相補的なものとして、第１長尺レバー５３の横方向長さは、第２長尺レバー５５の横方向長さと異なってもよく、第２ストッパ５６２は、第３縦軸５９３上に位置合わせされなくてもよい。その代りに、第２ストッパ５６２は、図５ａの第３縦軸５９３の左側または右側のいずれかに配置されてもよい。このような構成は、例えば、第１段階で第１デバイス部５１に作用し始め（第１ストッパ５６１が第１カウンタ構造体５７２と接触するとき）、第２段階で第２デバイス部５２に作用し始める（第２ストッパ５６２が第２カウンタ構造体５７３と接触するとき）、またはその逆の２段階モーションリミッタを容易にし得る。

両方のストッパ５６１／５６２は、対応するカウンタ構造体５７２／５７３に近づくと、第１長尺レバーおよび第２長尺レバーの動作により、それぞれのカウンタ構造体と早期に接触することができる。

図６ａ～図６ｂに示す実施形態において、参照番号６１～６２、６１１、６２１、６３、６３１～６３２、６４１、６６１および６９１～６９３は、それぞれ図１ａの参照番号１１～１２、１１１、１２１、１３、１３１～１３２、１４１、１６１および１９１～１９３に対応する。参照番号６４２、６５および６７は共に、図１ａの参照番号１５に対応する。さらに、参照番号６４２、６５、６５１～６５２および６６２は、それぞれ図５ａの参照番号５４２、５５、５５１～５５２および５６２に対応する。６７は、図４ａの４７に対応する。参照番号６８２は、図４ａの参照番号４８２に対応し、参照番号６８４は、第２長尺レバーの対応するレバー・ギャップを示す。

図６ａに示すモーションリミッタでは、第２ストッパ６６２は第１カウンタ構造体であり、ロータである第１デバイス部６１または第２デバイス部６２が制限方向の動きを受けると、第１デバイス部と第２デバイス部とは互いに近づく。ストッパ・ギャップ６８３は、第１ストッパ６６１と第２ストッパ６６２との縦ギャップである。

図６ａ～図６ｂにおける早期衝突の背後にある一般的原理は、図２ａ～図２ｂの場合と同じである。ロータが距離Ｄだけステータに近づくと、第１ストッパ６６１は距離Ｃだけ下降し、第２ストッパ６６２は同じ距離Ｃだけを上昇した（第１長尺レバーと第２長尺レバーとは対称であり、同様に回動すると仮定する）。しかしながら、この場合、各長尺レバーの第１端部は、連結構造体が縦方向に可撓性を有するため、同じ距離Ｄだけ変位しない。衝突の形態は、連結構造体の可撓性に依存する。それでもなお、ストッパ・ギャップ間の早期衝突は、適切な設計で実現することができる。

図４ａ～図４ｂ、図５ａ～図５ｂおよび図６ａ～図６ｂにおいて、ロータである第１デバイス部または第２デバイス部が制限方向に動くと、縦コネクタ（４７／５７／６７）は、第１長尺レバーの第１側と第２長尺レバーの第１側との間で縦方向の力を伝達する。この力は、図４ｂおよび図６ｂでは、長尺レバーの第１側を、対応するデバイス部のエッジに向かって押すが、図５ｂでは、長尺レバーの第１側を、対応するデバイス部のエッジから引き離す。この縦方向の力の結果、第１長尺レバーと第２長尺レバーの両方は、デバイス面内で回動し、ストッパをそれぞれのカウンタ構造体と接触させる。

図６ａ～図６ｂに示した実施形態は、図５ａ～図５ｂに示した実施形態と容易に組み合わせて、第１デバイス部と第２デバイス部とが互いに近づく場合と、それらが互いに遠ざかる場合の両方において動きを制限することができる双方向モーションリミッタを形成してもよい。図４ａ～図４ｂに示した実施形態もまた、第１デバイス部上および第２デバイス部上の両方にカウンタ構造体を配置することによって、双方向モーションリミッタとして使用することができる。

Claims (8)

1. 少なくともモーションリミッタ領域において互いに隣接する、第１デバイス部と第２デバイス部とを備え、前記第１デバイス部および前記第２デバイス部のうちの一方は可動ロータであり、前記第１デバイス部および前記第２デバイス部のうちの他方は固定ステータである、微小機械デバイスであって、
   前記モーションリミッタ領域において、前記第１デバイス部のエッジは実質的に横方向に延在し、前記第２デバイス部のエッジもまた実質的に前記横方向に延在し、前記第１デバイス部のエッジは、前記モーションリミッタ領域において、前記横方向に直交する縦方向のロータ・ステータ・ギャップだけ前記第２デバイス部のエッジから離れており、
   前記微小機械デバイスは、さらに、前記ロータ・ステータ・ギャップを挟んで前記第１デバイス部から前記第２デバイス部まで延在するモーションリミッタを備え、前記モーションリミッタは、第１ストッパを含み、前記微小機械デバイスは、さらに、第１カウンタ構造体を備え、前記ロータである前記第１デバイス部または前記第２デバイス部が制限方向の動きを受けると、前記モーションリミッタは、前記第１デバイス部が前記第２デバイス部と直接物理的接触する前に、前記第１ストッパを前記第１カウンタ構造体と接触させ、
   前記モーションリミッタは、前記第１デバイス部のエッジに取り付けられ、かつ前記第２デバイス部に向かって延在する第１取付部分を含み、前記第１取付部分は、第１縦軸上に位置合わせされ、前記モーションリミッタは、さらに、第１長尺レバーを含み、
   当該第１長尺レバーの第１側は、前記第１取付部分から実質的に第１側方向に延在し、当該第１長尺レバーの第２側は、前記第１取付部分から実質的に第２側方向に延在し、前記第２側方向は、前記第１側方向と反対であり、前記第１ストッパは、当該第１長尺レバーの第２側に取り付けられており、
   前記モーションリミッタは、さらに、前記第２デバイス部のエッジから当該第１長尺レバーの第１側まで延在する連結構造体を含み、前記第１長尺レバーの第１側における前記連結構造体の取付点は、第２縦軸上に位置合わせされており、
   前記モーションリミッタは、前記ロータである前記第１デバイス部または前記第２デバイス部が前記制限方向の動きを受けると、前記第１取付点を中心に前記第１長尺レバーを回動させることによって前記第１ストッパを前記第１カウンタ構造体と接触させる
   微小機械デバイス。
2. 前記ロータである前記第１デバイス部または前記第２デバイス部が前記制限方向の動きを受けると、前記第１デバイス部と前記第２デバイス部とは前記デバイス面内で互いに遠ざかり、前記第１カウンタ構造体は、前記第１デバイス部のエッジ上の領域であり、前記モーションリミッタは、前記ロータである前記第１デバイス部または前記第２デバイス部が前記制限方向の動きを受けると、前記第１長尺レバーを前記デバイス面内で回動させる
   請求項１に記載の微小機械デバイス。
3. 前記ロータである前記第１デバイス部または前記第２デバイス部が前記制限方向の動きを受けると、前記第１デバイス部と前記第２デバイス部とは前記デバイス面内で互いに近づき、前記第１カウンタ構造体は、前記第２デバイス部のエッジ上の領域であり、前記モーションリミッタは、前記ロータである前記第１デバイス部または前記第２デバイス部が前記制限方向の動きを受けると、前記第１長尺レバーを前記デバイス面内で回動させる
   請求項１に記載の微小機械デバイス。
4. 前記連結構造体は、第２長尺レバーと、前記第２デバイス部のエッジから前記第１デバイス部に向かって延在する第２取付部分とを含み、縦方向に可撓性を有するばね構造体であり、当該第２長尺レバーの第１側は、前記第２取付部分から実質的に第３側方向に延在し、前記連結構造体は、さらに、前記第２長尺レバーの第１側から前記第１長尺レバーの第１側まで実質的に前記第２縦軸に沿って延在する縦コネクタを含む
   請求項１に記載の微小機械デバイス。
5. 前記ロータである前記第１デバイス部または前記第２デバイス部が前記制限方向の動きを受けると、前記第１デバイス部と前記第２デバイス部とは互いに近づき、前記第２デバイス部のエッジは、前記第１カウンタ構造体である
   請求項４に記載の微小機械デバイス。
6. 前記第２長尺レバーは、さらに、前記第２取付部分から実質的に第４側方向に延在する第２側を有し、前記第４側方向は、前記第３側方向と反対であり、前記モーションリミッタは、さらに、当該第２長尺レバーの第２側に取り付けられ、かつ第３縦軸上に前記第１ストッパと一直線上に並ぶ第２ストッパを含み、前記モーションリミッタは、前記ロータである前記第１デバイス部または前記第２デバイス部が前記制限方向の動きを受けると、前記第２取付点を中心に前記デバイス面内で前記第２長尺レバーを回動させる
   請求項４に記載の微小機械デバイス。
7. 前記第２ストッパは前記第１カウンタ構造体であり、前記ロータである前記第１デバイス部または前記第２デバイス部が前記制限方向の動きを受けると、前記第１デバイス部と前記第２デバイス部とは互いに近づく
   請求項６に記載の微小機械デバイス。
8. 前記微小機械デバイスは、さらに、第２カウンタ構造体を備え、前記モーションリミッタは、前記第１デバイス部が前記第２デバイス部と直接物理的接触する前に、前記第２ストッパを前記第２カウンタ構造体と接触させ、
   前記ロータである前記第１デバイス部または前記第２デバイス部が前記制限方向の動きを受けると、前記第１デバイス部と前記第２デバイス部とは互いに遠ざかり、前記第１カウンタ構造体は、前記第１デバイス部のエッジ上の領域であり、前記第２カウンタ構造体は、前記第２デバイス部のエッジ上の領域である
   請求項６に記載の微小機械デバイス。

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