JP2022515971A - 検出装置 - Google Patents

Abstract

検出装置が、第１のモードと第２のモードで運動可能な共振部材と、電極とを有する。共振部材は、電極の容量性表面部分に面して容量的に結合された容量性表面部分を有する。第１のモードで共振部材の容量性表面部分に沿った各点の変位は、点に対して実質的に接する。

Description

本出願は、一般に検出装置に関し、より詳細にはＭＥＭＳジャイロスコープ又はＭＥＭＳ加速度計などの検出装置に関する。

ジャイロスコープや加速度計などの慣性測定装置は、高精度の検出を提供する。しかしながら、歴史的にそのコスト、寸法及び所要電力が、消費者製品、ゲーム装置、自動車、携帯型測位システムなどの産業におけるその広範囲の使用を妨げてきた。

最近になって、微細加工技術によって小型ジャイロスコープと加速度計の製造が可能になったため、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）センサ装置が複数の産業から注目されるようになった。また、小型化によって同一ダイ上にＭＥＭＳ装置と読み出し電子回路の一体化が可能になり、その結果、ノイズ、コスト及び消費電力が低減され、またノイズの低減によって分解能が改善された。デジタルカメラ、三次元ゲーム機器及び自動車センサなどの消費者製品は、多くの利点によりＭＥＭＳ装置を採用している。消費者による低コストで、より高性能で、ユーザフレンドリーな装置の要求により、ＭＥＭＳセンサの需要が急激に上昇しており、その理由は、ＭＥＭＳセンサが、十分な信頼性と性能をきわめて安値で提供するからである。

米国特許第７５４３４９６号、米国特許第７５７８１８９号、米国特許第７８９２８７６号、米国特許第８１７３４７０号、米国特許第８３７２６７７号、米国特許第８５２８４０４号、及び米国特許第８１６６８１６号に開示されたような従来のＭＥＭＳ装置は、軸のまわりと軸に沿った回転（即ち、軸のまわりの回転の角度又は角速度）又は並進運動（即ち、軸に沿った直線加速度）を検出できる。これらの装置は、典型的には、容量性ギャップによって共振器から離間された複数の電極に取り囲まれた共振部材を含む。

例えば、図１２に、ＭＥＭＳジャイロスコープに対応し、共振部材１１２と、共振部材１１２から離間された複数の電極１１８とを含む検出装置１１０が示される。各電極１１８は、共振部材１１２に容量的に結合される。より具体的には、共振部材１１２は、電極１１８の関連付けられた容量性表面部分１２８にそれぞれ面し容量的に結合された複数の容量性表面部分１２２を有する。それにより、共振部材１１２と各電極１１８の間に容量性チャネル１３０が規定される。

共振部材１１２は、２つの共振モード、即ちドライブモードとセンスモードで動作できる。詳細には、２つの電極１１８ａ，１１８ｃは、共振部材１１２に駆動力をＸ方向に印加して共振部材１１２を励起し、共振部材１１２をドライブモードで所定の周波数（例えば、共振部材１１２の固有周波数）で振動させる働きをするドライブ電極である。共振部材１１２が回転されると、コリオリの効果によって、エネルギーがドライブモードからセンスモードに移され、共振部材１１２がセンスモードで振動する。更に、２つの電極１１８ｂ、１１８ｄは、Ｘ方向に垂直なＹ方向の共振部材１１２のセンスモード運動に応じて電流を生成するように構成されたセンス電極である。したがって、この電流を分析して共振部材１１２の回転速度を決定できる。

各電極１１８は、共振部材１１２のノード軸と位置合わせされる（この開示の目的のため、共振部材の「ノード軸（node axis）」は、共振部材の２つ以上のノード点を通る軸であり、「ノード点（node point）」は、ドライブモード又はセンスモードで振動するときの共振部材の反ノード又はノードを指す）。より具体的には、ドライブ電極１１８ａ，１１８ｃは、共振部材１１２の２つのノード点１３４ａ，１３４ｃを通る第１のノード軸Ｎ_１と位置合わせされ、センス電極１１８ｂ，１１８ｄは、共振部材１１２の他の２つのノード点１３４ｂ，１３４ｄを通る第２のノード軸Ｎ_２と位置合わせされる。２つのノード点１３４ａ，１３４ｃは、センスモードで共振部材１１２のノードに対応し、ドライブモードで共振部材１１２の反ノードに対応し、一方、他の２つのノード点１３４ｂ，１３４ｄは、センスモードで共振部材１１２の反ノードに対応し、ドライブモードの共振部材１１２のノードに対応する。更に、共振部材１１２と電極１１８の容量性表面部分１２２，１２８は、好ましくは、それらの容量性チャネル１３０がその関連ノード軸に関して対称的になるように形成され配置されることが好ましい。

理想的には、センスモードは、共振部材１１２がゼロレート（即ち、回転していない）のときに起動されず、その結果、Ｙ方向の共振部材１１２のセンスモード運動がゼロになり、回転を誤って示す電流出力がセンス電極１１８ｂ，１１８ｄに生成されない。しかしながら、以下に詳述されるように、共振部材１１２がゼロレートのときでもセンス電極１１８ｂ，１１８ｄが起動されうる。

例えば、図１２の検出装置１１０は、典型的には、材料単体を共振部材１１２と電極１１８に分割するディープリアクティブイオンエッチング（ＤＲＩＥ）処理を使って製造される。容量性チャネル１３０は、エッチングされる単体の位置に、共振部材１１２と電極１１８の容量性表面部分１２２，１２８と共に形成される。前述されたように、共振部材１１２と電極１１８の容量性表面部分１２２，１２８は、その容量性チャネル１３０がその関連ノード軸に関して対称になるように形成され配置されることが好ましい。しかしながら、各チャネル１３０の端を形成するときにＤＲＩＥ処理で生じる欠陥により、容量性表面部分１２２，１２８の各チャネル１３０の端に欠陥が生じることがあり、これによりチャネル１３０がその関連ノード軸に関して非対称になる。

図１３は、センス電極１１８ｂの容量性表面部分１２８ｂに欠陥１４２が形成され、その結果、その容量性チャネル１３０ｂが第２のノード軸Ｎ_２に関して対称的にならない例を示す。ドライブ電極１１８ａ，１１８ｃが、共振部材１１２をドライブモードで励起するように操作されたとき、共振部材１１２の容量性表面部分１２２ｂにドライブモード運動が起こる（例えば、共振部材１１２のドライブモード運動を示す図１３の破線１４６を参照）。センス電極１１８ｂの容量性チャネル１３０ｂが、第２のノード軸Ｎ_２に関して対称的な場合、容量性表面部分１２２ｂの全容量性変位がゼロになり、それにより、センス電極１１８ｂにおける電流がゼロになる。しかしながら、容量性チャネル１３０ｂが対称的でないので、容量性表面部分１２２ｂの全容量性変位がゼロでなくなり、それにより、センス電極１１８ｂに、共振部材１１２の回転を誤って示し時間と温度の変化と共に変化しうるゼロレート出力（ＺＲＯ）が生成される。

更に、ドライブ電極１１８ａ，１１８ｃの容量性チャネル１３０ａ，１３０ｃの一方又は両方に非対称性がある場合、この非対称性によって、ゼロレート状態でドライブ電極１１８ａ，１１８ｃに共振部材１１２のセンスモード運動が生じることがあり、これにより、更にセンス電極１１８ｂ，１１８ｄにＺＲＯが生成されうる（センス電極１１８ｂ，１１８ｄの容量性チャネル１３０ｂ，１３０ｄが完全に対称的な場合でも）。

米国特許第７５４３４９６号 米国特許第７５７８１８９号 米国特許第７８９２８７６号 米国特許第８１７３４７０号 米国特許第８３７２６７７号 米国特許第８５２８４０４号 米国特許第８１６６８１６号

以下に、本発明の例示的な実施形態の単純化された要約を示す。この要約は、本発明の不可欠な要素を識別するものでも本発明の範囲を示すものでもない。この要約の唯一の目的は、後で提示されるより詳細な説明の序文として、例示的な幾つかの実施形態を単純化された形態で提示することである。

第１の態様によれば、検出装置は、第１のモードと第２のモードで運動可能な共振部材と、電極とを有する。共振部材は、電極の容量性表面部分に面して容量的に結合された容量性表面部分を有する。第１のモードで共振部材の容量性表面部分に沿った各点の変位は、点に対して実質的に接する。

第１の態様の一例では、共振部材の容量性表面部分が湾曲される。

第１の態様の別の例では、共振部材の容量性表面部分が凹状である。

第１の態様の更に別の例では、共振部材の容量性表面部分が凸状である。

第１の態様の更に別の例では、共振部材は、本体と、本体に一体的に接続されかつ本体から突出する突出部とを有し、突出部は、共振部材の容量性表面部分を規定する。一例では、突出部は、共振部材のノード軸に沿って本体から延在し、突出部は、近位端部分と遠位端部分とを有し、遠位端部分は、近位端部分より幅広く、遠位端部分は、共振部材の容量性表面部分を規定する。一例では、突出部の近位端部分は、第２のモードでノード軸に実質的に平行な方向に変位する本体の部分に接続される。

第１の態様の別の例では、共振部材は本体を有し、共振部材の容量性表面部分は、本体の凹面部分である。

第１の態様の更に別の例では、検出装置は、基板と、共振部材を基板に対して支持するアンカーと、アンカーから共振部材を柔軟に分離するための分離機構とを有する。分離機構は、アンカーに接続されたフランジ、リング部分、リング部分をフランジに接続する複数の第１の弾性部分、及びリング部分を共振部材に接続する複数の第２の弾性部分を有する。第１の弾性部分はそれぞれ、各第２の弾性部材の剛性より低い剛性を有する。

第１の態様の更に別の例では、ジャイロスコープは検出装置を含む。

第２の態様によれば、検出装置は、第１のモードと第２のモードで運動可能な共振部材と、電極とを有する。電極は、共振部材の２つの容量性表面部分の一方が、電極の一方の容量性表面部分に面して容量的に結合され、共振部材の２つの容量性表面部分の他方が、電極の別の容量性表面部分に面して容量的に結合されるように、共振部材の２つの容量性表面部分の間に位置される。共振部材の２つの容量性表面部分のそれぞれに沿った各点の変位は、第１のモードで点に対して実質的に接する。

第２の態様の１つの例では、電極と共振部材は、その間に容量性チャネルを規定し、共振部材の２つの容量性表面部分はそれぞれ容量性チャネルの２つの端部を規定する。

第２の態様の別の例では、共振部材は、本体と、本体に一体的に接続されて本体から突出する２つの突出部を有し、電極が、２つの突出部の間に位置される。２つの突出部の一方は、共振部材の２つの容量性表面部分の一方を規定し、２つの突出部の他方は、共振部材の２つの容量性表面部分の他方を規定する。

第２の態様の更に別の例では、共振部材は、本体を有し、共振部材の各容量性表面部分は、本体の凹面部分に対応する。

第２の態様の更に別の例では、電極は、共振部材のノード軸に沿って位置される。

第３の態様によれば、検出装置は、第１のモードと第２のモードで運動可能な共振部材を有し、共振部材は、本体と、共振部材のノード軸に沿って本体から延在する突出部とを有する。突出部は、近位端部分と遠位端部分を有し、遠位端部分は近位端部分より幅広い。

第３の態様の一例では、検出装置は、ノード軸に沿って突出部と位置合わせされた電極を有し、突出部の近位端部分は、電極の容量性表面部分に面して容量的に結合された共振部材の容量性表面部分を規定する。

第３の態様の別の例では、突出部の近位端部は、第２のモードでノード軸と実質的に平行な方向に変位する本体の部分に接続される。

第３の態様の更に別の例では、共振部材の容量性表面部分に沿った各点の変位は、第１のモードで点に対して実質的に接線である。一例では、共振部材の容量性表面部分は湾曲される。

以上の概略的な説明と以下の詳細な説明は両方とも、例示的及び説明的な実施形態を示すことを理解されたい。添付図面は、記述された実施形態の更なる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれその一部を構成する。図面は様々な例示的実施形態を示す。

本発明の以上及びその他の態様は、添付図面に関する以下の記述を読むことによって、本発明が関係する当業者に明らかになる。

第１の実施形態による例示的な検出装置の概略平面図である。 第２の実施形態による検出装置の概略平面図である。 第３の実施形態による検出装置の概略平面図である。 第４の実施形態による検出装置の概略平面図である。 第５の実施形態による検出装置の拡大概略平面図である。 第６の実施形態による検出装置の拡大概略平面図である。 第７の実施形態による検出装置の拡大概略平面図である。 第８の実施形態による検出装置の拡大概略平面図である。 検出装置の例示的分離機構の概略平面図である。 検出装置のアンカーの斜視部分断面概略図である。 アンカーにスリットが形成された検出装置の拡大概略平面図である。 先行技術の例示的検出装置の概略平面図である。 図１２の検出装置の拡大図である。

例示的な実施形態が記述され図面に示される。これらの示された例は、本発明を限定するものではない。例えば、他の実施形態及び他のタイプの装置で１つ以上の態様を利用できる。更に、特定の用語は、本明細書で便宜上使用され、限定として解釈されるべきでない。

図１に移り、検出装置１０の第１の実施形態について述べる。この例の検出装置１０は、ＭＥＭＳジャイロスコープに対応する。しかしながら、検出装置１０は、ＭＥＭ加速度計などの他の例で他の検出装置に対応できる。

図１の検出装置１０は、基板１６に対して支持された共振部材１２と、共振部材１２から離間された複数の電極１８とを含む。各電極１８は、共振部材１２に容量的に結合される。より具体的には、共振部材１２は、電極１８の関連容量性表面部分２８にそれぞれ面して容量的に結合された複数の容量性表面部分２２を有する。それにより、共振部材１２と各電極１８の間に容量性チャネル３０が規定される。

基板１６に対して共振部材１２を支持するための例示的な支持構造は、以下に詳述される。一般に、共振部材１２は、共振部材１２が２つの共振モード、即ちドライブモードとセンスモードで動作できるように基板１６に対して柔軟に支持される。この実施形態において、２つの電極１８ａ，１８ｃは、共振部材１２に対してＸ方向に駆動力を印加して共振部材１２を励起し、共振部材１２をドライブモードで所定の周波数（例えば、共振部材１２の固有周波数）で振動させる働きをするドライブ電極である。共振部材１２が回転されると、コリオリの効果によって、ドライブモードからセンスモードにエネルギーが移され、共振部材１２がセンスモードで振動される。更に、２つの電極１８ｂ，１８ｄは、Ｘ方向に垂直なＹ方向の共振部材１２のセンスモード運動に応じて電流を生成するように構成されたセンス電極である。したがって、この電流を分析して共振部材１２の回転速度を決定できる。

共振部材１２と電極１８の形状は、実施形態並びに共振部材１２に対する電極１８の数と配置によって異なりうる。一般に、共振部材１２は、Ｘ－Ｙ平面に沿って延在し、共振部材１２の重心（即ち、質量中心）ｃ_ｍを通りＸ－Ｙ平面に垂直な中心軸ωを有する平面体でよい。更に、各電極１８は、共振部材１２のノード軸と位置合わせされることが好ましい。

例えば、本実施形態のドライブ電極１８ａ，１８ｃは、共振部材１２の２つのノード点３４ａ，３４ｃを通る第１のノード軸αと位置合わせされ、センス電極１８ｂ，１８ｄは、共振部材１２の他の２つのノード点３４ｂ，３４ｄを通る第２のノード軸βと位置合わせされる。２つのノード点３４ａ，３４ｃは、センスモードでは共振部材１１２のノードに対応し、ドライブモードでは共振部材１１２の反ノードに対応し、一方、他の２つのノード点３４ｂ，３４ｄは、センスモードでは共振部材１１２の反ノードに対応し、ドライブモードでは共振部材１１２のノードに対応する。第１及び第２のノード軸α，βは、それぞれＸ方向とＹ方向に実質的に平行であり、共振部材１２の中心軸ωで互いに交差する。更に、共振部材１２と電極１８の容量性表面部分２２，２８は、それらの容量性チャネル３０がその関連ノード軸α，βに関して対称になるように形成され配置されることが好ましい。

幾つかの例では、共振部材の容量性表面部分２２の１つ以上は、共振部材１２の特定の共振モード（例えば、ドライブモード又はセンスモード）での容量性表面部分２２に沿った各点の変位が、実質的にその点に接するように構成されうる（この開示の目的のため、「実質的に接線方向」又は「実質的に接する」は、接線から１０度以下、好ましくは接線から５度以下、より好ましくは接線から２度以下を意味する）。例えば、この実施形態では、ドライブ電極１８ａ，１８ｃと関連付けられた容量性表面部分２２ａ，２２ｃはそれぞれ、容量性表面部分２２に沿った各点の変位が、センスモードでその点に実質的に接するように構成される。一方、センス電極１８ｂ，１８ｄと関連付けられた容量性表面部分２２ｂ，２２ｄはそれぞれ、容量性表面部分２２に沿った各点の変位がドライブモードでその点に実質的に接するように構成される。

容量性表面部分２２のそのような変位を可能にするために、この実施形態の共振部材１２は、本体４０と、Ｘ－Ｙ平面に沿って本体４０に一体的に接続されそこから半径方向外方に突出する複数の突出部４２とを含む（本開示の目的のため、半径方向は、共振部材１２の中心軸ωに垂直でかつ交差する方向である）。２つの突出部４２ａ，４２ｃは、第１のノード軸αと位置合わせされ、共振部材１２の容量性表面部分２２ａ，２２ｃをそれぞれ規定する凸面を有し、他の２つの突出部４２ｂ，４２ｄが、第２のノード軸βと位置合わせされ、容量性表面部分２２ｂ，２２ｄをそれぞれ規定する凸面を有する。各容量性表面部分２２は、共振部材１２の関連ノード点３４の近くにある。各容量性表面部分２２のその関連ノード点３４に対する湾曲と近さは、容量性表面部分２に沿った各点の変位が、容量性表面部分２２ａ，２２ｃのセンスモードで及び容量性表面部分２２ｂ，２２ｄのドライブモードでその点に対して実質的に接することを可能にする。

共振部材の容量性表面部分２２ｂ，２２ｄのドライブモード変位が表面に沿って実質的に接するとき、Ｙ方向の容量性表面部分２２ｂ，２２ｄと電極１８ｂ，１８ｄのその関連容量性表面部分２８ｂ，２８ｄとのドライブモード距離は、実質的に一定のままになる。したがって、電極１８ｂ，１８ｄの容量性表面部分２８ｂ，２８ｄ内の欠陥によって容量性チャネル３０ｂ，３０ｄが非対称の場合でも、電極１８ｂ，１８ｄで生成されたドライブモード電流は実質的にゼロになる。これにより、前述したＺＲＯ効果を防ぐことができる。

更に、共振部材の容量性表面部分２２ａ，２２ｃのセンスモード変位がその表面に沿って実質的に接するとき、電極１８ａ，１８ｃの容量性表面部分２８ａ，２８ｃの欠陥によって容量性チャネル３０ａ，３０ｂが非対称の場合でも、ドライブ電極１８ａ，１８ｃがセンスモードになりＺＲＯ効果となるのが防止される。

共振部材１２が、その容量性表面部分２２の接線方法変位を生成してＺＲＯ効果を防ぐことができる様々な他の構成を含みうることを理解されたい。実際には、共振部材１２に沿った表面点の変位は、例えば、点の位置（例えば、ノード点に対して）並びに共振部材の寸法、形状、質量及び材料特性に依存し、これはらは全て実施形態により異なりうる。したがって、容量性表面部分２２の接線方向変位を生成する共振部材１２とその容量性表面部分２２の構成は実施形態によって大幅に異なりうる。

例えば、類似及び／又は代替効果を作成できる異なる構成を有する検出装置１０の他の実施形態が後述される。以下の実施形態では、同じ参照数字が類似又は同様の構成要素を示すために使用される。必要に応じて、他の実施形態とは異なる各実施形態の態様が記述されるか他の方法で明らかにされ、一方同じ態様の説明は省略される。

図２は、共振部材１２の本体４０が、本体４０を貫通する穴４８を規定する内周４６を有する環状体である第２の実施形態を示す。この実施形態では、共振部材１２の突出部４２は、本体４０の内周４６からノード軸α，βに沿ってその中心軸ωに向かって半径方向内方に突出する。同様に、突出部４２は、共振部材１２の容量性表面部分２２を規定する凸面を有する。更に、電極１８は、容量性表面部分２８が共振部材１２のその関連容量性表面部分２２に面するように穴４８内に配列される。

図３は、共振部材１２の容量性表面部分２２が、本体４０内にＸ－Ｙ平面に沿ってその中心軸ωに向かって半径方向に拡がる関連凹部５６を規定する本体４０の凹面部分に対応する第３の実施形態を示す。２つの凹部５６ａ，５６ｃを第１のノード軸αと位置合わせでき、一方、他の２つの凹部５６ｂ，５６ｄを第２のノード軸βと位置合わせできる。この例では、容量性表面部分２２は凹状面である。

図４は、共振部材１２の本体４０がこの場合も環状体である第４の実施形態を示す。この実施形態で、共振部材１２の凹部５６は、その内周４６に沿って位置され、ノード長軸α，βに沿って中心軸ωから本体４０内に半径方向に突出する。同様に、容量性表面部分２２は、共振部材１２の凹部５６を規定する凹状面である。更に、電極１８は、その容量性表面部分２８が、共振部材１２のその関連容量性表面部分２２に面するように穴４８内に配置される。

図２～４の実施形態のそれぞれで、共振部材１２の容量性表面部分２２は、関連ノード点３４の近くに湾曲され配置される。第１の実施形態と同様に、第２、第３及び第４の実施形態における容量性表面部分２２のその関連ノード点３４に対する湾曲と近さは、容量性表面部分２２に沿った各点の変位が、容量性表面部分２２ａ，２２ｃではセンスモードで、容量性表面部分２２ｂ，２２ｄではドライブモードでその点に実質的に接することを可能にしうる。したがって、同様に、第２、第３、及び第４の実施形態は、前述のＺＲＯ効果を防ぎうる。

図５は、本体４０から半径方向外方に延在し、共振部材１２とセンス電極１８ｂの間の容量性チャネル３０ｂが電極１８ｂを取り囲むようにセンス電極１８ｂの両側に位置された２つの突出部４２ｂ’，４２ｂ’’を共振部材１２が有する第５の実施形態の拡大図である。チャネル３０ｂに沿った共振部材１２と電極１８ｂの表面は、互いに容量的に結合される。詳細には、２つの突出部４２ｂ’，４２ｂ’’はそれぞれ、電極１８ｂの２つの容量性表面部分２８ｂ’，２８ｂ’’に面して容量的に結合された共振部材１２の２つの容量性表面部分２２ｂ’，２２ｂ’’を規定する。共振部材１２のこれらの２つの容量性表面部分２２ｂ’，２２ｂ’’は、容量性チャネル３０ｂの２つの端部６０ｂ’，６０ｂ’’をそれぞれ規定する。一方、共振部材１２は、容量性チャネル３０ｂの中間部分６０ｂ’’’を規定する容量性表面部分２２ｂ’’’を有する。

第５の実施形態の容量性表面部分２２ｂ’，２２ｂ’’は、平面として示されているが、実際には２～５多項曲線に従うわずかな湾曲を有する。それにもかかわらず、容量性表面部分２２ｂ’，２２ｂ’’は同様に、容量性表面部分２２ｂ’，２２ｂ’’に沿った各点の変位がドライブモードで点に対して実質的に接するように構成される。

前述したように、センサ素子内に容量性チャネルを形成するために一般に使用されるＤＲＩＥプロセスは、容量性表面部分のチャネルの端に欠陥を形成しうる。この実施形態では、容量性チャネル３０ｂの端部６０ｂ’，６０ｂ’’における容量性表面部分２２ｂ’，２２ｂ’’は、容量性表面部分２２ｂ’，２２ｂ’’に沿った各点の変位が、ドライブモードでその点に対して実質的に接するように構成される。したがって、容量性チャネル３０ｂの端部６０ｂ’，６０ｂ’’に欠陥が生じる場合でも、実質的に接線方向の動きが、前述されたＺＲＯ効果を防ぎうる。

更に、容量性チャネル３０ｂの中央部分６０ｂ’’’に欠陥がほとんど生じないので、中央部分６０ｂ’’’は、第２のノード軸βに関して対称のままである可能性が高い。したがって、容量性表面部分２２ｂ’’’の動きが、ドライブモード中に非接線方向である場合でも、容量性表面部分２２ｂ’’’の全容量性変位はゼロになり、それによりセンス電極１８ｂに生じる電流がゼロになる。

共振部材１２が、検出装置１０の他の電極１８に、類似の突出部４２を有しうることを理解されたい。ドライブ電極１８ａ，１８ｄの突出部４２に関して、その容量性チャネルの端部にある対応する容量性表面部分は、ドライブモードではなくセンスモードで実質的に接線方向の変位を示す。更に、類似の関係及び効果は、共振部材１２が環状であり、突出部４２が各電極１８の両側で本体から半径方向内方に延在する状態で電極１８が共振部材１２の中央開口内に配置された実施形態によって達成されうる。更に、突出部４２は、第５の実施形態によって示された形状の代替形状を有しうる。例えば、幾つかの実施形態において、突出部４２は、実質的に長方形又は正方形でよい。

図６は、共振部材１２が、本体４０内に半径方向に延在する２つの凹部５６ｂ’，５６ｂ’’を有し、共振部材１２とセンス電極１８ｂの間の容量性チャネル３０ｂが電極１８ｂを取り巻くようにセンス電極１８ｂが凹部５６ｂ’，５６ｂ’’内に配置された２つの突出部６２ｂ’，６２ｂ’’を有する第６の実施形態の拡大図である。第５の実施形態と同様に、共振部材１２は、電極１８ｂの２つの容量性表面部分２８ｂ’，２８ｂ’’に面して容量的に結合された２つの容量性表面部分２２ｂ’，２２ｂ’’を有する。更に、共振部材１２のこれらの２つの容量性表面部分２２ｂ’，２２ｂ’’はそれぞれ、容量性チャネル３０ｂの２つの端部６０ｂ’，６０ｂ’’を規定する。

第６の実施形態の容量性表面部分２２ｂ’，２２ｂ’’はそれぞれ、２つの凹部５６ｂ’，５６ｂ’’をそれぞれ規定する本体４０の凹面部分に対応し、同様に、容量性表面部分２２ｂ’，２２ｂ’’に沿った各点の変位が、ドライブモードでその点に対して実質的に接するように構成される。したがって、容量性チャネル３０ｂの端部６０ｂ’，６０ｂ’’に欠陥が生じる場合でも、容量性表面部分２２ｂ’，２２ｂ’’の実質接線方向の動きが、前述したＺＲＯ効果を防ぎうる。更に、容量性チャネル３０ｂの中央部分６０ｂ’’’に欠陥が生じる可能性が低いので、中央部分６０ｂ’’’は、第２のノード軸βに関して対称的なままになる可能性が高い。したがって、中央部分６０ｂ’’’における共振部材１２の容量性表面部分２２ｂ’’’の動きが、ドライブモード中に非接線方向である場合でも、容量性表面部分２２ｂ’’’の全容量性変位がゼロになり、それによりセンス電極１８ｂでの電流がゼロになる。

共振部材１２が、検出装置１０の他の電極１８に、類似の凹部５６を有しうることを理解されたい。ドライブ電極１８ａ，１８ｃにある凹部５６に関して、その容量性チャネルの端部にある対応する容量性表面部分は、ドライブモードではなくセンスモードで実質的に接線方向の変位を示す。更に、類似の関係及び効果は、共振部材１２が環状であり、電極１８が本体の内周に沿って位置された凹部５６内に配列された実施形態によって達成されうる。更に、凹部５６は、第６の実施形態で示された形状に代わる形状を有しうる。

一般的に言うと、同様に、共振部材１２と電極１８が電極１８を取り囲む容量性チャネル３０を規定して、容量性チャネル３０の端部を規定し、ドライブ電極ではセンスモード又はセンス電極ではドライブモードで実質的接線方向に変位する共振部材１２の２つの容量性表面部分２２の間に電極１８が配置されるようにする構成で、第５及び第６の実施形態の効果を実現できる。

図７は、共振部材１２が第２のノード軸βに沿って本体４０から半径方向外方に延在する突出部４２ｂを有する第７の実施形態の拡大図である。突出部４２ｂは、本体４０に最も近くある近位端部分６６と、本体４０から最も遠くにある遠位端部分６８とを有する。遠位端部分６８は、電極１８ｂの容量性表面部分２８ｂに面して容量的に結合された共振部材１２の容量性表面部分２２ｂを規定する。この例では、共振部材１２の容量性表面部分２２ｂは実質的に平面である。

遠位端部分６８は、近位端部分６６より幅広い（この幅は、第２のノード軸βに垂直な方向にＸ－Ｙ平面に沿って測定される）。詳細には、遠位端部６８の容量性表面部分２２ｂは、本体４０の部分７２に繋がる近位端部６６の基部７０より幅広い。その結果、本体４０の部分７２におけるセンスモード変位（第２のノード軸βに実質的に平行である）は、容量性表面部分２２ｂに移行し、これにより、電極１８ｂに容量結合するための表面積が大きくなり、電極１８ｂで生成されるセンスモード電流が効果的に増幅される。この開示の目的のため、「実質的に平行」は、平行から１０度以下、好ましくは平行から５度以下、より好ましくは平行から２度以下を意味する。

共振部材１２が、検出装置１０の他の電極１８に、類似の突出部４２を有しうることを理解されたい。ドライブ電極１８ａ，１８ｃにおける突出部４２に関して、遠位端部分６８にある対応する容量性表面部分は、ドライブ電極１８ａ，１８ｃによって共振部材１２内に生成されるドライブモード励起を効果的に増幅する。更に、類似の関係及び効果は、共振部材１２が環状であり、各電極１８の両側に本体４０から半径方向内方に延在する突出部４２を有する共振部材１２の中央開口内に電極１８が配列された実施形態によって達成されうる。更に、突出部４２は、第７の実施形態によって示された形状に代わる形状を有しうる。例えば、幾つかの実施形態では、突出部４２の近位端部分６６及び／又は遠位端部分６８は、その幅が半径方向外方にその関連ノード軸に沿って増大するように先細りにされうる。

図８は、遠位端部分６８の容量性表面部分２２ｂが曲面をした第７の実施形態の変形である第８の実施形態を示す。詳細には、容量性表面部分２２ｂは、凸状であり、容量性表面部分２２ｂに沿った各点がその関連ノード点３４ｂの近くにあるように配置される。第１の実施形態と同様に、容量性表面部分２２ｂのその関連ノード点３４ｂに対する湾曲と近さは、容量性表面部分２２ｂに沿った各点の変位が、センスモードでその点に対して実質的に接することを可能にする。したがって、同様に、容量性表面部分２２ｂは、前述したＺＲＯ効果を防ぎうる。

第８の実施形態の突出部４２は検出装置１０の他の電極１８に適用されうることを理解されたい。ドライブ電極１８ａ，１８ｄの突出部４２に関して、その遠位端部分にある対応する容量性表面部分は、ドライブモードではなくセンスモードでの実質的に接線方向の変位を示す。更に、類似の関係及び効果は、共振部材１２が環状であり、各電極１８の両側で本体から半径方向内方に延在する突出部４２を有する共振部材１２の中央開口内に電極１８が配置された実施形態によって達成されうる。更に、突出部４２の遠位端部分における容量性表面部分は、例えば、凹状曲面などの他の湾曲を有しうる。

図１に関して前述されたように、共振部材１２は、基板１６に対して、共振部材１２が２つの共振モード（即ち、ドライブモードとセンスモード）で運動可能なように柔軟に支持される。参照により全体が本明細書に組み込まれた米国特許出願第２０１６／０３２７３９０号は、本開示の検出装置１０に適用できる、基板に対して共振部材を柔軟に支持するための様々な例示的構造（「分離機構」と呼ばれる）を開示する。そのような構造は、共振部材が固定支持構造から柔軟に分離されかつ固定支持構造から影響をほとんど受けることなく振動できるように共振部材を支持構造（例えば、アンカー）に取り付けるので「分離機構」と呼ばれる。

分離機構８０の特定の１つの例が、本開示の図９に示され、この図は、共振部材１２の本体４０が環状でありアンカー８２に支持された実施形態の拡大図を示す。アンカー８２は、本体４０とアンカー８２の下にありしたがって図９では見えない基板に固定される。分離機構８０は、共振部材１２がアンカー８２から柔軟に分離されかつアンカー８２から影響をほとんど受けることなく振動できるように、共振部材１２をアンカー８２に取り付ける。

図９に示されたように、分離機構８０は、フランジ８６、複数の第１の弾性部分８８、リング部分９０及び複数の第２の弾性部分９２を有する。フランジ８６は、環状に形成され、アンカー８２を取り囲む。フランジ８６は、アンカー８０に直接接続され、円方向に位置合わせされて剛性を低減する穴９４を有する。リング部分９０は、フランジ８６を取り囲み、本体４０とフランジ８６の間にある。

第１の弾性部分８８は、フランジ８６をリング部分９０に接続し、それぞれ第１の接続部分９６ａ、円周方向に延在する本体部分９６ｂ、及び２つの第２の接続部分９６ｃを有する。第１の弾性部分８８ごとに、第１の接続部分９６ａは、フランジ８６を本体部分９６ｂの中心に接続し、一方、第２の接続部分９６ｃは、本体部分９６ｂの端をリング部分９０に接続する。第１の弾性部分８８の第１の接続部分９６ａは、アンカー６４の中心（共振部材１２の中心軸ωと一致する）のまわりに各角度θ１で配置され、ここで角度θ１は約４５度である。

第２の弾性部分９２は、リング部分９０を本体４０に接続し、２つの第３の接続部分９８ａ、円周方向に延在する本体部分９８ｂ、及び第４の接続部分９８ｃをそれぞれ有する。第２の弾性部分９２ごとに、第３の接続部分９８ａは、リング部分９０を本体部分９８ｂの端に接続し、第４の接続部分９８ｃは、本体部分９８ｂの中心を本体４０に接続する。第２の弾性部分９２の第４の接続部分９８ｃは、アンカー６４の中心のまわりに各角度θ２で配列され、ここで角度θ２は約９０度である。更に、第２の弾性部分９２の第４の接続部分９８ｃは、第１の弾性部分８８の第１の接続部分９６ａと半径方向に位置合わせされ、好ましくは実質的に同じ剛性を有する本体４０の部分に接続される。

各第１の弾性部分８８の全体寸法は、各第２の弾性部分９２の寸法より小さく、第１の弾性部分８８の数は、第２の弾性部分９２より多い。詳細には、分離機構８０は、８つの第１の弾性部分８８と４つの第２の弾性部分９２とを有する。更に、第１の弾性部分８８、リング部分９０及び第２の弾性部分９２は、単結晶シリコンから作成される。

振動中の共振部材１２からの全エネルギー損失は、以下の式に示されたように表される。

Ｑ_{ａｎｃｈｏｒ}は、共振部材１２からアンカー８２へのエネルギー損失に対応する。このエネルギー損失は、ＺＲＯ効果をもたらす別のモードに結合されうる。例えば、ドライブモードからセンスモードに何らかのエネルギーが流れ、ＺＲＯ効果を引き起こす。Ｑ_ＴＥＤは、検出装置１０のサーマルモードと機械的共振の相互作用による共振部材１２からのエネルギー損失に対応する。機械的領域と熱的領域は、熱膨張率（ＣＴＥ）により互いに結合されて熱弾性減衰（ＴＥＤ）が生じる。

分離機構８０がより低い剛性を有する場合、エネルギーは、その弾性部分８８，９２からの送信が難しくなり、Ｑ_{ａｎｃｈｏｒ}エネルギー損失を削減できる。この実施形態では、各第１の弾性部分８８の剛性は、各第２の弾性部分９２より低い。各第１の弾性部分８８の剛性は、その寸法を小さくすることによって低減できる。例えば、各第１の弾性部分８８の厚さ、及び／又は第１の接続部分９６ａ、本体部分９６ｂ及び／又は第２の接続部分９６ｃの周方向幅を小さくできる。追加又は代替として、各第１の弾性部分８８の剛性は、低い弾性率を有する材料を利用することによって低減されうる。各第１の弾性部分８８の剛性は低いが、第１の弾性部分８８の全剛性は、それらの数が多いので高い。したがって、検出装置１０が平面外の衝撃及び振動をしにくいことを保証しながら（第１の弾性部分８８の全剛性により）、Ｑ_{ａｎｃｈｏｒ}エネルギー損失を低減できる（各第１の弾性部分８８の低い剛性により）。

更に、Ｑ_{ａｎｃｈｏｒ}エネルギー損失は、第２の弾性部分９２の第４の接続部分９８ｃを共振部材の結晶配向の第１の方向と結晶配向に垂直な第２の方向に沿って配置することによって低減されうる。例えば、この実施形態では、第４の接続部分９８ｃの数は４である。第４の接続部分９８ｃのうちの２つは、共振部材１２の［１１０］結晶配向方向に対応する第１の軸Ｄ１に沿って位置され、他の２つの接続部分９８ｃは、第１の軸Ｄ１に垂直な第２の軸Ｄ２上に配置される。Ｑ_{ａｎｃｈｏｒ}エネルギー損失は、フランジ８６の剛性を穴９４で低下させることによって低減されうる。

共振部材１２に対する接続点を幅広くし弾性部分を堅くすることにより、振動中にその領域上の歪み変動が減少するので、Ｑ_ＴＥＤを改善できる。この実施形態では、各第２の弾性部分９２の剛性は、各第１の弾性部分９２より高い。したがって、Ｑ_ＴＥＤが改善する。

リング部分９０は、バッファとして働く。様々な接続部分から来る変位を共振部材１２で組み合わせ、それらを互いに打ち消してリング部分９０における全変位を少なくし、アンカー８２へのエネルギー伝達を減少させる。第１の弾性部分８８と第２の弾性部分９２が、リング部分９０によって接続されるので、第１の弾性部分８８と第２の弾性部分９２の互いの干渉を低減できる。したがって、第１の弾性部分８８でのアンカー損失を改善する利点と、第２の弾性部分９２でのＱ_ＴＥＤを改善する利点が別々に得られる。したがって、分離機構８０は、アンカー損失とＱ_ＴＥＤを両方とも改善できる。

本実施形態の第１の弾性部分８８はそれぞれ、各第２の弾性部分９２より低い剛性を有する。したがって、フランジ８６と第１の弾性部分８８が、リング部分９０の内側のアンカー損失を改善する利点を有し、リング部分９０の外側が、Ｑ_ＴＥＤを改善する別個の利点を有するように、分離機構８０を設計することは比較的容易である。幾つかの例では、第１の弾性部分８８がより高い剛性を有し、第２の弾性部分９２がより低い剛性を有しうることを理解されたい。しかしながら、分離機構８０が、第１の弾性部分８８では高い剛性を有し、フランジ８６では穴９４によって低い剛性を有するように設計された場合、リング部分９０の内部と外部でそのような別々の利点を達成するのは難しい可能性がある。

図９の分離機構８０は、共振部材１２の外周外側に配置された電極１８を有する前述の実施形態のどれにも適用されうる。更に、分離機構８０が様々な他の構成を含みうることを理解されたい。例えば、第４の接続部分９８ｃは、［１００］配向などの共振部材１２の他の結晶配向に沿って位置合わせされうる。別の例として、分離機構は、合計８つの第４の接続部分９８ｃを有しうる。そのような例では、幾つかの第４の接続部分９８ｃを共振部材１２の［１００］配向に沿って位置合わせでき、一方、他のものが［１００］配向に沿って位置合わせされる。第４の接続部分９８ｃの数が増え、したがって熱弾性減衰の影響が増えるとき、それによりＱ_ＴＥＤが低くなる。分離機構８０の他の例示的な構成は、米国特許出願第２０１６／０３２７３９０号に開示される。

図１０は、アンカー８２がポリシリコンから作成された第１の領域１０２ａと、第１の領域１０２ａに取り囲まれた単結晶シリコンから作成された第２の領域１０２ｂとを有するアンカー８２の例示的な構成を示す。第１の領域１０２ａは、アンカー８２を分離機構８０に接続し、検出装置１０と基板１６の間の電気接続を提供できる。一方、第２の領域１０２ｂの下には、底面全体が基板１６から離間されるように空所１０４が形成される。アンカー８２を製造する際、第２の領域１０２ｂが、二酸化ケイ素によって基板１６に接続され、空所１０４は、二酸化ケイ素を後で除去することによって作成される。アンカー８２と基板１６を第１の領域１０２ａだけで接続することによって、アンカー８２の剛性が低下し、アンカー損失が改善される利点を有する。

典型的には、アンカー８２が小さいほどエネルギー損失の経路が小さくなり、したがって設計が容易になる。しかしながら、アンカー８２の半径を小さくすると、検出装置１０が平面外の衝撃と振動を受けやすくなる。図１１は、第１の領域１０２ａにスリット１０６を形成して、半径を小さくすることなくアンカー８２の寸法を小さくするアンカー８２の実施形態を示す。したがって、アンカー８２におけるエネルギー損失が減少する。

本出願は、前述された例示的な実施形態に関して記述された。本明細書を読み理解することにより他の実施形態への修正と代替が行われる。本発明の１つ以上の態様を組み込む例示的な実施形態は、添付された特許請求の範囲内にある限り、そのような全ての修正及び代替を含むものである。

Claims (20)

1. 第１のモードと第２のモードで運動可能な共振部材と、
   電極と、
   を備え、
   前記共振部材が、前記電極の容量性表面部分に面して容量的に結合された容量性表面部分を有し、
   前記第１のモードでの前記共振部材の前記容量性表面部分に沿った各点の変位が、前記点に実質的に接する検出装置。
2. 前記共振部材の前記容量性表面部分が湾曲された、請求項１に記載の検出装置。
3. 前記共振部材の前記容量性表面部分が凹状である、請求項１に記載の検出装置。
4. 前記共振部材の前記容量性表面部分が凸状である、請求項１に記載の検出装置。
5. 前記共振部材が、本体と、前記本体に一体的に接続されて前記本体から突出する突出部とを有し、
   前記突出部が、前記共振部材の前記容量性表面部分を規定する、請求項１に記載の検出装置。
6. 前記突出部が、前記共振部材のノード軸に沿って前記本体から延在し、
   前記突出部が、近位端部分と遠位端部分を有し、前記遠位端部分が前記近位端部分より幅広く、
   前記遠位端部分が、前記共振部材の前記容量性表面部分を規定する、請求項５に記載の検出装置。
7. 前記突出部の前記近位端部が、前記本体のうちの前記第２のモードで前記ノード軸に実質的に平行な方向に変位する部分に接続された、請求項６に記載の検出装置。
8. 前記共振部材は本体を有し、前記共振部材の前記容量性表面部分が、前記本体の凹面部分である、請求項１に記載の検出装置。
9. 基板と、
   前記共振部材を前記基板に対して支持するアンカーと、
   前記アンカーから前記共振部材を柔軟に分離するための分離機構と、
   をさらに備え、
   前記分離機構が、前記アンカーに接続されたフランジと、リング部分と、前記リング部分を前記フランジに接続する複数の第１の弾性部分と、前記リング部分を前記共振部材に接続する複数の第２の弾性部分とを有し、
   前記複数の第１の弾性部分のそれぞれは、前記複数の第２の弾性部材のそれぞれの剛性より低い剛性を有する、請求項１に記載の検出装置。
10. 請求項１に記載の検出装置を含むジャイロスコープ。
11. 第１のモードと第２のモードで運動可能な共振部材と、
    電極と、
    を備え、
    前記電極は前記共振部材の２つの容量性表面部分の間にあり、前記共振部材の前記２つの容量性表面部分の一方が前記電極のひとつの容量性表面部分に面して容量的に結合され、前記共振部材の前記２つの容量性表面部分の他方が、前記電極の別の容量性表面部分に面して容量的に結合され、
    前記共振部材の前記２つの容量性表面部分のそれぞれに沿った各点の変位が、前記第１のモードで前記点に対して実質的に接する検出装置。
12. 前記電極と前記共振部材は、前記電極と前記共振部材の間に容量性チャネルを規定し、
    前記共振部材の前記２つの容量性表面部分がそれぞれ前記容量性チャネルの２つの端部を規定する、請求項１１に記載の検出装置。
13. 前記共振部材が、本体と、前記本体に一体的に接続されて前記本体から突出する２つの突出部とを有し、
    前記電極は前記２つの突出部の間にあり、
    前記２つの突出部の一方が、前記共振部材の前記２つの容量性表面部分の一方を規定し、前記２つの突出部の他方が、前記共振部材の前記２つの容量性表面部分の他方を規定する、請求項１１に記載の検出装置。
14. 前記共振部材は本体を有し、前記共振部材の各容量性表面部分が前記本体の凹面部分に対応する、請求項１１に記載の検出装置。
15. 前記電極は前記共振部材のノード軸に沿って配置された、請求項１１に記載の検出装置。
16. 本体と、前記本体から前記共振部材のノード軸に沿って延在する突出部とを有しており、第１のモードと第２のモードで運動可能な共振部材を備え、
    前記突出部が、近位端部分と遠位端部分とを有し、前記遠位端部分が前記近位端部分より幅広い、検出装置。
17. 前記ノード軸に沿った前記突出部と位置合わせされた電極をさらに備え、
    前記突出部の前記近位端部分が、前記電極の容量性表面部分に面して容量的に結合された前記共振部材の容量性表面部分を規定する、請求項１６に記載の検出装置。
18. 前記突出部の前記近位端部分が、前記本体のうちの前記第２のモードで前記ノード軸と実質的に平行な方向に変位する部分に接続された、請求項１６に記載の検出装置。
19. 前記共振部材の前記容量性表面部分に沿った各点の変位が、前記第１のモードで前記点に対して実質的に接する、請求項１６に記載の検出装置。
20. 前記共振部材の前記容量性表面部分が湾曲された、請求項１９に記載の検出装置。

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