JP5415415B2 - マイクロマシニング型の構成エレメントおよびマイクロマシニング型の構成エレメントを作動させるための方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念部に記載の形式のマイクロマシニング型の構成エレメントであって、第１の電極と第２の電極とが設けられており、第１の電極が、第２の電極に対して主運動方向に可動である形式のものに関する。

このような形式のマイクロマシニング型の構成エレメントは一般的に知られている。たとえば、米国特許第５０２５３４６号明細書からは、支持基板とサイズモ質量体とを有するマイクロマシニング型の構成エレメントが公知であり、この場合、支持基板は第２の電極を有していて、サイズモ質量体は第１の電極を有しており、サイズモ質量体は、主運動方向で支持基板に対して可動である。第２の電極と第１の電極とは、主運動方向に対して垂直な方向で、支持基板の主延在平面内で互いにオーバラップしている。サイズモ質量体の運動がオーバラップ面積を変化させるのに対して、第１の電極と第２の電極との間のオーバラップ領域に沿った平均的な間隔は常に一定に維持される。サイズモ質量体の固有振動数は、サイズモ質量体の質量と、サイズモ質量体の形状と、サイズモ質量体の懸架エレメントとにより決定され、製造プロセスの終了後には調節不能である。

発明の開示
請求項１に記載の本発明によるマイクロマシニング型の構成エレメントおよび請求項８に記載のマイクロマシニング型の構成エレメントを作動させるための方法は、公知先行技術に比べて以下のような利点を有している。すなわち、有効なばね剛性と、第１の電極および／または第２の電極の振動特性とが、第２の電極と第１の電極との間に一定の電位差を印加することにより調節可能となる。したがって、第１の電極および／または第２の電極の振動特性における温度依存性が補償されるので、クロック発生器としてのマイクロマシニング型の構成エレメントの機能が可能になるので有利である。主運動方向に沿った第１の電極の運動、つまり第１の電極および第２の電極の主延在方向に対してほぼ平行な運動による、第１の電極と第２の電極との間のオーバラップ領域における平均的な間隔の変化は、有効なばね剛性を計算するための解析的な式における付加的な正帰還項（Mitkopplungsterm）を生ぜしめる。したがって有効なばね剛性は、ばね剛性と、第１の電極と第２の電極との間の電位差との二乗の関係を有する付加的な加数との総和から得られる。その結果、有効なばね剛性、ひいては第２の電極に対する第１の電極の振動特性、つまり特に固有振動数は、有利には正帰還電圧としての一定の電位差を印加することにより調節可能である。特に、正帰還電圧の適当な追従（Nachfuehrung）によって、振動の、従来技術に比べて著しく高い温度安定性を達成することができ、これによって特に、正確なクロック発生器としてのマイクロマシニング型の構成エレメントの使用が可能になる。特に自動車分野におけるＣＡＮ通信のための通信器機におけるクロック発生器としての使用が有利である。

請求項２以下に記載の手段により、請求項１記載のマイクロマシニング型の構成エレメントの有利な改良または改善が可能である。

本発明によるマイクロマシニング型の構成エレメントの有利な１実施形態によれば、第１の電極および／または第２の電極は、サイズモ質量体および／または固定構造体に一体に結合されている。したがって、互いに対して相対的に運動する第１および第２のサイズモ質量体にそれぞれ設けられた第１および第２の電極を有するマイクロマシニング型の構成エレメントか、またはそれぞれサイズモ質量体と固定構造体とに結合されている第１および第２の電極を有するマイクロマシニング型の構造エレメントが実現可能であると有利である。したがって以下においては、第２の電極を固定構造体の固定電極と呼称し、第１の電極をサイズモ質量体の対向電極として呼称する。

本発明によるマイクロマシニング型の構成エレメントの有利な１実施形態によれば、サイズモ質量体の、主運動方向に対して平行な運動が、対向電極の、固定電極とのオーバラップ領域の寸法変化を生ぜしめる。したがって、対向電極と固定電極との間に適当な電気的な駆動電位差を印加することによって固定構造体に対するサイズモ質量体の運動励起を生ぜしめる、正帰還されたコーム形駆動装置が可能になるので有利である。駆動電位差と正帰還電圧との重畳は、振動励起に対して付加的に、有効なばね剛性の同時の調節を可能にする。

本発明によるマイクロマシニング型の構成エレメントの別の有利な実施形態によれば、サイズモ質量体の休止位置において、対向電極の投影図が、固定電極の投影図と、それぞれ主運動方向に対して垂直な方向で、かつ主延在平面内でオーバラップするように、かつ／またはオーバラップを有しないように設けられている。休止状態のオーバラップにより、サイズモ質量体の、休止位置からの効果的な振動励起が生ぜしめられるので有利である。それというのは、既に休止位置において、オーバラップにより、オーバラップを有しない休止位置に比べて、対向電極と固定電極との間の大きな容量が形成されるからである。対抗電極と第２の電極とが休止位置ではオーバラップを有しておらず、かつ変位位置でのみオーバラップを有するタイプのマイクロマシニング型の構成エレメントは、電極配置の製造プロセスを著しく簡単にする。それというのは、構造体製造における技術的に条件付けられた最小間隔が、製造プロセス中に相互間隔を置いて配置される対向電極と固定電極との間隔に影響を与えないからである。

本発明によるマイクロマシニング型の構成エレメントのさらに別の有利な実施形態では、対向電極および／または固定電極の、主延在平面に対して垂直な投影図が台形、三角形、楕円形および／または放物線形に形成されており、特に固定電極は、対応する対向電極のほぼネガ形状として形成されている。対向電極の投影図が、対応する固定電極の投影図のほぼネガ形状として形成されるように対向電極と固定電極とが配置されていても同じく有利である。相応する電極形状によって、サイズモ質量体の、主運動方向に沿った運動時に、オーバラップ領域における対向電極と固定電極との間の平均的な間隔の変化が簡単に生ぜしめられるので有利である。特に、種々異なる電極形状および／または電極形状寸法設定におけるバリエーションによって、正帰還電圧により調整可能な調節範囲を、要求された振動特性に適合させることが可能になる。

本発明によるマイクロマシニング型の構成エレメントのさらに別の有利な実施形態では、サイズモ質量体の振動特性および有効なばね剛性が、対向電極と固定電極との間の一定の電位差に関連するように対向電極と固定電極とが形成されている。これにより振動特性とばね剛性とが、特にサイズモ質量体の連続的な振動作動中に、正帰還電圧を印加することにより調節可能となるので有利である。振動特性と有効なばね剛性とを変化させることにより、有効なばね剛性の動的な追従（Nachfuhrung）が可能となるので特に有利であり、この動的な追従は電気的な集積回路により行われると有利であり、振動の温度依存性の不断の補償を生ぜしめると特に有利である。

本発明によるマイクロマシニング型の構成エレメントのさらに別の有利な実施形態によれば、対向電極と固定電極とは、マイクロマシニング型の構成エレメントが、特にヨーレートセンサに用いられる駆動コームもしくは駆動検出コームを有するように形成されて設けられている。したがって、ヨーレートセンサの温度安定化が可能になるので有利であり、これによってヨーレートセンサは、特に伝達サイクルの正確なクロック制御を必要とし、かつ／またはＣＡＮインタフェイスを介して通信する、通信機器に用いられる正確なクロック発生器として使用可能となる。

本発明の別の対象は、マイクロマシニング型の構成エレメントを作動させるための方法である。この場合、主運動方向に対して平行な、固定構造体に対するサイズモ質量体の運動が、対向電極と固定電極との間の静電気的な力により励起される。したがって、固定構造体に対するサイズモ質量体の振動は、駆動電圧差を印加することにより励起される。

マイクロマシニング型の構成エレメントを作動させるための方法の別の有利な実施態様では、主運動方向に対して平行な、固定構造体に対するサイズモ質量体の運動によって、それぞれ主運動方向に対して垂直で、かつそれぞれ主延在平面内にある対向電極の投影図と固定電極の投影図とのオーバラップ領域における平均的な間隔の変化が生ぜしめられる。したがって、有効なばね剛性のための解析的な式における付加的な正帰還項が生じるので有利である。これにより振動特性および有効なばね剛性の変化が可能になる。この変化は、特にサイズモ質量体の懸架部とは無関係に、振動作動時に調節可能となる。このことは、特に有利にはサイズモ質量体の固有振動数および／または振動の温度補償を生ぜしめる。

マイクロマシニング型の構成エレメントを作動させるための方法のさらに別の有利な実施態様では、サイズモ質量体の振動特性の適合が、特に対向電極と固定電極との間に適当な電位差を印加することにより生ぜしめられる、対向電極と固定電極との間の別の静電気的な力を用いて実施される。したがって、サイズモ質量体の有効なばね剛性および振動特性の適合は、正帰還電圧により可能になるので有利である。正帰還電圧と駆動電圧差との重畳により、特に振動の適合と、振動過程時における振動適合の動的な追従とが可能にされるので特に有利である。

本発明のさらに別の対象は、本発明によるマイクロマシニング型の構成エレメントの、クロックを発生させるエレメント、有利には温度安定化されたクロックを発生させるエレメント、特に有利には自動車分野におけるＣＡＮ周波数のためのクロック発生器としての使用である。

以下に本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

第１の実施形態による本発明による構成エレメントを、該マイクロマシニング型の構成エレメントのサイズモ質量体が休止位置にある状態で示す概略的な平面図である。 第１の実施形態による本発明による構成エレメントを、該マイクロマシニング型の構成エレメントのサイズモ質量体が変位位置にある状態で示す概略的な平面図である。 第２の実施形態による本発明による構成エレメントの概略的な平面図である。 第３の実施形態による本発明による構成エレメントの概略的な平面図である。

発明の実施形態
本発明によるマイクロマシニング型の構成エレメントの種々異なる実施形態を示す図面中の参照符号は、それぞれ本発明による構成エレメントの同じ構成要素を示しており、したがって実施例毎にその都度新たな番号付けは行われない。

図１には、例示的な第１の実施形態による本発明によるマイクロマシニング型の構成エレメント１の概略的な実施形態が示されている。この場合、マイクロマシニング型の構成エレメント１は、固定構造体３と、サイズモ質量体２とを有しており、固定構造体３は固定電極５もしくは第２の電極５を有しており、サイズモ質量体２は、対向電極４もしくは第１の電極４を有している。サイズモ質量体２は、固定構造体３に対して主運動方向６に可動である。図１は、マイクロマシニング型の構成エレメント１を休止位置８で示しており、この場合、対向電極４の投影図は、固定電極５の投影図と、それぞれ主運動方向６に対して垂直な方向で、かつ主延在平面７内でオーバラップを有していない。対向電極４と固定電極５とは、主運動方向６に対して平行な、固定構造体の方向におけるサイズモ質量体２の運動が、それぞれ主運動方向６に対して垂直で、かつそれぞれ主延在平面７内における対向電極４の投影図と固定電極５の投影図とのオーバラップ領域１４において平均的な間隔１１の変化を生ぜしめるように形成されている。少なくとも１つの対向電極４および／または固定電極５の、主延在平面７に対して垂直な投影図は、台形に形成されている。選択的には、固定構造体３が、別のサイズモ質量体として形成されていてもよく、その場合、固定電極５は可動の第２の電極５を有している。

図２には、第１の実施形態による本発明によるマイクロマシニング型の構成エレメント１の概略的な平面図が示されている。この場合、サイズモ質量体２は、図１に示した休止位置８に位置しているのではなく、変位位置９に位置している。したがって、対向電極４は、固定電極５とのオーバラップ領域１４を有している。対向電極４と固定電極５とに適当な２つの電位、つまり駆動電圧を印加することにより、対向電極４と固定電極５との間には静電気的な吸引力が生ぜしめられるので、サイズモ質量体２と固定構造体３との間に生ぜしめられる力作用は、主運動方向６に対して平行に行われる。この場合、対向電極４と固定電極５とは、サイズモ質量体２の、主運動方向６に対して平行な運動が、オーバラップ領域１４における対向電極４と固定電極５との間の平均的な間隔１１の変化を生ぜしめるように形成されている。したがって、対向電極４と固定電極５との間の駆動電圧と、正帰還電圧との重畳により、主運動方向６に対して平行な、固定構造体３に対するサイズモ質量体２の運動時に、サイズモ質量体２の有効なばね剛性と振動特性との変化が生ぜしめられる。

図３には、第２の実施形態による、本発明によるマイクロマシニング型の構成エレメントの概略的な平面図が示されている。図３の実施形態は、図１に示した実施形態にほぼ相当しているが、この場合、少なくとも１つの対向電極４の、主延在平面７に対して垂直な投影図が、矩形の形状を有しており、少なくとも１つの固定電極の投影図は台形に形成されている。この場合、対向電極の投影図が台形で、固定電極の投影図が矩形に形成されている配置が設定されていても有利である。

図４には、第３の実施形態による、本発明によるマイクロマシニング型の構成エレメントの概略的な平面図が示されている。この場合、図４の実施形態は同じく図１の実施形態にほぼ相当しているが、この場合、少なくとも１つの固定電極５の、主延在平面７に対して垂直な投影図が、楕円形に形成されており、かつ／または少なくとも１つの対向電極４が、第２の電極５の形状のネガ形状を有している。択一的には、対向電極４の投影図が楕円形に形成されていて、かつ／または固定電極５の投影図が対向電極４のネガ形状を有している配置も考えられる。

Claims (15)

1. マイクロマシニング型の構成エレメント（１）であって、第１の電極（４）と第２の電極（５）とが設けられており、第１の電極（４）が、第２の電極（５）に対して主運動方向（６）に可動である形式のものにおいて、主運動方向に対して平行な第１の電極（４）の運動が、それぞれ主運動方向（６）に対して垂直で、かつそれぞれ第１の電極（４）および第２の電極（５）の主延在平面（７）内での第１の電極（４）の投影図と第２の電極（５）の投影図とのオーバラップ領域（１４）における、平均的な間隔（１１）の変化を生ぜしめるように、第１の電極（４）および／または第２の電極（５）が形成されて設けられており、
   第１の電極（４）の振動特性が、第１の電極（４）と第２の電極（５）との間の一定の電位差に関連するように第１の電極（４）と第２の電極（５）とが形成されて設けられており、
   第１の電極（４）の懸架部の有効なばね剛性が、第１の電極（４）と第２の電極（５）との間の一定の電位差に関連するように第１の電極（４）と第２の電極（５）とが形成されて設けられていることを特徴とする、マイクロマシニング型の構成エレメント。
2. 第１の電極（４）および／または第２の電極（５）の、主運動方向（６）に対して平行な運動が、第１の電極（４）と第２の電極（５）との間のオーバラップ領域（１４）の寸法変化を生ぜしめるように、第１の電極（４）および／または第２の電極（５）が形成されている、請求項１記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。
3. 第１の電極（４）の休止位置（８）において、第１の電極（４）の投影図と第２の電極（５）の投影図とが、それぞれ主運動方向（６）に対して垂直な方向で、かつ主延在平面（７）内でオーバラップするようにまたはオーバラップを有しないように設けられている、請求項１または２記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。
4. 第１の電極（４）および／または第２の電極（５）の、主延在平面（７）に対して垂直な投影図が、台形、三角形、楕円形および／または放物線形に形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。
5. 第２の電極（５）が、対応する第１の電極（４）のほぼネガ形状として形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。
6. マイクロマシニング型の構成エレメント（１）が、駆動コームもしくは駆動検出コームを有している、請求項１から５までのいずれか１項記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。
7. マイクロマシニング型の構成エレメント（１）が、ヨーレートセンサのための駆動コームもしくは駆動検出コームを有している、請求項６記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。
8. 第１の電極および／または第２の電極が、サイズモ質量体（２）および／または固定構造体（３）に一体に結合されている、請求項１から７までのいずれか１項記載のマイクロマシニング型の構成エレメント。
9. 請求項１から８までのいずれか１項記載のマイクロマシニング型の構成エレメント（１）を作動させるための方法において、第１の電極（４）の、第２の電極（５）に対する、主運動方向（６）に対して平行な運動を、第１の電極（４）と第２の電極（５）との間の静電気的な力によって励起させることを特徴とする、マイクロマシニング型の構成エレメント（１）を作動させるための方法。
10. 第１の電極（４）の、第２の電極（５）に対する、主運動方向（６）に対して平行な運動により、それぞれ主運動方向（６）に対して垂直で、かつそれぞれ主延在平面（７）内での第１の電極（４）の投影図と第２の電極（５）の投影図とのオーバラップ領域（１４）における平均的な間隔（１１）の変化を生ぜしめる、請求項９記載の方法。
11. サイズモ質量体（２）の振動特性の適合を、第１の電極（４）と第２の電極（５）との間の別の静電気的な力によって実施する、請求項９または１０記載の方法。
12. 前記別の静電気的な力は、第１の電極（４）と第２の電極（５）との間に適当な電位差を印加することにより生ぜしめられる、請求項１１記載の方法。
13. クロックを発生させるエレメントとしての、請求項１から８までのいずれか１項記載のマイクロマシニング型の構成エレメント（１）の使用。
14. 請求項１３に記載の使用において、温度安定化された、クロックを発生させるエレメントとしての前記マイクロマシニング型の構成エレメント（１）の使用。
15. 請求項１３または１４に記載の使用において、自動車分野におけるＣＡＮ周波数のためのクロック発生器としての前記マイクロマシニング型の構成エレメント（１）の使用。

Images