JP5634697B2 - 微小電気機械システム（ｍｅｍｓ）力平行加速度計 - Google Patents

Description

本発明は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）力平行加速度計に関する。

コイルを備えるプルーフマスを有する力平行微小電気機械システム（Micro Electro-Mechanical System, MEMS）加速度計の典型的な構成は、大きな磁気抵抗を備える磁気回路構成を有する。一般に、前述のコイルおよび磁気回路構成は、磁場がらせんコイルの平面に平行に走るように構成される。磁場は、穴を使用してプルーフマスを貫通する戻り経路を励起する。

この構成の磁気戻り経路内のギャップは、コイルの直径により画定され、それゆえ磁気回路の対応する大きな磁気抵抗とともに相対的に大きくなり、高いスケールファクターとなる。このタイプのコイル構成は、加速度計をサーボする電流レベルが必要であり、これは熱効果を発生させ、性能を低下させる非線形性を形成する。

本発明は、感度が改善され、大きな信号対雑音比の、低電力要求の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）加速度計のシステム、および加速度検出方法に関する。例示的なＭＥＭＳ加速度計は、少なくとも１つの屈曲部に吊るされるプルーフマス、プルーフマス上の平面コイル、少なくとも１つの磁石、プルーフマスの第１側部に近接して位置決めされる第１極部品、および、プルーフマスの第２側部に近接して位置決めされる第２極部品を有する。磁束場は、少なくとも１つの磁石の少なくとも１つから、第１極部品を通り、コイル平面に対して約３０°から約６０°の間の磁束角度で平面コイルを通り、第２極部品に入る。例示的な一実施形態において、磁束角度は約４５°である。本発明の方法は、ＭＥＭＳ加速度計のピックオフのキャパシタンスを検出し、平面コイルに電流を流すことによりＭＥＭＳ加速度計を再平衡させる、ことを含む。

本発明のさらなる側面によれば、少なくとも１つの磁石は、第１極部品に隣接する第１磁石、および第２極部品に隣接する第２磁石を含む。
本発明の他の側面によれば、第１磁石は環状形状を備える。

本発明のさらなる側面によれば、ＭＥＭＳ加速度計はさらに、プルーフマスの第１側部側に位置決めされる第１ハウジング層、および、プルーフマスの第２側部側に位置決めされる第２ハウジング層を含む。第１ハウジング層は第１凹部領域を画定し、第２ハウジング層は第２凹部領域を画定する。第１極部品は少なくとも部分的に第１凹部領域内を延び、第２極部品は少なくとも部分的に第２凹部領域内を延びる。第１および第２の凹部領域は、第１および第２の極部品がその間に小さなギャップを備えることを可能にし、これは、プルーフマス上のコイルを通る磁気回路の磁気抵抗を小さくする。

本発明の他の側面によれば、本発明の方法は、ＭＥＭＳ加速度計のピックオフのキャパシタンスを検出し、検出したキャパシタンスに基づいて平面コイルに電流を流すことによりＭＥＭＳ加速度計を再平衡させる、ことを含む。

本発明の好ましい実施形態および代替実施形態が以下に図面とともに詳細に説明される。図面は以下のとおりである。

本発明の実施形態により形成される微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）加速度計システムのブロック図である。 本発明の例示的な実施形態により形成されるＭＥＭＳ加速度計の四分の一区画の斜視図である。 図２に示されるＭＥＭＳ加速度計の断面側面図である。 本発明の実施形態により形成されるプルーフマスの上面図である。

図１は、本発明の実施形態により形成される微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）加速度計システム２０のブロック図である。ＭＥＭＳ加速度計システム２０は、加速度計２２および制御ユニット２４を含む。制御ユニット２４は、検出電子機器要素２６および駆動電子機器要素２８を含み、両者はＭＥＭＳ加速度計２２と信号連絡する。また、制御ユニット２４は制御装置３０を含み、制御装置３０は、検出電子機器要素２６および駆動電子機器要素２８と信号連絡する。一般に、加速度計２２は、少なくとも１つの屈曲部によりハウジング内に吊るされるプルーフマスを含み、また、少なくとも１つの屈曲部についてプルーフマスを再平衡させるための磁気再平衡要素を含む。磁気再平衡要素は、少なくとも１つの磁石、少なくとも１つの極部品、および磁気戻り経路構造を有する。磁気再平衡要素は、プルーフマス内に位置する少なくとも１つの平面コイルに電流を通じることにより、加速度計２２をサーボ駆動し、プルーフマスは、コイル面に対して約３０°から約６０°の間の角度で少なくとも１つの平面コイルを通る磁束場内に位置する。磁束場は、コイルの平面内の成分、およびコイルの平面に垂直な成分を含む。コイルの面内の磁束場の成分は、プルーフマスをサーボ駆動するために用いられる。複数のセンサ環境での使用のために、いくつかの実施形態において、磁場シールドが加速度計２２および／または加速度計システム２０の周りに存在してもよい。例示的な実施形態の加速度計２２のさらなる詳細は、図２とともに議論される。

図２は、本発明の例示的な一実施形態により形成されるＭＥＭＳ加速度計４０の四分の一区域の斜視図である。加速度計４０は、図１に示される加速度計２２の一例である。加速度計４０は、磁気戻り経路ハウジング構造４２を含む。磁気戻り経路ハウジング構造４２は、第１部品４４および第２部品を含む。磁気戻り経路ハウジング構造４２は、シリコンに類似する熱膨張係数を備える磁性合金から形成することができる。磁気戻り経路ハウジング構造４２は、たとえばインバール３９から形成できる。第１磁石４８の第１端部は、磁気戻り経路ハウジング構造４２の第１部品４４の内側表面に取り付けられる。第２磁石５０の第１端部は、磁気戻り経路ハウジング構造４２の第２部品４６の内側表面に取り付けられる。第１極部品５２は、第１磁石４８の第２端部に取り付けられる。第２極部品５４は、第２磁石５０の第２端部に取り付けられる。例示的な一実施形態において、第１極部品５２および第２極部品５４は、４３０Ｆまたは４３０ＦＲステンレス鋼のような磁気透過性材料から形成される。また、第１および第２の極部品５２、５４は、温度変化の範囲にわたって追加の安定性を提供するために、シリコンの熱膨張係数（coefficient of thermal expansion, ＣＴＥ）に近いＣＴＥを備える合金３９のような材料から形成することもできる。装置スタック６０は、第１極部品５２と第２極部品５４との間に位置決めされる。

図３は、加速度計４０の側面断面図であり、図２に示されるスタック装置６０の詳細を示している。図３は、明確さのために、様々な部品の相対寸法が図２と同じになるようには示していない。スタック装置６０は、第１ハウジング層６２および第２ハウジング層６４を含み、これらは例示的な一実施形態において、ホウケイ酸塩ガラスのような絶縁材料から形成することができる。装置層６６は、第１ハウジング層６２と第２ハウジング層６４との間に位置決めされる。装置層６６は、プルーフマス６８を含み、これは少なくとも１つの屈曲部７０により第１および第２ハウジング層６２、６４内で外側リング６９内に吊るされる。例示的な一実施形態において、屈曲部７０は、ヒンジタイプの屈曲部であり、プルーフマスはシリコンで形成される。らせん平面コイル７２がプルーフマス６８の第１側部上に位置する。コイル７２は、例示的な一実施形態において金属トレースにより形成されるが、他の方法で形成してもよい。例示的な一実施形態において、各コイル７２は約１０回巻であり、約４５ミクロンの幅、約１５ミクロンの巻間の空間、約０．５ミクロンの厚さである。しかし、他の実施形態において、長円形または矩形のらせんのような他のコイルの構成を用いてもよく、また、異なる巻数や寸法を用いてもよい。さらに、第２コイルがプルーフマスの第２側部上に存在するようにしてもよい。

第１極部品５２および第２極部品５４は、磁束角７３がコイル７２の平面に対して約４５°になるように位置決めされる。磁束場の断面はいくらかの湾曲部を備えてもよいが、好ましくは、磁束場はコイル７２の平面を通るほぼ直線である。第１ピックオフ７４は、プルーフマス６８の第１側部側に位置決めされ、第２ピックオフ７６がプルーフマス６８の第２側部側に位置決めされる。第１ハウジング層６２は第１凹部領域７８を画定し、第２ハウジング層は第２凹部領域を画定する。第１極部品５２はプルーフマス６８の第１側部に近接する面５３を含み、この面５３は部分的に第１凹部領域７８内に位置決めされ、また、第２極部品５４はプルーフマス６８の第２側部に近接する面５５を含み、面５５は、部分的に第２凹部領域８０内に位置決めされる。

例示的な一実施形態において、第１磁石４８および第２磁石５０は、プルーフマス６８の平面に垂直に向くように磁荷が与えられる。この磁荷を与える向きは、第１磁石のＮ極を第１極部品５２に接触させ、第１磁石４８のＳ極を磁気戻り経路ハウジング構造４２に接触させる。また、これは、第２磁石５０のＮ極を磁気戻り経路ハウジング構造４２に接触させ、第２磁石５０のＳ極を第２極部品５４に接触させる。他の実施形態において、他の磁荷の向きを用いてもよい。第１磁石４８は、環状磁石として示されている。しかし、他の形状を用いてもよく、または、第１極部品５２に接触する単一の磁石ではなく複数の磁石を用いてもよい。第１磁石５０は中実の閉じた円筒形体として図２おおび３に示されている。しかし、環状形状のような他の形状を用いてもよい。

図４は、本発明の一実施形態により形成されるプルーフマス１６８の上面図である。プルーフマス１６８は、複数の屈曲部１７０により外側リング１６９内に吊るされる。らせん平面コイル１７２がプルーフマス１６８上に位置する。また、ピックオフの一方のプレート１７６がプルーフマス１６８上に位置する。例示的な一実施形態において、プルーフマス１６８は図３のプルーフマス６８に対応し、屈曲部１７０の１つは図３の屈曲部７０に対応し、コイル１７２は図３のコイル７２に対応し、プレート１７６は図３のピックオフ７６の一部に対応する。例示的な一実施形態において、コイル１７２は、図１に示す駆動電子機器要素２８と信号連絡することができ、プレート１７６は図１に示す検出電子機器要素２６と信号連絡することができる。コイル１７２の内側部分は、駆動電子機器要素２８との接続部（図示せず）を含むことができる。

本発明の好ましい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することなく多くの変更が可能である。たとえば、第２磁石５０はいくつかの実施形態において存在しなくてもよく、第２極部品５４が直接的に磁気戻り経路構造４２に接続してもよい。いくつかの実施形態において、追加の磁石または異なる磁石および極部品構成を用いてもよい。本発明は添付の特許請求の範囲により完全に決定される。

Claims (3)

1. 微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）加速度計（４０）であって、
   ハウジング（４４）と、
   少なくとも１つの屈曲部により前記ハウジング内に吊るされるプルーフマス（６８）と、
   前記プルーフマス上に位置する少なくとも１つの平面コイル（７２）と、
   少なくとも１つの磁石（５０）と、
   前記少なくとも１つの磁石の少なくとも１つに隣接する第１極部品（５４）と、
   第２極部品（５２）と、を有し、
   前記第１極部品の少なくとも１つの面が前記プルーフマスの第１側部に近接して位置決めされ、前記第２極部品の少なくとも１つの面が前記プルーフマスの第２側部に近接して位置決めされて、磁束場が、前記磁石から、前記第１極部品の前記面を通り、前記少なくとも１つの平面コイルの平面に対して約３０°から約６０°の間の磁束角度（７３）で前記少なくとも１つの平面コイルを通り、前記第２極部品に入る、ＭＥＭＳ加速度計。
   
   
2. 請求項１に記載のＭＥＭＳ加速度計であって、前記少なくとも１つの磁石は、
   前記第１極部品に隣接する第１磁石（５０）と、
   前記第２極部品に隣接する第２磁石（４８）と、を有し、
   前記第１磁石は環状形状を備える、ＭＥＭＳ加速度計。
3. 請求項１に記載のＭＥＭＳ加速度計であって、前記ハウジングは、前記プルーフマスの第１側部側に位置決めされる第１ハウジング層を有し、前記第１ハウジング層は第１凹部領域を画定し、前記プルーフマスの前記第１側部に近接して配置される前記第１極部品の前記少なくとも１つの面の少なくとも１つは、少なくとも部分的に前記第１凹部領域内に延び、前記ハウジングはさらに、前記プルーフマスの第２側部側に位置決めされる第２ハウジング層を有し、前記第２ハウジング層は第２凹部領域を画定し、前記プルーフマスの前記第２側部に近接して位置決めされる前記第２極部品の前記少なくとも１つの面の少なくとも１つは、少なくとも部分的に前記第２凹部領域内に延びる、ＭＥＭＳ加速度計。

Images