JP5759154B2 - 面外櫛形駆動の加速度計 - Google Patents

Description

政府の権利
[0001]本明細書に記載の本発明は、米国陸軍から授与された米国政府契約番号Ｗ３１Ｐ４Ｑ−０７−Ｄ−００２５−００２の下での業務の履行においてなされたものである。政府は、本発明に一定の権利を有することができる。

[0002]面外の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）加速度計は、通常、開ループ装置向けの平行板キャパシタンス・ピックオフ検知（検知）、および、閉ループ装置向けの平行板キャパシタンス・リバランス（トルク）を使用する。両方のタイプのセンサは、狭いギャップで分離され、両端に電圧が印加された２枚の平行板から構成される。いずれの場合でも、装置の機能は、ギャップ両端間の距離が加速度の下で変化するときに生じるキャパシタンスの変化から導かれる。

[0003]キャパシタンスは、ギャップの２乗の関数として反比例して変化するので（Ｃ＝εＡ／ｘ^２、ここで、Ｃ＝キャパシタンスであり、ｘ＝ギャップの長さである）、平行板タイプの加速度計の応答は、元々非線形である。非線形に依存するので、熱変形または熱振動など、環境の影響によるギャップ距離の変化は、較正によって取り除くことが困難である。

[0004]本発明には、応答を線形化するための加速度計が含まれる。ある例示的な加速度計が、基板に固定して取り付けられた１つまたは複数のステータを有する基板を備える。ステータは、基板の表面に平行な表面を有する複数の歯を備える。歯の表面は、基板の表面から第１の距離にある。プルーフマスが、回転できるように基板に取り付けられる。プルーフマスは、そのプルーフマスの端部に取り付けられた複数のロータ歯を含む１つまたは複数のロータを備える。ロータ歯には、ステータ歯の対応する歯が噛み合う。ロータ歯は、基板の表面に平行な表面を含む。ロータ歯の表面は、基板の表面から第２の距離にある。第１の距離と第２の距離は、閾値の量だけ異なる。

[0005]この装置を使用する場合、面外方向でのステータに対するロータの動きにより、ロータとステータの両端で測定される容量値において線形の変化がもたらされ、したがって、外部環境の影響による効果を最小限に抑える。

[0006]以下の図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態および代替実施形態を以下に詳しく説明する。

[0007]本発明の一実施形態により形成される、システムの一例の斜視図である。 [0008]本発明の一実施形態により形成される、システムの一例の一部分の斜視図である。 [0009]本発明の一実施形態により形成される、システムの一例の横断面図である。

[0010]図１は、面外櫛形駆動の加速度計１０の一例を示す。面外櫛形駆動の加速度計１０は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）櫛歯構造体１４、プロセッサ１８、駆動回路２２、および出力デバイス２６を備える。一実施形態では、櫛歯構造体１４、プロセッサ１８、および駆動回路２２は、通信するようにループ状に結合される。プロセッサ１８は、出力デバイス２６との間で信号を伝達する。

[0011]ループ状に接続された、櫛歯構造体１４、プロセッサ１８および駆動回路２２を使用する場合、面外櫛形駆動の加速度計１０は、閉ループ方式で動作する。櫛形駆動の加速度計１０が、櫛歯構造体１４の面に垂直な方向での加速度または回転に遭遇すると、櫛歯構造体１４内の検知キャパシタンスの変化が、電圧の変化としてプロセッサ１８によって検知される。プロセッサ１８は、駆動回路２２に出力するフィードバック信号を変化させることにより、この電圧の変化に応答する。フィードバック信号は、プロセッサ１８によって絶えず調節されて、平衡（ヌル）位置に向けて、櫛歯構造体１４の駆動構成部品を絶えず駆動する。キャパシタンスの変化を補償するのに必要となる電圧レベルは、櫛形駆動構造１４が遭遇する加速度に比例する。プロセッサ１８は、駆動構成部品に送られる信号に対応する信号を、出力デバイス２６に出力する。出力デバイス２６は、プロセッサ１８からの信号を受信し、測定された加速度または回転速度としての表示を出力する。

[0012]図２は、加速度計１０で使用されるＭＥＭＳ櫛歯構造体１４の一部分を示す。櫛歯構造体１４は、１つまたは複数の検知櫛３０、および、１つまたは複数の駆動櫛３４を備える。検知櫛３０は、検知櫛ロータ３８および検知櫛ステータ４２を備える。駆動櫛３４は、駆動櫛ロータ４６および駆動櫛ステータ５０を備える。ロータ３８、４６は、プルーフマス５４上に配置された電気的に絶縁された歯である。ステータ４２、５０は、櫛歯構造体１４のベース基板５８に取り付けられる。ステータ４２、５０は、互いに電気的に絶縁される。

[0013]ロータ３８、４６、およびステータ４２、５０は、実質的に平面の構造体であり、それぞれが１列の歯を有する。ロータ３８、４６、およびステータ４２、５０は、実質的に同じ面を占めるように、ただし面外方向（たとえば、表面に垂直な方向）において少なくとも最小のオフセットを有するように構成される。ロータ３８、４６の歯には、ステータ４２、５０の歯が噛み合う。各歯の間には、キャパシタンスがその両端で測定されるギャップが存在する。

[0014]プルーフマス５４は、櫛３０、３４から隔ててシーソーのように配置された湾曲支持体上のベース基板５８の上につるされる。湾曲支持体により、プルーフマス５４、したがってロータ３８、４６の歯は、ステータ４２、５０の歯に対して、垂直に（面外に）移動することができるようになる。この方向の動きにより、ロータ３８、４６とステータ４２、５０との間のギャップが変化することはないが、ロータ３８、４６の歯とステータ４２、５０の歯との間でオーバラップする領域が直接変化する。オーバラップする領域は、具体的には、ギャップの両端で互いに向き合うロータの歯およびステータの歯の側壁の各部分である。オーバラップする領域がロータ歯の動きで変動すると、キャパシタンスが変動する。オーバラップする面積は、ステータ歯を通過するロータ歯の動きとともに線形に変化するので、このキャパシタンスの変化も線形である。この効果により、櫛歯構造体１４は、熱変化や熱振動などの環境雑音の影響を受けにくくなる。

[0015]プロセッサ１８は、検知櫛３０のステータおよびロータのうちの一方に結合される。駆動回路２２は、駆動櫛３４のステータおよびロータのうちの一方に結合される。
[0016]図３は、検知櫛３０用の、ロータ３８のうち１つのロータの歯とステータ４２のうち１つのステータの歯との間のオフセットの一例を示す。このオフセットは、検知すべき加速度と同じ方向にある。エッチング／マスキングのプロセス中、各歯はオフセットされる。

[0017]櫛歯構造体１４の感度は、各歯の間のギャップで決まる。直線性は、オフセットと厚さの比で決まる。ステータの厚さとオフセットの大きさとの比は、線形な応答を維持するために最適化され、それにより、熱効果および熱振動に対する装置の感度を最低限に抑える。

[0018]このオフセットは、上部縁部と底部縁部の両方に沿って発生しなければならない。ステータおよびロータは、互いに異なる厚さにすることができるが、これにより、機構の直線性に悪影響を及ぼすこともある。厚さとオフセットの間の比は、機構内のわずかな変位により、櫛の上部および底部におけるフリンジ電界の変化が最小になるポイントで決まる。このことは、上部および底部でのオフセットの長さが等しく、櫛の厚さの中央で構造がオーバラップすることに対応する。

１０ 加速度計
１４ 櫛歯構造体
１８ プロセッサ
２２ 駆動回路
２６ 出力デバイス
３０ 検知櫛
３４ 駆動櫛
３８ 検知櫛ロータ
４２ 検知櫛ステータ
４６ 駆動櫛ロータ
５０ 駆動櫛ステータ
５４ プルーフマス
５８ ベース基板

Claims (4)

1. 基板（５８）と、
   前記基板に固定して取り付けられた１つまたは複数のステータ（４２、５０）であって、前記基板の表面に平行な、ステータ歯の表面を各々有する複数のステータ歯を備え、前記ステータ歯の表面は、前記基板の前記表面から第１の距離にあるステータと、
   前記基板に回転できるように取り付けられたプルーフマス（５４）であって、
   第１の端部と、
   第２の端部と、
   前記第１の端部と第２の端部を接続し、湾曲支持体を介して前記基板に接続するように構成される中央部分とを有する、プルーフマス（５４）と、
   １つまたは複数のロータ（３８、４６）とを備え、前記ロータは、前記プルーフマスの端部に取り付けられた複数のロータ歯を備え、前記ロータ歯には、前記ステータ歯のうちの対応する１つの歯が噛み合い、前記ロータ歯の各々は、前記基板の表面に平行なロータ歯の表面を備え、前記ロータ歯の表面は、前記基板の前記表面から第２の距離にあり、
   前記第１の距離と第２の距離は、閾値の量だけ異なり、
   前記１つまたは複数のステータは、駆動ステータおよび検知ステータを備え、前記１組または複数組のロータは、前記駆動ステータおよび検知ステータに対応する駆動ロータおよび検知ロータを備え、
   前記検知ロータは、前記プルーフマスの第１の端部及び第２の端部で該第１の端部及び第２の端部から延び、前記第１の端部及び第２の端部は前記中央部分の方へ面し、且つ前記湾曲支持体により規定される回転軸線に平行であり、また前記第１の端部及び第２の端部は前記プルーフマスの中心線から等距離にあり、前記プルーフマスの中心線は前記回転軸線に垂直であり、
   前記駆動ロータは、前記第１の端部及び第２の端部で前記プルーフマスの第３の端部から延び、前記第３の端部は前記中央部分から離れて対向し、且つ前記湾曲支持体により規定される回転軸に平行である、
   微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置（１４）。
2. 前記閾値の量が、少なくとも３マイクロメートル（３ミクロン）よりも大きい、請求項１に記載の装置。
3. 前記１つまたは複数のロータ（３８、４６）と前記１つまたは複数の対応するステータ（４２、５０）とが駆動櫛であり、前記１つまたは複数のロータ（３８、４６）と前記１つまたは複数の対応するステータ（４２、５０）とが検知櫛であり、前記微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置（１４）が更に、
   前記駆動櫛のロータまたはステータのうちの少なくとも一方との間で信号を伝達する駆動回路と、
   前記駆動回路、および、前記検知櫛のロータまたはステータのうちの少なくとも一方との間で信号を伝達し、加速度値を決定する処理装置と、
   前記処理装置との間で信号を伝達する出力デバイスであって、前記処理装置によって決定された前記加速度値を提示するように構成された出力デバイスとをさらに備える、請求項１に記載の装置。
4. 前記ステータ歯の表面は、第１のステータ歯の表面を有し、複数の前記ステータ歯の各々が更に第１のステータ歯の表面に平行な第２のステータ歯の表面を有し、前記第２のステータ歯の表面は前記基板の表面から第３の距離にあり、
   前記ロータ歯の表面は、第１のロータ歯の表面を有し、前記ロータ歯の各々は前記第１のロータ歯の表面に平行な第２のロータ歯の表面を有し、前記第２のロータ歯の表面は、前記基板の表面から第４距離にある、請求項１に記載の装置。

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