JP6294584B2 - 微小電気機械システム - Google Patents

Description

本発明は、Ｘ軸、Ｙ軸、および／または、Ｚ軸を中心に、あるいは、Ｘ軸、Ｙ軸、および／または、Ｚ軸に沿って加速度を検出するための微小電気機械システムに関する。
この微小電気機械システムは、基板を有するとともに、Ｘ−Ｙ平面内に基板と平行に配置され、かつ、基板に対して変位可能に取り付けられた駆動質量体（ｄｒｉｖｉｎｇ ｍａｓｓ）、および、検出質量体（ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍａｓｓ）を有する。

ＭＥＭＳ共振器構造が、国際公開第２００９／０７９１８８号公報（特許文献１）から知られており、駆動質量体および検出質量体が、Ｘ−Ｙ平面内に基板と平行に配置され、かつ、基板に対して変位可能に取り付けられていた。
駆動質量体および検出質量体は、異なる剛性を有する区域を備えていた。
それにより、駆動質量体および検出質量体は、質量体を駆動し、かつ、センサの動きを検出するための所要の運動を可能にするために、目標とされる方法で変形することが可能となる。
異なる剛性を有する駆動質量体および検出質量体の区域を得るために、特許文献１は、開口が駆動質量体および検出質量体の中に作られることを提案している。
開口の形状、サイズ、および配置により、駆動質量体および検出質量体はある程度拡張可能となり、それによって、駆動質量体および検出質量体に関連するセンサ要素にある程度近づく。

特許文献１で提案されている開口は、実際に剛性に影響を及ぼす。
しかしながら、駆動質量体および検出質量体が製造、ならびに、駆動質量体および検出質量体内に作られた開口のために材料応力を受け、そのことが駆動質量体および検出質量体の望ましくない変形につながりうることは不利である。
特定の状況下では、材料応力により、駆動質量体および検出質量体は不十分な平面になる。
それによって、典型的には駆動質量体および検出質量体と静止した基板との間の距離を対応する信号を用いて決定するセンサ要素が不正確になる虞がある。
この不正確さは、駆動質量体および検出質量体の反りのために、特定の距離を示す明瞭な信号が得られないことから生じる。

国際公開第２００９／０７９１８８号公報

したがって、本発明の目的は、駆動質量体、および／または、検出質量体の剛性とは無関係に、駆動質量体、および／または、検出質量体が、少なくとも距離を測定するセンサ要素の領域内で、できるだけ平坦でひずみのないようにすることである。

この目的は、請求項１の特徴を有する微小電気機械システムによって達成される。
本発明による微小電気機械システムは、Ｘ軸、Ｙ軸、および／または、Ｚ軸を中心に、あるいは、Ｘ軸、Ｙ軸、および／または、Ｚ軸に沿って加速度を検出する働きをする。
微小電気機械システムは、基板と、Ｘ−Ｙ平面内に基板と平行に配置された駆動質量体および検出質量体と、を備えている。
駆動質量体および検出質量体は、基板に対して変位可能に、特に回転可能に取り付けられている。
駆動質量体は、典型的には電極を用いて所定の頻度で駆動される。
基板がＸ軸、Ｙ軸、および／または、Ｚ軸を中心に、あるいは、Ｘ軸、Ｙ軸、および／または、Ｚ軸に沿ってたわめられると、駆動質量体、および、検出質量体の配置、運動、および、取付けに応じて、コリオリの力が、駆動質量体、および、検出質量体のたわみを引き起こす。
検出質量体上に配置された電極、および、基板上に配置された電極は、電極とセンサ要素との間の距離が変化することにより、駆動質量体および検出質量体のたわみを決定する。
センサ電極は、典型的には両方とも基板に静止した形で連結され、かつ、検出質量体上に配置されている。

検出質量体と基板との間の距離、または、２つのセンサ要素間の距離を正確に決定するために、検出質量体は規定された形状を有することが重要である。
検出質量体が、例えば、製造プロセスから残存する材料応力により、または、温度効果により変形している場合、検出質量体と基板との間の距離、または、２つのセンサ電極間の距離は、初期の中立状態でも検出質量体がたわんだ場合でも、正確に決定することができない。

そこで、本発明によれば、駆動質量体、および／または、検出質量体の残留材料応力によるひずみを補償するために、少なくとも１つのスリットが、駆動質量体、および／または、検出質量体の中に配置されている。
駆動質量体、および／または、検出質量体の材料応力はスリットによって緩和され、それによって、駆動質量体および検出質量体は実質的に平坦に、かつ、ひずみなしに整列される。
スリットは、ひずみを補償するために、構造内にあらかじめ定められるか、または、個々に適用されるかのどちらかである。

駆動質量体、および／または、検出質量体のスリットの配置によって、対応するひずみが全く生じない、または、既存のひずみが除去される。
駆動質量体、および／または、検出質量体の設計に応じて、駆動質量体、および／または、検出質量体は、個々の要件に従って、所定の位置で、または、別の位置に適用することができる。
本発明の利点は、駆動質量体、および／または、検出質量体の材料応力が適用されたスリットによって緩和され、それによって引き起こされたひずみが除去されることである。
それによって、駆動質量体、および／または、検出質量体は、かなり平坦になり、場合により温度効果に対する感受性も低下する。
それによって、駆動質量体および検出質量体の運動は、与えられた方向により一様にもなる。
スリットは新たな局所ひずみを引き起こすことがあるが、機械加工された駆動質量体、および／または、検出質量体は全体としてさらに平坦になる。

本発明の有利な一実施例では、スリットは、Ｘ方向に、かつ／または、Ｙ方向に、かつ／または、Ｘ−Ｙ方向に整列されている。
これにより、スリットの製造が容易になる。
スリットの効果は、スリットを任意に整列した場合よりもさらに予測可能でもある。
複数のスリットを使用した場合、このような配置では、スリットは、駆動質量体、および／または、検出質量体の応力緩和に予測可能な形で影響を及ぼす。

複数のスリットが駆動質量体、および／または、検出質量体に有利に適用されれば、スリットを互いに交差してもよい。
交差するように連結されたスリットは、こうしたスリットが材料応力を特に効果的な形で緩和することができるから、特に有利である。
スリットを、駆動質量体、および／または、検出質量体上に複数の交差点で配置してもよい。

本発明のさらなる利点は、駆動質量体、および／または、検出質量体の剛性が、作られたスリットによって悪影響を受けないことである。
スリットは、もっぱら残留材料応力を緩和する働きをする。
それによって、対応する質量体を所定の方法で動かすのに必要な、駆動質量体、および／または、検出質量体の剛性は、低下しない、または、少なくとも実質的に低下しない。

本発明の特に有利な実施では、スリットは、駆動質量体、および／または、検出質量体全体を貫通して延びるように、Ｚ軸の方向に十分深い。
なお、本発明の別の実施例では、スリットは、駆動質量体、および／または、検出質量体の厚みに部分的にしか対応しない深さを有することが有利となりうる。
場合によっては、このことは、材料応力を緩和するのに十分となりうる。

複数の孔が、典型的には駆動質量体、および／または、検出質量体の中に配置されている。
これらの孔は、駆動質量体および検出質量体を製造するために有利であり、その上、駆動質量体および検出質量体の重量を軽くする。
孔は、円形、正方形、長方形、楕円形、多角形などのほぼ任意の形状を有してもよい。
本発明は、いくつかの孔が少なくとも１つのスリットによって互いに連結される場合に、特に有利に実施することができる。
隣接する孔の間のウェブに存在する応力は、このウェブを分離することによって緩和される。
駆動質量体、および／または、検出質量体の剛性は、それによってしか実質的に影響を受けず、または、全く影響を受けず、駆動質量体、および／または、検出質量体の機能性に悪影響を及ぼさない。

スリットは、互いに連結された孔の幅より狭い幅を有する場合に有利である。
すなわち、隣接する孔の間のウェブだけが切り開かれている場合に十分であることが非常に多い。
この切り開かれている箇所の幅は一般に、応力を緩和するのに重要ではない。
２つの隣接する孔の間のウェブの残存部分は、駆動質量体、および／または、検出質量体の剛性、および、総質量にある程度寄与する。
それによって、微小電気機械システムの特性は、わずかしか影響を受けない、または、全く影響を受けない。

特に、スリットがＸ−Ｙ方向に整列される場合、スリットが隣接する孔の２つの頂点を連結していれば有利である。
あるいは、スリットが、隣接する孔の２つのエッジ長さを切り開いていてもよい。
駆動質量体、および／または、検出質量体の材料応力がスリットを導入することによって緩和され、それによって駆動質量体、および／または、検出質量体ができるだけ平坦な形で広がることが非常に重要である。

複数のスリットが駆動質量体、および／または、検出質量体の中に作られる場合、複数のスリットのない孔が平行に延びる２つの隣接するスリットの間の領域内に配置されれば有利となる。
このことは、駆動質量体および検出質量体の剛性に影響を及ぼすが、それによって駆動質量体および検出質量体の剛性が実質的に低下することはない。

本発明は、１次元、もしくは、多次元の回転速度センサ、および／または、加速度センサである微小電気機械システムに使用することができる。
本発明によるスリットを駆動質量体、および／または、検出質量体に適用することにより、材料応力によるうねりやねじれなどのひずみが緩和され、駆動質量体、および／または、検出質量体は、個々の局所ひずみが連続して存在しうる場合でも、スリットが作られた後で実質的に平坦な形で広がることが非常に重要である。

本発明のさらなる利点が、以下の例示的な実施例に記述されている。

複数のスリットを有する駆動質量体でもある検出質量体の斜視図。 図１の細部の拡大図。 図２のさらに拡大した細部の斜視図。 本発明の別の実施例の図。 本発明の別の実施例の図。

図１に、微小電気機械システムの駆動質量体でもある検出質量体１の斜視図を示す。
駆動質量体でもある検出質量体１は、例えば、駆動質量体でもある検出質量体１が回転軸を中心に回転する加速度を検出するように構成されている。
駆動質量体および検出質量体１は、ここでは単一の共通の質量体として示されている。
本発明は、各質量体がその質量体自体のタスクを果たす分離した質量体の場合にも有利である。
駆動質量体は、システムが加速した場合に、コリオリの力によりシステムを駆動し、たわめられ、検出質量体１は、この場合、駆動質量でたわめられ、ひずみ、または、加速度の大きさを決定するように構成されている。
なお、駆動質量体および検出質量体１の形状は、異なっていてもよい。

回転軸は、ねじりばね２が駆動質量体でもある検出質量体１をアンカ３に対して回転可能に取り付けるによって構成される。
アンカ３は、ラフスケッチでしか示されていない。
アンカ３を別途配設することができる。
つまり、単一のアンカ３、または、複数のアンカ３を設けることができる。
駆動質量体でもある検出質量体１は、中央のアンカ３を中心に回転する、直線的に変位する、または、取付け台に対して半径方向に振動することができる。

アンカ３は、基板（図示せず）に取り付けられている。
駆動質量体でもある検出質量体１が、ここで示されているように、Ｚ軸（図２参照）の加速度センサの一部であれば、Ｚ方向の加速度である、駆動質量体でもある検出質量体１と基板とに対して垂直な方向の加速度の場合、駆動質量体でもある検出質量体１は回転軸を中心に傾けられる。
それによって、駆動質量体でもある検出質量体１と駆動質量体でもある検出質量体１の下の基板との間の距離は、長くなる。
駆動質量体でもある検出質量体１と基板との間に位置する電極（図示せず）は、前記距離の変化を電気信号の変化によって検出するとともに、前記距離の変化を分析ユニットに転送するように構成されている。

駆動質量体でもある検出質量体１は、本発明の例示的な実施例による複数の孔４を有している。
実施例の孔４は、正方形の断面を有し、駆動質量体でもある検出質量体１全体を貫通している。
言い換えると、孔４は、駆動質量体でもある検出質量体１を穿孔している。
センサの製造は、孔４のおかげで、例えば、エッチングプロセスを用いて比較的単純にすることができる。

駆動質量体でもある検出質量体１の製造、または、構成のために、駆動質量体でもある検出質量体１内に材料応力が存在し、駆動質量体でもある検出質量体１のひずみ、または、反りを引き起こすことが考えられる。
このことは、基板に対する不均一な距離につながり、したがって、センサの加速しない状態での出力信号と加速した場合の変更された信号との両方の不正確な測定につながる虞がある。

そのひずみを除去するために、図示されている駆動質量体でもある検出質量体１は、複数のスリット５を有している。
スリット５は、駆動質量体でもある検出質量体１全体をＺ方向に貫通して延びているか、または、駆動質量体でもある検出質量体１の一部の厚みだけに対応する深さを有する面だけに存在しているかのどちらかである。
スリット５は、Ｘ方向、および、Ｙ方向に整列され、複数の孔４の列に沿って延びる。
スリット５は、孔４の間に配置されたウェブを切り開き、それによって駆動質量体でもある検出質量体１の材料応力を緩和するように構成されている。
スリット５のために小さい局所ひずみが生じることが考えられるが、それによって、駆動質量体でもある検出質量体１はそれにもかかわらず全体としてよりまっすぐになる。
これにより、駆動質量体でもある検出質量体１の下面上に配置された電極の信号と基板に取り付けられた反対側の電極の信号との分析を、実質的により正確にすることができる。
実施例でのスリット５は、駆動質量体でもある検出質量体１の全体に均一に分散されている。
局部応力を緩和するために、スリット５が局所的にしか配置されない構成でもよい。
スリット５は交差するように配置され、いくつかの交差点は互いに連結もされ、その結果、スリット５が、ダブルクロス、すなわち、略Ｈ字形に形成されている。

図２に示すのは、図１の細部を拡大した平面図である。
図２に示すように、複数の孔４が駆動質量体でもある検出質量体１の表面全体に列をなして均等に分散されている。
スリット５は、スリット５が個々の隣接する孔４を互いに連結するように分散されている。
これにより、本発明の実施例では交差するスリット５になる。
スリット５の幅は、異なるように構成してもよい。
いずれにせよ、スリット５は、測定結果の誤りにつながりうるスナッギング（ｓｎａｇｇｉｎｇ）、または、摩擦を防止するために、駆動質量体でもある検出質量体１の変位が生じたときにスリット５の両側にある残存材料がもはや接触しないような幅を確実に有するように構成されていればよい。
スリット５は、駆動質量体でもある検出質量体１の剛性の影響を受けない、または、実質的に影響を受けないように、駆動質量体でもある検出質量体１の表面全体にわたって分散されることが望ましい。
スリット５は、スリット５の製造から生じる材料応力、または、センサに対する温度効果が防止される、または、除去されるように設けられている。

図３に示すのは、図２をさらに拡大した斜視図である。
スリット５は、孔４の側部（エッジ）が部分的に切り開かれることによって、隣接する孔４を互いに連結していることが分かる。
スリット５は、孔４の幅より狭い幅を有している。
複数のスリット５が互いに交差するように配置され、２つの隣接する交差点の横梁が整列される。

図４に別の例示的な実施例を示し、スリット５が駆動質量体でもある検出質量体１の表面上にどのようにして配置されうるかを示している。
スリット５は孔４の角を経由して孔４を連結していること、スリット５は多少厚いこと、スリット５は互いに交差せずに配置することもできること、または、フォーク状形状、もしくは、段付き形状を有することができることが分かる。
さらに、２つの隣接する孔４の列の間のウェブ全体が除去されるようにスリット５を配置することも可能である。
ここで示されているスリット５の変形形態は、もちろん限定するものではない。

本発明の別の例示的な実施例が、図５に示されている。
駆動質量体でもある検出質量体１は、孔４がなく、完全な表面を有している。
様々なスリット５が駆動質量体でもある検出質量体１の投影面内に存在しているが、スリット５は、ここでは例として示され、限定するものではない。
互いに平行に延びる複数のスリット５が互いに交差することもできることが分かる。
Ｘ軸、または、Ｙ軸に対して鋭角をなして延びるスリット５を使用することもできる。
スリット５のそれぞれの目的は、材料応力を緩和すること、ならびに、駆動質量体でもある検出質量体１がＸ−Ｙ平面内をできるだけまっすぐに、かつ、応力のない形で延びることを可能にすることである。

本発明は、示されている実施例に限定されるものではない。
孔４およびスリット５の他の形状も可能である。
駆動質量体でもある検出質量体１は、ここで示されているものとは異なって実施することもできる。
スリット５の深さは変えることができ、スリット５は、駆動質量体でもある検出質量体１の深さの中へ部分的にしか構成しない、または、駆動質量体でもある検出質量体１を完全に貫通していてもよい。

１ ・・・ 駆動質量体でもある検出質量体
２ ・・・ ねじりばね
３ ・・・ アンカ
４ ・・・ 孔
５ ・・・ スリット

Claims (7)

1. Ｘ軸、Ｙ軸、および／または、Ｚ軸を中心とした回転方向の加速度、あるいは、Ｘ軸、Ｙ軸、および／または、Ｚ軸に沿った方向の加速度を検出する微小電気機械システムにおいて、
   前記Ｘ軸およびＹ軸で構成されるＸ−Ｙ平面内に配置された基板と、該基板と平行に配置され基板に対して変位可能に取り付けられた駆動質量体、および、検出質量体（１）とを備え、
   前記駆動質量体、および／または、検出質量体（１）の中の残留材料応力によるひずみを補償するためのスリット（５）が、前記駆動質量体、および／または、検出質量体（１）の中に複数配設され、
   該複数のスリット（５）が、互いに交差するような形で連結され、
   前記駆動質量体、および／または、検出質量体（１）が、複数の孔（４）を有し、
   前記複数のうちの少なくとも一部の孔（４）が、前記スリット（５）によって互いに連結されていることを特徴とする微小電気機械システム。
2. Ｘ軸、Ｙ軸、および／または、Ｚ軸を中心とした回転方向の加速度、あるいは、Ｘ軸、Ｙ軸、および／または、Ｚ軸に沿った方向の加速度を検出する微小電気機械システムにおいて、
   前記Ｘ軸およびＹ軸で構成されるＸ−Ｙ平面内に配置された基板と、該基板と平行に配置され基板に対して変位可能に取り付けられた駆動質量体、および、検出質量体（１）とを備え、
   前記駆動質量体、および／または、検出質量体（１）の中の残留材料応力によるひずみを補償するためのスリット（５）が、前記駆動質量体、および／または、検出質量体（１）の中に配設され、
   前記駆動質量体、および／または、検出質量体（１）が、複数の孔（４）を有し、
   前記複数のうちの少なくとも一部の孔（４）が、前記スリット（５）によって互いに連結され、
   前記スリット（５）のない複数の孔（４）が、前記Ｘ−Ｙ平面内で平行に延びる２つの隣接するスリット（５）の間の領域内に配置されていることを特徴とする微小電気機械システム。
3. 前記スリット（５）が、前記Ｘ軸方向に、および／または、Ｙ軸方向に、および／または、Ｘ−Ｙ平面方向に整列されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の微小電気機械システム。
4. 前記スリット（５）が、前記駆動質量体、および／または、検出質量体（１）の厚みに完全に、および／または、部分的に対応する前記Ｚ軸の方向の深さを有していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の微小電気機械システム。
5. 前記スリット（５）が、前記互いに連結された孔（４）の幅より狭い幅を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の微小電気機械システム。
6. 前記スリット（５）が、Ｘ−Ｙ平面方向に隣接する２つの孔（４）の側部、または、角を互いに連結していることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の微小電気機械システム。
7. 前記微小電気機械システムが、１次元、もしくは、多次元の回転速度センサ、および／または、加速度センサであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１つに記載の微小電気機械システム。