JP7331971B2 - 温度によるエラーを低減するアンカー構造体 - Google Patents

Description

本発明は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、より詳細には、ＭＥＭＳ部品をＭＥＭＳデバイス内に固定するアンカー構造体に関する。

ＭＥＭＳデバイスでは、加速または回転などの外部量を測定するために、ＭＥＭＳデバイス内の部品の動きが測定され得る。ＭＥＭＳ加速度計では、例えば、比較的自由に少なくとも１つの軸に沿って動くことができるプルーフマスが、外部加速を受けて加速度計の固定部品に対して動く。プルーフマスの動きは、プルーフマス上に位置する１以上の可動電極と、加速度計内の固定構造体上に位置する１以上の固定電極とを用いて容量的に測定される。固定電極および可動電極は、１以上のコンデンサを形成し、それらのコンデンサの静電容量は、プルーフマスが固定構造体に対して動くにつれて変化する。

加速度を正確に測定するために、外部加速による固定構造体の動きを最小限に抑えなければならず、そのため、固定構造体は、１以上のアンカーポイントにおいてＭＥＭＳデバイス、例えばデバイスの基板に固定される。しかしながら、ＭＥＭＳデバイスは温度変化を受けるため、固定電極と可動電極の相対位置は、デバイス自体内の膨張または収縮によって変化し得る。したがって、温度の変化によって生じる、ＭＥＭＳ加速度計および他のデバイスの測定にもたらされるエラーを最小限に抑えることが望ましい。

本発明の第１の態様によれば、基板面を規定する基板と、ロータ・アンカーポイントを介して基板に取り付けられ、基板面に対して回転可能なロータと、それぞれの位置が基板面に対して固定され、ステータ・アンカーポイントを介して基板に取り付けられた２つのステータとを備えるＭＥＭＳデバイスが提供される。ロータ・アンカーポイントおよびステータ・アンカーポイントは、アンカーポイントのすべてが共通軸と重なるように配置される。

ロータ・アンカーポイントの幅とステータ・アンカーポイントの幅は同じであってもよく、ロータ・アンカーポイントおよびステータ・アンカーポイントは、共通軸に沿って並んでいてもよい。

ロータ・アンカーポイントおよびステータ・アンカーポイントは、矩形であってもよい。

ステータ・アンカーポイントはＬ字形であってもよく、Ｌ字形のステータ・アンカーポイントは、ステータ・アンカーポイントのＬ字形が同じサイズであり、ステータ・アンカーポイントのうちの１つの１つが他のステータ・アンカーポイントに対して１８０度回転しており、各Ｌ字形の第１部分が共通軸と平行であり、各Ｌ字形の第２部分が共通軸に垂直であり、Ｌ字形のステータ・アンカーポイントの第２部分が共通軸に沿って並ぶように配置されてもよい。

Ｌ字形のステータ・アンカーポイントの第１部分は、共通軸に垂直な第２軸と重なってもよい。

共通軸に垂直に測定されるロータ・アンカーポイントの幅は、Ｌ字形のステータ・アンカーポイントの幅と同じであってもよい。

ロータ・アンカーポイントは、形状が矩形であってもよい。

ロータ・アンカーポイントの長さおよびステータ・アンカーポイントの長さは、それぞれロータ・アンカーポイントの幅およびステータ・アンカーポイントの幅より小さくてもよい。

デバイスは、加速度計であってもよく、ステータに対するロータの動きを容量的に測定することによって、加速度が測定されてもよい。

共通軸と平行な方向における隣接するアンカーポイント間の距離は、共通軸と平行な方向における、アンカーポイントのうちのいずれの長さの２倍よりも小さくてよい。

図１は、本発明の第１実施形態によるアンカー配置を示す図である。 図２は、本発明の第２実施形態によるアンカー配置を示す図である。 図３は、ＭＥＭＳ加速度計に使用されている第２実施形態のアンカー配置を示す図である。

図１は、本発明の第１実施形態によるＭＥＭＳデバイスのアンカー配置を示す。３つのアンカーポイント１０１、１０２、１０３は、ＭＥＭＳデバイスが形成される基板にＭＥＭＳデバイスの微小機械部品を固定する。

ＭＥＭＳデバイスは加速度計であってもよく、その場合、アンカーポイント１０１はロータ・アンカーポイント１０１と称され、アンカーポイント１０２および１０３はステータ・アンカーポイント１０２、１０３と称されてもよい。図３に関してより詳細に示すように、ロータ・アンカーポイント１０１は、ロータ構造体１０４、例えば、ロータが取り付けられ、かつある程度の動きが許容されるロータ懸架部を、基板に固定する。ステータ・アンカーポイント１０２、１０３は、基板に対して固定位置にとどまるステータ１０５、１０６を基板に固定する。ロータ構造体１０４およびステータ１０５、１０６の一部だけが図１に示されていることが理解される。動作中、容量性測定を用いてステータに対するロータの動きを測定することによって、ＭＥＭＳデバイスの加速度が検出される。

図１に示すように、アンカーポイント１０１～１０３は、すべてが共通軸１１０と重なるように配置される。言い換えれば、アンカーポイント１０１～１０３は、一列に配置される。これは、ステータ・アンカーポイント１０２、１０３が「上下」ではなく、通常「横並び」である従来のアンカーポイント配置と対照的である。この配置の利点は、ＭＥＭＳデバイスが温度変化を受け、アンカーポイント１０１～１０３が、温度変化によって引き起こされる基板の膨張／収縮および応力により必然的に動く際、アンカーポイント１０１～１０３のすべての動きが略同一方向になることである。対照的に、ステータ・アンカーポイント１０２、１０３が横並びに配置される場合、それらは、水平方向（すなわち、軸１１０に垂直）に離れるとともに、垂直方向（すなわち、軸１１０と平行）にも動く傾向がある。したがって、図１に示すアンカーポイントの配置により、アンカーポイント１０１～１０３の互いに対する動きが抑制されるため、アンカーポイント１０１～１０３に連結される部品の互いに対する動きも抑制される。ＭＥＭＳ加速度計では、加速度は、ステータ上およびロータ上に位置する電極間の距離変化に基づいて測定されるため、外部加速以外の原因によって引き起こされる動きを抑制することにより、加速度測定の精度が向上する。

この実施形態では、アンカーポイント１０１～１０３は、共通軸１１０に沿って並ぶことが好ましい。本明細書において、「並ぶ」とは、アンカーポイント１０１～１０３の中心点がすべて、軸１１０に垂直な軸において測定される共通軸１１０に対する位置が同じであることを意味する。この配置により、共通軸１１０に垂直に沿った基板の膨張／収縮または他の変形が、アンカーポイントすべてにほぼ等しく影響するため、アンカーポイント１０１～１０３の相対的な動きが最小限に抑えられる。

また、アンカーポイント１０１～１０３はすべて、軸１１０に垂直に測定されるような幅が同じであってもよい。この配置により、さらに、アンカーポイント１０１～１０３の相対的な動きが抑制される。

各アンカーポイント１０１～１０３の長さ、すなわち、共通軸１１０と平行に測定されるようなアンカーポイントの最外縁部間の距離は、共通軸１１０に垂直に測定されるようなアンカーポイント１０１～１０３の幅より小さいことが好ましい。このように、個々のアンカーポイント１０１～１０３それぞれの幅は、アンカーポイントがエッチングされた後、十分安定している。

本発明の第２実施形態を図２に示す。この場合も、アンカーポイント２０１～２０３は、すべてが共通軸２１０と重なるように配置されるが、図１のステータ・アンカーポイント１０２～１０３とは対照的に、ステータ・アンカーポイント２０２～２０３はＬ字形である。ステータ・アンカーポイント２０２～２０３のうちの一方は、他方のステータ・アンカーポイントの１８０度回転したものとなるように配置される。この場合も、３つのアンカーポイント２０１～２０３はすべて、共通軸２１０に沿って並ぶことが好ましい。

ステータ・アンカーポイント２０２、２０３のＬ字形により、各アンカーポイントの最大長および最大幅を大きくすることができ、それによって、アンカーポイント２０２～３０４が占める基板上のスペースを小さくしつつ、各方向の剛性を高めることができる。実際、ステータ・アンカーポイント２０２～２０３は、また、それが占める基板上のスペースを最小限に抑えるために、共通軸２１０に垂直な第２軸２１１と重なってもよい。

ロータ・アンカーポイント２０１は、ステータ・アンカーポイント２０２、２０３の最大幅と同じ幅を有してもよいが、図２に示すように、形状が略矩形であってもよい。

図３は、図２のアンカー構造体が使用される例示的ＭＥＭＳ加速度計を示す。図３から、代わりに図１のアンカー構造体がどのように使用され得るか容易に理解される。図３は、ロータ懸架部３０４ａとロータ３０４ｂ自体とを含むロータ構造体３０４ａ、３０４ｂを示す。ロータ懸架部３０４ａは、ロータ・アンカーポイント３０１を介して基板に固定される静止素子である。ロータ３０４ｂは、ばね３２１、３２２によってロータ懸架部３０４ａに連結される可動素子であり、ばね３２１、３２２により、ロータは、ステータ・アンカーポイント３０２、３０３を介して基板に固定されるステータ３０５、３０６と、基板とに対して紙面外に回転することができる。具体的には、ロータは、基板と平行で、かつ共通軸３１０に垂直な回転軸３１２を中心に回転する。ロータ３０４ｂおよびステータ３０５、３０６はそれぞれ、ステータ３０５、３０６に向かうまたはステータ３０５、３０６から離れるロータ３０４ｂの動きが電極間の静電容量の変化を引き起こすように、櫛電極などのコンデンサ電極を含む。静電容量の変化の範囲は、ロータ３０４ｂの動きの範囲に比例し、ロータ３０４ｂの動きの範囲は、加速度計にかかる紙面に垂直な方向の力（ひいては加速度）の範囲に比例する。したがって、静電容量を測定することによって、ＭＥＭＳデバイスの加速度を決定することができる。図３に示すように、ステータ３０５、３０６は、ロータ３０４ｂの動きによって引き起こされる静電容量を差動的に測定するために使用できるように、電気的に分離され、共通軸３１０に対して対称である。ステータ・アンカーポイントおよびロータ・アンカーポイントを共通軸３１０と重なるように配置することによって、ステータ・アンカーポイントの互いに対する動きが抑制されるため、具体的には、ステータ・アンカーポイントおよびロータ・アンカーポイントを介した差動検出の精度が向上する。

Claims (10)

1. 基板面を規定する基板と、
   ロータ・アンカーポイントを介して前記基板に取り付けられ、前記基板面に対して回転軸を中心に回転可能なロータと、
   それぞれの位置が前記基板面に対して固定された２つのステータとを備え、
   第１ステータが、第１のステータ・アンカーポイントを介して前記基板に取り付けられ、第２ステータが、第２のステータ・アンカーポイントを介して前記基板に取り付けられており、
   前記第１ステータおよび前記第２ステータは、前記回転軸の片側に位置しており、
   前記第１ステータおよび前記第２ステータは、電気的に分離され、前記回転軸に垂直な共通軸に対して対称であり、
   前記ロータ・アンカーポイント、前記第１のステータ・アンカーポイント、および前記第２のステータ・アンカーポイントは、前記共通軸と重なる
   ＭＥＭＳデバイス。
2. 前記ロータ・アンカーポイントの幅と前記ステータ・アンカーポイントの幅は、同じであり、前記ロータ・アンカーポイントおよび前記ステータ・アンカーポイントは、前記共通軸に沿って並んでいる
   請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
3. 前記ロータ・アンカーポイントおよび前記ステータ・アンカーポイントは、矩形である
   請求項１または２に記載のＭＥＭＳデバイス。
4. 前記ステータ・アンカーポイントは、Ｌ字形であり、Ｌ字形の前記ステータ・アンカーポイントは、
   前記ステータ・アンカーポイントのＬ字形が同じサイズであり、前記ステータ・アンカーポイントのうちの一方が他方の前記ステータ・アンカーポイントに対して１８０度回転しており、
   各Ｌ字形の第１部分が前記共通軸と平行であり、各Ｌ字形の第２部分が前記共通軸に垂直であり、
   Ｌ字形の前記ステータ・アンカーポイントの前記第２部分が前記共通軸に沿って並ぶように配置される
   請求項１または２に記載のＭＥＭＳデバイス。
5. Ｌ字形の前記ステータ・アンカーポイントの前記第１部分は、前記共通軸に垂直な第２軸と重なる
   請求項４に記載のＭＥＭＳデバイス。
6. 前記共通軸に垂直に測定される前記ロータ・アンカーポイントの幅は、Ｌ字形の前記ステータ・アンカーポイントの幅と同じである
   請求項４または５に記載のＭＥＭＳデバイス。
7. 前記ロータ・アンカーポイントは、形状が矩形である
   請求項６に記載のＭＥＭＳデバイス。
8. 前記ロータ・アンカーポイントの長さおよび前記ステータ・アンカーポイントの長さは、それぞれ前記ロータ・アンカーポイントの幅および前記ステータ・アンカーポイントの幅より小さい
   請求項１～７のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイス。
9. 前記ＭＥＭＳデバイスは、加速度計であり、前記ステータに対する前記ロータの動きを容量的に測定することによって、加速度が測定される
   請求項１～８のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイス。
10. 前記共通軸と平行な方向における隣接するアンカーポイント間の距離は、前記共通軸と平行な方向における、前記アンカーポイントのうちのいずれの長さの２倍よりも小さい
    請求項１～９のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイス。

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