JP5453065B2 - 改善された電気的特性を有する、回転駆動運動を用いる微小電気機械ジャイロスコープ - Google Patents

Description

本発明は、回転駆動運動を用い、特に角速度の検出感度に関して改善された電気的特性を有する微小電気機械構造、特に２軸型、３軸型ジャイロスコープに関する。

周知のように、マイクロプロセス技術によって半導体材料層内に微小電気機械構造もしくはシステム（いわゆるＭＥＭＳ）を形成することが可能になっており、これらの半導体材料層は、化学エッチングによって除去される犠牲層の上部に堆積（例えば、多結晶シリコン層の場合）、もしくは成長（例えば、エピタキシャル層の場合）されている。前記技術によって実現された慣性センサ、加速度計およびジャイロスコープは、例えば自動車分野や慣性航法もしくは携帯機器分野において、より一層の成功を収めている。

特に、ＭＥＭＳ技術を用いて製作された半導体集積ジャイロスコープが知られている。これらのジャイロスコープは、相対加速度の定理に基づいて動作し、コリオリ加速度を利用している。ある線速度で移動している可動質量にある角速度が与えられた場合、可動質量はその線速度方向および角速度の回転軸方向に垂直な方向への変位を生じさせるコリオリ力と呼ばれる見かけ上の力を“感じる”。この可動質量は、見掛けの力の方向の変位を可能にするバネによって支持されている。フックの法則によると、この変位は見掛けの力の大きさに比例するため、可動質量の変位からコリオリ力およびそれを生じさせる角速度の大きさを検出することができる。可動質量の変位は、例えば、固定電極と歯合する可動質量に一体に固定されたくし歯状の可動電極の運動によって生じる電気容量の変化を共振状態で測定することによって容量的に検出することができる。

本願出願人によって出願された特許文献１、特許文献２及び特許文献３に、回転駆動運動を用い、それぞれの検出軸を中心とするピッチ、ロール及びヨー運動の角速度に対して感受性を有する集積微小電気機械センサが記載されている。

欧州特許出願公開第１８３２８４２号明細書 米国特許出願公開第２００９／００６４７８０号明細書 米国特許出願公開第２００９／０１００９３０号明細書

この微小電気機械センサは、１つの駆動質量を備えており、この駆動質量は単一中心点で基板に固定され、中心点を通る駆動質量の平面に垂直な軸を中心とする回転運動によって駆動される。この駆動質量の回転運動によって駆動質量の平面内に駆動速度の互いに直交する２つの成分を発生させることができる。駆動質量内には貫通孔が設けられ、これらの貫通孔内に対応するセンサ質量が配置され、これらのセンサ質量は駆動質量の全寸内に封入され、基板に対して懸垂支持され、柔軟性素子によって駆動質量に接続されている。各センサ質量はその回転運動中駆動質量に固定され、センサに働く外部応力、特にコリオリ力の関数として他の運動の自由度を有する。柔軟性素子は、それらの特定の構造によって、センサ質量が、センサ平面に垂直な方向に働くコリオリ加速度または前記平面内の方向に働くコリオリ加速度にそれぞれ応答して、センサ平面内の軸を中心とする検出用の回転運動、もしくは、センサ平面にある軸に沿う検出用の線形運動を生ずることを可能にする。検出用の運動は、いずれの場合にも駆動質量の駆動運動とはほぼ分離又は減結合される。この微小電気機械構造は、コンパクトである上に（１つ以上のセンサ質量をその全寸法内に内包する単一の駆動質量を想定する限りにおいて）、構造上の少しの変更によって、単軸型、２軸型、３軸型のジャイロスコープ（および／または実行する電気接続によって加速度計）を構成することが可能であり、同時に駆動運動と検出運動との非常によい分離を得ることができる。

図１は上述の特許出願に開示された教えに基づく３軸型微小電気機械構造ジャイロスコープ１の典型的な一例を示す。

ジャイロスコープ１は半導体材料（例えばシリコン）からなる基板２ａとその内部に開口領域２ｃを画成するフレーム２ｂとを備えるダイ２内に形成される。開口領域２ｃは、（後に詳細に説明されるように）基板２ａの上に位置し、ジャイロスコープ１の検出構造を収納するように設計される。開口領域２ｃは、ダイ２に対して固定された第１水平軸ｘ及び第２水平軸ｙで決まる水平平面（以後、センサ平面ｘｙという）においてほぼ正方形又は長方形構造を有する。フレーム２ｂは、水平軸ｘ，ｙにほぼ平行な辺を有する。接点パッド（所謂「ダイパッド」）がフレーム２ｂの一つの辺に沿って配置され、例えば第１水平軸に沿って一列に配列される。ダイパッド２ｄは図に示されていない方法でジャイロスコープ１の検出構造の外部からの電気的接触を可能にする。ダイパッド２ｄは（本例ではそれらの整列方向に直角な）第２水平軸ｙと一致する対称軸を有し、第２水平軸ｙの両側に同数のパッドが鏡面対称に配置される。

特に、第１及び第２水平軸ｘ、ｙは、ジャイロスコープ１の第１検出軸および第２検出軸（もっと正確に言えばピッチ軸及びロール軸）に対応し、これらの軸を中心として対応するピッチ及びロール角速度Ω_ｘ ^→及びΩ_ｙ ^→が検出される。詳細には、ジャイロスコープ１は開口領域２ｃ内に収納された、駆動質量３及び駆動アセンブリ４を含む駆動構造を備える(右肩の→はベクトルを示す）。

駆動質量３は、放射形対称のほぼ円形形状を有し、センサ平面ｘｙに広がる主寸法を有し、垂直軸ｚに平行な方向の寸法は主寸法に対して無視できる寸法を有するほぼ平面構造であり、垂直軸ｚはダイ２に対して固定された第１及び第２軸ｘ、ｙと３つの直交軸を形成する。例えば、駆動質量３はセンサ平面ｘｙにおいてほぼ環形の形状を有し、その中心部に空所６を画成し、その中心Ｏは全体構造の重心および対称中心と一致する。

駆動質量３は、中心点Ｏに対応する部分に設置された第１のアンカー７ａによって基板２に固定されるとともに、第１の弾性アンカー要素８ａによってアンカー7ａに接続される。本例では、第１の弾性アンカー要素８ａは、中心Ｏから第１および第２軸ｘ，ｙに平行に出て十字を形成して出ている。駆動質量３は、同じ駆動質量３の外側に設置された他のアンカー７ｂによって基板２に固定されるとともに、他の弾性アンカー素子８ｂによってアンカー７ｂに接続される。例えば、他の弾性アンカー素子８ｂは折り畳み型であり、その数は４つであり、第１及び第２水平軸ｘ、ｙに沿って２つ一組で整列配置される。これに応じて他のアンカー７ｂは空所６に対して駆動質量３の両側に、中心０から出る十字の終端に２つ一組で配置される。第１及び他の弾性アンカー素子８ａ，８ｂは、中心Ｏを通り垂直軸ｚに平行でセンサ平面ｘｙに垂直な駆動軸を中心とする駆動質量３の回転運動を可能にする。

駆動質量３は、第１軸ｘ（ピッチ軸）に沿って半径方向に整列して、空所６に対して両側に配置された第１対の第１の貫通孔９ａおよび９ｂを有するとともに、第２軸ｙ（ロール軸）に沿って直径方向に整列して、空所６に対して両側に配置された第２対の第１の貫通孔９ｃおよび９ｄを有する。特に、第１の貫通孔９ａ〜９ｄの各々は、センサ平面ｘ、ｙにおいて、円弧状の内辺及び外辺及び半径方向に延在する横辺を有する環状放射セクタの形状を有する。加えて、第１対の貫通孔９ａ−９ｂは第２水平軸ｙに対して対称であり、第２対の貫通孔９ｃ−９ｄは第１水平軸ｘに対して対称である。さらに、駆動質量３は、半径方向（図１の例では第１水平軸ｘ又は第２水平軸ｙに対して４５°傾いた方向）に整列し、同じ半径方向に主として延びる、平面図ではほぼ長方形である１対の第２の貫通孔２６ａ，２６ｂを有する。

駆動装置４は、駆動質量３から外部へ向かって半径方向に延びる、等角度間隔で配置された複数の被動アーム１０と、被動アーム１０の両側に被動アーム１０と平行に延在する複数の第１および第２の駆動アーム１２ａおよび１２ｂとを備えている。各被動アーム１０は、被動アームに直角の方向に被動アームの両側に延在する複数の第１の電極１３を備えている。さらに、第１および第２の駆動アーム１２ａおよび１２ｂはそれぞれ、それぞれの被動アーム１０に向かって延在し、対応する第１の電極１３と歯合するくし歯状の第２の電極１４ａおよび１４ｂを備えている。第１の駆動アーム１２ａはすべて、それぞれの被動アーム１０の同じ側に配置されており、第１電圧にバイアスされる。同様に、第２の駆動アーム１２ｂはすべて、それぞれの被動アーム１０の反対側に配置されており、第２電圧にバイアスされる。第２の電極１４ａおよび１４ｂには、第１および第２電圧を供給し、電極の相互および交互引力によって、駆動質量３を駆動軸を中心として特定の振動周波数で振動回転運動させるために、駆動回路が接続される。

ジャイロスコープ１はさらに、垂直軸ｚに平行な軸を持つ第１対の加速度センサを備えて、特に、センサ平面ｘｙにおいて駆動質量３の全体寸法内に完全に封入されるようにそれぞれ第１の貫通孔９ａおよび第２の貫通孔９ｂの内に配置された第１対の第１のセンサ質量１６ａ、１６ｂを備えている。第１のセンサ質量１６ａ、１６ｂの各々は、それぞれの貫通孔に対応する形状、従って平面図において環状放射セクタの全体形状を有する。詳細には、第１のセンサ質量１６ａ，１６ｂの各々は、（第１水平軸ｘに沿って）幅の広い第１部分１７及び幅の狭い第２部分１８を有し、これらの部分は（第２水平軸ｙに平行な方向において）第１および第２部分１７，１８より短い接続部分１９により接続され、その結果重心Ｇを対応する第１部分１７内に有している。もっと詳しくいうと、第１部分１７は円弧状凹形外辺及び半径方向延在側辺を有し、第２部分１８は円弧状凸形外辺及び第１部分の側辺と整列する半径方向延在側辺を有する。第１のセンサ質量１６ａ，１６ｂの各々は、第２水平軸ｙに平行に接続部分１９から駆動質量３まで延びて駆動質量１３に接続された１対の第１の弾性支持素子２０により支持される。第１の弾性支持素子２０は、対応するセンサ質量１６ａ、１６ｂの重心Ｇから離れた位置において、その両側に設けられた凹部２１内へ延びている。第１の弾性支持素子２０は駆動質量３の回転運動に対して剛性であるねじりバネを形成する（その結果、第１センサ質量１６ａ，１６ｂは駆動運動において駆動質量に従動する）のに加えて、第２水平軸ｙに平行でセンサ平面ｘｙに含まれる回転軸を中心とする第１の回転、従ってセンサ平面ｘｙ外へのセンサ質量の運動（駆動質量に対して許されない運動）を可能にする。

ジャイロスコープ１はさらに、垂直軸ｚに平行な軸を持つ第２対の加速度センサを備えて、特に、それぞれ貫通孔９ｃおよび貫通孔９ｄ内に収納され、駆動質量３により完全に封入された第２対の第１のセンサ質量１６ｃ、１６ｄを備えている。第１のセンサ質量１６ｃ、１６ｂの各々は、第１のセンサ質量１６ａ，１６ｂを中心Ｏに対して９０°回転させることにより得られ、従って対応する弾性支持素子２０は第１水平軸ｘに平行に延在し、第１水平軸ｘに平行な回転軸を中心とする、センサ平面ｘｙ外への回転を可能にする。

第１及び第２のセンサ電極２２、２３が、第１のセンサ質量１６ａ−１６ｄの各々の第１および第２部分１７、１８の下部に配置されている。第１及び第２のセンサ電極２２，２３は、基板２上に形成された、第２部分１８とほぼ同じ寸法をもつほぼ台形の多結晶シリコン領域によって構成されている。第１および第２のセンサ電極２２、２３はそれぞれ、第１および第２部分１７、１８から、空隙を介して分離され、第１及び第２部分１７，１８と相俟って検出キャパシタを形成している。第１及び第２のセンサ電極２２，２３は接続パッド２ｄを介してジャイロスコープ１の読取回路（図示せず）に接続される。

ジャイロスコープ１はさらに、第２の貫通孔２６ａ，２６ｂ内に収納された１対の第２のセンサ質量２５ａ，２５ｂを備える。第２のセンサ質量２５ａ，２５ｂは第２の貫通孔２６ａ，２６ｂの対応する辺に平行な辺を有するほぼ長方形であり、基板２ａに対して懸垂支持され、第２の弾性支持素子２８を介して駆動質量３に接続されている。第２の弾性支持素子２８は、例えば第２のセンサ質量の短い辺の中心に配置された点から半径方向に出ている。特に、第２の弾性支持素子２８は駆動質量３の駆動運動に対して剛性である（その結果第２のセンサ質量２５ａ，２５ｂは駆動運動において駆動質量に従動する）のに加えて、前記半径方向においてそれぞれの第２のセンサ質量の直線運動を可能にする。加えて、第２のセンサ質量２５ａ，２５ｂは、例えば対応する長い辺のほぼ中心に配置された点から出発して半径方向に直角の方向に延在する延長部を有する。これらの延長部２９は、基板に固定され同じ延長部２９に面して平行に配置された固定の電極とセンサキャパシタを構成する。例えば、各延長部２９は各第２のセンサ質量２５ａ，２５ｂの各長辺から出て２つの固定の電極の間に対面配置される。先に述べたと同様に、中心Ｏに対して半径方向の外側位置に配置された固定電極は「第１のセンサ電極２２」と定義され、半径方向の内側位置に配置された固定電極は「第２のセンサ電極２３」と定義されている。

使用の際には、ジャイロスコープ１は、３軸型ジャイロスコープとして動作することができ、第１水平軸ｘを中心とするピッチ角速度Ω_ｘ ^→、第２水平軸ｙを中心とするロール角速度Ω_ｙ ^→及び垂直軸ｚを中心とするヨー各速度Ω_ｚ ^→を検出することができる。

図２も参照すると、駆動軸を中心とする駆動質量３及び第１センサ質量１６ａ−１６ｄの回転運動は、その軌道を描く外周の接線方向の駆動速度ベクトルＶ_a ^→を用いて表すことができる。特に、第１水平軸ｘ又は第２水平軸ｙを中心とする角速度Ω_ｘ ^→，Ω_ｙ ^→の回転運動は、構造全体に作用するコリオリ力（Ｆ_c ^→で表される）を生じる。このコリオリ力Ｆ_c ^→は角速度Ω_x ^→，Ω_ｙ ^→と駆動速度Ｖ_a ^→のベクトル積の大きさに比例し、垂直軸ｚと平行な方向に向いている。構造全体を単一鋼体とみなすと、中心Ｏからの距離の増大につれて増大するコリオリ力の分布を決定することが可能である。第１センサ質量１６ａ−１６ｄのそれぞれの重心Ｇにかかるコリオリ力Ｆ_c ^→の合力のよって第１センサは第１水平軸ｘ又は第２水平軸ｙに平行で第１弾性支持素子２０を通る軸を中心に回転し、センサ平面ｘｙ外へと動くことになる。この運動は、第１弾性支持要素２０がねじれることによって可能となる。代わりに、第１及び第２の弾性アンカー素子８ａ，８ｂの構成は、駆動質量３のセンサ平面ｘｙ外への運動をほぼ完全に禁止するようにすることもでき、このようにするとセンサ質量の検出運動を駆動運動に対して効果的に減結合することができる。第１センサ質量１６ａ−１６ｄのセンサ平面ｘｙ外への変位はセンサキャパシタの差分容量変化を生じさせ、その値は角速度Ω_ｘ ^→に比例し、これらの角速度は、差分式で動作する適切な読取回路によって、それ自体周知の方法を用いて決定することができる。

特に、読取り方法は差分式であるため、対をなす第１センサ質量１６ａ−１６ｄの構成を用いることにより、垂直軸ｚに沿うスプリアス線形加速度を自動的に取り除くことが可能となる。加えて、第１水平軸ｘを中心とする回転は、得られるコリオリ力Ｆ_c ^→がゼロである限り（角速度Ω_x ^→と駆動速度Ｖ_a ^→のベクトル積は零になるため）、第２対のセンサ質量１６ｃ，１６ｄにより感知されない。同様に、第２水平軸ｙを中心とする回転は同じ理由で第１対の第１センサ質量１６ａ，１６ｂにより感知されないため、２つの検出軸は互いに影響されず、実質的に減結合される。

図３を参照すると、垂直軸ｚを中心に作用する検出すべき角速度Ω_ｚ ^→はコリオリ力を半径方向に配置された第２センサ質量２５ａ，２５ｂに発生し（従って、遠心力として同センサ質量に作用し）、第２センサ質量の変位及び対応する検出キャパシタの容量変化を生じさせる。容量変化の値は角速度Ω_ｚ ^→に比例し、差分式で動作する適切な読取回路によって、周知の方法を用いて決定することができる。

第１センサ質量１６ａ−１６ｄの上記の特定の構造は（同じ第１センサ質量に対して他の構造を使用する場合と比較して）ジャイロスコープ１の感度の増大を可能にする。特に、対応する重心Ｇは、第１の弾性支持素子２０（及びセンサ平面ｘｙ外への回転の対応する回転軸）から、駆動質量３の同じセクタに組み入まれ同じ回転軸に沿って延在する弾性支持素子により支持することができる長方形の質量の重心より大きく離れた位置に位置する。その結果として、より大きなねじりモーメント、従ってより大きなセンサ平面ｘｙ外への回転運動を得ることができ、よってセンサのより高い感度をえることができる。

加えて、駆動質量３の外側に位置する他の弾性アンカー素子の存在は、センサ表面ｘｙ外への運動に関して駆動質量３のスチフネスを高め、その結果駆動運動と検出運動との間の減結合を高めることができる。

上述のジャイロスコープは既知のタイプの他のジャイロスコープに対して大きな改善を示すが、本出願人は、製造の簡単さ、小形化、電気的特性の効率及び妨害耐性に関して全く最適化されていないことを確かめた。

従って、本発明の目的は、微小電気機械ジャイロスコープの構造を、特に外部応力に対する感度及び妨害に対するローバスト性に関して改善することにある。そこで、本発明によれば、請求項１に特定された微小電気機械構造が提供される。

本発明のより良い理解のために、本発明のいくつかの好適実施例を、純粋に非限定的実施例として、添付の図面を参照して以下に記載する。

既知のタイプの微小電気機械ジャイロスコープの概略上面図を示す。 コリオリ力の存在下における図１のジャイロスコープの一部分の概略側面図を示す。 コリオリ力の存在下における図１のジャイロスコープの一部分の概略上面図を示す。 本発明の第１の実施例による微小電気機械ジャイロスコープの概略上面図を示す。 本発明の第２の実施例による微小電気機械ジャイロスコープの概略上面図を示す。 本発明の他の変形例による微笑電気機械ジャイロスコープの一部分と既知のタイプのセンサの対応する部分との間の図式的比較を示す。 本発明による微小電気機械ジャイロスコープが設けられた電子デバイスの簡略ブロック図を示す。

以下に詳細に記載するように、本発明の特徴はセンサの感度の増大及び一般にはその電気的特性の向上を可能にするようなセンサ質量の配置を有する微小電気機械ジャイロスコープを提供することにある。

図４においては図１について既に記載した素子に類似する素子を示すために同じ参照番号が使用されている。図４に示されるように、ここでは３０で示される本発明の微小電気機械ジャイロスコープは、図１のジャイロスコープ１と、ここでは１６a’−１６d’で示される第１センサ質量及びここでは２５a’，２５b’で示される第２センサ質量の異なる配置において実質的に相違している。

さらに詳しく説明すると、第１対の第１センサ質量１６a’，１６b’は、ダイ２の第１水平軸ｘに対して傾斜角α（反時計方向）だけ傾斜した第１の直径方向ｘ_１に整列されており、傾斜角αの値は好ましくは４５°である。同様に、第２対の第１センサ質量１６c’，１６d’は、第１の直径方向ｘ_１とほぼ直交する、ダイ２の第１水平軸ｘに対して同じ傾斜角α（この場合は反対方向、即ち時計方向）だけ傾斜した第２の直径方向ｘ_２に整列されている。従って、第１センサ質量１６a’−１６d’は、ピッチ角速度Ω_ｘ ^→及びロール角速度Ω_ｙ ^→が印加されるピッチ及びロール軸に対して傾斜しているとともにダイ２の辺(及び水平軸ｘ，ｙ)に対しても傾斜しているそれぞれの直径方向に整列している。

加えて、第１対の第１センサ質量１６a’，１６b’は第２対の対応する第１センサ質量１６c’，１６d’とダイパッド２ｄの対称軸（第２水平軸ｙと一致）に対して対称である。

第２センサ質量２５a’，２５b’は第１センサ質量１６a’−１６d’から自由に残された使用可能なスペースに配置され、例えば(図４に示されているように)第２水平軸ｙに沿って整列配置される。従って、図４の第１及び第２センサ質量の配置は、図１の同じ質量の配置と比較すると、図１の配置を中心Ｏを中心として傾斜角αだけ半時計方向に回転させることにより得られる。

本出願人は、第１及び第２センサ質量１６a’−１６d’，２５a’−２５b’の上述の配置は一連の利点、特に対応する第１及び第２センサ電極２２，２３のダイパッド２ｄへの簡略化された接続を可能にすることを確かめた。

特に、それ自体周知のように（ここでは詳細に説明されない）、電子読取インターフェースにおける第１処理チャネル及び接続パッド２ｄへの対応する電気接続が第１対のセンサ質量１６a’−１６b’に関連するが、同じ電子読取インターフェースにおける別個の第２処理チャネル及びそれぞれの対応する接続パッド２ｄへの対応する電気接続が第２対の第１センサ質量１６c’−１６d’に関連する。本出願人は、図１に示される既知のタイプの配置では、ダイ２の接続パッド２ｄに対する第１センサ質量１６ａ−１６ｄの位置は（同接続パッド２ｄへの対応する電気接続に関して）著しい均一性の欠落を示すことを確かめた。事実、２対の第１センサ質量１６ａ−１６ｄは接続パッド２ｄの対称軸に対して互いに非対称に位置するので、２つの処理チャネルに対して異なる設計の電気接続を必要とする。その結果、２つの検出軸（ピッチ及びロール軸）に関連する読取り性能が相違するかもしれず、電子読取インターフェースによって補償しなければならないかもしれない（その結果、電子読取インターフェースは一層複雑になる）。

その代わりに、図４に示される接続パッド２ｄに対する第１センサ質量１６a’−１６d’の配置によれば、２つの処理チャネルに対してほぼ対称な接続パッド２ｄへの電子接続を得ることができる（２対の第１センサ質量がすべて接続パッド２ｄの対称軸に対して対称に配置されている）。電気接続の対称性は、それ自体周知のように、電気的特性（例えば活性及び寄生キャパシタンス又はリーク電流）の均一性及び製造プロセスにより生じるパラメータのばらつきに対するローバスト性に関して大きな利点を可能にする。

有利なことに、上述の配置は第２センサ質量２５a’−２５b’に関連する電気接続の対称性の増大も可能にするので、対応する読取電子回路の電気的特性の均一性の増大ももたらす。特に、第２センサ質量２５a’−２５b’の配置は接続パッド２ｄの対称軸に対してほぼ対称な全体構造を保証するので、電気接続の設計をさらに簡単化することが可能になる。

図５はジャイロスコープ３０の変形例を示し、この変形例は図４に示されるものと、第２センサ質量２５a’−２５b’が第２水平軸yの代わりに第１水平軸ｘに沿って整列している点が相違するのみである。この場合にも、上述した同じ考察が依然としてあてはまる。特に、この構成は直感的にダイパッド２ｄの対称軸に対する検出構造の対称性の更なる増大を可能にすることが理解されよう。

本出願人は、第１及び第２センサ質量１６a’−１６d’，２５a’−２５b’の上述の配置によれば、角速度の検出に対するジャイロスコープの使用可能なスペースの利用を最適にすることもできることを確かめた。

ダイ２のフレーム２ｂにより画成される開口領域２ｃと一致する、検出構造を設けるために使用できる領域は、実際には通常正方形（図４及び図６に示される）又は長方形である。フレーム２ｂの辺及び水平軸ｘ，ｙに対して傾斜した方向における第１センサ質量１６a’−１６d’の配置は、第１センサ質量の寸法の増大及び感度の最大化を可能にし、検出のために駆動回転軸から大きく離れた領域を利用することを可能にする。

もっと詳しく説明すると、ジャイロスコープ３０の使用可能な領域（開口領域２ｃ）及び第１センサ質量（例えば第１センサ質量１６a’）を簡略化して表す図６に示されるように、この場合には第１センサ質量１６a’−１６d’の構造を、半径方向の使用可能なスペースがフレーム２ｂの内縁に到達するまで利用されるように変更することができる。また、図示されていないが、その全体寸法内にセンサ質量を収納する駆動質量３の構造をこのように変更することもできる。

特に、第１センサ質量１６a’の変形例が実線で示されており、本例ではフレーム２ｂの内縁に向け延在するほぼひし形であり、その重心Ｇは第１の弾性支持素子２０から距離ｂ_c’に位置する。同じ図６には、異なる解決方法の比較を容易にするために、前述した放射セクタ形状を有する従来タイプの第１センサ質量（例えば図１の第１センサ質量１６ｂ）が破線で示されている。従来タイプの第１センサ質量１６ｂはそれぞれの第１弾性支持素子２０から距離ｂ_cに位置する重心Ｇを有する。図示の両第１センサ質量はそれぞれの弾性支持素子２０と中心Ｏとの間で同じ半径方向距離ｄに位置する。

この比較は、従来のセンサ質量の距離ｂ_cは新しい構造で得られる距離ｂ_c’の値より著しく小さい値を有することを明らかにしている。特に、中心Ｏからの第１センサ質量１６a’−１６d’の重心の距離の増大は、（駆動質量３の同じ回転角度で）同じ第１センサ質量により感知される駆動速度Ｖ_a ^→の増大、従って駆動速度Ｖ_a ^→に比例するコリオリ力Ｆ_c’の増大を可能にする。加えて、コリオリ力Ｆ_c’は大きな距離ｂ_c’で印加されるため、得られるねじりモーメントの値が増大する。

さらに、この構成はセンサ電極２２，２３に対して大きな表面を使用可能にする。一般に、この構成は、適切な設計選択によって、検出感度の著しい増大を可能にする。

本出願人は、第１及び第２センサ質量１６a’−１６d’，２５a’−２５b’の上述の構成によれば、適切な構成の電子読取インターフェースを用いて、ジャイロスコープ３０の感度の更なる増大を得ることができることを確かめた。

詳しく言えば、図４及び図５に示されるジャイロスコープ３０は、ピッチ角速度Ω_ｘ ^→及びロール角速度Ω_ｙ ^→が発生される水平軸ｘ及びｙに対して角度αだけ傾斜した、センサ平面ｘｙ内の検出軸（第１センサ質量１６a’−１６d’が整列する第１及び第２の直径方向ｘ_１、ｘ_２と一致する）を有することを特徴とする。

パッケージング又は搭載レベルにおいて、対応する角度αだけ回転させたダイ２のアセンブリを想定する代わりに（この回転により検出軸をピッチ及びロールのもとの方向（即ち水平軸ｘ及びｙ）に従って再配向させることができること明らかである）、本発明の他の特徴は、電子読取インターフェースレベルにおいて、第１センサ質量１６a’−１６d’から到来する検出信号を適切に合成することを想定することにある。特に、検出信号は、第１センサ質量１６a’−１６d’の変位に関連する容量変化から出発して、もとのピッチ及びロール方向（即ち水平軸ｘ及びｙ）に対応する電圧出力が再び得られるように適切に合成することを想定する。

詳しくは、説明を簡単にするために、第１水平軸ｘ又は第２水平軸ｙを中心とする検出すべき角速度が単位値：即ち
Ω_x＝１°/ｓ；Ω_y＝１°/ｓ
であり、且つ各対の第１センサ質量１６a’−１６d’が単位感度Ｓ：即ち

である場合について考える。

従来の構成（例えば、水平軸ｘ，ｙに沿って整列した第１センサ質量１６ａ−１６ｄを有する図１に示されるタイプのもの）の場合には、電子読取インターフェースからの出力として次の電圧値が得られる。
Ｖ_out,x＝１ｍＶ；Ｖ_out,y＝１ｍＶ
ここで、（従来の解決方法では）Ｖ_out,xは第１水平軸ｘに沿って整列した第１対の第１センサ質量１６ａ−１６ｂに対応する出力電圧であり、Ｖ_out,yは第２水平軸ｙに沿って整列した第２対の第１センサ質量１６ｃ−１６ｄに対応する出力電圧である。

特に、前述したように、水平軸ｘ，ｙの一つを中心とする角速度（ピッチ又はロール）が一つの対（特に同じ水平軸に整列した対）の第１センサ質量１６ａ−１６ｄの容量不平衡を決定する。

その代わりに、図４又は図５に示される新しい構成では、水平軸ｘ，ｙの一つを中心とする角速度（ピッチ又はロール）が両対の第１センサ質量１６a’−１６b’及び１６c’−１６d’の容量不平衡を決定する。これは、これらの第１センサ質量１６a’−１６d’がピッチ及びロール角速度の直径方向ｘ_１及びｘ_２の成分に感応し、これらの成分が両対に対して非ゼロ値であるである限り成立する。第１センサ質量１６a’−１６d’の幾何学構造及び中心Ｏからの距離が同じであるとすると、この場合には水平軸ｘ，ｙに対して次の総合出電圧が得られる。

ここで、Ｖ_out,x及びＶ_out,yは第１及び第２直径方向ｘ_１，ｘ_２にそれぞれ整列した第１及び第２対の第１センサ質量１６a’−１６d’にそれぞれ対応する出力電圧である。

結果として、所与の角速度に関連する単一の第１センサ質量の容量不平衡は従来の構成における対応する容量不平衡に対して１／√２倍だけ小さくなるが、同じ角速度に関連する全４つの第１センサ質量の寄与分を（目的に合うように構成された読取インターフェースによって）加算することができ、ジャイロスコープ３０の感度を全体で√２倍だけ増大することができる。

図７は、上述した微小電気機械ジャイロスコープ３０を備える、電子デバイス４０を示す。電子デバイス４０は複数の電子システム、例えば慣性航法システム、自動車システム、又はＰＤＡ（携帯情報端末）、携帯コンピュータ、携帯電話、ディジタルオーディオプレーヤ、写真カメラ、ビデオカメラなどの携帯型システムに使用でき、また信号及び情報を処理、記憶、送信及び受信することができるその他のシステムに使用することもできる。

電子デバイス４０はさらに、駆動アセンブリ４に動作可能に結合され、駆動質量３に回転駆動運動を与えるとともにバイアス信号を微小電気機械構造に（ここには示されていないそれ自体周知の方法で）供給する駆動回路４１と、第１及び第２センサ質量のセンサ電極２２，２３に動作可能に結合され、同センサ質量の変位量を検出し、構造に作用する角速度を決定する読取回路４２と、読取回路４２に接続され、電子デバイス４０の全体動作を例えば検出及び決定された角速度に基づいて監視するように設計された例えばマイクロプロセッサ型の電子制御装置４４とを備える。特に、読取回路４２は、前述したように検出感度を増大するために個々の第１センサ質量に対応する出力信号を適切に合成するように設計された前記の読取インターフェースを含む。

本発明により提供される微小電気機械ジャイロスコープの利点は以上の説明から明らかである。
いずれにせよ、センサ質量の新しい構成によれば、使用可能な領域を検出のために最適に活用すること、センサの感度を増大すること、電気特性の均一性及び妨害に対するシステムのローバスト性を改善することが可能になることを再度強調したい。さらに一般的には、この構成によれば、微小電気機械ジャイロスコープの特性及び電気的性能を改善することが可能になる。

最後に、ここに図示され記載された構成は、添付の特許請求の範囲で特定される本発明の範囲から離れることなく、多くの変更や変形を加えることができること明らかである。

特に、第１センサ質量の新しい構成は、２軸型、即ちヨー角速度に対して感度がない（従って第２センサ質量２５a’−２５b’がない）ジャイロスコープにのみ有利に提供することができる。

特定の設計要件については、角度αの値は上述した値と相違させることができ、例えば４０°と５０°の間の角度にすることができる。第１水平軸ｘに対する２対の第１センサ質量１６a’−１６d’の傾斜角は同じにしなくてもよく、２対の第１センサ質量はいずれにしても第１水平軸ｘに対して反対の傾きを有するが、この場合にはもはや第２水平軸ｙに対して対称にならない。加えて、２つの直径方向ｘ_１及び_ｘ２は互いに直交しなくなる。

さらに、ダイパッド２ｄは異なる方向、例えば第２水平軸ｙに沿って延在させることができる。それ自体周知の方法で、センサ質量の変位は容量技術とは異なる技術、例えば磁力の検出により決定することもできる。

さらに、回転運動により駆動質量の振動を生じさせるねじりモーメントは異なる方法、例えば平行板電極によって又は磁気駆動によって発生させることもできる。

さらに一般に、ジャイロスコープのいくつかの構造素子の構成は異なる構成にすることができる。例えば、駆動質量３は円形と異なる形状、例えば全体的に閉じた多角形にすることができ、同様にダイ２のフレーム２ｂの形状も異なる形状にすることができる。また、駆動質量３の第１弾性アンカー素子の異なる構成配置を想定することができ（いずれの場合にも検出運動から駆動質量を減結合することができなければならない）、また第２弾性支持素子２８の異なる構成配置を想定することもできる（いずれの場合にも第２タイプのセンサ質量の半径方向運動が可能になるようにしなければならない）。さらに、第１及び第２タイプのセンサ質量に関連するセンサ電極の異なる構成も想定することができる。

Claims (14)

1. 基板（２ａ）及びフレーム（２ｂ）を含み、その内部に検出領域（２ｃ）を画成し、その第１の辺が第１の水平軸（ｘ）に沿って延在するダイ（２）と、
   前記検出領域（２ｃ）内に設置された弾性アンカー素子（８ａ，８ｂ）を介して前記基板（２ａ）に固定され且つ垂直軸（ｚ）を中心とする駆動運動により平面（ｘｙ）内で回転するように設計された駆動質量（３）と、
   前記駆動運動において前記駆動質量（３）に対して固定され、第１の角速度（Ω_ｘ ^→）に応答して前記平面（ｘｙ）外への検出運動を行うように、前記駆動質量（３）の内部に懸垂され且つ前記駆動質量（３）に各別の弾性支持素子（２０）により結合された第１対（１６ａ’，１６ｂ’）及び第２対（１６ｃ’，１６ｄ’）の第１センサ質量と、
   前記フレーム（２ｂ）の前記第１の辺に沿って、第２の水平軸（ｙ）に対して対称に配置された複数のダイパッド（２ｄ）と、を備え、
   前記第１対の第１センサ質量（１６ａ’，１６ｂ’）及び前記第２対の第１センサ質量（１６ｃ’，１６ｄ’）は前記第１の水平軸（ｘ）に対して反対符号の非ゼロ傾斜を有する各別の方向（ｘ_１，ｘ_２）に整列しており、
   前記第１対の前記第１センサ質量（１６ａ’，１６ｂ’）の各々は前記第２の水平軸（ｙ）に対して前記第２対の前記第１センサ質量（１６ｄ’，１６ｃ’）の対応する一つと対称に配置されている、
   ことを特徴とする集積微小電気機械構造（３０）。
2. 前記第１対の前記第１センサ質量（１６ａ’，１６ｂ’）は前記第１の水平軸（ｘ）に対してある角度（α）だけ傾いた第１の方向（ｘ_１）に整列し、前記第２対の前記第１センサ質量（１６ｃ’，１６ｄ’）は前記第１の水平軸（ｘ）に対して反対側に同じ角度（α）だけ傾いた方向（ｘ_２）に整列している、ことを特徴とする請求項１記載の集積微小電気機械構造。
3. 前記角度（α）は４５°にほぼ等しい値を有し、前記第１の方向（ｘ_１）及び前記第２の方向（ｘ_２）は互いにほぼ直交する、ことを特徴とする請求項２記載の集積微小電気機械構造。
4. 前記第１対の前記第１センサ質量（１６ａ’，１６ｂ’）及び前記第２対の前記第１センサ質量（１６ｄ’，１６ｃ’）の各々と関連してセンサ容量を構成するように設計されたセンサ電極（２２，２３）と、前記それぞれのセンサ電極（２２，２３）と前記それぞれのダイパッド（２ｄ）との間の電気接続を備え、前記第１対の前記第１センサ質量（１６ａ’，１６ｂ’）に関連する電気接続が前記第２対の前記第１センサ質量（１６ｄ’，１６ｃ’）に関連する対応する電気接続と前記第２の水平軸（ｙ）に対して対称である、ことを特徴とする請求項１−３のいずれかに記載の集積微小電気機械構造。
5. 前記フレーム（２ｂ）は、前記第２の水平軸（ｙ）に沿って延在し前記第１の辺と縁を形成する第２の辺を有し、前記第１及び第２対の少なくとも１つの第１センサ質量（１６ａ’）がそれぞれ前記第１の方向（ｘ_１）及び前記第２の方向（ｘ_２）の一つの方向に沿って前記縁の近くまで延在するように形成されている、ことを特徴とする請求項１−４のいずれかに記載の集積微小電気機械構造。
6. 前記少なくとも１つの第１センサ質量（１６ａ’）は前記第１の方向（ｘ_１）及び前記第２の方向（ｘ_２）の一つの方向に沿って前記縁の近くまで引き伸ばされた概してひし形である、ことを特徴とする請求項５記載の集積微小電気機械構造。
7. 使用時に前記第１の角速度（Ω_ｘ ^→，Ω_ｙ ^→）が当該構造（３０）の第１の検出軸と一致する前記第１の水平軸（ｘ）を中心に印加される、ことを特徴とする請求項１−６のいずれかに記載の集積微小電気機械構造。
8. 前記第１対（１６ａ’，１６ｂ’）及び第２対（１６ｄ’，１６ｃ’）の前記第１センサ質量が、使用時に前記第１の水平軸（ｘ）に直角であって当該構造（３０）の第２の検出軸と一致する第２の水平軸（ｙ）を中心に印加される第２角速度（Ω_ｙ ^→）に応答して前記平面（ｘｙ）外への回転運動の検出も行うように設計された２軸型である、ことを特徴とする請求項７記載の集積微小電気機械構造。
9. 前記駆動運動において前記駆動質量（３）に対して固定され、使用時に前記垂直軸（ｚ）を中心に加えられる他の角速度（Ω_ｚ ^→）に応答して前記平面（ｘｙ）内の直線検出運動を行うように、前記駆動質量（３）の内部に懸垂され且つ前記駆動質量（３）に各別の弾性支持素子（２８）により結合された１対の第２センサ質量（２５ａ’，２５ｂ’）をさらに備え、前記第２センサ質量（２５ａ’，２５ｂ’）は前記第１の水平軸（ｘ）及び前記第２の水平軸（ｙ）の一つに沿って整列している、ことを特徴とする請求項８記載の集積微小電気機械構造。
10. 前記フレーム（２ｂ）は慨して方形又は長方形を有し、第１の辺が前記第１の水平軸（ｘ）に平行であり、第２の辺が前記第１の水平軸（ｘ）に直角の第２の水平軸（ｙ）に平行である、ことを特徴とする請求項１−９のいずれかに記載の集積微小電気機械構造。
11. 前記駆動質量（３）は、中心に空所（６）が画成され、前記空所の中心（Ｏ）に設置された第１のアンカー（７ａ）にて前記空所内を延在する第１の弾性アンカー素子（８ａ）により前記基板（２）に固定されるとともに、前記駆動質量（３）の外部に設置された他のアンカー（７ｂ）にて第２の弾性アンカー素子（８ｂ）により前記基板（２）に固定され、前記弾性支持素子（２０）と前記第１及び第２の弾性アンカー素子（８ａ、８ｂ）は、前記平面（ｘｙ）外への前記回転検出運動において前記駆動質量（３）が前記第１センサ質量（１６ａ’−１６ｄ’）から減結合されるように構成されている、ことを特徴とする請求項１−１０のいずれかに記載の集積微小電気機械構造。
12. 前記第１センサ質量（１６ａ’−１６ｄ’）は、前記平面（ｘ、ｙ）外への前記回転検出運動の回転軸から、前記駆動質量（３）内に組み込まれ前記回転軸を中心とする回転のために弾性支持素子により支持することができる長方形のセンサ質量の重心（Ｇ）より大きく離れた位置に位置する重心（Ｇ’）を有するように構成されている、ことを特徴とする請求項１−１１のいずれかに記載の集積微小電気機械構造。
13. 請求項１−１２のいずれかに記載された集積マイクロ微小電気機械構造（３０）と、前記構造（３０）に動作可能に結合された読取装置（４２）とを備える電子デバイス。
14. 前記読取装置（４２）は、前記第１センサ質量（１６ａ’−１６ｄ’）の各々からの電気信号を受信するために前記ダイパッド（２ｄ）に接続され、前記電気信号を合成して、前記第１の水平軸（ｘ）を中心に印加される第１の角速度（Ω_ｘ ^→）及び前記第１の水平軸（ｘ）に直角の第２の水平軸（ｙ）を中心に印加される第２の角速度（Ω_ｙ ^→）の関数である第１の電気出力量（Ｖ_{ｏｕｔ，ｘ}）及び第２の電気出力量（Ｖ_{ｏｕｔ，ｙ}）を発生するように構成されている、ことを特徴とする請求項１３記載の電子デバイス。

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