JP4516113B2 - 慣性センサのためのカップリング装置 - Google Patents

Description

本発明は概してセンサに関する。より詳細には、本発明は慣性センサに関する。

ＭＥＭＳジャイロスコープのような慣性センサは、運転周波数の回転振動ノイズ（しばしば「ワブル」と呼ばれる）によってしばしば悪影響を受ける。とくに、ＭＥＭＳジャイロスコープは、回転振動と検出を意図した実際の運動とを区別することが可能でない場合には、読み間違えをし得る。

また、ジャイロスコープのような、振動する質量を有するＭＥＭＳの幾何学的形状のゆがみは、長手方向のドライブフィンガーに対する横方向の力にインバランスを生じ得る。このインバランスはコリオリ力と区別することが不可能な正味の力を引き起こす。結果的に、ジャイロスコープは誤った出力を生じる。これらの幾何学的形状のゆがみには少なくとも２つの原因がある。一つは、基板の表面のずれ（ｓｈｅａｒ）（例えば、解放／ダイシングでのウェハの湾曲からの）から生じる。もう一つは、パッケージの不均一な拡張および加えられた加速度（例えば、対角線的に、ＧｘＧ）。ＧｘＧエラーの幾つかの原因は、非特許文献１で議論されており、その全体が参考として本明細書において援用される。
Ｇｅｅｎ，Ｊ．Ａ．、「Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ」、ＩＥＥＥ ＰＬＡＮＳ ２００４ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ、ｐ．１−６

本発明の実施形態は、平行な軸に沿う慣性センサエレメントフレームの逆位相の運動は許すがフレームの同位相の運動を実質的に妨げるような、慣性センサエレメントフレームを結合するための装置を提供する。

本発明の一局面に従って、慣性センサのセンサエレメントを結合するための装置が提供される。装置は、第一と第二のセンサエレメントフレームとの間に結合されたバーおよびバーを支持する少なくとも１つの支持構造を含む。少なくとも１つの構造はフレームの下にある基板に結合される。構造は、フレームが実質的に平行な軸に沿って互いに逆位相で動くときにはバーがピボットポイントで回転することを許すが、フレームの同位相の運動は実質的に妨げる。

一つの例示的な実施形態においては、装置は、フレームの１つから伸び、かつ第一の長いフレクシャによって相互に連結される第一の対の短いフレクシャ、および、フレームの他の１つから伸び、かつ第二の長いフレクシャによって相互に連結される第二の対の短いフレクシャを含む。バーは、実質的に第一および第二の長いフレクシャの中間点で、第一の長いフレクシャを第二の長いフレクシャに相互に連結する。少なくとも１つの支持構造は、バーを支持するアンカーフレクシャを含む。アンカーフレクシャは、実質的にバーおよびアンカーフレクシャの中間点で、バーと交わる。アンカーフレクシャの各端部は基板にアンカーされる。長いフレクシャの各々は、一般的には、バーが回転するにつれて撓むように結合される。

本発明の別の例示的な実施形態においては、装置は、フレームの１つから伸びる第一のフレクシャおよびフレームの他の１つから伸びる第二のフレクシャをさらに含む。バーは第一と第二のフレクシャとを相互に連結する。少なくとも１つの支持構造は、バーを支持する少なくとも１つのアンカーフレクシャを含む。各アンカーフレクシャは、少なくとも１つの基板に一端でアンカーされかつバーに出合うように１８０度折り曲げられた構造を含む。少なくとも１つのアンカーフレクシャは、ピボットポイント周りに配置される４つのアンカーフレクシャを含み得る。アンカーフレクシャの各々は、一般的には、バーに近接する基板にアンカーされる。第一および第二のフレクシャの各々は、両端で結合された実質的に平行な２つの部材を含み得、バーが回転するにつれて部材が撓むように、部材の一方はフレームに結合され、部材の他方はバーに結合される。

本発明の別の局面に従って、慣性センサのセンサエレメントを結合するための装置が提供される。装置は、第一と第二のセンサエレメントフレームを結合するためのカップリング手段、およびカップリング手段を支持するための支持手段を含む。支持手段はフレームの下にある基板に結合される。支持手段は、フレームが実質的に平行な軸に沿って互いが逆位相で動くときには、カップリング手段がピボットポイントで回転することを許すが、フレームの同位相の運動を実質的に妨げる。

最初の例示的な実施形態においては、カップリング手段は、フレームの１つから伸び、かつ第一の長いフレクシャによって相互に連結される第一の対の短いフレクシャ、フレームの他の１つから伸びかつ第二の長いフレクシャによって相互に連結される第二の対の短いフレクシャ、および実質的に第一および第二の長いフレクシャの中間点で第一の長いフレクシャを第二の長いフレクシャに相互に連結するバー、を含む。支持手段は、バーを支持するアンカーフレクシャを含み得、アンカーフレクシャは、実質的にバーとアンカーフレクシャの中間点でバーに交わり、アンカーフレクシャの各端部は基板にアンカーされる。長いフレクシャの各々はバーが回転するにつれて撓むように結合され得る。

本発明の別の例示的な実施形態においては、カップリング手段は、フレームの１つから伸びる第一のフレクシャ、フレームの他の１つから伸びる第二のフレクシャ、および第一および第二のフレクシャを相互に連結するバーを含む。支持手段は、バーを支持する少なくとも１つのアンカーフレクシャを含み得、各アンカーフレクシャは、少なくとも１つの基板に一端をアンカーされかつバーに出合うように１８０度折り曲げられた構造を含む。少なくとも１つのアンカーフレクシャはピボットポイント周りに配置された４つのアンカーフレクシャを含み得る。アンカーフレクシャの各々は、バーに近接する基板にアンカーされ得る。第一および第二のフレクシャの各々は、両端で結合された実質的に平行な２つの部材を含み得、一方の部材はフレームに結合され、他方の部材はバーに結合され、部材はバーが回転するにつれて撓むように結合される。

発明の代表的な実施形態においては、平面に垂直な軸に関する基板の回転はフレームの運動を生じさせる。

前記の内容および本発明の有用性は、添付図面の参照と共に以下のさらなる記述から、より充分に理解される。図面は例示的な目的のためのものであり尺度に従って描かれていない。

例示的な実施形態においては、慣性センサはすべてが共通の重心を共有する複数のセンサコンポーネントを有する。例示的な実施形態の詳細は以下で議論される。

図１は、本発明の例示的な実施形態に従って構成されたマイクロエレクトロメカニカルシステム（すなわち、「ＭＥＭＳ」）のアレイ１０を概略的に示す。具体的には、ＭＥＭＳデバイスのアレイ１０は、１つのジャイロスコープの機能を効果的に果たすために共に結合している。その目的のために、アレイ１０は、４つのジャイロスコープ１２Ａ〜１２Ｄを含み、そのすべてが共通の基礎となる基板（図示されていない）に固定されている。代替案として、ＭＥＭＳジャイロスコープ１２Ａ〜１２Ｄは、異なる基板に固定され得る。

ジャイロスコープ１２Ａ〜１２Ｄの各々は、１）Ｘ軸に沿って一定の周波数で振動し、２）１つの加速度計フレーム（ここでは、それぞれ、「フレーム１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ」、または、一般に「フレーム１６」と呼ぶ）に結合された、少なくとも１つの振動する質量（ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ ｍａｓｓ）（ここでは、それぞれ、「共振器１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ」、または、一般に「共振器１４」と呼ぶ）を含む。共振器１４は、例示的にはＸ方向にのみ順応し、一方で、フレーム１６はＹ方向にのみ順応する。従って、ジャイロスコープ１２Ａ〜１２Ｄのうちの任意の１つのＺ軸に関する回転は、共振器１４にコリオリ力を生じさせ、それは加速度計フレーム１６に分け与えられる。このコリオリ力を受けて、フレーム１６はＹ軸に沿って動く。容量性結合されたフィンガー１８はこのＹ方向の運動を検出し、Ｙ方向の運動は角加速度の大きさを表す信号に変換される。

例示的な実施形態においては、ジャイロスコープ１２Ａ〜１２Ｄは、米国特許第６，５０５，５１１号および第６，１２２，９６１号に開示されたそれらと同様であり、その開示内容は、全体が参考として本明細書において援用される。ジャイロスコープ１２Ａ〜１２Ｄはまた、同時係属中の米国特許出願第１０／３６０，９８７号、２００３年２月６日出願、発明者の氏名Ｊｏｈｎ Ｇｅｅｎ、に開示されたそれらとも同様であり、その開示内容もまた、全体が参考として本明細書において援用される。

上述のように、例示的な実施形態においては、異なるジャイロスコープ１２Ａおよび１２Ｄは、逆位相の信号を生ずるジャイロスコープ１２Ｂおよび１２Ｃと共通の重心を有する。従って、アレイ１０は、この目的を達成するような方法で、ジャイロスコープ１２Ａ〜１２Ｄを位置づけ、各々の共振器１４の位相を調整するように構成される。つまり、具体的な位置、ジャイロスコープ１２Ａ〜１２Ｄの数、および共振器１４の位相は、それらが共通の重心を共有することを保証するように調整される。

図１は、所望の結果を生じる例示的な配置を示す。特に、アレイ１０は、第一および第二のジャイロスコープ１２Ａおよび１２Ｂを有する第一の対のジャイロスコープ１２Ａ／Ｂ、および第三および第四のジャイロスコープ１２Ｃおよび１２Ｄを有する第二の対のジャイロスコープ１２Ｃ／Ｄを含む。図に示されるように、各対の共振器１４は１８０度位相がずれて動作し、フレーム１６は以下で検討されるような方法で互いに結合されている。しかし、第一の対のジャイロスコープ１２Ａ／Ｂは第二の対の１２Ｃ／Ｄに結合されていない。

図１に示されるように配置されたときには、第一のジャイロスコープ１２Ａおよび第四のジャイロスコープ１２Ｄは同位相で共振し、一方、第二のジャイロスコープ１２Ｂおよび第三のジャイロスコープ１２Ｃは同位相で共振する。従って、以下の式が成り立つ。

Ｖ１＋Ｖ４＝Ｖ２＋Ｖ３
ここで、
Ｖ１は回転ポイントに対する第一のジャイロスコープ１２Ａのベクトル距離、
Ｖ２は回転ポイントに対する第二のジャイロスコープ１２Ｂのベクトル距離、
Ｖ３は回転ポイントに対する第三のジャイロスコープ１２Ｃのベクトル距離、
Ｖ４は回転ポイントに対する第四のジャイロスコープ１２Ｄのベクトル距離である。

この式を考えるときには、ベクトル距離の符号を考慮すべきことに注意する。この関係が保たれるときには、フレームの応答が互いにマッチする限りにおいては、ジャイロスコープは全体として、その回転ポイントに対する角加速度に実質的に不感知である。カップリングは製造誤差によって生じるミスマッチを押さえ、よって、角加速度を許さないように改善する。

しかしながら、この配置は、それが設計された目的である基調となる角速度の検出に対して、アレイ１０に悪影響を及ぼすべきではない。

従って、本発明の実施形態は、実質的に表面のずれに不感知であり、上述したように、角加速度ノイズをキャンセルさせるべきである。

上述したように、各対の個々のフレーム１６は動作を促進する意味で結合される。具体的には、フレーム１６Ａおよび１６Ｂはカップリング９９ＡＢによって結合され、一方で、フレーム１６Ｃおよび１６Ｄはカップリング９９ＣＤ（ここでは、「カップリング装置９９」と呼ぶ）によって結合される。例示的な実施形態においては、フレーム１６の各対は、逆位相（すなわち、１８０度の位相のずれ）でのみ動くことができることを保証するために結合される。ただし、２対のフレームは相互に連結されない。図２は、２つのフレームを固定するためのメカニカルなカップリング装置９９のさらなる詳細を概略的に示す。カップリング装置９９の実施形態は図示された任意のフレーム１６に適合するが、図２においては、フレーム１６は、簡単のために第一および第二のフレーム１６Ａおよび１６Ｂとして表示されている。

具体的には、第一のフレーム１６Ａは、第一の長いフレクシャ２２Ａに結合された第一の対の短いフレクシャ２０Ａを有する。対応して、第二のフレーム１６Ｂは、第二の長いフレクシャ２２Ｂに結合された第二の対の短いフレクシャ２０Ｂを有する。バー２４は、第一の長いフレクシャ２２Ａを第二の長いフレクシャ２２Ｂに固定する。一定の安定性を提供するために、一対のアンカー２６Ａおよび２６Ｂは、バー２４の両側に伸び、アンカーフレクシャ２８によってバーに結合する。

この配置は、２つのフレーム１６Ａおよび１６Ｂが同位相で動くことを強いられたときには、実質的に順応しない。対照的に、この配置は、２つのフレーム１６Ａおよび１６Ｂが逆位相で動くことを強いられたときには、実質的に順応する。言い換えると、第一のフレーム１６ＡがＹ軸に沿って上方に強いられたときには、第二のフレーム１６ＢはＹ軸に沿って下方に強いられる。しかしながら、両方がＹ軸に沿って上方に強いられた場合は、この配置は実質的に順応しない。一部の実施形態においては、この配置は、フレーム１６Ａおよび１６ＢがＹ方向に動くときに、ある程度まで回転することを許す。

図３は、第一の対のフレーム１６Ａおよび１６Ｂの代替的な実施形態の追加の詳細を概略的に示す。図に示されるように、この実施形態はまた、共振器１４、フレーム１６、カップリング装置、および先に検討したものと同様の他のコンポーネントを有する。図４は、図３に示される具体的なカップリング装置のさらなる詳細を示す。このカップリング装置は、図１に示されるものを含む他のジャイロスコープの構成に使用され得ることに留意する。

図４に示されるように、アンカーフレクシャ２８は、まず外側に伸びそれからバー２４に出合うために１８０度折れて戻る。さらに、カップリング装置はエッチ補償部（ｅｔｃｈ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）もまた有する。図４の文によれば、折り曲げられたアンカーフレクシャ２８は、ピボットポイントに関するバー２４の回転を許すが、バー２４の軸に垂直な運動を許さない。また、各フレームに１対の短いフレクシャ２０を有するというよりは、この実施形態は各フレームに１つの短いフレクシャ２０を使用する。

フレーム１６Ａおよび１６Ｂが逆位相で動くことを保証することに加えて、このフレクシャ配置は、材料の収縮およびＧクロスＧエラーにより生じる可能性のある悪影響をも減少させる。このＧクロスＧエラーは、フレームの同位相の運動があるときにに発生し、これはカップリングによって抑制あるいは減少される。

カップリング装置９９は、フレーム１６の運動に質量および剛性を事実上付加する。各フレームはその一方側に沿って隣り合うフレームに結合されるだけなので、カップリング装置９９は各フレームの運動を事実上アンバランスにする。従って、アレイ１０はカップリング装置９９の影響を相殺することを助けるために幾つかのバランサ（ここでは、各々を「バランサ９７Ａ、９７Ｂ、９７Ｃ、９７Ｄ」、または一般的に「バランサ９７」と呼ぶ）を好ましく含む。特に、バランサ９７はカップリング装置９９のある側の反対の方の各フレームの側に好ましくも結合される。つまり、バランサ９７Ａはカップリング９９ＡＢの反対の側に沿ってフレーム１６Ａに結合され、バランサ９７Ｂはカップリング９９ＡＢの反対の側に沿ってフレーム１６Ｂに結合され、バランサ９７Ｃはカップリング９９ＣＤの反対の側に沿ってフレーム１６Ｃに結合され、バランサ９７Ｄはカップリング９９ＣＤの反対の側に沿ってフレーム１６Ｄに結合される。各バランサ９７の構成は、一般的にはカップリング装置９９の半分に等しく、従って、その各々のフレーム１６に対して、大きさは等しいが向きは反対の機械的な効果を、実質的に与える。

図５は、本発明の例示的な実施形態に従った具体的なバランサ９７（この例では、２対のセンサエレメントの間に位置するバランサ９７Ｂおよび９７Ｃ）のさらなる詳細を示す。図示されるように、各バランサ９７の構成は図４に示されるカップリング装置の半分に本質的に等しい。カップリング装置９９とは異なり、２つの隣り合うバランサ９７Ｂと９７Ｃの間には結合のないことが注意されるべきである。

例示的な実施形態においては、加速度計は約１７ボルトで運転される。

本発明は、本発明の真の範囲から逸脱することなく、他の具体的な形で実施され得る。記述された実施形態は、あらゆる意味で単に例示的であり、かつ非限定的であると考えられるべきである。

図１は、本発明の例示的な実施形態に従って構成された、ジャイロスコープの直線的アレイを概略的に示す。 図２は、本発明の例示的な実施形態に従った、図１に示される２つのフレームを結合するためのカップリング装置を概略的に示す。 図３は、第一の対のジャイロスコープの代替的な実施形態の追加的な詳細を概略的に示す。 図４は、図３に示されるジャイロスコープの対によって使用される、具体的なカップリング装置のさらなる詳細を示す。 図５は、本発明の例示的な実施形態に従った、具体的なバランサのさらなる詳細を示す。

Claims (16)

1. 慣性センサのセンサエレメントを結合するための装置であって、
   該装置は、
   第一のセンサエレメントフレームと第二のセンサエレメントフレームとの間に結合されたバーと、
   該フレームの下にある基板の上方で該バーを支持する複数のアンカーフレクシャと
   を備え、
   該複数のアンカーフレクシャの各々は、一端部で該基板にアンカーされた構造であって、該バーの軸に垂直に該バーと出合うように１８０度折り曲げられた構造を含み、
   該アンカーフレクシャは、該フレームが別々の並行な軸に沿って互いに逆位相で動くときには該バーがピボットポイントで回転することを許すが、該フレームの同位相の運動および該バーの軸に垂直な該バーの運動を妨げる、装置。
2. 前記フレームの１つから伸びる第一の対の短いフレクシャであって、第一の長いフレクシャによって相互に連結された第一の対の短いフレクシャと、
   該フレームの他の１つから伸びる第二の対の短いフレクシャであって、第二の長いフレクシャによって相互に連結された第二の対の短いフレクシャと
   をさらに備え、
   前記バーは、該第一の長いフレクシャと該第二の長いフレクシャとの中間点で該第一の長いフレクシャを該第二の長いフレクシャに相互に連結する、請求項１に記載の装置。
3. 前記長いフレクシャの各々は、前記バーが回転するにつれて撓むように結合される、請求項２に記載の装置。
4. 前記フレームの１つから伸びる第一のフレクシャと、
   該フレームの他の１つから伸びる第二のフレクシャと
   をさらに備え、
   前記バーは該第一のフレクシャと該第二のフレクシャとを相互に連結する、請求項１に記載の装置。
5. 前記複数のアンカーフレクシャは、前記ピボットポイントの周りに配置された４つのアンカーフレクシャを含む、請求項４に記載の装置。
6. 前記第一のフレクシャおよび前記第二のフレクシャの各々は、平行な２つの部材であって、該平行な２つの部材は両端で互いに結合されている、平行な２つの部材を含み、該部材の一方は前記フレームに結合され、該部材の他方は前記バーに結合され、該部材は該バーが回転するにつれて撓むように結合される、請求項４に記載の装置。
7. 平面に垂直な軸に関する前記基板の回転は、前記フレームの運動を生じさせる、請求項１に記載の装置。
8. 慣性センサのセンサエレメントを結合するための装置であって、
   該装置は、
   第一のセンサエレメントフレームと第二のセンサエレメントフレームとを結合するためのカップリング手段と、
   該フレームの下にある基板の上方で該カップリング手段を支持するための支持手段と
   を備え、
   該支持手段は、複数のアンカーフレクシャを含み、該複数のアンカーフレクシャの各々は、一端部で該基板にアンカーされた構造であって、該カップリング手段の軸に垂直に該カップリング手段と出合うように１８０度折り曲げられた構造を含み、
   該支持手段は、該フレームが別々の平行な軸に沿って互いに逆位相で動くときには該カップリング手段がピボットポイントで回転することを許すが、該フレームの同位相の運動および該カップリング手段の軸に垂直な該カップリング手段の運動を妨げる、装置。
9. 前記カップリング手段は、
   前記フレームの１つから伸びる第一の対の短いフレクシャであって、第一の長いフレクシャによって相互に結合される第一の対の短いフレクシャと、
   前記フレームの他の１つから伸びる第二の対の短いフレクシャであって、第二の長いフレクシャによって相互に結合される第二の対の短いフレクシャと、
   該第一の長いフレクシャと該第二の長いフレクシャとの中間点で該第一の長いフレクシャを該第二の長いフレクシャに相互に連結するバーと
   を備える、請求項８に記載の装置。
10. 前記長いフレクシャの各々は、前記バーが回転するにつれて撓むように結合される、請求項９に記載の装置。
11. 前記カップリング手段は、
    前記フレームの１つから伸びる第一のフレクシャと、
    前記フレームの他の１つから伸びる第二のフレクシャと、
    該第一のフレクシャと該第二のフレクシャとを相互に連結するバーと
    を備える、請求項８に記載の装置。
12. 前記支持手段は、前記ピボットポイントの周りに配置された４つのアンカーフレクシャを含む、請求項８に記載の装置。
13. 前記第一のフレクシャおよび前記第二のフレクシャの各々は、平行な２つの部材であって、該平行な２つの部材は両端で互いに結合されている、平行な２つの部材を含み、該部材の一方は前記フレ−ムに結合され、該部材の他方は前記バーに結合され、該部材は該バーが回転するにつれて撓むように結合される、請求項１１に記載の装置。
14. 平面に垂直な軸に関する前記基板の回転は、前記フレームの運動を生じさせる、請求項８に記載の装置。
15. 前記バーとは反対側に結合されたバランサを各フレームが含むように該フレームに結合された複数のバランサをさらに備える、請求項１に記載の装置。
16. 前記カップリング手段とは反対側で前記フレームに結合されたバランス手段をさらに備える、請求項８に記載の装置。

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