JP7747894B2 - 振動系を連結するための連結装置、および微小電気機械部品 - Google Patents

Description

本発明は、２つの振動系を連結するための連結装置、および連結された２つの振動系を有する慣性センサや角速度センサなどの微小電気機械部品に関する。

慣性センサやジャイロスコープなどの微小電気機械系（ＭＥＭＳ）では、例えば、力やトルクのない系を作るために、質量をプッシュプルモードで振動させる技術的な必要性がしばしばある。両方の質量が一直線上にある場合、両方の質量を同期振動（コモンモード）または逆方向に振動（プッシュプルモード）させるための連結を与えることができるバネ機構がしばしば使用される。

コモンモードは本質的にバネ機構の非使用に対応する。したがって、コモンモードに割り当てられるバネ剛性は、プッシュプルモードに割り当てられるバネ剛性よりも小さくなる。固有振動数ω＝√ｋ／ｍ（ｋ：バネ剛性、ｍ：質量）の関係に基づいて、コモンモードの固有振動数／共振周波数ωは、原則としてプッシュプルモードの固有振動数／共振周波数を下回る。

しかし、通常、プッシュプル連結は、ＭＥＭＳの機能を有利に設計するために必要である。したがって、本発明の目的は、プッシュプル連結がコモンモード連結に比べてエネルギー的に不利にならない連結装置および連結装置を含む微小電気機械部品を特定することである。

この目的は、独立請求項に係る発明によって達成される。

２つの振動系を連結するための連結装置であって、前記振動系が第１の方向に沿って直線的に配置され、前記第１の方向に沿って振動することができるように、前記連結装置が基板上に取り付けられており、前記第１の方向に沿って互いに反対の外側面で前記振動系に接続されることができる閉じたバネ構造体と、前記基板に剛性的に接続され、前記閉じたバネ構造体内に配置され、前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って互いに対向する２つの内側面において前記バネ構造体に接続されるアンカー構造体と、を備える。この際、前記振動系に連結された前記連結装置は、前記振動系のプッシュプル連結を最低周波数のモードとして付与する。

閉じたバネ構造体、すなわち、開放端を持たない本質的に直線的で変形可能な（したがって、位相幾何学的に円形に変形可能な）バネ構造体は、２つの振動系のみが接続されると、２つの前記振動系がコモンモードで案内される振動を、最低振動モード、すなわち、振動周波数が最低のモードとして行う。この振動モードは、２点の接続線が前記振動系の振動方向に対して直交するように、または、２点の接続線が前記バネ構造体の前記振動系への接続部の間にあるように、前記振動系が基板に２点で接続されている場合に抑制される。この接続により、２つの前記振動系の同方向への変位と反対方向への変位には、少なくとも同量のエネルギーが使用されなければならないことが保証される。前記バネ構造体のアンカーを前記バネ構造体内に設計することにより、省スペースでこれを達成することができる。

前記バネ構造体は少なくとも、互いに直交する２つの対称軸に関して対称に構成されることができる。２つの前記振動系は、第１の対称軸に沿って前記バネ構造体に接続されることができ、前記バネ構造体の前記アンカー構造体への２つの接続部は、第２の対称軸に沿って配置することができる。前記バネ構造体を対称に設計することで、可能な撓み、つまり固有モードとその励起エネルギーの決定が容易になる。さらに、前記バネ構造体が対称に構成されている場合、２つの前記振動系にかかる力が等しいと、撓みも等しくなる。

そうすることで、前記バネ構造体は、前記第１の対称軸に沿って変形したときに、前記第２の対称軸に沿って同じ程度反対方向に変形することができる。つまり、ある量だけ前記振動系が撓むと、前記第１の対称軸に沿った前記バネ構造体の変形が発生し、前記第１の対称軸に沿った変形は、前記第２の対称軸に沿った前記バネ構造体の変形を伴い、前記第２の対称軸に沿った変形は、前記振動系の撓み量に関連する（例えば、比例するか等しい）。この変形により、プッシュプルモードへの連結は、コモンモードへの連結よりも「柔軟」になり、つまり、プッシュプルモードに割り当てることができるバネ定数は、コモンモードに割り当てることができるバネ定数よりも小さくなる。その結果、プッシュプルモードの固有振動数はコモンモードの固有振動数よりも小さくなり、プッシュプルモードがコモンモードよりもエネルギー的に有利になる。

更に、前記連結装置は、前記アンカー構造体を前記バネ構造体に接続する第１のバネ要素を有することができる。この場合、前記第１のバネ要素は本質的に前記第２の方向に沿ってのみ撓むことができる。従って、前記バネ構造体の前記基板への接続は、例えば二重に折り曲げられた曲げ梁バネなど、曲げ可能または変形可能な要素を介して再び提供される。このことは、前記バネ構造体が前記基板に接続される箇所は、前記バネ構造体が変形した場合に固定されている必要がなく、前記第２の方向に沿って、つまり振動系の振動方向に対して直交に振動することができることを意味する。これにより、前記振動系のプッシュプルモードを付与し、コモンモードにつながるモードよりも固有振動数が低く／エネルギー的に有利な固有モードの形成が可能になる。

更に、前記連結装置は、前記振動系を前記バネ構造体に接続する第２のバネ要素を有することができる。この場合、前記第２のバネ要素は本質的に前記第１の方向に沿ってのみ撓むことができる。従って、前記第２のバネ要素は、前記振動系の前記バネ構造体への連結を単純化する役割を果たす。前記第２のバネ要素によって、前記バネ構造体と前記振動系の剛性的な連結が省略されるため、前記バネ構造体の振動挙動はよりフレキシブルになる。剛性的な連結は、前記振動系との前記バネ構造体の対応する部分の奴隷的同期を必要とする。

前記アンカー構造体は、前記バネ構造体の中心にある１つのアンカーとして構成されることができる。これは、前記バネ構造体が前記基板に接続される接続点が１つだけであることを意味する。これは、製造の観点から有利である。さらに、前記基板への接続部が１つであるため、より多くの異なる振動モードが可能となり、前記連結装置を様々な用途に使用することができる。

しかしながら、前記アンカー構造体は、前記第１の対称軸上、すなわち２つの前記振動系の振動方向上に配置される２つ（またはそれ以上）のアンカーを含むこともできる。これにより、特に前記バネ構造体の回転運動を抑制することができる。しかし、複数のアンカーを前記第２の対称軸に沿って配置することもできる。

前記バネ構造体は、円形、矩形、正方形、六角形、楕円形、または菱形に構成することができる。これにより、バネ構造体の製造が単純化される。

前記バネ構造体が矩形、正方形又は六角形に構成されている場合、２つの前記振動系へのおよび前記アンカー構造体への前記接続部は、それぞれ前記矩形、前記正方形又は前記六角形の辺に設計されることができる。前記バネ構造体が正方形、菱形または六角形に構成されている場合、２つの前記振動系へのおよび前記アンカー構造体への前記接続部は、それぞれ前記正方形、前記菱形または前記六角形の角に構成されることができる。このような対称的な連結により、前記連結構造体の振動挙動が改善され、コモンモードがもはや好まれないことが確実になる。

微小電気機械部品は、上述した連結装置と、前記連結装置の前記バネ構造体に接続される２つの前記振動系とを含むことができる。このような微小電気機械部品では、上述した利点を達成することができる。

以下、図を参照しながら本発明を詳細に説明する。本明細書および図は、純粋に例示的なものである。本発明は特許請求の範囲によってのみ定義される。

連結装置の概略図を示す。 別の連結装置の概略図を示す。 連結装置を備えた微小電気機械部品の概略図を示す。 連結装置を備えた別の微小電気機械部品の概略図を示す。 連結装置を備えた別の微小電気機械部品の概略図を示す。

図１は、２つの振動系２１０、２２０を連結するための連結装置１００の概略図を示す。振動系２１０、２２０は、慣性センサや角速度センサなどの微小電気機械部品または微小電気機械系（ＭＥＭＳ）の一部とすることができる。振動系２１０、２２０は、第１の方向ｘに沿って配置され、この方向に沿って基板上（図１では、部品の下に描かれていると想像されたい）を振動することができる。振動系２１０、２２０は任意の複雑さを持つことができ、特に、基板に対して多種多様な動きを行うことができる複数の質量とバネで構成される。しかし、ここでの決定的な要因は、振動系２１０、２２０が、全体として見て、第１の方向ｘによって定義される線上にあり、この方向に沿って振動を行うことができることである。

連結装置１００は、（振動系２１０、２２０が連結されている場合）好ましくは、振動系２１０、２２０をプッシュプルモードで振動させるように、すなわち、プッシュプル振動の励起モードがコモンモード振動よりもエネルギー的に優先されるか、または低い固有振動数を有するように設計される。

この目的のために、連結装置１００は閉じたバネ構造体１１０を有する。この場合、「閉じた」という用語は、バネ構造体が位相幾何学的に環であること、すなわち、切断することなく頭の中で環に変形できることを意味する。その他について、バネ構造体１１０の形態は、以下に説明する機能を果たすことができる限り、任意である。特に、バネ構造体１１０は、図１に示すように、主として不規則な輪郭を有することもできる。閉じた輪郭に加えて、バネ構造体１１０はさらに、バネ、連結点などのように、この輪郭から突出する部品を含むこともできる。

バネ構造体１１０は、基板面に平行に（すなわち、図１の画像面に平行に）変形可能な可撓性材料で構成される。例えば、バネ構造体は、ＭＥＭＳの製造中に剥き出しである閉じた曲げ梁バネを形成するウェブとして構成されることができる。これにより、バネ構造体１１０は、対応する変形を通じて第１の方向ｘの動きを付与することができる。

振動系２１０、２２０は、バネ構造体１１０の外側面の対応する接続部１１８を介してバネ構造体１１０に接続される。バネ構造体１１０に対する振動系２１０、２２０の接続部１１８は、好ましくは、第１の方向ｘによって定義される線上で互いに対向している、すなわち、好ましくは、第１の方向ｘに直交する第２の方向ｙに沿ってオフセットしていない。しかしながら、バネ構造体１１０が適宜設計されていれば、第２の方向ｙに沿ってオフセットして振動系２１０，２２０を結合することを可能にすることもできる。

そうではないフリーフローティングな、振動系２１０、２２０に接続されているだけのバネ構造体１１０は、振動系２１０、２２０のコモンモードを最低振動モードとして付与する。この場合、バネ構造体１１０は基本的にコモンモードで振動する振動系２１０、２２０と同じ振動を変形することなく行う。プッシュプルモードの振動は、特定の励起条件下でのみ発生する。

これを防止するために、連結装置１００は、バネ構造体１１０を基板に接続するアンカー構造体１２０を含む。アンカー構造体１２０は、この場合、第２の方向ｙに沿って互いに対向する２点でバネ構造体１１０の内側面に接続され、すなわち、アンカー構造体１２０はバネ構造体１１０に囲まれた領域に設計される。２点の接続線が２つの振動系２１０，２２０の振動方向に対して直交するように２点でバネ構造体１１０を連結することにより、バネ構造体１１０の自由な変位がもはやできなくなるため、すなわち固有振動数が増加するため、コモンモード連結がエネルギー的に不利になる。コモンモード連結のエネルギーレベルは、高くなり、好ましくはプッシュプル連結のレベルを上回って引き上げられ、少なくともプッシュプル連結とのエネルギー的な縮退まで上がる。

最も単純なケースでは、バネ構造体１１０の基板への接続は、図１に示すように、基板への直接接続で構成される。これは、コモンモードとプッシュプルモードのエネルギー的な縮退をもたらす。なぜなら、基板への接続の両側でのバネ構造体の動きは、もはや反対側での動きに影響を及ぼさないからであり、すなわち、同位相での両側の振動が逆位相における振動とエネルギー的に等価だからである。

しかし、好ましくは、バネ構造体１１０の基板への接続は間接的に実施され、例えば、バネ構造体上の接続部１１２から基板に剛性的に接続されたアンカー構造体１２０のアンカーまで延びる第１のバネ要素１１４を介する。これについては、図２を参照してより詳細に説明する。

図２ａ）からｃ）は、２つの振動系２１０、２２０に接続された連結装置１００を示す。そこにおける連結装置１００は、第１のバネ要素１１４を有し、このバネ要素１１４は、接続部１１２を介して（例えば、六角形に構成された）バネ構造体１１０に連結され、従って、バネ構造体１１０をバネ構造体１１０内に置かれているアンカー構造体１２０に接続する。図２に描かれている第１のバネ要素１１４の構成は、バネの一般的なピクトグラムが描かれているという点で、純粋に概略的なものとして理解されるべきである。第１のバネ要素１１４は、ＭＥＭＳでの使用に適した任意の形態をとることができる。

図２に示すように、バネ構造体１１０の第１のバネ要素１１４は、それ自体が第２の方向ｙに沿って伸張及び圧縮されることを許容する。この目的のために、第１のバネ要素１１４は、本質的に第２の方向に沿ってのみ変形可能であり得る。図２ａ）は静止位置、図２ｂ）は第２の方向ｙに沿った圧縮、図２ｃ）は第２の方向ｙに沿った伸長を示す。この過程において、第２の方向ｙにおけるバネ構造体１１０の変形は、振動系２１０，２２０の連結を付与する第１の方向ｘに沿った変形とは反対方向に発生する。さらに、変形は互いに関連していることが可能であり、すなわち、一方向の変形量は他方向の変形量に対応することが可能である。例えば、第１の方向ｘの撓み量は、第２の方向ｙの撓み量に比例または等しくすることができる（変形量の符号は逆になる）。

プッシュプル連結で発生する連結装置１００とその部品の変形は、この場合、振動系２１０、２２０がコモンモードで振動する場合よりも小さい。その結果、プッシュプルモードは固有振動数が低くなり、コモンモードよりもエネルギー的に有利になる。

このことは、図２に示す連結装置１００又はバネ構造体１１０の対称的な設計によって追加的に支持することができる。図２に示すように、連結装置１００は、少なくとも２つの対称軸Ｓ１，Ｓ２に関して対称に構成されることができる。第１の対称軸Ｓ１は、この場合、第１の方向ｘに沿って走っており、振動系２１０、２２０に対するバネ構造体１１０の接続部１１８がその上に配置されている。第２の対称軸は、第２の方向ｙに沿って走っており、図２の例では第１のバネ要素１１４によって提供されているバネ構造体１１０のアンカー構造体１２０への接続部１１２がその上に配置されている。

連結装置１００の対称的な設計は、連結装置１００の撓みダイナミクスを改善する。なぜなら、対称的な変形がエネルギー的に有利であるからであり、第１の方向ｘに沿った２つの振動系２１０、２２０の動きが自動的に付与されるからである。しかしながら、対称的な設計は必須ではない。振動系２１０、２２０が、例えば撓みバネ等を使用することにより、適宜構成されていれば、対称に構成されないバネ構造体１１０も有利になり得る。

連結装置１００または少なくともバネ構造体１１０は、上述した２つの対称軸Ｓ１、Ｓ２よりも多くの対称軸に関して対称に構成されることもできる。例えば、図２のバネ構造体１１０は、（静止位置において）全ての辺の二等分線及び全ての角の二等分線に関して対称である六角形の形態を有する。バネ構造体１１０は、（静止位置において）特に、円形、楕円形、矩形、正方形、または菱形に構成されることができる。さらに、第１のバネ要素１１４は、バネ構造体１１４の対称性（の一部）を連結装置１００全体に伝達するために、バネ構造体１１０の他の点にも作用することができる。しかしながら、上述した振動系２１０、２２０の改善された誘導のために、ここでは、連結装置１００またはバネ構造体１１０のいかなる変形も、第１の方向ｘおよび第２の方向ｙに沿って走る２つの対称軸Ｓ１、Ｓ２に関して常に対称であることが極めて重要である。

図３～図５は、連結装置１００および２つの振動系２１０、２２０を含むマイクロ電気機械部品３００の様々な実施形態を例示的かつ概略的に描く。明示的に説明または描写された様々な要素が組み合わされた、任意の数の別様に構成された微小電気機械部品３００が可能であることは言うまでもない。

図３が示す微小電気機械部品３００において、２つの振動系２１０、２２０が、第２のバネ要素１１６によって、菱形のバネ構造体１１０に連結されており、菱形のバネ構造体１１０の中心には、第１のバネ要素１１４を構成する２つの菱形の曲げ梁バネを介してバネ構造体１１０に接続されている１つのアンカー構造体がある。

第２のバネ要素１１６は、この場合、二重に折り曲げられた曲げ梁バネとして描かれており、振動系２１０、２２０の動きとバネ構造体１１０の変形との間の厳密な関係を排除する。第２のバネ要素１１６以外のバネ設計もこの機能を果たすために使用できることは言うまでもない。特に、本質的に第１の方向ｘに沿ってのみ変形可能な全てのバネを使用することができる。

更なる例として、図４が示す矩形のバネ構造体１１０は、２つの２つの二重に折り曲げられた曲げ梁バネを介して中心にあるアンカー構造体１２０に接続されている。

図５にスケッチしたような設計も考えられる。２つのアンカーからなるアンカー構造体１２０が、第１の対称軸Ｓ１に沿って、すなわち、第１の方向に沿って配置されて、使用されている。これらのアンカーは、第２の対称軸Ｓ２に沿って配置された接続部１１２とともに、円弧状曲げ梁バネとして設計された第１のバネ要素１１４によってバネ構造体１１０に接続される。このような構造体を用いることにより、連結装置１００は、基板平面（すなわち、図５の画像平面）における回転運動に関して安定化されることができる。

上述した連結装置１００は、アプッシュプルモードを付与するバネ構造体１１０内にあるアンカー構造体１２０を含む点で共通している。これにより、連結装置１００は特にコンパクトになり、したがって、マイクロ電気機械系においてプッシュプル振動を省スペースで提供するのに適している。

Claims (8)

1. ２つの振動系（２１０、２２０）を連結するための連結装置（１００）であって、前記振動系が、第１の方向（ｘ）に沿って直線的に配置され、前記第１の方向（ｘ）に沿って振動することができるように、前記連結装置が基板上に取り付けられており、
   前記第１の方向（ｘ）に沿って互いに反対の外側面で前記振動系（２１０、２２０）に接続されることができる閉じたバネ構造体（１１０）と、
   前記基板に剛性的に接続され、前記閉じたバネ構造体（１１０）内に配置され、前記第１の方向に直交する第２の方向（ｙ）に沿って互いに対向する２つの内側面において前記バネ構造体（１１０）に接続されるアンカー構造体（１２０）と、を備え、
   前記振動系（２１０，２２０）に接続された前記連結装置（１００）は、前記振動系（２１０，２２０）のプッシュプル連結を最低周波数のモードとして付与し、
   前記アンカー構造体（１２０）は、
   前記バネ構造体（１１０）の中心にある１つのアンカーとして構成されるか、または、
   第１の対称軸（Ｓ１）上に配置された２つのアンカーを含む、連結装置（１００）。
2. 前記バネ構造体（１１０）は少なくとも、前記第１の対称軸（Ｓ１）と、前記第１の対称軸（Ｓ１）に垂直な第２の対称軸（Ｓ２）とに関して対称に構成され、
   ２つの前記振動系（２１０、２２０）は、前記第１の対称軸（Ｓ１）に沿って前記バネ構造体（１１０）に接続されることができ、
   前記バネ構造体（１１０）の前記アンカー構造体（１２０）への２つの接続部（１１２）は、前記第２の対称軸（Ｓ２）に沿って置かれる、請求項１に記載の連結装置（１００）。
3. 前記バネ構造体（１１０）は、前記第１の対称軸（Ｓ１）に沿って変形したときに、前記第２の対称軸（Ｓ２）に沿って同じ程度に反対方向に変形する、請求項２に記載の連結装置（１００）。
4. 前記アンカー構造体（１２０）を前記バネ構造体（１１０）に接続する第１のバネ要素（１１４）をさらに備え、
   前記第１のバネ要素（１１４）は、本質的に前記第２の方向（ｙ）に沿ってのみ撓むことができる、請求項１～３のいずれか１項に記載の連結装置（１００）。
5. 前記振動系（２１０、２２０）を前記バネ構造体（１１０）に接続することができる第２のバネ要素（１１６）をさらに備え、
   前記第２のバネ要素（１１６）は、本質的に前記第１の方向（ｘ）に沿ってのみ撓むことができる、請求項１～３のいずれか１項に記載の連結装置（１００）。
6. 前記バネ構造体（１１０）は、円形、矩形、正方形、六角形、楕円形、または菱形に構成される、請求項１～３のいずれか１項に記載の連結装置（１００）。
7. 前記バネ構造体（１１０）は、矩形、正方形または六角形に構成され、２つの前記振動系（２１０、２２０）へのおよび前記アンカー構造体（１２０）への接続部（１１２、１１８）は、それぞれ前記矩形、前記正方形または前記六角形の辺に設計されるか、または、
   前記バネ構造体（１１０）は、正方形、菱形または六角形に構成され、２つの前記振動系（２１０、２２０）へのおよび前記アンカー構造体（１２０）への接続部（１１２、１１８）は、それぞれ前記正方形、前記菱形または前記六角形の角に構成される、請求項６に記載の連結装置（１００）。
8. 請求項１～３のいずれか１項に記載の連結装置（１００）と、前記連結装置（１００）の前記バネ構造体（１１０）に接続された２つの前記振動系（２１０、２２０）とを備える、微小電気機械部品（３００）。