JP2014178317A

Angular velocity sensor having multiaxial detection capability

Abstract

Problem to be solved.To provide a micro-electromechanical system (MEMS) angular velocity sensor having a multiaxial detection capability.

Solution.An angular velocity sensor comprises a single driving mass 24 and distributed detection masses 36, 38, 40, and 42 positioned in a central opening of the driving mass 24. The driving mass 24 can receive an electrostatic stimulation to rotate centering around the Z-axis 64. The detection masses 36, 38, 40, and 42 are coupled with the driving mass 24 via spring elements 44, 46, 48, and 50 with which a vibrational rotating motion 90 of the driving mass 24 imparts linear driving motions 92, 94 to the detection masses. The distributed detection masses form two pairs of detection masses, one pair detects angular velocities in the X-axis and Z-axis, and the other pair detects angular velocities in the Y-axis and Z-axis. The detection masses are coupled with each other via a central coupler 34 to secure that the detection masses of each pair are moving in a reverse phase.

JP2014178317A, drawing sheet 1
Sheet 1 of 12

Term

Projected expiry 12 March 2034.

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20 claims: 6 independent, 14 dependent

  1. 1
    角速度センサにおいて、 表面を有する基板と、 前記基板に可撓自在に結合されている駆動マスであって、前記駆動マスは前記基板の前記表面に実質的に垂直である第1の軸を中心とした振動回転運動によって運動するように構成されており、該駆動マスは内周によって画定される中央開口を有する、駆動マスと、 前記中央開口内に設けられ、前記基板の前記表面の上に懸垂されている結合器要素と、 前記中央開口内に設けられ、第1のバネ要素を介して前記駆動マスの前記内周と前記結合器要素との間に相互接続されている第1の検知用マスと、 前記中央開口内に位置し、第2のバネ要素を介して前記駆動マスの前記内周と前記結合器要素との間に相互接続されている第2の検知用マスであって、前記第1の検知用マス及び該第2の検知用マスは、前記第1の検知用マスと該第2の検知用マスとの間に位置する前記結合器要素によって第2の軸の対向する両側に配備されており、前記第2の軸は前記基板の前記表面に実質的に平行である、第2の検知用マスとを備え、前記駆動マスの前記振動回転運動は、前記第1のバネ要素及び第2のバネ要素を介して前記第1の検知用マス及び第2の検知用マスに線形駆動運動を付与し、該線形駆動運動は前記第2の軸に実質的に平行な第1の駆動方向にある、角速度センサ。
  2. 2
    前記第1のバネ要素及び第2のバネ要素を介した前記結合器要素と、前記第1の検知用マス及び第2の検知用マスの各々との間の可撓自在な相互接続によって、前記第1の検知用マス及び第2の検知用マスの、前記線形駆動運動に応答した前記第2の軸に実質的に平行な前記第1の駆動方向における逆相運動が可能である、請求項1に記載の角速度センサ。
  3. 3
    前記第1のバネ要素及び第2のバネ要素は、前記第1の検知用マス及び第2の検知用マスが、入力軸を中心とした角運動速度に応答して前記第2の軸に実質的に垂直である検知軸に対して振動することを可能にし、前記入力軸は前記第2の軸及び前記検知軸の各々に垂直である、請求項1に記載の角速度センサ。
  4. 4
    前記第1の検知用マス及び第2の検知用マスの各々の下で前記基板の前記表面上に配置される電極をさらに備え、前記入力軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、前記検知軸は前記基板の前記表面に実質的に垂直である、請求項3に記載の角速度センサ。
  5. 5
    前記基板に固定されている固定電極と、前記第1の検知用マス及び第2の検知用マスの端部から伸張する可動電極とをさらに備え、前記可動電極は前記固定電極に近接して設けられ、前記固定電極及び可動電極は前記第2の軸と長手方向において位置整合されている、請求項3に記載の角速度センサ。
  6. 6
    第2の入力軸は前記基板の前記表面に実質的に垂直であり、第2の検知軸は前記基板の前記表面に実質的に平行である、請求項5に記載の角速度センサ。
  7. 7
    前記中央開口内に設けられ、第3のバネ要素を介して前記駆動マスの前記内周と前記結合器要素との間に相互接続されている第3の検知用マスと、 前記中央開口内に設けられ、第4のバネ要素を介して前記駆動マスの前記内周と前記結合器要素との間に相互接続されている第4の検知用マスであって、前記第3の検知用マス及び該第4の検知用マスは、前記第3の検知用マスと該第4の検知用マスとの間に位置する前記結合器要素によって第3の軸の対向する両側に配備されており、前記第3の軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、かつ前記第2の軸に垂直である、第4の検知用マスとをさらに備え、前記駆動マスの前記振動回転運動は、前記第3のバネ要素及び第4のバネ要素を介して前記第3の駆動マス及び第4の駆動マスに前記線形駆動運動を付与し、該線形駆動運動は前記第3の軸に実質的に平行な第2の駆動方向において前記第3の駆動マス及び第4の駆動マスに付与される、請求項1に記載の角速度センサ。
  8. 8
    前記第3のバネ要素及び第4のバネ要素を介した前記結合器要素と、前記第3の検知用マス及び第4の検知用マスの各々との可撓自在な相互接続によって、前記第3の検知用マス及び第4の検知用マスの、前記線形駆動運動に応答した前記第3の軸に実質的に平行な前記第2の駆動方向における逆相運動が可能である、請求項7に記載の角速度センサ。
  9. 9
    前記第3のバネ要素は、前記第3の検知用マスが、入力軸を中心とした角運動速度に応答して前記第3の軸に実質的に垂直である検知軸に対して振動することを可能にし、前記入力軸は前記第3の軸及び前記検知軸の各々に垂直であり、 前記第4のバネ要素は、前記第4の検知用マスが、前記入力軸を中心とした角運動速度に応答して前記検知軸に対して振動することを可能にする、請求項7に記載の角速度センサ。
  10. 10
    前記第3の検知用マス及び第4の検知用マスの各々の下で前記基板の前記表面上に配置される電極をさらに備え、前記入力軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、前記センス軸は前記基板の前記表面に実質的に垂直である、請求項9に記載の角速度センサ。
  11. 11
    前記角運動速度は第1の角運動速度であり、前記入力軸は第1の入力軸であり、前記電極は第1の電極であり、前記角速度センサは、前記第1の検知用マス及び第2の検知用マスの各々の下で前記基板の前記表面上に配置されている第2の電極をさらに備え、前記第1のバネ要素及び第2のバネ要素は、前記第1の検知用マス及び第2の検知用マスが、第2の入力軸を中心とした第2の角運動速度に応答して前記検知軸に対して振動することを可能にし、前記第2の入力軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、前記第2の入力軸は前記第1の入力軸及び前記センス軸の各々に垂直である、請求項10に記載の角速度センサ。
  12. 12
    前記検知軸は第1の検知軸であり、前記角速度センサは、 前記第1の検知用マス及び第2の検知用マスの端部から伸張する第1の可動電極、及び前記基板に固定されている第1の固定電極であって、該第1の固定電極は該第1の可動電極に近接して設けられ、該第1の可動電極及び該第1の固定電極は前記第2の軸と長手方向において位置整合されている、第1の可動電極及び第1の固定電極と、 前記第3の検知用マス及び第4の検知用マスの端部から伸張する第2の可動電極、及び前記基板に固定されている第2の固定電極であって、該第2の固定電極は該第2の可動電極に近接して設けられ、該第2の可動電極及び該第2の固定電極は前記第3の軸と長手方向において位置整合されている、第2の可動電極及び第2の固定電極とをさらに備え、 前記第1のバネ要素及び第2のバネ要素は、前記第1の検知用マス及び第2の検知用マスが、第3の入力軸を中心とした第3の角運動速度に応答して第2の検知軸に対して振動することを可能にし、前記第3の入力軸は前記基板の前記表面に実質的に垂直であり、前記第2のセンス軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、 前記第3のバネ要素及び第4のバネ要素は、前記第3の検知用マス及び第4の検知用マスが、前記第3の入力軸を中心とした前記第3の角運動速度に応答して第3の検知軸に対して振動することを可能にし、前記第3のセンス軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、前記第2の検知軸に実質的に垂直である、請求項11に記載の角速度センサ。
  13. 13
    前記基板に固定されている固定電極と、前記第3の検知用マス及び第4の検知用マスの端部から伸張する可動電極とをさらに備え、前記可動電極は前記固定電極に近接して位置し、前記固定電極及び可動電極は前記第3の軸と長手方向において位置整合されており、前記入力軸は前記基板の前記表面に実質的に垂直であり、前記検知軸は前記基板の前記表面に実質的に平行である、請求項9に記載の角速度センサ。
  14. 14
    微小電気機械システム(MEMS)角速度センサを製造するための方法において、 基板に可撓自在に結合されており、前記基板の表面に実質的に垂直である第1の軸を中心とした振動回転運動によって運動することを可能にされている駆動マスを形成するステップであって、該駆動マスは内周によって画定される中央開口を含む、駆動マスを形成するステップと、 前記中央開口内に、前記基板の前記表面の上に懸垂されている結合器要素を形成するステップと、 前記中央開口内に第1の検知用マス、第2の検知用マス、第3の検知用マス、及び第4の検知用マスを形成するステップと、 前記第1の検知用マスと前記駆動質量部の前記内周との間、及び前記第1の検知用マスと前記結合器要素との間に第1のバネ要素を形成するステップと、 前記第2の検知用マスと前記駆動マスの前記内周との間、及び前記第2の検知用マスと前記結合器要素との間に第2のバネ要素を形成するステップであって、前記第1の検知用マス及び第2の検知用マスは該第1の検知用マスと第2の検知用マスとの間に位置する前記結合器要素によって第2の軸の対向する両側に配備されており、前記第2の軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、前記第1の検知用マス及び第2の検知用マスは、前記振動回転運動に応答して前記第1のバネ要素及び該第2のバネ要素を介して線形駆動運動を受けることが可能になっており、該線形駆動運動は、前記第2の軸に実質的に平行な第1の駆動方向にある、第2のバネ要素を形成するステップと、 前記第3の検知用マスと前記駆動マスの前記内周との間、及び前記第3の検知用マスと前記結合器要素との間に第3のバネ要素を形成するステップと、 前記第4の検知用マスと前記駆動マスの前記内周との間、及び前記第4の検知用マスと前記結合器要素との間に第4のバネ要素を形成するステップであって、前記第3の検知用マス及び第4の検知用マスは該第3の検知用マスと第4の検知用マスとの間に位置する前記結合器要素によって第3の軸の対向する両側に配備されており、前記第3の軸は前記基板の前記表面に実質的に平行、かつ前記第2の軸に垂直を向いており、前記第3の検知用マス及び第4の検知用マスは、前記振動回転運動に応答して前記第3のバネ要素及び該第4のバネ要素を介して前記線形駆動運動を受けることが可能になっており、該線形駆動運動は、前記第3の軸に実質的に平行な第2の駆動方向において前記第3の駆動マス及び第4の駆動マスに付与される、第4の検知用マスを形成するステップとを備える、方法。
  15. 15
    前記第1の検知用マス及び第2の検知用マスの各々の下で前記基板の前記表面上に第1の電極を形成するステップと、 前記第3の検知用マス及び第4の検知用マスの各々の下で前記基板の前記表面上に第2の電極を形成するステップとをさらに備え、 前記第1のバネ要素及び第2のバネ要素は、前記第1の検知用マス及び第2の検知用マスが、前記第3の軸に実質的に平行である第1の入力軸を中心とした角運動速度に応答して前記基板の前記表面に垂直である検知軸に対して振動することを可能にし、 前記第3のバネ要素及び第4のバネ要素は、前記第3の検知用マス及び第4の検知用マスが、前記第2の軸に実質的に平行である第2の入力軸を中心とした前記角運動速度に応答して前記センス軸に対して振動することを可能にする、請求項14に記載の方法。
  16. 16
    前記第1の検知用マス及び第2の検知用マスの端部から伸張する第1の可動電極を形成するステップと、 前記基板に固定されている第1の固定電極を形成するステップであって、該第1の固定電極は前記第1の可動電極に近接して設けられ、前記第1の可動電極及び該第1の固定電極は前記第2の軸と長手方向において位置整合されている、形成するステップと、 前記第3の検知用マス及び第4の検知用マスの端部から伸張する第2の可動電極を形成するステップと、 前記基板に固定されている第2の固定電極を形成するステップであって、該第2の固定電極は前記第2の可動電極に近接して設けられ、前記第2の可動電極及び該第2の固定電極は前記第3の軸と長手方向において位置整合されている、形成するステップとをさらに備え、 前記第1のバネ要素及び第2のバネ要素は、前記第1の検知用マス及び第2の検知用マスが、前記基板の前記表面に実質的に垂直である第3の入力軸を中心とした前記角運動速度に応答して第2のセンス軸に対して振動することを可能にし、前記第2のセンス軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、 前記第3のバネ要素及び第4のバネ要素は、前記第3の検知用マス及び第4の検知用マスが、前記第3の入力軸を中心とした前記角運動速度に応答して第3のセンス軸に対して振動することを可能にし、前記第3のセンス軸は前記第2のセンス軸に実質的に垂直である、請求項15の記載の方法。
  17. 17
    角速度センサにおいて、 表面を有する基板と、 前記基板に可撓自在に結合されている駆動マスであって、該駆動マスは前記基板の前記表面に実質的に垂直である第1の軸を中心とした振動回転運動によって運動するように構成されており、該駆動マスは内周によって画定される中央開口を有する、駆動マスと、 前記中央開口内に位置し、前記基板の前記表面の上に懸垂されている結合器要素と、 前記中央開口内に位置し、第1のバネ要素を介して前記駆動マスの前記内周と前記結合器要素との間に相互接続されている第1の検知用マスと、 前記中央開口内に位置し、第2のバネ要素を介して前記駆動マスの前記内周と前記結合器要素との間に相互接続されている第2の検知用マスであって、前記第1の検知用マス及び該第2の検知用マスは、前記第1の検知用マスと該第2の検知用マスとの間に位置する前記結合器要素によって第2の軸の対向する両側に配備されており、前記第2の軸は前記基板の前記表面に実質的に平行である、第2の検知用マスと、 前記第1の検知用マス及び第2の検知用マスの各々の下で前記基板の前記表面上に配置されている第1の電極と、 前記基板に固定されている第1の固定電極、ならびに前記第1の検知用マス及び第2の検知用マスの端部から伸張する第1の可動電極であって、該第1の可動電極は該第1の固定電極に近接して設けられ、該第1の固定電極及び第1の可動電極は前記第2の軸と長手方向において位置整合されている、第1の固定電極及び第1の可動電極とを備え、 前記駆動マスの前記振動回転運動は、前記第1のバネ要素及び第2のバネ要素を介して前記第1の検知用マス及び第2の検知用マスに線形駆動運動を付与し、該線形駆動運動は前記第2の軸に実質的に平行な第1の駆動方向にあり、 前記第1のバネ要素及び第2のバネ要素は、前記第1の検知用マス及び第2の検知用マスが、第1の入力軸を中心とした角運動速度に応答して第1の検知軸に対して振動することを可能にし、前記第1の検知軸は前記基板の前記表面に実質的に垂直であり、前記第1の入力軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、前記第2の軸に実質的に垂直であり、 前記第1のバネ要素及び第2のバネ要素は、前記第1の検知用マス及び第2の検知用マスが、第2の入力軸を中心とした前記角運動速度に応答して第2のセンス軸に対して振動することを可能にし、前記第2のセンス軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、前記第2の入力軸は前記基板の前記表面に実質的に垂直である、角速度センサ。
  18. 18
    前記中央開口内に位置し、第3のバネ要素を介して前記駆動マスの前記内周と前記結合器要素との間に相互接続されている第3の検知用マスと、 前記中央開口内に位置し、第4のバネ要素を介して前記駆動マスの前記内周と前記結合器要素との間に相互接続されている第4の検知用マスであって、前記第3の検知用マス及び該第4の検知用マスは、前記第3の検知用マスと該第4の検知用マスとの間に位置する前記結合器要素によって第3の軸の対向する両側に配備されており、前記第3の軸は前記基板の前記表面に実質的に平行、かつ前記第2の軸に垂直を向いている、第4の検知用マスと、 前記第3の検知用マス及び第4の検知用マスの各々の下で前記基板の前記表面上に配置されている第2の電極とをさらに備え、 前記駆動マスの前記振動回転運動は、前記第3のバネ要素及び第4のバネ要素を介して前記第3の駆動マス及び第4の駆動マスに前記線形駆動運動を付与し、該線形駆動運動は前記第3の軸に実質的に平行な第2の駆動方向において前記第3の駆動マス及び第4の駆動マスに付与され、 前記第3のバネ要素及び第4のバネ要素は、前記第3の検知用マス及び第4の検知用マスが、第3の入力軸を中心とした前記角運動速度に応答して前記第1のセンス軸に対して振動することを可能にし、前記第3の入力軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、前記第3の軸に実質的に垂直である、請求項17に記載の角速度センサ。
  19. 19
    前記基板に固定されている第2の固定電極、ならびに前記第3の検知用マス及び第4の検知用マスの端部から伸張する第2の可動電極であって、該第2の可動電極は該第2の固定電極に近接して設けられ、該第2の固定電極及び第2の可動電極は前記第3の軸と長手方向において位置整合されている、第2の固定電極及び第2の可動電極をさらに備え、 前記第3のバネ要素及び第4のバネ要素は、前記第3の検知用マス及び第4の検知用マスが、前記第2の入力軸を中心とした前記角運動速度に応答して前記第2のセンス軸に対して振動することを可能にし、前記第2のセンス軸は前記基板の前記表面に実質的に平行であり、前記第2の入力軸は前記基板の前記表面に実質的に垂直である、請求項18に記載の角速度センサ。
  20. 20
    前記第1のバネ要素及び第2のバネ要素を介した前記結合器要素と、前記第1の検知用マス及び第2の検知用マスの各々との可撓自在な相互接続によって、前記第1の検知用マス及び第2の検知用マスの、前記線形駆動運動に応答した前記第2の軸に実質的に平行な前記第1の駆動方向における逆相運動が可能であり、 前記第3のバネ要素及び第4のバネ要素を介した前記結合器要素と、前記第3の検知用マス及び第4の検知用マスの各々との柔軟な相互接続によって、前記第3の検知用マス及び第4の検知用マスの、前記線形駆動運動に応答した前記第3の軸に実質的に平行な前記第2の駆動方向における前記逆相運動が可能である、請求項18に記載の角速度センサ。
Independent claims20