特許 6088587 閉ループ線形駆動加速度計を用いて面外線形加速度を検出するためのシステムおよび方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6088587

(24)【登録日】2017年2月10日

(45)【発行日】2017年3月1日

(54)【発明の名称】閉ループ線形駆動加速度計を用いて面外線形加速度を検出するためのシステムおよび方法

(51)【国際特許分類】

   G01P 15/125 20060101AFI20170220BHJP

   G01P 15/13 20060101ALI20170220BHJP

   G01P 15/08 20060101ALI20170220BHJP

   H01L 29/84 20060101ALI20170220BHJP

   B81B 3/00 20060101ALI20170220BHJP

【ＦＩ】

   G01P15/125 Z

   G01P15/13 B

   G01P15/08 101B

   G01P15/08 102E

   H01L29/84 Z

   B81B3/00

【請求項の数】3

【外国語出願】

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2015-128582(P2015-128582)

(22)【出願日】2015年6月26日

(62)【分割の表示】特願2009-128940(P2009-128940)の分割

【原出願日】2009年5月28日

(65)【公開番号】特開2015-212701(P2015-212701A)

(43)【公開日】2015年11月26日

【審査請求日】2015年6月26日

(31)【優先権主張番号】12/183,678

(32)【優先日】2008年7月31日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】500575824

【氏名又は名称】ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100140109

【弁理士】

【氏名又は名称】小野 新次郎

(74)【代理人】

【識別番号】100075270

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 泰

(74)【代理人】

【識別番号】100101373

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 茂雄

(74)【代理人】

【識別番号】100118902

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 修

(74)【代理人】

【識別番号】100138759

【弁理士】

【氏名又は名称】大房 直樹

(72)【発明者】

【氏名】マイケル・ジェイ・フォスター

【審査官】 岡田 卓弥

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許第６２３０５６６（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】 特開２００３−３３７１３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−３０９９３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第７１４６８５６（ＵＳ，Ｂ２）

【文献】 米国特許第７１４０２５０（ＵＳ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｐ１５／００−１５／１８

Ｈ０１Ｌ２９／８４

Ｂ８１Ｂ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の質量により規定される第１のプルーフマス部分および前記第１の質量とは異なる第２の質量により規定される第２のプルーフマス部分を備えた不平衡プルーフマスと、
前記第１のプルーフマス部分の前記第１の質量が前記第２のプルーフマス部分の前記第２の質量より小さくなるように前記第１のプルーフマス部分に配置された質量削減アパーチャと、
基板に隣接する前記第２のプルーフマス部分の一方の側に配置された気体制動補償容積であって、前記気体制動補償容積の面積は、前記質量削減アパーチャの面積と実質的に等しく、前記第１のプルーフマス部分の気体制動は、前記第２のプルーフマス部分の気体制動と実質的に等しい、気体制動補償容積と、
前記不平衡プルーフマスの第１の端部の複数の第１のプルーフマス櫛歯と、
前記複数の第１のプルーフマス櫛歯と交互配置され、前記複数の第１のプルーフマス櫛歯から面外軸に沿ってオフセットされた複数の第１のステータ櫛歯と、
前記不平衡プルーフマスの第２の端部の複数の第２のプルーフマス櫛歯と、
前記複数の第２のプルーフマス櫛歯と交互配置され、前記複数の第２のプルーフマス櫛歯から前記面外軸に沿ってオフセットされた複数の第２のステータ櫛歯と、
を備えた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス。

【請求項2】

前記複数の第１および第２のプルーフマス櫛歯と前記複数の第１および第２のステータ櫛歯は、Ｘ軸およびＹ軸に沿って面内で互いに交互配置され、前記複数の第１および第２のプルーフマス櫛歯は、面外Ｚ軸に沿って前記複数の第１および第２のステータ櫛歯からオフセットされる、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。

【請求項3】

加速度計を面外方向に加速するステップであって、加速度が不平衡プルーフマスに回転トルクを発生する、ステップと、
リバランシング力を複数の交互配置されたロータ櫛歯とステータ櫛歯との少なくとも１つに加えるステップであって、前記リバランシング力は前記回転トルクに対抗し、前記ロータ櫛歯は前記不平衡プルーフマスの端部に配置され、前記ステータ櫛歯は前記不平衡プルーフマスの前記端部に隣接したステータの上に配置される、ステップと、
前記加えられたリバランシング力に基づいて加速度の大きさを決定するステップと、
を含み、前記ステータ櫛歯と前記ロータ櫛歯は、Ｘ軸およびＹ軸に沿って面内で互いに交互配置され、前記ステータ櫛歯は、前記プルーフマスが安静状態にある時に面外Ｚ軸に沿って前記ロータ櫛歯からオフセットされ、前記ステータ櫛歯と前記ロータ櫛歯は、前記不平衡プルーフマスの第１方向における回転が前記ステータ櫛歯と前記ロータ櫛歯間の重なりの量を増加させ、前記不平衡プルーフマスの第２方向における回転が前記ステータ櫛歯と前記ロータ櫛歯間の重なりの量を減少させるように構成される、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

加速度計などの従来の面外微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスは、１つまたは
複数のシリコンたわみを使用して、通常はガラスである基板に機械的に結合されかつ懸垂
された１つまたは複数のシリコンプルーフマスを含むことができる。基板内部にエッチン
グされたいくつかの凹部によって、ＭＥＭＳデバイスの選択された部分がＭＥＭＳデバイ
スの内部部分で自由に運動可能になる。ある種の設計では、プルーフマスを２つの基板の
間にはさみ込むために基板をシリコン構造体の上方および下方に設けることができる。面
外ＭＥＭＳデバイスを使用して、プルーフマスの部分を変位させる、加えられた加速度の
力を測定することによって面外線形加速度を求めることができる。

【0002】

本明細書でロータと呼ぶ加速度計のプルーフマスの可動部分、およびこれに隣接した本
明細書でステータと呼ぶＭＥＭＳデバイスの固定部分は、間隙により隔てられている。通
常、間隙は、プルーフマスロータがＭＥＭＳデバイスの加速度に応答して自由に運動する
ように空気または他の適切な気体で満たされている。プルーフマスロータと固定されたス
テータとの間の間隙は静電容量を規定する。

【0003】

開ループで動作されるＭＥＭＳデバイスでは、ステータに対するプルーフマスロータの
運動によって誘起された静電容量の変化が検出可能である。検出された静電容量の変化に
基づいて、ＭＥＭＳデバイスの線形加速度の大きさが決定できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】米国特許第７，１４６，８５６号

【特許文献2】米国特許第７，１４０，２５０号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、必然的に、プルーフマスロータの運動はロータとステータとの間の幾何学的配
置の変化を引き起こす。ロータとステータとの間の静電容量は、離隔距離の二乗で除され
たロータとステータの結合面積に比例するので［力＝関数（面積／距離^２）］、ロータと
ステータとの間の幾何学的配置の変化は非線形の様式でこの力に影響を及ぼす。こうした
力の非線形的変化は、ＭＥＭＳデバイスの加速度を決定する過程を著しく複雑なものにし
、加速度の決定に誤差を持ち込む可能性がある。したがって、ロータおよびステータ間の
力の非線形的変化を最小化するように、ステータに対するロータの運動を実質的に防ぎ、
および／または、制御することが望ましい。

【課題を解決するための手段】

【0006】

面外線形加速度を感知するシステムおよび方法が、閉ループで動作されるＭＥＭＳデバ
イスにおいて開示される。例示の実施形態において、面外線形加速度計は面外方向に加速
され、この加速度は不平衡プルーフマスに回転トルクを発生させる。リバランシング（再
平衡）力が、複数の交互配置されたロータ櫛歯（ｃｏｍｂ ｔｉｎｅ）とステータ櫛歯と
の少なくとも１つに加えられ、このリバランシング力は前記回転トルクに対抗し、ロータ
櫛歯は不平衡プルーフマスの端部に配置され、ステータ櫛歯は不平衡プルーフマスの端部
に隣接したステータの上に配置される。次いで、加速度の大きさが、加えられたリバラン
シング力に基づいて求められる。

【0007】

さらなる態様によれば、例示の実施形態は、第１の質量により規定される第１のプルー
フマス部分および第１の質量とは異なる第２の質量により規定される第２のプルーフマス
部分を備えた不平衡プルーフマスと、不平衡プルーフマスの第１の端部の複数の第１のプ
ルーフマス櫛歯と、複数の第１のプルーフマス櫛歯と交互配置され複数の第１のプルーフ
マス櫛歯からオフセットされた複数の第１のステータ櫛歯と、不平衡プルーフマスの第２
の端部の複数の第２のプルーフマス櫛歯と、複数の第２のプルーフマス櫛歯と交互配置さ
れ複数の第２のプルーフマス櫛歯からオフセットされた複数の第２のステータ櫛歯と、を
有する。コントローラは、複数の交互配置された第１のロータ櫛歯および第１のステータ
櫛歯ならびに複数の交互配置された第２のロータ櫛歯および第２のステータ櫛歯の少なく
とも１つに、リバランシング力を加えるように動作可能であり、このリバランシング力は
、不平衡プルーフマスの面外加速度に応答して発生された不平衡プルーフマスの回転トル
クに対抗し、コントローラは、加えられたリバランシング力に基づいて加速度の大きさを
決定するように動作可能である。

【0008】

好適な実施形態および代替の実施形態が下記の図面を参照して以下で詳細に説明される
。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】閉ループ線形駆動加速度計の実施形態の部分の上側斜視図である。

【図2】閉ループ線形駆動加速度計のプルーフマスの実施形態の底面側斜視図である。

【図3】閉ループ線形駆動加速度計の交互配置されたロータ歯およびステータ歯の切欠き側面図である。

【図4】閉ループ線形駆動加速度計の実施形態の制御要素の構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１は、面外線形加速度を検出する閉ループ線形駆動加速度計１００の実施形態の一部
分の上側斜視図である。閉ループ線形駆動加速度計１００は、プルーフマス１０２と、第
１のステータ１０４と、第２のステータ１０６と、基板１０８の部分とを含む。実施形態
は微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術を使用して製造される。

【0011】

Ｚ軸に沿った面外線形加速度が振子式プルーフマス１０２を回転させる。動作の閉ルー
プモードは、閉ループ線形駆動加速度計１００が面外加速度を受けた時に、プルーフマス
１０２の位置を概ね固定された位置に維持する。すなわち、例示の実施形態では、電圧が
発生されステータ１０４および１０６に印加されて、線形加速度により引き起こされたね
じり力を打ち消す。

【0012】

プルーフマス１０２は、プルーフマス１０２が（示されたＹ軸に対応する）示された回
転軸１１０の周りを回転できるように基板１０８の上方に懸垂される。閉ループ線形駆動
加速度計１００は、交換可能に、振子式加速度計１００と呼ばれてもよい。

【0013】

固定具１１２が基板１０８に接合される。いくつかの実施形態では、固定具１１２は基
板１０８に接合された（および／または図示しない上部基板に接合された）機械的デバイ
ス層（図示せず）の部分であってよい。

【0014】

たわみ部材１１４は、プルーフマス１０２を、固定具１１２を介して基板１０８に可撓
的に結合する。したがって、たわみ部材１１４は、Ｘ軸およびＹ軸に沿ったプルーフマス
１０２の運動を概ね制限するが、面外加速度（Ｚ軸に沿った加速度）に応答してＹ軸回り
の回転を許容する。いくつかの実施形態で、たわみ部材１１４は、電気信号がプルーフマ
ス１０２からピックオフされ、および／またはプルーフマス１０２に印加されるようにプ
ルーフマス１０２への電気的接続性を提供する。

【0015】

例示の実施形態で、ステータ１０４、１０６は、これらステータ１０４、１０６がプル
ーフマス１０２に対して固定された位置に保持されるように基板１０８に接合される。い
くつかの実施形態では、ステータ１０４、１０６は追加的にまたは代替として上部基板（
図示せず）に接合されてもよい。他の実施形態では、ステータ１０４、１０６は、基板１
０８に接合された（および／または上部基板に接合された）機械的デバイス層（図示せず
）の部分であってもよい。代替の実施形態で、ステータ１０４、１０６は、複数の切り離
されたステータとして実装されてもよい。

【0016】

プルーフマス１０２の例示の実施形態は、プルーフマス１０２の第１の端部１１８に沿
って形成された、第１の複数の対称的に構成されたプルーフマス櫛歯１１６を含む。さら
に、第２の複数の対称的に構成されたプルーフマス櫛歯１２０が、プルーフマス１０２の
反対側の第２の端部１２２に沿って形成される。例示のために、３本のプルーフマス櫛歯
１１６、１２０だけが示される。実際には多くのプルーフマス櫛歯１１６、１２０が使用
されよう。代替の実施形態で、ロータは別個のグループのロータ櫛歯１１６、１２０とし
て実装されてもよい。

【0017】

第１のステータ１０４は、プルーフマス櫛歯１１６と交互配置された対応する数のステ
ータ櫛歯１２４を含む。同様に、第２のステータ１０６は、プルーフマス櫛歯１２０と交
互配置された、いくつかのステータ櫛歯１２６を含む。例示のため、４本のステータ櫛歯
１２４および４本のステータ櫛歯１２６だけが示される。実際には多数のステータ櫛歯１
２４、１２６が使用されよう。

【0018】

間隙１２８は、プルーフマス櫛歯１１６、１２０をそれらのそれぞれのステータ櫛歯１
２４、１２６から隔てる。間隙１２８は少なくとも２つの機能を提供する。第１に、間隙
１２８は、プルーフマス１０２がＺ軸に沿った線形加速度に応答してその回転軸１１０の
周りを回転できるように、隣接する櫛歯間に摩擦接触が存在しないような十分な大きさで
ある。第２に、間隙１２８は、プルーフマス櫛歯１１６とステータ櫛歯１２４との間なら
びにプルーフマス櫛歯１２０とステータ櫛歯１２６との間の静電容量を規定する。

【0019】

上述したように、プルーフマス１０２は、Ｚ軸に沿った線形加速度に応答してその回転
軸１１０の周りを回転する。プルーフマス１０２の回転軸１１０の周りの回転反応は、プ
ルーフマス１０２の第１の部分１３０とプルーフマス１０２の第２の部分１３２との間の
質量の不平衡によって引き起こされる。第１の部分１３０および第２の部分１３２は回転
軸１１０によって画定される。部分１３０、１３２の質量が異なるために、プルーフマス
１０２の線形加速度によって発生された第１の部分１３０に加えられる力は、第２の部分
１３２に加えられる力とは異なることになる。（一般に、力は質量に加速度を乗じたもの
に等しいことが知られている。したがって、Ｚ軸に沿った線形加速度は、それら部分の質
量が異なることを考えれば、部分１３０、１３２に対して異なる力をもたらす。したがっ
て、第１の部分１３０に作用する力と第２の部分１３２に作用する力の差異によって回転
トルクが発生し、これは、プルーフマス１０２をその回転軸１１０の周りに回転させる傾
向がある）。

【0020】

質量の不平衡は、様々な方法でまたはそれらを組み合わせて、部分１３０、１３２間で
定義することができる。１つの実施形態においては、任意選択で、第１の部分１３０の長
さが第２の部分１３２の長さよりも大きくされてよい。しかし、プルーフマス１０２の第
１の端部１１８の位置が第２の端部１２２の位置よりも回転軸１１０からより遠くに離れ
ることを考慮すると、端部１１８における関連する力のモーメントは端部１２２における
力のモーメントとは異なることになる。したがって、閉ループ線形駆動加速度計１００の
実施形態は、１つまたは複数の印加電圧を介してリバランシング力を加える場合に、およ
び／または面外加速度を決定する場合に、計算によりこの影響を考慮している。

【0021】

他の実施形態において、第１の部分１３０の長さは第２の部分１３２の長さと概ね同じ
である。それゆえ、プルーフマス１０２の端部１１８および１２２の回転軸１１０からの
位置は概ね等しい。したがって、端部１１８および１２２における関連する力のモーメン
トも概ね等しいことになる。

【0022】

プルーフマス１０２の端部１１８および１２２の位置が回転軸１１０から概ね等距離に
ある実施形態の質量の不平衡は、１つまたは複数の異なる方法で生じさせることができる
。図１は、任意部分１３４が除去されたプルーフマス１０２を示す。プルーフマス１０２
の一方の側からの材料の任意の除去は部分１３０、１３２間の質量の不平衡を作り出す。
除去部分１３４は、プルーフマス１０２の内部に部分的に延在してよく、または、プルー
フマス１０２を全体にわたって貫通して延在してもよい。いくつかの実施形態において、
除去部分１３４はプルーフマス１０２の材料とは異なる密度を有する材料で任意に充填さ
れてよい。除去部分１３４は、交換可能に、質量削減容積１３４または質量削減アパーチ
ャ１３４と呼ぶことができる。

【0023】

図２は、閉ループ線形駆動加速度計１００のプルーフマスの実施形態の底面側の斜視図
である。除去部分１３４がプルーフマス１０２を貫通して延在する実施形態において、プ
ルーフマス１０２の第１の部分１３０の基板１０８に隣接する表面積２０２は、第２の部
分１３２の表面積２０４より小さい。表面積の差異は、部分１３０に及ぼす気体制動効果
と部分１３２に及ぼす気体制動効果とに望ましくない不平衡をもたらす。いくつかの実施
形態において、部分１３０、１３２間の気体制動効果の不平衡は計算によって求められる
。

【0024】

図２に示した実施形態において、部分１３０、１３２間の気体制動効果の不平衡はプル
ーフマス１０２の底部から部分２０６を除去することによって任意に物理的に補償できる
。除去部分２０６は、交換可能に、気体制動補償容積２０６と呼ぶことができる。除去部
分２０６の面積は、プルーフマス１０２を貫いて延在する除去部分１３４と概ね等しい面
積である。したがって、表面積２０２および２０４は、部分１３０、１３２に及ぼす気体
制動効果が概ね同じになるように概ね等しくされる。

【0025】

代替として、または、付加的に、部分１３０、１３２間の質量の不平衡は、プルーフマ
ス櫛歯１１６をプルーフマス櫛歯１２０より相対的に小さく（より小さな質量に）形成す
ることによっても、もたらされる。すなわち、プルーフマス櫛歯１２０は、任意に、プル
ーフマス櫛歯１１６より大きな質量を有してよく、それによって、質量の不平衡を生じさ
せてもよい。間隙１２８がプルーフマス１０２の両端１１８および１２２で概ね等しくな
るように間隙１２８の幾何学的配置を維持するために、ステータ櫛歯１２４をステータ櫛
歯１２６よりも相対的に大きく（より質量を大きく）作ることができる。

【0026】

代替として、または、付加的に、部分１３０、１３２間の質量の不平衡は、プルーフマ
ス１０２の側面端部に沿ってなど、プルーフマス１０２の複数部分を除去することによっ
てもたらされてもよい。気体制動不平衡の影響は、対応する気体制動補償容積を使用する
ことによって緩和できる。

【0027】

図３は、閉ループ線形駆動加速度計１００の交互配置されたロータ歯とステータ歯の切
欠き側面図である。図３はプルーフマス櫛歯１１６とステータ櫛歯１２４との間のオフセ
ットを示す。同様に、プルーフマス櫛歯１２０はステータ櫛歯１２６からオフセットされ
る。プルーフマス櫛歯１１６、１２０をステータ櫛歯１２４、１２６からオフセットさせ
ることは、プルーフマス１０２をステータ１０４、１０６からオフセットさせることによ
り実装できる。他の実施形態で、適切なエッチングおよび／またはマイクロマシニング工
程を使用して、オフセットをプルーフマス櫛歯１１６、１２０およびステータ櫛歯１２４
、１２６の中に作り出すことができる。

【0028】

基板１０８の一部分が図３に示される。任意の接地板３０２または他の適切な構造体が
、プルーフマス櫛歯１１６、１２０およびステータ櫛歯１２４、１２６の概ね下方に基板
１０８の上に配置される。接地接続部に結合された接地板３０２は浮遊容量を接地させる
経路を提供し、それによって、閉ループ線形駆動加速度計１００の線形性を向上させる。

【0029】

図４は、閉ループ線形駆動加速度計コントローラ４００の実施形態の制御要素の構成図
である。これに含まれるものは、プロセッサシステム４０２、メモリ４０４、加速度計制
御インターフェース４０６、および出力インターフェース４０８である。プロセッサシス
テム４０２、メモリ４０４、加速度計制御インターフェース４０６、および出力インター
フェース４０８は通信バス４１０に結合され、それによって上述の構成要素への接続性を
実現している。閉ループ線形駆動加速度計１００の代替形態では、上述の構成要素は異な
る方法で互いに通信可能に結合されてよい。例えば、１つまたは複数の上述の構成要素は
プロセッサシステム４０２に直接結合されてよく、あるいは中間の構成要素（図示せず）
を介してプロセッサシステム４０２に結合されてもよい。メモリ４０４の領域４１２は、
閉ループ線形駆動加速度計１００を制御し閉ループ線形駆動加速度計１００の線形加速度
を決定するためのロジックを格納する。

【0030】

加速度計制御インターフェース４０６は、プルーフマス１０２およびステータ１０４、
１０６に電気的に接続する複数のコネクタ４１４を含む。コネクタ４１４は、コントロー
ラ４００とプルーフマス１０２およびステータ１０４、１０６との間で電圧、電流および
／または信号を伝送するように構成される。他の実施形態で、コネクタは異なる方法で接
続されてよく、および／または、他の構成要素に接続されてよい。さらに、閉ループ線形
駆動加速度計１００の実際の構成に応じて、これより少ないまたは多くのコネクタが使用
されてもよい。例えば、ステータ１０４、１０６は複数の別個のステータとして実装され
てよく、したがって、追加のコネクタが必要とされよう。さらにまたは代替として、ロー
タは別個のグループのロータ櫛歯１１６、１２０として実装されてよく、したがって追加
のコネクタが必要とされよう。

【0031】

出力インターフェース４０８は、決定された加速度情報を、これをさらに処理するデバ
イス（図示せず）に供給するように構成された１つまたは複数のコネクタ４１６を含む。
例えば、加速度情報はディスプレイ上に表示され、リモートメモリに格納され、または、
レポート等の中に印刷可能なテキスト形式で表されてよい。

【0032】

プロセッサシステム４０２は、動作の力のリバランシングモードとも呼ばれる動作の閉
ループモードで閉ループ線形駆動加速度計１００を動作させるように、領域４１２に常駐
しているロジックを検索し実行するように構成される。

【0033】

動作の閉ループモードでは、閉ループ線形駆動加速度計１００がＺ軸のいずれの方向に
も沿った面外加速度を受ける場合に、プルーフマス１０２の位置を概ね固定した位置に維
持する。すなわち、閉ループ線形駆動加速度計コントローラ４００は、線形加速度によっ
て引き起こされたねじり力を打ち消すために、プルーフマス櫛歯１１６、１２０および／
またはステータ櫛歯１２４、１２６に制御信号を発生するように構成される。例示の実施
形態では、制御信号は印加電圧である。

【0034】

閉ループ線形駆動加速度計コントローラ４００は、線形加速度によって引き起こされた
ねじり力を打ち消すように発生された制御信号に基づいて、線形加速度の大きさをも決定
する。すなわち、線形加速度によって引き起こされたねじり力を打ち消すように加えられ
る制御信号は既知であるから、線形加速度の大きさをそれから決定することができる。

【0035】

例示の実施形態で、制御信号は、軸１１０の周りの回転の第１の方向に生じた回転トル
クに応答して交互配置された櫛歯１１６、１２４に加えられる。他の制御信号が、軸１１
０の周りの回転の第２の反対方向に生じた回転トルクに応答して交互配置された櫛歯１２
０、１２６に加えられる。

【0036】

実際には、たわみ部材１１４がプルーフマス１０２のＸ軸またはＹ軸に沿った運動を概
ね禁止するので、プルーフマス櫛歯１１６、１２０とそれらのそれぞれのステータ櫛歯１
２４、１２６との間の間隙は、概ね一定の値となる。したがって、プルーフマス櫛歯１１
６、１２０とそれらのそれぞれのステータ櫛歯１２４、１２６との間の静電容量は、プル
ーフマス櫛歯１１６、１２０とそれらのそれぞれのステータ櫛歯１２４、１２６との間の
容量性結合面積の関数である。

【0037】

上述したように、プルーフマス櫛歯１１６、１２０はステータ櫛歯１２４、１２６から
オフセットされている。プルーフマス櫛歯１１６がそれぞれのステータ櫛歯１２４に対し
てより整列するように回転すると、プルーフマス櫛歯１１６とそれぞれのステータ櫛歯１
２４との間の静電容量面積が増加する。（しかし、プルーフマス１０２は固定した構造体
であるから、プルーフマス櫛歯１２０とそれぞれのステータ櫛歯１２６との間の静電容量
面積は、それらが整列状態から外れるに応じて必然的に減少しよう）。

【0038】

プルーフマス櫛歯１１６、１２０とそれらのそれぞれのステータ櫛歯１２４、１２６と
の間の静電容量は、式（１）によって以下のように表わされる。

【0039】

【数1】

【0040】

式（１）で、εは自由空間の誘電率、Ｌ_ｃは櫛歯の長さ、ｘは櫛歯の重なりの厚さ、Ｇ_０
は間隙、Ｎは櫛歯の数である。
以下の式（２）は、プルーフマス櫛歯１１６、１２０とそれらのそれぞれのステータ櫛
歯１２４、１２６との間の蓄積された容量性エネルギーを定義している。

【0041】

【数2】

【0042】

以下の式（３）および式（４）は、プルーフマス櫛歯１１６、１２０とそれらのそれぞ
れのステータ櫛歯１２４、１２６との間の力を定義している。

【0043】

【数3】

【0044】

したがって、プルーフマス櫛歯１１６、１２０とそれらのそれぞれのステータ櫛歯１２
４、１２６とは、櫛歯間の引き寄せる力に方向を与えるためにオフセットされる。プルー
フマス櫛歯１１６、１２０とそれらのそれぞれのステータ櫛歯１２４、１２６との間の力
は、櫛歯間の重なりの量を増加させるように作用し、このことがまた静電容量を増加させ
る。（櫛歯が互いに面内にあるならば、その場合は、櫛歯のいかなる運動も静電容量を減
少させるだけである）。

【0045】

式（４）は、発生される力が印加電圧の関数であることを示す。したがって、閉ループ
線形駆動加速度計コントローラ４００は、ステータ１０４、１０６への印加電圧を調整す
ることによって、線形加速度によって引き起こされたねじり力を打ち消すことができる。

【0046】

便宜上、プルーフマス１０２は単一の構造体として示されている。いくつかの実施形態
では、プルーフマス１０２は、適切な構造（図示せず）を用いてプルーフマス櫛歯１１６
をプルーフマス櫛歯１２０から電気的に絶縁させるように構成できる。例えば、プルーフ
マス１０２は２つの部分の状態で存在し別々に固定されてよい。または、絶縁性の仕切り
等（図示せず）をプルーフマス１０２の内部に製作してプルーフマス櫛歯１１６をプルー
フマス櫛歯１２０から電気的に絶縁してもよい。

【0047】

参照により本明細書にその全体が組み込まれる、Ｍａｌａｍｅｔｚに交付された「Ｄｙ
ｎａｍｉｃａｌｌｙ Ｂａｌａｎｃｅｄ Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｐｉｃｋ−Ｏｆｆ Ａ
ｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ（動的に平衡された容量性ピックオフ加速度計）」という名称
の米国特許第７，１４６，８５６号に開示されたものなどの、ＭＥＭＳ加速度計のいくつ
かの代替の実施形態において、ステータは、プルーフマス部分１３０、１３２の下方の基
板１０８上に配置された電極である。不平衡プルーフマス１０２の代替の実施形態は、ス
テータ電極に対向したロータ電極を含む。同様にして、リバランシング力が、面外線形加
速度によって発生された回転トルクに応答して加えられる。質量不平衡は、質量削減アパ
ーチャ１３４によってもたらされる。部分１３０、１３２間の気体制動効果の不平衡は、
プルーフマス１０２の底部上の気体制動補償容積２０６によって物理的に補償することが
できる。

【0048】

他の例示の実施形態において、ＭＥＭＳデバイスが、参照により本明細書にその全体が
組み込まれるＬｅｏｎａｒｄｓｏｎらに交付された「ＭＥＭＳ Ｔｅｅｔｅｒ−Ｔｏｔｔ
ｅｒ Ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ Ｈａｖｉｎｇ Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｎｏｎ−Ｌｉｎｅ
ａｒｉｔｙ（減少した非線形を備えたＭＥＭＳ揺動加速度計）」という名称の米国特許第
７，１４０，２５０号に開示されている。部分１３０、１３２間の気体制動効果の不平衡
は、プルーフマス１０２の底部上の気体制動補償容積２０６によって物理的に補償できる
。

【0049】

上述したように本発明の好適な実施形態が示され説明されてきたけれども、多くの変更
を本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく行うことができる。したがって、本発明
の範囲は好適な実施形態の開示によって限定されない。そうではなく、本発明は以下に続
く特許請求の範囲を参照することによってのみ規定されるべきである。

【符号の説明】

【0050】

１００ 閉ループ線形駆動加速度計
１０２ プルーフマス
１０４ 第１のステータ
１０６ 第２のステータ
１０８ 基板
１１０ 回転軸
１１２ 固定具
１１４ たわみ部材
１１６ 第１のプルーフマス櫛歯
１１８ プルーフマスの第１の端部
１２０ 第２のプルーフマス櫛歯
１２２ プルーフマスの第２の端部
１２４ ステータ櫛歯
１２６ ステータ櫛歯
１２８ 間隙
１３０ プルーフマスの第１の部分
１３２ プルーフマスの第２の部分
１３４ プルーフマスの除去部分
２０２ 第１の部分の表面積
２０４ 第２の部分の表面積
２０６ プルーフマスの除去部分
３０２ 接地板
４００ 閉ループ線形駆動加速度計コントローラ
４０２ プロセッサシステム
４０４ メモリ
４０６ 加速度計制御インターフェース
４０８ 出力インターフェース
４１０ 通信バス
４１２ メモリの領域
４１４ コネクタ
４１６ コネクタ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】