JPH03503932A - 加速度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 加速度計 本発明は変換器、特に車両の操縦及び誘導（ｎｔｖｉｇａｔｉｏｎａｎｄ　ｇｕ ｉｄａｎｃｅ）用の加速度計として使用される小型変換器に係る。このような目 的に使用される公知の小型変換器の１つはシリコンから製造されており、２つの 枝を有する音叉の形状を有し慣性質量として機能するフレーム構造内部に支持さ れた張力感受性フィラメントを含む、しかしながら、この装置には、１つの軸に 沿った加速度だけしが検出できないという制約がある。更に、変換器の出力が温 度変化に敏感であり従って何らかの補償が必要である。

本発明は２つの目的を有する。第１の目的は、２軸または３軸に沿った加速度を 測定し得る変換器を提供することであり、第２の目的は、複数の張力検出素子を 、（温度依存性出力変動のごとき）同相効果が実質的に除去されるように構成し 、温度補償がほとんどまたは全く不要になるようにすることである。

従って本発明は、中央サポートと、中央サポートと共面であり少なくとも２つの フィラメントによって中央サポートに接続された環状慣性質量とを含み、慣性質 量に対する中央′サポートの相対移動に対応して一方のフィラメントが伸長し他 方のフィラメントが収縮し、このような伸縮を検出するセンサ手段が前記２つの フィラメントに組み込まれた変換器を提供する。

変換器は一体楕遣でよく、任意の弾性材料例えばシリコンから製造され得る。出 発材料としてシリコンウェーハなどを使用するときは所望の構成を形成するため に従来のホトリソグラフィー及びエツチング技術を使用してもよい。

複数のフィラメントが同じ寸法を有することが必須ではないが好ましい。

中央サポートの両側で直径上に対向する２つのフィラメントを有するように構成 された本発明の変換器は、単軸加速度計として使用され得る。２つのフィラメン トの接続軸に沿った加速度は、慣性質量効果によって一方のフィラメントを伸長 させ他方のフィラメントを収縮させる。２つのフィラメントの各々に組み込まれ たセンサ手段は、与えられた加速度の大きさく＋＊Ｂｎｉｔｕｄｅ）を示す差分 出力を与えるように設計されている。

本発明の変換器は、各々がセンサ手段を組み込んだ３つ以上のフィラメントを中 央サポートの周囲に配置することによって、直交する２軸に沿った加速度成分を 検出するように構成され得る０等間隔の４つのフィラメントを含む実施態様は、 この構造に固有の優れた同相分除去効果を有するので特に好ましい、この実施態 様を以下に詳細に説明する。

特に、フィラメントを２つだけ配備する場合には、中央サポートと慣性質量との 相対回転、または両者の共通面に垂直な軸に沿った両者の相対移動を制限するの が望ましい。

この場合、サポートを慣性質量に連結するために、センサ手段を組み込んでいな い１つ以上のフィラメント状タイバーをサポート周囲に分配配置してもよい。

本発明の変換器は、直交する３軸に沿った加速度成分を変換器が検出できるよう に構成された複数の張力感受性フィラメントを含み得る。　このような変換器の 構成をより詳細に以下に説明する。

本発明の１つの実施例では、センサ手段が、フィラメントに注入された半導体ひ ずみゲージを含み得る。正確に調節された量の不純物が所望の特性値を与える。

フィラメント内の張力変化がひずみゲージの抵抗を変化させ、これをホイートス トンブリッジによって測定する。この種のセンサは、単軸または多軸の変換器構 成に使用できる。

別の実施例ではフィラメントを横方向に振動させる。各フィラメントは、フィラ メントの寸法、フィラメントに与えられた張力、フィラメント製造材料の弾性率 及び密度の間数として固有振動周波数を有する。フィラメント内の張力変化に対 応して振動数変化が生じる。振動数変化の測定値を使用して、変換器に与えられ た加速度の大きさを測定し得る。この実施例ではフィラメントの振動を開始及び 維持させる手段を配備する必要がある。このためには例えば、変換器材料の圧電 効果または熱機械的特性を利用する。シリコンを選択した場合には、酸化亜鉛ま たはチタン酸バリウムの圧電層をフィラメントにスパッタリングすることが可能 である。この技術は電気音響学の分野で公知である。

または、（高い固有熱伝導率を有する）シリコン変換器の熱膨張を熱機械的励振 機構として使用できる。この技術は従来のダイヤフラム膨圧カセンサに有効に使 用されている。

熱抵抗器をイオン注入によって各フィラメントに埋設し、＾Ｃ電流を各フィラメ ントの固有振動周波数で各抵抗器に通す、得られた周期的温度変化がフィラメン トを伸縮させ、その結果として機械的励振力を与える。

フィラメントの振動は、各フィラメントにデポジットされ振動数測定回路に接続 された圧電層によって検出され得る。または、熱誘導伸縮が第２の注入抵抗器内 部にひずみを誘発し得る。この抵抗器が定電流励振されるとき、この抵抗器には 振動周波数の測定可能電圧が生じるであろう。

圧電型または抵抗型のいずれの素子も単軸または多軸の変換器の励振またはセン サ手段として使用し得る。振動フィラメントはサポート及び慣性質量の平面に垂 直な平面内で振動するように設計されてもよくまたはサポート及び慣性質量の平 面内で互いに逆位相で振動するように設計された２つの枝を有する音叉の形態で あってもよい、または変換器が、サポートの平面内で振動するように設計された 厚くて狭いフィラメントであってもよい。

中央サポートと環状慣性質量とを有する変換器は、（中央サポートの）１つの装 着点を加速ボディに取付ければよい、対照的に、外側サポートと中央慣性質量と を有する変換器では多数の装着点が必要であり、例えば１つの点では熱膨張が生 じるが別の点では生じないときにフィラメント間でひずみ差が生じ、これが加速 度として誤って測定されることがある０本発明ではこのような欠点が除去されて いる。

本発明の別の利点は、例えば周囲温度の変動に起因する同相効果を相殺するよう な差分形変換器出力が得られることである。

添付図面に基づいて本発明のいくつかの実施例を以下に説明する。

第１図は本発明の第１実施例の平面図である。

第２図は第１図の■−■線断面図である。

第３図は第２実施例の平面図である。

第４図は第３実施例の平面図である。

第５図は第４図の■−Ｖ線断面図である。

第６図は上記実施例のいずれかと共に使用される適当な変換器の熱励振及び測定 回路の回路図である。

第１図及び第２図によれば、直交する２軸（ｘ、ｙ）に沿った加速度成分を測定 する変換器は、等間隔の４つのフィラメント３，４，５．８によって慣性質量２ に接続されたサポート１を含む、サポート、質量及びフィラメントは、厚さ約０ ．４＋＊ｍのシリコンスライスからエツチングされ、変換器の外径は約１０ｍｍ でフィラメントの寸法は典型的には１ｍｍＸ５０μｍ×５０μ−である。使用の 際には、例えばその加速度をモニタすべき車両に変換器の中央サポートを取付け る０例えば、主体車両がＸ軸に沿って加速されたと想定すると、慣性質量が存在 するのでフィラメント６が伸長し、フィラメント４が収縮する。これらの変化に よって２つのフィラメントの固有振動周波数が変わり、前者は増加し後者は前者 の増加と同量だけ減少する０周波数偏移の量は与えられた加速度の関数である。

これを式： ％式％） 〔式中、ｆ、はＸ方向に加速度ａｇが与えられたときのフィラメント６の振動周 波数、―は慣性質量２の質量、ｆｏは加速度０のときのフィラメントの振動周波 数、ｋはフィラメントの寸法及びその弾性に関する既知の定数〕で示すことがで きる。

たいていの場合に振動数の１０％変化が生じる前に破断ひずみに達するのでたい ていの場合には因数ｋｍｍ、の値が小さい。

従って、近似式： ％式％） が得られる。フィラメント４に関しても、フィラメント４がフィラメント６と等 しい寸法を有すると、同様の式：ｍｆ、に であるから、（所与のｆｏで）振動数の差ｆ、−ｆ、を測定することによってａ 、を測定できる。

フィラメント４と６とが異なる寸法を有し加速度０下の振動周波数が等しい値で ないとき、一般にはこの結果として、加速度０条件下で得られるａｘの値が０で ない、振動数固定（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　１ｏｃｋ）を阻止することが必要ない くつかの用途ではこのような現象が許容され、また有利である。

４つのフィラメントの各々に各１対の注入された熱抵抗器の一方、即ち励振抵抗 器ＲＤ（第１図参照）は、４つのフィラメント全部をサポート面に垂直な平面内 で強制的に横振動させる。この振動周波数は４つの各フィラメントの他方の抵抗 器、即ちセンサ抵抗器Ｒ５によってモニタされる。Ｒｏ及びＲ９を適当な励振及 び測定回路に接続することによって２軸に沿った加速度を検出及び測定し得る。

各フィラメントは別々の回路に接続される必要がある。

本発明の第２の実施例を第３図に示す、サポート１、慣性質量２及び４つのフィ ラメント７．８，９．１０は第１の実施例と同様に、典型的な厚さ０．４１及び 直径１０■を有する単一シリコンスライスから製造されている。フィラメント７ 〜１０は２つの枝を有する音叉形に形成され、慣性質量の垂直運動を制限するた めに慣性質量と同じ厚さを有する。各フィラメントの２つの枝は、各フィラメン トに注入されたく図示しない）電気駆動抵抗器によってサポート１の平面内で互 いに逆位相で強制的に振動させられる。フィラメントに注入されたセンサ抵抗器 は、Ｘ軸またはｙ軸に沿って与えられた加速度によって生じた固有振動周波数の 変化を検出し得る。

第４図及び第５図は第３実施例を示す、この実施例では直交する３軸に沿った加 速度の検出が可能である。この実施例は第１の実施例と同様の構造を有し、中央 サポート１１と環状慣性質量１２と４つのフィラメントｐ、ｑ、ｒ、ｓとを有し 、更に、２つの追加フィラメント繭及びｎを組み込んでいる。

フィラメント餉は、夫々励振抵抗器及びセンサ抵抗器として機能する注入された く図示しない）抵抗器対を含み、この器と協働して２方向の加速度を測定し得る 。フィラメントｐ。

ｑ及びこれらのフィラメントに結合した抵抗器はＸ方向の加速度を測定し得る。

フィラメントｒ、Ｓ及びこれらのフィラメントに結合した（図示しない）抵抗器 対はｙ方向の加速度を測定し得る。

上記実施例の変形として、変換器がプレート状フィラメントと音叉形フィラメン トとの混合によって構成されてもよい。

上記の実施例の各々を励振及び測定回路に接続する必要があ、る、適当な回路を 第６図に示す、第１図の実施例に接続されたこの回路の動作を以下に説明する。

第６図においてフィラメント４の発振を維持及び検出する発振回路１３を示す部 分を参照すると、電源ｖｓからトランジスタ１４を介してセンサ抵抗器Ｒ８に定 電流（約５−＾）が供給される。励振抵抗器Ｒｎには演算増幅器１５の出力から 励振用＾Ｃｔ圧及びＤＣバイアスが供給される。追加の２つの演算増幅器１６Ｊ ７は、センサ抵抗器Ｒｓで発生したビークビーク値約５ｍＶの検出用へ〇電圧を 増幅し、演算増幅器１５の入力に与える。２つのダイオード１８及び１９はライ ン２０に現われる出力信号を４Ｖに制限する。

励振抵抗器ＲＤに供給される励振用＾Ｃ電圧（ビークビーク値４Ｖ）はフィラメ ント４を熱伸縮させる。フィラメントのこの機械的ひずみが、センサ抵抗器Ｒ９ 内の抵抗線ひずみ（ｓｔｒａｉｎ）を誘発し、この抵抗器の抵抗を正弦曲線的に 変化させる。抵抗器に印加される電圧がＯｖから＋４ｖまで振れる結果として各 サイクル毎に唯１つの熱パルスが発生するように、即ちセンサ抵抗器Ｒ８を通る 検出用電圧が励振用電圧と同じ振動数で発振するように、２■のＤＣバイアスを 印加する１発振回路１３のＱ値は約２０００であり、この発振回路は典型的には ６０ｋＨｚで作動する。ライン２０の出力信号の周波数をフィラメント６に接続 された等しい回路から得られた周波数と比較することによってＸ軸方向の加速度 の測定値が得られる。

第６図に示すこの最終段階で、比較器２１が発生させる信号差ｆａ　　Ｌはａ、 の大きさを示す出力２３を与えるために基準化装置（ｓｅａ　１ｅｒ）２２に供 給される。フィラメント３及び５に接続された追加の２つの発振回路を使用する ことによってｙ軸方向の加速度も同様に測定できる。

第１図から第５図の実施例で示す変換器は、（重力加速度を１とすると）±１０ ０ｇの動作範囲でＸ軸及びｙ軸の方向に約２０Ｈｚ／ｇの感度を有する。第５図 の実施例は、Ｚ軸の方向にいっそう高い感度的１００Ｈｚ／ｇを有する。どの実 施例でも、例えばフェーズロックドループを使用した公知の振動数逓倍法によっ て感度を向上させ得る。

本発明の変換器は、第６図の閉ループ回路と組み合わせた使用に限定されない、 電子工学の当業者は、記載の素子に代替し得る構成素子及び所望の結果を与える 値を容易に選択し得る。更に、本分中のいずれの変換器も開ループ回路と組み合 わせられて十分に機能し得る。

変換器は、車両の操縦及び誘導に使用し得るが、この用途に限定はされない、３ 軸変換器または２軸変換器と単軸変換器との組み合わせを車両に連結すると、直 交する３方向に沿った車両の加速度に関する出力信号が与えられる。

選択された任意の軌道上で車両を誘導するために、上記の情報を追加の操縦デー タと共に車両の操縦及び誘導コンピュータで処理するとよい、変換器の構造が簡 単なので丈夫で廉価な操縦及び誘導システムが作製される。

以上の記載では変換器を加速度計として説明したが、変換器を圧力センサまたは 力センサとして使用できることも理解されよう。

補正書の写しく翻訳文）提出書（特許法第１８４条の８）平成２年１０月２＋日 特許庁長官　　植　松　　敏　　殿　　　　　　　　　　　　　争町１、特許出 願の表示　　ＰＣＴ／ＧＢ　　８９１００４４１、発明の名称　　　　加速度計 ３、特許出願人 住　所　　イギリス国、ロンドン・ニス・ダブリュ・ｌ　・エイ・２・エイチ・ ビイ、ホワイトホール（番地なし）名　称　　イギリス国 ４、代　理　人　　　東京都新宿区新宿１丁目１番１４号　山田ビル５、補正書 の提出年月日　　１９９０年６月１３日６、添附書類の目録 加速度計 本発明は変換器、特に車両の操縦及び誘導（ｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｎｃｌ　ｇ ｕｉｄａｎｃｅ）用の加速度計として使用される小型変換器に係る。このような 目的に使用される公知の小型変換器の１つはシリコンから製造されており、２つ の枝を有する音叉の形状を有し慣性質量として機能するフレーム構造内部に支持 された張力感受性フィラメントを含む、しかしながらこの装置には、１つの軸に 沿った加速度だけしか検出できないという制約がある。更に、変換器の出力が温 度変化に敏感であり従って何らかの補償が必要である。

本発明の目的は、複数の張力検出素子を、（温度依存性出力変動のごとき）同相 効果が実質的に除去されるように構成し、温度補償がほとんどまたは全く不要に なるようにすることである。

従って本発明は、中央サポートと、中央サポートと共面であり少なくとも２つの フィラメントによって中央サポートに接続された環状慣性質量とを含み、共通面 内での慣性質量に対する中央サポートの相対運動によって生じた一方のフィラメ ントの伸長と他方のフィラメントの対応する収縮とを検出し、前記運動の量を示 す差分出力を与えるように構成されたセンサ手段が２つのフィラメントに組み込 まれていることを特徴とする変換器を提供する。

請求の範囲 １．中央サポート（１）と、中央サポートと共面で且つ少なくとも２つのフィラ メント（３，５）によって中央サポートに接続された環状慣性質量（２）とを含 む変換器であって、共通面内での慣性質量（２）に対する中央サポート（１）の 相対運動によって生じた一方のフィラメントの伸長と他方のフィラメントの対応 する収縮とを検出し、前記運動の量を示す差分出力を与えるように構成されたセ ンサ手段（Ｒｏ、Ｒｓ）が２つのフィラメントに組み込まれていることを特徴と する変換器。

２、中央サポートと慣性質量との相対回転または両者の共通面に垂直な軸に沿っ た両者の相対移動を制限するために、中央サポート（１）を慣性質量（２）に連 結する１つ以上のフィラメント状タイバーを有することを特徴とする請求項１に 記載の変換器。

３、センサ手段が、フィラメントに注入された半導体ひずみゲージを有すること を特徴とする請求項１または２に記載の変換器。

４、前記センサ手段が、前記フィラメントの振動を開始及び維持させる振動子と 前記フィラメントの固有振動周波数をモニタするデテクタとを含むことを特徴と する請求項１または２に記載の変換器。

５、振動子（Ｒｏ）及びデテクタ（Ｒｓ）が熱抵抗器であることを特徴とする請 求項４に記載の変換器。

６、サポート（１）及び慣性質量（２）の共通面に垂直な平面内で振動するよう に少なくとも２つのフィラメントが配置されていることを特徴とする請求項４ま たは５に記載の変換器。

７、少なくとも２つのフィラメントが２またの音叉の形状であり、サポート（１ ）及び慣性質量（２）の共通面内で逆位相で振動するように配置された枝を有す ることを特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載の変換器。

８、少なくとも２つのフィラメントが厚くて狭いフィラメントであり、サポート （１）の平面内で振動するように配置されていることを特徴とする請求項４から ７のいずれか一項に記載の変換器。

９、中央サポート（１）と慣性質量（２）との共通面に対して垂直な方向で慣性 質量に対する中央サポートの相対運動を検出する手段を含み、中央サポートと慣 性質量との対応する面を相互接続する第１フイラメント（ρ）と、第１フイラメ ントに近接して中央サポートと慣性質量との対応する対向面を相互接続する第２ フイラメント（−）とを含み、前記運動によって生じた第１または第２のフィラ メントの伸長と他方のフィラメントの対応する収縮とを検出し前記運動の量を示 す差分出力を与えるように構成されたセンサ手段が前記第１及び第２のフィラメ ントに組み込まれていることを特徴とする請求項１または３から７のいずれか一 項に記載の変換器。

１０、シリコンウェーハから製造されていることを特徴とする請求項１から９の いずれか一項に記載の変換器。

国際調査報告 −ｍ−−＾−”””Ｎ＠ＰＣＴ／ＧＢ　８９１００４４１国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．中央サポート（１）と、中央サポートと共面で且つ少なくとも２つのフィラ メント（３，５）によって中央サポートに接続された環状慣性質量（２）とを含 み、慣性質量（２）に対する中央サポート（１）の相対運動に対応して一方のフ ィラメントが伸長し他方のフィラメントが収縮する変換器であって、前記伸縮を 検出するために前記２つのフィラメント（３，５）にセンサ手段が組み込まれて いることを特徴とする変換器。 ２．中央サポートと慣性質量との相対回転または両者の共通面に垂直な軸に沿っ た両者の相対移動を制限するために、中央サポート（１）を慣性質量（２）に連 結する１つ以上のフィラメント状タイバーを有することを特徴とする請求項１に 記載の変換器。 ３．センサ手段が、フィラメントに注入された半導体ひずみゲージを有すること を特徴とする請求項１または２に記載の変換器。 ４．前記センサ手段が、前記フィラメントの振動を開始及び維持させる振動子と 前記フィラメントの固有振動周波数をモニタするデテクタとを含むことを特徴と する請求項１または２に記載の変換器。 ５．振動子（ＲＤ）及びデテクタ（ＲＳ）が熱抵抗器であることを特徴とする請 求項４に記載の変換器。 ６．サポート（１）及び慣性質量（２）の共通面に垂直な平面内で振動するよう に少なくとも２つのフィラメントが配置されていることを特徴とする請求項４ま たは５に記載の変換器。 ７．少なくとも２つのフィラメントが２またの音叉の形状であり、サポート（１ ）及び慣性質量（２）の共通面内で逆位相で振動するように配置された枝を有す ることを特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載の変換器。 ８．少なくとも２つのフィラメントが厚くて狭いフィラメントであり、サポート （１）の平面内で振動するように配置されていることを特徴とする請求項４から ７のいずれか一項に記載の変換器。 ９．サポート（１）と慣性質量（２）との対向面の共通面に互いに近接して配置 された２つのフィラメント（ｐ，ｍ）を含み、前記面に垂直な加速度が一方のフ ィラメントを伸長させ、他方のフィラメントを収縮させ、前記伸縮を検出して前 記加速度の大きさを示す差分出力を与えるように構成されたセンサ手段が前記２ つのフィラメントに組み込まれていることを特徴とする請求項１から７のいずれ か一項に記載の変換器。 １０．シリコンウェーハから製造されていることを特徴とする請求項１から９の いずれか一項に記載の変換器。