JPS60164253A

JPS60164253A - 加速度計

Info

Publication number: JPS60164253A
Application number: JP999085A
Authority: JP
Inventors: バーテイル　ホーク; ラルス　ヨンソン
Original assignee: ASEA AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1984-01-25
Filing date: 1985-01-24
Publication date: 1985-08-27
Also published as: EP0151957A2; EP0151957A3; SE8400365L; SE441127B; SE8400365D0

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】（産業上の利用分野）本発明は、センサー胴体の加速度を表わす光出力信号ま
たは電気出力信号を用いた加速度計に係る。この加速度
計は、少なくとも１つの重りエレメントと、セン勺−胴
体に連結された少なくとも１つの弾性的なエレメントと
を有し、光出力信号または電気出力信号が、重りエレメ
ントまたは当該重りエレメントにつながった部分の相対
運動により、または重りエレメントおよび／または弾性
的なエレメントの内部の機械的な伸びによって発生する
ようにされている。

（従来の技術）加速度君１には、機械、ｄ物、車両等の振動の検知、測
定および管理といった広範囲の用途がある。

使用形式は、耐久的な設備にするがまたは一時的（仮設
）な測定器のいずれかによる。いずれの場合にも、測定
する帯域帯で直線的な周波数特性を得ることが望まれる
。また、後者の形式で使用する場合、維持管理に非常に
手間がかかり、また周゛囲の環境に晒されたセンサーの
抵抗に１撃が加わることが少なくない。

加速度Ｓ１には、普通、１つまたはで−れ以上の重りエ
レメントが組み込まれている。前記重りエレメントは、
センサー胴体がら浮がして弾性的に取り付けられている
。加速度は、重りエレメントと弾性的なエレメントとの
間の相対運動の形態が、または弾性的なエレメントに生
じる機械的な伸びの形態で記録される。これらの加速度
の数値は、一連の異なった物理的現象の測定、例えば、
容量位酊の測定、圧電気または圧電抵抗を利用した伸び
測定により、あるいは、幾何学的な光または干渉位置の
測定や光弾性の伸びの測定によって、電気的または光学
的な信号に変換される。

（発明が解決しようとする問題点）前述した方式による川り−ばねのシステムは、常に機械
的な共振現象に晒されている。この現象はシステムの動
的な特性の障害となる。一般には、基本（Ｒ低）共振周
波数以下の周波数範囲だけを利用している。

理想的な増幅と位相の特性を得るには、ある種の減衰エ
レメントを利用してこうした共振を減衰−りる必要があ
る。この問題点に対する解決策に、機械的な粘性抵抗エ
レメントの利用がある。このエレメントは、普通、かな
り高い粘性の得られる液体を使用している。しかし、こ
の方式には、カプセル化に伴なう問題と、温度および圧
力の変動により泡立つ危険性とがある。このため減衰エ
レメントの働きに信頼性がない。この問題点に対する別
の違った解決策に、できるだけ条件に合った電気フィル
タを使用する方法がある。このフィルタのパラメータは
、信号の周波数の実態に応じて調節することができる。

しかし、この解決策によっても重要な問題点、すなわち
センサーの衝撃抵抗の問題点を解消することはできない
。センサー胴体に対する直接的な衝撃、例えば固い表面
に落下することによる衝撃によって、センサーが非常に
広い帯域幅の振動を起こして機械的に減衰されないと、
激しく共振振動することになる。この振動により、しば
しば塑性変形したりバックリング１員偏することがあり
、また解明の困難な不調の原因となることがある。

（問題点を解決するための手段および作用）本発明の目
的は、前述した問題点とこれにイＮ１随した他の問題点
に対する解決策を提供することにある。本発明に係る加
速庶目は、冒頭で示摘したことに加えて、さらに、ガス
の入った空所からなる減衰エレメントを有し、当該空所
はほぼ平行な２つの表面から形成され、これら表面のう
らの一方が重りエレメントに属し、他方の表面はセンサ
ー１８体に属しているかまＩこは当該セン勺−胴体にし
っかりと連結された部分に属しており、表面の形状、寸
法および相ｎ距離は、重りルメンＩ−と弾性的な連結部
の基本共振がほぼ臨界的に減衰されるように決められて
いることを特徴としている。

例えば、本発明は、任意の幾伺学形状を持つ機械的な減
衰エレメントを備えている。ガス、例えば帛１１の空気
を粘性媒体として利用覆ることができる。このため、空
所を２つの平行な表面の間の空気層によって簡単に構成
することができる。減衰エレメントは、多くの異ったシ
ステムに利用することができ、また一括処理に適した複
合技術を用いた他の秤々の方法にも利用できる。加１　
ｆｉ　ｆｌは、光幾何学的変調または干渉光変調により
、あるいはｌ］−電気変換または容量信号変換により光
もしくｔよ電気的な出力信号を発することができる。以
下、添付図面に沿って本発明の実施例を詳細に説明゛り
る。

（実施例）第１図に於いて、センＶ−には光ファイバ７を通じて発
光エネルギが供給される。前記光ノフイバの端の位置で
、いわゆるＧＲＩＮ（段階的に変化１−る屈折率）レン
ズ８が光ファイバとセンサー胴体１の両方にしっかりと
取り付番ノられている。

製造上の理由により、前記セン４ノ一胴体はファイバ端
面の位置する境界面９により２つの部分に分割されてい
る。境界面９には光ルミネツセンス材ＩＩ　１０　、例
えばＧａＡｓ−Ａ　１ｘＧａ１−ｘＡｓの層構造から成
る薄板が挿入されている。この構成を採る理由は、詳し
く日本国特許出願９１４０３／８３に記載されている。

前記材＄３１１０は、ファイバ７から出てくる光の一部
が吸収されて、光ルミネツセンスの状態に再発光される
ように挿入されている。残りの光はＧＲＩＮレンズ８を
通り扱ける。前記レンズは光束を平行にし、この光束は
ファイバ端面の近くで分散される。また、センサー胴体
１は事実上のセンサーエレメント１２を備えている。こ
のセンサーエレメント１２は、重りエレメント２と、ば
ねのような弾性的なルメン１〜３と減衰エレメント４と
から成っている。図示の実施例では、弾性的なエレメン
ト３は、スペーサ１１に固定的に取り付けられた梁から
できている。減衰エレメント４、すなわち、いわゆる空
所を２つの表面の間の空気層で構成することもできる。

重りエレメント２は梁に固定的に取り付けられ、はぼ平
行な２つの表面５および６が当該重りエレメントとセン
サー胴体との間に形成されるように構成されている。そ
して、センサーエレメント１２は、ＧＲＩＮレンズ８を
通る光１ネルギの良好な反則器になっている。センサー
の作用モードｔｉｔ以下の通りである。セン９−ＩＩ休
体に光ファイバの伝播方向と同じ方向の加速度が加わる
と、千りエレメント２の慣性並びに弾性１１りなエレメ
ント３の反力により、センサーエレメント１２とセン１
ノー−胴体１との間に相対運動が生じる。この運動によ
り角度変化が起こり、センサーエレメント１２によって
反射されたノアイバ７に戻る光の弓多度に変化が生じる
。材料１０から発する光ルミネツセンスは、測定信号と
は別に基準光信号を放ち、ファイバ７または伝播接合部
に沿った光損失を補償するようになっている。

第２図は、減衰エレメント４の作用モードをさらに詳し
く図示している。重りエレメント２【ま、はぼ平行な２
つの表面５と６の間にガス封入空所がぐきるように構成
されている。一方の表面５Ｉまセン勺−胴体に属し、他
方の表面６は重りエレメント２に属している。重りエレ
メント２と弾性ｔＪタルメント３とを備えたセンシーエ
レメント１２全体に振動が加わると、空所４内に圧力変
動が生じる。この圧力変動は、空所に流入したり当該空
所から流出するガスの流れにより平衡化される。

流れ抵抗は、媒体（ガス）の粘度、表面５および６の間
の距離、−これら表面の形状によって決まる。

他方、流れ抵抗の大きさがセンサーエレメント１２の機
械的な共振の減衰度を決定する。例えば、寸法を調整す
ることにより理想的な減衰特性が得られるように理論的
かつ経験的に空所４を形成することができる。この調整
は、いわゆる減衰臨界を設定する場合、加速度計の周波
数特性を測定することで行なわれる。均等に配分された
重りを持つ固定的に取り（＝Ｉけた矩形の梁の場合、以
下の式からの箇々に解析することができる。すなわち、
Ｑは、共振値、ｈは、梁の厚さ、Ｅは、ヤング率、 ρは、密度、ｄは、表面５および６０間の距離、 ηは、ガスの粘度、 ■は、梁の長さ、ｂは、梁の幅である。

第３図は、第１図の光ファイｌζ加側ｌｔを修正した実
施例を示している。この実施例にお０てセンサーエレメ
ント１２は、半導体技術′ｌｔ１］用の方法によって作
られた一体構造物として予め構成されている。センサー
ニレメン１〜１２（まモノ１ノシツク・モノクリスタラ
イン材料（ＩＩＯｎｏｌｉｔｈｉＣ。

ｍｏｎｏｃｒｙｓＬａｌｌｉｎｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ）
　、＋ＳＩＪえｔｆ、ＧａＡＳとＡＩＧａＡＳのエピタ
キシャル層２１をＸ　１−％持つＧａＡＳ基盤２０を備えたＱ　ａ　Ａ　Ｓ　−Ａ　
１ｘＧａ１−ｘ　Ａｓ４１！ｍに作られて（する。周知
の写真食刻技術を利用したパターンエツチング法により
、第３Ｂ図の幾何学的な構造体を作ることができる。こ
の例では、重りエレメント２【五弾性的な２つのエレメ
ント３．２２により支持エレメント２０に接続されてい
る。エレメント３，２２を轟コ習せスフ、１−で−重り
エレメント２　カ％　ＦＡ　方向１．；：直交して動く
のを防いでいる。また、重りエレメント２を支持エレメ
ント２０の取イ４部に接近して配置することにより、て
こ作用を受ける自由端にある、センサーエレメント１２
の駆動部を機械的に補強することができる。

第４図は電気出力信号を発する加速度ｎ１の実施例を示
している。この例では、センサーは、例えばＰｂ（Ｚｒ
　Ｔｉ　）０３から成る２つの圧ｘ　１−Ｘ電板３１と３２、いわゆるバイモハウスエレメント（ｂ
ｉｌｌｌｏｒｌ）＋１ＯＬＩＳ　ｅｔｅｍｅｎｔ）とし
て構成されている。

圧電板３１と３２は、金属！ｉ！！３０，３３．３４と
相対する分極とを備えている。エレメントが曲がると、
外側層３０．３３の間に直流出力ミルが生じる。この出
力信号は、接続電線３５，３６゜３７により増幅装置と
信号処理ユニットに送ることができる。前述した実施例
では、金属層３０゜３３．３４を持つ圧電板３１．３２
が均等に配分された重りエレメントと弾性的なエレメン
トを構成している。減衰エレメントは、圧電板３１゜３
２の形状と寸法はもとより表面３３と５の間の距１！ｉ
ｌｌを調節することにより形成されている。第２図に基
づいて既に説明したように、周面のガスによって粘度の
値が決まる。

第５図は、一体構造の電気式加速度計を示している。セ
ンサー胴体１は、ボロンドーピング（ｂｏｒｏｎ　ｃｌ
ｏｐｉｎｏ）　４０による拡散パターンを描いであるｔ
ツクリスタライン・シリコンで作られている。この層の
水準４１より上方に、エピタキシ□　ヤル成長法により
さらにシリコン４２が付着されている。さらに、この層
を酸化してよく付着した、機械的特性に優れる５ｉｎ２
の辞い層４３にする。

この層とエピタキシャル層４２とは１．ボロン拡散を予
め生じている位置で選択的にエツチング除去されている
。この処理技術は、例えば、に、Ｅ。

Ｐｅｔｅｒｓｅｎ、　Ｐｒｏｃ、　ＩＥＥＥ、　ＶＯｌ
、７０　（１９８２）１．１２０−４５７ページから周
知である。例えば、この方法により、Ｓ　ｉ　Ｏ，、の
梁エレメント４４をシリコン基盤に一体化することがで
きる。

梁エレメント４４は金属層として上面に被覆されており
、この金属層には局所的重り４７を設けることもできる
。従って、表面４０と梁ルメント４４との間で相互位置
の容量結合が可能となり、この各組結合によって生じた
信号を金属層４５゜４６を通じ増幅エレメントに伝達覆
ることができる。前記増幅エレメントは、同じシリ」ン
基盤と一体化されているのが好ましい。減衰エレメント
４は、前、述したのと同じ方法により、表面４０と４４
の間に形成されている。

第６図は、加速度の影響による干渉光変調のいわゆるフ
ァプリー・ぺ【」−空所（Ｆ　ａｂｒｙ−Ｐ　ｅｒｏＬ
ｃａｖｒｔｙ）を利用した、光フアイバ加速度δ１の変
更例である。この変更例の構造は、第１図の１！４Ｔｉ
と物理的に非常に似通っている。相違点は、例えば薄い
蒸首金属層により表面５ど６が半反射性になっているこ
とである。表面５および６の間の距離が、ＧＲＩＮレン
ズ８を経てファイバ７から出てくる光の干渉長の半分よ
りも小さければ、干渉が生じる。その結果、表面５およ
び６の間の距離の掻く僅かの変動によって、反射光度が
変調される。

この構造によるセンサーは非常に高い感知能力と信号解
析能を備えている。周囲のガス媒体の圧力変動が大きい
場合には、この実施例番まもとより他の実施例において
もも、表面５と６の間の空所は接近させるのが望ましい
。標準的な大気圧と標準温度の下では、ガスの粘度はこ
うした環境のバロメ〜りのよってあまり大きな影響は受
けなし）。しかしながら、特殊な場合には、センサー胴
体を機密カプセルに入れて制御することも必要である。

本発明は、添付の特許請求の範囲内でいかようにも変更
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第３Ａ図、第３Ｂ図および第６図は、光出力信
号を用いＩＣ異った加速度計の実施（列を示している。第２図は、減衰エレメントの基本作用を図示している。第４図と第５図は、電気出力４５号を発する実施例を示
している。１・・・セン勺−胴体、２・・・重りエレメント、３・
・・弾性的なエレメント、４・・・減衰エレメント、５
．６・・・表面、７・・・光ファイバ、８・・・レンズ
、９・・・境界面、１０・・・光ルミネッゼンス材別、
１１・・・スペーサ、１２・・・センサーエレメント、
２０・・・ＧａＡｓ基盤（支持エレメント）、２１・・
・１ピタキシャル層、２２・・・弾性的なエレメント、
３１゜３２・・・圧電板、３０，３３．３４・・・金属
層、３５゜３６．３７・・・電気接続線、４０・・・ボ
ロンドーピング、４１・・・層のレベル、４２・・・シ
リコンＩｃ（］−ビタキシャル層）、４３・・・５ｉ０
２の１ｄｔｌｕ、４４・・・梁ルメント、４５．４６・
・・金１ｍｌ、４７・’ｌｕす。代理人　浅　村　皓

Claims

【特許請求の範囲】（１）　センサー胴体（１）の加速度を表わす光出力信
号または電気出力信号を用いた加速度計にして、少なく
とも１つの重りエレメント（２）と、前記センサー胴体
（１）に連結された少なくとも１つの弾性的なエレメン
ト（３）とを有し、前記光出力信号または電気出力信号
が、前記重りエレメント（２）または前記センサー胴体
（１）に面して当該重りエレメントに連結された部分の
相対運動により、または前記重りエレメントおよび／ま
たは前記弾性的なエレメント（３）の内部の機械的な伸
びによって発生するようにされている加速度泪に於いて
、当該加速度計が、さらに、ガスの入った空所（４）か
ら成る減衰エレメントを有し、前記空所はほぼ平行な２
つの表面（５，６）から形成され、これら表面のうちの
一方が前記重りエレメント（２）に属し、他方の表面は
前記センサー胴体に属しているかまたは当該センサー胴
体にしっかりと連結された部分に属しており、前記表面
（５，６＞の形状、寸法および相互距離は、前記重りエ
レメント（２）と弾性的な連結部（３）の基本共振がほ
ぼ臨界的に減衰されるように決められていることを特徴
とする加速度晶１゜（２）　前記重りエレメント（２）
と前記弾性的なエレメント（３）とが、固定的に取り付
番ノられた梁から成っていることを特徴とする特許請求
の範囲第１項に記載の加速ｉ目。（３）　前記重りエレメント（２）または当該重りエレ
メントに固定的に連結された部分の運動が、少なくとも
１つの光ファイバ（７）を通じて出てくる光の干渉によ
って検知されるように構成されていることを特徴とする
特許請求の範囲第１項に記載の加速度計。（４）　前記重りエレメント（２）または当該エレメン
トにしっかりと連結された部分の運動が、２つの導電面
（４０，４４）の闇の容量変化として検知されるように
構成されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
に記載の加速度計。（５）　前記重りエレメント（２）または前記弾性的な
エレメント（３）が、圧電気材料、例えば、Ｐｂ（Ｚｒ
　Ｔｉ　＞０３から少なくとも部分×１−ｘ的に作られていることを特徴とする特許請求の範囲第１
項に記載の加速度計。（６）　前記空所（４）内に含まれたガスが、周囲から
気密分離されていることを特徴とする特許請求の範囲第
１項に記載の加速度側。（７）　前記重りエレメント（２）と前記弾性的なエレ
メント（３）とが、基盤部分（２０）と少なくとも１つ
の層部分（２１）とに）＠続して作られていることを特
徴とする特許請求の範囲の第１項に記載の加速度Ｍ０（８）　前記表面（５，６）の間の距離が、少なくとも
１つのスペーサエレメント（１１，２０）または少なく
とも１つの付着層（４２）の厚みによって決定されるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の加速度区
１．。（９）　検知された運動が、前記重りエレメント（２）
上の突出部く１２）の機械的なてこの効果により増幅さ
れることを特徴とする特Ｗ［請求の範囲第１項、第３項
または第４項に記載の加速度４゜（１０）　前記重りエ
レメント（２）と前記弾性的なエレメント（３）とが、
均等な厚みのエレメント（３０，３１，３２，３３，３
４）に沿って配分されたパラメータからできていること
を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の加速度８１
゜（１１）　センサー部分（１２）は少なくとも部分的
に光を反射し、また、当該セン勺一部分は、センサー内
にある光ノアイバエレメント（７）とレンズエレメント
（８）との関係に於いて、前記重りエレメント（２）の
位置の幾何学的な変化が前記光ファイバ（７）内に反射
する光に変化を起こすように配置されていることを特徴
とする特許請求の範囲第１項または第３項に記載の加速
磨削。（１２）　空所（４）が、さらに、いわゆるファプリー
・ペロー空所からできており、この空所の表面（５，６
＞は、部分的に反射する薄層、例えば金属層で被覆され
ていることを特徴とする特許請求の範囲第１項または第
３項に記載の加速度計。