JP2002107375A - 加速度計 - Google Patents

加速度計

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JP2002107375A
JP2002107375A JP2001207561A JP2001207561A JP2002107375A JP 2002107375 A JP2002107375 A JP 2002107375A JP 2001207561 A JP2001207561 A JP 2001207561A JP 2001207561 A JP2001207561 A JP 2001207561A JP 2002107375 A JP2002107375 A JP 2002107375A
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クビステロイ テルイエ
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ノード アスガイヤ
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ベルシュタイン ラルフ
Sigurd Moe
モー シガード
Paul Skulstad
スカルスタッド ポール
Kai Viggo Munch
ヴィッゴ マンチ カイ
Norman Goalby
ゴールバイ ノーマン
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    • G01P2015/0822Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
    • G01P2015/084Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass the mass being suspended at more than one of its sides, e.g. membrane-type suspension, so as to permit multi-axis movement of the mass

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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】2つの軸に沿った加速度を検出する加速度計を
提供する。 【解決手段】 加速度計は、質量体支持フレームと、第
1軸に沿って整合された一対の外側スプリング部材2,
3によって上記フレーム上に支持された質量体4とから
構成される。質量体は、一対の外側スプリング部材2,
3に連結された外側質量体5と、複数の内側スプリング
部材7,8,9,10によって外側質量体5に連結され
た内側質量体6とから構成されてもよい。内側スプリン
グ部材2,3は、1又は2以上の軸に沿って整合されて
いる。この軸は平面を形成しており、この平面にも、外
側スプリング部材7,8,9,10の軸が整合してい
る。質量体の回転、及び、内側質量体の平行移動を検出
するための手段も設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、2つの軸に沿った
加速を検出することが可能な加速度計に関する。
【0002】
【従来の技術】当業界において加速度計は周知であり、
そして、これらは、急加速又は急減速を検出するため
に、航空及び自動車分野等の様々な分野において利用さ
れている。加速度計の用途の一例として、自動車におけ
るエアバッグを展開させる場合がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】制御システムはより複
雑化してきているため、2以上の方向における加速/減
速を検出して、加速/減速の方向に応じて、例えば、エ
アバッグの制御を行うことが好ましくなってきている。
しかしながら、その実現は困難である。1つのアプロー
チは、単に、2つの加速度計を、問題となっている2つ
の軸の各々に1つずつ設けることである。しかしなが
ら、正確に整合させることは困難であり、その結果、装
置が大型化し、高額になる。代案として、2つの方向に
おける加速/減速感度を有する装置を形成する試みがあ
る。しかしながら、このような装置を製造することは困
難であり、そして、この装置は、クロスアクシス感度
(即ち、軸を交差する方向への感度)を有する傾向があ
るため、1つの軸に沿った加速が、他の軸における加速
を示す出力に影響を及ぼし、その結果、誤った読み取り
が生ずる。更に、このような装置を用いた際には、一方
の軸に沿った感度を、他方の軸に沿った感度を変更する
ことなく、変更することが困難な場合が多い。
【0004】本発明の目的は、2つの軸に沿った加速を
検出することができ、そして、小型で、且つ、製造が容
易な加速度計を提供することにある。本発明の他の目的
は、クロスアクシス感度を最小限に抑制した加速度計を
提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の加速度計は、質
量体支持フレームを有するハウジングと、前記フレーム
上に支持された質量体と、前記質量体を前記フレーム上
に支持するための支持手段と、前記支持手段の少なくと
も一部に対する前記質量体の回転を検出するための手段
と、そして、前記支持手段の少なくとも一部に対する前
記質量体の平行移動を検出するための手段とから構成さ
れる。
【0006】質量体を、フレームに連結された一対の外
側スプリング部材に連結された外側質量体と、複数の内
側スプリング部材によって外側質量体に連結された内側
質量体とから構成してもよい。この場合、スプリング部
材は、支持手段を構成する。複数の内側スプリング部材
の複数の軸が、平面を形成し、この平面にも外側スプリ
ング部材の軸が整合するものであってもよい。この場
合、ねじり応力を検出するための手段が、複数の内側及
び外側スプリング部材の平面における第1の軸と直交す
る成分を有する方向における加速度計の加速中に、外側
スプリング部材に生じたねじり応力を検出するための手
段から構成されてもよく、そして、平行移動を検出する
ための手段が、内側スプリング部材の平面と直交する方
向における加速度計の加速中に、内側スプリング部材に
おける曲げ応力を検出するための手段から構成されても
よい。
【0007】この場合、二対の内側スプリング部材を設
け、それらのうちの一方の対を通る軸を他方の対を通る
軸と直行させることが好ましい。内側質量体は、これら
の二対の内側スプリング部材によって支持される。内側
スプリング部材の軸と外側スプリング部材の軸との角度
はほぼ45度であってもよい。上述したこれらの軸は平
面を形成する。
【0008】加速度計は、半導体材料から形成されるこ
とが好ましく、そして、これは、異方性を有する材料、
好ましくは、珪素であってもよい。
【0009】一方向の検出のためにねじり応力を使用
し、そして、他の方向の検出のために曲げ応力を使用す
ることにより、クロスアクシス感度を最小限に抑制する
ことができる。
【0010】支持手段におけるねじり応力を検出するた
めの手段を、支持フレームと質量体とのほぼ中間の1又
は複数の外側スプリング部材上の領域に位置させること
が好ましい。支持手段における曲げ応力を検出するため
の手段を、質量体の内側又は外側部分に隣接する複数対
のスプリング部材のうちの一対又は二対の何れかに位置
させることが好ましい。
【0011】装置を珪素から形成した場合には、ねじり
応力を検出するための手段を、4つのピエゾ抵抗素子か
らなるホイートストンブリッジから構成し、ピエゾ抵抗
素子の各々を、珪素の<110>結晶軸にほぼ沿うよう
に支持手段上に配置することが好ましい。
【0012】装置を珪素から形成し、少なくとも二対の
内側スプリング部材を設ける場合には、曲げ応力を検出
するための手段が、スプリング部材のそれぞれの端部に
1つずつ設けられた2つのピエゾ抵抗素子からなってい
てもよく、または、各内側スプリング部材の端部に設け
られた単一のピエゾ抵抗素子からなっていてもよい。内
側スプリング部材上のすべてのピエゾ抵抗素子は、必ず
しも必要ではないが、相互に傾向に、且つ、珪素の<1
10>結晶軸に沿って整合されることが好ましい。
【0013】内側質量体及び外側質量体を設ければ、外
側質量体を単に変更することによって、平面内の方向に
おける加速に対する感度を、他の軸における感度を変更
しない状態に維持しながら、変更することができる。更
に、合計質量を変更することなく、内側質量体に対する
外側質量体の比を変化させれば、一方向における感度は
変更されることなく、他の方向における感度が変更され
る。これにより、大幅な設計の自由度が図れる。
【0014】外側スプリング部材と内側スプリング部材
とをほぼ45度の角度でオフセットして配置することに
より、加速度計が形成されている半導体の結晶面の整合
に関して、珪素のような対称立方体からなる半導体材料
のピエゾ抵抗係数を変化させるという利益を装置にもた
らすことができる。これにより、装置のクロスアクシス
感度を最小限に抑制することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】本発明の一実施態様を、添付図面
を参照して以下に説明する。
【0016】図1に示すように、本発明による加速度計
は、そこに示された2つの軸X、Zに沿った加速/減速
を測定することが可能である。加速度計は、質量体支持
フレーム1を形成する外側ハウジングを有している。こ
のフレーム1には一対の外側スプリング部材2、3が取
り付けられており、これらは、第1の測定軸Xと直交す
る軸に沿って整合されている。外側スプリング部材2、
3は質量体4を支持しており、この質量体は、外側質量
体5と内側質量体6とから構成されている。内側質量体
6は、二対の内側スプリング部材7、8及び9、10に
よって外側質量体5上に支持されている。内側スプリン
グ部材7、8及び9、10の対の双方は、ある面上にお
いて相互に直交している。この面もまた、軸を有してお
り、この軸に沿って外側スプリング部材2、3が整合し
ており、そして、これら外側スプリング部材2、3はこ
の軸に対してほぼ45度の角度を有している。加速度計
は、結晶半導体材料、この実施態様においては珪素から
エッチングすることによって形成されており、結晶軸
は、複数対の内側スプリング部材7、8及び9、10の
うちの一対のものの整合軸に対して平行である。この重
要性を以下に述べる。
【0017】図1から明らかなように、複数対の外側ス
プリング部材2、3のうちの一対のものは、他の対より
も長く、これにより、複数のピエゾ抵抗素子が一してい
るスプリング部材上におけるねじり応力を最小限に抑制
する。この実施態様においては、ねじり応力検出装置
が、2つの外側スプリング部材3の短い方の上に位置し
ている。図2から明らかなように、ねじり応力検出装置
は、外部検出回路への電気接続部12を有するホイート
ストンブリッジ形状に配置された4つのピエゾ抵抗素子
から構成されている。ピエゾ抵抗素子11は、外側スプ
リング部材3の軸に対して約45度の角度で整合してお
り、そして、外側スプリング部材の中心に位置されて、
ねじり応力の検出の最適化を図っている。原則的に、検
出は双方のスプリング上において行われるが、最大の感
度が要求される場合には、この装置が選択される。加速
度計が測定軸Xの方向において加速若しくは減速し、又
は、質量体4が外側スプリング部材2、3の整合軸のま
わりを回転すると、発生したねじり応力が、ホイートス
トンブリッジ装置の出力によって検出される。質量体の
重心は、軸よりも下方にあって、直線的な加速からねじ
り効果を発生させるものであることに留意すべきであ
る。加速度計の感度は、2つの外側スプリング部材2、
3の幅及び長さ、質量体4の全体の大きさ、及び、質量
体4の重心と回転の軸(A−A’)との間の距離を調節
することによって制御される。
【0018】上述したように、質量体4は、外側質量体
5と、これに連結された内側質量体6とから構成されて
いる。この実施態様においては、外側質量体5は、上述
したように、二対の内側スプリング部材7、8及び9、
10によって内側質量体6に連結されている。図3は、
第2の測定軸Zの方向において加速度計が加速/減速す
る場合に、内側スプリング部材7、8、9、10に生ず
る曲げ応力を測定するための2つの考え得る曲げ応力検
出機構の位置を示す。第1の例においては、ピエゾ抵抗
素子13は、二対のスプリング部材7、8及び9、10
の一方の対又は他方の対のうちの各内側スプリング部材
の端部に位置している。第2の例においては、ピエゾ抵
抗素子13は、内側スプリング部材7、8、9、10の
各々の一端に位置している。これらピエゾ抵抗素子を他
の場所に位置していもよいことは当業者にとって明らか
である。ホイートストンブリッジ装置を構成するように
各ピエゾ抵抗素子13を配置することが好ましく、この
ホイートストンブリッジ装置の出力が、曲げ応力、延い
ては、第2の測定軸Zにおける加速を検出するために使
用される。軸Zに沿った加速についての感度は、例え
ば、内側質量体6の大きさ、及び、内側スプリング部材
7、8、9、10の寸法を変化させることによって変化
する。内側質量体6の大きさを大きくすれば、外側質量
体5の大きさを小さくして、第1の測定軸Xの方向にお
ける感度について同一のレベルを維持することができ
る。
【0019】図4は、図1の実施形態の重要な構成要素
を示す(A−A’線)断面図である。図4から明らかな
ように、質量体4は、その一方又は双方の表面上に形成
された凹部領域14を有している。使用状態において、
本発明の加速度計は、質量体4の如何なる振動をも減衰
する作用を有する流体又は気体によって質量体4が支持
されるように構成される。減衰レベルを制御するため
に、質量体と上方ケーシング(図示せず)との間の隙間
を非常に適切に調節しなければならない。ケーシング
が、例えば、珪素等の精密機械加工が可能な材料から形
成される場合には、減衰を調節するために、ケーシング
内に凹部領域を形成することが可能である。しかしなが
ら、本発明の場合におけるように、上方ケーシングを、
精密なエッチング加工が困難であり、そして/または、
他の部材との整合が困難であるガラス等の非結晶材料か
ら形成する場合には、質量体4の上面上に凹部を形成す
ることが可能である。上方ケーシングと質量体の上面と
の間における流体又は気体の量を調節することによっ
て、減衰量を制御することができる。これは、外側スプ
リング部材2、3又は内側スプリング部材7、8、9、
10の特性に影響を与えることなく実現可能である。質
量体4の凹部はまた、回転運動のための梃子の長さを増
加させ、従って、X方向における感度を増加させる。
【0020】図5は、結晶構造の方位角に関する結晶質
珪素のピエゾ抵抗係数の変化を示すグラフである。整合
が45度変化すると、この係数がほぼ零から最大まで変
化することがこのグラフから明らかである。本発明はこ
の効果を利用している。結晶方位によりほぼ最大に変化
するピエゾ抵抗係数の特性により、ピエゾ抵抗検出素子
がミスアライメントに関する許容誤差を有することが確
保される。外側検出手段が曲げ応力を生ずる可能性を最
小限に抑制するように、外側スプリング部材上における
ピエゾ抵抗検出素子の方位が選択される。質量体は、内
側質量体と外側質量体とから構成されている。好ましい
実施形態においては、内側スプリングは、Z方向におけ
る加速中に生ずる曲げ応力を測定するための手段を有し
ており、そして、外側スプリングは、X方向における加
速中に生ずるねじり応力を測定するための手段を有して
いる。内側質量体及び外側質量体の作用を変更すること
が可能であることは明らかである。この場合、内側スプ
リングは、ねじり応力を測定するための手段を有してお
り、そして、外側スプリングは、曲げ応力を測定するた
めの手段を有している。
【0021】上述した実施形態においては、X方向にお
ける加速の検出は、内側質量体と外側質量体とが組合せ
において作用することによって効果的に行われる。Z方
向における加速の検出は、内側質量体が単独で作用する
ことによって行われる。この点において、内側質量体を
「2回」使用することにより、加速度計を実現するため
に必要な珪素の領域を小さくなる。
【0022】図6は、容量検出に用いられた本発明の第
2実施形態を示す図である。
【0023】図7は、ピエゾ抵抗検出に用いられた本発
明の第3実施形態を示す図である。
【0024】質量体4、即ち、外側質量体5及び内側質
量体6の独立した方向における運動を検出するための更
なる他の方法が考えられることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による加速度計の平面図
【図2】ねじり応力検出手段を有する外側スプリング部
材の平面図
【図3】内側スプリング部材及び曲げ応力検出手段を有
する、図1の実施態様に用いられた内側質量体の2つの
例を示す平面図
【図4】図1の実施態様の(A−A’線に沿った)側面
における断面図
【図5】珪素についてのピエゾ抵抗係数の結晶整合への
依存度を示すグラフ
【図6】本発明の第2実施態様の側面における断面図
【図7】本発明の第3実施態様の側面における断面図
フロントページの続き (71)出願人 599143793 PO Box 196,N−3192 Hort en,Norway (72)発明者 アスガイヤ ノード ノールウェー国,エヌ−3192 ホルテン, ピーオウ ボックス 196 センソノール エイエスエイ内 (72)発明者 ラルフ ベルシュタイン ノールウェー国,エヌ−0314 オスロー, ブリンデルン,ピーオー ボックス 124, フォルスクニングスヴァイエン 1,シン テフ内 (72)発明者 シガード モー ノールウェー国,エヌ−0314 オスロー, ブリンデルン,ピーオー ボックス 124, フォルスクニングスヴァイエン 1,シン テフ内 (72)発明者 ポール スカルスタッド ノールウェー国,エヌ−0661 オスロー, オステンイオヴェイエン 18,テクニスク データ内 (72)発明者 カイ ヴィッゴ マンチ ノールウェー国,エヌ−0661 オスロー, オステンイオヴェイエン 18,テクニスク データ内 (72)発明者 ノーマン ゴールバイ ノールウェー国,エヌ−0661 オスロー, オステンイオヴェイエン 18,テクニスク データ内 Fターム(参考) 4M112 AA02 CA08 CA25 CA26 CA33 EA03 EA11 FA20

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 質量体支持フレームを有するハウジング
    と、 前記フレーム上に支持された質量体と、 前記質量体を前記フレーム上に支持するための支持手段
    と、 前記支持手段の少なくとも一部に対する前記質量体の回
    転を検出するための手段と、そして、 前記支持手段の少なくとも一部に対する前記質量体の平
    行移動を検出するための手段とから構成される加速度
    計。
  2. 【請求項2】 半導体材料から形成された、請求項1に
    記載の加速度計。
  3. 【請求項3】 異方性を有する材料から形成された、請
    求項1または請求項2に記載の加速度計。
  4. 【請求項4】 ピエゾ抵抗性を有する材料から形成され
    た、請求項1乃至請求項3のうちの何れか1つに記載の
    加速度計。
  5. 【請求項5】 珪素から形成された、請求項1乃至請求
    項4のうちの何れか1つに記載の加速度計。
  6. 【請求項6】 上方ケーシングを更に備え、前記上方ケ
    ーシングの表面及び前記質量体の上面の何れかに凹部を
    形成することにより、使用状態において、前記ケーシン
    グと前記質量体の前記上面との間において、流体又は気
    体の量によって生ずる機械的減衰を制御する、請求項1
    乃至請求項5のうちの何れか1つに記載の加速度計。
  7. 【請求項7】 前記質量体が、第1の軸に沿って整合さ
    れた一対の外側スプリング部材によって前記フレーム上
    に支持されており、前記質量体が、前記一対の外側スプ
    リング部材に連結された外側質量体と、複数の内側スプ
    リング部材によって前記外側質量体に連結された内側質
    量体とから構成されており、前記複数の内側スプリング
    部材が、平面を形成する1又は2以上の軸に沿って整合
    されており、前記一対の外側スプリング部材の前記軸が
    前記平面とも整合している、請求項1乃至請求項6の何
    れか1つに記載の加速度計。
  8. 【請求項8】 前記複数の内側スプリング部材の前記平
    面の方向における前記加速度計の加速中に、前記一対の
    外側スプリング部材における張力によって生じた応力を
    検出するための手段と、 前記複数の内側スプリング部材の前記平面と直交する方
    向における前記加速度計の加速中に、前記複数の内側ス
    プリング部材における曲げ応力を検出するための手段と
    を更に備える、請求項7に記載の加速度計。
  9. 【請求項9】 前記複数の内側スプリング部材上の曲げ
    応力を検出するための前記手段が、前記複数の内側スプ
    リング部材の各々における一端にそれぞれ設けられた2
    つのピエゾ抵抗素子から構成されている、請求項8に記
    載の加速度計。
  10. 【請求項10】 前記複数の内側スプリング部材の前記
    軸と、前記一対の外側スプリング部材の前記軸との角度
    がほぼ45度である、請求項6又は請求項8に記載の加
    速度計。
  11. 【請求項11】 前記内側質量体が、二対の内側スプリ
    ング部材によって支持されており、前記二対の内側スプ
    リング部材が、各対が相互に直交するように配置されて
    おり、前記二対の双方と前記一対の外側スプリング部材
    とが同一の平面を共有する、請求項7乃至請求項10の
    うちの何れか1つに記載の加速度計。
  12. 【請求項12】 前記複数の内側スプリング部材上の曲
    げ応力を検出するための前記手段が、前記複数の内側ス
    プリング部材の各々の一端に設けられたピエゾ抵抗素子
    から構成される、請求項11に記載の加速度計。
  13. 【請求項13】 前記複数の内側スプリング部材におけ
    る曲げ応力を検出するための前記手段が、前記内側質量
    体又は外側質量体に近接する二対のスプリング部材のう
    ちの一対又は二対の何れかに位置している、請求項11
    又は請求項12に記載の加速度計。
  14. 【請求項14】 ねじり応力を検出するための前記手段
    が、4つのピエゾ抵抗素子からなるホイートストンブリ
    ッジから構成されており、前記ピエゾ抵抗素子の各々
    が、実質的に単一の直線に沿って、単一の外側スプリン
    グ部材又は複数の外側スプリング部材上に配置されてい
    る、請求項1乃至請求項13のうちの何れか1つに記載
    の加速度計。
  15. 【請求項15】 前記一対の外側スプリング部材のうち
    の1つが、他の1つよりも長い、請求項1乃至請求項1
    4のうちの何れか1つに記載の加速度計。
  16. 【請求項16】 ねじり応力及び曲げ応力を検出するた
    めの前記手段がピエゾ抵抗性を有している、請求項1乃
    至請求項13のうちの何れか1つに記載の加速度計。
  17. 【請求項17】 前記回転による運動及び前記平行移動
    による運度の検出が、容量の検出によって独立して行わ
    れる、請求項1乃至請求項8のうちの何れか1つに記載
    の加速度計。
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