JP2005529336A - 多軸モノリシック加速度センサ - Google Patents

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Abstract

１．多軸モノリシック加速度センサ
２．１．公知の加速度センサでは、主感度軸と法線との間の位相角が、最高２０°の範囲でのみ設定可能である。即ち加速度センサは、３つの空間軸に関して異なる特性を持ち、これが電子評価装置に高度の要求を課し、車両における使用を排除している。
２．２．多軸モノリシック加速度センサは次の特徴を持っている。
加速度センサが、共通な基板上に設けられてそれぞれ１つの主感度軸を持つ複数の個別センサから成り、各個別センサが、２つのねじりばね素子に回転運動可能に懸架され、かつ重心を有する地震質量を持ち、各個別センサが地震質量の偏向を測定する手段を持ち、加速度センサが少なくとも３つの同一な個別センサから成り、各個別センサが、その重心に対して偏心して懸架され、他の個別センサに対して、９０°，１８０°又は２７０°回されている。
２．３．本発明は、車両において使用するため高級でオフセット安定な容量センサに特に適している。
（図１）

Description

発明の詳細な説明
本発明は、請求項１又は３の上位概念に記載の３軸又は２軸モノリシック加速度計に関する。
米国特許出願第６１２２９６５号明細書又は対応するドイツ連邦国特許１９６４９７１５号明細書から、四角形に共通な基板上に設けられかつそれぞれ１つの主感度軸を持つ４つの個別センサから成る加速度測定装置が公知である。各個別センサは地震質量として重心を有するパドルを持っている。それぞれの個別センサの主感度軸は、基板の法線に対してそれぞれ１つの位相角を持っている。四角の各辺の方向及び対応する主感度軸はそれぞれ１つの面を形成し、対角線上にある個別センサの面は互いに近づくように傾斜している。
この場合の欠点は、主感度軸と基板に対する法線との間の位相角が、最高でも２０°の限られた範囲内でのみ設定可能なことである。
国際出願ＷＯ８９／０５４５９号から、微小加速度センサが公知であり、多次元の運動変化を検出するため、選ばれた方向における加速度に対してそれぞれ敏感な３つの微小センサが、１つの結晶にモノリシックに集積されている。センサは、偏心して取付けられる質量を持つねじり梁から成り、運動変化の際これらの質量がねじり梁の軸線の周りにトルクを及ぼす。トルクは集積圧電抵抗により測定される。
この加速度センサは、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸に関して異なる構造原理の個別素子を持っている。その結果、感度、周波数又は減衰挙動に関して異なる特性が生じる。更に電子評価装置に対して高度の要求が課され、これが自動車における使用を殆ど排除している。
本発明の基礎になっている課題は、一層大きい位相角が設定可能であり、個別センサの信号が速やかにかつ簡単に評価可能であるように、請求項１又は３の上位概念による加速度センサを構成することである。
この課題は、請求項１又は３に示す特徴を持つ３軸又は２軸モノリシック加速度センサによって解決される。
請求項１又は３の対象は、４５°の一層大きくかつ理想的な位相角が設定可能であり、プレーナ差容量信号読出しに合わされる測定原理が、特に安定なセンサを生じる、という利点を持っている。
本発明は、車両において使用するための高級でオフセット安定な容量センサに特に適している。
請求項１又は３による加速度センサの有利な構成は従属請求項に示されている。
図面の助けを借りて実施例により本発明が説明される。
図１は、４つの同一な個別センサ２ａ，２ｂ，２ｃ及び２ｄから成る、加速度の３軸測定用加速度センサ１を示している。各個別センサ２ａ〜２ｄは、重心Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ及びＳｄを有する地震質量３ａ，３ｂ，３ｃ又は３ｄを持ち、各地震質量３ａ〜３ｄは、その重心Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ及びＳｄに対して偏心して、２つのねじりばね素子４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ，４ｇ又は４ｈに回転運動可能に懸架されている。各ねじりばね素子４ａ〜４ｇは外枠５に結合されている。外枠５は４つの個別センサ２ａ〜２ｄをまとめ、中間枠６により区分されている。
２つの個別センサ２ａと２ｃ又は２ｂと２ｄのみから成る装置は、２軸加速度を測定するセンサ素子として使用することができる。３軸加速度を測定するため、４つの個別センサ２ａ〜２ｄのうち少なくとも３つが必要である。各個別センサ２ａ〜２ｄは、他の３つの個別センサ２ａ〜２ｄに対して、９０°，１８０°及び２７０°、一般に９０°の倍数だけ回されている。４つのすべての個別センサ２ａ〜２ｄを使用すると、１つの冗長な情報が存在して、出力信号の永続的な整合性検査を可能にする。
図２には、図１の加速度センサ１がＡ−Ａ断面で示されている。シリコンから成り公知の微小機械的方法で構成されるウェーハは、４つの個別センサ２ａ〜２ｄの共通な基板８として、下部覆い板７と上部覆い板９との間に設けられ、例えばウェーハボンディングによりこれらの覆い板に結合され、下部覆い板７及び上部覆い板９も同様にシリコンから成っている。エッチング法により、ウェーハ８に、個別センサ２ａ〜２ｄの地震質量３ａ〜３ｄ、ねじりばね素子４ａ〜４ｂ及び中間枠６が構成されている。
上部覆い板９の内側には、各地震質量３の上方に、それぞれのねじりばね素子４により規定されるねじり軸線に対してなるべく対称に、金属化されかつ互いに絶縁された面１０ａ，１０ｂ，１０ｃ及び１０ｄが構成されて、加速力の作用する際地震質量３の回転運動の差容量測定に役立つ。
各地震質量３ａ〜３ｄは、それぞれの重心Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ及びＳｄを通って延びる主感度軸１１を持ち、個別センサ２ｂでは主感度軸は１１ｂで示され、個別センサ２ａ，２ｃ，２ｄに対しても同様なことが当てはまり、この主感度軸の方向は、地震質量３ｂの片側懸架のため、及び移される重心Ｓｂのため、それぞれの法線１２ｂに対して平行に延びていない。
２つのねじりばね素子４ｃ，４ｄの所における地震質量３ｂの懸架は回転軸Ｄｂを生じ、加速力が作用する際、地震質量３ｂがこの回転軸の周りに回転する。Ｘ方向における回転軸Ｄｂと重心Ｓｂとの間隔を間隔ａとし、またＺ方向における回転軸Ｄｂと重心Ｓｂとの間隔を間隔ｂとすると、位相角φは次のように計算される。
Figure 2005529336
位相角φは、各地震質量３の構成を介して、広い範囲にわたって設定される。同一の構造のため、すべての個別センサ２ａ〜２ｄにおいて位相角φは同じ大きさである。位相角φに対する適当な値は自由に設定可能である。理想的な場合として、直交座標系において４５°の位相角φも設定可能である。この原理は一般化可能なので、個別センサ２ａ〜２ｄは異なる位相角を持つことができる。
Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向に作用する加速力を測定できるようにするため、主感度軸１１ｂは、法線１２ｂに対して平行な成分１３ｂと、法線１２ｂに対して直角な成分１４ｂとに分解される。
個別センサ２ｂについてなされた説明は、個別センサ２ａ，２ｃ及び２ｄに対しても同様に当てはまる。個別センサ２ａ〜２ｄ特に地震質量３ａ〜３ｄは、製造方法により充分同じ幾何学的寸法を持っているので、Ｘ方向における感度、Ｙ方向における感度及びＺ方向における感度も同様に充分同じである。
図３ａは、Ｘ方向に作用して矢印１５により示される加速力のため、図２による個別センサ２ｂ及び２ｄの地震質量３ｂ及び３ｄの偏向を示している。加速力１５の分解は、Ｄｄ及びＳａを通る直線上の成分１６と、それに対して直角な成分１７とを生じる。成分１７は、回転軸Ｄｂ又はＤｄの周りにおける地震質量３ｂ又は３ｄの回転運動を生じ、この回転運動は金属面１０ａ及び１０ｂ又は１０ｃ及び１０ｄによる差容量測定によって検出される。三角方程式により、センサ１へ作用する加速力の大きさが計算される。
加速力１５がＸ方向に作用する場合、回転軸Ｄｂ又はＤｄの周りにおける地震質量３ｂ又は３ｄの回転運動は矢印１８に従って同じ向きであり、地震質量３ａ及び３ｃ（図１）は回転運動しない。
加速力がＹ方向に作用すると、地震質量３ａ又は３ｃはねじりばね４ａ及び４ｂ又は４ｅ及び４ｆの縦軸の周りに回転運動し、これに反し地震質量３ｂ又は３ｄはその回転軸Ｄｂ又はＤｄの周りに回転運動しない。
図３ｂは、Ｚ方向に作用して矢印１９により示される加速力のため、図２による個別センサ２ｂ及び２ｄの地震質量３ｂ及び３ｄの偏向を示している。図３ａの例と同様に、加速力１９の分解は、Ｄｂ及びＳｄを通る直線上の成分２０及びこれに対して直角な成分２１を生じる。成分２１は、回転軸Ｄｂ又はＤｄの周りにおける地震質量３ｂ又は３ｄの回転運動を生じ、この回転運動は、金属面１０ａ及び１０ｂ又は１０ｃ及び１０ｄによる差容量測定によって検出される。三角方程式により、センサ１へ作用する加速力１９の大きさが計算される。
Ｚ方向に加速力１９が作用する場合、回転軸線Ｄｂ又はＤｄの周りにおける地震質量３ｂ又は３ｄの回転運動は、矢印２２又は２３に従って逆向きである。更に地震質量３ａ（図１）の回転運動は、地震質量３ｃの回転運動に対して逆向きである。
共通な基板上にある４つの同一な個別センサから成る、本発明による加速度センサの平面図を示す。 ２つの個別センサ及びその地震質量を持つ図１の装置の断面図を示す。 Ｘ方向に作用する加速力のため図２による個別センサの地震質量の偏向を示す。 Ｚ方向に作用する加速力のため図２による個別センサの地震質量の偏向を示す。

Claims (7)

  1. ３軸モノリシック加速度センサ（１）であって、次の特徴を持つ
    ａ）加速度センサ（１）が、共通な基板（８）上に設けられてそれぞれ１つの主感度軸（１１）を持つ複数の個別センサ（２ａ〜２ｄ）から成り、
    ｂ）各個別センサ（２ａ〜２ｄ）が、２つのねじりばね素子（４ａ〜４ｂ）に回転運動可能に懸架され、かつ重心（Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄ）を有する地震質量（３ａ〜３ｄ）を持ち、
    ｃ）各個別センサ（２ａ〜２ｄ）が地震質量（３ａ〜３ｄ）の偏向を測定する手段（１０）を持っている
    ものにおいて、
    ｄ）加速度センサ（１）が少なくとも３つの同一な個別センサ（２ａ〜２ｄ）から成り、
    ｅ）各個別センサ（２ａ〜２ｄ）が、その重心（Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄ）に対して偏心して懸架され、
    ｆ）他の個別センサ（２ａ〜２ｄ）に対して、９０°，１８０°又は２７０°回されていることを特徴とする、３軸モノリス加速度センサ。
  2. 少なくとも３つの同一な個別センサ（２ａ〜２ｄ）が四角形に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の加速度センサ。
  3. ２軸モノリシック加速度センサ（１）であって、次の特徴を持つ
    ａ）加速度センサ（１）が、共通な基板（８）上に設けられてそれぞれ１つの主感度軸（１１）を持つ２つの個別センサ（２ａ〜２ｄ）から成り、
    ｂ）各個別センサ（２ａ〜２ｄ）が、２つのねじりばね素子（４ａ〜４ｂ）に回転運動可能に懸架され、かつ重心（Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄ）を有する地震質量（３ａ〜３ｄ）を持ち、
    ｃ）各個別センサ（２ａ〜２ｄ）が地震質量（３ａ〜３ｄ）の偏向を測定する手段（１０）を持っている
    ものにおいて、
    ｄ）加速度センサ（１）が少なくとも２つの同一な個別センサ（２ａ〜２ｄ）から成り、
    ｅ）各個別センサ（２ａ〜２ｄ）が、その重心（Ｓａ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄ）に対して偏心して懸架され、かつ他の個別センサ（２ａ〜２ｄ）に対して１８０°回されており、
    ｆ）一方の個別センサ（２ａ〜２ｄ）の主感度軸（１１）が、基板（８）に対して垂直に延び、他方の個別センサ（２ａ〜２ｄ）の主感度軸（１１）が基板（８）に対して垂直に延びている
    ことを特徴とする、２軸モノリス加速度センサ。
  4. 環境の影響に対して密閉しかつ保護するため、基板（８）が下部覆い板（７）と上部覆い板（８）との間に設けられていることを特徴とする、請求項１又は２又は３に記載の加速度センサ。
  5. 各地震質量（３ａ〜３ｄ）の偏向が差容量測定により行われることを特徴とする、請求項１〜４の１つに記載の加速度センサ。
  6. 差容量測定のため、それぞれのねじりばね素子（４ａ〜４ｂ）により規定されるねじり軸の近くで上部覆い板（９）に、金属化されかつ互いに絶縁された面（１０ａ〜１０ｂ）が構造化されていることを特徴とする、請求項５に記載の加速度センサ。
  7. 面（１１ａ〜１１ｄ）が、それぞれのねじりばね素子（４ａ〜４ｂ）により規定されるねじり軸に対して対象に設けられていることを特徴とする、請求項６に記載の加速度センサ。
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