JP2014059303A - 地震計などのデバイスに用いられる、マイクロ機械加工により製作され、プルーフマスが一体的に形成された、改良したサスペンション・プレート - Google Patents
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Abstract
【解決手段】サスペンション・プレート2はワンピース部品として形成され、外側枠体と、一対の可撓性エレメント集合体と、可撓性エレメント集合体の間に設けられた一体型のプルーフマス8とを備える。可撓性エレメント6はプルーフマス8をサスペンションの平面内の感度軸方向に可動にすると共に、全ての軸外方向への移動を規制する。プルーフマス8の軸外方向の移動は可撓性エレメント6の間に配設された複数の中間枠体を用いることで、非常に小さなものとなっている。中間枠体には、運動規制手段を備え、過大な荷重が作用したときに、中間枠体同士のそれ以上の相対移動を阻止する。電源オフ状態にあるときにダンピング作用を提供するダンピング構造を備えたものとする。
【選択図】図1
Description
ACCELEROMETER、出願日2002年1月25日)に言及することにより、同米国特許出願の主題
及び明細書の全記載内容を、それらが本明細書に実際に記載されている場合と全く同様に、本件特許出願の開示に組み込むものである。
新規な構成が開示されており、その平面型サスペンション構造は、サスペンション・プレートと少なくとも1枚の固定された容量性プレートとを備えたものである。従来の地震計が、独立した部品としたプルーフマス(慣性質量)を、スプリングを介して外側枠体上に支持した構造であるのと対照的に、マイクロ機械加工により製作されたこのサスペンション・プレートは、ワンピース部品として形成されており、外側枠体と、一対の可撓性エレメント集合体と、それら可撓性エレメント集合体の間に設けられた一体型のプルーフマス(慣性質量)とを備えている。それら可撓性エレメントは、プルーフマスをサスペンション・プレートの延在平面内の一方向である感度軸方向に可動にし、感度軸方向以外の方向である全ての軸外方向の運動を可及的に規制している。
極の形状、取付形態、及び配設位置に影響を及ぼすものである。更に、それら方法は、安定した動作を可能にはするが、それと引き替えに、振動系の振幅応答及び位相応答に悪影響を及ぼすおそれがある。従って、目標帯域幅の中に本来の振動以外の共振が存在しないようにするための別の方法が求められている。
間枠体を用いることによって面外方向の剛性が向上するため、固定電極とプルーフマス電極との間のトランスデューサ・ギャップの変動を、非常に小さなものとすることができる。
な改良を提供するものである。
下して行き、即ち性能が低下して行く。これによって影響される排除比(Rmassload)の値は下記の経験式で与えられる。
て行く。従って、中間枠体の個数を増やすにつれて軸内方向のスプリアス振動の振動周波数は低下して行く。一方、軸外方向の共振周波数は下式で与えられる。
レメント集合体に含まれる可撓性エレメントの本数である。この式は比例関係を表しており、その比例定数は、中間枠体の個数には殆ど全く影響されることはない。この構成例において、中間枠体の個数を増やして行くと(可撓性エレメントの総数を一定とするならば)nspringsの値は低下して行き、従って、中間枠体の個数を増やすと、軸外方向のスプ
リアス振動の振動周波数は上昇する。最終目標は「スプリアス振動が存在しない」周波数領域の上限周波数を可及的に高めることにあるため、この最終目標を達成するように中間枠体の個数を最適化すればよい。その他のパラメータを一定とすることにより、具体的な構成例におけるそれら2つの影響をグラフに表すことができる。
したようになる。
向のスプリアス・モード排除比は急速に上昇しており、従って、全体的な傾向としては、中間枠体の個数を増やすほど性能が向上している。
ストン601は、最終段の(最外側の)中間枠体605に、外側へ向けて設けるようにすることが好ましく、そうした場合に、ピストンに対応する嵌合開口602は、サスペンション・プレートの外側枠体607の内側面に、内側へ向けて設けるようにする。最外側の中間枠体605がサスペンション・プレートの外側枠体607の内側面に近付いて行くと、ピストン601が嵌合開口602に嵌合してその中へ進入し、それによって、その中間枠体がサスペンション・プレートの外側枠体の表面に接触する前に、ダンピング作用が発生するようになっている。
もし、サスペンション・プレートを容量性プレートとは別個に製作するのであれば、プルーフマスに作用する重力が、容量性プレートの各々に対してプルーフマスがそれらの中央に位置することに対して、影響を及ぼすことになり、ひいては、装置全体を構成したときの各プレートに関する測定値に悪影響を及ぼすことになる。
Claims (26)
- 加速度計において、
サスペンション・プレートを備え、該サスペンション・プレートは、マイクロ機械加工により中央にプルーフマスが形成され該プルーフマスの両側に複数の可撓性エレメントが形成されており、前記複数の可撓性エレメントは、前記プルーフマスを該サスペンションの延在平面内の一方向に可動にし、その他全ての方向の運動を規制しており、該サスペンション・プレートは更に、マイクロ機械加工により形成され前記複数の可撓性エレメントの間に介設された少なくとも1つの中間枠体を備えており、
トランスデューサを備え、該トランスデューサは、固定されたプレートの表面に設けられた第1容量性センサ・アレイと前記プルーフマスの表面に設けられた第2容量性センサ・アレイとの間の結合容量を検出することにより、前記固定されたプレートに対する前記プルーフマスの相対位置を検出するものであり、
前記プルーフマスを運動させるためのアクチュエーション信号を発生して送出するアクチュエータを備え、
フィードバック電子回路を備え、該フィードバック電子回路は、前記トランスデューサにより検出された前記プルーフマスの相対位置に基づいて、前記アクチュエータを制御するためのフィードバック信号を発生し、それによって、前記アクチュエーション信号に操作を加え、もって前記プルーフマスの運動を目標パラメータ範囲内で制御するものであり、
前記アクチュエーション信号を測定し、その測定値の関数として前記プルーフマスの運動の加速度成分を検出する手段と、
を備えたことを特徴とする加速度計。 - 前記フィードバック信号が前記アクチュエータを制御することにより、前記トランスデューサの1周期の中で前記プルーフマスを略々中立位置に維持するようにしていることを特徴とする請求項1記載の加速度計。
- 更に速度センサを備え、該速度センサは、前記フィードバック電子回路の内部の電圧を測定し、その測定値の関数として前記プルーフマスの運動の速度成分を算出することによって、前記プルーフマスの運動の速度成分を検出するものであることを特徴とする請求項1記載の加速度計。
- 更に限度位置規制電子回路を備え、該限度位置規制電子回路は、前記アクチュエータが発生した前記アクチュエーション信号を受取り、該アクチュエーション信号が所定限度を超えていたならば、該アクチュエーション信号を一時的に零設定するものであり、前記所定限度は、前記プルーフマスが前記トランスデューサの繰り返し距離の2分の1を実質的に超過する距離を運動したときの信号に対応していることを特徴とする請求項1記載の加速度計。
- 前記アクチュエータが静電アクチュエータであることを特徴とする請求項1記載の加速度計。
- 前記静電アクチュエータが、複数のアクチュエータ・プレートから成るアクチュエータ・プレート・セットを含んでおり、前記複数のアクチュエータ・プレートのうちには前記固定されたプレートに設けられているものと前記プルーフマスに設けられているものとがあり、前記複数のアクチュエータ・プレートは、前記アクチュエーション信号を受取って前記プルーフマスを運動させるのに十分な力を発生するように配設されていることを特徴とする請求項5記載の加速度計。
- 前記力が、前記アクチュエーション信号の線形関数として発生されることを特徴とする請求項6記載の加速度計。
- 前記アクチュエータが電磁アクチュエータであることを特徴とする請求項1記載の加速度計。
- 前記電磁アクチュエータが、
固定外部磁気回路を備え、該固定外部磁気回路は前記プルーフマスの両側の各々に2組のマグネット・セットを有しており、
前記プルーフマスに設けられたメイン・フィードバック・コイル及び積分フィードバックコイルを備え、
前記トランスデューサにより検出された前記プルーフマスの位置を利用するようにした外部フィードバック回路を備え、該外部フィードバック回路は、前記メイン・フィードバック・コイルと前記積分フィードバック・コイルとに夫々に独立したフィードバック電流を供給し、それによってそれら2つのコイルと前記複数のマグネットとの間の電磁相互作用を励起し、それによって前記プルーフマスの運動及び位置を制御するものであり、前記メイン・フィードバック・コイル及び前記積分フィードバック・コイルは、前記トランスデューサへ入力する速度入力信号及び位置入力信号を零位調整するものであり、
限度位置規制電子回路を備え、該限度位置規制電子回路は、前記積分フィードバック・コイルに供給されたフィードバック電流が所定限度を超えた時に、該フィードバック電流を一時的に零設定するものであり、前記所定限度は、前記プルーフマスが前記トランスデューサの繰り返し距離の2分の1を実質的に超過するいずれかの方向の距離を運動したときの信号に対応している、
ことを特徴とする請求項8記載の加速度計。 - 前記プルーフマスが、互いに接合された2枚のウェーハで構成されており、前記積分フィードバック・コイルが前記2枚のウェーハの間の中央に設けられており、それによって対称的なアクチュエーションが行われるようにしてあることを特徴とする請求項9記載の加速度計。
- 前記外部フィードバック回路が、前記メイン・フィードバック・コイル及び前記積分フィードバック・コイルを相互コンダクタンスの形態で駆動するようにしてあることを特徴とする請求項9記載の加速度計。
- トランスデューサにおいて、
少なくとも1枚の固定された容量性プレートを備え、
前記固定されたプレートの表面に設けられた第1容量性センサ・アレイを備え、該第1容量性センサ・アレイは周期的パターンを成す複数の導電性エレメントを有しており、
サスペンション・プレートを備え、該サスペンション・プレートは複数の可撓性エレメントにより支持されたプルーフマスを有しており、前記複数の可撓性エレメントは前記プルーフマスの運動を単一の軸方向の運動だけに規制するものであり、前記複数の可撓性エレメントは複数の枠体に係合しており、
前記プルーフマスの表面に設けられた第2容量性センサ・アレイを備え、該第2容量性センサ・アレイは、前記第1容量性センサ・アレイの周期性と同一の周期性を持つ周期的パターンを成す複数の導電性エレメントを有しており、前記第1容量性センサ・アレイ及び前記第2容量性センサ・アレイは、前記プルーフマスの運動の方向と平行な方向を持つアレイであり、前記第1容量性センサ・アレイ及び前記第2容量性センサ・アレイは、それらの周期性の方向が共通していると共に間隔をあけて互いに対向しており、
前記固定されたプレートに設けられた前記第1容量性センサ・アレイに接続するための電気的接続手段を備え、該電気的接続手段によって、外部構成要素から、周期的パターンを成す前記第1容量性センサ・アレイを介して周期的パターンを成す前記第2容量性センサ・アレイへ、周期的励振信号を結合できるようにしてあり、これにより結合される信号は0%から100%までの範囲内で変動し、且つ、前記固定されたプレートに対する前記プルーフマスの周期的相対位置の指標となる信号であり、
前記プルーフマスに設けられた前記第2容量性センサ・アレイに接続するための電気的接続手段を備え、該電気的接続手段は、前記第1容量性センサ・アレイから前記第2容量性センサ・アレイへの結合によって発生した信号を外部電子回路へ伝達するものであり、該外部電子回路が、前記第1容量性センサ・アレイと前記第2容量性センサ・アレイとの間の結合のパーセンテージを判定して、前記固定されたプレートに対する前記プルーフマスの相対位置を表す信号に変換するようにしてある、
ことを特徴とするトランスデューサ。 - 加速度計において、
サスペンション・プレートを備え、該サスペンション・プレートは、マイクロ機械加工により中央にプルーフマスが形成され該プルーフマスの両側に複数の可撓性エレメントが形成されており、前記複数の可撓性エレメントは、複数の枠体に係合されており、且つ、前記プルーフマスを該サスペンション・プレートの延在平面内の単一の軸方向に可動にしており、
トランスデューサを備え、該トランスデューサは、固定されたプレートの表面に設けられた第1容量性センサ・アレイと前記プルーフマスの表面に設けられた第2容量性センサ・アレイとの間の結合容量を検出することにより、前記固定されたプレートに対する前記プルーフマスの相対位置を検出するものであり、
前記プルーフマスを運動させるためのアクチュエーション信号を発生して送出するアクチュエータを備え、
フィードバック電子回路を備え、該フィードバック電子回路は、前記トランスデューサにより検出された前記プルーフマスの相対位置に基づいて、前記アクチュエータを制御するためのフィードバック信号を発生し、それによって、前記アクチュエーション信号に操作を加え、もって前記プルーフマスの運動を目標パラメータ範囲内で制御するものであり、
前記アクチュエーション信号を測定し、その測定値の関数として前記プルーフマスの運動の加速度成分を検出する手段と、
を備えたことを特徴とする加速度計。 - 前記フィードバック信号が前記アクチュエータを制御することにより、前記トランスデューサの1周期の中で前記プルーフマスを略々中立位置に維持するようにしていることを特徴とする請求項13記載の加速度計。
- 更に速度センサを備え、該速度センサは、前記フィードバック電子回路の内部の電圧を測定し、その測定値の関数として前記プルーフマスの運動の速度成分を算出することによって、前記プルーフマスの運動の速度成分を検出するものであることを特徴とする請求項13記載の加速度計。
- 更に限度位置規制電子回路を備え、該限度位置規制電子回路は、前記アクチュエータが発生した前記アクチュエーション信号を受取り、該アクチュエーション信号が所定限度を超えていたならば、該アクチュエーション信号を一時的に零設定するものであり、前記所定限度は、前記プルーフマスが前記トランスデューサの繰り返し距離の2分の1を実質的に超過する距離を運動したときの信号に対応していることを特徴とする請求項13記載の加速度計。
- 前記複数の可撓性エレメントが2本の軸心方向における平面内運動を許容するものであり、該平面内運動が、周期性の方向を前記2方向の夫々に揃えた互いに独立したセンサ・アレイから成る第2組のセンサ・アレイによって検出されるようにしてあることを特徴とする請求項13記載の加速度計。
- 前記アクチュエータが静電アクチュエータであることを特徴とする請求項13記載の加速度計。
- 前記静電アクチュエータが、複数のアクチュエータ・プレートから成るアクチュエータ・プレート・セットを含んでおり、前記複数のアクチュエータ・プレートのうちには前記固定されたプレートに設けられているものと前記プルーフマスに設けられているものとがあり、前記複数のアクチュエータ・プレートは、前記アクチュエーション信号を受取って前記プルーフマスを運動させるのに十分な力を発生するように配設されていることを特徴とする請求項18記載の加速度計。
- 前記力が、前記アクチュエーション信号の線形関数として発生されることを特徴とする請求項19記載の加速度計。
- 前記アクチュエータが電磁アクチュエータであることを特徴とする請求項13記載の加速度計。
- 前記電磁アクチュエータが、
固定外部磁気回路を備え、該固定外部磁気回路は前記プルーフマスの両側の各々に2組のマグネット・セットを有しており、
前記プルーフマスに設けられたメイン・フィードバック・コイル及び積分フィードバックコイルを備え、
前記トランスデューサにより検出された前記プルーフマスの位置を利用するようにした外部フィードバック回路を備え、該外部フィードバック回路は、前記メイン・フィードバック・コイルと前記積分フィードバック・コイルとに夫々に独立したフィードバック電流を供給し、それによってそれら2つのコイルと前記複数のマグネットとの間の電磁相互作用を励起し、それによって前記プルーフマスの運動及び位置を制御するものであり、前記メイン・フィードバック・コイル及び前記積分・フィードバック・コイルは、前記トランスデューサへ入力する速度入力信号及び位置入力信号を零位調整するものであり、
限度位置規制電子回路を備え、該限度位置規制電子回路は、前記積分フィードバック・コイルに供給されたフィードバック電流が所定限度を超えた時に、該フィードバック電流を一時的に零設定するものであり、前記所定限度は、前記プルーフマスが前記トランスデューサの繰り返し距離の2分の1を実質的に超過するいずれかの方向の距離を運動したときの信号に対応している、
ことを特徴とする請求項21記載の加速度計。 - 前記プルーフマスが、互いに接合された2枚のウェーハで構成されており、前記積分フィードバック・コイルが前記2枚のウェーハの間の中央に設けられており、それによって対称的なアクチュエーションが行われるようにしてあることを特徴とする請求項22記載の加速度計。
- 前記外部フィードバック回路が、前記メイン・フィードバック・コイル及び前記積分フィードバック・コイルを相互コンダクタンスの形態で駆動するようにしてあることを特徴とする請求項22記載の加速度計。
- 校正用入力を供給するための更なる静電アクチュエータを備えたことを特徴とする請求項18記載の加速度計。
- 校正用入力を供給するための更なる電磁アクチュエータを備えたことを特徴とする請求項21記載の加速度計。
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