JP3544979B2 - ２質量体を用いる振動ビーム加速度計 - Google Patents

Description

（技術分野）
本発明は検出軸に沿つた加速度を測定する加速度計、特にクロス軸の加速による誤差を補償可能で、特殊な装着構造を必要としない、１平面に２つの質量体が構成される微細加工された振動ビーム加速度計に関する。
（背景技術）
振動ビーム加速度計自体は一般に当業者には周知である。このような加速度計の一例が米国特許第5,000,413号に開示されている。この加速度計には１平面上に一対の振動ビーム変換器が具備され、この加速度計の構成はプツシユプル型、即ち検出軸での加速により圧縮力が振動ビーム変換器の一に加わり、一方引張力が他方の振動ビーム変換器に加わる構成になる。このプツシユプル構成により、温度変化あるいはクロツク周波数の変動により生じた振動整流誤差若しくはある種の誤差のような各種共通モード誤差が補償される。この共通モード誤差の補償を最適化するため、力変換器はほぼ同一の共通モード応答を示すように構成する必要がある。これらの変換器にほぼ同一の共通モード応答を与えるための各種の構成が周知である。
例えば米国特許第5,000,413号に開示された加速度計は微細加工により形成される。即ちこの加速度計は一体形成回路の作成方法と同様の方法を採用してシリコン基板から作成される。この加速度計内にプツシユプル構成で変換器を形成するため、シリコン基板の対向面と隣接する複数の平面内、あるいは単一平面内に加速度計を形成してプツシユプル構成にする要がある。
特に振動ビーム変換器がシリコン基板の対向面と隣接する平面内に形成される構成の加速度計では、共通モード誤差が十分には補償されないことが周知である。これは変換器が異なる物理層からなるシリコン基板から形成されることに因る。異なる物理層からなるシリコン基板に振動ビーム変換器を形成することにより、変換器の共通モードの応答が十分には整合されないことも周知である。
この問題を解決するために、米国特許第5,000,413号に開示される加速度計ではシリコン基板の一方の平面と隣接する単一平面内に２つの振動ビーム変換器が形成される。単一平面内に２振動ビーム変換器を形成することにより、この変換器の共通モードの誤差応答が比較的良好に整合される。しかしながらこの構成の採用により別の問題も発生する。例えばこの構成では検出軸の回転偏位即ち傾斜が小さくなり、このためクロス軸の加速によつて加速度計の出力信号に誤差が生じ勝ちになる。検出軸SAの傾斜を補償するため、加速度計を特殊装着構造で装着して検出軸の傾斜を補償することも知られている。
検出軸SAの傾斜に関する問題は特殊装着構成を採用することにより補正できるが、この特殊装着構造の採用で解決できない別の問題が生じる。この問題はＧ入力の関数として表される検出軸SAの回転に関し、米国特許第5,000,413号に開示される加速度計を示す図１および図２を参照することにより理解されよう。特に加速度計20には２つの振動ビーム変換器22、24が具備され、これらの振動ビーム変換器はシリコン基板28の頂面26に隣接する単一平面内に設けられる。基準質量体30は一対の撓み体34、36によりシリコン基板28の頂面32と隣接する平面内にシリコン基板28の幅に沿つて支承され、一方撓み体はヒンジ軸HAを形成している。図２に最適に示されているが、基準質量体30の質量中心38とヒンジ軸HAとの間には振り子軸PAが形成される。質量中心38はシリコン基板28の厚さ方向のほぼ中心に配置され、また撓み体34、36が頂面32に沿つて形成されるためで、振り子軸PAはシリコン基板28の平面に対し平行にならない。この場合むしろ振り子軸PAはシリコン基板28の平面に対し図示のようにある角度、例えば６度、回転方向に偏位、即ち傾斜する。理論的によれば検出軸SAは振り子軸PAに対し垂直であるため、検出軸SAはシリコン基板28の平面に対し同一の角度だけ傾斜されることになる。
基準質量体30がヒンジ軸HAを中心に回転するに伴い、質量中心38も同様に回転する。この質量中心38の回転により、振り子軸PAも振り子軸PAの平面内で回転することにより、検出軸SAも回転する。検出軸SAのこの回転はＧ入力の関数で表される。ある周知の加速度計では、検出軸SAの回転が最大Ｇ入力で１ミリラデイアン台にできるので、その結果加速度計の出力信号に比較的大きな誤差が生じる。
（発明の開示）
本発明の１の目的は従来の各種問題を解決することにある。
本発明の別の目的は微細加工したプツシユプル構成の加速度計を提供することにある。
本発明の他の目的はシリコン基板の一平面内に形成され、クロス軸の加速による誤差を補償する２つの振動ビーム変換器を備えた、微細加工されプツシユプル構造の加速度計を提供することにある。
本発明の更に他の目的はシリコン基板の一平面内に形成され、特殊装着構造を必要としない２つの振動ビーム変換器を備えた、微細加工されプツシユプル構造の加速度計を提供することにある。
本発明の更に別の目的は検出軸SAの回転に起因する誤差を補償する微細加工されプツシユプル構造の加速度計を提供することにある。
簡潔に説明すれば、本発明はシリコン基板の１平面内に形成された２つの振動ビーム変換器を備える微細加工されたプツシユプル構成の加速度計に関し、この加速度計は一対の基準質量体が含まれ、基準質量体は対向する振り子軸を有する質量体の対向側部で振動ビーム変換器と対向するシリコン基板の１面と隣接する平面内において、撓み体により支承される。この加速度計は２つの振動ビーム変換器がプツシユプル構成となるように構成される（即ち検出軸SAに沿つた加速に応動して一方の変換器が引張力を受け、他方の変換器が圧縮力を受けるように構成される）。プツシユプル構成にするため、一方の振動ビーム変換器は一方の質量体のヒンジ軸と対向する側においてその質量体に連結され、他方の振動ビーム変換器が他方の質量体のヒンジ軸と同一側においてその質量体と連結される。この構成を採用することにより、比較的広い周波数範囲に亙り、クロス軸の加速が無効にされるのみならず、シリコン基板の平面に対し全体として垂直な有効検出軸SAが与えられるため、特殊装着構成が不要となり、入力軸の回転に関する問題も除去される。更にこの構成により電極の導電材料も基板の一方の側面上に蒸着可能であるから、加速度計の作成が簡素化され得る。
【図面の簡単な説明】
本発明の他の目的は以下の説明および添付図面から容易に理解されよう。
図１は米国特許第5,000,413号に開示されるような微細加工されプツシユプル構成の周知の加速度計の斜視図、図２は図１の線２−２に沿つて切断された図１の加速度計の断面図、図３は本発明による微細加工されたプツシユプル構成の加速度計の斜視図、図４は図３の線４−４に沿つて切断した図３の加速度計の断面図、図５は図３の線５−５に沿つて切断した図３の加速度計の断面図、図６は図３の加速度計に関するクロス軸の加速を無効にする構成を説明するベクトル図、図７は本発明の微細加工されプツシユプル構成の加速度計の他の実施例の斜視図、図８は図７の線８−８に沿つて切断した図７の加速度計の断面図、図９は図７の線９−９に沿つて切断した図７の加速度計の断面図である。
（発明を実施するための最良の形態）
図３には本発明による微細加工されたプツシユプル構成の加速度計の１の実施例の斜視図が示される。加速度計50は全体として平面状で、矩形のシリコン基板52で形成され、シリコン基板52は上面54と下面56とを有している（図４伴照）。シリコン基板52は周知のエツチング法によりエツチング処理されて、夫々質量中心62、64を有する振り子としての一対の基準質量体58、60が具備される。基準質量体58、60は撓み体68、70を介しシリコン基板52の一部（支承部66）に付設される。対をなす撓み体68、70は下面56と隣接するシリコン基板52の単層72内に形成される。撓み体68、70により、基準質量体58、60が支承部66に対しヒンジ軸HA1、HA2を中心に回転可能になる。基準質量体58、60が互いに対向した側において撓み体68、70により支承されるため、ヒンジ軸HA1、HA2は図３に示されるようにほぼ平行に離間される。
図４および図５に示されるように、振り子軸は基準質量体58、60の夫々に形成される。特に振り子軸PA1は基準質量体58に対し具備される。この振り子軸PA1はヒンジ軸HA1から基準質量体58の質量中心62を通り延長されている。同様に振り子軸PA2はヒンジ軸HA2から基準質量体60の質量中心64を通り延長されている。基準質量体58、60が相互に対向する側部において支承されるため、振り子軸PA1、PA2は図４および図５に示されるように互いに反対方向に延出する。
振り子軸PA1、PA2は夫々検出軸SA1、SA2を形成する。即ち基準質量体58の検出軸SA1は振り子軸PA1およびヒンジ軸HA1に対し垂直になる。同様に基準質量体60の検出軸SA2は振り子軸PA2およびヒンジ軸HA2に対し垂直になる。振り子軸PA1、PA2が互いに反対方向に延びているので、検出軸SA1、SA2は同様に互いに反対方向に延出する。
検出軸SA1、SA2の構成の採用により、クロス軸の加速成分が全てのＧ入力で無効にされ、従つてシリコン基板52の面に対しほぼ垂直に有効な検出軸が付与され、特殊装着構成が不必要になつて検出軸SAの不都合な回転が生じる問題も解決される。この様子を図６にベクトル図で示してある。特に以下に詳述するように、基準質量体58、60は図３に示されるように振動変換器74、76と共に支承部66に対し付設される。このような構成によつて図示の如く加速A_INがシリコン基板52の平面に対しほぼ垂直な方向に作用すると、振動変換器74が引つ張られ、一方振動変換器76が圧縮される。図６に示されるように、基準質量体58の加速は検出軸SA1に対しほぼ平行なベクトルA1により表されている。ベクトルA1にはクロス軸の加速A_C成分が含まれる。一方このクロス軸の加速成分は加速度計50における上記の構成により無効、即ち打ち消される。特に加速A_INによつて基準質量体60の加速A₂が生じる。振動変換器74が圧縮され振動変換器76が引つ張られるため、この加速は負の−A₁となる。またこの加速−A₁にもクロス軸の加速−A_Cが含まれる。一方この加速−A_Cが等しい反面、逆極性を有するため、クロス軸の加速A_Cが打ち消されることになる。基準質量体58、60のクロス軸の加速成分を打ち消すことにより、加速A_SUMがシリコン基板52の平面に対しほぼ垂直になり、この結果シリコン基板52の平面に対し正常時に垂直をなす加速度計50に有効な検出軸SAが付与される。有効な検出軸SAがシリコン基板52の平面に対し垂直をなすため、特殊装着構造が不要となる。更にこの構成によりクロス軸の加速成分が全てのＧ入力に対し打ち消されることにより、検出軸に不都合な回転が生じる問題も解決され得る。
振動変換器74、76は振動ビーム変換器として構成され、ビームの平面内で互いに位相が180度異なつて振動する一対のビームを有する。振動変換器74、76は、変換器に加わる力の変化により変換器の共振周波数が変化されるため、力を周波数に変換する力・周波数変換器として知られる。特にビームにほぼ平行な軸に沿つて加わる引張力により共振周波数が増加し、一方圧縮力により一般に共振周波数が減少される。
２つの振動変換器74、76がシリコン基板52の単一層77内に形成され、この２変換器は全体として互いに平行に、また各々の振り子軸PA1、PA2に対し平行にされ、且つ支承部66共通脚部82に連結されている。この構成により振動変換器74、76に対し実質的に同一の共通の応答が答えられるに加え、対をなす電極78、80をシリコン基板52の一方の側に形成することにより加速度計50の構造の簡素化が図られ得る。
対をなす撓み体68、70の構成により、振動変換器74がヒンジ軸HA1としての基準質量体58の対向側に配置され、一方振動変換器76は基準質量体60のヒンジ軸HA2と同一側に配置される。ヒンジ軸HA1、HA2に対し振動変換器74、76の構成を上述の如くすることにより、振動変換器74、76がプツシユプル構成にされる。特に上述の如く、図３においてその図面から出る方向に、シリコン基板52の平面に垂直に加速されると、振動変換器76が引つ張られ、振動変換器74が圧縮される。同様に図３の図面内に入る方向にシリコン基板の平面に対しほぼ垂直な方向に加速が加えられと振動変換器76が圧縮され、一方振動変換器74が引つ張られることにより、２つの振動変換器74、76間がプツシユプル構成にされることになる。
本発明の別の実施例が図７および図９に示される。図示の加速度計100は加速度計50と同様であり、２対の撓み体108、110を介在してシリコン基板106に付設された質量体102、質量体104が包有される。これらの対をなす撓み体108、110は夫々ヒンジ軸HA1、HA2をなすシリコン基板106の底面134と隣接するシリコン基板106の層112内に形成される。加速度計100の一対の振動変換器114、116は支承部118と質量体102、104との間に連結される。
振動変換器114、116のビームが中心から外れた位置にあるための、各々の振り子軸PA1、PA2を中心とするねじれを防止するため、一対の支柱120、122が設けられる。支柱120、122はシリコン基板106の頂面124と隣接する層123内に形成され得る。これらの支柱120、122は各々ヒンジ軸HA1、HA2と対向する質量体102、104の側に位置するよう形成される。支柱120、122を収納し、且つ振動変換器114、116の共通モード誤差に対し反応を良好に整合させるため、振動変換器74、76がヒンジ軸HA2を架橋するよう連結される加速度計50と異なり、振動変換器114、116が夫々支承部118と質量体102、104の側部126、128との間において図７に示されるようにヒンジ軸HA2と隣接させて各々付設される。この構成により振動変換器114、116が振動変換器74、76と同様にプツシユプル構成にされる。
図３および図７に示す加速度計50、100は周知のシリコンを微細加工する技術を用いた各種の方法で作成可能である。例えばシリコン基板52、106はその両面が各種の結晶平面に沿つて配向されるほぼ平面態様で矩形の基板から作成される。Ｎ型エピタキシヤル層130は上面54、124上で成長可能である。第２のＮ型エピタキシヤル層134が下面56、112の上で成長可能である。次にシリコン基板52、106がエツチング処理されて図３および図７に示される構造が得られ、電気化学的なエツチング抑止装置により、振動変換器74、76、114、116のエピタキシヤル層130からのエツチング処理が防止され、また撓み体68、70、108、110のエピタキシヤル層134からのエツチング処理も防止され、一方他部の大半のシリコンが深くエツチング処理される。
加速度計50、100に振動ビームの力変換器を採用する実施例に沿つて説明したが、本発明の原理は他の種類の変換器、例えば圧電抵抗歪み計までは圧電変換器のような変換器を用いる加速度計にも適用可能である。全ての実施例において、変換器の熱膨張係数を基準質量体または支承部の材料の熱膨張係数と一致させて変換器に加わる熱的制限を当初に行うことが望ましい。シリコンを微細加工する構成においては、ドーピング濃度を制御することにより達成される。
本発明は上述した構成に対し各種の設計変更が可能である。従つて本発明は上述していない構成であつても添付の請求の範囲の範囲内で実施可能な構成を採用できることは理解されよう。

Claims (7)

1. 平面を有する支承体（52、106）、第１及び第２の質量中心（62、64）を有する第１及び第２の質量体（58、60、102、104）、第１及び第２の撓み体（68、70、108、110）、支承体（52、106）と第１の質量体（58、102）の間に配置される第１の力変換器（74、114）、及び支承体（52、106）と第２の質量体（60、104）の間に配置される第２の力変換器（76、116）を含み、
   第１及び第２の撓み体は、それぞれ第１及び第２の質量体（58、60、102、104）を支承体（52、106）に回転可能に連結し、それぞれ第１及び第２のヒンジ軸（HA1、HA2）を有し、それぞれ第１及び第２のヒンジ軸（HA1、HA2）と第１及び第２の質量中心（62、64）の間に第１及び第２の振り子軸（PA1、PA2）を形成し、第１及び第２の振り子軸（PA1、PA2）は支承体（52、106）の平面に対し所定の回転変位位置に配置され、
   第１の力変換器（74、114）と第２の力変換器（76、116）は、支承体の平面に垂直方向の加速度により、一方の力変換器に圧縮力が加わり、他方の力変換器に引張力が加わるプッシュプル関係に配置される加速度計（50、100）。
2. 前記第１の力変換器（74、114）及び第２の力変換器（76、116）は振動ビーム変換器である請求項１の加速度計。
3. 前記第１及び第２の振り子軸（PA1、PA2）に対する捩れ移動を防止する捩れ防止装置を含む請求項２の加速度計。
4. 前記捩れ防止装置は支柱（120、122）を含む請求項３の加速度計。
5. 前記支柱（120、122）は各々のヒンジ軸と対向する第１及び第２の質量体（102、104）の端部と隣接して配置される請求項加速度計。
   を含む請求項３の加速度計。
6. 前記第１及び第２の力変換器（74、76、114、116）は第１及び第２のヒンジ軸（HA1、HA2）の一方を架橋するように設けられる請求項１の加速度計。
7. 前記第１及び第２の力変換器（74、76、114、116）は第１及び第２のヒンジ軸（HA1、HA2）の一方と隣接して配置される請求項１の加速度計。

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