JP3599357B2 - ガスレートセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、センサ本体に角速度が作用したときに生ずるガス流の偏向状態を電気的に検出するガスレートセンサ（ガス式角速度検出器）に関し、特にガスを循環させるためのポンプの脈動によってガス流が脈動し、センサ出力の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）が悪化するのを防止するようにしたガスレートセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ガスレートセンサにあっては、ガスを封入した容器内でポンプを駆動することにより、センサ本体に形成したノズル孔からガス通路内に設けられた一対の感熱抵抗素子に向けてガスを噴出しておき、外部から角速度運動が加わってガス通路内を流れるガス流が偏向したときに感熱抵抗素子に生じた各感熱出力の差に応じた検出信号を取り出して、そのときのセンサ本体に作用している角速度の向きおよび大きさを検出するようにしている。
【０００３】
最近、この種のガスレートセンサにあっては、ガス通路およびそのガス通路内に設けられる一対の感熱抵抗素子からなるセンサ本体部分を、ＩＣ製造技術を利用した半導体基板のマイクロマシニング加工によって形成した超小形のものが開発されている（特開平３−２９８５８号公報参照）。
【０００４】
【解決しようとする課題】
このようなガスレートセンサでは、ポンプを駆動してガス通路内にガス流を生じさせるが、センサ全体を小形化するためにピエゾ振動子を用いたピエゾポンプを採用している。ガス通路の容積が比較的大きい従来のガスレートセンサにあっては、吸気，排気を交互に繰り返すポンプの駆動に起因してガス流に生ずる脈動や不正脈等のノイズ成分がガス通路内で緩衝されてあまり問題にならなかった。しかし、センサ本体が小形化されるにしたがってそのガス通路内におけるガス流の脈動等のノイズ成分の影響があらわれ、そのノイズ成分がガス流を乱してセンサ出力がふらついて角速度の検出精度が低下してしまうという問題がある。
【０００５】
そこで、本出願人は、ポンプの駆動に起因してガス流に生ずる脈動等のノイズ成分を緩衝させるための屈曲流路または複数のフィンが突出形成された流路を介してポンプとガス通路を接続する構造を、特願平４−１３５５３６号で提案している。
【０００６】
この構造は屈曲段数を増加するほど脈動を軽減することができるが、屈曲流路部分の流路抵抗が増加するためガスの流速が低下し、センサの検出感度が低下するという問題がある。
【０００７】
また、特願平４−１３５５３６号の図面に示したようにガス通路内に屈曲流路を設ける構造の場合、ガス通路の流入口とポンプの吐出側とは比較的小さな流路抵抗で接続され、同様にガス通路の流出口とポンプの吸入側とは比較的小さな流路抵抗で接続されているため、ポンプの駆動に伴う圧力の変化や駆動音による音圧の変化が、ガス通路の流入口ならびに流出口へ伝達されやすく、これらの影響によってガス通路内のガス流が脈動を生ずるという問題が残されていた。
【０００８】
この発明はこのような課題を解決するためなされたもので、その目的はポンプ駆動に伴うガス圧の脈動やポンプ駆動音の音圧変化によって、センサ本体が設けられているガス通路内のガス流が乱されないようにしたガスレートセンサを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため請求項１に係るガスレートセンサは、ガス通路内に一対の感熱抵抗素子を備えたセンサ本体と、ガス通路にガス流を発生させるためのポンプとを容器内に収納するとともに、この容器内にガスを封入し、ポンプの駆動によってガス通路内にガス流を生じさせ、角速度が作用したときのガス流の偏向によって感熱抵抗素子に生じた抵抗値の変化から角速度を検出するようにし、ガスを循環するようにしたガスレートセンサにおいて、ポンプの吐出側とガス通路の流入口との間に、ポンプの駆動によるガス圧の脈動を抑止するための脈動抑止部屋を設けるとともに、脈動抑止部屋は、複数の小部屋に区画され、各小部屋が連通孔により連通され、ポンプの駆動に伴って発生する音を減衰させて、センサ本体へ供給するガスの流れを平滑・安定化させてガスを循環するように構成されており、さらに、ガス通路の流出口とポンプの吸入側との間に、ポンプの駆動によるガス圧の脈動によってガス通路の流出口側の圧力が変動するのを抑止するための背圧変動抑止部屋を設けるとともに、背圧変動抑止部屋は、複数の小部屋に区画され、各小部屋が連通孔により連通され、ポンプの駆動音がセンサ本体の流出口からガス通路へ伝達され、ガス通路内のガスの流れを乱さないでガスを循環するように構成されていることを特徴とする。
【００１０】
【作用】
請求項１に係るガスレートセンサは、ポンプの吐出側とガス通路の流入口との間に脈動抑止部屋を設けたので、この脈動抑止部屋でポンプ駆動に伴うガス圧の脈動が平滑化され、また、ポンプ駆動音が減衰される。よって、ガス通路内のガスの流れを層流化することができ、センサ出力の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を改善できる。
【００１１】
また、請求項１に係るガスレートセンサは、ガス通路の流出口とポンプの吸入側との間に背圧変動抑止部屋を設けたので、ポンプ駆動に伴うガス圧力の変動やポンプ駆動音の音圧変化によって、ガス流出口側の圧力が変動するのを抑止する。よって、ガス通路内のガスの流れを層流化することができ、センサ出力の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を改善できる。
【００１２】
【実施例】
以下この発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
図１はこの発明に係るガスレートセンサの縦断面図、図２は外囲器を除いた同センサの分解斜視図である。
この発明に係るガスレートセンサ１は、例えば鉄ニッケル合金（ＳＰＣＥ）からなる基台２と、基板３上に取り付けられたセンサ本体４と、ピエゾポンプ５と、脈動抑止部屋６と、背圧変動抑止部屋７と、外囲器８等からなる。基台２の全周囲を箱型の外囲器８で覆って密閉した容器９を形成し、この容器９内にガス（例えばヘリウムガス）を封入している。
【００１３】
図２に示すように、基台２には複数の外部端子２ａが植設され、これらの外部端子２ａを介して電源の供給，ピエゾポンプの駆動，検出出力の取り出し等がなされる。また、基台２には、基板３が例えば４個のスペーサ２ｂを介してねじ止めされ、直方体状の取付座２ｃは溶接される。
【００１４】
基板３には、図示していないが、センサ本体４内に設けた一対の感熱抵抗素子４４ａ，４４ｂと組み合わされてブリッジ回路を形成するための固定抵抗と、ブリッジ回路の出力を増幅する直流増幅回路とを実装している。そして、ＨＩＣ基板３の例えば両端部に形成した各電極３ａと基台２に植設した各外部端子２ａとの間を、例えばアルミニウム線２ｄを用い超音波ボンディングによって接続している。
【００１５】
取付座２ｃには取付アングル２ｅをねじ止め等で取り付け、この取付アングル２ｅを介してピエゾポンプ５ならびに脈動抑止部屋６を固定している。
脈動抑止部屋６の流出口６ａは、一方の接続管１０を介してセンサ本体４のガス流入口４ａへ接続している。
センサ本体４のガス流出口４ｂは、他方の接続管１１を介して背圧変動抑止部屋７の流入口７ａへ接続している。なお、この実施例では、センサ本体４のガス流出口４ｂの上方に、接続管１１を介して背圧変動抑止部屋７を取り付ける構造を示したが、図示しない取付アングル等を介して背圧変動抑止部屋７を取り付けるようにしてもよい。
【００１６】
図３はセンサ本体の一例を示す分解斜視図である。
センサ本体４は、下側半導体基板４１と上側半導体基板４２とを組み合わせて構成している。各半導体基板４１，４２は、ガス通路４ｃを形成する半溝とノズル孔４ｄを形成する半孔をエッチングによって形成しており、それぞれの半溝ならびに半孔を突き合わせるに重ねて各半導体基板４１，４２を接着することによって、ガス通路４ｃおよびノズル孔４ｄを形成している。
【００１７】
下側半導体基板４１は、ノズル孔４ｄよりも下流側の側壁上面４１ａ，４１ｂ間に半導体膜４３を橋架するように形成し、この半導体膜４３に一対の感熱抵抗素子４４ａ，４４ｂを設けている。各感熱抵抗素子４４ａ，４４ｂは、半導体膜４３の上面に感熱抵抗素子の材料となる白金等の金属を蒸着もしくは結晶成長等によって形成した後に、それをエッチングして所定のパターンを形成している。 上側半導体基板４２には、ガス流入口４ａおよびガス流出口４ｂをそれぞれ設けている。
【００１８】
図１に示すようにピエゾポンプ５は、ポンプケース５ａ内にピエゾ素子５１，５１とダイアフラム５２を備える。ピエゾ素子５１，５１はダイアフラム５２の両面に設けている。図示していないが、各ピエゾ素子５１，５１にはリード線が接続されており、各ピエゾ素子５１，５１に例えば周波数５〜６キロヘルツの交番信号もしくはパルス信号を印加し、各ピエゾ素子５１，５１を伸び縮みさせることでダイアフラム５２へ駆動し、ポンプ室吸入口５３からポンプ室５４へ吸入したガスを吐出口５５から脈動抑止部屋６へ吐出するよう構成している。
なお、ポンプ室吸入口５３の上流側には前気室５６を設け、吸入口５７から取り込まれたガスは、前気室５６内に設けた遮音用のフィルタ５８を介してポンプ室吸入口５３からポンプ室５４内へ吸入される構造としている。
【００１９】
脈動抑止部屋６は、吸気，排気動作を交互に繰り返すピエゾポンプ５の吐出口５５から吐出されるガス圧ならびにガス流の変動を抑止するとともに、ポンプ駆動に伴って発生する音を減衰させて、センサ本体４へ供給するガスの流れを平滑・安定化させるもので、図１に示すように比較的大きな内容積を有する単一の部屋で形成してもよいが、ガスの流れの平滑化効果ならびに消音効果を向上させるため、図４に示すように脈動抑止部屋６内を複数の小部屋に区画する構造としてもよい。
【００２０】
図４は脈動抑止部屋の他の構造例を示す模式図である。
図４（ａ）に示す脈動抑止部屋６１は、脈動抑止部屋６１内を第１〜第３の小部屋６１ａ，６１ｂ，６１ｃに区画し、各小部屋間を連通させる連通孔６１ｄ，６１ｅを設けたものである。
ピエゾポンプ５の吐出口５５（図示しない）に接続される流入口６ｂから送給されたガスは、第１〜第３の小部屋６１ａ，６１ｂ，６１ｃをその順に経由して流出口６ａからセンサ本体４へ供給される。
【００２１】
流入口６ｂから第１の小部屋６１ａに流入したガス流が直接第２の小部屋６１ｂに流れ込まないように連通孔６１ｄの位置を設定している。また、第１の小部屋６１ａは、ピエゾポンプ５の駆動によって発生するポンプ駆動音の主周波数成分に対して共振しないように小部屋６１ａの長さＬ１および内容積を設定している。そして、この第１の小部屋６１ａで、ピエゾポンプ５の駆動周波数に対応するガス流の変動およびポンプ駆動音を主に減衰させた後に、第１の小部屋６１ａよりも内容積の大きい第２，第３の小部屋６１ｂ，６１ｃで、前記主周波数成分よりも低い周波数のガス流の脈動ならびに音を減衰させ、平滑化されたガス流を流出口６ａからセンサ本体４へ供給へ供給するようにしている。
【００２２】
図４（ｂ）に示す脈動抑止部屋６２は、第１の小部屋６２ａに、ピエゾポンプ５の駆動によって発生する音の主周波数成分に共鳴する共鳴室（レゾネータ）６２Ｒ，６２Ｒを設け、この共鳴室６２Ｒ，６２Ｒで主周波数成分の音のエネルギを吸収させて、第２，第３の小部屋６２ｂ，６２ｃへ伝達されるポンプ駆動音のエネルギを減衰させるようにしたものである。
【００２３】
図４（ｃ）に示す脈動抑止部屋６３は、図４（ａ），（ｂ）の構造を組み合わせて、５種類の小部屋を設けたものである。特に、第２および第３の小部屋６３ｂ，６３ｃはガス流方向の寸法を、ポンプ駆動音の基本周波数の音波がガス中を伝搬する際の波長λの整数分の１に設定することで、基本周波数成分の音のエネルギを効果的に減衰させるようにしている。
【００２４】
ピエゾポンプ５は吸気，排気動作を周期的に繰り返すので、吸気時には密閉した容器９内のガスがピエゾポンプ５の吸入口５７から吸入される。このため、容器９内のガス圧の変動ならびにガス流の変化が周期的に発生する。
背圧変動抑止部屋７は、このような容器９内のガス圧の変動ならびにガス流の変化、ならびに、ピエゾポンプ５のポンプケース５ａ等を介して放射されるポンプ駆動音が、センサ本体４のガス流出口４ｂからガス通路４ｃへ伝達され、ガス通路４ｃ内のガスの流れを乱すのを防止するためのものである。
【００２５】
このため、図１に示すように、センサ本体４のガス流出口４ｂの下流側に所定の容積を有する区画された部屋を設け、この背圧変動抑止部屋７内と容器９内とを放出孔７ｂを介して連通させることで、センサ本体４のガス流出口４ｂの下流側からの影響を除去するようにしている。
なお、この背圧変動抑止部屋７は図１に示すように単一の部屋で構成してもよいが、図５に示すように複数の小部屋から構成してもよい。
【００２６】
図５は背圧変動抑止部屋の他の構造例を示す模式図である。
図５（ａ）に示す背圧変動抑止部屋７１は、流入口７ａが設けられた中央小部屋７１ａとその両側に設けられた各小部屋７１ｂ，７１ｃとを備え、流入口７ａから中央小部屋７１ａへ送給されたガスを、一方は連通孔７１ｄ，左側の小部屋７１ｂ，左側の放出孔７１ｅを介して、他方は連通孔７１ｆ，右側の小部屋７１ｃ，右側の放出孔７１ｇを介して容器９内へ放出するようにしたものである。
二つの経路が並設される構造であるので、流路抵抗が軽減される。
【００２７】
図５（ｂ）に示す背圧変動抑止部屋７２は、その中を６個の小部屋７２ａ〜７２ｆに区画するとともに、各小部屋間を連通される連通孔７２ｇ〜７２ｋならびに放出孔７２ｌを設けて、流入口７ａから送給されたガスを図示の矢印で示すように各小部屋７２ａ〜７２ｆを経由して、放出孔７２ｌから容器９内へ放出するようにしたものである。部屋数が多いので背圧変動による影響を効果的に抑止できる。
【００２８】
なお、脈動抑止部屋６ならびに背圧変動抑止部屋７の内壁に吸音材を貼り付けて、消音効果を増大させるようにしてもよい。
また、複数の小部屋を備える脈動抑止部屋６１，６２，６３ならびに背圧変動抑止部屋７１，７２においては、各小部屋の仕切壁を吸音材で形成し、消音効果を増大させるようにしてもよい。
【００２９】
次に、以上の構成に基づく作用を説明する。
ピエゾポンプ５を駆動すると、容器９内のガスは前気室５６の吸入口５７から吸入され、吐出口５５から脈動抑止部屋６へ吐出される。この脈動抑止部屋６で平滑化されたガス流は、接続管１０を介してセンサ本体４のガス流入口４ａからセンサ本体４のガス通路４ｃ内へ送給され、ノズル孔４ｄから一対の感熱抵抗素子４４ａ，４４ｂへ向けてガスが噴射される。この噴射ガス流はセンサ本体４のガス流出口４ｂから接続管１１を介して背圧変動部屋７へ送られ、この背圧変動部屋７の放出孔７ｂから容器９内へ放出される。
【００３０】
ここで、このガスレートセンサ１に角速度運動が加わってガス通路４ｃ内の噴射ガス流が偏向すると、一対の感熱抵抗素子４４ａ，４４ｂの冷却作用に不平衡が生じ抵抗値が変化する。この抵抗値の変化はＨＩＣ基板３上に実装されたブリッジ回路で検出され、角速度の向きおよび大きさに応じた電気信号が出力される。
【００３１】
センサ本体４のガス流入口４ａの上流側に設けた脈動抑止部屋６，６１，６２は、ピエゾポンプ５から所定の周期で間欠的に吐出されるガス流を緩和し平滑化するので、センサ本体４のガス通路４ｃ内のガスの流れを安定にする。
また、この脈動抑止部屋６，６１，６２は、ピエゾポンプ５の駆動に伴って発生する音を消音する構造としているので、駆動音による音圧変化によってセンサ本体４内のガス流が乱されるのを抑止する。
【００３２】
センサ本体４のガス流出口４ｂの下流側に設けた背圧変動部屋７は、ピエゾポンプ５の間欠吸気動作によって生ずる容器９内のガス圧の変動がセンサ本体４のガス流出口４ｂへ伝達されるのを抑止するので、センサ本体４のガス通路４ｃのガス流は乱されない。
また、背圧変動部屋７は、ピエゾポンプ５の駆動音がセンサ本体４のガス流出口４ｂ側へ廻り込むのを抑止するので、センサ本体４内のガス流が乱されない。
【００３３】
このように、センサ本体４のガス通路４ｃ内のガスの流れを安定にさせるので、センサ出力の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を改善できる。
脈動抑止部屋６，６１，６２，６３を設けることで、センサ出力信号の雑音レベルを、雑音の主周波数成分（例えばピエゾポンプ５の駆動周波数）で４０ｄＢ以上、低周波成分（３００ヘルツ以下の周波数成分）で２０ｄＢ以上低減することができる。
また、背圧変動抑止部屋７，７１，７２を備えない場合、ピエゾポンプ５から１００ｄＢＳＰＬの音圧が発生しているときには、センサ出力に数百ミリボルトの雑音出力が発生するが、背圧変動抑止部屋７，７１，７２を設けることで雑音の出力電圧を０．１ミリボルト以下にすることができる。
【００３４】
さらに、本実施例では図１に示すように、ピエゾポンプ５に前気室５６を設けるとともに、この前気室５６内に遮音機能を有するフィルタ５８を備えることで、ポンプ駆動音が吸入口５７から容器９内へ廻り込むのを低減させている。
【００３５】
【発明の効果】
以上に説明したように請求項１に係るガスレートセンサは、ポンプの吐出側とガス通路の流入口との間に脈動抑止部屋を設けたので、この脈動抑止部屋でポンプ駆動に伴うガス圧の脈動が平滑化され、また、ポンプ駆動音が減衰される。よって、ガス通路内のガスの流れを層流化することができ、センサ出力の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を改善できる。
【００３６】
また、請求項１に係るガスレートセンサは、ガス通路の流出口とポンプの吸入側との間に背圧変動抑止部屋を設けたので、ポンプ駆動に伴うガス圧力の変動やポンプ駆動音の音圧変化によって、ガス流出口側の圧力が変動するのを抑止する。よって、ガス通路内のガスの流れを層流化することができ、センサ出力の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を改善できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るガスレートセンサの縦断面図
【図２】同ガスレートセンサの分解斜視図
【図３】センサ本体の一例を示す分解斜視図
【図４】脈動抑止部屋の各種構造例を示す模式図
【図５】背圧変動抑止部屋の他の構造例を示す模式図
【符号の説明】
１ ガスレートセンサ
４ センサ本体
４ａ ガス流入口
４ｂ ガス流出口
４ｃ ガス通路
５ ピエゾポンプ（ポンプ）
６，６１，６２，６３ 脈動抑止部屋
７，７１，７２ 背圧変動抑止部屋
８ 外囲器
９ 容器
４４ａ，４４ｂ 一対の感熱抵抗素子

Claims (1)

1. ガス通路内に一対の感熱抵抗素子を備えたセンサ本体と、前記ガス通路にガス流を発生させるためのポンプとを容器内に収納するとともに、この容器内にガスを封入し、前記ポンプの駆動によって前記ガス通路内にガス流を生じさせ、角速度が作用したときの前記ガス流の偏向によって前記感熱抵抗素子に生じた抵抗値の変化から角速度を検出するようにし、ガスを循環するようにしたガスレートセンサにおいて、
   前記ポンプの吐出側と前記ガス通路の流入口との間に、前記ポンプの駆動によるガス圧の脈動を抑止するための脈動抑止部屋を設けるとともに、
   前記脈動抑止部屋は、複数の小部屋に区画され、各小部屋が連通孔により連通され、前記ポンプの駆動に伴って発生する音を減衰させて、前記センサ本体へ供給するガスの流れを平滑・安定化させて前記ガスを循環するように構成されており、
   さらに、前記ガス通路の流出口と前記ポンプの吸入側との間に、前記ポンプの駆動によるガス圧の脈動によって前記ガス通路の流出口側の圧力が変動するのを抑止するための背圧変動抑止部屋を設けるとともに、
   前記背圧変動抑止部屋は、複数の小部屋に区画され、各小部屋が連通孔により連通され、前記ポンプの駆動音が前記センサ本体の前記流出口から前記ガス通路へ伝達され、前記ガス通路内のガスの流れを乱さないで前記ガスを循環するように構成されていることを特徴とするガスレートセンサ。

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