JPH03501530A - 共平面プッシュプル力変換器を有する加速度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 共平面プッシュブルカ変換器を有する加速度計１１食±１ 本発明は、加速度計に関し、特に、１対のフォーストランスデユーサないし力変 換器がプッシュプル構造に配置された加速度計に関するものである。

１１玖１遣 振動ビーム力変換器は、加速度計やその他の計器において力から周波数へのコン バータとしてしばしば用いられている。成る周知構成において、変換器はプッシ ュプル対で用いられ、かかる場合、所定の加速度によって一方の変換器には圧縮 力が生じ、他方の変換器には引張り力が生ずる。しかし、このモードの作動は、 多くの同相モード誤差、即ち、変換器の周波数を同一方向で同一量だけシフ１〜 させる誤差に対する高度な補償を用意している。なぜならば、このシフ１〜は、 変換器出力を処理するなめに一般に用いられるアルゴリズムにおいては失われて いるからである。このような誤差は、振動修正誤差、温度変化による誤差、最老 化誤差、クロック周波数のドリフトによる測定誤差を含んでいる。この型式の加 速度計の性能を最高にするためには、力変換器がほぼ同一の同相モード応答を有 することが重要となる。

近年、集積回路を製造するのに用いられる技術と同様な精密加工技術を用いて、 シリコン結晶から加速度計を製造する技術が開発された。シリコンの精密加工技 術を用いて製造される加速度計において、プッシュプル加速度計を作る最も簡単 な方法は、シリコンウェーハの上面から１つの力変換器を形成し、もう１つの力 変換器をシリコンウェーハの下面から形成し、プルーフマスのヒンジ軸線を変換 器間のいずれかの位置に置くというものである。このような構成において、ヒン ジ軸を中心とするプルーフマスの回動は、一方の力変換器を圧縮状態どし、他方 の力変換器を引張り状態とする。この技術の問題点は、２つの変換器が結晶の異 なる物理層から作られる点にある。従って、２つの力変換器は、−ｉ的に、十分 に整合された同相モード応答を有しないのである。

上記問題点は、振動ビーム変換器以外の変換器、例えば表面弾性波変換器や金属 ストレインゲージ、圧抵抗ストレインゲージ、圧電ストレインゲージ等の変換器 において典型的なものである。幾つかの場合において、これらの他の変換器タイ プは、圧電ストレインゲージにおけるパイロ電気効果の如き別の同相モード問題 を生ずる。

１１段月１ 本発明は、２つの力変換器が共通平面に置かれるプッシュプル加速度計を提供す る。本発明がシリコン精密加工技術において実施された場合、２つの力変換器を 単一の層から形成でき、それにより極めて整合された同相モード応答を有する１ 対の力変換器を作ることができる。

本発明は、感知軸線に沿う加速度に応答してヒンジ軸線を中心に回動できるよう プルーフマスを取り付けるための手段を有する揺動式加速度計において具現化さ れるのが好適である。このヒンジ軸線は、感知軸線に直角であり、且つ、力変換 器を含む共通平面に平行で該共通平面から離隔されている。

１止 第１図は、本発明による加速度計の第１の好適な実施例を示す概略的な斜視図で ある。

第２図は、第１区の２−２線に沿っての断面図である。

第３図は、本発明の第２の好適な実施例を示す概略的な斜視図である。

第４（！ｌは、本発明の第３の好適な実施例を示す概略的な斜視図である。

１１空ｌ亙汝１ｊ 第１図及び第２図は、本発明による加速度計の第１の好適な実施例を示している 。加速度計１０は、単一のシリコンウェーハ１２から形成されるのが好適であり 、このウェーハ１２は、上面１４及び下面１６を含んでいる。ウェーハ１２はプ ルーフマス（ｐｒｏｏｆ　＋５ａｓｓ　）　１８を形成するようにエツチング加 工され、このプルーフマス１８は１対のたわみ部Ｚ２．２４により支持体２０に 取り付けられている。たわみ部２２．２４は、以下で述べるように、下面１６側 の層２６に形成される。たわみ部２２．２４によって、プル・−フマス１８はヒ ンジ軸線ＨＡを中心として支持体２０に対して回動することができる。ヒンジ軸 線ＨＡは、たわみ部２２．２４の中心を通り、また、層２６に位置されている。

また、加速度計１０は、ヒンジ軸線ＨＡに直角で且つプルーフマス２０の重心２ ８を通る揺動軸線ＰＡを有している。加速度計１０は、ヒンジ軸線及び揺動軸線 に直角な感知軸線ＳＡに沿う加速度を測定する。

第１図及び第２図に示される加速度計１０は、プルーフマス１８及び支持体２０ の間に連結された力変換器３ｏ、３２を含んでいる。これらの力変換器３０．３ ２は、ウェーハ１２の上面１４側の層３４に形成されている。力変換器３０．３ ２は、両頭音叉振動ビームタイプ（ｄｏｕｂｌｅ−ｅｎｄｅｄ　ｔｕｎｉｎｇ　 ｆｏｒｋｖｉｂｒａｔｉｎｇ　ｂｅａｍ　ｔ、ｙｐｅ）として示されており、こ のタイプの場合、１対のビームが、当該ビームの平面において、互いに１８０° 位相を異にして振動を起こされる。各変換器において、ビームは、その変換器の 感知方向を定める長手方向変換器軸線（ＬＡ）に平行となっている。また、各変 換器において、その長手方向軸線に沿う引張り力は共振振動数を増加させ、長手 方向軸線に沿う圧縮力は共振振動数を減少させる。

力変換器３０．３２は揺動軸１１ＰＡにほぼ平行である。力変換器３０は、プル ーフマス１８との連結点から支持体２ｏとの連結点まで、揺動軸線ＰＡに沿う方 向に延びており、力変換器３２は、プルーフマス１８との連結点から支持体２０ との連結点まで、揺動軸線ＰＡに沿う反対方向に延びている。この配列によりプ ッシュプル作動が得られ、感知軸線ＳＡに沿う加速度の所定方向において、一方 の力変換器は引張り力を受け、他方の力変換器は圧縮力を受ける。各力変換器は プルーフマスに対して同方向に力を作用させるので、第１図の構成がプルーフマ スに望ましくないトルクを生じさせることがないことに、注意されたい。

第１図及び第２図に示される加速度計１０は、周知のシリコン精密加工技術を用 いて、多数の方法で製造し得るものである０例えば、ウェーハ１２は、１００の 結晶格子面に沿って向けられた表面を有するＰ型つェーへとすることができる。

そして、Ｎ型エピタキシャル層３４が上面１４で成長され、第２のＮ型エピタキ シャル層２６が下面で成長される。この後、ウェーハは図示の構造を形成するた めにエツチング加工されるが、この場合、バルクシリコンの深いエツチングが行 われている間に、エピタキシャル層３４から力変換器３０．３２がエツチングさ れ、且つエピタキシャル層２６からたわみ部２２．２４がエツチングされるのを 防止するために電解エツチングストップ（＠１６ｃｔｒ。

−ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｅｔｃｈ　５ｔｏｐｓ＞が用いられる。

本発明の第２の好適な実施例が第３図に示されている。

この実施例は、上面５２及び下面５４を有するシリコンウェーハ５０から成り、 このウェーハ５０は、たわみ部６０．６２により支持体５８に連結されたプルー フマス５６を形成するように、エツチング加工されている。振動ビーム力変換器 ）０．７２が、プルーフマス５６と支持体５８との間に、プッシュプル構造とな るように連結されている。第１図及び第２図の実施例と同様に、力変換器フ０． ７２は共にウェーハ５０の上面５２側に形成され、同相モード整合を改善するよ うになっている。

第３図に実施例において、支持体５８はアーム７４及び切除部分７６を有し、プ ルーフマス５６は切除部分７８を有している。力変換器７０．７２は共に、装置 の共通中心軸線に沿って、プルーフマス５６の揺動軸線にほぼ平行に配置されて いる。力変換器７０は切除部分７６上で延び、力変換器７２は、プルーフマス５ ６とアーム７４との間で、切除部分７８の一部を横切って延びている。このよう にして、力変換器７０．７２は、プルーフマス５６の連結点から、揺動軸線に沿 う相反する方向に延び、プッシュプル構造を形成している。

第３図に示される構造は、力変換器７０．７２が互いに比較的近接し、それによ りある種の駆動装置く例えば磁気ドライブ）のための加速度計設計を単純化でき るという利点がある。これに対して、第１図の実施例は、磁気ドライブシステム において、２つの独立した磁界又は非常に大きな１つの磁界の発生を必要とする 。しかし、第３図の実施例における力変換器が近接していることは、力変換器間 の機械的、音響的或は電磁的カップリングによるロックインを生ずる可能性があ るので、場合によっては欠点となることもある。第３図の構成の他の欠点は、第 １図の構成に比較すると、プルーフマスの潜在的なダンピング領域が切除部分７ ８により大まかに半分に切られ、その結果、計器の圧搾フィルムダンピング能力 が数分の１に低減することである。他方、第１図に示される構成は、大きな有用 なダンピング領域を生じ、力変換器間が大きく隔てられているので、力変換器間 のロックインが最小となっている。しかし、第１図の構成は、交差軸加速度に対 して高い同相モード感度を有する。

本発明の第３の好適な実施例が第４図に示されている。

この実施例は、上面１０２及び下面１０４を有するシリコンウェーハ１００を含 み、このシリコンウェーハは、たわみ部１１０．１１２により支持体１０８に連 結されたプルーフマス１０６を形成するようエツチング加工されている。プルー フマス１０６と支持体１０８との間には力変換器１２０．１２２が延設されてい る。たわみ部１１０，１１２は円弧形であり、プルーフマス１０６が、上面１０ ２と下面１０４との間のほぼ中央に配置されたヒンジ軸１！ＨＡを中心として、 支持体に対して回動するようにしている。

力変換器１２０．１２２は共にウェーハ１００の上面１０２側で形成されている 。力変換器１２０は、支持体１０８とプルーフマス１０６との間に直接延びてお り、ヒンジ軸１１ＨＡをまたいでいる。また、力変換器１２２は、ヒンジ軸１１ ＨＡをまたいでおり、プルーフマス１０６から延びるアーム１３０と、支持体１ ０８から延びるアーム１３２との間に連結されている。

この結果、これらの力変換器１２０．１２２は、支持体との連結点から、プルー フマスとの連結点へと、相反する方向に延び、プッシュプル構造を形成している 。変換器１２０゜１２２はたわみ部１１０，１１２間の中間に置かれるのが好適 である。このような構成は、力変換器が中立結合軸の近傍に集められているので 、ヒンジ軸線の加速度に対する感度を低減する。また、この設計も有効な空間利 用性を提供する。たわみ部の近くのプルーフマスの部分は、プルーフマスの全慣 性モーメントを殆ど増さず、また、プルーフマスの減衰も殆ど大きくしない、力 変換器１２０．１２２の間を通るアーム１３０は、音響的及び電気的な隔壁を形 成し、ロックインを最小とする。変換器１２０．１２２の狭い間隔は、磁気ドラ イブのような成るドライブ装置オプションに対する設計を単純化する。

前述した実施例の全ては、色々な形態の力変換器を使用することができる。利用 可能な変換器は、前述した振動ビーム型共振子、圧抵抗ストレインゲージ、圧電 変換器（例えば、酸化亜鉛コーティング）及び表面弾性波変換器を含む、振動ビ ーム型変換器は、色々な種類のドライブ・位置ビックオフ技術を使用できる。使 用可能な技術は、磁気、静電、圧電及び圧抵抗とツクオフ、光学式ピックオフ、 抵抗式熱膨張ドライブ、光学式熱膨張ドライブを含んでいる。全ての実施例にお いて、変換器の熱応力を最小とするために、ブルーフマス及び支持体が形成され る材料の熱膨張係数に変換器の熱膨張係数を一致させることが望ましい、これは 、シリコン精密加工装置において、ドーピング濃度を調整することによって達成 される。

以上、本発明の好適な実施例について説明したが、色々な変形があることは当業 者にとり明らかであろう０本発明の範囲は、次の請求の範囲により決定されるべ きものである。

ｎ嶋（夙３・ 補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の７第１項）平成　２年１０月２５日

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．第１及び第２の長手方向軸線（ＬＡ）をそれぞれ有する第１及び第２の力変 換器（３０，３２，７０，７２，１２０，１２２）であって、感知軸線（ＳＡ） に沿う所定の加速度に対し、一方の力変換器がその対応の長手方向軸線に沿う圧 縮力を受け、他方の力変換器がその対応の長手方向軸線に沿う引張り力を受ける ようなプッシュプル構造となるよう、共通のプルーフマス（１８，５６，１０６ ）に連結されている前記第１及び第２の力変換器（３０，３２，７０，７２，１ ２０，１２２）を備えている型式の加速度計において、力変換器の長手方向軸線 が感知軸線にほぼ垂直な共通面（３４）に置かれるように、当該力変換器が配置 されることを特徴とする加速度計。
2. ２．感知軸線に沿う加速度に応答して、感知軸線に直角であり且つ前記共通面に 平行であるが該共通面から離隔されているヒンジ軸線（ＨＡ）を中心として回動 できるようプルーフマスを取り付けるための手段を備えている請求項１記載の加 速度計。
3. ３．プルーフマスが前記共通面に存する面を含んでいる請求項２記載の加速度計 。
4. ４．長手方向軸線が互いに平行であると共に、ヒンジ軸線及び感知軸線に直角で ヒンジ軸線及びプルーフマスの重心（２８）を通る揺動軸線（ＰＡ）にほぼ平行 である請求項３記載の加速度計。
5. ５．力変換器がヒンジ軸線に沿って互いに離隔されている請求項４記載の加速度 計。
6. ６．力変換器がプルーフマスの相対する側に配置されている請求項４記載の加速 度計。
7. ７．プルーフマスを取り付けるための手段が、少なくとも２つのたわみ部（１１ ０，１１２）から成り、カ変換器が該たわみ部間で配置される請求項５記載の加 速度計。
8. ８．プルーフマスが、搖動軸線に沿う第１の方向において該プルーフマスから支 持体に向かって延びるプルーフマスアーム（１３０）を備え、支持体が、揺動軸 線に沿い第１の方向とは反対向きの第２の方向において該支持体からプルーフマ スに向かって延びる支持体アーム（１３２）を備え、一方の力変換器がプルーフ マスアーム及び支持体アームの間で延びている請求項７記載の加速度計。
9. ９．プルーフマスアームが力変換器間に配置されている請求項８記載の加速度計 。
10. １０．力変換器が共通線に沿って配置されている請求項４記載の加速度計。