JPH04301770A - 加速度計装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明の分野は加速度計の分野で
あり、より具体的には本発明はピエゾ抵抗センサ装置を
内蔵するシリコン加速度計に関する。

【０００２】

【従来の技術】ある種の既知のシリコン加速度計はベー
ス上に装着されたシリコン半導体部材を有しており、該
部材は支持体上に装架された質量を備えている。前記質
量は加速力に反応してベースに対する運動が可能となる
よう、支持体と質量との間に延在する一体梁を介して前
記支持体上に装架されている。前記半導体梁物質の部分
（複数）はドープされることにより、加速度に対応して
加速度計装置から出力信号を与えるべく、質量の運動中
における梁内の歪を検出するためのピエゾ抵抗センサを
梁内に形成している。前記センサはブリッジ回路内で相
互連結されることにより、軸線からずれた加速度に対す
る装置の感度を減じている。そのような既知の加速度計
においては、前記梁は選定された加速度に反応して質量
の選定された運動を許容せしめ、以て選定されたレベル
の加速度に対して加速度計に所望の感度を与えるととも
に、前記加速力が梁に加えられる際の梁に対する損傷に
耐えることを可能ならしめている。梁内にはピエゾ抵抗
装置によって検出される十分な歪があり、従ってセンサ
装置が選定された加速力レベルに反応して所望の大きさ
の出力信号を与えることが望ましい。また加速度計の感
度を改善する一方加速力に耐え得るだけの所望の頑丈さ
を維持出来ることが望ましい。

【０００３】この点に関して、既知の加速度計において
梁内に誘起される歪は梁の長さに沿って変動するという
こと、及びピエゾ抵抗センサは梁のセクションに沿って
延在する選定された長さを備えているので、センサは典
型的には梁内の最大歪レベルというよりはセンサが占め
る梁セクション内の平均歪に反応するということが認識
されている。更に、加速度計製造中において異なる歪レ
ベルを備えた梁部分に関してセンサの配置にある程度の
ばらつきが生じてしまうので、センサは梁の各各におけ
る最大又は最小歪に一様な態様でさらされることが無く
、製造中に装置毎にその性能並びに感度に関する一様性
が失なわれてしまう傾向がある。更に、センサを便利な
連結パターンで相互接続し、以て軸線からずれた加速力
に対する装置の感度を所望の程度減少させることは時と
して困難をともなう。

【０００４】

【発明の概要】本発明の目的は、新規かつ改良された加
速度計を提供すること、改良された感度を示す一方加速
力に耐え得る所望の程度の頑丈さを与え得るそのような
装置を提供すること、軸線から外れた加速度を補償する
べくセンサが便利な態様で相互連結されているそのよう
な装置を提供すること、安価に製造出来る加速度計を提
供すること、並びに装置毎に相当な一様性を備えて製造
出来るようにされているそのような装置を提供すること
である。

【０００５】簡単に説明するならば、本発明の新規かつ
改良された加速度計装置はシリコン物質などの半導体部
材を有している。前記部材の一部分は少なくとも一つ、
好ましくは複数個の一体部材梁によって部材の好ましく
は長方形フレーム又は支持部分内の開口内に支持された
質量を有しており、これにより質量は部材の加速度に応
じて支持体に対する運動を行なうことが可能である。前
記部材は主として一つの伝導性タイプの半導体物質から
形成されており、別の伝導性タイプの半導体物質を有す
るピエゾ抵抗センサが梁内に収納されていて、質量の運
動中に梁内に誘起された歪を検出して部材加速度に対応
する出力信号を提供する。本発明によれば、各梁は前記
支持体に取付けられた端部と、前記質量に取付けられた
端部とを備えているとともに、テーパ状にされた梁セク
ションを備えていることにより、前記質量が選定された
部材加速度に反応して運動する時に梁セクション中に高
くかつ実質的に一様な歪を前記梁に与える。好ましくは
、例えば、各梁はそれぞれの梁端部におけるより幅の広
い梁部分から梁の中心により近い幅の狭い梁部分へと傾
斜している２つのテーパ状セクションを備えている。 各梁セクションの前記より幅の広い部分の幅は、梁が半
導体部材のより大きく、より剛固な支持体及び質量部分
に取付けられている梁端部において同梁物質内に典型的
に誘起される最大の歪に梁物質が耐えられるよう選定さ
れている。テーパ部の端部における各梁セクションの傾
き及びより幅の狭い幅値は、選定された加速度による質
量の運動中にテーパ状梁セクションの全長にわたって梁
内に生ずる歪が実質的に同一の高い歪になるよう選ばれ
る。梁の前記幅狭の部分はまた梁物質の歪限界が破られ
ないことを保証するように、従ってまた前記幅狭の梁部
分が損傷を受けることの無いようこれを保護すべく選ば
れている。次に前記ピエゾ抵抗センサがこれらの高くて
一様な梁歪に反応するよう梁セクション内に位置決めさ
れる。かくして、加速度計の梁はそのいかなる部分にも
過度の歪を生ずることなく選定された加速力に耐えるよ
うにされる一方、前記ピエゾ抵抗センサはまた選定され
た加速度に対するより高い歪レベルに反応するようにさ
れているので、加速度計は改良された感度を示すように
されている。前記ピエゾ抵抗センサの相互連結は、それ
によって加速度計装置の軸線から外れた加速力に対する
反応を減少させる一方、改良された便利性を以て連結路
を装置内に形成、収納することを可能とするよう、慣用
の技術により新規な相互連結路が提供されている。

【０００６】

【好ましい実施例の説明】付図を参照すると、図１及び
図２の符号１０は本発明の新規かつ改良された加速度計
装置を示している。前記装置は好ましくはガラス又はシ
リコンなどの強固かつ剛固な材料からなるベース１２を
含んでおり、シリコン半導体物質などから形成された半
導体部材１４が前記ベース上に任意の慣用的態様で装架
されている。所望とあらば、前記装置に対する環境的シ
ールを提供するためにカバー１６が前記部材に取付けら
れる。

【０００７】前記半導体部材の一つの部分１８は地震を
感ずる質量などとして作用し、該質量は好ましくは長方
形のフレーム又は支持体部分２２内の開口２０内におい
て、少なくとも一つの、好ましくは複数個の一体部材梁
２４によって支持されている。かくして質量１８は装置
１０の加速に反応して支持体２２及びベース１２に対す
る運動を許容される。

【０００８】前記半導体部材１４は一つの導伝性タイプ
のシリコン半導体物質から主として形成されており、前
記梁物質の部分２６．１〜２６．８は第二の導伝性タイ
プのシリコン物質を得るためドーピングされることによ
り、前記梁物質内における歪を検出し、部材加速度に対
応する装置からの出力信号を周知の態様で提供するよう
にされたピエゾ抵抗センサ装置を梁内に提供している。

【０００９】本発明によれば、前記部材の梁２４には特
に図３に示されるような特定の形状が与えられており、
前記梁の寸法は前記ピエゾ抵抗センサ２６．１〜２６．
８に関して改良された装置感度を与えるように設定され
ている。すなわち、前記梁には実質的に質量１８及び支
持体２２の厚味よりも小さな厚味ｔが与えられているの
が好ましく（図２参照）、かくして前記質量はＺ軸線に
沿う選定された方向において装置１０の加速度に応じて
ベース１２に向けて動かされ、梁物質内にはその端部２
４．１，２４．２において高い歪が発生することになる
。なお前記端部において前記梁は部材の比較的厚肉かつ
剛固な支持及び質量部分に取付けられている。前記梁に
は又図示の如くテーパ状の梁セクション２４．３，２４
．４が設けられているので梁物質内の歪はテーパ状梁セ
クションの全長にわたって実質的に一様となる。前記半
導体物質の特徴は高い一様性にあるので、このテーパは
又テーパ状梁セクション中において梁内の単位応力が実
質的に一様となることを意味している。好ましくは各梁
には２つのテーパ状セクションが設けられており、それ
らの各々は装置加速度に反応して梁内における実質的に
一様な単位歪にさらされるようにされている。好ましく
は梁の端部における梁の広幅部分ｗは、梁の端部におけ
る十分高い歪に梁物質がさらされて、ピエゾ抵抗センサ
２６が同高歪に反応し、所望の大きさの出力信号が得ら
れるよう、梁の厚味に関して選定されている。幅ｗは又
これらの高い歪が装置の加速中にこれらの位置において
梁物質内に誘起された時に梁が梁端部において破損しな
いようにも選定されている。梁の中心又はその近傍に位
置するテーパ状梁セクションの長さｌ及び幅狭部分の幅
ｎは、各テーパ状梁セクション中の梁物質が同一の高い
歪に一様にさらされても同歪が装置の加速中に前記幅狭
梁位置において梁物質の歪限界を超えないように、かつ
又テーパ状梁セクションの幅狭幅ｎが加えられた加速力
によって破損しないように選定されている。

【００１０】前記ピエゾ抵抗センサ２６．１〜２６．８
は特に図３に示したようにそれぞれのテーパ状梁セクシ
ョン２４．３，２４．４内の位置において各梁２２内に
設けられているので、前記センサ物質の長さｓはテーパ
状梁セクションを通して梁物質内の同一の高く実質的に
一様な歪にさらされ、従って梁物質内に誘起される高い
そして好ましくは最大の歪に対応する出力信号を発する
ようにされている。かくして本加速度計装置は極めて高
い感度を示すと同時に、損傷することなく相当な加速力
に耐えられる。ピエゾ抵抗装置２６．１〜２６．８の位
置は完全にテーパ状梁セクション２４．３，２４．４内
にあって一様な歪にさらされると同時に、ピエゾ抵抗セ
ンサのいかなる部分も一様歪のセクションの外側に延び
て異なる（一様でない）歪にさらされることの無いよう
にされているのが好ましい。かくして、本加速度計は装
置毎に改善された一様な性能を有して製造されるように
される。

【００１１】シリコンの加速については例えば米国特許
第４，５５３，４３６号（本明細書の引用文献とする）
に示されるように周知のものであるから、加速度計１０
の全体的構造については更に説明することはしない。理
解すべきは前記半導体部材１４が一つの伝導性タイプの
シリコン半導体物質から形成されており、ピエゾ抵抗セ
ンサは同部材内でその場で形成された第二の伝導性タイ
プの半導体物質から形成されているということ、更に回
路導線が適当な方法で形成され、ピエゾ抵抗センサが慣
用的方法で相互連結されるとともに、入力ターミナルパ
ッド３０からセンサへの電力の導入並びに出力ターミナ
ル３２を経てセンサから出力信号の導出が行なわれてい
るということである（図３及び図５を参照されたい）。 装置が過度の加速力にさらされた時に質量１８の動きを
制限するために、装置カバー又はベースの部分の如き通
常タイプのストップ装置又は別個のストップ装置などが
内蔵されている。なお前記ストップ装置又は他の装置は
、衝撃又は振動等に反応しての質量１８の動きの通常の
絞り膜減衰作用を与えるよう、適当な方法で前記質量の
近傍に配列されている。

【００１２】前記ピエゾ抵抗センサは又適当な慣用方法
を用いて相互連結され、装置１０に加えられた加速力に
反応してセンサから正しく出力信号を発生させるための
任意のタイプの検出回路を提供している。好ましくは、
前記センサは装置により検出しようとしている加速力か
ら軸線方向にずれている加速力に対する装置の反応を減
らすのみならず、センサ及びターミナルを相互連結して
いる回路を便利に形成するとともに改良された態様で装
置上に収納することを可能ならしめるためブリッジ回路
をなして相互連結されている。

【００１３】好ましくは特に図１に示したように、以後
支持体センサと呼ぶことにする４つのピエゾ抵抗センサ
２６．１，２６．２，２６．６及び２６．５は支持体２
２近傍において梁のそれぞれのテーパ状セクション２４
．３内に配設されており、前記支持体センサの各々は支
持体２２近傍における支持体端部３４及び梁２４の中央
部分近傍における内側端部３６を備えるとともに前記テ
ーパ状梁セクションの長さ方向に沿って延びる長さを備
えている。以後質量センサと呼ぶことにする４つの他の
ピエゾ抵抗センサ２６．４，２６．３，２６．７及び２
６．８はそれぞれのテーパ状梁セクション２４．４内に
配置されており、前記質量センサの各々は質量１８近傍
における質量端部及び梁２４の中央部分近傍における内
側端部４０を備えるとともに、テーパ状梁セクションの
全長に沿って延びる長さを備えている。図５に示すよう
に、質量の一方の端部１８．１における一対の梁２４の
上に一対の導線装置４２が配置されることにより、セン
サ対２６．６，２６．７及び２６．２，２６．３のそれ
ぞれの内側端部が互いに対してかつ又それぞれの出力タ
ーミナル３２に対して接続されている。ここで、センサ
の端部に対する参照番号は簡明さのために図４及び図５
からは省略されている。別の対の導線装置４４はそれぞ
れ質量の端部１８．１における一対の質量センサ２６．
７，２６．３を質量の反対側端部１８．２における対応
した質量センサ対２６．８，２６．４の質量端部に接続
している。更に別の対の導線装置４６が質量のそれぞれ
の側１８．３，１８．４に沿って延在することにより、
それぞれ質量の一方の端部１８．１における一対の支持
体センサ２６．６，２６．２の支持体端部を質量の反対
側端部１８．２における他の対の支持体センサ２６．５
，２６．１の内側端部に接続している。それぞれの導線
装置４８は質量端部１８．２における一対の梁の一方上
に設けた質量センサ対２６．８，２６．４の内側端部を
質量端部１８．２における梁対の他方の梁上における一
対の支持体センサ２６．５，２６．１の支持体端部に接
続している。前記導線装置４８は又それぞれ入力ターミ
ナル３０に接続されている。図５の４９で示した如く導
線装置の交差が必要とされる場合には該交差は通常のト
ンネル手段などにより達成される。

【００１４】このような構造においては、センサ２６．
１〜２６．８は図４の（Ａ），（Ｂ）及び（Ｃ）に示す
ように４脚ブリッジとして相互連結されており、センサ
２６．５，２６．６は第一の入力ターミナル３０と第一
の出力ターミナルの間の第一の脚内で直列接続され、セ
ンサ２６．４，２６．３は前記第一の出力ターミナルと
第二の入力ターミナル３０の間の第二の脚内で直列接続
され、センサ２６．２，２６．１は前記第二の入力ター
ミナルと第二の出力ターミナル３２の間の第三の脚内で
直列接続され、センサ２６．８，２６．７は前記第二の
出力ターミナルと第一の入力ターミナルの間の第四の脚
内で直列接続されている。従ってセンサの均衡が取れて
いて質量が静止している際等しい抵抗を与えているなら
ば、入力ターミナル３０を横切って入力電圧ＶＢ　を掛
けた場合には出力ターミナル３２を横切ってゼロの出力
電圧ＶＯ　が発生するので、前記質量が加速度を受けて
いないということがわかる。この点に関連して理解すべ
きは、質量１８が（図４及び図５で見て紙面中に延びる
）Ｚ軸に沿って動く場合には、部材１４の頂部に設けら
れた質量センサ２６．４，２６．３，２６．７及び２６
．８は圧縮状態に置かれてある方向の抵抗変化を生じ、
一方同部材の頂部に設けた支持体センサ２６．１，２６
．２，２６．６及び２６．５は張力状態に置かれて抵抗
値の反対の方向の変化を生ずることである。従って図４
の（Ａ）のＴ及びＣで示すように回路の第一及び第三の
脚内のセンサ対は張力状態に置かれる一方、第二及び第
四の回路脚内のセンサは圧縮状態に置かれ、出力端子を
横切っての実質的な出力電圧が生ずる。なおこの出力は
加速度の程度をあらわしており、加速度が大きい程出力
信号も大きくなる。他方、質量１８が図４の（Ｂ）及び
図５に示すように前記Ｚ軸と垂直をなすＸ方向内で軸線
からはずれた加速力をＺ軸運動とともに又はそれに関連
して受けた場合には前記第一及び第二の脚内のセンサ対
は張力状態に置かれる一方、第三及び第四の脚内のセン
サ対は圧縮状態に置かれる。そのような状況下において
は、本発明におけるごとくテーパ状梁セクションを利用
してセンサが正確に平衡状態を保持している場合には掛
けられた電圧ＶＢ　は前記Ｘ軸方向加速度に帰因する出
力ターミナル３２を横切る出力電圧の増分を生じさせる
ことはない。すなわち、４脚回路は協働してＸ軸加速力
を補償することになる。他方、質量１８が図４の（Ｃ）
及び図５に示すようにＺ軸及びＸ軸に垂直をなすＹ軸方
向内でＹ軸からずれた加速力を受けた場合には同回路の
各脚内のセンサ対はそれぞれ張力及び圧縮状態に置かれ
るので、掛けられた電圧はＹ軸方向加速度に帰因するタ
ーミナル３２における出力電圧の増分を生じさせること
はない。すなわち、回路各脚内のセンサは互いに協働し
合うことにより各脚内で質量のＹ軸加速度を個別に補償
している。かくしてセンサに対する本回路の配置によれ
ば高い装置の性能及び感度が達成されると同時に相互連
結パターンは容易かつ正確に達成され、同装置内にコン
パクトに内蔵される。

【００１５】本発明の特定の実施例を例示の目的で説明
してきたが、本発明は付記した特許請求の範囲内に入る
実施例の修整例及び等価例全てをも含んでいる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による新規な加速度計の拡大尺度で描け
る部分的斜視図。

【図２】図１の線２−２に沿っての断面図。

【図３】図１の加速度計の一部分の拡大した部分的平面
図。

【図４】図１乃至図３の加速度計内のセンサの接続を例
示している概略図。

【図５】センサ相互連結路を加速度計装置内に収納した
状態を例示する概略図。

【符号の説明】

１２　　ベース １４　　半導体部材 １８　　質量 ２２　　支持体 ２４　　梁 ２６．１〜２６．８　　梁物質のドープされた部分２４
．１，２４．２　　梁の端部 ２４．３，２４．４　　テーパ状梁セクション２６　　
ピエゾ抵抗センサ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　支持体、質量及び前記支持体と前記質
   量との間に延在し加速度に応じて動くよう前記質量を装
   架している少なくとも一つの一体梁を備えたシリコン半
   導体部材と、前記梁の物質内に収納され、前記質量の運
   動中において梁内に生じた歪を検出し、前記加速度に応
   じた出力信号を提供するためのピエゾ抵抗装置とを有す
   るシリコン加速度計装置であって、前記梁は前記支持体
   に取付けられた端部並びに前記質量に取付けられた端部
   を備えているとともに、加速中にテーパ状セクション内
   の梁物質内に実質的に一様な歪を与えるように選定され
   たテーパ状梁セクションを前記梁の両端の中間に備えて
   おり、前記ピエゾ抵抗装置は前記一様な歪に反応するよ
   う前記テーパ状梁セクション内に収納されていることを
   特徴とするシリコン加速度計装置。
2. 【請求項２】　　加速度計装置であって、支持体、質量
   及び該質量のそれぞれの相対する端部において前記質量
   から前記支持体へと延在し、加速度に反応して前記質量
   が運動するよう前記質量を装架している二対の一体梁に
   して、各梁はその各端部においてテーパ状セクションを
   備えており前記質量の運動中に前記テーパ状梁セクショ
   ンに沿って実質的に一様な歪を与えるようにしている前
   記二対の一体梁を備えている半導体部材と、前記質量の
   近傍においてそれぞれのテーパ状梁セクション内でそれ
   ぞれの梁の物質内に収納されて前記質量の運動中におけ
   る梁物質内の前記一様な歪に反応するようにされた４つ
   の質量ピエゾ抵抗センサと、前記支持体の近傍において
   それぞれのテーパ状梁セクション内でそれぞれの梁の物
   質内に収納され、前記質量の運動中に同物質内の一様な
   歪に反応するようにされた４つの支持体ピエゾ抵抗セン
   サと、一対の出力ターミナルと、一対の入力ターミナル
   と、前記ピエゾ抵抗センサと前記ターミナルとを相互連
   結して、電力入力を受取るとともに第一の軸線に沿う前
   記質量の運動に対応する出力信号を与える導線装置とを
   有しており、前記センサは前記テーパ状梁セクション内
   の一様な歪に反応し、前記第一の軸線と垂直をなす第二
   及び第三の軸線に沿っての前記質量の運動を補償し、以
   て前記質量の前記第一の軸線に沿う運動に対応する出力
   信号を提供するように相互連結されていることを特徴と
   する加速度計装置。
3. 【請求項３】　　加速度計装置であって、支持体、質量
   及び該質量のそれぞれの相対する端部において前記質量
   から前記支持体へと延在し、加速度に反応して前記質量
   が運動するよう前記質量を装架している二対の一体梁を
   備えている半導体部材と、前記質量の近傍においてそれ
   ぞれの梁の物質内に収納されて前記質量の運動中におけ
   る梁物質内の歪に反応するようにされた４つの質量ピエ
   ゾ抵抗センサと、前記支持体の近傍においてそれぞれの
   梁の物質内に収納され、前記質量の運動中に同物質内の
   歪に反応するようにされた４つの支持体ピエゾ抵抗セン
   サと、一対の出力ターミナルと、一対の入力ターミナル
   と、前記ピエゾ抵抗センサと４脚ブリッジ回路内のター
   ミナルとを相互連結して、電力入力を受取るとともに第
   一の軸線に沿う前記質量の運動に対応する出力信号を与
   える導線装置とを有しており、前記ブリッジ回路の各脚
   内には前記第一の軸線と垂直をなす第二の軸線に沿う前
   記質量の運動を補償すべく互いに協働するよう一対のピ
   エゾ抵抗センサが配設されており、前記ブリッジ回路の
   四つの脚内の前記ピエゾ抵抗センサは前記第一及び第二
   の軸線と垂直をなす第三の軸線に沿う前記質量の運動を
   補償すべく互いに協働することを特徴とする加速度計装
   置。