JPH06300776A

JPH06300776A - 回転加速度計

Info

Publication number: JPH06300776A
Application number: JP6056001A
Authority: JP
Inventors: Frans P Lautzenhiser; フランス・ピーター・ラウツゼンハイザー; Bradley R Knigga; ブラッドレイ・レイ・ニッガ; Gary M Gillund; ゲイリー・マーク・ギランド
Original assignee: Delco Electronics LLC
Current assignee: Delco Electronics LLC
Priority date: 1993-03-29
Filing date: 1994-03-25
Publication date: 1994-10-28
Also published as: US5456109A; EP0620441A1

Abstract

(57)【要約】【目的】低コストの改善された回転加速度計を提供す
る。【構成】所定の距離だけ隔てられた１対の実質的に同
一面内の線形加速度センサ（１６）を備え、各センサは
センサの面と直角をなす加速度を検出するように動作す
る検出手段（１４）を含み、検出された加速度から回転
加速度、回転速度および回転方向を得る処理手段を備え
ている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、運動物体の、例えば線
形加速および回転速度および加速度の測定のために使用
される回転加速度計に関する。

【０００２】

【従来の技術】ディスク、音叉、シリンダおよび半球シ
ェルの如き多くの基本形態をとる振動ジャイロスコープ
は、その検出能力を振動部材における定在波の歳差運動
に依存するものである。このような装置は、典型的に
は、商業的なアビオニックス（航空電子工学）および航
法システムに用途を見出し、これらの分野で要求される
非常に高い感度および精度を提供する。他の形式の回転
センサは、回転を表示するのに更に一般的なモータで駆
動されるジャイロスコープに依存している。いずれかの
一般形式の回転センサ、即ち振動部材あるいはモータ駆
動型ジャイロスコープに依存するものに欠けるものは、
大きさ、コスト、検出可能量を維持するため、およびジ
ンバル、ボールベアリング、スリップ・リングおよび他
の機械的特質の如きモータ駆動ジャイロスコープの運動
部分の場合のエネルギ入力要件を含む。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】多くの自動車用システ
ムは、低コストの回転量センサから利益を蒙ることにな
ろう。非消耗的な例示システム用途としては、車両の航
法システム、能動的懸架装置および能動的後輪操向装置
の如きシャシー制御システム、およびアンチロック制動
およびスリップ制限加速の如きアンチ・スリップ調整シ
ステムを含む。

【０００４】本発明は、改善された回転加速度計を提供
することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の一特質によれ
ば、特許請求の範囲の請求項７、１０、１１、１４およ
び１５に記載される如き回転加速度計が提供される。

【０００６】望ましくは、回転加速度計は、共に中間の
共通面と直角をなす加速度に応答する、１対の構造的に
一体化された作用的に独立的な線形加速度計を含む。線
形加速度計は、既知の距離だけ分離され、線形加速度信
号から回転加速度、回転速度および回転方向を得るため
に使用される加速度の独立的な測定を行う。試験質量
は、片持ちされた可撓性部材の支持されない端部に配置
される。

【０００７】望ましい実施態様においては、１対の一体
の実質的に同一面内でこれから延長する相互に対称的な
レバー部を持つアルミナの支点部分を含む厚膜回転加速
度計が提供される。アルミナ支点部分と各レバー部の境
界面には、各支点端部が存在する。各レバー部の反対側
端部は、それぞれ実質的に等しくかつ支点部から等距離
にある試験質量に対する支持部を提供する。このような
厚膜線形加速度計は、レバー構造により規定される面内
の運動に対して比較的鈍感であり得る。ほとんど全セン
サ出力は、前記面と直角をなす方向における質量の変位
により生じ得る。

【０００８】好都合にも、１対の構造的に一体の線形加
速度計からの出力信号は、両者間の距離に略々比例する
角加速度の測定値である信号を生じるために用いられ
る。この信号は、角回転速度の測定値である第２の信号
を生じるため積分される。回転方向の測定値である第３
の信号を利得ため更に積分が行われる。

【０００９】本発明の別の特質によれば、平行軸に沿っ
てかつ共通面外に生じる１対の線形加速度信号を用いて
回転加速度、回転速度および回転方向を測定する方法が
提供される。

【００１０】

【実施例】本発明の一実施態様については、添付図面に
関して単に例示としてのみ以下に述べる。図１によれ
ば、相互に略々同一面に配置された１対の質量の加速度
の偏差とそれらの間の相互関係の説明を助けるデカルト
座標系が示される。３次元座標系の２つの次元が、図面
の平面内の２つの軸（Ｘ軸とＹ軸）と、図面に対する第
３の軸（明瞭にするため図示しない）とにより示され
る。図面に対する軸（図示せず）は、一般にＺ軸と呼ば
れる。Ｘ軸とＺ軸とにより定義される面は、質量素子Ｍ
₁およびＭ₂に対して共通面を規定する。原点Ｏは、質量
素子Ｍ₁およびＭ₂間の中心点であり、同様にＸ軸とＺ軸
とにより定義される面と同一面をなす。質量素子Ｍ₁お
よびＭ₂は共に、Ｘ軸に沿って原点Ｏから等距離にあ
り、それぞれ原点Ｏから絶対距離Ｄである。ここでは、
従来のデカルト・ベクトル表示が用いられ、ｉ（∧）は
Ｘ軸に沿った単位ベクトルを示し、ｊ（∧）（図におい
ては、ｊの頭に∧を付す）はＹ軸に沿った単位ベクトル
を示す。任意の点Ｃ＝ａｉ（∧）＋ｂｊ（∧）の周囲の
回転速度θ（・）に対しては、座標系において−Ｄおよ
びＤで示される各位置に配置された質量素子Ｍ₁および
Ｍ₂の加速度が存在する。ベクトルｒ₁（→）およびｒ₂
（→）（図においては、ｒ₁およびｒ₂の頭に→を付す）
は、それぞれ質量素子Ｍ₁およびＭ₂と対応している。図
示された２つのベクトルに対するベクトル式は下記の如
くである。即ち、上記の偏差から、個々の質量素子Ｍ₁およびＭ₂に対する
専らＹ方向の線形加速度に感応する装置が、回転速度θ
（・）の影響を排除するが回転加速度θ（‥）に応答す
ることが判る。しかし、このことは、質量素子Ｍ₁およ
びＭ₂がＸ−Ｚ軸内で同一面をなす程度に関してのみ真
である。Ｙ方向の装置の感度および同一面性の要件から
の基礎偏差は、望ましい実施態様からの偏差に関して以
下に示す対応する応答誤りを生じる結果となる。

【００１１】ある利点は、回転加速度に応答する装置に
固有のものである。上記の式（６）に関して、点Ｃの周
りの回転速度θ（・）に感応する装置、即ち、専らＸ方
向における個々の質量素子Ｍ₁およびＭ₂の線形加速度に
感応する装置が、回転速度θ₂（・）の２乗に比例する
出力信号を生じるようになっている。時計方向の回転か
らの信号は、反時計方向の回転からの信号とは弁別し得
ない。対照的に、上記の式（１２）に関して、点Ｃの周
りの回転加速度θ（‥）に感応する装置、即ち、専らＹ
方向における個々の質量素子Ｍ₁およびＭ₂の線形加速度
に感応する装置が、回転加速度θ（‥）に比例するがそ
の２乗には比例しない出力信号を生じるようになってい
る。従って、代数記号の形態における方向の情報がこれ
から得られることになる。

【００１２】回転速度が１ｒａｄ／秒に比して小さい自
動車の検出の如き用途においては、回転加速度からの信
号は、数字的に等しい回転速度センサからの信号よりは
大きい。例えば、専らＸ方向における個々の質量素子Ｍ
₁およびＭ₂の線形加速度に感応し、その信号が閾値回転
速度０．１ｒａｄ／秒を測定するためのものである１対
の装置は、専らＹ方向における個々の質量素子Ｍ₁およ
びＭ₂の線形加速度に感応するようになっている時、閾
値回転加速度０．０１ｒａｄ／秒を測定することができ
る。

【００１３】別の利点は、図２および図３に関して最も
よく説明され、図２は水平軸に時間を垂直軸に回転速度
θ（・）をとって示す。θ（・）_m（図においては、θ_m
の頭に・を付す）は、回転が検出可能な信号を生じる最
小値である任意の検出閾値を示す。プロットされた線
は、時間において直線的に増加する回転速度を示す。
（ｔ₁−ｔ₀）に等しい時間Δｔ₁は、運動における変化
が検出される前に経過する。水平軸に同じ時間スケール
を、また垂直軸は回転加速度θ（‥）をとった図３にお
いて、回転加速度が検出可能な信号を生じる最小閾値に
等しい値θ_m（‥）（図においては、θ_mの頭に‥を付
す）が示される。プロットされたカーブは、図２におけ
るカーブからのｄθ（・）／ｄｔに等しい時間にわたる
回転加速度θ（‥）を表わす。カーブの立上がり部分
は、明瞭にするため拡大して示される。ここで、回転加
速度が検出される前の（ｔ₂−ｔ₀）に等しい経過時間Δ
ｔ₂が、図２に示される如くΔｔ₁の分数である。回転加
速度は、この回転加速度が最小閾値回転加速度θ
_m（‥）より大きいものとすれば、充分に短い時間で検
出可能な有意信号を生じる。例えば、共に２°／秒²の
回転加速度を受ける、１°／秒²の閾値感度を持つ回転
加速度計と、１°／秒²の閾値感度を持つ回転速度セン
サの場合を考えよう。この場合、回転加速度計センサ
は、計器の帯域幅のみにより制限される時間において有
意信号を生じることになる。２０Ｈzの帯域幅に対して
は、応答時間は約０．０５秒である。対照的に、回転速
度センサは、約０．５秒で１°／秒のその閾値回転速度
に遭遇する。この場合の有意信号に対する時間は、約１
０の因数だけ変化する。

【００１４】次に図４および図５において、加速度計の
望ましい実施態様が平面図と断面図でそれぞれ示されて
いる。図５は、これにＸ軸とＹ軸を重ね、センサの感度
はＹ軸に置かれる。図４は、この場合１対の構造的に一
体の線形加速度センサが配置される面Ｘ−Ｚを示すＸ軸
とＺ軸とを有する類似の座標系を示している。

【００１５】図４には、厚膜回転加速度計の望ましい実
施例の第１の面（便宜上、頂面と呼ばれる）が示され
る。回転加速度計１０の反対側面（即ち、底部面）は示
されないが、図４に示された頂面と実質的に同じであ
る。望ましい回転加速度計１０は、搭載型の自動車の安
全制御および航法システムにおける使用に適している。

【００１６】厚膜回転加速度計１０は、アルミナ基板か
ら形成され、支点部１２と、Ｕ字形のレバー部１６と、
堅固に固定された支持部材１８とを含む。以下において
更に詳細に述べるように、回転加速度計１０は、Ｕ字形
レバー部１６の撓みを許容しながら、支点部１２と支持
部材１８を支持するため堅固に適当な背板に固定され
る。図示の如く、支持部材１８は支点部１２と一体であ
る。支点部１２および支持部材１８は、図示した矩形状
ではなく別の形状とすることもできるが、良好な設計の
経済性のため、矩形状が望ましい。同様な設計理由によ
り、レバー部は実質的に同一面内にあるが、あるいはま
たこれらレバー部が実質的に同一面内にある限り独立的
な軸を持つようにしてもよい。

【００１７】Ｕ字形のレバー部１６もまた、支点部１２
と一体である。図示の如く、各Ｕ字形レバー部１６の２
つの側方ビームは支点部１２と一体である。更に、図示
の如く、この側方ビームはそれらの全長に沿って細くな
っており、これが加速中の大きな撓みを許容し、これに
より回転加速度計１０の出力信号を強化する。このこと
は、望ましいが必須ではない。

【００１８】Ｕ字形のレバー部１６は、（Ｕ字形レバー
部１６の側方ビームに沿って参照番号２０により、また
Ｕ字形レバー部１６の支持されない端部に沿って参照番
号２２により示される）間隙が、その間のＵ字形レバー
部１６と対応する支持部材１８との実質的にどこかに存
在する。堅固に固定された支点部１２と支持部材１８を
レバー部１６から区分するこの間隙２０、２２は、セラ
ミック・グリーン・パンチ法の如き周知の手法を用いて
形成される。

【００１９】質量素子２４、２４ｂが、Ｕ字形レバー部
１６の支持されない端部の両側に設けられる。（質量素
子２４は、他の説明がなければ、両方の質量素子２４、
２４ｂを含む。）。質量素子２４は、Ｕ字形レバー部１
６のいずれか一方の側に充分に厚いダイキャストされた
亜鉛片を取付けることにより形成されることが望まし
い。（あるいはまた、質量素子２４は、略々ポケット形
状である単一片でもよく、この場合は、Ｕ字形レバー部
１６の支持されない端部がこのポケット領域内に嵌合し
て、質量素子２４がＵ字形レバー部１６の支持されない
端部の周囲を実質的に包囲する。）。質量素子２４の各
々の厚さは変化し得るが、加速中に支持部材１８の面Ｘ
−Ｚと直角をなす方向におけるＵ字形レバー部１６の撓
みを強めるに充分でなければならない。一例として、本
発明による回転加速度計１０の場合は、支点部１２とレ
バー部１６と支持部材１８とが形成されるアルミナ基板
の厚さは約０．６３５ｍｍ（０．０２５インチ）であ
り、基板の各面に設けられる質量素子２４、２４ｂの厚
さは、約１０．８mm（０．４２５インチ）の質量素子２
４、２４ｂの厚さに対して、約５．０８mm（０．２イン
チ）である。

【００２０】レバー部１６のＵ字形状は、Ｕ字形レバー
部１６の各々の２つの側のビームが面Ｘ−Ｚと直角をな
す方向にのみ撓みを実質的に許容しながら、これがその
支持されない端部における比較的大きな質量２４の取付
けを有効に許容するために望ましい。

【００２１】支持部材１８は、支点部１２と各質量素子
２４との略々中間に配置されている。支持部材１８は絶
対に必要ではないが、これら部材は、Ｕ字形レバー部１
６の撓み中支点部１２が遭遇する引張り応力の軽減を助
けるため、またこれらは必要な電子回路を組込むのに充
分に大きい故に、選好される。

【００２２】Ｕ字形レバー部１６の撓みは、質量素子２
４が置かれるその支持されない端部で最大となる。従っ
て、レバー部１６が撓みを生じる間遭遇する応力が、支
点部１２に隣接する各Ｕ字形レバー部１６のビーム部の
支持された端部で最大となる。

【００２３】このため、支持部材１８の面と直角をなす
方向における加速度と対応するレバー部１６の撓みの結
果生じる応力を検出するための手段が、支点部１２に隣
接してＵ字形レバー部１６上に設けられている。参照番
号１４により表わされる８個のピエゾ抵抗からなること
が望ましい。４個のピエゾ抵抗１４は、支持部材１８の
各々の対向する側に配置されるように各Ｕ字形レバー部
１６の各ビームの支持端部に２個ずつ頂面部に設けられ
ることが望ましい。同様に、４個のピエゾ抵抗（図示せ
ず）が、同様の位置で底面部に配置されている。ピエゾ
抵抗１４は、他の技法も用いることもできるが、シルク
・スクリーン法の如き周知の厚膜デポジション法を用い
てアルミナ基板上へのデポジションにより形成されるこ
とが望ましい。

【００２４】各Ｕ字形レバー部１６が面Ｘ−Ｚと直角を
なす方向における加速度により下方に撓むと、頂部の２
個の対応するピエゾ抵抗１４の抵抗は引張り作用下で増
すが、底部の２個の対応するピエゾ抵抗（図示せず）の
抵抗は圧縮作用下で減少する。同様に、各Ｕ字形レバー
部１６が反対方向の加速度により上方へ撓むと、頂部の
２個の対応するピエゾ抵抗１４の抵抗は圧縮作用下で減
少するが、底部の２個の対応するピエゾ抵抗（図示せ
ず）は引張り作用下で増加する。８個のピエゾ抵抗１４
は、２個の従来のホイートストーン・ブリッジを形成す
る。ホイートストーン・ブリッジからのアナログ出力電
圧は、出力信号を生じるように条件付けされて増幅され
る。回転加速度計１０の動作のため要求される所要のオ
フセットおよび感度は、必要に応じて、どれかあるいは
全てのピエゾ抵抗１４の従来のレーザ調整作用により修
正することができる。

【００２５】信号の条件付けおよび増幅のため要求され
る電気回路は、フリップチップ技術の如き従来の方法を
用いて取付けられる、あるいはまた、シルク・スクリー
ン法の如き従来の厚膜デポジション法を用いる支持部材
１８または支点部１２に対する回路パターンのデポジシ
ョン法により形成される適当な集積回路チップにより提
供されることが望ましい。このように、回転加速度計１
０に対する全ての機械的および電気的な構成要素は、単
一の基板上に略々自蔵することが可能である。

【００２６】図４は、主として支点部１２および支持部
材１８を通る図３の線４−４に関する取付けられた回転
加速度計１０の断面図を示している。先に述べたよう
に、支点部１２は、ハウジングと一体である背板４０に
領域４２において堅固に取付けられる。支点部１２は、
均一な接着のため背板４０の領域４２に対して均一に塗
布される、ダウ・コーニングＱＸ−６２６５の如きシ
リコーン接着剤であることが望ましい適当な接着剤によ
り背板４０に固定される。このようなシリコーン接着剤
は、エポキシあるいは他の堅固な取付け剤よりも更に弾
性に富み、その結果接着剤が伝達する機械的応力が著し
く低減されることになる。更に、この弾性接着剤層はま
た、回転加速度計１０の取付け中に生じ得る応力の伝達
を防止する。

【００２７】更に、質量素子２４、２４ｂは、Ｕ字形レ
バー部１６と質量素子２４、２４ｂとの間に置かれた適
当な接着剤４４、４４ｂにより、Ｕ字形レバー部１６の
支持されない端部に確実に取付けられる。他の接着剤お
よびエポキシもまた用いることもできるが、この接着剤
は先に名をあげたダウ・コーニングＱＸ−６２６５で
あることが望ましい。質量素子２４、２４ｂを有するＵ
字形レバー部１６の支持されない端部は、面Ｘ−Ｚと直
角をなす方向の加速度に応答して自由に撓む。質量素子
２４、２４ｂの相対的寸法が図５において誇張されてい
ることが判る。典型的な取付けのこれ以上の詳細につい
ては、米国特許第５，２７７，０６４号、特に、参考の
ため本文に援用される元のテキストの１１ないし１６ペ
ージから容易に知ることができる。

【００２８】回転加速度計１０は、更に、予め定めた距
離を越える質量素子２４、２４ｂの過剰な撓みを防止す
る一体形成手段を含む。質量素子２４、２４ｂは、支持
されないＵ字形レバー部１６の両側に設けられることが
望ましく、その結果質量素子２４、２４ｂは堅固に固定
された支持部材１８から僅かに張出す。明らかなよう
に、支点部１２を背板４０に対して固定するため用いら
れる接着剤層はまた、支持部材１８の下部に連続的に設
けられる。Ｕ字形レバー部１６と支持部材１８との間の
間隔２２は、図４および図５において明らかである。更
に、支持部材１８と比較される質量素子２４、２４ｂの
意図的な僅かな張出しは、Ｕ字形レバー部１６の撓みを
許容するのに充分であるが、いずれかの方向の過大な撓
みと同時にＵ字形レバー部１６の過大な撓みを防止する
ように質量素子２４、２４ｂが支持部材１８と接触す
る。

【００２９】このような固有の機械的な停止特徴を組込
んだ望ましい回転加速度計１０の構造は、Ｕ字形レバー
部１６の過大な撓みを防止することにより、回転加速度
計の一体性および全寿命が著しい強化されることにおい
て特に有利である。更に、停止手段が質量素子２４、２
４ｂの形状により形成されるため、停止手段を提供する
ために余分な構成要素を必要としない。

【００３０】回転加速度計１０が先に述べたように取付
けられた後、この加速度計は、例えば自動車の制御シス
テムに使用されるため、密閉容器あるいは他の適当な容
器内に包装される。回転加速度計１０は、ほこり、油、
ごみおよび他の汚染が回転加速度計１０に触れることを
阻止するように、容器内に封止されることが望ましい。

【００３１】望ましい回転加速度計１０がその固有振動
数で振動しようとするが、約５００Ｈzより大きな最大
帯域幅を持つ振動数を得るためには、回転加速度計１０
が緩衝されることが望ましいことに注意すべきである。
加速度計を緩衝することは、振動数の帯域幅を増すのみ
でなく共振時の振動振幅を減少し、これにより特に衝撃
の結果生じる構成要素の破損の危険を低減してする故に
も望ましい。包装および緩衝の詳細は本文の記述範囲を
越えるものであるが、事例の詳細は米国特許第５，２７
７，０６４号に開示されている。

【００３２】単一の一体のアルミナ基板は、質量素子２
４、２４ｂをコスト的に有効な方法で同一面に収めるこ
とを可能にし、これが信頼し得る回転加速度の検出を保
証することができる。その結果、回転加速度計１０は、
面Ｘ−Ｚからの加速度と関連する車両の動的変化に専ら
応答する。

【００３３】望ましい実施態様の重要な利点は、信頼性
が高く、正確、堅固でありかつ低コストである回転加速
度計１０を容易に提供するように、回転加速度計が従来
の厚膜処理法を用いて形成されることである。アルミナ
基板の機械的特性が完全に特徴付けられ、これにより実
証されたセンサ装置を提供するが、この厚膜回路は低い
熱電気抵抗係数を有する。これらの特性は、回転加速度
計１０を搭載型自動車用システムならびに他の用途にお
いての使用に適するものにする。

【００３４】更に、別の利点は、Ｕ字形レバー部１６と
支持部材１８とを含み、検出手段１４および信号条件付
け回路を有する回転加速度計１０の形成のため単一のア
ルミナ基板が用いられることである。これらの構成要素
は全て、このアルミナ基板上に一体に形成される。更
に、Ｕ字形レバー部１６の過大な撓みを阻止する機械的
な停止手段もまた望ましい回転加速度計１０に一体に形
成されて、センサ内部の構成要素数を最小化するように
する。望ましい回転加速度計１０の上記の構造的特徴
は、外因の振動および機械的応力を発生して回転加速度
計１０の付近で増幅されることを最小限に抑える。

【００３５】図６乃至図８には、基礎応答誤差を生じる
平面の静止位置からの個々に絶縁された変位およびＹ方
向の感度が示され、この変位は回転加速度計の上記の実
施態様により著しく克服される。変位を生じる誤差を提
示するため必要なセンサ組立体のこれらの部分のみが示
される。図６乃至図８の破線は、変化しないセンサ形状
を表わし、変位が測定される基準である。

【００３６】図６は、２個の任意に独立的な線形加速度
センサの共通面からの基礎変位の第１の事例を示す。各
センサの応答軸は、他の軸と平行であり、適正に面Ｘ−
Ｚと直角をなす。レバー部６１および質量Ｍ₁は面Ｘ−
Ｚ内にあるが、レバー部６０および質量Ｍ₂はＸ−Ｚと
平行な面内にありこれからＹ軸に沿って距離Ｅだけ離れ
ている。式（２）乃至（６）は、下記の如く回転速度に
よる加速度差に達するまで別の項Ｅを含む。即ち、図７は、２個の任意に独立的な線形加速度センサの共通
面からの基礎変位の第２の事例を示している。しかし、
この場合の各センサ応答軸は、他の軸とは平行でない。
センサのレバー部は、相互にある角度にあり、同一面内
にはない。質量素子Ｍ₁′と対応する任意に独立的なセ
ンサは、面Ｘ−Ｚと直角をなす応答軸を持つが、質量素
子Ｍ₂′と対応する任意に独立的なセンサは面Ｘ−Ｚに
対する直角からある角度φ_E1の応答軸を有する。Ｘ方向
の加速度Ａ_i（→）は，質量素子Ｍ₁′を変位させずに、
φ_E1の正弦に比例してその応答軸に沿って質量素子
Ｍ₂′を変位させることになる。その結果、２個の任意
に独立的なセンサの一方がＸ方向の加速度に応答するた
め、回転加速度計は専らＹ方向の加速度差成分に応答す
ることはない。従って、オフセット角度φ_E1の正弦およ
びＸ方向の加速度Ａ_i（→）に比例する誤差信号が存在
することになる。

【００３７】図８は、２個の任意に独立的な線形加速セ
ンサの共通面からの基礎変位の第３の事例を示してい
る。２個のセンサの一方のＸ軸に沿った端面図が示され
る。この場合の各センサの応答軸もまた他の軸に平行で
はない。この２個のセンサは、相互にＸ軸に沿って捩ら
れあるいは曲げられる。１つの質量素子および適正に面
Ｘ−Ｚ（図示せず）内のレバー部と対応する機能的に独
立的なセンサは面Ｘ−Ｚと直角をなす応答軸を有する
が、これに対して捩られあるいは曲げられる機能的に独
立的なセンサは、面Ｘ−Ｚに対する直角からある角度φ
_E2の応答軸を持つ対応する質量素子Ｍ₂′を有する。Ｚ
方向における加速度Ａ_k（→）は、適正に面Ｘ−Ｚ内に
質量素子を有するが、質量素子Ｍ₂″をφ_E2の正弦に比
例してその応答軸に沿って変位することになる。その結
果、回転加速度計は、専らＹ方向の加速度差成分に対し
て応答することはなく、もはやＺ方向からこれに加えら
れた加速度の影響を完全に排除することはない。従っ
て、オフセット角度φ_E2の正弦およびＺ方向の加速度Ａ
_k（→）に比例する誤差信号が存在することになる。

【００３８】無論、図６乃至図８は、相互に独立的な基
礎的な幾何学的変位を示している。これらの基礎変位の
組合わせは、個々の誤差信号の複雑な組合わせである誤
差信号を生じることになる。

【００３９】図９乃至図１１は、支点端部におけるＵ字
形レバー部の表面に配置されたピエゾ抵抗が各Ｕ字形レ
バー部の支持されない端部に配置された各質量素子の各
面変位を検出するための手段を提供する検出および条件
付け回路の実施例を示している。最初に図９を見ると、
ピエゾ抵抗がＵ字形レバー部１６の片面のみに配置され
る一実施例が示される。Ｕ字形レバー部の一方と対応す
るピエゾ抵抗はＲ₁で表わされ、Ｕ字形レバー部の他方
と対応するピエゾ抵抗はＲ₂で表わされる。ピエゾ抵抗
は、周知の平衡ホイートストーン・ブリッジ構成で構成
される。このホイートストーン・ブリッジの各脚に対す
る中心ノード電圧間の差は、差動増幅器３０により増幅
され、その出力は回転加速度θ（‥）に比例する。この
信号の積分器３１による積分は、回転速度θ（・）に比
例する信号を生じる。積分器３２による回転速度信号の
積分は、方向の情報θを生じる。増幅および積分機能
は、周知のアナログ演算増幅器回路により実施すること
ができる。あるいはまた、積分のディジタル手法を用い
ることができ、当技術において公知である。

【００４０】ピエゾ抵抗が単一面上に配置される図９に
示される如き構成は、ピエゾ抵抗および関連する読出し
回路を含む回路全体をアルミナ基板の頂面に印刷するこ
とができるため、簡単化された製造を含む。このため、
装置における電子構成要素数を最小化するのみならず、
印刷行程数もまた低減される。更に、図９に示されるホ
イートストーン・ブリッジ構成は、各脚に１つの定数の
抵抗要素を持つブリッジ回路で得られるものよりも大き
な信号を結果として得るホイートストーン・ブリッジの
各脚の各成分における抵抗の変化により影響を受ける差
動増幅器３０に対して電圧入力を与える。

【００４１】図１０においては、片面印刷作業を用いる
先に述べた片面製造上の全ての利点から利益を蒙る別の
実施例が示される。しかし、本例では、２つのホイート
ストーン・ブリッジ回路が示され、各々が機能的に独立
する線形加速度計の１つと対応している。ブリッジＢ₁
は、Ｕ字形レバー部１６の一方と対応し、ブリッジＢ₂
はＵ字形レバー部１６の他方と対応している。ブリッジ
Ｂ₁と対応するピエゾ抵抗はＲ₁で示され、ブリッジＢ₂
と対応するピエゾ抵抗はＲ₂で示される。Ｒ_cとして示さ
れるブリッジ回路の抵抗要素は、不揮発性抵抗と対応し
ており、回路において一定である。各ブリッジ回路から
得た第１の差信号は、差動増幅器４０、４１により増幅
され、これら増幅器は各線形加速度計と対応する線形加
速度Ｙ₁（‥）およびＹ₂（‥）の個々の測定を行う（図
においては、Ｙの頭に２つの点‥を付す）。これら出力
信号の各々は相互に独立しており、その間の差は差動増
幅器４２により増幅されて回転加速度θ（‥）に比例す
る出力を生じる。図９で前に述べたものと同様に、この
角度加速度信号は４３において最初に積分されて、回転
速度θ（・）の測定値である信号を生じ、この回転速度
信号は次に４４において積分されて方向情報θを生じ
る。各ブリッジ回路から得る個々の差信号は、両方の線
形加速度計からのピエゾ抵抗が１つのブリッジ回路に合
成されて出力を生じる図９のブリッジ回路から得たもの
程強くない。しかし、個々の加速度計の線形加速度（Ｙ
₁（‥）およびＹ₂（‥））を表わし、以下に述べるよう
に、他の情報を生じるため用いることができる、このよ
うな構成における別の出力が得られる。

【００４２】図１１において、両側の印刷作業を用い
る、図９および図１０に示された実施例の機能的利点か
ら利益を蒙る別の実施例が示される。本例では、両側の
印刷作業を用いて個々の線形加速度計の両側にピエゾ抵
抗を配置する。図１０と同様に、２個のホイートストー
ン・ブリッジ回路が示され、それぞれが機能的に独立す
る線形加速度計の一方と対応している。ブリッジＢ₁は
Ｕ字形レバー部１６の一方と対応し、ブリッジＢ₂はＵ
字形レバー部１６の他方と対応している。各ブリッジ回
路に示される全ての抵抗はピエゾ抵抗型であり、下付き
のＦおよびＢはそれぞれ対応するＵ字形レバー部１６に
対する前および後のピエゾ抵抗と対応する。この構成に
おいて、個々のブリッジ回路は各ブリッジ回路の各脚を
形成するピエゾ抵抗を有し、図９に示される構成の如き
回路は強い出力を生じる。更にまた、図１０に示された
回路の如く、各線形加速度計と対応する線形加速度出力
（Ｙ₁（‥）およびＹ₂（‥））もまた、このような２重
ブリッジ構成において得ることができる。差動増幅器５
０、５１、５２による種々の出力の処理は、図１０に示
された回路と機能的に同じであり、この増幅器からの出
力、および５３および５４におけるその積分は同様に行
われて、回転加速度θ（‥）、回転速度θ（・）および
方向の情報θを生じる。

【００４３】別の実施態様においては、容量型センサ、
誘導型センサあるいは他の歪みセンサを、センサのレバ
ー部の撓みの検出のため用いることができる。

【００４４】本願の優先権の主張の基礎となる米国特許
出願第０３８，４２２号における開示、および本願に付
随する要約書は、参考のため本文に援用される。

【図面の簡単な説明】

【図１】加速度とその質量との相互関係のデカルト座標
系を示すグラフである。

【図２】本発明の一実施例における時間に関する速度と
加速度の関係を示すグラフである。

【図３】本発明の一実施例における時間に関する速度と
加速度の関係を示すグラフである。

【図４】加速度計の一実施例を示す平面図である。

【図５】図３の線４−４に関する図３の加速度計を示す
断面図である。

【図６】誤り信号を生じ得るセンサ形状におけるある基
礎偏差を示す図である。

【図７】誤り信号を生じ得るセンサ形状におけるある基
礎偏差を示す図である。

【図８】誤り信号を生じ得るセンサ形状におけるある基
礎偏差を示す図である。

【図９】検出回路および条件付け回路の実施例を示す図
である。

【図１０】検出回路および条件付け回路の実施例を示す
図である。

【図１１】検出回路および条件付け回路の実施例を示す
図である。

【符号の説明】

１０回転加速度計１２支点部１４ピエゾ抵抗１６Ｕ字形レバー部１８支持部材２４質量素子２４ｂ質量素子３０差動増幅器３１積分器３２積分器４０差動増幅器４１差動増幅器４２差動増幅器４３積分器４４積分器５０差動増幅器５１差動増幅器５２差動増幅器５３積分器５４積分器６０レバー部６１レバー部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ブラッドレイ・レイ・ニッガアメリカ合衆国インディアナ州46902，ココモ，ダーウィン・レーン 3008 (72)発明者ゲイリー・マーク・ギランドアメリカ合衆国インディアナ州46901，ココモ，サウス・ウエスタン・アベニュー 149

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】予め定めた距離だけ隔てられた１対の実
質的に同一面内の線形加速度センサ（１６）を備え、各
センサはセンサの面と直角をなす加速度を検出するよう
に動作する検出手段（１４）を含み、検出された加速度
から回転加速度、回転速度および回転方向を得る処理手
段（３０〜３２、４０〜４４、５０〜５４）を備えるこ
とを特徴とする回転加速度計。
【請求項２】各加速度センサが、レバー部（１６）の
支持されない端部に配置された試験質量素子（２４、２
４ｂ）を含み、該試験質量が実質的に同一面内の静止位
置を有することを特徴とする請求項１記載の回転加速度
計。
【請求項３】各検出手段が無効ピックオフ（１４）を
含むことを特徴とする請求項１または２に記載の回転加
速度計。
【請求項４】各検出手段が、レバー部に配置された少
なくとも１つのピエゾ抵抗要素（１４）を含むことを特
徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の回転加速度
計。
【請求項５】各検出手段が、可動電極と静止電極とに
より形成される少なくとも１つの可変リアクタンス要素
を含み、該可動電極が試験質量の表面上に配置され、前
記静止電極が該可動電極に接近していることを特徴とす
る請求項１乃至３のいずれかに記載の回転加速度計。
【請求項６】各検出手段が、可動誘導子と静止集束装
置とにより形成される少なくとも１つの可変リアクタン
スを含み、前記誘導子が試験質量の表面に配置され、前
記静止集束装置が前記誘導子に接近した表面に配置され
ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の
回転加速度計。
【請求項７】第１および第２の実質的に対称的かつ同
一面内のレバー部（１６）と一体の支持部材（１８）を
含む２重片持ち構造と、各レバー部に実質的に対称的に
配置され該レバー部により支持された第１および第２の
質量（２４、２４ｂ）と、前記面に対して直角をなす各
質量の各変位を独立的に検出する検出手段（１４）とを
備えることを特徴とする厚膜回転加速度計。
【請求項８】前記レバー部（１６）が実質的に同一直
線状を呈することを特徴とする請求項７記載の厚膜回転
加速度計。
【請求項９】前記２重片持ち構造がアルミナを含むこ
とを特徴とする請求項７または８に記載の厚膜回転加速
度計。
【請求項１０】アルミナの基部（１２）と、該アルミ
ナ基部と一体に形成された第１および第２の実質的に対
称的かつ同一面内の支持部材（１８）と、前記アルミナ
基部と一体に形成された実質的に対称的かつ同一面内の
Ｕ字形レバー部（１６）とを備え、各Ｕ字形レバー部
が、基部を除いて各Ｕ字形レバー部と対応する支持部材
との間に間隔（２０）が設けられるように、対応する支
持部材を実質的に包囲しており、前記基部に対して対向
状に配置されるよう各Ｕ字形レバー部の支持されない端
部に実質的に対称的に配置された、第１および第２の実
質的に等価の質量（２４、２４ｂ）を備え、その結果対
応する支持部材が前記アルミナ基部と対応する質量との
実質的に中間に配置されるようにし、前記第１および第
２のＵ字形レバー部の面と直角をなす方向に各質量の各
変位を独立的に検出する検出手段（１４）を備えること
を特徴とする厚膜回転加速度計。
【請求項１１】アルミナ基部（１２）と、該基部と一
体に形成された各支点端部、および該支点基部から実質
的に対称的かつ等距離に、かつ該基部に対して双極をな
す各支持されない端部を含む第１および第２の実質的に
同一面内の撓み部材と、該第１および第２の撓み部材の
支持されない端部にそれぞれ配置された第１および第２
の試験質量（２４、２４ｂ）と、各試験質量の面からの
各変位を検出する検出手段（１４）とを備えることを特
徴とする厚膜回転加速度計。
【請求項１２】前記検出手段から各アナログ出力電圧
を生じる信号条件付けおよび増幅回路（３０〜３２、４
０〜４４、５０〜５４）を備えることを特徴とする請求
項１１記載の厚膜回転加速度計。
【請求項１３】前記回路が前記基部上に配置されるこ
とを特徴とする請求項１２記載の厚膜回転加速度計。
【請求項１４】前記回路が、ａ）角加速度の測定値を
生じるため面からの各変位間の差に実質的に等しい第１
の出力信号と、ｂ）角速度の測定値を生じるため前記第
１の出力信号の積分に実質的に等しい第２の出力信号
と、ｃ）角度方向の測定値を生じるため前記第２の出力
信号の積分に実質的に等しい第３の出力信号とを生じる
ためのものであることを特徴とする請求項１２または１
３に記載の厚膜回転加速度計。
【請求項１５】第１および第２の対称的で実質的に同
一面内の支持されない部分（１６）と一体の中心支持部
（１２）を含む２重レバー撓み部材と、支持されない各
部分に実質的に対称的に配置された第１および第２の試
験質量（２４、２４ｂ）と、前記面と直角をなす各試験
質量の各変位を独立的に検出する検出手段（３０〜３
２、４０〜４４、５０〜５４）とを備えることを特徴と
する厚膜回転加速度計。