JPH0830717B2 - 共平面プッシュプル力変換器を有する加速度計 - Google Patents

共平面プッシュプル力変換器を有する加速度計

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JPH0830717B2
JPH0830717B2 JP2503239A JP50323990A JPH0830717B2 JP H0830717 B2 JPH0830717 B2 JP H0830717B2 JP 2503239 A JP2503239 A JP 2503239A JP 50323990 A JP50323990 A JP 50323990A JP H0830717 B2 JPH0830717 B2 JP H0830717B2
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、加速度計に関し、特に、１対のフォースト
ランスデュ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。
発明の背景 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。或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
だけシフト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、このシフトは、変換器出力を処理する
た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と
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、一般的に、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。
発明の概要 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。
図面の簡単な説明 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図の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図は、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。
発明の詳細な説明 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 mass）18を形成するようにエ
ッチング加工され、このプルーフマス18は１対のたわみ
部22、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、プルーフマス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28
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30、32を
含んでいる。これらの力変換器30、32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、32は、
両頭音叉振動ビームタイプ（double-ended tuning fork
vibrating beam type）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は揺動軸線PA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20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。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型ウェーハとするこ
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
めにエッチング加工されるが、この場合、バルクシリコ
ンの深いエッ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がエッチングされ、且つエピ
タキシャル層26からたわみ部22、24がエッチングされる
のを防止するために電解エッチングストップ（electro-
chemical etch stops）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、エッチング加工されている。振動ビーム力変
換器70、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70、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は有して
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56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（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78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を形成するようエッ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102と下面104との間のほぼ中央
に配置されたヒンジ軸線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、ヒンジ軸線HAをまたい
でいる。また、力変換器122は、ヒンジ軸線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108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、1
22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或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・位置ピックオフ技術を使用できる。使用可能な技
術は、磁気、静電、圧電及び圧抵抗ピックオフ、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、プ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。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。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウッドラフ、ジェイムズ・アール アメリカ合衆国、ワシントン州 98052、 レッドモンド、エヌ・ダブリュ、ワンハン ドレッドフォーティシックスス・アベニュ ー 7910

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第１および第２の端部と、これら第１およ
    び第２の端部の間に延びる第１の軸心とを有し、第１の
    軸心に垂直な第２の軸心に沿って支持体に第１の端部に
    てヒンジ連結されたプルーフマス、 プルーフマスの第２の端部と支持体の間に連結された振
    動体および二重ビーム力感知部材から成り、力感知部材
    とプルーフマスの連結点が第１の軸心に沿って位置し、
    ビーム振動周波数の予定された作動範囲における振動に
    適合できる力変換器、 から成り、前記プルーフマスの第２の端部は、作動範囲
    の外に位置するようプルーフマスの振動モードの周波数
    を生じるよう形成されており、プルーフマスは第１の軸
    心に関して対称で且つ第２の軸心に平行な幅寸法を有し
    ており、プルーフマスは、幅寸法に沿った第２の端部の
    外縁でのプルーフマスの質量の調整によって作動範囲の
    外に位置するようプルーフマスの振動モードの周波数を
    生じるよう形成されており、振り子の第２の端部は、作
    動範囲の外に位置するよう第１の軸心周りのプルーフマ
    スの捩り振動の正常モード周波数を生じるよう形成さ
    れ、第１の端部に隣接したプルーフマスの幅よりも小さ
    な幅を有する第２の端部の形成によって作動範囲の上に
    位置するよう正常モード周波数が生じられ、プルーフマ
    スの幅はプルーフマスの両端の中間点から第２の端部に
    対して減少している加速度計。
  2. 【請求項２】中間点から第２の端部までの幅の減少が直
    線的である請求項１記載の加速度計。
  3. 【請求項３】中間点と第２の端部の間のプルーフマスの
    減少する幅部分は第１の軸心に対してほゞ45°の角度を
    形成している請求項２記載の加速度計。
  4. 【請求項４】第２の端部の幅は第１の端部の幅のほゞ半
    分である請求項３記載の加速度計。
  5. 【請求項５】第２の端部の幅は、第２の端部に取付けら
    れた力感知部材の部分の幅に大体等しい請求項１記載の
    加速度計。
  6. 【請求項６】第１および第２の端部と、これら第１およ
    び第２の端部の間に延びる第１の軸心とを有し、第１の
    軸心に垂直な第２の軸心に沿って支持体に第１の端部に
    てヒンジ連結されたプルーフマス、 プルーフマスの第２の端部と支持体の間に連結された振
    動体および二重ビーム力感知部材から成り、力感知部材
    とプルーフマスの連結点が第１の軸心に沿って位置し、
    ビーム振動周波数の予定された作動範囲における振動に
    適合できる力変換器、 から成る加速度計を造る方法において、 作動範囲の外に位置するようプルーフマスの振動モード
    の周波数を生じるようプルーフマスの第２の端部の外縁
    で質量を調節することから成る、加速度計を造る方法。
JP2503239A 1989-02-27 1990-01-08 共平面プッシュプル力変換器を有する加速度計 Expired - Lifetime JPH0830717B2 (ja)

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US316,399 1989-02-28
PCT/US1990/000129 WO1990010237A1 (en) 1989-02-27 1990-01-08 Accelerometer with coplanar push-pull force transducers

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JP (1) JPH0830717B2 (ja)
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