JPH08504512A - 結合力変換器および温度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 力若しくは変位および温度を測定する結合式変換器は一対の振動音叉を用いて温度あるいは力若しくは変位を示す出力を同時に与え、２つの音叉の振動周波数の和あるいは平均は温度を示し、差が力若しくは変位を示している。

Description

【発明の詳細な説明】 結合力変換器および温度センサ （技術分野） 本発明は加速度計を含む力変換器や変位変換器のような変換器、特に温度を示 す出力を与える変換器および温度センサに関する。 （背景技術） 変換器は一般に温度に敏感である。温度による誤差を補償し、変換器の精度向 上するため、変換器近傍の温度が測定され補償に使用される。概してこのために は熱センサを補償対象の変換器、あるいはその近傍の好適な箇所に取り付ける必 要がある。また熱センサの出力を温度を示す信号に変換しアナログ・デイジタル 変換器あるいは電圧・周波数変換器に入力する回路も提供される。一方この方法 では熱を増し変換器と干渉する部品を付加する必要があり、変換器においてこれ ら部品は相互に離間させられるため、センサは変換器の温度を正確に測定できな い。 （発明の開示） 従つて本発明の１目的は従来の変換システムの多くの欠点を解決することにあ る。 本発明の別の目的は別途に熱検出素子を使用することなく、測定値を示す信号 を出力する力変換器あるいは偏向変換器を提供することにある。 本発明の別の目的は力や偏向を検出する素子の所定の個所での正確な温度を示 す力あるいは偏向力変換器を提供するこ とにある。 本発明の更に別の目的は一対の振動検出素子の振動周波数を利用して力若しく は偏向と温度の双方を示す振動力変換器あるいは偏向変換器を提供することにあ る。 本発明の他の目的は偏向部材に付設された一対の振動素子を有し、２つのセン サの振動周波数の差が偏向可能な部材の偏向を示し２つのセンサの振動周波数の 平均値が温度を示す加速度計のような変換器を提供することにある。 従つて本発明の好適な実施例によれば、例えば加速力のような外部力に応動し て動く基準物体のような偏向可能な素子を有する加速度計のような力あるいは偏 向変換器が提供される。基準物体には一対の振動検出素子が付設され、基準物体 の偏向により振動検出素子の一方の振動周波数が増加し、他方の振動検出素子の 振動周波数が減少する。２つの検出素子の振動周波数の差に応動する回路を用い て基準物体の偏向、即ち加速度計に加えられる加速力を示す。更に２つの振動周 波数の和あるいは平均に応動する回路を用いて２つの振動部材の温度を示す信号 を与える。このようにして得られた温度測定値を利用して力変換器の温度による 読み値に対し補償する。 （図面の簡単な説明） 本発明のこれらの他の目的と利点とは以下の詳細な説明および添付図面から容 易に理解されよう。 図１は本発明による複合式変換器・温度センサの簡略図、図２は偏向可能な部 材および振動変換素子としてモノリシツ ク構造体の図１の変換システムの１実施例の簡略図である。 （発明を実施するための最良の形態） さて図面、特に図１を参照するに、本発明によるシステムの一実施例における 加速度計が示されるが、本発明は各種力変換器あるいは変位変換器を含む他の変 換システムに適用できることは理解されよう。図１に示す本発明の変換システム 10は基準物体12を用いて加速度を検出するように構成されている。基準物体12は 取付構造体14により支承され、断面積の小さな湾曲体16による加速に応動して上 方あるいは下方に回転される。一対の機械的な衝撃止め部材18、20により基準物 体12の機械的な移動が制限され、機械的な衝撃止め部材18、20は制動ギヤツプと して機能する。一対の振動素子22、24は例えば石英またはシリコン、好ましくは シリコンから作製される単一刃あるいは複数刃の振動素子として構成され、基準 物体12および一対の支承部材26、28に付設される。振動部材22はオシレータ30の フイードバツクループの一部をなしている。同様に振動部材24は別のオシレータ 32のフイードバツク回路の一部をなしており、オシレータ32の周波数を決定する 。振動部材22、24は図１では２刃の音叉として図示されているが、各種構成の単 一刃または複数刃の振動部材を採用可能である。オシレータ30、32に接続された 減算回路34はオシレータ30、32の出力信号間の周波数差を示す出力信号をライン 36に出力する。、同様に周波数の和若しくは平均を取る加算回路38がオシレータ 30、32からの周波数の和あるいは平均を示す出力信号をライン40に出力する。和 あるいは平均値の使用は 、２個のオシレータが使用されるとき、平均はオシレータ周波数の和を２で割つ たものであり、より一般的に平均は複数のオシレータの周波数の和をオシレータ の数で割つたものになるから、等価になる。平均または和は積分により簡単に関 係付けられ得、用語“平均および和”は本発明の説明では相互に互換的に使用さ れる。 加算回路38および減算回路34の出力は補償回路42に与えられ、補償回路42は補 償された加速信号をライン44に送出する。各種の周知な回路を計算回路として使 用でき、例えば温度信号の値と補正されていない加速信号の値に基づくか、ある いは各種の温度と補正されていない加速値の組み合わせに対し内部に記憶した補 正済みの加速値を持つルツクアツプテーブルに基づき計算を行う。 更に動作を説明するに、加速の垂直成分が図１の変換システムに加えられると 、基準物体は加速の方向により上方あるいは下方に偏向される。基準物体12が所 望方向に向けられたとき振動部材22、24の一方が圧縮され、他方の振動部材が延 長されて、圧縮ないしは延伸された振動部材に各々連結されたオシレータ30、32 の発振周波数が減少および増大される。振動部材22、24の圧縮および延伸の大き さは変換システムに加えられる加速の大きさにより決定され、従つてオシレータ 30、32の発振周波数の増減が加速の大きさに応じて決定される、、これによりオ シレータ30、32の発振周波数の差を取つて、加速の大きさを示す信号が得られる 。 図１に示された種類の２−振動部材システムは各種の通常 のモードエラーを除去するよう構成されているが、振動部材22、24の振動周波数 の差は依然温度により影響される。この周波数の差は上述した如く温度の影響が 補償されて正確な加速度計の読み値を得ることが要求される。このような補償は 温度の関数として変化する２つの振動部材22、24の平均振動周波数を決定するこ とにより、外部センサを使用することなく得られる。しかして２つの振動素子の 平均周波数の変化を決定することにより、この変化を用いて加速度計の信号の温 度によるエラーが補償できることになる。 振動素子20、22の平均周波数はオシレータ30、32の各周波数の和を取り２で割 る、あるいは和は平均を示すため２つの周波数を単に加算することにより決定さ れ得る。次に和または平均は補正されていない加速信号と共に補償回路42へ付与 されて補正された加速信号が得られる。 この処理は、加速を示す差信号36を用いて補正されていない温度信号を補償す る。あるいは加速信号をより正確に補償する場合にも当てはまる。この処理工程 は反復して使用され、精度を向上させたり、あるいは式若しくはルツクアツプテ ーブルの形態でモデル化できる。 図１に示す変換システムは本発明の動作を簡略的に示しているが、変換システ ムは図２に示されるように好ましくはシリコンを用いモノリシツクブロツクとし て形成される。図の構成においては、図１と同様な構成部品には元の符号に100 を加算して示される。図１と図２の大きな違いは、振動力子122、124が垂直では なく水平に配置され、基準物体112およ び湾曲体116と共に単一のシリコンブロツクと一体に形成され、基準物体112の支 承端部が支承部材114に取り付けられることにある。 本発明で使用可能なシリコンモノリシツク加速度計装置の構成が本発明と同一 の譲受人に譲渡された米国特許第5,005,413号に開示されている。この米国特許 には単結晶層で作られ力検出素子として２個のダブル−端部音叉を使用する微細 加工されたシリコン加速度計が示されている。このシステムは、上述したように 図１および図２の振動素子振動部材22、24あるいは122、124として、上記特許に 開示されたダブル端部音叉を利用することにより、本発明に利用できる。 上述から本発明においては多様の設計変更が可能であることは明らかであろう 。従つて添付の特許請求の範囲の範囲内において本発明は上述と異なる態様のも のを実施できることは理解されよう。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９４年１１月１６日 【補正内容】 請求の範囲 １．偏向可能な部材と、各々が一以上の振動刃を持ち、且つ偏向可能な部材に付 設された一対の振動部材と、各振動部材の振動周波数の和を求めて振動部材の振 動周波数の平均を示す信号を与える装置とを備え、偏向可能な部材が偏向時に偏 向可能な部材および振動部材が協働して、振動部材の一方の振動周波数が増大し 他方の振動部材の振動周波数が減少し、振動周波数の差が偏向可能な部材の偏向 の大きさを示し、平均の周波数を示す信号が温度を示すように構成されてなる、 機械的な偏向および温度を示す信号を与える変換器。 ２．偏向可能な部材および振動部材が一体に形成されてなる請求項１の変換器。 ３．偏向可能な部材には加速に応動する基準物体が包有されてなる請求項２の変 換器。 ４．偏向可能な部材および音叉が結晶材料で作られてなる請求項３の変換器。 ５．結晶材料がシリコンでなる請求項４の変換器。 ６．振動部材が２つの振動音叉を有してなる請求項５の変換器。 ７．一対の振動部材を偏向可能な部材と連結し偏向可能な部材の偏向により振動 部材の一方の振動周波数を増大させ同時に他方の振動部材の振動周波数を減少さ せ、振動周波数の差により偏向可能な部材の偏向を示させる工程と、振動部材の振動周波数の和を求めて 振動周波数の平均を決定しこの振動周波数の平均により 温度を示させる工程とを包有してなる偏 向および温度を示す信号を付与する方法。 ８．基準物体と、各々が一以上の振動刃を持ち、且つ基準物体に付設された一対 の振動部材と、振動部材に応動し振動部材の振動周波数の差を示す信号を与える 装置と、振動部材の振動周波数の平均を示す信号を与える装置とを備え、加速度 計に与えられた加速による基準物体の偏向に応動し基準物体および振動部材が協 働して振動部材の一方の振動周波数が増加し他方の振動部材の振動周波数が減少 し、振動部材の振動周波数の差が加えられた加速の大きさを示し、振動部材の平 均の周波数が温度を示すように構成されてなる結合式加速度計・温度センサ。 ９．振動周波数の平均が加速の関数として変化し、更に振動周波数平均信号およ び加速を示す信号に応動して周波数平均信号を補償し加速補償された温度信号を 与えてより正確に補償された温度・加速信号を与える装置を備えてなる請求項８ の結合式加速度計・温度センサ。 10．振動周波数の差は温度の関数として変化し、更に振動周波数差信号および温 度を示す信号に応動して周波数差信号を補償し温度補償された加速信号を与える 装置を備えてなる請求項８の結合式加速度計・温度センサ。 11．振動周波数の平均が加速の関数として変化し、更に振動周波数平均信号およ び加速を示す信号に応動して周波数平均信号を補償し加速補償された温度信号を 与えてより正確な温度補償された加速信号を与える装置を備えてなる請求項10の 結合式加速度計・温度センサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ Ｇ０１Ｐ 15/10 7187−2Ｆ (72)発明者 リー，チヤールズ ケイ. アメリカ合衆国 ワシントン州 98101, シアトル，エヌ．イー．169ス コート 4238 (72)発明者 フーテ，ステイーブン エイ. アメリカ合衆国 ワシントン州 98027, イツサグワ，エス．イー．ブラツク ナゲ ツト ロード 26030

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．偏向可能な部材と、偏向可能な部材に付設された一対の振動部材と、振動部 材の振動周波数の平均を示す信号を与える装置とを備え、偏向可能な部材が偏向 時に偏向可能な部材および振動部材が協働して、振動部材の一方の振動周波数が 増大し他方の振動部材の振動周波数が減少し、振動周波数の差が偏向可能な部材 の偏向の大きさを示し、平均の周波数を示す信号が温度を示すように構成されて なる、機械的な偏向および温度を示す信号を与える変換器。 ２．偏向可能な部材および振動部材が一体に形成されてなる請求項１の変換器。 ３．偏向可能な部材には加速に応動する基準物体が包有されてなる請求項２の変 換器。 ４．偏向可能な部材および音叉が結晶材料で作られてなる請求項３の変換器。 ５．結晶材料がシリコンでなる請求項４の変換器。 ６．振動部材が２つの振動音叉を有してなる請求項５の変換器。 ７．一対の振動部材を偏向可能な部材と連結し偏向可能な部材の偏向により振動 部材の一方の振動周波数を増大させ同時に他方の振動部材の振動周波数を減少さ せ、振動周波数の差により偏向可能な部材の偏向を示させる工程と、振動部材の 振動周波数の平均を決定しこの振動周波数の平均により温度を示させる工程とを 包有してなる偏向および温度を示す信号を付与する方法。 ８．基準物体と、基準物体に付設された一対の振動部材と、振動部材に応動し振 動部材の振動周波数の差を示す信号を与える装置と、振動部材の振動周波数の平 均を示す信号を与える装置とを備え、加速度計に与えられた加速による基準物体 の偏向に応動し基準物体および振動部材が協働して振動部材の一方の振動周波数 が増加し他方の振動部材の振動周波数が減少し、振動部材の振動周波数の差が加 えられた加速の大きさを示し、振動部材の平均の周波数が温度を示すように構成 されてなる結合式加速度計・温度センサ。 ９．振動周波数の平均が加速の関数として変化し、更に振動周波数平均信号およ び加速を示す信号に応動して周波数平均信号を補償し加速補償された温度信号を 与えてより正確に補償された温度・加速信号を与える装置を備えてなる請求項８ の結合式加速度計・温度センサ。 10．振動周波数の差は温度の関数として変化し、更に振動周波数差信号および温 度を示す信号に応動して周波数差信号を補償し温度補償された加速信号を与える 装置を備えてなる請求項８の結合式加速度計・温度センサ。 11．振動周波数の平均が加速の関数として変化し、更に振動周波数平均信号およ び加速を示す信号に応動して周波数平均信号を補償し加速補償された温度信号を 与えてより正確な温度補償された加速信号を与える装置を備えてなる請求項10の 結合式加速度計・温度センサ。