JPH0854411A - 加速度計および製造方法 - Google Patents

加速度計および製造方法

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JPH0854411A JP7151434A JP15143495A JPH0854411A JP H0854411 A JPH0854411 A JP H0854411A JP 7151434 A JP7151434 A JP 7151434A JP 15143495 A JP15143495 A JP 15143495A JP H0854411 A JPH0854411 A JP H0854411A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 力検知素子をマスに接続する接着部材におけ
るクリープによる加速度の測定の影響をなくす。 【構成】 震性マスと力センサのような部分は全て石英
結晶のような単一の物質から作り出され、これらはそれ
らの間のクリープの可能性を減少させるような方法で互
いに接着されている。制動プレートとスクィーズ・フィ
ルム・ガス・制動が震性マスの動きを抑え、また、これ
らの部分はウェハの結晶軸に対して所定の方法で方向付
けられており、そこから、製造の間中それらの部分をウ
ェハに保持する分離タブの特性を制御するようにしてそ
れらが製造される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般に、加速度計、更
に言えば、プルーフマス（proofmass)加速度計とその製
造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】プルーフマス加速度計は、一般に、検知
軸に沿った振動性の動きのため、１つ若しくはそれ以上
の屈曲部によって支持された震性マス（seismic mass)
を有する。この動きは、与えられた負荷に伴って変化す
る周波数を有した１つ若しくはそれ以上の力検知素子に
よって制限される。検知軸に沿って加速度が与えられる
と、力検知素子に負荷が加わり、その周波数は変化す
る。この周波数変化が加速度の測定である。このタイプ
の加速度計では、マスの反対側にプッシュプル構成で取
りつけられた２つの力検知素子を使用するのが一般的で
ある。この設計では、加速度は一方の素子の周波数を増
大させ、他方の周波数を減少させる。加速度の測定はこ
のように、２個の力検知素子の周波数における差の関数
である。エラーを生じさせることのある温度変化のよう
な他の多数のファクタは、双方の周波数を同じ方向に変
化させ、周波数における差の採用によって除去される。
このタイプの加速度計における最も重要な特徴は、力検
知素子をマスに接続する方法である。力検知素子をマス
に取りつけている接着物質におけるなんらかのクリープ
が加速度として現れることがある。
【０００３】本発明の目的は簡単に言えば新しく且つ改
善された加速度計とその製造方法を提供することにあ
る。本発明の他の目的はこれまで提供されてきた加速度
計の制限および欠点を克服するような上述の特性を備え
た加速度計と方法を提供することにある。これらのおよ
び他の目的は、本発明によれば、震性マスや力センサの
ような複数の部分の全てが石英結晶のような単一物質か
ら作り出され、それらの間のクリープの可能性を減少さ
せるような方法でそれらを互いに接合している、加速度
計と方法とを提供することによって達成される。制動プ
レートとスクィーズ・フィルム・ガス・制動（squeeze
film gas damping) が震性マスの動きを抑え、また、そ
れらの部分はウェハの複数の結晶軸に対して所定の方法
で方向付けされており、そこから、製造の間中ウェハに
対してそれらの部分を保持する分離タブの特性を制御す
るようにしてそれらは作り出されている。
【０００４】
【実施例】図１に示されているように、加速度計は、検
知軸１９に沿った振動性の動きのために屈曲部１８によ
って支持体１７に取りつけられたマス、即ち、振子１６
を有している。マスと支持体の間に接続された一対の力
検知クリスタル２１、２２はそこに与えられた負荷に対
応した周波数で振動する。これらのクリスタルは、周波
数発振器２３、２４の周波数を制御し、発振器からの信
号は加算回路２６に与えられ、この加算回路は、これら
２つの発振器信号間の周波数における差に対応した出力
信号を与える。図２の実施例において、加速度計は、検
知軸に沿って互いに積み重ねられた５つのディスク状素
子の形態で構成されている。これらの素子は全て石英結
晶のような物質から製造されており、中央素子２７と、
この中央素子２７の相対する側にある一対のトランスジ
ューサ素子２８と、このトランスジューサ素子の外側に
ある一対の制動素子、即ち、蓋２９を有する。組み立て
られたこれらの素子は、ベース部分３１とカバー３２と
からなる密閉シールされたハウジングの内部に載置され
る。
【０００５】中央素子２７は震性マス３３を含有するよ
う形成される。この震性マス３３は、検知軸に対して垂
直に延びた丁番軸３７付近における振動性の動きのた
め、一対の屈曲部３６によって支持ブロック３４に丁番
状に取りつけられている。震性マスと支持ブロックは各
々平面図がほぼ円形であるような形態を有し、震性マス
は検知軸の方向と面したその反対側に比較的大きな主表
面３８を有する。震性マス３３と支持ブロック３４は、
支持ブロックが取りつけられる載置リング３９の内部に
配置される。隔離リング４１はこの載置リングの周囲に
同心的に配置されており、フレキシブルな、放射状に延
長されたアームが、載置リングを隔離リングに接続させ
ている。載置フィート４３は、隔離リングの反対側の表
面から軸方向に沿って延びる。フレキシブルなアームと
リングが、マスと載置フィートの間に機械的な隔離を提
供する。中央素子は一体構造として形成されており、こ
れは、石英結晶のような物質でできたウェハからエッチ
ングによって形成されたマス、屈曲部、支持ブロック、
リング、フレキシブルなアーム、載置フィートを有す
る。各トランスジューサ素子２８は載置リング４６を有
し、この内部には、力検知クリスタル４７と結合プレー
ト４８が配置される。力センサは、米国特許第４，９７
０，９０３号に示されているようなタイプのフレーム化
二重終了型調整フォーク（framed double ended tuning
fork)である。この構造は、その相対する側のコーナー
とコーナーの間に延びている一対の振動枝（vibrating
tines)５１を有した四辺形フレームを含む。このフレー
ムは、４つのリンク５２から成っており、振動枝が接続
されるコーナーに端板５３を有し、また、コーナーとコ
ーナーの中央にパッド５４、５６を有する。パッド５４
は結合プレート４８と一体的に形成され、またそこから
突出し、パッド５６は載置リング４６と一体的に形成さ
れ、またそこから内部方向に突出している。
【０００６】結合プレート４８はその反対側にある平面
領域を有し、これらの平面領域は震性マス３３の主表面
３８と同一の空間に広がっている。これらの表面領域は
接着剤５７によって主表面に結合され、トランスジュー
サ素子の載置リング４６は接着剤５８によってマス素子
の載置リング３９の反対側の表面に接合される。また、
これらの素子は、ろう付やフリット（fritting) のよう
な他の適当な手段のいづれによっても互いに接合され得
る。マスとプレート間の比較的大きな接合領域は、この
領域がこれらの部分間のクリープの機会を減少させると
いう点で重要である。マスに接合されたとき、これらの
プレートはプルーフマスの一部となる。トランスジュー
サ素子２８の各々は一体構造として形成され、マス・ア
センブリと同じ物質のウェハからエッチングによって形
成されたリングと、力センサと、結合プレートを有す
る。両方の素子に単一の物質を用いることにより、これ
らの素子間の接続は温度における変化に影響されない
が、異なった熱膨張係数を有する物質が使用された場合
には問題であろう。より大きな一体性、および温度係数
の整合も、複数の異なる素子を同じウェハからエッチン
グすることによって得ることが可能である。
【０００７】力検知クリスタルに対する電気接続は、ハ
ウジングのカバー３２上の接触ピン５９に接続されたリ
ード（図示していない）によってなされる。図４、５に
最もよく示されているように、結合プレートを力検知ク
リスタルに接続するパッド５４は、検知軸に沿って屈曲
部中央の上側および下側に直接的に位置づけられてい
る。結合ポイントのこの位置は、図６および図７と、図
８および図９に示された構成を比較すれば明らかである
ように、入力された加速度による力センサ上の負荷を最
大とする。図６に示された構成は、マスと力センサの間
の結合ポイントが丁番軸の上部に直接配置された図２の
実施例に対応する。この構成を用いると、角度ｘを通じ
た丁番軸上部におけるマスの回転により、大きさは等し
いが向きが逆であるような力Ｆa が２つの力センサに加
わる。図８の構成では、結合ポイントは丁番軸から横方
向に動かされ、丁番軸付近におけるマスの回転は、力セ
ンサに加わる力成分Ｆa2とセンサに対して垂直の成分Ｆ
b を有した曲げモーメントを作り出す。成分Ｆa2は成分
Ｆa より小さく、成分Ｆb はセンサの不所望なサイド負
荷を作り出す。
【０００８】制動プレート、即ち、蓋２９は一般に、そ
の一方の側に形成された窪み領域６０を有した円形プレ
ートを備える。これらのプレートは、マス・アセンブリ
やトランスジューサ・アセンブリと同じ物質からエッチ
ングによって形成される。窪み領域はトランスジューサ
素子に面しており、プレートの外部のへり６１は、接着
剤や、ロウ、フリットのような適当な手段によってトラ
ンスジューサ素子の載置リング４６に接合される。各窪
み領域は深さ１ミルであり、トランスジューサ・プレー
トの外部表面と窪みの底壁６２の間にガス・フィルムが
形成される。底壁は震性マスの過剰範囲停止部材として
機能し、ガス・フィルムはマスの動きを制動すべく圧縮
される。このタイプの制動は時々スクィーズ・フィルム
・ガス・制動と呼ばれており、トランスジューサ・プレ
ートと底壁の間の空間はスクィーズ・フィルム・制動・
ギャップと呼ばれている。加速度計の振動性能は制動ギ
ャップを制御することによって最適化することができ、
振動下でもマスがニュートラル位置に残るよう、マスの
両側で等しい大きさの正確なギャップを有することがと
ても望まれる。現時点でのある１つの好ましい製造方法
では、図１０に示されているように、一対の制動プレー
ト２９を共通のウェハ６３から同時にエッチングするこ
とによって一様性が確実なものとされている。この対は
その後、同じ加速度計に使用される。
【０００９】制動プレートや他の結晶部分は分離タブ６
４によって製造の間中ウェハのある位置に保持される。
これらのタブは放射状に延びてこれらの部分の円周周囲
を離間する。この製造工程が完了した後、これらの部分
はタブを破壊することによってウェハから分離される。
タブは、もろい部分に損傷を与えることなくそれらのタ
ブを容易に破壊するのに充分小さなものであるが、加工
段階の間中それらの部分を保持するのに充分なほど頑丈
であることが必要である。石英結晶は、該石英結晶から
エッチングされた部分のコーナーに面（facet)６６を形
成する。これらの面を制御することは非常に難しい。こ
れらは一様性を欠きやすく、部分毎に異なる傾向があ
る。面の大きさは結晶軸に対するコーナーの配置方向(o
rientation) の角度に関連しており、タブを軸に対して
ある角度で配置することにより、それらのタブはより一
様となり、また、面の形成による影響をほとんど受けな
いことが分かっている。特に、制動プレートの周囲に等
しく配置された３つのタブの中の１つが＋ｘ結晶軸と整
合された場合には、図１１に示されているように、タブ
とその部分の本体との間の面は最小とされる。この部分
がウェハから除去されたときに、タブはその部分の端部
からよりきれいに壊れるだろう。
【００１０】３つのタブの中の１つが＋ｙ軸と整合され
た場合は、図１２に示されているように、比較的大きな
面６６がタブの両側に形成されやすく、タブはこれらの
面によりその部分からきれいには分離しない。図１３
は、比較的大きな面をタブの上に形成する他の配置方向
を示す。この配置方向では、一方のタブは＋ｘ軸上側に
６０°離間され、第２のタブはその下側に６０°離間さ
れている。この部分がウェハから除去される場合、これ
ら２つのタブはそこから突き出るだろう。これらのタブ
は通常は望ましくないものであるが、加速度計の組立の
間中これらの部分を方向付けに利用することができる。
図１４は、トランスジューサの製造の際にこれらの部分
を一緒に組み立てるために用いることができるツール６
７を示す。このツールはキャビティ６９が形成されるブ
ロック６８を備える。キャビティは水平部分において一
般に円形であり、中央素子２７より直径が幾分大きい。
一対の整合ピン７１がキャビティの一方の側に向かって
垂直に延びて、これらの部分の上のタブ６４のような位
置決め素子と係合し、これらの部分の適当な配置方向と
整合を確実なものとする。１つの好ましい製造方法で
は、制動プレート２９の１つが整合ツールのキャビティ
に配置される。その窪み領域は上方に面し、そのタブは
整合ピンと係合する。トランスジューサ素子２８は制動
プレートの上部に配置され、マス素子２７はトランスジ
ューサ素子の上部に配置される。第２のトランスジュー
サ素子２８はマス素子の上部に配置され、第２の制動プ
レートは第２のトランスジューサ素子の上部に配置さ
れ、その窪み領域は下方向に向いている。各連続部分が
ツールに配置されると、そのタブが整合ピンと整合さ
れ、接着剤がその部分とそれ以下の部分の間に置かれ
る。全ての部分が接合されると、アセンブリはキャビテ
ィから取り除かれ、ハウジング本体３１に載置される。
力センサからの電気リードはピン５９に接続され、ハウ
ジングを密閉するためにカバー３２がハウジング本体に
取りつけられる。
【００１１】以上の事から、新しく改良された加速度計
とその製造方法が提供されていることは明らかである。
ある現在の好ましい実施例だけを詳細に記述してきた
が、当業者には明らかなように、特許請求の範囲に定義
された本発明の範囲を逸脱することなく様々な変更や変
形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が関連する型を持つプルーフマス加速度
計のブロック図。
【図２】本発明による加速度計の一実施例の分解等角
図。
【図３】図２の実施例のある部分の分解拡大図。
【図４】図３の部品を互いに組み立てたものの上面図。
【図５】図４の線５─５に沿った断面図。
【図６】図５に示された加速度計の一部を示す図。
【図７】図６の実施例の力センサへ力を加えていること
を示すベクトル図。
【図８】他の加速度計の部分を示す図。
【図９】図８の加速度計における力センサに力が加えら
れていることを示すベクトル図。
【図１０】図２の実施例で使用する制動プレートがそこ
から作り出されるているようなウェハの上面図。
【図１１】図２の実施例で使用する制動プレートがウェ
ハの結晶軸に関して図１２、１３、１４とは異なる配置
方向でそこから作り出されているようなウェハの上面
図。
【図１２】図２の実施例で使用する制動プレートがウェ
ハの結晶軸に関して図１１、１３、１４とは異なる配置
方向でそこから作り出されているようなウェハの上面
図。
【図１３】図２の実施例で使用する制動プレートがウェ
ハの結晶軸に関して図１１、１２、１４とは異なる配置
方向でそこから作り出されているようなウェハの上面
図。
【図１４】本発明による加速度計のアセンブリにおける
ツールの使用を示す拡大等角図。
【符号の説明】
１６ マス １７ 支持体 １８ 屈曲部 １９ 検知軸 ２３ 周波数発振器 ２４ 周波数発振器 ２６ 加算回路 ２７ 中央素子 ２８ トランスジューサ素子 ２９ 制動素子 ３３ 震性マス ３４ 支持ブロック ３８ 主表面 ３９ 載置リング ４１ 隔離リング ４３ 載置フィート ４６ 載置リング ４８ 結合プレート ５２ リンク ５８ 接着剤 ６４ 分離タブ ６６ 面 ７１ 整合ピン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ケニス エス レウォーレン アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94520 コンコード アカーシア ドライ ヴ 2473 (72)発明者 スコット ディー オーロスキー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94960 サン アンセルモ シクオイアー ドライヴ 241 (72)発明者 バート ディー エーグリー アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94598 ウォルナット クリーク サン アントニオ ドライヴ 2852

Claims (27)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 検知軸に沿って加速度を測定するための
    加速度計において、 ａ）親物質から製造される支持体と、 ｂ）支持体と同じ物質から製造される震性マスと、 ｃ）検知軸に垂直である丁番軸の周囲で動くように震性
    マスを支持体に接続する載置手段と、 ｄ）支持体と震性マスと同じ物質から製造され、支持体
    と震性マスに接続される力トランスジューサであって、
    丁番軸周囲の震性マスの動きによって力トランスジュー
    サに力が加わるような、力トランスジューサと、を備え
    ることを特徴とする加速度計。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の加速度計において、前記
    支持体、震性マス、および力トランスジューサは石英結
    晶から製造されている加速度計。
  3. 【請求項３】 請求項１記載の加速度計において、前記
    支持体、震性マス、および載置手段は単一の一体部分と
    して形成されている加速度計。
  4. 【請求項４】 請求項３記載の加速度計において、前記
    単一部分は、支持体を外部の取りつけ歪みから隔離する
    手段を含んでいる加速度計。
  5. 【請求項５】 請求項１記載の加速度計において、前記
    力トランスジューサはフレーム化二重終了型調整フォー
    クである加速度計。
  6. 【請求項６】 請求項１記載の加速度計において、前記
    力トランスジューサは、丁番上部の検知軸上に位置する
    ポイントにおいて直接的に震性マスに接続されている加
    速度計。
  7. 【請求項７】 検知軸に沿って加速度を測定する加速度
    計において、 ａ）支持体と、 ｂ）震性マスと、 ｃ）検知軸に垂直である丁番軸の付近で移動するように
    して震性マスを支持体に接続する載置手段と、 ｄ）支持体と震性マスに接続された力トランスジューサ
    であって、丁番軸付近の震性マスの動きによって前記力
    トランスジューサに力が加わるようにしてある、力トラ
    ンスジューサと、 ｅ）震性マスに近接して位置付けられた制動プレートで
    あって、前記制動プレートと震性マスの間で圧縮された
    前記震性マスの動きを抑えるガスのフィルムを有してい
    る、制動プレートと、を備えることを特徴とする加速度
    計。
  8. 【請求項８】 請求項７記載の加速度計において、前記
    支持体と、震性マスと、力トランスジューサと、制動プ
    レートが全て単一の物質から製造されている加速度計。
  9. 【請求項９】 請求項７記載の加速度計において、前記
    支持体と、震性マスと、力トランスジューサと、制動プ
    レートが全て石英結晶で製造されている加速度計。
  10. 【請求項１０】 請求項７記載の加速度計において、前
    記制動プレートは、ガスが圧縮される制動ギャップを形
    成する窪み領域を含んだ加速度計。
  11. 【請求項１１】 請求項７記載の加速度計において、一
    対の制動プレートが震性マスの相対する側に配置されて
    おり、該一対の制動プレートは、実質的に等しい大きさ
    でその中にガスが圧縮されるような窪み領域を有してい
    る加速度計。
  12. 【請求項１２】 検知軸に沿って加速度を測定する加速
    度計において、 ａ）支持体と、検知軸に垂直な比較的大きな主表面を有
    する震性マスと、検知軸に垂直な丁番軸付近で動くよう
    に震性マスを支持体に取りつける手段とを有するように
    して形成されたほぼ平らな中央素子と、 ｂ）中央素子の相対する側に配置され、力センサと、震
    性マスの動きに応じてセンサに力を付与するように、震
    性マスの主表面と同一の空間に広がっており且つそこに
    接着されているような表面領域を有したプレートと、を
    含むよう形成されている、一対のトランスジューサ素子
    と、 ｃ）トランスジューサ素子に隣接した制動プレートであ
    って、前記制動プレートとトランスジューサ・プレート
    の間に圧縮されて前記震性マスの動きを抑えるガスのフ
    ィルムを有している、制動プレートと、を備えることを
    特徴とする加速度計。
  13. 【請求項１３】 請求項１２記載の加速度計において、
    前記中央素子と、トランスジューサ素子と、制動プレー
    トは全て石英結晶から製造されている加速度計。
  14. 【請求項１４】 請求項１２記載の加速度計において、
    前記力センサはフレーム化二重終了型調整フォークであ
    る加速度計。
  15. 【請求項１５】 請求項１２記載の加速度計において、
    前記制動プレートは実質的に等しい大きさであってその
    中にガスが圧縮されるような窪み領域を有している加速
    度計。
  16. 【請求項１６】 請求項１２記載の加速度計において、
    前記トランスジューサ素子のプレートは、丁番上部の検
    知軸上に位置するポイントにおいて直接的に震性マスに
    接続されている加速度計。
  17. 【請求項１７】 請求項１２記載の加速度計において、
    前記支持体は、載置リングと、震性マスが取りつけられ
    るリング内部の半円形の載置ブロックと、前記載置リン
    グと同心的に配置され且つ前記載置リングから放射状に
    離間された隔離リングと、載置リングを隔離リングに接
    続する複数の放射状拡張アームとを含む加速度計。
  18. 【請求項１８】 請求項１７記載の加速度計において、
    前記トランスジューサ素子は、中央素子の載置リングに
    接着される周囲載置リングを含んでいる加速度計。
  19. 【請求項１９】 前記隔離リングから軸的に延びている
    複数の載置フィートを有した請求項１７記載の加速度
    計。
  20. 【請求項２０】 検知軸に沿って加速度を測定する加速
    度計を製造する方法において、 ａ）支持体と、その相対する側に主表面を有し前記支持
    体に取りつけられて前記主表面に平行な丁番軸付近で動
    く震性マスと、を有したほぼ平らな中央素子を形成する
    段階と、 ｂ）力センサと該センサに力を加える比較的大きな表面
    のプレートとを有した一対のトランスジューサ素子を形
    成する段階と、 ｃ）丁番軸付近の震性マスの動きに応じてセンサに力が
    加わるようにしてトランスジューサ素子の比較的大きな
    表面領域を震性マスの主表面に接着する段階と、を備え
    ることを特徴とする方法。
  21. 【請求項２１】 請求項２０記載の方法において、前記
    中央素子とトランスジューサ素子は各々石英結晶の一体
    構造として形成される方法。
  22. 【請求項２２】 請求項２０記載の方法において更に、
    トンスジューサ素子の隣接に制動プレートを位置決めす
    る段階を含み、前記制動プレートは、丁番軸付近の震性
    マスの動きを抑えるために前記制動プレートとトランス
    ジューサ・プレートの間にガスのフィルムを有している
    方法。
  23. 【請求項２３】 請求項２２記載の方法において、実質
    的に等しい大きさであってその中にガスのフィルムが圧
    縮されるような窪み領域を有した制動プレートを形成す
    る段階を含む方法。
  24. 【請求項２４】 請求項２２記載の方法において、前記
    制動プレートは石英結晶で形成されている方法。
  25. 【請求項２５】 丁番軸付近を動くように支持体に丁番
    的に取りつけられた震性マスと、丁番軸付近における震
    性マスの動きに応答する力トランスジューサと、を有し
    た加速度計で使用するための部分を作りだす方法におい
    て、 ａ）親物質のウェハからブレークアウト・タブを有した
    前記部分を製造する段階であって、前記ブレークアウト
    ・タブは製造の間中その前記部分をウェハの残りに保持
    している、段階と、 ｂ）前記タブを壊して前記部分を前記ウェハの残りから
    分離する段階と、 ｃ）前記部分を他の部分とともに組み立てて加速度計を
    形成する段階と、を備えることを特徴とする方法。
  26. 【請求項２６】 請求項２５記載の方法において、前記
    部分は石英結晶から製造されており、前記ブレークアウ
    ト・タブはタブの特性を制御するため所定の方法で物質
    の結晶軸に対して整列されて方法。
  27. 【請求項２７】 請求項２５記載の方法において、前記
    ブレークアウト・タブを利用して、前記加速度計の組立
    の間中、前記部分を他の部分との関係で所定位置に位置
    決めする段階を含む方法。
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