JPH09508973A - ２端部を有する同調フオーク体の２ポート付電磁駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 微細機械加工され電磁的に励振されるシリコンのビーム部材加速度計（40）に、ヒンジ軸HAを区画する一対のたわみ部材（46）を介し外側のケーシンク（42）に付設される振動子としての基準質量体（44）が含まれる。２端部を有した同調フオーク体（48）は基準質量体（44）とケーシンク（42）の間に、感知軸SAをなすヒンジ軸HAに対しほぼ垂直な軸に沿つて連結され、これにより感知軸SAに沿つて力が与えられたとき２端部を有した同調フオーク体（48）が拡張若しくは圧縮される。基準質量体（44）が静止している状態で電磁的に励振されると、振動ビーム部材（52、54、102、104、106、108、134、136）は共振周波数で振動する。感知軸SAに沿つた力に応動して、振動ビーム部材（52、54、102、104、106、108、134、136）が拡張若しくは圧縮され、これにより振動周波数が変化され、この変化は力の目安として使用される。この励振は２端部を有した同調フオーク体の平面に対しほぼ垂直で感知軸SAに対し垂直な方向に加えられる磁界Ｂからなる。製造公差あるいは温度による振動ビーム部材（52、54、102、104、106、108、134、136）の抵抗路の変化影響を取り除くため、本発明による同調フオーク体（48）は駆動回路とピツクオフ回路用の分離した導電路を有する２ポート装置として形成される。互いに分離した導電路を具備させることにより、駆動回路の抵抗路の変化が発振器の性能全体に与える影響は殆どない。振動ビーム部材（52、54、102、104、106、108、134、136）が分離されているため、２端部を有する同調フオーク体（48）を形成する振動ビーム部材（52、54、102、104、106、108、134、136）に対し機械的に充分に連結されるべく構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】 ２端部を有する同調フオーク体の ２ポート付電磁駆動装置 （クロスリフアレンス） この特許出願は、マイケル・ジエー・ロビンソンとジエイムズ・アール・ウツ ドラフによる1993年６年７日に出願され“自動調整可能な電磁駆動装置を備える 振動ビーム部材力変換器”と題する米国特許出願第072,903 号に関連するもので ある。 （技術分野） 本発明は振動ビーム部材加速度計、特に励起回路とピツクオフ回路のための導 電路を分離して構成され、単一の導電路を形成した振動ビーム部材加速度計にお いて製造公差と温度変化による抵抗路の変化から引き起こされる問題を最小限に 抑える電磁的に励振される、２端部付の同調フオーク体を備えた振動ビーム部材 加速度計に関する。 （背景技術） 振動ビーム部材を有した加速度計は当業者には一般に周知である。周知の振動 ビーム部材加速度計の一例が図に示されている。このような周知の振動ビーム部 材加速度計には振動子としての基準質量体20が含まれ、基準質量体20は一対のた わみ部材24を介してケーシング22に対し装荷され、基準質量体20はたわみ部材24 として形成されるヒンジ軸HAを中心に回転可能である。２端部を有した同調フオ ーク体（DETF）26は、二つの枝状の振動ビーム部材28、30を有し、又ケーシング 22 と基準質量体20の間に感知軸SAとしてのヒンジ軸HAに対し垂直に連結される。 基準質量体20が静止しているとき、２端部を有した同調フオーク体26を励起さ せると振動ビーム部材28、30が共振周波数で振動する。感知軸SAに沿つて力が加 えられると、振動ビーム部材28、30が引張力あるいは圧縮力を受け、その結果振 動ビーム部材28、30の振動の共振周波数が変化される。この周波数変化は感知軸 SAに沿つて加えられる力を測定するために使用される。 振動ビーム部材28、30に力を加えて振動させる各種の構成、例えば電磁的励振 、静電気的励振、熱励振などが知られている。この種の励振構成は、組立てにお いて使用する個々の材料によつて決まる。例えば結晶体としての水晶で作られた ２端部を有する同調フオーク体は水晶の圧電特性に従つて励振される。シリコン で作られた２端部を有した同調フオーク体は通常は、微細機械加工され静電気的 あるいは電磁気的手段等の手段により励振される。 図１には２端部を有した同調フオーク体を含む微細機械加工されたシリコンの 周知の振動ビーム部材を持つ加速度計が示されており、この同調フオーク体は電 磁的に励振可能に設けられている。この態様では振動ビーム部材28、30は一端部 32で電気的に接続され、一方導電路を区画する他方端部36には電極としてのワイ ヤボンドパツド33、34が形成されている。且つこの実施例では図示の如く、振動 ビーム部材28、30とワイヤボンドパツド33、34には金などの導電性の材料が塗布 さ れ、電流が振動ビーム部材28、30を経てワイヤボンドパツド33、34間で流れる得 る。外部で発生した磁界Ｂは２端部を有した同調フオーク体26の平面に対し全体 として垂直方向に加えられる。磁界Ｂは振動ビーム部材28、30に流れる電流に作 用し振動ビーム部材28、30に対し力が与えられる。振動ビーム部材28、30に生じ た電流が交流（AC）ならば振動ビーム部材28、30が振動する。振動ビーム部材28 、30が振動と伴い、磁界が存在するようになつてワイヤポンドパツド33、34の間 に電圧が生じる。ピツクオフ電圧として知られているこの電圧は、調整され励起 電流の供給源にフイードバツクされて発振器を構成する。電磁励振のより詳細な 説明については、必要ならば米国特許第4,912,990 号に開示されている。 駆動電圧も同一のワイヤポンドパツド33、34で得られる。この駆動電圧は２端 部を有した同調フオーク体の抵抗を流れる励起電流で生じ、ピツクオフ電圧に比 べ比較的大きい。発振回路を構成させるために、駆動電圧は同一の電極間から得 られるピツクオフ電圧に対して分離する必要がある。電圧を分離するためにブリ ツジ回路を使用することは周知である。例えば電極での電圧を実調整レベルに増 幅して、出力信号が得られ、この出力信号は振幅リミツタにより制限され、その 出力が２端部を有した同調フオーク体と直列に抵抗器に接続されることが知られ ている。２端部を有した同調フオーク体自体はこの抵抗器とアースとの間に接続 されていて分圧器を形成することが周知のことである。駆動電圧からピツクオフ 電圧を分離するため、電圧リミツタからの電圧は他方の分圧 器に供給され、この分圧器は二つの分圧器からの出力がほぼ同一であるがピツク オフ電圧とは異なることも周知である。この２個の分圧器はブリツジ回路の形成 に用いられ、そのブリツジ回路の出力がピツクオフ電圧になる。 上述の構成での問題点は単一の導電路が駆動電圧とピツクオフ電圧の両方に使 われることにある。従つてこの単一の電流路の抵抗が上記の振動ビーム部材に連 結される構成体における、製造公差および温度変化によつて変化すると、発振器 は例え動作しても極めて不完全なものになる。 （発明の開示） 本発明の目的は従来例における種々の問題を解決することにある。 さらに本発明の別の目的は電磁励振され微細機械加工され、製造公差及び温度 による振動ビーム部材の導電路の抵抗変化に関する問題を最小限に抑えるシリコ ンの振動ビーム部材加速度計を提供することにある。 端的には本発明はヒンジ軸HAを形成する一対のたわみ部材を介し外側のケーシ ングに付設される振動子としての基準質量体を備え、電磁的に励振され、微細（ 高精度）機械加工されたシリコンの振動ビーム部材加速度計に関する。２端部を 有する“同調”フオーク体（DETF）は基準質量体とケーシングとの間に、感知軸 SAを区画するヒンジ軸（HA）に対し全体として垂直に連結され、このため感知軸 SAに沿つて力が加えられると２端部を有する同調フオーク体が圧縮あるいは引つ 張られる。電磁的に励振されたとき、振動ビーム部材は共振 周波数で振動する。感知軸SAに沿つた力に応動して、振動ビーム部材は圧縮ある いは引張られ、その結果共振周波数か変化されてこの共振周波数変化はその力の 目安として利用される。この励振は、図示の構成の場合２端部を有した同調フオ ーク体の平面に対し全体として垂直に、また感知軸SAに対し平行方向に生じる磁 界Ｂに因る。製造公差若しくは温度による振動ビーム部材の抵抗路の変化を補正 するために、本発明による２端部を有した同調フオーク体は駆動回路およびピツ クオフ回路用の分離した導電路を有する２ポート装置として機能させ得る。分離 した導電路を設けることにより、駆動回路の抵抗変化が発振器の性能に与える影 響は比較的小さい。加えてビーム部材が分離されているので、２端部を有した同 調フオーク体のビーム部材が機械的に十分に結合されるよう構成される。 （図面の簡単な説明） 本発明の上述した目的および他の目的は以下に述べる詳細な説明と添付図面に より更に明らかとなろう。 図１は周知の振動ビーム部材加速度計の斜視図、図２は本発明の一実施例によ る一対の振動ビーム部材を有し電磁的に励振される振動ビーム部材加速度計の斜 視図、図３は図２の加速度計を内蔵する発振回路の簡略ブロツク、図４は本発明 による４つの振動ビーム部材を有し電磁的に励振される振動ビーム部材加速度計 の他の実施例の斜視図、図５は図４の振動ビーム部材加速度計を構成する発振回 路の簡略図、図６はビーム部材毎に複数の導電路を有する一対の振動ビーム部材 で構成される本発明による電磁的に励振される振動ビーム部材加速度計の更に他 の実施例の斜視図、図７は図６の振動ビーム部材加速度計を構成する発振回路の 簡略図である。 （発明を実施するための最良の形態） 本発明は電磁的に励振可能な微細機械加工されたシリコンの加速度計に関する 。このような電磁励振される加速度計がほぼ平行に離間された一対の振動ビーム 部材からなる２端部を有した“同調”フオーク体（DETF）を含むことは理解され よう。周知の電磁励振による加速度計において、振動ビーム部材は一端部が電気 的に接続され、ビーム部材に加える交流（AC）の閉電流回路を形成し励振される 。磁束が２端部を有した同調フオーク体の平面に対し垂直になるように一定磁界 を加えると、ここに流れる電流により生じる磁界と一定の磁界との相互作用の結 果、力が生じてピーム部材が接離して振動する。従つて図１の構成の態様では、 ２端部を有した同調フオーク体の一対のビーム部材が励起電流によつて励振され てしまうことになる。 一定の磁界内でビーム部材が振動するので、ピツクオフ電圧がビーム部材の自 由端部に生じる。このピツクオフ電圧はビーム部材を流れる駆動電流から生じる 駆動電圧と分離され、次に駆動電流の発生源へ正帰還されて発振される構成が形 成される。しかしながら２端部を有した同調フオーク体と直列に接続される構成 要素および一対の振動ビーム部材からなる導電路の抵抗が変化すると、ピツクオ フ電圧が変化され、この結果発振器の性能が低下する。本発明による振動ビーム 部 材加速度計では、この問題が駆動回路とピツクオフ回路の導電路を分離し電気的 に絶縁することにより、即ち２端部を有した同調フオーク体を２ポート装置とし て構成することにより解決される。本発明においては各種の実施例が提供され得 る。特に図２および図３には電気的に互いに絶縁された一対の振動ビーム部材か らなる発振回路の一部として構成された加速度計の本発明の一実施例が示される 。且つ図４および図５には４個の振動ビーム部材を有した加速度計を利用する本 発明の他の実施例が示されている。また図６および図７にはビーム部材毎に電気 的に絶縁された複数の導電路が構成された一対の振動ビーム部材を有する加速度 計を利用した本発明の更に他の実施例が示される。 図２を参照するに参照番号40で示されている加速度計には、外側のケーシング 42に対し回転可能にするため、基準質量体44が図示の如くヒンジ軸を形成する一 対のたわみ部材46を介し外側のケーシング42と連結される。２端部を有した“同 調”フオーク体（DETF）48は基準質量体44と外側のケーシング42との間に感知軸 SAを形成するヒンジ軸HAに対し、全体として垂直方向に連結される。支柱50によ りたわみ部材46と対向する基準質量体44の端部が外側のケーシング42に連結され る。 本発明によれば２端部を有した同調フオーク体に、互いに平行で所定間隔56だ け離間された２個の振動ビーム部材52、54が含まれる。周知の２端部を有した同 調フオーク体と比べ、振動ビーム部材52、54はいずれの端部においても電気的に 接続されてないから、２ポート装置が形成されており、振動ビ ーム部材52、54は電気的に絶縁され、これにより結果駆動回路とピツクオフ回路 のために導電路が分離される。導電路が分離されるため、導電路の抵抗の変化の 発振器の性能に与える影響が低下され得る。 振動ビーム部材52、54がそれぞれの自由度を有する機械的システムを形成する ように振動ビーム部材52、54間が機械的に結合するため、振動ビーム部材52、54 のそれぞれの両端部に延長部58が具備される。振動ビーム部材52、54との間の機 械的結合を好適にするため、一例として振動ビーム部材52、54の間隔56が振動ビ ーム部材52、54のそれぞれの幅とほぼ同一の割合にすることが望ましい。加えて 延長部58の幅は振動ビーム部材52、54の幅の約４倍にされる。延長部58の長さは 振動ビーム部材52、54の長さの約10分の１にされる。この構成により、振動ビー ム部材52、54の間が機械的に充分に結合され、且つ前述のように電気的に絶縁可 能となる。一方別の割合でも結合が許容可能になることもある。 導電路60、62は図２に示されるように、振動ビーム部材52、54のそれぞれに具 備される。これらの導電路60、62には金のような導電体が少量形成される。この 少量の導電体は、図に示す基準質量体44、支柱50およびケーシング42に沿い延長 部58を有した振動ビーム部材52、54の上に蒸着され、且つワイヤポンドパツド61 、63、64、66とに接続される。電極61、63を介し導電路60が外部回路と接続され 、一方電極64、66を介し導電路62が外部回路に接続される。 このような構成をとる場合、振動ビーム部材52、54の一方 は励振のために用いられ、他方はピツクオフ電圧のために使われる。駆動回路と ピツクオフ回路の導電路を分離することにより、製造公差および温度変化により 生じる全導電路の抵抗変化を受ける発振器の性能に与える影響は殆どない。 本発明による発振回路を図３に示す。特に図示されているように、振動ビーム 部材52はピツクオフ回路のために使用され、一方振動ビーム部材54は駆動回路の ために使用される。上述のように２端部を有した同調フオーク体の平面に対し全 体として垂直な磁束を持つた磁界内での振動ビーム部材52が振動すると、ピツク オフ電圧が振動ビーム部材52の両端部間に発生する。このため振動ビーム部材52 の一端部、特に電極63は導線68を介し接地される。振動ビーム部材52の他端部は 増幅器70と接続された電極61に対し導線72を介し接続される。一方増幅器70の出 力は導線76を経て振幅リミツタ74に与えられる。振幅リミツタ74の出力は電極64 と接続され、且つ導線78を経て振動ビーム部材54の一端部に接続されて、システ ムに駆動電流が供給される。振動ビーム部材54の他端部は電極66に接続された導 線80を介し接地される。 振幅リミツタ74からの出力電圧により、振動ビーム部材54を通り、駆動電流が 流される。この駆動電流により振動ビームが振動される。上述の如く振動ビーム 部材52、54はその間に充分な機械的結合を与えるよう構成されているので、振動 ビーム部材54を流れる駆動電流により振動ビーム部材52も振動されることになる 。２端部を有する同調フオーク体48の平面に対し全体として垂直な磁束を有する 磁界内で振動ビーム 部材52が振動すると、ピツクオフ電圧が発生し、この電圧は、上述したように増 幅器70と振幅リミツタ74にフイードバツクされて発振されるように構成される。 振動ビーム部材52、54の間に導電路を分離することにより、導電路の抵抗変化が 前記の発振構成の動作に与える影響は殆ど無い。 振動ビーム部材52、54が静止位置にある場合、励起電流に応動して振動ビーム 部材52、54が共振周波数で振動する。感知軸SAに沿つて力が加えられたとき、振 動ビーム部材52、54が拡張若しくは圧縮され、これにより振動ビーム部材52、54 の振動の共振周波数が変化される。この共振周波数の変化は感知軸SAに沿つて加 えられる力を示している。 図４には振動ビーム部材102、104、106、108を有する２端部を有した同調フオ ーク体100を備える本発明の他の実施例が示されている。図２の実施例と同様に 、２端部を有した同調フオーク体100は基準質量体44と外側のケーシング42間に 連結される。外側の一対の振動ビーム部材102、108は導電部材110を介し電気的 に接続される。同様に内側の一対の振動ビーム部材104、106が導電部材112を介 し電気的に接続される。振動ビーム部材102、104、106、108の各自由端部は電極 114、116、118、120に接続される。このような構成をとることにより、駆動回路 に使われる振動ビーム部材とピツクオフ電圧に使われる振動ビーム部材との間の 導電路が分離される。特に第１の導電路は外側の一対の振動ビーム部材102、108 の間に形成され、一方第２の導電路は内側の一対の振動ビーム部材104、106の間 に形成される。 振動ビーム部材102、104と振動ビーム部材106、108との間の機械的結合はクロ ス部材112、124によつて与えられる。これを詳述するに、クロス部材122が振動 ビーム部材102、104の間に接続され、振動ビーム部材102、104は共に振動する。 同様にクロス部材124が振動ビーム部材106、108の間に接続され、振動ビーム部 材106、108は共に振動する。クロス部材122が振動ビーム部材102、104の間を連 結され、クロス部材124が振動ビーム部材106、108の間に連結されているので、 振動ビーム部材102、104、106、108は２自由度を持つ機構により連結されている 。 図５は発振器を示している。特に外側の一対の振動ビーム部材102、108は駆動 回路に対し使用され、一方内側の一対の振動ビーム部材104、106はピツクオフ回 路に対し使用される。先ず駆動回路を参照するに、電極120は導線126を経て接地 される。他方の振動ビーム部材104は電極116に接続されている導線128を介し増 幅器127に接続されている。増幅器127の出力は導線132を経て振幅リミツタ130に 付与される。振幅リミツタ130の出力は外側の一対の振動ビーム部材102、108の 駆動電流を与えるために使用される。特に振幅リミツタ130の出力は導線133を経 て電極118に付与される。これにより駆動電流は外側の振動ビーム部材108から外 側の振動ビーム部材102を経て接地される。次に駆動電流は導線134を通つて接地 される。磁界の磁束が２端部を有した同調フオーク体の平面に対し全体として垂 直方向にされるので、ビーム部材102、108が振動する。一対の内側のビーム部材 104、106が一対の 外側のビーム部材102、108に対し上記の機構を介し連結されることにより、一対 の内側のビーム部材104、106間に電圧が発生される。この電圧は電極116、120間 に発生する。上述の如くこの電圧は正の帰還ループを経て増幅器127に与えられ て発振構成が実現される。 図５に示す発振器の動作は図３に示す発振器の動作と同様である。特に励起電 流、即ち駆動電流に応動してビーム部材102、104、106、108が共振周波数で振動 され、一方基準質量体44は静止状態に置かれる。感知軸SAに沿つて力が加えられ ると、振動するビーム部材102、104、106、108が拡張若しくは圧縮され、この結 果ピーム部材102、104、106、108の振動する共振周波数が変化される。従つてこ の共振周波数の差は感知軸SAに沿つて加えられる力の目安として使用される。こ の周波数は当業者に周知の従来の周波数測定回路によりライン134に沿つて配設 される増幅器127の出力から測定可能である。 図６および図７には、一対の振動するビーム部材134、136を有した２端部を持 つ同調フオーク体133を備えた本発明の更に他の実施例が示される。図２および 図４に示す実施例と同様に、２端部を有した同調フオーク体133は基準質量体44 と外側のケーシング42との間に連結される。本実施例では二つの電気的に絶縁さ れた導電路が振動ビーム部材134と136の夫々に具備される。、特に振動ビーム部 材134は外側の導電路138と内側の導電路140の二つの電気的に絶縁された導電路 を有する。同様に振動ビーム部材136には、内側の導電路142と 外側の導電路144の二つの電気的に絶縁された導電路が具備される。この導電路 は例えば振動ビーム部材134、136上に金のような導電材を蒸着しエツチング処理 することにより、部材毎に２個の導電路を形成して実現される。 駆動電圧とピツクオフ電圧との回路を夫々分離するため、外側の導電路138と1 44は一端部が互いに接続され他方の自由端部がそれぞれ電極146と148と接続され て、電気的に絶縁された励起回路が形成される。同様に内側の導電路140と142は 一端部が互いに接続され、他方の自由端部がそれぞれ電極150と152に接続されて 、電気的に絶縁されたピツクオフ回路が形成される。 図７は図６の加速度計を備えた発振器が示される。本実施例では、磁界中で振 動ビーム部材136と138が振動すると、電極150、152にピツクオフ電圧信号が発生 する。このピツクオフ電圧は導線156を経て増幅器154に加えられる。増幅器154 からの出力信号は導線160を経て振幅リミツタ158に与えられる。リミツタ158の 出力は駆動回路に駆動電流を与えるために使用され得、振幅リミツタ158の出力 は導線162を経て電極148に付与される。駆動回路用の他方の電極146は導線164を 経て接地される。更に電極150も導線166を経て接地される。 上述したように、感知軸SAに沿つて力、即ち加速力が与えられると、ピツクオ フ電圧の周波数測定回路（図示せず）に付与される。 本発明においては各種の設計変更が可能であることは、上述の技術事項の説明 に照らして明らかであろう。従つて添付 の特許請求の範囲内で本発明を上述の態様以外でも実行可能であることは理解さ れよう。 米国の特許証によつて保護を望む事項は以下の通りである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロビンソン，マイケル ジエー. アメリカ合衆国 ワシントン州 98275, マキルテオ，107ス プレイス 5626，エ ス．ダブリユ. 【要約の続き】 抵抗路の変化影響を取り除くため、本発明による同調フ オーク体（48）は駆動回路とピツクオフ回路用の分離し た導電路を有する２ポート装置として形成される。互い に分離した導電路を具備させることにより、駆動回路の 抵抗路の変化が発振器の性能全体に与える影響は殆どな い。振動ビーム部材（52、54、102、104、106、108、13 4、136）が分離されているため、２端部を有する同調フ オーク体（48）を形成する振動ビーム部材（52、54、10 2、104、106、108、134、136）に対し機械的に充分に連 結されるべく構成されている。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．基準質量体（44）と、ケーシング（42）と、ヒンジ軸HAを区画するケーシン グ（42）に対し基準質量体（44）を連結する複数のたわみ部材（46）と、基準質 量体（44）とケーシング（42）との間に連結される複数の振動ビーム部材（52、 54、102、104、106、108、134、136）とを備え、複数の振動ビーム部材（52、54 、102、104、106、108、134、136）には複数のポートをなす電気的に絶縁された 分離導電路（60、62、110、112、138、140、142、144）が形成されてなる振動ビ ーム部材加速度計（40）。 ２．基準質量体（44）と、ケーシング（42）と、ヒンジ軸HAを区画するケーシン グ（42）に対し基準質量体（44）を連結する複数のたわみ部材（46）と基準質量 体（44）間に連結される複数の振動ビーム部材（134、136）とを備え、各ビーム 部材（134、136）には電気的に絶縁されて分離導電路（138、140）が形成されて なる振動ビーム部材加速度計（40）。