KR20020005957A - 가속도계 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 가속도계는, 질량 지지프레임과 제1축을 따라 정렬된 한 쌍의 외측 스프링부재에 의해 프레임 상에 지지된 질량을 포함하는 하우징을 구비하여 구성된다. 질량은 외측 스프링부재의 쌍에 연결된 외측 질량과 다수의 내측 스프링부재에 의해 외측 질량에 연결된 내측 질량을 구비하여 구성될 수 있고, 내측 스프링부재는 하나 이상의 축을 따라 정렬되고, 하나 이상의 축이 외측 스프링부재가 또한 정렬될 수 있는 평면을 형성한다. 또한, 질량의 회전 및 내측 질량의 이행을 검출하기 위한 수단이 제공된다.

Description

가속도계{ACCELEROMETER}

본 발명은 2축을 따른 가속을 측정할 수 있는 가속도계에 관한 것이다.

가속도계는 종래 기술에서 널리 공지되어 있고, 급격한 가속 또는 감속을 검출하기 위해서 항공기나 자동차와 같은 다양한 적용 분야에서 사용되고 있다. 가속도계의 1실시예의 적용은 자동차의 에어백 배치이다.

제어시스템이 보다 정교해짐에 따라, 1방향 이상에서의 가속/감속을 검출하는 것이 바람직하게 되는데, 예컨대 에어백의 제어가 가속/감속 방향에 의존해서 적용될 수 있게 된다. 그런데, 이는 달성하기 어렵다. 1접근은 관심 있는 2축 각각에 대해 하나씩 2개의 가속도계를 제공하는 것이다. 그런데, 정확한 정렬이 어렵고, 결과적으로 장치의 부피가 커지고 비용이 많이 들게 된다. 대안적으로 2방향으로 가속/감속 민감도를 갖는 장치를 조립하는 것이 시도된다. 그런데, 이러한 장치는 제작하기 어렵고, 교차 축 민감도를 갖는 경향이 있어 1축을 따른 가속이 다른 축에서의 가속의 출력 표시에 영향을 주게되어, 결과적으로 에러가 감지된다. 더욱이, 이러한 장치로는 다른 축의 민감도를 변경하지 않고 한 축을 따른 민감도를 변경하기 어렵게 된다.

본 발명의 목적은 2축을 따른 가속을 검출할 수 있고, 콤팩트하면서도 간단히 제작할 수 있는 가속도계를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 최소 교차-축 민감도를 갖춘 가속도계를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 가속도계의 평면도,

도 2는 비틀림 응력 검출수단과 연관된 외측 스프링부재의 평면도,

도 3은 연관된 내측 스프링부재와 휨 응력 검출수단을 갖춘 도 1의 실시예에서 채용될 수 있는 내측 질량의 2가지 실시예의 평면도,

도 4는 도 1(A-A')의 실시예의 측단면도,

도 5는 실리콘의 결정 정렬에 대한 피에조저항 계수의 의존성을 나타낸 그래프,

도 6은 본 발명의 제2실시예의 측단면도,

도 7은 본 발명의 제3실시예의 측단면도이다.

본 발명에 따르면,

질량-지지 프레임을 포함하는 하우징과,

프레임 상에 지지된 질량,

프레임 상에 질량을 지지하기 위한 지지수단,

지지수단의 적어도 부분에 대해서 질량의 회전을 검출하기 위한 수단 및,

지지수단의 적어도 부분에 대해서 질량의 이행(translation)을 검출하기 위한 수단을 구비하여 구성된 가속도계가 제공된다.

질량은 프레임에 연결된 한쌍의 외측 스프링부재에 연결된 외측 질량과, 하나 이상의 내측 스프링부재에 의해 외측 질량에 연결된 내측 질량을 구비하여 구성될 수 있다. 이 경우, 스프링부재는 지지수단을 형성한다. 하나 이상의 내측 스프링부재의 축은 외측 스프링부재의 축이 또한 정렬될 수 있는 평면을 정의한다. 이 경우, 비틀림 응력을 검출하기 위한 수단은, 내측 및 외측 스프링부재의 평면 내에서 제1축과 직교하는 구성요소를 갖춘 방향으로의 가속도계의 가속동안 외측 스프링부재 내에 유도된 비틀림 응력을 검출하기 위한 수단을 구비하여 이루어질 수 있고, 이행을 검출하기 위한 수단은, 스프링부재의 평면에 직교하는 방향으로의 가속도계의 가속동안 내측 스프링부재 내에서 휨 응력을 검출하기 위한 수단을 구비하여 이루어질 수 있다.

이 경우, 바람직하게는 2쌍의 내측 스프링부재가 있게 되는데, 한 쌍의 내측 스프링부재를 통한 축이 다른 쌍을 통한 축에 직교하게 된다. 내측 질량은 이들 2쌍의 내측 스프링부재에 의해 지지된다. 내측 스프링부재의 축 및 외측 스프링부재의 축은 실질적으로 서로 45°로 될 수 있다. 상기 축은 평면을 정의한다.

바람직하게는, 가속도계는 반도체재료로 형성되는데, 이방성 성질을 갖춘 재료, 바람직하게는 실리콘으로 될 수 있다.

한 검출방향에 대한 비틀림 응력과 다른 검출 방향에 대한 휨 응력을 채용함으로써, 교차-축 민감도를 최소화하는 것이 가능하다.

바람직하게는, 지지수단에서 비틀림 응력을 결정하기 위한 수단은 지지프레임과 질량 사이의 실질적으로 중간에 있는 하나 이상의 외측 스프링부재 상의 영역내에 위치된다. 바람직하게는, 지지수단에서 휨 응력을 결정하기 위한 수단은 질량의 내측 또는 외측 부분에 인접한 내측 스프링부재의 한 쌍 또는 양 쌍에 위치된다.

바람직하게는, 장치가 실리콘으로 형성된다면, 비틀림 응력을 결정하기 위한 수단은 4개의 피에조저항으로 형성되는 휘트스톤브리지를 구비하여 구성될 수 있는데, 각 피에조저항은 실리콘의 <110> 결정 축을 따른 지지수단 상에 배열된다.

장치는 휨 응력을 결정하기 위한 수단과 함께 실리콘으로 형성될 수 있는데, 휨 응력을 결정하기 위한 수단은 각 내측 스프링부재 상에 2개의 피에조저항을 구비하여 구성될 수 있고, 각 스프링부재의 각 단부에 하나가 구비될 수 있으며, 또한 대안적으로 적어도 2쌍의 내측 스프링부재가 제공되면, 각 내측 스프링부재의 한 단부에 피에조저항을 구비하여 구성될 수 있다. 내측 스프링부재 상의 모든 피에조저항은, 반듯이 그렇지는 않지만 바람직하게는 서로 병렬로 그리고 <110> 결정 축 실리콘을 따라서 정렬된다.

내측 질량 및 외측 질량을 제공함으로써, 다른 축 내의 민감도를 변경하지 않고 그대로 유지하면서 외측 질량을 변경하는 것에 의해, 평면방향으로의 가속도에 대한 민감도를 간단히 변경하는 것이 가능하다. 더욱이, 내측 질량에 대한 외측 질량의 비율을 변화시킴으로써, 전체 질량을 변경하지 않고 한 방향으로의 민감도가 변화되지 않으면서, 다른 방향으로의 민감도가 변화된다. 이는 설계에 있어서 상당한 융통성을 제공한다.

외측 스프링부재 및 내측 스프링부재가 실질적으로 45°의 각도로 오프세트되게 정렬함으로써, 가속도계가 형성되는 반도체의 결정 평면의 정렬에 대한 실리콘과 같은 입방체 대칭(cubic symmetry)의 반도체재료의 피에조저항 계수의 변화의 장점을 장치가 갖는 것이 가능하다. 이는 장치의 교차축 민감도를 최소화시킨다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조로 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 가속도계는 도시된 2축(X,Z)을 따른 가속/감속의 측정을 가능하게 한다. 가속도계는 질량 지지프레임(1)을 형성하는 외측 하우징을 구비하여 구성된다. 제1측정 축(X)에 직교하는 축을 따라 정렬된 한 쌍의 외측 스프링부재(2,3)가 프레임(1)에 부착된다. 외측 스프링부재(2,3)는 외측 질량(5)과 내측 질량(6)을 구비하여 구성되는 질량(4)을 지지한다. 내측 질량(6)은 2쌍의 내측 스프링부재(7,8;9,10)에 의해 외측 질량(5) 상에서 지지된다. 내측 스프링부재(7,8;9,10)의 양 쌍 모두는 평면 내에서 서로 직교하는데, 이 평면 내에는 그것을 따라 외측 스프링부재(2,3)가 정렬된 축을 또한 포함하고 외측 스프링부재는 이 축에 실질적으로 45°의 각도로 서로 직교한다. 가속도계는 결정체의 반도체재료, 본 실시예에서는 실리콘으로 에칭되는데, 결정체의 축이 내측 스프링부재(7,8 또는 9,10)의 쌍 중 하나의 정렬 축과 평행하도록 된다. 그 중요성은 이하에 논의된다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 피에조저항이 위치된 스프링부재 상의 비틀림 응력을 최대화하기 위해서, 외측 스프링부재(2,3)의 쌍 중 하나는 다른 부재 보다 길게 된다. 본 실시예에 있어서, 비틀림 응력 검출 배열은 2개의 외측 스프링부재(3) 중 보다 짧은 부재 상에 위치된다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 비틀림 응력 검출 배열은 외부 검출회로로의 전기연결(12)을 갖춘 휘트스톤브리지 구성으로 배열된 4개의 피에조저항을 구비하여 구성된다. 피에조저항(11)은 외측 스프링부재(3)의 축에 대해 실질적으로 45°정렬되고, 비틀림 응력 검출을 최적화 하기 위해서 외측 스프링부재(3)의 중심 내에 위치된다. 원리적으로, 검출은 양 스프링부재 상에서 될 수 있지만, 최대 민감도를 위해서, 이 배열이 선택된다. 가속도계가 측정 축(X)의 방향으로 가속되거나 감속될 때 또는 질량(4)이 외측 스프링부재(2,3)의 정렬 축 주위로 회전될 때 비틀림 응력이 야기되는데, 이 비틀림 응력은 휘트스톤브리지 배열의 출력에 의해 검출될 수 있다. 선형 가속에 의해서 비틀림 효과를 야기하기 위해서는 질량의 중력 중심이 축 아래에 있게 되는 것을 주지하자. 가속도계의 민감도는 2개의 외측 스프링부재(2,3)의 폭 및 길이와, 질량(4)의 전체 크기 및, 질량(4)의 중력 중심과 회전 축(A-A') 사이의 거리를 제어함으로써 제어될 수 있다.

상기된 바와 같이, 질량(4)은 연결된 외측 질량(5) 및 내측 질량(6)을 구비하여 구성된다. 본 실시예에 있어서, 외측 질량(5)은 상기된 2쌍의 내측 스프링부재(7,8;9,10)에 의해 내측 질량(6)에 연결된다. 도 3은 제2측정 축(Z) 방향으로의 가속도계의 가속/감속에 따라 내측 스프링부재(7,8,9,10)에서 일어나는 휨 응력을 검출하기 위한 2개의 가능한 휨 응력 검출 메커니즘의 위치 상태를 나타낸다. 제1실시예에 있어서, 피에조저항(13)은 2쌍의 스프링부재(7,8;9,10) 중 하나 또는 다른 스프링부재 각각의 어느 한쪽 단부에 위치된다. 제2실시예에 있어서, 피에조저항(13)은 각 내측 스프링부재(7,8,9,10)의 한 단부에 위치된다. 당업자에 있어서, 피에조저항이 다른 방법으로 위치될 수도 있다는 것은 자명하다. 바람직하게는, 각각의 피에조저항(13)은 휘트스톤브리지 배열의 형태로 배열되는데, 각각의 출력은 휨 응력을 검출하는데 사용할 수 있고, 그러므로 제2측정 축(Z)에서의 가속을 검출하는데 사용할 수 있다. 축(Z)을 따른 가속도계의 민감도는, 예컨대 내측 질량(6)의 크기와 내측 스프링부재(7,8,9,10)의 디멘션을 변화시킴으로써 변화될 수 있다. 내측 질량(6)의 크기가 증가되면, 외측 질량(5)의 크기는 제1측정 축(X)의 방향으로 동일 레벨의 민감도를 유지시키기 위해서 감소될 수 있다.

도 4는 도 1(A-A')의 실시예의 기본적인 구성요소의 단면도이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 질량(4)은 하나 또는 양 표면 상에 형성된 홈 영역(14)을 갖춘다. 사용에 있어서, 본 발명의 가속도계는, 질량(4)이 유체나 가스에 의해 에워싸이도록 배열되는데, 이 유체나 가스는 질량(4)의 소정 진동을 제동하는 작용을 한다. 제동 레벨을 제어하기 위해서, 질량과 상부 케이스(도시생략) 사이의 간격은 매우 잘 제어되어야 한다. 케이스가 정확한 기계조작을 허용하는 재료, 예컨대 실리콘으로 제작되면, 제동을 제어하기 위해서 홈 영역이 케이스 내에 형성될 수 있다. 그런데, 상부 케이스가 정확하게 에칭하기 어렵고 그리고/또는 다른 구성요소와 정렬하기 어려운 유리와 같은 비결정의 재료로 조립된다면, 본 발명의 경우에서와 같이 질량(4)의 상부 표면 상에 홈을 생성하는 것이 가능하게 된다. 제동량은 상부 케이스와 질량(4)의 상부 표면 사이의 유체나 가스의 양을 제어함으로써 제어될 수있다. 이는 외측 스프링부재(2,3)나 내측 스프링부재(7,8,9,10)의 특성에 영향을 주지 않고 가능하다. 또한, 질량(4)의 홈은 회전 이동을 위한 레버(lever)의 길이를 증가시키는데, 이는 X방향으로 민감도를 증가시킨다.

도 5는 결정 구조의 배향 각도에 대한 결정 실리콘의 피에조저항 계수의 변화를 나타낸 그래프이다. 이 도면에서는, 정렬이 45°변할 때, 계수가 거의 0으로부터 최대까지 변화되는 것이 보여질 수 있다. 이 효과는 본 발명에 의해 채용될 수 있다. 최대 근방의 결정 배향에 따른 피에조저항 계수 변화의 성질은, 피에조저항 검출 엘리먼트가 오정렬에 대해서 허용 오차를 갖도록 보장한다. 외측 스프링부재 상에서의 피에조저항 검출 엘리먼트의 배향은, 휨 응력하에서의 출력을 생성하기 위한 외측 검출수단의 서셉터빌러티(susceptibility)를 최소화하도록 선택된다. 질량은 내측 및 외측 질량으로 이루어진다. 바람직한 실시예에 있어서, 내측 스프링은 Z-방향으로의 가속동안 일어나는 휨 응력을 측정하기 위한 수단을 포함하고, 외측 스프링은 X-방향으로 가속되는 동안 일어나는 비틀림 응력을 측정하기 위한 수단을 포함한다. 내측 및 외측 질량의 기능을 변경하는 것은 명백히 가능하다. 그러면, 내측 스프링은 비틀림 응력을 측정하기 위한 수단을 포함하게 되고, 외측 스프링은 휨 응력을 측정하기 위한 수단을 포함하게 된다.

상기 실시예에 있어서, X-방향으로의 가속의 검출은 조합해서 작용하는 내측 및 외측 질량에 의해 효과적으로 야기될 수 있다. Z-방향으로의 가속의 검출은 홀로 작용하는 내측 질량에 의해 야기된다. 이 점을 이용하면, 내측 질량은 가속도계의 실현에 요구되는 실리콘의 영역을 "2배" 감소시킬 수 있다.

도 6은 용량성 검출을 사용하는 본 발명은 제2실시예를 나타낸 도면이다.

도 7은 피에조전기 검출을 사용하는 본 발명의 제3실시예를 나타낸 도면이다.

질량(4) 또는, 외측 질량(5) 및 내측 질량(6) 각각의 이동을 검출하기 위한 또 다른 대안적인 검출 방법이 다른 방향에서 제공될 수 있다.

본 발명에 의하면, 2축을 따른 가속을 검출할 수 있고, 콤팩트하면서도 간단히 제작할 수 있는 가속도계를 제공하며, 최소 교차-축 민감도를 갖는 가속도계를 제공하는 효과가 있다.

Claims (17)

1. 질량-지지 프레임을 포함하는 하우징과,

   프레임 상에 지지된 질량,

   프레임 상에 질량을 지지하기 위한 지지수단,

   지지수단의 적어도 부분에 대해서 질량의 회전을 검출하기 위한 수단 및,

   지지수단의 적어도 부분에 대해서 질량의 이행을 검출하기 위한 수단을 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 가속도계.
2. 제1항에 있어서, 반도체재료로 형성된 것을 특징으로 하는 가속도계.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 이방성 성질을 갖춘 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 가속도계.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 피에조저항 성질을 갖춘 재료로 형성된 것을 특징으로 하는 가속도계.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 실리콘으로 형성된 것을 특징으로 하는 가속도계.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상부 케이스를 더 구비하여 구성되고, 사용시 상부 케이스와 질량의 상부 표면 사이의 유체나 가스의 양에 의해 야기되는 기계적인 제동이, 상부 케이스의 표면이나 질량의 상부 표면내에 홈을 형성함으로써 제어되는 것을 특징으로 하는 가속도계.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 질량은 제1축을 따라 정렬된 한 쌍의 외측 스프링부재에 의해 프레임 상에 지지되고, 질량은 한 쌍의 외측 스프링부재에 연결된 외측 질량과 다수의 내측 스프링부재에 의해 외측 질량에 연결된 내측 질량을 구비하여 구성되며, 내측 스프링부재는 외측 스프링부재의 축이 또한 정렬될 수 있는 평면을 형성하는 하나 이상의 축을 따라 정렬되는 것을 특징으로 하는 가속도계.
8. 제7항에 있어서, 내측 부재의 평면 내에서의 방향으로의 가속도계의 가속동안, 외측 스프링부재에 인장에 의해 유도되는 응력을 검출하기 위한 수단과,

   내측 스프링부재의 평면에 직교하는 방향으로의 가속도계의 가속동안, 내측 스프링부재 내의 휨 응력을 검출하기 위한 수단을 더 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가속도계.
9. 제8항에 있어서, 내측 스프링부재 상에서 휨 응력을 결정하기 위한 수단은, 각 내측 스프링부재 상에 2개의 피에조저항을 구비하여 구성되고, 각 스프링부재의각 단부에 하나가 구비되는 것을 특징으로 하는 가속도계.
10. 제6항 또는 제8항에 있어서, 내측 스프링부재의 축과 외측 스프링부재의 축은 실질적으로 서로 45°에 있는 것을 특징으로 하는 가속도계.
11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 내측 질량은, 각 쌍이 서로 직교하도록 배열된 2쌍의 내측 스프링부재에 의해 지지되고, 외측 스프링부재의 양 쌍과 축이 동일 평면에 분배되는 것을 특징으로 하는 가속도계.
12. 제11항에 있어서, 내측 스프링부재 상에서 휨 응력을 결정하기 위한 수단이 각 내측 스프링부재의 한 단부에서 피에조저항을 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 가속도계.
13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 내측 스프링부재에서 휨 응력을 결정하기 위한 수단은 내측 질량이나 외측 질량에 인접한 내측 스프링부재의 한 쌍 또는 양 쌍에 위치되는 것을 특징으로 하는 가속도계.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 비틀림 응력을 결정하기 위한 수단은 4개의 피에조저항으로 형성된 휘트스톤브리지를 구비하여 구성되고, 각 피에조저항이 단일 방향을 따르는 외측 스프링부재 상이나 부재들 상에 실질적으로배열되는 것을 특징으로 하는 가속도계.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 외측 스프링부재 중 하나는 다른 부재 보다 긴 것을 특징으로 하는 가속도계.
16. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 휨 및 비틀림 응력을 검출하기 위한 수단이 피에조전기인 것을 특징으로 하는 가속도계.
17. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 회전 및 이행 운동의 검출이 용량성 검출에 의해 독립적으로 수행될 수 있는 것을 특징으로 하는 가속도계.