(57)【要約】  従来の加速度計は、何らかのスプリングダンパーシステムにつるされる試験質量に基づく。本発明の例示的な実施の形態によれば、誘電泳動に基づく２次元又は３次元の適応可能な加速度計が提供される。当該加速度計は、試験質量に作用する加速力に起因する試験質量の運動を測定することによって、媒質中に自由に浮いている試験質量の加速度を測定する。不均一な電気力場が、広くて調整可能なダイナミックレンジを提供する。本発明の誘電泳動加速度計は容易に作成することができる。
2009509160.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験質量に作用する加速度を測定する誘電泳動加速度計であって、
媒質で満たされたキャビティ、
不均一な力の場を発生させるソース、
前記媒質内で運動し、前記力の場にさらされる試験質量、
前記試験質量の運動を検出する検出器、
を有し、
前記試験質量の前記運動に基づいて当該加速度計の加速度を測定する加速度計。
【請求項２】
前記不均一な力の場が電場であり、
前記ソースが第１の数の第１電極及び第２の数の第２電極を有し、
各々の第１電極と各々の第２電極との間に、対応する電位差が存在し、及び
第１及び第２電極が前記不均一な電場を発生させる、
請求項１に記載の加速度計。
【請求項３】
各々の電極が、上部水平面及び下部水平面のうちの１つに配置される、請求項１に記載の加速度計。
【請求項４】
前記媒質が第１の誘電率を有し、
前記試験質量が、第１の誘電率とは異なる第２の誘電率を有する、
請求項１に記載の加速度計。
【請求項５】
前記検出器が、前記試験質量の前記運動を静電容量として検出する、請求項１に記載の加速度計。
【請求項６】
前記検出器が、示差測定法に基づいて前記試験質量の前記運動を検出し、並びに
前記試験質量の前記運動が、第１電極対の第１の容量及び第２電極対の第２の容量を測定し、第１の容量を第２の容量と比較することにより検出される、
請求項５に記載の加速度計。
【請求項７】
前記検出器が、第１方向への前記試験質量の第１の運動、並びに第２方向への前記試験質量の第２の運動及び第３方向への前記試験質量の第３の運動のうちの少なくとも１つを検出することにより、２次元又は３次元の測定を実行する、
請求項１に記載の加速度計。
【請求項８】
前記試験質量が球状粒子である請求項１に記載の加速度計。
【請求項９】
前記ソースが、第１電極と第２電極との間の電位差を制御し、前記試験質量が運動する際に当該試験質量に作用する力を調整する、
請求項１に記載の加速度計。
【請求項１０】
前記力の場の不均一性が、前記試験質量が運動する際に当該試験質量に作用する力の対数応答を生じさせ、測定される加速度の広いダイナミックレンジをもたらす、
請求項１に記載の加速度計。
【請求項１１】
前記ソースが、前記応答を非線形応答から線形応答へ切り替える、
請求項１０に記載の加速度計。
【請求項１２】
前記試験質量が、ポリスチレン、ラテックス、シリコン、第１流体及び第１気体のうちの１つを有し、
前記媒質が、水、油剤、第２流体及び第２気体のうちの１つを有する、
請求項１に記載の加速度計。
【請求項１３】
前記試験質量が、エレクトロウェッティング効果に基づいて可動である、請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の加速度計。
【請求項１４】
１つ以上の第２電極が電気的絶縁層を備える、請求項１から請求項１３のいずれか一項に記載の加速度計。
【請求項１５】
前記電気的絶縁層上に疎水性層が存在する、請求項１４に記載の加速度計。
【請求項１６】
カムコーダ内で加速度を測定するための、カムコーダ内における請求項１に記載の加速度計の使用。
【請求項１７】
オーディオプレイヤーが落下していることを検出するための、ポータブルオーディオプレイヤー内における請求項１に記載の加速度計の使用。
【請求項１８】
生医学的アプリケーションにおける請求項１に記載の加速度計の使用。
【請求項１９】
誘電泳動加速度計によって試験質量に作用する加速度を測定する方法であって、
ソースによって、不均一な力の場を発生させるステップ、
検出器によって、媒質内を運動して前記力の場にさらされる前記試験質量の運動を検出するステップ、
前記試験質量の前記運動に基づいて前記加速度計の加速度を決定するステップ、
を有する方法。
【請求項２０】
前記不均一な力の場が電場であり、
前記ソースが第１の数の第１電極及び第２の数の第２電極を有し、
各々の第１電極と各々の第２電極との間に、対応する電位差が存在し、及び
第１及び第２電極が前記不均一な電場を発生させる、
請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
誘電泳動加速度計によって試験質量に作用する加速度を測定するコンピュータプログラムが記憶されたコンピュータ可読媒体であって、前記コンピュータプログラムは、プロセッサによって実行される際に、
ソースによって、不均一な力の場を発生させるステップ、
検出器によって、媒質内を運動して前記力の場にさらされる前記試験質量の運動を検出するステップ、
前記試験質量の前記運動に基づいて前記加速度計の加速度を決定するステップ、
を実行する、コンピュータ可読媒体。
【請求項２２】
誘電泳動加速度計によって試験質量に作用する加速度を測定するコンピュータプログラムであって、プロセッサによって実行される際に、
ソースによって、不均一な力の場を発生させるステップ、
検出器によって、媒質内を運動して前記力の場にさらされる前記試験質量の運動を検出するステップ、
前記試験質量の前記運動に基づいて前記加速度計の加速度を決定するステップ、
を実行するコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度測定の分野に関する。特に、本発明は試験質量に作用する加速度を決定する誘電泳動加速度計、カムコーダ内部の加速度計の使用、携帯型音声プレーヤ内部の加速度計の使用、誘電泳動加速度計によって試験質量に作用する加速度を決定する方法、コンピュータ可読媒体、及びプログラムエレメントに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の加速度計は、何らかのスプリングダンパーシステム中につるされるプルーフ又は試験質量に基づく。スプリングダンパーシステムは、復元メカニズムとして機能する。様々な方法で測定されることができる初期位置からの試験質量の偏差は、印加された加速度に比例している。特に、小さな、例えばマイクロメートルサイズのMEMS (Micro Electromechanic System) 加速度計は製造するのが困難であり、適切なスプリングシステムを作り出すために複雑なミクロ機械加工を必要とする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
質量及びスプリングが定められているために、従来の加速度計は適応可能でなく、すなわち、一旦センサが製造されると、測定できる加速度の範囲は変更されることができない。さらに、それらは多くの場合ほぼ線形であり、大きなダイナミックレンジが要求される場合には不利である場合がある。
【０００４】
加速度の測定を改善することが望ましいだろう。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の例示的な実施の形態によれば、試験質量に作用する加速度を測定する誘電泳動加速度計が提供されることができ、当該加速度計は、媒質で満たされるキャビティ、不均一な力の場を発生させるソース、媒質内で運動し、力の場にさらされるように適応される試験質量、及び試験質量の運動を検出するように適応される検出器を有し、当該加速度計は、試験質量の運動に基づいて当該加速度計の加速度を測定するように適応される。
【０００６】
したがって、試験質量に作用する加速力に起因する試験質量の運動を測定することによって、例えば媒質中に自由に浮いている試験質量の加速度を測定する加速度計が提供される。特に、この誘電泳動加速度計は製造が容易であり、広いダイナミックレンジで用いられることができる。
【０００７】
本発明の例示的な他の実施の形態によれば、不均一な力の場は電場であり、前記ソースは、第１の数の第１電極及び第２の数の第２電極を有し、各々の第１電極と各々の第２電極との間に、対応する電位差が存在し、第１及び第２電極は、キャビティを形成し、不均一な電場を発生させるように適応される。
【０００８】
したがって、本発明のこの例示的な実施の形態によれば、電場は、特定の分布を持つように、それぞれの正及び負の電極の配置によって発生することができる。
【０００９】
本発明の例示的な他の実施の形態によれば、各々の電極は、上部水平面に又は下部水平面に配置される。
【００１０】
したがって、電極は標準のリソグラフィを用いて作成されることができる。
【００１１】
本発明の例示的な他の実施の形態によれば、媒質は第１の誘電率を持ち、試験質量は、第１の誘電率とは異なる第２の誘電率を持つ。
【００１２】
したがって、本発明のこの例示的な実施の形態によれば、試験質量が安定した中立の位置から変位するとき、不均一な電場に起因して、誘電泳動力が試験質量に作用することができる。
【００１３】
本発明の例示的な他の実施の形態によれば、検出器は試験質量の運動を容量的に検出するように適応される。
【００１４】
例えば、検出器は異なる電極間の容量を測定するのに適応されることができ、その容量は電極間の試験質量の運動に起因して変化する。
【００１５】
本発明の例示的な他の実施の形態によれば、検出器は示差測定法に基づいて試験質量の運動を検出するのに適応され、試験質量の運動は、第１電極対の第１の容量及び第２電極対の第２の容量を測定することによって、並びに第１の容量を第２の容量と比較することによって検出される。
【００１６】
したがって、本発明のこの例示的な実施の形態によれば、加速度測定のための高い感度が提供されることができる。
【００１７】
本発明の例示的な他の実施の形態によれば、検出器は、第１方向への試験質量の第１の運動、及び第２方向への試験質量の第２の運動又は第３方向への試験質量の第３の運動のうちの少なくとも１つを検出することによって、２次元又は３次元の測定を実行するのに適応される。
【００１８】
したがって、本発明のこの例示的な実施の形態によれば、３つの空間的な方向全てにおける加速度が測定されることができる。
【００１９】
本発明の例示的な他の実施の形態によれば、試験質量は球状粒子である。
【００２０】
これは例えば、対称的な測定を提供することができる。
【００２１】
本発明の例示的な他の実施の形態によれば、ソースは、第１電極と第２電極との間の電位差を制御するように適応され、試験質量が運動する際に試験質量に作用する力の調整をもたらす。
【００２２】
したがって、本発明のこの例示的な実施の形態によれば、加速度計は測定のそれぞれの要求に従って構成されることができる。
【００２３】
本発明の例示的な他の実施の形態によれば、力の場の不均一性は、試験質量が運動する際に試験質量に作用する力の対数応答に結びつき、測定される加速度の広いダイナミックレンジをもたらす。
【００２４】
したがって、小さい加速度と大きい加速度の両方が、同じ加速度計で測定されることができる。
【００２５】
本発明の例示的な他の実施の形態によれば、応答はソースによって非線形応答から線形応答まで変えられることができる。
【００２６】
したがって、本発明のこの例示的な実施の形態によれば、加速度計は外部条件に従って個別に調整されることができる。
【００２７】
本発明の例示的な他の実施の形態によれば、試験質量は、ポリスチレン、ラテックス、シリコン、第１流体及び第１気体のうちの１つを含み、媒質は、水、油剤、第２流体及び第２気体のうちの１つを含む。
【００２８】
例えば、本発明のこの例示的な実施の形態によれば、試験質量は、水中に配置されたラテックス又はポリスチレン球体である。他の例は、油剤中のシリコン球体又は流体中の気泡である。さらに、本発明のこの例示的な実施の形態によれば、試験質量は、水中の油剤液滴、又は何らかの他の第２流体中の任意の他の流体であることができる。さらに、試験質量は、（媒質としての）第２気体中に配置される第１気体であることができる。
【００２９】
これは、異なる構成及び要求に適応される異なる加速度計の全ての変形を提供することができる。
【００３０】
本発明の例示的な他の実施の形態によれば、加速度計は、カムコーダ又はビデオカメラ内部で加速度を測定するために、カムコーダ又はビデオカメラ内部で用いられることができる。
【００３１】
さらに加速度計は、携帯型オーディオプレイヤー（例えば携帯型HDD MP3プレーヤ）内部で用いられることができ、装置が生存する可能性をより高めるために地面に衝突する前にシャットダウンすることができるように、オーディオプレイヤーがいつ落下しているかを検出するのに適応されることができる。
【００３２】
本発明の例示的な他の実施の形態によれば、誘電泳動加速度計によって試験質量に作用する加速度を測定する方法が提供されることができ、当該方法は、ソースによって不均一な力の場を発生させるステップ、媒質内部で運動して力の場にさらされるのに適応されている試験質量の運動を検出器によって検出するステップ、及び試験質量の運動に基づいて加速度計の加速度を測定するステップを有する。
【００３３】
これは、加速度の改善された測定を提供することができる。
【００３４】
本発明の例示的な他の実施の形態によれば、プロセッサによって実行される際に、上述の方法ステップを実行するのに適応された、誘電泳動加速度計によって試験質量に作用する加速度を測定するコンピュータプログラムが記憶されたコンピュータ可読媒体が提供されることができる。
【００３５】
さらに本発明は、コンピュータ可読媒体に記憶されることができる、誘電泳動加速度計によって試験質量に作用する加速度を測定するプログラムに関する。プログラムは、上述されたステップを実行するのに適応されることができる。
【００３６】
プログラムは、好ましくはデータプロセッサの作業メモリにロードされることができる。したがって、データプロセッサは、本発明の方法の例示的な実施の形態を実行する能力を持つことができる。コンピュータプログラムは、例えばC++のような任意の適切なプログラミング言語で記述されることができ、CD-ROMのようなコンピュータ可読媒体に記憶されることができる。また、コンピュータプログラムは、World Wide Webのようなネットワークから入手可能であり、そこから画像処理ユニット若しくはプロセッサ又は任意の適切なコンピュータにダウンロードされることができる。
【００３７】
試験質量に作用する加速力に起因する試験質量の運動を測定することによって媒質中に自由に浮いている試験質量の加速度を測定する加速度計が提供されることが、本発明の例示的な実施の形態の要点とみなされることができる。本発明の例示的な実施の形態によれば、試験質量は、流体中に浮いており、当該流体とは異なる誘電泳動定数を持つ球状粒子である。不均一な電場は、加速度が作用していない場合に試験質量が位置するゼロポジションにおいて、最小の電位（エネルギーくぼみ）を提供する。試験質量が加速度に起因してゼロポジションから押し出される場合、試験質量の非ゼロポジションが加速度の強度の測度として用いられることができるように、引き戻す力が発生する。
【００３８】
これらの及び他の本発明の態様は、以下に記載する実施の形態から明らかになり、以下に記載する実施の形態を参照して説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
以下の図面を参照して、本発明の例示的な実施の形態は以下に記述される。
【００４０】
図面中のイラストレーションは模式的である。異なる図面において、同様の又は同一の要素は同じ参照番号を与えられている。
【００４１】
図1は、本発明の例示的な実施の形態による誘電泳動加速度計の断面図の模式的な表示を示す。図2は、図1に表される例示的な実施の形態による上部電極及び下部電極の平面図の模式的な表示を示す。
【００４２】
図1及び2から分かるように、誘電泳動加速度計100は、下部電極101, 102, 103, 104, 105及び上部電極106を有する。下部電極101〜105と上部電極106との間に、密度ρm及び誘電率εmを持つ流体107が配置されている。さらに、密度ρp及び誘電率εpを有する球状粒子109が、下部電極101〜105と上部電極106との間で流体107中に配置されている。
【００４３】
電位差が電極101〜104と電極105〜106との間に印加され、電場線108によって表される非線形電場を生じさせる。
【００４４】
加速度計100は、復元メカニズムとしての誘電泳動に基づく。本発明の例示的な実施の形態によれば、それは２次元加速度計として適応されることができ、２つの異なる方向の加速度を同時に測定することができる（例えば、共に図2の画面内にある、図1の画面に垂直な第１の方向及び図1中の水平線に沿った第２の方向）。
【００４５】
この２次元の機能（又は３次元の機能）は、試験質量109の２次元又は３次元の運動が検出され逆戻りすることができるように、上部及び下部電極101〜106（並びに更なる電極）のそれぞれを配置することによって実現されることができる。
【００４６】
誘電泳動（DEP）は、空間的に不均一な電気的な場によって生じる物質又は物体の運動である。空間的に不均一な電場に応答して、中性だが分極する粒子は、粒子と媒質の物理的特性に従って、電界強度が増加又は減少する位置に向く正味の力を感じる。前者の場合には、力は正の誘電泳動と呼ばれ、後者の場合には、力は負の誘電泳動と呼ばれる。
【００４７】
電気泳動の現象とは完全に異なり、物体がその周囲と比較して異なる電気分極傾向を持つ場合にのみ、DEPは発生する。物体がその周囲と比べてより分極されやすい場合、それは電場がより大きい領域の方へ引っ張られる（この効果が正のDEPと呼ばれる）。逆に、分極されにくい場合には、それは電場が弱い領域の方へ押し戻される（この効果が負のDEPと呼ばれる）。与えられる電場に起因して球状粒子に作用するDEP力は、
2009509160.tif 000003
のように記述されることができる。ここで、rは粒子の半径、ERMSは電場（正弦波時間依存を仮定）のRMS値、αはClausius-Mosottiベクトルと呼ばれているものの実部であり、
2009509160.tif 000004
によって与えられる。ここで、スター（*）は誘電率が複素数であることを示す。
【００４８】
DEPは、異なる誘電率εを持つ２つの物質によって満たされた小さなチャンバの中央に物質を集めるために用いられることができる。実施の形態の例が図1及び2に表され、複数の電極101〜106を備える壁によって囲まれるチャンバ111が示される。これらの電極は、チャンバ111内部で媒質107, 109から電気的に絶縁されることができる。しかしながら、電極101〜106は、チャンバ111内部で媒質107, 109から電気的に絶縁される必要はないことに留意する必要がある。
【００４９】
関連する電極101〜106を備えたチャンバ111は、容易に（ひいては安価で）作成されることができる。例えば、電極101〜105は第１の水平面に位置し、上部電極106は第２の水平面に位置し、そして標準のリソグラフィプロセス技術を用いて作成されることができる。
【００５０】
例えば、低い誘電率εr及び（水の密度である）1000 kg/m3より高い密度ρを有する球状粒子は、（高いεr=80を持つ）水によって囲まれる。負の電位が電極101〜104に印加され、正の電位が電極105及び106に印加される場合、粒子109をチャンバ111の中央に閉じ込める所謂DEPケージが形成される。したがって、誘電泳動力は従来の加速度計で用いられていたスプリングの機能を実現する。
【００５１】
誘電泳動加速度計が小さな（マイクロ）サイズである場合には、電極101〜106間の流体107がその表面エネルギーによって定位置に保たれるので、チャンバ111は閉じたハウジングに囲まれている必要さえないことに留意すべきである。
【００５２】
電極101〜105及び106は、それぞれの面に配置される必要はなく、異なる配置で配置されることができ、図2に表される形状と異なる形状であることができることにさらに留意すべきである。例えば、上部電極106は平面でなくてもよく、それによって電場108の非線形性が増加する。
【００５３】
図2は、本発明の例示的な実施の形態による上部電極及び下部電極の平面図の模式的な表示を示す。図2から分かるように、上部電極106は矩形の形状であることができる。同一の、対応する矩形の下部電極101〜105の配置は、5つの別個の電極101〜105から構成されている。電位差が電極101〜104と電極105〜106との間に存在する。さらに、電極101〜105は溝110（又は絶縁の任意の他の形式）によって、互いから電気的に絶縁される。
【００５４】
加速度計は、図3に表される系によって近似されることができ、質量301（m）は、粒子109の質量と周囲の流体の等体積の質量との間の差であり（粒子の位置が変化するときに等体積の流体が変位する）、すなわちm=(ρparticle-ρfluid)*体積である。
【００５５】
ばね定数302（k）は誘電泳動力（自己復元メカニズム）を表す。ダンパー定数303（c）は流体の粘性率を表す。x 304はチャンバ中の粒子の位置であり、y 306は（静止）界305中のチャンバの位置である。
【００５６】
この系の伝達関数は、
2009509160.tif 000005
である。
【００５７】
したがって、作用する加速度（a=s2y）の関数としての粒子の位置は、
2009509160.tif 000006
によって与えられる。
【００５８】
このモデルは、従来の加速度計を記述するモデルと少しも異ならない。しかしながら、kは、従来の加速度計と対照的に、電極間の電位差を変更するだけで動的に調整されることができる。これは、そのままで異なる範囲の加速度に容易に調整されることができる加速度計を可能にすることができる。
【００５９】
異なる電位を有する複数の電極を用いることにより、（例えば対数関数的な）非線形応答をもたらす指数関数的な場の勾配を達成することができ、大きなダイナミックレンジを有する加速度計を可能にする。そのような電極構成の例が図4に示される。
【００６０】
図4は、本発明の例示的な実施の形態による上部電極及び下部電極の平面図の模式的な表示を示す。図4から分かるように、外側の電極が内側の電極より低い（例えばより負の）電位を与えられるので、電極1031〜1033、1011〜1013、1021〜1023、1041〜1043と電極105〜106との間の電位差は、チャンバ中央により近く位置する電極に対して縮小することができる。電極1031〜1033、1011〜1013、1021〜1023、1041〜1043が電極105〜106より高い電位を持つ場合には、外側の電極が内側の電極より高い（例えばより正の）電位を与えられることができることに留意すべきである。
【００６１】
所望の粘性率を有する流体を利用すれば、ダンパーcの値の制御を可能にすることができる。質量mは、所望の密度及び体積を有する粒子並びに所望の密度を有する流体を利用することによって制御されることができる。粒子と流体は共に、電極を備えたチャンバの製造の後に挿入されることができる。本発明の例示的な実施の形態によれば、電極に電圧を印加する際に（すなわちスプリングシステムの活性化の際に）、システム自身が自動的に位置合わせをするので、粒子は無作為にチャンバ中に投入されることができる。粒子及び流体の特定の組み合わせの選択はチャンバの設計に影響しないので、同じチャンバが異なる応答を有する加速度計を作成するために用いられることができる（すなわち、特注の加速度計が作成されることができる）。
【００６２】
以下では、加速度測定手順がさらに詳細に説明される。
【００６３】
位置xは（低い周波数に対して）作用した加速度に比例する。しかしながら、電極配置のジオメトリ及び電極のそれぞれの電位によっては、位置xと作用する加速度との間の他の関係が存在する場合がある。
【００６４】
ボリュームの中央からの粒子の変位xは、先述したのと同じ電極を用いて測定されることができる。
【００６５】
機械的システムのカットオフ周波数をはるかに越えた交流電圧を作用させ、続いて電流を測定することによって、対向する電極（上部及び下部）並びに中間の誘電体によって形成される静電容量の値が測定されることができる。作用する加速度の結果として粒子が電極間を移動するとき、コンデンサの誘電率が変化し、したがって異なるコンデンサ値に変化する。電極対101及び106、102及び106、103及び106、104及び106によって形成されるコンデンサの値を、電極対105及び106によって形成されるコンデンサと比較することによって、示差測定法が実行されることができる。これは、測定をコンデンサの絶対値から独立させることができる。
【００６６】
高さg=1 mmを有するボリュームを仮定する。適切なチャンバを得るためには、電極の長さ及び幅は、チャンバの高さと同じオーダーであることができる。全ての寸法を同じにする場合、電極対間の静電容量は、
2009509160.tif 000007
を用いて算出することができる。
【００６７】
水（εr=80）中のポリスチレン粒子（εr=2,5）の変位に起因する静電容量の最大の変化は、
2009509160.tif 000008
であり、すなわちCmax=0,708pF及びCmin=0,022pFである。10MHzの周波数を用いる場合、これは、723 kOhmから22,47 kOhmまでのインピーダンスの最大の変化に対応する。
【００６８】
以下では、本発明の例示的な実施の形態がさらに説明される。
【００６９】
第１の実施の形態によれば、加速度計は水中にラテックス又はポリスチレン球体を有する。d=100μm（=チャンバの高さ並びに下部電極の長さ及び幅）を有するチャンバ内の水（ρ=1000 kg/m2, 粘性率10-3Pas, εr=80）中のポリスチレン球体（ρ=1060 kg/m2, εr=2,5, r=40μm）を仮定する。さらに、上部電極106と下部電極101-104との間に作用する直流電圧が1Vであり、下部電極105が上部電極106と同じ電位を持つと仮定する。したがって、最大の電場は1V/100μm = 104V/mである。（チャンバの中央における）最小の電場は0V/mである。下部電極らの中心間の距離は100μmであり、それはおおよそ、粒子の最大の変位と同様に場の最大値と最小値との間の距離である。したがって、二乗された場の勾配は108/10-4=1012である。
【００７０】
これは図5に表される。
【００７１】
定常状態の状況、すなわち等加速度が作用する状況を考えると、中央位置からの粒子の完全な振幅変位（例えば100μm）を達成するために必要とされる加速度、すなわち測定可能な加速度範囲が算出されることができる。定常状態において、誘電泳動力は、加速度の結果として粒子に作用する力に等しい。
2009509160.tif 000009
それから次のようになる。
2009509160.tif 000010
【００７２】
測定可能な加速度が粒径に依存しない点に注意する。密度及び誘電率だけが問題である。実際の測定では、それが静電容量の最大の変化を決定するので、粒子のサイズが重要である。しかしながら、測定可能な静電容量変化が達成される限り、示差測定法技術を用いることはサイズをさらにまた重要でないものにする。
【００７３】
本発明の第２の実施の形態によれば、シリコン球体が油剤中で用いられる。この実施の形態においては、電極105と106との間の電位差だけがある。これにより、シリコン球体（ρ=2330 kg/m3, εr=12）はチャンバの（場が最大である）中央に引きつけられる。
【００７４】
油剤（ρ=800 kg/m3、粘性率 1Pas、εr=2.2）及び電極101〜104と106との間の電位差の中に浮遊する多数の球体が同様に動作することができる点に留意する。この場合、球体達は中央から離れるように引かれる。
【００７５】
本発明の第３の実施の形態によれば、２つの流体が試験質量及び媒質として用いられる。例えば、水（ρ=1000 kg/m3、粘性率 10-3 Pas、εr=80）中の油剤（例えばρ=800 kg/m3、粘性率1 Pas、εr=2.2）の液滴である。
【００７６】
本発明の第４の実施の形態によれば、流体中の気体が用いられることができる。水（ρ=1000 kg/m3、粘性率10-3 Pas、εr=80）中の気泡（ρ=1.3 kg/m3、粘性率17.1 μPas、εr=1）が例えば用いられることができる。空気のεrが小さいことによって気泡がチャンバの中央に引かれ、密度の大きな差によって、作用した加速度の方向に気泡が変位する。
【００７７】
本発明の第５の実施の形態によれば、２つの気体が用いられることができる。例えば、温度の上昇と共に気体はより拡散する（即ち混ざる）ことができ、それは絶対温度に対する測度である（全ての静電容量において同時に変化する）コモンモード信号をもたらすことができるので、この実施の形態は、さらに温度センサを提供することができる。
【００７８】
エレクトロウェッティングの原理が、チャンバの中央に試験質量をセンタリングするために用いられることができる。エレクトロウェッティング効果は、固体と電解質との間に印加される電位差に起因する固体電解質接触角の変化として規定される。エレクトロウェッティングは本質的に、それによって電場が絶縁された電極と接触する液滴の濡れ挙動を変更することができる現象である。電場が不均一に印加される場合、２つのプレートの間にはさまれる液滴を操作するために用いられることができる表面エネルギー勾配が生まれる。
【００７９】
図6A及び6Bに、絶縁層111と接触する液滴の有利な実施の形態が示される。この例では、水（ρ=1000 kg/m3、粘性率 10-3 Pas、εr=80）中の油剤液滴（例えばρ=800 kg/m3、粘性率1 Pas、εr=2.2）が、断面図（図6A）及び平面図（図6B）において示される。（直流又は交流の）電位差が、パリレンのような絶縁層111によって水から絶縁される電極1〜4と、（導電性の）水と接触している上部電極6との間に印加される場合、エレクトロウェッティング原理は、チャンバの中央に油剤液滴をセンタリングする。すなわち、水中の双極子は下部電極1〜4の方へ移動し、結果として、油剤液滴は、チャンバの中央の方へ変位する。
【００８０】
選択的に、疎水性層112が、さらにエレクトロウェッティング効果を改善するために用いられることができる。
【００８１】
したがって、エレクトロウェッティングは、従来の加速度計に用いられるスプリングの機能を実現する。
【００８２】
前述と同様に、加速度計は図3に表されるシステムによって近似されることができ、質量mは、油剤液滴の質量と等体積の周囲の水（液滴の位置が変化するとき等体積の水が変位する）の質量との間の差、すなわちm=(ρoil-ρwater)vである。
【００８３】
ばね定数kは、エレクトロウェッティング力（自己復元メカニズム）を表す。ダンパー定数cは、水の粘性率を表す。xはチャンバ中の油剤液滴の位置であり、yはチャンバの位置である。
【００８４】
従来の加速度計と対照的に、ばね定数kは、電極間の電位差を変更するだけで動的に調整されることができる。これは、そのままで異なる範囲の加速度に容易に調整されることができる加速度計を可能にする。
【００８５】
異なる電位を有する複数の電極を用いることにより、非線形（例えば対数）応答が達成されることができ、大きなダイナミックレンジを有する加速度計を可能にする。そのような電極構成の例が図7に示される。電極構成は、下部電極105がないこと以外は、図4で説明されるものと同様である。図4の実施の形態ですでに示されたように、電極の電位は、チャンバ中央のより近くに位置する電極に対して低下しなければならない。
【００８６】
所望の粘性率を有する水以外の（同様に高いεrを有する）周囲流体混合物を用いることで、ダンパーcの値の制御が可能になる。
【００８７】
質量mは、所望の密度及びボリュームを有する（油剤）液滴並びに所望の密度を有する周囲流体混合物を利用することによって制御されることができる。密度の大きな差、ひいては加速度に対する高い感度を達成するためには、水及び気泡の組み合わせを使用することが有利である。（異なる実施の形態）。
【００８８】
液滴及び周囲流体は共に、電極を備えたチャンバの製造の後に挿入される。電極に電圧を印加する際、すなわちスプリングシステムの活性化の際に、システム自体が自動的に位置合わせするので、液滴は無作為にチャンバ中に投入されることができる。この初期化処理は、図6Aに示されているように下部電極上に疎水性層112（例えばテフロン（登録商標））を適用することによって、いくぶん補助されることができる。
【００８９】
液滴及び周囲流体の特定の組み合わせの選択はチャンバの設計に影響せず、同じチャンバが異なる応答を有する加速度計を作成するために用いられることができ、すなわち「特注の」加速度計が製作されることができる。
【００９０】
上記の実施の形態において、同じ電極が、交流及び／又は直流電位差を適用することによってスプリングを制御するために用いられ、並びに、交流の電位差を適用した結果としてコンデンサ中を流れる交流電流を測定することによって、変位を測定するために用いられる。
【００９１】
図8の他の実施の形態において、水液滴は、中央電極(5)及び上部電極(6)に電圧を印加することにより、油剤で満たされたチャンバの中央に置かれる。この場合、電極5及び6がスプリングシステムを制御し、変位測定は下部電極1〜4及び電極6を用いて実行される。
【００９２】
図9は、スプリングシステムの制御及び変位の測定を詳細に示す。試験質量の変位を示す電流振幅が測定される。
【００９３】
図10は、本発明の方法の例示的な実施の形態を実行するための、本発明によるデータ処理装置400の例示的な実施の形態を表す。図10に表されるデータ処理装置400は、測定されたデータを保存するメモリ402に接続される中央処理装置（ＣＰＵ）即ちプロセッサ401を有する。データプロセッサ401は、複数の入出力ネットワーク又は診断装置（例えば加速度計）に接続されることができる。データプロセッサ401は、さらに、データプロセッサ401で計算され又は適応された情報を表示するディスプレイデバイス403（例えばコンピュータモニタ）に接続されることができる。オペレータ即ちユーザーは、例えば、電圧を調整し、その結果そのままで加速度計のダイナミックレンジを（例えば線形から対数に）調整するために、キーボード404及び／又は図10に表されてない他の出力装置を介して、データプロセッサ401と対話することができる。
【００９４】
本発明の加速度計は、記録からユーザーの震えを除去することができるように、カムコーダ内部で加速度を測定するために用いられることができる。他の実施の形態は、装置（ポータブルHDD MP3プレイヤー）が生存する確率を高めるために、それが地面に衝突する前にシャットダウンすることができるように、その装置が落下していることを検出することである。
【００９５】
加速度計は、生医学的アプリケーションに用いられることもできる。
【００９６】
例えば、それは（自宅）リハビリテーションのための位置検知に用いられることができる。加速度計は、自宅リハビリテーションの間に患者が正しい運動をするかどうかを管理するために、患者の手足が空間中でどのように移動するかを測定するために用いられることができる。後に、リハビリテーションが効果的かどうか判断されることができる。
【００９７】
あるいは、加速度計は、例えば最小限に侵襲性の手術のための医療機器の位置検知に用いられることができる。医療機器の絶対位置が測定され、撮像技術（例えばMRI）と組み合わせられることができる。
【００９８】
「有する」の語は他の要素を排除せず、単数形の語は複数を排除しないことに留意すべきである。また、異なる実施の形態に関連して説明される要素達は、組み合わせられることができる。
【００９９】
請求項中の参照符号は発明の範囲を制限するものとして解釈されてはならない。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の例示的な実施の形態による誘電泳動加速度計の断面図の模式的な表示。
【図２】本発明の例示的な実施の形態による上部電極及び下部電極の平面図の模式的な表示。
【図３】システムモデルの模式的な表示。
【図４】本発明の例示的な他の実施の形態による上部電極及び下部電極の平面図の模式的な表示。
【図５】本発明の例示的な他の実施の形態による誘電泳動加速度計の断面図の模式的な表示。
【図６Ａ】エレクトロウェッティングの原理に基づく加速度計の断面図の模式的な表示。
【図６Ｂ】図6Aに対応する加速度計の平面図の模式的な表示。
【図７】大きなダイナミックレンジの加速度計のための上部電極及び下部電極の平面図の模式的な表示。
【図８】エレクトロウェッティングの原理に基づく図6の加速度計の代わりの断面図の模式的な表示。
【図９】スプリングシステムの制御及び変位の測定のための測定セットアップ。
【図１０】本発明の方法の例示的な実施の形態を実行するのに適応される処理装置の例示的な実施の形態。
【図１】
2009509160.tif 000011
【図２】
2009509160.tif 000012
【図３】
2009509160.tif 000013
【図４】
2009509160.tif 000014
【図５】
2009509160.tif 000015
【図６Ａ】
2009509160.tif 000016
【図６Ｂ】
2009509160.tif 000017
【図７】
2009509160.tif 000018
【図８】
2009509160.tif 000019
【図９】
2009509160.tif 000020
【図１０】
2009509160.tif 000021
【国際調査報告】
2009509160.tif 000022
2009509160.tif 000023
2009509160.tif 000024