(57)【要約】【課題】  簡潔な構成、低価格、簡単な読出し回路設計、電磁気干渉の防止、優れた感度および周辺温度に影響を受けないマイクロ加速度計を提供する。【解決手段】  本発明に係るマイクロ加速度計は、同一な量のガスが充填された対称構造の第１および第２密閉キャビティを含む。メンブレインが対称構造のキャビティを分離する。キャビティに温度センサがそれぞれ装着されキャビティ内のガス温度を測定する。キャビティ内に加速度の影響が与えない限り温度差は発生しない。しかし、線形加速が適用されればメンブレインが上下方向に変形することによって、例えば第１キャビティ内のガスが圧縮され温度が上がる。一方、ガスが膨張される第２キャビティの温度は下がる。第１および第２キャビティ間のガス温度差が温度センサによって電力抵抗変化として測定され、この温度差が加速度の関数として適用される。【選択図】      図１
2006023290.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの密閉空間を対称構造の第１および第２キャビティに分離し、外力の作用により変形するメンブレインと、
前記第１および第２キャビティに同じ量で充填され、前記メンブレインの変形によって圧縮または膨張する作動流体と、
前記第１および第２キャビティで圧縮または膨張される前記作動流体の温度を測定するために前記第１および第２キャビティにそれぞれ設けられる第１および第２温度センサと、
該第１および第２温度センサに連結された加速度検知のための読出し回路とを含むことを特徴とするマイクロ加速度計。
【請求項２】
前記密閉空間を提供する絶縁材質のケース部材を含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ加速度計。
【請求項３】
前記メンブレインは絶縁材質で形成されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ加速度計。
【請求項４】
前記作動流体は圧縮された時に好適な断熱定数を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ加速度計。
【請求項５】
前記作動流体は、窒素、ヘリウム、アルゴン、キセノン、ネオン、およびクリプトンガスのいずれか１つであることを特徴とする請求項４に記載のマイクロ加速度計。
【請求項６】
前記第１および第２温度センサは白金抵抗温度検知器を含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ加速度計。
【請求項７】
前記第１および第２温度センサはＳ字型に構成されることを特徴とする請求項６に記載のマイクロ加速度計。
【請求項８】
前記第１および第２温度センサに電流を供給するためのパワーサプライを含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ加速度計。
【請求項９】
前記読出し回路はブリッジ回路、差動増幅器、周波数補償回路、およびローパス回路を含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ加速度計。
【請求項１０】
前記ブリッジ回路は前記第１および第２温度センサと２つの抵抗を含むことを特徴とする請求項９に記載のマイクロ加速度計。
【請求項１１】
一定深さおよび所定形状にエッチングされた溝をそれぞれ有する第１および第２基板の間に前記溝と対称構造の第２溝を有する第３基板がボンディングされることによって所定の密閉空間を提供するケース部材と、
前記密閉空間を対称構造の第１および第２キャビティに分離するよう前記第３基板に両端がボンディングされて設けられ、外力の作用時に変形されるメンブレインと、
前記第１および第２キャビティに同じ量で充填され、前記メンブレインの変形によって圧縮または膨張されるガスと、
前記第１および第２キャビティで圧縮または膨張される前記ガスの温度を測定するための第１および第２温度センサと、
該第１および第２温度センサに所定の電流を供給するためのパワーサプライと、
前記第１および第２温度センサに連結された加速度検知のための読出し回路とを含むことを特徴とするマイクロ加速度計。
【請求項１２】
前記第１および第２温度センサは、第１および第２キャビティの真ん中に位置するように第１および第２基板と同じ高さを維持して形成され、前記第１および第２基板には前記パワーサプライおよび読出し回路との連結のための２つのパッドが温度センサの両側に位置するようにそれぞれ形成されたことを特徴とする請求項１１に記載のマイクロ 加速度計。
【請求項１３】
前記ケース部材およびメンブレインは絶縁材質で形成されることを特徴とする請求項１２に記載のマイクロ加速度計。
【請求項１４】
前記ガスは圧縮された時に好適な断熱定数を有することを特徴とする請求項１２に記載のマイクロ加速度計。
【請求項１５】
前記ガスは、窒素、ヘリウム、アルゴン、キセノン、ネオンおよびクリプトンのいずれか１つであることを特徴とする請求項１４に記載のマイクロ加速度計。
【請求項１６】
前記第１および第２温度センサは白金抵抗温度検知器を含むことを特徴とする請求項１２に記載のマイクロ加速度計。
【請求項１７】
前記第１および第２温度センサはＳ字型に構成されることを特徴とする請求項１６に記載のマイクロ加速度計。
【請求項１８】
前記読出し回路はブリッジ回路、差動増幅器、周波数補償回路、およびローパス回路を含むことを特徴とする請求項１２に記載のマイクロ加速度計。
【請求項１９】
前記ブリッジ回路は前記第１および第２温度センサと２つの抵抗を含むことを特徴とする請求項１８に記載のマイクロ加速度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は加速度およびその他の力を検知および測定するマイクロ加速度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ加速度計は自動車産業、ナビゲ-ションシステム、軍需産業、ロボットシステム、電気機器および玩具類などの各種エンジニアリング応用分野において小型化、低価格および高品質機能などから注目されている。
このようなマイクロ加速度計は殆んど標準質量(proof mass)とその標準質量の動作を検知する検知部を含んで構成され、前記検知部の構造および検知方法によって電気容量検知型、ピエゾ抵抗検知型、圧電検知型および光学検知型とに区分される。
【０００３】
前記電気容量検知型加速度計は電力および空間使用が少なく、高感度を有するという長所があるが、電磁気干渉および寄生電磁力の影響などの短所も持っている。特許文献１〜３などから代表的な例が見られる。
ピエゾ抵抗検知型加速度計は製造が簡単であり読出し回路の構成が間欠であるとの長所があるが、感度が低下し周辺温度に影響を受けるという短所がある。特許文献４〜６などから代表的な例が見られる。
【０００４】
圧電検知型加速度計は製造および読出し回路が簡単であるという長所があるものの、電荷漏れおよび周辺温度に影響を受けるという短所を有している。特許文献７〜９などから代表的な例が見られる。
最後に、光学検知型加速度計は感度が高く作動が効率的である一方、高コストであるという短所がある。特許文献１０〜１２などから代表的な例から見られる。
【特許文献１】米国特許ＵＳ６、７０５、１６６号明細書
【特許文献２】米国特許ＵＳ６、３１１、５５６号明細書
【特許文献３】米国特許ＵＳ６、３０５、７１４号明細書
【特許文献４】米国特許ＵＳ６、６８３、５５８号明細書
【特許文献５】米国特許ＵＳ５、５３９、２３６号明細書
【特許文献６】米国特許ＵＳ５、４２５、８４１号明細書
【特許文献７】米国特許ＵＳ６、６５５、２１１号明細書
【特許文献８】米国特許ＵＳ６、０３８、９２４号明細書
【特許文献９】米国特許ＵＳ５、８６９、７６２号明細書
【特許文献１０】米国特許ＵＳ６、６２８、４００号明細書
【特許文献１１】米国特許ＵＳ６、５８１、４６５号明細書
【特許文献１２】米国特許ＵＳ６、４７３、１８７号明細書
【特許文献１３】米国特許ＵＳ ５、７１９、３３３号明細書
【特許文献１４】米国特許ＵＳ ５、５８１、０３４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は前述したような多種の加速度計の有する短所を解消するために案出されたもので、その目的は圧縮度検知技法(compressor sensing principle)に基づいた新たな概念のマイクロ加速度計を提供するところにある。
本発明の他の目的は、簡潔な構成、低価格、簡単な読出し回路設計、電磁気干渉の防止、 優れた感度、および周辺温度に影響を受けないマイクロ加速度計を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前述した目的を達成するための本願第１発明に係るマイクロ加速度計は、１つの密閉空間を対称構造の第１および第２キャビティに分離し、外力作用時に変形するメンブレインと、前記第１および第２キャビティに同じ量で充填され、前記メンブレインの変形によって圧縮または膨張される作動流体と、前記第１および第２キャビティで圧縮または膨張される前記作動流体の温度を測定するために前記第１および第２キャビティにそれぞれ設けられる第１および第２温度センサ、および前記第１および第２温度センサに連結された加速度検知のための読出し回路とを含む。
【０００７】
また、本発明に係るマイクロ加速度計は、キャビティ内に加速度の影響が与えない限り温度差は発生しない。しかし、線形加速が適用されればメンブレインが上下方向に変形することによって、例えば第１キャビティ内の作動流体が圧縮され温度が上がる一方、作動流体が膨張される第２キャビティの温度は下がる。第１および第２キャビティ間の作動流体の温度差が温度センサによって電力抵抗変化として測定され、この温度差が加速度の関数として適用される。
【０００８】
本願第２発明は、前記第１発明において、の好ましい実施形態によれば、マイクロ加速度計は前記密閉空間を提供する絶縁材質のケース部材を含む。
本願第３発明は、前記第１発明において、前記メンブレインは絶縁材質で形成される。
本願第４発明は、前記第１発明において、前記作動流体は圧縮された時に好適な断熱定数を有する。
【０００９】
本願第５発明は、前記第４発明において、例えば窒素、ヘリウム、アルゴン、キセノン、ネオンおよびクリプトンガスのいずれか１つで構成され得る。
本願第６発明は、前記第１発明において、前記第１および第２温度センサは、白金抵抗温度検知器を含む。
本願第７発明は、前記第６発明において、前記第１および第２温度センサは、一定した抵抗を得るためにＳ字型に設定されることが良い。
【００１０】
本願第８発明は、前記第１発明において、本発明に係るマイクロ加速度計は前記第１および第２温度センサに電流を供給するためのパワーサプライを備え、これによれば感度を高められる。
本願第９発明は、前記第１発明において、前記読出し回路はブリッジ回路、差動増幅器、周波数補償回路およびローパス回路を含む。
【００１１】
本願第１０発明は、前記第９発明において、前記ブリッジ回路は前記第１および第２温度センサおよび２つの抵抗を含んで構成される。
本願第１１発明の実施形態によれば、マイクロ加速度計は一定深さおよび所定形状にエッチングされた溝をそれぞれ有する第１および第２基板の間に前記溝と対称構造の第２溝を有する第３基板がボンディングされることによって所定の密閉空間を提供するケース部材と、前記密閉空間を対称構造の第１および第２キャビティに分離するように前記第３基板に両端がボンディングされ設けられ、外力の作用時に変形されるメンブレインと、前記第１および第２キャビティに同じ量で充填され、前記メンブレインの変形によって圧縮または膨張されるガスと、前記第１および第２キャビティで圧縮または膨張される前記ガスの温度を測定するための第１および第２温度センサと、前記第１および第２温度センサに所定の電流を供給するためのパワーサプライ、および前記第１および第２温度センサに連結された加速度検知のための読出し回路とを含むことを特徴とする。
【００１２】
本願第１２発明は、前記第１１発明において、前記第１および第２温度センサは、第１および第２キャビティの真ん中に位置するように第１および第２基板と同じ高さを維持して形成され、前記第１および第２基板には前記パワーサプライおよび読出し回路との連結のための２つのパッドが温度センサの両側に位置するようにそれぞれ形成される。
本願第１３発明は、前記第１２発明において、前記ケース部材およびメンブレインは絶縁材質で形成されることを特徴とするマイクロ加速度計を提供する。
【００１３】
本願第１４発明は、前記第１２発明において、前記ガスは圧縮された時に好適な断熱定数を有することを特徴とするマイクロ加速度計を提供する。
本願第１５発明は、前記第１４発明において、前記ガスは、窒素、ヘリウム、アルゴン、キセノン、ネオンおよびクリプトンのいずれか１つであることを特徴とするマイクロ加速度計を提供する。
【００１４】
本願第１６発明は、前記第１２発明において、前記第１および第２温度センサは白金抵抗温度検知器を含むことを特徴とするマイクロ加速度計を提供する。
本願第１７発明は、前記第１６発明において、前記第１および第２温度センサはＳ字型に構成されることを特徴とするマイクロ加速度計を提供する。
本願第１８発明は、前記第１２発明において、前記読出し回路はブリッジ回路、差動増幅器、周波数補償回路、およびローパス回路を含むことを特徴とするマイクロ加速度計を提供する。
【００１５】
本願第１９発明は、前記第１８発明において、前記ブリッジ回路は前記第１および第２温度センサと２つの抵抗を含むことを特徴とするマイクロ加速度計を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば構造が簡単でのみならずＭＥＭＳ技術を用いた製造の容易性および大量生産が可能なので低価格のマイクロ加速度計を提供することができる。
そして、信号分析のために多用するブリッジ回路を使用するため、簡単な読出し回路設計が可能なマイクロ加速度計を提供することができる。
また、温度センサは電磁気干渉に影響を受けず、信号検知が２つのセンサから得られる温度差に基づくので周辺温度効果を防止できるなど電磁気干渉および周辺温度に影響を受けないマイクロ加速度計を提供することができる。
【００１７】
それから、ＭＥＭＳ製造およびパッケージング方式を使用するので優れた感度を有するマイクロ加速度計を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の好ましい実施の形態を添付した図面に基づき説明する。
図１ないし図４には本発明の一実施形態に係るマイクロ加速度計が示されている。
図１ないし図４に示されたように、マイクロ加速度計は所定の密閉空間１０を提供するケース部材２０を含む。このケース部材２０は絶縁性の第１ないし第３基板３０、４０、５０を備える。
【００１９】
前記第１および第２基板３０、４０は対称構造であり、前記第３基板５０は前記第１および第２基板３０、４０の間に置かれて互いにボンディングされている。
前記第１および第２基板３０、４０は一定深さおよび所定形状にエッチングされている溝３１、４１を備える。そして、前記第３基板５０は前記溝３１、４１と対称をなすように形成される第２溝５１、５２を備える。このような溝３１、４１、５１、５２を有する第１ないし第３基板３０、４０、５０がボンディングされることによって前記所定の密閉空間１０を有するケース部材２０が製造される。
【００２０】
前記ケース部材２０の密閉空間１０はメンブレイン６０によって対称構造の第１および第２キャビティ１１、１２に分離される。前記メンブレイン６０は外力の作用時に上下方向に変形される極薄膜である。このようなメンブレイン６０は前記第３基板５０の第２溝５１、５２の中央部に位置するようにその両端が第３基板５０にボンディングされ設けられ、絶縁体で形成される。
【００２１】
また、前記密閉された対称構造の第１および第２キャビティ１１、１２には同一な量および同一な種類の作動流体、例えばガスが充填される。このガスは前記メンブレイン６０の変形時第１および第２キャビティ１１、１２の体積が縮小されたり拡張されることによって圧縮または膨張される。このようなガスは圧縮された時所定の好適な断熱定数を有するもの、例えば窒素(nitrogen)、ヘリウム(helium)、アルゴン(argon)、キセノン(xenon)、ネオン(neon)およびクリプトン(krypton)のうちいずれか１つが使用され得る。
【００２２】
第１および第２温度センサ７０、８０は前記第１および第２キャビティ１１、１２に充填されたガスの温度を検知するよう前記第１および第２基板３０、４０にそれぞれ設けられる。このような温度センサ７０、８０は第１および第２基板３０、４０と同じ高さを維持するように形成され、これによりそれぞれの温度センサ７０、８０は該当するキャビティ１１、１２の上下および左右方向の真ん中に配置される。
【００２３】
前記第１および第２温度センサ７０、８０として本実施形態では白金抵抗温度検知器を使用したが、これに限らず、所定の密閉された空間内でその空間に充填された流体の温度を検知できるものならばいずれも差し支えない。ここで、前記第１および第２温度センサ７０、８０は一定した抵抗を得るためにＳ字型に設計されることが良い。
一方、前記第１および第２基板３０、４０には後述するパワーサプライ９０および読出し回路１００との連結のための第１および第２パッド３２、３３、４２、４３が前記第１および第２温度センサ７０、８０の両側に位置するようにそれぞれ形成される。
【００２４】
前記パワーサプライ９０は前記第１パッド３２、４２を通じて前記第１および第２温度センサ７０、８０と連結され、前記温度センサ７０、８０に所定の低電流を供給する。
そして、前記読出し回路１００は前記第２パッド３３、４３を通じて前記第１および第２温度センサ７０、８０と連結され、前記温度センサ７０、８０からの信号を読取る。
係る前記読出し回路１００は、図４に示したように、前述した第１および第２温度センサ７０、８０と２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２を有するブリッジ回路１１０、該ブリッジ回路１１０と連結された差動増幅器１２０、該差動増幅器１２０の出力端に入力端が連結されたローパス回路１３０および該ローパス回路１３０の出力端に入力端が連結された周波数補償回路１４０を含む。
【００２５】
このように構成される本発明に係るマイクロ加速度計は、図５ａおよび図５ｂに示したように、加速度が与えられない場合、２つのキャビティ１１、１２間の温度差は０である。加速度(ａ)が与えられメンブレイン６０が変形すれば、２つのキャビティ１１、１２の体積が変化する。熱力学法則によって２つのキャビティ１１、１２内のガス温度はキャビティ１１、１２の体積変化によって相違に現れる。メンブレイン６０の変形は与えられた加速度(ａ)によって変更される。従って、与えられた加速度を２つのキャビティ１１、１２の間に測定された温度差に基づき測定することができる。
【００２６】
数学的導出を通じて前述したような本発明に係るマイクロ加速度計のメカニズムをさらに詳説する。
図５ａは本発明の加速度計に加速度が与えられない時ガスの状態を示している。キャビティ１１、１２の対称構造によってその中のガス状態も殆んど同じである。各キャビティ１１、１２内の初期温度、圧力、体積および重量をＴ1i、Ｐ1i、Ｖ1i、ｍ1およびＴ2i、Ｐ2i 、Ｖ2i、ｍ2と仮定する。
【００２７】
図５ｂは下向き加速度(ａ)が加速度計に与えられた場合、ガスの状態を示している。この場合、メンブレイン６０が上向きに膨出するよう変形される。このようなメンブレイン６０の変形によって第１キャビティ１１の体積が縮小しガスは圧縮される。ガスの熱力学的性質もＴ1f、Ｐ1fおよびＶ1fに変更される。同時に第２キャビティ１２内のガスも新たな熱力学的状態であるＴ2f、Ｐ2fおよびＶ2fに変更される。第１および第２キャビティ１１、１２は圧縮器的構成が同一なので、圧縮器の典型的な方程式が加速度計の現状態を判断するために使用され得る。初期に第１および第２キャビティ１１、１２のサイズ、内部ガスの種類および重量が同じだったので、前述した過程は次のよう示される。
【数１】
2006023290.tif 000003
【００２８】
【数２】
2006023290.tif 000004
【００２９】
【数３】
2006023290.tif 000005
【００３０】
【数４】
2006023290.tif 000006
【００３１】
【数５】
2006023290.tif 000007
【００３２】
ここで、ΔＶは体積変化であり、Ｒはガス定数であり、これは重量およびガスの物理的性質に基準する。
ｎはポリトロピック指数(polytropic exponent)である。その値は１と２の間、すなわち１＜ｎ≦２である。またこの値はガス特性およびポリトロピック過程に準ずる。ポリトロピック過程の一般の方法である断熱圧縮の場合、ｎは断熱定数であるｋと同一である。
【００３３】
方程式(１)〜(５)によって第１および第２キャビティ１１、１２間の温度差ΔTは次の近似方程式によって定理され得る。
【数６】
2006023290.tif 000008
【００３４】
ここで、ΔＴの実質的な値は方程式(６)の右項よりやや高くなるべきである。すなわち、本発明に係る加速度計の感度、すなわちΔＴは方程式(６)によってやや低い値に見積もられる。
【００３５】
テーラシリーズエキスパンション(Taylor series expansion：テイラー展開)を使用すれば方程式(６)は次のように変更される。
【数７】
2006023290.tif 000009
【００３６】
方程式(７)は加速度の入力があり得るΔＴの最終近似値である。
ΔＶが加速度計に与えられる加速度による薄膜の移動によって定まるので、次の式が満足される。
【数８】
2006023290.tif 000010
【００３７】
式(７)を(８)と組合わせると、
【数９】
2006023290.tif 000011
【００３８】
になる。
式（７）ないし式（９）に基づいて、外部加速度を２つのキャビティ間の温度差を検知することによって測定できることが分かる。
【００３９】
本発明に係る加速度計の感度を高めるためにΔＴを増加させるべきである。式(９)によって次の方法が使用できる。
１) キャビティの初期ガス温度(Ｔ1i)を上げる。パワーサプライ９０を用いて温度センサ７０、８０に所定の低くて一定の電流を入力することによって、温度(Ｔi)を上昇させる小さいヒータの役割を果たすようにする。このように小さくて一定の電流を有する温度センサは、良好な線形度を有し得る。
２)  ポリトロピック指数(ｎ)を上昇させる。前述したように、ｎはガスタイプと圧縮過程によって決定される。断熱圧縮および単一原子ガスの場合、高いｎを有し得る。断熱圧縮のためにはパッケージングも良好でなければならない。
３)  ΔＴ/ Ｖ1iを上昇させる。次の２種の方法を使用することができる。一番目はキャビティの体積(Ｖ1i)を縮小させる方法である。ＭＥＭＳ製造法に基づき小型キャビティが得られる。二番目の方法はΔＶを上げる方法である。ΔＶはメンブレイン６０の変形によって決定され、メンブレイン６０の変形はその材質、サイズおよび重量のデザインによって変更される。
【００４０】
本発明によれば構造が簡単でのみならずＭＥＭＳ技術を用いた製造の容易性および大量生産が可能なので低価格のマイクロ加速度計を提供することができる。
そして、信号分析のために多用するブリッジ回路を使用するため、簡単な読出し回路設計が可能なマイクロ加速度計を提供することができる。
また、温度センサは電磁気干渉に影響を受けず、信号検知が２つのセンサから得られる温度差に基づくので周辺温度効果を防止できるなど電磁気干渉および周辺温度に影響を受けないマイクロ加速度計を提供することができる。
【００４１】
それから、ＭＥＭＳ製造およびパッケージング方式を使用するので優れた感度を有するマイクロ加速度計を提供することができる。
本発明は例示的な方法で説明された。ここで使用された用語は説明のためのものであり限定の意味として理解されてはいけない。前述した内容によって本発明の多様な修正および変形が可能である。別に言及しない限り本発明は請求項の範疇内で自由に行なえる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明に係るマイクロ加速度計は低価格で製造でき、よって自動車産業、ナビゲーションシステム、軍需産業、ロボットシステム、電子機器および玩具類などの各種エンジニアリング応用分野において有利に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の一実施形態に係るマイクロ加速度計を概略的に示した図である。
【図２】図１のマイクロ加速度計の第１および第２基板を抜粋して示した平面図である。
【図３】図１のマイクロ加速度計の第３基板を抜粋して示した平面図である。
【図４】図１のマイクロ加速度計の読出し回路の構成図である。
【図５】ａおよびｂは本発明の一実施形態によるマイクロ加速度計の加速度測定原理を説明するための図。
【符号の説明】
【００４４】
１０;密閉空間                   １１、１２;第１および第２キャビティ
２０;ケース部材                 ３０、４０、５０;第１ないし第３基板
３１、４１、５１、５２;溝       ３２、３３、４２、４３;パッド
６０;メンブレイン               ７０、８０;第１および第２温度センサ
９０;パワーサプライ             １００;読出し回路
１１０;ブリッジ回路             １２０;差動増幅器
１３０;ローパス回路             １４０;周波数補償回路
【図１】
2006023290.tif 000012
【図２】
2006023290.tif 000013
【図３】
2006023290.tif 000014
【図４】
2006023290.tif 000015
【図５】
2006023290.tif 000016