(57)【要約】【課題】  構造や製造方法、制御方法が簡単で、小型化が可能なガスレートセンサを提供する。【解決手段】  コリオリ力による気体流の偏向によって生じる温度変化を検知することにより角速度を検出するガスレートセンサにおいて、気体流を密閉された空間内の気体の一部を加熱することによって発生した。【選択図】図１
2006234765.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コリオリ力による気体流の偏向によって生じる温度変化を検知することにより角速度を検出するガスレートセンサにおいて、
前記気体流は、密閉された空間内の気体の一部を加熱することによって発生されていることを特徴とするガスレートセンサ。
【請求項２】
前記密閉された空間は、第１の加熱室と第２の加熱室とその第１の加熱室と第２の加熱室を接続する流路とを含んでなり、前記第１の加熱室と第２の加熱室の間の温度差によって前記流路に前記気体流が発生される請求項１記載のガスレートセンサ。
【請求項３】
前記流路は異なる２つの方向に形成された少なくとも２つの流路からなる請求項２記載のガスレートセンサ。
【請求項４】
前記第２の加熱室は、前記第１の加熱室の周りを囲むように設けられ、前記流路は前記第１の加熱室から放射状に設けられた４つの流路からなり、その隣接する流路は互いに直交する請求項２記載のガスレートセンサ。
【請求項５】
前記第１の加熱室と前記第２の加熱室をそれぞれ２つ備え、前記２つの第１の加熱室は矩形格子における対角位置に配置され、前記２つの第２の加熱室は、前記矩形格子の別の対角位置に配置されており、隣接する第１と第２の加熱室間を互いに前記流路によって接続した請求項２に記載のガスレートセンサ。
【請求項６】
前記第１の加熱室と前記第２の加熱室を接続する流路は、互いに略平行に設けられた２本の副流路からなっていて、その２本の副流路の中間点が接続流路によって接続されており、前記接続流路に温度センサを設けた請求項２〜５のうちのいずれか１つに記載のガスレートセンサ。
【請求項７】
前記第１の加熱室と第２の加熱室のうちの一方は、その加熱室内の気体の温度を上昇させるヒーターを備え、そのヒーターを一定時間間隔で加熱することにより、前記流路内を往復運動する気体流を発生させる請求項２〜６のうちのいずれか１つに記載のガスレートセンサ。
【請求項８】
前記第１の加熱室内の気体の温度を上昇させる第１のヒーターと、前記第２の加熱室内の気体の温度を上昇させる第２のヒーターとを設け、前記第１のヒーターと前記第２のヒーターにより前記第１の加熱室と前記第２の加熱室とを交互に加熱することにより、前記流路内を往復運動する気体流を発生させる請求項２〜６のうちのいずれか１つに記載のガスレートセンサ。
【請求項９】
前記第１の加熱室内の気体の温度を上昇させる第１のヒーターと、前記第２の加熱室内の気体の温度を上昇させる第２のヒーターとを設け、前記第１の加熱室と前記第２加熱室間の温度差の最大値と最小値が一定となるように、前記第１の加熱室と前記第２の加熱室とを交互に加熱することにより、前記流路内を往復運動する気体流を発生させる請求項８記載のガスレートセンサ。
【請求項１０】
前記密閉された空間内に、ヘリウムを封入した請求項１〜９のうちのいずれか１つに記載のガスレートセンサ。
【請求項１１】
前記密閉された空間を構成する部材の外側の一部に、放熱手段を設けた請求項１〜１０のうちのいずれか１つに記載のガスレートセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、気体に働くコリオリの力を熱的に検出することにより角速度を検出するガスレートセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスレートセンサ（ガス式レートセンサ）は、コリオリの力によるガス流の方向の偏りを流速計により検知して、角速度を検出する方式で、機械的可動部を持たないので特性の温度依存性を小さく抑えることができるという利点があり、高性能であることから、航空機等に用いられている。
従来のガスレートセンサでは、センサ内の気体に速度を与えるため、圧電素子により気体ポンプを構成し、この圧電素子を振動させて気体をポンプから吐出させ、気体の流れを生成している（例えば特許文献１）。
【特許文献１】特許第３０６１２９０号（第２頁１２段４〜１０行及び図１など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来のガスレートセンサにあっては、コリオリ力を検出する検出部分以外に、ガス流を発生させるポンプ部分が必要であり、構造や製造方法が複雑となり、小型化にも不利であった。また、ポンプ駆動電力とヒーターの駆動電力の両方が必要なため、消費電力も大きくなる。さらに、それぞれの制御を別々に行わなければならず、制御方法も複雑となるといった問題があった。
そこで、発明は、構造や製造方法、制御方法が簡単で、小型化が可能なガスレートセンサを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記のような問題点を解決するためになされたものであり、本発明に係るガスレートセンサは、コリオリ力による気体流の偏向によって生じる温度変化を検知することにより角速度を検出するガスレートセンサにおいて、前記気体流は、密閉された空間内の気体の一部を加熱することによって発生されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
以上のように構成された本発明に係るガスレートセンサは、従来のような機械式気体ポンプが必要なくなり、構造、製造方法、制御方法を簡単にできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施の形態について説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１のガスレートセンサの構成を示す上面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線についての断面図である。本実施の形態１のガスレートセンサにおいては、ベース基板であるシリコン基板９と、そのシリコン基板の上に設けられた絶縁膜１０と、絶縁膜１０の上に設けられたカバー基板１１とによって、気体が封入される密閉空間が構成される。すなわち、実施の形態１のガスレートセンサでは、カバー基板１１に、第１の加熱室４を構成するための凹部と、第２の加熱室５を構成するための凹部と、その２つの凹部に繋がる流路用凹部とが形成されており、絶縁膜１０との間に、第１の加熱室４と第２の加熱室５とそれらの間を接続する４本の流路６ａ〜６ｄが形成される。
【０００７】
また、実施の形態１のガスレートセンサでは、シリコン基板９において第１の加熱室４と第２の加熱室５の直下の位置に凹部を形成することにより、第１の加熱室４とその周り及び第２の加熱室５とその周りとの熱抵抗を大きくし、小さい電力で気体の加熱冷却が可能となる。尚、以下の図面において、シリコン基板９の凹部に位置する絶縁膜１０は、第１のダイヤフラム１２と第２のダイヤフラム１３として他の部分とは区別して示している。すなわち、本実施の形態１では、カバー基板１１を絶縁膜１０上に密閉接合することにより、第１のダイヤフラム１２を下面とする第１の加熱室４と、第２のダイヤフラム１３を下面とする第２の加熱室５が形成される（図２）。
【０００８】
また、本実施の形態１のガスレートセンサでは、第１の加熱室４が中央部に設けられ、その周りを取り囲むように、第２の加熱室５が設けられている（図１）。そして、本実施の形態１のガスレートセンサでは、カバー基板１１に形成された流路用凹部によって、第１の加熱室４と第２の加熱室５を接続するための４本の流路６ａ〜６ｄが形成される。４つの流路６ａ〜６ｄは、中央部に位置する第１の加熱室４から放射状に設けられており、その隣接する流路は互いに直交している。
【０００９】
また、第１の加熱室４の第１のダイヤフラム１２上には第１のヒーター１と第１のヒーター温度センサ７が設けられ、第２の加熱室５の第２のダイヤフラム１３上には第２のヒーター２と第２のヒーター温度センサ８が設けられる。さらに、各流路６ａ〜６ｄの両開口部にはそれぞれ１個ずつの温度センサ３ａ〜３ｈが以下のように配置されている。
【００１０】
流路６ａにおいて、第１の加熱室４に繋がる端部の一方の側面には、温度センサ３ｂが設けられ、第２の加熱室５に繋がる端部の一方の側面には、温度センサ３ａが設けられる。
流路６ｂにおいて、第１の加熱室４に繋がる端部の一方の側面には、温度センサ３ｃが設けられ、第２の加熱室５に繋がる端部の一方の側面には、温度センサ３ｄが設けられる。
流路６ｃにおいて、第１の加熱室４に繋がる端部の一方の側面には、温度センサ３ｆが設けられ、第２の加熱室５に繋がる端部の一方の側面には、温度センサ３ｅが設けられる。
流路６ｄにおいて、第１の加熱室４に繋がる端部の一方の側面には、温度センサ３ｇが設けられ、第２の加熱室５に繋がる端部の一方の側面には、温度センサ３ｈが設けられる。
【００１１】
また、第１の加熱室４、第２の加熱室５及び流路６ａ〜６ｄは、気体で満たされている。この気体は、空気であってもよいが、より望ましくはヘリウム等の熱伝導率の大きい気体で満たす方が、気体の熱時定数を小さくでき、応答性に優れたガスレートセンサが実現できる。また、熱時定数を低減するという観点から、第１の加熱室４及び第２の加熱室５と流路６ａ〜６ｄの容積はできるだけ小さくすることが好ましい。また、カバー基板１１は凹部の形成が可能で、シリコン基板などのベースとなる基板との接合が可能であればよく、例えば、ガラス基板やシリコン基板、樹脂基板を用いて構成することができる。
【００１２】
次に、上述のように構成された実施の形態１のガスレートセンサの駆動回路と駆動方法について説明する。
図３は本実施の形態１の駆動回路であり、その駆動回路において第１、第２のヒーター温度センサ７，８と固定抵抗１４、１５、１６、１７、１８、１９によりブリッジ回路３１が構成されている。そして、そのブリッジ回路３１における固定抵抗はスイッチ２４、２５により接続が切り替えられるようになっている。また、ブリッジ回路３１の中点２７の電位が第１のオペアンプ２０の非反転入力端子に入力され、ブリッジ回路３１の中点２８の電位が第２のオペアンプ２１の非反転入力端子に入力される。また、ブリッジ回路３１の中点２９の電位が第２のオペアンプ２１の反転入力端子に、ブリッジ回路３１の中点３０の電位が第１のオペアンプ２０の反転入力端子に入力される。第１のオペアンプ２０の出力端子は第１のヒーター１の一端に接続され、第２のオペアンプ２１の出力端子は第２のヒーター２の一端に接続される。第１のヒーター１と第２のヒーター２の他端はスイッチ２３を介して接地されている。スイッチ２３、２４、２５はクロック２６により制御され、固定抵抗１４がブリッジ回路３１に接続されている時は、固定抵抗１８、１９もブリッジ回路３１に接続され、さらに、第１のヒーター１が接地される。固定抵抗１７がブリッジ回路３１に接続されている時は、固定抵抗１５、１６もブリッジ回路３１に接続され、さらに、第２のヒーター２が接地される。よって図３に示す回路は、クロック２６によって、図４（ａ）と図４（ｂ）の状態を交互に繰り返す。
【００１３】
図５は本実施の形態１の検出回路である。温度センサ３ａ〜３ｄによりブリッジ回路３２が構成され、温度センサ３ｅ〜３ｆによりブリッジ回路３３が構成される。ブリッジ回路３２、３３には固定電源３４が接続されている。ブリッジ回路３２の中点電位差を差動増幅器３５で検出し出力端子３６に出力している。また、ブリッジ回路３３の中点電位差を差動増幅器３７で検出し出力端子３８に出力している。
【００１４】
次に動作について説明する。図３の駆動回路が図４（ａ）の状態にあるとき、この回路は(1)式のような関係式が成り立つように第1のヒーター１の温度を制御する。
【００１５】
【数１】
2006234765.tif 000003
【００１６】
ここで、Ｒ7、Ｒ8、Ｒ14、Ｒ18、Ｒ19はそれぞれヒーター温度センサ７、８、固定抵抗１４、１８、１８の抵抗値である。Ｒ7、Ｒ8は温度センサであるから、基準温度での抵抗値をそれぞれ、Ｒ07、Ｒ08、抵抗温度係数をα7、α8、温度をそれぞれＴ7、Ｔ8とすると(2)、(3)式のように表される。
【００１７】
【数２】
2006234765.tif 000004
【００１８】
【数３】
2006234765.tif 000005
【００１９】
(2)、(3)式を(1)式に代入して整理すると、
【００２０】
【数４】
2006234765.tif 000006
【００２１】
次の(5)式が成り立つように抵抗値を選定すると、(4)式は(6)式のように変形できる。
【００２２】
【数５】
2006234765.tif 000007
【００２３】
【数６】
2006234765.tif 000008
【００２４】
ヒーター温度センサ７と８は同じ材質で同じプロセスで作製されるので、
【００２５】
【数７】
2006234765.tif 000009
【００２６】
とすると、(6)式は以下のように変形できる。
【００２７】
【数８】
2006234765.tif 000010
【００２８】
よって、第1のヒーター温度センサ７の温度が第２のヒーター温度センサ８の温度より一定温度だけ高い状態に保たれることが判る。
図３の駆動回路が図４（ｂ）の状態にあるときも同様に考えると、(9)式が導かれ、第２のヒーター温度センサ８の温度が第１のヒーター温度センサ７の温度より一定温度だけ高い状態に保たれることが判る。
【００２９】
【数９】
2006234765.tif 000011
【００３０】
ただし、
【００３１】
【数１０】
2006234765.tif 000012
【００３２】
以上のように第１の加熱室４と第２の加熱室５に温度差が生じた場合、加熱室内の気体に密度差が発生し、温度の高い方から低い方へ流路６ａ〜６ｄを通過する流れが生じる。第１の加熱室４の温度と第２の加熱室５の温度はクロック２６により周期的に変化するので、流路６ａ〜６ｄ内の流れは図６に示す流れ２５ａ〜２５ｄのような往復直線運動となる。
【００３３】
図７に示すように、Ｘ方向の角速度ωxが印加される（Ｘ方向を回転軸とするような角速度）と、流れ２５ａと２５ｂにコリオリ力が働き、それぞれ図７中の２６ａ、２６ｂのような偏向流となる。ここで、流れを示す矢印の矢の部分が大きい矢印は−Ｚ方向の偏向流を、矢印の部分が小さい矢印は＋Ｚ方向の偏向流を示し、以降の図においても同じである。つまり、第１の加熱室４の温度が第２の加熱室５の温度より高い時は、流れ２６ａは＋Ｚ向きの偏向流となり、流れ２６ｂは−Ｚ向きの偏向流となる。このとき、温度センサ３ａの温度は上がり、温度センサ３ｄの温度は下がる。逆に、第１の加熱室４の温度が第２の加熱室５の温度より低い時は、流れ２６ａは−Ｚ向きの偏向流となり、流れ２６ｂは＋Ｚ向きの偏向流となる。このとき、温度センサ３ｃの温度は上がり、温度センサ３ｂの温度は下がる。流れ２６ｃ、２６ｄはＸ方向の角速度が印加されてもコリオリ力は働かないので直線運動のままである。この場合、図５に示す検出回路において、ブリッジ回路３２の中間電位が変化し、出力３６には図１３に示すような、０Ｖを基準に正負の方向に振幅を持つ信号が現れる。ブリッジ回路３３の中間電位には変化が無いので、出力３８も０Ｖのまま変化は無い。以上のように、出力３６にのみ変化が現れた場合にはＸ方向の角速度が印加されたと判断でき、出力３６の振幅から印加された角速度の大きさを知ることができる。
【００３４】
図８に示すように、Ｙ方向の角速度ωy（Ｙ方向を回転軸とするような角速度）が印加されると、流れ２５ｃと２５ｄにコリオリ力が働き、それぞれ図８中の２６ｃ、２６ｄのような偏向流となる。第１の加熱室４の温度が第２の加熱室５の温度より高い時は、流れ２６ｃは−Ｚ向きの偏向流となり、流れ２６ｄは＋Ｚ向きの偏向流となる。このとき、温度センサ３ｇの温度は上がり、温度センサ３ｅの温度は下がる。逆に、第１の加熱室４の温度が第２の加熱室５の温度より低い時は、流れ２６ｃは＋Ｚ向きの偏向流となり、流れ２６ｄ−Ｚ上向きの偏向流となる。このとき、温度センサ３ｆの温度は上がり、温度センサ３ｈの温度は下がる。流れ２６ａ、２６ｂはＹ方向の角速度が印加されてもコリオリ力は働かないので直線運動のままである。この場合、図５に示す検出回路において、ブリッジ回路３３の中間電位が変化し、出力３８には図１４に示すような、０Ｖを基準に正負の方向に振幅を持つ信号が現れる。ブリッジ回路３２の中間電位には変化が無いので、出力３６も０Ｖのまま変化は無い。以上のように、出力３８にのみ変化が現れた場合にはＹ方向の角速度が印加されたと判断でき、出力３８の振幅から印加された角速度の大きさを知ることができる。
【００３５】
図９に示すように、Ｚ方向の角速度ωz（Ｚ方向を回転軸とするような角速度）が印加されると、流れ２５ａ〜２５ｄにコリオリ力が働き、それぞれ図９中の２６ａ〜２６ｄのような偏向流となる。第１の加熱室４の温度が第２の加熱室５の温度より高い時は、流れ２６ａは−Ｘ方向の、流れ２６ｂは＋Ｘ方向の偏向流となり、流れ２６ｃは＋Ｙ向きの偏向流となり、流れ２６ｄは−Ｙ向きの偏向流となる。このとき、温度センサ３ｄと３ｅの温度は上がり、温度センサ３ａと３ｈの温度は下がる。逆に、第１の加熱室４の温度が第２の加熱室５の温度より低い時は、流れ２６ａはＸ方向の、流れ２６ｂは−Ｘ方向の偏向流となり、流れ２６ｃは−Ｙ向きの偏向流となり、流れ２６ｄは＋Ｙ向きの偏向流となる。このとき、温度センサ３ｃと３ｆの温度は上がり、温度センサ３ｂと３ｇの温度は下がる。この場合、図５に示す検出回路において、ブリッジ回路３２と３３の両方の中間電位が変化し、出力３６、３８には図１５に示すような、０Ｖを基準に出力３６は正の方向に、出力３８は負の方向に振幅を持つ信号が現れる。以上のように、出力３６、３８の両方に変化が現れた場合にはＺ方向の角速度が印加されたと判断でき、出力３６、或いは、３８の振幅から印加された角速度の大きさを知ることができる。
【００３６】
図１０に示すように、Ｘ方向の加速度Ｇxが印加された場合は、流れ２５ａと２５ｂにこの加速度による力が働き、それぞれ図１０中の２６ａ、２６ｂのような偏向流となる。第１の加熱室４の温度が第２の加熱室５の温度より高い時は、流れ２６ａ、２６ｂともに＋Ｘ向きの偏向流となり、このとき、温度センサ３ａ、３ｄの両方の温度が上がる。第１の加熱室４の温度が第２の加熱室５の温度より低い時も、流れ２６ａ、２６ｂともに＋Ｘ向きの偏向流となり、温度センサ３ｂ、３ｃの両方の温度が下がる。流れ２６ｃ、２６ｄは加速度と同方向なので直線運動のままである。この場合、図５に示す検出回路において、ブリッジ回路３２、３３の中間電位は変化せず、出力３６、３８は０Ｖのままである。
【００３７】
図１１に示すように、Ｙ方向の加速度Ｇyが印加された場合は、流れ２５ｃと２５ｄにこの加速度による力が働き、それぞれ図１１中の２６ｃ、２６ｄのような偏向流となる。第１の加熱室４の温度が第２の加熱室５の温度より高い時は、流れ２６ｃ、２６ｄともに＋Ｙ向きの偏向流となり、このとき、温度センサ３ｅ、３ｈの両方の温度が上がる。第１の加熱室４の温度が第２の加熱室５の温度より低い時も、流れ２６ｃ、２６ｄともに＋Ｙ向きの偏向流となり、温度センサ３ｆ、３ｇの両方の温度が下がる。流れ２６ａ、２６ｂは加速度と同方向なので直線運動のままである。この場合、図５に示す検出回路において、ブリッジ回路３２、３３の中間電位は変化せず、出力３６、３８は０Ｖのままである。
【００３８】
図１２に示すように、Ｚ方向の加速度Ｇzが印加された場合は、流れ２５ａ〜２５ｄにこの加速度による力が働き、それぞれ図１２中の２６ａ〜２６ｄのような偏向流となる。第１の加熱室４の温度が第２の加熱室５の温度より高い時は、流れ２６ａ〜２６ｄ全てが＋Ｚ向きの偏向流となり、このとき、温度センサ３ａ、３ｄ、３ｅ、３ｈの全ての温度が上がる。第１の加熱室４の温度が第２の加熱室５の温度より低い時も、流れ２６ａ〜２６ｄの全てが＋Ｚ向きの偏向流となり、温度センサ３ｂ、３ｃ、３ｆ、３ｇの全ての温度が下がる。この場合、図５に示す検出回路において、ブリッジ回路３２、３３の中間電位は変化せず、出力３６、３８は０Ｖのままである。
【００３９】
表１に３軸の角速度と加速度が印加された場合のそれぞれ温度センサの温度変化と出力電圧の変化をまとめた。
【００４０】
【表１】
2006234765.tif 000013
ここで、表２において、上向きの矢印（↑）は、温度又は電圧が上昇することを示し、下向きの矢印（↓）は、温度が下降することを示す。また、ゼロ（０）は温度が変化しないこと、又は電圧がゼロであることを示す。
以上のように本発明によれば、簡単な構造と制御方法で、加速度には影響されずに、３軸の角速度を検出できる。
【００４１】
実施の形態２．
本発明に係る実施の形態２のガスレートセンサは、図１６に示すように、ヒーターを第１の加熱室のみに設けたことを特徴とする。すなわち、実施の形態２のガスレートセンサは、実施の形態１のガスレートセンサにおいて、第２の加熱室の第２のヒーターを除いた以外は、実施の形態１と同様に構成される。
【００４２】
このように構成された実施の形態２のガスレートセンサにおける駆動回路は、図１７に示すようになる。
具体的には、図１７の駆動回路において、ヒーター温度センサ７と温度センサ８と３つの固定抵抗によりブリッジ回路３１を構成している。また、ブリッジ回路３１の中間電位２７はオペアンプ２０の非反転入力端子に接続され、反転入力端子はスイッチ４０に接続されている。そして、スイッチ４０はクロック２６により、ブリッジ回路３１の中間電位３０と３９に交互に接続される。
【００４３】
本実施の形態２において、スイッチ４０が中間電位３０に接続されている場合、ブリッジ回路３１において(1)式が成り立つ。(2)式から(8)式まで同様に式変形していくと、ヒーター温度センサ７の温度が温度センサ８の温度より一定温度だけ高い状態に保たれることが判る。
また、スイッチ４０が中間電位３９に接続されている場合、ブリッジ回路３１において次式が成り立つ。
【００４４】
【数１１】
2006234765.tif 000014
【００４５】
(2)、(3)式を上記(11)式に代入して整理すると、
【００４６】
【数１２】
2006234765.tif 000015
【００４７】
となり、(5)式を考慮すると、
【００４８】
【数１３】
2006234765.tif 000016
【００４９】
となる。また、(7)式を考慮すると
【００５０】
【数１４】
2006234765.tif 000017
【００５１】
となり、ヒーター温度センサ７の温度を温度センサ８の温度より低く保とうとして制御がかかるため、ヒーター１には電流が流れず発熱しなくなるので、ヒーター温度センサ７の温度と温度センサ８の温度は等しくなる。
【００５２】
よって、第１の加熱室４と第２の加熱室５の温度差は、クロック２６により、(8)式で示される正の値と０℃を交互に繰り返す。その結果、第１の加熱室４から第２の加熱室５へ向かう方向のみの流れ２５ａ〜２５ｄが発生する。この流れ２５ａ〜２５ｄに角速度が印加されコリオリ力が働くと、図７〜図９と同様に流れが偏向し、温度センサ３ａ〜３ｈの温度が変化する。また、加速度が印加された場合も図１０〜図１２と同様に流れが偏向し、温度センサ３ａ〜３ｈの温度が変化する。
【００５３】
表２に３軸の角速度、３軸の加速度が印加された場合の温度センサ３ａ〜３ｈの変化の方向を示している。ここで、表２において、上向きの矢印（↑）は、温度が上昇することを示し、下向きの矢印（↓）は、温度が下降することを示す。また、ゼロ（０）は温度が変化しないことを示す。
【００５４】
【表２】
2006234765.tif 000018
【００５５】
Ｘ方向の角速度ωxが印加された場合は図１８に示すような出力Ｖ36のみが発生し、Ｙ方向の角速度ωyが印加された場合は図１９に示すような出力Ｖ38のみが発生し、Ｚ方向の角速度ωzが印加された場合は図２０に示すように、出力Ｖ36とＶ38の両方に出力が発生するので、本実施の形態においても３軸の角速度を測定できる。また、加速度が印加された場合は実施の形態１と同様に出力が発生しないので加速度と角速度の分離が可能である。
【００５６】
尚、以上の実施の形態２では、第１の加熱室４のみにヒーターを設けるようにしたが、本発明はこれに限られるものではなく、第２の加熱室５のみにヒーターを設けるようにしてもよい。このように、第１の加熱室４と第２の加熱室５のうちの一方にヒーターを設けるようにし、そのヒーターを一定時間間隔で加熱することにより、流路６ａ〜６ｄ内を往復運動する気体流を発生させることができる。
【００５７】
以上のように構成された実施の形態２のガスレートセンサによれば、簡単な構造と制御方法で、加速度には影響されずに、３軸の角速度を検出できる。また、ヒーターを１つにでき、駆動回路が簡単になる。
【００５８】
実施の形態３．
本発明に係る実施の形態３のガスレートセンサは、第１の加熱室４と第２の加熱室５とを図２１に示すように横に並べ、その間を１つの流路６で接続している。図２２は図２１のＡ−Ａ断面図である。さらに、この実施の形態３のガスレートセンサでは、流路６において、第１の加熱室４に繋がる端部の両側面には、温度センサ３ａ，３ｃが設けられ、第２の加熱室５に繋がる端部の両側面には、温度センサ３ｂ，３ｄが設けられる。
【００５９】
以上のように構成された実施の形態３のガスレートセンサにおいて、図３に示す回路でヒーター１、２を交互に加熱することにより往復流れ２５が発生する。そして、実施の形態３のガスレートセンサでは、図２３に示す検出回路により検出される。この図２３の検出回路では、温度センサ３ａ〜３ｄによりブリッジ回路３２を構成し、中間電位の差を差動増幅器３５で計測している。
【００６０】
実施の形態３のガスレートセンサにおいて、Ｘ方向の角速度ωxが印加された場合、コリオリの力が発生しないので流れの偏向は生じず、温度センサの温度も変化しない。よって出力電圧も発生しない。
これに対して、Ｙ方向の角速度ωyが印加されると、図２４に示すように、第２の加熱室５から第１の加熱室４に向かう流れは＋Ｚ方向に偏向され、第１の加熱室４から第２の加熱室５に向かう流れは−Ｚ方向に偏向される。よって、温度センサ３ａと３ｃの温度は上昇し、温度センサ３ｂと３ｄの温度を低下する。この場合、図２３の検出回路の出力端子３６の電圧は変化せず、出力は観測されない。
【００６１】
実施の形態３のガスレートセンサにおいて、Ｚ方向の角速度ωzが印加された場合は、図２５に示すように、第２の加熱室５から第１の加熱室４に向かう流れは＋Ｙ方向に偏向され、第１の加熱室４から第２の加熱室５に向かう流れは−Ｙ方向に偏向される。よって、温度センサ３ｂと３ｃの温度は上昇し、温度センサ３ａと３ｄの温度を低下する。この場合、図２３の検出回路の出力端３６には図１３に示すような電圧が発生し、その振幅により角速度の大きさを検出できる。
【００６２】
以上のように本実施の形態３によれば、簡単な構造と制御方法で１軸の角速度を検出できる。また、検出用温度センサが４つになり、検出回路も簡単にできる。
【００６３】
実施の形態４．
また、本発明に係る実施の形態４のガスレートセンサは、実施の形態３のガスレートセンサにおいて、図２３の検出回路に代えて、図２６に示す検出回路を用いたものである。図２６の検出回路は、２つのブリッジ回路３２、３３で構成される。
【００６４】
本実施の形態４において、Ｘ方向の角速度ωxが印加された場合、コリオリの力が発生しないので流れの偏向は生じず、温度センサの温度も変化しない。よって出力電圧も発生しない。
また、Ｙ方向の角速度ωyが印加されると、図２４に示すように、第２の加熱室５から第１の加熱室４に向かう流れは＋Ｚ方向に偏向され、第１の加熱室４から第２の加熱室５に向かう流れは−Ｚ方向に偏向される。よって、温度センサ３ａと３ｃの温度は上昇し、温度センサ３ｂと３ｄの温度を低下する。この場合、図２６の検出回路の出力端子３６、３８には図２７に示すように、同相の出力波形が発生し、その振幅から角速度の大きさを検出できる。
【００６５】
本実施の形態４において、Ｚ方向の角速度ωzが印加された場合は、図２５に示すように、第２の加熱室５から第１の加熱室４に向かう流れは＋Ｙ方向に偏向され、第１の加熱室４から第２の加熱室５に向かう流れは−Ｙ方向に偏向される。よって、温度センサ３ｂと３ｃの温度は上昇し、温度センサ３ａと３ｄの温度を低下する。この場合、図２６の検出回路の出力端３６、３８には図２８に示すように、逆相の出力波形が発生し、その振幅により角速度の大きさを検出できる。
【００６６】
以上のように本実施の形態４によれば、簡単な構造と制御方法で、２軸の角速度を検出できる。
【００６７】
実施の形態５．
本発明に係る実施の形態５のガスレートセンサは、図２９に示すように、実施の形態３のガスレートセンサにおいて、１つの流路６の代わりに２つの副流路６ａ，６ｂで第１の加熱室４と第２の加熱室５とを接続し、かつ２つの副流路６ａ，６ｂをそれぞれの中間点で接続流路６ｃにより接続するようにしたものである。そして、接続流路６ｃの中央に温度センサ３ａを１つ設けている。
【００６８】
実施の形態５では、温度センサ３ａの温度を図３０に示すような検出回路で検出する。そして、第１のヒーター１と第２のヒーター２を図３の駆動回路を用いて交互に加熱すると、副流路６ａと６ｂに往復流れ２５ａ、２５ｂが発生する。角速度が印加されていない時は、往復流れ２５ａ、２５ｂは同一で平行な流れとなるので接続流路６ｃには流れは生じない。
【００６９】
実施の形態５のガスレートセンサにおいて、図３１に示すように、Ｚ方向の角速度ωzが印加されると、流れ２５ａ、２５ｂが偏向して２６ａ、２６ｂとなるので、接続流路６ｃにも往復流れ２６ｃが発生する。このとき温度センサ３ａの温度が変化し、出力端子４７には図３２に示すような出力が発生する。この振幅により角速度の大きさを検出できる。
【００７０】
以上のように本発明によれば、簡単な構造と制御方法で、１軸の角速度を検出できる。また、検出用温度センサが１つになり、検出回路も簡単にできる。
【００７１】
実施の形態６．
本発明に係る実施の形態６のガスレートセンサは、２つの第１の加熱室４ａ、４ｂと、２つの第２の加熱室５ａ、５ｂを形成し、図３３に示すように、それぞれにヒーター１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂとヒーター温度センサ７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂを設けている。
具体的には、２つの第１の加熱室４ａ、４ｂは矩形格子における対角位置に配置され、２つの第２の加熱室５ａ、５ｂは、その矩形格子のもう１つの対角位置に配置されている。そして、隣接する第１と第２の加熱室間を互いに流路６ａ〜６ｄによって接続し、それぞれの流路６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの出入り口には温度センサ３ａ〜３ｈが配置されている。
【００７２】
以上のように構成された第１の加熱室４ａ，４ｂと第２の加熱室５ａ，５ｂを、交互に加熱することにより、実施の形態１のガスレートセンサと同様に動作させ、角速度を検出することができる。例えば、実施の形態６において、ヒーター１ａと２ａ、及び、ヒーター温度センサ７ａと８ａにより図３４に示す駆動回路を形成し、ヒーター１ｂと２ｂ、及び、ヒーター温度センサ７ｂと８ｂにより図３５に示す駆動回路を形成すると、該駆動回路により、ヒーター１ａと２ａ、及び、ヒーター１ｂと２ｂが交互に加熱される。このようにすると、流路６ａ〜６ｄに往復流れ２５ａ〜２５ｄが発生する。この状態で角速度や加速度が印加されると、図３７〜図４２に示すような偏向流２６ａ〜２６ｄが発生する。
ここで、図３７は図７に、図３８は図８に、図３９は図９に、図４０は図１０に、図４１は図１１に、図４２は図１２にそれぞれ対応する。
【００７３】
以上のように、本発明に係る実施の形態６のガスレートセンサは、実施の形態１と同様の偏向流が生じ、加速度に影響されることなく、３軸の角速度を測定することができる。
以上の本発明に係る実施の形態６のガスレートセンサによれば、簡単な構造と制御方法で、加速度には影響されずに、３軸の角速度を検出できる。
【００７４】
実施の形態７．
本発明に係る実施の形態７のガスレートセンサは、実施の形態６のガスレートセンサにおいて、図３６に示すような駆動回路により駆動したものである。この駆動回路によれば、ヒーター１ａ、１ｂの平均温度、及び、ヒーター２ａ、２ｂの平均温度が制御される。
したがって、実施の形態６と同様に動作させ、角速度を検出することができるとともに、第１の加熱室４ａ，４ｂと第２加熱室５ａ，５ｂ間の温度差の最大値と最小値を同期させて一定に保つことができ、角速度の検出精度を向上させることができる。
【００７５】
以上のように本発明によれば、簡単な構造と制御方法で、加速度には影響されずに、３軸の角速度を検出できる。
【００７６】
実施の形態８．
また、実施の形態８のガスレートセンサは、実施の形態１のガスレートセンサにおいてさらに放熱フィン４９を形成したものである。すなわち、第１の加熱室４と第２の加熱室５が交互に熱せられることにより、その平均温度が徐々に上昇するおそれがあるが、本実施の形態８のガスレートセンサによれば、平均温度の上昇を効果的に防止できる。
密閉空間内の平均温度が上昇した場合であっても、第１の加熱室４と第２の加熱室５を一定温度差に保つようヒーターを駆動すれば、測定には支障はないが、密閉空間内の平均温度が上昇した状態で一定温度差に保つようヒーターを駆動するためには必要とされる電力が増加する。したがって、本実施の形態８によれば、密閉空間内の平均温度の上昇を防止でき、消費電力の上昇が防止できる。
【００７７】
以上、本発明に係る種々の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、１つの流路を互いに平行な２つの副流路により形成しその副流路間を接続流路でつなぐという構成は、他の実施の形態に適用することができ、そのようにすることにより、他の実施の形態においても温度センサの数を減らすことができる。
【００７８】
以上のように本発明に係るガスレートセンサは、気体の一部をヒーターを用いて加熱し、これにより生ずる温度差により気体の流れを発生させるようにしたものである。
このように構成された本発明によれば、気体をヒーターで加熱することにより気体の流れを発生させるので、従来のような機械式気体ポンプが必要なくなり、構造、製造方法、制御方法が簡単になる、といった従来にない顕著な効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明に係る実施の形態１のガスレートセンサの上面図である。
【図２】実施の形態１のガスレートセンサの断面図である。
【図３】実施の形態１のガスレートセンサの駆動回路図である。
【図４】実施の形態１のガスレートセンサの駆動回路図である。
【図５】実施の形態１のガスレートセンサの検出回路図である。
【図６】実施の形態１の駆動状態を示す図である。
【図７】実施の形態１の駆動状態を示す図である。
【図８】実施の形態１の駆動状態を示す図である。
【図９】実施の形態１の駆動状態を示す図である。
【図１０】実施の形態１の駆動状態を示す図である。
【図１１】実施の形態１の駆動状態を示す図である。
【図１２】実施の形態１の駆動状態を示す図である。
【図１３】実施の形態１における出力波形を示す図である。
【図１４】実施の形態１における出力波形を示す図である。
【図１５】実施の形態１における出力波形を示す図である。
【図１６】本発明に係る実施の形態２のガスレートセンサの上面図である。
【図１７】実施の形態２のガスレートセンサの駆動回路図である。
【図１８】実施の形態２における出力波形を示す図である。
【図１９】実施の形態２における出力波形を示す図である。
【図２０】実施の形態２における出力波形を示す図である。
【図２１】本発明に係る実施の形態３のガスレートセンサの上面図である。
【図２２】実施の形態３のガスレートセンサの断面図である。
【図２３】実施の形態３のガスレートセンサの検出回路図である。
【図２４】実施の形態３における駆動状態を示す図である。
【図２５】実施の形態３における駆動状態を示す図である。
【図２６】本発明に係る実施の形態４のガスレートセンサの検出回路図である。
【図２７】実施の形態４における出力波形を示す図である。
【図２８】実施の形態４における出力波形を示す図である。
【図２９】本発明に係る実施の形態５のガスレートセンサの上面図である。
【図３０】実施の形態５によるガスレートセンサの検出回路図である。
【図３１】実施の形態５における駆動状態を示す図である。
【図３２】実施の形態５における出力波形を示す図である。
【図３３】本発明に係る実施の形態６のガスレートセンサの上面図である。
【図３４】実施の形態６のガスレートセンサの駆動回路図である。
【図３５】実施の形態６のガスレートセンサの駆動回路図である。
【図３６】本発明に係る実施の形態７のガスレートセンサの駆動回路図である。
【図３７】実施の形態６における駆動状態を示す図である。
【図３８】実施の形態６における駆動状態を示す図である。
【図３９】実施の形態６における駆動状態を示す図である。
【図４０】実施の形態６における駆動状態を示す図である。
【図４１】実施の形態６における駆動状態を示す図である。
【図４２】実施の形態６における駆動状態を示す図である。
【図４３】本発明に係る実施の形態８のガスレートセンサの断面図である。
【符号の説明】
【００８０】
１  第１のヒーター、２  第２のヒーター、３  温度センサ、４  第１の加熱室、５  第２の加熱室、６  流路、７  第１のヒーター温度センサ、８  第２のヒーター温度センサ、９  シリコン基板、１０  絶縁膜、１１  カバー基板、１２  第１のダイヤフラム、１３  第２のダイヤフラム、１４〜１９  固定抵抗、２０  第１のオペアンプ、２１  第２のオペアンプ、２３〜２５  スイッチ、２６  クロック、２７〜３０  中間電位、３１〜３３  ブリッジ回路、３４  固定電源、３５，３７  差動増幅器、３６，３８，４７  出力端子、３９  中間電位、４０  スイッチ、４１〜４５  固定抵抗、４６  第３のオペアンプ、４８  定電流源、４９  放熱フィン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2006234765.tif 000032
【図１５】
2006234765.tif 000033
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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