(57)【要約】      （修正有）【課題】サスペンション・プレートと少なくとも１枚の固定された容量性プレートとを有する平面型サスペンション構造を用いた加速度計ないし地震計を提供する。【解決手段】サスペンション・プレート２はワンピース部品として形成されており、外側枠体と、一対の可撓性エレメント集合体と、それら可撓性エレメント集合体の間に設けられた一体型のプルーフマス８とを備えている。可撓性エレメント６はプルーフマス８をサスペンションの平面内の感度軸方向に可動にすると共に、全ての軸外方向への移動を規制している。プルーフマス８の軸外方向の移動は可撓性エレメント６の間に配設された複数の中間枠体を用いる。【選択図】図１
2011185943.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地震計において、
少なくとも１枚の固定された容量性プレートを備え、
前記固定された容量性プレートの表面に設けられた第１容量性センサ・アレイを備え、該第１容量性センサ・アレイは周期的パターンを成す複数の導電性エレメントを有しており、
サスペンション・プレートを備え、該サスペンション・プレートは複数の可撓性エレメントにより支持されたプルーフマスを有しており、前記複数の可撓性エレメントは前記プルーフマスの運動を単一の軸方向の運動だけに規制するものであり、前記複数の可撓性エレメントの間に少なくとも１つの中間枠体が介設されており、該中間枠体はスプリアス振動周波数を排除することによって前記地震計の有効動作帯域幅を広げるものであり、
前記プルーフマスの表面に設けられた第２容量性センサ・アレイを備え、該第２容量性センサ・アレイは周期的パターンを成す複数の導電性エレメントを有しており、該複数の導電性エレメントは、前記第１容量性センサ・アレイの前記複数の導電性エレメントと平行な共通の方向の周期性を持ち、間隔をあけて対向して整列されており、
前記固定されたプレートに設けられた前記第１容量性センサ・アレイに接続するための電気的接続手段を備え、該電気的接続手段によって、外部構成要素から、周期的パターンを成す前記第１容量性センサ・アレイを介して周期的パターンを成す前記第２容量性センサ・アレイへ、周期的励振信号を結合できるようにしてあり、これにより結合される信号は０％から１００％までの範囲内で変動し、且つ、前記固定されたプレートに対する前記プルーフマスの周期的相対位置の指標となり、
前記プルーフマスに設けられた前記第２容量性センサ・アレイに接続するための電気的接続手段を備え、該電気的接続手段は、前記第１容量性センサ・アレイから前記第２容量性センサ・アレイへの結合によって発生した信号を外部電子回路へ伝達するものであり、該外部電子回路が、前記第１容量性センサ・アレイと前記第２容量性センサ・アレイとのの結合のパーセンテージを判定して、前記固定されたプレートに対する前記プルーフマスの相対位置を表す信号に変換するようにしてある、
ことを特徴とする地震計。
【請求項２】
前記サスペンション・プレートが更にスプリング／ガスダンピング構造を備えており、該スプリング／ガスダンピング構造が、
最外側の中間枠体に設けられた台形のピストンを備え、
前記サスペンション・プレートの内側面に設けられた、前記ピストンに対応した嵌合開口を備え、前記最外側の中間枠体が前記サスペンション・プレートの内側面に近付くと、前記ピストンが前記嵌合開口に嵌合してその中へ進入し、これによって、前記最外側の中間枠体が前記サスペンション・プレートの前記内側面に当接する前にダンピング作用が得られるようにしてある、
ことを特徴とする請求項１記載の地震計。
【請求項３】
前記ピストンが、
第１半体部分を備え、
第２半体部分を備え、該第２半体部分は、小さな抵抗用スプリングを介して前記第１半体部分に結合されており、前記ピストンが前記スプリング／ガスダンピング構造の前記開口に更に進入する際に、前記ピストンの前記第２半体部分が前記第１半体部分の方へ押し付けられることにより、前記抵抗用スプリングが前記第２半体部分に対して力を作用させるようにしてある、
ことを特徴とする請求項２記載の地震計。
【請求項４】
前記ピストンが、
第１半体部分を備え、
第２半体部分を備え、
前記第１半体部分と前記第２半体部分との間に介装されたダンピング材を備え、前記ピストンが前記スプリング／ガスダンピング構造の前記開口に更に進入する際に、前記ピストンの前記第２半体部分が前記第１半体部分の方へ押し付けられることにより、前記ダンピング材が前記第２半体部分に対して抵抗力及び散逸力を作用させるようにしてある、
ことを特徴とする請求項２記載の地震計。
【請求項５】
マイクロ機械加工により中央にプルーフマスが形成され該プルーフマスの両側に複数の可撓性エレメントが形成されたサスペンション・プレートにおいて、前記複数の可撓性エレメントは、前記プルーフマスを該サスペンションの延在平面内の一方向に可動にし、その他全ての方向の運動を規制しており、該サスペンション・プレートは更に、マイクロ機械加工により形成され前記複数の可撓性エレメントの間に介設された少なくとも１つの中間フレームを備えており、該中間フレームによって、スプリアス振動の一次振動モードの周波数がその振動系の共振周波数の少なくとも１０倍であるような振動系が構成されるようにしたことを特徴とするサスペンション・プレート。
【請求項６】
更にスプリング／ガスダンピング構造を備えており、該スプリング／ガスダンピング構造が、
最外側の中間枠体に設けられた台形のピストンを備え、
前記サスペンション・プレートの内側面に設けられた、前記ピストンに対応した嵌合開口を備え、前記最外側の中間枠体が前記サスペンション・プレートの内側面に近付くと、前記ピストンが前記嵌合開口に嵌合してその中へ進入し、これによって、前記最外側の中間枠体が前記サスペンション・プレートの前記内側面に当接する前にダンピング作用が得られるようにしてある、
ことを特徴とする請求項５記載のサスペンション・プレート。
【請求項７】
前記スプリング／ガスダンピング構造の前記ピストンが、
第１半体部分を備え、
第２半体部分を備え、該第２半体部分は、小さな抵抗用スプリングを介して前記第１半体部分に結合されており、前記ピストンが前記スプリング／ガスダンピング構造の前記開口に更に進入する際に、前記ピストンの前記第２半体部分が前記第１半体部分の方へ押し付けられることにより、前記抵抗用スプリングが前記第２半体部分に対して力を作用させるようにしてある、
ことを特徴とする請求項６記載のサスペンション・プレート。
【請求項８】
前記ピストンが、
第１半体部分を備え、
第２半体部分を備え、
前記第１半体部分と前記第２半体部分との間に介装されたダンピング材を備え、前記ピストンが前記スプリング／ガスダンピング構造の前記開口に更に進入する際に、前記ピストンの前記第２半体部分が前記第１半体部分の方へ押し付けられることにより、前記ダンピング材が前記第２半体部分に対して抵抗力及び散逸力を作用させるようにしてある、
ことを特徴とする請求項６記載のサスペンション・プレート。
【請求項９】
加速度計において、
サスペンション・プレートを備え、該サスペンション・プレートは、マイクロ機械加工により中央にプルーフマスが形成され該プルーフマスの両側に複数の可撓性エレメントが形成されており、前記複数の可撓性エレメントは、前記プルーフマスを該サスペンションの延在平面内の一方向に可動にし、その他全ての方向の運動を規制しており、該サスペンション・プレートは更に、マイクロ機械加工により形成され前記複数の可撓性エレメントの間に介設された少なくとも１つの中間フレームを備えており、
トランスデューサを備え、該トランスデューサは、固定されたプレートの表面に設けられた第１容量性センサ・アレイと前記プルーフマスの表面に設けられた第２容量性センサ・アレイとの間の結合容量を検出することにより、前記固定されたプレートに対する前記プルーフマスの相対位置を検出するものであり、
前記プルーフマスを運動させるためのアクチュエーション信号を発生して送出するアクチュエータを備え、
フィードバック電子回路を備え、該フィードバック電子回路は、前記トランスデューサにより検出された前記プルーフマスの相対位置に基づいて、前記アクチュエータを制御するためのフィードバック信号を発生し、それによって、前記アクチュエーション信号に操作を加え、もって前記プルーフマスの運動を目標パラメータ範囲内で制御するものであり、
前記アクチュエーション信号を測定し、その測定値の関数として前記プルーフマスの運動の加速度成分を検出する手段と、
を備えたことを特徴とする加速度計。
【請求項１０】
前記フィードバック信号が前記アクチュエータを制御することにより、前記トランスデューサの１周期の中で前記プルーフマスを略々中立位置に維持するようにしていることを特徴とする請求項９記載の加速度計。
【請求項１１】
更に速度センサを備え、該速度センサは、前記フィードバック電子回路の内部の電圧を測定し、その測定値の関数として前記プルーフマスの運動の速度成分を算出することによって、前記プルーフマスの運動の速度成分を検出するものであることを特徴とする請求項９記載の加速度計。
【請求項１２】
更に限度位置規制電子回路を備え、該限度位置規制電子回路は、前記アクチュエータが発生した前記アクチュエーション信号を受取り、該アクチュエーション信号が所定限度を超えていたならば、該アクチュエーション信号を一時的に零設定するものであり、前記所定限度は、前記プルーフマスが前記トランスデューサの繰り返し距離の２分の１を実質的に超過する距離を運動したときの信号に対応していることを特徴とする請求項９記載の加速度計。
【請求項１３】
前記アクチュエータが静電アクチュエータであることを特徴とする請求項９記載の加速度計。
【請求項１４】
前記静電アクチュエータが、複数のアクチュエータ・プレートから成るアクチュエータ・プレート・セットを含んでおり、前記複数のアクチュエータ・プレートのうちには前記固定されたプレートに設けられているものと前記プルーフマスに設けられているものとがあり、前記複数のアクチュエータ・プレートは、前記アクチュエーション信号を受取って前記プルーフマスを運動させるのに十分な力を発生するように配設されていることを特徴とする請求項１３記載の加速度計。
【請求項１５】
前記力が、前記アクチュエーション信号の線形関数として発生されることを特徴とする請求項１４記載の加速度計。
【請求項１６】
前記アクチュエータが電磁アクチュエータであることを特徴とする請求項９記載の加速度計。
【請求項１７】
前記電磁アクチュエータが、
固定外部磁気回路を備え、該固定外部磁気回路は前記プルーフマスの両側の各々に２組のマグネット・セットを有しており、
前記プルーフマスに設けられたメイン・フィードバック・コイル及び積分フィードバックコイルを備え、
前記トランスデューサにより検出された前記プルーフマスの位置を利用するようにした外部フィードバック回路を備え、該外部フィードバック回路は、前記メイン・フィードバック・コイルと前記積分フィードバック・コイルとに夫々に独立したフィードバック電流を供給し、それによってそれら２つのコイルと前記複数のマグネットとの間の電磁相互作用を励起し、それによって前記プルーフマスの運動及び位置を制御するものであり、前記メイン・フィードバック・コイル及び前記積分フィードバック・コイルは、前記トランスデューサへ入力する速度入力信号及び位置入力信号を零位調整するものであり、
限度位置規制電子回路を備え、該限度位置規制電子回路は、前記積分フィードバック・コイルに供給されたフィードバック電流が所定限度を超えた時に、該フィードバック電流を一時的に零設定するものであり、前記所定限度は、前記プルーフマスが前記トランスデューサの繰り返し距離の２分の１を実質的に超過するいずれかの方向の距離を運動したときの信号に対応している、
ことを特徴とする請求項１６記載の加速度計。
【請求項１８】
前記プルーフマスが、互いに接合された２枚のウェーハで構成されており、前記積分フィードバック・コイルが前記２枚のウェーハの間の中央に設けられており、それによって対称的なアクチュエーションが行われるようにしてあることを特徴とする請求項１７記載の加速度計。
【請求項１９】
前記外部フィードバック回路が、前記メイン・フィードバック・コイル及び前記積分フィードバック・コイルを相互コンダクタンスの形態で駆動するようにしてあることを特徴とする請求項１７記載の加速度計。
【請求項２０】
プルーフマスと該プルーフマスを支持する複数の可撓性エレメントとを有するサスペンション・プレートの製造方法において、
前記サスペンション・プレートをエッチング加工するためのマスク・セットを形成し、
前記マスク・セットに意図的にバイアスを導入して、「ガルペリン」方向に配置したときに、即ち、５４．７°の角度に配置したときに、バネ質量系が中立位置に位置するようにして、可撓性エレメントが「予荷重印加状態」において中立的形状を呈するようにする、
ことを特徴とする方法。
【請求項２１】
トランスデューサにおいて、
少なくとも１枚の固定された容量性プレートを備え、
前記固定されたプレートの表面に設けられた第１容量性センサ・アレイを備え、該第１容量性センサ・アレイは周期的パターンを成す複数の導電性エレメントを有しており、
サスペンション・プレートを備え、該サスペンション・プレートは複数の可撓性エレメントにより支持されたプルーフマスを有しており、前記複数の可撓性エレメントは前記プルーフマスの運動を単一の軸方向の運動だけに規制するものであり、前記複数の可撓性エレメントは複数の枠体に係合しており、
前記プルーフマスの表面に設けられた第２容量性センサ・アレイを備え、該第２容量性センサ・アレイは、前記第１容量性センサ・アレイの周期性と同一の周期性を持つ周期的パターンを成す複数の導電性エレメントを有しており、前記第１容量性センサ・アレイ及び前記第２容量性センサ・アレイは、前記プルーフマスの運動の方向と平行な方向を持つアレイであり、前記第１容量性センサ・アレイ及び前記第２容量性センサ・アレイは、それらの周期性の方向が共通していると共に間隔をあけて互いに対向しており、
前記固定されたプレートに設けられた前記第１容量性センサ・アレイに接続するための電気的接続手段を備え、該電気的接続手段によって、外部構成要素から、周期的パターンを成す前記第１容量性センサ・アレイを介して周期的パターンを成す前記第２容量性センサ・アレイへ、周期的励振信号を結合できるようにしてあり、これにより結合される信号は０％から１００％までの範囲内で変動し、且つ、前記固定されたプレートに対する前記プルーフマスの周期的相対位置の指標となる信号であり、
前記プルーフマスに設けられた前記第２容量性センサ・アレイに接続するための電気的接続手段を備え、該電気的接続手段は、前記第１容量性センサ・アレイから前記第２容量性センサ・アレイへの結合によって発生した信号を外部電子回路へ伝達するものであり、該外部電子回路が、前記第１容量性センサ・アレイと前記第２容量性センサ・アレイとの間の結合のパーセンテージを判定して、前記固定されたプレートに対する前記プルーフマスの相対位置を表す信号に変換するようにしてある、
ことを特徴とするトランスデューサ。
【請求項２２】
加速度計において、
サスペンション・プレートを備え、該サスペンション・プレートは、マイクロ機械加工により中央にプルーフマスが形成され該プルーフマスの両側に複数の可撓性エレメントが形成されており、前記複数の可撓性エレメントは、複数の枠体に係合されており、且つ、前記プルーフマスを該サスペンション・プレートの延在平面内の単一の軸方向に可動にしており、
トランスデューサを備え、該トランスデューサは、固定されたプレートの表面に設けられた第１容量性センサ・アレイと前記プルーフマスの表面に設けられた第２容量性センサ・アレイとの間の結合容量を検出することにより、前記固定されたプレートに対する前記プルーフマスの相対位置を検出するものであり、
前記プルーフマスを運動させるためのアクチュエーション信号を発生して送出するアクチュエータを備え、
フィードバック電子回路を備え、該フィードバック電子回路は、前記トランスデューサにより検出された前記プルーフマスの相対位置に基づいて、前記アクチュエータを制御するためのフィードバック信号を発生し、それによって、前記アクチュエーション信号に操作を加え、もって前記プルーフマスの運動を目標パラメータ範囲内で制御するものであり、
前記アクチュエーション信号を測定し、その測定値の関数として前記プルーフマスの運動の加速度成分を検出する手段と、
を備えたことを特徴とする加速度計。
【請求項２３】
前記フィードバック信号が前記アクチュエータを制御することにより、前記トランスデューサの１周期の中で前記プルーフマスを略々中立位置に維持するようにしていることを特徴とする請求項２２記載の加速度計。
【請求項２４】
更に速度センサを備え、該速度センサは、前記フィードバック電子回路の内部の電圧を測定し、その測定値の関数として前記プルーフマスの運動の速度成分を算出することによって、前記プルーフマスの運動の速度成分を検出するものであることを特徴とする請求項２２記載の加速度計。
【請求項２５】
更に限度位置規制電子回路を備え、該限度位置規制電子回路は、前記アクチュエータが発生した前記アクチュエーション信号を受取り、該アクチュエーション信号が所定限度を超えていたならば、該アクチュエーション信号を一時的に零設定するものであり、前記所定限度は、前記プルーフマスが前記トランスデューサの繰り返し距離の２分の１を実質的に超過する距離を運動したときの信号に対応していることを特徴とする請求項２２記載の加速度計。
【請求項２６】
前記複数の可撓性エレメントが２本の軸心方向における平面内運動を許容するものであり、該平面内運動が、周期性の方向を前記２方向の夫々に揃えた互いに独立したセンサ・アレイから成る第２組のセンサ・アレイによって検出されるようにしてあることを特徴とする請求項２２記載の加速度計。
【請求項２７】
前記アクチュエータが静電アクチュエータであることを特徴とする請求項２２記載の加速度計。
【請求項２８】
前記静電アクチュエータが、複数のアクチュエータ・プレートから成るアクチュエータ・プレート・セットを含んでおり、前記複数のアクチュエータ・プレートのうちには前記固定されたプレートに設けられているものと前記プルーフマスに設けられているものとがあり、前記複数のアクチュエータ・プレートは、前記アクチュエーション信号を受取って前記プルーフマスを運動させるのに十分な力を発生するように配設されていることを特徴とする請求項２７記載の加速度計。
【請求項２９】
前記力が、前記アクチュエーション信号の線形関数として発生されることを特徴とする請求項２８記載の加速度計。
【請求項３０】
前記アクチュエータが電磁アクチュエータであることを特徴とする請求項２２記載の加速度計。
【請求項３１】
前記電磁アクチュエータが、
固定外部磁気回路を備え、該固定外部磁気回路は前記プルーフマスの両側の各々に２組のマグネット・セットを有しており、
前記プルーフマスに設けられたメイン・フィードバック・コイル及び積分フィードバックコイルを備え、
前記トランスデューサにより検出された前記プルーフマスの位置を利用するようにした外部フィードバック回路を備え、該外部フィードバック回路は、前記メイン・フィードバック・コイルと前記積分フィードバック・コイルとに夫々に独立したフィードバック電流を供給し、それによってそれら２つのコイルと前記複数のマグネットとの間の電磁相互作用を励起し、それによって前記プルーフマスの運動及び位置を制御するものであり、前記メイン・フィードバック・コイル及び前記積分・フィードバック・コイルは、前記トランスデューサへ入力する速度入力信号及び位置入力信号を零位調整するものであり、
限度位置規制電子回路を備え、該限度位置規制電子回路は、前記積分フィードバック・コイルに供給されたフィードバック電流が所定限度を超えた時に、該フィードバック電流を一時的に零設定するものであり、前記所定限度は、前記プルーフマスが前記トランスデューサの繰り返し距離の２分の１を実質的に超過するいずれかの方向の距離を運動したときの信号に対応している、
ことを特徴とする請求項３０記載の加速度計。
【請求項３２】
前記プルーフマスが、互いに接合された２枚のウェーハで構成されており、前記積分フィードバック・コイルが前記２枚のウェーハの間の中央に設けられており、それによって対称的なアクチュエーションが行われるようにしてあることを特徴とする請求項３１記載の加速度計。
【請求項３３】
前記外部フィードバック回路が、前記メイン・フィードバック・コイル及び前記積分フィードバック・コイルを相互コンダクタンスの形態で駆動するようにしてあることを特徴とする請求項３１記載の加速度計。
【請求項３４】
校正用入力を供給するための更なる静電アクチュエータを備えたことを特徴とする請求項２７記載の加速度計。
【請求項３５】
校正用入力を供給するための更なる電磁アクチュエータを備えたことを特徴とする請求項３０記載の加速度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本件特許出願は、関連する米国特許出願第10/058,210号（発明の名称：MICRO-MACHINED ACCELEROMETER、出願日2002年1月25日）に言及することにより、同米国特許出願の主題及び明細書の全記載内容を、それらが本明細書に実際に記載されている場合と全く同様に、本件特許出願の開示に組み込むものである。
【０００２】
本発明は、広く一般的には地震計測装置に関するものである。より詳しくは、本発明は地震計（速度計）、加速度計、等々の装置に用いられる、マイクロ機械加工により製作され、プルーフマス（慣性質量）が一体的に形成された、改良したサスペンション・プレート、並びにその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
2002年1月25日に出願された米国特許出願第10/058,210号（発明の名称：MICRO-MACHINED ACCELEROMETER）には、平面型サスペンション構造を採用した加速度計ないし地震計の新規な構成が開示されており、その平面型サスペンション構造は、サスペンション・プレートと少なくとも１枚の固定された容量性プレートとを備えたものである。従来の地震計が、独立した部品としたプルーフマス（慣性質量）を、スプリングを介して外側枠体上に支持した構造であるのと対照的に、マイクロ機械加工により製作されたこのサスペンション・プレートは、ワンピース部品として形成されており、外側枠体と、一対の可撓性エレメント集合体と、それら可撓性エレメント集合体の間に設けられた一体型のプルーフマス（慣性質量）とを備えている。それら可撓性エレメントは、プルーフマスをサスペンション・プレートの延在平面内の一方向である感度軸方向に可動にし、感度軸方向以外の方向である全ての軸外方向の運動を可及的に規制している。
【０００４】
この新規な平面型構造は、更に、プルーフマスの相対運動を検出するための変位トランスデューサを備えている。この変位トランスデューサは、高精度で配置された複数の駆動電極と、それら駆動電極に対応した複数のピックアップ電極とを備えている。複数の駆動電極はプルーフマスに設けることが好ましく、その場合、複数のピックアップ電極は固定されたプレートである容量性プレートに設けられる。
【０００５】
以上の構造を用いて低ノイズの地震計を構成した好適な実施の形態では、共振周波数が約１０Ｈｚの振動系を構成することが可能となっている。しかしながら、以上の構造を、約１００Ｈｚ以上の帯域幅で機能し得るものとするためには、感度軸方向のスプリアス振動も、また、２つの軸外方向（即ち、感度軸方向に直交する面内方向である面内軸外方向と、感度軸方向と面内軸外方向との両方に直交する方向である面外方向）のスプリアス振動も、いずれもフィードバック系によって抑制し、それによって振動系からスプリアス振動の周波数を排除することが望まれる。もしそうしなければ、スプリアス振動のために、振動系がその帯域幅の全域に亘って高精度で動作することができなくなる。以上の考察事項は、地震計以外の様々な速度センサ及び加速度センサにも当てはまるものであり、なぜならば、その種のセンサは、いかなる方向のスプリアス振動についても、センサの帯域幅の上限周波数からそのスプリアス振動の一次共振周波数までの余裕を大きく取ることが望まれるからである。
【０００６】
軸外方向のスプリアス振動モードに関しては、そのスプリアス振動モードの信号を排除するための、ないしは、プルーフマスのそのスプリアス振動を排除するための様々な方法が公知となっている。しかしながら、それら方法の殆どは、駆動電極及びピックアップ電極の形状、取付形態、及び配設位置に影響を及ぼすものである。更に、それら方法は、安定した動作を可能にはするが、それと引き替えに、振動系の振幅応答及び位相応答に悪影響を及ぼすおそれがある。従って、目標帯域幅の中に本来の振動以外の共振が存在しないようにするための別の方法が求められている。
【０００７】
更に、米国特許出願第10/058,210号に開示されている構造では、駆動電極とピックアップ電極との間の間隔を、細心の注意を払って制御しなければならない。これは、プルーフマスの面外方向の運動を、できる限り抑制しなければならないことを意味している。
【０００８】
感度軸方向と軸外方向との両方に等しく作用する加速度を受けたときに、それによって発生する軸外方向の変位の大きさと、感度軸方向の変位の大きさとの間には、軸外方向の振動モードの最低周波数に対する基本周波数の比の平方根に比例するという関係が存在している。従って、軸外方向の不都合な変位を最小化する上では、それら２つの周波数の比を可及的に小さく抑えることが望まれる。
【０００９】
更に、米国特許出願第10/058,210号に記載されている平面型サスペンション構造は、過大な外部衝撃ないし外部振動を受けたときに破断ないし破損するおそれがある。この問題が最も頻繁に発生するのは、装置が電源オフ状態にあるために、フィードバック電子回路が働いておらず、そのアクティブダンピングが存在しないときである。このような状態に置かれるのは、例えば、装置の梱包作業中や輸送中などであり、更には、製造工程においても、バネ質量系の構造部分の完成後にそのような状態に置かれることになる。キャビティにガスを封入しておくことによって、幾らかのダンピング作用が得られるが、しかしながら、それだけでは、上述したような外部衝撃や外部振動の影響を十分に低減することはできない。従って、システムが電源オフ状態ないし非動作状態にあるときにシステムが受ける衝撃の影響を低減することのできる、電源の供給を必要としないダンピング方式を備えることが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許出願第１０／０５８，２１０号（米国特許出願公開第２００３０１４０６９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は地震計（速度計）、加速度計、等々の装置に用いられる、マイクロ機械加工により製作され、プルーフマス（慣性質量）が一体的に形成された、改良したサスペンション・プレートを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明においては、中間枠体を用いて、プルーフマスの軸外方向の運動を非常に小さなものにしている。従って本発明は、米国特許出願第10/058,210号に記載されている構成に改良を加えたものであり、その改良は、複数の可撓性エレメントの間に中間枠体を分散配設することにより、軸外方向のスプリアス振動モードの振動周波数を可及的に高めて、振動系の共振周波数の何倍もの高さの周波数とする一方で、それに伴う感度軸方向のスプリアス振動モードの周波数の低下量をできる限り小さく抑えた振動系が得られるようにしたものである。これによって、これまでよりはるかに広い帯域幅からスプリアス振動モードを排除できるようにし、また、その帯域幅の全域に亘って平坦な応答特性を有する装置を製造できるようにしたものである。この解決方式は、システムに装備されている電子回路の構成に何ら影響を及ぼすことなく、従ってその電子回路の構成を何ら複雑化することなく、好適な実施の形態に係るサスペンション構造に容易に組込むことができる。また、中間枠体を用いることによって面外方向の剛性が向上するため、固定電極とプルーフマス電極との間のトランスデューサ・ギャップの変動を、非常に小さなものとすることができる。
【００１３】
介装する中間枠体の個数は、スプリアス振動モードをそこから排除しようとする目標帯域幅と、振動系の動作パラメータの目標値とに応じて定めるようにすればよい。より具体的には、中間枠体の個数を増やすほど、軸外方向のスプリアス共振モードの周波数を上昇させることができるため、スプリアス振動の共振周波数が出現することなく装置が動作可能な有効帯域幅が全体として拡大する。しかしながら、中間枠体の個数を増やすと、それら中間枠体の質量が増大するために、感度軸方向のスプリアス振動モードの周波数が低下する。従って、動作帯域幅から軸外方向のスプリアス振動の共振周波数を排除するという目標と、動作帯域幅から軸内方向のスプリアス振動の共振周波数を排除するという目標との間で、適当なバランスを取る必要がある。
【００１４】
中間枠体には、運動規制手段を装備するとよく、この運動規制手段は、過大な荷重が作用したときに、可撓性エレメントどうしが接触したり可撓性エレメントに過大な応力が発生したりする前に、枠体どうしのそれ以上の相対移動を阻止する手段である。従って、この運動規制手段は、可撓性エレメントの破断が発生する確率を低減し、また、可撓性エレメントの部分どうしが不可逆的な表面接合状態（膠着状態）となる確率を低減するものである。
【００１５】
本発明は更に、電源オフ状態／非動作状態にあるとき（即ち、電源が投入されていないためにフィードバック制御系によってダンピング機能が提供されていないとき）に非常に効果的に機能するダンピング構造を備えたものとするとよい。このダンピング構造は、電源オフ状態のときにダンピング機能を提供するように構成された、スプリング／気体ダンピング構造から成るものとすることが好ましい。
【００１６】
１つの好適な実施の形態においては、このダンピング構造を、台形ピストンとそれに対応した嵌合シリンダとを備えたものとしている。このダンピング構造は、最外側の中間枠体と外側枠体との間に設けられ、バネに過大な加重が作用したときに互いに嵌合するようにしてある。また、この構造においては、先に触れたように、ピストンないしシリンダを、中間の可撓性エレメントを超えた離隔位置に配設することで、そのピストンないしシリンダが中間の可撓性エレメントに接触しないようにしている。また、そのピストンまたはシリンダは、外側へ向けて設けるようにし、その場合、それに対応したシリンダないしピストンは、サスペンション・プレートの外側枠体の内側面に、内側へ向けて、即ち、プルーフマスの方へ向けて設けるようにする。
【００１７】
最外側の中間枠体がサスペンション・プレートの外側枠体の内側面に近付いて行くと、ピストンがシリンダに嵌合してその中へ進入し、それによって、その中間枠体がサスペンション・プレートの外側枠体の表面に接触する前に、ダンピング作用が発生する。好適な実施の形態として、サスペンション・プレートがガス充填雰囲気中に配設されている場合には、ピストンがシリンダの中へ更に入り込んで行くと、シリンダ内の閉塞された空間のガス圧力が上昇して行く。そして、その結果として、粘性を伴うガスの流れが、ダンピング力として機能するため、最外側の中間枠体がサスペンション・プレートの外側枠体から離れて行くときには、その速度が低下している。別構成例として、ガスを使用していないときには、ピストンとシリンダとの間に介設したエネルギ散逸性材料によって、それらを互いに結合しておけば、ピストンがシリンダの中へ更に入り込んで行くと、そのエネルギ散逸性材料が圧縮され、それによってダンピング力が発生し、その結果、外側枠体へ向かっている最外側の中間枠体の運動が減速される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】サスペンション・プレートと２枚の容量性プレートとを備えた地震計の断面図であり、この地震計は、公知の、従来技術に係る、マイクロ機械加工により製作された平面型サスペンション構造を備えており、このサスペンション構造においては、中央に配設されたプルーフマスが、その両側に配設された複数の可撓性エレメントによって支持されている。
【図２】好適な実施の形態に係るマイクロ機械加工により製作された平面型サスペンション構造に用いられている、プルーフマスと、複数の可撓性エレメントと、複数の中間枠体とを示した図である。
【図３】プルーフマスの両側に配設する可撓性エレメントの本数を片側６本ずつとした実施の形態における、中間枠体の個数を増やしたときの軸内方向のスプリアス振動モードに関するスプリアス・モード排除比と、軸外方向のスプリアス振動モードに関するスプリアス・モード排除比とを示した図である。
【図４】プルーフマスの両側に配設する可撓性エレメントの本数を片側２４本ずつとした実施の形態における、中間枠体の個数を増やしたときの軸内方向のスプリアス振動モードに関するスプリアス・モード排除比と、軸外方向のスプリアス振動モードに関するスプリアス・モード排除比とを示した図である。
【図５】本発明の好適な実施の形態に係るスプリング／ガスダンピング構造５１０を備えたサスペンション・プレート５００の斜視図である。
【図６】好適な実施の形態に係るスプリング／ガスダンピング構造の部分拡大図である。
【図７】別構成例の実施の形態に係るスプリング／ガスダンピング構造に用いられるピストンの拡大図である。
【図８】別構成例の実施の形態に係るスプリング／ガスダンピング構造に用いられる別構成例のピストンの拡大図である。
【図９】可撓性エレメントが「予荷重印加状態」において中立的形状を呈するように意図的にバイアスを導入したマスク・セットを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
先に述べたように、発明の名称をMICRO-MACHINED ACCELEROMETER（マイクロ機械加工により製作した加速度計）とした米国特許出願第10/058,210号には、加速度計、地震計（速度計）、及び／またはそれらに類似したその他のデバイスに用いられる、マイクロ機械加工により製作された、改良したサスペンション・プレートが開示されている。
【００２０】
同米国特許出願のサスペンション・プレートは、従来のスプリング構造とは異なる、革新的ともいえる平面型サスペンション構造を採用している。より詳しくは、そのサスペンション・プレートは、マイクロ機械加工によって、中央のプルーフマス（慣性質量）と、そのプルーフマスの両側の複数の可撓性エレメントとが形成されている。図１に示したのは地震計１の断面図であり、この地震計１は、米国特許出願第10/058,210号に記載されているところの、公知の、従来技術に係る、マイクロ機械加工により製作された平面型サスペンション構造を採用したものであり、サスペンション・プレート２と、２枚の容量性プレート３ａ、３ｂとを備え（ただし容量性プレートが１枚の装置とすることも可能である）、中央に位置しているプルーフマス８は、複数の可撓性エレメント６によって支持されている。
【００２１】
図１に示したように、プルーフマス８は中央に位置しており、その周囲に中空キャビティ４が画成されている。複数の可撓性エレメント６は反対方向から延びて、プルーフマス８をこのサスペンション・プレートの延在平面内の一方向に可動にし、その他全ての方向のプルーフマス８の運動を規制している。従来はプルーフマスを支持するために片持梁型の機械的スプリングが用いられていたのに対して、このような可撓性エレメント６は顕著な改良を提供するものである。
【００２２】
このような可撓性エレメント６を用いることによって、共振周波数が１０Ｈｚ以下の振動系を製作することが可能である。ただし、この構造を、約１００Ｈｚの帯域幅（即ち、共振周波数の１０倍の帯域幅）に亘って動作可能な構造とすることが望まれている。しかしながら、その帯域幅の内部に、スプリアス振動の共振周波数が含まれる可能性がある。スプリアス振動の共振周波数が存在すると、振動系の動作に悪影響を及ぼすことになる。従って、スプリアス振動モードを抑制して、振動系にそれが存在しないようにすることが望まれている。
【００２３】
軸外方向（感度軸方向以外の方向）のスプリアス振動モードに起因して発生する信号を排除するための、様々な公知の技法が存在している。そのような技法の１つは、駆動電極及びピックアップ電極の配設位置を適宜調節するというものであり、即ち、それら電極の配設形態を工夫して、スプリアス振動モードによる運動に対する感度を大幅に低下させるという方法である。例えば、それら電極を対称中心点上に配置することによって、ねじれ運動の影響を非常に良好に排除することができる。この方法によって安定した動作が可能になるが、ただし、振動系の周波数応答及び位相応答に対する悪影響が生じることはやむを得ない。従って、目標帯域幅の中に、本来の機械的共振周波数以外のその他の機械的共振周波数が存在しないようにするための、別の方法が必要とされている。
【００２４】
記述のごとく、図１に示したサスペンション・プレートは、それを地震計、加速度計、速度計、等々の装置に用いる際には少なくとも１枚の容量性プレートと組合せて用いるのが理想的である。その場合に、容量性プレートの方に複数のピックアップ電極１０を設け、プルーフマスの方に複数の駆動電極１１を設けるようにすることが好ましい。この平面型サスペンション構造において、振動系を高精度で動作させるためには、複数の駆動電極と複数のピックアップ電極との両方を、夫々に所定間隔で反復して周期的に配設し、そして、駆動電極の反復周期とピックアップ電極の反復周期とを同一周期にしておく必要がある。それら電極の周期性の良否は、振動系のダイナミック・レンジ及びスタティック・レンジに影響する。
【００２５】
プルーフマスは、面外沈下（サスペンション・プレートの延在平面からの沈下）が生じないように、高精度の制御を行ってその面外沈下を抑制する必要があり、これが必要であるのは、地震計の位置トランスデューサの構成要素間の位置関係を適切に維持するためには駆動電極とピックアップ電極との間の間隔を高精度で一定に保たねばならないからである。しかしながら、プルーフマスは重力という自然の影響を受けざるを得ず、プルーフマスに作用する重力が、感度軸に直交する軸方向の成分を有する場合に、それによってプルーフマスの面外沈下が発生する。同様に軸外方向の加速度が作用したときにも、それによってプルーフマスの不都合な運動が発生する。この軸外方向変位の大きさは、面内変位の大きさに対して、面外方向のスプリアス振動モードの振動周波数に対する基本振動周波数の比の平方に比例するという関係にある。従って、面外沈下を最小限にとどめるという目的を達成するために、それら２つの振動周波数の比の値をできる限り小さくすることが望まれており、即ち、スプリアス振動モードの振動周波数を、基本振動周波数の何倍もの可及的に高い周波数とすることが望まれている。
【００２６】
本発明は、目標帯域幅の中に、本来の機械的共振周波数以外のその他の機械的共振周波数が存在しないようにしつつ、面外沈下を可及的に小さく抑えるという目的を、中間枠体を用いることで達成するものであり、それら複数の中間枠体を、複数の可撓性エレメントの間に分散配置することによって得られる振動系は、一次スプリアス振動モードの振動周波数が、その振動系の共振周波数の少なくとも１０倍の周波数となる、好ましい振動系とすることができる。
【００２７】
図２に示したサスペンション・プレートは、本発明の第１の好適な実施の形態に係るサスペンション・プレートであり、複数の可撓性エレメント２０２により支持されたプルーフマス２０１を備えると共に、更に、それら可撓性エレメント２０２の間に介設された複数の中間枠体２０４を備えている。それら複数の中間枠体２０４を用いることにより、これまでより格段に広い帯域幅からスプリアス振動モードを排除することが可能となっており、また、その広い帯域幅の周波数領域全体に亘って平坦な応答特性を持つ装置を製作することが可能となっている。それら中間枠体２０４は更に、プルーフマス２０１を支持す
る補助的な支持機能も提供しており、それによって面外沈下の低減に寄与している。
【００２８】
図２に示したように、複数の中間枠体２０４は、サスペンション・プレート２００の内部で、可撓性エレメント２０２を形成するために用いるのと同じマイクロ機械加工を用いてサスペンション・プレート２００と一体的に形成される。そのため、それら中間枠体を備えるようにすることは容易であり、それら中間枠体を備えるようにしたためにシステムの製造工程設計が複雑化するということはない。
【００２９】
好適な実施の形態では、本発明に用いる中間枠体の個数は任意であり、その個数は、スプリアス振動モードをそこから排除しようとする目標帯域幅と、振動系の動作パラメータの目標値とに応じて定めるようにする。より具体的には、用いる中間枠体の個数を増やすほど、より広い周波数領域からスプリアス振動の共振周波数を排除することができ、従って、スプリアス振動の共振周波数が出現することなく装置が動作可能な有効帯域幅が全体として拡大する。しかしながら、中間枠体の個数を増やすと、限られたスペースの中ではプルーフマスの寸法を縮小せざるを得なくなり、それによって、バネ質量系の共振周波数が低下してしまうことになる。更に、中間枠体を備えることそれ自体によって、更なる感度軸方向のスプリアス振動モードが導入され、そのようなスプリアス振動モードの周波数はサスペンションの質量に対する中間枠体の質量の比が増大するほど低下する。従って、帯域幅から面外方向のスプリアス振動モードを排除するという目標と、帯域幅から感度軸方向のスプリアス振動モードを排除するという目標との間で、適当なバランスを取る必要がある。
【００３０】
ある振動系に用いる中間枠体の最適個数を決定するには、先ず、その第１のステップとして、その振動系の基本動作振動周波数を定める。その振動系、即ちバネ質量系の基本動作振動周波数を定めたならば、次に、最適個数を決定するための極めて望ましい方法として、軸内方向のスプリアス振動周波数と、軸外方向のスプリアス振動周波数との両方が、そのバネ質量系の基本振動周波数に対してできるだけ高い周波数となるようにする。これによって装置の使用可能な帯域幅を拡大することができる。中間枠体と中間枠体との間に位置する個々の可撓性エレメント集合体の質量ｍflexに対する、個々の中間枠体の質量ｍframeの比が増大するにつれて、軸内方向のスプリアス振動モードの一次振動周波数は低下して行き、即ち性能が低下して行く。これによって影響される排除比（Ｒmassload）の値は下記の経験式で与えられる。
【００３１】
【数１】
2011185943.tif 000003
【００３２】
中間枠体の総数を増やして行くにつれて、サスペンションがさらに分割されるために、必然的にｍflexの値が小さくなり、その結果として、ｍframe／ｍflexの値が大きくなって行く。従って、中間枠体の個数を増やすにつれて軸内方向のスプリアス振動の振動周波数は低下して行く。一方、軸外方向の共振周波数は下式で与えられる。
【００３３】
【数２】
2011185943.tif 000004
【００３４】
この式において、ｎspringsは、中間枠体と中間枠体との間に挟まれる各々の可撓性エレメント集合体に含まれる可撓性エレメントの本数である。この式は比例関係を表しており、その比例定数は、中間枠体の個数には殆ど全く影響されることはない。この構成例において、中間枠体の個数を増やして行くと（可撓性エレメントの総数を一定とするならば）ｎspringsの値は低下して行き、従って、中間枠体の個数を増やすと、軸外方向のスプリアス振動の振動周波数は上昇する。最終目標は「スプリアス振動が存在しない」周波数領域の上限周波数を可及的に高めることにあるため、この最終目標を達成するように中間枠体の個数を最適化すればよい。その他のパラメータを一定とすることにより、具体的な
構成例におけるそれら２つの影響をグラフに表すことができる。
【００３５】
第１の好適な実施の形態として、所望の周波数応答特性を得るために、プルーフマスの両側に配設する可撓性エレメントの本数を、片側６本ずつとしている場合について考察する。この実施の形態において、目標動作周波数が与えられたときに、スプリアス振動周波数を最大限に排除することのできる中間枠体の個数の最適値を決定する。
【００３６】
片側６本ずつの可撓性エレメントを複数の可撓性エレメント集合体に分割したときに、個々の可撓性エレメント集合体に含まれる可撓性エレメントの本数ｎspringsは下表に示したようになる。
【００３７】
【表１】
2011185943.tif 000005
【００３８】
この実施の形態において、基本振動周波数に対する軸内方向のスプリアス振動の振動周波数の比と、基本振動周波数に対する軸外方向のスプリアス振動の振動周波数の比とをグラフで表す。これら２つの比は、いわゆる「スプリアス・モード排除比」と呼ばれるものである。
【００３９】
図３に、中間枠体の個数を増やして行ったときの、軸内方向のスプリアス振動に関するスプリアス・モード排除比と、軸外方向のスプリアス振動に関するスプリアス・モード排除比とを示した。図３から明らかなように、これら２つのスプリアス・モード排除比の値の両方をできるだけ大きなものとするには、サスペンション構造に組込む中間枠体の個数を５個とし、６本の可撓性エレメントの各々の間に中間枠体を１個ずつ介装すればよい。軸内方向のスプリアス・モード排除比が比較的緩やかに低下して行くのに対して、軸外方向のスプリアス・モード排除比は急速に上昇しており、従って、全体的な傾向としては、中間枠体の個数を増やすほど性能が向上している。
【００４０】
可撓性エレメントの本数が更に多い構成例について考察することによって、より多くのデータ・ポイントを算出することができ、そのような構成例でも、中間枠体の個数を増やして行くと、軸内方向のスプリアス・モード排除比と軸外方向のスプリアス・モード排除比とが次第に近付くと共に、全体としての排除比が向上することが分かる。例えば、第２の実施の形態として、所望の周波数応答特性を得るために、可撓性エレメントの本数を片側２４本ずつとしている場合について考察する。この実施の形態においても、基本振動周波数に対する軸内方向のスプリアス振動の振動周波数の比と、基本振動周波数に対する軸外方向のスプリアス振動の振動周波数の比とを、即ち、いわゆる「スプリアス・モード排除比」を、グラフに表すようにする。図４に、中間枠体の個数を増やして行ったときの、軸内方向のスプリアス振動に関するスプリアス・モード排除比と、軸外方向のスプリアス振動に関するスプリアス・モード排除比とを示した。図４から明らかなように、それら排除比の値をできるだけ大きなものとするには、設計で用いられる中間枠体の個数を２３個とし、各可撓性エレメントの間に１つずつ配設すればよい。
【００４１】
ここで重要なことが１つあり、それは、サスペンション構造によっては、振動系に関するその他の考慮すべき事項のために、軸内方向と軸外方向とでスプリアス振動モードを同等に最適化するのではなく、例えば、軸内方向のスプリアス振動モードの振動周波数に比して、軸外方向のスプリアス振動の振動周波数をより低くなるような最適化を行う場合もあり得るということである。このような最適化を行うのは、例えば、変位トランスデューサの構造が、軸外方向のスプリアス振動モードは抑制するが、軸内方向のスプリアス振動モードは抑制しないような構造である場合などである。本明細書に示す方法は、所望の最適化がいかなるものであっても適用可能である。
【００４２】
本発明は更に、電源オフ状態／非動作状態にあるとき（即ち、電源が投入されていないためにフィードバック制御系によってダンピング機能が提供されていないとき）に非常に効果的なダンピング構造を備えている。このダンピング構造は、電源オフ状態のときにダンピング機能を提供するように構成された、スプリング／気体ダンピング構造から成るものとすることが好ましい。図５に斜視図で示したのは、本発明の好適な実施の形態に係るスプリング／気体ダンピング構造５１０を備えたサスペンションプレート５００である。
【００４３】
図５に示したように、個々の中間枠体５０１は、中間枠体と中間枠体との間に配設される可撓性エレメント５０３と比べて、その長さを大きく（長く）形成して、内部キャビティ５０２のかなりの部分に亘って延在するようにすることが好ましい。それら中間枠体は更に、プルーフマスの面外方向の運動を抑制すると同時にスプリアス振動の共振周波数も抑制できるように、十分な剛性を備える一方で、破断ないし破壊が発生するおそれのない範囲内で可及的に軽量に形成するようにしている。それら複数の中間枠体５０１は、中間枠体と中間枠体との間に配設される可撓性エレメント５０３が損傷を生じるほど圧縮される前に、それら中間枠体どうしが互いに物理的に当接するように配設されている。
【００４４】
過大な外部衝撃または外部振動によって破断及び／または損傷が発生するのを防止するために、本発明は更に、スプリング／ガスダンピング構造５１０を備えたものとすることが好ましく、この構造は電源オフ状態にある振動系に更なるダンピング機能を提供するものである。
【００４５】
図６に示したのは、好適な実施の形態に係るスプリング／ガスダンピング構造５１０の拡大図である。図示のごとく、この好適な実施の形態は、１つまたは複数の台形ピストン６０１と嵌合開口６０２とを含む構成とすることが好ましい。好適な実施の形態では、ピストン６０１は、最終段の（最外側の）中間枠体６０５に、外側へ向けて設けるようにすることが好ましく、そうした場合に、ピストンに対応する嵌合開口６０２は、サスペンション・プレートの外側枠体６０７の内側面に、内側へ向けて設けるようにする。最外側の中間枠体６０５がサスペンション・プレートの外側枠体６０７の内側面に近付いて行くと、ピストン６０１が嵌合開口６０２に嵌合してその中へ進入し、それによって、その中間枠体がサスペンション・プレートの外側枠体の表面に接触する前に、ダンピング作用が発生するようになっている。
【００４６】
好適な実施の形態では、サスペンション・プレートのキャビティには、好ましくは空気や窒素などの非導電性ガスを封入しておくようにしている。最も外側の中間枠体６０５がサスペンション・プレートの外側枠体６０７の内側面に近付くと、ピストン６０１が嵌合開口６０２に嵌合してその中へ進入する。ピストンが嵌合開口の中へ更に入り込んで行くと、嵌合開口の中のガス圧力が上昇してピストンに及ぼすことによって中間枠体の運動を減速させ、最終的には、おそらくはこのバネ質量系が何度も振動した上で、中間枠体は停止し、これによって可撓性エレメントが損傷するのを防止している。
【００４７】
別法として、サスペンション・プレートの内部のキャビティを真空にする構成としてもよい。この場合も、スプリング／ガスダンピング構造を、開口とそれに対応したピストンとで好適に構成することができるが、ただしそのピストンは、小さな抵抗用スプリングで互いに結合した、互いに別体の２つの部分で構成するようにする。図７は、スプリング／ガスダンピング構造に用いられる、そのように構成した別の実施の形態のピストン７００の拡大図であり、このピストンは、小さな抵抗用スプリングを用いて互いに結合した、互いに別体の２つの部分で構成されている。図示のごとく、このピストンは、第１半体部分７０１と第２半体部分７０３とで構成されており、それら２つの半体部分は、小さな抵抗用スプリング７０５を用いて互いに結合されている。装置が通常動作を行っており、ピストンが開口に嵌合していないときには、２つのピストン部品は相互の関連性を持たないが、それら２つのピストン部品は、開口に当接したならば、１つのスプリング・エレメントを構成することになる。ピストン７００がスプリング／ガスダンピング構造の開口の中へ更に進入すると、第２半体部分７０３が第１半体部分７０１の方へ押し付けられることにより、抵抗用スプリングが第２半体部分７０３へ力を作用させるようになる。第２半体部分７０３が第１半体部分７０１へ近付くにつれて、抵抗用スプリングによる抵抗力も増大する。この抵抗用スプリングの動きは、エネルギ散逸のために利用し得ると同時に、第１半体部分と第２半体部分とを互いから引き離すためのエネルギを蓄えておくエネルギ蓄積のためにも利用することができ、それによって、２つの半体が膠着による付着力のために互いに「噛んで」しまい、ひいてはこの装置がバネ質量系として機能することが阻害されるという事態を、防止することが可能となっている。また別構成例として、図８に示したように、第１半体部分７０１と第２半体部分７０３との間に、抵抗用スプリングの替わりに、或いは抵抗用スプリングと併用して、粘弾性ポリマーなどのダンピング材の層７０６を介装するようにしてもよい。更には、スプリング・エレメント７０５の上面に粘弾性材料ブロック７０７を貼着して、スプリングのダンピング作用とエネルギ散逸作用とを得るようにしてもよい。
【００４８】
米国特許出願第10/058,210号に記載されているような、１枚のサスペンション・プレートと２枚の導電性プレート即ち容量性プレートとで構成される地震計を、実際に製造する際には、ただ１つの装置構造を用いて、センサの３つの構成要素である２枚の容量性プレート及び１枚のサスペンション・プレートを製作できるようにしておくことが望まれる。これを達成する上では、それら３枚のプレートの全てを「ガルペリン方向」に配設して、それら３枚のプレートの全てに同一の重力ベクトルが作用するようにすることが望まれる。本装置の構造では、最適動作及び最適設計とするには、重力ベクトルの作用を受けた状態にあるときに、プルーフマスが中央に位置しているようにしておくことが重要である。もし、サスペンション・プレートを容量性プレートとは別個に製作するのであれば、プルーフマスに作用する重力が、容量性プレートの各々に対してプルーフマスがそれらの中央に位置することに対して、影響を及ぼすことになり、ひいては、装置全体を構成したときの各プレートに関する測定値に悪影響を及ぼすことになる。
【００４９】
完成した時点でプルーフマス中央に位置するようにするには、マスク・セットに意図的にバイアスを導入して、可撓性エレメントが「予荷重印加状態」において中立的形状を呈するようにするとよい。また、そのための予荷重の大きさは、「ガルペリン」方向に配置したときに、即ち５４．７°の角度に配置したときに、バネ質量系が中立位置に位置するような大きさとする。そうすれば、ディープ反応性イオンエッチング法（ＤＲＩＥ）などの方法によって、材料の切除が行われた後に、ガルペリン角度である５４．７°に配置したときに、バネが中立位置に位置するようになる。このような予荷重の大きさを求めるには、いずれも当業者には周知の技法である、解析的算出法や、有限要素解析法を用いればよい。予荷重の大きさをこのように定めたならば、バネ質量系の変位パターンが、バネ質量系をガルペリン方向に傾斜させて配置したときに作用する加速度と大きさ及び方向が逆の加速度を自由状態にある対称形状に形成されたバネ質量系に作用させたときに発生する変位パターンと、同一のパターンとなる。このように大きさを定めた予荷重は、ガルペリン方向に配置したときに作用する重力ベクトルと略々完全に釣り合ってそれを相殺する、これによって、プルーフマスが略々完全に中央に位置するようになる。図９は、可撓性エレメントが「予荷重印加状態」において中立的形状を呈するように意図的にバイアスを導入したマスク・セットを示した図である。
【００５０】
最終的には、最適性能を達成するために、プルーフマスの重心とアクチュエータの作用中心とを一致させるべきである。更に加えて、プルーフマスの運動方向とアクチュエータの力の方向とを一致させるべきである。これら条件を満たす装置は、その装置の同一表面に変位トランスデューサと磁気アクチュエータとの両方を設けた構成として製造することも不可能ではない。また、この構成とすることによって、加工コストを格段に引き下げることができる。ただし、これによって、軸外方向の力及び応答が発生する余地が生じる。これに関して好適な構造を有する装置を製造することができると共に、更に、軸外方向の作用の残留分を相殺することも可能な、２つの方法がある。その第１の方法は、装置の両面に磁気アクチュエータを設けるというものである。この構成とすれば、軸外方向のトルクが相殺されることになり、ただしそれと引き替えに製造工程がかなり複雑化するのはやむを得ない。第２の方法は、アクチュエータとトランスデューサを、プルーフマスの互いに異なる面に形成し、そのプルーフマスのアクチュエータ側に、同一構成のもう１組のサスペンション構造（枠体、スプリング、及びプルーフマス）を接合するというものである。このような複合プルーフマス構造とすることによって、その複合プルーフマスの重心にアクチュエータを位置させることができ、ただしこの場合も、それと引き替えに製造工程がかなり複雑化するのはやむを得ない。
【００５１】
以上の説明は、本発明の具体的な幾つかの実施の形態についての説明であるが、それら実施の形態に対して、本発明の概念から逸脱することなく多種多様な変更を加え得ることは明らかである。それゆえ、以上に開示した様々な実施の形態は、そのいかなる点であれ説明のための具体例を提示したものであって、本発明がそれら実施の形態に限定されるというものではない。本発明の範囲は以上の説明によってではなく、特許請求の範囲の記載によって規定されるものであり、特許請求の範囲の記載に該当する変更並びに特許請求の範囲の記載の均等構成に該当する変更は全て本発明の範囲に包含されるべきものである。
【図１】
2011185943.tif 000006
【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】
2011185943.tif 000012
【図８】
2011185943.tif 000013
【図９】
2011185943.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成23年4月20日(2011.4.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ機械加工により中央にプルーフマスが形成され該プルーフマスの両側に複数の可撓性エレメントが形成されたサスペンション・プレートにおいて、前記複数の可撓性エレメントは、前記プルーフマスを該サスペンションの延在平面内の一方向に可動にし、その他全ての方向の運動を規制しており、該サスペンション・プレートは更に、マイクロ機械加工により形成され前記複数の可撓性エレメントの間に介設された少なくとも１つの中間枠体を備えており、該中間枠体によって、スプリアス振動の一次振動モードの周波数がその振動系の共振周波数の少なくとも１０倍であるような振動系が構成されるようにしたことを特徴とするサスペンション・プレート。
【請求項２】
更にスプリング／ガスダンピング構造を備えており、該スプリング／ガスダンピング構造が、
最外側の中間枠体に設けられた台形のピストンを備え、
前記サスペンション・プレートの内側面に設けられた、前記ピストンに対応した嵌合開口を備え、前記最外側の中間枠体が前記サスペンション・プレートの内側面に近付くと、前記ピストンが前記嵌合開口に嵌合してその中へ進入し、これによって、前記最外側の中間枠体が前記サスペンション・プレートの前記内側面に当接する前にダンピング作用が得られるようにしてある、
ことを特徴とする請求項１記載のサスペンション・プレート。
【請求項３】
前記スプリング／ガスダンピング構造の前記ピストンが、
第１半体部分を備え、
第２半体部分を備え、該第２半体部分は、小さな抵抗用スプリングを介して前記第１半体部分に結合されており、前記ピストンが前記スプリング／ガスダンピング構造の前記開口に更に進入する際に、前記ピストンの前記第２半体部分が前記第１半体部分の方へ押し付けられることにより、前記抵抗用スプリングが前記第２半体部分に対して力を作用させるようにしてある、
ことを特徴とする請求項２記載のサスペンション・プレート。
【請求項４】
前記ピストンが、
第１半体部分を備え、
第２半体部分を備え、
前記第１半体部分と前記第２半体部分との間に介装されたダンピング材を備え、前記ピストンが前記スプリング／ガスダンピング構造の前記開口に更に進入する際に、前記ピストンの前記第２半体部分が前記第１半体部分の方へ押し付けられることにより、前記ダンピング材が前記第２半体部分に対して抵抗力及び散逸力を作用させるようにしてある、
ことを特徴とする請求項２記載のサスペンション・プレート。
【請求項５】
加速度計において、
サスペンション・プレートを備え、該サスペンション・プレートは、マイクロ機械加工により中央にプルーフマスが形成され該プルーフマスの両側に複数の可撓性エレメントが形成されており、前記複数の可撓性エレメントは、前記プルーフマスを該サスペンションの延在平面内の一方向に可動にし、その他全ての方向の運動を規制しており、該サスペンション・プレートは更に、マイクロ機械加工により形成され前記複数の可撓性エレメントの間に介設された少なくとも１つの中間枠体を備えており、
トランスデューサを備え、該トランスデューサは、固定されたプレートの表面に設けられた第１容量性センサ・アレイと前記プルーフマスの表面に設けられた第２容量性センサ・アレイとの間の結合容量を検出することにより、前記固定されたプレートに対する前記プルーフマスの相対位置を検出するものであり、
前記プルーフマスを運動させるためのアクチュエーション信号を発生して送出するアクチュエータを備え、
フィードバック電子回路を備え、該フィードバック電子回路は、前記トランスデューサにより検出された前記プルーフマスの相対位置に基づいて、前記アクチュエータを制御するためのフィードバック信号を発生し、それによって、前記アクチュエーション信号に操作を加え、もって前記プルーフマスの運動を目標パラメータ範囲内で制御するものであり、
前記アクチュエーション信号を測定し、その測定値の関数として前記プルーフマスの運動の加速度成分を検出する手段と、
を備えたことを特徴とする加速度計。
【請求項６】
前記フィードバック信号が前記アクチュエータを制御することにより、前記トランスデューサの１周期の中で前記プルーフマスを略々中立位置に維持するようにしていることを特徴とする請求項５記載の加速度計。
【請求項７】
更に速度センサを備え、該速度センサは、前記フィードバック電子回路の内部の電圧を測定し、その測定値の関数として前記プルーフマスの運動の速度成分を算出することによって、前記プルーフマスの運動の速度成分を検出するものであることを特徴とする請求項５記載の加速度計。
【請求項８】
更に限度位置規制電子回路を備え、該限度位置規制電子回路は、前記アクチュエータが発生した前記アクチュエーション信号を受取り、該アクチュエーション信号が所定限度を超えていたならば、該アクチュエーション信号を一時的に零設定するものであり、前記所定限度は、前記プルーフマスが前記トランスデューサの繰り返し距離の２分の１を実質的に超過する距離を運動したときの信号に対応していることを特徴とする請求項５記載の加速度計。
【請求項９】
前記アクチュエータが静電アクチュエータであることを特徴とする請求項５記載の加速度計。
【請求項１０】
前記静電アクチュエータが、複数のアクチュエータ・プレートから成るアクチュエータ・プレート・セットを含んでおり、前記複数のアクチュエータ・プレートのうちには前記固定されたプレートに設けられているものと前記プルーフマスに設けられているものとがあり、前記複数のアクチュエータ・プレートは、前記アクチュエーション信号を受取って前記プルーフマスを運動させるのに十分な力を発生するように配設されていることを特徴とする請求項９記載の加速度計。
【請求項１１】
前記力が、前記アクチュエーション信号の線形関数として発生されることを特徴とする請求項１０記載の加速度計。
【請求項１２】
前記アクチュエータが電磁アクチュエータであることを特徴とする請求項５記載の加速度計。
【請求項１３】
前記電磁アクチュエータが、
固定外部磁気回路を備え、該固定外部磁気回路は前記プルーフマスの両側の各々に２組のマグネット・セットを有しており、
前記プルーフマスに設けられたメイン・フィードバック・コイル及び積分フィードバックコイルを備え、
前記トランスデューサにより検出された前記プルーフマスの位置を利用するようにした外部フィードバック回路を備え、該外部フィードバック回路は、前記メイン・フィードバック・コイルと前記積分フィードバック・コイルとに夫々に独立したフィードバック電流を供給し、それによってそれら２つのコイルと前記複数のマグネットとの間の電磁相互作用を励起し、それによって前記プルーフマスの運動及び位置を制御するものであり、前記メイン・フィードバック・コイル及び前記積分フィードバック・コイルは、前記トランスデューサへ入力する速度入力信号及び位置入力信号を零位調整するものであり、
限度位置規制電子回路を備え、該限度位置規制電子回路は、前記積分フィードバック・コイルに供給されたフィードバック電流が所定限度を超えた時に、該フィードバック電流を一時的に零設定するものであり、前記所定限度は、前記プルーフマスが前記トランスデューサの繰り返し距離の２分の１を実質的に超過するいずれかの方向の距離を運動したときの信号に対応している、
ことを特徴とする請求項１２記載の加速度計。
【請求項１４】
前記プルーフマスが、互いに接合された２枚のウェーハで構成されており、前記積分フィードバック・コイルが前記２枚のウェーハの間の中央に設けられており、それによって対称的なアクチュエーションが行われるようにしてあることを特徴とする請求項１３記載の加速度計。
【請求項１５】
前記外部フィードバック回路が、前記メイン・フィードバック・コイル及び前記積分フィードバック・コイルを相互コンダクタンスの形態で駆動するようにしてあることを特徴とする請求項１３記載の加速度計。
【請求項１６】
トランスデューサにおいて、
少なくとも１枚の固定された容量性プレートを備え、
前記固定されたプレートの表面に設けられた第１容量性センサ・アレイを備え、該第１容量性センサ・アレイは周期的パターンを成す複数の導電性エレメントを有しており、
サスペンション・プレートを備え、該サスペンション・プレートは複数の可撓性エレメントにより支持されたプルーフマスを有しており、前記複数の可撓性エレメントは前記プルーフマスの運動を単一の軸方向の運動だけに規制するものであり、前記複数の可撓性エレメントは複数の枠体に係合しており、
前記プルーフマスの表面に設けられた第２容量性センサ・アレイを備え、該第２容量性センサ・アレイは、前記第１容量性センサ・アレイの周期性と同一の周期性を持つ周期的パターンを成す複数の導電性エレメントを有しており、前記第１容量性センサ・アレイ及び前記第２容量性センサ・アレイは、前記プルーフマスの運動の方向と平行な方向を持つアレイであり、前記第１容量性センサ・アレイ及び前記第２容量性センサ・アレイは、それらの周期性の方向が共通していると共に間隔をあけて互いに対向しており、
前記固定されたプレートに設けられた前記第１容量性センサ・アレイに接続するための電気的接続手段を備え、該電気的接続手段によって、外部構成要素から、周期的パターンを成す前記第１容量性センサ・アレイを介して周期的パターンを成す前記第２容量性センサ・アレイへ、周期的励振信号を結合できるようにしてあり、これにより結合される信号は０％から１００％までの範囲内で変動し、且つ、前記固定されたプレートに対する前記プルーフマスの周期的相対位置の指標となる信号であり、
前記プルーフマスに設けられた前記第２容量性センサ・アレイに接続するための電気的接続手段を備え、該電気的接続手段は、前記第１容量性センサ・アレイから前記第２容量性センサ・アレイへの結合によって発生した信号を外部電子回路へ伝達するものであり、該外部電子回路が、前記第１容量性センサ・アレイと前記第２容量性センサ・アレイとの間の結合のパーセンテージを判定して、前記固定されたプレートに対する前記プルーフマスの相対位置を表す信号に変換するようにしてある、
ことを特徴とするトランスデューサ。
【請求項１７】
加速度計において、
サスペンション・プレートを備え、該サスペンション・プレートは、マイクロ機械加工により中央にプルーフマスが形成され該プルーフマスの両側に複数の可撓性エレメントが形成されており、前記複数の可撓性エレメントは、複数の枠体に係合されており、且つ、前記プルーフマスを該サスペンション・プレートの延在平面内の単一の軸方向に可動にしており、
トランスデューサを備え、該トランスデューサは、固定されたプレートの表面に設けられた第１容量性センサ・アレイと前記プルーフマスの表面に設けられた第２容量性センサ・アレイとの間の結合容量を検出することにより、前記固定されたプレートに対する前記プルーフマスの相対位置を検出するものであり、
前記プルーフマスを運動させるためのアクチュエーション信号を発生して送出するアクチュエータを備え、
フィードバック電子回路を備え、該フィードバック電子回路は、前記トランスデューサにより検出された前記プルーフマスの相対位置に基づいて、前記アクチュエータを制御するためのフィードバック信号を発生し、それによって、前記アクチュエーション信号に操作を加え、もって前記プルーフマスの運動を目標パラメータ範囲内で制御するものであり、
前記アクチュエーション信号を測定し、その測定値の関数として前記プルーフマスの運動の加速度成分を検出する手段と、
を備えたことを特徴とする加速度計。
【請求項１８】
前記フィードバック信号が前記アクチュエータを制御することにより、前記トランスデューサの１周期の中で前記プルーフマスを略々中立位置に維持するようにしていることを特徴とする請求項１７記載の加速度計。
【請求項１９】
更に速度センサを備え、該速度センサは、前記フィードバック電子回路の内部の電圧を測定し、その測定値の関数として前記プルーフマスの運動の速度成分を算出することによって、前記プルーフマスの運動の速度成分を検出するものであることを特徴とする請求項１７記載の加速度計。
【請求項２０】
更に限度位置規制電子回路を備え、該限度位置規制電子回路は、前記アクチュエータが発生した前記アクチュエーション信号を受取り、該アクチュエーション信号が所定限度を超えていたならば、該アクチュエーション信号を一時的に零設定するものであり、前記所定限度は、前記プルーフマスが前記トランスデューサの繰り返し距離の２分の１を実質的に超過する距離を運動したときの信号に対応していることを特徴とする請求項１７記載の加速度計。
【請求項２１】
前記複数の可撓性エレメントが２本の軸心方向における平面内運動を許容するものであり、該平面内運動が、周期性の方向を前記２方向の夫々に揃えた互いに独立したセンサ・アレイから成る第２組のセンサ・アレイによって検出されるようにしてあることを特徴とする請求項１７記載の加速度計。
【請求項２２】
前記アクチュエータが静電アクチュエータであることを特徴とする請求項１７記載の加速度計。
【請求項２３】
前記静電アクチュエータが、複数のアクチュエータ・プレートから成るアクチュエータ・プレート・セットを含んでおり、前記複数のアクチュエータ・プレートのうちには前記固定されたプレートに設けられているものと前記プルーフマスに設けられているものとがあり、前記複数のアクチュエータ・プレートは、前記アクチュエーション信号を受取って前記プルーフマスを運動させるのに十分な力を発生するように配設されていることを特徴とする請求項２２記載の加速度計。
【請求項２４】
前記力が、前記アクチュエーション信号の線形関数として発生されることを特徴とする請求項２３記載の加速度計。
【請求項２５】
前記アクチュエータが電磁アクチュエータであることを特徴とする請求項１７記載の加速度計。
【請求項２６】
前記電磁アクチュエータが、
固定外部磁気回路を備え、該固定外部磁気回路は前記プルーフマスの両側の各々に２組のマグネット・セットを有しており、
前記プルーフマスに設けられたメイン・フィードバック・コイル及び積分フィードバックコイルを備え、
前記トランスデューサにより検出された前記プルーフマスの位置を利用するようにした外部フィードバック回路を備え、該外部フィードバック回路は、前記メイン・フィードバック・コイルと前記積分フィードバック・コイルとに夫々に独立したフィードバック電流を供給し、それによってそれら２つのコイルと前記複数のマグネットとの間の電磁相互作用を励起し、それによって前記プルーフマスの運動及び位置を制御するものであり、前記メイン・フィードバック・コイル及び前記積分・フィードバック・コイルは、前記トランスデューサへ入力する速度入力信号及び位置入力信号を零位調整するものであり、
限度位置規制電子回路を備え、該限度位置規制電子回路は、前記積分フィードバック・コイルに供給されたフィードバック電流が所定限度を超えた時に、該フィードバック電流を一時的に零設定するものであり、前記所定限度は、前記プルーフマスが前記トランスデューサの繰り返し距離の２分の１を実質的に超過するいずれかの方向の距離を運動したときの信号に対応している、
ことを特徴とする請求項２５記載の加速度計。
【請求項２７】
前記プルーフマスが、互いに接合された２枚のウェーハで構成されており、前記積分フィードバック・コイルが前記２枚のウェーハの間の中央に設けられており、それによって対称的なアクチュエーションが行われるようにしてあることを特徴とする請求項２６記載の加速度計。
【請求項２８】
前記外部フィードバック回路が、前記メイン・フィードバック・コイル及び前記積分フィードバック・コイルを相互コンダクタンスの形態で駆動するようにしてあることを特徴とする請求項２６記載の加速度計。
【請求項２９】
校正用入力を供給するための更なる静電アクチュエータを備えたことを特徴とする請求項２２記載の加速度計。
【請求項３０】
校正用入力を供給するための更なる電磁アクチュエータを備えたことを特徴とする請求項２５記載の加速度計。