(57)【要約】【課題】ＳＡＷ加速度計の精度を改善する方法およびシステムを提供すること。【解決手段】加速度計を形成する方法およびシステムが、１つまたは複数のインターデジタル変換器（ＩＤＴ）が取り付けられ一端が支持されたロードビーム（１２）を形成するステップ含む。ロードビーム（１２）は、長手方向に変化することが加えられた荷重に応答してこのロードビーム（１２）を放射状にたわませるのに有効である断面を有する。断面は、幅（３０）、高さ（２８）、またはその両方に関して変化する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号処理部と、
ベース（２２）と、
前記ベースの近位端に取り付けられ、そこから長手方向に延びるロードビーム（１２）であって、前記ロードビーム（１２）が長手方向に変化する断面を有して前記ロードビーム（１２）上に課された荷重に応答して実質的に放射状にたわむロードビームと、
前記ロードビーム（１２）に取り付けられ、前記信号処理部に電気的に結合されたインターデジタル変換器（ＩＤＴ）（１４）とを備える表面弾性波（ＳＡＷ）加速度計。
【請求項２】
前記断面が前記長手方向に変化する高さ（２８）を有する請求項１に記載のＳＡＷ加速度計。
【請求項３】
前記断面が前記長手方向に変化する幅（３０）を有する請求項１に記載のＳＡＷ加速度計。
【請求項４】
前記ロードビーム（１２）の高さ（２８）が、実質的に、式Ｈ（Ｘ）＝｛２＊Ｆ＊（Ｘ＾２）＊（３＊Ｌ−Ｘ）／［（Ｅ＊Ｂ）＊（（Ｌ＾２−Ｘ＾２）＾（１／２）−Ｌ）］｝＾（１／３）ただし、Ｈ（Ｘ）は前記ベースからの距離Ｘに関するロードビーム（１２）の前記高さ（２８）、Ｆは前記ロードビーム（１２）の遠位端の最も近くに加えられた力、Ｌは前記ロードビーム（１２）の全長、Ｅは前記ロードビーム（１２）の弾性係数、Ｂは前記ロードビーム（１２）の幅（３０）、に従って変化する請求項１に記載のＳＡＷ加速度計。
【請求項５】
前記ロードビーム（１２）の幅（３０）が、実質的に、式Ｂ（Ｘ）＝２＊Ｆ＊（Ｘ＾２）＊（３＊Ｌ−Ｘ）／｛（Ｅ＊Ｈ＾３）＊［（Ｌ＾２−Ｘ＾２）＾（１／２）−Ｌ］｝ただし、Ｂ（Ｘ）は前記ベースからの距離Ｘに関するロードビーム（１２）の前記幅（３０）、Ｆは前記ロードビーム（１２）の遠位端の最も近くに加えられた力、Ｌは前記ロードビーム（１２）の全長、Ｅは前記ロードビーム（１２）の弾性係数、Ｈは前記ロードビーム（１２）の高さ（２８）、に従って変化する請求項１に記載のＳＡＷ加速度計。
【請求項６】
前記ロードビーム（１２）の高さ（２８）が、実質的に、式Ｈ（Ｘ）＝｛Ｐ＊（Ｘ＾２）＊（６＊Ｌ＾２−４＊Ｘ＊Ｌ＋Ｘ＾２）／（（２＊Ｅ＊Ｂ）＊［（Ｌ＾２−Ｘ＾２）＾（１／２）−Ｌ］）｝＾（１／３）ただし、Ｈ（Ｘ）は前記ベースからの距離Ｘに関するロードビーム（１２）の前記高さ（２８）、Ｐは前記ロードビーム（１２）の単位長当たりに加えられた力、Ｌは前記ロードビーム（１２）の全長、Ｅは前記ロードビーム（１２）の弾性係数、Ｂは前記ロードビーム（１２）の幅（３０）、に従って変化する請求項１に記載のＳＡＷ加速度計。
【請求項７】
前記ロードビーム（１２）の幅（３０）が、実質的に、式Ｂ（Ｘ）＝Ｐ＊（Ｘ＾２）＊（６＊Ｌ＾２−４＊Ｘ＊Ｌ＋Ｘ＾２）／｛（２＊Ｅ＊Ｈ＾３）＊［（Ｌ＾２−Ｘ＾２）＾（１／２）−Ｌ］｝ただし、Ｂ（Ｘ）はベースからの距離Ｘに関するロードビーム（１２）の前記幅（３０）、Ｐは前記ロードビーム（１２）に沿った単位長当たりに加えられた力、Ｌは前記ロードビーム（１２）の全長、Ｅは前記ロードビーム（１２）の弾性係数、Ｈは前記ロードビーム（１２）の高さ（２８）、に従って変化する請求項１に記載のＳＡＷ加速度計。
【請求項８】
ベースの近位端に取り付けられ、そこから長手方向に延びるロードビーム（１２）であって、前記ロードビーム（１２）が長手方向に変化する断面を有して前記ロードビーム（１２）上に課された荷重に応答して実質的に放射状にたわむロードビームを、実質的に放射状にたわませるステップを含む、加速度の検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
表面弾性波（ＳＡＷ）デバイスは、加速度計としての使用を含み、多くの用途がある周知の検出手段である。
【背景技術】
【０００２】
一般的なＳＡＷデバイスは、構造体の表面を通って伝播する弾性波の速度の変化を測定することにより動作する。速度は、構造体上の１箇所で波を励起し、別の箇所でその到着を検出することにより測定される。速度は、構造体中に定常波が発生する共振周波数を測定することによっても測定される。
【０００３】
ある一般的なＳＡＷデバイスでは、１つまたは複数のインターデジタル変換器（ＩＤＴ）が、互いに離隔された水晶などの圧電材料から作られた構造体に取り付けられる。電気信号が変換器に入力され、これが構造体の圧電特性により表面弾性波を生じる。構造体中に定常波が生成され、その周波数は、構造体中のひずみにつれて変化する。変換器に接続された発振器によって共振周波数が測定され、構造体に及ぼされた力を算定するのに使用される。
【０００４】
ＩＤＴは、一般に、測定された波の進行方向に対して垂直に延びる一連のフィンガを個々に有する２つの導電性パターンによって形成される。２つの導電性パターンのフィンガは、局所的に励起されたいかなる電圧も２つのパターン間の電圧差に帰着するように組み合わせられる。
【０００５】
ＳＡＷ加速度計は、プルーフマスまたはロードビーム自体の質量によってロードビームに及ぼされた慣性力に起因するロードビーム中のひずみを検出する。材料には、水晶など、材料中の波の速度が材料上のひずみの増加につれて増加するものがある。したがって、表面波の速度の増加または表面波の共振周波数の増加が、加速度の増加にマッピングされ得る。
【０００６】
従来システムで使用されるような一定断面のビームは、一般に、ロードビームに沿った位置につれてロードビーム中のひずみ量が変化するように放物線状にたわむ。これは、ＩＤＴのフィンガ間の距離が不均等に変化することに帰着する。フィンガが不均等に広がると、単一周波数または狭帯域周波数ではなく、結果的に広帯域周波数を検出することになる。
【０００７】
不均等なひずみは、ロードビームに沿った伝播速度の不均等な変化の原因にもなる。そしてまた、このことは、ロードビーム中に生じる定常波の周波数帯域を広げる。ロードビーム中の共振周波数は発振器によって測定されるが、この発振器はＩＤＴ中にある周波数の間をジャンプする傾向を有することになり、ノイズの原因となる。広帯域の周波数が存在すると、ノイズの振幅がより大きい。
【０００８】
ＳＡＷ加速度計の出力は、しばしば車両の速度および位置を算定するために積分される。したがって、加速度計の出力中のいかなるノイズまたは誤差も積分計算によって度合を増すことになり、誤ったナビゲーションデータの原因となる。したがって、ＳＡＷ加速度計の精度を改善するための手段を供給することは、この技術の進歩になるであろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、ＳＡＷ加速度計の精度を改善する方法およびシステムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一方法は、ロードビームが加えられた荷重に応答して放射状にたわむように、長手方向軸において変化する断面を有するロードビームを形成することを含む。ＩＤＴは、ロードビームの１つまたは複数の表面に取り付けられる。断面は、ロードビームの自由端に位置付けられた１点荷重またはロードビームの全長に沿って分布する荷重に応答して放射状のたわみをもたらすように選択される。放射状のたわみは、ＩＤＴを形成するフィンガなどの要素間の距離のひずみによってもたらされたいかなる増加も、確実にロードビーム１２に及ぼされた力に比例するような、ロードビームの全長に沿った均等なひずみを助長する。このように、距離の増加によってもたらされるバイアス誤差が低減される。
【００１１】
一実施形態では、放射状のたわみをもたらす断面は、ロードビームの側面の片方または両方の輪郭を削ってロードビームの幅を変化させることにより形成される。そのような輪郭削りは、フォトリソグラフィ、深いイオンエッチング、または類似のものによって行われ得る。他の実施形態では、磁気流体学的仕上げ加工（ＭＲＦ）またはダイヤモンド鋸を使用して、上面および下面の片方または両方の輪郭を削って、断面が変化させられる。
【００１２】
本発明の好ましい別の実施形態が、以下の図面を参照しながら、以下で詳細に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１を参照すると、表面弾性波（ＳＡＷ）加速度計１０は、その最上面上に変換器１４を有するロードビーム１２を含む。実施形態には、第２の変換器１６が、ロードビーム１２の下側表面に取り付けられるものがある。リード線１８は、信号処理回路（図示せず）に変換器１４、１６を接続する。プルーフマス２０が、ロードビーム１２の自由端に取り付けられる。あるいは、プルーフマス２０が省略され、ロードビーム１２自体に及ぼされた慣性力がロードビーム１２中の応力をもたらす。ロードビーム１２は、ロードビーム１２がそれと一緒に一体構造に形成される水晶のブロックなどの支持構造体２２に取り付けられる。
【００１４】
引き続き図１を参照しながら図２を参照すると、ロードビーム１２の断面は、支持構造体２２からの距離２４につれて変化し、ビームが放射状にたわんで曲線２６によって示されるような円弧に近づく。断面は、高さ２８、幅３０、またはその両方で変化し得る。高さと幅における変化は、ロードビーム１２の１つまたは複数の側面の輪郭を削ることにより達成され得る。従来システムで一般に使用されるような一定断面のビームは、曲線３２によって示されるように放物線状にたわむ。曲線３２のひずみ量がロードビーム１２に沿って位置につれて変化するのに対して、曲線２６がビームの全長に沿って実質的に一定のひずみを有することは容易に理解できる。
【００１５】
本発明は、ロードビーム１２に沿って実質的に均一なひずみもたらす、ロードビームの放射状のたわみを提供する。ロードビーム１２に沿ったひずみが実質的に一定であると、ＩＤＴ１４、１６を形成する複数のフィンガ３４の間の離隔距離のいかなる増加もロードビームに及ぼされた力に比例することが確実になる。離隔距離の増加によって導入された変化が測定された変量に比例するかぎり、これは精度を向上させる。ビームの全長に沿ったひずみが実質的に均等であると、ロードビーム１２中の共振周波数の帯域が狭くなって、共振周波数を検出する発振器がより小さな周波数帯域内でジャンプすることになりノイズも低減する。
【００１６】
図３は、放射状のたわみを有するロードビーム１２を形成する方法３６を示す。ブロック３８で、加速度計１０向けの固有加速度が求められる。固有加速度は、最大値、平均値、または加速度計が最も受けやすい加速度でよい。実施形態には、各々異なる固有加速度を有する複数の加速度計が使用され、加速度計１０が受けるであろう加速度の範囲をたどって各々が異なる箇所で放射状のたわみを有することになるものがある。
【００１７】
ブロック４０で、求められた固有加速度でロードビーム１２に及ぼされる慣性力が求められる。ブロック４２で、その固有慣性力の下で放射状のたわみを実現するロードビームのプロファイルが算定される。ブロック４４で、ブロック４２で算定されたプロファイルに従ってロードビーム１２のプロファイルが形成される。
【００１８】
図４を参照すると、実施形態には、ロードビーム１２の幅３０が距離につれて変化されて所望のたわみを実現するものがある。幅の変化は、ロードビーム１２の片方または両方の側面の輪郭を削ることにより達成され得る。そのような実施形態では、ロードビームのプロファイルは、一般に、フォトリソグラフィ、プラズマ酸化物エッチング、または類似の半導体形成方法によって水晶ウェハ４６中に形成される。主にロードビームの自由端に慣性力が及ぼされるようにプルーフマス２０が使用される場合、式１が、支持体２２からの距離２４に関してロードビーム１２のおおよその幅を規定する。式１および以下の他の式で、Ｂ（Ｘ）はベースからの距離Ｘに関するロードビームの幅、Ｆはプルーフマス２０によってロードビーム１２の自由端の最も近くに加えられた固有の力、Ｌはロードビーム１２の全長（すなわち支持体２２からプルーフマス２０までの距離）、Ｅはロードビームの弾性係数、Ｈはロードビームの高さである。
【００１９】
【数１】
2007171192.tif 000003
【００２０】
加速度を検出するために、慣性力がロードビーム１２の質量自体に及ぼされるかまたは分布荷重が使用される実施形態では、幅は、式２によって算定され、Ｐはロードビーム１２に沿った単位長当たりの慣性力の総計と等しい。
【００２１】
【数２】
2007171192.tif 000004
【００２２】
図５を参照すると、実施形態には、ロードビーム１２の高さ２８が変化されて、放射状のたわみを実現するものがある。高さ２８は、上面および下面の片方または両方の輪郭を削ることにより変化され得る。高さの変化は、ロードビーム１２の一部分でドエルして材料を除去し所望の高さプロファイルが形成されるようにプログラムされた磁気流体学的仕上げ加工（ＭＲＦ）装置４８によって実現され得る。あるいは、ダイヤモンド鋸または類似の切断ツールも使用され得る。そのような実施形態では、高さ２８は、式３に従って支持体２２からの距離２４につれて変化する。ただし、Ｈ（Ｘ）は支持体２２からの距離Ｘに関するロードビームの高さ２８、Ｂは幅３０、Ｆはプルーフマス２０によって及ぼされた慣性力である。
【００２３】
【数３】
2007171192.tif 000005
【００２４】
慣性力を検出するためにロードビーム１２の質量自体が使用されるかまたは分布荷重が使用される実施形態では、高さ２８は式４によって算定される。
【００２５】
【数４】
2007171192.tif 000006
【００２６】
上記の式は以下のことを想定する。
・ロードビーム１２の放射状たわみＹ（Ｘ）は、次式によって求められる。
【００２７】
【数５】
2007171192.tif 000007
【００２８】
・ロードビーム１２の慣性モーメントＩは、次式によって算定される。
【００２９】
【数６】
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【００３０】
・ロードビーム１２中のたわみＹ（Ｘ）は、慣性モーメントＩの関数であり、図１のプルーフマス２０によって片持ち梁ビームの支持からの距離Ｌに課されたものなど点荷重Ｆの場合は、次式によって記述される。
【００３１】
【数７】
2007171192.tif 000009
【００３２】
・図４に示される、プルーフマス２０のないロードビーム１２に及ぼされる慣性力など、分布荷重Ｐの場合の慣性モーメントＩの関数としてのロードビーム１２中のたわみＹ（Ｘ）は、次式によって記述される。
【００３３】
【数８】
2007171192.tif 000010
【００３４】
上記の式は、実質的に放射状のたわみを有するロードビーム１２のプロファイルを求める一方法の説明となる。コンピュータによるモデリングと実験を含む他の方法が、特定の荷重下で放射状のたわみをもたらすプロファイルを求めるために使用され得る。幅および高さの両方を変化させることによっても放射状のたわみが作成され得る。断面の基本形状は、正方形、長方形または放射状のたわみをもたらす他の任意の形状でよい。
【００３５】
本発明の好ましい実施形態が、前述のように図示され説明されてきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、多くの変更形態が作成され得る。したがって、本発明の範囲は、好ましい実施形態の開示によって限定されるものではない。そうではなくて、本発明は完全に以下の特許請求の範囲を参照することによって判断されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態によるＳＡＷ加速度計の斜視図である。
【図２】従来技術のロードビームのたわみおよび本発明の一実施形態によって形成されたロードビームのたわみのグラフである。
【図３】本発明の一実施形態によってロードビームを形成する方法のプロセスの流れ図である。
【図４】本発明の一実施形態によってシリコンウェハ中に形成された複数のロードビームの上面図である。
【図５】本発明の一実施形態によって磁気流体学的仕上げ加工を受けるロードビームの側面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０  表面弾性波（ＳＡＷ）加速度計
１２  ロードビーム
１４  ＩＤＴ
１６  ＩＤＴ
１８  リード線
２０  プルーフマス
２２  支持構造体
２４  支持構造体２２からの距離
２６  本発明によるロードビームのたわみ曲線
２８  ロードビームの高さ
３０  ロードビームの幅
３２  一定断面のビームのたわみ曲線
３４  フィンガ
３６  ロードビーム１２を形成する方法
３８  加速度計１０向けの固有加速度を求めるステップ
４０  ロードビーム１２に及ぶ慣性力を求めるステップ
４２  ロードビーム１２のプロファイルを算定するステップ
４４  ロードビーム１２のプロファイルを形成するステップ
４６  水晶ウェハ
４８  磁気流体学的仕上げ加工（ＭＲＦ）装置
【図１】
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【図２】
2007171192.tif 000012
【図３】
2007171192.tif 000013
【図４】
2007171192.tif 000014
【図５】
2007171192.tif 000015
【外国語明細書】
2007171192000001.pdf