(57)【要約】【課題】本発明は、慣性センサー及びこれを用いた加速度測定方法に関する。【解決手段】本発明の一実施例による慣性センサーは、メンブレインと、前記メンブレインの下部に備えられた質量体と、前記メンブレイン上に形成され、圧電体を含む検知手段と、前記検知手段から離隔して形成され、圧電体を含むバネ定数調節手段と、を含む。本発明によると、既存圧電体を含む慣性センサーの構造を変更せずに、バネ定数の変化を利用してＤＣ加速度（特に、重力加速度）を測定することができる。【選択図】図１
2013125025.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メンブレインと、
前記メンブレインの下部に備えられた質量体と、
前記メンブレイン上に形成され、圧電体を含む検知手段と、
前記検知手段から離隔して形成され、圧電体を含むバネ定数調節手段と、を含む慣性センサー。
【請求項２】
前記バネ定数調節手段に正弦波状の電圧を継続して印加し、前記メンブレインのバネ定数の変化によって発生する前記メンブレインの変位の変化量を算出し、前記算出された変位の変化量によって圧電体に発生する電荷量を検知手段を介して検知することにより、ＤＣ加速度を測定することを特徴とする請求項１に記載の慣性センサー。
【請求項３】
前記メンブレイン上に形成され、前記検知手段及びバネ定数調節手段から離隔して形成され、圧電体を含む駆動手段をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の慣性センサー。
【請求項４】
前記メンブレインの上部または下部に形成された圧電体をさらに含み、
前記検知手段は、前記駆動手段より前記圧電体の中心に近いことを特徴とする請求項３に記載の慣性センサー。
【請求項５】
前記メンブレインの上部または下部に形成された圧電体をさらに含み、
前記検知手段は、前記駆動手段より前記圧電体の中心から遠いことを特徴とする請求項３に記載の慣性センサー。
【請求項６】
前記バネ定数調節手段は、前記検知手段から離隔して形成され、中空の円形状に形成されることを特徴とする請求項１に記載の慣性センサー。
【請求項７】
メンブレインのバネ定数を変化させるために、バネ定数調節手段に正弦波の駆動電圧が印加される段階と、
前記メンブレインのバネ定数の変化量からメンブレインの変位の変化量を算出する段階と、
前記算出された変位の変化量によって圧電体に発生する電荷量を検知手段を介して検知することにより、ＤＣ加速度を測定する段階と、を含む慣性センサーの加速度測定方法。
【請求項８】
前記バネ定数調節手段に印加される駆動電圧は、正弦波状に継続して印加されることを特徴とする請求項７に記載の慣性センサーの加速度測定方法。
【請求項９】
前記バネ定数調節手段は、慣性センサーに形成される駆動手段であることを特徴とする請求項７に記載の慣性センサーの加速度測定方法。
【請求項１０】
前記バネ定数調節手段に印加される駆動電圧の変化率に対して、前記メンブレインの共振周波数の変化率は±２％であり、これによる前記メンブレインのバネ定数の変化率は±４％であることを特徴とする請求項７に記載の慣性センサーの加速度測定方法。
【請求項１１】
前記バネ定数調節手段は、前記検知手段から離隔して形成され、中空の円形状に形成されることを特徴とする請求項７に記載の慣性センサーの加速度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、慣性センサー及びこれを用いた加速度測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、慣性センサーは、人工衛星、ミサイル、無人航空機などの軍需用からエアバッグ（Ａｉｒ  Ｂａｇ）、ＥＳＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌ）、車両用ブラックボックス（Ｂｌａｃｋ  Ｂｏｘ）などの車両用、カムコーダの手ぶれ防止用、携帯電話やゲーム機のモーションセンシング用、ナビゲーション用まで様々な用途に使用されている。
【０００３】
このような慣性センサーは、加速度と角速度を測定するために、通常、メンブレイン（Ｍｅｍｂｒａｎｅ）などの弾性基板に質量体を接着した構成を取っている。前記構成により、慣性センサーは質量体に印加される慣性力を測定して加速度を算出したり、質量体に印加されるコリオリの力を測定して角速度を算出することができる。
【０００４】
具体的に、慣性センサーを用いて加速度と角速度を測定する方式を説明すると以下のとおりである。先ず、加速度は、ニュートンの運動法則「Ｆ＝ｍａ」式によって求めることができ、ここで、「Ｆ」は質量体に作用する慣性力、「ｍ」は質量体の質量、「ａ」は測定しようとする加速度である。このうち、質量体に作用する慣性力（Ｆ）を検知して一定値である質量体の質量（ｍ）で割ると、加速度ａを求めることができる。また、角速度は、コリオリの力（Ｃｏｒｉｏｌｉｓ  Ｆｏｒｃｅ）「Ｆ＝２ｍΩ×ｖ」式によって求めることができ、ここで「Ｆ」は質量体に作用するコリオリの力、「ｍ」は質量体の質量、「Ω」は測定しようとする角速度、「ｖ」は質量体の運動速度である。このうち、質量体の運動速度（ｖ）と質量体の質量（ｍ）は既に認知している値であるため、質量体に作用するコリオリの力（Ｆ）を検知すると角速度（Ω）を求めることができる。
【０００５】
一方、従来技術による慣性センサーは、韓国公開特許公報第１０−２０１１−００７２２２９号に開示されたように、質量体を駆動させたり質量体の変位を検知するためにメンブレインの上部には圧電体が備えられる。しかし、従来技術のように圧電体で質量体の変位を検知して加速度を測定する場合、発生した電荷が消滅したり温度に敏感な圧電体の特性のため、静的な（ｓｔａｔｉｃ）ＤＣ加速度（特に、重力加速度）を測定するのが難しいという問題点が存在する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために導き出されたものであって、本発明の目的は、圧電体に正弦波状の低周波電圧を継続して印加することにより、バネ定数の変化を用いて慣性センサーによるＤＣ加速度を測定する慣性センサー及びこれを用いた加速度測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によると、メンブレインと、前記メンブレインの下部に備えられた質量体と、前記メンブレイン上に形成され、圧電体を含む検知手段と、前記検知手段から離隔して形成され、圧電体を含むバネ定数調節手段と、を含む。
【０００８】
ここで、前記バネ定数調節手段に正弦波状の電圧を継続して印加し、前記メンブレインのバネ定数の変化によって発生する前記メンブレインの変位の変化量を算出し、前記算出された変位の変化量によって圧電体に発生する電荷量を検知手段を介して検知することにより、ＤＣ加速度を測定することを特徴とする。
また、前記メンブレイン上に形成され、前記検知手段及びバネ定数調節手段から離隔して形成され、圧電体を含む駆動手段をさらに含むことを特徴とする。
また、前記メンブレインの上部または下部に形成された圧電体をさらに含み、前記検知手段は、前記駆動手段より前記圧電体の中心に近いことを特徴とする。
また、前記メンブレインの上部または下部に形成された圧電体をさらに含み、前記検知手段は、前記駆動手段より前記圧電体の中心から遠いことを特徴とする。
また、前記バネ定数調節手段は、前記検知手段から離隔して形成され、中空の円形状に形成されることを特徴とする。
【０００９】
本発明による慣性センサーのＤＣ加速度測定方法は、メンブレインのバネ定数を変化させるために、バネ定数調節手段に正弦波の駆動電圧が印加される段階と、前記メンブレインのバネ定数の変化量からメンブレインの変位の変化量を算出する段階と、前記算出された変位の変化量によって圧電体に発生する電荷量を検知手段を介して検知することにより、ＤＣ加速度を測定する段階と、を含む。
ここで、前記バネ定数調節手段に印加される駆動電圧は、正弦波状に継続して印加されることを特徴とする。
また、前記バネ定数調節手段は、慣性センサーに形成される駆動手段であることを特徴とする。
【００１０】
また、前記バネ定数調節手段に印加される駆動電圧の変化率に対して、前記メンブレインの共振周波数の変化率は±２％であり、これによる前記メンブレインのバネ定数の変化率は±４％であることを特徴とする。
また、前記バネ定数調節手段は、前記検知手段から離隔して形成され、中空の円形状に形成されることを特徴とする。
本発明の特徴及び利点は添付図面に基づいた以下の詳細な説明によってさらに明らかになるであろう。
【００１１】
本発明の詳細な説明に先立ち、本明細書及び請求範囲に用いられた用語や単語は通常的かつ辞書的な意味に解釈されてはならず、発明者が自らの発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則にしたがって本発明の技術的思想にかなう意味と概念に解釈されるべきである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、既存の圧電体を含む慣性センサーの構造を変更せずに、バネ定数の変化を用いてＤＣ加速度（特に、重力加速度）を測定できる効果がある。
また、バネ定数を変化させるための別のバネ定数調節手段を備えることにより、より信頼性のあるＤＣ加速度（特に、重力加速度）を測定できる効果がある。
【００１３】
また、既存の圧電体を含む慣性センサーの製作工程を用いることができるため、ＤＣ加速度（特に、重力加速度）を測定できる慣性センサーの生産性を向上できる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の目的、特定の長所及び新規の特徴は添付図面に係わる以下の詳細な説明及び好ましい実施例によってさらに明らかになるであろう。本明細書において、各図面の構成要素に参照番号を付け加えるに際し、同一の構成要素に限っては、たとえ異なる図面に示されても、できるだけ同一の番号を付けるようにしていることに留意しなければならない。また、「一面」、「他面」、「第１」、「第２」などの用語は一つの構成要素を他の構成要素と区別するために使用されるものであって、構成要素は前記用語によって制限されない。また、本発明を説明するにあたり、係わる公知技術についての具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にする可能性があると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施例について詳細に説明する。
【００１５】
図２は、本発明の慣性センサーによるＤＣ加速度（特に、重力加速度）に対する加速度ａ、バネ定数ｋ及び変位ｕの関係を示すグラフであり、図３は、本発明の一実施例による慣性センサーに電圧を印加した場合の断面図であり、図４は、図３による慣性センサーが電圧印加後に元の位置に戻った状態を示す断面図であり、図５は、図３及び図４に示した慣性センサーの平面図である。
【００１６】
本発明の一実施例による慣性センサーは、メンブレイン１１０と、前記メンブレイン１１０の下部に備えられた質量体１２０と、前記メンブレイン１１０上に形成され、圧電体を含む検知手段１３０と、前記検知手段１３０から離隔して形成され、圧電体を含むバネ定数調節手段１４０と、を含む。
【００１７】
前記メンブレイン１１０は、板状に形成され、質量体１２０を変位させることができるように弾性を有する。ここで、メンブレイン１１０の境界は正確に区別されないが、図示されたように、メンブレイン１１０の中央部分１１３と、メンブレイン１１０の外側に沿って備えられた縁１１５とに区画されることができる。この際、メンブレイン１１０の中央部分１１３の下部には質量体１２０が備えられ、メンブレイン１１０の縁１１５の下部にはポスト１６０が備えられる。従って、メンブレイン１１０の縁１１５は、ポスト１６０に支持されて固定され、固定されたメンブレイン１１０の縁１１５を基準にメンブレイン１１０の中央部分１１３には質量体１２０の動きに対応する変位が発生する。
【００１８】
より具体的に、質量体１２０とポスト１６０について説明すると、質量体１２０は、メンブレイン１１０の中央部分１１３の下部に備えられ、慣性力やコリオリの力によって変位が発生する。また、ポスト１６０は、中空型に形成され、メンブレイン１１０の縁１１５の下部を支持することにより、質量体１２０を変位させる空間を確保する機能を行う。ここで、質量体１２０は、例えば、円柱形状に形成されることができ、ポスト１６０は、中心に円柱形状の空洞が形成された四角柱形状に形成されることができる。即ち、横断面から見て、質量体１２０は、円形に形成され、ポスト１６０は、中央に円形の開口が備えられた正方形に形成される。但し、質量体１２０とポスト１６０の形状はこれに限定されず、当業界に公知された全ての形状に質量体１２０とポスト１６０を形成できることは言うまでもない。一方、前記メンブレイン１１０、質量体１２０及びポスト１６０は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板などのシリコン基板を選択的にエッチングして形成することができる。
【００１９】
また、質量体１２０がメンブレイン１１０の中央部分１１３に接合されなければならず、ポスト１６０がメンブレイン１１０の縁１１５に接合されなければならないため、質量体１２０とメンブレイン１１０の中央部分１１３との間及びポスト１６０とメンブレイン１１０の縁１１５との間には、接合層１９０が備えられることができる。
【００２０】
メンブレイン１１０には、圧電体が備えられて質量体１２０を駆動させたり、質量体１２０の変位を検知することができる。ここで、圧電体は、ＰＺＴ（Ｌｅａｄ  ｚｉｒｃｏｎａｔｅ  ｔｉｔａｎａｔｅ）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、チタン酸塩（ＰｂＴｉＯ３）、ニオブ酸カリウム（ＬｉＮｂＯ３）または二酸化珪素（ＳｉＯ２）などで形成されることができる。具体的に、圧電体に電圧が印加されると、圧電体が膨脹及び縮小する逆圧電効果が発生し、このような逆圧電効果を利用して、メンブレイン１１０の下部に備えられた質量体１２０を駆動させることができる。反対に、圧電体に応力が印加されると、電位差が現われる圧電効果が発生し、このような圧電効果を利用して、メンブレイン１１０の下部に備えられた質量体１２０の変位を検知することができる。また、圧電体の逆圧電効果と圧電効果を領域別に利用するために、圧電体は、複数個でパターニングされて形成されることができる。例えば、圧電体は、図５に図示されたようにパターニングされることができる。このうち、内側に備えられた４個の圧電体は、質量体１２０の変位を検知する検知手段１３０であってもよく（圧電効果利用）、外側に備えられた４個の圧電体は、質量体１２０を駆動させる駆動手段１５０であってもよい（逆圧電効果利用）。また、本発明では、別のバネ定数調節手段１４０が検知手段１３０と駆動手段１５０との間に形成されることができる。但し、パターニングされたバネ定数調節手段１４０の個数及び検知手段１３０と駆動手段１５０の位置は、前記構成に限定されず、様々に変形されることができる。例えば、慣性センサーを加速度センサーのみに活用する場合、角速度を測定するために質量体１２０を駆動させる必要がないため、駆動手段１５０が省略されることもできる。
【００２１】
前記圧電体の逆圧電効果と圧電効果を利用すると、慣性センサーは、通常の加速度と角速度を測定することができる。但し、重力加速度などの静的な（ｓｔａｔｉｃ）ＤＣ加速度は、圧電体の特性（発生した電荷が消滅したり温度に敏感）によって、圧電体のみで測定するのが難しい。しかし、本発明では、人為的にメンブレイン１１０のバネ定数を変化させ、バネ定数の変化に伴って発生するメンブレイン１１０の変位の変化量を算出し、メンブレイン１１０の変位差によって圧電体を含むバネ定数調節手段１４０から発生する圧電効果による電荷量を検知手段１３０によって測定することで、質量体１２０に作用するＤＣ加速度を測定することができる。質量体１２０にＤＣ加速度による力Ｆが印加される場合には、バネ定数ｋを変化させることにより、変位ｘをともに変化させることができる（Ｆ＝ｋｘの関係が成立するため）。従って、このようなメンブレイン１１０に変位が変化されると、メンブレイン１１０上に形成された圧電体を含むバネ定数調節手段１４０が圧電体に応力が印加されることに伴い圧電効果によって発生する電荷量を検知手段１３０を介して測定することにより、質量体１２０に印加されるＤＣ加速度を測定することができる。
【００２２】
従来、図１のように、ＤＣ加速度が印加される場合、最初に印加された加速度ａの力によってバネ定数ｋ及び変位ｕが変化するが、以降、一定に作用するＤＣ加速度によってそれ以上変位が発生しないため、圧電体により発生する電荷量が消滅するため、ＤＣ加速度を測定できなかった。
【００２３】
しかし、本発明では、前記のように、圧電体を含むバネ定数調節手段１４０に人為的な正弦波（ｓｉｎｅ）状の駆動電圧を継続して印加することにより、バネ定数を変化させる。即ち、図３に図示されたように、人為的にバネ定数調節手段１４０の圧電体に、正弦波状の電圧を継続して印加すると、メンブレイン１１０の変位が生じる。以降、電圧が遮断されると、図４に図示されたように、メンブレイン１１０が最初ＤＣ加速度が適用された位置に戻る。この場合、図２に図示されたグラフのように、バネ定数ｋの変化量が周期的に発生し、これによって変位ｕにも一定幅の変化量が発生する。このようなバネ定数ｋ及び変位ｕの変化量により圧電体で電荷が発生し、これによって検知手段１３０に電圧が印加され、これを制御部（不図示）で測定及び計算することにより、ＤＣ加速度を測定することができる。
【００２４】
メンブレイン１１０の変位が変化すると、圧電体で発生した電荷により検知手段１３０に電圧が印加され、制御部（不図示）で検知手段１３０で発生した電圧を測定及び解釈し、質量体１２０に作用するＤＣ加速度を測定することができる。即ち、既に説明したように、メンブレイン１１０のバネ定数を変化させ、メンブレイン１１０の変位を発生させることにより、このような変位の変化量によって発生するバネ定数調節手段１４０の圧電体から発生する電荷量を用いて質量体１２０に作用するＤＣ加速度を測定することができる。
【００２５】
バネ定数調節手段１４０は、圧電体を含んで検知手段１３０から離隔して形成される。バネ定数調節手段１４０の圧電体に正弦波状の周期的な電圧を印加することにより、質量体にＤＣ加速度が適用された場合、バネ定数を変化させることができる。前記のように、バネ定数の変化量に基づき、メンブレイン１１０の変位の変化量を測定し、これによって圧電体から発生する電荷量を検知手段１３０で測定することにより、最終的にＤＣ加速度を測定することができる。
【００２６】
特に、バネ定数調節手段１４０は、図５のように、検知手段１３０から離隔して中空の円形に形成されることができるが、このような形態に限定されない。即ち、検知手段１３０の形態のようにパターニングされて形成されることもできる。
【００２７】
また、本発明の他の実施例により慣性センサーの加速度を測定する場合には、前記のように、質量体１２０を駆動させる必要がないため、既存の駆動手段１５０に代わって本発明のバネ定数調節手段１４０を使用できることは言うまでもない（図８参照）。図６及び図７に図示された駆動手段１５０に、人為的に正弦波状の周期的な電圧を印加することにより発生するメンブレイン１１０の変位が変化し、これによって発生する駆動手段１５０に含まれた圧電体で発生する電荷量によりＤＣ加速度を測定することは、バネ定数調節手段１４０において既に説明したため、詳細な説明は省略する。
【００２８】
駆動手段１５０は、角速度を測定するために存在するものであって、圧電体に電圧を印加して、圧電体がメンブレイン１１０を振動させることができるようにする機能を行う。即ち、駆動手段１５０は、検知手段１３０と同様に、電圧が印加されることができる電極部が形成されることができる。具体的に、駆動手段１５０の電極部に電圧を印加すると、圧電体に電気的エネルギーが印加されて駆動力が発生し、それによってメンブレイン１１０を振動させることができる。これにより角速度を測定することができる。但し、本発明では、加速度を測定するために別の駆動手段１５０を必要としないため、駆動手段１５０に代わってバネ定数調節手段１４０を使用することができる。
【００２９】
本発明では、圧電体を含む検知手段１３０またはバネ定数調節手段１４０に対して説明しているが、メンブレイン１１０上に圧電体が形成され、前記圧電体上に検知手段１３０やバネ定数調節手段１４０または駆動手段１５０が別に形成されることができるのは言うまでもない。
【００３０】
本発明による慣性センサーを介して質量体１２０に印加されるＤＣ加速度を測定する方法は、メンブレイン１１０のバネ定数を変化させるためにバネ定数調節手段１４０に正弦波の駆動電圧が印加される段階と、前記メンブレイン１１０のバネ定数の変化量からメンブレイン１１０の変位の変化量を算出する段階と、前記算出された変位の変化量によって圧電体に発生する電荷量を検知手段１３０を介して検知することにより、ＤＣ加速度を測定する段階と、を含む。
前記バネ定数調節手段１４０に印加される駆動電圧は、正弦波状に継続して印加されることを特徴とする。
前記バネ定数調節手段１４０は、慣性センサーに形成される駆動手段１５０を利用することができることは既に説明した。
【００３１】
前記バネ定数調節手段１４０に印加される駆動電圧の変化率に対して共振周波数の変化率は±２％であり、これによるバネ定数の変化率は±４％であることを特徴とする。図９に図示されたように、電圧を順に印加した場合、共振周波数が減少される傾向が見られる。即ち、圧電体に電圧を印加すると、材料の剛性が変化するため、周波数（共振周波数）が変化する。即ち、共振周波数の変化によってバネ定数を変化させることができる。図９のグラフを参照すると、共振周波数は±２％の変化が測定され、この際バネ定数が±４％に変化されることが分かる。そのため、圧電体に正弦波状の周期的な電圧を印加することにより、メンブレイン１１０のバネ定数を周期的に変化させることができる。
前記バネ定数調節手段１４０は、前記検知手段１３０から離隔して形成され、中空の円形状に形成されることができる。
その他の構成及び方法の詳細な内容は既に説明したため、重複する内容については省略する。
【００３２】
以上、本発明を具体的な実施例に基づいて詳細に説明したが、これは本発明を具体的に説明するためのものであり、本発明による慣性センサー及びこれを用いた加速度測定方法はこれに限定されず、該当分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想内にての変形や改良が可能であることは明白であろう。
本発明の単純な変形乃至変更はいずれも本発明の領域に属するものであり、本発明の具体的な保護範囲は添付の特許請求の範囲により明確になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来の静的な（ｓｔａｔｉｃ）ＤＣ加速度（特に、重力加速度）に対する加速度ａ、バネ定数ｋ及び変位ｕの関係を示すグラフである。
【図２】本発明の慣性センサーによるＤＣ加速度（特に、重力加速度）に対する加速度ａ、バネ定数ｋ及び変位ｕの関係を示すグラフである。
【図３】本発明の一実施例による慣性センサーに電圧を印加した場合の断面図である。
【図４】図３による慣性センサーが電圧印加後に元の位置に戻った状態を示す断面図である。
【図５】図３及び図４による慣性センサーの平面図である。
【図６】本発明の他の実施例よる慣性センサーに電圧を印加した場合の断面図である。
【図７】図６による慣性センサーが電圧印加後に元の位置に戻った状態を示す断面図である。
【図８】図６及び図７による慣性センサーの平面図である。
【図９】本発明のバネ定数調節手段に印加される電圧と共振周波数との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３４】
１１０  メンブレイン
１１３  メンブレインの中央部分
１１５  メンブレインの縁
１２０  質量体
１３０  検知手段
１４０  バネ定数調節手段
１５０  駆動手段
１６０  ポスト
１９０  接合層
【図１】
2013125025.tif 000003
【図２】
2013125025.tif 000004
【図３】
2013125025.tif 000005
【図４】
2013125025.tif 000006
【図５】
2013125025.tif 000007
【図６】
2013125025.tif 000008
【図７】
2013125025.tif 000009
【図８】
2013125025.tif 000010
【図９】
2013125025.tif 000011