JP4839312B2 - 対流加速度計 - Google Patents

Description

本発明は、ＭＥＭＳ加速度計に関し、より詳細には、外部から加えられる加速度、又は自由対流の作用のもとで液体の流れによって生成される電流の変化を測定することにより、加速度、傾斜、位置及び速度を測定する、流体含有変換器ベースのＭＥＭＳ加速度計に関する。

輸送、ナビゲーション、ロボット工学、家庭用電化製品、玩具、及び医療機器、特に矯正装置を含む多くの分野において、様々なタイプの加速度計が広範な用途を見いだしてきた。

加速度、傾斜、速度、及び動きを測定するために、現在、様々な機械式及び電気機械式計器が使用され、圧電計器及び圧電抵抗計器、並びに力平衡式、容量式又は対流式の加速度計が含まれる。

フォースフィードバックを有する加速度計、又はサーボ式加速度計においては、慣性質量は、２つの永久磁石の間でばね懸架され、これら永久磁石の間で動くことができる。外部から加えられる加速度による質量の変位は、標準的な電気力学的方法によって測定される。センサの信号は増幅され、結果として生じる電流は、質量に巻かれたコイルを通過し、それにより、慣性質量をその元の位置に回復するバランス復元力を発生する。このタイプの加速度計は、高い感度及び精度を有するが、費用も高い。

角速度を測定することのできる他のタイプの速度計は、外部から加えられる加速度の作用のもとで、ノズルを介してガスを室に注入する現象に基づいている。室は、外部から加えられる加速度がない場合に、注入されたガスが各検知素子間で均一に分散されるように構成された２つのワイヤの形の検知素子を有する。加速度がある場合、ガスは各ワイヤのうちの１つの近傍に集積し、そのワイヤはもう一方のワイヤよりも冷たくなる。２つの検知素子での抵抗の差は、角速度に比例する。こうした加速度計の主に不利な点は、噴霧ノズルの存在であり、それによって計器は大きく高価になる。

他のタイプの加速度計は、対流加速度計（convective accelerometer）である。以前の対流加速度計の例は、ハウジングの中心に設置された加熱素子、及び加熱素子に対して対称になるようにハウジング内に配置された２つの温度検知素子を含む加速度計である。外部から加えられる加速度がない場合、熱せられたガスは加熱素子に対して対称に循環し、各温度センサは本質的に同じ温度であり、したがって、それらの読取り値の差はゼロに近く、それにより静止状態であることを示す。外部から加えられる加速度がある場合、この対称性は崩れ、各検知素子は互いに異なる温度になる。それぞれの温度差は、この場合外部から加えられる加速度に比例する。こうした計器の不利な点には、低いダイナミックレンジ、低い感度、及び加熱素子が存在することによる高いエネルギー消費量が含まれる。こうした加速度計はまた、純粋な回転運動を測定することができない。

したがって、広い周波数範囲及びダイナミックレンジ、小型サイズ、低消費電力、低重量、並びに低コストを実現する、非常に感度の高い加速度計が緊急に必要である。

本発明による対流加速度計は、検知素子を有するインストレーションモジュールを含むシールドハウジングを備える。ハウジングは、電解質を含む液剤をさらに備える。検知素子は導電性部材を備え、それらの非限定的な例には、穴を有する金属板及びメタルメッシュが含まれる。各導電性部材は、空間的に分離されている。直接接触しないように各導電部材の間隔を空けることによって、又は穴を有する誘電体スペーサなどのスペーサ材料を用いて物理的に分離することによって、分離を達成してもよい。金属板及び誘電体スペーサを使用するとき、各金属板及び各誘電体スペーサは、外部から加えられる加速度に起因する強制対流の条件下で各穴を介して液剤が流れるように配置される。ハウジング、液剤、並びに検知素子(sensing element)（導電部材及びあらゆるスペーサをも含む）の組合せは、本明細書においてモレキュラーエレクトロニクス変換器（ＭＥＴ）と呼ばれることに留意されたい。各検知素子を介してＭＥＴに接続される信号処理用電子機器は、出力電流を変換するために使用され、出力電流は、イオンが各検知素子に対流移動するのに従って変化し、それにより、加速度、速度又は傾斜の測定が可能になる。

本発明の１つの目的は、液体電解質を含む液剤を備えるシールドハウジング、及びハウジングに固着された少なくとも１つのインストレーションモジュールを備える対流加速度計を提供することである。対流加速度計は、対流に敏感で、インストレーションモジュール内に固定され、外部から加えられた加速度によって引き起こされる強制対流の条件下で検知素子を介して流れる液体電解質に浸される、少なくとも１つの検知素子をさらに有する。対流加速度計はまた、１つ又は複数の検知素子に接続された電気回路を有し、この電気回路は、このシステムによって生成される出力信号を増幅し処理する。

本発明の他の目的は、電解質を含む液剤を含むシールドハウジング、及びハウジングに固着される少なくとも１つのインストレーションモジュールを備える対流加速度計を提供することである。インストレーションモジュールは、外部から加えられた加速度によって引き起こされる強制対流の条件下で加速度計を介して流れる液剤中に浸される、１つの検知素子を有する。実施形態によっては、検知素子は、せん孔（punched holes）を有するいくつかのせん孔金属板、並びにせん孔を有するいくつかのスペーサを備え、スペーサは、各金属板を分離するように配置される。好ましい各実施形態では、各スペーサは、各金属板の間にギャップなしで配置され、誘電体材料から作られる。対流加速度計は、検知素子のシステムに接続され、このシステムによって生成される出力信号を増幅し処理するために使用される電気回路をさらに備える。

本発明はまた、角加速度、角速度又は傾斜を測定するための方法を提供し、それらの方法には、液剤を含む環状ハウジングと、せん孔誘電体仕切りによって分離され、ハウジングの断面に配置された導電部材の少なくとも１つの対を有する、少なくとも１つの検知素子とを提供するステップが含まれる。ハウジング内部の液剤は、角加速度の作用のもとで移動し、したがって強制対流によりイオンを検知素子まで伝達させ移動させる。この場合、各検知素子内の各導電部材からの加速度がないときの電流の変化は、角加速度、角速度又は傾斜の振幅に比例し、各検知素子及び各誘電体板の幾何特性に依存する。

本発明の他の目的は、角加速度及び／又は傾斜角を測定する方法を提供することであり、（１）環状チャネルを有するシールドハウジング内に固着されるインストレーションモジュールを設けるステップと、（２）インストレーションモジュール内の対流に敏感である少なくとも１つ検知素子を固定するステップと、（３）電解質を含む液剤をシールドハウジングに加えるステップと、（４）１つ又は複数の検知素子を電気回路に接続するステップと、（５）環状チャネルの平面と垂直な加速度計の感度の軸線の周りでハウジングを回転させることにより、又は液剤の強制対流を発生させるために、重力のベクトルに対してハウジングをある角度だけ傾けることにより、ハウジングを角加速度にさらすステップと、（６）１つ又は複数の検知素子から集められ、１つ又は複数の検知素子に接続された電気回路内で生成される出力電流の変化を測定することによって、ハウジングの角加速度又は傾斜角の値を決定するステップとを含む。

本発明の他の目的は、電解液を含む液剤で部分的に満たされたチャネルを有するシールドハウジングを備える直線加速度計を提供することである。インストレーションモジュールは、インストレーションモジュールが液剤中に浸されるように、シールドハウジング内に固着される。インストレーションモジュールは、液剤の対流に敏感で、直線加速度が対流加速度計に加えられるときに、強制対流の条件下で検知素子を介して液剤が流れるように液剤中に浸される検知素子を含む。直線加速度計はまた、検知素子に接続される電気回路を設け、前記電気回路は、前記検知素子によって生成される出力信号を増幅し処理する。

本発明の１つの目的は、きわめて感度が高い加速度計を提供することである。

本発明の他の目的は、固有雑音レベルを同時に低減しながら、広い周波数範囲及びダイナミックレンジを有する加速度計を提供することである。

本発明の他の目的は、非常に狭い場所に取り付けることができる小型の対流加速度計を提供することである。

本発明の１つの目的は、大量生産においてデザインが単純でコストが低い対流加速度計を提供することである。

本発明の目的は、角加速度、角速度又は傾斜を測定する方法であって、これらのパラメータの測定を広い周波数範囲及びダイナミックレンジにおいて高い精度で行うことができる方法を提供することである。

対流加速度計、並びに加速度計を用いて角加速度及び傾斜角を測定する方法を、例として添付図を参照してさらに説明する。

図１及び２には、シールドハウジング１、シールドハウジング１内に含まれる電解質を含む液剤２、及び検知素子４（図１）がその中に強固に固着されているインストレーションモジュール３（図１、３）を備える、本発明による対流加速度計の一実施形態が示してある。

加速度計は、対流に敏感である検知素子４（図１、４）を各々が有する、１つ又は複数のインストレーションモジュール３（図３）を含んでもよい。検知素子４（図１）は、例えば、誘電体スペーサ６によって分離された金属板の２つの対１００、２００などの導電部材５を備えてもよい。各金属板及び各スペーサは、交互に重なった層に配置され、図４に示すように、各金属板及び各スペーサの穴が一致して、穴を介して液剤（例えば、電解質を含む液剤）の流れを可能にするように位置合わせされる。簡潔にするために、図４には、２つの導電部材５（ここでは金属板として示してある）及び１つのスペーサ６だけが示してあり、それらは、外部から加速度が加えられた結果として、検知素子４を介して液剤２が自由に流れるための１つの穴７だけを有することに留意されたい。しかし、本発明は、複数の穴をもつ金属板及び誘電体スペーサを有する検知素子を企図する。例えば、導電部材５は、出力接点８、９、１０、及び１１（図２参照）を有する金属板とすることができ、誘電体スペーサ６は、図５、６、及び７に示すように、穴を空けることができる。実施形態によっては、各穴は、同じサイズ及び形状であり、規則的な格子パターンで配置される。誘電体スペーサ６は、各導電部材５の間に挿入されて、導電部材間で起こりうる電気的な短絡を防止する。しかし、実施形態によっては、誘電体スペーサはまた、検知素子４を介する液剤２の層流を起こすのに使用される。後述するように、スペーサ６の厚さはまた、測定の周波数範囲に影響を及ぼす。スペーサ６内の穴７の直径ｄ及びその数もまた、加速度計の感度を決定し、全動作周波数範囲内での加速度計の伝達関数の周波数依存度に影響を及ぼす。穴７の数及びそれらの直径ｄを増大させると、スペーサ６の水力学的インピーダンス（hydronamic impedance）は、穴７の数とそれらの直径ｄの４乗とに反比例して減少する。したがって、穴の数及び直径を変化させることにより、加速度計の伝達関数を変化させることができる。より具体的には、伝達関数の高域遮断周波数は、水力学的インピーダンスに比例し、水力学的インピーダンスが増大するにつれて周波数範囲は増大する。この点を考慮に入れて、正方形である誘電体スペーサ６に対しては、穴７の有用な数は４つ以上であり、各辺の寸法は１．５×１．５ｍｍである。さらに、穴の直径の有効範囲は、約１から約３００ミクロンであり、約２０から２００ミクロンであることが好ましい。

スペーサ６の材料は、液剤２による腐食に耐えなければならず、温度変化の結果としての損傷を避けるために、その熱膨張係数は検知素子４の他の構成部品と合致しなければならない。例えば、周期表の第４グループの元素の酸化物又はフッ化物、フォルステライト、石英、及びガラスを含む適当な材料とともに、多くの様々な材料を使用してもよい。スペーサの厚さの有効範囲は、約０．５から約１５０ミクロンである。

金属板５内の穴７及び誘電体スペーサ６の形状は、特に限定されず、どんな形状でもよい。実施形態によっては、例えば、正方形、長方形、円及び／又は長円形などの幾何学的形状が使用される。しかし、検知素子４の導電部材を通過する電流の強度は、液剤２と接触している導電部材の領域に直接比例するので、特に好ましい実施形態では、穴７は、放射状に延びる「放射部分」を有する円形開口（すなわち「星形」）である。物理的又は化学的な方法によって、導電部材及び誘電体スペーサ内に様々なタイプの穴を作製してもよく、それらの方法のうちの非限定的な例には、打抜き、レーザせん孔、化学エッチング、及び電気化学的な方法が含まれる。

図７に示すように、検知素子４は、金属板及びこれら金属板５の間に配置される１組の誘電体スペーサ６の形のいくつかの導電部材５を備えてもよいことに留意されたい。

具体的な加速度計向けに選ばれる、インストレーションモジュール３及び対応する検知素子４の数は、測定すべき加速度の必要とされるダイナミックレンジ、必要とされる直線度、周波数範囲、及び固有雑音のレベルに依存する。一般的に、インストレーションモジュール及び検知素子の数を増大させると、ダイナミックレンジ、直線性、周波数範囲は増大し、固有雑音は低減する。導電部材が金属板の形であるとき、こうした板を４枚から８枚、及び誘電体材料で作られたスペーサを３枚から７枚取り付けることが有用である。板及びスペーサは、実質上互いに平行に、また液剤２の局所流の方向に実質上垂直に取り付けられることが好ましい。

各導電部材５の間の距離は、特許請求の範囲に記載されている加速度計の伝達関数の周波数依存度に影響を及ぼす。一般的に、加速度の測定で必要とされる周波数範囲が広いほど、導電部材を互いに近付けて取り付けなければならない。

図８には、各導電部材間の距離が変化するときの、加速度計の振幅周波数特性のデータが示してある。曲線１２、１３、及び１４は、各導電部材間の距離に対応し、それぞれ１００、４０及び１０ミクロンに等しい。図８には、各導電部材間の距離を変化させることにより、様々な実際的な用途に対して加速度計の伝達関数を変化させることができることが示してある。数ｋＨｚから数十ｋＨｚまでの周波数範囲（例えば、約１ｋＨｚから約２０ｋＨｚ）の上側のカットオフを有する加速度計については、各導電部材間の距離は、約１から約１０ミクロンであることが好ましい。したがって、誘電体スペーサが導電部材を分離するために使用されるとき、誘電体スペーサは、この周波数範囲に対して、好ましくは約１から約１０ミクロンの厚さでなければならない。

図９に示すように、特許請求の範囲に記載されている加速度計の実施形態によっては、導電部材５は、複数のワイヤを含むメッシュとして作製することができる。高強度のメッシュを提供するためには、メッシュは、あや織で作製することができ、平らな出力ワイヤをメッシュに電気溶接することにより、薄板１５を介して出力接点をメッシュに接続することができる。例えば、導体素子５が正方形の形状を有するメッシュであり、各辺の寸法が１．５ｍｍであるとき、メッシュの厚さは、約５０から約９０ミクロンの範囲であり、メッシュは、直径が約２５から約４５ミクロンのワイヤを備えてもよい。一般的に言えば、直径が約１０から約９０ミクロンのワイヤは、本発明の対流加速度計用のメッシュを組み立てるのに有用である。白金グループ（グループ１０）の各金属は、メッシュを製造するのに適した材料である。しかし、導体素子の製造には、他の貴金属及びそれらの合金、或いは他の耐食性導体を使用することもできる。好ましくは平行な各ワイヤ間の間隔が約２０から約９０ミクロンになるように、メッシュは、ワイヤをともに電気溶接することにより製造してもよい。

出力接点８、９、１０、及び１１は、例えば直径が約２０から約１００ミクロンのワイヤから作製することができる。好ましい各実施形態では、各出力接点は、ワイヤメッシュ、並びにインストレーションモジュール３及びシールドハウジング１を作製するのに使用される材料の熱膨張係数と同様の熱膨張係数を有する。

対流加速度計を最適化し動作させるための好ましい方式を、以下に説明する。

本発明による対流加速度計の性能には、３つの主要な特性、すなわち雑音レベル、ダイナミックレンジ、及び周波数範囲が含まれる。以下のように、これらの主要な特性は、対流加速度計のある物理的な属性（例えば、穴サイズ、スペーサの厚さ）を変化させることによって調整してもよい。場合によっては、ある物理的な属性を変化させることで、主要な特性のうちの１つは改善しても、他の特性が劣化することに留意されたい。それにもかかわらず、本発明の対流加速度計の様々な物理的な属性を適切に調整することにより、所与の性能要求に到達することが可能であることが、当業者であれば日常の実験によって理解されよう。

例えば、雑音レベルを低減させるためには、水力学的インピーダンスを減少させなければならず、検知素子のサイズ及び導電部材の液剤との接触域を増大させなければならない。スペーサ及び導電部材中の、穴の数及び／又はそれらの直径を増大させること、メッシュタイプの導電部材を使用するときには平行なワイヤ間の間隔を増大させること、並びに／又はスペーサの厚さ、導電部材の厚さ、又はその両方を減少させることにより、水力学的インピーダンスを減少させてもよい。穴の大きい厚い導電部材を使用すること、穴の数を増大させること、メッシュタイプの導電部材を使用するときには、より直径の大きいワイヤを選択すること及び／又は巻き線を使用すること、並びに／又は周辺部が大きい穴の形状（例えば、星形）を選択することにより、導電部材の液剤との接触域を増大させてもよい。

対流加速度計の雑音レベルは、水力学的インピーダンスを低減させることによって減少するが、水力学的インピーダンスが増大するのにともなって、ダイナミックレンジ及び直線性は増大する。本明細書に記載の通り、本明細書に記載の口金（mouthpiece）を取り付けること、及び／又は水力学的インピーダンスを増大させる内部及び外部に生成する形状を選択することによって、水力学的インピーダンスを増大させてもよい。

スペーサの厚さを低減させること、及び／又は前段で説明した方法に加えて、より小さい直径の穴を使用することによって、対流加速度計の周波数範囲を増大させることができる。

例として、１つのインストレーションモジュールをもち口金をもたない対流加速度計が、直径９ｍｍの環状チャネル、並びに、厚さが３０μｍの導電部材、厚さが３０μｍのスペーサ、及び直径が２００μｍの対応する穴を有する検知素子を備えるとき、対流加速度計は以下の性能特性を有する。すなわち、周波数範囲は、０〜１０００Ｈｚであり、雑音レベルは、１ｒａｄ／ｓｅｃ^２／√Ｈｚに対して−８５ｄＢであり、ダイナミックレンジは、１Ｈｚにおいて通過帯域１Ｈｚでの雑音に対して１３８ｄＢｓである。

例えば、角加速度が矢印Ａ（図１０参照）に沿ってシールドハウジング１に加えられる場合、液剤２は導電部材５を介して流れ始めるが、導電部材は対流に敏感である。その際、溶解塩及びヨウ素のイオンとして存在している電荷（例えば、金属ヨウ素の溶解から）は、導電部材５のうちの１つに運ばれ、隣接する導電部材から回収され、それにより、検知素子４内で、加えられた加速度に値が比例する電流を発生させる。これらの導電部材５から集められた電気信号をさらに増幅し処理するために、各導電部材５は、端子８、９、１０、及び１１（図２）によって電気回路１６に接続される（図２）。この回路を図１０に概略的に示す。

電気回路は、導電部材５から集められた電流を電圧に変換するために使用される演算増幅器１７を備える。その際、演算増幅器１７の帰還回路中の抵抗１８は、導電部材５から集められた出力信号の総合増幅定数を決定する。電気回路は加算器１９も備え、加算器は、導電部材５の２つの対１００、２００を差動接続するのに使用される。この場合、導電部材の２つの対１００、２００からの差動電流は、角加速度、角速度又は傾斜の大きさに直接比例し、その大きさは、導電部材５及び誘電体スペーサ６の幾何特性に依存する。電源２０は、すべての電気回路用の電源として使用される。電源２０の接続は以下の通りである。電源２０の正極は、導電部材５の出力接点８及び１１、並びに電源２０の負極に接続され、導電部材５の出力接点９、１０は、演算増幅器１７の入力に接続される。電源２０の正極及び負極に接続されている導電部材間に液剤２の対流を引き起こす、外部から加えられる加速度がない場合には、直流Ｊ_Ａが回路を通過する。図１１に示すように、この電流の値は、印加電圧Ｕの値に依存する。この状態では、電源２０の負極に接続された導電部材５の間の空間は、事実上電荷担体をもたない。加速度計が、図１０の矢印Ａで示される方向の外部から加えられる加速度を感知するとき、液剤２は、追加の電荷を第１の導電部材５に運び、電荷を第２の導電部材から運び去る。それに応じて、第１の導電部材５から集められた電流は増大され、第２の導電部材から集められた電流は低減される。両方の導電部材５から集められた電流は、演算増幅器１７の帰還回路中の抵抗１８から事実上独立しているので、液剤２の動きに起因する電流の小さな変化により、抵抗１８の両端に高い電圧が現れる。したがって、検知素子４において、信号は増幅され、抵抗１８の値に応じて、増幅定数は、１０^７と同じ高さとすることができる。したがって、対流加速度計は、液剤２の形のほんの小さな慣性質量を用いて、きわめて高い感度を有する。

導電部材を電子回路に接続するための代替方式は、電源の正極並びに導電部材５の出力接点８及び１１を演算増幅器１７の入力に接続すること、並びに導電部材５の出力接点９及び１０を電源の負極に直接接続することを含む。しかし、この場合、電子雑音は、高い周波数でより高い。

導電部材を電子回路に接続するための他の方式は、電源の正極並びに導電部材５の出力接点８及び１１を１対の演算増幅器の入力に接続し、電源の負極並びに導電部材５の出力接点９及び１０を演算増幅器の他の対の入力に接続することである。加算器は、各演算増幅器の出力につながる４つの入力を有することになり、したがって、加算器の出力は、各演算増幅器から集められた各電圧の１次結合である。この場合、電子雑音は、高い周波数ではより高くなり、非常に低い周波数ではより低くなる。

後述するように、周囲温度の変化に起因する出力電圧変動を補償し、それにより、変化する周波数特性を補償することにより、加速度計の温度安定性を改善するために、補正電子機器を使用することもできる。周囲温度の変化は、液剤２の粘性を変化させることにより、加速度計の出力信号に影響を及ぼすことがある。温度依存度を電子補償するよく知られた方法を、本発明において使用することができる。一実施形態では、液剤２の温度粘性係数と一致する温度係数を有する半導体サーミスタ２１（図１２）を使用して、温度変化を補償する。

加算器１９（図１２には図示せず）の出力からの信号は、抵抗２２を介して演算増幅器２３の入力に送り込まれ、演算増幅器の帰還回路は、調整抵抗２４、２５とともにサーミスタ２１を備える。演算増幅器２３が図１２に示す回路に挿入されるとき、ｂ、ｃは演算増幅器２３の入力であり、ｄ、ｅは電源２０（図１２には図示せず）に接続するために使用されるが、周囲温度の変化にもかかわらず加速度計の周波数特性を一定にするために、演算増幅器の増幅定数は温度変化とともに変化する。加速度計の伝達関数を周波数補償するための電子回路は、所望の用途に応じて、加速度計の有効な周波数範囲を拡大するのに使用することもできる。例えば、厚さが２５〜４０ミクロンの誘電体スペーサ６を有する加速度計の周波数範囲は、周波数補正回路を使用することにより、厚さが６．５から８ミクロンのスペーサを有する加速度計の周波数範囲にまで拡大することができる。

周波数補正回路の例が、図１３に示してある。

加速度計からの出力信号Ｖ_ｏｕｔは、周波数補正回路の入力に加えられて、出力において通過帯域が拡大される。周波数補正回路は、図に示すように接続される演算増幅器２６を備える。加算器１９（図１３には図示せず）の出力電圧は、抵抗２７を介して演算増幅器２６の入力ｆに加えられる。入力ｇは接地され、ｈ及びｉは、電源２０（図１３には図示せず）の接続に使用される。抵抗２８は、加速度計の感度を設定し、コンデンサ２９及び抵抗３０から成る補正回路Ｒ_２Ｃ_１は、抵抗２７とともに高い周波数での増幅を制限し、必要とされる加速度計の通過帯域を形成するのに使用される。

加速度計の感度はまた、ハウジング１に含まれる液剤２の物理的及び化学的な特性に依存する。好ましい各実施形態では、液剤２は、最大溶解度において最小粘性を有することが望ましい。さらに、液剤は、塩（例えば、アルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩）、並びに溶解金属ヨウ素などルイス酸及びルイス塩基の両方の役割を果たすことができる溶質を含んでもよい。この目的に適した溶媒には、例えば、有機塩又は無機塩、好ましくはアルカリ塩などの金属塩を溶解することができる、蒸溜水及び有機溶媒が含まれる。アルカリ金属塩を溶解させるとき、溶液密度は増大し、その結果加速度計の感度は増大する。したがって、実施形態によっては、溶解塩の濃度は高く、好ましくは溶解限度に近いことが望ましい。一般的に言えば、溶解塩にとって有用な濃度範囲は、約０．５から約４．０モル／リットル、好ましくは約２から約４モル／リットルである。やはり、塩及びルイス酸／塩基（例えば、ヨウ素）の役割を果たす溶質の純度は、少なくとも９８．５％でなければならないが、少なくとも９９．９８％であることが最も好ましい。加速度計の電流出力は、溶解した金属ヨウ素の濃度により決定され、金属ヨウ素のイオンは、導電部材５から電子を受け取り、導電部材５に電子を戻すことができる電荷の担体である。したがって、上記塩の飽和溶液及び最小濃度０．０００２Ｎの溶解した金属ヨウ素を有することは有用である。こうした濃度の溶解塩は、例えば−７０℃までの広範囲の負温度において、計器を動作させる。金属ヨウ素の濃度はより低くてもよいが、この場合、特許請求の範囲に記載されている加速度計の電流出力は、温度及び周波数の補正用に使用される回路を含めて、電気回路の通常動作にとって十分でないこともある。溶解した金属ヨウ素の有用な濃度範囲は、約０．０００２から約０．４モル／リットルであり、約２から約４モル／リットルであることが好ましい。溶解塩は、流体中の溶解度がアルカリ金属塩の溶解度よりも低くはない、周期表のグループIIの金属塩を含んでもよい。この目的に最も適したものは、例えばバリウム塩であり、最大溶解度において、その溶液密度は、所与のモル濃度の食塩水に対して、アルカリ金属塩の対応する溶液密度の１．５倍を超える。

感度に加えて、加速度計の重要な特性は、その固有雑音のレベルである。加速度計を取り付けるときに、電荷担体の役割を果たすヨウ素のイオンは、重力の影響を受け、検知素子５の下端部分付近に集積することがある。結果として、溶液密度の局所変化が起こり、したがって自由対流が起こる。シールドハウジング１の内側に自由対流が存在する結果、外部から加えられる加速度がない場合には、加速度計の出力において電流の変動及び自励振動すら起こる。塩及び金属ヨウ素の含量の厳密なバランスにより、振動を避けることができ、自由対流の雑音の影響が最小限に抑えられる。図１４及び１５には、様々な濃度の溶解塩及び金属ヨウ素に対するデータが示してあり、横座標には観察時間が示され、縦座標には特許請求の範囲に記載されている加速度計の、外部から加えられる加速度がない場合の出力電流の値が示される。

図１４には、０．０００２モル／リットルの一定のヨウ素濃度において、様々なヨウ化カリウム濃度の関数として、出力電流がプロットされている。曲線３１〜３４は、それぞれ４、３、２、及び０．２モル／リットルのヨウ化カリウム濃度に対応する。図１４に示されるデータを比較すると、ヨウ素が一定濃度のとき、自由対流による出力電流の振幅は、アルカリ金属塩濃度が２モル／リットルのときに許容でき、アルカリ金属塩濃度が低減されるときでさえ、事実上変化しないことが分かる。

図１５において、曲線３５〜３８は、それぞれ０．８モル／リットル、０．５モル／リットル、０．１モル／リットル及び０．０２モル／リットルの溶解した金属ヨウ素の濃度に対応する。これらの検討結果から、金属ヨウ素を、２Ｍのヨウ化カリウム溶液中で溶解した。データを比較すると、アルカリ金属塩濃度が一定のとき、自由対流による出力電流の振幅は、ヨウ素濃度が０．０２モル／リットルのときに最小になることが分かる。ヨウ素濃度がさらに減少するにつれて、出力電流は単調に低下する。

本明細書に記載の対流加速度計は、外部から加えられる加速度の役割が重力ベクトルに対する加速度計の感度の軸線の傾斜角に置き換えられることを除けば、前述のものと同じ原理に基づく傾斜計の役割も果たす。感度の軸線は、関係する加速度計のタイプに依存することに留意されたい。例えば、本明細書に記載の（例えば、図１参照）、液剤で満たされた環状チャネルを有する回転加速度計については、感度の軸線は、環状チャネルによって画定される平面に垂直である。一方で、本明細書に記載の（例えば、図２４参照）、液剤で部分的に満たされた環状チャネルを有する直線加速度計の感度の軸線は、環状チャネルによって画定される平面内に感度の軸線を有する。いずれにしても、特許請求の範囲に記載されている加速度計を傾けると、液剤２は動き始め、加算器１９は、傾斜角に比例した電圧を発生する。

以下の説明で、本発明のいくつかの例示的な実施形態を示す。

一実施形態では、図１０に示すように、２つの追加電極３９、４０を導電部材５から一定の距離に取り付けてもよい。一般的に、ガード電極は、検知素子の最外部の導電部材に可能な限り近くなければならず、実施形態によっては接触してもよい。他の実施形態では、検知素子の最外部の導電部材は、ガード電極から約５から約１２０ミクロン分離されている。追加のガード電極３９、４０が存在することにより、結果として、導電部材５を超えて電荷担体の濃度の空間的不均一性が生じ、それにより、全体と導電部材５の表面付近との間での液剤の密度の差による自由対流が低減する。本出願については、追加のガード電極３９、４０の形状は特に限定されず、一般的には、（１）大きい接触域（すなわち、導電部材と液剤の間の接点の領域と同じか又はそれよりも大きい接触域）に液剤２を供給し、（２）水力学的インピーダンスへの寄与が最小である（すなわち、検知素子の水力学的インピーダンスの半分未満）、どんな形状でもよい。例えば、ガード電極は、リングらせん４１（図１６）の形状でも、円錐形のらせん４２（図１７）でも、また図９に示すような平らなメッシュでもよい。高い安定動作を実現するには、ガード電極３９、４０は、図１８に示すように、導体素子４３によって相互接続されることが好ましい。好ましい各実施形態では、ガード電極３９、４０（図１０）は、電源の正極２０に接続される。さらに、以下でより完全に記述されているように、２つ以上のインストレーションモジュールが使用されるときには、各インストレーションモジュールに対応するガード電極を設けることが好ましい。

液剤２を収容し、液剤２のいかなる漏れ又は蒸発をも防止するために、シールドハウジング１（図１）が使用される。材料又は材料の組合せが化学的に安定で、液剤２に対して非導電性の表面を有する場合には、多くのタイプの材料又は材料の組合せを使用してシールドハウジング１を製造してもよい。例えば、シールドハウジング１は、拡散溶接を使用する標準のセラミック技術に従って作製することができ、石英、ガラス又は化学的に安定なプラスチック材料で作製することもできる。出力接点８、９、１０、及び１１は、封止された端子であり、導電部材５を電気回路に接続するために使用される。実施形態によっては、シールドハウジング１と一体で作製される上部タンク４４が設けられ、環境温度の広範囲の変動における液剤２の熱膨張を補償するための拡張容積の役割を果たす。液剤２は、入口４５を介してシールドハウジング１に収容される。

シールドハウジング１（図１９）には、やはり液剤２で満たされたチャネル４６を設けてもよい。チャネル４６の形状は、外部及び内部に生成する形状によって画定され、それらは同じタイプの形状でも、異なる形状でもよい。生成する形状のタイプは、特に限定されず、どんな閉じた形状（例えば、楕円、円、長方形、正方形、長円形、又は不規則な形状でさえ）でもよい。例えば、外部及び内部に生成する形状が円形で、チャネルの断面図が円形であるとき、チャネルは環状ダクトを備える。本発明は、同じ又は異なる、内部及び外部に生成する形状を有してもよいダクト、並びに／又は円形断面をもたないダクトを含む非環状ダクトも企図することに留意されたい。しかし、加速度計の応答に変化をもたらすことがある、外部環境における温度及び圧力の変化によって起こり得るハウジングの変形の影響を最小限に抑えるのに、環状ダクトは有利である。したがって、環状ダクトを有する加速度計は、環境の干渉が存在する場合でさえ、外部から加えられる加速度の作用のもとでの強制対流によって生じる液剤２の動きに対する感度が増大する。チャネル４６は、通常は細管４７（図２）を介して収容される液剤２を含み、細管は、上部タンク４４から環状チャネル４６（図１９）への液剤２の自由な流れを提供する。環状チャネル４６は、内部及び外部に生成する形状が互いに対して偏心するように作製することができる。内部及び外部に生成する形状が偏心している度合いはｅで示され、内部及び外部に生成する形状の中心間の距離を表す。ある種の好ましい用途では、ｅは約０．１から約５ｍｍまで変化することができる。高周波用途では、ｅの値が増大するのにともない加速度計の遮断周波数が増大するため、対流加速度計はｅの値が大きい（すなわち≧１ｍｍ、図１９参照）ことが有用である。

さらに、実施形態によっては、液剤２の動きに対する水力学的インピーダンスの値を「口金」を使用して変化させることにより、対流加速度計の周波数範囲を変化させてもよい。この場合、「口金」は、チャネル４６の水力学的インピーダンスを増大させるためにシールドハウジングに追加される対象物として画定される。例えば、口金は、チャネル４６（図２０）の壁のうちの１つに取り付けてもよい。この構成部品が存在することにより、結果としてチャネル４６が局所的に狭くなり、それにより水力学的インピーダンスが増大する。口金４８の数は変更してもよく、具体的な周波数範囲で必要とされる水力学的インピーダンスをまず決定し、次いでその水力学的インピーダンスを達成するのに必要とされる口金の数を決定することにより決定される。当業者であれば理解できるように、これらのパラメータは、日常の実験から決定することができる。口金を使用する代わりに、所望の水力学的インピーダンスを達成するためにチャネルを必要なだけ狭くする、内部及び外部に生成する形状を選ぶことにより、チャネル４６を局所的に狭くしてもよい。例えば、内部に生成する形状として直径ｄの円を有する環状対流加速度計が、内部に生成する形状が各辺の寸法ｄの正方形になるように修正される場合、修正された加速度計の水力学的インピーダンスは、元の加速度計の水力学的インピーダンスよりも大きくなるはずである。これは、正方形の各角においてチャネルが局所的に狭くされ、そのことがチャネルにまで及ぶことになるからである。

静止状態における導電部材１００、２００の各対を通る電流の各絶対値間の差を最小限に抑えるために、また導電部材の各対の振幅周波数特性の互いに対する偏差を最小限に抑えるために、導電部材５は、インストレーションモジュール３（図１）の中心に互いに同じ距離を空けて配置することができる。導電部材５は、起こり得るミスアライメントを避けるために、インストレーションモジュール３の壁から一定の距離に配置してもよい。導電部材がメッシュ（図９参照）の形であるとき、誘電体スペーサ内の各穴の中心は、メッシュ内の各セルの中心の反対側（すなわち、各ワイヤ間の空間）にあることが好ましい。好ましくは、メッシュの領域は、穴の半径に等しいマージンをもって、スペーサ内の穴によって覆われた領域にオーバーラップしなければならない。加速度計の特性の直線性を改善するために、互いに正反対の位置に配置された２つのインストレーションモジュール３（図２１）を、環状チャネル４６（図１９）に設けることができる。インストレーションモジュール３の各々は、少なくとも１対の導電部材を備えるが、加速度計の感度を増大させるためには、図２２に示すように、インストレーションモジュール３には導電部材の第２の対が含まれ得る。インストレーションモジュール３の数は変更してもよいが、実施形態によっては、偶数のインストレーションモジュール３を使用し、加速度計の応答の直線性を改善するために、シールドハウジングの周りに、インストレーションモジュールが対称に配置され、また均等に間隔を空けられることが好ましい（例えば、図２３参照）。好ましい各実施形態では、インストレーションモジュールは、１°以下の空間許容範囲になるように、環状シールドハウジングの周りに対称に配置される。この場合、インストレーションモジュールの数ｎを増大させるのにともない、測定の誤りは１／ｓｑｒｔ（ｎ）として低減されるので、導電部材の各対から得られるデータを平均化することにより、加速度計を用いた測定の精度を著しく増大させることができる。一般的に、インストレーションモジュール及び導電部材の数は、高い感度と遮断周波数の最適バランスを達成するように選ばれる。

本発明はまた、直線加速度を測定することができる加速度計を提供する。一実施形態では、本明細書に記載の通り、直線加速度計は、液剤で一部分だけが満たされた環状ダクトを備える。図２４に示すように、このタイプの直線加速度計用の環状ダクトは、環状体の平面が重力ｇの方向と平行になるように配向され、検知素子を備える少なくとも１つのインストレーションモジュール３は、環状ダクト内の液剤に浸されるように取り付けられる。好ましい一実施形態では、環状チャネルは、液剤２で半分満たされている。このタイプの直線加速度計の感度の軸線Ａは、環状体によって画定される平面内にあり、重力の方向と垂直である。加速度計が、感度の軸線に沿った成分を有する加速度を感じるとき、図２４での曲線矢印で示されるように、液剤はその加速度に応答して流れ、その結果、点線で示されるように、環状体の様々な部分での液剤２のレベルが変化する。液剤のこの動きは、前述の角加速度計について記述した方式と実質上同様の方式で、検知素子によって検出される。直線加速度計にも非環状形状を使用してもよいことが、当業者には理解されよう。非限定的な例として、内部及び外部に生成する形状は、同心の長方形又は長円形でもよい。

例えば、当技術分野でよく知られたコンピュータによる統合方法を使用して、加速度計によって集められたデータを使用することにより、速度及び変位も数学的に計算することができる。したがって、本発明は、加速度計、傾斜計、並びに速度又は変位の測定装置として使用することができる。

完全装置を標準の最新１４ピンチップ内に配置することができるように、また完全装置が、標準カードに取り付けるための出力構造をもつことができるように、加速度計の外部寸法を小さく作ることができる。本発明による装置は、家庭用電化製品、娯楽装置、制御システム及び安定化システム、海上、地上及び航空のナビゲーションネットワーク、自動車及び診断スタンド（diagnostic stands）の監視システム、矯正装置、神経外科の計器、並びに侵入警報システムを含む様々な用途にとって十分小さく作ることができる。加速度計は、水平に、垂直に、又は何らかの任意の角度で傾けて取り付けてもよい。

感度、周波数及びダイナミックレンジに関しては、加速度計は、同じ寸法のあらゆる従来技術の装置を少なくとも２桁上回っている。単純なデザイン、低い生産コスト、様々な条件下での高い動作信頼度により、加速度計は、実に様々な実際的な用途で大量に使用するのに、きわめて適したものになる。

本発明を、その具体的な実施形態を参照しながら詳細に記述してきたが、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な変更及び修正を加えることができ、均等物を利用することができることが、当業者には明白になるであろう。

この実施例は、単一のインストレーションモジュールを有する角加速度計を提供する。インストレーションモジュールは、以下のパラメータを有する環状シールドハウジング内に取り付けられた。
１．直径９ｍｍ
２．チャネルサイズ２×２ｍｍ
３．ｅの値ゼロ

検知素子は、３つのスペーサで分離された４つの電極を含んだ。各電極は、２×２ｍｍの領域及び直径２００μｍの９個の円形穴を有する、厚さ３０μｍの金属板であった。各スペーサは、２．５×２．５ｍｍの領域を有する、４５μｍの石英板であった。各スペーサは、直径２００μｍの９個の円形穴も有した。

２０〜１０００Ｈｚの周波数範囲の回転振動台（日本のＩＭＶ社製）と、これらの試験用に、ロシアのＣＭＥ（Center for Molecular Electronics）によって提供された、０．０８〜４０Ｈｚの周波数範囲の回転振動校正器とを使用して、加速度計の伝達関数を測定した。

ＩＭＶ社製の振動台は、周波数範囲２０〜８００Ｈｚにおける８０〜４００ｒａｄ／ｓ^２の範囲の一定の角加速度で駆動した。試験されたセンサの出力信号は、Velleman社製のデジタルＰＣオシロスコープ／スペクトルアナライザ、ＰＣＳ３２ｉによって記録し分析した。

ＣＭＥ校正器の最大角度変位は１°であった。この値は、特に低い周波数において、最大加速度、したがってセンサの出力信号を制限した。その結果、低い周波数において、センサの出力信号は、較正プロセスで使用される１２ビットのデジタイザの分解能の閾値以下に落ちることがあった。したがって、校正器は、この装置を用いて達成可能な最大角度変位で駆動した。さらに、周波数範囲０．０８〜３Ｈｚに対して増幅率１００の前置増幅器を使用した。校正器設定と一体化した特別なハードウェア及びソフトウェアを使用して、較正データを集積し処理した。

結果として、元の加速度計の利得まで低下した曲線が、図２５に示してある。

雑音試験は夜に行った。２４ビット高解像度デジタイザを使用して、データを６時間記録した。感度軸線を同じ方向に位置合わせして２つの同一の加速度計を配置し、相関データ処理技法を使用して、地震波信号及びデジタイザの自己雑音の相関部分を、記録されたデータから差し引いた。１６個のサンプリングを平均化して、最終的な雑音を計算した。この場合、周波数範囲０〜５００Ｈｚでのセンサの自己雑音フロアは、周波数に依存しないことが分かった。（デジタイザの自己雑音を排除するために）各信号の相関部分を差し引いた後、自己雑音フロアの絶対値は、１ｒａｄ／ｓｅｃ^２／√Ｈｚに対して、−８５ｄＢに等しいことが分かった。統合された雑音は以下の値であった。
１Ｈｚにおいて通過帯域１Ｈｚでは、−５×１０^−５ｒａｄ／ｓｅｃ^２であった。

センサの最大範囲は、４００ｒａｄ／ｓｅｃ^２以上であった。この範囲では、高調波ひずみ及び信号レベルへの利得依存度は、４％に等しい実験装置の精度を下回った。やはり、雑音レベルに対するセンサの最大範囲の比として画定されるダイナミックレンジの値は以下の通りである。
１Ｈｚにおいて通過帯域１Ｈｚでは、雑音に対して１３８ｄＢであった。

特許請求の範囲に記載されている対流加速度計の非常に重要な使用法のうちの１つは、自国の保安を改善することである。この目標に向けて、加速度計を多くの方法で使用してもよい。３つの非限定的な実施例、すなわち、侵入者検出、侵入者識別、及び遠隔の虚偽検出をここで説明する。

侵入者検出に関しては、特許請求の範囲に記載されている対流加速度計の感度が高いために、侵入者の足音及び／又は心拍や呼吸などの生理学的信号を検出することによって、建物の壁及び床を介していても侵入者の存在を遠隔で検知することができる。当技術分野でよく知られた信号処理手順（例えば、微分スペクトル）を使用することにより、こうした検出は、騒々しい都会の環境においても実行可能である。図２６には、床に取り付けられた回転加速度計によって記録される、通行人の固有の特徴が示してある。加速度計から１０メートルを超える距離を離れて別の階を歩いていても、（各矢印で示された）その人の別々の足音を識別することが可能であることに留意されたい。図２７には、人から約２メートルのところに配置され、２４ビットのデジタイザを用いて４０ｓｐｓ（すなわち、毎秒４０サンプリング）で操作されている回転加速度計で記録された、人の心拍及び呼吸の信号が示してある。センサの寸法を増大させ、加速度計の水力学的インピーダンス減少させることにより、こうした遠隔記録の距離を、６メートルまで増大させることができる。本明細書に記載の対流加速度計を使用する遠隔検知には、しばしば侵入者と検出器との間に直接の見通し線が必要となる光学的又は赤外線ベースの侵入者検出方法をしのぐ利点がある。

侵入者検出に加えて、特許請求の範囲に記載されている加速度計を使用して、人の生理学的信号に基づいてその人を識別してもよい。例えば、図２８には、本発明による回転加速度計を使用することによって得られる、人の心拍及び呼吸の信号に対する周波数スペクトル（「生理学的震電図」）が示してある。図に示すように、人の呼吸及び心拍には、明確なスペクトルの特徴がある。人々は、一般的に互いに異なる心拍数及び呼吸パターンをもっているので、こうしたパラメータに基づいて個人プロファイルを生成する能力は、個人を識別する又は２人以上の人々を区別するのに非常に貴重である。

本発明はまた、遠隔の虚偽検出のために加速度計を使用することを企図する。当技術分野で知られているように、あるタイプの虚偽検出器は、人が嘘をつくときに神経が高ぶることに起因して人の心拍数が変化することを検出することによって動作する。本明細書に記載の対流加速度計は、遠く離れて心拍を検出することができるので、この対流加速度計は、遠隔の虚偽検出器として使用することができる。例えば、空港の発券カウンタの近く（例えば床の下）に対流加速度計を取り付けることにより、空港職員は、犯罪者になり得る乗客が荷物の中身について質問を受ける際に、より神経質になるかどうか判定することができる。さらに、この検知は遠隔で、したがってひそかに行われるので、犯罪者になり得る乗客は、本当にテロリストだとしても、従来のポリグラフに縛り付けられている場合にそうすることがあるように、自分自身を落ち着かせて読取りを誤らせようとは気づかないはずである。このようにして、犯罪者になり得る乗客の心の状態を、より正確に評価することができる。

この実施例では、本発明による対流加速度計が、地震学的描像又は石油探査など地震の用途に使用するように適合されてもよいことが示してある。具体的には、本明細書に記載の回転加速度計は、差動地震場、又はより正確には変位場の回転を直接測定するように適合させることができる。対照的に、差動地震場の以前の測定は間接的であり、間隔を空けた２つの直線センサ及び各直線センサの出力に基づく一連の計算を必要とした。

本明細書に記載の直線加速度計及び回転加速度計の組合せを使用することで、３次元の高解像度地震測定を行うことにより、表層の地質について大幅により多くの情報を得ることが可能である。地震音響信号の第１の到達を記録することしかできない従来の地中聴音器と異なり、回転対流加速度計及び直線対流加速度計の組合せは、横波の第１の到達を回転センサによって、並びに縦波の到達を直線センサによって別々に両方取り込む。これは、回転センサが並進運動の影響を受けず、直線センサが回転運動の影響を受けないからである。したがって、Δｔ＝ｔ_ｌ−ｔ_ｔを高い精度で測定することができるようになる。ただし、ｔ_ｌ及びｔ_ｔは、それぞれ縦波及び横波の第１の到達時点である。縦波及び横波について、それらの到達を分離することにより、ヤング率だけでなく、ポアソン比も決定することが可能になる。したがって、波の伝搬に沿った媒体の特性を識別する際に、はるかに高い精度が可能になる。

提案された計器の他の利点は、回転加速度計及び直線加速度計の組合せからのデータにより、具体的な設置ポイント間での補間をして、これらのポイント間で地震場を決定し、したがって、従来の手法と比較して同じ又はより少ない数の測定ポイントについて地震場の高解像度画像を得ることができることである。

以下に、本発明による直線加速度計及び回転加速度計を使用して構築された、安価な高解像度３次元地震計測のパラメータを示す。
周波数範囲：１〜１０００Ｈｚ
ダイナミックレンジ：１２６ｄＢ
雑音レベル：回転チャネルに対しては、５×１０^−５ｒａｄ／ｓｅｃ^２／√Ｈｚ
直線チャネルに対しては、１０^−６ｍ／ｓｅｃ^２／√Ｈｚ
消費電力：１２ボルトから５ｍＡ
温度範囲：−４０℃〜＋５５℃（任意選択として、＋１００℃まで）
組み合わされたセンサシステムの総合的な寸法：
直径：３０ｍｍ
長さ：１７０ｍｍ
センサの感度が高く、サイズが小さいことにより、本質的に測定を簡略化し、測定にかかる費用を低減させることができる。というのも、せん孔の直径を低減させ、せん孔間の距離を増大させ、信号源のパワーを低減させることによって、それが可能になるからである。それにより、得ることのできる情報量が大幅に増大し、３次元地震測定の分解能が大幅に改善される。

本発明の対流加速度計はまた、石油又はガスの抽出並びに／或いは探査の両方を行うときに、穴あけ装置制御について新しい機会を生み出す。一般的に、石油又はガスの抽出時に穴あけ装置を制御するには、２つの手法がある。すなわち、（１）センサは、ドリルの上に置かれる。この場合には、高い振動及び温度の環境でのセンサの適切な動作、及びデータの地表への伝送について、いくつかの問題がある。或いは（２）センサは、地表上に置かれる。この場合には、各センサは、穴あけ装置によって生成される信号を検出するためにきわめて敏感でなければならず、雑音の多い環境で有用な信号を選択することもできなければならない。

この実施例は、第２の手法の焦点を当て、具体的には、地震パラメータの測定と同様に穴あけ装置のパラメータを測定することができる、低雑音、高品質、広帯域の対流加速度計を装備する地震観測網を使用する。従来のセンサを使用して得られるスペクトルを、図２９〜３２に示す。これらの研究においては、各センサが地表に取り付けられた。低コストの垂直地中聴音器（モデルＣＢ−１０、周波数範囲５〜１２０Ｈｚで、Guralp社製（英国）モデルＣＭＧ４０Ｔのロシア製類似品）、及び直線３成分広帯域地震計（モデルＣＭＥ４０１１、周波数範囲０．０３３〜２０Ｈｚで、Mark Products社製（米国）モデルＬ２８のロシア製類似品）についてのデータが示してある。各センサは、せん孔装置から６００メートルの距離に置かれたが、動作中のドリルは、地下約１ｋｍの深さに配置された。実験は、春の洪水期間に実行され、せん孔装置及び各センサは、浅水を隔てて２つの島に配置された。

提示されたデータから以下の結論を導き出すことができる。すなわち、（１）低コストの垂直地中聴音器（図２９）は、地下装置によって発生した低周波信号を検出せず、したがって実験目的には役立たなかった。（２）広帯域地震計は、穴あけ装置の並進運動に対応する各ピーク（図３１〜３２においては１．１Ｈｚのピーク）を記録した。また（３）試験で使用した直線加速度計は、いずれも、ドリルの回転に対応するスペクトル成分を検出しなかった。

しかし、分解能が５×１０^−７ｒａｄ／ｓｅｃ及び周波数範囲が０．０５〜１００Ｈｚの回転対流加速度計を用いて、ドリルの回転を測定した。その動作原理は、図３３に示してある。図３４は、３成分回転対流加速度計の画像を提示し、図３５〜３７には、３成分回転センサで記録されたスペクトルが示してある。回転センサのみが、ドリルの回転周波数（０．８Ｈｚ）に対応する周波数、並びにその第２及び第３高調波（同様に、１．６Ｈｚ及び２．４Ｈｚ）を検出する。これらのピークは、ドリルが停止したときに消え、動作を再開した後に再び現れた。風のある日には特に顕著な、水面の振動に関係する背景震動雑音によってマスクされていたために、こうしたピークは、直線加速度計のスペクトル中には観察することができなかった。しかし、回転センサの空間フィルタリング能力のために、この雑音は、回転センサには影響を及ぼさなかった。

この実験の結果により、回転センサが、石油産業及びガス産業において、以下の領域で大きな潜在的可能性を有することが示される。すなわち、（１）ドリルの状態の遠隔監視、（２）回転センサの３つのすべての成分によって測定される各信号の振幅間の関係を使用することにより可能となる、せん孔方向の決定、（３）ドリルの瞬時方向及びせん孔された距離を使用することによる、ドリルの位置及び速度の決定である。これらすべての測定及びデータ処理は、地表から、せん孔装置より１ｋｍまでの距離まで実行することができることを強調すべきである。

４枚の金属板及び３つのスペーサを備える検知素子を有する対流加速度計の一実施形態の概略図である。

図１の装置の側面図である。

インストレーションモジュールの一実施形態の概略図である。

検知素子のシステムの（不等角投影図での）概略図である。

誘電体スペーサ又は金属板の一実施形態における穴の配置の概略図である。

図５の装置の側面図である。

金属板を分離するように配置された誘電体スペーサとともに複数の金属板を有する検知素子の一実施形態の不等角投影概略図である。

誘電体スペーサの厚さの様々な値における加速度計の伝達関数の利得周波数特性の概略図である。

メッシュである導電部材の一実施形態の概略図である。

ガード電極を備える加速度計の一実施形態の前部断面概略図である。

１対の導電部材からの出力電流の、導電部材に加えられる電圧差への依存度の概略図である。

加速度計の出力電圧を温度補正するための電気回路の概略図である。

加速度計の出力電圧を周波数補正するための電気回路の概略図である。

外部から加えられる加速度がない場合の、加速度計の出力電流の、アルカリ金属塩の様々な濃度への依存度を示す図である。

外部から加えられる加速度がない場合の、加速度計の出力電流の、ヨウ素の様々な濃度への依存度を示す図である。

らせん状のリングとして作製されるガード電極の一実施形態の概略図である。

円錐形のらせんとして作製されるガード電極の一実施形態の概略図である。

各ガード電極がワイヤによって接続される、本発明の一実施形態を示す図である。

外部及び内部に生成する形状が偏心し、各中心の分離度がｅで示されるように作製される環状チャネルを備える、シールドハウジングの概略図である。

口金が中に取り付けられた環状チャネルの概略図である。

各々が２つの導電部材を有する検知素子を備える、互いに正反対の位置に配置された１対のインストレーションモジュールを収容する環状チャネルの概略図である。

２対の導電部材を有する検知素子を有するインストレーションモジュールを備える環状チャネルの概略図である。

偶数のインストレーションモジュール及び対応する検知素子を有する環状チャネルの概略図である。

本発明による直線加速度計を示す図である。

本発明による角加速度計についての較正データを示す図である。

壁越しの検出実験における通行人の固有の特徴を示す図である。このデータは、２４ビットのデジタイザを用いて３２０ｓｐｓ（すなわち、１秒当たりのサンプリング数）で記録されている。

回転加速度計によって約２メートルの距離から記録された（２４ビットのデジタイザで４０ｓｐｓ）人の心拍及び呼吸の信号を示す図である。回転加速度計のパラメータを改善することにより、こうした遠隔記録の距離を６メートルまで増大させることができる。

図２７に提示された走査のスペクトルを示す図である。

ＣＢ−１０低コスト地中聴音器によって記録されたスペクトルを示す図である。この地中聴音器は、地下装置によって生成された低周波信号を検出しなかったことに留意されたい。

ＣＭＥ４０１１広帯域地震計によって記録された、穴あけ装置の並進運動のＸ成分のスペクトルを示す図である。

ＣＭＥ４０１１広帯域地震計によって記録された、穴あけ装置の並進運動のＹ成分のスペクトルを示す図である。１．１Ｈｚでのピークは、並進運動に対応する。

ＣＭＥ４０１１広帯域地震計によって記録された、穴あけ装置の並進運動のＺ成分のスペクトルを示す図である。１．１Ｈｚでのピークは、並進運動に対応する。

モレキュラーエレクトロニクス回転センサの概略図である。

３成分ＭＥＴ回転センサ（寸法：１００×１００×１００ｍｍ^３）の写真である。

本発明による回転加速度計によって記録されたＸ成分のスペクトルを示す図である。

本発明による回転加速度計によって記録されたＹ成分のスペクトルを示す図である。

本発明による回転加速度計によって記録されたＺ成分のスペクトルを示す図である。

Claims (36)

1. シールドハウジングと、
   電解液を含み、前記シールドハウジング内に含まれる液剤と、
   前記シールドハウジング内に固着されるインストレーションモジュールと、
   前記インストレーションモジュールに固定され、前記液剤中に浸される、前記電解液中のイオンの対流を検出する検知素子と、
   前記検知素子に接続され、前記検知素子によって生成される出力信号を増幅し処理する電気回路とを備える対流加速度計であって、
   前記検知素子が、複数の金属板及び複数の誘電体スペーサを含み、各金属板及び各誘電体スペーサが所定のパターンの穴を有し、
   前記誘電体スペーサの穴が、１〜３００ミクロンの直径を有し、
   前記金属板及び前記誘電体スペーサが、（ｉ）隣接する金属板がその間にギャップなしに誘電体スペーサによって分離され、(ii)前記誘電体スペーサの穴と前記金属板の穴とが一致し、前記誘電体スペーサの穴が前記金属板の穴に１対１で対応し、かつ（iii）対流加速度計に加えられる加速度に起因する強制対流の条件下で前記液剤が前記誘電性の穴と前記金属板の穴を介して流れる、ように配置される、対流加速度計。
2. 金属板が、誘電体スペーサに対して実質的に平行である、請求項１に記載の対流加速度計。
3. スペーサの厚さが、０．５から１５０ミクロンの範囲内である、請求項１に記載の対流加速度計。
4. スペーサの少なくとも１つの穴が円形又は星形である、請求項１に記載の対流加速度計。
5. スペーサの少なくとも１つの穴の直径が、１から３００ミクロンの範囲内である、請求項４に記載の対流加速度計。
6. スペーサが、周期表のグループIVの元素の酸化物又はフッ化物を含む、請求項１に記載の対流加速度計。
7. 少なくとも２つのガード電極をさらに備え、検知素子が前記ガード電極間に配置される、請求項１に記載の対流加速度計。
8. 検知素子とガード電極の最外部の金属板間の距離が、５から１２０ミクロンである、請求項７に記載の対流加速度計。
9. 少なくとも１つのガード電極がメッシュを備える、請求項７に記載の対流加速度計。
10. 少なくとも１つのガード電極が、平坦ならせんに巻かれた金属ワイヤを備える、請求項７に記載の対流加速度計。
11. 少なくとも１つのガード電極が、円錐形のらせんに巻かれた金属ワイヤを備える、請求項７に記載の対流加速度計。
12. ２つのガード電極が、導電性素子によって相互接続される、請求項７に記載の対流加速度計。
13. 電気回路が、
    正極及び負極を備え、正極が、演算増幅器を介して直接又は間接的に第１の金属板に接続され、負極が、演算増幅器を介して直接又は間接的に第２の金属板に接続されるように、前記金属板に接続される電源と、
    ２つの入力及び１つの出力を備え、１つの入力が、前記第１又は第２いずれかの金属板に接続され、他方の入力が、前記金属板から集められる電流を電圧に変換するために、前記正極又は負極に接続され、演算増幅器の出力が、前記電気回路全体の出力である演算増幅器とを備える、請求項１に記載の対流加速度計。
14. 液剤が、塩とルイス酸及びルイス塩基の両方の役割を果たすことができる溶質を含む電解液とを含む、請求項１のいずれかに記載の対流加速度計。
15. 塩が、アルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩である、請求項１４に記載の対流加速度計。
16. 溶質が、溶解した金属ヨウ素を含む、請求項１５に記載の対流加速度計。
17. 電解液が、溶媒としての蒸溜水を含む、請求項１４〜１６のいずれかに記載の対流加速度計。
18. 電解液が、溶媒としての有機液体を含む、請求項１４〜１６のいずれかに記載の対流加速度計。
19. 金属塩の濃度が、０．５から４モル／リットルの範囲にある、請求項１５に記載の対流加速度計。
20. 金属ヨウ素の濃度が、０．０００２から０．４モル／リットルの範囲にある、請求項１６に記載の対流加速度計。
21. 検知素子が、実質上平行に配置され、２枚の外部金属板及び２枚の内部金属板になるように誘電体スペーサによって分離される４枚の金属板を備える対流加速度計であって、電気回路が、
    直接に又は演算増幅器を介して間接的に、電源の正極が、前記外部金属板に接続され、電源の負極が前記内部金属板に接続されるように前記金属板に接続される電源と、
    各増幅器の第１の入力が異なる内部金属板に接続され、各増幅器の第２の入力が接地される、少なくとも２つの演算増幅器と、
    ２つの入力及び１つの出力を有する加算器であって、前記加算器の出力から集められた電圧が加えられた加速度の値に正比例するように前記加算器の前記入力が互いに異なる演算増幅器の出力に接続される加算器とを備える、請求項１に記載の対流加速度計。
22. 電気回路が、温度補正を実行するように適合され加算器の入力に接続される第１の電子素子を備える、請求項２１に記載の対流加速度計。
23. 電気回路が、第１の電子素子に直列に接続され、加速度計の伝達関数の周波数依存度を訂正するように適合される第２の電子素子をさらに備える、請求項２２に記載の対流加速度計。
24. シールドハウジングが、
    液剤を含み、内部及び外部に生成する形状によって画定される形状を有する環状チャネルと、
    前記環状チャネルに液体を用いて接続され、温度変化に伴う前記環状チャネル内の前記液剤の膨張を補うように適合される拡張容積と、
    前記拡張容積と液体で連通し、前記液剤を前記環状チャネルに入れるように適合されるダクトとを備える、請求項１に記載の対流加速度計。
25. 外部及び内部に生成する形状が、各中心が０．１から５ｍｍ離れている円である、請求項２４に記載の対流加速度計。
26. 外部及び内部に生成する形状が、互いに異なり、水力学的インピーダンスを制御するように選択される、請求項２４に記載の対流加速度計。
27. 外部及び内部に生成する形状が、各中心が０．１から５ｍｍ離れている、請求項２４に記載の対流加速度計。
28. 環状チャネルは、前記環状チャネルの壁に取り付けられた少なくとも１つの口金を有し、前記口金は、前記環状チャネルの断面積を局所的に狭くすることにより、液剤の動きに追加の水力学的インピーダンスを生成するように適合される、請求項２４又は２６に記載の対流加速度計。
29. シールドハウジングが、第１のインストレーションモジュールの正反対の位置に配置される追加のインストレーションモジュールを備え、前記追加のインストレーションモジュールは、回路に接続される検知素子を備える、請求項２４に記載の対流加速度計。
30. シールドハウジングが、複数の対のインストレーションモジュールを備え、
    １対のインストレーションモジュールの各部材は、環状チャネル上の対の他方の部材と正反対の位置に配置され、
    前記インストレーションモジュールは、均等に相隔てられ、
    各インストレーションモジュールは、回路に接続される検知素子を備える、請求項２４に記載の対流加速度計。
31. 請求項２４に記載の加速度計を設けるステップと、
    環状チャネルの平面と垂直な前記加速度計の感度の軸線の周りで加速度計を回転させることにより、又は重力の方向に応じた角度に加速度計を傾け液剤の強制対流を起こすことにより、前記加速度計を角加速度にさらすステップと、
    検知素子に接続される電気回路を使用して、前記検知素子からの出力電流における変化を測定することにより、ハウジングの角加速度又は傾斜角の値を決定するステップとを含む、角加速度及び／又は傾斜角の測定方法。
32. 電気回路が、
    各々の演算増幅器は金属板の１つの対に関連し、各々の演算増幅器が２つの入力及び１つの出力を有する、複数の演算増幅器と、
    電源の正極と板の各対における第１の板との間の、直接又は間接的電気接続と、
    前記電源の負極と板の各対における第２の板との間の、直接又は間接的電気接続とを備え、
    前記間接的接続が、演算増幅器と、
    演算増幅器の第１の入力と、板の前記対の前記第１又は第２の板のいずれかとの間の直接的電気接続であって、演算増幅器の第２の入力は、同様に前記電源の前記正極又は負極に接続される接続と、
    入力及び出力を有する加算器であって、前記加算器の出力から集められた電圧は前記演算増幅器から集められた電圧の１次結合であり、加えられた加速度の値に正比例するように、前記加算器の各入力が各演算増幅器の出力に接続される加算器とを介して行われる、請求項１に記載の対流加速度計。
33. チャネルを備えるシールドハウジングと、
    電解液を含み、前記チャネルを部分的に満たす液剤と、
    前記液剤中に浸されるように前記シールドハウジングに固着されたインストレーションモジュールと、
    前記インストレーションモジュールに固定され、前記液剤に浸される、前記電解液中のイオンの対流を検出する検知素子と、
    前記検知素子に接続され、前記検知素子によって生成される出力信号を増幅し処理する電気回路とを備える、直線加速度計であって、
    前記検知素子が、複数の金属板及び複数の誘電体スペーサを含み、各金属板及び各誘電体スペーサが所定のパターンの穴を有し、
    前記誘電体スペーサの穴が、１〜３００ミクロンの直径を有し、
    前記金属板及び前記誘電体スペーサが、（１）隣接する金属板がその間にギャップなしに誘電体スペーサによって分離され、(２)前記誘電体スペーサ及び前記金属板の規則的に配置された穴の配列が一致し、前記誘電体スペーサの穴が前記金属板の穴に１対１で対応し、かつ（３）直線加速度計に加えられる直線加速度に起因する強制対流の条件下で前記液剤が前記検知素子を介して流れる、ように配置される、直線加速度計。
34. チャネルが環状である、請求項３３に記載の直線加速度計。
35. チャネルが、液剤で半分満たされている、請求項３３又は３４に記載の直線加速度計。
36. その内部にチャネルを画定するシールドハウジングであって、前記チャネルが電解液を含む液剤で少なくとも部分的に満たされたシールドハウジングと、
    前記液剤中に浸され、金属板及び誘電体スペーサの層を交互に含む検知素子と、
    前記検知素子に接続され、前記検知素子によって生成される出力信号を増幅し処理する電気回路とを備える、加速度計であって、
    前記金属板及び前記誘電体スペーサがそれぞれ所定のパターンで配置された複数の穴を有し、
    前記誘電体スペーサの穴が、１〜３００ミクロンの直径を有し、
    前記金属板及び誘電体スペーサが、前記金属板の複数の穴と前記誘電体スペーサの複数の穴とが一致するように配置され、
    これにより、外部から加えられる加速に応答して前記液剤の層流を生じさせることが可能な前記検知素子を介した複数の流路を画定する、加速度計。

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