JPH0643180A - デジタル加速度計および加速度検出方法 - Google Patents

デジタル加速度計および加速度検出方法

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JPH0643180A JP5136423A JP13642393A JPH0643180A JP H0643180 A JPH0643180 A JP H0643180A JP 5136423 A JP5136423 A JP 5136423A JP 13642393 A JP13642393 A JP 13642393A JP H0643180 A JPH0643180 A JP H0643180A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 マイクロ機械感知素子アレイから製作される
デジタル加速度計を提供する。 【構成】 異なるアレイ１１ａ〜１１ｅの感知素子１２
は特定の回転もしくは並進方向の加速度を検出するよう
に設計され、他の方向の加速度に対する応答が最少限に
抑えられる。さらに、感知素子１２はサイズおよび試験
質量パラメータを有しそれを調整して加速度の周波数応
答および振幅感度を変えることができる。感知素子１２
のアレイ１１ａ〜１１ｅはある範囲の周波数レベルおよ
び各周波数における振幅を検出する。加わる加速度の適
切な周波数および振幅において、感知素子１２が移動し
て電極１２６と接触し、電気信号が発生されそれをデー
タビットとして記憶することができる。感知素子１２を
メモリ１５および処理装置１６と組み合せて使用する
と、インテリジェント加速度計が得られその製造技術は
デジタル処理装置に使用されるものとコンパチブルであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はインテリジェント感知装
置、特にマイクロプロセッサに集積されたデジタルマイ
クロ加速計に関する。
【０００２】
【従来の技術】位置感知加速度計の基本原理はそれに加
わる加速度により取り付けられた質量がその感知軸方向
に移動することである。質量はその運動と反作用するス
プリングもしくは類似要素に取り付けられ、スプリング
力が加速度により質量に加わる力と平衡するまで質量が
移動するようにされる。トランスジューサ本体に対する
質量の移動を測定すれば加速度自体を計算することがで
きる。他の加速度計は歪測定型であり、慣性質量により
誘起される応力や質量支持スプリングにより誘起される
歪を感知する圧電もしくは圧電抵抗材を有している。
【０００３】加速度計の応用としてはアンチロックブレ
ーキシステム、乗物サスペンションシステム、機内航空
機監視等があり、そのいずれもが小型、低廉で高信頼度
のデバイスを必要とする。リアルタイム監視の場合に
は、インラインデジタル処理装置が加速度計を制御して
その出力を解釈する。
【０００４】測定量が加速度の周波数や振幅と共に変動
する電流であるという点において大概の加速度計はアナ
ログである。しかしながら、“スプリング”が加速度に
応答して電気接点を入切するという点でデジタルである
加速度計もある。一連の感知素子が設けられ、各々が漸
増する応答閾値を有しその閾値に達すると電気接点が閉
成する。この種のデジタル加速度計がＩＥＥＥ Ｔｒａ
ｎｓ．Ｅｌｅｃ．Ｄｅｖｉｃｅｓ，ＥＤ−１９，Ｎｏ．
１，１９７２年１月，の文献“集積回路技術とコンパチ
ブルな超小型ギャング閾値加速度計”に記載されてい
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】既存の多くの加速度計
の制約はその出力を解釈するのに使用されるデジタルコ
ントローラおよびプロセッサに対してサイズが大きいこ
とである。どれだけの感知素子が設けられるかによって
分解能が決るデジタル加速度計ではサイズは特に重要な
問題となる。また、既存の多くの加速度計製造工程はデ
ジタルプロセッサデバイスの製造工程とコンパチブルで
はないため、デジタル処理回路と結合させるにはハイブ
リッド組立体が必要となる。これにより“インテリジェ
ント加速度計”の製造は高価となる。
【０００６】加速度計のサイズを縮少しようとして、シ
リコン製造技術を使用して製造できるマイクロ加速度計
が製造されるようになった。代表的にこれらのデバイス
はシリコンの、電気的性質ではなく、機械的性質を利用
するシリコン片から製作される集合体およびスプリング
を有している。一種のマイクロ加速度計は小さな片持梁
構造を有しそれはエッチングされた空洞上を延在して加
速度力により彎曲できるようにされている。他のマイク
ロ加速度計は可撓丁番に取り付けたピストン状構造を使
用している。
【０００７】既存のマイクロ加速度計にはさまざまな制
約がある。感知素子は２つ以上の方向の運動を結合させ
ることが多く、加速度の方向分析が出来ない。また、さ
まざまな励振力周波数を識別することもできない。さら
に、その電気接点は“固着”状態となり易い。
【０００８】デジタルプロセッサ回路に容易に集積さ
れ、加速力を精巧に分析することができ、かつ誤差状態
が減少されるような改良型マイクロ加速度計に対するニ
ーズがある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の一つの特徴は並
進もしくは回転加速度、あるいはその両方を検出するデ
ジタル加速度計である。所与の種別および方向の加速度
に対して、感知素子アレイは各々が加速度の所定の周波
数および大きさに感応するマイクロ機械感知素子の行列
を有している。各感知素子の感度はそのさまざまな質量
およびサイズパラメータの関数である。感知素子の感度
範囲内の印加加速度により感知素子は傾いて電気接点を
閉じる。したがって、感知素子はスイッチとして作用し
てメモリセル内に信号が記憶される。プロセッサがメモ
リセルを読み出してどの感知素子が傾いたかを決定し、
加速度の周波数および振幅を決定することができる。
【００１０】本発明の技術的利点は水平もしくは垂直面
内の並進加速度や水平面内の回転加速度を決定するさま
ざまな種別のセンサアレイを提供できることである。各
種アレイの感知素子は他のアレイにより測定される加速
度に対するその感度が最低限に抑えられるように設計さ
れる。また、固着接点による故障を防止する復帰手段も
設けられている。
【００１１】各アレイは各周波数レベルにおける加速度
の振幅だけでなく、ある範囲の加速度周波数レベルも検
出する。メモリおよびプロセッサと通信するセンサアレ
イを有する“インテリジェント加速度計”により周波数
および振幅の両データに基いた複雑な機械的パターンの
分析が行われる。このようなデバイスの応用例として、
加速度計を取り付けた車を故意に衝突させ、衝突の時間
的進展と共に全方向における振動効果の全スペクトルか
らなる記録ガ作られる。この記録は周波数、振幅、およ
び時間について明確な特性を有している。この分析を使
用して、この記録を記憶しているインテリジェント加速
度計を消費者の車に取り付けて緊締システムのトリガー
を改善することができる。
【００１２】インテリジェント加速度計は校正を必要と
しない。所与のイベントに対する加速パターンを算出し
たり実験的に得ることができる。デバイスの校正工程に
より全デバイスが同等となることが保証され、テストデ
バイスにより検出される加速パターンが他のデバイスに
印加される同じ加速度に対して繰り返される。加速度計
のデジタル性により温度変化、経時変化、校正ドリフト
およびオフセットの影響を受けない設計とすることがで
きる。
【００１３】
【実施例】並進加速度の検出を行う加速度計のこれらの
特徴を図１〜図７（ａ），（ｂ）に関して説明する。回
転加速度を検出する加速度計の別形については図８およ
び図９に関して説明する。最後に、並進加速度だけでな
く回転加速度も検出する全機能加速度計について図１０
に関して説明する。
【００１４】いくつかのセンサアレイ１１ａ〜１１ｃか
らなる感知素子層を有する加速度計装置を図１に示す。
各アレイ１１ａ〜１１ｃは異なる方向における並進加速
度を検出する。これらの方向は３軸が互いに直交する従
来の直交座標系のｘ−ｙ−ｚ軸に対応して示される。
【００１５】したがって、加速度計１０は加速度を測定
する３軸手段を提供する。各方向に関するデータを得る
ことができ、ベクトル分析により合成加速度値を計算す
ることができる。一方向の加速度だけを検出したい時に
は、アレイ１１ａ〜１１ｃの中の１個だけを使用すれば
よい。
【００１６】各アレイ１１ａ〜１１ｃはマイクロ機械感
知素子１２により構成されている。各アレイ１１ａ〜１
１ｃは３つの並進方向の中の一方向の感度に対して特に
設計された感知素子１２を有している。さらに、後記す
るように、各アレイ１１ａ〜１１ｃ内で感知素子１２の
構造が変化し各感知素子１２が所定の周波数で共振して
所定振幅の加速度において閾値感度を有するようにされ
ている。
【００１７】各アレイ１１ａ〜１１ｃの感知素子１２に
ついては後記するが、多くの点でその構造および製造方
法は空間光変調応用における“可変形ミラーデバイス
（ＤＭＤ）”と同様である。このようなデバイスは米国
特許第５，０６１，０４９号“空間光変調器および方
法”に記載されており、ここに参照として組み込まれて
いる。後記するように、ここに記載する加速度計もマイ
クロ機械アレイ製造工程がそのメモリセルについてＣＭ
ＯＳ製造工程とコンパチブルであるためＳＬＭと同じ製
造上の利点がある。
【００１８】図３〜図７について後記するように、各感
知素子１２はその振幅感度閾値よりも低いその共振周波
数において加速度が印加されたかどうかによってオンも
しくはオフ信号を発生する。特に、各感知素子１２は加
速度が加わるとある種の動作を行い、それは感知素子１
２が電気接点を閉じるのに充分な動作である。このスイ
ッチング動作により電気信号が発生し、それはメモリセ
ルへ送ってデータビットとして記憶することができる。
したがって、各感知素子１２はオンもしくはオフ状態を
記憶している少くとも１個のメモリセルと通信を行う。
図１では、これらのメモリセルは感知素子メモリセル１
５を形成している。
【００１９】図３〜図９に関して説明を行うさまざまな
感知素子を表わす感知素子１２を図２（ａ）に示す。一
般的に、各感知素子１２はある種の傾斜梁１２１を有し
ている。各梁１２１は丁番部１２２、剛性接続部材１２
３、および各自由端の試験質量（プルーフマス）１２４
を有している。後記するように、垂直加速度を検出する
ように設計された感知素子は自由端が一つしかなく、傾
斜位置も一つである。傾斜もしくは非傾斜状態を有する
点において、これは“２状態”感知素子である。他の感
知素子は水平面内の並進加速もしくは水平軸周りの回転
加速を検出するように設計されている。非傾斜位置の他
に２つの傾斜位置が可能であるため、これらの感知素子
は“３状態”である。
【００２０】図２（ａ）の感知素子は３状態を有し、非
傾斜すなわちニュートラル状態で示されている。点線で
示す偏向位置は反時計廻りに回転した第２の状態を示
す。第３の状態は時計廻りに回転した状態である。
【００２１】各感知素子１２の入出力回路は感知素子１
２の各状態に対するリセット／テスト電極１２５および
ランディング電極１２６を具備している。動作につい
て、アレイ１１に外部から所与の機械的加速度が加わる
と、各感知素子１２の所与の機械的応答、すなわち、傾
斜が生じる。各応答によるランディング電極１２６を介
した電気的応答は生じても生じなくてもよい。
【００２２】各ランディング電極１２６からの入力は後
にプロセッサ１６が読み取るために記憶する必要があ
る。したがって梁１２１はマイクロスイッチとして作用
してメモリセル１２７へデータを書き込む。図２（ａ）
に示す２つの傾斜状態のように、感知素子１２が２つ以
上の傾斜位置を有する場合には、各感知素子１２は各状
態に対するデータを記憶できるメモリセル１２７を有し
ている。
【００２３】また、テストのための選定状態へ設定でき
るように各感知素子１２をアドレスできることも必要で
ある。全ての感知素子１２を同時に選定テスト状態へア
ドレスすることができ、プロセッサ１６の制御下におけ
るランダムアドレッシングは必要ではない。テストにつ
いては、リセット電極１２５を使用して全ての感知素子
１２が所与の状態へ集約的に励起される。図２（ｂ）に
おいて、テストおよびリセットを行うために傾斜状態が
相電圧θＡおよびθＢにより制御される。
【００２４】第３の所望機能は全ての感知素子１２を非
傾斜位置へ復帰できるようなリセットパルスを実現する
能力である。リセットについては、実際上ＣＭＯＳ回路
内のスイッチである梁１２１に直接印加するには電圧が
高すぎる。リセットはリセット電極１２５を介した空隙
の絶縁部に印加される。リセット操作については、参照
としてここに組み込まれている、米国特許第５，０９
６，２７９号“空間光変調器および方法”に記載されて
いる。
【００２５】図２（ｂ）は感知素子１２による接点の発
生もしくは非発生を記憶し読み取るメモリセル１２７の
回路図である。公知の状態にプリセットして接点閉成時
にもう一つの状態へ切り替えなければならないため、感
知素子１２の各傾斜状態に対してメモリセル１２７が必
要である。実施例では、非揮発性であるためＳＲＡＭ
（Ｓｔａｔｉｃ ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍ
ｏｒｙ）が使用される。
【００２６】長期信頼度を保証するために、図２（ｂ）
にスイッチとして示す各感知素子１２はバッファ１２８
により保護される。これにより感知素子１２と接点電極
１２６の接触により電流が制限され電位差が最小となる
ことが保証される。
【００２７】メモリセル１２７は６石ＳＲＡＭセルであ
り、交差接続インバータＱ１〜Ｑ４および相補リードラ
イトパスゲートＱ５，Ｑ６を有している。ワード線１２
９によりテスト設定もしくは読取りセルが選定され、ビ
ット線１３０によりメモリセル１２７の状態を予め選定
し後にその状態を読み取ることができる。
【００２８】図２（ｃ）に出力を記憶してテストおよび
リセット機能を実施する３状態ラッチ１３３を示す。ラ
ッチ１３３は感知素子１２が３状態を有する可能性があ
る場合に２個のメモリセル１２７の替りとして使用され
る。０，０状態にプリセットされると、ラッチ１３３は
１，０もしくは０，１出力を生じて２つの傾斜状態のい
ずれかを示す。
【００２９】再び図１を参照して、従来のメモリデバイ
ス製造方法により実現されるものも含めて、他のＤＲＡ
ＭやＳＲＡＭメモリデバイスをメモリ１５に使用するこ
とができる。適切なメモリ１５の重要な特質は所与の時
点における各感知素子１２の状態を表わすデータを受信
する入力手段およびこのデータをプロセッサ１６へ送る
出力手段を有することである。
【００３０】プロセッサ１６は従来のマイクロプロセッ
サデバイスとすることができる。適切なプロセッサ１６
の例はモトローラ社製ＭＣ６８ＨＣ０５Ｃ９、もしくは
テキサスインスツルメンツ社製ＴＭＳ１０００である。
両者共プロセッサバス１６ａを介してアレイ１１ａ〜１
１ｃからデータを読み取る入力手段を有している。ま
た、両者共オンボードメモリ１８を有し、それはダイナ
ミック（ＤＲＡＭ）もしくはスタティック（ＳＲＡＭ）
メモリもしくはその両方を含むことができる。プロセッ
サ１６がオンボードメモリ１８を有する場合、メモリ１
８の一部をメモリ１５に使用することができる。プロセ
ッサ１６はデコーダ１７によりデコードされ読み取るべ
き感知素子１２のアレイ、カラムおよびローを表わすア
ドレスを与えることによりメモリ１５をアクセスする。
【００３１】所与の時点において、各感知素子１２のオ
ンもしくはオフ状態がプロセッサ１６により読み取られ
る。プロセッサ１６はメモリ１５をポールするかもしく
は加速イベントにより割り込まれてメモリ１５の読取り
が行われる。その結果所与の加速度のパターンを捕捉す
る１組のビット語が得られる。このパターンは例えば読
取専用メモリ（ＲＯＭ）の探索表を使用して予め感知さ
れメモリ１８内に記憶された公知のパターンとプロセッ
サ１６により比較される。全ての感知素子１２の状態を
読み取る替りに、１組の所定の感知素子１２を読み取
り、結果データを所与の加速度に対する予期結果と比較
することができる。
【００３２】図３は片持梁型の感知素子２１を示すアレ
イ１１ｃの一部の平面図である。これらの感知素子は上
下力、すなわちｚ方向の垂直加速度に感応するためアレ
イ１１ｃに使用される。各感知素子２１は薄い可撓材で
出来た丁番２３、およびその自由端の試験質量２４を有
している。丁番２３は製造工程中に材料層２６からエッ
チング等により形成された厚梁２５に取り付けられる。
質量２４は同じ層から製作することができる。丁番２３
は可撓材層からエッチングされ、代表的に梁２５および
試験質量２４に使用するものよりも薄い。
【００３３】図４（ａ）は１個の感知素子２１の側面図
であり、そのｘ−ｚ寸法を示している。各丁番２３は厚
さがｔで長さが１である。各試験質量２４は厚さがＴで
長さはＬである。
【００３４】図４（ｂ）は１個の感知素子２１の平面図
であり、そのｘ−ｙ寸法を示している。丁番２３の長さ
は１で幅はｗである。試験質量２４の長さはＷで幅はＬ
である。その質量値Ｍはその密度だけでなくその寸法
Ｔ，Ｗ，Ｌの関数である。前記したように、試験質量２
４は丁番２４よりも広幅で厚く重い材料とすることがで
きる。
【００３５】再び図４（ａ）を参照して、ランディング
電極３１により加速度に応答して感知素子２１の電気接
点手段が提供される。電気導線により各感知素子２１の
メモリセル３３との通信が行われる。
【００３６】リセット電極３２により感知素子２１をリ
セットして“固着”エラー状態を防止する手段が提供さ
れる。これは、プロセッサ１６の制御の元で、周期的間
隔もしくは各加速イベントの後で自動的に行うことがで
きる。また、プロセッサ１６によりテストアルゴリズム
を実行して固着感知素子を検出することができる。リセ
ット操作により各感知素子２１はその非偏向状態へ戻
る。これを達成するために、持続時間の短いリセット電
圧がリセット電極３２へ印加される。リセットパルスは
位置エネルギーを下向きにリセット電極３２へ偏向させ
ることにより感知素子２１内に蓄えるように作用する。
突然解除されると、この付加位置エネルギーにより全て
の感知素子の非偏向状態への均一で信頼度の高い復帰動
作が保証される。
【００３７】例えば、代表的な感知素子２１はそれぞれ
２５×２５×１μｍの幅、長さおよび厚さを有する質量
を有することができる。丁番寸法はそれぞれ５０×１０
×０．０６μｍ程度の長さ、幅および厚さである。しか
しながら、各感知素子２１の特定寸法は所望の振幅感度
および加速度周波数応答に従って決定される。
【００３８】振幅感度は主として各感知素子２１の３つ
のパラメータに依存し、それはその丁番幅Ｗ、その丁番
長さと厚さの比の３乗（１／ｔ）３、および試験質量２
４の値Ｍである。後記するように、付加パラメータは電
気接点を閉じるために感知素子２１の自由端が移動すべ
き距離ｄである。
【００３９】各感知素子２１に対する適切な寸法を決定
する際、空中動作による減衰について充分考慮しなけれ
ばならない。線型高調波振動に対する減衰比Ｄ．Ｒ．は
次式で表わされ、
【数１】 ここに、ｃは減衰定数、ｍは感知素子２１の総質量値、
ｋは丁番２３のスプリング定数である。加速計１０の最
適動作に対しては、減衰比が１よりも小さい不足減衰が
望ましい。加速がインパルス力である場合には、上下い
ずれかの方向の運動が検出される。
【００４０】各感知素子２１の周波数感度はその固有非
減衰共振周波数と印加加速度の励振力Ｆ（ｔ）の周波数
間の関係の関数となる。Ｆ（ｔ）の周波数が感知素子２
１の比減衰固有周波数ｆ０よりも低ければ、その変位は
およそＦ（ｔ）／ｋとなる。この状況は準静止であり、
“スプリング”は外力の直接効果により歪んで慣性およ
び減衰力は無視できる。Ｆ（ｔ）の周波数がｆ０に近ず
くと、共振により振動の振幅が増大する。Ｆ（ｔ）の周
波数がｆ０よりも遙かに大きい場合には、スプリングお
よび減衰力は無視することができ、Ｆ（ｔ）は慣性力に
ほぼ等しく低振幅運動が生じる。
【００４１】一般的に、各感知素子２１の質量ｍが増大
すると、固有周波数ｆ０が低下する。ラジアン周波数で
示すと次式のようになり、
【数２】 ここに、ｋは線型回復力のスプリング定数である。スプ
リング定数ｋが増大すると、ｆ０が増大する。
【００４２】したがって、ｍの値が小さいと高い周波数
で共振が生じ、ｋの値が大きいと同じ効果が得られる。
また、ｍの値が小さいと所与の振幅の加速度に対する感
度が低下する。減衰比はｍもしくはｋの増大と共に低下
する。顕著な共振は０．５よりも充分小さい減衰比で生
じる。
【００４３】図５に関して後記するように、製造上の観
点から片持梁感知素子２１は厚梁金属オーバレイ、すな
わち梁２４と組合された薄い可撓構造、すなわち丁番２
３を使用している。最も容易に変動する要因はウェーハ
面内にある丁番２３および試験質量２４の幅および長さ
である。丁番２３の厚さｔおよび試験質量２４の厚さＴ
は所与のウェーハ層にわたって容易に変動することはな
い。また、材料の密度が変動してｍの値に影響を及ぼす
ことがあるが、それもウェハレベルだけの話である。し
たがって、振幅感度の支配的要因である（１／ｔ）３の
値は製造中は精密に制御される。
【００４４】図５は３個の感知素子２１を示すアレイ１
１ｃの部分断面図である。各感知素子２１は異なる周波
数ｆ０で共振する。アレイ１１ｃは絶縁層４２で被覆さ
れたシリコン基板４１上に形成されている。接点電極３
１はスペーサ層４４上に作成され、各感知素子２１はそ
の下にランディング電極３１を有している。スペーサ層
４４をエッチングして接点２５を形成した後で、感知素
子２１の下に空隙が残る。金属薄層４５を使用して各感
知素子２１の丁番２３が形成される。金属厚層４６によ
りそれらの試験質量および梁２５が形成される。
【００４５】感知素子２１は丁番長が上昇順とされ、全
体質量が最少で丁番長が最も短い感知素子１の共振周波
数ｆ０が最も高い。ｋが１の関数である任意の周波数調
整パラメータｋもしくはｍを使用して周波数応答を設定
することができる。
【００４６】所与の周波数感度に対して、ｆ０を一定に
保持しながら感知素子２１のコンプライアンスを変える
ことによりある範囲の励振力に対す振幅感度が得られ
る。ｆ０を一定に維持しながら任意の振幅感度パラメー
タＷ，（１／ｔ）３、もしくはｍを変えることができ
る。代表的には、Ｍの値を変えることによりｍが変えら
れる。
【００４７】スペーサ層４４内に形成される空隙の厚さ
が、感知素子２１から電気的応答が検出されるかどうか
を決定するもう一つの関連要因である。すなわち、加速
度計１０による検出は感知素子２１が励振に応答して移
動するかどうかだけでなく、その移動が接点電極２５と
接触を行うのに充分であるかどうかにも依存する。加速
度の励振力と最も密接に共振する感知素子２１により振
幅が形成されるが、力が小さすぎると接触が行われず移
動は検出されない。したがって、Ｍや感知素子２１の他
のパラメータを変える替りに、空隙が小さければ接点閉
成力も小さくて済むという点において、スペーサ厚を変
えてある範囲の振幅を検出することができる。
【００４８】したがって図６に示すように、アレイ１１
ｃにはある範囲の加速度振幅に対して周波数応答が同じ
である１組の感知素子２１だけでなく、周波数スペクト
ルの変動レベルに応答するように設計された１組の感知
素子２１が含まれている。例えば、アレイ１１ｃは１〜
３ｋＨｚの範囲の周波数を５０Ｈｚステップで検出し、
かつ０．１〜１０Ｇの範囲の振幅を０．１Ｇのステップ
で検出する。したがって、アレイ１１ｃは６０コラムお
よび１００ローの感知素子２１を有している。
【００４９】アレイ１１ｃの各ローは１列の感知素子２
１であり、その各々が次の増分だけ高い周波数ｆ０で共
振する。前記したように、ｍやｋを変えることにより周
波数応答を調整することができる。各周波数レベルに対
して、対応するカラムは感度が増分する感知素子２１を
有する、すなわちその閾値は漸減する振幅に応答する。
振幅閾値はそのコラムに対してｆ０を一定に保持しなが
ら前記振幅パラメータを変えることにより変化される。
【００５０】その寸法Ｌ，Ｗ，Ｔにより決る試験質量２
４のＭ値は感知素子２１の振幅感度を変える一つの手段
である。Ｍを増大すると振幅感度が高くなるが、同時に
ｍが増大するために共振周波数が低下する。したがっ
て、コラム内でｆ０を一定に保持するには、Ｍを調整し
たらｍも調整しなければならない。一実施例では、各コ
ラム内で所与の周波数レベルに対してＭを変化させて振
幅感度が変えられる。同時に、丁番２３の長さ１を変え
てｆ０が一定に保持される。
【００５１】特定の励振周波数において、適切なコラム
内の全ての感知素子２１が共振する。そのコラム内では
ある閾値振幅を検出するのに充分な感度を有する感知素
子２１だけがその電極２５と接触する。したがって、例
えば５Ｇにおける１．５ｋＨｚの励振周波数に対して
は、感度閾値が５Ｇよりも小さい１．５ｋＨｚコラム内
の感知素子２１が“オン”とされる。メモリ１５に記憶
されている“オン”ビットの“ストリング”により、連
続性が妥当な信号を示すという点において、自動エラー
検出が行われる。連続性は印加加速度の振幅と共に増大
する。
【００５２】図７（ａ），７（ｂ）はアレイ１１ａ，１
１ｂに使用されるようなｘもしくはｙ方向の水平加速度
を検出する感知素子６１を示す。図７（ａ）は感知素子
６１の中心を通るｘ−ｚ面の側面図である。図７（ｂ）
は試験質量６２および質量支持柱６３を除去したｘ−ｙ
面の平面図である。試験質量６２は質量支持柱６３によ
り支持板６４に取り付けられる。支持板６４はねじり丁
番素子６８間に支持される。丁番支持柱６５は丁番素子
６８を支持する。
【００５３】感知素子６１にｘ軸に沿った加速度が加わ
ると、質量６２はＡもしくはＢ方向に移動して応答す
る。支持板６４の僅かな回転運動により下向きに傾斜す
る点を除けば、運動は主として並進運動である。感知素
子６１の共振周波数および振幅感度閾値に達すると、支
持板６４の傾斜によりランディング電極６６との接触が
行われる。
【００５４】感知素子６１は丁番素子６８の軸がｘ−ｙ
面内にあるアレイ１１ａ，１１ｂで使用される。ｘ方向
の並進加速度を検出するには、丁番軸をｘ軸に直交させ
支持板６４がｘ軸に沿って傾斜するようにされる。ｙ方
向の並進加速度を検出するには、アレイ面内で丁番軸を
ｙ軸に直交させ支持板６４がｙ軸に沿って傾斜するよう
にされる。
【００５５】接点電極６６およびリセット電極６７は丁
番６８の軸に平行に配置される。支持板６４の両側で復
帰動作が行われることを除けば、リセット電極６７は感
知電極２１の復帰と同様にリセット感知素子６１で使用
される。
【００５６】ねじり感知素子６１に対しては、共振周波
数は次式で与えられ、
【数３】 ここに、Ｉは慣性モーメント、Ｔはピーク回転角θにお
ける回復トルクである。比Ｔ／θはスプリング定数ｋに
対応し、回転剛性の測定値である。したがって、所与の
回転角において慣性モーメントＩを低減するかもしくは
回復トルクＴを増大することによりｆ０を増大すること
ができる。支持板６４のねじり定数はその厚さの３乗ｔ
３およびその幅Ｗに比例する。回転慣性モーメントＩは
一般的に回転半径の２次式である。さまざまな厚さ、幅
および長さの丁番６８と組み合せてさまざまな厚さ、サ
イズおよび配分の試験質量６２により感知素子２１を組
み立てることにより、各感知素子６１の周波数応答およ
び振幅感度を変えることができる。
【００５７】したがって、感知素子２１と同様に感知素
子６１もその寸法が周波数応答および振幅感度に対して
調整されたアレイ１１ａ，１１ｂとして製作される。振
幅感度は支持柱６５の高さｈおよび試験質量６２の値Ｍ
だけでなく、各支持板６４の寸法の関数である。感知素
子２１の場合と同様に、これらのパラメータは所与の周
波数応答に対して感知素子６１の振幅感度が変動するよ
うに変えることができる。アレイ１１ａ，１１ｂは図６
と同じ基本構成を有し、ローおよびコラムの周波数応答
および振幅感度は増分変動する。
【００５８】集積回路技術を使用して感知素子６１と類
似した構造のマイクロ機械アレイを製作する方法が米国
特許第０７／８１１，４０７号、Ａｔｔｙ Ｄｏｃｋｅ
ｔ第１６３１０号“共振ミラーおよび製造方法”に記載
され、参照としてここに組入れられている。この出願で
は、試験質量６２ではなくミラーが支持柱６３頂部に配
置されている。本発明では各感知素子６１の寸法が加速
度の振幅感度および周波数応答に対して調整される点を
除けば、一般的に製造方法は同じである。
【００５９】再び図１および図６を参照して、“感知素
子１２”が感知素子２１もしくは６１のいずれかの種別
である実施例において、感知素子１２の底部ローを横切
読み取りすることによりデータが効率的に読み出され
る。このデータは振幅感度の最下位ビットを表わしてい
る。次に、周波数応答を表わすコラムが最上位ビットへ
読み込まれる。こうして、振幅および周波数により加速
度を示す１組のデータ点が得られる。この読取りは時間
一杯実施することができる。時間、周波数および振幅換
算されたデータ点はメモリ１８に記憶された探索テーブ
ルと比較して分析することができる。応用例として、自
動車に設置された加速度計１０は切迫した衝突に対する
加速度パターンを認識することができる。次に、そこか
らエアバッグ制御システムへメッセージが送られる。
【００６０】メモリ１５へセンサーデータを書き込む方
法の例として、各アレイ１１ａ〜１１ｃの感知素子１２
はブロック化される。いくつかの異なる方法でデータを
読み出すようにブロックを選定することができる。最初
の方法はアレイ１１ａ〜１１ｃとブロックごとに逐次通
信を行って、被感知ブロックの素子以外の全素子をディ
セーブルすなわち接地することである。あるいは、前記
特許に記載されているＤＭＤデバイスの動作と同様に、
被感知ブロック以外の全素子１２が強制的に“オフ状
態”とされる。ここでは、各ブロックに８個の感知素子
１２があるものとする。各ブロック１３からの出力は８
ビット語でありプロセッサメモリ１８内の一意的アドレ
スに記憶して後に照会もしくは分析することができる。
【００６１】図８はｘ軸周りの回転を検出する感知素子
７１の斜視図である。各端に質量７２を有する梁７２が
ねじり丁番７４の中心に配置されて支持される。ｘ軸周
りに回転加速度が加わると感知素子７１が傾斜する。所
定の周波数応答および振幅において、感知素子７１は一
つのランディング電極７５と接触する。リセット電極７
６を使用して感知素子７１が前記したように固着するの
を防止する。
【００６２】質量７２の中心はねじり丁番７４から離さ
れている。各質量のＭ値や丁番７４からの距離が増大す
ると、感知素子７１の周波数応答が低下し感度が向上す
る。
【００６３】図９はｘ軸周りの回転加速度の検出にも使
用することができる感知素子８１の斜視図である。感知
素子８１は両端でねじり丁番素子８３間に吊着された梁
８２により構成される。支持柱６３および質量６４が無
い点を除けば感知素子８１は感知素子６１と同様であ
る。
【００６４】感知素子７１，８１はｙ軸周りの回転を検
出するのにも使用できる。この機能に対して、各感知素
子７１もしくは８１は同一面内で９０°回転されて丁番
７４および８３がそれぞれｙ軸に沿うようにされる。
【００６５】一般的に、丁番軸から垂直に変位する試験
質量６４が無い点を除けば、感知素子８１だけでなく感
知素子７１も感知素子６１と同じである。このような変
位により感知素子６１は感知素子７１，８１よりも並進
加速に対しては敏感となり回転加速に対しては鈍感とな
る。感知素子７１，８１の場合には、ねじりコンプライ
アンスと較べた場合のねじり丁番７４，８３の張力によ
る制約により回転運動が強化され並進運動が低減する。
【００６６】感知素子７１，８１の周波数応答ダイナミ
クスはやはり図７（ａ），７（ｂ）に関して説明した次
式に従う。
【数４】 前記したのと同様なパラメータ調整技術を使用して、図
６のアレイ１１と同様な感知素子７１もしくは８１のア
レイを生成することができ、ここで感知素子７１もしく
は８１のローおよびコラムは増分変化する周波数応答お
よび振幅感度閾値を有している。
【００６７】本発明の利点はＣＭＯＳ製造技術とコンパ
チブルな手段により全ての感知素子２１，６１，７１，
８１，９１を製造できることである。これにより、メモ
リ１５およびプロセッサ１６回路の頂部に直接アレイ１
１ａ〜１１ｆを製造することができる。
【００６８】図１０は各並進加速方向および水平面内の
回転加速方向に１個ずつの５個のアレイ１１ａ〜１１ｆ
を有する加速度計９０を示す。加速度計９０から得られ
るデータにより広範な周波数、振幅、および時間情報が
提供される。並進感知素子が回転加速度に対する感度を
有することもありその逆もあり得るという事実に対処す
るために、数学的相関を行って回転データと並進データ
を識別することができる。
【００６９】他の実施例 特定実施例について本発明を説明してきたが、本明細書
は制約的意味合いを有するものではない。同業者ならば
開示した実施例のさまざまな修正や別の実施例を考えら
れることと思う。したがって、特許請求の範囲には本発
明の範囲内に入る全ての修正が含まれるものとする。
【００７０】以上の説明に関して更に以下の項を開示す
る。 （１） それぞれが直交するｘ，ｙおよびｚ軸に沿った
並進加速度を検出するデジタル加速度計において、該加
速度計は、ｘ軸に沿った並進加速度を検出する第１の感
知素子アレイであって前記感知素子の各々が前記ｘ軸お
よびｙ軸により画定される面に平行な支持板上に取り付
けられた試験質量を有し、前記支持板は丁番要素に取り
付けられていて前記感知素子にｘ方向の加速度が加わる
時に下側の接点電極に向って傾くことができ、かつ前記
アレイは感知素子の行列を有しその寸法は前記アレイが
ある範囲の周波数レベルおよび前記各周波数レベルにお
ける加速度の振幅を検出するように調整される前記第１
の感知素子アレイと、ｙ軸に沿った並進加速度を検出す
る第２の感知素子アレイであって前記各感知素子が前記
ｘ軸および前記ｙ軸により画定される面に平行な面内の
支持板に取り付けられた試験質量を有し、前記支持板は
丁番に取り付けられて前記感知素子にｙ方向の加速度が
加わる時に下側の接点電極に向って傾くことができ、か
つ前記アレイは感知素子の行列を有しその寸法は前記ア
レイがある範囲の周波数レベルおよび前記各周波数レベ
ルにおける加速度の振幅を検出するように調整されてい
る第２の感知素子アレイと、ｚ軸に沿った並進加速度を
検出する第３の感知素子アレイであって前記各感知素子
が可撓丁番部を有する片持梁に固定された試験質量を有
し前記感知素子にｚ方向の加速度が加わる時に前記梁は
接点電極に向って彎曲するようにされ、かつ前記アレイ
は感知素子の行列を有しその寸法は前記アレイがある範
囲の周波数レベルおよび前記各周波数レベルにおける加
速度の振幅を検出するように調整されている前記第３の
感知素子アレイを具備し、前記全てのアレイの前記接点
電極が一般的に平行な面内にある、デジタル加速度計。
【００７１】（２） 第（１）項記載の加速度計におい
て、さらに前記各感知素子と通信する少くとも１個のメ
モリセルを有するメモリを具備する、デジタル加速度
計。
【００７２】（３） 第（２）項記載の加速度計におい
て、さらに前記メモリと通信するマイクロプロセッサを
具備する、デジタル加速度計。
【００７３】（４） 第（１）項記載の加速計におい
て、さらに前記第１および第２のアレイの各感知素子に
関連する一対のリセット電極および前記第３のアレイの
各感知素子に関連する１個のリセット電極を具備し、前
記感知素子が非傾斜位置へ回復されるデジタル加速度
計。
【００７４】（５） 第（１）項記載の加速度計におい
て、前記第１および第２のアレイ内の前記各感知素子は
それが反時計廻りに傾斜したか、時計廻りに傾斜した
か、もしくは傾斜しないかによって２つの傾斜状態およ
び非傾斜状態を有するデジタル加速度計。
【００７５】（６） 第（５）項記載の加速度計におい
て、さらに各感知素子の各傾斜状態を記憶できるような
数個のメモリセルを具備する、デジタル加速度計。
【００７６】（７） 第（５）項記載の加速度計におい
て、さらに各感知素子の各傾斜状態を記憶する各感知素
子に関連するラッチメモリを具備する、デジタル加速度
計。
【００７７】（８） 水平面内のｘもしくはｙ方向の並
進加速度を検出するデジタル加速度計において、該加速
度計は、感知素子アレイを具備し、前記各感知素子はｘ
軸およびｙ軸により画定される面に平行な面内にある支
持板に取り付けられた試験質量を有し、前記支持板は丁
番素子に吊着されていて前記方向に加速度が加わる時に
下側の接点電極に向って所定の方向へ傾斜することがで
き、前記アレイは感知素子の行列を有しその寸法を調整
して前記アレイがある範囲の周波数レベルおよび前記各
周波数レベルにおける加速度の振幅を検出することがで
きる、デジタル加速度計。
【００７８】（９） 各々が直交するｘもしくはｙ軸周
りの回転加速度を検出するデジタル加速度計において、
該加速度計は、ｘもしくはｙ軸周りの回転加速度を検出
する感知素子アレイを具備し、前記各感知素子は少くと
も１個のねじり丁番素子に取り付けられた傾斜梁を有
し、この梁は前記ｘ軸およびｙ軸により画定される面に
平行な面内にあって前記感知素子にｘもしくはｙ方向の
加速度が加わる時に下側の接点電極に向って傾斜し、前
記アレイは感知素子の行列を有しその寸法を調整して前
記アレイがある範囲の周波数レベルおよび前記各周波数
レベルにおける加速度の振幅を検出することができ、前
記アレイの前記梁および前記接点電極は一般的に平行な
面内にあり、前記各感知素子は前記梁が反時計廻りに傾
斜するか、時計廻りに傾斜するか、もしくは傾斜しない
かによって２つの傾斜状態および非傾斜状態を有する、
デジタル加速度計。
【００７９】（１０） 第（９）項記載の加速度計にお
いて、前記梁はねじり丁番によりその中心に支持され、
接点電極へ向う２方向のいずれかへ傾斜することができ
る、デジタル加速度計。
【００８０】（１１） 第（９）項記載の加速計におい
て、前記梁はその両端の２個のねじり丁番間に吊着さ
れ、接点電極へ向う２方向のいずれかへ傾斜することが
できる、デジタル加速度計。
【００８１】（１２） 第（９）項記載の加速度計にお
いて、さらに前記第１のアレイに直交配置されてｘもし
くはｙ軸周りの回転加速度を検出する点を除けば、前記
第１のアレイと同様な構造の第２の感知素子アレイを具
備する、デジタル加速度計。
【００８２】（１３） 第（９）項記載の加速度計にお
いて、さらに前記感知素子を非傾斜位置へ回復させるた
めの前記各感知素子に関連する一対のリセット電極を具
備する、デジタル加速度計。
【００８３】（１４） 第（９）項記載の加速度計にお
いて、さらに各感知素子に関連する少くとも１個のメモ
リセルを具備し、前記接点電極からの電気信号を記憶す
ることができる、デジタル加速度計。
【００８４】（１５） 並進方向の加速度を検出する方
法において、該方法は、各感知素子が加速度の一意的な
周波数および振幅に応答して移動するようにマイクロ機
械感知素子アレイの各感知素子のサイズパラメータを変
え、前記感知素子が所定距離だけ移動する時に電気信号
が発生するように前記各感知素子の下に少くとも１個の
電極を配置し、各感知素子に関連するメモリセル内に前
記電気信号を記憶し、前記メモリセルの内容を読み出し
て加速度の周波数および振幅を決定する、ステップから
なる加速度検出方法。
【００８５】（１６） 第（１５）項記載の方法におい
て、前記読み取りステップは各感知素子が異なる共振周
波数を有する一行の各感知素子からデータビットを得、
各感知素子が加速度の異なる振幅感度を有する一列の各
感知素子からデータビットを得る、ことからなる加速度
検出方法。
【００８６】（１７） 第（１５）項記載の方法におい
て、前記読み取りステップは選定された感知素子からデ
ータビットを得ることからなり、さらに前記データビッ
トを記憶された１組のデータビットと比較して所与の加
速度が発生したかどうかを決定するステップからなる、
加速度検出方法。
【００８７】（１８） 第（１５）項記載の方法におい
て、さらに各々が所与の方向の並進もしくは回転加速度
を検出するように構成された数個の前記アレイを使用す
るステップからなる、加速度検出方法。
【００８８】（１９） 第（１５）項記載の方法におい
て、前記感知素子は垂直加速度を検出する片持梁感知素
子であり、前記サイズパラメータ変化ステップは前記感
知素子の長さおよび質量を変えることからなる、加速度
検出方法。
【００８９】（２０） 第（１５）項記載の方法におい
て、前記感知素子は水平面内の並進加速度を検出するね
じり梁感知素子であり、前記サイズパラメータ変化ステ
ップは前記ねじり梁により吊着される支持板のサイズを
変えることからなる、加速度検出方法。
【００９０】（２１） 第（２０）項記載の方法におい
て、前記サイズパラメータ変化ステップは前記支持板上
の試験質量の質量を変えることからなる、加速度検出方
法。
【００９１】（２２） 第（１５）項記載の方法におい
て、前記感知素子は水平軸周りの回転加速度を検出する
ねじり梁感知素子であり、前記サイズパラメータ変化ス
テップはねじり丁番に支持もしくはねじり丁番間に吊着
された試験質量の位置およびサイズを変えることからな
る、加速度検出方法。
【００９２】（２３） マイクロ機械感知素子１２のア
レイ１１ａ〜１１ｅから製作されるデジタル加速度計。
異なるアレイ１１ａ〜１１ｅの感知素子１２は特定の回
転もしくは並進方向の加速度を検出するように設計さ
れ、他の方向の加速度に対する応答が最少限に抑えられ
る。さらに、感知素子１２はサイズおよび試験質量パラ
メータを有しそれを調整して加速度の周波数応答および
振幅感度を変えることができる。感知素子１２のアレイ
１１ａ〜１１ｅはある範囲の周波数レベルおよび各周波
数における振幅を検出する。加わる加速度の適切な周波
数および振幅において、感知素子１２が移動して電極１
２６と接触し、電気信号が発生されそれをデータビット
として記憶することができる。感知素子をメモリ１５お
よび処理装置１６と組み合せて使用すると、インテリジ
ェント加速度計が得られその製造技術はデジタル処理装
置に使用されるものとコンパチブルである。
【図面の簡単な説明】
【図１】数個のセンサーアレイを有する加速度計装置。
【図２】（ａ）は感知素子およびその接点とリセット電
極を示す図。（ｂ）はメモリセルおよび感知素子に関連
する読取セレクト回路の回路図。（ｃ）は３状態を有す
ることができる感知素子の出力を記憶するラッチ回路の
回路図。
【図３】上下方向加速度の検出に使用される図１の一つ
のアレイの部分図。
【図４】図３の１個の感知素子を示す図。
【図５】図３のアレイの製造を示す断面図。
【図６】加速度の周波数および振幅を測定する図１のア
レイの感知素子の配列を示す図
【図７】側面から側面方向の加速度を検出する感知素子
を示す図。
【図８】前後もしくは横方向回転加速度を検出する感知
素子を示す図。
【図９】前後もしくは横方向回転加速度を検出する感知
素子を示す図。
【図１０】５種の加速度を検出するための数個の感知素
子アレイを有する加速度計を示す図。
【符号の説明】
１１ａ〜１１ｅ マイクロ機械感知素子アレイ １２ マイクロ機械感知素子 １５ メモリ １６ 処理装置 １２６ 電極

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 それぞれが直交するｘ，ｙおよびｚ軸に
    沿った並進加速度を検出するデジタル加速計において、
    該加速度計は、ｘ軸に沿った並進加速度を検出する第１
    の感知素子アレイであって前記感知素子の各々が前記ｘ
    軸およびｙ軸により画定される面に平行な支持板上に取
    り付けられた試験質量を有し、前記支持板は丁番要素に
    吊着されていて前記感知素子にｘ方向の加速度が加わる
    時に下側の接点電極に向って傾くことができ、かつ前記
    アレイは感知素子の行列を有しその寸法は前記アレイが
    ある範囲の周波数レベルおよび前記各周波数レベルにお
    ける加速度の振幅を検出するように調整される前記第１
    の感知素子アレイと、ｙ軸に沿った並進加速度を検出す
    る第２の感知素子アレイであって前記各感知素子が前記
    ｘ軸および前記ｙ軸により画定される面に平行な面内の
    支持板に取り付けられた試験質量を有し、前記支持板は
    丁番に吊着されて前記感知素子にｙ方向の加速度が加わ
    る時に下側の接点電極に向って傾くことができ、かつ前
    記アレイは感知素子の行列を有しその寸法は前記アレイ
    がある範囲の周波数レベルおよび前記各周波数レベルに
    おける加速度の振幅を検出するように調整されている前
    記第２の感知素子アレイと、ｚ軸に沿った並進加速度を
    検出する第３の感知素子アレイであって前記各感知素子
    が可撓丁番部を有する片持梁に固定された試験質量を有
    し前記感知素子にｚ方向の加速度が加わる時に前記梁は
    接点電極に向って彎曲するようにされ、かつ前記アレイ
    は感知素子の行列を有しその寸法は前記アレイがある範
    囲の周波数レベルおよび前記各周波数レベルにおける加
    速度の振幅を検出するように調整されている前記第３の
    感知素子アレイを具備し、前記全てのアレイの前記接点
    電極が一般的に平行な面内にある、デジタル加速度計。
  2. 【請求項２】 並進方向の加速度検出方法において、該
    方法は、マイクロ機械感知素子アレイの各感知素子のサ
    イズパラメータを変えて各感知素子が加速度の一意的な
    周波数および振幅に応答して移動するようにし、前記各
    感知素子の下側に少くとも１個の接点電極を配置して前
    記感知素子が所定距離移動すると電気信号を発生するよ
    うにし、前記電気信号を各感知素子に関連するメモリセ
    ル内に記憶し、前記メモリセルの内容を読み出して加速
    度の周波数および振幅を決定する、ステップからなる加
    速度検出方法。
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