JP2009236911A - 磁気回路加速度計における振動整流エラーを最小限に抑える方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】磁気回路加速度計における振動整流エラーを最小限に抑えるシステム及び方法を提供する。
【解決手段】下部内径を有する頂部ピース４０と頂部ピースの下部内径よりも小さい直径を有する底部ピース４２とを持つ、励磁リングを備えた加速度計を含む。加速度計は、また、プルーフ・マス６４と、励磁リングの底部ピースに取り付けられた磁石４４と、磁石に取り付けられた磁極片４６と、励磁リングの頂部ピースと磁極片の間のギャップ内に延びると共にプルーフ・マスに取り付けられたコイル７０とを含む。本方法は、表面定着物を研磨する磁極片中に磁極片を配置する工程と、表面定着物を研磨する磁極片の外側部分に励磁リング頂部ピースを配置する工程と、励磁リング頂部ピースの下部に励磁リング底部ピースを配置する工程とを含む。
【選択図】図３

Description

図１に示す加速度計のような従来の加速度計の磁気帰還路は、可撓性のプルーフ・マス（proof mass；試験質量）に取り付けられたコイルと相互作用する励磁リングと磁極片の間の空隙に磁束分布を作り出す。磁束は、コイル中の電流と相互作用して、素子（device）が受ける加速度に比例した再バランス力を生み出す。空隙を横切る磁束密度は、実用的な回路を構成する幾何学的な制約により、一様ではない。更に、磁気回路の磁界強度は、電流方向の変化を伴って磁界がコイルと相互作用すると、一定ではない。磁界強度は磁石の微小ループ勾配に追随する。素子が、磁束及び磁束自体の大きさに関してコイルの方向性（orientation）を変化させ得る振動を受けると、素子の出力は測定される加速度とは無関係に変化するであろう。このエラーは振動整流エラー（vibration rectification error：ＶＲＥ）と称されている。

いかなる磁気回路においても、ＶＲＥを最小限に抑えるコイルの最適位置が磁界中に存在する。この問題に対処する手段が、コイルとプルーフ・マスの間に位置するスペーサを用いて開発されてきた。しかし、スペーサは、振れ（pendulosity）を増大させ、コストが嵩み、製造の困難性を増大させる。また、振動状態下での出力変化を極力抑えようとする欲求が、極端に清浄かつ均一に製造されなければならない短コイルの発展に繋がり、空隙を画定する構成部材との接触を避けてきた。

一般的に内面を機械加工及び清浄化するのが困難な一片型ユニットとして励磁リングが製造されるため、典型的な製造技術は、清浄なまま高度に仕上げられた励磁リングを製造するには困難性を呈する。これは、加速度計の適切な作動を阻害することがある小粒子の残留をもたらす。更に、２片型励磁リングを使用する技術など、以前の製造技術には、コイル、励磁リングの上面、及びプルーフ・マスに関連して、磁極片及び磁石の幾何学的配置に多くの起こり得るエラーの源がある。磁極片と磁石間及び磁石と励磁リング間の結合層、並びに磁極片の高さ及び磁石の高さは、可変であり、異なる加速度計間の磁極片及び磁石の位置変動を引き起こし、これは、加速度計の他の部品に関連して磁極片の位置が任意でないため、振動整流エラーの増大を招く。

本発明は、磁気回路加速度計における振動整流エラーを最小限に抑えるシステム及び方法を含む。システムの一例は、下部内径を有する頂部ピースと直径が頂部ピースの下部内径よりも小さい底部ピースとを持つ、励磁リングを備えた加速度計である。加速度計は、また、プルーフ・マスと、励磁リングの底部ピースに取り付けられた磁石と、磁石に取り付けられた磁極片と、励磁リングの頂部ピースと磁極片の間のギャップ内に延びると共にプルーフ・マスに取り付けられたコイルとを含む。

本発明の更なる態様によれば、底部ピースは、直径が頂部ピースの下部内径よりも約０．０７６ｍｍ（approximately 3 mils）小さい。本発明の他の態様によれば、磁極片は、導電性エポキシを用いて磁石に取り付けられ、磁石は導電性エポキシを用いて底部ピースに取り付けられる。本発明のなお更なる態様によれば、加速度計は、また、プルーフ・マスに取り付けられたステータを含む。

本発明の更に他の態様によれば、加速度計は、励磁リング頂部ピース及びステータに取り付けられた腹帯を含み、励磁リング頂部ピース、プルーフ・マス、及びステータが腹帯により互いに固定関係に保持される。本発明の更なる態様によれば、励磁リング頂部ピースは断面がＬ字形である。本発明のなお別の態様によれば、方法は、表面定着物（surface fixture）を研磨する磁極片中に磁極片を配置する工程と、表面定着物を研磨する磁極片の外側部分に励磁リング頂部ピースを配置する工程と、励磁リング頂部ピースの下部に励磁リング底部ピースを配置する工程とを含む。

本発明のなお更なる態様によれば、方法は、磁極片に第一の接着剤層を塗布する工程と、第一の接着剤層に磁石を配置する工程と、磁石に第二の接着剤層を塗布して、励磁リング底部ピースが励磁リング頂部ピースの下部に配置されると、励磁リング底部ピースを第二の接着剤層に配置する工程とを含む。本発明の更に他の態様によれば、方法は、第一及び第二の接着剤層に導電性エポキシを用いることを含む。

先行技術の加速度計を示す。 治工具を用いて組み立てられた加速度計の部分断面図である。 本発明の一実施例に従って形成された加速度計の断面図である。

添付の図面を参照して、以下に、本発明の好ましい従来例とは異なる実施例を詳細に説明する。図２は、治工具（tooling device）３０を用いて組み立てられた加速度計２０の部分断面図である。図示の実施例において、治工具３０は、取付構造体（mounting structure）と、ベース３４と、側壁３６とを含む。取付構造体は、幾つかの例では表面定着物３２を研磨する磁極片と呼ばれる得る。加速度計２０は、励磁リング（Ｅ−リング）頂部ピース４０を含み、その上に励磁リング底部ピース４２が位置決めされる。治工具３０は、加速度計２０部品の非常に正確な位置合わせを行う。Ｅ−リング頂部ピース４０は、その第一端部４３に研磨面４１を含む。

磁石４４がＥ−リング底部ピース４２に取り付けられ、磁極片４６が磁石４４に取り付けられる。磁石４４及び磁極片４６は、Ｅ−リング底部ピース４２から離れて、Ｅ−リング頂部ピース４０のギャップに向けて上方に延びる。加速度計２０は、図２では、逆さまに図示されており、Ｅ−リング底部ピース４２から離れて下方に延びる磁石４４及び磁極片４６が図示されている。幾つかの例では、Ｅ−リング頂部ピース４０はまたＥ−リング第一ピースと称されることがあり、Ｅ−リング底部ピース４２はまたＥ−リング第二ピースと称されることがある。

一実施例において、Ｅ−リングの頂部ピース４０及び底部ピース４２は、別々に製造されて、加熱処理される。Ｅ−リング頂部ピース４０は、次いで、少なくとも一面を所定の仕上げ品質にまで粗研磨される。一実施例において、研磨仕上げが研磨面４１に施された後、Ｅ−リング頂部ピース４０は研磨作業からの残留微粒子が取り除かれる。Ｅ−リング底部ピース４２、磁石４４、及び磁極片４６は、空気研磨され、Ｅ−リングの頂部ピース４０、底部ピース４２、磁石４４、及び磁極片４６を含む全ての部品が清浄にされる。その後、加速度計２０が組み立てられる。一実施例において、加速度計２０の組立ては、ＨＥＰＡフィルタを用いるなどして、浮遊微小粒子が空気から除去された作業台に、層流の空気が流れる組立て作業台であるクリーン・ベンチ（清浄実験台）を用いて行われる。

一実施例の組立工程において、磁極片４６が表面定着物３２を研磨する磁極片中に配置される。次いで、銀充填の第一導電性エポキシ層４８［例えば、エイブルスティーク・ラボラトリーズ(Ablestik laboratories)社製のエイブルボンド(登録商標：Ablebond) 84-1LMIT］が、磁極片４６に塗布される。次に、表面定着物３２を研磨する磁極片中の磁石４４を第一エポキシ層４８に配置して、磁石４４が磁極片４６に取り付けられる。次いで、銀充填の第二導電性エポキシ層５０（例えば、エイブルスティーク・ラボラトリーズ社製のエイブルボンド 84-1LMIT）が、磁石４４に塗布される。

次に、Ｅ−リング頂部ピース４０が、表面定着物３２を研磨する磁極片の外側部分４９上の治工具３０内に配置される。次いで、Ｅ−リング底部ピース４２が、Ｅ−リング頂部ピース４０の第二端部５１の内側において、エポキシ層５０上に配置される。その後、Ｅ−リング底部ピース４２に力を加える例えば重し又はバネ等の荷重装置５２を用いて、表面定着物３２を研磨する磁極片に対して、Ｅ−リング底部ピース４２、磁石４４、及び磁極片４６を含む堆積物を押圧する。

一実施例において、荷重装置５２は、２００ｇ以上の重しにより与えられる圧力と同等の圧力を、Ｅ−リング底部ピース４２に加える。次に、未充填の低粘度エポキシ層（例えば、TRA-CON 社製のTRA-BOND 931-1）５４が、Ｅ−リング底部ピース４２とＥ−リング頂部ピース４０の間に塗布される。TRA-BOND 931-1以外のエポキシ又は他の接着剤も使用できる。かかる代替のエポキシは、典型的には粘度が低いので、Ｅ−リング頂部ピース４０とＥ−リング底部ピース４２間のギャップを効果的に浸潤する。このような代替のエポキシは、また、典型的にはＥ−リング頂部ピース４０とＥ−リング底部ピース４２を一緒に保持する結合力を有し、時間の経過と共に幾何学的安定性をもたらして、磁気回路に同じ磁束レベルを維持する。

エポキシ層５４の塗布は、例えばＥ−リング頂部ピース４０とＥ−リング底部ピース４２間のギャップに、エポキシ層５４を浸潤させることにより実施され得る。エポキシ層４８，５０，５４は、その後、例えば１５０℃で約１時間加熱することにより硬化される。この例ではエポキシ層４８，５０，５４が同時に硬化されるが、別の例ではエポキシ層を順次又は異なる条件下で硬化してもよい。

加速度計２０の組立て時における表面定着物３２を研磨する磁極片の使用は、表面定着物３２を研磨する磁極片の寸法を制御することにより、高い許容誤差に制御され得る表面距離５６を研磨する磁極片をもたらす。これは、このようにして製造される異なる加速度計間に一貫性のある表面距離５６を研磨する磁極片をもたらし、磁石４４の高さ、磁極片４６の高さ、第一エポキシ層４８の厚さ、及び第二エポキシ層５０の厚さの変動を過度に考慮することなく、表面距離５６を研磨する磁極片が制御され得るようになる。

その後、治工具３０が取り外され、更なる構成部材が加速度計２０に追加されて、図３に図示された構造物を製造する。図２，３は必ずしも縮尺通りに描かれていない。図２，３は加速度計２０の種々の部品を断面図で示しているが、当然のことながら部品には体積がある。一実施例の実施の形態では、Ｅ−リング頂部ピース４０及びＥ−リング底部ピース４２は円筒形である。幾つかの例では、磁石４４、磁極片４６等の他の構成部材も形状を円筒形にすることができる。

図３は、治工具３０が取り外されて更なる構成部材が追加された後の、図２に示す加速度計２０の断面図である。図３は、また、Ｅ−リング頂部ピース４０が、Ｅ−リング底部ピース４２の直径６２よりも大きい第二端部５１に、下部内径６０を有することを示している。これにより、図２について説明した組立て時に、Ｅ−リング底部ピース４２がＥ−リング頂部ピース４０に差し込み可能になる。一実施例において、下部内径６０は１９．０５±０．０２５ｍｍ（0.75±0.001インチ）であり、直径６２は１８．９７±０．０２５ｍｍ(0.747±0.001インチ)であって、径の差が０．０７６±０．０５１ｍｍ（0.003±0.002インチ）、即ち径の差は、０．０７６±０．０５１ｍｍ（3±2 mils）又は０．０２５−０．１２７ｍｍ(between 1 and 5 mils)となる。一実施例において、Ｅ−リング底部ピース４２は、直径がＥ−リング頂部ピース４０の下部内径よりも約０．０７６ｍｍ（3 mils）小さい。

Ｅ−リング頂部ピース４０は本実施例では断面がＬ字形であるが、Ｅ−リング頂部ピース４０は、別の例では、断面が１又はそれ以上の角部にアールを設けた概ねＬ字形状等の別の形状であってもよい。更に、Ｅ−リング底部ピース４２の直径６２がＥ−リング頂部ピース４０の下部内径６０よりも小さいという条件で、別の大きさの構造を用いることができる。

治工具３０が取り外された後に、プルーフ・マス６４がＥ−リング頂部ピース４０の上面に追加され、加速度計の電子機器を含むステータ６６がプルーフ・マス６４の固定部分に取り付けられる。その後、プルーフ・マス６４及びステータ６６は、例えば腹帯(bellyband)６８を用いるなどして、Ｅ−リング頂部ピース４０に関して所定の位置に保持される。当然のことながら、プルーフ・マス６４の外側の剛性部分が、Ｅ−リング頂部ピース４０に関して所定の位置に保持され、プルーフ・マス６４の他の部分が加速度計２０の作動時に屈曲するであろう。また、プルーフ・マス６４から磁極片４６とＥ−リング頂部ピース４０間のギャップに延びる、コイル７０が図示されている。

一実施例において、研磨面４１は、また、研磨面４１とプルーフ・マス６４上の金属化プレート（図示せず）との間に形成される、コンデンサの接地板として機能する。また、図２の加速度計部分の鏡像バージョン（version）が、プルーフ・マス６４の第二側部に作り出されて取り付けられ、所定の温度範囲にわたって応力及び磁気的挙動の同相モード相殺性能を強めることができる。幾つかの例では、加速度計２０の一部又は全ての組立てをクリーン・ルームで行うことができる。

本発明の好ましい実施例を図面を用いて説明し記述したが、前述の通り、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく多くの変更を行うことができる。例えば、他の種類のエポキシ又はエポキシ以外の種類の接着剤を使用してもよく、幾つかの例では、接着剤の使用以外の取付け方法及び接合方法を採用することができる。更に、片面（single sided）加速度計について説明したが、幾つかの例では、同様の２ピース・励磁リングを用いて両面（double sided）加速度計を形成することもできる。また、表面定着物３２を研磨する磁極片を使用する他の種類の治工具も、幾つかの例では使用することができる。

加速度計２０の組立における異なる工程順序が幾つかの例で行うことができ、又は、例えば、表面定着物３２を研磨する磁極片に挿入する前に、磁石４４を磁極片４６に取り付けるなどして、幾つかの部品を予め組み立てた後に他の部品と結合してもよい。従って、本発明の範囲は、好ましい実施例の開示により限定されるものではない。それよりむしろ、専ら添付の特許請求の範囲を参照して本発明を確定すべきである。

Claims (3)

1. 加速度計（２０）であって、
   プルーフ・マス（６４）、
   第一の内径を第一端部に及び第二の内径を第二端部に有する第一のピース（４０）及び第三の直径を有する第二のピース（４２）を含み、第三の直径が第二の内径よりも小さい、少なくとも１つの励磁リング、
   励磁リングの第二のピースに取り付けられる少なくとも１つの磁石（４４）、
   少なくとも１つの磁石に取り付けられる少なくとも１つの磁極片（４６）、
   プルーフ・マスに取り付けられる少なくとも１つのコイル（７０）を含み、
   励磁リングの第一のピースが該第一のピースの第一端部におけるギャップを横切る磁極片に隣接し、前記コイルが前記ギャップ内に延びる、前記加速度計。
2. 前記プルーフ・マスの固定部分に取り付けられたステータ（６６）を更に含み、該ステータが加速度計の電子機器を含む、請求項１に記載の加速度計。
3. 前記励磁リングの第一のピース及びステータに取り付けられた腹帯（６８）を更に含み、励磁リングの第一のピース、プルーフ・マス、及びステータが腹帯により互いに固定関係に保持される、請求項２に記載の加速度計。

Images