JP2011174901A - サーボ型加速度計 - Google Patents

Abstract

【課題】高温域においても計測精度が高いサーボ型加速度計を提供する。
【解決手段】磁気ヨーク１１，１２の内側に磁気ヨーク１１，１２のキュリー温度よりもキュリー温度が高い強磁性体からなるつぼ形状の磁気補強体３１，３２を設けて、磁気補強体３１，３２の開口部の内周面３１ａ，３２ａをポールピーストップ５１，５２の外周面５１ａ，５２ａと対向させ、磁気補強体３１，３２の開口部の内周面３１ａ，３２ａとポールピーストップ５１，５２の外周面５１ａ，５２ａとの間にトルカコイル６１，６２を位置させる。磁気ヨーク１１，１２の内側に設けられ、独立した磁気回路を構成する磁気補強体３１，３２のキュリー温度は、磁気ヨーク１１，１２のキュリー温度よりも高いため、高温域において従来よりも加速度の計測精度が高くなる。
【選択図】図１

Description

この発明はトルカコイルが振子に取り付けられ、加速度入力による振子の変位（振れ量）に基づいた電流がトルカコイルに流されて電磁力の作用により振子が中立点で平衡する構成とされたサーボ型加速度計に関する。

振子部に熱膨張率が低い材料である石英ガラスを用いた従来のサーボ型加速度計を図９に示す。従来のサーボ型加速度計においては、熱膨張による歪みを防止するために同じく熱膨張率が低い材料であるインバーからなる磁気ヨーク９１，９２で、振子部９３を支持している。しかし、インバーはキュリー温度が低いため、高温域では磁気飽和が生じてしまい、トルカコイル９４に印加される磁束密度が低下する。その結果、サーボ型加速度計の感度温度特性が非線形となり加速度の計測精度が低下し得るという問題があった。

特許文献１に記載されたサーボ型加速度計においては、磁石９５，９６がそれぞれ形成する磁気回路を補強するために、カップ形状の磁気ヨーク９１，９２の外側底面に、磁気ヨーク９１，９２よりも高い飽和磁束密度を有する磁気補強板９７，９８を設けていた（例えば、特許文献１参照のこと。）。

特開平８−２９２２０８号公報

しかしながら、特許文献１の磁気補強板９７，９８は磁気回路の一部を担うだけであり、インバーのキュリー温度（約２１０℃）に近い高温域になると、磁気補強板９７，９８以外の部分、例えば図９の領域Ｒの部分で磁気飽和が生じてしまい、加速度の計測精度が低下してしまうという課題がある。

上記の課題を解決するために、本発明は、磁気ヨークの内側に磁気ヨークのキュリー温度よりもキュリー温度が高い強磁性体からなるつぼ形状の磁気補強体を設けて、磁気補強体の開口部の内周面をポールピーストップの外周面と対向させ、磁気補強体の開口部の内周面とポールピーストップの外周面との間にトルカコイルを位置させる。

磁気ヨークの内側に設けられ、独立した磁気回路を構成する磁気補強体のキュリー温度は、磁気ヨークのキュリー温度よりも高いため、高温域において従来よりも加速度の計測精度が高くなる。

この発明によるサーボ型加速度計の一実施形態の構成を例示する断面図。 この発明によるサーボ型加速度計の他の実施形態の構成を例示する断面図。 この発明によるサーボ型加速度計の他の実施形態の構成を例示する断面図。 従来のサーボ型加速度計の高温における感度温度特性の劣化状況を例示する図。 従来のサーボ型加速度計の感度温度特性と、それを近似した３次元曲線を例示する図。 従来のサーボ型加速度計の補正残差を例示する図。 この発明の一実施形態従来の感度温度特性と、それを近似した３次元曲線を例示する図。 この発明の一実施形態従来の補正残差を例示する図。 従来のサーボ型加速度計の構成を示す断面図。

この発明の実施形態を図面を参照して説明する。図１はこの発明によるサーボ型加速度計の一実施形態の構成を示したものである。

円形状の振子部２は、略環状に形成された枠体２１と、この枠体２１の内径よりも小さい径を有する略円板形状の振子２３と、この振子２３を枠体２１の枠内に位置してその板厚方向に揺動可能に、枠体２１に支持させるヒンジ２２とによって形成される。これら枠体２１、振子２３及びヒンジ２２は例えばクオーツによって一体形成されて振子部２を構成する。ヒンジ２２は肉薄とされて弾性変形可能とされている。振子部２の枠体２１の両板面には図１に示したように磁気ヨーク１１，１２が対接され、これら磁気ヨーク１１，１２によって振子部２は挟み込まれている。

磁気ヨーク１１，１２は、一端側が開放され、他端側が閉塞板１１ａ，１２ａで閉塞されたカップ形状であり、熱膨張率が低い材料、例えばインバーからなる。磁気ヨーク１１，１２の閉塞板の中央部には、レーザ溶接用の貫通孔１１ｂ，１２ｂが設けられている。図１の例では、磁気ヨーク１１，１２は、閉塞板１１ａ，１２ａを含む本体部１１１，１２１と、一端側を含む筒状部１１２，１２２とを点Ｐ２でレーザ溶接することにより一体形成される。点Ｐ２のレーザ溶接は、少なくとも磁気補強体３１，３２を磁気ヨーク１１，１２に収容した後に行われる。

磁気ヨーク１１，１２の内部にはそれぞれ磁気補強体３１，３２、磁石４１，４２及びポールピーストップ５１，５２が収容されている。磁気補強体３１，３２、磁石４１，４２及びポールピーストップ５１，５２は、それらの中心軸が磁気ヨーク１１，１２の中心軸に一致されて、磁気ヨーク１１，１２の他端側を閉塞している閉塞板１１ａ，１２ａの内面上にそれぞれ順次積層されて配置されている。ポールピーストップ５１，５２の周縁部は図１に示したように肉厚とされている。

磁気補強体３１，３２は、つぼ形状であり、磁気ヨーク１１，１２のキュリー温度よりもキュリー温度が高い強磁性体からなる。磁気補強体３１，３２の材料として、電磁軟鉄、純鉄等を例えば用いる。磁気補強体３１，３２の開口部の内周面３１ａ，３２ａは、ポールピーストップの外周面５１ａ，５２ａと対向している。

磁石４１，４２は円板形状であり、その材料として例えばサマリウム系希土類コバルト磁石が用いられる。ポールピーストップ５１，５２は円板形状であり、例えば電磁軟鉄によって形成される。磁石４１，４２はその板厚方向に着磁され、磁気補強体３１，３２の開口部の内周面３１ａ，３２ａとポールピーストップ５１，５２の外周面５１ａ，５２ａとの間に環状磁気空隙がそれぞれ形成される。

磁気補強体３１，３２及び磁石４１，４２は例えば接着固定され、磁石４１，４２及びポールピーストップ５１，５２も例えば接着固定される。これに対して、磁気ヨーク１１，１２と磁気補強体３１，３２は、特許第３２４５６７５号公報で開示されている様に磁気補強体３１，３２の外側底面の中央部において、貫通孔１１ｂ，１２ｂから入射されるレーザによりレーザ溶接される。図１の例では、点Ｐ１の位置で表わされる貫通孔１１ｂ，１２ｂの円周上の点で磁気ヨーク１１，１２と磁気補強体３１，３２はレーザ溶接される。

磁気補強体３１，３２の材料としては、磁気ヨーク１１，１２の材料であるインバーよりも熱膨張率が高い電磁軟鉄等の材料が用いられる。このため、磁気補強体３１，３２と磁気ヨーク１１，１２を単に接着固定すると、温度変化の際に生じる両者の熱膨張量の差により両者が剥離する可能性がある。磁気補強体３１，３２と磁気ヨーク１１，１２とを、磁気補強体３１，３２の外側底面の中央部で１１ｂ，１２ｂの円周上でレーザ溶接することにより、温度変化の際に生じる両者の熱膨張率の違いによる伸縮量の差を少なくして熱応力を小さくすることができ、磁気補強体３１，３２と磁気ヨーク１１，１２の接合を安定したものとすることができる。

振子２３の両板面には、円筒状トルカコイル６１，６２がそれぞれ取り付けられている。具体的には、トルカコイル６１，６２はボビンに巻回されており、このトルカコイル６１，６２が巻回されたボビンが、振子２３の両板面に接着固定された円柱に嵌合されている。この円柱は振子と同様、クオーツ製とされる。

一方、振子２３の両板面には、円弧状の電極（図示していない）がそれぞれトルカコイル６１，６２の外周側に位置するように形成されている。磁気ヨーク１１，１２の開放端面は、振子２３の電極と対向する電極として作用する。

振子部２を間に挟むように、磁気ヨーク１１，１２の枠体当接面１１ｃ，１２ｃが、振子部２の枠体２１の両面に接着されることにより、磁気ヨーク１１，１２及び振子部２が一体化され、加速度の検出機能を果たすセンシング機構１が構成される。このとき、磁気補強体３１，３２の開口部の内周面とポールピーストップ５１，５２の外周面との間の空隙に、トルカコイル６１，６２がそれぞれ位置されることになる。また、振子２３に取り付けられた電極と、電極として作用する磁気ヨーク１１，１２の開放端面とが対向することになる。

磁気ヨーク１１，１２の外周面には、それらにまたがってアウターリング１１０が取り付けられ、このアウターリング１１０を介して磁気ヨーク１１，１２が互いに導通される。アウターリング１１０は磁気ヨーク１１，１２と同様、インバー製とされ、導電性接着剤によってそれら磁気ヨーク１１，１２に接着固定される。

ハウジング７は、加速度の検出機能を果たすセンシング機構１を保護し、かつ加速度の被検出体（運動体）に取り付けるための取り付け機構として機能するものである。ハウジング７は、この例ではボディハウジング７１、ボトムハウジング７２及びトップハウジング７３を一体形成することにより構成されている。

磁気ヨーク１２の回りにはＣリング９が装着され、センシング機構１はこのＣリング９を介してハウジング７に固定支持されている。Ｃリング９は磁気ヨーク１２及びハウジング７とそれぞれ接着固定されている。

一方、磁気ヨーク１１の回りにもＣリング１０が装着されており、このＣリング１０は磁気ヨーク１１に接着固定されている。なお、Ｃリング１０とハウジング７との間には例えばシリコーン樹脂などよりなる柔軟性のある接着剤１００が充填されている。Ｃリング９，１０はセンシング機構１の安定性のために設けられている。Ｃリング９，１０は共にアルミニウム製とされる。

このような構成を有するサーボ型加速度計においては、加速度入力による振子２３の板厚方向の変位が、振子２３の電極とその対向電極である磁気ヨーク１１，１２の開放端面の静電容量の変化として検出される（電気信号路は図示せず）。磁気ヨーク１１，１２の開放端面は共通ＧＮＤとされ、振子２３の両板面の電極の検出信号が所要の電気回路（図示せず）により差動増幅され、一対のトルカコイル６１，６２に静電容量差に基づいた電流が流される。このトルカコイル６１，６２に流れる電流と磁石４１，４２による磁界との相互作用により、振子２３は元に戻り、中立点で平衡する。この時の電流は振子２３に加わった加速度に比例するため、この電流から加速度が求められる。

このように、磁気ヨーク１１，１２の内側につぼ形状の磁気補強体３１，３２を設けて、磁気補強体３１，３２の開口部の内周面３１ａ，３２ａをポールピーストップ５１，５２の外周面５１ａ，５２ａと対向させ、磁気補強体３１，３２の開口部の内周面３１ａ，３２ａとポールピーストップ５１，５２の外周面５１ａ，５２ａとの間にトルカコイル６１，６２を位置させ、この磁気補強体３１，３２により独立した磁気回路を構成する。磁気補強体３１，３２のキュリー温度は、磁気ヨーク１１，１２のキュリー温度よりも高いため、磁気ヨーク１１，１２のキュリー温度に近い高温域においても、磁気補強体３１，３２による磁気回路は磁気飽和しない。したがって、高温域において従来よりも加速度の計測精度が高くなる。

図２に例示するように、磁気ヨーク１１，１２を、開口部が設けられた一端側を含む中空円板形状であるピックオフリング１１３，１２３と、閉塞板１１ａ，１２ａが設けられた他端側を含む本体部１１１，１２１とにより一体形成してもよい。ピックオフリング１１３，１２３及び本体部１１１，１２１はインバーからなる。中空円板形状の構造は、寸法精度を出しやすい。したがって、図２に例示した構造を採用することにより、振子部２を寸法精度が高い磁気ヨーク１１，１２で挟み込むことができ、より精度が高いサーボ型加速度計を構成することができる。

図３に例示するように、磁気ヨーク１１，１２の内側に施した鉄めっきにより、磁気補強体３１，３２を構成してもよい。金型の補修等のため補修部分に厚い鉄めっきにより肉厚を増す方法が確立されている。例えば、この方法により磁気ヨーク１１，１２の内側に鉄めっきを施す。この場合、磁気ヨーク１１，１２の内側に鉄めっきを施した後に、磁気ヨーク１１，１２の内側底面に、ポールピースボトム１４１，１４２、磁石４１，４２及びポールピーストップ５１，５２が順次積層される。ポールピースボトム１４１，１４２の材料として、例えば電磁軟鉄を用いることができる。

各部材の接合部は適当な条件を設定することで、接着等の他の接合方法に変えることができる。また、磁気回路に用いる電磁軟鉄等は通常の状態では腐食し易いので、表面にニッケル、クロム等の適当な防錆処理を施すことが望ましい。

上述の接着方法、防錆処理の変形例は、上述の実施形態のすべてに適用することができる。上述の変形例の全部又は一部を組み合わせて、上述の実施形態に適用してもよい。その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能であることはいうまでもない。

［実験結果］
特許文献１のようにカップ形状の磁気ヨーク９１，９２の外側底面に、磁気ヨーク９１，９２よりも高い飽和磁束密度を有する磁気補強板９７，９８を取り付けた場合には、図９の領域Ｒにおいて磁界飽和が生じやすくインバーのキュリー温度（約２１０℃）に近い温度（この例では１８０℃前後以上）になると、図４に実線で示すように感度変化率が大きく上昇する。図４の破線は同一の条件の下で磁気飽和が生じないとした場合の温度変化による感度温度特性を示す。

なお、感度は、入力された加速度〔Ｇ〕とそのときのサーボ型加速度計の出力電力〔ｍＡ〕とから、感度＝出力電流／加速度で求められる。感度変化率は２５℃の時の感度を基準としたときの変化の割合であり、変化率＝（各温度の感度−２５℃の感度）／２５℃の感度で求められる。

図５の実線は特許文献１のサーボ型加速度計の感度温度特性であり、図５の破線はその感度温度特性の３次式による近似曲線である。図６は、図５の破線で示した３次元曲線で補正を行った場合の補正残差である。

図７の実線はこの発明の実施形態のサーボ型加速度計の感度温度特性であり、図７の破線はその感度温度特性の３次式による近似曲線である。図８は、図７の破線で示した３次元曲線で補正を行った場合の補正残差である。

特許文献１のサーボ型加速度計では高温域での急激な感度変化を適切に補正する曲線を設定できず補正残差が非常に大きいが、この発明の実施形態のサーボ型加速度計では温度特性の急激な変化が解消されて補正が適切に行われていることがわかる。

１１，１２ 磁気ヨーク
１１ａ，１２ａ 閉塞板
１１１，１２１ 本体部
１１３，１２３ ピックオフリング
２３ 振子
３１，３２ 磁気補強体
３１ａ，３２ａ 内周面
４１，４２ 磁石
５１，５２ ポールピーストップ
５１ａ，５２ａ 外周面
６１，６２ トルカコイル

Claims (4)

1. 中立点にある振子の揺動した位置を検出し、その振子の揺動に基づき電磁的作用によりその振子を中立点に戻し、その電磁的作用に要した電流量により加速度を検出するサーボ型加速度計において、
   一端側が開放され、他端側が閉塞板で閉塞されたカップ形状の２個の磁気ヨークと、
   上記２個の磁気ヨークの一端側で挟まれ、揺動可能な振子を有する振子部と、
   各上記磁気ヨークの内側にそれぞれ配置され、上記磁気ヨークのキュリー温度よりもキュリー温度が高い強磁性体からなるつぼ形状の磁気補強体と、
   上記磁気補強体の底面に配置された磁石と、
   上記磁石の上に配置されたポールピーストップと、
   上記振子に取り付けられたトルカコイルと、を含み、
   上記磁気補強体の開口部の内周面は、上記ポールピーストップの外周面と対向しており、上記磁気補強体の開口部の内周面と上記ポールピーストップの外周面との間に上記トルカコイルが位置している、
   ことを特徴とするサーボ型加速度計。
2. 請求項１に記載のサーボ型加速度計において、
   上記磁気ヨークは、上記磁気補強体よりも熱膨張率が低い材料から成り、
   上記磁気補強体は、その外側底面の中央部で上記磁気ヨークに溶接されている、
   ことを特徴とするサーボ型加速度計。
3. 請求項１又は２に記載のサーボ型加速度計において、
   上記磁気ヨークは、上記一端側を含む中空円板形状であるピックオフリングと、上記他端側を含む本体部とが一体形成されたものである、
   ことを特徴とするサーボ型加速度計。
4. 請求項１に記載のサーボ型加速度計において、
   上記磁気補強体は、上記磁気ヨークの内側に施された鉄めっきである、
   ことを特徴とするサーボ型加速度計。

Images