JP3049305B2 - 振動子形加速度計 - Google Patents
振動子形加速度計Info
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- JP3049305B2 JP3049305B2 JP3079695A JP7969591A JP3049305B2 JP 3049305 B2 JP3049305 B2 JP 3049305B2 JP 3079695 A JP3079695 A JP 3079695A JP 7969591 A JP7969591 A JP 7969591A JP 3049305 B2 JP3049305 B2 JP 3049305B2
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- vibrators
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、質量部を支持体に片
持支持させ、その質量部の自由端と支持体との間に振動
子を取付け、加速度が支持体に印加されると質量部の自
由端が支持体に対し角変位し、これにより振動子の固有
振動周波数が変化することにより入力加速度を検出する
振動子形加速度計に関する。
持支持させ、その質量部の自由端と支持体との間に振動
子を取付け、加速度が支持体に印加されると質量部の自
由端が支持体に対し角変位し、これにより振動子の固有
振動周波数が変化することにより入力加速度を検出する
振動子形加速度計に関する。
【０００２】
【従来の技術】図２Ｂに従来の振動形加速度計を示す。
支持体１１がコ字状に形成された場合であり、コ字状支
持体１１の中央部に、その両脚部１１ａ，１１ｂと平行
し、これらの間に位置した質量部１２の一端が連結され
て質量部１２が片持支持される。質量部１２の自由端が
脚部１１ａ，１１ｂのいずれ側にも変位できるように質
量部１２は回動自在とされ、この例では支持体１１がな
す面と垂直な方向に延びた薄肉ヒンジ１３が質量部１２
の固定側端部に形成されている。質量部１２の自由端部
と脚部１１ａ，１１ｂとの間にそれぞれ振動子１４，１
５が取付けられている。
支持体１１がコ字状に形成された場合であり、コ字状支
持体１１の中央部に、その両脚部１１ａ，１１ｂと平行
し、これらの間に位置した質量部１２の一端が連結され
て質量部１２が片持支持される。質量部１２の自由端が
脚部１１ａ，１１ｂのいずれ側にも変位できるように質
量部１２は回動自在とされ、この例では支持体１１がな
す面と垂直な方向に延びた薄肉ヒンジ１３が質量部１２
の固定側端部に形成されている。質量部１２の自由端部
と脚部１１ａ，１１ｂとの間にそれぞれ振動子１４，１
５が取付けられている。
【０００３】振動子１４，１５はそれぞれ図３Ａに示す
ように、２本の平行した四角柱状振動素子１６，１７の
両端が互いに連結され、その各振動素子１６，１７の各
４つの側面に、それぞれ長手方向に配列された３つの電
極１８が形成され、これら電極間に交流信号を印加し
て、それぞれ図３Ｂに示すように、振動素子１６，１７
を長さ方向と直角方向に互いに逆位相でたわませる屈曲
振動をさせることができるようにされていた。振動子１
４，１５は通常、水晶振動子で構成されている。
ように、２本の平行した四角柱状振動素子１６，１７の
両端が互いに連結され、その各振動素子１６，１７の各
４つの側面に、それぞれ長手方向に配列された３つの電
極１８が形成され、これら電極間に交流信号を印加し
て、それぞれ図３Ｂに示すように、振動素子１６，１７
を長さ方向と直角方向に互いに逆位相でたわませる屈曲
振動をさせることができるようにされていた。振動子１
４，１５は通常、水晶振動子で構成されている。
【０００４】振動子１４，１５は図に示していないが、
その固有振動周波数で励振されている。図２Ｂに示すよ
うに、支持体１１にその面内で質量部１２と直角方向の
加速度１９が印加されると、慣性力により、質量部１２
は支持体１１に対し加速度１９と反対方向に相対的に移
動しようとして、ヒンジ１３を中心とした角変位が生
じ、この例では振動子１４が伸張応力を、振動子１５が
圧縮応力をそれぞれ受ける。この結果、振動子１４の固
有振動周波数が高くなり、振動子１５の固有振動周波数
が低くなる。これら両固有振動周波数をそれぞれ測定
し、その差を検出することにより、入力加速度１９の方
向と大きさとを検出することができる。振動子１４，１
５はその一方のみでも入力加速度を検出できるが、両振
動子１４，１５を使用することにより、加速度が印加さ
れていない状態で検出される２つの振動子の固有振動周
波数が周囲温度により変化する問題を解消することがで
きる。
その固有振動周波数で励振されている。図２Ｂに示すよ
うに、支持体１１にその面内で質量部１２と直角方向の
加速度１９が印加されると、慣性力により、質量部１２
は支持体１１に対し加速度１９と反対方向に相対的に移
動しようとして、ヒンジ１３を中心とした角変位が生
じ、この例では振動子１４が伸張応力を、振動子１５が
圧縮応力をそれぞれ受ける。この結果、振動子１４の固
有振動周波数が高くなり、振動子１５の固有振動周波数
が低くなる。これら両固有振動周波数をそれぞれ測定
し、その差を検出することにより、入力加速度１９の方
向と大きさとを検出することができる。振動子１４，１
５はその一方のみでも入力加速度を検出できるが、両振
動子１４，１５を使用することにより、加速度が印加さ
れていない状態で検出される２つの振動子の固有振動周
波数が周囲温度により変化する問題を解消することがで
きる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】以上述べたように従
来、振動子形加速度計において、質量部１２に対するダ
ンピング効果を得るためにエアーダンピングを採用した
場合には、加速度計のケース内にガスを封入し、そのガ
スの粘性によってダンピング効果を持たせることにな
る。しかし、従来においては図３Ｂに示すように振動子
が屈曲振動をするため、振動素子１６，１７が比較的大
きな振幅で振動するが、ケース内に封入されたガスの粘
性により、振動素子１６，１７が振動しにくゝなり、つ
まり振動子のＱ値が低下し、振動子１４，１５を発振周
波数決定素子とする発振回路をそれぞれ構成した場合、
その発振回路の発振周波数の安定度が低下する問題が生
じる。一方、振動子１４，１５のＱ値を向上させるため
に振動子１４，１５を真空中に保持した場合には、空気
やガスの粘性を利用したいわゆるエアーダンピング方式
を採用することができなかった。このためエアーダンピ
ング方式を採用した振動子形加速度計においては振動子
の発振周波数の安定性が十分に得られず、加速度計の性
能、特に分解能が十分に得られないという欠点があっ
た。
来、振動子形加速度計において、質量部１２に対するダ
ンピング効果を得るためにエアーダンピングを採用した
場合には、加速度計のケース内にガスを封入し、そのガ
スの粘性によってダンピング効果を持たせることにな
る。しかし、従来においては図３Ｂに示すように振動子
が屈曲振動をするため、振動素子１６，１７が比較的大
きな振幅で振動するが、ケース内に封入されたガスの粘
性により、振動素子１６，１７が振動しにくゝなり、つ
まり振動子のＱ値が低下し、振動子１４，１５を発振周
波数決定素子とする発振回路をそれぞれ構成した場合、
その発振回路の発振周波数の安定度が低下する問題が生
じる。一方、振動子１４，１５のＱ値を向上させるため
に振動子１４，１５を真空中に保持した場合には、空気
やガスの粘性を利用したいわゆるエアーダンピング方式
を採用することができなかった。このためエアーダンピ
ング方式を採用した振動子形加速度計においては振動子
の発振周波数の安定性が十分に得られず、加速度計の性
能、特に分解能が十分に得られないという欠点があっ
た。
【０００６】さらに屈曲振動を用いているため、振動子
がたわんだときに図３Ｂに示すように振動素子の長さ方
向の中立線が延ばされ、その反力により振動子の両端の
距離が縮むことになる。このことは振動子の一方の端部
が固定されている場合、振動時における振動素子のたわ
みの状態に応じて、他方の端部に振動子の長さ方向の振
動を発生させることになる。
がたわんだときに図３Ｂに示すように振動素子の長さ方
向の中立線が延ばされ、その反力により振動子の両端の
距離が縮むことになる。このことは振動子の一方の端部
が固定されている場合、振動時における振動素子のたわ
みの状態に応じて、他方の端部に振動子の長さ方向の振
動を発生させることになる。
【０００７】この現象は結果として振動子の振動エネル
ギーが外部に伝搬して行くこととなるため、振動子のＱ
値を低下させると共に、近接して２組の振動子１４，１
５を設置した場合に互いの振動子の発振周波数に影響を
及ぼすこととなる。この発振周波数への影響は一般に周
波数の引き込み現象と呼ばれ、２つの振動子１４，１５
の発振周波数Ｆ１，Ｆ２が比較的近い周波数の場合、２
つの振動子１４，１５を互いの振動エネルギーが漏洩伝
搬して他方の振動子に伝わるような状態で設置した場
合、Ｆ１，Ｆ２がＦ１＜Ｆ２である場合にはＦ１≦Ｆ３
≦Ｆ２となるような他の周波数Ｆ３に引き込まれ、最終
的にＦ１＝Ｆ２＝Ｆ３となってしまう。このような状態
に到っては加速度が加わったことにより本来Ｆ１，Ｆ２
が各々Ｆ１−Δｆ，Ｆ２＋Δｆに変化するべきところ
が、Ｆ３のまゝの状態で周波数の変化が起こらず、加速
度の検出ができない状態となる場合がある。
ギーが外部に伝搬して行くこととなるため、振動子のＱ
値を低下させると共に、近接して２組の振動子１４，１
５を設置した場合に互いの振動子の発振周波数に影響を
及ぼすこととなる。この発振周波数への影響は一般に周
波数の引き込み現象と呼ばれ、２つの振動子１４，１５
の発振周波数Ｆ１，Ｆ２が比較的近い周波数の場合、２
つの振動子１４，１５を互いの振動エネルギーが漏洩伝
搬して他方の振動子に伝わるような状態で設置した場
合、Ｆ１，Ｆ２がＦ１＜Ｆ２である場合にはＦ１≦Ｆ３
≦Ｆ２となるような他の周波数Ｆ３に引き込まれ、最終
的にＦ１＝Ｆ２＝Ｆ３となってしまう。このような状態
に到っては加速度が加わったことにより本来Ｆ１，Ｆ２
が各々Ｆ１−Δｆ，Ｆ２＋Δｆに変化するべきところ
が、Ｆ３のまゝの状態で周波数の変化が起こらず、加速
度の検出ができない状態となる場合がある。
【０００８】このような現象があるため、わずかに異な
った共振周波数Ｆ１，Ｆ２を持つ振動子１４，１５を用
いて発振周波数の差を検出することにより、加速度が加
わっていない場合に検出されるバイアス周波数の温度依
存性を補正しようとした場合に、各々の発振周波数に影
響を及ぼし入力加速度の正確な検出ができなくなるとい
う欠点が生じた。
った共振周波数Ｆ１，Ｆ２を持つ振動子１４，１５を用
いて発振周波数の差を検出することにより、加速度が加
わっていない場合に検出されるバイアス周波数の温度依
存性を補正しようとした場合に、各々の発振周波数に影
響を及ぼし入力加速度の正確な検出ができなくなるとい
う欠点が生じた。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この発明によれば、振動
子形加速度計において特に振動子が２本の平行な振動素
子の両端が互いに連結され、その両振動素子が互いに逆
位相で捩れ振動が生じるように両振動素子に電極が形成
されてた構成となっていることを特徴とする。
子形加速度計において特に振動子が２本の平行な振動素
子の両端が互いに連結され、その両振動素子が互いに逆
位相で捩れ振動が生じるように両振動素子に電極が形成
されてた構成となっていることを特徴とする。
【００１０】
【実施例】以下、この発明の実施例を図面を参照して説
明しよう。この発明においても、基本的構成要素は例え
ば図２Ｂに示した従来のものと同様に、支持体１１と、
質量部１２と、少なくとも１つの振動子１４とから構成
され、図２Ｂと同様に、２組の振動子１４，１５を用い
ることもできる。
明しよう。この発明においても、基本的構成要素は例え
ば図２Ｂに示した従来のものと同様に、支持体１１と、
質量部１２と、少なくとも１つの振動子１４とから構成
され、図２Ｂと同様に、２組の振動子１４，１５を用い
ることもできる。
【００１１】この発明においては、振動子１４，１５は
それぞれ捩れ振動が生じるように構成されている。つま
り振動子は例えば図１に示すように両端でお互いに連結
された２本の四角柱状振動素子１６，１７が水晶で構成
され、振動素子１６，１７の一方の同一表面上に、その
各２つの稜線に沿った電極２３，２４および電極２５，
２６と電極２７，２８，電極３１，３２とが長手方向に
配列形成される。１つの振動素子１６について、一半部
の外側電極２３（２７）と他半部の内側電極２８（２
４）とが互いに接続され、同様に他方の振動素子１７も
一半部の外側電極２６（３２）と他半部の内側電極３１
（２５）とが互いに接続され、それぞれ両電極間に交流
電圧を印加してそれぞれ捩れ振動を発生することができ
るようにされる。その両捩れ振動が互いに逆位相となる
ように、一半部の外側電極２３，２６が接続され、他半
部の外側電極２７，３２が接続される。振動素子１６，
１７の相対する他の表面上にも同様な位置に電極が配置
される。従って、電極群２３，２６，２８，３１と、電
極群２４，２５，２７，３２とが逆位相になるよう、外
部から交流信号を印加することにより、振動素子１６と
振動素子１７とは逆位相で、捩れモードの振動が図２Ａ
に示すように発生する。これら電極は同一平面上に形成
されているためフォトリソグラフィ技術などを中心とし
たプレーナー技術を応用することにより、極めて容易に
形成することができる。
それぞれ捩れ振動が生じるように構成されている。つま
り振動子は例えば図１に示すように両端でお互いに連結
された２本の四角柱状振動素子１６，１７が水晶で構成
され、振動素子１６，１７の一方の同一表面上に、その
各２つの稜線に沿った電極２３，２４および電極２５，
２６と電極２７，２８，電極３１，３２とが長手方向に
配列形成される。１つの振動素子１６について、一半部
の外側電極２３（２７）と他半部の内側電極２８（２
４）とが互いに接続され、同様に他方の振動素子１７も
一半部の外側電極２６（３２）と他半部の内側電極３１
（２５）とが互いに接続され、それぞれ両電極間に交流
電圧を印加してそれぞれ捩れ振動を発生することができ
るようにされる。その両捩れ振動が互いに逆位相となる
ように、一半部の外側電極２３，２６が接続され、他半
部の外側電極２７，３２が接続される。振動素子１６，
１７の相対する他の表面上にも同様な位置に電極が配置
される。従って、電極群２３，２６，２８，３１と、電
極群２４，２５，２７，３２とが逆位相になるよう、外
部から交流信号を印加することにより、振動素子１６と
振動素子１７とは逆位相で、捩れモードの振動が図２Ａ
に示すように発生する。これら電極は同一平面上に形成
されているためフォトリソグラフィ技術などを中心とし
たプレーナー技術を応用することにより、極めて容易に
形成することができる。
【００１２】図２Ｂに示した振動子形加速度計におい
て、振動子１４，１５として図１に示した捩れモード振
動のものが使用され、これら振動子１４，１５に対し、
その固有振動周波数で励振した状態で、支持部１１に対
し入力加速度１９が加わると、従来と同様に一方の振動
子１４には引張り応力が加わり、その固有振動周波数が
Ｆ１からＦ１＋Δｆに増加し、他方の振動子１５には圧
縮応力が加わり、その固有振動周波数がＦ１からＦ１−
Δｆに減少する。振動子１４，１５の固有振動周波数の
差を検出することにより、入力加速度を周波数差の変化
量２×Δｆとして検出することができる。
て、振動子１４，１５として図１に示した捩れモード振
動のものが使用され、これら振動子１４，１５に対し、
その固有振動周波数で励振した状態で、支持部１１に対
し入力加速度１９が加わると、従来と同様に一方の振動
子１４には引張り応力が加わり、その固有振動周波数が
Ｆ１からＦ１＋Δｆに増加し、他方の振動子１５には圧
縮応力が加わり、その固有振動周波数がＦ１からＦ１−
Δｆに減少する。振動子１４，１５の固有振動周波数の
差を検出することにより、入力加速度を周波数差の変化
量２×Δｆとして検出することができる。
【００１３】この発明では、振動子１４，１５の振動モ
ードが捩れ振動であるため、図２Ａに示すように振動素
子１６，１８の各中立線２１の長さが振動によって変化
がなく、振動による振動子の長さ方向の変位は極めて小
さい、従ってエネルギーの外部への伝搬が従来の屈曲振
動子を用いた場合に比べ極めて少なく、振動子１４，１
５の各Ｑ値の低下が少なく、この振動子を用いた発振回
路の発振周波数の安定性がよい。また、このようにエネ
ルギーが外部へ伝搬しないため、２つの振動子１４，１
５を配置した場合であっても、お互いの振動周波数への
影響が低減され、温度依存性を補償し、かつ入力加速度
を正しく検出することができる。
ードが捩れ振動であるため、図２Ａに示すように振動素
子１６，１８の各中立線２１の長さが振動によって変化
がなく、振動による振動子の長さ方向の変位は極めて小
さい、従ってエネルギーの外部への伝搬が従来の屈曲振
動子を用いた場合に比べ極めて少なく、振動子１４，１
５の各Ｑ値の低下が少なく、この振動子を用いた発振回
路の発振周波数の安定性がよい。また、このようにエネ
ルギーが外部へ伝搬しないため、２つの振動子１４，１
５を配置した場合であっても、お互いの振動周波数への
影響が低減され、温度依存性を補償し、かつ入力加速度
を正しく検出することができる。
【００１４】さらに加速度計のケース内にガスを封入
し、ガスの粘性を利用してエアーダンピング方式で質量
部１２に対し、所定のダンピング効果を得ようとした場
合に、この発明では振動子１４，１５が捩れ振動であっ
て屈曲振動と比較して、振動子でガスを大きく攪拌する
ことがなく、それだけガスの粘性による振動子に対する
負荷が極めて小さく、振動子１４，１５のＱ値の低下は
極めて少ない。従って所定のダンピング効果を得られる
ようにガスを封入した状態においても、振動子１４，１
５を周波数決定素子とした発振回路の発振周波数の安定
性を低下させることがない。
し、ガスの粘性を利用してエアーダンピング方式で質量
部１２に対し、所定のダンピング効果を得ようとした場
合に、この発明では振動子１４，１５が捩れ振動であっ
て屈曲振動と比較して、振動子でガスを大きく攪拌する
ことがなく、それだけガスの粘性による振動子に対する
負荷が極めて小さく、振動子１４，１５のＱ値の低下は
極めて少ない。従って所定のダンピング効果を得られる
ようにガスを封入した状態においても、振動子１４，１
５を周波数決定素子とした発振回路の発振周波数の安定
性を低下させることがない。
【００１５】また従来の屈曲振動子においては、図３Ａ
に示したように四角柱状振動素子の４つの側面に電極を
形成する必要があった。このような電極構造を作製する
ためには、わずかな間隔で配置された振動素子１６，１
７の特に対向する内側の側面に電極を形成することが非
常に困難であった。また微小な振動子を作製するために
は一般にはエッチングで作製されるが、このときのエッ
チングされた側面は滑らかな平面が形成れないため、電
極の形成が困難であった。しかし、この発明では捩れ振
動子が用いられているため、電極の配置は、振動子を作
製するときの材料となる板材の表面と裏面の２平面上だ
けとすることもでき、その場合は従来から用いられてい
るプレーナー技術の応用により、極めて容易に電極を形
成することができる。
に示したように四角柱状振動素子の４つの側面に電極を
形成する必要があった。このような電極構造を作製する
ためには、わずかな間隔で配置された振動素子１６，１
７の特に対向する内側の側面に電極を形成することが非
常に困難であった。また微小な振動子を作製するために
は一般にはエッチングで作製されるが、このときのエッ
チングされた側面は滑らかな平面が形成れないため、電
極の形成が困難であった。しかし、この発明では捩れ振
動子が用いられているため、電極の配置は、振動子を作
製するときの材料となる板材の表面と裏面の２平面上だ
けとすることもでき、その場合は従来から用いられてい
るプレーナー技術の応用により、極めて容易に電極を形
成することができる。
【００１６】上述では、この発明を２つの振動子を用い
て、温度変動の補償をするようにした場合を例とした
が、１つの振動子のみを使用する場合にも、この発明を
適用することができる。
て、温度変動の補償をするようにした場合を例とした
が、１つの振動子のみを使用する場合にも、この発明を
適用することができる。
【００１７】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば
エアーダンピングの機能を持たせた振動子形加速度計に
おいても、空気などの気体の粘性による振動子のＱ値の
減少が極めて少なく、また振動子の振動エネルギーの結
合部を介しての外部への伝搬が少なく、Ｑ値の減少を低
減し、振動子を含む発振回路の発振周波数の安定性が向
上し、加速度計としての性能向上、特に分解能の向上が
期待できる。
エアーダンピングの機能を持たせた振動子形加速度計に
おいても、空気などの気体の粘性による振動子のＱ値の
減少が極めて少なく、また振動子の振動エネルギーの結
合部を介しての外部への伝搬が少なく、Ｑ値の減少を低
減し、振動子を含む発振回路の発振周波数の安定性が向
上し、加速度計としての性能向上、特に分解能の向上が
期待できる。
【００１８】また振動エネルギーの外部への伝搬が低減
することにより、近接した位置に２つの振動子を配置し
た場合においても、互いの振動周波数に影響を及ぼさず
に振動させることができ、特に振動子の固有振動周波数
の温度依存性を補正する目的で、２つの振動子を近接し
て配置することが可能となる。
することにより、近接した位置に２つの振動子を配置し
た場合においても、互いの振動周波数に影響を及ぼさず
に振動させることができ、特に振動子の固有振動周波数
の温度依存性を補正する目的で、２つの振動子を近接し
て配置することが可能となる。
【図１】この発明の実施例に用いられる捩れモード振動
の振動子の例を示す斜視図。
の振動子の例を示す斜視図。
【図２】Ａは図１の振動子の振動状態を示す正面図、Ｂ
は２つの振動子を用いた振動子形加速度計の一般的構成
例を示す正面図である。
は２つの振動子を用いた振動子形加速度計の一般的構成
例を示す正面図である。
【図３】Ａは従来の加速度計に用いられる屈曲振動モー
ドの振動子を示す斜視図、Ｂはその振動状態を示す正面
図である。
ドの振動子を示す斜視図、Ｂはその振動状態を示す正面
図である。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−302166（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−259751（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−8972（ＪＰ，Ｕ) 実開 平４−8971（ＪＰ，Ｕ) 特表 平３−501527（ＪＰ，Ａ) 特表 平３−501651（ＪＰ，Ａ) 特表 昭61−502636（ＪＰ，Ａ) 特表 平３−501530（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01P 15/10 G01L 1/10
Claims (2)
- 【請求項１】 支持体に質量部の一端が回動自在に取付
けられ、その質量部の延長方向およびその回動軸心の両
者に対してほゞ直角に延長した振動子が上記質量部の自
由端部と上記支持体との間に取付けられ、その振動子は
互いに平行した２本の振動素子の両端が互いに連結され
たものである振動子形加速度計において、上記振動子は
その両振動素子が互いに逆位相で捩れ振動が生じるよう
に、その各振動素子に電極が形成されていることを特徴
とする振動子形加速度計。 - 【請求項２】 上記振動子として互いに反対方向に延長
された２つの振動子が設けられていることを特徴とする
請求項１記載の振動子形加速度計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3079695A JP3049305B2 (ja) | 1991-04-12 | 1991-04-12 | 振動子形加速度計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3079695A JP3049305B2 (ja) | 1991-04-12 | 1991-04-12 | 振動子形加速度計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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