JP3158175B2 - 振動子型加速度計 - Google Patents
振動子型加速度計Info
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P2015/0805—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration
- G01P2015/0822—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass
- G01P2015/0825—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass
- G01P2015/0828—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values being provided with a particular type of spring-mass-system for defining the displacement of a seismic mass due to an external acceleration for defining out-of-plane movement of the mass for one single degree of freedom of movement of the mass the mass being of the paddle type being suspended at one of its longitudinal ends
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、質量部を支持体に片
持ち支持させ、質量部の自由端と支持体との間に質量部
の延伸方向およびその回動軸の双方に直角に振動子を取
り付け、質量部の自由端は支持体に加速度が印加される
と支持体に対して角変位し、この角変位による振動子の
固有振動周波数変化を検出することにより印加加速度を
検出する振動子型加速度計に関する。
持ち支持させ、質量部の自由端と支持体との間に質量部
の延伸方向およびその回動軸の双方に直角に振動子を取
り付け、質量部の自由端は支持体に加速度が印加される
と支持体に対して角変位し、この角変位による振動子の
固有振動周波数変化を検出することにより印加加速度を
検出する振動子型加速度計に関する。
【０００２】
【従来の技術】この発明の従来例を図２、３を参照して
説明する。図２は振動子を２個使用した振動子型加速度
計の全体構成を示す。支持体１１は支持部１１ｃとその
両端に設けられた脚部１１ａ、１１ｂとを具備して全体
がコ字状に形成されている。その支持部１１ｃの中央に
は、その質量部１２の一端が薄肉ヒンジ１３を介して両
脚部１１ａ、１１ｂに平行になるように取り付け、支持
されている。この例においては、支持体脚部１１ａ、１
１ｂ支持部１１ｃが存在する共面と直角の方向に薄く広
がった薄肉ヒンジ１３を介して質量部１２をその一端に
より支持部１１ｃに取り付けて、質量部１２の自由端は
脚部１１ａ、１１ｂのいずれの側にも変位することがで
きる様に回動自在とされている。質量部１２の自由端と
脚部１１ａ，１１ｂとの間には振動子１４、１５が取り
付けられている。振動子１４、１５は、図３Ａに示され
る如く、２本の平行な四角柱状振動子１６、１７をそれ
らの両端において互いに連結し、各振動子１６、１７そ
れぞれの４つの面に、３つの電極１８を長手方向に配
列、形成したものであり、そして、これらの電極間に交
流信号を印加することにより図３Ｂに示される如くに振
動子１６、１７をその長さ方向と直角の方向に互いに逆
位相にたわませる屈曲振動をさせるものであった。な
お、振動子１４、１５は通常水晶振動子である。そし
て、振動子１４、１５はその固有振動周波数で励振され
る。
説明する。図２は振動子を２個使用した振動子型加速度
計の全体構成を示す。支持体１１は支持部１１ｃとその
両端に設けられた脚部１１ａ、１１ｂとを具備して全体
がコ字状に形成されている。その支持部１１ｃの中央に
は、その質量部１２の一端が薄肉ヒンジ１３を介して両
脚部１１ａ、１１ｂに平行になるように取り付け、支持
されている。この例においては、支持体脚部１１ａ、１
１ｂ支持部１１ｃが存在する共面と直角の方向に薄く広
がった薄肉ヒンジ１３を介して質量部１２をその一端に
より支持部１１ｃに取り付けて、質量部１２の自由端は
脚部１１ａ、１１ｂのいずれの側にも変位することがで
きる様に回動自在とされている。質量部１２の自由端と
脚部１１ａ，１１ｂとの間には振動子１４、１５が取り
付けられている。振動子１４、１５は、図３Ａに示され
る如く、２本の平行な四角柱状振動子１６、１７をそれ
らの両端において互いに連結し、各振動子１６、１７そ
れぞれの４つの面に、３つの電極１８を長手方向に配
列、形成したものであり、そして、これらの電極間に交
流信号を印加することにより図３Ｂに示される如くに振
動子１６、１７をその長さ方向と直角の方向に互いに逆
位相にたわませる屈曲振動をさせるものであった。な
お、振動子１４、１５は通常水晶振動子である。そし
て、振動子１４、１５はその固有振動周波数で励振され
る。
【０００３】図２において、支持体１１に対して矢印１
９で示される上向きに加速度が印加されると、質量部１
２は慣性により支持体１１に対して矢印１９とは反対の
方向に相対的に移動しようとし、ヒンジ１３を中心とし
て角変位せしめられる。この例においては、振動子１４
は伸張応力を受け、振動子１５は圧縮応力を受けること
となる。その結果、振動子１４の固有振動周波数は高く
なり、振動子１５の固有振動周波数は低くなる。これら
の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、印加された加速度の向きと大きさを検出
することができる。振動子１４、１５は何れか一方のみ
でも印加された加速度の検出をすることができるが、振
動子１４、１５の２個を使用することにより、周囲温度
変化による加速度が印加されていない状態における振動
子の固有振動周波数の変動に起因する悪影響を低減する
ことができる。
９で示される上向きに加速度が印加されると、質量部１
２は慣性により支持体１１に対して矢印１９とは反対の
方向に相対的に移動しようとし、ヒンジ１３を中心とし
て角変位せしめられる。この例においては、振動子１４
は伸張応力を受け、振動子１５は圧縮応力を受けること
となる。その結果、振動子１４の固有振動周波数は高く
なり、振動子１５の固有振動周波数は低くなる。これら
の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、印加された加速度の向きと大きさを検出
することができる。振動子１４、１５は何れか一方のみ
でも印加された加速度の検出をすることができるが、振
動子１４、１５の２個を使用することにより、周囲温度
変化による加速度が印加されていない状態における振動
子の固有振動周波数の変動に起因する悪影響を低減する
ことができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述された振動子型加
速度計の従来例において使用されている振動子の固有振
動周波数は周囲の温度によって変動し、その変動の度合
は振動子を構成するために使用した水晶基板の切り出し
角度に依存する。即ち、振動子型加速度計においては、
加速度が印加されていない時の出力周波数（バイアス周
波数）が周囲の温度の変動に伴って変動するのである。
このことは、振動子型加速度計が測定している加速度は
周囲の温度の変動によって変化してしまうことを意味し
ており、使用上極めて具合が悪い。バイアス周波数のこ
の様な温度依存性を低減する方法として、一つの加速度
計の内部に発振周波数の温度係数が極めて近い１対の振
動子を組み込み、これらの発振周波数の差を検出するこ
とによりバイアス周波数の温度依存性の低減を図る方法
がある。しかし、この方法によっても、１対の振動子そ
れぞれの温度係数のずれ、或は１対の振動子の設置され
ている場所の僅かな温度差により、バイアス周波数の温
度依存性の低減の効果は充分なものとはいえなかった。
速度計の従来例において使用されている振動子の固有振
動周波数は周囲の温度によって変動し、その変動の度合
は振動子を構成するために使用した水晶基板の切り出し
角度に依存する。即ち、振動子型加速度計においては、
加速度が印加されていない時の出力周波数（バイアス周
波数）が周囲の温度の変動に伴って変動するのである。
このことは、振動子型加速度計が測定している加速度は
周囲の温度の変動によって変化してしまうことを意味し
ており、使用上極めて具合が悪い。バイアス周波数のこ
の様な温度依存性を低減する方法として、一つの加速度
計の内部に発振周波数の温度係数が極めて近い１対の振
動子を組み込み、これらの発振周波数の差を検出するこ
とによりバイアス周波数の温度依存性の低減を図る方法
がある。しかし、この方法によっても、１対の振動子そ
れぞれの温度係数のずれ、或は１対の振動子の設置され
ている場所の僅かな温度差により、バイアス周波数の温
度依存性の低減の効果は充分なものとはいえなかった。
【０００５】更に、振動子型加速度計の従来例として、
質量部１２に対してダンピング効果を与えるためにエア
・ダンピングを採用したものがある。これは、加速度計
のケース内にエアを封入して質量部１２に対するこのエ
アによる粘性摩擦によってダンピング効果を生ぜしめる
ものである。この従来例の場合、振動子１４、１５が屈
曲振動モードのものであると、これらは図３Ｂに示され
るが如くに比較的に大振幅で振動するものであるところ
から、振動子１４、１５に対してもダンピング効果が与
えられることとなる。そのために、振動子１４、１５の
振動が抑制される結果、振動子のＱ値が低下する。この
様な状態にある振動子を発振周波数決定素子として発振
回路を構成した場合、この発振回路の発振周波数の安定
度は低下する。このことはエア・ダンピングを採用した
振動子型加速度計の性能、特にその分解能の低下につな
がる。
質量部１２に対してダンピング効果を与えるためにエア
・ダンピングを採用したものがある。これは、加速度計
のケース内にエアを封入して質量部１２に対するこのエ
アによる粘性摩擦によってダンピング効果を生ぜしめる
ものである。この従来例の場合、振動子１４、１５が屈
曲振動モードのものであると、これらは図３Ｂに示され
るが如くに比較的に大振幅で振動するものであるところ
から、振動子１４、１５に対してもダンピング効果が与
えられることとなる。そのために、振動子１４、１５の
振動が抑制される結果、振動子のＱ値が低下する。この
様な状態にある振動子を発振周波数決定素子として発振
回路を構成した場合、この発振回路の発振周波数の安定
度は低下する。このことはエア・ダンピングを採用した
振動子型加速度計の性能、特にその分解能の低下につな
がる。
【０００６】この発明は、上述の通りの問題を解消しよ
うとするものである。
うとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】質量部を支持体に片持ち
支持させ、質量部の自由端と支持体との間に質量部の延
伸方向およびその回動軸の双方に直角に振動子を取り付
け、質量部の自由端は支持体に加速度が印加されると支
持体に対して角変位し、この角変位による振動子の固有
振動周波数変化を検出することにより印加加速度を検出
する振動子型加速度計において、上記振動子は面滑り振
動モードで振動する平板状振動子より成るものとするこ
とにより、振動子型加速度計特に、エア・ダンピングを
採用した振動子型加速度計の分解能を高いものとした。
支持させ、質量部の自由端と支持体との間に質量部の延
伸方向およびその回動軸の双方に直角に振動子を取り付
け、質量部の自由端は支持体に加速度が印加されると支
持体に対して角変位し、この角変位による振動子の固有
振動周波数変化を検出することにより印加加速度を検出
する振動子型加速度計において、上記振動子は面滑り振
動モードで振動する平板状振動子より成るものとするこ
とにより、振動子型加速度計特に、エア・ダンピングを
採用した振動子型加速度計の分解能を高いものとした。
【０００８】
【実施例】この発明の実施例を図１、２を参照して説明
する。この発明は、振動子の数については、これを図２
に示される従来例と同様に１組の振動子１４、１５の２
個とすることができるし或はこれをいずれか一方の１個
とすることもでき、その他に支持体１１および質量部１
２をも具備している。
する。この発明は、振動子の数については、これを図２
に示される従来例と同様に１組の振動子１４、１５の２
個とすることができるし或はこれをいずれか一方の１個
とすることもでき、その他に支持体１１および質量部１
２をも具備している。
【０００９】この発明においては、振動子１４、１５は
それぞれ面滑り振動に着目してこれが生ずるように構成
されている。振動子１自体は、図１Ａに示される如く、
２カ所に連結部３、３’を具備した平板状の水晶基板に
より構成され、その両面には電極２が形成されている。
この２枚の電極間に交流信号を印加することにより、振
動子１は面滑り振動（輪郭滑り振動）をする。ここで、
図１Ｂを参照するに、矩形の面が菱形になる様な振動は
面滑り振動、または輪郭滑り振動と呼ばれている。（詳
細は「結晶物理工学 第１５５ないし１７０頁 特に、
§５. ３（４）面すべり振動の項」 昭和５１年１１月
２０日 株式会社 裳華房 発行、および「電子回路原
論 第二巻 第３５９ないし３６１頁 １０. １０ 水
晶発振器の項」 昭和３５年２月２０日 内田老鶴圃
発行 参照）。
それぞれ面滑り振動に着目してこれが生ずるように構成
されている。振動子１自体は、図１Ａに示される如く、
２カ所に連結部３、３’を具備した平板状の水晶基板に
より構成され、その両面には電極２が形成されている。
この２枚の電極間に交流信号を印加することにより、振
動子１は面滑り振動（輪郭滑り振動）をする。ここで、
図１Ｂを参照するに、矩形の面が菱形になる様な振動は
面滑り振動、または輪郭滑り振動と呼ばれている。（詳
細は「結晶物理工学 第１５５ないし１７０頁 特に、
§５. ３（４）面すべり振動の項」 昭和５１年１１月
２０日 株式会社 裳華房 発行、および「電子回路原
論 第二巻 第３５９ないし３６１頁 １０. １０ 水
晶発振器の項」 昭和３５年２月２０日 内田老鶴圃
発行 参照）。
【００１０】この発明は、図２に示される振動子型加速
度計において、その振動子１４、１５として図１Ａによ
り図示説明される面滑り振動をする振動子１を採用す
る。これらの振動子１４、１５をその固有振動周波数で
励振した状態において、支持体１１に対して矢印１９で
示される向きの加速度が印加されると、従来例と同様に
振動子１４には伸張応力が加わってその固有振動周波数
はＦ1からＦ1＋△ｆに増加する一方、振動子１５には圧
縮応力が加わってその固有振動周波数はＦ1からＦ1ー△
ｆに減少する。このときの固有振動周波数は式（１）で
示される。分母にある密度ρは振動子に加わる応力に対
応して変化し、固有振動周波数が変化することとなるの
である。
度計において、その振動子１４、１５として図１Ａによ
り図示説明される面滑り振動をする振動子１を採用す
る。これらの振動子１４、１５をその固有振動周波数で
励振した状態において、支持体１１に対して矢印１９で
示される向きの加速度が印加されると、従来例と同様に
振動子１４には伸張応力が加わってその固有振動周波数
はＦ1からＦ1＋△ｆに増加する一方、振動子１５には圧
縮応力が加わってその固有振動周波数はＦ1からＦ1ー△
ｆに減少する。このときの固有振動周波数は式（１）で
示される。分母にある密度ρは振動子に加わる応力に対
応して変化し、固有振動周波数が変化することとなるの
である。
【００１１】 Ｆ＝√（ｃ／ρ） ・ √（ｍ 2 ／ａ 2 ＋ｎ 2 ／ｂ 2 ）／２ （１） ここで、ｃ：弾性スティフネス ａ，ｂ：振動子の縦と横の長さ ｍ，ｎ：振動モードを規定する定数 振動子１４、１５の固有振動周波数の差２・△ｆを検出
することにより印加された加速度を知ることができる。
することにより印加された加速度を知ることができる。
【００１２】
【発明の効果】従来の屈曲振動の固有振動周波数の温度
依存性は図４に示されるように２次の温度係数を持って
おり、温度係数が零となる点は或る特定の温度に設定さ
れたときに限られていた。したがって、１対の振動子を
用いてバイアス周波数を補正するよう構成された場合で
あっても、各々の温度係数のずれや、各々の振動子が設
置された状態で生ずる温度差などにより、必ずしも補正
の効果は充分ではなく、バイアス周波数の温度依存性を
零とすることはできなかった。
依存性は図４に示されるように２次の温度係数を持って
おり、温度係数が零となる点は或る特定の温度に設定さ
れたときに限られていた。したがって、１対の振動子を
用いてバイアス周波数を補正するよう構成された場合で
あっても、各々の温度係数のずれや、各々の振動子が設
置された状態で生ずる温度差などにより、必ずしも補正
の効果は充分ではなく、バイアス周波数の温度依存性を
零とすることはできなかった。
【００１３】この発明においては、振動子１４、１５は
面滑り振動モードで振動する振動子であり、この振動モ
ードの振動子はＧＴカット等を採用することにより固有
振動周波数の温度依存性を極めて小さくすることができ
る。このことから、１対の振動子の設置された状態が温
度について僅かに異なっていても、固有振動周波数の温
度係数が極めて小さいので、１対の振動子の固有振動周
波数の間に差は殆んど生じない。したがって、バイアス
周波数の温度係数を広い温度範囲に亘って低減すること
ができる。
面滑り振動モードで振動する振動子であり、この振動モ
ードの振動子はＧＴカット等を採用することにより固有
振動周波数の温度依存性を極めて小さくすることができ
る。このことから、１対の振動子の設置された状態が温
度について僅かに異なっていても、固有振動周波数の温
度係数が極めて小さいので、１対の振動子の固有振動周
波数の間に差は殆んど生じない。したがって、バイアス
周波数の温度係数を広い温度範囲に亘って低減すること
ができる。
【００１４】この発明は、更に、振動子１４、１５の振
動モードが面滑り振動モードであるので、振動子の周囲
に存在するエアと振動子との間に生ずる粘性摩擦は殆ん
ど問題とはならない。したがって、加速度計のケース内
にエアを封入して質量部１２に対するこのエアによる粘
性摩擦によってダンピング効果を生ぜしめる型の振動子
型加速度計においても、振動子１４、１５の振動モード
が面滑り振動モードであれば、振動子１４、１５の振動
が抑制されるというようなことは殆んどなく、振動子の
Ｑ値が低下することもない。この様な状態にある振動子
を発振周波数決定素子として発振回路を構成すれば、こ
の発振回路の発振周波数の安定度は高く、エア・ダンピ
ングを採用した振動子型加速度計の性能、特にその分解
能を高いものとすることができる。
動モードが面滑り振動モードであるので、振動子の周囲
に存在するエアと振動子との間に生ずる粘性摩擦は殆ん
ど問題とはならない。したがって、加速度計のケース内
にエアを封入して質量部１２に対するこのエアによる粘
性摩擦によってダンピング効果を生ぜしめる型の振動子
型加速度計においても、振動子１４、１５の振動モード
が面滑り振動モードであれば、振動子１４、１５の振動
が抑制されるというようなことは殆んどなく、振動子の
Ｑ値が低下することもない。この様な状態にある振動子
を発振周波数決定素子として発振回路を構成すれば、こ
の発振回路の発振周波数の安定度は高く、エア・ダンピ
ングを採用した振動子型加速度計の性能、特にその分解
能を高いものとすることができる。
【図１】１Ａはこの発明において使用される面滑り振動
モードで振動する平板状振動子の斜視図。１Ｂは１Ａに
しめされる面滑り振動モード振動子の振動状態を示す
図。
モードで振動する平板状振動子の斜視図。１Ｂは１Ａに
しめされる面滑り振動モード振動子の振動状態を示す
図。
【図２】振動子を２個使用した振動子型加速度計の全体
構成を示す正面図。
構成を示す正面図。
【図３】３Ａは屈曲振動モード振動子の斜視図。３Ｂは
３Ａに示される屈曲振動モード振動子の振動状態を示す
図。
３Ａに示される屈曲振動モード振動子の振動状態を示す
図。
【図４】振動子の周波数温度特性図。
１ 平板状の面滑り振動モード振動子 ２ 電極 ３、３’ 連結部 １１ 支持体 １２ 質量部 １３ 薄肉ヒンジ １４、１５ 振動子 １９ 加速度の向き
Claims (2)
- 【請求項１】 質量部を支持体に片持ち支持させ、質量
部の自由端と支持体との間に質量部の延伸方向およびそ
の回動軸の双方に直角に振動子を取り付け、質量部の自
由端は支持体に加速度が印加されると支持体に対して角
変位し、この角変位による振動子の固有振動周波数変化
を検出することにより印加加速度を検出する振動子型加
速度計において、上記振動子は面滑り振動モードで振動
する平板状振動子より成るものであることを特徴とする
振動子型加速度計。 - 【請求項２】 請求項１に記載される振動子型加速度計
において、上記振動子は質量部に関して互いに逆向きに
設けられた２個よりなるものであることを特徴とする振
動子型加速度計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13672391A JP3158175B2 (ja) | 1991-06-07 | 1991-06-07 | 振動子型加速度計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13672391A JP3158175B2 (ja) | 1991-06-07 | 1991-06-07 | 振動子型加速度計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04361166A JPH04361166A (ja) | 1992-12-14 |
| JP3158175B2 true JP3158175B2 (ja) | 2001-04-23 |
Family
ID=15181992
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13672391A Expired - Fee Related JP3158175B2 (ja) | 1991-06-07 | 1991-06-07 | 振動子型加速度計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3158175B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2000206141A (ja) * | 1999-01-20 | 2000-07-28 | Miyota Kk | 運動量センサ |
-
1991
- 1991-06-07 JP JP13672391A patent/JP3158175B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04361166A (ja) | 1992-12-14 |
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| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20001226 |
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