JP4782932B2 - 横方向安定化要素を備えた圧電加速度計 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、支持台と、少なくとも１つの電気機械変換器とを備え、該電気機械変換器が、支持台及び振動マス間に配設された少なくとも１つの圧電素子を有する少なくとも１つの受感要素から構成される圧電加速度計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンやジェットエンジンなどの回転機械の振動を測定するために、圧電加速度計を使用することが知られている。圧電加速度計のデザインに取り入れられている公知の基本的な原理の中で、最も多く使われているデザインを２つ挙げると、剪断モードデザインと圧縮モードデザインとがある。圧縮モードデザインは、さらに２つのサブグループに枝分かれしている。第１のサブグループが圧電材料の純粋な圧縮（すなわち、ｄ₃₃、ｄ₁₁またはｄ₂₂モード）を用いるのに対して、第２のサブグループは圧電材料の横方向の圧縮（すなわち、ｄ₃₁、ｄ₂₁、ｄ₃₂、ｄ₂₃、ｄ₁₃、ｄ₁₂モード）を用いる。これらの２つの基本的なデザインは、振動により発生する加速の影響下で、１以上の圧電素子に作用する少なくとも１つの振動マスを用いる。
【０００３】
剪断モード圧電加速度計のデザインでは、剪断力により発生する圧電素子の変形を利用して電荷を発生させるのに対して、圧縮モード圧電加速度計のデザインでは、圧電素子を受感軸方向に圧縮して電荷を発生させる。
【０００４】
これら２つの基本的な圧電加速度計デザインにはそれぞれ、設計エンジニアの立場だけでなく実用面でも利点及び限界がある。剪断モード圧電加速度計は、或る程度の感度を持つ非常に小型のデバイスであるが、共振周波数が低い。圧縮モード圧電加速度計は、高共振周波数を必要とする用途に適したものであることが知られている。ある種の材料の圧電特性の面から、設計エンジニアは、高温用途向けの圧縮モード圧電加速度計を好む。
【０００５】
高振動レベルにより圧電加速度計が横方向、すなわち受感軸方向に対して垂直の方向に励振されると、深刻な問題が生じることがある。横方向の励振周波数が変換器の横方向の共振と一致することにより運動が増幅される場合、この問題は特に顕著になる。このような状況下で、圧電素子にかかる曲げ応力により、出力信号が実質的に損なわれるほど出力信号にかなりのノイズが発生することがある。これまで、このような現象は正確には理解されていないことが多く、これらの現象は、焦電効果または支持台の引張力（基台引張力）に対する感度の効果として考えられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の主要な目的は、上述した問題を解消することであり、正確な測定結果で、横方向の加速の影響をなくすか、または少なくとも実質的に低減する構造を備えた圧電加速度計を提供することである。
【０００７】
本発明の別の重要かつ必須の目的は、特に、圧電加速度計が出力する振動信号が正確で、横方向の加速の影響をなくすか、または少なくとも実質的に低減する構造を備えた圧縮モード圧電加速度計を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、支持台と、該支持台に固定された少なくとも１つの電気機械変換器であって、少なくとも１つの振動マスと、少なくとも１つの圧電素子を有する少なくとも１つの受感要素とを含むものと、前記支持台に固着された構造要素と、前記電気機械変換器及び前記構造要素の双方と機械的に接触する少なくとも１つの横方向安定化要素と、を備える圧電加速度計により上述した目的が達成される。
【０００９】
本発明による圧電加速度計の好適な実施形態において、横方向安定化要素は、受感軸方向よりも径方向に実質的により高剛性のものである。上述した構造要素は、支持台にハウジングが固定された圧電加速度計ハウジングの一部を構成するものであってよい。
【００１０】
本発明のさらなる特別または好適な特徴は、以下にある本発明の実施形態の詳細な記載及び請求項において開示及び強調されるであろう。
【００１１】
本発明は、圧電加速度計のすべての基本的なデザインに応用可能であるが、特に、圧縮モード圧電加速度計（このタイプの圧電加速度計の基本的構造が図１に示されている）に対して有益である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、公知の圧縮モード圧電加速度計の基本的な構造を示す。この圧電加速度計は、支持台１に固定された電気機械変換器９を備える。電気機械変換器９は、２つの絶縁要素２ａ、２ｂ間に取り付けられた１以上の圧電素子で構成された受感要素３と、上側の絶縁要素２ｂ上に取り付けられた振動マス４と、中央ボルト５と、ナット６とを備える。電荷を集める働きをする電極（図示せず）は、圧電素子間に設けられる。前述した構成部品を備えた電気機械変換器９は、中央ボルト５とナット６により支持台１に固定される。ボルト５がプレストレスされて、使用時のあらゆる状況下においても電気機械変換器９の構成部品が変位しないようにする。プレストレスされたボルト５の代わりに、電気機械変換器の構成部品が、接着、溶接または任意の他の適切な方法で固定されていてもよい。電気機械変換器９は、例えば溶接などにより支持台１に固定されたハウジング７’内に取り付けられる。
【００１３】
図１に示すタイプの圧電加速度計が、固定デバイス（図示せず）により対象物の表面上に支持台１を介して固定されて、その表面の振動を測定する。
【００１４】
添付のすべての図面において、圧電加速度計の受感軸の方向は、図１〜図４（ｅ）のそれぞれの左側に示された矢印で指し示されており、この矢印は受感軸に平行のものである。
【００１５】
圧電加速度計の受感軸方向に振動動作中、電気機械変換器９の自由端に設置された振動マス４により、支持台１に対して、さらには圧電素子にも圧縮力と圧縮低減力が発生し、圧電素子により、測定信号を表す電荷が発生する。技術的なマージンを含む圧縮低減力が中央ボルトのプレストレス力よりも弱い状態が続く限り、圧電加速度計は正確に機能する。
【００１６】
受感軸に対して垂直方向に振動動作中、電気機械変換器９の自由端が励振方向たる横方向に曲がる。圧電素子が受ける最大曲げ応力は非常に高く、通常、受感軸方向の加速の大きさでの圧縮応力よりも高い。このような曲げ効果により、特に、励振周波数がアセンブリの曲げ共振周波数と一致する場合、振動信号のひずみが大きくなることがある。
【００１７】
図２（ａ）及び図２（ｂ）には、本発明による圧縮モード圧電加速度計の２つの実施形態が示されている。これらの実施形態は、通常、図１による公知の実施形態に示したものと同じ部品を備えるが、さらに追加の部品、詳しく言えば、電気機械変換器９及び構造要素７と接触させた横方向安定化要素８を備える。この構造要素７は、支持台１に固定される。最も単純な実施形態では、構造要素７は、圧電加速度計のハウジング７’の一部であり、ハウジング７’も支持台１に固定される。
【００１８】
図２（ａ）の好適な実施形態において、横方向安定化要素８は、金属シートから切り取った単一の切取片で構成される。このような切取片の外端部分が構造要素７の機械加工された肩部７ａに載せられ、外端に対し他端側となる切取片の中央部分が、例えば、振動マス４の端部４ａで電気機械変換器９と接触する。切取片が載る載置点７ａ及び４ａの受感軸方向位置は、横方向安定化要素８を構成する金属シートがわずかに変形されるように設定される。これにより、横方向安定化要素８が常に肩部７ａ及び載置点４ａとわずかに接触した状態になる。
【００１９】
図２（ｂ）に示されている好適な実施形態において、横方向安定化要素８は、電気機械変換器９及び構造要素７、例えば、振動マス４の端部４ｂと構造要素７の載置点７ｂにそれぞれ溶接されるか、または任意の他の手段により固定される。
【００２０】
横方向安定化要素８は、ディスク状（図２（ｃ）に図示）、リング状（図２（ｄ）に図示）、または径方向に配設され、電気機械変換器９を構造要素７に接続する少なくとも１つの棒状（図２（ｅ）に図示）のものであってよい。
【００２１】
前述した好適な実施形態により、電気機械変換器を横方向に安定化すると共に、曲げ共振をさらに減衰させることで、あらゆる状況下でノイズがない振動信号を得ることが可能となる。横方向安定化要素８は、径方向に可能な限り剛性が高く、受感軸方向、すなわち圧電素子の受感方向には可能な限り可撓性のものであることが重要である。このようにして、アセンブリの受感軸方向の動きに影響を与えずに、電気機械変換器９を横方向に安定化することができる。
【００２２】
さらに、横方向安定化要素８が受感軸方向には大きな力を伝達しないため、音響ノイズなど、ハウジング７’を通って生じるすべての外乱は振動信号の変化には変換されない。
【００２３】
図３は、一般的な公知の剪断モード圧電加速度計の基本的な構造を示す略図である。この圧電加速度計は、支持台１１に固定される電気機械変換器２０を備える。電気機械変換器２０は、２つの絶縁要素１２ａ、１４ａ及び１２ｂ、１４ｂ間にそれぞれ取り付けられた少なくとも１つの圧電素子によりそれぞれが形成された１以上の受感要素１３ａ及び１３ｂと、第２の絶縁要素１４ａ及び１４ｂの外側に取り付けられた振動マス１５ａ及び１５ｂと、中央ボルト１７と、ナット１８とを備える。電荷を集める働きをする電極（図示せず）は、圧電素子間に設けられる。前述した構成部品からなる電気機械変換器２０は、中央ボルト１７及びナット１８により支持台１１に固定される。ボルト１７がプレストレスされて、使用時のあらゆる状況下においても電気機械変換器２０の構成部品が変位しないようにする。プレストレスされたボルト１７の代わりに、電気機械変換器２０の構成部品が、接着、溶接または任意の他の適切な方法で固定されてよい。電気機械変換器２０は、例えば、溶接などにより支持台１１に固定されたハウジング１９’内に取り付けられる。
【００２４】
図３に示すタイプの圧電加速度計が、固定デバイス（図示せず）により対象物の表面上に支持台１１を介して固定されて、その表面の振動を測定する。
【００２５】
圧電加速度計の受感軸方向に振動動作中、振動マス１５ａ及び１５ｂにより、圧電素子に剪断力が発生し、圧電素子により、測定信号を表す電荷が発生する。
【００２６】
受感軸に対して垂直方向に振動動作中、電気機械変換器２０の自由端が励振方向たる横方向に曲がる。圧電素子が受ける最大曲げ応力が非常に高いことから、特に、励振周波数がアセンブリの曲げ共振周波数と一致する場合、振動信号のひずみが大きくなることがある。
【００２７】
図４（ａ）及び図４（ｂ）には、本発明による剪断モード圧電加速度計の２つの実施形態が示されている。これらの実施形態は、通常、図３による公知の実施形態に示したものと同じ部品を備えるが、さらに追加の部品、詳しく言えば、電気機械変換器２０及び構造要素１９と接触させた横方向安定化要素２１を備える。この構造要素１９は、支持台１１に固定される。最も単純な実施形態では、構造要素１９は、圧電加速度計のハウジング１９’の一部であり、ハウジング１９’も支持台１１に固定される。
【００２８】
図４（ａ）に示されている好適な実施形態において、横方向安定化要素２１は、金属シートから切り取った単一の切取片で構成される。このような切取片の外端部分が構造要素１９の機械加工された肩部１９ａに載せられ、外端に対し他端側となる切取片の中央部分が、例えば、電気機械変換器２０にその端部２０ａで接触する。切取片が載る載置点１９ａ及び２０ａの受感軸方向位置は、横方向安定化要素２１を構成する金属シートがわずかに変形されるように設定される。これにより、横方向安定化要素２１が常に肩部１９ａ及び載置点２０ａとわずかに接触した状態になる。
【００２９】
図４（ｂ）の好適な実施形態において、横方向安定化要素２１は、電気機械変換器２０及び構造要素１９、例えば、端部２０ｂと構造要素１９の載置点１９ｂにそれぞれ溶接されるか、または任意の他の手段により固定される。
【００３０】
横方向安定化要素２１は、ディスク状（図４（ｃ）に図示）、リング状（図４（ｄ）に図示）、または径方向に配設され、電気機械変換器２０を構造要素１９に接続する少なくとも１つの棒状（図４（ｅ）に図示）のものであってよい。
【００３１】
対称的で効率的な安定化効果を得るために、構造要素７、１９は、ボルト５、１７よりも大きな直径及び慣性モーメントの対称的な円筒状（図２（ａ）、図２（ｂ）、図４（ａ）、図４（ｂ）、図５を参照）のものが好ましい。
【００３２】
前述した好適な実施形態により、電気機械変換器を横方向に安定化すると共に、曲げ共振をさらに減衰させることで、あらゆる状況下でノイズがない振動信号を得ることが可能となる。横方向安定化要素２１は、径方向に可能な限り剛性が高く、受感軸方向、すなわち圧電素子の受感方向には可能な限り可撓性のものであることが重要である。このようにして、アセンブリの受感軸方向の動きに影響を与えずに、電気機械変換器２０を横方向に安定化することができる。
【００３３】
さらに、横方向安定化要素２１が受感軸方向には大きな力を伝達しないため、音響ノイズなど、ハウジング１９’を通って生じるすべての外乱は振動信号の変化には変換されない。
【００３４】
したがって、本発明は、剪断モードにおいて作用するように構成された圧電加速度計の利点と共に適用されてもよいことから、上述した振動信号の変化効果をなくすか、または少なくとも大幅に低減することができる。
【００３５】
本発明による圧電加速度計の上述した実施形態の修正及び代替実施形態は、前述の記載から当業者に明らかであろう。したがって、本願明細書における記載は、例示的目的のみのものであって、本発明を実行する最良の形態を当業者に教示する目的のものである。圧電加速度計の詳細は、本発明の精神から逸脱することなく実質的に変更されてよく、請求の範囲内にあるすべての修正の排他的使用権は確保される。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧縮モードデザインの一般的な公知の圧電加速度計の基本的構造を示す略図である。
【図２】（ａ）本発明による圧縮モード圧電加速度計の実施形態を示す図、（ｂ）本発明による圧縮モード圧電加速度計の別の実施形態を示す図、（ｃ）図２（ａ）に示した実施形態の平面図、（ｄ）図２（ｂ）に示した実施形態の平面図、（ｅ）図２（ａ）及び図２（ｂ）に示した実施形態の変形例の平面図である。
【図３】剪断モードデザインの一般的な公知の圧電加速度計の基本的構造を示す図である。
【図４】（ａ）本発明による剪断モード圧電加速度計の実施形態を示す図、（ｂ）本発明による剪断モード圧電加速度計の別の実施形態を示す図、（ｃ）図４（ａ）に示した実施形態の平面図、（ｄ）図４（ｂ）に示した実施形態の平面図、（ｅ）図４（ａ）及び図４（ｂ）に示した実施形態の変形例の平面図である。
【図５】図２（ｄ）のタイプの実施形態の斜視図である。
【符号の説明】
１、１１ 支持台
３、１３ａ、１３ｂ 受感要素
４、１５ａ、１５ｂ 振動マス
７、１９ 構造要素
８、２１ 横方向安定化要素
９、２０ 電気機械変換器

Claims (11)

1. 物体の加速度を測定するための加速度計であって、前記加速度計は、
   （ａ）支持台と、
   （ｂ）該支持台に機械的に固定手段により連結され、且つ、物体の加速に従って電気信号を生成できる少なくとも１つの電気機械変換器であって、
   該電気機械変換器は、
   （ｂ．１）少なくとも１つの圧電素子から構成されるとともに、受感軸を有する少なくとも１つの受感要素と、
   （ｂ．２）前記物体の加速に従って、前記圧電素子に電気信号を生じさせるために、前記物体の加速に反応して、前記受感要素に力を加えるために設けられた少なくとも１つの振動マスと、
   を備える電気機械変換器と、
   （ｃ）前記支持台に接続された構造要素と、
   （ｄ）前記固定手段とは別に前記電気機械変換器及び前記構造要素の双方と機械的に連結された少なくとも１つの横方向安定化要素であって、
   該横方向安定化要素は、前記圧電素子の前記受感軸に対する横方向において、前記振動マスが移動することを防ぐことにより、前記圧電素子の前記受感軸に対する横方向において前記電気機械変換器を安定させるように構成された前記横方向安定化要素と、
   を備えることを特徴とする加速度計。
2. 前記横方向安定化要素が、前記圧電素子の前記受感軸と平行な方向よりも、前記圧電素子の前記受感軸に対して横方向において大きな剛性を有することを特徴とする請求項１に記載の加速度計。
3. 前記支持台に機械的に連結された圧電加速度計のハウジングを備え、前記構造要素が、前記ハウジングの一部を構成することを特徴とする請求項１に記載の加速度計。
4. 前記構造要素は肩部を備え、前記横方向安定化要素は、前記構造要素の肩部に支持される前記横方向安定化要素の第１の部分と、前記電気機械変換器に機械的に接触する前記横方向安定化要素の第２の部分とを備えることを特徴とする請求項１に記載の加速度計。
5. 前記横方向安定化要素の第１の部分と第２の部分とは、前記電気機械変換器とわずかに機械的に接触した状態に維持されるように設定されることを特徴とする請求項４に記載の加速度計。
6. 前記横方向安定化要素が、金属シートから形成したことを特徴とする請求項１に記載の加速度計。
7. 前記横方向安定化要素が、リング状であることを特徴とする請求項１に記載の加速度計。
8. 前記横方向安定化要素が、ディスク状であることを特徴とする請求項１に記載の加速度計。
9. 前記横方向安定化要素が、前記圧電素子の前記受感軸に関して、少なくとも１つの棒状のものにより構成されることを特徴とする請求項１に記載の加速度計。
10. 前記横方向安定化要素の第１の部分は、機械的に前記構造要素に設けられ、前記横方向安定化要素の第２の部分は、機械的に前記電気機械変換器へと結合されることを特徴とする請求項４に記載の加速度計。
11. 前記構造要素が円筒状のものであり、前記振動マスを囲むことを特徴とする請求項１に記載の加速度計。

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