JPH01503414A - 分離体を有する通常モード入力のための加速度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 分離体を有する通常モード入力のための加速度計発明の技術分野 この発明は、加速度計に関し、詳しくは、標準質量（プルーフ・マス）の動きが 力変換器（フォース・トランデューサ）によって束縛されているところの加速度 計に関する。

発明の背景 振動ビーム加速度計においては、標準質量がたわみ屈曲部または類似の部分によ って支持されるように装架され、振動ビーム力変換器は標準質量と支持部との間 に加速度計の悉知方向に沿って結合されている。感知方向に沿う加速は力変換器 に圧縮力または引張力をもたらすものである。これらの力は加速の方向と大きさ の両方を示す電気信号に変えられる・良く知られたタイプの振動ビーム力変換器 は２又音叉のように配列された石英水晶を含んでいる。２又音叉は、２個のビー ムが互いの位相から１８０°の共通平面に入る横方向の振動モードにおいて振動 が起こされた１対の並列ビームを含んでいる。力変換器における引張力と圧縮力 はそれぞれ振動数の増加や減少をもたらすものである。

振動ビーム加速度計は、秀れた尺度因子の安定性を含む、数多くの顕著な利益を 有している。このような加速度計におけるエラーの原因は、２個の標準質量と、 一方の水晶が圧縮に置がれ、他方の水晶が引張りに置かれるというようなブツシ ュ−プル形に作動される２個の検知水晶の使用によって大いに減少させることが できる。出力は振動周波数の差の関数として扱われる。この測定方法は、振動修 正係数に対するカ検知水晶の関与を含む、多くの通常モードのエラーを消去する ものである。しがしながら、２重標準質量を使用する不利益は、２個の加速度計 の力学的応答の同一を得ることが困難であるということである。このような問題 点を避けるために、既ｃ：。

与えられる入力加速に対して一方の水晶が引張りに置がれ、他方の水晶が圧縮に 置がれるブツシュ−プルモードに標準質量が連結される力変換器を有し、１対の 力変換器と一緒に１個の標準質量を用いることが提案されている。２重質量に対 する取りかかりについては、種々の通常モードのエラーを抹消するためにこのよ うな配列が使用される。

殆どの振動ビーム加速度計における通常モードのエラーの第１の原因は熱膨張係 数の誤った組み合わせに係っている。結晶石英は、力変換器として通常用いられ る結晶軸方向において、温度の関数として比較的非線形の膨張係数を有している 。結晶石英の熱膨張にも適合する、たわみ部として適した性質を有する金属を見 つけ出すことは非常に困難である。所定の温度において完全な適合がなされたと しても、結晶石英の膨張の非線形性は極限操作温度において起こる不適合をもた らすであろう、さらに、早発力点での水晶取付けのために、実質的に加速度計操 作範囲以上の温度になることが普通である。このことは、エポキシ樹脂類接着剤 、陽極接合、ろうまたははんだ付け、およびガラス融解接着として典型的である 。

かくして、この結果、加速度計は水晶に通常モードの応力を惹起する熱膨張不適 合性を有することとなる。

゛水晶および機構上の残りの応力は多くの問題を生じさせることができる。これ らの問題には、端部付属物接合における高度の接合ライン応力、！１１１部分に おける応力、および水晶における応力を含んでいる。高度の結合ライン応力は、 加速されたクリープをもたらし、使用可能な接着技術による高度な強さの要求と その限界とをもたらすものである０機構部分における応力は衝撃加重能力の減退 と、寸法不安定性と、付加的な強度の要求とをもたらすものである。水晶の応力 は、寸法不安定性と、全範囲の能力の減退と、水晶作用点の変化とより高い温度 の感度とをもたらす。

発明の要約 この発明は、異なるモードの加速入力を支持するために高い剛性を維持しながら 、力変換器の通常モード荷重を実質的に減少させるための技術を開示するもので ある。

これは、分離体と、変換器軸に沿って力変換器に比較的適応性があるが、標準質 量の屈曲軸周りの回動に関して好ましい具体例において、加速度計は、支持部、 標準質量、装架手段、分離体、分離体懸架手段、および２個の力変換器とからな っている。装架手段は、標準質量が感知方向に垂直な屈曲軸の周りに回動できる ように標準質量を支持部に装架している１分離体懸架システムは分離体を支持部 に装架している０分離体懸架システムは、屈曲軸に直角な変換器軸に対して平行 な分離体の動きに対して比較的に適応性があり、屈曲軸周りの分離体の回動に対 して比較的非適応である。力変換器は分離体と標準質量との間に結合されている 。力変換器は、屈曲軸周りの標準質量の回動が一方の力変換器を引張り状態に、 他方の力変換器を圧縮状態に置くように、力変換器軸に平行に、互いに屈曲軸の 反対側に配置されている。

図面の簡単な説明 第１図はこの発明の加速度計の１つの好適な具体例を示す概略図であり、第２図 は第１図に対応する具体例の標準質量組立体の斜視図であり、第３図は第２図の 標準質量組立体に対応する加速度計の断面図であり、第４図は第２０の標準質量 組立体と１個の力検知水晶との平面図であり、第５八〜５Ｃ図は交替可能な分離 体懸架システムの概略図であり、第６図はこの発明の第２の好適な具体例の概略 図であり、第７図はこの発明の第３の好適な具体例の概略図であり、第８および ９図は第２〜４図の加速度計の概略図である。

発明の詳細な説明 この発明の加速度計の１個の好適な具体例が第１図に概略形で示されている。加 速度計１０は、標準質量が図の平面に直角である屈曲軸Ｈ＾の周りに回動可能で あるように支持部１４に装架される標準質量１２から成っている。加速度計は、 さらに、参照符号２０によって一般的に示される分離体懸架システムによって支 持部１４の別の部分に装架される分離体１６から成っている。分離体懸架システ ムは、第１図では４個のローラに抽象化され、感知方向Ｓ＾および屈曲軸Ｈ八に 対して垂直である変換器軸Ｔ＾に沿って力変換器２２と２６は分離体１６と標準 質量１２とを相互に結合している。力変換器は変換器軸ＴＡニ対して平行であり 、互いに屈曲軸Ｈ＾の反対側に置かれ、屈曲軸Ｈ＾の周りの標準質量１２の回動 は、一方の力変換器を引張り状態に、他方の力変換器を圧縮状態とする。加速度 計の他の構成要素に対する力変換器２２と２４との異なる熱膨張と熱収縮とは、 変換器軸Ｔ＾に沿う分離体１６の動きをもたらすが、理想的に力変換器にはどの ような応力も作り出されることがなく、したがって、加速度計の出力にはエラー がもたらされることがない０分離体懸架システムが変換器軸に沿う分離体の動き に対していくらかの抵抗を有する実際のシステムにおいては、力変換器上にもた らされる小さな力は、変換器のブツシュ−プル式の配列によって実質的に打ち消 された通常モード入力をつくり出すものである。

第１図に示される線図的な例に対応する実際の具体例は第２〜４図に示されてい る。これらの具体例は、標準質量組立体を間に挟む上部プレート３０と下部プレ ート３２とを含んでいる（第３図）、標準質量組立体３４は標準質量４０と分離 体４２とが形成された丸型のウェハーからなる。

力検知水晶８０と８２は、後にさらに詳しく説明するよう己、標準質量組立体の 上面と下面にそれぞれ取付けられている。標準質量４０は、ウェハーを貫通する 平行溝４４と４６を切ること、および、標準質量４０と、以後支持部５２として 示される標準質量組立体の残りの部分との間に円弧たわみ部５０を形成するため に、ウェハーの上面と下面に１対の整合する半円状切除を形成することとによっ て形成される。屈曲軸の方向は標準質量４０の両側を限定する溝４４と４６に対 して直角である。

分離体４２は１対の組合ったＣ型溝５４と５６を作ることによって形成され、こ れらの溝が支持部５２に梁６０と６２とによって連結された分離体４２の形成を もたらすものである。

溝５４と５６の寸法と位置は、梁６０と６２が変換器軸Ｔ＾に沿って比較的小さ な寸法で屈曲軸および感知方向に沿って比較的大きな寸法を有するように調節さ れる。結果として、分離体４２は、変換器軸に沿う転位運動に対して比較的適応 し易く、屈曲軸Ｈ＾回りの回動を含む他の自由度に対しては比較的非適応的であ る１分離体４２の上面と下面には、以下に理由が述べられるが１分離体４２の質 量を減らすために設けられる切除区分７０と７２が含まれる。第２図に最も良く 示されるように、分離体４２．梁６２および支持部５２の上面には凹部７４．７ ６および７８がそれぞれ含まれ、この要素の対応する下面には同様の凹部が含ま れている。これらの凹部は分離体４２と標準質量４０との間への力検知水晶８０ と８２の取付けを可能としている。

上部支持プレート３０．標準質量組立体３４および下部支持プレート３２は、上 、下部の支持プレートの開孔（図示されていない）と支持部５２の開孔８６を通 る４個の螺子（図示されていない）によって−緒に固定されている。

上、下の支持プレートは、力検知水晶の上と下とに、水晶とそれに連なるリード ワイヤとを設備するために凹所８８を含んでいる。水晶は、尺度と自然周波数調 節のために、基礎部分に装架され、または標準質量組立体の中に装着されること ができる。上、下支持プレートの標準質量４０に隣接する部分は、標準質量と上 、下支持プレートの隣接面との間の境界面に適当な衝撃間隙を設けるために、こ れらの表面は標準質量から僅かにひっ込めるように機械加工されるのがよい。

操作において、力検知水晶８０と８２は、それぞれの水晶振動周波数における出 力信号を提供する１対の駆動回路に連結される。出力信号は、次で当技術分野の 専門家に良く知られている方法で、感知方向Ｓ＾の加速の大きさを提供すべく加 工される。この加工は、ここに参考として組み込まれる米国特許第４，４６７． ６５１号に示されるものと同様の方法で行われる。第２〜４図に示される型の分 離体は、与えられた加速入力のいかなるものに対しても、水晶における通常モー ドの荷重において１０：１の減少を提供する。このことは標準質量の共振周波数 における１％以下の降下で達成される。以下に述べる具体例と同様にこの具体例 においては、力検知水晶と屈曲軸間の垂直距離は、与えられた加速入力が力検知 水晶に等しい両方の力を作るように、相互に同一であるのが好ましい。

分離体４２の孤立システムは、それが変換器軸Ｔ＾に沿う転位に対して比較的高 い適応し易さを提供し、屈曲軸Ｈ＾の回りの回動に比較的低い適応性を提供する 限りはいかなる形を取ってもよい。つけ加えると、全ての分離体の共振周波数は 、好ましくは、２０００Ｈｚの最高入力振動周波数以上に充分維持されるもので ある。３個の代替可能の分離体懸架システムが第５八〜５０図に例示される。こ れらの図において、同じ参照番号４２と５２が分離体と支持部にそれぞれ用いら れている。第５八図において、分離体４２は、１対の反対向きの組み重ねられた Ｃ形溝１００と１０２によって形成され、したがって１対の梁１０４と１０６と を形成している。第５Ｂ図において、分離体４２は、１対の向き合ったＣ形溝１ １０と１１２および１１２の直線溝１１４と１１６とによって形成され、したが って懸架システム構成用架１２１〜１２４を形成している。第５Ｂ図の配列の利 点は、分離体が変換器軸に沿う純粋に真直ぐな線運動を作り出すことである。こ れの不利な点は、第４図および第５Ａ図に示される具体例よりもより多くの切断 （ｉｌｌ）を含んでいることである０分離体懸架システムの他の配列が第５Ｃ図 に示されている。この具体例においては、１本の溝１３０が殆ど連続する方形を 形成し、たわみ部１３６を形成する拡大端部１３２および１３４を形成している 。

この発明の加速度計の第２具体例は第６図に略図的に示されている。この具体例 において、標準質量１５０は、第６図の図の平面に直角である屈曲軸Ｈ＾の周り に回動できるような適宜の手段（図示されていない）によって支持部に装架され ている１分離体１５２は１対のたわみ部１５６として例示される分離体懸架シス テムによって支持部１５４に装架され、かくして分離体１５２は、この例では感 知方向Ｓ＾に平行である変換器軸Ｔ＾に沿う転位的な動きに比較的適応し易いも のである。しがしながら、たわみ部１５６は屈曲軸Ｈ＾の周りの分離体１５２の 回動を妨げる。

１対の力検知水晶１６０と１６２は標準質量１５０と分離体１５２の間に延び、 変換器軸Ｔ＾に平行である。前述の具体例と同様に、感知方向Ｓ＾に沿う加速は 標準質量１５０を屈曲軸Ｈ＾の周りに回動しようとし、それによって、一方の力 検知水晶は引張り状態に置かれ、他方の力検知水晶は圧縮状態に置かれる。しか しながら、他の加速度計の要素に関する力検知水晶の異なる熱的膨張または収縮 が変換器軸Ｔ＾に沿う分離体１５２の転位的動きを引き起こす。

変換器軸に沿う分離体の高い適応性のために、異なる熱的膨張は比較的小さい通 常モードの力と水晶にもたらすのみである。

この発明の第３具体例は第７図に略図的に示されている。この具体例において、 標準質量１７０は適当な手段によって支持部１７２に装架され、かくして標準質 量は屈曲軸Ｈ＾の周りに回転可能である。分離体１７４はまた適当な手段によっ て支持部１７２に装架され、分離体は屈曲軸Ｈ＾に平行な枢軸１７６の周りに回 動可能であるが、屈曲軸に対して直角の方向にそこから移動させ、分離体が屈曲 軸の周りに回動できないようにしてもよい、枢軸１７６は好ましくは分離体１７ ４の質量の中心を通り、かくして、分離体は加速入力に応答して回動しようとは しない、力検知水晶１７６と１７８は標準質量１７０との間において屈曲軸Ｈ＾ の両側に延びている。変換器軸Ｔ＾は屈曲軸および感知方向Ｓ＾の両方に対して 垂直である。先行の具体例と同様に、５知方向Ｓ＾に沿う加速は標準質ｔ１７０ を屈曲軸Ｈ＾の周りに回動しようとし、それによって、一方の力検知水晶は引張 り状態に、他方の力検知水晶は圧縮状態に置かれるものである。これに対して、 力検知水晶の異なる熱的膨張は分離体１７４を枢軸１７６の周りに回動させよう とし、水晶上に小さい通常モードの力をつくり出す。

第２〜４図に示される具体例において、分離体１４２の質量と水晶の非線形性は 、荷重が通常モードであったとしても、少しの交差軸加速検知を導入することが ある。

このようなエラーの原因を減らす１つの方法は、切除区分７０および７２の手段 のように、できるだけ多く分離体の質量を減らすことである。他の選択枝は、第 ６図に示されるような加速度計を使用することであり、そこでは分離体１５２の 質量が５知方向の加速によってのみ通常モードの荷重に加えられている。この場 合には、エラーが加速度計の校正段階において取除かれる。さらに他の遇択枝は 、第７図に示されるような加速度計を使用することであり、そこでは、分離体１ ７４がその質量の中心で支持されているので、直線的な加速によっては影響され ることがない。

分離体の質量問題に対する他のアプローチは、第８図に略図的に示されており、 そこでは第２〜４図の参照番号が便利のために再び使用されている０ＭｐとＭ工 とはそれぞれ標準質量と分離体とを表わす、に２は、支持部に関して変換器軸に 沿う標準質量の転移的な動きに対するたわに間して変換器軸に沿う動きに対する 分離体懸架システムのばね常数を表わしている。

もし、Ｍ、／に、の比がＭ、／に、に等しくされるならば、交差軸検知はＯにな るだろう、一般的に、このように比を等しくする好ましい方法は、Ｍ工をＭ２よ りより小さくし、Ｋｏを同じ要因によってＫＰよりより小さくすることである。

１個の標準質量に対する２個の振動ビーム力変換器の連結は各変換器間の混信と いう潜在的な問題を提起する。

かくて、ある設計にあっては、光分離れた間隔を置き、水晶の周波数操作範囲が 重なり合わない中心周波数を有する力検知水晶を使用することが好ましい、異な った中心周波数を有する水晶の使用は、水晶の剛性が互いに異なることを意味し 、かつ与えられた加速入力に対し水晶によって検知される力が互いに異なること を意味している。これらの検知された力の大きさの相違は、一般的に、振動修正 係数の増加を招き、殊に、基本的システムの共振、すなわち分離体据え付は部に 対する屈曲部周りの標準質量の振動の共振周波数における入力を伴う最高の標準 質量変位間に招かれるであろう。

水晶によって検知される等しくない力がもたらされる他の条件は、それらが屈曲 部Ｈ八から等しくない垂直距離に装架されているかどうかである。この不等は、 水晶の取付けを行う工程における変化の結果であり、および／またはｍ構自身の 寸法変化の結果である。これらの不等装架距離も、また振動修正係数を増加する ものである。

変換器軸に沿って動くことのできる分離体の使用は、振動修正係数の減少のため の手段を提供し、この減少は変換器軸に沿う分離体の剛性の適当な選択によって 最高とされることができる。第２〜４図の加速度計の簡略化されたモデルが第９ 図に提供されている。第９図のモデルは、屈曲軸Ｈ＾の周りの慣性モーメントＩ Ｐを有する標準質量４０と、質量Ｍ１を有する分離体４２と、そして変換器軸Ｔ ＾に沿うばね常数に、をもつ分離懸架システム２０とがらなっている。分離体と 標準質量は、それぞればね常数に、およびに２を有し、屈曲軸を通り変換器軸Ｔ Ａ４こ対して垂直である中心線１８０から垂直距ＭＲ，およびＲ２の位置に置か れた力検知水晶８０および８２によって互いに連結される。第９図に示されるシ ステムは、その運動を屈曲軸周りの標準質量からなるものおよび変換器軸に沿う 分離体の変位からなるものの２つの自由度システムの考えとすることができる。

これらの説明から、標準質量の回転の正の方向は時計回り方向であり、分離体移 動の正方向は右方向への移動であることが明確である。

一般的に、それぞれの力検知水晶による経験によって得られた力Ｆ１およびＦ２ は、 Ｆ、＝に、　（θ・Ｒ，−２）　・・・（１）Ｆ２＝−に２（Ｆ３−８２＋Ｚ） 　・　−−（２）で与えられる。

ここで、θは標準質量の屈曲軸周りの回転角度であり、Ｚは変換器軸に沿う分離 体の移動距離であり、そして、引張り力は正であり、圧縮力は負である。

理想的には、力Ｆ１とＦ２とはいかなる加速入力の下でも、すなわちいかなる標 準質量の回転があっても等しい、しかしながら、−ｉ的に、Ｆ、とＦ２とは、Ｋ 、とに２の相違および／またはＲ８とＲ２間の相違のために等しくない、しかし ながら、第９図の２個の自由度モデルに対し、共振標準質量の変位間に各水晶に よって経験的に得られる力量の最高の差はばね常数に１を次のように調節するこ とによって最小とすることができる。

方程式（３）によって決定されるに１の値は、分離体質量および水晶８０と８２ とからなり分離体懸架システム共振周波数が基本的システム共振、すなわち、分 離体のｉ動がないと仮定して、標準質量および力検知水晶の共振周波数と同じに された調整状態のものである。調整された状態において、分離体の移動は各水晶 間の力検知の差を減少させる傾向を有し、それゆえ、振動修正係数を改善するこ ととなるだろう６分離体懸架システムは、それゆえ、好ましくは、Ｋ、が方程式 （３）を満たし、特に、異なった中心周波数を有する水晶が用いられるシステム に向けて設計されるであろう。

この発明の好ましい具体例が示され、説明されて来たあろう、したがって、この 発明の詳細な説明された具体例に制限されることはなく、次の特許請求の範囲の 参照によって決定されるべきである。

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Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. １．支持部、標準質量、この標準質量が感知方向に垂直な屈曲軸の周りに回動で きるように標準質量を支持部に装架するための装架手段、分離体、この分離体を 支持部に装架するための分離体懸架手段であって、屈曲軸に対して直角で変換器 軸に対して平行な分離体の動きに対して比較的適応性があり、屈曲軸周りの分離 体の回動に対して比較的非適応性である分離体懸架手段、および、分離体と標準 質量との間に連結される２個の力変換器であって、標準質量の屈曲軸周りの回動 が一方の力変換器を引張り状態に置き、他方の力変換器を圧縮状態に置くように 、交換器軸に平行に、互いに屈曲軸の反対側に配置された力変換器とからなる感 知方向に沿う加速を測定するための加速度計。
2. ２．変換器軸が感知方向に直角であるところの請求項１記載の加速度計。
3. ３．分離体懸架システムが、屈曲軸に平行であるが屈曲軸に対して直角の方向へ 屈曲軸かち離れた枢軸の周りめ分離体の回動に対して比較的適応性のあるところ の請求項２記載の加速度計。
4. ４．変換器軸が感知方向に平行であるところの請求項１記載の加速度計。
5. ５．分離体懸架手段が変換器軸に沿って分離体の両側に配置された第１および第 ２梁からなり、各梁が支持部および分離体に連結され、各梁が変換器軸に沿う屈 曲に対して比較的適応性があり、感知方向に沿う屈曲に対して比較的非適応であ るところの請求項１記載の加速度計。
6. ６．装架手段が円弧状たわみ部からなるところの請求項１記載の加速度計。
7. ７．力変換器と屈曲軸の間の垂直距離が他の力変換器と屈曲軸の間の垂直距離に 等しいところの請求項１記載の加速度計。
8. ８．変換器軸に沿う装架手段への適応によって分割された標準質量の質量が変換 器軸に沿う分離体懸架手段への適応によって分けられた分離体の質量に等しいと ころの請求項１記載の加速度計。
9. ９．変換器軸に沿う分離体の動きに対する分離体懸架手段のばね常数が、力変換 器や標準質量を別にして変換器軸に沿う分離体振動に対する共振周波数が静止的 に保持される分離体に対する屈曲軸周りの標準質量の振動の共振周波数と等しく なるように選ばれるところの請求項１記載の加速度計。
10. １０．上部プレート部材、下部プレート部材、上、下プレート部材間に挟まれた 標準質量組立体であって、上、下プレート部材に結合された支持部を含む標準質 量組立体、感知方向に垂直な屈曲軸周りに標準質量が回動できるように支持部に 対して標準質量を装架するための装架手段、分離体、分離体を支持部に装架する ための分離体懸架手段であって、屈曲軸に直角な変換器軸に平行な分離体の動き に比較的に適応性があり、屈曲軸周りの分離体の回動に比較的不適応である分離 体懸架手段、および、分離体と標準質量との間に結合された２個の力変換器であ って、屈曲軸の周りの標準質量の回動が一方の力変換器を引張り状態に置き、他 方の力変換器を圧縮状態に置くように、変換器軸に平行でかつ互いに屈曲軸の反 対側に配置されたカ変換器とからなる、感知方向に沿う加速を測定するための加 速度計。
11. １１．装架手段が円弧状たわみ部からなるところの請求項１０記載の加速度計。
12. １２．力変換器と屈曲軸間の垂直距離が他の力変換器と屈曲軸間の距離に等しい ところの請求項１０記載の加速度計。
13. １３．変換器軸に沿う装架手段の適応性によって分けられた標準質量の質量が変 換器軸に沿う分離体懸架手段の適応性によって分けられた分離体の質量と等しい ところの請求項１０記載の加速度計。
14. １４．変換器軸に沿う分離体の動きに対する分離体懸架手段のばわ常数が、力変 換器と標準質量とを離れて変換器軸に沿う分離体振動の共振周波数が静止的に保 持された分離体を有する屈曲軸の周りの標準質量振動の共振周波数に等しくなる ように選定されるところの請求項１０記載の加速度計。