JPH02189433A - 振動型の力・周波数変換器 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、質量と体積の小さい力測定装置を得ることを
可能にする振動ビーム型の力・周波数変換器に関する。

より正確には本発明は、圧電性材料でできた細長形のス
トリップからなり、このストリップが、その両端におい
て、そのストリップに長さ方向の力を付与する部材の中
に埋め込まれており、中間部分においては、２つの側方
ビームを形成するように分割されていて、それら側方ビ
ームは、ストリップの主たる表面の面内においてビーム
を振動させてその振動の周波数を測定するための電極を
担持しているタイプの変換器に関する。

このような変換器を用いれば、ストリップの両端に付与
された引張力が測定され得る。この変換器の特に重要な
、それに限らないが、応用分野は、振子形の感震質量部
すなわち検知用質量部が関節によってベースに結合され
ていて、その質量部が関節の軸線に垂直な感知方向に動
き得るようになっているサーボなしの振子型加速度計で
ある。この場合、変換器の端部がベースと質量部とに固
定される。

［従来の技術］ 上述のタイプの多種の変換器が既に公知である。それら
の例はセラ（Ｓｅｒａ）による米国特許第３、２６８．
７８９号およびフランス特許第２．４５４．６１４（米
国エネルギー省による）に示されている。後者の書類に
よれば、２つのビームを離隔している距離が、極めて小
さく、幅がビームの厚さよりも小さいスリットを形成し
ていることが絶対に必要となるであろう。何故そう言え
るのかの理由は、２つのビームで付与される力が相等し
くなることと、Ｑファクターが高くてしかも受容され得
る安定度を与えるようであることのためには、スリット
は狭くなければならないからである。

上述のタイプの変換器が、質量と体積が極めて小さくて
受容され得る感度を有するように効果的に製造され得た
としても、その変換器は欠点を有する。主な欠点の１つ
は、変換器における力に対する周波数の応答が温度の関
数として変化することである。典型的と考久られる公知
の変換器では、スケールファクター（ｇ　＝　９．８１
ｍ／ｓ２と等しい加速度の下に置かれたときの周波数変
化）が０．５ｔｌｚから数Ｈｚの範囲にある。ところが
、多くの慣性装置において、普通である７０℃の作動温
度に対しては、放物線的周波数変化が７．５　Ｘ　１０
−”）Ｉｚ／　℃であるので、センサーの２つのストリ
ップの間で温度が僅か０．１℃異ったことによっても、
加速度において？、５　Ｘｌ０−２ｇの誤差が生ずるこ
ととなり、この誤差は感度と対比すれば大きいものであ
る。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の１つの目的は、上述のタイプの改良された変換
器を提供することにあるが、より特定的な目的は、変換
器の実際の温度を考慮した正確で確実な温度補正を可能
にしていて、したがって変換器と外界の間にあり得る温
度の違いに影響されない変換器を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ そのために本発明が提供する変換器は、抵抗式の温度セ
ンサーを担持している中央ビームを含んでいて、この中
央ビームは、ストリップの主たる面に対しては垂直で長
さ方向に伸びるスリットによって、側方ビームから離隔
されている。ストリップの全体は同一の温度にあるから
、中央ビームの温度が知られることにより、以前にスト
アされた補正曲線から正確な補正を達成することが可能
になる。この補正は、１個の変換器で成るセンサーにお
いてだけでなく、差動回路に組合わされた２個の変換器
で成るセンサーにおいても行われ得る。後者の場合に補
正は、２個の変換器の温度の差を考慮して行われる。

第１の実施態様においては、中央ビームはストリップの
両方の端に結合されている。フランス特許第２．４５４
．６１４号が教えているのとは異なり、この中央ビーム
があることによる変換器の感度の低下は、振動する側方
ビームの断面積と、側方ビームと中央ビームの断面積の
和との比に等しいファクターで起るだけであり、そのフ
ァクターは、例えば３／４といった１に近い値に保たれ
得る。この感度の低下がある代りに、変換器の破壊に対
する抵抗、したがってそれが使用可能な範囲は、上述の
ファクターの逆数すなわち４／３の比をもって増大する
ことになる。

他の実施態様においては、中央ビームが、ストリップの
一方の端からは離れている。したがってこの場合は感度
の低下がなく、なお、フランス特許第２．４５４．６１
４号を読んで想像されるのとは異なり、中央ビームによ
って両側方ビームが離隔されていることの結果として、
Ｑファクターの低下はないし、両側方ビームの間での付
与される力の不平衡もない。

一端からは離れている中央ビームが用いられる場合はな
お、（このビームは屈曲振動の振幅を測定するための電
極が設けられているという条件下ではあるが）２つの側
方ビームでの振動運動を平衡させることが可能になる。

実際に、一端においては埋め込まれているその中央ビー
ムは、変換器の作動周波数での曲げ力を受け、その振幅
は、２つの側方ビームでの振動運動の不平衡分に関係し
て増大する。最大のＱファクターを減少させるそのよう
な不平衡は、例えば２つの側方ビームの寸法的な違いに
起因する。一方のビームにおいて少量の質量を例えばレ
ーザーによって蒸発させることにより、不平衡は実際上
ゼロまで減らされ得るし、そのことは、中央ビームに誘
起される振動がないことによって検出される。

［実施例］ 以下において、制限的でない例である特定の実施態様に
ついての、添付図面を用いての説明により、本発明をよ
りよく理解されるであろう。

第１図に概略図を示している変換器は、　Ｈには石英で
ある圧電性材料で作られた、共振子を形成する一体式の
ストリップの形をなしている。このストリップは、これ
に長さ方向の力を付与する振動しない機械的部材に固定
されるようになっている両端部分１０．１２と、細長形
の作動部分１４とで成るものと見てよい、−船釣には両
方の端部分は、埋め込みと同等の結合方法で固定される
０例えば、端部分は平らであって、力付与部材の対応す
る表面上に、孔１６を貫通するボルトによって強制され
て取付けられている。

ストリップはすべての場合極めて薄く、その厚さは約１
／１０ｍｍであり、幅は、厚さよりも大きく、それは往
々１オーダー大きい。

作動部分１４に形成されている２つの互いに平行な長さ
方向のスリット１８によって、この作動部分は、ストリ
ップの中央面の各々の側に対称的に位置している２つの
側方ビーム２０と、中央ビーム２２とに区分されている
。ストリップは平らな石英のシートから切り出され得る
し、スリット１８は、よく知られていてバッチ製造を可
能にする写真平版法を用いることで、切り込みされる。

写真平版法を用いると、一般にはＩ／１０ｍｍ未満とい
う厚さの極めて細いスリット１８が形成され得る。これ
らのスリットは作動部分１４の長さの大部分にわたって
伸びている。第１図に示されているように、これらスリ
ットは、剛性結合場所からは何がしかの距離のところで
終っている。屡々、スリット１８の長さと埋め込み点間
の長さの比が０．４〜０．７の間にあるときに良い結果
が得られシ、側方ビームの幅とストリップの厚さの比は
一般に１〜２．４の間にある。

側方ビームは、それらをストリップの面内において振動
させてその振動の周波数を測定するための電極を担持し
ている。特に可能であることは、例えば、ビームの下面
上には接地された金属石を、そして上面上には第１図に
概略を示している構造のセットになった電極を設けるこ
とである。

これらの電極は２つのグループに分れている。つまり、
２４ａ　、　２４ｂ　、　２４ｃと、２６ａ　、　２６
ｂ　、　２６ｃの２つである。１つの同じグループの電
極は相互に接続され、なお、一方の端１０に形成されて
いる接続ゾーン２８または３０に接続されている。変形
された１つの構造様式においては、ビームの下面が、上
面におけるのと同様のセットになった電極を担持してお
り、それら電極は、この場合も、両ビームの両側上の金
属の経路を経て供給されている。

第３図に示されているように、ゾーン２８と３０は、発
振器３２の出力に接続されていて、この発振器は、周波
数計３４で測定されるストリップの固有振動数に調子を
合せられている。一般に、第１図または第３図に示され
ている種類の、２個の変換器を含んだ差動回路が用いら
れる。この場合、周波数計３４は、２つの同じ構造の変
換器での周波数の相違を、うなり検出（ｂｅａｔｉｎｇ
）によって測定する。そしてそれら２つの変換器の一方
のものは測定されるべき力の作用下に置かれ、他方のも
の（その出力は第３図では破線の矢印で示している）は
、力を受けないか、または大きさが同じで方向が反対の
力の作用下に置かれる。

中央ビーム２２は温度測定用の抵抗型プローブ３６を担
持している。このプローブは、例えば、厚さ１００人の
クロムのフィルムで形成された下地層の上にある厚さ約
１μｍの薄い白金の屡で形成される。このようなプロー
ブは、温度に対して実質上直線的に変化する抵抗値を有
する。細長いバンドの形をなすプローブ３６の両端は導
電性線路によってゾーン３８に接続されていて、これら
ゾーン３８は接続導体を抵抗（したがって温度も）の測
定回路４０に接続するものとなっている（第３図）。

回路４０の出力信号は周波数測定回路３４に付加されれ
ばよく、その場合、周波数測定回路は、変換器に付与さ
れた引張りまたは圧縮の力の補正表示を与えるようにす
るための、温度の関数としての補正表を含んでいる。

２個の変換器を有する差動式センサーの場合には、変換
器の温度それ自体ではなく、２つの変換器での温度の差
を測定するための温度測定回路４０が設けられる。

第２図に示す本発明の１つの変形においては、中央ビー
ム２２が、端部分１２からは離れている。第２図の変換
器は、その離れていること以外では第１図の変換器と同
様であるので、写真製版のマスクをほんの少し変えるだ
けで製造され得る。したがって、高度の機械的抵抗性が
望まれるならば第１図に示す変換器、最大の感度が望ま
れるならば第２図に示す変換器が、いずれにしても同じ
製造法によって得られる。

第２図に示す実施例はなお、両ビーム２０の振動運動を
平衡させることを可能にしている。つまり、一端におい
て埋め込まれていて振動する２つのビームの間に位１す
る中央ビーム２２は、発振器３２の周波数での屈曲力を
受けるが、その振幅は、両ビーム２０での振動運動の不
平衡の度合に関係する。この動きの振幅は、中央ビーム
２２上に追加的に位置させられた電極（図示せず）によ
って検出され得る。この際、両ビーム２０は、もともと
ビーム２０上に設けられていたデポジットを部分的に蒸
発させることによって平衡させられ得る。特に言うなら
ば、電極２４ｂと２６ｂに余分な厚さの金を設けておい
て、不平衡がゼロになるまで、そのデポジットからレー
ザーのパルスによって少しの質量を蒸発させればよい、
このようにして、平衡させることにより、最大のＱファ
クターが得られる。

上述した変換器は多くの利用面を有する。第４図は例と
して、本発明による２つの変換器を用いた加速度計を示
しており、そこでは、２つの変換器は、一方のものが圧
縮力を受けるときに他方のものは引張り力を受けること
となるように差動的に取付けられていて、幾らかの誤差
が消去されている。

第４図に示す加速度計は、ベース４６に関節４４で結合
されている感震質量部４２を含んでいる。そのベースは
、１つのフレームに属しており、そのフレームは質量部
を完全に包囲していて、シールされ得る加速度計セルを
形成するための２枚のフランジ４８と５０の間に位置す
るようになっている。加速度ｇの下に置かれたときには
、感震質量部は、関節部の周りで、ｍｇＬに等しいトル
クを受ける（第４図）。

センサーは、矢印Ｆで示している感知軸線方向で感震質
量部４ｚを跨いで位置している２つの変換器５２と５４
で形成されている。各変換器は、一端がベース４６に平
らな形で固定され、他端は質量部４２に平らな形で固定
されている。質量部には、例えばエツチングにより、凹
部５６が形成されているので、変換器のビームは妨害さ
れずに振動し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の特定の１つの実施例である変換器を、
明瞭化のため尺度を度外視して示す斜視図、第２図は第
１図の変換器の１つの変形の略図的上面図、第３図は第
１図の変換器と組合わされ得る測定回路を簡単に示す線
図、第４図は本発明による２個の変換器を用いた加速度
計の断面図である。 １０、１２・・・・端部分、　　１４・・・・作動部分
、１６・・・・ボルト孔、　　　　１８・・・・スリッ
ト、２０・・・・側方ビーム、２２・・・・中央ビーム
、２４ａ、２４ｂ、２４ｃｍ電極、　２６ａ、２６ｂ、
２６ｃ・・・電極、３２・・・・発振器、　　　　３４
・・・・周波数計、３６・・・・温度測定プローブ（温
度デンサー）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、圧電性材料からなる平らで細長形のストリップを含
   む力・周波数変換器であって、該ストリップが、変換器
   が使用されるとき、測定されるべき力をその伸びの方向
   に沿って付与する端部材に固定的に結合されている端部
   分を有しており、該ストリップが、その伸びの方向に平
   行でストリップの主たる面に垂直なスリットによって、
   共通面上にある中央ビームと２つの側方ビームに区分さ
   れており、該側方ビームが該端部分に加えられた力の値
   を示す共振周波数における該共通面内の屈曲振動を測定
   するための電極手段を担持しており、該中央ビームが抵
   抗型の温度センサーを担持している、振動型の力・周波
   数変換器。 ２、前記中央ビームがさらに、それの屈曲振動の振幅を
   測定するための電極手段を担持している、請求項１に記
   載の変換器。