JPH02501862A - 振動するビーム変換器のための電極形状 - 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】 振動するビーム変換器のな・めの電極形状ＬＬへ頒４ 本発明は、加速度計及び他の力センサに用いられる型の、振動するビーム変換器 に関するものである。

１１悲４１ 現代の加速度、力及び圧力センサにしばしば見られる振動する圧電ビーム変換器 は、ビームもしくははり上に位置する電極に与えられる電圧により創成される内 部ひずみにより発振駆動される。一般に、ビームは、該ビーム及び関連の変換器 が設計されている単一のモードにおいてのみ振動することが望ましい、他のモー ドにおける振動は、支持構造体内にエネルギを消散し、それにより発振器の効率 を減少する。さらに、この損失エネルギは、同じ構造上に装着された他の変換器 の動作に影響を与え得るかくクロストークもしくは漏話）、もしくは正常の変換 器動作に影響する支持構造体に共振を励起し得る。

最も最新式の振動するビームの変換器に対して選択される物質は、結晶状の石英 もしくは水晶である。この物質内に、電極により、水晶ビームもしくは水晶のは りの長手方向軸に垂直の電界が生成され、該電界により、長手方向軸に沿って向 けられる力が生じせしめられる。これら長手方向の力は、ビームを電界と平行に 振動させるように配列される。

かかる水晶ビームを所定のモードにおいてのみ発振させる１つの技術が米国特許 第４，４６９，９７９号明細書に記載されている。ここに述べられる技術は、水 晶ビームが例えば基本たわみモードで振動しているとき、ビーム内のひずみは、 ビームの両端近傍で１つの方向にあり、ビームの中央近傍で反対方向にあり、そ してほぼＹ／Ｌ＝０．２２及び０．７８の相対位置においてゼロを通過する（す なわち方向を変える）、という測定もしくは判定に基づいている。ここに、Ｌは ビーム長であり、Ｙはビームに沿った長手方向位ｌである。上述の特許に用いら れた技術は、０．２２及び０，７８の交差点において電極の極性を反転し、それ により、ビームがその基本たわみモードのみで振動する可能性を増大することで ある。

先ｉへ１１ 本発明は、ビームが基本たわみモードで振動する傾向を高めるように圧電ビーム 上の電極形状を適合させて作る技術を提供する０本発明の文脈において、用語「 形状」もしくは「形態」は、ビームに沿った長手方向位置の関数としての電極の 幅及び／または位置を言う。

好適な実施例において、本発明は、長手方向軸を有する圧電ビームと、長手方向 軸に沿って向けられる力を生成することにより、長手方向位置対長手方向ひずみ の所定の形を有する所定のたわみモードで前記ビームを振動させるよう、前記ビ ームに装着される少なくとも２つの電極と、を備えた変換器に対する改良を提供 する０本発明の該改良は、前記電極間に電圧差が与えられるときに、前記電極に より生成される長手方向の力が、長手方向位置の間数として、長手方向位置対長 手方向ひずみの前記形を近似するように、長手方向位置の関数として前記電極の 少なくとも１つの形状を変えることを含む。

本発明の好適な実施例は、その基本たわみモードで振動されるべき矩形のクラン ブークランプのビームと共に使用するよう与えられる。この場合、長手方向位置 対長手方向ひずみの所定の形は、ビームの各端では第１の方向にあり、ビームの 中央点では反対方向にあり、そして中央点及び各端間の交差点ではゼロを通過す る。交差点は、ビームを、第１及び第２の地区間と中央区間とに概念的に分ける ように用いられ得る。好適な配列において、各区間内で、電気的に接続された２ つの第１の電極が、前記ビームの第１の対の対向する表面上のそれぞれに位置付 けられ、電気的に接続される２つの第２の電極が、前記ビームの第２の対の対向 する表面上のそれぞれに位置付ちれる。各区間の少なくとも部分内で、前記第１ の電極は長手方向位置の関数として一定の幅を有し、前記第２の電極は長手方向 位置の関数として変化する幅を有する。該交差点において、好適な配列は、前記 第１の電極の一方及び前記第２の電極の一方が第１の表面上に位置付けられ、そ して前記第１の電極の他方及び前記第２の電極の他方が反対の表面上に位置付け られるようなも第１図は、クランブークランプのビームの振動の基本たわみモー ドを概略的に示す図、 第２図は、双頭音叉変換器の振動の基本たわみモードを示す図、 第３図は、ビーム内の反対方向に向がう電界による曲げモーメントの生成を示す 区、 第４図は、第３図に示されたビームの断面を示す図、第５図は、基本たわみモー ドで振動するビームの相対的な長手方向位置対相対ひずみを示す図、第６図は、 形状と位置対ひずみの形との間の対応関係を示す、本発明の教示による好適な電 極形状を示す図、第７図は、圧電ビーム内の電界の変化を示すグラフ、第８図は 、第６図に示される電極形状の部分を作る方法を示す概略図、 である。

日の士　ｔ； 本発明は、はりもしくはビームに装着された電極によって所定のたわみモードで 振動されるべきどのような圧電ビームにも適用可能である１本発明は、双方の端 がクランプされてビームのたわみの基本モードで振動されるべきビームを説明す ることによって示される。かがる振動モードが誇張された図式Ｓ様で第１図に示 されており、ビーム１０は、それぞれの支持構造体１６及び１８に取付けられた 端１２と１４とを有している。ビーム１０を形成する物質の結晶軸は、示された ように配向されており、Ｙ軸が長手方向のビーム軸線に沿って横たわり、Ｘ軸は 振動の方向に沿って横たわる。ビーム１０を振動させるために、ビーム上の電極 （第１図には図示せず）は駆動回路に接続され、そしてビーム内にＸ方向の電界 が創成されるように、該駆動回路は、を極に電圧を与える。

結果として電界はＹ方向に沿って力を生じ、以下により詳細に説明されるように 、ビーム１０をビームの固有周波数の１つで振動させる。引張りまたは圧縮力が ビーム１０の長手方向軸に沿って及ぼされるとき、この固有周波数はシフトし、 そしてこのシフトは、加速度計及び他のセンサにおける、力から周波数へのトラ ンスデユーサ（変換器）としてビーム１０を使用するための基礎を為す。

圧電ビームを振動させる１つの一般的な応用は、第２図に示された両頭前さ変換 器である。トランスデユーサすなわち変換器２０は、２つのビーム２２及び２４ を含んでおり、それら各々は、第１図に示されたビーム１０と同様のものである 。ビーム２２及び２４は、取付（ナバッド２６及び２８に固着され、幻影ｔ１３ ０及び３２によって誇張された形態で示されたように、相互に１８０度位相ずれ したそれらの基本たわみモードで振動させられる。

取付はパッド２６及び２８は、両ビームが同じ周波数で振動するように、ビーム 間に充分な結合を与える。しかしながらビームは、相互に１８０度位相ずれして 振動するので、取付はバッド２６及び２８内に結合されるひずみは相殺される傾 向にあり、これにより周囲の支持構造体内へのエネルギの消散を減じる。

長手方向の力に応答してビームを横方向−に振動させる技術が第３図に図式的に 示されている。ビーム１０に装着された電極の適切な配置及び分極（ｐｏｌａｒ ｉｚａｔｉｏｎ）によって、ビームの一側に沿っては一方向に向けられる、例え ば矢印４０で示される上部方向に向けられる電界が生成され、ビームの他側では 矢印４２で示されるように、反対方向の電界が生成される。結果は、矢印４４で 示された上部ビーム部分における長手方向の引張り力、及び矢印４６で示された 低部ビーム部分における長手方向の圧縮力である。これら力の結果として、矢印 ４８で示された方向に、ビームを外方に曲げる正味ひずみがある。

電極の極性を反転させれば、電界ベクトルを互いに内方に向けさせ、結果として ビームを反対方向に曲げる。

理論的には、第３図に示された電界分布は、ビーム表面５０及び５２上に相互接 続された一対の電極を位置付けることによって、かつビニムの中央！１５４に沿 ってビーム内に第２の電極を埋め込むことによって、生成される。しかしながら 、埋込まれた電極の製造は、与えられた本発明の製造技術には実際的ではない、 従って、一般に、適切な電界分布は、第４図に示されるような技術で生成される 。第４図は、ビーム６０の断面図を示し、該ビーム６０は、その上部及び低部表 面上に第１の一対の電極６２及び６４を含み、その側部表面上に第２の一対の電 極６６及び６８を含んでいる。を極６２及び６４は、相互に接続されて駆動回路 の一方の端子に接続され、電極６６及び６８は、相互に接続されて駆動回路の他 方の端子に接続される。電極６０及び６２が正であり、＠極６６及び６８が負で あるとき、電気力線７０が生成される。これらの電気力線は、Ｘ軸に沿って、ビ ーム中央線７２から離れる方向に向かう成分を含み、そしてそれら成分は、第３ 図と関連させて上部したように、ビームを振動させる。Ｘ軸に沿って向けられた 電界だけが、示さを生じ、従って、Ｚ軸に沿った電界成分は、示されたたわみモ ード振動に寄与しない。

基本的なたわみモードにおいて振動するビームに対して、ビームの長さに沿った ひずみは、第５図に示された形態を有するということが測定されてきた０分析的 には、示されたひずみ曲線は、以下のような形態を有する：ここに、λ＝　４． ７３００４０７４、Ｌはビームの長さ、Ｙはビームの一端に対する長手方向の相 対位置、すなわちＹは０からＬまでの範囲に及ぶ、ひずみは、ビームの両端すな わち長手方向位置０及びＬにおいて、１．０の最大（相対）値を有し、Ｌはビー ムの長さである０位置Ｙ＝０からのビームの長さに沿って移動して、ひずみは連 続的に減少し、交差点８０においてＯに達する。ひずみは次に反対方向に増加し 、ビームの中央点８２において、はぼ−〇、６の相対的な最小値に達する。ひず みは中央点８２の回りで対称であり、そしてその最小値から、第２の交差点８４ における０を通って、Ｙ＝Ｌにおける１、０の最、大値まで戻って増加する。交 差点８０及び８４は、それぞれ約０１２２及び０．７８の相対位置（Ｙ／Ｌ）に おいて生じる。

本発明は、電極が充電されたとき、生じた電界により生成される長手方向の力が 、所望のひずみ分布に近似するＢ様で長手方向位置と共に変わるように、ビーム に沿った長手方向の位置の関数として、圧電気のビームもしくはピエゾ電気のビ ーム上の電極の幅及び位置を適合するように調整する技術を提供する０例えば、 ビームがその基本たわみモードで振動するべきであるならば、長手方向の力分布 は、第５図に示される位置対ひずみの形に近似するであろう、ビームを他のモー ドで振動させるためには、既知の他のひずみ分布が近似されるであろう。

第６図は、電極の幅及び位置の双方が第５図の位置対ひずみの形を生成するよう に変えられる、本発明の好適な実施例を示している。特に、第６図は、概して矩 形の・断面を有しかつビームの長さに沿って延びる電極１０１〜１０４を有した 圧電ビーム１００を示している。電極１０１及び１０３は相互に接続されると共 に駆動回路の一方の端子に接続され、また、電極１０２及び１０４は相互に接続 されると共に駆動回路の他方の端子に接続される。電極は、各電極がビーム長を 移動するにつれビームの回りを半分だけ移動する「パーバー極（ｂａｒｂｅｒ　 ｐｏｌｅ）Ｊの形態を有する。第６図は、ビームに沿った種々の長手方向位置に おける電極形態をさらに示すビームの断面図１１１〜１１８をも示す、最後に、 第６図は、第５図に一示された所望の長手方向位置対ひずみの形を再現するグラ フ１０６を含む、説明のため、複数個の長手方向位置１２１〜１２７及び１３１ 〜１３６が第６図に示されており、位Ｗ１２１〜１２７には図１１１〜１１７が 対応しており、位置１３２には図１１８が対応している。垂直の点線は、長手方 向位置１２１〜１２７及び１３１〜１３６をグラフ１０６上の対応の位置に関連 させる。

ビーム１００の一端の位置１２１において、電極はビームの各表面とほぼ間延の 幅を有する０位置１２１及び１２２間に延びるビーム部分１４１においてＫｆｆ ｉｌｏｌ及び１０３は幅が線形的に減少しＪ位置１２２において示された形態を 作る０位置１２１及び１２２に示された電極形態により生成される相対ひずみは 、直コンピューダモデリング技術（ｓｔｒａｉｇｈｔｆｏｒｗａｒｄ　ｃｏ＋５ ｐｕｔｅｒ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ）により見積もられ得る １例として第７図を参照すると、グラフ９０は、位置１２１での電極形状に対し 、ビーム中心線からの距離の関数として、任意の単位で、電界のＸ成分（ｅ、） を示す、グラフ９２は、位置１２２での電極パターンに対して得られる同じ結果 を示す、正味のひずみは次に以下のように計算され得る：５＝５ｘｅ＊ｄｘ ここに、積分の範囲はビーム中心線からビーム表面までである。この計算は、（ 曲線９０から構成される装置１２１のひずみに対する（曲線９２から構成される 装置１２２のひずみの比として０．４５の値となる。従って、位置１２２は、グ ラフ１０６によって示される相対ひずみが０．４５に等しい長手方向位置にある ように選択され、これは、はぼ０．１１の相対長手方向位置で生じる。

位置１２２で始まり位置１２３で終わるビーム部分１４２において、電極１０２ は上方向に徐々に細くなり、位置１２３の電極１００の上面を横切る点で実際の 最小幅に達する。ビーム１００の反対の面上の電極１０４も同じ態様であるが、 図１１３に示すように位置１２３においてビーム１００の底面で電極１０４が横 切るように、先細りは下方に向かっている６位置１２３の電極形状に対する計算 された電界分布が第７図の曲線９４に示されている。上述の式（１）を用いて曲 線９４がら計算された正味の曲げモーメントは、０，１２の正味の相対ひずみを 生じる。従って、位置１２３は、グラフ１０６上の対応する点がほぼ０．１２の 高さくすなわち相対ひずみ）を有するように選択される。

位置１２３及び１２５間のビーム部分１４３において、すべてのｔＷは各ビーム 表面を横切って長手方向の軸に対し鋭角を為し、位置１２５における図１１５に 示す形状を作る。対称性から、位置１２３及び１２５で作られる正味のひずみは 、等しいが反対向きであることが明らかである０位置１２３及び１２５間の中間 の位Ｎ１・２４において、断面１１４に示される対称形状が得られる。

この形状は（はぼ）０の正味のひずみを生成するので、位？ｉｆｌ　２４は、は ぼ０．２２の相対長手方向位置を有する第１の交差点８０に対応するように選択 される。結果として、示された電極形状は、交差点８０の領域において、なめら かに変化するひずみを生成する。

位置１２５及び１２６間のビーム部分１４４において、電極１０２及び１０４は 幅もしくは位置のいずれも変化しないが、電極１０１及び１０３は、（位置１２ ５を通過した直後で）ビームの隣接した側部表面上を横切って次に広がり、位置 １２６における各表面の全高さまで広がる。この電極形状は、図１１２に示され る形状と同一であり、電極は長手方向のビーム軸（もしくははり軸）の回りで９ ０°回転されている０位置１２６における正味のひずみは　−０，４５に等しく 、位置１２６は、グラフ１０６に基づいて適切な長手方向位置に配置され、０． ４５の相対ひずみを生じる８位置１２６及び１２７間の電極部分１４５において 、電８ｉｌｏ１及び１０３は変化せず、ｔｆ！１０２及び１０４は断面１１７に 示される形状を作るように広がる０位置１２７はビーム（もしくははり）の中央 点８２に対応し、該中央点における相対ひずみはほぼ−０，６に等しいというこ とが知られている。従って、位置１２７における？ｉＥ　Ｎ　１０２及び１０４ の幅は、このような大きさの相対ひずみを作るように選択される。すなわち、こ れら電極の幅は断面１１１に示される全幅よりも小さい。

位置１２７を越えると、電極形状は、同じパターンを作るように進み、位置１３ １〜１３６は位置１２１〜１２６に対応し、ビーム部分くすなわちはり部分）１ ５１〜１５５はビーム部分１４１〜１４５に対応する。しがしながら、電極は同 じ方向に回転し続け、それ故、例えば、位置１３２に達したとき、電極は再度、 長手方向ビーム軸の回りを１ターン（もしくは１回り）の１／４を移動して、断 面１１８に示す形状を作る。断面１１２及び１１８を比較することによって、各 電極はビーム軸の回りを１ターンの半分移動したことが分かる。

第６図に示される電極パターンは、通常のマスキング技術により作られ得る。ビ ームの側部表面が先細りの電極を含むこれらビーム部分に対しては、シャドウ・ マスキング技術（ａ　ｓｈａｄｏｗ　＋＊ａｓｋｉＢ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）が 用いられ得る。これら部分の１つ、位置１２５及び１２６間のビーム区間に対す る電極の製造方法が第８図に示されている。

この技術では、マスク１５０がビーム１００を覆っておかれ、該マスクは、一定 の幅を有する中央開口１５２と、ビームもしくははりの縁と側面を接する一対の 三角形の切抜き１５４及び１５６とを含んでいる。ビームに対して適切な角度で 金もしくは他の電極形成物質を向けることにより、三角形の切抜き１５４及び１ ５６が、第６図に示された先細りパターンを作る。

本発明の好適な実施例が示されかつ説明されてきたけれども、当業者には変形が 明瞭なことが理解されるであろう０例えば、第５図に示されたひずみ分布を正確 に再現するためには、ビーム内の電界分布の正確な分析、並びにビームの曲げモ ードの正確な分析に基づいて、図示された電極パターンに対して変更が必要であ ろう、というのは、それは、はぼクランプ−クランプの（両端固定の）ビームも しくははりのものにすぎないからである。

また、空気もしくはガス制動を補償するために、図示されたひずみ曲線に対し追 加の力が加えられ得る。ガス制動のモデルにおいて、ビームは、はぼ層流を有し た空気を変位する薄い棒として働く、このことは、制動負荷もしくは荷重が、ビ ームの一端から他端までの位置の関数である速度に対し線形であるということを 意味する。この力は、結晶の回りの空気の質量荷重、及びガス圧力に依存する。

補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の７第１項）平成　２年　１月１７日

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．長手方向軸を有する圧電ビームと、長手方向軸に沿って向けられる力を生成 することにより、長手方向位置対長手方向ひずみの所定の形を有する所定のたわ みモードで前記ビームを振動させるよう、前記ビームに装着される少なくとも２ つの電極と、を備えた変換器において、前記電極間に電圧差が与えられるときに 、前記電極により生成される長手方向の力が、長手方向位置の関数として、長手 方向位置対長手方向ひずみの前記形を近似するように、長手方向位置の関数とし て前記電極の少なくとも１つの形状を変えるようにした変換器。
2. ２．ビームの少なくとも部分が矩形の断面を有し、該部分内で、電気的に接続さ れた２つの第１の電極が、前記ビームの第１の対の対向する表面上のそれぞれに 位置付けられ、電気的に接続される２つの第２の電極が、前記ビームの第２の対 の対向する表面上のそれぞれに位置付られ、電極の少なくとも１つの幅が、前記 部分内の長手方向位置の関数として変わる請求の範囲第１項記載の変換器。
3. ３．前記部分内で、前記第１の電極は一定の幅を有し、前記第２の電極は幅が変 化する請求の範囲第２項記載の変換器。
4. ４．前記形は、前記長手方向ひずみがゼロである少なくとも１つの交差点を含み 、該交差点において、前記第１の電極の一方及び前記第２の電極の一方が前記ビ ームの同じ表面上に位置付けられ、そして前記第１の電極の他方及び前記第２の 電極の他方は前記ビームの反対の表面上に位置付けられる請求の範囲第２項記載 の変換器。
5. ５．前記交差点を包含する前記ビームの区域において、各電極は前記長手方向軸 に対し鋭角を形成する請求の範囲第４項記載の変換器。
6. ６．各電極は、長手方向軸に沿って延びるにつれ、所定の方向に前記ビームを回 り、前記所定の方向は各電極に対し同じである請求の範囲第２項記載の変換器。
7. ７．前記ビームの両端は実質的にクランプされ、前記所定のモードとは、クラン プークランプのビームに対し基本たわみモードであり、前記ビームは第１及び第 ２の端を有し、長手方向位置対長手方向ひずみの前記所定の形は前記ビームの各 端において第１の方向にあり、ビームの中央点において反対方向にあり、そして 前記ビームの中央点及び各端間の交差点において０を通過し、ここに、前記交差 点は、前記ビームを、第１及び第２の端区間、及び中央区間に分割し、各区間内 で少なくとも１つの電極が前記長手方向位置の関数として変わる形状を有する請 求の範囲第１項記載の変換器。
8. ８．各端区間の少なくとも部分内で、電極の一方は一定の幅を有し、他方の電極 は隣接のビーム端からの距離が増加するにつれて幅が減少する請求の範囲第７項 記載の変換器。
9. ９．各交差点において、双方の電極は、前記ビームの同じ表面上に位置付けられ る請求の範囲第７項記載の変換器。
10. １０．各交差点を取り巻く区域において、すべての電極が長手方向軸に対し鋭角 にある請求の範囲第９項記載の変換器。
11. １１．各電極は、該電極が長手方向軸に沿って延びるにつれ、前記ビームを所定 の方向に回り、該所定の方向は双方の電極に対し同じである請求の範囲第７項記 載の変換器。