JPH0688728A - 振動式加速度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 環境温度の変化による性能変化や損傷を防止
する。 【構成】 振子２１と枠体２２とそれらを連結するヒン
ジ２３とを同一材で一体形成し、振動子１５の一端を振
子２１に固定し、他端を振動子１５とほぼ熱膨張係数が
等しい材料によりＴ字状に形成された支持体２６のＴ字
の垂直部の先端に固定する。支持体２６のＴ字の水平部
の両端を振動子１５の一端と対応した位置で枠体２２に
固定し、その両固定端とＴ字の垂直部との間にばね部３
３，３４を形成する。温度が変化しても振動子の長手方
向に熱応力はほとんど発生せず、かつその幅方向におけ
る熱応力はばね部で吸収される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は振動子を検出手段とし
て用いる振動式加速度計に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の振動式加速度計１０の構
成を図６に示す。板状の振子１１の板面方向の外周に枠
体１２が配され、振子１１の一端がヒンジ１３を介して
枠体１２に連結される。これら振子１１、枠体１２及び
ヒンジ１３は例えば板状体から一体に形成され、ヒンジ
１３はその厚さが薄くされて弾性変形可能とされる。ヒ
ンジ１３がその枠体１２との連結面を固定端としてたわ
むことにより、その固定端の幅方向と平行なヒンジ１３
の軸心を回動軸１４として、振子１１はヒンジ１３の回
りに回動可能とされている。

【０００３】長手方向の両端がそれぞれやや幅広とされ
た略短冊状の振動子１５の長手方向の一端１５ａが振子
１１の板面１１ａのほぼ中央部にスペーサ１６を介して
固定され、他端１５ｂが、振子１１が連結された側の枠
体１２に同様にスペーサ１７を介して固定される。振動
子１５はこれらスペーサ１６，１７により振子１１の板
面１１ａと所定量離間され、その板面１１ａとほぼ平行
に配設される。なお、振動子１５は例えば水晶振動子が
用いられ、加速度検出時には励振手段（図示せず）によ
り固有振動数で励振される。

【０００４】次に、加速度の検出方法を説明する。今、
例えば振子１１を支持している枠体１２に、振子１１の
板面１１ａと垂直な方向に図６（Ｂ）に矢印で示したよ
うに加速度αが加わると、振子１１は加速度αと逆方向
に加速度αに比例する大きさの慣性力を受け、回動軸１
４を中心として図中時計方向に回動する。この振子１１
の回動により、振子１１に一端１５ａが固定されている
振動子１５は引張力を受け、振動子１５の固有振動数が
上昇する。従って、固有振動数の変化の大きさ及び方向
を振動数検出手段（図示せず）で検出することにより、
入力加速度αの大きさ及び方向が検知される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、振子１１、
枠体１２及びヒンジ１３の組立体を小型かつ簡易に形成
し、さらにそれらの良好な連結状態を得るためには、前
述したようにそれらを同一材で一体形成するのが好まし
く、その材料としてヒンジ１３の良好なバネ特性及び機
械的強度さらに優れた加工精度が得られる点から石英板
が使用される。

【０００６】しかしながら、石英の熱膨張係数は０．５
ｐｐｍ／℃で、振動子１５に使用される水晶の熱膨張係
数１３．７ｐｐｍ／℃と比較してかなり小さいため、環
境温度が変化すると、これら熱膨張係数の差により振動
子１５と振子１１及び枠体１２との間において熱応力が
発生し、それによって振動子１５が変形、湾曲してその
固有振動数が入力加速度とは無関係に変化したり、さら
には振動子１５が破断したり、振動子１５と振子１１及
び枠体１２との各固定部においてはがれが発生したりし
て加速度計が壊れるという問題が生じていた。

【０００７】この発明の目的は上述した問題を解決し、
環境温度の変化により発生する熱応力を減少させること
により、環境温度が変化しても壊れることなく、かつ安
定した性能を得ることができる振動式加速度計を提供す
ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は振子と、その
振子の外周に配され、その振子の一端とヒンジ結合さ
れ、かつその振子と同一材で一体に形成された枠体と、
振子に一端が固定され、他端が枠体の振子が連結された
側に延長された振動子と、その振動子と熱膨張係数がほ
ぼ等しい材料によりほぼＴ字状に形成され、そのＴ字の
垂直部の先端に上記振動子の他端が固定され、かつその
Ｔ字の水平部の両端が振動子の上記一端と対応した位置
で枠体の両側に固定され、その両固定端と上記垂直部と
の間に上記水平部の延長方向において伸縮可能なばね部
がそれぞれ形成された支持体とを具備するものである。

【０００９】

【作用】上記のように構成されたこの発明では、環境温
度の変化による振動子の長手方向の伸縮量とその方向に
おける支持体の伸縮量とはほぼ等しいため、振動子の長
手方向において熱応力はほとんど発生せず、さらに支持
体と枠体との間に発生する熱応力は支持体のばね部で吸
収されるため、振動子の幅方向に作用する熱応力もほと
んど発生しない。

【００１０】

【実施例】この発明の一実施例を図１及び図２に示す。
矩形板状の振子２１の板面方向の外周に矩形状の枠体２
２が配され、振子２１の一端が弾性変形可能とされたヒ
ンジ２３を介して枠体２２に連結される。これら振子２
１、枠体２２及びヒンジ２３は同一材で一体に形成さ
れ、この例においては材料として石英が使用される。即
ち、石英製の薄板に例えばレーザカットによりコ字状の
穴２４をあけて枠体２２と、枠体２２にそのコ字の開口
部で支持される切片２５とを形成し、化学エッチングに
よりその切片２５の支持端近傍の厚さを支持端に平行に
薄くすることによって、弾性変形するヒンジ２３を形成
する。ヒンジ２３で分割された切片２５の遊端側（支持
端と反対側）の部分が振子２１となり、他方支持端側の
部分は枠体２２の延長部となる。

【００１１】振子２１の板面２１ａのほぼ中央部に略短
冊状の振動子１５の長手方向の一端１５ａがスペーサ１
６を介して接着により固定される。振動子１５は水晶振
動子が使用される。振動子１５は振子２１の板面２１ａ
とほぼ平行とされて、その他端１５ｂが枠体２２の振子
２１が連結された側に位置され、振動子１５に対して枠
体２２と反対側に配設される支持体２６に固定される。

【００１２】支持体２６は振動子１５と熱膨張係数がほ
ぼ等しい材料により、ほぼＴ字状に形成され、そのＴ字
の垂直部の先端が枠体２２の振子２１が連結された側に
位置されて、そのＴ字状の板面２６ａが振子２１及び枠
体２２と対向される。支持体２６の板面２６ａには、そ
のＴ字の垂直部の先端に取付部２７が一体に突出形成さ
れており、この取付部２７に振動子１５の他端１５ｂが
接着固定される。

【００１３】支持体２６の板面２６ａには、さらにその
Ｔ字の水平部の両端に固定部２８ａ，２８ｂがそれぞれ
一体に突出形成され、これら固定部２８ａ，２８ｂが振
動子１５の一端１５ａと対応した位置で、振子２１の両
側に位置する枠体２２にそれぞれ接着固定される。な
お、支持体２６の板面２６ａからの固定部２８ａ，２８
ｂの突出高さは、振子２１の板面２１ａに対する振動子
１５の上面１５ｃの高さより大とされて、振動子１５と
支持体２６との互いの対向面１５ｃと２６ａとは所定量
離間され、この離間量とほぼ等しい高さで取付部２７は
板面２６ａに対して突出形成されている。

【００１４】支持体２６のＴ字の垂直部と両固定部２８
ａ，２８ｂとの間、即ちＴ字の水平部の各半部３１，３
２に水平部の延長方向において伸縮可能とされたばね部
３３，３４がそれぞれ形成される。この実施例では支持
体２６の、Ｔ字の垂直部の延長方向と垂直な水平部の両
側面３５，３６の一方を切り離して振子２１の板面２１
ａと垂直方向に水平部を貫通する矩形状の切欠き３７ａ
と、この切欠き３７ａと薄肉を介して隣接し、側面３
５，３６の他方を切り離して同様に水平部を貫通する矩
形状の切欠き３７ｂとを、それぞれ水平部の各半部３
１，３２に垂直部に対してほぼ対称に形成し、切欠き３
７ａ，３７ｂ間の薄肉部をばね部３３，３４としたもの
である。

【００１５】なお、支持体２６の、振動子１５の一端１
５ａと対向する部分に形成されている切欠き３８は、振
動子１５に励振手段及び振動数検出手段（共に図示せ
ず）からの配線を接続するための逃げである。この実施
例では振動子１５に水晶振動子（熱膨張係数＝１３．７
ｐｐｍ／℃）を用いているため、支持体２６は例えば熱
膨張係数が１３．７ｐｐｍ／℃で水晶と等しい値をもつ
モネル金属により形成される。

【００１６】上記のように構成された振動式加速度計４
０における加速度の検出は、図６に示した従来の振動式
加速度計１０と同様にして行われる。即ち、枠体２２に
図１（Ｂ）に矢印で示す加速度αが加わると、振子２１
は慣性力を受け、ヒンジ２３がたわんで振子２１はヒン
ジ２３の回りに図中時計回り方向に回動する。励振手段
により励振されている振動子１５は振子２１により引張
力を受け、振動子１５の固有振動数が上昇する。従っ
て、固有振動数の変化の大きさ及び方向を振動数検出手
段で検出することにより、入力加速度αの大きさ及び方
向を検知することができる。

【００１７】次に、この振動式加速度計４０における環
境温度の変化の影響について説明する。前述したよう
に、熱膨張係数がほぼ等しい材料からなる振動子１５と
支持体２６とは、それぞれその一端１５ａと固定部２８
ａ，２８ｂとが同一材で一体形成されている振子２１と
枠体２２とに振動子１５の長手方向における同一位置で
固定され、さらにそれぞれ同一方向に延長されてその他
端１５ｂと取付部２７とが互いに固定されている。従っ
て、環境温度が変化しても振動子１５の一端１５ａと支
持体２６の固定部２８ａ，２８ｂとは常に振動子１５の
長手方向において同一位置に位置し、かつ振動子１５の
長手方向の伸縮量とその方向における支持体２６の伸縮
量とはほぼ等しいため、振動子１５の長手方向において
これら振動子１５と支持体２６との間及びそれらと振子
２１あるいは枠体２２との間には熱応力はほとんど発生
しない。

【００１８】一方、振動子１５の長手方向と直交する幅
方向、即ち支持体２６のＴ字の水平部の延長方向におい
ては、枠体２２と支持体２６との間に、これらの熱膨張
係数の差により熱応力が発生する。しかしながら、支持
体２６のＴ字の水平部の各半部３１，３２には、水平部
の延長方向において伸縮可能とされたばね部３３，３４
がそれぞれ形成されているため、これらばね部３３，３
４が熱応力によって変形することによって、熱応力はば
ね部３３，３４に吸収される。

【００１９】図３は一方のばね部３４について、その変
形の一例を示したものであり、例えば環境温度が上昇し
た場合には、支持体２６に、そのＴ字の水平部の延長方
向において圧縮方向に発生する熱応力によって、ばね部
３４は図中、破線で示したように変形する。このように
環境温度の変化により枠体２２と支持体２６との間に発
生する熱応力は、支持体２６のＴ字の水平部の各半部３
１，３２に形成された一対のばね部３３，３４に吸収さ
れて減少するため、支持体２６のＴ字の垂直部はほとん
ど変形せず、つまり振動子１５の幅方向において振動子
１５と支持体２６との間には熱応力はほとんど発生しな
い。

【００２０】なお、ばね部の形状はこの実施例のものに
限らず、例えば図４に示した形状とすることもできる。
この例では支持体２６のＴ字の水平部の各半部３１，３
２に、振子２１の板面２１ａと垂直方向にこれらを貫通
する角穴３９をそれぞれ形成し、この角穴３９の、振動
子１５の長手方向において薄肉とされた両側部をそれぞ
ればね部４１ａ，４１ｂ及び４２ａ，４２ｂとするもの
であり、支持体２６に圧縮方向の熱応力が発生した場合
には、これらは図中、破線で示したように変形する。

【００２１】図５は支持体２６を枠体２２と振動子１５
との間に位置させたこの発明の他の実施例を示したもの
である。この実施例では、振動子１５の一端１５ａは厚
さが大とされたスペーサ４３を介して振子２１の板面２
１ａに接着固定され、他端１５ｂは振動子１５と枠体２
２との間に配設された支持体２６に固定される。支持体
２６はＴ字の垂直部が幅広とされてその垂直部にＴ字の
水平部から凹溝が形成された形状の板面２６ｂを有し、
その板面２６ｂと垂直方向の寸法、つまり支持体２６の
厚さは、固定部２８ａ，２８ｂが形成されたＴ字の水平
部の両端において、振子２１の板面２１ａと振動子１５
の一端１５ａとの間隔、即ちスペーサ４３の厚さとそれ
ぞれ等しくされ、他の部分はスペーサ４３の厚さより小
とされる。振動子１５の他端１５ｂは支持体２６の板面
２６ｂにおけるＴ字の垂直部の先端に接着固定される。

【００２２】なお、振動子１５の一端１５ａが固定され
ているスペーサ４３は支持体２６のＴ字の垂直部に形成
されている凹溝４４内に位置され、振動子１５はその凹
溝４４のほぼ中心上に位置される。図１及び図５に示し
たように、振動子１５の配設位置は枠体２２と支持体２
６との間及び支持体２６に対し枠体２２と反対側のいず
れでもよいが、枠体２２と支持体２６との間に配設した
方が振動子１５をヒンジ２３に近接させることができる
ため、入力加速度に対する良好な検出感度を得ることが
できる。

【００２３】なお、これら実施例ではいずれも検出手段
として１個の振動子１５を用いているが、振子２１の他
方の板面２１ｂ側にも同様に、即ち振子２１の板面２１
ａに平行な中心面に対して対称に振動子１５、スペーサ
１６（４３）及び支持体２６を配設して振動子１５を２
個用い、それら２個の振動子１５の出力を差動出力とし
て取出す構成としてもよい。この構成では検出感度を向
上させることができ、かつ例えば温度変化などによる振
動子１５の固有振動数のずれを打ち消し、そのずれの影
響を受けないようにすることができる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば
振子に長手方向の一端が固定された振動子の他端を振動
子と熱膨張係数がほぼ等しい材料によりほぼＴ字状に形
成された支持体のＴ字の垂直部の先端に固定し、その支
持体のＴ字の水平部の両端を振動子の一端と対応した位
置で、振子の外周に振子と同一材で一体形成された枠体
の両側に固定し、その支持体の両固定端とＴ字の垂直部
との間にＴ字の水平部の延長方向において伸縮可能なば
ね部をそれぞれ形成したことにより、環境温度が変化し
ても振動子の長手方向において熱応力がほとんど発生せ
ず、さらに支持体と枠体との間に発生する熱応力は支持
体のばね部で吸収されて減少するため、振動子の幅方向
においても振動子に作用する熱応力がほとんど発生しな
いようにすることができる。

【００２５】従って、環境温度の変化によって、振動子
が破断したり、あるいはその固定部においてはがれが発
生したりせず、かつ性能が変化することのない振動式加
速度計を得ることできる。なお、図６に示した従来の振
動式加速度計１０において、例えば振子１１、枠体１２
及びヒンジ１３を振動子１５と熱膨張係数が等しい材料
により一体形成できれば、環境温度が変化しても振動子
１５と振子１１及び枠体１２との間に熱応力がほとんど
発生しないようにすることができ、即ち上述したこの発
明の効果と同じ効果を得ることができる。水晶振動子と
熱膨張係数がほぼ等しい材料としては、例えばこの発明
の実施例で支持体の材料として例示したモネル金属やエ
ルジロイがあげられる。

【００２６】しかしながら、モネル金属はバネ特性が悪
くて良好に弾性変形するヒンジを形成することができ
ず、またエルジロイはバネ特性は良好なものの、機械的
強度が不充分でヒンジが破断する恐れがあり、さらに薄
板化により反りが発生し、高精度の形状寸法を得ること
ができないという欠点があり、これら材料の使用は振動
式加速度計の性能及び信頼性を大幅に損なうものとす
る。

【００２７】これに対してこの発明では、支持体を設け
て熱応力の発生を解消するものであるため、振子、枠体
及びヒンジを構成する材料は熱膨張係数にとらわれるこ
となく、それらの形成に最適なものを使用することがで
き、つまり振動式加速度計の各部をそれぞれ最適な材料
で構成できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）はこの発明による振動式加速度計の一実
施例を示す斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＡＡ断面図。

【図２】図１（Ａ）の部分断面斜視図。

【図３】この発明による振動式加速度計の一実施例にお
けるばね部を示す拡大平面図。

【図４】この発明による振動式加速度計におけるばね部
の他の実施例を示す拡大平面図。

【図５】（Ａ）はこの発明による振動式加速度計の他の
実施例を示す斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＡＡ断面図。

【図６】（Ａ）は従来の振動式加速度計を示す斜視図、
（Ｂ）は（Ａ）のＡＡ断面図。

【符号の説明】

１５ 振動子 ２１ 振子 ２２ 枠体 ２３ ヒンジ ２６ 支持体 ３３，３４ ばね部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振子と、 その振子の外周に配され、その振子の一端とヒンジ結合
   され、かつその振子と同一材で一体に形成された枠体
   と、 上記振子に一端が固定され、他端が上記枠体の上記振子
   が連結された側に延長された振動子と、 その振動子と熱膨張係数がほぼ等しい材料によりほぼＴ
   字状に形成され、そのＴ字の垂直部の先端に上記振動子
   の他端が固定され、かつそのＴ字の水平部の両端が振動
   子の上記一端と対応した位置で上記枠体の両側に固定さ
   れ、その両固定端と上記垂直部との間に上記水平部の延
   長方向において伸縮可能なばね部がそれぞれ形成された
   支持体と、を具備する振動式加速度計。