JPH08502821A - 加速度計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 せん断型の加速度計は、１以上の圧電素子（４）によって１以上の地震質量（３）を支持する直立材（２）を有するベース（１）を備える。本発明によれば、地震質量（３）及び圧電素子（４）は、直立材（２）の間に並列されている。地震質量（３）及び圧電素子（４）は、締め付けリング（５）によって直立材（２）の間に締め付けられている。公知の加速度計よりも、結果的に生じる共振周波数は非常に高く、加速度計は温度過渡、磁場に対して低い感度であり、且つ製造が容易である。

Description

【発明の詳細な説明】 加速度計 技術分野 本発明は、せん断型の加速度計であって、１以上の圧電素子及び締め付けリン グあるいは他の固着手段により１以上の地震質量（seismic mass）を支持する直 立材を有するベースを備える加速度計に関する。技術背景 機械的動力計は、機械的力の静的及び動的測定のために、しばしば用いられて いる。測定されるべき力は、１以上の測定素子内の電荷、電圧、電流あるいはイ ンピーダンスに変化を引き起こす。 公知の加速度計において、地震質量の加速度は、加速度に比例する機械的な力 を結果的に生じる。この力は、テンションあるいは感圧型電気抵抗、半導体ある いは圧電素子、電気力装置あるいは機械的力を電気エネルギーに変換する他の装 置等、１以上の測定素子に干渉する。 これらの力は、圧力、テンションあるいは測定素子上への変位を含意すること ができる。また、せん断型の圧電加速度計は、良好な直線性、低い静的及び動的 温度感度、低い磁場感度及び広い周波数範囲等の有利な特性を得るべく構築する ことができることが見出されている。 公知の圧電加速度計は、ベースから延びる直立材を有するベースを備える。圧 電素子及び地震質量は、直立材の回り及び上に配置されている。 圧電加速度計の例としては、 １）圧縮型の加速度計、 ２）「リングシェア」型加速度計、米国特許出願第３，１０４，３３４号参照、 ３）「円錐形リングシェア」型加速度計、英国特許出願第１，５０７，２５１号 参照、 ４）「デルタシェア」型加速度計、デンマーク特許出願第１３１，４０１号参照 、及び ５）「平面シェア」型加速度計、デンマーク特許出願第１３８，７６８号参照を 挙げることができる。 「リングシェア」型の加速度計において、円筒状の直立材を有するベースが用 いられている。該ベースの回りには、円筒状の圧電素子が接着される等して配置 されている。該素子は、該素子の外側円筒状表面に固着された円筒状の地震質量 を備えている。この回転対称的な例は、とりわけ、旋盤加工及び研削により廉価 で且つ正確に加速度計の素子を製造することができ、また、軸に対して垂直な平 面内の加速度に対する加速度計の感度が低い、という成果を有している。しかし ながら、この例は、円筒状の素子間の連結部での十分な強度及び熱的安定性を得 ることが困難であり、さらに、該素子の異なる温度膨張率が測定結果に影響を与 えるかもしれない望ましくない機械的な応力を引き起こす、という欠点を負う。 「平面せん断」型の加速度計は、長方形横断面の角柱状直立材の対向する幅広 側上に固着された２つの平面圧電素子を用いる。該素子は、締め付けリングによ り直立材に固着されている。こうして、異なる温度膨張率の問題は避けられる。 しかしながら、この加速度計は、該角柱の軸に垂直な異なる方向での異なる横断 共振（transverse resonance）を発生する。これは、該共振が円筒状の実施例で の共振よりも低いかもしれないからである。 「デルタシェア」型加速度計は、角柱側部に並べられている複数の計測要素を 具備する角柱を用いる。せん断変形は、計測されるべき力によって引き起こされ る。該角柱は、正多角形の形態の横断面である。該多角形の側部には複数の同じ 圧電素子が並べられており、締め付けリングにより該角柱の表面上に地震質量（ seismic masses）を伴って維持されている。結果的に生じる横断共振（transver seresonance）は、全方向において実質的に同じである。しかしながら、この実 施態様は、すべての寸法が小さい場合には、直立材を製造すること及びベースに 連結させることが困難であるという欠点を有する。 第４の実施態様は、円筒状開口部を有する円筒状直立材が設けられているベー スを備える。円筒状圧電素子は、この開口部内に並べられており、地震質量（se ismic mass）が載置される円筒状開口部を備える。ＰＣＴ／ＳＵ／００２７２参 照。この実施態様は、信号導管が固着されるべき地震質量（seismic mass）まで 、信号 導管を案内することが困難であるという欠点を有する。別の欠点は、円筒状直立 材の内側部への圧電素子の固着並びに圧電素子への地震質量（seismic mass）の 固着である。これらの操作は、導電性接着剤あるいは他のバインダを使用せずに 行うことは困難であるので、加速度計を使用することができる温度範囲は非常に 減少してしまう。発明の簡単な説明 本発明の目的は、これまで知られていた加速度計よりも製造コストが安価で、 且つ従来公知の加速度計よりも良好な仕様を有する加速度計を提供することにあ る。 上記タイプの加速度計は、地震質量（seismic mass(es)）及び圧電素子が直立 材の間に並べられており、非常に高い共振振動数を得ることができる本発明によ りなされる。該地震質量（seismic masses）及び圧電素子は、直立材の間に載置 されており、締め付けリングによって直立材の間に締め付けられいる。結果とし て、加速度計は、公知の加速度計よりも温度過渡に対する感度が低く、さらに、 公知の加速度計に比較して製造が容易で且つ製造コストを減少することができる 大量生産により良好に適する。 直立材は、ベース内に直接形成されていても、あるいはネジ、溶接、はんだ付 け等によって連結されていてもよい。複数の圧電素子は、直立材の内側部の間に 並べられている。１以上の地震質量（seismic masses）は、これらの圧電素子の 間に並べられている。 圧電素子及び地震質量の載置を容易にするために、直立材間のスペースがわず かに楔形状であってもよい。 圧電素子は、垂直及び／又は水平偏極方向を有して並べられ、こうして同じ加 速度計が互いに垂直な幾つかの方向での運動を記録することができる。 要素を直立材の間に締め付けるために、締め付けリングを用いてもよい。該締 め付けリングは、直立材の外側上に別の態様にて、プレスされ、縮小されあるい は固着されている。この態様において、外部電磁場からのシールドが同時に与え られる。あるいは要素は、直立材、圧電素子及び地震質量（seismic masses）を 貫通するネジ連結により、又は接着により固着されてもよい。 上記部品に加えて、加速度計は、円筒状ハウジングあるいはカバー及び電気的 な連結用のアウトレットを備えていてもよい。 単純化された実施態様によれば、加速度計は、頂部で吊り下げられていてもよ く、こうしてハウジングは締め付けリングとして形成される。 本発明による加速度計は、公知の加速度計に比較して幾つかの利点を提供する 。 例えば、 １．より低い、静的温度感度 ２．より低い動的温度感度（温度ショックに対する感度） ３．より低い磁場感度 ４．改良された直線性 ５．大きな周波数範囲 ６．より高い横断共振周波数、及び ７．より低い製造コスト。図面の簡単な説明 本発明は、添付図面を参照することで、以下により詳細に記載される。 図１は、本発明による加速度計を示す。 図２は、結合された電気的設備と図１の加速度計との拡大図である。 図３は、カバーとして形状化された締め付けリングを具備する加速度計の第２ の実施例の拡大図である。 図４は、締め付けリングとして作用するハウジングを具備する頂部で吊り下げ られた加速度計の第３の実施例の拡大図である。 図５は、異なる方向に感度を有する幾つかの加速度計の配列を示す。 図６は、３軸加速度計のコンパクトな実施例を示す。 図７〜図１１は、加速度計の別の実施例を示す。発明を実施するためのベストモード 図１及び図２の加速度計は、２つの直立材２を具備する実質的に円筒状のベー スを備える。該直立材は、円形セグメント形態の横断面であり、平面及び実質的 に平行な内側部を有する。直立材２は、ベース１と一体的に形成されていてもよ い。圧電素子４は、直立材２の内側部上に置かれており、長方形横断面の１以上 の地震質量（seismic masses）３は、圧電素子４の間に置かれている。要素は、 直立材２の間に締め付けられており、直立材２は、直立材２を取り囲む締め付け リング５によって相互連結されている。締め付けリング５は、直立材２と実質的 に同じ高さであるが、任意に、より高くすることもできる。さらに、締め付けリ ング５は、カバーとして形状化されていてもよく、こうして圧電素子４及び地震 質量３を電磁場に対して保護することができる。締め付けリング５は、六角形外 面を有するハウジング６により取り囲まれている。ハウジング６は、ベース１に 固着されている。ハウジング６は、同軸アウトレット８を備えており、該同軸ア ウトレットのインナーライン９は地震質量３と連通する。カバー７は、ハウジン グ６の頂部に置かれている。加速度計は、増幅器１１及び読み出し又は書き込み 装置１２を含む計測設備１０と電気的に連結されている。 上記実施例は、頂部あるいは側部のいずれからも圧電素子４及び地震質量を直 立材２の間に挿入することが可能であるので、自動載置に適する。直立材２の内 側部をわずかに楔形状とすることにより、載置工程を容易にすることができる。 楔角度は、例えば１〜３°とすることができる。 さらに、載置工程の間、圧電素子はせん断応力を受けないので、この加速度計 は有利である。かようなせん断応力は、加速度計が規格を満足しないということ を暗示するであろう。 上記部品は、公知の溶接方法により組み立て可能である。結果として、シーリ ング手段を用いずに、密封したタイトな加速度計が得られる。 図３は、図２の実施例と同じ特性を有する実施例を示す。しかしながら、図３ の実施例は、単純化されている。該実施例は、セグメント横断面の２つの直立材 ２を有する六角形ベース１を備える。圧電素子４は、直立材２の内側に置かれて おり、長方形横断面の地震質量３は該圧電素子４の間に置かれている。要素は、 カバーとして形成された締め付けリング５によって相互連結されている直立材２ の間に締め付けられている。六角形ベース１は、同軸ケーブルを通して電気的な 設備に至る同軸アウトレット６を備えている。同軸アウトレット６は、地震質量 ３に連結されたインナーライン７を備える。 図４は、締め付けリングを形成する円筒状ハウジング５を具備する六角形ベー ス１を備える実施例を示す。該円筒状ハウジング５は、カバープレート６の一部 を形成する直立材２の間に置かれた圧電素子４及ひ地震質量３を相互連結する。 前述の実施例と同様に、直立材２は、セグメント横断面である。六角形ベース１ は、電気的な設備を結合するための同軸アウトレットを具備することもできる。 同軸アウトレットのインナーライン８は、地震質量３に連結されている。この実 施例は、特に低いベース曲げ感度を有する。 図３及び図４の両者の実施例は、さらに単純化されている。結果として、コス トはさらに減少する。 図５は、互いに垂直な３方向における振動を測定するため、３つの加速度計の 配列を示す。各加速度計は、ベース１及び２つの直立材２を備える。複数の圧電 素子４及び地震質量３は、直立材２の間に置かれている。これらの手段は、直立 材２の間に締め付けられており、直立材２は、カバーとして形成された締め付け リング５によって囲まれている。ベース１は、地震質量３に連結されたアウトレ ットライン８を備える同軸アウトレット６を具備している。結合された電気設備 は、同軸アウトレット６に連結されている。各加速度計は、ブロック７のボア内 に載置されている。ボアは、ブロック７の同じ側内に設けられてもよく、こうし て同じ側上に同軸アウトレット６を置くことが可能となる。これは、実用上の大 きな重用点となる。Ｘ、Ｙ及びＺ方向での感度は、それぞれ、直立材２の長手方 向軸に垂直な偏極方向で圧電素子４を載置し、続いてブロック７内に載置されて いる間に、加速度計の一つを次の加速度計に関して９０゜回転させることにより 得られる。第３の加速度計において、圧電素子４は、直立方向２の長手方向軸に 平行な偏極方向で、載置される。図示された実施例は、ハウジング７なしに用い ることもできる。 図６は、３軸加速度計のよりコンパクトな実施例を示す。この加速度計は、地 震質量３、該地震質量の回りに並べられていて、互いに垂直な３つの方向に偏極 方向を有する３つの圧電素子４、並びにダミーユニット９を備える。これらの手 段は、ベース１から延びている４つの直立材２の間に置かれる。圧電素子４及び 多極アウトレット６の間の電気連結部は、地震質量３から隔離されていて該地震 質量及び圧電素子４の間に並べられている接触プレート８を備える。要素は、外 側電磁場に対するカバーシールディングとして任意に形成された締め付けリング ５に囲まれている直立材２の間に締め付けられている。３軸加速度計をブロック ７のボアに任意に置くこともできる。該加速度計は、結合された電気測定設備の 連結用に多極アウトレット６を具備することもできる。 図７は、図２の加速度計と実質的に同じ構造の加速度計を示す。図２の締め付 けリングは、直立材を貫通して延びているボルトによって置き換えられており、 対向する側面には直立材を圧縮するためのナット５ａが設けられている。一つの 直立材の開口部にネジ溝を設けることで、ナット５ａを設けることを省略するこ ともできる。 図８は、図２の加速度計と実質的に同じ構造の加速度計を示す。図２の締め付 けリングは、直立材２の間に圧電素子４及び地震質量３を保持する接着剤によっ て置き換えられている。 図９及び図１０は、それぞれ図１及び図２の加速度計と実質的に同じ構造の追 加の加速度計の組み立てられた状態及び分解された状態を示す。地震質量３は、 貫通ボアを備えている。カバー７及び円筒状ベース１もまた、貫通穴を備えてい る。この加速度計は、貫通ボルト１０によって、計測サイト上に載置される。結 果として、所望の角度位置にて、同軸アウトレット８を方向づけることが可能と なる。 図１１もまた図２の加速度計と実質的に同じ構造の加速度計を示す。地震質量 ３は、地震質量３と一体的に形成されているかあるいは別の態様にて地震質量３ に固着されているトッププレート３Ａを備えている。トッププレート３Ａは、地 震質量の重さを増加させる。結果として、加速度計の感度は、図１０に示された 物理的な制限内で増加される。さらに、トッププレート３Ａは、例えば接着剤に より、プレアンプに固着するために用いることもできる。 説明された実施例は、直線運動の加速度を計測するために適しており、圧電素 子は、直立材の長手方向軸に平行な偏極方向を伴ってあるいは互いに垂直な３方 向内に載置される。 加速度計は、本体に固着され、該本体の加速度が測定されるべきものであり、 該加速度は本体の運動に従う。この結果として、慣性力は、直立材２、圧電素子 及び地震質量の間で発生し、該慣性力はベースの質量及び加速度に比例する。 加速度計の軸方向での加速度により発生した力は、圧電素子のせん断変形を引 き起こす。こうして、加速度に比例した電荷が発生する。この電荷は、増幅器１ １及び例えば書き出し装置１２の形態であるディスプレイ等の結合された電気設 備により計測される。 表面が圧電素子の偏極方向と完全には平行でない場合あるいは圧電素子内の偏 極方向が軸方向に完全には平行でない場合に、圧電素子の偏極方向に垂直な加速 度により引き起こされた力は、電荷を発生するのみである。 公知の加速度計と比較すると、本発明の加速度計は、より低い静的及び動的温 度感度、より低い磁場感度、改良された直線性、より大きな周波数範囲、及びよ り高い横断共振周波数を所有する。加えて、製造コストはより低い。 上述のことは、ＡＮＳＩ（American National Standards Institute Inc.）no rm S.2.11-1967：（衝撃及び振動を測定するために用いられる電気トランスデュ ーサのための較正及びテストのセクション）により提供された測定結果と比較す る下記表により支持される。パラメータ、計測方法、及び用いられるべき計測テ ーブルは指示されているものである。 下記表は、３つの異なる加速度計の計測結果の比較であり、他の公知の加速度 計と比較した場合の、上述された加速度計の改良された特性が示される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，Ｈ Ｕ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＧ ，ＭＮ，ＭＷ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ， ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＫ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．１以上の圧電素子及び締め付けリングあるいは他の固着手段によって１以上 の地震質量を支持する直立材を有するベースを備えているせん断型の加速度計で あって、該地震質量（３）及び該圧電素子（４）が該直立材（２）の間に配列さ れていることを特徴とする加速度計。 ２．請求項１の加速度計であって、前記直立材（２）の内側部が実施的に平行で あることを特徴とする加速度計。 ３．請求項１または２の加速度計であって、前記地震質量（３）の横断面形状が 平行な切断セグメントを有する長方形あるいは円形として形成されていることを 特徴とする加速度計。 ４．請求項１〜３のいずれかの加速度計であって、前記直立材（２）の内側部の 間のスペースが約１〜３゜の楔角度であることを特徴とする加速度計。 ５．先行する請求項のいずれかの加速度計であって、前記直立材（３）が前記ベ ース（１）と一体的に形成されていることを特徴とする加速度計。 ６．先行する請求項のいずれかの加速度計であって、前記圧電素子（４）が、前 記直立材（２）の軸に対して平行及び／または垂直な偏極方向で配列されている ことを特徴とする加速度計。 ７．先行する請求項のいずれかの加速度計であって、前記圧電素子（４）及び前 記地震質量（３）が、前記直立材（２）の軸方向に向けられた圧力によって、前 記直立材（２）の内側部の間に維持されていることを特徴とする加速度計。 ８．請求項７の加速度計であって、前記圧力が締め付けリング（５）によって与 えられることを特徴とする加速度計。 ９．請求項８の加速度計であって、前記締め付けリングがカバーとして形状つけ られていることを特徴とする加速計。 １０．請求項８の加速度計であって、前記直立材の軸方向に向けられた圧力が、 直立材（２）、圧電素子（４）及び地震質量（３）を貫通して延びているボルト によって与えられ、該ボルトはナット（６）を具備しているかあるいは直立材（ ２）内のネジ溝内に固着されていることを特徴とする加速度計。 １１．請求項８の加速度計であって、前記圧電素子（４）及び前記地震質量（３ ） は、接着剤によって直立材（２）の間に維持されていることを特徴とする加速度 計。 １２．請求項８の加速度計であって、前記ベースが、下向きの直立材用の締め付 けリング及びカバープレートとして作用する上向き円筒状ハウジングを具備し、 且つ前記圧電素子及び地震質量が該直立材の間に配列されていることを特徴とす る加速度計。 １３．先行する請求項のいずれかの加速度計であって、前記地震質量（３）が加 速度計の軸方向内に貫通開口部を具備していることを特徴とする加速度計。 １４．請求項１３の加速度計であって、前記地震質量（３）がトッププレート（ ３ａ）を備え、該トッププレートは該地震質量（３）に一体的に形成されている かあるいは固着されていることを特徴とする加速度計。