JPS61502636A - 振動ビ−ム加速度計 - 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】 振動ビーム加速度計 技術分野 この発明は加速度計、特に振子の動きが力感知素子により抑制される振動ビーム 加速度計に関するもので従来の加速度計の１つの型においては、加速度感知軸心 に沿った動きを除いた振子の動きを抑制して弾性ヒンジによって支持体から振子 が吊下げられる。力感知素子は振子と支持体の間の感知軸心に沿って連結され、 力感知素子は弾性ヒンジと反対の振子の端にて振子に取付けられる。感知軸心に 沿った加速度は力感知素子の圧縮力または引張力にもとづく。この力は加速度の 方向と大きさを示す電気信号に変えられる。

１つめ周知の型の力感知素子は、ビーム面上の電極装置や電極装置に接続された 振動回路によって特定の正常状態にて振動するよう作用される１つ以上の石英ビ ームを有する。ビームの正常状態振動数は長手方向ビーム軸心に沿った作用され る圧縮力または引張力の変化に応答して変化する。単一ビーム力感知米子ｌこて 、１つの最適な振動状態は、加速度感知軸心に垂直で且つ長手方向軸心すなわち 弾性ヒンジに連結された端部と力感知素子に連結された端部の間に延びる振子軸 心に垂直な方向にビームが並列して振動する弾性状態である。二重ビーム力感知 素子にては、好適状態の振動は、ビームが互に１８０°位相がずれていて、単一 ビーム素子にて説明した方向にビームが並列して振動する弾性状態である。

位相外れ振動状態にて二重ビーム力感知素子を用いる利点の１つは、ビームの反 力がなくなり、従って正味反力が振子に伝達されないことである。しかし、いず れの与えられた二重ビーム形状にては、励起できる多数の他の正常状態がある。

例えば、ビームは位相外れ以外に同相の並列の弾性振動を受けるようできる。

所要される位相外れ振動状態は適宜な電極配置によって一般に選択できる。しか し、一般の二重ビーム加速度計では、計器の作動範囲内にある中央位相外れ正常 状態振動数に十分近接した振動数にて同相正常状態がある。同相振動状態を強調 するようなす要因は加速度計出力に誤差を従って導入できる。

振動ビーム加速度計の出力が一定振動数または過度な一定の狭い振動数範囲にて 大きな非直線的な予定しない具合に行われることを見出すのが異常でない。一定 振動数におけるこの様な非直線作動の現象は活動下降として言及される。過去Ｉ こおいては、活動下降の問題は活動下降と加速度計の作動範囲との間の重なりを 避けるよう振子の質量と他の要因の調節によって努力で一般に避けられる。し力 １し、この様な要因の調節は他の設計基準としばしば対立する。例えば、振子質 量は、振動入力にもとづく見せ掛けの共鳴を避けるよう所要の寸法要因と加速度 範囲にもとづいて調節されねばならない。他の設計基準と対立しない活動降下を 除去する技術のための長い感受力の必要が従っである。

発明の要約 この発明は、弾性ヒンジから離れた振子の隅部すなわち力感知素子が取付けられ る振子の隅部、の質量の調節によって加速度計の作動範囲外の振動数にて多くの 活動降下が変換できることの発見にもとづいている。

この様な調節は、ビームに対向するときの振子の振動状態と、特に振子が長手方 向軸心まわりｆこ揺動するねじり振動状態との振動数を変えるために有効である ことが信じられる。従って、この発明は、他の設計基準と矛盾することなく活動 降下を避けるよう設計者のための便宜な装置を提供するものである。

１つの形態にて、この発明は、振子と力変換器を有する加速度計を提供する。振 子は第１，２端部と、第１゜２端部間に延びる第１軸心とを有している。力変換 器は振動体と、振子の第２端部と支持体の間を連結した二重ビーム力感知素子と を有する。振子への力感知素子の連結の点は第１軸Ｉら：に沿って位置し、力変 換器はビーム振動数の子定された作動範囲における振動に適合する。振子の第２ 端部は、振子振動状態の振動数が作動範囲外側に位置するように形成される。推 奨実施例では、第２端部の外縁は、第１軸心まわりの振子のねじり振動の正常状 態振動数が作動範囲の外に位置するように制御される。

別の形態にては、この発明は第１，２端部を有する振子を備えた加速度計を提供 する。振子は第１，２端部間を延びる第１軸心に対して対称で、第１軸心に垂直 な第２軸心に沿って支持体に第１端部にて枢着されてＧ）る。第２軸心は振子の 幅寸法を制限する。振子の幅は振子の両端中間の一点から第２端部に減少する。

また、加速度計は、振動体と、振子の第２端部と支持体間に連結された二重ビー ム力感知素子とを有する力変換器を備えている。

図面の簡単な説明 第１図は通常は加速度計振子と力感知素子の斜視六第２図は位相外れビーム振動 を示す概略図、第６図は加速度と振動の変化を示すグラフ、第４図はこの発明に 従った加速度計振子と関連した力感知素子の斜視図、 第５図はこの発明に従った振子の第２の実施例の平面図、 第６図はこの発明に従った振子の第６の実施例の平面図、 第７図は同相ビーム振動を示す概要図 第８図は振子ねじり振動を受ける振子と力感知素子の端面図である。

詳細な説明 第１図は、感知軸心Ｓに沿った加速度を測定するようできる通常の１つの型の振 動ビーム加速度計の振子１０と力感知素子２０を示している。振子１０は、長さ Ｌと幅Ｗと厚さＴと中央縦軸心Ｐを有した矩形の中実本体から成っている。厚さ 方向が感知軸心と一致している。振子１０の一端部１２は弾性″ヒンジ１６によ り支持体１４に連結している。振子１０の他端部１８は力感知素子２０に連結さ れている。弾性ヒンジ１６は、軸心Ｐに垂直な弾性軸心Ｆまわりの枢動を除いて 振子１０の動きを抑制する。弾性軸心Ｆまわりの小さな動きは加速度計感知軸心 Ｓに沿った振子の動きに対応する。しかし、感知軸心Ｓに沿った動きは力感知素 子２０により抑制される。第１図に概略示された力感知素子２０は、ビーム２６ ．２８により連結された第１端部２２と第２端部２４とを有する。力感知素子２ ０の端部２２は接着剤や他の適宜な手段によって連結され、力感知素子２０の端 部２４は固定された支持体に連結されている。力感知素子２０は、ビーム２６． ２８が感知軸心Ｓに沿って位置するように整列され且つ軸心Ｐに対して振子の幅 方向に対称である。従って、振子１０は感知軸心に沿った加速度に応答してビー ム２６゜２８に圧縮力や引張力を作用する。

力感知素子２０はビーム２６．２８の面上に配置された電極（図示しない）と、 電極に連結された振動五［有］振器とを有する。電極と励振器は第２図に示され る位相外れの弾性振動状態を生じるよう好適にできる。この状態にて、ビーム２ ６．２８は力感知素子の平面、すなわち軸心Ｐに垂直な平面内にて振動し、この 振動はビーム２６．２８が常に１８０°互に位相がずれるように、なっている。

従って、例えば、ビーム２６は第２図の鎖線に示される位置３０に動かされると きに、ビーム２８は位置３２に動力）され、位置３０．３２は各ビームの非振動 静止位置から反対方向に等しく位置される。

第２図の位置３０．３２により示される振動の大きさは図示のために誇張されて いる。

第３図は、振動ビーム加速度計の設計にしばしば出会う問題を形成するグラフを 示している。第３図にて、ビーム振動数ｆ１〜ｆ２に対応する加速度範囲−Ｇ〜 十Ｇにて作動するよう設計されていることがみられる。曲線４０は、振動数ｆＩ ＋ｆ２により決められる作動範囲４４内にある周波数ｆＸ’　ｒ　ｆＸまわりに 中心位置決めされた活動降下４２を含んでいる。振動数ｆＸＩ附近にて、ビーム 振動数は加速度の変化に関連した大きな非直線状態にて変化する。活動降下４２ 近くの加速度による振動数の所要の変化が点線４６で示される。この発明に従っ て、活動降下４２の様な活動降下が越る振動数が振子の質量分布の調節により作 動範囲４４外にて容易に変化できることがみられる。特に、弾性ヒンジ力）ら隔 った振子の隅部、すなわち力感知素子２０が取付けられる端部１８（第１図）の 隅部、に質量を添加または削減することによって活動降下４２が振動数に容易に 変換できることがみられる。

第４図は、この発明に従って構成された振子４８を示す。振子４８は第１図の振 子１０と同じで、弾性軸心Ｆまわりに作動すべく支持体５０に取付けられた端部 ４９と、二重ビーム力感知素子５６が取付けられる端部５２を有している。しか し、振子４Ｂは、角度の付いた横方向の面５８．６０と、側部６２と端部５２の 間に延びる面５８と、端部５２と側部６４の間に延びる面６０とを有する振子を 設けるよう端部５２における隅部５４，５６を除去することによって振子１０に 対して変形されている。隅部５４，５６の除去による質量切取り量は作動範囲４ ４外に振動数ｆＸを動かすよう必要とされる変化にもとづいている。一般に、隅 部にて除去される質量が大きいと、振動数ｆ）（の対応する増加が大きい。端部 ５２が端部４９附近の振子４８の幅のはゾ半分になるように隅部の質量が除去さ れるときに、活動降下が約１０キロヘルツ振動数を変換することがみられる。１ ０キロヘルツは多くの加速度計の全作動範囲より大きいので、第４図の除去され る隅部５４゜５６の寸法は多くの利用に必要とされる最大寸法を示す。

もし振動数ｆｘが作動範囲４４の上限ｆ２よりも作動範囲４４の下限で１に接近 すれば、振動数ｆＸの減少によって作動範囲４４外に活動降下を動かすよう一層 便宜にできる。この様な振動数減少は弾性軸心から離れた振子の隅部に質量を附 加して達成できる。この様な振子が第５図の振子７０により示される。振子７０ は感知素子７２を押圧するよう端部７４にて堰付けられ、弾性ヒンジ７８により 支持体７６に端部８０にて取付けられる。振子７０の端部７４は、端部７４の隅 部にて振子７０の質量を増大するよう作用する突部８２を有する。多くの加速度 計にて、幅や厚さ寸法におけるよりも第５図に示される様ζζ長手方向振子寸法 に沿って突部８２，８４を形成するように包装の制限が一層便宜にされる。しか し、幅や厚さ寸法の突部が活動降下の周波数を低下するよう有効である。

この発明の全ての実施例にて、振子の全有効質量を変えることなく振子外側隅部 に質量を加減するよう多くの場合に所要できる。この結果は活動降下を除去すべ く損失または得られる質量を補償するよう振子の厚さを変えることによって容易 ζこ達成できる。一般に、質量が外側隅部に加減されるときに、全振子質量が変 化し、振子の重心が弾性軸心に向って移ることを考慮するよう所要される。

第４図を参照して、面５８．６０は端部５２に対して約４５°の角度をもって好 適に方向付けられる。面５８゜６０の４５°の方向付けは全振子質量の与えられ た変化における隅部の質量損失の量を最大にする。し７５ニジ、隅部の質量変化 が加速度計の作動範囲からの活動降下の除去を生じることを常にもたらす他の振 子形状を使用できる。隅部質量の大きな減少が所要される場合に、面５８．６０ の４５°の方向維持は力感知素子５３を取付ける面５２が小さ過ぎるようなるこ とがある。この様な状況にては、第６図の振子９０により示される振子形状を用 いるのが好適である。振子９・０は実質的に台形で、側面９２，９４が端面９６ に向って連続的にテーパになっている。この実施例にて、端面９６は力感知素子 ９８の幅にもとづいて選択できる。

この発明の技術が、振子が長手方向軸心まわりのねじり振動を受ける通常状態の 振動を変えてこのねじり振動が同相状態のビーム振動を駆動できるために活動降 下の振動数を変えるよう有効なことか信じられる。

第７図は同相状態のビーム振動を示す。第７図に示される状態にて、ビーム２６ ．２Ｂは点線１００，１０２により示される様に同一方向に静止方向から常に変 えられる。多くの力感知素子において、第７図に示される様に計器の意図した作 動範囲内の振動数にて同相状態が在る。力感知素子を同相状態にて振動を生じる ようなす要因は多くの場合に活動降下にもとづく非直線作動を従って適当に生じ るようなす。この様な要因の１つが第８図に示される。第８図は中央振子長手方 向軸心Ｐまわりの第１図の振子１０のねじり状態の振動を示し、振子１０の端部 １８のねじり振動が点線で位置１１により示される。この状態にて、振動１ｏの 端部１２は端部１８に対して、弾性ヒンジ１６により作用される抑制御こもとづ いて小さな振動振幅に一般によって軸心Ｐまわりに位相が外れて振動する。多く の振子にて、自然振動数のこの様なねじり振動が加速度計の作動範囲にて生じる ことが見出された。第８図に示される様に、この様なねじり振動によって軸心Ｐ まわりに力感知素子の端子２２を回転するようなし、この様なねじり作動が第７ 図に示される同相のビーム振動状態を駆動するようなすことが確信される。従っ て、所要の位相外れのビーム振動数が第８図に示される振子ねじり振動状態の振 動数に到達するときはいつも、非直線振動変化と上述した活動降下ｌこもとづい て、所要のビーム振動状態の外にエネルギが変換される。

この発明の推奨実施例が図示説明されたが、当業者には変更が明らかになること が理解されるべきである。

従って、この発明は図示説明した特別な実施例に制限されるものでなく、この発 明の真の範囲と精神が以下の請求の範囲を参照して決められるべきである。

−”ｙ−８−

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. １．第１，２端部と、第１，２端部間に延びる第１軸心とを有し第１軸心に垂直 な第２軸心に沿って支持体に第１端部にてヒンジ連結された振子、 振動子と、振子の第２端部および支持体間に連結されて振子への連結点が第１軸 心に沿って位置し予定された作動範囲以上の振動に適合できる二重ビーム力感知 素子とを有する力変換器、 から成り、振子の第２端部が、作動範囲外に位置するよう振子振動状態の振動数 を生じるべく形成された加速度計。
2. ２．振子が第１軸心に対して対称で、第２軸心に平行な幅寸法を有し、幅寸法に 沿った第２端部の外縁の振子の質量の制御により作動範囲外に位置するよう振子 振動状態の振動数を生じるよう振子が形成された請求の範囲第１項記載の加速度 計。
3. ３．振子の第２端部は、作動範囲外に位置するよう第１軸心まわりに振子のねじ り振動の正常状態振動数を生じるよう形成された請求の範囲第２項記載の加速度 計。
4. ４．第１端部に隣接した振子の幅より小さな幅の第２端部の形成によって作動範 囲外に位置するよう正常状態振動数が生じられる請求の範囲第３項記載の加速度 計。
5. ５．振子の幅が振子両端中間の１点から第２端部に減少している請求の範囲第４ 項記載の加速度計。
6. ６．中間点から第２端部への幅の減少が直線的である請求の範囲第５項記載の加 速度計。
7. ７．中間点と第２端部間の振子の減少する幅部分が第１軸心に対して約４５°の 角形を形成している請求の範囲第６項記載の加速度計。
8. ８．第２端部の幅が第１端部の幅の約半分である請求の範囲第７項記載の加速度 計。
9. ９．第２端部の幅が、第２端部に取付けられた力感知素子部分の幅にほゞ等しい 請求の範囲第４項記載の加速度計。
10. １０．第１，２端部を有し、第１，２端部間に延びる第１軸心に対して対称で、 第１軸心に垂直に第２軸心に沿って支持体に第１端部にてヒンジ連結され、第２ 軸心に平行な幅寸法を有し、第１，２両端部中間の一点から第２端部に幅が減少 する振子、 振動子と、振子の第２端部と支持体の間に連結された二重ビーム力感知素子とを 有し振子への連結点が第１軸心に沿って位置する力変換器、 から成る加速度計。
11. １１．中間点から第２端部への幅の減少が直線的である請求の範囲第１０項記載 の加速度計。
12. １２．中間点と第２端部間の振子の減少する幅部分が第１軸心に対して約４５° の角度を形成する請求の範囲第１０項記載の加速度計。
13. １３．第２端部の幅が第１端部の幅のほゞ半分である請求の範囲第１２項記載の 加速度計。
14. １４．第２端部の幅が第２端部に取付けられた力感知素子部分の幅とほゞ等しい 請求の範囲第１０項記載の加速度計。
15. １５．振子および力変換器を備え、振子は第１，２端部と、第１，２端部間に延 びる第１軸心とを有し第１軸心に垂直な第２軸心に沿って支持体に第１端部にて ヒンジ連結され、力変換器は振動体と、振子の第２端部と支持体間に連結された 二重ビーム力感知素子とを有し、振子への力感知素子の連結点が第１軸心に沿っ て位置し、力変換器かビーム振動数の予定の作動範囲における振動に適合できる 加速度計をつくる方法において、作動範囲外に位置するように振子振動状態の振 動数を生じるように振子の第２端部の外縁にて質量を調節することから成る加速 度計をつくる方法。