JPS62191727A - 振動ビ−ム形力変換器 - 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〕 本発明はビーム状または弦状の振動部材に関し、特に振
動部材の振動をそのマウントから分離して部材とマウン
トとの間の結合をその振動周波数範囲にわたり最少とす
るためのアイソレータ装置に関する。

〔従来の技術〕

振動ビームまたは振動弦加速度計あるいは圧力変換器の
ような装置においては振動部材は加速力、減速力あるい
は圧力がその装置の端部に加えられてその軸方向ストレ
スを変化させるように支持される。軸方向にストレスの
ない状態ではビームはその寸法、その材料、温度および
その動作媒体により主としてきまる成る自然振動周波数
を有する。

ビームに加えられる軸方向のストレスに応じてこの自然
振動周波数は変化し、これは軸方向張力により増加し圧
縮により減少する。同様に振動弦を用いる装置では弦は
測定しようとする圧縮力より大きい予定の量だけ予めス
トレスがかけられる。

そのような状態でビームまたは弦は自然共振周波数を有
する。装置の端部に加えられる軸方向圧縮力または張力
は加えられた力を示す変化をこの自然振動周波数にもた
らす。

勿論変換器の振動部材の振動周波数は正確な測定を可能
にするようにそれに加えられた軸方向ストレスを正しく
表わすものであることが望ましい。

しかしながら、この種の従来の力変換器では振動部材が
装着されねばならない必要条件によりそのようにはなら
ない。振動部材の装着は部材からマウントへのエネルギ
ーの損失を生じさせ、力変換器を全体として効率の低い
ものにする。このエネルギー損失により、変換器のＱす
なわち力変換器の振動系に蓄積されるエネルギーの損失
エネルギーに対する比が減少する。

いくつかの理由によりＱを高く保つことが望ましい。ま
ず、力変換器を動作させるには振動部材が振動しなけれ
ばならない。一般にこれには電気エネルギーが必要であ
る。動作中に振動系内で失われる振動エネルギーが多す
ぎるようならば一定の動作レベルを維持するには比較的
高レベルの電気エネルギーが必要である。しかしながら
そのような高いエネルギーレベルは変換器自体あるいは
その近くの他の装置に有害な効果を与える。更に高レベ
ルの電気エネルギーが必要な場合には電気出力信号内の
振動あるいは誤差により振動部材に大きな周波数のいず
れが生じ、それにより変換器の精度が低下する。第二に
、電気エネルギー源か瞬間的に切断する場合にこの中断
時間について振動エネルギーを維持することは変換器に
は可能であるから、振動部材の振動が急速に減衰し、そ
れ放電力が回復したときに不正確な周波数の読みが生じ
る。

１個の振動部材を用いる共振器では振動部材はマウント
に直接結合する。その結果、共振部材の周波数は振動部
材を装着する部材の構造的共振により影響を受ける。こ
の結果は更にこの部材の動作を劣化させる。これはその
動作周波数範囲を制限しその周波数安定性を劣化させる
。更に、この共振部材はハウジングに加えられるその共
振周波数の任意の周波数の外部振動に感応してしまう。

そしてその周波数の温度係数はハウジング自体の温度係
数により影響される。

上記の欠点を解決するために提案されている方法の一つ
は２重振動部材構造であり、これら部材が理論的にはプ
ッシュプル型の振動を行う。同一寸法のビームまたは弦
である２つの部材を構成する試みがなされており、これ
ら部材は互いに平行に装着される。理想的には振動はこ
れら部材が互いに同時に近づく方向または離れる方向に
動きそれによりエンド効果を打消すようであればよい。

しかしながら、実際には軸方向のストレス測定装置とし
ての２重共振器は外部的な軸方向負荷が加わるとき動作
が難かしくなる。これら２つの部材の負荷が等しくなけ
れば外部負荷による周波数シフトが等しくなる。そのよ
うな状態では１個の充分限定された共振周波数は存在せ
ず、夫々に１つの２つの周波数が得られる。２つの共振
ピークの存在は周波数−負荷特性を変化させそして場合
によっては振動部材の電子駆動回路の利得が１より小さ
くなってしまう。これにより共振器のループ回路は部材
の振動を維持出来なくなる。更に２重部材のもつ有利な
打消効果は２個の部材の寸法を厳密に整合させうるかど
うかにかかっている。整合が非常に密でなければ打消効
果は低下する。

従って理想状態では振動部材の振動とその振動の変化は
後者がそれに加わる軸方向ストレスに直接関係するよう
にそのマウントによっては全体として影響されるべきで
ない。そのような場合には支持体からの干渉を受けない
正確で信頼しうる加速度計等の計器が得られる。

米国特許第３４７０４００号の力変換器は２個のアイソ
レータ質量を有しこれらは変換器の振動部材とそのマウ
ントとの間の結合を最少にするべく用いられている。こ
れらアイソレータ質量は一対のばね部材でマウントに接
続される。変換器の効率を上げそれによりＱを上げるた
めにこれらアイソレータ質量はそれらの重心が振動部材
の軸と一致する軸上になるように構成されている。その
結果、振動部材の振動はその振動エネルギーの小部分か
マウントに伝達されるようにアイソレータ質量の振動に
より有効に打消される。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記米国特許の装置は有効でありまた満足すべき結果を
与えるものであるが、変換器のＱは特定の目的に対して
充分高いとはいえない。これはアイソレータ質量が充分
自由に振動出来ないために変換器マウントに対し振動部
材によりエネルギーが失われすぎるということによるも
のと信じられる。アイソレータ質量を装着する支持体は
２枚のばねにより２点でエンドマウントに接続されるか
ら、これらばねはアイソレータ質量の回転を制限する。

特に上記米国特許の第３図に示されるように２重ばね構
造はアイソレータ質量が破線で示される位置間で回転し
ないようにする。理論的にはアイソレータ質量はそれら
の形状と位置がそのような振動のすべてをなくすように
選ばれるから大きく回転する必要はないが、実際には正
確なチューニングを得ることは適合しなければならない
正確な幾何条件により困難である。更に完全なチューニ
ングに必要な条件を満足させるアイソレータ質量の幾何
形状を得れば一般にアイソレータの剛性低下、スプリア
ス振動あるいはそれら両方のような他の問題が生じる。

チューニングが正しく行われないとアイソレータ質量は
回転しようとする。

この２重ばね構造はそのような回転を制限し、それによ
り振動部材から変換器マウントへの振動エネルギーの過
剰な伝達を許しそれによりＱを低下させる。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は上記米国特許に示される装置のもつ欠点を解決
することを目的とする。本発明によれば振動部材とその
エンドマウントとの間の機械的分離すなわちデカップリ
ングがアイソレータ質量と、振動部材に関連するアイソ
レータばねとの間の協動作用により行われる。振動部材
は夫々の端部で一対の支持体に固定され、アイソレータ
質量は２対の質量エレメントからなり、その一対が振動
部材の支持体の夫々の端部に固定されてそこから振動部
材の一部と共に伸びるようになって、ユニットとしての
夫々の対の重心が振動部材内となりあるいはそれに投影
するようになっている。アイソレータばねは振動部材の
支持体を全ユニットの夫々の端部の変換器マウントに接
続する薄い弾性エレメントからなる。夫々の支持体を各
マウントに接続するために２重ばねを用いる代りに単独
ばねを用いてもよい。アイソレータ質量とアイソレータ
ばねは振動部材のエンドの力およびモーメントにより振
動駆動される振動体を形成する。振動部材の特性にもと
づき質量とばねを適正に比例させることによりこの部材
はその振動周波数においてはＶ全体としてマウントから
分離される。本発明の一実施例においては振動部材はビ
ームである。

〔作　用〕

振動部材とエンドマウントを接続するために単独のばね
を用いることによりアイソレータ質量は、変化器が動作
するときエンドマウントへ伝達される力を減少させなが
ら回転し変換しうるようにする。この単独ばねにより、
全アイソレータ質ｆｆ１−振動部材系はチューニングが
多少ずれて変換器が製造されても従来装置よりは自由モ
ードに近い（全振動系が空間に懸下して振動するように
）動作をもって振動する。特に、この単独ばね構造はす
べてのアイソレータ質量が対称で同一であって重心が上
記米国特許に示されるような位置となるときおよびアイ
ソレータ位置が正確に同一でなく゛チューニングのずれ
た非対称構造となって重心がそのようにならないときも
振動部材からエンドマウントに伝達される振動エネルギ
ーの量を低下させる。そのような非対称構造は製造上の
不正確さによるごとくして生じたりあるいは意図的に用
いられることもある。そのような非対称のアイソレータ
質量構造はそのチューニングのずれた振動が振動部材か
らエンドマンウドへの振動の伝達に対するバリアとして
作用するから振動の分離効果を促進する。本発明の単独
ばね構造は上記米国特許の２重ばね構造によりアイソレ
ータ質量対を自由に振動しうるようにし、それにより振
動部材からエンドマウントへの振動の伝達を減少させる
。

〔実施例〕

本発明は振動ビームまたは振動弦をもつ振動装置に同様
に適用出来るが、説明の便宜上振動ビーム装置について
説明する。

第１図において、１０は本発明の振動ビーム変換器を示
しており、これは一対のエンドマウント１２．１４を有
し、これらエンドマウントは夫々窪み１　Ｂ、１５を有
し交叉軸ヒンジを形成しており、これらエンドマウント
に支持部材が装着されると共に、この装置が加速度、圧
力その他の力を測定するため力測定器として使用される
場合には入力軸にそって軸方向の力が加えられる。変換
器１０は支持部材１８と２０の間に伸びると共にそれら
に固定される振動ビーム１６を含んでいる。

このビームは従って部材１８と２０の間に伸びる縦軸を
有する。

ビームの振動周波数にいてマウント１２と１４からビー
ムを分離するために、支持部材１８と２０は薄い単一の
ばね部材２２と２６によりマウント１２と１４に接続さ
れる。アイソレータ質量対３０．３２および３４．３６
は支持部材１８と２０から振動ビーム１６の一部と平行
に伸びている。アイソレータ質量の長さおよび他の寸法
は振動ビームの特性に相関しているが、いずれにしても
アイソレータ質量３０と３４は軸方向において離れてお
り、アイソレータ質量３２と３６も同様である。エンド
マウント１２と１４に加わる張力または圧縮力は薄いば
ね部材２２と２６により振動部材１６に伝達される。

変換器１０は金属でもよい適当な材料からなる１個のブ
ロックで形成してもよい。しかしながら、説明の便宜上
本発明を水晶または他の圧電材料で形成される変換器に
適用した場合について説明する。この場合には適正な形
状とするためにその材料を周知の方法によりカッティン
グすることになる。

剪断モードで振動部材１６を駆動するために電極対３８
と４０および４２と４４が振動部材の両側に、一対がそ
の一方の側に沿って、そして地対が他方の側となるよう
に装着されている。好適には電極３８，４０，４２．４
４は金属のような導電性の高い材料からなり、周知の方
法で振動部材に装着される。これら電極の厚さは振動部
材１６の振動を妨げる程厚くてはならない。図示しない
電子的発振器が振動ビームの駆動励起を行い発振器から
の導線４６と４８がこれら電極に接続する。

導線４６は電極３８と４４に、導線４８は４０と４２に
夫々接続する。このようにして電気的励起が振動ビーム
を介し軸方向に離れた位置に逆方向の交叉電界を生じさ
せる。米国特許第３４７９５３６号に詳細に示されるよ
うに、この電気的励起か行われてビームに振動を生じさ
せる。

しかしながらこのビームを他の手段で駆動出来ることは
明らかである。

図示のアイソレータ質量は矩形断面であってビームとは
Ｖ平行に伸びているがこれである必要はない。また、矩
形Ｕ型アイソレータ質量の代りに曲がったＵ型のそれで
もよい。

第２図において、破線は振動エレメントが振動しておら
ず休止状態にあるときの位置を示している。また実線は
振動エレメントが振動の一極点にある場合を示している
。便宜上電極３８．４０゜４２．４４および導線４６．
４８および窪み１３゜１５は図示していない。

この力変換器の１次振動系は振動部材１６、支持部材１
８．２０およびアイソレータ質量３０゜３２．３４．３
６からなる。この振動系が空間に吊下げられて振動させ
られているとすれば支持部材１８と２０上の点ＡとＢは
第２図に示す軸封によりＸおよびＹ方向に動くことにな
る。点ＡとＢで単一のアイソレータばねが装着されると
、支持部材１８と２０の動作はそれらが時計方向（およ
び反時計方向）に回転角θをもって回転し垂直に下方に
（そして上方に）距離りだけずれる。これらずれは両方
とも支持部材とアイソレータばねの初期の休止位置から
測ったものである。本発明の単一ばね構造はこのように
アイソレータ質量の回転と偏位を可能にする。しかしな
がら、２重ばね構造か用いられる場合にはアイソレータ
質量の角度θの回転は２重アイソレータばねの位置によ
り明らかに妨害される。その結果振動部材からマウント
への回転エネルギーの通過が大きくなってしまう。

モーメントの有効な打消を生じさせるためにはこれらア
イソレータ質量は一般に任意の断面、任意の形状でよく
振動ビームと正しく平行である必要はない。第１．２図
に示す本発明の一実施例によれば、夫々のアイソレータ
質量は振動ビームの同一端において他のものと全く同じ
でありかくして対称構造となっている。このように、ビ
ームの夫々の端における夫々のアイソレータ質量対の重
心はビームの面内となるようになる。

あるいはまたモーメントの相殺は非対称のアイソレータ
質量を用いても達成出来る。その場合にはビームの一端
のアイソレータ質量が同一端の他のアイソレータ質量と
は寸法および質量において異ったものとなる。第３図に
示すようにアイソレータ位置３０の寸法（従って重量）
は３２とは異っている。アイソレータ質量を非対称にす
るには種々の方法がある。同様にアイソレータ質ｆ８３
４の寸法と重量は３６とは異っている。アイソレータ質
量のそのようなミスマツチングはＱを低下させうるが、
他の効果の可能性を低下させる。特に、非対称とするこ
とにより、夫々のアイソレータ質量対がわずかに同調か
らずれる。その結果、振動ビームの共振周波数がアイソ
レータ質量の共振周波数に整合するという、エンドマウ
ントへの振動伝達を増加させる望ましくない効果の発生
は低下する。各アイソレータ質量対の振動が振動ビーム
からエンドマウントへの振動の伝達に対するバリアとし
て作用するために、不整合のアイソレータ質量と単一ば
ねを使用した場合には高いＱをもっ力変換器が得られる
。　　　　　　゛ 以上特定の実施例について述べたが、その変更は当業者
には容易である。例えば米国特許第３４７０４００号の
第４図に示されるように、２個のアイソレータ質量のみ
を用いる変換器も可能であり、その場合には一方の質量
が１個のアイソレータばねから他方へと完全に伸びるこ
とになる。

これでも本質的に同一の分離が振動ビームとエンドマウ
ント間で達成出来る。しかしながら、エンドマウントに
加わる圧縮であれ引張りであれ、軸方向のストレスはビ
ームではなく２個のアイソレータ質量で受けられるから
、振動ビームの自然振動周波数は軸方向ストレスがエン
ドマウントに加えられても実質的に一定に維持される。

更にビームを基本共振エレメントとするこのシステムは
弦をエレメントとするものにも適用出来る。

〔発明の効果〕

軸方向ストレスは振動部材に直接移されてその自然共振
周波数に変化を生じさせる。振動周波数での分離がアイ
ソレータ質量とアイソレータばねおよび振動部材の協動
により行われる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による振動ビーム変換器の斜
視図、第２図は第１図の変換器の主要部の側面図であっ
てその振動モードを示す図、第３図は本発明の他の実施
例の斜視図である。 １０・・・振動ビーム変換器、１２．１４・・・エンド
マウント、１３．１５・・・窪み、１６・・・振動ビー
ム、１８．２０・・・支持部材、２２．２６・・・単一
ばね部材、３０，３２，３４．３６・・・アイソレータ
質量、３８．４０，４２．４４・・・電極、４６．４８
・・・導線。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 ＦＩＧ　　　１ ＦＩＧ、３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、縦軸を有しその縦軸を含む面内で振動するようにな
   った１個の振動部材と、この振動部材に関連して特性周
   波数でのその振動を維持する手段と、上記振動部材の各
   端部に固定された上記縦軸に交わる２つの方向に伸びる
   支持エレメントと、一対のエンドマウントと、夫々縦軸
   を有し、一方が上記エンドマウントの一方と上記支持エ
   レメントの一方との間に伸び他方が上記エンドマウント
   の他方と上記支持エレメントの他方との間に伸びてこれ
   らエンドマウントから縦軸に沿って上記振動部材に軸方
   向の力を伝達する２本の薄いアイソレータばねと、上記
   支持エレメントの夫々の各端に１個づつ固定される一対
   のアイソレータ質量とから成り、上記アイソレータばね
   とアイソレータ質量が上記エンドマウントに生じる力と
   モーメントの拘束を打消しそれにより上記振動部材から
   のエネルギー損失を防止するようになった振動ビーム形
   力変換器。 ２、前記アイソレータばねはそれらの縦軸が前記振動部
   材の縦軸と実質的に一致するように前記支持エレメント
   に装着されるごとくなった特許請求の範囲第１項記載の
   変換器。 ３、前記振動部材はビームであり、前記アイソレータ質
   量は一般に上記ビームの少くとも一部において上記ビー
   ムの縦軸に沿って拡がるように伸び、それにより上記ア
   イソレータ質量対の夫々に対応する重心が前記支持エレ
   メントから予定の軸方向距離のところで上記縦軸を含む
   面内になるごとくなった特許請求の範囲第１項に記載の
   変換器。 ４、前記振動部材は弦であり前記アイソレータ質量対の
   それぞれに対応する重心が、上記弦が前記支持エレメン
   トの夫々に固定する位置において前記縦軸を含む面内に
   なるごとくなった特許請求の範囲第１項記載の変換器。 ５、前記アイソレータ質量の対応するものが互いに一体
   的に接続された、夫々一方の支持エレメントから他方へ
   と伸びる一対のアイソレータ質量を形成し、それにより
   上記アイソレータ質量が軸方向の力が上記振動部材に伝
   達されないようにするごとくなった特許請求の範囲第１
   項記載の変換器。 ６、前記夫々のエンドマウントが一対の対向する窪みを
   有し一対のたわみヒンジを形成するごとくなった特許請
   求の範囲第１項記載の変換器。 ７、前記変換器は圧電材料からなる特許請求の範囲第１
   項記載の変換器。 ８、前記変換器は水晶からなる特許請求の範囲第１項記
   載の変換器。 ９、前記変換器は金属からなる特許請求の範囲第１項記
   載の変換器。 １０、前記アイソレータ質量は寸法および重量において
   ほゞ等しく且つ前記振動部材から等間隔となっている特
   許請求の範囲第１項記載の変換器。 １１、前記アイソレータ質量は前記振動部材に対し対称
   配置され且つ寸法および質量がほゞ等しくなった特許請
   求の範囲第１項記載の変換器。 １２、前記アイソレータ質量は前記振動部材に対し対称
   配置され、上記夫々のアイソレータ質量対の一方のアイ
   ソレータ質量は他方のアイソレータ質量と寸法および重
   量において実質的に同一ではない特許請求の範囲第１項
   記載の変換器。