JPS62232528A - 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〕 本発明は一般に振動ビーム形力変換器に関し、詳細には
従来より高いバイアス周波数転移温度を可能とするＡフ
レーム形ビーム基部を有する振動ビーム形力変換器に関
する。

〔従来の技術〕

計測器の分野における力応答水晶共振子の応用は年々普
及している。そのような応用の内現在知られている例は
加速度計、圧力計および負荷セルである。この技術を計
測に用いて得られる利点は本質的に高い分解能をもつデ
ィジタル出力、高いダイナミックレンジ、低い感熱性お
よび低い電力消費である。大きなＱ、秀れた機械的およ
び化学的な安定性、低い感熱性および電圧動作のような
水晶の固有の特性は周波数制御の面でこれまでよく知ら
れ且つ利用された特性である。この水晶を計測面におい
ても魅力ある材料としているものもこれら固有の特性で
ある。振動する水晶ビームは「弦形」の動作により夫々
張力および圧縮力に応じて使用可能なフルスケールにつ
いて±１０％の周波数変化を示すことは知られている。

従来の共振構造形の代表例は米国特許第３４７０４００
号に示されている。この形式の装置はビームマウントか
らビームに生じた動きと剪断反応とを分離するアイソレ
ータ構造を有する。

分離作用は振動エネルギーの損失を防ぎ高いＱ共振を維
持するものである。ビームの振動自体は電子的発振器に
接続したビームの表面に置かれる電極からの励起にもと
づくビームの材料すなわち水晶の圧電特性により維持さ
れる。この装置および本発明で使用される圧電発振器の
作用は米国特許ｍ３４７９５３６号に詳述されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この振動ビームの動作原理は張られた弦のようにビーム
の周波数から張力の増加と共に高くなるということであ
る。しかしながら弦とは異りビームは圧縮に対応してそ
の周波数を低下する。更に、ビームは弦におけるような
バイアス張力を必要としない。振動ビーム形力変換器は
加速度計として使用されている。その場合には背−背構
成とされた整合した振動ビーム振動器対が設けられる。

その結果、入力加速度は一方のビームに張力をそして他
方に圧縮力を生じる。この加速度計の出力は差周波数と
してとり出される。この差周波機構は正味のバイアスを
著しく低下しそして温度感応性および非線形状のような
多くの誤差源共通モードとして排除する。２個のビーム
のバイアス周波数を密に整合させればさせる程、正味バ
イアスは小さくなりこの誤差源の共通モード排除は更に
有効となる。バイアス周波数の整合の度合は共振器構造
のビーム部分のカッティングについての製造上の許容差
により現在では制限されている。

このような力変換器の特徴はバイア周波数に温度依存性
があるということである。バイアス周波数は無負荷状態
でビームが振動する周波数である。

ビームの周波数の温度依存性とはビーム周波数が温度上
昇と共にまず増加し、そしてその後低下するということ
である。温度が上昇を停めそして減少しはじめる点を反
転（ターンオーバ）温度という。この温度においてバイ
アス周波数は小さい温度変化に対しては本質的に不感で
ある。多くの計器への応用においては計器の動作温度と
ビームの反転温度が互いに等しいことが望ましい。

長さに対する厚み比の小さい長い薄いビームについては
この反転温度は通常低くすぎる。反転温度がこの長さに
対する厚みの比に比例して上昇するのがこのたわみ性の
ビームの特性である。この比が大きければ大きい程ビー
ムの力に対する感度が低くなる。従ってこの感度を低下
させることなくこの比を増加させる方法、すなわち高い
反転温度と大きい力に対する感度を両方有するビーム構
造が必要である。

〔問題点を解決するための手段〕

このような従来技術のもつ問題点に鑑み、本発明の目的
はバイアス周波数を調整する手段を提供することである
。

本発明の他の目的は高い反転温度と力に対する高い感度
を有するビーム構造を提供することである。

〔作　用〕

これら目的を達成するために本発明はＡフレーム構造に
よりビームの両端をアイソレータ質量に接合する。Ａフ
レーム構造は角度的には柔軟でありながら軸方向の剛性
を高めるものである。ビームの基部における高い角度コ
ンプライアンスにより調整中ビームのたわみ量を大きく
出来る。一方これはビームの長さに対する厚さの比を大
きくしうるようにする。次にこれはより高いバイアス周
波数反転温度をもつビームを構成しうるようにする。

第二に、本発明によればビームの中心が中心配置された
調整質量を含むことになる。この質量の目的は較正中の
小さい増分を除去しうるようにすることである。質量の
増分的除去により振動ビームのバイアス周波数が僅かに
上昇しそれにより、製造されるすべてのビームが共通の
公称バイアス周波数にトリミング出来るようにする調整
手段が与えられる。

〔実施例〕

第１図は米国特許第３４０４００号に示される変換器１
０を示しており、これは一対のエンドマウント１２と１
４を含む振動ビーム装置を一般的に示しており、このマ
ウント１２．１４は夫々１３と１５において窪みをつけ
られて交叉軸ヒンジを形成するようにしてもよく、また
それらに支持部材を装着しそれに加速度計のような力測
定ユニットとして使用される場合に入力軸に沿って軸方
向の力が加えられる。変換器１０は支持部材１８と２０
の間にあってそれらに固定される振動ビーム１６を含む
。

ビームの動作周波数においてマウント１２と１４からビ
ームを分離するために支持部材１８と２０は、間隔をも
った薄いばね部材対２２．２４および２６．２８および
それら支持部材からビーム１６の一部と一体的に伸びる
アイソレータ質量対３０．３２および３４．３６により
夫々マウント１２と１４に接続する。これら質量の特定
の長さおよび他の寸法はビームの特性に相関する。しか
しながら、いずれにしても質量３０と３４は軸方向に間
隔をもっており、質ｆｎ　３２と３６も同様である。張
力であれ圧縮力であれ、エンドマウント１２と１４に加
わる軸方向のストレスはばね部材２２と２４および２６
と２８を介してビーム１６に伝達される。

このビーム形変換器１０は任意の材料で一体につくるこ
とが出来る。しかしながら明確化のために図示の特定の
形状を形成するために水晶または他の圧電材料で形成し
た場合について述べる。この場合には材料は周知の方法
によりカッティングされる。

剪断モードでビームを駆動するために電極対３８と４０
がビームの両側に一つの軸に沿って、そして他方の対４
２．４４が他の軸に沿って夫々装着される。図示しない
電子的発振器がビームの駆動励起を起しそして発振器か
らの導線４６と４８がこれら電極に接続される。導線４
６は電極３８と４０にそして導線４８が電極４０と４２
に接続する。このように電気的励起は軸方向に間隔をも
った位置にビームを通じて逆方向の電界を加える。米国
特許第３４７９５３６号に示されるように、この構造お
よび電気的励起はビームに振動を発生するに有効である
。しかしながらこのビームを他の方法で駆動することも
出来、図示のものは一つの例にすぎない。発振器回路は
加えられる力の関数として変化する実際の発振周波数を
検出する回路を含んでいる。

第１図の変換器の周波数−力特性は次式で近似される。

ｆ−ｆ　　＋Ｋ　　Ｔ＋Ｋ　　Ｔ２（１）但し　ｆ　−
ビーム共振周波数 ｆｏ−無負荷ビームバイアス周波数 に１−１次周波数−張力感度（非線形項）Ｋ２−２次周
波数−張力感度（非線形項）Ｔ　−張力 である。

この特性は第２Ａ図に示してあり、式（１）の各項は第
２Ｂ図にプロットしである。係数に２を含む項は望まし
くない非線形効果を表わす。この項の示す非線形性は第
３図に示すように一方のビームに張力をそして他方のビ
ームに圧縮力をつくるようになった従来の２共振器−２
プル一フ重量変換器を用いることにより最少とすること
が出来る。

この変換器の出力はこれら２個の共振器の周波数の差と
してとり出される。式（２）〜（４）が示すようにに２
の効果はこの設計を用いて打消される。

張力Ｔはその等価ｌｌ１ｇにより置き換えることが出来
る。また、２番目の添字は個々の共振器の係、数を区別
するためのものである。

共振器１は張力のかかった状態にあり、従ってｆ　　＝
ｆ　　＋Ｋ　　ｍｇ＋Ｋ　　（ｍｇ）　　　　（２）共
振器２は圧縮であり、従って ｆ　　＝ｆ　　十Ｋ　　（ｍｇ）＋Ｋ　　（ｍｇ）　　
　（３）となる。

”従って差周波数は １−ｆ２ −（ｆ　　−ｆ　　）＋（Ｋ１１＋に１２）ＩＩｌｇＯ
ｌ　　　０２ ＋（Ｋ２１−に２２）（ｆｆｉｇ） となる。

Ｋ２の効果は１ｇ項の２乗により打消される。

第３図の加速度計の出力は差周波数ｆ　１−ｆ　２とし
てとり出される。これにより正味バイアスが著しく低下
しそして温度感応性と非直線性のような多くの誤差原因
の共通モード排除が可能になる。

図示の構造は外側包囲体内に密封される。第３図のよう
な装置では２個のビームのバイアス周波数が密に整合さ
れればされる程正味バイアスが低くなり誤差原因の共通
モード排除がより効果的となる。バイアス周波数の整合
の度合は共振器構造のビーム部分のカッティングにおけ
る整合公差により今のところ制限されている。

振動ビームの他の特性は第４図に示してあり、これはバ
イアス周波数対温度特性である。バイアス周波数はビー
ムが無負荷（Ｔ−０）状態で振動する周波数である。バ
イアス周波数温度依存性は第４図のとおりである。反転
温度（Ｔ　　　但し２７Ｃゝ ２７Ｃはゼロ温度係数点を示す）はビームのバイアス周
波数が小さい温度変化に対し不感となる動作温度である
。

第５図は第１図の共振器のビーム部分を例示している。

従来のビーム形状はビルトイン（固定−固定）端部を備
えたプリズム形ビームにすぎず、すなわち端部１７がア
イソレータ構造１８に固定されている。

ビームのバイアス周波数（ｆｏ）をその物理特性、第５
図の形状および境界条件で示す数式（５）％式％ 但しＥは弾性係数、ｆは材料密度、ａＯは定数、Ｌはビ
ームの長さ、ｔはビームの厚さである。

水晶でなる第５図の固定−固定ビームについてはａ　項
と物理特性項（Ｅとｆ）は固定であり、それ故所望のバ
イアス周波数を与えるようにするために設計により制御
出来るのはｔとＬである。

製造中に制御されるこれら２つのパラメータは厚さと長
さであり、厚さが最も重要である。使用される製造プロ
セスでは厚さを約±０．０００１インチ（±０．００２
５４ｍｍ）のトレランスまで制御することが可能であり
、これは公称０．００５インチ（０，１２７龍）厚の約
±２％である。式（５）が示すようにバイアス周波数は
厚さに正比例するから、±２％の周波数許容差となる。

加速度計に用いる場合には共振器は整合対として用いら
れてバイアス周波数が約±０．１５％で整合するように
される。それ故、この整合を達成するためには０．１５
％に整合をした対を製造された全共振器から選択出来る
ように多数の共振器を製造しなければならない。

式（６）は印加された力（Ｔ）に対する周波数変化（Δ
ｆ）の１次関係を示す数式である。

ここでａｔは定数、ｂはビームの幅、他の信号は前述と
同様である。

周波数変化は引張について正（十Ｔ）であり、圧縮につ
いて負（−丁）である。

式（８）は、厚み−長さ比が大きいく高い”　２ＴＣに
必要な比較は短くて厚い）ビームはＬ２が分子でありｔ
３が分母であるため力に対する感度が低いことを示して
いる。それ故、高い反転温度を与えるビームの幾何形状
は低い六層波数感度を示すことになる。

第６図は本発明のビームを示し、第７図はこのビームを
用いた共振器の斜視図である。第６．７図に示すように
従来のビーム１６とは異り本発明のビーム６１はその両
端がＡフレームビーム基部構造となっており、この基部
構造はアイソレータ６３への装着のための脚部６５と６
７を有している。更にビームの夫々の側の中央に調整質
量６９が設けである。第６Ａ図はビームの断面であり厚
さｔと幅すを示している。Ａフレーム構造の使用により
軸方向の剛性が高く角度的には柔軟な特性が与えられる
。これにより振動中のビームのたわみがより大きくなる
。

調整質量の作用を次に述べる。調整質ｆｆ１６９の付加
により式（５）はバイアス周波数についての数式表現に
式（７）で近似される第２項が含まれるように変更され
る。

ｔ　　　　　　　　　Ｅ ｆＯ″″ａＯ°　Ｌ２ｆ　（１＋２５ｍＡ／ａ＋Ｂ）但
しｍ　Ａ　／　ｍ　Ｂはビーム質量に対する調整質量の
比である。

式（７）から、ｍＡを小さく減少させることによりバイ
アス周波数が小さく増加することがわかる。

０．０４％程度の微小な周波数変化をこの中央の質量を
少量づつ除去することにより達成出来ることが実験によ
り証明されている。問題の共振器は水晶製であり、これ
はもろい材料であるため、調整質量６９の少量づつの除
去はそれを砕くだけで達成出来る。この周波数調整手段
は電極のメッキおよびテストを完了した共振器に対して
調整を行うことが出来るから極めて有利である。製造に
際しては中央に質量を有する共振器のバイアス周波数を
公称所望バイアス周波数ｆ。より低くするようにされる
。較正はまず初期バイアス周波数を測定し、次に所望の
バイアス周波数となるまで中央の質量を少しづつ除去す
ることにより行われる。

Ａフレームの動作を次に述べる。前述のようにＡフレー
ムはビーム基部におけるたわみを大きくしつる。ビーム
基部のたわみが大きくなると式（２）における係数ａ１
が大きくなることがわかる。

例えば固定ビームについてのａｌは０．１４８であり、
ピン−ピンビームのａｌは０．６０８である。ピン−ピ
ン条件、すなわち角度的に完全に追従する条件はＡフレ
ームの角度コンプライアンスが無限とされつるときに達
成される。これは実際には不可能ではあるが、ピン−ピ
ン条件に近い条件は固定−固定より大きくかつピン−ピ
ンより小さい係数ａ１が実際上達成出来るようにするこ
とにより達成出来る。実験によれば約０．４のａｌが達
成されている。

第６図から、与えられた周波数−力感度について係数ａ
１を増加することによりビーム長さしを増加しそしてま
たはビームの厚さｔを減少させることが出来全体として
の厚さ−長さ比（ｔ／Ｌ）を増加させることが出来るこ
とは明らかである。

それ故Ａフレームビーム基部を付加することにより、大
きい（ｔ　／Ｌ）比を有するビーム幾何形状、従って高
いバイアス周波数反転温度（Ｔ２Ｔｃ）をもつビームに
より許容しうる周波数−力感度が得られるという点で従
来のものが著しく改善される。

〔発明の効果〕

従来技術に対する本発明の利点は次の通りである。

１、　調整質量の付加によりビームのバイアス周波数を
±０．０４％に調整することの出来る微細バイアス周波
数調整手段が得られる。従来の製造許容度は±２％のバ
イアス周波数範囲であった。

この調整手段はしばしば使用される加速度計において整
合に必要な共通バイアス周波数にすべての共振器を調整
しうるようにする。この調整手段は仕上げの完了した共
振器に対するバイアス周波数の調整を可能にするもので
あることもまた一つの利点である。

２、　　ビーム基部に角度的コンプライアンスの大きい
Ａフレームを付加したことにより、より望ましい周波数
−力感度と反転温度の組合せを有するビーム設計が可能
となる。

これら２つの特徴は組合されたとき特に秀れた結果をも
たらすが、夫々を別途使用することも出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の共振器の斜視図、第２図はビームの周波
数−力の関係を示す図、第３図は従来の振動ビームを用
いた加速度計の概略図、第４図は明の調整質量を有する
ビームの装着方法を示す図、第７図は本発明の共振器の
、第１図と同様の図である。 １０・・・変換器、１２．１４・・・エンドマウント、
１６．６１・・・ビーム、１８．２０・・・支持部材、
２２．２４．２６．２８・・・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、６３・・・
アイソレータ構造、６５．６７・・・脚部、６９・・・
調整質量。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 ＦＩＧ、　２４　　　　　　　　　　　ＦＩＧ・２Ｂバ
４１スｍ波教 ＦＩＧ、　５

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１および第２端部を有する圧電ーム構造と、この
   圧電ビームに振動を生じさせる装置と、を有し、更に上
   記ビームの中心に形成される調整質量を有し、この調整
   質量は上記圧電材料で形成され、上記調整質量の部分が
   上記振動ビームのバイアス周波数の調整のために切除し
   うるようになったことを特徴とする振動ビーム形カ変換
   器。 ２、前記調整質量は前記ビーム構造の中心の両側から直
   角に伸びる第１および第２部分を有するごとくなった特
   許請求の範囲第１項記載の変換器。 ３、前記振動ビームは矩形断面を有し、その断面の幅は
   その厚みより大となっており、前記調整質量の部分は上
   記矩形のビームの幅の大きい側から直角に伸びる薄い矩
   形部分を有するごとくなった特許請求の範囲第２項記載
   の変換器。 ４、前記第１および第２端部が支持構造に装着されてお
   り、更に前記ビームを上記支持構造に装着する第１およ
   び第２脚部を上記ビームの各端に有し、上記脚部がそれ
   らの間で角度を有しＡフレームマウントを形成するごと
   くなった特許請求の範囲第１項記載の変換器。 ５、前記振動ビームの各端と前記支持構造との間にアイ
   ソレータ構造を有するごとくなった特許請求の範囲第４
   項記載の変換器。 ６、前記変換器は対称型である特許請求の範囲第５項記
   載の変換器。 ７、前記変換器のすべてが１個の圧電材料で形成される
   ごとくなった特許請求の範囲第６項記載の変換器。 ８、第１および第２端部において支持される圧電ビーム
   構造と、上記圧電ビームに振動を生じさせる装置とを有
   し、上記第１および第２端部が支持構造に装着されてお
   り、更に上記支持構造に上記ビームを装着する第１およ
   び第２脚部を上記ビームの各端に有しており、これら脚
   部がそれらの間に角度をつくりＡフレームマウントを形
   成するごとくなった振動ビーム形カ変換器。 ９、前記振動ビームの各端と前記支持構造の間にアイソ
   レータ構造を有する特許請求の範囲第８項記載の変換器
   。 １０、前記変換器は対称形である特許請求の範囲第８項
   記載の変換器。 １１、前記変換器のすべてが１個の圧電材料でなる特許
   請求の範囲第１０項記載の変換器。