JPS63503090A - 加速度計の保証質量境界面 - 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】 加速度計の保証質量境界面 １１匹ＬＬ 本発明は、加速度計のような力平衡機器の分野に関する。

１１匹えＬ 高い動作電位を有する従来の加速度計の設計例が米国特許第３．７０２．０７’ ３号に記載されている。そこに記載された加速度計は、３つの主要素、すなわち 保証質量組立体と、該保証質量組立体が両者間に支持される上部及び低部固定子 、もしくは磁気回路とから構成される。保証質量組立体は、たわみ素子を介して 外部の環状支持リングに懸垂される可動のリードもしくは舌（ｒｅｅｄ）を含む 。

リード及び支持リングは、通常、溶融石英から成る単一構造として与えられる。

リードの上部及び低部表面は、コンデンサ・プレートと、力復原コイルとを含ん でいる。各力復原コイルは、リードの中心を通して延びかつリードの頂部及び底 部表面と垂直な線と、該コイルの中心軸線が一致するように、リード上に位置付 けられる。この線は、加速度計の感度軸線と一致している。複数個の取付はパッ ドが、環状支持リングの上部及び低部表面の回りで間を置いた位置に形成されて いる。これらの取付はパッドは、加速度計が組立られるとき上部及び低部固定子 の内方に面する表面とかみ合う。

各固定子は概して円筒形であり、かつ内方に面する表面で提供される内孔を有す る。内孔内には永久磁石が収容されている。内孔及び永久磁石は、保証質量組立 体の力復原コイルの関連の１つが内孔内に適合し、永久磁石が力復原コイルの円 筒状のコア内に位置付けられるように構成されている。従って、コイルを通して 流れる電流は磁界を生成し、永久磁石と相互作用してリードに力を生成する。固 定子の内方に面する表面上にはまた、リード上の上部及び低部コンデンサ・プレ ートと共にコンデンサを形成するよう構成されたコンデンサ・プレートが設けら れている。従って、上部及び低部固定子に対するリードの移動は差動の容量変化 をもたらす。

動作中、加速度計は加速度が測定されるべき対象物に付着される。感度軸線に沿 った対象物の加速度は、支持リング及び固定子に対してリード及びコイルの振動 する回転変位をもたらす、この変位により生じる結果の差動の容量変化は、適当 なフィードバック回路によって感知される。フィードバック回路は次に電流を生 じ、該電流は、力復原コイルに与えられるときに、リードをその中性位置に戻す 傾向を有する。リードをその中性位置に維持するために必要とされるｔ流の大き さは、感度軸線に沿った加速度に直接関係する。

上述した型の加速度計の重要な特性は、熱応力による誤差に対するその免疫であ る。熱応力は、加速度計の異なった部分が異なった熱膨張係数を有する物質から 構成されるという事実から生じる１例えば、支持リングは溶融石英から構成され 、固定子が金属から構成される場合、温度変化は支持リング／固定子の境界面で 応力を生じ、これによりリングの変形を生じて加速度計の出力に誤差をもたらし 得る。

先見へ」」 本発明は熱応力に起因する誤差を最小にした加速度計を提供する。好適な実施例 においては、本発明の加速度計は、保証質量組立体と、固定子と、保証質量組立 体及び固定子間に位置付けられたプレート状体もしくは板状体を含んだ境界面手 段とを備えている。保証質量組立体は、支持から懸垂されてそれに対して移動す るためのリードと、リード上に位置されたリードのコンデンサ・プレートとを含 んでいる。プレート状体もしくは板状体は。

リードのコンデンサ・プレートと共にコンデンサを形成するように位置されたプ レート状体コンデンサ・プレートを含んでいる。境界面手段もまた、固定子の第 １の領域を、支持の対応する第１の領域に対して確実に取付けるための第１の取 付は手段と、固定子の第２の領域及び支持の対応する第２の領域間に延びる取付 は素子を有した第２の取付は手段とを含んでいる。取付は素子は、第１の軸線に 沿っては比較的迎合的（ｅｏａ＋ｐｌ　１ａｎｔ　）であり、他のすべての軸線 に沿っては比較的固定的である。第１の軸線は、プレート状体の平面内にあり、 かつほぼ第１の取付は手段を通るように配向されている。取付は素子は、固定子 及び支持間の第１の軸線に沿った差動熱移動に応答して取付は素子の回転を許容 するねじり棒によってプレート状体に取付けられているのが好ましい、プレート 状体に対する支持は、ねじり棒を介してのみ与えられ得る。支持、プレート状体 、及び取付は素子は、すべて溶融石英から構成されるのが好ましい。

の　単ｔ　； 第１図は、従来の加速度計の分解透視図、第２図は、本発明による加速度計の断 面図、第３図は、上部プレートの低部平面図、第４図は、取付は組立体の１つの 拡大図、第５図は、励磁リング及び保証質量組立体間の境界面を示す断面図、 第６図は、丸み付けされた接触表面を有するウェーハの回転を示す略図、 第７図は、矩形状の接触表面を有するウェーハのＳ字型の曲げを示す略図、 第８図は、矩形状の接触表面を有するウェーハの回転移動を示す略図、そして 第９図は、差動熱膨張に起因する隣接ウェーハの扇型法がりを示す略図である。

の雪　ｆ：ｌｌ！ 第１図は、従来技術において既知の力平衡加速度計の例を示す、該加速度計は、 上部固定子１０及び低部固定子１２を含んでいる。各固定子の内側に面する表面 は内孔を含んでおり、該内孔の内部には表面１８の内孔１６内で磁極片１４によ って示されるような、磁極片によっておおわれた永久磁石が位置されている。第 １図にはまた上部及び低部固定子間に取付けられた保証質量組立体（ｐｒｏｏｆ 　ｍａｓｓ　ａｓｓｅｍｂｌｙ）　２０も示されている。保証質量組立体２０は 、外部の環状支持リング２２と、たわみ３４によって支持リングがら支持された リード２６とを含んでいる。リード、たわみ、及び支持リングは、好ましくは、 単一片の溶融石英から製造される。支持リング２２は、その上部表面上に３つの 取付はパッド２４、及びその低部表面上に３つの取付はパッドの同様の組（図示 せず）を含んでいる。加速度計が組立てられるとき、取付はパッド２４は、上部 及び低部固定子に接触し、保証質量組立体のために支持を提供する。

リード２６の上部表面上にはコンデンサ・プレート２８が置かれ、同様のコンデ ンサ・プレート（図示せず）がリード２６の低部表面上にも置がれる。コンデン サ・プレートは、容量性のビック・オフ・システム（ａ　ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ 　ｐｉｃｋ−ｏｆｆ　５ｙｓｔｅ１１）を提供するよう、上部及び低部固定子１ ０及び１２の内側に面する表面と協働する。またリード２６の両側には、コイル ３ｏが取付けられるコイル型３２が取付けられている。サーボ制御される機器技 術において良く理解されるように、コイル３０は、固定子内の永久磁石、並びに 適切なフィールドバック回路と協働して、リード２６を支持リング２２に対する 所定の位置に保持する。薄いフィルムのビックオフ・リード３６及び３８、並び に保証質量組立体２ｏの低部表面上の同様のリード（図示せず）は、コンデンサ プレート及び力復原コイルに電気接続を提供する。

第１図に示された型の加速度計を設計する際の重要な目的は、加速度計の異なっ た部分の差動熱膨張による応力を含む、たわみ素子３４における応力を最小にす ることである。特に、支持リング２２、リード２６及びたわみ３４は、代表的に はゼロに近い熱膨張の係数を有する溶融石英で構成される。しかしながら、取付 はパッド２４に接触する固定子１０及び１２の部分は、好ましくは、非常に低い が溶融石英より大きい熱膨張の係数を有する３６％のニッケルー鉄合金（アンバ 合金）で構成される。支持リング２２は、２つのががる固定子間に締め付けられ る。支持リング及び固定子間の熱膨張の係数における不整合は、温度が変化する ときにひずみを生成し、該ひずみは、主に支持リングの変形によって引き継がれ る。リングの変形は、バイアス誤差をもたらし得るたわみのゆがみを生じ得る。

さらに、固定子の変形はコンデンサ・プレートをゆがめて、バイアス誤差をも生 成するオフセットをもたらす、固定子の変形はまた加速度計出力における換算係 数の誤差を生じるよう、磁気回路を充分に変化させ得る。

第２図〜第５図は、本発明の加速度計の好適な実施例を示す、この加速度計にお いて、固定子及び保証質量組立体間の差動熱膨張に起因する応力は、大いに減じ られる。始めに第２図を参照すると、加速度計は、上部固定子４０及び低部固定 子４２を含んでおり、その間に保証質量組立体４４がはさまれている。上部固定 子４０は、アンバ合金の励磁リング５０、磁石５２、及び磁極片５４を含み、低 部固定子４２も同様に、アンバ合金の励磁リング６０、磁石６２及び磁極片６４ を含んでいる。

保証質量組立体４４は、環状の支持リング７０、及びたわみ７４（第２図の断面 図には１つのたわみだけが示されている）によって接合されたり−ド７２を含ん でいる。

コイル型７６は、リード７２の上部表面上の中心に位置され、該型の上に巻かれ たコイル７８を含んでいる。同様に、コイル８２を含むコイル型８０は、コイル 型７６と整列して、リード７２の低部表面上に位置されている。

各コイルは、当業者に良く知られた力平衡作用を提供するよう、そのそれぞれの 磁極片及びそのそれぞれの励磁リング間の比較的狭いギャップを占めている。

差動熱膨張による応力からたわみ７４を隔てるために、第２図における加速度計 はさらに、励磁リング５ｏ及び保証質量組立体４４間に位置された上部プレート ９０と、励磁リング６０及び保証質量組立体４４間に位置された実質的に同一の 低部プレート９２とを含んでいる。プレート９ｏ及び９２は支持リング７０及び リード７２を製造するために用いられるのと同じ物質である非結晶石英から構成 されている。これら物質のこの整合は、保証質量組立体及びプレート間の境界面 における熱ひずみを除去する。プレート９０の低部表面は、リード７２の上部表 面上でコンデンサ・プレートと結合して第１のコンデンサを形成する薄い金属電 極を含んでいる。プレート９２の上部表面もまた、リード７２の低部表面上のコ ンデンサプレートと結合して第２のコンデンサを形成する薄い金属Ｔ＆極を含ん でいる。第１及び第２のコンデンサは、リードの移動を検出するための通常のビ ックオフ回路に接続される。

さて、主に第３図を参照すると、プレート９０は、中央開口１００を有する概し てリング形状のｔｆ４造である。

プレート９０はまた保証質量組立体への電気接続登可能にするよう設けられてい るより小さい開口１０２及び１０４を含んでいる６開ロ１０２及び１０４は、く ぼみ領域１０６で囲まれており、該くぼみ領域１０６は、ワイヤがプレート及び 保証質量組立体間を走行するのを許容するように設けられている０区域１０８は 、くぼみ領域１０６とプレート９０の残りの部分との間の傾斜領域を示す６区域 ９４は、第１のコンデンサの上部プレートを形成するようプレート９０の低部表 面上に形成された金属電極を表わす、第３図に観察されるように、区域９４によ って表わされる電極は、プレートの反対側にある。

本発明によれば、固定子及び保証質量組立体間の機械接続は、もっばらプレート ９０及び９２上に形成された取付はパッドによっている。特に、第３図に示され たプレート９０は、固定の取付はパッド１１０と、可撓性の取付は組立体１１２ 及び１１４とを含んでいる。取付は組立体１１４は、第４図に一層詳細に示され ている。取付は組立体は、プレート９０の上部表面のくぼみ領域１２０をエツチ ングし、次に、複数個のアーム１２４を形成するよう、プレート９０を垂直に通 して、スロット１２２のような複数個のスロットをカッティングもしくは切断す ることによって形成される。第４図及び第５図に示されるように、アーム１２４ は、高さＨ及び幅Ｗを有するねじり棒１２８を介してプレート９０に接続される ウェーハ１２６を含んでいる。プレート９０の上部及び低部表面は、ウェーハ（ ｗａｆｅｒ）　１２６の上部表面に対してわずかにくぼんでいる。それによって ウェーハ　１２６は、励磁リング５０と接触する上部パッド１３０、及び保証質 量組立体４４の支持リング７０と接触する低部取付はパッド１３２を形成する。

くぼみ領域１２０は、ねじり棒１２８の縦軸の回りでウェーハ１２６の回転移動 及びいくつかの並進移動を許容にするために充分に柔軟であるねじり棒１２８を 創設するよう、プレート９０の上部表面より大きい程度にくぼまされる。いくつ かの応用において、くぼみ領域１２０は、適切なこわさのねじり棒を生成するた めには必要ではない。

再度、第３図を参照すると、取付はパッド１１０、及びプレート９０の反対側の 同様の取付はパッドは、第５図に示された取付はパッド１３０及び１３２と同じ 程度までプレート９０の周囲部分に対してわずかに隆起されている。それにより 、取付はパッド１１０は、固定子４０及び保証質量組立体４４間に固定の取付は 点を形成する。取付はパッド１１０の中心軌跡（ｅｅｎｔｒｏｉｄ）は、中心軌 跡点１４４によって示されている。取付は組立体１１２にウェーハの取付はパッ ド１３０の中心軌跡は。

中心軌跡点１４６によって示され、中心軌跡点１４８は同様に取付は組立体１１ ４の取付はパッドの中心軌跡を示す、取付は組立体１１２の個々のウェーハは、 それらが中心軌跡点１４４及び中心軌跡点１４６間に延びる線１４０に対して垂 直であるように、配向されている。ウェーハ組立体１１４の個々のウェーハは、 中心軌跡点１４４及び中心軌跡点１４８間に引がれた線１４２に対して垂直に配 向されている。中心軌跡点１４６及び１４８は好ましくは、これら画点を結ぶ線 ゛１５０が１つの線を通過し、該１つの線の回りでの保証質量組立体の回転が移 動検出のために用いられる差動容量における変化を生じさせないように位置され ている。これらの配列の結果として、励磁リング５０及び保証質量組立体４４間 の差動熱膨張は、線１４０及び１４２に沿って、励磁リング及び保証質量組立体 間で相対運動を生じる０本発明によれば、この運動はウェーハ１２６によって、 好ましくはねじり棒１２８の回りでのウェーハ１２６の回転によって調和させら れそれにより、相対運動は調和させられて、非常に少ない応力を保証質量組立体 に伝える。

ウェーハ１２６の回転は、ねじり棒１２８の回転及び並進のこわさくスチフネス ）と、固定子及び保証質量組立体間の接触表面で生ずるこわさくスチフネス）と を除いて自由に生じる。第６図に接触表面１３４及び１３６で示されるように、 パッド１３０及び１３２の接触表面が円筒状であるならば、該接触表面は、ねじ り棒によって与えられるもの以上にどんな付加的な回転のこわさくスチフネス） も与えない、矢印１３８は、励磁リング５０及び支持リング７０間の差動熱膨張 によって発生された力を表わす、第７図及び第８図は、もし取付はパッド１３０ 及び１３２のそれぞれの接触表面１４０及び１４２が、ウェーハ１２６の高さの 半分とは異なった半径を有するならば、パッドは、あらかじめ負荷された力の大 きさに依存して、付加的な回転のいこわさくスチフネス）及び反力を与え得ると いうことを示す、あらかじめ負荷される力とは胴体バンドまたはベリーバンド（ ｂｅｌｌｙｂｉｎｄ）もしくは第２図の組立体を一緒に保持するための他の通常 の手段によって与えられる力である。

第７図及び第８図において、このあらかじめ負荷される力は、矢印１５０で表わ されている。もし、あらかじめ負荷された力の大きさが充分に大きいならば、も しくは取付はパッドが接合もしくはろう付は等により励磁リング５０及び支持リ ング７０に堅固に取付けられているならば、該取付はパッドは、励磁リング及び 支持リングと接触したままであり、第７図に示されるように、ウェーハ１２６の Ｓ字形の曲げを生じるであろう、第８図は、あらかじめ負荷された力の大きさが ウェーハ１２６の回転を許容するに充分に小さい状況を表わしている。一般に、 第６図に示された配列が好ましく、なぜならば、差動熱膨張を調和するよう回転 に対するウェーハの抵抗を最小にするからである。第８図に示される配列は、あ らかじめ負荷された高い感度を有し、かつ取付はパッドが励磁リング及び支持リ ングに対してスリップする傾向を生じるという短所を有する。

熱膨張における不整合の量は、通常の温度範囲に渡って代表的な加速度計におい ては非常に小さい、従って、ウェーハ１２６の実際の回転量は代表的には非常に 小さい、ウェーハ１２６の上部及び低部接触表面間の間隔、従ってｒｌｆＪ磁リ ンクリング５０持リング７０間の間隔は、はぼウェーハの回転角度の余弦関数と して変化する。従ってこの間隔は、励磁リング及び保証質Ｘ組立体が互いに対し て移動するとき、はとんど一定のままである。このことは、かかる間隔がコンデ ンサのギャップ、制動もしくは減衰ギャップ及びリードの運動の自由を限定する ので重要な考察事項である０間隔における正確な変化は、ウェーハの形状、あら かじめ負荷された力、及び用いられる物質の弾性係数のような多くの設計因子に よって限定される０回転可能なウェーハを使用することは、熱ひずみを取り除く ために保証質量及び固定子間にローラベアリングを置くことに類似している。従 って保証質量組立体及び固定子は、熱応力の大いに減じられたレベルに遭遇する 。パッドの境界面もまたより少ない応力に遭遇し、従って衝撃及び振動にさらさ れたときにスリップの可能性が少ない。

取付はパッド１１０は、支持リング及び固定子間に固定の接触点を形成し、それ により、固定子に対する保証質量組立体のすべての並進の自由度を抑制する。取 付は組立体１１２及び１１４の各々は、平面外移動を避けるウェーハの直接圧縮 を通して、保証質量組立体の２つの回転度合を抑制する。保証質量組立体の最後 の回転自由度（すなわち取付はパッド１１０の回りのリードの平面における回転 ）は、ウェーハの長い寸法、すなわちウェーハが極めて固定である方向を横切っ た直接のせん断により抑制される。プレートの回転自由度は、ねじり棒によって 抑制される。これらの棒は、取付は組立体の中心及び取付はパッド１１０の中心 間に引かれた線に対して垂直に配向される。従って、ねじりアームは、この回転 モードにより直接の引張り及び圧縮に１かれる、すなわちすべての部分が無限に 固定であるという仮定の下に、こわさくスチフネス）は最大にされる。このこと は、取付は組立体がどこに配置されるかということを本当に重要な問題とはしな い、プレートの平面外移動は、ねじり棒の並進のビームこわさくスチフネス）に よって抑制される。要約すれば、本発明によって与えられた取付は配列は、熱膨 張を除くすべての負荷に対してはすべての構造を厳格に抑制する。

スロット付けられたウェーハの境界面は、付加的な利益を提供する０石英／アン バ合金の境界面における熱膨張の不整合は、第９図に示されるように、ウェーハ が扇形にひろがるので一方の軸線においては小さい応力が生じるのが許容される 。他方の軸線も、ウェーハがポアソン比により直角方向に収縮するので、成る応 力の減少に遭遇する。このように、パッドの境界面上の最大のせん断応力は、同 じ大きさのスロットのないパッドよりも小さい。

ねじり棒１２８は、プレート９０に対する支持の堅固さを最大にし、支持リング ／固定子の差動熱膨張を調和させるよう回転に対してねじり棒のこわさくスチフ ネス）を最小にするために、高さＨは幅Ｗと比較して大きいように寸法付けられ ているのが好ましい、取付は組立体１１２及び１１４の各々は、１と５０の間の ウェーハを含んでいるのが好ましい０本発明の広範な観点において、ウェーハ１ ２６はプレート９０の部分を形成する必要はない。しかしながら、図示された配 列はウェーハの位置付は及び支持を提供するので、そしてまた加速度計が組立ら れるときに該ウェーハによってプレート９０及びその電極の支持をも提供するの で、図示された配列が好ましい、最後に、熱応力を除去するためにウェーハが上 述したように配向される限り、２つより多いもしくは少ない取付は組立体が用い られ得るということが上述の説明から明瞭であろう。

本発明の好適な実施例が図示されかつ説明されてきたけれども、当業者にとって 変更が明瞭であるということが理解されるべきである。従って、本発明を示され かつ説明された特定の実施例に制限すべきではなく、本発明の本当の範囲及び精 神は以下の請求範囲を参照して決定されるべきである。

国際調査報告

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．支持から懸垂されてそれに対して移動するリード、該リードに取付けられる コイル、及び前記リード上に位置される第１のコンデンサ・プレートを含む保証 質量組立体と、 前記コイルが位置されるキャップを形成するように位置付けられた内部及び外部 の部分を有する固定子と、前記保証質量組立体及び前記固定子間に位置された境 界面部材であって、前記第１のコンデンサ・プレートと共にコンデンサを形成す るよう位置された第２のコンデンサ・プレート、前記固定子の第１の領域を前記 支持の対応する第１の領域に対して確実に取付けるための取付け手段、及び前記 固定子の第２の領域と前記支持の対応する第２の領域との間に延び、ほぼ前記取 付け手段を通るように配向された第１の軸線に沿っては比較的迎合的であり、他 のすべての軸線に沿っては比較的固定である取付け素子を含んだ前記境界面部材 と、を備えた加速度計。
2. ２．前記取付け素子は、該取付け素子の第１の軸線に沿った前記固定子と前記支 持との間の移動を通して回転するような形状である請求の範囲第１項記載の加速 度計。
3. ３．前記取付け素子は、前記境界面部材に対する前記取付け素子の回転を許容す るねじりアームによって前記境界面部材に取付けられた請求の範囲第１項記載の 加速度計。
4. ４．前記取けけ素子及びねじりアームは、前記リードがゼロ位置にあるとき、前 記第２のコンデンサ・プレートが前記第１のコンデンサ・プレートから所定距離 にあるように前記境界面部材を支持する請求の範囲第３項記載の加速度計。
5. ５．前記支持、前記境界面部材、及び前記支持素子はすべて溶融石英で構成され る請求の範囲第１項記載の加速度計。
6. ６．前記境界面部材は、コイルを収容するための大きさにされた中央開口を有す る、概して平らな円板形状体を備えた請求の範囲第１項記載の加速度計。