JPS5923258A - 弾性表面波加速度計 - 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】 （技術分野） 本発明は弾性表面波加速度計に関し、更に詳細には、一
端部が固定されているｈ１１曲構造体もしくは１亀み構
造体の２つの面上に設けられた変換手段に接続される少
なくとも２つの発振器をＪ４備する弾性表面波加速度計
に関する。

（技術背景） 上記変換手段は弾性表面波を励起し、収集するように設
計されており、弾性表面波の伝播速度は機械的曲げ応力
の関数として変化することが知られている。第１の構成
では、変換手段が伝送線路を形成し、その時間遅延が発
振ループの位相の変位を固定化する。第２の構成では、
変換手段はグリシドを有する共振空洞内に設けられ、該
空洞の振動を維持する電気的手段に接続されている。測
定すべき振動を表わす周波数は２つの発振周波数の減算
により求められるが、この２つの発振周波数は熱ドリフ
トを受け、小ざい加速度の測定の場合にはこれにより誤
って測定がされることになる。

２つの発振器を組合わせた場合、一方の発振器の振動は
他方の発振器を同じ周波数で振動せしめる。

この現象は、２つの発振器の固有振動数が非常に近接し
ているときに生じる。この現象に対処するために、発振
器を互いに離間させるか、あるいは発振周波数を適当に
シフトさせることが可能であるが、この場合熱ドリフト
の補償は理想的にならない。この種の問題は、屈曲構造
体が一端部を固定された中−のシンプルな板状部材であ
るような加速度計において生じる。変換手段は板状部材
の２つの主要面上に設けられ、加速度の感度のため、板
状部材の厚さが制限される。板状部材の機械的アセンブ
リ条件は固定点に好ましくない応力を導く。この応力は
、初めのアセンブリの後に起こる物質の経１寺（エイジ
ング）と緩和の関数として変化する。

」−述した電気的しゃ断と固定の問題とは別に、７１１
１１定すべき加速度成分の測定を確実化するという問題
がある。単一の屈曲板状部材の使用は、加速度により該
板状部材に１戻り変形を生じさせないように振動源質量
体（ｓｅｉｓｍｉｃ　ｍａｓ、ｓ）を完全に対称的に取
付けることに関連する。、を炭り剛性は板状部材の断面
の慣性モーメントに依存し、該慣性モーメントは筬り運
動に抗するには不十分である。加速度計の感度を犠牲に
しないならば、変形可能な構造体に対する機械的離脱の
問題を解決しなければならない。このため、屈曲ビーム
の全長を弾性表面波の測定のために使用することは有利
ではないので、弾性表面波測定手段を注意深く位置決め
することも必要となる。遅延線あるいは表面波共振器の
いずれを使用するにしても、各々の発振器は単一の振動
モードでのみ励起されることを銘記しなければならない
。かなりの長さを遅延線もしくは共振器に付与した場合
、変換器あるいは反射グリッドの選択が所望の単一モー
ド動作を保証できないような点にモードが制限されるリ
スクがある。

実際、このことは、約ＬＯＯＭ）−１，の周波数で波長
の約１００倍の距離をカバーする弾性表面波測定手段に
導入される。測定手段のレンジの制限に対応する解析能
の減少は、曲げ応力の良好な利用により大部分補償する
ことができる。弾性表面波の伝播速度の変化はこの曲げ
応力に依存している。

（発明の課題） 本発明は、変形可能な構造体を具備する弾性表面波加速
度計であって、該構造体の一端部は固定され他端部は振
動源質量体を具備し、前記構造体は当該加速度計の感度
軸に対して垂直な対称面と平行な２つの測定面を有し、
前記測定面の各々が弾性表面波検出手段により支配され
る領域を有し、前記弾性表面波検出手段は測定すべき加
速度の前記感度軸に沿った成分により生じる曲げ応力を
検出すると共に発振器の同調周波数において動作し。

前記発振器は測定信号を発生する減算ミクサに接続され
、前記減算ミクサの周波数は前記成分方向の測定値を示
す弾性表面波加速度計において、前記変形可能な構造体
が、前記固定端から前記振動源質量体に延びており、か
つ、四部を包囲する２つのフレキシブルな板状部をｎｕ
記対称面の両側に有し、ｎｉｊ記測定面が前記対称面か
ら等距離にある前記板状部の表面により構成されること
を特徴とする弾性表面波加速度計を提供するものである
。

（発明の構成及び作用） 本発明によりカバーされる分野において、加速度計は、
張出しビームの曲げ応力により弾性表面波に作用する影
響に基づいている。典型的な構造によれば、ビームは、
一端が固定されがっ他端に振動源質量体を設けた圧電性
板状部材から成る。

加速度が板状部材と該板状部材のための支持の役割をす
るフレームとに加わり、かつ、加速度が該板状部材の２
つの主要面に対して垂直な測定軸に沿って作用するとき
、曲げ応力は弾性表面波測定手段によりこれらの主要面
に沿って検出される。

非限定であるが、前記弾性表面波測定手段は各主要面」
二に設けられた２つのインターディジタル型変換器によ
り形成される遅延線を具備し、該インターディジタル型
変換器は、弾性表面波を、主要面と加速度計の測定軸を
含む屈曲面との交差線に沿った方向に伝播させる。弾性
表面波はその経路に沿って曲は応力の影響を受ける。こ
の曲げ応力は固定点から一離れるにつれて強度が減少す
ると共に、面が変わると符号が変化する。板状部材の２
つの主要面上の遅延線を介して２つの発振器をループ化
する際、発振周波数は異符号の等価なシフトを受け、そ
の和は、発振器により発生される電気信号を減算ミクサ
に供給することによって知ることができる。

本発明の第１の見地によれば、曲げ応力を生ずる構造体
は、中央の凹部を平行に囲む一定厚さの２つの板状部材
を有する。この構造体は、厚さ２ｅの単一の板状部材を
主要面に平行な中央スロットにより２つのハーフに分割
することにより得られ、各ハーフは対向したまま他方と
互いに離間する。

この構造体は、捩り剛性をかなり増加させ、２つのタイ
プの構成、すなわち開放型もしくは非開放型のフレーム
構造体の各々における加速度８１の感度に対して有利で
ある。

第１図に示す加速度計は、厚さｅの２つの板状（ラメラ
）部６、ＩＯにより形成される非開放型（閉塞型）フレ
ーム構造体を有しており、板状部６．１０はその端部が
２つのポスト（柱状部）４．８によりそれぞれ連結され
ている。第１図の構造体は、内部に直方体状の四部７が
加工形成されている直方体状の石英ブロンクより得るこ
とができるが、これは特に本発明を限定するものではな
い。加工は、フレームの横方向部をなす板状部６．１０
の厚さがｅとなるように行なわれる。変形可能なフレー
ムのポスト４は２つのシム２．３により別のフレームエ
に固定される。シム２．３は図外の締伺は手段と協働す
る。シム３は、図示はしていないがフレーム１と同し構
成のフレーム上に設けられる。変形可能な構造体のボス
ト８はアセンブリピン１２を通す開口を有し、ピン１２
の突出端は２つの振動源質量体１１．１４中に仮着され
る。第１図では振動源質量体１１．１４は円柱状ピスト
ンの形状をしている。加速度測定軸である２方向に対し
て垂直な方向における振動源質量体１１．１４の動きは
、フレーム１により支持されるキャップ１３中に振動源
質量体１１．１４をセンタリングさせることにより制動
（ダンピング）される。キャップ１３はシリンダーの端
部としての役割をし、ここで可動ピストンである振動源
質量体１４により圧縮された流体は環状空間３８を介し
てフローパックする。この構成によって得られる粘性の
制動は、変形可能な構造体の共振点を引下げることを可
能にし、かつ、変位制限手段としての役割をする。制動
流体はピストンにより追い出される空気、あるいは環状
空間３９内に導入される粘性物質であって良い。振動源
質量体１４とフレーム１との間に、ラウドスピーカコイ
ルをセンタリングするための吊下型の連結部材を設ける
ことも可能であり、このようにすると、異なった方法で
変形可能な構造体の機械的共振を１緘衰させることが１
１丁能となる。第２図の説明をする前に、モノリシック
な変形ｔｉｆ能な構造体はシリカのごとき非圧電性物質
から切り出すことができ、該構造体はスペーサをなす２
つのポスｉ・４．８と結合される２つの板状部６．１ｏ
のアセンブリを具備することができることを指摘してお
く。変形可能な構造体を質量体にカットインするごとき
解決法は、不均一な熱膨張から生しる機械的応力を取除
く利点を有する。別々の７；ｌｉ材を結合して構成する
場合に、この利点を維持するためには、部材をカットす
る際、同一材料を使用する必要があり、材料が結晶質の
ときにはアセンブリの結晶配向をそろえる必要がある。

測定すべき加速度により変形可能な構造体中に生した機
械的応力の弾性表面波は、遅延線またはグリッド共振器
で発生する。

第１図では、変形可能な構造体を２つの磨き面５．９を
有する圧電性物質から形成し、該面５．９上にインター
ディジタル型変換器の形をなす電極が金属蒸着層の写真
食刻により形成されるようにしである。面５により支持
された変換器１８．１９はＸ軸方向に弾性表面波の伝播
遅延線を形成する。変換器２０．２１を用いた別の同様
な遅延線の外形は面９上にスケッチされ、この遅延線は
面９上の応力を検出するために使用される。増幅器１５
、遅延線１８．１９により、周波数ｆ１にて動作する＄
１の発振ループが形成される。一方、増幅器１６、遅延
線２０．２１により、周波数ｆ２にて動作する第２の発
振ループが形成される。−発振ループの外部端子３６３
７は減算ミクサ１７の入力に接続され、ｇ算ミクサ１７
の出力２２では測定信号が出力され、その周波数は測定
される加速度め２軸方自戒分を示している。

すくに分かることであるが、発振ループ間の好ましくな
カップリングは凹部７の存在により大幅に減少され、更
に四部７はその周囲を金属蒸着することによりシールド
材として使用することもできる。このように、２つの発
振ループは、一方が他方に影響を及ぼすことなく、非常
に近接した周波数にて動作させることができる。

次に応力検出モードについて第４図を参照して説明する
。第４図は、変形ｏｆ能な構造体が非開放型である場合
につき測定すべき加速度により生じる変形を少し誇張し
て示しである。同図において、点線は変形していない構
造体に対応し、実線は加速度によって変形した構造体に
対応す一′る。同図から分かるように、辺６．８、ｌＯ
はＳ字状の変形を受け、その結果、面５は左側が凸形状
、右側が門形状となる。面９ではこれと反対の状態とな
る。検出手段１８．１９．２０．２１は固定手段２．３
に近接して設けられ、検出手段１８〜２１を含む測定ゾ
ーンは長さＬを有し、面５の全長に亘って延びてはいな
い。面５中の応力が同一符号を維持している領域に前記
長さＬを制限することは有利である。

何故ならば、長さＬがより大きくなると、応力の符号変
化の結果、検出される全応力を集積する加速度計の感度
が減少するからである。弾性表面波の径路上の応力の平
均値は最適の感度を得るためには最も大きくなる必要が
ある。これは、フレー□ム型構造体の場合、構造体の張
出し長の一部のみの使用を意味する。

例えば、石英ブロックから成形された非開放型構造体は
Ｘ軸方向に２ｃｎ＋の長さ、ｚ軸方向に０．５ｃｍの高
さとなる。中央の四部７は１．４　ｃｍの長さを有し、
その高さは部材ｌＯ及び６の厚さｅが０．０８ｃｍとな
るように選択される。振動源質量体１１．１４は各ｌｏ
ｇの重さであり、変換器１８、Ｉ９は所望の伝送遅延を
確立するために数ｍｍＲ間して設けられる。

発振ループは約１００　ＭＨ，の周波数で動作する。

変形可能な構造体が非圧電性物質から形成されている場
合には、酸化亜鉛のごとき圧電性物質の被覆を測定面５
．９−ヒに設け、その後にインターディジタル型変換器
を前記被覆上に写真食刻しなければならない。

第２図は、本発明による弾性表面波加速度計の変形例を
示す等角図である。この変形例では、変形可能な構造体
は開放フレーム型であり、該フレームの枝部６．１０は
ポスト２３．２４により終結する。

構造体のフレームｌへの固定は、ウェブ２に板状部材２
５を１することにより確実に行なわれる。

２つのポスト２３．２４は図外の固定手段もしくは締伺
は手段により、板状部材２５を両側から諦伺けている。

ポスト２３．２４は板状部材２５に結合固定させること
もＯｆ能である。飲着型の変形可能な構造体は２つの枝
部を有するフォーク状であり、その自由端は振動源質量
体２７とリンクし、その結果、非開放型フレームの張出
しポストの場合のような反対方向のトルクを生じさせな
いで、゛該枝部を屈曲させる慣性が伝達される。振動＆
ｉ質量体２７は２つの、＝１・担な底を有する溝部２８
を具備し、この溝部２日内にはそれぞれ２９．３０が収
容されている。振動源質量体２７と枝部６．１０との間
の接触を維持するために、Ｗｉｌ＋定すべき加速度方向
がどの方向であろうと、変形ｏｆ能な構造体にプレスト
レス（元応力（ρｒｅｓｔｒｅｓｓ））を付与すること
が必要である。このため、部材２７．２９．３０により
構成されるスタックの高さが枝部６．１０のなす空間の
幅より大きくなるようする。スタックの挿入により枝部
を離間させ、振動源質量体２７の保持は、該質量体２７
を固定部２に連結する板材部材２６により確実に行なわ
れる。

板状部材２６を保持する曲げ剛性は、枝部６．１０の曲
げ剛性に比べて小さくなっている。２つの枝部６．１０
のアセンブリの曲げ剛性は、２倍の厚さを有する単一の
板状部材の曲げ剛性もしくは２つのポスＩ・と堅固に関
連する同様な枝部を用いた非開放型フレームの曲げ剛性
より小さくなっている。

このようにして第２図の装置の加速度感度をより良好に
することができる。なお、あらゆる状況下でローラ２８
．３０における接続を維持する必要があるのて、プレス
トレスは加速度測定範囲を制限する。

第５図は、８２図のごとき変形可能な構造体の場合の屈
曲変形を示す図である。プレストレス付与前のフォーク
状部材は符号３７により点線で示されている６部材２７
．２９．３０の挿入による影響のもとで、枝Ｂ１（６、
ｌＯは一点鎖線で示される位置となる。なお、同図では
プレストレスによる変形は少し誇張して示されている。

実線はＺ軸方向成分を有する加速度により生じる屈曲の
みによる変形を示す。

弾性表面波応力検出手段に関して、第２図には変形例と
して、反射グリッド３１．３２を具備する空洞が示しで
ある。グリッドのラインは機械加工もしくはイオン注入
により形成される。発振ループは、定常表面波を励起し
検出するだめの空洞３１．３２に設けられた２つの変換
器３３．３４と関連する増幅回路１５を有している。空
洞３１．３２は発振ループの発振周波数を機械的曲げ応
力の関数として固定化する。

第３図に示す変形例によれば、２つの枝部６．１０は等
価屈曲抵抗を具備する形状が付与されている。第３図の
平面図は、枝部１０の外形が固定部材２３の方向に向け
て広がっていることを示し、この広がった部分における
変形は一定の曲率半径を有する。上記広がった部分は、
枝部が一定の厚さを有するとき、一様な応力を有するよ
うになる。この変形例は、測定ゾーン３５内の検出手段
の位置決めがクリティカルでないので、より良好な感度
を得るために有利であり、より簡易な構成を導く。

等価抵抗の状態は決定しにくくなるが、第１図の変形可
能な構造体についても応力は一様化する。

第３図では、枝部６、ｌＯの重さを無視するならば、等
価抵抗が意味することは、上記広がった領域の端部が振
動源質量体２７の重力中心Ｏを通る２つの直線と交わる
ことである。

上述の装置により、良好な加速度測定感度が得られ、熱
ドリフＩ・に対しては比較的に不感性となる。このよう
にして、２つの屈曲型板状部材の等距離に対称的に設け
られた第１の表面を有し、測定軸Ｚに垂直に配向した２
段型の変形可能な構造体を得ることができる。この構造
体は測定軸２を含む屈曲面に関して対称的に形成され、
これにより更に対称性が増している。非開放型フレーム
による解決法は、その曲げ剛性が２つの板状部材の代わ
りに１つの板状部材を使用したときの曲げ剛性より小さ
いので、プレストレス問題を除去し、良好な感度をもた
らす。ポス］・の曲げ抵抗は高さの３乗に従って変化す
ることが知られている。

熱ドリフトに対する不感性を更に大きくするため、慣性
の補償に基づく測定法を使用することがＤｆ能である。

このために、慣性力と対抗する電気学的力を発生させ、
かつ、電子平衡回路に使用されると同じ帰環ルーズによ
り、加速度計出力２２に接続された周波数庄較回路の助
力により零変形を帷持することが保証される。第１図の
装置では、６丁動コイルを電気力学的力を形成するため
に振動源質量体１１．１４に付加させることができる。

この場合、キャップ１３はラウドスピーカマグネ・ント
の形を呈する。フレーム構造体の張出しにより、可動コ
イルの軸がＺ軸と平行のままになるように変位すること
が保証され、これはマグネットの空隙中にコイルを正確
にガイドすることを許容する。

振動源質量体として可動マグネ・ントを使用し、固定部
としてコイルを使用する、ｌ記とは逆の解決法は、一定
の電気接続を有する追加的利点となる。

電気力学的モータもしくは電磁モータの使用は、変形可
能な構造体の振動を電気的にダンピングさせることを可
能とし、場合によっては、適当な電気力学的ブレークに
よる過度の変位を防止する。

最後に、非開放型フレーム構造は、４つの弾性表面波応
力検出器の取付けに対して好適であることが指摘される
。これらのうちの２つの応力検出器は固定ボスト４の近
傍に第１図に示すように設けられ、他の２つの応力検出
器は自由ポスト８の近傍に設けられる。４つの発振器は
それぞれ対になるようにして設けられ、第１の減算ミク
サに接続される。第３の減算ミクサは第１の２つのミク
サからの信号を受取る。発振周波数は加速度に対する感
度を最大にするように選択され、熱的原因の周波数ドリ
フトを最大限減少させる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による加速度計の等角図、第２図は本発
明による加速度計の変形例の等角図、第３図は第１図及
び第２図の装置に適用可能な構成の詳細を示す図、第４
図及び第５図は本発明の実施例の構造体の屈曲変形を示
す図である。 ５．９・・・・・・・・・営測定面 ６、ｌＯ・・・・・・・・・板状部 １１．１４．２７・・・振動源質量体 １５．１６・・・・・・・・・発振器 １７・・・・・・・・・・・・・・・減算ミクサ特許出
願人 トムソンーセーエスエフ 特許出願代理人 弁理士　山木恵−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）変形可能な構造体を具備する弾性表面波加速度計
   であって、該構造体の一端部は固定され他端部は振動源
   質量体を具備し、前記構造体は当該加速度計の感度軸に
   対して垂直な対称面と平行な２つの測定面を有し、前記
   測定面の各々が弾性表面波検出手段により支配される領
   域を有し、前記弾性表面波検出手段は測定すべき加速度
   の前記感度軸に沿った成分により生じる曲げ応力を検出
   すると共に発振器の同調周波数において動作し、前記発
   振器は測定信号を発生する減算ミクサに接続され、前記
   減算ミクサの周波数は前記成分方向の測定値を示す弾性
   表面波加速度計において、前記変形可能な構造体が、前
   記固定端から前記振動源質量体に延びており、かつ、凹
   部を包囲する２つのフレキシブルな板状部を前記対称面
   の両側に有し。 前記測定面が前記対称面から等距離にある前記板状部の
   表面により構成されることを特徴とする弾性表面波加速
   度計。 （２）前記変形ｆＩ丁能な構造体が、前記フレキシブル
   な板状部の両端部がポストに連結されている非開放型フ
   レームである特許請求の範囲第１項記載の加速爪晶］。 （３）前記変形可能な構造体が、１１ノ記フレキシブル
   な根状部の端部の一つが固定部をなすポストに連結５れ
   ている開放型フレームである特許請求の範囲第１項記載
   の加速度計。 （４）　ｉｉｉ記振動源質量体が、前記フレキシブルな
   板状部の前記自由端間にプレストレスにより挿入される
   特許請求の範囲第３項記戦の加速度ル１゜（５）　ｉｉ
   Ｉ記振動源′ｅＪ、ｓ体がおもりど該おもりに形成され
   た平底溝に設けられた２つのローラとを有し、前記振動
   源ＩｅシＭ体が保持用ストリフプにより前記固定ポスト
   に連結される特許ｉ？（求の範囲ｆｆ５４項記載の加速
   度計。 （ｅ）　ｇｉｔ記固足固定ポスト心部旧を有し、該中心
   部材が前記フレームのウェブに装ノアされる特許請求の
   範囲第３項記戦の加速度計。 （７）前記ポストのうちの１つが固定ポス１であり、他
   のポストが前記振動源質量体のための支持部材としての
   役割をする特許請求の範囲第２項記載の加速度計。 （８）前記振動源質量体が、該振動源質量体を貫通する
   スピンドルにより自由端に連結された２つのおもりを有
   する特許請求の範囲第７項記載の加速度１（］。 （９）　ＭｉＪ記変形可能な構造体の自由端の変位を減
   速させるだめのタンピング手段をｄシけた特許請求の範
   囲第１項〜第８項のうちのいずれか一項に記載の加速度
   計。 （ＩＱ）Ｍｉｉ記変形可能な構造体の前記自由端に対し
   て、Ａｌ１１定すべき加速度により生ずる偵性に対向す
   る力を作用させる電気的に制御動作される手段を有し、
   制ｉｌ１手段が前記変形可能な構造体の変形を打消すよ
   うに電気的制御を保証する特許請求の範囲８１項〜第９
   項のうちのいずれか一項に記載の加速度計。 （１１）前記フレキシブルな板状部が前記固足部に向か
   って広がっているｆｊＪ１分を有し、該ｆｊｐ、分か等
   側面げ抵抗の条件を満足する＃Ｉ杵請求の範囲第１項〜
   第ｔｏ−’ＪＩＩのうちのいずれか１項に記載の加速度
   計。 （１２）前記弾性表面波測定手段が、インターディジタ
   ル型変換器の形をなす゛電極を有する遅延線、または′
   ｉ１！′気−機械変換器を設けたグリシドをイアする共
   振空洞である特許請求の範囲第１項〜第１１項のうちの
   いずれか１項に記載の加速度ス１゜（１３）前記弾性表
   面波測定手段が、前記変形可能な構造体の固定部の近傍
   に設けられると共に前記変化り能な構造体の自由端に延
   び、曲げ応力に対する感度を特徴とする特許請求の範囲
   第１項〜第１２項のうちのいずれか１項に記載の加速度
   計。