(57)【要約】【課題】            主感度方向（Ｘ軸方向）の出力を増大させると共に、主感度方向に直交するＹ軸方向の干渉は無くし、さらにＸ軸方向、Ｙ軸方向に直交するＺ軸方向の干渉（見掛け出力）を低減し、加速度の測定精度を大幅に向上させ、且つ構成の簡素化、小型化と共に安価な加速度計を提供する。【解決手段】        加速度計１は、ビーム状を呈する起歪体２の基端側を固定部３とし、中間に長手方向に直交するＹ方向に貫通するスリット５を形成して薄肉となした一対の起歪部４とし、先端側を重り部６とし、起歪部４の固定部３側に第１のひずみゲージを２枚、重り部側６に第２のひずみゲージ２枚をそれぞれ目標位置に添着する。第１のひずみゲージと第２のひずみゲージのゲージ長を異ならせ、Ｚ軸方向の干渉を低減乃至は相殺させる。【選択図】          図４
2014010021.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビーム状を呈する起歪体の長手方向における基端側を固定部とし、中間に前記長手方向に直交する方向に貫通するスリットを形成して薄肉となした一対の起歪部とし、先端側を重り部とし、前記起歪部に少なくとも４つのひずみゲージをそれぞれのゲージ軸を前記長手方向に向けて添着してなる加速度計であって、
前記スリットの中央を境界として、
ホイートストンブリッジ回路の一方の対辺に接続される複数の第１のひずみゲージおよび前記一方の対辺に隣接する他方の対辺に接続される複数の第２のひずみゲージを前記起歪部上の対称位置に、それぞれ添着し、
前記第１のひずみゲージと前記第２のひずみゲージの各々の抵抗値を全て等しく設定すると共に、前記第１のひずみゲージのグリッド長に対する前記第２のひずみゲージのグリッド長を異ならせ、前記ホイートストンブリッジ回路において、グリッドの主感度方向の出力を大きくし、主感度方向に直交する方向の出力を相殺し得るように、設定したことを特徴とする加速度計。
【請求項２】
前記第１のひずみゲージのグリッド長に対し前記第２のひずみゲージのグリッド長を長く形成したことを特徴とする請求項１に記載の加速度計。
【請求項３】
前記スリット中心に対し、所定間隔を隔てて前記起歪部の内面側を対称的に断面半円弧状に形成することでさらに二重アーチ状の起歪部を設け、前記スリットの中心から対称の前記半円弧状の薄肉部に対応する平面側に、複数の前記第１のひずみゲージおよび複数の前記第２のひずみゲージをそれぞれ添着してなることを特徴とする請求項１または２に記載の加速度計。
【請求項４】
前記起歪体に対し、前記重り部が主感度方向に変位する上下方向をＸ軸方向とし、
左右方向に変位する方向をＹ軸方向とし前後方向に変位する方向をＺ軸方向としたとき、重り部がＸ軸方向に変位したとき、前記第１のひずみゲージと前記第２のひずみゲージは、一方が圧縮ひずみ、他方が引張ひずみを受けるように変形して前記ホイートストンブリッジ回路の出力端に大きな出力をもたらし、重り部がＹ軸方向に変位したとき、前記第１のひずみゲージと前記第２のひずみゲージは、圧縮ひずみまたは引張ひずみを同様に受けるように変形して、前記ホイートストンブリッジ回路内で相殺されて実質的な出力はもたらさず、重り部がＺ軸方向に変位したとき、前記第１のひずみゲージと前記第２のひずみゲージは、圧縮ひずみまたは引張ひずみを同様に受けると共に、前記第１のひずみゲージと前記第２のひずみゲージのグリッド長を異ならせることによって、前記ホイートストンブリッジ回路内で相殺されて小さな出力をもたらすように、構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の加速度計。
【請求項５】
前記第１のひずみゲージは、所定間隔を隔てて形成された前記二重アーチ状の前記固定側の半円弧状の頂点に対応する平面側位置に、前記第１のひずみゲージの前記グリッド長の中心を合致させ、
前記第２のひずみゲージは、前記二重アーチ状の前記重り側の半円弧状の頂点に対応する平面側位置に、前記第２のひずみゲージのグリッド長の中心を合致させた状態で添着してなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の加速度計。
【請求項６】
前記第１のひずみゲージのグリッド長をｘとし、前記Ｚ方向の干渉度を半減するための前記第２のひずみゲージのグリッド長の上限許容値をｙ１とし、下限許容値をｙ２としたとき、前記第２のひずみゲージの前記グリッド長の許容範囲ｙは、次の条件式（１）、（２）、（３）：
（１）ｙ１＝０．０００７ｘ２＋０．５９５９ｘ＋１２０．０２
（２）ｙ２＝０．０００５ｘ２＋０．７２３ｘ＋６１．２１８
（３）ｙ２＜ｙ＜ｙ１
を満足することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の加速度計。
【請求項７】
前記第１のひずみゲージの前記グリッド長ｘは、１００μｍ〜４００μｍの範囲で設定することを特徴とする請求項６に記載の加速度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度計に係り、特に、被測定対象の構造物表面等に取付けられて使用される加速度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ひずみゲージを備えて構成される加速度計（加速度変換器とも称される）は、例えば、自動車等の移動体や航空機等の構造物の安全設計に必要な試験工程において、構造物の衝撃強度の測定や、発生する加速度波形の解析等を行うために多用されている。
なお、ひずみゲージでホイートストンブリッジ回路を構成する四辺の抵抗は、箔材式、線材式、スパッタゲージ式および拡散型半導体ゲージ式等で形成されており、これをグリッドと称している。
一般的な加速度計は、主要部が、固定部（従動部）と、起歪部と、重り（一般には、錘または重錘とも称されている）で構成されており、試験工程等における使用時には、構造物側に固定部を取着し、自由端である重りが従動部に対して相対変位して、起歪部にひずみを生じさせ、その起歪部に添着されたひずみゲージで構成されるホイートストンブリッジ回路から出力される信号を加速度信号として検出している。
【０００３】
この種の加速度変換器については、本件出願人は、先に、特許文献１（特開平７−１６７８８６号公報）に、
被測定対象に附随して一体的に運動する従動部に可撓部を介して重錘が支持され、前記従動部が加速度を受けたとき前記重錘がその従動部に対し相対変位するときのひずみをひずみゲージにより電気信号に変換して当該加速度の検出を行う方式の加速度変換器において、
矩形状断面を呈する梁の中間部に、相対する側周面の両側から一定深さのスリットをそれぞれ形成することで、基端側には剛性の大きな従動部を、先端側には剛性の大きな重錘部を、中間部には可撓性を有する可撓部を、それぞれ設けてなる片持梁と、
この片持梁の中間部に形成された一対のスリットを跨ぐようにして前記従動部と前記重錘部の前記両側周面にそれぞれ接合された薄肉で可撓性を有する１対の起歪板と、
この１対の起歪板のスリット側表層部にひずみを検出し得るようにしてそれぞれ添着された少なくとも１対のひずみゲージと、
を有し、前記重錘部に作用する加速度で前記片持梁が変形することによって前記起歪板に作用する引張・圧縮ひずみと、前記起歪板に作用する加速度で前記起歪板自体が変形することによって生ずる曲げひずみとを加えて前記１対のひずみゲージで検出し得るように構成した加速度変換器を提案した。
【０００４】
また、他の加速度変換器として、本件出願人は、特許文献２（特開平８−５６５６号公報）に、
被測定対象に附随して一体的に運動する従動部に可撓部を介して重錘が支持され、前記従動部が加速度を受けたとき前記重錘がその従動部に対し相対変位するときのひずみをひずみゲージにより電気信号に変換して当該加速度の検出を行う方式の加速度変換器において、
梁の中間部に、相対する側周面の両側から一定深さのスリットをそれぞれ形成することで、基端側には剛性の大きな従動部を、先端側には剛性の大きな重錘部を、中間部には可撓性を有する可撓部を、それぞれ設けてなる片持梁と、
この片持梁の中間部に形成された一対のスリットを跨ぐようにして前記従動部と前記重錘部の前記両側周面にそれぞれ接合された可撓性を有する薄膜からなる１対の補強膜と、
この１対の補強膜の反スリット側表面部にそれぞれ添着された薄肉の１対の絶縁膜と、
この１対の絶縁膜の反スリット側表面に添着形成されたひずみゲージと、
を有し、前記重錘部に作用する加速度で前記片持梁が変形することによって前記補強膜に作用する引張・圧縮ひずみを、前記１対のひずみゲージで検出し得るように構成した加速度変換器を提案した。
【０００５】
さらには、特許文献３（特開２００６−２９４８９２号公報）に、
半導体材料からなる固定部と、
前記半導体材料からなり、所定方向の加速度を受けて前記固定部に対して変位する変位部と、
前記半導体材料からなり、前記固定部と前記変位部とをそれぞれ接続し、かつ前記所定方向に並んで配置される複数の接続部であって、前記所定方向での幅より前記所定方向に垂直な方向での厚さが大きい断面形状を有する複数の接続部と、
前記複数の接続部に配置される複数の歪検出素子と、
を具備することを特徴とする一軸半導体加速度センサが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平７−１６７８８６号公報
【特許文献２】特開平８−５６５６号公報
【特許文献３】特開２００６−２９４８９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本願に係る発明者らは、上記特許文献１〜３の加速度変換器（加速度センサあるいは加速度計）について、本来の受感軸方向に対する加速度出力、即ち、ビーム状を呈する起歪体の重り部の上下方向の加速度成分による出力の他に、起歪体の横方向、即ち、左右方向および起歪体の前後方向に対する加速度出力が生じ、それが誤差となって本来の受感軸方向に対する加速度出力に誤差となって混入し、真の加速度の測定精度を低下させるという問題があることを、見出した。
従来、このような問題は、仕様上においては、単に誤差として許容していた。
しかしながら、本願に係る発明者は、その問題の原因を鋭意探求した結果、下記の原因により干渉が生じるものであることを解明した。
即ち、この原因を図１３を用いて説明する。
この図１３に示す加速度計は、本発明の基本的構成をなすものである。
例えば、加速度計５０が、断面矩形で長手方向に延びるビーム体５１であって、そのビーム体５１の被測定対象物に取着される基端側を固定部５２とし、中間に長手方向に直交する方向に貫通するスリット５３を形成して薄肉となして一対の起歪部５４とし、先端側を重り部５５とする。前記スリット５３の中心を境にして、長手方向に一定距離を離れた部分に２枚と、長手方向に直交する方向に一定距離を離れた部分に２枚の合計４枚のひずみゲージＧ１〜Ｇ４を添着してなるものとして、説明する。
【０００８】
先ず、第１の干渉の原因は、図１２の（ａ）に示すように固定側のひずみゲージＧ１、Ｇ３と重り部５６側のひずみゲージＧ２、Ｇ４とが離間されていることから、ひずみゲージＧ２、Ｇ４は、重り部５６の質量Ｍａのみを受けるのに対し、固定部５２側に添着されたひずみゲージＧ１、Ｇ３は、重り部５６の質量の他に、ひずみゲージＧ１、Ｇ３とひずみゲージＧ２、Ｇ４との間に存在する起歪部５４に相当する質量ｍａとが加わった分が加速度として受けるので、これら４枚のひずみゲージＧ１、Ｇ３、Ｇ２、Ｇ４をもってホイートストンブリッジ回路（以下、「ブリッジ回路」という）を組んでも、相殺されず、Ｚ軸方向の干渉成分が残る。
また、第２の干渉の原因は、図１３（ｂ）に示すように、質量ｍａによるモーメントが発生し、そのモーメントによるひずみを受け、このひずみ分は、ブリッジ回路によって相殺し得ないために、干渉値となるのである。
また、第３の干渉の原因は、質量Ｍａによる荷重で重り部５５が撓むことにより、モーメントが発生し、そのモーメントによる新たなひずみを生じる。このひずみは、複雑な挙動を示し、回路的に見掛け上の出力である干渉を消去することができない。
そこで、本発明の第１の目的とするところは、上記見掛け上の成分の減少乃至は除去を実現し、高精度な加速度計を提供することにある。
また、本発明の第２の目的とするところは、複雑な回路手段を用いることなく、構造が簡素で安価な加速度計を提供することにある。
また、本発明の第３の目的は、微小な加速度を検出可能であって、しかも超小型の加速度計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に係る加速度計は、上述した第１の目的および第２の目的を達成するために、
ビーム状を呈する起歪体の長手方向における基端側を固定部とし、中間に前記長手方向に直交する方向に貫通するスリットを形成して薄肉となした一対の起歪部とし、先端側を重り部とし、前記起歪部に少なくとも４つのひずみゲージをそれぞれのゲージ軸を前記長手方向に向けて添着してなる加速度計であって、
前記スリットの中央を境界として、
ホイートストンブリッジ回路の一方の対辺に接続される複数の第１のひずみゲージおよび前記一方の対辺に隣接する他方の対辺に接続される複数の第２のひずみゲージを前記起歪部上の対称位置に、それぞれ添着し、
前記第１のひずみゲージと前記第２のひずみゲージの各々の抵抗値を全て等しく設定すると共に、前記第１のひずみゲージのグリッド長に対する前記第２のひずみゲージのグリッド長を異ならせ、前記ホイートストンブリッジ回路において、グリッドの主感度方向の出力を大きくし、主感度方向に直交する方向の出力を相殺し得るように、設定したことを特徴としている。
【００１０】
請求項２に係る加速度計は、上記第１および第２の目的を達成するために、
前記第１のひずみゲージのグリッド長に対し前記第２のひずみゲージのグリッド長を長く形成したことを特徴としている。
請求項３に係る加速度計は、上記第１および第２の目的を達成するために、前記スリット中心に対し、所定間隔を隔てて前記起歪部の内面側を対称的に断面半円弧状に形成することで二重アーチ状の起歪部を設け、前記スリットの中心から対称の前記半円弧状の薄肉部に対応する平面側に、複数の前記第１のひずみゲージおよび前記第２のひずみゲージをそれぞれ添着してなることを特徴としている。
請求項４に係る加速度計は、上記第１および第２の目的を達成するために、前記起歪体に対し、前記重り部が主感度方向に変位する上下方向をＸ軸方向とし、
左右方向に変位する方向をＹ軸方向とし前後方向に変位する方向をＺ軸方向としたとき、重り部がＸ軸方向に変位したとき、前記第１のひずみゲージと前記第２のひずみゲージは、一方が圧縮ひずみ、他方が引張ひずみを受けるように変形して前記ホイートストンブリッジ回路の出力端に大きな出力をもたらし、重り部がＹ軸方向に変位したとき、前記第１のひずみゲージと前記第２のひずみゲージは、圧縮ひずみまたは引張ひずみを同様に受けるように変形して、前記ホイートストンブリッジ回路内で相殺されて実質的な出力はもたらさず、重り部がＺ軸方向に変位したとき、前記第１のひずみゲージと前記第２のひずみゲージは、圧縮ひずみまたは引張ひずみを同様に受けると共に、前記第１のひずみゲージと前記第２のひずみゲージのグリッド長を異ならせることによって、前記ホイートストンブリッジ回路内で相殺されて小さな出力をもたらすように、構成したことを特徴としている。
【００１１】
請求項５に係る加速度計は、上記第１および第２の目的を達成するために、前記第１のひずみゲージは、所定間隔を隔てて形成された前記二重アーチ状の前記固定側の半円弧状の頂点に対応する平面側位置に、前記第１のひずみゲージの前記グリッド長の中心を合致させ、
前記第２のひずみゲージは、前記二重アーチ状の前記重り側の半円弧状の頂点に対応する平面側位置に、前記第２のひずみゲージのグリッド長の中心を合致させた状態で添着してなることを特徴としている。
請求項６に係る加速度計は、上記第１および第２の目的を達成するために、前記第１のひずみゲージのグリッド長をｘとし、前記Ｚ方向の干渉度を半減するための前記第２のひずみゲージのグリッド長の上限許容値をｙ１とし、下限許容値をｙ２としたとき、前記第２のひずみゲージの前記グリッド長の許容範囲ｙは、次の条件式（１）、（２）、（３）：
（１）ｙ１＝０．０００７ｘ２＋０．５９５９ｘ＋１２０．０２
（２）ｙ２＝０．０００５ｘ２＋０．７２３ｘ＋６１．２１８
（３）ｙ２＜ｙ＜ｙ１
を満足することを特徴としている。
請求項７に係る加速度計は、上記第１〜第３の目的を達成するために、前記第１のひずみゲージの前記グリッド長ｘは、１００μｍ〜４００μｍの範囲で設定することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、ビーム状を呈する起歪体の長手方向における基端側を固定部とし、中間に前記長手方向に直交する方向に貫通するスリットを形成して薄肉となした一対の起歪部とし、先端側を重り部とし、前記起歪部に少なくとも４つのひずみゲージをそれぞれのゲージ軸を前記長手方向に向けて添着してなる加速度計であって、
前記スリットの中央を境界として、
ホイートストンブリッジ回路の一方の対辺に接続される複数の第１のひずみゲージおよび前記一方の対辺に隣接する他方の対辺に接続される複数の第２のひずみゲージを前記起歪部上の対称位置に、それぞれ添着し、
前記第１のひずみゲージと前記第２のひずみゲージの各々の抵抗値を全て等しく設定すると共に、前記第１のひずみゲージのグリッド長に対する前記第２のひずみゲージのグリッド長を異ならせ、前記ホイートストンブリッジ回路において、前記グリッドの主感度方向の出力を大きくし、主感度方向に直交する方向の出力を相殺し得るように、設定したことにより、主感度方向の出力を増大させると共に主感度方向に直交する方向、即ち横方向前後方向の見掛け出力を極力、出力させないようにして加速度の測定精度の大幅な向上を実現させ得ると共に、簡素な構成で安価な加速度計を提供することができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明によれば、前記第１のひずみゲージのグリッド長に対し前記第２のひずみゲージのグリッド長を長く形成したことにより、上記請求項１に記載の発明と同様の効果を奏する加速度計を提供することができる。
請求項３に記載の発明によれば、前記スリット中心に対し、所定間隔を隔てて前記起歪部の内面側を対称的に断面半円弧状に形成することでさらに二重アーチ状の起歪部を設け、前記スリットの中心から対称の前記半円弧状の薄肉部に対応する平面側に、複数の前記第１のひずみゲージおよび複数の前記第２のひずみゲージをそれぞれ添着したことにより、主感度方向の出力を増大させると共に、主感度方向に直交する横方向、前後方向の見掛け出力をより一層低減可能とし、加速度の測定精度をより一層向上させ得る加速度計を提供することができる。
【００１４】
請求項４に記載の発明によれば、
前記起歪体に対し、前記重り部が主感度方向に変位する上下方向をＸ軸方向とし、
左右方向に変位する方向をＹ軸方向とし前後方向に変位する方向をＺ軸方向としたとき、重り部がＸ軸方向に変位したとき、前記第１のひずみゲージと前記第２のひずみゲージは、一方が圧縮ひずみ、他方が引張ひずみを受けるように変形して前記ホイートストンブリッジ回路の出力端に大きな出力をもたらし、重り部がＹ軸方向に変位したとき、前記第１のひずみゲージと前記第２のひずみゲージは、圧縮ひずみまたは引張ひずみを同様に受けるように変形して、前記ホイートストンブリッジ回路内で相殺されて実質的な出力はもたらさず、重り部がＺ軸方向に変位したとき、前記第１のひずみゲージと前記第２のひずみゲージは、圧縮ひずみまたは引張ひずみを同様に受けると共に、前記第１のひずみゲージと前記第２のひずみゲージのグリッド長を異ならせることによって、前記ホイートストンブリッジ回路内で相殺されて小さな出力をもたらすように、構成したので、横方向の出力を相殺して見掛け出力をゼロとすると共に、特に、前後方向の見掛けひずみ出力を殆ど出力させないようにして、加速度の測定精度をさらに大幅に向上させ得る加速度計を提供すすることができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明によれば、前記第１のひずみゲージは、所定間隔を隔てて形成された前記二重アーチ状の前記固定側の半円弧状の頂点に対応する平面側位置に、前記第１のひずみゲージの前記グリッド長の中心を合致させ、
前記第２のひずみゲージは、前記二重アーチ状の前記重り側の半円弧状の頂点に対応する平面側位置に、前記第２のひずみゲージのグリッド長の中心を合致させた状態で添着してなることにより、主感度方向の出力を増大させると共に、主感度方向に直交する横方向、前後方向の見掛け出力をより適切に低減可能とし、加速度の測定精度をより一層向上させ得る加速度計を提供することができる。
請求項６に記載の発明によれば、
前記第１のひずみゲージのグリッド長をｘとし、前記Ｚ方向の干渉度を半減するための前記第２のひずみゲージのグリッド長の上限許容値をｙ１とし、下限許容値をｙ２としたとき、前記第２のひずみゲージの前記グリッド長の許容範囲ｙは、次の条件式（１）、（２）、（３）：
（１）ｙ１＝０．０００７ｘ２＋０．５９５９ｘ＋１２０．０２
（２）ｙ２＝０．０００５ｘ２＋０．７２３ｘ＋６１．２１８
（３）ｙ２＜ｙ＜ｙ１
を満足することにより、Ｚ方向の干渉度を半減以下とし得る第１のひずみゲージと第２のひずみゲージのグリッド長の関係を容易且つ正確に設定することができ、横方向の出力を相殺して見掛け出力をゼロとすると共に、特に、前後方向の見掛けひずみを殆ど出力させないようにして、加速度の測定精度をさらに大幅に向上させ得る加速度計を提供することができる。
【００１６】
請求項７に記載の発明によれば、
前記第１のひずみゲージの前記グリッド長は、１００μｍ〜４００μｍの範囲で設定することにより、上記効果に加え、微小な加速度を検出し得ると共に超小型の加速度計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る加速度計の主要部の構成を示すものであり、図１（ａ）は加速度計の外観構成を示す斜視図であり、図１（ｂ）は加速度計の一部を構成するホイートストンブリッジ（以下、単に「ブリッジ」と称する場合がある）の回路構成を示す回路図である。
【図２】図１に示す加速度計の主要部の構成を示すものであり、図２（ａ）は、平面図であり、図２（ｂ）は、左側面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る加速度計の形状が３次元空間内で印加される加速度の方向で変形する様子を誇張して示した説明図であり、図３（ａ）は主感度方向であるＸ軸方向の加速度、図３（ｂ）はＹ軸方向（左右方向）の加速度および図３（ｃ）はＺ軸方向（前後方向）の加速度が、それぞれ印加された時の、加速度計の変形状態を示す斜視図、平面図および左側面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る加速度計の要部を示すもので、図４（ａ）は、起歪体全体を描いてなる左側面図であり、図４（ｂ）はねその一部である起歪部の上半部を描いてなる部分拡大側面図である。
【図５】固定側に設置した第１のひずみゲージのグリッド長を２００μｍに固定し、重り側に設置した第２のひずみゲージのグリッド長を２００μｍ〜３００μｍの間で変えた場合における加速度計の定格出力と干渉出力との関係を示すグラフである。
【図６】重り側に設置した第２のひずみグリッド長を２００μｍに固定し、固定部側に設置した第１のひずみゲージのグリッド長を１００μｍ〜２００μｍの間で変えた場合における定格出力と干渉出力との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の一実施の形態に係る加速度計にＸ方向から１０００Ｇの加速度が印加された場合における起歪部の中心線〔図２（ａ）におけるラインＡ〕上のひずみ出力の特性を示すグラフである。
【図８】本発明の一実施例の形態に係る加速度計にＺ方向から１０００Ｇの加速度が印加された場合すにおける起歪部の中心線〔図２（ａ）におけるラインＡ〕上のひずみ出力の特性を示すグラフである。
【図９】本発明の他の実施の形態に係る加速度計にＸ方向から１０００Ｇの加速度が印加された場合における起歪部の中心線〔図２（ａ）におけるラインＡ〕上のひずみ出力の特性を示すグラフであり、図７のグラフとは起歪部に添着された第１のひずみゲージと第２のひずみゲージのグリッド長の長さが異なっている。
【図１０】本発明の他の実施の形態に係る加速度計にＺ方向から１０００Ｇの加速度が印加された場合における起歪部の中心線〔図２（ａ）におけるラインＡ〕上のひずみ出力の特性を示すグラフであり、図８のグラフとは、起歪部に添着された第１のひずみゲージと第２のひずみゲージのグリッド長の長さが異なっている。
【図１１】本発明のさらに他の実施の形態に係る加速度計において、Ｚ方向から１０００Ｇの加速度が印加された場合において、干渉度が０％を中心として、干渉度が＋０．０９％および−０．０９％を達成し得る固定側のひずみゲージと重り側のひずみゲージのグリッド長の組み合わせ例を連続して示すグラフである。
【図１２】加速度計に主感度方向であるＸ軸方向に対し直交する前後方向であるＺ軸方向に加速度が印加された場合におけるＸ軸方向成分に混入する原因を解析するための説明図で、図１２（ａ）は、固定側ひずみゲージの設置位置と重り側ひずみゲージの設置位置との間に加わる質量の大きさが異なることによる干渉原因を説明する側面図、図１２（ｂ）は、固定側ひずみゲージと重り側ひずみゲージとの間に存在する質量ｍａによりモーメントが発生することによる干渉原因を説明する側面図、図１２（ｃ）は、重り部の質量Ｍａにより重り部が撓むことによりモーメントが発生し、そのモーメントによる干渉原因を説明するための側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の加速度計の実施の形態について、順に、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る加速度計の主要部の概略構成を示すものであり、このうち、図１（ａ）は、加速度計の外観構成を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、加速度計の一部を構成するホイートストンブリッジの回路構成を示す回路図である。図２は、図１（ａ）に示す加速度計の具体的構成を示すもので、図２（ａ）は、平面図、図２（ｂ）は左側面図である。
図３は、本発明の第１の実施の形態に係る加速度計の形状が３次元空間内で印加される加速度の方向で変形する様子を示した説明図であり、このうち、図３（ａ）は、主感度方向であるＸ軸方向の加速度、図３（ｂ）は、Ｙ軸方向（左右方向）の加速度および図３（ｃ）は、Ｚ軸方向（前後方向）の加速度が、それぞれ印加された時の、加速度計の変形状態を誇張してそれぞれ示す斜視図、平面図および左側面図である。
図４は、本発明の第１の実施の形態に係る加速度計の上側の起歪部の構成を拡大して示す部分左側面図である。
【００１９】
図１、図２、図３および図４において、２は、断面矩形ビーム状を呈する起歪体であり、この起歪体２の長手方向（図１〜図４における左右方向）における基端側（図１〜図４における左端側）を固定部３とし、中間に長手方向に直交する方向（図１〜図４において紙面に直交する方向）に貫通する矩形状のスリット５を形成して薄肉となして一対の起歪部４とし、先端側（図１〜図４において右端側）を重り部６とし、一対の起歪部４、４のうち一方（図５の上部）の平面部に、４つのひずみゲージＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４を、そのゲージ軸を長手方向に向けて添着して、加速度計１が構成されている。
この起歪体２のスリット５の中心線５ａに対し、所定間隔（この例においては、０．６ｍｍ）を隔てて、起歪部４の内面側に断面半円弧部５ｂと５ｃを形成することで、中間に突出部５ｄを残して二重アーチ状の起歪部４を設けてある。
この加速度計１に作用する方向として、例えば、図３（ａ）において、重り部６が主感度方向に変位する上下方向をＸ軸方向とし、上記Ｘ軸方向に直交する左右方向に変位する方向をＹ軸方向とし、さらに、上記Ｘ軸方向およびＹ軸方向に共に直交する前後方向に変位する方向をＺ軸方向とする。
【００２０】
４つのひずみゲージＧ１〜Ｇ４のうち、図１（ｂ）に示す、ホイートストンブリッジ回路（以下、「ブリッジ回路」と略称することがある）の一方の対辺に接続される一対の第１のひずみゲージとしてのひずみゲージＧ１とＧ３は、スリット５の中心線５ａ（図２、図４参照）を境界として、且つラインＡに対称に固定部３側に接着、スパッタリング、蒸着等の手段で添着されている。
一方、ブリッジ回路の一方の対辺に隣接する他方の対辺に接続される一対の第２のひずみゲージとしてのひずみゲージＧ２とＧ４は、スリット５の中心線を境として、重り部６側の対称位置で且つラインＡにそれぞれ対称位置に同様に添着されている。
この第１の実施の形態に係る加速度計１は、第１のひずみゲージＧ１とＧ３と、第２のひずみゲージＧ２とＧ４とは、スリット５の中心線５ａを境にして、同一の距離に設置されるが、第１のひずみゲージＧ１とＧ３のグリッドのグリッド長に対し、第２のひずみゲージＧ２とＧ４の方が所定長だけ長く設定してある。
但し、ブリッジ回路を形成するひずみゲージＧ１の抵抗値Ｒ１、ひずみゲージＧ２の抵抗値Ｒ２、ひずみゲージＧ３の抵抗値Ｒ３、ひずみゲージＧ４の抵抗値Ｒ４は、すべて等しく設定してある。
尚、本明細書において、グリッド長と称しているが、一般に、ゲージ長、ゲージ長さ、あるいはひずみゲージ長さ、等と称されてもおり、添付図面においては、そのように記載している場合もある。
【００２１】
このひずみゲージＧ１のグリッドの一端は、配線パターンを介して、＋側の入力端であるゲージタブ９Ｒに接続され、他端は、配線パターンを介して−側の出力端であるゲージタブ９Ｗに接続されている。
ひずみゲージＧ２のグリッドの一端は、配線パターンを介して−側の入力端であるゲージタブ９Ｂに接続され、他端は、配線パターンを介して−側の出力端であるゲージタブ９Ｗに接続されている。
ひずみゲージＧ３のグリッドの一端は、配線パターンを介して、−側の入力端であるゲージタブ９Ｂに接続され、他端は、配線パターンを介して、＋側の出力端であるゲージタブ９Ｇに接続されている。
ひずみゲージＧ４のグリッドの一端は、配線パターンを介して＋側の入力端であるゲージタブ９Ｒに接続され、他端は、配線パターンを介して＋側の出力端であるゲージタブ９Ｇに接続されている。
このような構成をもって、図１（ｂ）に示すようなブリッジ回路が形成されている。
即ち、ゲージタブ９Ｒに＋のブリッジ電圧Ｅｉｎを印加し、ゲージタブ９Ｂに−のブリッジ電圧を印加すると、ブリッジ回路を構成するひずみゲージＧ１〜Ｇ４が加速度に基づくひずみを受けて、それぞれの抵抗値Ｒ１〜Ｒ４が変化し、その変化に基づく出力電圧Ｅｏｕｔが、グリッド９Ｇ（＋端子）とグリッド９Ｗ（−端子）から、出力されることになる。
【００２２】
ここで、第１のひずみゲージとしての一対のひずみゲージＧ１とＧ３は、スリット５の中心線５ａから固定部３側の所定の距離に並列状にラインＡ〔図２（ａ）参照〕上に対称に設置されており、図３（ａ）に示すように、Ｘ軸方向に加速度を受けて重り部６が相対的に変位し、引張りひずみを受けると、共に、その抵抗値Ｒ１とＲ３は、増大することになる。
また、第２のひずみゲージとしての一対のひずみゲージＧ２とＧ４は、スリット５の中心線５ａから重り部６側の対称位置に並列状に設置されており、図３（ａ）に示すようにＸ軸方向の加速度を受けて重り部６が相対的に変位し、圧縮ひずみをうけると、共にその抵抗値Ｒ２とＲ４は減小することになる。
この第１のひずみゲージＧ１とＧ３は、上述したように、ブリッジ回路の一方の対辺に回路接続されており、第２のひずみゲージＧ２とＧ４は、一方の対辺に隣接する他方の対辺に回路接続されているので、ブリッジ回路の出力端であるゲージタブ９Ｇと９Ｗの間からは、印加された加速度に対応した大きなひずみ出力が得られることになる。
【００２３】
即ち、加速度がＸ軸方向（主感度方向）に印加されたときのブリッジ回路から出力されるひずみ出力をＥｏｕｔ（Ｘ）とし、各ひずみゲージＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４の無負荷時の抵抗値をＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４とし、加速度が負荷されたときのそれぞれの抵抗値変化を、ΔＲ１、ΔＲ２、ΔＲ３、ΔＲ４としたときの加速度計１の出力Ｅｏｕｔ（Ｘ）は、下記（１）式で表せる。
Ｅout（X）＝１／４（ΔR1/R1−ΔR2/R2＋ΔR3/R3−ΔR4/R4）Ｅin    ・・・（１）
また、このＸ軸方向に対して９０度だけ回転したＹ軸方向（左右方向）については、図３（ｂ）に示すように重り部６の重心に対してひずみゲージＧ１とＧ３およびひずみゲージＲ２とＲ４が互いに対称であり、その抵抗値変化ΔＲ１とΔＲ３およびΔＲ２とΔＲ４とがブリッジ回路上で相殺されるため、見掛けの加速度は検出されない。即ち、この場合のひずみ出力Ｅｏｕｔ（Ｙ）は、下記の（２）式で示される。
Ｅout（Ｙ）＝１／４(ΔR1/R1−ΔR2/R2＋(−ΔR1/R1)−(−ΔR2/R2))Ｅin＝０（２）
さらに、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に対して９０度だけ回転したＺ軸方向（図３（ｃ））に加速度が印加された場合、図１２（ａ）を用いて説明したように、そのひずみ出力Ｅｏｕｔ（Ｚ）は、ひずみゲージＲ１とひずみゲージＲが、重り部６の質量Ｍａと起歪部４の質量ｍａに対応する加速度を検出するため、起歪部４の重さ（より詳しくは、第１のひずみゲージＧ１、Ｇ３の設置位置から第２のひずみゲージＧ２、Ｇ４までの間の起歪部４の質量ｍａ）に対応する加速度分に対応する抵抗値変化分αが見掛けの加速度として検出される。即ち、この場合のひずみ出力Ｅｏｕｔ（Ｚ）は、下記の（３）式で示される。
【００２４】
Ｅout（Ｚ）＝１／４(ΔR1/R1＋α/R1−ΔR1/R1＋ΔR1/R1＋α/R1−ΔR1/R1))Ｅin
＝１／４(２α/R1)Ｅin    ・・・（３）
しかしながら、Ｚ軸方向に加速度が印加された場合、図１２（ａ）を用いて説明したように、上記（３）式は、質量Ｍａと質量ｍａが荷重成分として、作用した場合の干渉出力に対応するに過ぎない。
即ち、Ｚ軸方向に加速度が印加された場合の干渉として、図１２（ｂ）に示すように、質量ｍａによりモーメントが発生し、そのモーメントによるひずみ成分が干渉原因として存在するだけでなく、さらにまた、図１２（ｃ）に示すように、質量Ｍａの重り部５５によりモーメントが発生し、そのモーメントによるひずみ成分も干渉原因として混在する。
即ち、第１の実施の形態における加速度に対するひずみ出力として、図３（ａ）に示すように、Ｘ軸方向（主感度方向）に加速度が印加されたときの出力Ｅｏｕｔ（Ｘ）は、Ｘ軸方向に印加される加速度に対応した大きな出力が得られる。
また、図３（ｂ）に示すような主感度方向に直交するＹ軸方向に加速度が印加されたときの主力Ｅｏｕｔ（Ｙ）は、ブリッジ回路で相殺されて、出力は０となり、Ｙ軸方向の見掛け加速度は、検出されないことになる。
【００２５】
然しながら、図３（ｃ）に示すように、主感度方向であるＸ軸方向に直交すると共に、Ｙ軸方向にも直交するＺ軸方向に加速度が印加されたときの出力Ｅｏｕｔ（Ｚ）は、ブリッジ回路では、何らの対策も施されない限り、見掛け加速度として、検出され、これが加速度に対応するひずみ出力の誤差として混入し、検出精度を低下させることになる。
ここで、具体的な数値実施例１について説明する。
図２に示すように、起歪体２の全長（Ｚ軸方向）を１０ｍｍ、全高（Ｘ軸方向）を５ｍｍ、奥行（Ｙ軸方向）を５ｍｍ、スリット５の幅を１．４ｍｍ（四隅の円弧半径を０．２ｍｍ）、起歪部４の板厚を０．２ｍｍ、固定部３の基端（左端）からスリット５の中心線５ａまでの距離を６．５ｍｍとし、起歪体２の材質をステンレス（ＳＵＳ６３０−Ｈ９００）とする。
このようなひずみゲージＧ１とＧ３およびＧ２とＧ４を、起歪部４のスリット５の中心線５ａを境として、固定部３側および重り部６側に０．６ｍｍずつ離れた目標位置に、それぞれ添着するものとし、この場合、スパッタゲージの目標位置からのずれ量を０とする。
【００２６】
下記表１は、上記数値実施例において、固定部３側の第１のひずみゲージＧ１、Ｇ３のグリッド長を２００μｍに固定し、重り部６側の第２のひずみゲージＧ２、Ｇ４のグリッド長を１０μｍとびに３００μｍまで変化させた場合の加速度計であって、Ｘ方向に１０００Ｇの加速度を印加させたときの定格出力（１／４・ＫＥｉｎ×１０−６ひずみ）と、Ｚ方向に１０００Ｇの加速度を印加させたときの干渉出力（１／４・ＫＥｉｎ×１０−６ひずみ）と、干渉度（％）と、第１のひずみゲージＧ１およびＧ３によって検出されるひずみ量ε１およびε３と、第２のひずみゲージＧ２およびＧ４によって検出されるひずみ量をε２およびε３の値を示すものである。
【００２７】
【表１】
2014010021.tif 000003
【００２８】
この表１によって求められた値を基にして定格出力と干渉出力の関係を示したものが図５である。
この図５から分かることは、定格出力があまり低下せず、干渉出力が０となる設定条件として、第１のひずみゲージＧ１、Ｇ３のグリッド長が２００μｍとして、第２のひずみゲージＧ２、Ｇ４のグリッド長が２４５μｍのときであり、干渉が完全に防止されている。
もっとも、干渉が０でなくても、例えば、固定部３側の第１のひずみゲージＧ１、Ｇ３と、重り部６側の第２のひずみゲージＧ２、Ｇ４とが同じグリッド長（共に２００μｍ）のときの干渉度が−０．２０であるので、この干渉度の５０％の干渉度でも実用上問題ない場合には、第２のひずみゲージＧ２、Ｇ４のグリッド長は、２３０μｍ〜２６０μｍの範囲のものを使用すれば、よいことになる。
また、第２の実施の形態として、重り部６側の第２のひずみゲージＧ２、Ｇ４のグリッド長は、一定とし、固定部３側の第１のひずみゲージＧ１、Ｇ３のグリッド長を変更調整する数値実施例２について説明する。
下記表２は、加速度計の重り部６側の第２のひずみゲージＧ２、Ｇ４のグリッド長を一定とし、固定部３側の第１のひずみゲージＧ１、Ｇ３のグリッド長を１００μｍ〜２００μｍの範囲に亘って１０μｍ毎に、Ｘ方向に１０００Ｇの加速度を印加したときの定格出力（１／４・ＫＥｉｎ×１０−６ひずみ）と、Ｚ方向に１０００Ｇの加速度を印加したときの干渉出力（１／４・ＫＥｉｎ×１０−６ひずみ）と、干渉度（％）、第１のひずみゲージＧ１、Ｇ４の出力ひずみε１、ε３（×１０６ひずみ）の値の一覧を示すものである。
【００２９】
【表２】
2014010021.tif 000004
【００３０】
この表２から分かることは、第２のひずみゲージＧ２、Ｇ４のグリッド長が２００μｍとして、第１のひずみゲージＧ１、Ｇ３のグリッド長が１４８μｍのものを組合わせ使用したとき、干渉度が０％の加速度計を得ることができる、ということである。
図６は、上記表２のデータを基にして固定部３側の第１のひずみゲージＧ１、Ｇ３のグリッド長を変えた場合の干渉出力と定格出力の関係を示すグラフである。
表２および図６からも分かるように、固定部３側のひずみゲージのグリッド長を１２０μｍ〜１７０μｍに調整すれば、グリッド長が２００μｍのときと比べて、干渉出力を半減することができる。
このように、重り部６側のひずみゲージＧ２、Ｇ３のグリッド長が任意の長さの場合でも、固定部３側のひずみゲージＧ１、Ｇ３のグリッド長を変更調整することで、干渉出力を、上記のように無くすことができる。
次に、ひずみゲージのグリッド長を調整することによって、干渉出力を軽減乃至は除去し得ることの根拠を以下に考察する。
【００３１】
図７は、本発明に係る加速度計にＸ方向から１０００Ｇの加速度が印加された場合における起歪部４のラインＡ〔図２（ａ）参照〕上のスリット５の中心線５ａを基準点０として−０．７ｍｍ〜＋０．７ｍｍの範囲におけるひずみ分布を示すグラフである。
図８は、同加速度計にＺ方向から１０００Ｇの加速度が印加された場合における起歪部４のラインＡ上のスリット５の中心線５ａを基準点として、−０．７ｍｍ〜＋０．７ｍｍの範囲におけるひずみ分布を示すグラフである。
この図７および図８においては、固定部３側のグリッド長２００μｍの第１のひずみゲージＧ１、Ｇ３の中心が、基準位置から−０．３ｍｍの部位に添着され、一方、重り部６側のグリッド長２４５μｍの第２のひずみゲージＧ２、Ｇ４が基準位置から＋０．３ｍｍの部位に添着されている。これは、表１の計算結果により求められたグリッド長２４５μｍを根拠としたものである。
この数値実施例に関しては、第１のひずみゲージＧ１、Ｇ３のひずみ出力ε１、ε３、第２のひずみゲージＧ２、Ｇ４のひずみ出力ε２、ε４の値およびＸ方向加速度時ひずみの値、即ちε１−ε２＋ε３−ε４の値が下記の表３に記載されており、Ｘ方向加速度時には、高いひずみ、即ち、４２６．７１×１０−６ひずみが検出されていることが分かる。
【００３２】
【表３】
2014010021.tif 000005
【００３３】
図８は、加速度計にＺ方向から１０００Ｇの加速度が印加された場合における起歪部４のラインＡ上のスリット５の中心線５ａを基準点として−０．７ｍｍ〜＋０．７ｍｍの範囲におけるひずみ分布を示すグラフである。
図８に示すように、Ｚ方向に１０００Ｇの加速度が印加された場合における第１のひずみゲージＧ１、Ｇ３のひずみε１、ε３、第２のひずみゲージＧ２、Ｇ４のひずみε２、ε４および合計ひずみε１−ε２＋ε３−ε４の値が、表４に示す通りである。
【００３４】
【表４】
2014010021.tif 000006
【００３５】
この表４から分かることは、合計ひずみε１−ε２＋ε３−ε４の値が、−０．０１と極めて小さい、干渉しか出力されていないことである。
これは、第２のひずみゲージＧ２、Ｇ４のグリッド長が２４５μｍと第１のひずみゲージＧ１、Ｇ３のグリッド長２００μｍに対して、長いことから第１のひずみゲージＧ１、Ｇ３より長い領域のひずみが平均化されることによりＺ方向の加速度成分が相殺されて干渉出力が殆ど出力されなくなったものである。
同様に、図９および図１０は、加速度計にＸ方向およびＺ方向から１０００Ｇの加速度が印加された場合における起歪部４のラインＡ〔図２（ａ）参照〕上のスリット中心線５ａを基準点（０点）として、−０．７ｍｍ〜＋０．７ｍｍの範囲におけるひずみ分布を示すグラフである。
この図９および図１０においては、グリッド長１４８μｍ固定部３側の第１のひずみゲージＧ１、Ｇ３の中心が基準位置から−０．３ｍｍの部位に添着され、一方、重り部６側のグリッド長２００μｍの第２のひずみゲージＧ２、Ｇ４が基準位置から０．３ｍｍの部位に添着されている。
【００３６】
これは、表２の計算結果により求められたグリッド長１４８μｍのもの、即ち、重り部６側のひずみゲージＧ２、Ｇ４のグリッド長２００μｍより固定部３側のひずみゲージＧ１、Ｇ３のグリッド長を短く設定したものである。
この結果、Ｘ方向に１０００Ｇの加速度が印加された場合のひずみ、即ち、総ひずみは、表５に示されるように、ε１−ε２＋ε３−ε４＝４３６．８９と大きなひずみ出力が得られる。
【００３７】
【表５】
2014010021.tif 000007
【００３８】
これに対し、Ｚ方向に１０００Ｇの加速度が印加された場合のＺ方向加速時のひずみは、表６に示されるように、
ε１−ε２＋ε３−ε４＝０．００
となり干渉が０となる。
【００３９】
【表６】
2014010021.tif 000008
【００４０】
これも固定部３側のひずみゲージＧ１、Ｇ３のグリッド長１４８μｍと重り部６側のひずみゲージＧ２、Ｇ４のグリッド長２００μｍのひずみ検出が平均化され、且つ相殺されて干渉が消失されたものと考えられる。
ひずみゲージのグリッド長を１００μｍ〜４００μｍの範囲につき、固定部３側と重り部６側のそれぞれのひずみゲージのグリッド長を調整して、干渉度が０％となる組合わせ例と、共にグリッド長が１００μｍのグリッド長の組み合わせ時における干渉度が−０．１８６％であったことから、この干渉度を半減化する干渉度−０．０９％の場合と、干渉度０．０９％の場合の組み合わせ例を、表７に示す。
【００４１】
【表７】
2014010021.tif 000009
【００４２】
この表７の組み合わせ例をグラフ化したものが図１１である。
図１１は、横軸に固定部６側ひずみゲージのグリッド長（μｍ）をとり、縦軸に重り部６側のひずみゲージのグリッド長（μｍ）をとって、干渉度０％の線分を中心として、干渉度−０．０９％の線分と、干渉度０．０９％の線分を併せて表示してなるものである。
ここで、第１のひずみゲージのグリッド長をｘとし、Ｚ軸方向の干渉度を半減するための第２のひずみゲージのグリッド長の上限許容値をｙ１とし、下限許容値をｙ２としたとき、前記第２のひずみゲージの前記グリッド長の許容範囲ｙは、次の条件式（１）、（２）、（３）：
（１）ｙ１＝０．０００７ｘ２＋０．５９５９ｘ＋１２０．０２
（２）ｙ２＝０．０００５ｘ２＋０．７２３ｘ＋６１．２１８
（３）ｙ２＜ｙ＜ｙ１
を満足すればよい。
このように、第１のひずみゲージのグリッド長と、第２のひずみゲージのグリッド長の組み合わせを設定することにより、干渉度を０％としたり、干渉度を半減化し得る加速度計を適切に提供することができる。
【００４３】
尚、本実施例では、第１のひずみゲージのグリッド長ｘは、１００μｍ〜４００μｍの範囲を例示したが、この範囲に限定されるものではなく、同様の根拠のもとに、それ以上またはそれ以下のグリッド長のものに適用可能である。
尚、本発明は、上述し且つ図示した実施の形態に何ら限定されるものではなく、種々に変形して実施することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１    加速度計
２    起歪体
３    固定部
４    起歪部
５    スリット
５ａ    スリットの中心線
６    重り部
９Ｒ、９Ｗ、９Ｂ、９Ｇ    ゲージタブ
５ｂ、５ｃ    半円弧部
５ｄ    突出部
Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４    ゲージ
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４    抵抗値
【図１】
2014010021.tif 000010
【図２】
2014010021.tif 000011
【図３】
2014010021.tif 000012
【図４】
2014010021.tif 000013
【図６】
2014010021.tif 000014
【図１２】
2014010021.tif 000015
【図５】
2014010021.tif 000016
【図７】
2014010021.tif 000017
【図８】
2014010021.tif 000018
【図９】
2014010021.tif 000019
【図１０】
2014010021.tif 000020
【図１１】
2014010021.tif 000021