(57)【要約】アサーマルオープンループハングマス加速度計は、長手方向軸に沿った本体温度勾配に応答した本体によるあらゆる成長が、等しく、かつ、逆方向のセンサヘッドの成長によって相殺されるように、センサヘッドの熱膨張係数（CTE）を構成しており、温度勾配の影響をゼロ化する。多くの構成において、センサヘッドのCTEは、本体のCTEより厳密に小さく、かつ、典型的には本体のCTEの６０−８０％の間であり、予測される本体温度勾配の影響をゼロ化する。
2019514018.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハングマス加速度計であって、
長手方向軸に沿って方向付けられた内部キャビティを有する本体であり、有効な本体の熱膨張率（ＣＴＥ）を有する１つまたはそれ以上の材料で形成されている、本体と、
前記内部キャビティの相対する端部に取り付けられた第１フレクシャおよび第２フレクシャであり、前記長手方向軸に沿って柔軟である、第１フレクシャおよび第２フレクシャと、
内部キャビティの内側で、前記第１フレクシャおよび前記第２フレクシャとの間に吊り下げられるプルーフマスであり、前記長手方向軸に沿ってオープンループで移動することができる、プルーフマスと、
前記長手方向軸に沿って前記内部キャビティの相対する端部において前記本体に取り付けられた第１センサヘッドおよび第２センサヘッドであり、
前記第１センサヘッドおよび前記第２センサヘッドは、前記プルーフマスが前記長手方向軸に沿って移動すると反対方向に増加および減少する距離ｄ１および距離ｄ２に置かれており、
前記第１センサヘッドおよび前記第２センサヘッドのそれぞれは、交替駆動信号に応じて振動第１磁界を生成する基準コイルを有しており、該第１磁界は、前記プルーフマスにおいて渦電流を誘導し、該渦電流は、前記基準コイルによって生成された前記第１磁界に抵抗する相対する第２磁界を生成し、
前記基準コイルと前記プルーフマスとの間の距離のあらゆる変化は、前記交替駆動信号に対して差動的な交替を生成する磁界相互作用における変化を生じさせる、
第１センサヘッドおよび第２センサヘッドと、
を含み、
前記第１センサヘッドおよび前記第２センサヘッドは、前記長手方向軸に沿ったセンサヘッドの成長が、前記長手方向軸に沿った前記本体の成長と概ね等しく、かつ、反対方向であるように、有効な第１のＣＴＥおよび有効な第２のＣＴＥを有する１つまたはそれ以上の材料から形成されており、前記長手方向軸に沿って予測される本体温度勾配に応じて、前記交替駆動信号における影響を概ねゼロ化する、
ハングマス加速度計。
【請求項２】
前記第１センサヘッドの前記有効な第１のＣＴＥおよび前記第２センサヘッドの前記有効な第２のＣＴＥは、前記第１センサヘッドおよび前記第２センサヘッドと前記本体の幾何学的形状、前記本体のＣＴＥ、および、前記予測される本体温度勾配に基づいて構成されている、
請求項１に記載のハングマス加速度計。
【請求項３】
前記第１センサヘッドの前記有効な第１のＣＴＥおよび前記第２センサヘッドの前記有効な第２のＣＴＥは、それぞれ前記有効な本体のＣＴＥより小さい、
請求項１に記載のハングマス加速度計。
【請求項４】
前記第１センサヘッドの前記有効な第１のＣＴＥおよび前記第２センサヘッドの前記有効な第２のＣＴＥは、前記有効な本体のＣＴＥの６０％から８０％の間である、
請求項１に記載のハングマス加速度計。
【請求項５】
０．５×ＬＢ＜ＬＳ＜ＬＢであり、
ＬＢは、前記センサヘッドの取り付け点から前記プルーフマスの中心線までの前記本体の長さであり、かつ、
ＬＳは、前記センサヘッドの前記取り付け点からの前記センサヘッドの長さであり、
前記プルーフマスは、前記第１フレクシャおよび前記第２フレクシャによって前記本体から熱的に隔離されている、
請求項４に記載のハングマス加速度計。
【請求項６】
前記プルーフマスは、少なくとも０．０１ｋｇの質量を有し、かつ、
前記予測される本体温度勾配が１ケルビンより小さい環境において、測定される加速度は、１０μＧより小さいバイアス、および、１０ピーピーエムのスケールファクタ誤差を有する、
請求項１に記載のハングマス加速度計。
【請求項７】
前記予測される本体温度勾配は、前記プルーフマスに関して非対称であり、
前記有効な第１のＣＴＥおよび前記有効な第２のＣＴＥは、異なるものである、
請求項１に記載のハングマス加速度計。
【請求項８】
前記本体と、前記第１フレクシャおよび前記第２フレクシャと、前記プルーフマスとは、金属の単一ピースから一体的に形成されている、
請求項１に記載のハングマス加速度計。
【請求項９】
前記第１フレクシャおよび前記第２フレクシャと、前記プルーフマスとは、矩形のフットプリントを有する、
請求項１に記載のハングマス加速度計。
【請求項１０】
前記ハングマス加速度計は、さらに、
加速度計の前記本体と同じ材料で形成され、かつ、前記加速度計の取り付け面を形成するために前記加速度計の前記本体に対して取り付けられている、取り付けプレート、を含む、
請求項１に記載のハングマス加速度計。
【請求項１１】
前記ハングマス加速度計は、さらに、
電子回路を有し、該電子回路は、
前記交替駆動信号を生成する発振器と、
前記軸に沿った前記プルーフマスの変位に比例した出力を提供するために、前記第１センサヘッドおよび前記第２センサヘッドからの変更された駆動信号を比較するように構成されている第１電子回路と、
前記プルーフマスの質量と、前記第１フレクシャおよび前記第２フレクシャのアセンブリの剛性とを用いて、前記出力を前記本体の測定された加速度へ変換する第２電子回路と、
を含む、
請求項１に記載のハングマス加速度計。
【請求項１２】
ハングマス加速度計であって、
長手方向軸に沿って方向付けられた内部キャビティを有する本体であり、有効な本体の熱膨張率（ＣＴＥ）を有する１つまたはそれ以上の材料で形成されている、本体と、
前記内部キャビティの相対する端部に取り付けられた第１フレクシャおよび第２フレクシャであり、前記長手方向軸に沿って柔軟である、第１フレクシャおよび第２フレクシャと、
内部キャビティの内側で、前記第１フレクシャおよび前記第２フレクシャとの間に吊り下げられるプルーフマスであり、前記長手方向軸に沿ってオープンループで移動することができる、プルーフマスと、
前記長手方向軸に沿って前記内部キャビティの相対する端部において前記本体に取り付けられた第１センサヘッドおよび第２センサヘッドであり、
前記第１センサヘッドおよび前記第２センサヘッドは、前記プルーフマスが前記長手方向軸に沿って移動すると反対方向に増加および減少する距離ｄ１および距離ｄ２に置かれており、
前記第１センサヘッドおよび前記第２センサヘッドのそれぞれは、交替駆動信号に応じて振動第１磁界を生成する基準コイルを有しており、該第１磁界は、前記プルーフマスにおいて渦電流を誘導し、該渦電流は、前記基準コイルによって生成された前記第１磁界に抵抗する相対する第２磁界を生成し、
前記基準コイルと前記プルーフマスとの間の距離のあらゆる変化は、前記交替駆動信号に対して差動的な交替を生成する磁界相互作用における変化を生じさせる、
第１センサヘッドおよび第２センサヘッドと、
を含み、
前記第１センサヘッドおよび前記第２センサヘッドは、前記本体のＣＴＥの６０％から８０％の有効な第１のＣＴＥおよび有効な第２のＣＴＥを有する１つまたはそれ以上の材料から形成されており、前記長手方向軸に沿った本体温度勾配に係る前記交替駆動信号における影響を概ねゼロ化する、
ハングマス加速度計。
【請求項１３】
前記本体と、前記第１フレクシャおよび前記第２フレクシャと、前記プルーフマスとは、金属の単一ピースから一体的に形成されている、
請求項１２に記載のハングマス加速度計。
【請求項１４】
前記ハングマス加速度計は、さらに、
加速度計の前記本体と同じ材料で形成され、かつ、前記加速度計の取り付け面を形成するために前記加速度計の前記本体に対して取り付けられている、取り付けプレート、を含む、
請求項１２に記載のハングマス加速度計。
【請求項１５】
ハングマス加速度計であって、
長手方向軸に沿って方向付けられた内部キャビティを有する本体であり、有効な本体の熱膨張率（ＣＴＥ）を有する１つまたはそれ以上の材料で形成されている、本体と、
前記内部キャビティの相対する端部に取り付けられた第１フレクシャおよび第２フレクシャであり、前記長手方向軸に沿って柔軟である、第１フレクシャおよび第２フレクシャと、
内部キャビティの内側で、前記第１フレクシャおよび前記第２フレクシャとの間に吊り下げられるプルーフマスであり、
該プルーフマスは、前記長手方向軸に沿ってオープンループで移動することができ、
前記本体と、前記第１フレクシャおよび前記第２フレクシャと、前記プルーフマスとは、チタンまたはステンレス鋼いずれかの金属の単一ピースから一体的に形成されている、
プルーフマスと、
前記長手方向軸に沿って前記内部キャビティの相対する端部において前記本体に取り付けられた第１センサヘッドおよび第２センサヘッドであり、
前記第１センサヘッドおよび前記第２センサヘッドは、前記プルーフマスが前記長手方向軸に沿って移動すると反対方向に増加および減少する距離ｄ１および距離ｄ２に置かれており、
前記第１センサヘッドおよび前記第２センサヘッドのそれぞれは、交替駆動信号に応じて振動第１磁界を生成する基準コイルを有しており、該第１磁界は、前記プルーフマスにおいて渦電流を誘導し、該渦電流は、前記基準コイルによって生成された前記第１磁界に抵抗する相対する第２磁界を生成し、
前記基準コイルと前記プルーフマスとの間の距離のあらゆる変化は、前記交替駆動信号に対して差動的な交替を生成する磁界相互作用における変化を生じさせる、
第１センサヘッドおよび第２センサヘッドと、
を含み、
該センサヘッドは、前記センサヘッドの取り付け点から前記本体まで測定された長さＬＳを有し、該ＬＳは、前記取り付け点から前記プルーフマスの中心線まで測定された前記本体の長さＬＢの半分長と全体長との間であり、
前記第１フレクシャおよび前記第２フレクシャは、前記プルーフマスを前記本体から熱的に隔離するように構成されており、
前記第１センサヘッドおよび前記第２センサヘッドは、前記長手方向軸に沿ったセンサヘッドの成長が、前記長手方向軸に沿った前記本体の成長と概ね等しく、かつ、反対方向であるように、前記本体のＣＴＥの６０％から８０％の有効な第１のＣＴＥおよび有効な第２のＣＴＥを有する１つまたはそれ以上の材料から形成されており、前記長手方向軸に沿って予測される本体温度勾配に応じて、前記交替駆動信号における影響を概ねゼロ化する、
ハングマス加速度計。
【請求項１６】
前記本体と、前記第１フレクシャおよび前記第２フレクシャと、前記プルーフマスとは、金属の単一ピースから一体的に形成されている、
請求項１５に記載のハングマス加速度計。
【請求項１７】
前記ハングマス加速度計は、さらに、
加速度計の前記本体と同じ材料で形成され、かつ、前記加速度計の取り付け面を形成するために前記加速度計の前記本体に対して取り付けられている、取り付けプレート、を含む、
請求項１５に記載のハングマス加速度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加速度計に関する。そして、より特定的には、低コストかつ高信頼性を有する改善された感度を提供するために差動渦電流検出（differential  Eddy  current  sensing）を使用するオープンループハングマス加速度計（hung  mass  accelerometers）のクラスに関する。
【背景技術】
【０００２】
基本的な、オープンループ加速度計は、バネまたはフレクシャに対して取り付けられたプルーフマス（proof  mass）から構成されている。マス（mass）は、バネに沿ってだけ移動するように制約されている。加速度はマスの偏移（deflection）を引き起こす。マスの変位（displacement）が測定される。加速度は、変位、質量、およびバネ定数の値から導かれる。システムは、移動限界（travel  limits）を超えて、底をつく（bottom  out）ようにさせるであろう共振点において駆動されてはならない。これを達成するための１つの方法は、システムを減衰（damp）させることである。別の方法は、加速度計を免震構造（isolation  system）に取り付けることである。クローズループ加速度計は、典型的に、偏移をキャンセルするためにフィードバックループを使用すること、従って、マスをほぼ静止状態に保つことによって、より高いパフォーマンスを達成している。マスが偏移するたびに、フィードバックループは、電気コイルがマスについて同等な負の力（negative  force）を適用するようにして、動きをキャンセルしている。加速度は、加えられた負の力の量から導かれる。マスがほとんど動かないので、バネ減衰システム（spring  and  damping  system）の非線形性に対する感度が大幅に低減される。加えて、この加速度計は、検出エレメントの固有振動数を超えて増加した帯域幅を提供する。（Wikipediaの「慣性航法システム（”Inertial  Navigation  System”）」"と「加速度計（”Accelerometer”）」から抜粋）。
【０００３】
概念的に、加速度計は、バネ上で減衰されたマスとして振る舞う。加速度計が加速度を経験すると、バネが加速度計本体と同じ速度でマスを加速することができるポイントまで、マスが変位される。次いで、変位が測定されて、加速度を与える。
【０００４】
加速度計のパフォーマンスは、主として、そのバイアス安定性とスケールファクタ誤差（scale  factor  error）の組み合わせである。バイアス安定性は、実際の加速度がゼロのときにデバイスによって測定される加速度である。これは、デバイスにおける機械的な不完全性と電子回路のノイズによって引き起こされる。スケールファクタ誤差は、実際の加速度に比例して誤差を反映する。例えば、デバイスが１ｇ（３２フィート／秒／秒）で加速し［１ｇは、３２．２フィート／秒／秒または９．８メートル／秒／秒のいずれか］、かつ、デバイスが１．１ｇを読み出す場合に、スケールファクタ誤差は１０％である。
【０００５】
米国特許第９１２１８６５号、２０１５年９月１日に発行され、タイトル”Hung  Mass  Accelerometer  with  Differential  Eddy  Current  Sensing”であり、かつ、Raytheon社に譲渡されたものは、より低コストで、より高い信頼性を有する改善されたパフォーマンスを提供するオープンループ加速度計の新しいクラスを紹介した。図５ａおよび図５ｂに示され、かつ、その特許の対応する本文において説明されているように、オープンループハングマス加速度計100の実施形態は、電子回路なしで、本体102を形成するように機械加工された金属の単一ピース101（例えば、Ti  6Al-4Vまたは17-4PHステンレス鋼）、上部フレクシャ104と下部フレクシャ106、および、体の中心を通る長手方向軸110に沿って偏移するように内部キャビティ109の内側でフレクシャ間に吊り下げられたプルーフマス108を含んでいる。各フレクシャは、１２０°の間隔で配置された３つのフレクシャ脚部を含む。各フレクシャ脚部は、プルーフマス108と本体102との間で軸方向に取り付けられている。渦電流センサヘッド112と114が、本体に取り付けられており、プルーフマス108の相対する側で長手軸110に沿って、距離d1とd2で延びている。各センサヘッドは、中空ステンレス鋼シリンダの端部にエポキシ接着された銅線のコイルを含み、典型的には０．２５から０．５インチの長さである。
【発明の概要】
【０００６】
以下は、本発明のいくつかの態様に係る基本的な理解を提供するための本発明の概要である。この概要は、本発明の要点または重要なエレメントを特定すること、または、本発明の範囲の輪郭を描くことを意図するものではない。その唯一の目的は、後述される、より詳細な説明および請求項の定義に対する序文として、本発明のいくつかの概念を簡略化した形で提示することである。
【０００７】
Raytheon社のオープンループハングマス加速度計のテストは、所望のバイアス安定性とスケールファクタ誤差パフォーマンスを達成するためには、このオリジナルデザインについて厳しい熱的な制御が必要であることを明らかにした。  特に、長手方向軸に沿った本体温度勾配は、誤った加速度読み取りを生成し得るものである。
【０００８】
本発明は、オリジナルデザインの熱的限界に対処するアサーマルオープンループハングマス加速度計を提供する。異なる実施形態において、センサヘッド（１つまたはそれ以上の材料で形成されるもの）は、長手方向軸に沿ったセンサヘッドの成長が、予測される本体温度勾配に応答する長手方向軸に沿った本体の成長と概ね等しく、かつ、逆方向であるように、有効な熱膨張係数（CTE）を示し、そうした温度勾配の影響を概ねゼロ化する。予測される本体温度勾配が対称である場合に、センサヘッドの幾何学的形状とCTEは同じである。予測される本体温度勾配が非対称である場合には、本体の成長を相殺するために、センサヘッドは異なるCTEを示してよい。実際に適用される温度勾配が、そのためにセンサヘッドが構成されている予測される本体温度勾配ではない場合でさえも、適用される温度勾配の影響を少なくすることができる。
【０００９】
加速度計の一つの実施形態において、センサヘッドの長さ（Ｌｓ）は、本体の長さ（ＬＢ）の２分の１より大きく、ＬＢより小さい。プルーフマスは、フレクシャによって本体から熱的に隔離されており、そして、本体は予測される本体温度勾配を受けるが、（バルク温度の変化の影響下で）概ね一定の温度のままである。勾配はプルーフマスの温度に影響しない。そうしたコンフィグレーションにおいて、センサヘッドのCTEは、反応をゼロ化（null）するために、加速度計の本体のCTEよりも厳密に小さい。さらに、センサヘッドのCTEは、本体のCTEの６０％−８０％の間にある。
【００１０】
一つの実施形態において、本体、第１フレクシャと第２フレクシャ、およびプルーフマスは、チタンまたはステンレス鋼といった機械加工された金属の単一ピースから一体的に形成されている。チタンは概ね９ｅ−６／℃の熱膨張率（CTE）を有し、そして、ステンレス鋼は概ね１６ｅ−６／℃のCTEを有している。センサヘッドは、アルミナ（CTEが６．５ｅ−６／℃）、ガラス結合マイカ（CTEが１１．２５ｅ−６／℃）、ベリリア（Beryllia）（CTEが８．７ｅ−６／℃）、または、あらゆる他の適切なCTEの他の非鉄セラミックから形成されてよい。
【００１１】
一つの実施形態において、加速度計は、少なくとも０．０１Ｋｇのプルーフマスを用いて実装され、そして、厳しい熱的コントロールなく１０μｇより小さいバイアスおよび１０ピーピーエム（ppm）より小さいスケールファクタ誤差を示す。
【００１２】
一つの実施形態において、加速度計は、別の構造体に取り付けられている。加速度計本体と同じ材料で形成されているプレートが、加速度計と構造体との間に配置されている。プレートは加速度計の取り付け面を形成している。例えば、加速度計を構造体に取り付けるために、ボルトが加速度計とプレートの角（corners）を通って延びている。プレートは、本体と同じCTEを有する中間表面を提供し、温度変化に対してこの界面における応力を除去する効果を有している。
【００１３】
本発明のこれら及び他の特徴と利点は、添付の図面と一緒に、以下の好ましい実施形態に係る詳細な説明から当業者にとって明らかにされるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、差動渦電流検出を有するアサーマルオープンループハングマス加速度計の模式的なブロック図であり、センサヘッドのCTEが、長手方向軸に沿った予測される本体温度に応答して正味変位をゼロ化するように構成されている。
【図２ａ】図２ａは、電子回路なしで、アサーマルオープンループハングマス加速度計の一つの実施形態のビューである。
【図２ｂ】図２ｂは、電子回路なしで、アサーマルオープンループハングマス加速度計の一つの実施形態の異なるビューである。
【図３ａ】図３ａは、加速度計の断面図であり、センサヘッドと本体の幾何学的形状を示している。
【図３ｂ】図３ｂは、加速度計の断面図であり、長手方向軸に沿った予測される本体温度勾配を示している。
【図４】図４は、予測される本体温度に対してセンサヘッドの正味変位をゼロ化するようにセンサヘッドのCTEを決定するための一つの実施形態のフローチャートである。
【図５】図５は、長手方向軸に沿った１ケルビン（１Ｋ）の本体温度勾配について、検出された加速度ｖｓセンサヘッドのCTEのプロットである。
【図６】図６は、中間プレートを介して構造体に取り付けられた加速度計の一つの実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
Raytheon社のオープンループハングマス加速度計のテスト（米国特許第９１２１８６５号に記載されているもの）、および、ここにおいて「オリジナルデザイン（”original  design”）」として参照されるものは、所望のバイアス安定性とスケールファクタ誤差パフォーマンスを達成するためには、このオリジナルデザインの厳しい熱的コントロールが必要であることを明らかにした。厳しい熱的コントロールは、非常に複雑で高価である。
【００１６】
特に、長手方向軸（longitudinal  axis）に沿った温度勾配は、誤った加速度を生じさせ得るものである。加速度計の本体は、チタンまたはステンレス鋼といった金属から形成されている。チタンは概ね９ｅ−６／℃の熱膨張率（CTE）を有し、そして、ステンレス鋼は概ね１６ｅ−６／℃のCTEを有している。センサヘッドは、エポキシを用いてステンレス鋼シリンダ上に取り付けられた銅コイルを含み、概ね１８ｅ−６／℃のCTEを有している。加速度計の混合平均温度（bulk  temperature）における変化は、本体およびセンサヘッドを長手方向軸に沿って不均等かつ反対方向に成長させ、センサヘッドとプルーフマスとの間の基準間隔（nominal  spacing）または「ギャップ（”gap”）」における変化を生じさせている。しかしながら、両方のセンサヘッドについて変化は同じであり、そして、従って、正味の変位（net  displacement）はゼロであり、誤った加速度読み取りを生成しない。しかし、長手方向軸に沿って本体温度勾配を受けるとき、オリジナルデザインは、基準間隔または「ギャップ」において均一でないように、不均等かつ反対の成長を示し、次いで、誤った加速度読み取りを結果として生じる正味の変位を生じる。
【００１７】
本発明は、長手方向の温度勾配に関するオリジナルデザインの限界に対処するアサーマルオープンループハングマス加速度計を提供する。センサヘッドは、長手方向軸に沿ったセンサヘッドの成長が、予測される本体温度勾配に応じた長手軸に沿った本体の成長と概ね均等であり、かつ、反対であるように、有効なセンサのCTEを有する１つまたはそれ以上の材料で形成されており、そうした温度勾配の影響（「正味の変位」）を概ねゼロ化する（null）。予測される本体温度勾配が対称である場合、センサヘッドの形状とCTEは同じである。予測される本体温度勾配が非対称である場合、センサヘッドは本体の成長を相殺する（offset）ために異なるCTEを示してよい。
【００１８】
所定の加速度計コンフィグレーションにおいて、センサヘッド長（ＬＳ）は、本体長（ＬＢ）の２分の１と本体長ＬＢとの間である。プルーフマスは、フレクシャ（flexures）によって本体から熱的に隔離されており、そして、（混合平均温度の変化を受けて）本体が予測される本体温度勾配を受けても、概ね一定の温度を維持する。そうしたコンフィグレーションにおいては、応答をゼロ化するために、センサヘッドのCTEは、加速度計の本体のCTEよりも厳密に小さいことを我々は見い出した。さらに、センサヘッドのCTEは、正味の変位をゼロ化するように、本体のCTEの６０％−８０％の間にある。
【００１９】
図１に示すように、熱的に鈍感なオープンループハングマス加速度計10の一つの実施形態は、長手方向軸16に沿って配向された内部キャビティ14を有する本体12を含む。第１フレクシャ18と第２フレクシャ20は、共線上の配置（collinear  arrangement）で内部キャビティ14の相対する端部において本体12に取り付けられている。第１フレクシャと第２フレクシャは、長手方向軸に沿って柔軟（compliant）である。プルーフマス22が、第１フレクシャと第２フレクシャとの間に取り付けられ、内部キャビティの内側で吊り下げられている。プルーフマスは、好適には、少なくとも０．０１ｋｇである。プルーフマスは、長手方向軸16に沿って第１フレクシャと第２フレクシャのアセンブリとインライン（in-line）で移動するように制限されている。２つフレクシャアセンブリは、既知の、そして、適切に等しい剛性を有している。各フレクシャアセンブリは、特定された剛性を提供するために、単一のフレクシャまたは複数のフレクシャの垂直スタックを含んでよい。個々のフレクシャは、同一の特定された剛性を有する単一のフレクシャよりも製造するのが容易であり、かつ、より安価である。加速度計は、共鳴を抑制するために、プルーフマス22の動きを減衰させるように適切に構成されている。フレクシャの１つは、磁気減衰を提供するための磁石を含んでよい。代替的に、加速度計が共振において移動限界を超えるプルーフマスの動きを生じさせるような方法で励振されないことを保証するために、加速度計は、免震構造上に取り付けられてよい。
【００２０】
加速度計は、他の５つの自由度において非常に堅い（stiff）ように好適に構成されている。すなわち、長手方向軸16に直交する他の２つの軸、および、３つの直線軸それぞれの周りの回転である。例えば、フレクシャは、１００Ｈｚ周波数で長手方向軸16に沿った変位を可能にし得る剛性を有することができ、一方で、他の５自由度における剛性は、１ｋＨｚ周波数付近のあらゆる動きを制限することができ、デバイスのクロスカップリング（cross-coupling）を最小限にしている。本質的に、加速度計は、長手方向軸16に沿ってだけ動けるように構成されている。加速度計は、特定のアプリケーションによって必要とされるように、３つの並進運動それぞれ、又は、より少ないそれらのサブセットのために提供され得る。
【００２１】
加速度計は、チタンまたはステンレス鋼といった単一の材料から本体、フレクシャ、およびプルーフマスを切り出すために、ワイヤ放電加工（wire  EDM  manufacturing）を好適に使用する。
【００２２】
加速度計は、長手方向軸16に沿ったプルーフマス22の変位を検出するために差動渦電流（differential  Eddy  current）センサを含んでいる。センサは、内部キャビティ14の内側でプルーフマスの相対する側において本体12上に配置された第１センサヘッド26および第２センサヘッドを含み、プルーフマスが長手方向軸16に沿って移動すると反対方向に増加および減少する距離ｄ１およびｄ２に置かれている。センサヘッドは、示されるように、フレクシャと同一線上（collinear）にあり、そして、フレクシャを通じて延びている。代替的に、センサヘッドは、フレクシャと同一線上にあり、そして、フレクシャの後ろに入り込んで（recessed）よい。この場合に、プルーフマスは、本体の各端部のセンサヘッドに近接したフレクシャを通じて延びるように段差をつけられる（stepped）だろう。センサヘッドとプルーフマスとの間のインターフェイスは、誤った読み取りを避けるために、フレクシャから離して配置される必要がある。
【００２３】
各センサヘッドは、振動磁界（oscillating  magnetic  field）31を生成するために、共通の発振器30からの交替駆動信号（alternating  drive  signal）29によく反応する基準コイル（reference  coil）を含んでいる。この磁界は、プルーフマス22において渦電流32を誘導し、基準コイルによって生成された磁界31に抵抗する相対する磁界34を生成する。プルーフマス上のターゲットサーフェスは、通常の、較正された（calibrated）動作のために、センサヘッドの直径の少なくとも３倍大きくあるべきで、そうでなければ、特別な較正が必要とされ得る。加速なし（no  acceleration）に対応するヌル位置（null  position）からのプルーフマスの変位ｄによる基準コイルとプルーフマスとの間の距離（ｄ１またはｄ２）における変化は、出力信号36を変更する磁界相互作用における変化を生じさせる。典型的に、出力信号36は、磁界相互作用によって位相または振幅が変更された駆動信号29である。
【００２４】
プルーフマス22が、下部センサヘッド28よりも上部センサヘッド26に近い場合に、上部センサヘッド26による渦電流は、プルーフマスにおいて、第２センサヘッド28（より遠くにあるもの）による渦電流よりも大きい。このことは、次に、上部センサヘッド26における励起（excitation）を、下部センサヘッド28における励起よりも多く変更する。センサヘッドによって観察されるインピーダンスは、プルーフマスの変位と共に差動的に変化する。その結果、出力信号36が差動的に変更される。一つの実施形態において、出力信号36は、位相または振幅が差動的に変更された駆動信号29である。
【００２５】
加速度計電子回路40は、３つの機能ブロックを含んでいる。発振器30、差動変位回路42、および、距離−加速度変換回路44である。発振器30は、センサヘッド26と28を励起するために共通の駆動信号29を提供する。差動変位回路42は、センサヘッド26と28からの出力信号36を比較して、長手方向軸16に沿ったプルーフマス22の変位ｄに比例した出力46を提供する。
【００２６】
一つの実施形態において、差動変位回路42は、センサヘッド26の基準コイルと直列に接続された同調インピーダンス（tuned  impedance）（例えば、直列接続されたキャパシタと抵抗）を含み、共振回路、共振回路を形成するようにセンサヘッド28の基準コイルと直列に接続された同調インピーダンス（例えば、直列接続されたキャパシタと抵抗）、および、インピーダンス変化検出器を形成する。共振回路は、同一または異なる共振周波数を有するように調整され得る。一つの実施形態において、１つの回路の共振周波数は、駆動電流の周波数よりわずかに大きく、そして、他の回路の共振周波数は、駆動電流の周波数よりわずかに小さい。
【００２７】
各基準コイルが交替駆動電流29によって駆動されるとき、プルーフマス22の中に渦電流を誘導する振動磁界が発生する。プルーフマスの中に誘起された渦電流は、並列のインダクタと抵抗の接続によって表現される渦電流インピーダンスにおいて、基準コイルの磁界と相対する二次磁界を発生させる方向で循環し、基準コイルにおける磁束を減少させ、それによって基準コイルインダクタンスを減少させている。渦電流は、また、エネルギーを散逸させ、基準コイルの有効抵抗を増加させている。
【００２８】
基準コイルは、一次側および弱結合空心変圧器（weakly  coupled  air-core  transformer）の（短絡した）二次側プルーフマスを構成している。プルーフマスの変位は結合を変化させ、そして、この変位は、基準コイルの端子におけるインピーダンス変化として反映され、次に、変化された駆動電流36を生成する。プルーフマスが基準コイルに近づくと、インダクタンスが下がり、そして、反射抵抗（reflected  resistance）が増加する。２つの変更されたセンサヘッド駆動電流における（振幅及び／又は位相変化といった）インピーダンス変化を電気的に比較することによって、２つのセンサヘッド間の相対的な変位を正確に決定することができる。
【００２９】
出力46は、変位ｄに比例する出力信号（例えば、変更された駆動信号）の位相または振幅として測定されるインピーダンスにおける変化を表す電圧または電流信号であってよい。プルーフマスの質量、バネ定数（フレクシャの剛性）、および任意の較正係数が分かると、距離−加速度回路44は、出力46をプルーフマスの加速度48へ変換する。これら２つの機能回路は、例えば、別個のアナログ回路およびデジタル回路であってよく、または、例えば、出力46が内部パラメータであり得る単一の回路であってよい。
【００３０】
差動変位回路42または距離−加速度回路44のどちらかは、出力46を変位ｄへ変換する中間ステップを実行してよい。示されるように、距離−加速度回路は、変換を実行する。所与のセンサヘッドについて、Ｌｓｎｒ（ｄ／ｒ）＝Ｌｓ×（１−Ｋｅ−Ａ（ｄ／ｒ））であり、ここで、ｄはコイルからプルーフマスへの間隔、Ｌｓｎｒは総センサインダクタンス（基準値に渦電流による誘起を追加したもの）、Ｌｓはプルーフマスが無限遠にある場合（ｄ＝無限大）の基準コイルインダクタンス、Ｋ＝０．５−０．７５（典型的なプルーフマス材料について）、Ａはプルーフマス材料に応じた定数、そして、ｒは基準コイルの巻線半径である。同様に、全センサ抵抗は、Ｒｓｎｒ（ｄ／ｒ）＝Ｒｓ×（１＋Ｃｅ−Ｂ（ｄ／ｒ））であり、ここで、ＢとＣはプルーフマス材料に応じた定数であり、そして、Ｂ＞ＡかつＣ＜Ｋである。インダクタンスの相対的な増加は、増加するｄに対する反射抵抗（reflected  resistance）の減少よりも著しい。従って、基準コイルのインダクタンスの変化は、渦電流を検出するための基準である。出力46からの差動的な位相または振幅は、差動インピーダンスにおける変化へマッピングされる。このインピーダンスの変化は、上記の等式を通じて距離ｄに関係するものである。
【００３１】
一旦変位ｄが分かると、フックの法則は、バネ上で作用する力Ｆを推測することができる。すなわち、Ｆ＝ｋｄであり、ここで、ｋはバネ定数である。一旦力Ｆが分かると、加速度がニュートンの法則を通じて決定される。Ｆ＝Ｍａであり、ここで、Ｍはプルーフマスの質量である。以前に述べたように、フックの法則は、可能な変位範囲においてバネ定数ｋが事実上は一定であると仮定しているが、厳密に言えば、戦略的なグレードのパフォーマンスについて必要とされる性能レベルにおいては真ではない。加えて、センサ自体は、完全ではない電子回路、および、時には検出メカニズムの物理特性に起因する非線形性を有する。渦電流センサヘッドの差動トポロジは、プルーフマスが１つのセンサヘッドから遠く離れているときは、同時に他のセンサヘッドに対して近接しているという利点を有している。結果として、それ以上の補償がなければ、システム出力はより線形である。さらに、較正を通じたセンサ並びにバネ定数と、変位または加速度を計算するための較正係数の適用との両方に係る残存するあらゆる非線形性を除去することがより簡単である。差動渦電流センサの熱安定性と線形性のおかげで、加速度48は、指定された動作範囲にわたりプルーフマスの変位ｄと実質的に線形である。
【００３２】
センサヘッド26と28は、長手方向軸16に沿ったセンサヘッドの成長が、長手方向軸16に沿った本体18の成長と概ね等しく、かつ、反対方向であるように、有効CTEを有する１つまたはそれ以上の材料から形成されており、予測される本体温度勾配に応じて、そうした温度勾配の効果（「正味の変位（”net  displacement”）」）を概ねゼロ化する。基準コイル50と52は、センサヘッドの端部に取り付けられている。基準コイルを取り付けるためにエポキシが使用されてよい。エポキシは、高CTE材料をコイルの熱経路（thermal  path）の外に維持するように、基準コイルの上に適切に適用されている。予測される本体温度勾配が対称である場合に、センサヘッドの形状およびCTEは同一である。予測される本体温度勾配が非対称である場合に、センサヘッドは本体の成長を相殺する（offset）ように異なるCTEを示してよい。
【００３３】
特定の加速度計のコンフィグレーションにおいて、センサヘッドの長さ（ＬS）は、本体の長さ（ＬB）の２分の１より大きく、かつ、本体の長さＬBより短い。ボディの長さは、センサヘッドの取り付け点からプルーフマスの中心線までで測定される。センサの長さは、同じ取付け点からセンサヘッドの端部までで測定される。プルーフマスは、フレクシャによって本体から熱的に隔離されており、そして、本体は予測される本体温度勾配を受けるが、（バルク温度の変化の影響下で）概ね一定の温度のままである。勾配はプルーフマスの温度に影響しない。そうしたコンフィグレーションにおいて、センサヘッドのCTEは、反応をゼロ化するために、加速度計の本体のCTEよりも厳密に小さいことを我々は見い出した。さらに、センサヘッドのCTEは、正味の変位をゼロ化するために本体のCTEの６０％−８０％の間にある。
【００３４】
図２ａと図２ｂをこれから参照すると、電子回路なしのオープンループハングマス加速度計100の一つの実施形態は、本体102を形成するように機械加工された金属の単一ピース101（例えば、Ti6Al-4Vまたは17-4PHステンレス鋼）、上部フレクシャ104と下部フレクシャ106（例えば、１つまたはそれ以上のフレクシャのスタック）、および、本体の中心を通る長手方向軸110に沿って偏移するように、内部キャビティ109の内側でフレクシャ間に吊り下げられたプルーフマス108を含んでいる。フレクシャは、矩形であり、センサヘッドを受け容れるための中央の穴を除いて、プルーフマス108と概ね同じフットプリントを有している。フレクシャは、約１００Ｈｚの共振で長手方向軸110に沿ったコンプライアントな方向（compliant  direction）においてプルーフマスを移動することができる。本体は、長手方向軸110に直交する非コンプライアントな方向における移動、または、任意の線形軸回りの回転を制限して、主検出軸への横方向加速度（transverse  acceleration）の望ましくないクロスカップリングを低減する。これらの他のモードは、全てコンプライアント方向の周波数の約１０倍より大きく（この場合には１００Ｈｚ）、そして、名目上は感知された動きを結果として生じない。構造体は、約１．６インチ×１．１インチ×０．６インチであり、約０．１０ポンドの重量である。金属101は、渦電流センサヘッド112と14を受け容れるための開口部をプルーフマス108のいずれかの側において長手方向軸110の周りに、かつ、軸に沿って形成するように機械加工されている。センサヘッドは、フレクシャおよび運動の長手方向軸の中にあり、かつ、同一線上にある。センサヘッドは、予想される本体温度勾配について正味の変位をゼロ化するために有効なCTEを示す。センサヘッドのCTEは、本体のCTEよりも厳密に小さく、そして、標準的な加速度計の形状について、最も典型的には本体のCTEの６０−８０％である。
【００３５】
図３ａと図３ｂをこれから参照すると、予測される本体温度勾配150が、ハングマス加速度計154の長手方向軸152に沿って想定されている。本体156について温度勾配150による成長の方向が矢印158によって示されており、そして、センサヘッド160、162について、それぞれに、矢印164、166によって示されている。プルーフマス168は、フレクシャ170と172によって熱的に隔離されている。フレクシャの寸法は、薄くて狭く、プルーフマスを効果的に隔離する非常に高い熱インピーダンス（thermal  impedance）を示している。その結果として、プルーフマス168の温度は、温度勾配によって影響されない。その温度は、バルク温度の変化と共に動く。
【００３６】
センサのCTEは、センサヘッドの成長が本体の成長と同じであり、かつ、反対側であるように選択されており、予測される本体温度勾配150によって生じるあらゆる変位をゼロ化する。センサのCTEは、予測される本体温度勾配150、本体のCTE、および、プルーフマス168の中心線174に関して測定された本体とセンサヘッドの幾何学的形状（すなわち、長さ）の関数である。センサのCTEは、単純な計算（すなわち、均一な温度勾配を仮定するもの）、または、より複雑な温度勾配を組み込むことができる外挿法（extrapolation）を介して見積ることができる。
【００３７】
加速度計の幾何学的および熱的な変数は、以下のように定義される。
ＬＳ≡センサヘッドの端部における本体へのセンサヘッドの取り付け点からコイルまでのセンサの長さ、
ＬＢ≡本体へのセンサヘッドの取り付け点からプルーフマスの中心線までの本体の長さ、
ＬＴ≡ターゲット長さは中心線からのプルーフマスの厚さである、
αＳ≡センサのCTE、
αＢ≡本体のCTE、
Ｔ０≡本体温度勾配の初期温度（物理的にはプルーフマスの中心線と一致するが、必ずしも熱的に隔離されたプルーフマスの温度と一致しない）、
ΔＴＢ≡本体温度勾配による有効な温度変化、および、
ΔＴＳ≡センサの温度変化、である。
【００３８】
材料の熱弾性温度成長（thermoelastic  temperature  growth）は、
［１］ΔＬ＝αＬΔＴ  、によって定義される。
バルク温度変化の影響、正味の変位をキャンセルし影響を及ぼさないもの、を無視しており、長手方向軸に沿った本体温度により、センサヘッドとターゲットとの間に一貫したギャップを維持するためには、
［２］ΔＬＢ＝ΔＬＳ  、であることが望ましい。
従って、
［３］αＢＬＢΔＴＢ＝αＳＬＳＴＳ  、かつ、
［４］αＳ／αＢ＝（ＬＢ／ＬＳ）×（ΔＴＢ／ΔＴＳ）  、である。
長さＬＢにわたり線形伝導勾配（linear  conduction  gradient）を仮定すると、
［５］ΔＴＢ＝（Ｔ１＋Ｔ０）／２−Ｔｉ＝（Ｔ１−Ｔ０）／２  、である。
センサの均一な温度変化を仮定すると、
［６］ΔＴＢ＝Ｔ１−Ｔ０  、である。
関係［４］は、次いで、
［７］αＳ／αＢ＝０．５×（ＬＢ／ＬＳ）  、と単純化される。
【００３９】
上記の計算は、一定温度の領域または線形勾配への温度分布を単純化する。有限要素ソフトウェアの使用は、より現実世界の潜在的な温度勾配、および、結果として起こる加速度計本体およびセンサヘッドの熱弾性的な成長を予測する最も正確な方法である。
【００４０】
幾何学的形状は、他のデザイン要件によって限定された範囲に制限され得る。フレクシャブレード（flexure  blades）を越えて突出するためには、最小限のセンサの長さが必要とされる。センサの長さは、また、センサとターゲットとの間に必要とされる特定のギャップによっても支配される。ターゲットの高さは、１００Ｈｚの帯域幅を達成するために必要とされるプルーフマスのサイズ／質量によって部分的に定められる。ターゲットの高さとギャップが与えられると、ＬＢは必然的にＬＳより大きくなる。許容される幾何学的形状における最小限のフレキシビリティ、および要求されるプロファイルだけを用いて、センサ先端（sensor  tip）とターゲットとの間に一貫したギャップを維持するために、本体とセンサヘッドとの間の相対的なCTEの変化（αＳ／αＢ）が使用される。
【００４１】
渦電流センサの最善のオペレーションは、センサヘッドがフレクシャブレードを越えて延びることを必要とする。一つの実施形態において、デザインはＬＢ／ＬＳ＝１．２を与えた。本体の有効勾配ΔＴは、センサヘッドのそれの概ね６０％であった。このことは、αＳ／αＢ＝１．２×０．６＝７２％を与える。ΔＴＢ／ΔＴＳを増加させるために、幾何学的形状を操作することができる。これは、大部分の勾配が発生する相対的な長さを減少させるように本体の長さＬＢを増加させることによって行われる。センサヘッドとプルーフマスとの間に同じギャップを維持するために、ＬＳは同じ量だけ増加する。比率ＬＢ／ＬＳは、１に近づいていく。ここで、例えば、ＬＢ／ＬＳ＝１．１、かつ、ΔＴＢ／ΔＴＳ＝６５％であれば、αＳ／αＢ＝１．１×０．６５＝７１．５％であり、そして、理想的なセンサのCTEは著しく変化しない。まとめると、本体の幾何学的形状を変更すること、典型的にはＬＢを増加させること、によってΔＴＢ／ΔＴＳは増加する。長さを増加させることは、同じセンサヘッドギャップについてＬＢ／ＬＳを減少させる。これら２つの比率の変化はお互いに対抗（counteract）するので、αＳ／αＢは特には敏感でない。０．５×ＬＢ＜ＬＳ＜ＬＢであり、かつ、プルーフマスが本体から熱的に隔離されているいくつかの例示的な加速度計については、０．６αＢ＜αＳ＜０．８αＢであり、または、同等なαＳは、αＢの６０−８０％である。
【００４２】
所与の加速度計デザインおよび本体温度勾配について指定されたセンサのCTEを達成するために、センサヘッドは、長さがＬ１、Ｌ２、・・・Ｌｎであり、かつ、CTEがα１、α２、・・・である複数の材料から製造される必要があり得る。センサヘッドの有効なCTEは、
αｅｆｆ＝（α１Ｌ１＋α２Ｌ２＋・・・αｎＬｎ）／（Ｌ１＋Ｌ２＋・・・Ｌｎ）
によって与えられる。
【００４３】
予測される本体温度勾配が非対称である場合、実施形態は、可能な限り非対称性に適応する対称なセンサヘッドデザイン、または、加速度計の各側面を最適化するためのセンサヘッドについて異なるCTEのいずれかを含むことができる。
【００４４】
センサのCTEを決定するための別のアプローチが、図４のデザインフローによって与えられる。プルーフマスの質量要件、フレクシャ形状、およびセンサのヘッド−プルーフマスのギャップ要件を満たすように、フレクシャ、本体、およびセンサヘッドの形状を含む加速度計のデザインを提供する（ステップ２００）。長手方向軸に沿って加速度計について予測される本体温度勾配を提供する（ステップ２０２）。本体／フレクシャ／プルーフマスの所与の材料に対して、２つの異なるセンサヘッドのCTEについて正味の熱弾性変位（センサのヘッド−プルーフマスのギャップにおける変化）を計算する（ステップ２０４）。２つのセンサヘッドのCTEは、任意的に、または、類似のデザインの経験的知識に基づいて、選択することができる。正味の変位をゼロ化する理想的なセンサヘッドのCTEを計算するために、センサヘッドのCTEと正味の変位との間の関係を外挿（extrapolate）する（ステップ２０６）。理想的なCTEに近づくように、センサヘッド基板または基板の組み合わせ（長さとCTE）が選択される（ステップ２０８）。デザインがパフォーマンスの仕様を満足する場合に、デザインは完了する（ステップ２１０）。そうでない場合には、加速度計の幾何学的形状を変更し（ステップ２１２）、満足のいくデザインが生成されるまで繰り返す。
【００４５】
比較のために、チタンのブロックから製造された加速度計は、９ｅ−６℃の本体のCTEを有している。１度の変化を有する予測される本体温度勾配が比較される。オリジナルデザインのステンレス鋼とエポキシのセンサーヘッドは、１８ｅ−６℃の本体のCTEを有している。このことは、概ね１０００μＧの誤った加速度読み取りを生成した。調整されたアルミナのセンサヘッドは、概ね６．５ｅ−６℃のCTEを有している。図５に示されるように、誤った加速度読み取り300は、センサヘッドのCTEに対して非常に敏感である。一致されたセンサヘッドのCTEは、５μＧより小さい誤った加速度読み取り302を生成し、オリジナルデザインに対して２００倍以上の改善である。センサヘッドのCTEが適切に一致されていない場合に、誤った加速度読み取りは急速に増加する。プロットは、さらに、長手方向軸に沿った本体温度勾配の影響を打ち消す（null  out）ためには、ゼロに近いCTEを有する材料でセンサーヘッドを単純に形成することが有効ではないことを示している。
【００４６】
図６に示されるように、加速度計400は、別の構造体402に取り付けられている。加速度計本体と同じ材料で形成されているプレート404が、加速度計と構造体との間に配置されている。プレートは加速度計の取り付け面を形成している。加速度計を構造体に取り付けるために、ボルトが加速度計とプレートの角を通って延びている。プレートは、本体と同じCTEを有する中間表面を提供し、温度変化に対してこの界面における応力を除去する効果を有している。この中間プレートを異なるCTEのより大きな構造体に対して取り付ける場合には、さらなるデザイン技術を使用することができる。これらの技術は、限定されるわけではないが、プレートの中心で単一のファスナー接続（fastener  connection）を使用し、プレートを運動学的に取り付け、かつ、単一の中心接触点（centered  contact  point）によってプレートにわたる伝導勾配を最小にするように機能している。
【００４７】
本発明に係るいくつかの例示的な実施形態が示され、かつ、説明されたが、多くの変形形態および代替的な実施形態が当業者にとって思い浮かぶだろう。そうした変形および代替的な実施形態が考えられ、かつ、添付の請求項において定義される本発明の精神および範囲から逸脱することなく成され得る。
【図１】
2019514018.tif 000003
【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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