(57)【要約】懸垂式加速度計（２０）は、スーパーインバー合金製の励磁リング（６１）に係合する容量素子（４０）を有する、二酸化ケイ素を基とする慣性質量（２８）を含む。磁石組立体（６０）は、励磁リング（６１）、磁石（６３）、および磁極片（６５）を含む。励磁リング（６１）のスーパーインバーは、温度変化によって生じる歪み信号を実質的に低減させるために、二酸化ケイ素を基とする慣性質量（２８）の熱膨張係数と実質的に一致している。加速度計の移動は、容量素子（４０）に、加速度計が経験する温度変化によってではなく、移動の加速度に比例する信号を生成させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１対の磁石組立体であって、各組立体がスーパーインバー合金を備え、各組立体が励磁リングおよび磁石を含む、１対の磁石組立体と、
前記励磁リングに係合する容量素子を有し、前記磁石組立体の間に懸垂された慣性質量と、
を備え、前記磁石組立体、前記慣性質量、および前記容量素子が、実質的に同様の熱膨張係数を有する装置。
【請求項２】
前記合金が、約３１％のニッケルと、５％のコバルトと、６４％の鉄を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記合金が、約３２．０％のニッケルと、５．４％のコバルトと、１％未満の炭素と、１％未満のケイ素と、１％未満のマンガンと、１％未満の硫黄と、１％未満のクロムと、１％未満のアルミニウムと、１％未満の銅と、残りのパーセントバランスの鉄とを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記合金が、約３１．７５％のニッケルと、５．３６％のコバルトと、０．０５％の炭素と、０．０９％のケイ素と、０．３９％のマンガンと、０．０１％の硫黄と、０．０３％のクロムと、０．０７％のアルミニウムと、０．０８％の銅と、残りのパーセントバランスの鉄とを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
１対の磁石組立体であって、各組立体がスーパーインバー合金を備え、各組立体が励磁リングおよび磁石を含む、１対の磁石組立体と、
前記励磁リングに係合する容量素子を有し、前記磁石組立体の間に懸垂された慣性質量と、
を備え、前記磁石組立体、前記慣性質量、および前記容量素子が、実質的に同様の熱膨張係数を有する加速度計。
【請求項６】
前記合金が、約３１％のニッケルと、５％のコバルトと、６４％の鉄とを含む、請求項５に記載の加速度計。
【請求項７】
前記合金が、約３２．０％のニッケルと、５．４％のコバルトと、１％未満の炭素と、１％未満のケイ素と、１％未満のマンガンと、１％未満の硫黄と、１％未満のクロムと、１％未満のアルミニウムと、１％未満の銅と、残りのパーセントバランスの鉄とを含む、請求項５に記載の加速度計。
【請求項８】
前記合金が、約３１．７５％のニッケルと、５．３６％のコバルトと、０．０５％の炭素と、０．０９％のケイ素と、０．３９％のマンガンと、０．０１％の硫黄と、０．０３％のクロムと、０．０７％のアルミニウムと、０．０８％の銅と、残りのパーセントバランスの鉄とを含む、請求項５に記載の加速度計。
【請求項９】
スーパーインバー合金を使用して、励磁リングおよび磁石を有する磁石組立体を準備するステップと、
容量素子を有する慣性質量を準備するステップであって、前記慣性質量および容量素子が、前記スーパーインバー合金の熱膨張係数と実質的に同様の熱膨張係数を有する、準備するステップと、
前記容量素子が前記励磁リングに係合するように、前記慣性質量を前記組立体の近傍に懸垂させるステップと、
を含み、加速度計の移動が、前記励磁リングに係合する前記容量素子からの信号を生成する、加速度計の作成方法。
【請求項１０】
前記慣性質量が、２つの磁石組立体の間に懸垂される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記容量素子が、各組立体の前記励磁リングに係合する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記合金が、約３１％のニッケルと、５％のコバルトと、６４％の鉄とを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記合金が、約３２．０％のニッケルと、５．４％のコバルトと、１％未満の炭素と、１％未満のケイ素と、１％未満のマンガンと、１％未満の硫黄と、１％未満のクロムと、１％未満のアルミニウムと、１％未満の銅と、残りのパーセントバランスの鉄とを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記合金が、約３１．７５％のニッケルと、５．３６％のコバルトと、０．０５％の炭素と、０．０９％のケイ素と、０．３９％のマンガンと、０．０１％の硫黄と、０．０３％のクロムと、０．０７％のアルミニウムと、０．０８％の銅と、残りのパーセントバランスの鉄とを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
１対の磁石組立体であって、各組立体がコバルトを備え、各組立体が励磁リングおよび磁石を含む、１対の磁石組立体と、
前記励磁リングに係合する容量素子を有し、前記磁石組立体の間に懸垂された慣性質量と、
を備え、前記磁石組立体、前記慣性質量、および前記容量素子が、実質的に同様の熱膨張係数を有する装置。
【請求項１６】
１対の磁石組立体であって、各組立体がコバルトを備え、各組立体が励磁リングおよび磁石を含む、１対の磁石組立体と、
前記励磁リングに係合する容量素子を有し、前記磁石組立体の間に懸垂された慣性質量と、
を備え、前記磁石組立体、前記慣性質量、および前記容量素子が、実質的に同様の熱膨張係数を有する加速度計。
【請求項１７】
コバルト合金を使用して、励磁リングおよび磁石を有する磁石組立体を準備するステップと、
容量素子を有する慣性質量を準備するステップであって、前記慣性質量および容量素子が、前記スーパーインバー合金の熱膨張係数と実質的に同様の熱膨張係数を有する、準備するステップと、
前記容量素子が前記励磁リングに係合するように、前記慣性質量を前記組立体の近傍に懸垂させるステップと、
を含み、加速度計の移動が、前記励磁リングに係合する前記容量素子からの信号を生成する、加速度計の作成方法。
【請求項１８】
前記合金が、約３１％のニッケルと、５％のコバルトと、６４％の鉄とを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項１９】
前記合金が、約３２．０％のニッケルと、５．４％のコバルトと、１％未満の炭素と、１％未満のケイ素と、１％未満のマンガンと、１％未満の硫黄と、１％未満のクロムと、１％未満のアルミニウムと、１％未満の銅と、残りのパーセントバランスの鉄とを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記合金が、約３１．７５％のニッケルと、５．３６％のコバルトと、０．０５％の炭素と、０．０９％のケイ素と、０．３９％のマンガンと、０．０１％の硫黄と、０．０３％のクロムと、０．０７％のアルミニウムと、０．０８％の銅と、残りのパーセントバランスの鉄とを含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
１つまたは複数の磁石組立体の間に懸垂された慣性質量（ｐｒｏｏｆ  ｍａｓｓ）を含む懸垂式加速度計（ｆｏｒｃｅ  ｒｅｂａｌａｎｃｅ  ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｓ）が、当技術分野で一般に公知である。そのような加速度計の例が、米国特許第４，１８２，１８７号、第４，２５０，７５７号、第４，３９４，４０５号、第４，３９９，７００号、第４，４００，９７９号、第４，４４１，３６６号、第４，５５５，９４４号、第４，５５５，９４５号、第４，５９２，２３４号、第４，６２０，４４２号、第４，６９７，４５５号、第４，７２６，２２８号、第４，９３２，２５８号、第４，９４４，１８４号、第５，０２４，０８９号、第５，０８５，０７９号、第５，０９０，２４３号、第５，０９７，１７２号、第５，１１１，６９４号、第５，１８２，９４９号、第５，２０３，２１０号、第５，２１２，９８４号、および第５，２２０，８３１号に開示されており、全て参照により本明細書に援用される。そのような懸垂式加速度計は、通常、非晶質石英から形成されることが公知の慣性質量を含み、慣性質量は、慣性質量を慣性質量の平面に対してほぼ垂直な受感軸に沿った力または加速度に反応して偏向できるようにする、１つまたは複数のフレクシャによって懸垂される。静止中、慣性質量は、通常、上側励磁リングと下側励磁リングの間の等距離のところに懸垂されている。ピックオフ容量プレートを形成する導電材料が慣性質量の両側に配設されて、励磁リングとともに容量素子を形成する。受感軸に沿って加えられる加速度または力は、慣性質量を上方または下方のどちらかに偏向させ、それにより、ピックオフ容量プレートと上側および下側励磁リングの間の距離が変化する。このピックオフ容量プレートと上側および下側励磁リングの間の距離の変化により、容量素子の容量の変化が生じる。したがって、容量素子の容量の変化は、受感軸に沿った慣性質量の変位を表す。この変位信号は、慣性質量をゼロ位置または静止位置に戻す働きをする、１つまたは複数の電磁石を含むサーボシステムに加えられる。電磁石に加えられる駆動電流の大きさは、受感軸に沿った加速度または力を表す。
【０００２】
電磁石は、磁気リターンパスを形成するためにインバーなど比較的高い透磁率を有する材料から形成される励磁リングに通常接着された、例えばアルニコから形成された磁石を含むことが公知である。磁石および励磁リングに使用される材料は、材料が異なるので、異なる熱膨張係数を有する。そのため、磁石と励磁リングの間に画定されるインターフェースは、温度の関数としての応力を受ける。ある期間および／または温度にわたるそのような応力は、加速度計の性能を劣化させる。
【０００３】
この問題を解決するため、磁石を励磁リングに接着するために柔軟型エポキシが使用されている。しかし、そのような柔軟型エポキシは、加速度計の長期間の安定性を低下させる。さらに、励磁リングに使用される合金は、二酸化ケイ素を基とする容量プレートの膨張係数と最適に一致せず、温度に起因する誤った加速度信号を生成し、移動に起因する加速度の精密さおよび精確さを損なう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
実施形態は、温度の変化によって誤って信号が送られるのではなく、運動の変化に起因する加速度計の数値を、より精密および精確に提供する懸垂式加速度計を含む。実施形態は、さもなければ速度の変化を誤って示してしまう、非速度に関連あるいはノイズに関連した寄与（ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ）を最小限に抑えることにより、速度の変化による真の加速度計の読取値をより精確に提供する。実施形態は、実質的に同様の熱膨張係数を有する材料から作成された加速度計の構成要素を含む。
【０００５】
懸垂式加速度計の特定の実施形態は、スーパーインバーで作成された磁石組立体に係合する容量素子を含む、二酸化ケイ素を基とする慣性質量を有するシリンダまたはキャニスタを含む。スーパーインバー合金は、二酸化ケイ素を基とする慣性質量と実質的に同様の熱膨張係数をもたらす。慣性質量は、固定取付けされた上側励磁リングと下側励磁リングの間に、１つまたは複数のフレクシャによって懸垂される。慣性質量は、慣性質量と内部壁の間に介在する空隙によってシリンダの内部壁から隔絶されている。空隙は、不活性ガスで満たされている。ピックオフ容量プレートは、慣性質量の両側に形成されるか、または他の方法で取り付けられる。ピックオフ容量プレートは、慣性質量の変位に反応して容量が変化し、懸垂式加速度計が経験する移動の加速度に比例する変位信号を生み出す容量素子を提供する。温度変化に起因する、加速度を模擬する誤った信号は、実質的に同様の熱膨張係数を有する諸材料から作成されるこの特定の実施形態の加速度計においては、実質的に低減される。
【０００６】
特定の実施形態を添付の図面に照らして以下に詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、懸垂式加速度計２０を示している。懸垂式加速度計２０は、１つまたは複数の磁石組立体２２、および慣性質量組立体２４を含む。慣性質量組立体２４は、取付リング２６およびほぼ櫂状の慣性質量２８を含む。慣性質量２８は、慣性質量２８が取付リング２６に対して相対的に回転可能となるように、１対のフレクシャ３０によって取付リング２６に対して懸垂されている。円筒形状のボビン３２および３４が、慣性質量２８の両面上に形成されている。ボビン３２および３４は、トルクコイル３６および３８を担持するために使用される。導電材料４０が、慣性質量２８の両面上に蒸着されて、ピックオフ容量プレートを形成する。
【０００８】
磁石組立体２２は、永久磁石４２、およびほぼ円筒形の励磁リングまたは磁束コンセントレータ４４を含む。励磁リング４４は、ほぼＣ字形の断面を有するように構成されている。励磁リング４４の材料は、磁気リターンパスを形成するために、スーパーインバーなど、比較的高い透磁率を有するように選択される。図１および図２に示されるように、励磁リング４４の内側に向いた表面４６が、慣性質量２８の両面上の導電材料４０と相俟って、可変容量素子ＰＯ１およびＰＯ２を形成する。
【０００９】
図２を参照すると、慣性質量２８は、静止位置またはゼロ位置に示されている。この位置では、上側励磁リング４４の表面４６とピックオフ容量プレート４０の間の距離と、下側励磁リング４４の表面４６とピックオフ容量プレート４０の間の距離は等しい。容量はプレート間の距離の関数であるので、この状態で、キャパシタＰＯ１およびＰＯ２の容量値は等しい。
【００１０】
慣性質量２８の平面に対してほぼ垂直な受感軸Ｓに沿った加速度または力に反応して、慣性質量２８は、励磁リング４４の一方またはもう一方に向かって移動する。慣性質量２８のこの変位により、慣性質量２８の両側に形成されたピックオフ容量プレート４６の表面の、上側および下側励磁リング４４に対する距離がそれぞれ変化する。この距離の変化は、容量素子ＰＯ１およびＰＯ２の容量の変化をもたらす。この容量の変化を測定するための回路が、米国特許第４，６３４，９６５号に開示されており、参照により本明細書に援用される。
【００１１】
容量ＰＯ１およびＰＯ２の値の差は、慣性質量２８の受感軸Ｓに沿った上方または下方のどちらかへの変位を表す。この変位信号が、慣性質量２８をゼロ位置に戻す電磁石を形成する、磁石組立体２２ならびにトルクコイル３６および３８を含むサーボシステムに加えられる。電磁石への駆動電流の大きさは、慣性質量２８の受感軸Ｓに沿った加速度の測定値である。
【００１２】
図３に示されるように、各磁石組立体２２は、励磁リング４４、磁石４２、および磁極片６５を含む。励磁リング４４は、Ｃ字形の断面を有するほぼ円筒形状に形成される。磁石４２は、接着パッチ６８によって励磁リング４４の基部６６に中央で固定された両側の接着面６４を有する。磁極片６５は、接着パッチ６９によって磁石４２に固定される。
【００１３】
温度に由来する歪み信号を実質的に低減するために、励磁リング４４は、二酸化ケイ素を基とする慣性質量２８の熱膨張係数と実質的に一致するスーパーインバー合金から作成される。したがって、慣性質量２８の移動により、容量素子４０は、磁石組立体２２または加速度計２０の他の構成要素が経験する温度の差または変化によって生じる歪められた信号ではなく、加速度計２０が経験する運動に起因する信号を生成する。
【００１４】
励磁リング４４に使用されるスーパーインバーは、約３１％のニッケル、５％のコバルト、および６４％の鉄の合金である。
上記の教示に照らして本実施形態の様々な変更形態および変形形態が可能である。ニッケル−コバルト−鉄のスーパーインバーの他の組成を使用することができる。例えば、約３２．０％のニッケル、５．４％のコバルト、１％未満の炭素、１％未満のケイ素、１％未満のマンガン、１％未満の硫黄、１％未満のクロム、１％未満のアルミニウム、１％未満の銅、および残りのパーセントバランスの鉄の合金組成を使用してもよい。
【００１５】
したがって、本発明を、添付の特許請求の範囲内で、具体的に上述したものとは別の方法で実施してもよいことを理解されたい。
本発明の好ましい実施形態を例示し説明したが、上述のように、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに、多くの変更を加えることができる。例えば、別のスーパーインバー合金組成は、３１．７５％のニッケル、５．３６％のコバルト、０．０５％の炭素、０．０９％のケイ素、０．３９％のマンガン、０．０１％の硫黄、０．０３％のクロム、０．０７％のアルミニウム、０．０８％の銅、および残りのパーセントバランスの鉄を含む。
【００１６】
したがって、本発明の範囲は、好ましい実施形態の開示によって限定されない。むしろ、本発明は、もっぱら添付の特許請求の範囲を参照することによって決定される必要がある。
【００１７】
排他的な財産権または特権が主張される本発明の実施形態は、添付の特許請求の範囲で定義される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】特定の実施形態により形成された懸垂式加速度計の分解斜視図である。
【図２】図１の懸垂式加速度計の部分断面図である。
【図３】図１の懸垂式加速度計の断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年8月10日(2007.8.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１対の磁石組立体（２２）であって、各組立体がスーパーインバー合金を備え、各組立体が励磁リングおよび磁石を含む、１対の磁石組立体と、
前記励磁リングに係合する容量素子（４０）を有し、前記磁石組立体の間に懸垂された慣性質量（２８）と、
を備え、前記磁石組立体、前記慣性質量、および前記容量素子が、実質的に同様の熱膨張係数を有する装置。
【請求項２】
前記合金が、約３１％のニッケルと、５％のコバルトと、６４％の鉄を含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記合金が、約３２．０％のニッケルと、５．４％のコバルトと、１％未満の炭素と、１％未満のケイ素と、１％未満のマンガンと、１％未満の硫黄と、１％未満のクロムと、１％未満のアルミニウムと、１％未満の銅と、残りのパーセントバランスの鉄とを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記合金が、約３１．７５％のニッケルと、５．３６％のコバルトと、０．０５％の炭素と、０．０９％のケイ素と、０．３９％のマンガンと、０．０１％の硫黄と、０．０３％のクロムと、０．０７％のアルミニウムと、０．０８％の銅と、残りのパーセントバランスの鉄とを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
スーパーインバー合金を使用して、励磁リングおよび磁石を有する磁石組立体（２２）を準備するステップと、
容量素子（４０）を有する慣性質量（２８）を準備するステップであって、前記慣性質量および容量素子が、前記スーパーインバー合金の熱膨張係数と実質的に同様の熱膨張係数を有する、準備するステップと、
前記容量素子が前記励磁リングに係合するように、前記慣性質量を前記組立体の近傍に懸垂させるステップと、
を含み、加速度計の移動が、前記励磁リングに係合する前記容量素子からの信号を生成する、加速度計の作成方法。
【請求項６】
前記慣性質量が、２つの磁石組立体の間に懸垂される、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記容量素子が、各組立体の前記励磁リングに係合する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記合金が、約３１％のニッケルと、５％のコバルトと、６４％の鉄とを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記合金が、約３２．０％のニッケルと、５．４％のコバルトと、１％未満の炭素と、１％未満のケイ素と、１％未満のマンガンと、１％未満の硫黄と、１％未満のクロムと、１％未満のアルミニウムと、１％未満の銅と、残りのパーセントバランスの鉄とを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項１０】
前記合金が、約３１．７５％のニッケルと、５．３６％のコバルトと、０．０５％の炭素と、０．０９％のケイ素と、０．３９％のマンガンと、０．０１％の硫黄と、０．０３％のクロムと、０．０７％のアルミニウムと、０．０８％の銅と、残りのパーセントバランスの鉄とを含む、請求項５に記載の方法。
【国際調査報告】
2008523393.tif 000006
2008523393.tif 000007