(57)【要約】【課題】  検出周波数帯域が広く、高い検出精度を有する加速度計を実現する。【解決手段】  加速度検出軸と板面が垂直とされ、かつその加速度検出軸方向に配列された２枚の板ばね３０と質量部４０とによってペンデュラムアセンブリ２０を構成する。板ばね３０は同一円周上に配列されて、その円周を等分した円弧形状をなす複数のヒンジ部３３と、それらヒンジ部３３の回りに位置してヒンジ部３３の周方向一端を支持する外周部３１とよりなり、質量部４０は２枚の板ばね３０に挟まれる構造とされて、それら２枚の板ばね３０のヒンジ部３３によって変位可能に支持される。ペンデュラムアセンブリ自身の１次の自己共振周波数を低域に存在させながら、２次以上の共振周波数を加速度計の検出周波数帯域より大きく離れた高域へ設定することが可能となる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペンデュラムアセンブリを具備してなる加速度計であって、
加速度検出軸と板面が垂直とされ、かつその加速度検出軸方向に配列された２枚の板ばねと質量部とによって上記ペンデュラムアセンブリが構成され、
上記板ばねは同一円周上に配列されて、その円周を等分した円弧形状をなす複数のヒンジ部と、それらヒンジ部の回りに位置してヒンジ部の周方向一端を支持する外周部とよりなり、
上記質量部は上記２枚の板ばねに挟まれる構造とされて、それら２枚の板ばねのヒンジ部によって変位可能に支持されていることを特徴とする加速度計。
【請求項２】
請求項１記載の加速度計において、
上記板ばねのヒンジ部の本数が偶数本とされていることを特徴とする加速度計。
【請求項３】
請求項１又は２記載の加速度計において、
上記２枚の板ばねのヒンジ部は上記加速度検出軸回りに上記一端から他端に向けて同じ方向に延伸されていることを特徴とする加速度計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は入力加速度が作用する質量部がヒンジ部によって変位可能に支持されてなる構造のペンデュラムアセンブリを具備する加速度計に関する。
【背景技術】
【０００２】
図３は従来の加速度計におけるペンデュラムアセンブリの構成の一例を示したものであり、この例ではペンデュラムアセンブリはトルカコイルを備え、サーボ型加速度計に用いられるものとなっている。
板状をなすペンデュラム１１は円形の一部が切り欠かれた形状とされて、リング状をなす枠体１２内に位置され、その切り欠かれてなる一辺が一対のヒンジ部１３を介して枠体１２に支持されている。これらペンデュラム１１、枠体１２及びヒンジ部１３はこの例では溶融石英ガラス板をエッチング加工することによって一体形成されており、ヒンジ部１３は板厚が小とされて弾性変形可能とされている。枠体１２は固定部をなし、加速度計本体に固定される。
【０００３】
ペンデュラム１１の両板面にはコイル（トルカコイル）１４が巻回されたボビン１５が取り付けられており、これらコイル１４とボビン１５とペンデュラム１１とによって質量部１６が構成され、即ちこの例ではペンデュラムアセンブリは質量部１６がその一端側に位置するヒンジ部１３によって支持され、片持ち梁構造をなすものとされている（例えば、特許文献１参照）。
なお、サーボ型加速度計は上記のような構造を有するペンデュラムアセンブリとコイル１４に磁界を印加するための磁気回路を構成するマグネット・ヨーク及び例えばペンデュラム１１の変位を静電容量の変化で検出するための静電容量ピックオフ等を組み込むことによって構成され、加速度入力によるペンデュラム１１の変位を検出し、その検出に基き、コイル１４に電流を流してペンデュラム１１を原点位置（中立位置）に復帰させ、つまりトルカ電流によってペンデュラム１１を常に原点位置に維持するものとなっており、このトルカ電流によって入力加速度を検知するものとなっている。
【特許文献１】特開２０００−２３５０４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、図３に示したような片持ち梁構造のペンデュラムアセンブリを用いる加速度計では、ペンデュラムアセンブリ自身の１次の自己共振周波数を例えば２０Ｈｚ付近の低域に設定すると、構造的に２次の共振周波数はどうしても２００Ｈｚ〜３００Ｈｚの周波数帯域に存在してしまい、よって加速度計に要求される検出周波数帯域（通常ＤＣ〜５００Ｈｚ）の中に含まれることから、結果的に加速度計の周波数特性においてペンデュラムアセンブリ自身の自己共振による影響が現れ、本来の検出すべき入力加速度を高い精度で忠実に検出することができないといった問題があった。
【０００５】
また、片持ち梁構造ではどうしても加速度検出軸方向以外にもペンデュラムアセンブリ自身が動き易い構造となってしまい、加速度検出軸方向以外からの加速度の影響を受け易いといった欠点もあった。
一方、市場においては加速度計の検出周波数帯域の高帯域化が要求され、例えばＤＣ〜１ｋＨｚといった広い検出周波数帯域を有する加速度計が望まれている。
この発明の目的は上述したような状況に鑑み、検出周波数帯域が広く、かつ高い検出精度を有する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】
【０００６】
請求項１の発明によれば、ペンデュラムアセンブリを具備してなる加速度計において、加速度検出軸と板面が垂直とされ、かつその加速度検出軸方向に配列された２枚の板ばねと質量部とによってペンデュラムアセンブリが構成され、板ばねは同一円周上に配列されて、その円周を等分した円弧形状をなす複数のヒンジ部と、それらヒンジ部の回りに位置してヒンジ部の周方向一端を支持する外周部とよりなり、質量部は２枚の板ばねに挟まれる構造とされて、それら２枚の板ばねのヒンジ部によって変位可能に支持されているものとされる。
【０００７】
請求項２の発明では請求項１の発明において、板ばねのヒンジ部の本数が偶数本とされる。
請求項３の発明では請求項１又は２の発明において、２枚の板ばねのヒンジ部は加速度検出軸回りに上記一端から他端に向けて同じ方向に延伸されているものとされる。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、ペンデュラムアセンブリはその質量部が２枚の板ばねに挟まれて、それら板ばねの複数のヒンジ部によって宙吊りされるものとなっており、よってペンデュラムアセンブリ自身の１次の自己共振周波数を低域に存在させながら、２次以上の高次の共振周波数を加速度計に要求される検出周波数帯域（通常ＤＣ〜５００Ｈｚ）より大きく離れた高域へ設定することができるものとなっている。
従って、ペンデュラムアセンブリ自身の自己共振の影響を受けることなく、検出すべき低周波数帯域から高周波数帯域の加速度を高精度で忠実に検出することができ、つまり検出周波数帯域が広く、かつ高い検出精度を有する加速度計を実現することができる。
【０００９】
なお、市場においては加速度の検出周波数帯域を例えば１ｋＨｚといったより高い周波数帯域まで拡張することが要求されており、この発明による加速度計によれば、このような要求にも対応できるものとなる。
さらに、ペンデュラムアセンブリの支持構造が加速度検出軸方向には極めて動きにくい構造になっていることから、検出軸方向以外からの加速度の影響を受けにくく、その点で横方向感度特性に優れた加速度計を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
この発明を実施するための最良の形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明の一実施例としてサーボ型加速度計の構造を示したものであり、図２はこの加速度計に組み込まれているペンデュラムアセンブリの構成概要を示したものである。まず、図２を参照してペンデュラムアセンブリの構成について説明する。
ペンデュラムアセンブリ２０は２枚の板ばね３０と質量部４０とによって構成され、２枚の板ばね３０は加速度検出軸と板面が垂直とされ、かつその加速度検出軸方向に配列されて板面が互いに対向されているものとされる。これら２枚の板ばね３０は同一形状とされ、この例では外周部３１と、内周部３２と、それら外周部３１と内周部３２の間に位置するヒンジ部３３とよりなり、全体としてリング形状をなすものとされている。
【００１１】
ヒンジ部３３はこの例では１枚の板ばね３０に４本設けられている。これら４本のヒンジ部３３は同一形状とされて同一円周上に配列され、その円周を等分した円弧形状をなすものとされており、即ち各ヒンジ部３３は円周を４等分した９０°の領域に位置して、円周方向に延伸された形状となっている。
これらヒンジ部３３の周方向一端は図２に示したように外周側に若干延長されてヒンジ部３３の回りに所定の間隙を介して位置するリング状の外周部３１に連結支持されており、周方向他端は内周側に若干延長されてリング状の内周部３２に連結されている。
【００１２】
２枚の板ばね３０の内周部３２間にはボビン４１が配置されて、その両端のフランジ４１ａがそれら内周部３２に例えば接着されて固定されており、図２では図示を省略しているが、このボビン４１に巻回されるコイル（トルカコイル）とボビン４１が質量部４０として機能するものとなっている。入力加速度が作用する質量部４０はこのようにこの例では２枚の板ばね３０に挟まれる構造とされて、それら両板ばね３０の計８本のヒンジ部３３によって宙吊りされ、変位可能に支持されている。
上記のような構造において、板ばね３０の構成材料には例えばベリリウム銅等のバネ性を有する非磁性の金属材が使用される。
【００１３】
次に、図１を参照してサーボ型加速度計の全体構成について説明する。
サーボ型加速度計は上述したペンデュラムアセンブリ２０と磁気回路を構成する部材とペンデュラムアセンブリ２０の変位を検出する検出手段等が組み込まれてなるものとされ、図１中、５１，５２はこれらが組み込まれ、加速度計の外形を構成するケース及びハウジングを示す。
ケース５１は非磁性の金属製とされて上面が開放された円筒形をなすものとされ、このケース５１内に磁気回路を構成するマグネット５３、ヨーク５４，５５及びポールピース５６が収容されている。ヨーク５４は上面が開放された円筒形をなし、このヨーク５４の内部底面中央にマグネット５３が配置され、さらにこのマグネット５３上に円柱状をなすポールピース５６が搭載されている。リング状をなすヨーク５５はヨーク５４の上面に搭載され、このヨーク５５とポールピース５６とによって環状の磁気空隙５７が構成されている。ヨーク５４，５５及びポールピース５６は軟磁性材料よりなり、マグネット５３は上下方向に着磁されている。
【００１４】
ペンデュラムアセンブリ２０はその２枚の板ばね３０の外周部３１がそれぞれ絶縁リング５８，５９を介してヨーク５５の上下面に固定され、これによりボビン４１に巻回されたコイル４２が磁気空隙５７内に位置するように配置される。リング５８，５９は例えば樹脂製とされる。
ペンデュラムアセンブリ２０の変位はこの例では静電容量の変化によって検出されるものとされ、上側に位置する板ばね３０の内周部３２上には円筒形の静電容量ピックオフ４３が取り付け固定され、この静電容量ピックオフ４３の上端面と所定の間隙を介して対向する静電容量ピックオフ６１がハウジング５２に取り付けられている。ハウジング５２は例えば樹脂製とされて下面が開放された円筒形とされ、このハウジング５２の上面に静電容量ピックオフ６１は貫通保持されている。静電容量ピックオフ４３，６１は例えばアルミニウム製とされる。
【００１５】
なお、下側に位置する板ばね３０の内周部３２の下面には静電容量ピックオフ４３とつり合うリング状のカウンタバランス４４が取り付けられており、これら静電容量ピックオフ４３及びカウンタバランス４４も質量部４０を構成し、質量部４０として機能する。このような構成とされた質量部４０はその重心位置がリング形状をなす両板ばね３０の中心軸上の中点に一致するようにされている。
上記のような構成とされたサーボ型加速度計は、加速度検出軸方向に加速度が入力すると、その入力加速度に応じて質量部４０が変位しようとし、質量部４０の変位は静電容量ピックオフ４３，６１により静電容量の変化として検出され、この検出に基き、質量部４０を原点位置に復帰させるようにコイル４２にトルカ電流が流される。これにより質量部４０は常に原点位置に位置するように維持され、このトルカ電流の大きさから入力加速度が検知される。
【００１６】
上述したような加速度計によれば、従来の片持ち梁構造のペンデュラムアセンブリを有する加速度計と異なり、質量部４０は２枚の板ばね３０によって挟まれてそれら板ばね３０の計８本のヒンジ部３３によって宙吊り支持され、その重心位置がそれら２枚の板ばね３０の中心に一致されており、よって質量部４０は加速度検出軸方向以外には極めて変位しずらい構造となっている。
従って、この図１に示した加速度計によれば、加速度検出軸方向以外からの加速度の影響を受けにくく、つまり不要な横方向の加速度を検出しにくくなったことから横方向感度特性に優れた加速度計を実現することができる。
【００１７】
また、ペンデュラムアセンブリを上記のような構成としたことにより、ペンデュラムアセンブリ自身の１次の自己共振周波数を低域に存在させながら、２次以上の高次の共振周波数を大幅に高域にずらすことができるものとなっている。
表１はペンデュラムアセンブリ自身の自己共振周波数の解析結果を片持ち梁構造の従来例と対比して示したものであり、表２はその解析条件を示したものである。
【００１８】
【表１】
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【００１９】
【表２】
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【００２０】
表１から明らかなように、従来の片持ち梁構造では２次の共振周波数が２８０Ｈｚとなり、加速度計に要求される例えばＤＣ〜５００Ｈｚといった検出周波数帯域内に２次の共振周波数が存在することになってしまうのに対し、本発明のヒンジ本数８本（片側４本）の宙吊り構造では１次の共振周波数を従来例と同様、低域に据え置いた状態で、２次以上の共振周波数を１２００Ｈｚ以上に設定することが可能となり、これにより加速度計の検出周波数帯域を高域へ大幅に拡張することができるものとなっている。
なお、参考として、表２に示した解析条件で、ヒンジ本数を片側３本、計６本とした場合を検討してみたが、この条件では２次の共振周波数が３９３Ｈｚとなり、片側４本ヒンジに比べ、特性は劣るものとなった。表２におけるヒンジ仕様：内径は円周上に配列されている複数のヒンジ部がなす円の内径を示す。
【００２１】
ところで、板ばね１枚当りのヒンジ部の本数に関しては２本以上の構造が可能であるが、本数が多くなると１本当りのヒンジ部の長さが短くなり、結果的にバネ定数の増大と共に例えば熱膨張による内部応力（熱応力）の影響が大となって原点復帰のためのバイアスの温度特性の劣化を招くことになる。
一方、本数が少ないと１本当りのヒンジ部の長さを長くすることができ、バネ定数の減少と共にバイアスの温度特性を向上させることが可能となるが、逆に構造的に自己共振周波数の２次以上の周波数の高域化が図りづらいものとなる。
【００２２】
板ばね１枚当りのヒンジ部の本数はこのような点及びペンデュラムアセンブリの大きさ等をふまえて適宜選定される。なお、ヒンジ本数が偶数であることはペンデュラムアセンブリの左右の対称性が保たれる点で構造的に安定であると言える。
次に、上下２枚の板ばね３０に設けられているヒンジ部３３の方向性に関して説明する。この例では図２に示したように２枚の板ばね３０のヒンジ部３３は加速度検出軸回りに、外周部３１に連結固定されている一端から他端（自由端）に向けて同じ方向に延伸されている。表３はこのように２枚の板ばねのヒンジ部の方向が同じ場合と、これとは反対に逆の場合とでヒンジ部に発生する熱応力を解析により求めた結果を示したものである。
【００２３】
【表３】
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【００２４】
２枚の板ばねのヒンジ部の方向が同じ場合、温度上昇によって２枚の板ばねのヒンジ部は同じ方向に伸びるため、加速度検出軸回りに捩れは生じにくいものの、逆の場合は互いに逆方向に伸びるため、捩れが発生し、これにより表３に示したように熱応力が大きくなる。
従って、２枚の板ばねのヒンジ部の方向を図２に示したように同じにすることにより、熱応力の影響を低減でき、その点で温度特性に優れた加速度計を得ることができる。
なお、図３に示したようなペンデュラムアセンブリを用いる従来の加速度計ではペンデュラムそのものの素材が高価な溶融石英ガラスであることから加速度計のコスト低減の障害となっていたが、この例ではペンデュラムアセンブリは安価なばね性金属材よりなる板ばねを用いる構造となっており、その点で加速度計のコスト低減に寄与することができるものとなっている。
【００２５】
上述した実施例ではサーボ型加速度計を例に説明したが、この発明はサーボ型加速度計に限るものではなく、例えば入力加速度に応じて質量部が変位している加速度計であって、その質量部の変位を静電容量の変化によって検出し、その静電容量の変化から入力加速度を検知する構成の加速度計であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明による加速度計の一実施例を示す断面図。
【図２】図１におけるペンデュラムアセンブリの構成を説明するための斜視図。
【図３】従来の加速度計に用いられているペンデュラムアセンブリの構成例を示す斜視図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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