JP2014504364A - 高性能湾曲加速度計 - Google Patents

Abstract

加速度計は、第１の端部および第２の端部を有し、上面および下面を有する弾性基材梁と、基材梁の第１の端部および第２の端部を支持するための支持部と、基材梁の上面、下面、または上面および下面の両方に接合された圧電材料を含む検知要素と、第１の端部と第２の端部との間の２つの位置に力を及ぼすための力付加要素とを含む。基材梁および圧電材料は、四点湾曲構成で動作する。任意選択肢として、基材梁の第１の端部および第２の端部は、装置の物理的寸法を低減するために、基材梁を湾曲させることにより形成される。

Description

本明細書の発明は、高性能湾曲加速度計に関し、具体的には、四点湾曲構成で動作し、且つ検知要素として圧電材料を含む、加速度計に関する。

検知要素として圧電材料を使用する加速度計が広く使用されてきた。湾曲タイプの加速度計では、圧電パッチまたは圧電層は、湾曲するとき変形する弾性梁または板状基材に接合され、したがって電気出力を生成する。

加速度計における高感度を達成するために、片持梁は、固定端部の近傍の小さい径間にわたって得ることができる大きい歪みによる基材として広く使用される。しかし、大きい歪み勾配のために、より大きい圧電要素の使用は、そうした構造では利点をあまり提供しない。さらに、固定端部に隣接する、大きく集中する歪みは、脆弱な接合圧電活性材料に亀裂をもたらす可能性がある。

以上の弱点に加えて、片持梁の共振周波数は、極めて低い。したがって、片持梁湾曲加速度計は、平坦な応答感度が要求される際、低い動作周波数範囲には、より適している。

圧電ベースの加速度計の感度は、基本的に、使用される活性材料の圧電特性、特に縦および横の圧電充電（または歪み）係数ｄ_３３およびｄ_３１に依存する。その妥当な圧電特性により、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８Ｏ_３すなわち「ＰＺＴ」）セラミクスおよびそれらの誘導体は、多くの現在の加速度計の検知要素として広く使用されてきた。最先端のＰＺＴセラミクスは、

および

を有する。

ニオブ酸亜鉛鉛−チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３すなわち「ＰＺＮ−ＰＴ」）およびマグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３すなわち「ＰＭＮ−ＰＴ」）などのリラクサベースの強誘電性単結晶は、［００１］分極方向の（ｐｏｌｅｄ）単結晶では、

および

を有し、［０１１］分極方向の単結晶では、−（３０００−４０００）ｐＣ／Ｎと同じ高さのｄ_３１値を有する、最先端のＰＺＴセラミクスよりもはるかに優れた圧電特性を示す。

リラクサベースの強誘電性単結晶は、その優れた圧電特性にかかわらず、加速度計の検知要素として広くは使用されてこなかった。例外は、Ｐ．Ａ．Ｗｌｏｄｋｏｗｓｋｉ、Ｋ．Ｄｅｎｇ、およびＭ．Ｋａｈｎ、「Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｈｉｇｈ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ， ｌｏｗ−ｎｏｉｓｅ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｓ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ」、Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ、９０、（２０００）１２５〜１３１に述べられている。

圧電単結晶は、異方性が強く、現在入手可能なＰＺＮ−ＰＴおよびＰＭＮ−ＰＴ単結晶は、高い生産コスト、乏しい組成均一性、および大きい特性変化を受ける。これらの欠陥が、現在の、限定的な使用につながった可能性がある。

Ｐ．Ａ．Ｗｌｏｄｋｏｗｓｋｉ、Ｋ．Ｄｅｎｇ、およびＭ．Ｋａｈｎ、「Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｈｉｇｈ−ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ， ｌｏｗ−ｎｏｉｓｅ ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒｓ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｓｉｎｇｌｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ」、Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ、９０、（２０００）１２５〜１３１

四点湾曲構成で動作し、圧電活性材料を有する高性能加速度計を提供することが本発明の目的である。

両端部で固定された弾性梁基材を含み、圧電活性材料が検知要素として梁基材表面に接合された四点湾曲構成で動作する加速度計を提供することも本発明の目的である。

両端部で簡単に支持された弾性梁基材またはその均等なものを含み、圧電活性材料が検知要素として梁基材表面に接合された四点湾曲構成で動作する加速度計を提供することも本発明の目的である。

固定端部および簡単に支持された端部のハイブリッド体を含む、端部状態の弾性梁基材を含み、圧電活性材料が検知要素として梁基材表面に接合された四点湾曲構成で動作する加速度計を提供することも本発明の目的である。

本発明のこれらおよび他の目的は、以下の考察から、より明らかになる。

本発明は、弾性梁基材を有し、四点湾曲構成で動作する高感度加速度計に関する。本発明によれば、両端部で固定支持されるか、もしくは簡単に支持されるか、または中間の端部状態の弾性梁基材は、２点荷重または線荷重を受け、これらの荷重は、必ずしもそうである必要はないが、好ましくは四点湾曲と呼ばれる梁基材の中心線から等しい距離にある。圧電活性材料は、検知要素として梁基材表面に接合される。検知要素は、高性能のリラクサベースの強誘電性単結晶を含むのが好ましい。本発明の一実施形態では、加速度計は、両端部で固定され、圧電活性材料が検知要素として梁基材表面に接合された四点湾曲構成で動作する弾性梁基材を有し、第１の端部と第２の端部との間の２つの位置で力を及ぼす力付加要素を有する。

本発明の別の実施形態では、加速度計は、両端部で簡単に支持され、圧電活性材料が検知要素として梁基材表面に接合された四点湾曲構成で動作する弾性梁基材またはその均等なものを含む。

本発明の別の目的では、加速度計は、例えば固定端部、簡単に支持された端部、またはそれらの組合せなどの支持端部を有し、圧電活性材料が検知要素として梁基材表面に接合された四点湾曲構成を使用する弾性梁基材を含む。

本発明のさらに別の実施形態では、弾性梁基材の端部は、装置の物理的寸法を低減するために、適当な任意の構成で梁基材を湾曲させることにより形成される。

本発明の加速度計のさらに別の実施形態では、梁基材は、径間中央部にわたって２つのプルーフマスの荷重がかけられる。２つのプルーフマスは、弾性梁基材の端部または梁基材支持部から等距離に配置されるのが好ましいが、必須ではない。

本発明の加速度計のさらに別の実施形態では、プルーフマスは、それらをより小さい質量に分割することを含めて、容易な作成および組立てのために、様々な構造のものとする。

本発明の加速度計のさらに別の実施形態では、梁基材は、径間よりも大きい幅を有し、プレート状の構成を想定することができる。

本発明の加速度計のさらに別の実施形態では、異なる手段および装置は、弾性梁基材の上述の端部状態を生成するために使用される。

本発明の加速度計のさらに別の実施形態では、絶対値で５００ｐＣ／Ｎを超える横圧電係数を有し、適当なカットおよび寸法の圧電単結晶は、検知要素として使用される。

本発明の加速度計のさらに別の実施形態では、

（ここで、

は、真空の誘電率である）を超える誘電率を有し、適当なカットおよび寸法の単結晶は、検知要素として使用される。

本発明の加速度計のさらに別の実施形態では、センサ要素は、適当なカットおよび寸法の、最適に分極するＰＺＮ−ＰＴおよび／もしくはＰＭＮ−ＰＴ固溶体単結晶、ならびに／または添加されたその誘導体を含み、以下の組成の１つまたは複数を含む。すなわち、
Ｐｂ（Ｚｎ，Ａ_ｌ，Ａ_２，Ａ_３，．．．）_１／３（Ｎｂ，Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３，．．．）_２／３Ｏ_３−ｘＰｂＴｉＯ_３ （０．０４５≦ｘ≦０．０９）、およびＰｂ（Ｍｇ，Ｂ_ｌ，Ｂ_２，Ｂ_３，．．．）_１／３（Ｎｂ， Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３，．．．）_２／３Ｏ_３−ｙＰｂＴｉＯ_３ （０．２６≦ｙ≦０．３３）
ここで、Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３，…は、Ｚｎ^２＋のモル比率の合計で１／３まで、Ｍｇ^２＋、Ｎｉ^２＋、Ｆｅ^２＋、Ｃｏ^２＋、Ｙｂ^２＋、Ｓｃ^３＋、およびＩｎ^３＋の少なくとも１つを含む。
Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３，…は、Ｍｇ^２＋のモル比率の合計で１／３まで、Ｚｎ^２＋、Ｎｉ^２＋、Ｆｅ^２＋、Ｃｏ^２＋、Ｙｂ^２＋、Ｓｃ^３＋、およびＩｎ^３＋の少なくとも１つを含む。
Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３，…は、Ｎｂ^５＋のモル比率の合計で１／４まで、Ｔａ^５＋、Ｗ^６＋、およびＭｏ^６＋の少なくとも１つを含む。

本発明の加速度計のさらに別の実施形態では、センサ要素は、適当なカットおよび寸法ならびに以下の成分、すなわちＰｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｉｎ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｓｃ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｆｅ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｍｎ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３、ＰｂＺｒＯ_３およびＰｂＴｉＯ_３の、最適に分極する二元、三元、または多元の固溶体単結晶およびそれらの添加された誘導体を含む。

本発明の加速度計のさらに別の実施形態では、適当な構成および寸法の分極するＰＺＴセラミクス、および添加された誘導体を含むそれらの誘導体は、検知要素として使用される。

本発明の加速度計のさらに別の実施形態では、それぞれの検知要素は、様々な用途の需要に合わせるために、並列、直列、またはそれらの組合せで電気的に接続される。

本発明の加速度計のさらに別の実施形態では、従来および／または標準の工業材料は、弾性梁基材、プルーフマス、端部支持構造体、取付構造体、および／またはハウジングを作成するのに使用される。

本発明の加速度計のさらに別の実施形態では、特殊な、非標準型の、および／または不活性の工業材料は、装置性能の向上および／または特別な目的のために、弾性梁基材、プルーフマス、端部支持構造体、取付構造体、および／またはハウジングを作成するのに使用される。

本発明の加速度計のさらに別の実施形態では、限定されないが、感度、共振周波数、および／または横感度を含む、加速度計の性能は、既知の任意の手段または技術により向上する。

本発明のさらに別の実施形態では、多軸加速度計は、本明細書に説明する少なくとも１つの加速度計を含む。

本発明のさらに別の実施形態では、直線運動センサは、本明細書に説明する少なくとも１つの加速度計を含む。

本発明のさらに別の実施形態では、多軸運動センサは、本明細書に説明する少なくとも１つの加速度計を含む。

本発明のさらに別の実施形態では、角速度センサは、本明細書に説明する少なくとも１つの加速度計を含む。

本発明のさらに別の実施形態では、多軸角速度センサは、本明細書に説明する少なくとも１つの加速度計を含む。

本発明のさらに別の実施形態では、回転運動センサは、本明細書に説明する少なくとも１つの加速度計を含む。

本発明のさらに別の実施形態では、多軸回転運動センサは、本明細書に説明する少なくとも１つの加速度計を含む。

本発明のさらに別の実施形態では、直線回転兼用センサは、本明細書に説明する少なくとも１つの加速度計を含む。

本発明のさらに別の実施形態では、多軸直線回転兼用センサは、本明細書に説明する少なくとも１つの加速度計を含む。

ここで、本発明を十分理解するために、添付の図面で示す、本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明を参照すべきである。

両端部が固定された弾性梁基材を示す、四点湾曲構成で荷重をかけられた弾性梁基材の（先行技術の）概略図である。 両端部が簡単に支持された弾性梁基材を示す、四点湾曲構成で荷重をかけられた弾性梁基材の（先行技術の）概略図である。 弾性梁基材の端部が固定された、本発明による四点湾曲加速度計の一実施形態の断面図である。 弾性梁基材の端部が固定された、本発明による四点湾曲加速度計の一実施形態の斜視図である。 図３ａは、弾性梁の端部が簡単に支持された、本発明による四点湾曲加速度計の別の実施形態の断面図である。図３ｂは、弾性梁の端部が簡単に支持された、本発明による四点湾曲加速度計の別の実施形態の斜視図である。図３ｃは図３ａの一部における拡大図である。 図４ａは、固定と簡単な支持の中間の端部状態が、締め付けられた端部に隣接する、短いが柔軟な端部フランジを使用することにより実現される、本発明の四点湾曲加速度計の別の実施形態の断面図である。図４ｂは、図４（ａ）の詳細を示す図である。 柔軟な端部状態を提供し、装置の物理的寸法を低減するために、適当な方式および構成で弾性梁基材を湾曲させる、本発明の一実施形態の断面図である。 柔軟な端部状態を提供し、装置の物理的寸法を低減するために、適当な方式および構成で弾性梁基材を湾曲させる、本発明の一実施形態の斜視図である。 図１（ａ）に示す、本発明による、梁上の四点湾曲表面の歪み方向を示す概略図である。 例えば、図２（ａ）および２（ｂ）に示す実施形態と比べて、追加の圧電検知要素が梁基材に接合され、結線が示される、本発明による四点湾曲加速度計の別の実施形態の概略断面図である。 図７に示すものと同様の複数の圧電検知要素を含むが、装置感度を向上させるために、電線を直列に電気的に接続した、本発明の一実施形態の概略断面図である。 ２次元検知構成を示す、本実施形態の四点湾曲加速度計から作成された２次元加速度計の図である。 ３次元検知構成を示す、本実施形態の四点湾曲加速度計から作成された３次元加速度計の図である。 本発明による、１対の四点湾曲加速度計を使用する角速度センサの図である。 ｘ軸およびｚ軸の周りの回転を検知するための、本発明による四点湾曲加速度計を含む２次元角速度センサの図である。

ここで、本発明の好ましい実施形態を図面の図１〜１１を参照して説明する。様々な図の同一の要素は、同じ参照番号で示す。

図１（ａ）および図１（ｂ）は、既知の技術による、四点湾曲状態に曝された弾性基材梁を示し、すなわち、弾性基材梁は、両端部で固定されるか、もしくは簡単に支持されるか、または中間の状態であり、その中心線から等距離において２つの点荷重もしくは線荷重を受ける。図１（ａ）では、両端部（４）が固定支持部（６）に固定された弾性梁基材（２）を示すが、図１（ｂ）では、両端部（１０）が支持部（１２）により簡単に支持された弾性基材（８）を示す。それぞれの場合に、中心線（１４）から離れた点に力または圧力（Ｐ）がかかる。

固定端部四点湾曲加速度計は、その両端部で弾性梁基材を固定することにより、例えば所望の径間にわたる２つのプルーフマスを機械的に固定し、溶接し、または蝋付けして付着させることにより実現することができる。本発明のこの態様を図２（ａ）および図２（ｂ）に示し、圧電活性材料（１８、２０）の単一片または複数片は、２つの荷重部（３０）間の径間中央部で弾性梁基材（２８）の上部表面および下部表面（２２、２４）に接合される。梁基材（２８）のそれぞれの端部（３４）は、支持部（３６）により機械的に締め付けられる。圧電材料（１８、２０）は、弾性梁基材（２８）が動くように設定されるとき、弾性梁基材（２８）と共に変形する。検知要素として機能する圧電材料（１８、２０）は、エポキシまたは別の適当な接合剤または接合手段により上部表面および下部表面（２２、２４）に接合される。

弾性梁基材（４０）、刃形支持部（４２）、プルーフマス（４４）、および圧電活性材料（４６、４８）を含む、簡単に支持された四点湾曲加速度計を図３（ａ）〜図３（ｃ）の図に示す。弾性梁基材（４０）の端部（５０）は、それぞれ、刃形支持部（４２）により締め付けられ、その結果、支持された端部（５０）は、空間の適当な位置に固定される一方で、自由に回転する。弾性梁基材（４０）の上部表面および下部表面（５２、５４）上にエポキシまたは別の適当な接合剤もしくは接合手段により接合される圧電活性材料（４６、４８）は、検知要素として機能する。

図２（ａ）および図２（ｂ）に示す実施形態の変形形態を図４（ａ）および図４（ｂ）に示し、固定と簡単な支持の中間の端部状態は、締め付けられた端部（３４）に隣接する、短いが柔軟な端部フランジ（５８）を使用することにより実現される。

図５（ａ）および図５（ｂ）に示す、本発明の実施形態は、柔軟な端部状態を達成するために弾性梁基材（６０）を湾曲させる、別の構造例である。圧電活性材料（６２、６４）の単一片または複数片は、２つの荷重部（７０）間で弾性梁基材（６０）の上部表面および下部表面（６６、６８）に接合される。梁基材（６０）のそれぞれの端部（７４）は、下方向に直角に曲げられ、それから再び直角に曲げられ、支持部（７６）内に入り、機械的に締め付けられる。この構造および同様の構造は、得られる装置の物理的寸法を低減するのを助けるために使用することができる。圧電材料（６２、６４）は、弾性梁基材（６０）が動くように設定されるとき、弾性梁基材（６０）と共に変形する。検知要素として機能する圧電材料（６２、６４）は、エポキシまたは別の適当な接合剤または接合手段により上部表面および下部表面（６６、６８）に接合される。

図１に示す下方の荷重があれば、上述のどちらの場合の梁基材も湾曲する。２つの荷重部間の梁長手方向の径間中央部の主表面歪み、および２つの径間外側部の主表面歪みは、図６に示すように、反対符号となる（矢印は、梁基材表面上の歪みの方向を表す）。正（＋ｖｅ）および負（−ｖｅ）の符号は、それぞれ、梁の長手方向の引張表面歪みおよび圧縮表面歪みを示す。表面歪みは、径間中央部では比較的一定のままであるが、梁の長手方向の径間外側部では変化する。表面歪みは、代わりに上方の荷重がかかるとき、符号が変わるが、その大きさは、ほぼ同じままである。

四点湾曲梁は、片持梁に比べて、２つの荷重部間の径間中央部に、比較的高く均一な表面歪み、したがって比較的高く均一な応力を示す。これは、感度の低下を伴うことなくはるかに大きい面積の圧電活性材料を使用することを可能にし、これは、片持梁構造では大きい応力勾配が存在するために不可能である。この特徴、すなわち感度の低下を伴うことなくはるかに大きい面積の圧電活性材料を使用することは、有利なことに、今度は、以下に説明するように、得られる装置の感度の改善または電気容量の改善のために使用することができる。

直交横モード圧電検知要素の電圧出力は、センサの厚さでもある電極面の間隔に比例するが、その容量は、電極面の間隔に反比例し、電極面の面積に比例する。したがって、所与の装置容量に関しては、圧電活性材料のより大きい面積は、より厚い活性材料の使用を可能にし、装置のより高い感度に直接変換される。

あるいは、所与のセンサ厚さに関しては、圧電材料のより大きい面積は、より高い装置容量に変換され、これは、電子ノイズが低減された装置、したがって信号対ノイズ比の改善を意味する。

四点湾曲梁は、片持梁に比べて、はるかに高い共振周波数を有する。特に、これは、固定端部四点湾曲梁において、そうである。したがって、同程度の寸法では、より高い動作周波数範囲が望まれるとき、四点湾曲加速度計が好ましい。

本発明の加速度計の固定端部または支持端部が、慣性効果による、運動および／または振動のもとで構造体に堅固に結合しているとき、プルーフマスは、それぞれの荷重位置で梁に力を及ぼし、四点湾曲状態のもとで梁を変形させる。梁の上部表面もしくは下部表面、または好ましくは上部表面にも下部表面にも接合された圧電活性材料も、同じ曲歪みを受け、そのプロセスにおいて電気出力をもたらす。

２つのプルーフマスは、梁の湾曲を釣り合わせるために、梁の固定端部または簡単に支持された点から等距離に配置されるのが好ましい。これは、加速度計の横感度（すなわち、２つの目的としない直交方向の電荷量または電圧出力）を低減するのを助ける。固定端部または簡単に支持された端部から異なる距離に荷重をかけることも、別の構造では可能であるが、好ましくない。

プルーフマスの配置は、得られる荷重ができる限り線荷重に近づき、その存在が梁の自由振動挙動に影響を及ぼさないようにすべきである。以上のガイドラインから逸脱しても、上述の加速度計が目的通りに機能することが可能であるが、装置の感度は、様々な程度に影響を受ける可能性がある。

プルーフマスは、それらをより小さい質量に分割することを含めて、容易な作成および組立てのために、様々な構造のものとすることができる。

より好ましくは、梁は、装置の横感度を低減するのを助けるために、捩れおよび／または他の望ましくない変形モードを低減するほど十分広く厚くするべきであるが、梁の表面の複雑な応力勾配をもたらすほど広くしてはならず、装置の感度に悪影響を及ぼすほど厚くしてはならない。

本発明の加速度計の目的の検知軸は、梁の最も大きい面に垂直な方向である。その横感度は、すなわち２つの目的としない直交方向において、好ましくは軸上感度の６％以下、より好ましくは３％以下である。

図２（ａ）〜図５（ｂ）の端部構造は、例示を目的とするものである。同じ目的の機能を提供する、他の端部構造も、本実施形態の範囲および文言内である。

使用される圧電活性材料は、弾性梁基材の変形に追従するほど十分歪むべきである。さらに、所与の加速度単位当りの電荷量または電圧出力で表現される加速度計の感度が、使用される活性材料の横圧電係数に比例するとき、圧電活性材料は、妥当な、もしくは高い横圧電電荷量および／または電圧係数を有する必要がある。

添加された誘導体を含む、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８Ｏ_３すなわちＰＺＴ）セラミクスおよび誘導体は、絶対値で５０ｐＣ／Ｎを超える横圧電係数を有し、本実施形態の加速度計の検知材料に適した材料である。

以下の表１に示すように、リラクサベースの強誘電性ＰＺＮ−ＰＴまたはＰＭＮ−ＰＴ単結晶は、ＰＺＴセラミクスより優れた横圧電係数および大きい弾性コンプライアンスを有する。したがって、高い横圧電係数のＰＺＮ−ＰＴおよびＰＭＮ−ＰＴ単結晶の適当な薄片または断片は、本実施形態の加速度計の検知要素として好ましい材料である。

ＰＺＮ−ＰＴまたはＰＭＮ−ＰＴ単結晶は、ＰＺＴセラミクスに比べて、はるかに高い誘電率（Ｋ^Ｔ）を有する。これは、これらの単結晶から作成された加速度計が、極めて高い容量、より低い電気ノイズを有し、したがってより高い信号対ノイズ（Ｓ／Ｎ）比を有することを意味する。

高い容量および抵抗値の加速度計は、低減された電荷または電流漏れも有する。この特性は、地震加速度計などの、低周波数で動作する圧電装置には重要であり、電荷または電流漏れは、信号調整器を用いることなく動作する際の主な懸念事項である。

本実施形態の加速度計の検知要素として、適当なカットの添加されたＰＺＮ−ＰＴ単結晶を使用することもできる。前記添加されたＰＺＮ−ｘＰＴ単結晶には、以下の化学式により、元素Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３，…およびＢ_１，Ｂ_２，Ｂ_３，…の少なくとも１つを添加することができる。
Ｐｂ（Ｚｎ，Ａ_ｌ，Ａ_２，Ａ_３，．．．）_１／３ （Ｎｂ，Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３，．．．）_２／３Ｏ_３−ｘＰｂＴｉＯ_３
ここで、ｘは、０．０５≦ｘ≦０．０９により与えられるモル比率である。
Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３，…は、Ｚｎ^２＋のモル比率の合計で１／３まで、Ｍｇ^２＋、Ｎｉ^２＋、Ｆｅ^２＋、Ｃｏ^２＋、Ｙｂ^２＋、Ｓｃ^３＋、およびＩｎ^３＋の少なくとも１つを含む。
Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３，…は、Ｎｂ^５＋のモル比率の合計で１／４まで、Ｔａ^５＋、Ｗ^６＋、およびＭｏ^６＋の少なくとも１つを含む。

本実施形態の加速度計の検知要素として、適当なカットおよび寸法の添加されたＰＭＮ−ＰＴ単結晶を使用することもできる。前記添加されたＰＭＮ−ｙＰＴ単結晶には、以下の化学式により、元素Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、・・・およびＢ_１、Ｂ_２、Ｂ_３、・・・の少なくとも１つを添加することができる。
Ｐｂ（Ｍｇ，Ａ_ｌ，Ａ_２，Ａ_３，．．．）_１／３ （Ｎｂ，Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３，．．．）_２／３Ｏ_３−ｙＰｂＴｉＯ_３
ここで、ｙは、０．２６≦ｙ≦０．３３により与えられるモル比率である。
Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３、・・・は、Ｍｇ^２＋のモル比率の合計で１／３まで、Ｍｇ^２＋、Ｎｉ^２＋、Ｆｅ^２＋、Ｃｏ^２＋、Ｙｂ^２＋、Ｓｃ^３＋、およびＩｎ^３＋の少なくとも１つを含む。
Ｂ_１、Ｂ_２、Ｂ_３、・・・は、Ｎｂ^５＋のモル比率の合計で１／４まで、Ｔａ^５＋、Ｗ^６＋、およびＭｏ^６＋の少なくとも１つを含む。

添加された単結晶に加えて、適当なカットおよび寸法ならびに以下の成分、すなわちＰｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｉｎ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｓｃ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｆｅ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｍｎ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３、ＰｂＺｒＯ_３およびＰｂＴｉＯ_３の、最適に分極する二元、三元、または多元の固溶体単結晶も検知要素として使用することもできる。

適当に寸法を決められた、すなわち有効な形状、厚さ、長さ、および幅を有する、ＰＺＮ−ＰＴもしくはＰＭＮ−ＰＴまたはそれらの添加された誘導体の最適に分極する単結晶の薄片、断片、または小片は、特に、地震加速度計などの低周波数動作のための装置を目標とするとき、感度の改善、低装置ノイズ、および高い信号対ノイズ比のために、本発明の四点湾曲加速度計の検知要素として使用されるのが好ましい。

図７に示すように、より多数の圧電活性材料は、梁基材の径間中央部にも径間外側部にも、それらを接合することにより使用することができる。しかし、図６に示すように、四点湾曲梁の径間全体にわたる表面層における歪みの符号の変化により、圧電活性材料を接合および結線する際に、用途の需要に合わせるために、分極方向、およびそれぞれの結晶によりもたらされた電荷量または電圧の符号に関して、格別の注意を払うべきである。

本発明の圧電活性材料の接合および電気接続の方法の例を図７に示す。矢印は、圧電検知要素の分極方向を示し、線は、電線を表す。この設計では、梁基材（８０）は、共通のアースとして使用され、圧電検知要素（８２、８４、８６、８８、９０、９２）は、並列に電気的に接続される。この設計は、装置の電圧出力をほぼ同じに維持しながら、容量を増加させる。

図８は、本発明の圧電活性材料の接合および電気接続のさらに別の例を示す。矢印は、圧電検知要素の分極方向を示し、線は、電線を表す。この設計では、圧電検知要素はすべて、直列に電気的に接続される。この設計は、電圧出力を増加させるが、装置容量を低減させる。

本発明のさらに別の実施形態では、圧電活性材料は、様々な用途の需要に合わせるために、所望の電圧感度および装置容量を達成するように、一部直列に一部並列に接続することができる。

簡単に支持された四点湾曲加速度計は、固定端部四点湾曲加速度計に比べて、感度は高いが、共振周波数は低いことが予測される。固定と簡単な支持の中間の端部状態を有する四点湾曲加速度計は、中間の感度および共振周波数を有する。したがって、様々な用途の需要に合わせるのを助けるために、様々なタイプの端部状態を使用することができる。

本実施形態の２つ以上の四点湾曲加速度計は、２次元または３次元加速度計を作成するために、共通の基礎構造体に直交方向に取り付けることができる。そうした２次元加速度計（９８）および３次元加速度計（１００）の例を図９（ａ）および９（ｂ）に示す。本実施形態の四点湾曲加速度計および他のタイプまたは動作原理の加速度計の混合物は、必要に応じて２次元および３次元加速度計を作成するために使用することもできる。

図１０は、回転検知のために、本発明の１対の四点湾曲加速度計を使用する角速度センサ（１０２）の一実施形態の図である。前記装置（１０２）の両四点湾曲加速度計の出力差は、図示するｚ軸の周りの装置の回転速度を与えるが、その合計は、ｙ方向の直線加速度を与える。

図１１は、ｘ軸およびｙ軸の周りの回転を検知するための２軸角速度センサ（１０６）を作成するために本発明のいくつかの四点湾曲加速度計が使用される構造の一実施形態の図である。装置（１０６）は、四点湾曲加速度計の成分の各対の出力の（差ではなく）合計がとられる際、図１１に示すように、ｚおよびｙ方向の直線加速度も検知する。したがって、この装置は、４軸センサである。さらに、同じ概念は、３次元回転および３次元直線加速度を検知するための６軸センサを作成するのに拡張することができる。同様の設計概念は、必要に応じて、適当な構成の３軸角速度センサを作成するのに容易に拡張することができる。

図１０および図１１に示す装置は、さらに、加速度計のそれぞれの対の出力合計および出力差の両方を有利に利用することによって、多軸直線回転兼用センサとして機能する。したがって、本発明は、成分加速度計の少なくとも１つが本実施形態の四点湾曲加速度計から作成されている、多軸直線回転兼用運動センサの範囲に及ぶ。

構成、寸法、弾性梁の選択材料、プルーフマス、および圧電検知材料、ならびに梁の所望の端部状態が実現され、２つの荷重が適用され、圧電検知要素が本実施形態の四点湾曲加速度計の梁に取り付けられる方法および技術は、我々の発明の主な特徴または動作原理から逸脱することなく、適合させ、修正し、改良し、またはわずかに異なるが均等な方法と置き換えることができることは当業者には明らかであろう。これらの代用形態、代替形態、修正形態、または改良形態は、以下の特許請求の範囲の範囲および文言内であるものとみなされるべきである。

２ 弾性梁基材
４ 端部
６ 固定支持部
８ 弾性基材
１０ 端部
１２ 支持部
１４ 中心線
１８ 圧電活性材料
２０ 圧電活性材料
２２ 上部表面
２４ 下部表面
２８ 弾性梁基材
３０ 荷重部
３４ 端部
３６ 支持部
４０ 弾性梁基材
４２ 刃形支持部
４４ プルーフマス
４６ 圧電活性材料
４８ 圧電活性材料
５０ 端部
５２ 上部表面
５４ 下部表面
５８ 端部フランジ
６０ 弾性梁基材
６２ 圧電活性材料
６４ 圧電活性材料
６６ 上部表面
６８ 下部表面
７０ 荷重部
７４ 端部
７６ 支持部
８０ 梁基材
８２ 圧電検知要素
８４ 圧電検知要素
８６ 圧電検知要素
８８ 圧電検知要素
９０ 圧電検知要素
９２ 圧電検知要素
９８ ２次元加速度計
１００ ３次元加速度計
１０２ 角速度センサ
１０６ ２軸角速度センサ

Claims (25)

1. 第１の端部および第２の端部を有し、上面および下面を有する弾性基材梁と、
   前記基材梁の前記第１の端部および前記第２の端部を支持するための支持部と、
   前記基材梁の前記上面、前記下面、または前記上面および前記下面の両方に接合された圧電材料を含む検知要素と、
   前記第１の端部と前記第２の端部との間の２つの位置に力を及ぼすための力付加要素と、
   を含み、
   前記基材梁および前記圧電材料は、四点湾曲構成で動作する、
   加速度計。
2. 前記基材梁の前記第１の端部および前記第２の端部は、前記支持部により固定される、請求項１に記載の加速度計。
3. 前記基材梁の前記第１の端部および前記第２の端部は、前記支持部により簡単に支持される、請求項１に記載の加速度計。
4. 前記基材梁の前記第１の端部および前記第２の端部は、固定端部と簡単に支持された状態との間の方法で前記支持部により支持される、請求項１に記載の加速度計。
5. 前記基材梁は、前記装置の物理的寸法を低減するために、両端部で湾曲される、請求項１に記載の加速度計。
6. ２つのプルーフマスは、前記梁基材に荷重を提供するために、前記梁基材にわたり前記２つの端部の間に配置される、請求項１に記載の加速度計。
7. 前記プルーフマスは、それぞれ、前記基材梁のいずれかの支持部から等距離に配置される、請求項５に記載の加速度計。
8. 前記それぞれのプルーフマスのそれぞれは、２つ以上のより小さい質量を含む、請求項６に記載の加速度計。
9. 前記基材梁は、梁の幅がその径間に等しいか、またはそれよりも大きい、プレート状の構成を有する、請求項１に記載の加速度計。
10. 前記圧電材料は、絶対値で５００ｐＣ／Ｎを超える横圧電係数を有する圧電単結晶を含む、請求項１に記載の加速度計。
11. 前記検知要素は、
    （ここで、
    は、真空の誘電率）を超える誘電率を有する単結晶を含む、請求項９に記載の加速度計。
12. 前記検知要素は、最適に分極するＰＺＮ−ＰＴもしくはＰＭＮ−ＰＴ固溶体単結晶、または添加されたその誘導体の少なくとも１つを含み、前記結晶は、
    Ｐｂ（Ｚｎ，Ａ_ｌ，Ａ_２，Ａ_３，．．．）_１／３（Ｎｂ，Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３，．．．）_２／３Ｏ_３−ｘＰｂＴｉＯ_３ （０．０４５≦ｘ≦０．０９）、およびＰｂ（Ｍｇ，Ｂ_ｌ，Ｂ_２，Ｂ_３，．．．）_１／３（Ｎｂ， Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３，．．．）_２／３Ｏ_３−ｙＰｂＴｉＯ_３ （０．２６≦ｙ≦０．３３）
    を含み、
    ここで、Ａ_１，Ａ_２，Ａ_３，…は、Ｚｎ^２＋のモル比率の合計で１／３まで、Ｍｇ^２＋、Ｎｉ^２＋、Ｆｅ^２＋、Ｃｏ^２＋、Ｙｂ^２＋、Ｓｃ^３＋、およびＩｎ^３＋の少なくとも１つを含み、
    Ｂ_１，Ｂ_２，Ｂ_３，…は、Ｍｇ^２＋のモル比率の合計で１／３まで、Ｚｎ^２＋、Ｎｉ^２＋、Ｆｅ^２＋、Ｃｏ^２＋、Ｙｂ^２＋、Ｓｃ^３＋、およびＩｎ^３＋の少なくとも１つを含み、
    Ｃ_１，Ｃ_２，Ｃ_３，…は、Ｎｂ^５＋のモル比率の合計で１／４まで、Ｔａ^５＋、Ｗ^６＋、およびＭｏ^６＋の少なくとも１つを含む、
    請求項１０に記載の加速度計。
13. 前記検知要素は、適当なカットおよび寸法の以下の成分、すなわちＰｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｉｎ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｓｃ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｆｅ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｍｎ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３、ＰｂＺｒＯ_３およびＰｂＴｉＯ_３の、最適に分極する二元、三元、または多元の固溶体単結晶の少なくとも１つを含む、請求項１０に記載の加速度計。
14. 前記検知要素は、前記分極するＰＺＴセラミクスおよび添加されたその誘導体の少なくとも１つを含む、請求項１に記載の加速度計。
15. 前記それぞれの検知要素は、並列、直列、またはそれらの組合せの少なくとも１つで電気的に接続される、請求項１に記載の加速度計。
16. 少なくとも１つの取付構造体をさらに含む、請求項１に記載の加速度計。
17. ハウジングをさらに含む、請求項１に記載の加速度計。
18. 請求項１に記載の少なくとも１つの加速度計を含む、多軸加速度計。
19. 請求項１に記載の少なくとも１つの加速度計を含む、直線運動センサ。
20. 請求項１に記載の少なくとも１つの加速度計を含む、多軸運動センサ。
21. 請求項１に記載の少なくとも１つの加速度計を含む、角速度センサ。
22. 請求項１に記載の少なくとも１つの加速度計を含む、多軸角速度センサ。
23. 請求項１に記載の少なくとも１つの加速度計を含む、回転運動センサ。
24. 請求項１に記載の少なくとも１つの加速度計を含む、直線回転兼用センサ。
25. 請求項１に記載の少なくとも１つの加速度計を含む、多軸直線回転兼用センサ。