(57)【要約】      （修正有）【課題】共振器の機械加工の容易性を損なわず、共振周波数を増大させずにモード質量を増大させ、さらに支持によるエネルギーの減衰を低減することで高いＱ値を有する半球共振型ジャイロ用共振器等を提供する。【解決手段】半球共振型ジャイロにおける共振器１０で、線膨張率が５×１０−６［／Ｋ］以下の材料で構成され、軸部１と、軸部１に対して垂直な平面において共振パターンを維持する共振部２とを有し、共振部２は半球シェルの端縁の径方向外側に複数の付加質量部４を有する。軸部１は共振部２の共振周波数から離れた共振周波数を有し、支持によるエネルギーの減衰を低減する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半球シェルの頂点部分と反対側の端縁の外周に沿って外側に突出した複数の付加質量部を有する共振部と、
前記半球シェルの頂点部分の極から前記半球シェルの中心を通る軸に沿って延びる軸部と、
からなり、
全体が５×１０−６［／Ｋ］以下の線膨張率を有する材料で構成され、前記共振部が前記軸部に対して垂直な平面において共振パターンを維持する半球共振型ジャイロ用共振器。
【請求項２】
前記半球シェルが端縁を残して上部に外周に沿って複数のスリットを有する、請求項１に記載の半球共振型ジャイロ用共振器。
【請求項３】
前記共振パターンを前記共振部のｎ次(ｎ：自然数)の共振パターンとし、前記付加質量部の大きさが異なり、前記共振部の周方向の単位角当たりの質量を周方向の単位角θの関数で表しフーリエ級数展開したとき、cos(θ−α１)、cos{(ｎ−１)(θ−αn-1)}、cos{ｎ(θ−αn)}、cos{(ｎ＋１) (θ−αn+1)}、cos{２ｎ(θ−α2n)}の係数が０に十分近い小さい値となる、請求項１に記載の半球共振型ジャイロ用共振器。
【請求項４】
前記共振パターンを前記共振部のｎ次(ｎ：自然数)の共振パターンとし、前記付加質量部または前記スリットの大きさが異なり、前記共振部の周方向の単位角当たりの質量を周方向の単位角θの関数で表しフーリエ級数展開したとき、cos(θ−α１)、cos{(ｎ−１)(θ−αn-1)}、cos{ｎ(θ−αn)}、cos{(ｎ＋１) (θ−αn+1)}、cos{２ｎ(θ−α2n)}の係数が０に十分近い小さい値となる、請求項２に記載の半球共振型ジャイロ用共振器。
【請求項５】
繋ぎ目を有さない、請求項１から４までのいずれか１項に記載の半球共振型ジャイロ用共振器。
【請求項６】
前記軸部が、前記共振部の共振パターンの共振周波数から離れた共振周波数を有する、請求項１から４までのいずれか１項に記載の半球共振型ジャイロ用共振器。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか１項に記載の半球共振型ジャイロ用共振器と、
前記共振器を前記軸部で固定支持して収納する上側ハウジングおよび下側ハウジングと、
前記上側ハウジングに前記共振部の周方向に等間隔に配置され、前記共振部に対して径方向の吸引力を発生させる複数のアクチュエータと、
前記下側ハウジングに前記共振部の周方向に等間隔で配置され、前記共振部の径方向の変位を検出する複数の変位センサと、
前記各アクチュエータの駆動信号を生成し、前記半球シェルの中心を通る軸を計測軸とし、前記各アクチュエータへの駆動信号および前記各変位センサからの検出信号から前記計測軸方向の回転角度または回転速度を演算する検出制御部と、
を備えた半球共振型ジャイロ。
【請求項８】
軸部に対して垂直な平面において共振パターンを維持する半球シェルの頂点部分と反対側の端縁の外周に沿って外側に突出した複数の付加質量部を有した共振部と、前記半球シェルの頂点部分の極から前記半球シェルの中心を通る軸に沿って延びる前記軸部と、からなる共振器を、
５×１０−６［／Ｋ］以下の線膨張率を有する材料を削り出して一体に形成する半球共振型ジャイロ用共振器の製造方法。
【請求項９】
前記付加質量部を削ることで前記共振部の形状不均一性を補正する、請求項８に記載の半球共振型ジャイロ用共振器の製造方法。
【請求項１０】
前記共振パターンを前記共振部のｎ次(ｎ：自然数)の共振パターンとし、前記共振部の周方向の単位角当たりの質量を周方向の単位角θの関数で表しフーリエ級数展開したとき、cos(θ−α１)、cos{(ｎ−１)(θ−αn-1)}、cos{ｎ(θ−αn)}、cos{(ｎ＋１) (θ−αn+1)}、cos{２ｎ(θ−α2n)}の係数が０に十分近い小さい値となるように、前記付加質量部を削る、請求項９に記載の半球共振型ジャイロ用共振器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、回転速度を検出するためのジャイロに関する。特に、半球状の共振器を１次共振させ、この１次共振による共振モードの位相変化から回転角度を検出するか、または１次共振による共振モードの位相変化を抑制するための制御量から回転角速度を検出する、半球共振型ジャイロ(ＨＲＧ：Hemispherical Resonator Gyro)用共振器および半球共振型ジャイロおよび半球共振型ジャイロ用共振器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半球共振型ジャイロは、一般に半球シェル状の共振器を備え、共振器に１次共振モードを励起させ、励起させた共振モードの位相変化から回転角度を検出するか、または励起させた共振モードの位相変化を抑制するための制御量から、共振器の軸方向の回転速度を検出するものである。
【０００３】
従来の半球共振型ジャイロ用の共振器は、一般に石英ガラスからなり、厚さが一定の半球シェルの共振部を有する。共振器の形状や加工精度はジャイロの性能に大きく影響する。特に共振器の共振パターンのＱ値が高い程、ジャイロのバイアス安定度は向上し、角速度検出ノイズが低減できる。さらにＱ値が高い程、共振器に共振パターンを維持するために必要な電力を低減できるため、共振器のＱ値は高いことが望ましい。
【０００４】
共振器のＱ値は、材料に依存する内部減衰や、形状に依存する支持部でのエネルギーの減衰など、様々なエネルギー減衰要因により低下するため、Ｑ値向上のためには、それら全てのエネルギー減衰要因を低減させる必要がある。
【０００５】
例えば、共振器の材料としては一般に内部減衰の小さい石英ガラスが用いられる。下記特許文献１では、他の内部減衰の小さい材料として、ＨｆＯ２−ＴｉＯ２を用いた共振器を提案している。
【０００６】
その他の例として、例えば下記特許文献２では、モード質量を増大させる形状が提案されている。モード質量を増大させることは、金属皮膜や共振器の機械加工における形状の不均一性によるエネルギー減衰の相対的作用を低減する利点がある。モード質量を増大させるためには、半球部の外径を増大させることが有効である。しかし、外径の増大は、ジャイロとしての寸法が拡大するため、近年求められているセンサの小型化の要求に反する。また、共振器の外径を固定した場合、共振器の内径を縮小して厚みを増加させることが有効であるが、それは共振周波数の増加につながる。共振周波数が増大すると、増大に合わせて角速度検出に必要な共振パターンを認識するためのサンプリング周波数を増加させる必要がある。このため、共振周波数は高くしすぎないことが望ましい。そこで、特許文献２では、共振部の極から端縁に向けて厚みを増加させる形状を提案している。これにより、共振器の寸法や共振周波数を大幅に増大させることなく、モード質量を増加させている。さらに、この形状は内外面とも球面のため、機械加工の容易性を損なわない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２０１５−５１１７０７号公報
【特許文献２】特表２００７−５１６４１８号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】THE GRAVITATIONAL VOICE、”Large Cryotraps for AdV”、Number 23、MARCH 2013
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このように半球共振型ジャイロ用の共振器は、高性能かつ低消費電力を実現するために、高いＱ値を有することが求められ、そのために、共振周波数や寸法を大幅に拡大せずに、モード質量を上げることが要求される。
しかしながら、上述の先行技術のように、共振部の極から端縁に向けて厚みを増加させた形状の共振器では、厚みが一定の形状の共振器に比べて、共振周波数の増加率は低いものの、共振周波数の増加は避けられないため、大幅にモード質量を増大させることができない。
また、共振器のＱ値を向上させるためには、モード質量の増加だけでなく、非常に高い加工精度が必要となる。これは、共振器形状の不均一性に起因して、共振器の重心の振動や、２個の共振モードの共振周波数の分離が発生し、減衰が増加するためである。しかし、形状精度から共振器の重心の振動や共振周波数の分離を抑える共振器を製作することは困難である。したがって、共振器に共振パターンを励起させ、その振動に応じて追加工を実施する必要がある。
極から端縁に向けて厚みを増加させる形状では、共振部の内外面とも球面であり、削り出しおよび研磨における機械加工の容易性を損なわない。しかしながら、共振器が軸回りに均一な形状の場合、追加工により必要な箇所を必要なだけ削るためには繊細な加工技術が必要となる。
さらに、これまでは支持によるエネルギー減衰について考慮されておらず、共振部単体のＱ値が高い場合にも、軸で支持することで、Ｑ値を大幅に減少させてしまう可能性があった。
【００１０】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、共振器の機械加工の容易性を損なわず、共振周波数を増大させずにモード質量を増大させ、さらに支持によるエネルギー減衰を低減することで高いＱ値を有する半球共振型ジャイロ用共振器およびその製造方法を提供することを目的とする。
また、この共振器を備えた、高性能かつ低消費電力の半球共振型ジャイロを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明は、半球シェルの頂点部分と反対側の端縁の外周に沿って外側に突出した複数の付加質量部を有する共振部と、前記半球シェルの頂点部分の極から前記半球シェルの中心を通る軸に沿って延びる軸部と、からなり、全体が５×１０−６［／Ｋ］以下の線膨張率を有する材料で構成され、前記共振部が前記軸部に対して垂直な平面において共振パターンを維持する半球共振型ジャイロ用共振器等にある。
【発明の効果】
【００１２】
この発明では、共振器の機械加工の容易性を損なわず、共振周波数を増大させずにモード質量を増大させ、さらに支持によるエネルギーの減衰を低減することで高いＱ値を有する半球共振型ジャイロ用共振器等が得られる。
また、この共振器を備えた、高性能かつ低消費電力の半球共振型ジャイロが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明の実施の形態１にかかる半球共振型ジャイロ用共振器の一例の構成を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態２にかかる半球共振型ジャイロ用共振器の一例の構成を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態３にかかる半球共振型ジャイロ用共振器に関する、共振部と軸の共振周波数の差と、軸と共振部の歪エネルギーの比の関係を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態４にかかる半球共振型ジャイロの機械系の構成の一例を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態４にかかる半球共振型ジャイロの制御系の構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
この発明によれば、加工が困難な低線膨張率の材料を用いた半球共振型ジャイロ用の共振器においても、機械加工の容易性を損なわず、共振器の共振周波数を上げることなく、また共振器の寸法を増大させずに、モード質量を増大させることができる。さらに支持におけるエネルギーの減衰を低減させることが可能である。これらにより、高いＱ値を持つ共振器を得ることができ、高Ｑ値の共振器を適用することで、低消費電力かつ低ノイズ、高安定度を実現しかつ小型化が可能な半球共振型ジャイロを提供する。
【００１５】
以下、この発明による半球共振型ジャイロ用共振器および半球共振型ジャイロを各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。
【００１６】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１にかかる半球共振型ジャイロ用共振器の一例の構成を示す図である。図１の(ａ)は軸部１の方向をＺ軸としたＸＹＺ軸における軸部１を通るＺＸ面での縦断面図、(ｂ)はＺ軸方向から見たＸＹ面側を示す上面図である。
【００１７】
この実施の形態１に係る共振器１０は、線膨張率が５×１０−６［／Ｋ］以下、下限は理想的には０、である材料からなる。図１に示すように、共振器１０は、共振部２と、共振部２の頂点部分である極から共振部２の中心を通る軸に沿って延びる軸部１で構成される。共振部２は、半球形状のシェルである半球シェル２ａの端縁に軸部１回りに、すなわち半球シェル２ａの端縁の外周に沿って、複数個の付加質量部４が外側に突出するように配置されている。Ｚ軸は軸部１および半球シェル２ａひいては共振部２の中心を通る軸であり、回転角度または回転速度の計測軸である。Ｘ軸およびＹ軸は、共振器１０の端縁を含む平面上にあるＺ軸に垂直な軸で、互いに直交する。図１に示す点線(Ｆ１)は、共振部２の内側半球面の端縁からＺ軸に並行に延長した円柱面Ｆ１を示し、共振部２は円柱面Ｆ１より外側に複数の付加質量部４を有する。
【００１８】
半球共振型ジャイロでは、高性能および低消費電力のために、高いＱ値を有する共振器１０が必要である。特に高性能な半球共振型ジャイロには、Ｑ値が１０６以上である共振器１０が用いられる。例えば上記非特許文献１を参照されたい。共振器１０のＱ値を向上させる一つの方法は、内部減衰の小さい材料を用いることである。共振器１０の内部減衰を決定する要因の一つとして、熱弾性減衰が知られている。熱弾性減衰は材料の線膨張率の二乗に比例する。すなわち、低線膨張率の材料で共振器を構成することで、内部減衰を低減できる。
【００１９】
例えば、代表的な大きさの共振器１０として外径６ｃｍ、厚さ１．５ｍｍの半球共振器１０を考えたとき、線膨張率が５×１０−７［／Ｋ］である合成石英ガラスで構成すると、熱弾性減衰により決定されるＱ値は１０８のオーダーとなる。熱弾性減衰は線膨張率の二乗に比例するため、線膨張率が石英ガラスの１０倍の５×１０−６［／Ｋ］である材料を用いると、熱弾性減衰により決定されるＱ値が１０６のオーダーとなることが期待できる。したがって、この実施の形態１では、線膨張率が５×１０−６［／Ｋ］以下、下限は理想的には０、の材料を用いることで、熱弾性減衰により決定されるＱ値を１０６のオーダー以上とすることができる。このような材料として、石英ガラスの他、ダイヤモンド、サファイアなどが考えられる。
【００２０】
また、共振器１０のＱ値を向上させるためには、共振器１０に励起させる共振モードのモード質量を向上させることも有効である。ただし、ジャイロの寸法および角速度検出に必要なサンプリング周期の制約から、共振器寸法および共振周波数を大幅に増大することなく、モード質量を増大させる必要がある。
【００２１】
この実施の形態１では、Ｚ軸回りに、すなわち半球シェル２ａの端縁の外周に沿って、離散的な付加質量部４を複数配置することで、共振部２の剛性を上げずに、質量を増加させることができる。したがって、共振部２の共振周波数を増大させることなく、モード質量を増大させることが可能となる。さらに、寸法を増大するのは端縁近傍のみであり、Ｚ軸方向には拡大しないため、共振器１０全体の寸法の拡大を抑えることができる。
【００２２】
共振器１０のＱ値を向上させるためには、内部減衰の低減やモード質量の向上の他に、非常に高い加工精度が必要となる。これは、共振部２に形状の不均一性がある場合や、共振部２の表面に凹凸がある場合、それらに起因して減衰が増加するためである。
【００２３】
しかし、一般に線膨張率の小さい材料は融点が高いため、鋳造による精密加工が難しく、削り出しでの加工が必要となる。
【００２４】
また、接着剤を用いた接着は、接着面での減衰を増加させる。溶接による接着では、熱または圧力により共振部２の加工精度が劣化する。したがって、共振器１０はパーツに分離せずに一体として、削り出し加工で製作する必要がある。このため、複雑な形状の加工は難しく、特に加工の困難な共振器１０内側は、軸部１を除いて球面であることが望ましい。
【００２５】
この実施の形態１では、線膨張率が５×１０−６［／Ｋ］以下、下限は理想的には０、である材料を用いるため、削り出しによる加工が必要である。共振器１０の加工の難しい内側表面は、軸部１を除いて球面であり、共振部２に共振を励起させたときの付加質量部４の歪は、半球面の歪に比べて小さく、付加質量部４の表面粗さに起因する減衰の影響が少ないため、付加質量部４の側面の研磨加工は必要ない。したがって、機械加工の容易性を損なわない。
【００２６】
この実施の形態１の一例として、材料を石英ガラスとし、外径、すなわち半球シェル２ａの端縁の外面間で計った直径、を６０ｍｍ、厚さを１．５ｍｍとした半球シェル２ａを考える。半球シェル２ａの中心点と同一の点を中心として、外径を７０ｍｍ、厚さを５ｍｍとした球殻をＺ軸回りに１５度切り取り、さらにＸ軸周りに１０度切り取った形状を一つの付加質量部４とし、同一の形状の付加質量部４を計８個、上述の６０ｍｍ、厚さを１．５ｍｍの半球シェル２ａの端縁の外側にＺ軸周りに、すなわち端縁の外周に沿って等間隔に配置する。このとき、付加質量部４のない同一の厚さおよび外径の半球シェルに対して、楕円モードの共振周波数を約０．８倍に抑え、楕円モードのモード質量を約１．５倍に増大させることができる。付加質量部４を拡大させること、付加質量部４の数を増加することで、共振周波数を上げずに、さらにモード質量を増大させることも可能である。
【００２７】
また、共振部２の付加質量部４を削ることで、軸対称形状の共振器に比べて容易に形状の不均一性を補正することが可能である。
【００２８】
ここで、共振部２の周方向となるＺ軸の回りの単位角当たりの質量をＺ軸周りの単位角θの関数ρ(θ)で表し、関数ρ(θ)を下記式(１)のようにフーリエ級数展開する。
【００２９】
ρ(θ)＝
ρ０＋ρ１cos(θ−α１)＋ρ２cos２(θ−α２)＋ρ３cos３(θ−α３)＋…
(１)
【００３０】
このとき、ρ１≠０は、静止状態で共振部２の重心がＺ軸上からずれていることを意味する。また、共振部２に、端縁の半径方向の変位がcosｎθ(ｎ：自然数)で表される共振モードを励起させる場合を考えると、ρ(θ)におけるρｎ−１、ρｎ、ρｎ＋１のうちいずれか１つでも０でなければ、共振部２の重心の振動が発生する。これらの重心のずれは、支持による減衰の増加につながる。また、ρ(θ)におけるρ２ｎの値が０でないとき、共振器１０上に現れる２個のｎ次の共振モード(cosｎθ、cosｎ(θ−(π／２)))の共振周波数が分離する。これにより、角速度検出にドリフトが発生する。したがって、共振部２に励起させる共振モードに合わせて、ρ１、ρｎ−１、ρｎ、ρｎ＋１、ρ２ｎを０に十分近い小さい値にする、または実質的に０にする、または０にするように追加工として付加質量部４を削ることで、結果的に、異なる大きさの付加質量部４により半球シェル２ａの形状不均一性を補正することができる。これにより、支持による減衰と、角速度検出のドリフトを低減させることが可能である。
【００３１】
なお、この実施の形態１の軸部１は、共振部２の極３の上下に２本の軸を備える。しかしながらこの発明はこれに限定されず、軸部１は極３の下側または上側どちらか一方のみであってもよい。
また、この実施の形態１の例では、付加質量部４は球殻を切り取った形状としている。しかしながら付加質量部４は、図１の円柱面Ｆ１の外側に配置されれば、扇形や台形の板、立方体など、その他の形状のものであってもよい。さらに、付加質量部４の数および配置の間隔、個々の大きさはこの実施の形態の例に限定されるものではなく、上記式(１)においてρ１、ρｎ−１、ρｎ、ρｎ＋１、ρ２ｎの値が他の項に比べて十分小さければよく、異なる大きさの複数の付加質量部４であってもよい。さらに、付加質量部４が等間隔に配置されなくてもよい。例えば、共振部２に楕円モード(ｎ＝２)を励起させる場合、ほぼ同じ質量の付加質量部４を等間隔に配置する際には、付加質量部４の数は５個以上であればよい。また、図１に示す付加質量部４の一つを、元の付加質量部の質量の半分の質量を持つ２個の付加質量部に置き換えるなどとしてもよい。
【００３２】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２にかかる半球共振型ジャイロ用共振器の一例の構成を示す図である。図２の(ａ)は軸部１の方向をＺ軸としたＸＹＺ軸における軸部１を通るＺＸ面での縦断面図、(ｂ)はＺ軸方向から見たＸＹ面側を示す上面図である。
【００３３】
この実施の形態２に係る共振器１０ａは、線膨張率が５×１０−６［／Ｋ］以下、下限は理想的には０、である材料からなり、図２に示すように、半球シェル２ａに付加質量部４およびスリット５を有した形状の共振部２と、共振部２の頂点部分である極から共振部２の中心を通る軸に沿って延びる軸部１で構成される。Ｚ軸は軸部１および共振部２の中心を通る軸であり、回転角度または回転速度の計測軸である。Ｘ軸およびＹ軸は、共振器１０ａの端縁を含む平面上にあるＺ軸に垂直な軸で、互いに直交する。この実施の形態２における共振器１０ａの材料は実施の形態１における共振器１０の材料と同じである。また図２に示す付加質量部４は、実施の形態１における図１の付加質量部４と同一である。したがって、低膨張率の材料による効果や、付加質量部４に関する詳細および効果については説明を省略し、以下ではスリット５について説明する。
【００３４】
スリット５は、共振部２の端縁近傍を残し、Ｚ軸回りに、放射状に複数箇所設けることを特徴とする。
この構成により、モード質量を大幅に下げることなく、共振周波数を下げることが可能である。また、加工の難しい内側表面は、軸部１を除いて球面であり、スリット５の側面は半球面に比べて小さいため、表面粗さによる減衰の影響は小さく、スリット５の側面の研磨加工は必要ないため、機械加工の容易性を損なわない。
【００３５】
共振器１０ａの寸法に制約がない場合には、付加質量部４の大きさを拡大することで、共振周波数を低下させ、モード質量を向上させることができる。しかし、ジャイロとしての寸法の制約により、付加質量部４を大幅に拡大できない場合がある。この場合には、共振部２の外径を固定し、内径を小さくすることで、全体の厚みを増加し、モード質量を増加させるが、共振周波数も増大してしまう。したがって、この場合に、端縁を残してスリット５を設けることで、共振部２の剛性を下げ、共振周波数の増大を抑えることが可能となる。
【００３６】
なお、この実施の形態２の軸部１は、共振部２の極３の上下に２本の軸を備える、しかしながらこの発明はこれに限定されず、軸部１は極３の下側または上側どちらか一方のみであってもよい。
また、スリット５の形状はこの実施の形態２の例に限定されるものではない。スリット５は、台形や、楕円状に切り取った形状など、その他の形状であってもよい。さらに、スリット５の数および付加質量部４との相対位置はこの実施の形態２に限定されるものではない。共振部２にｎ次の共振モードを励起させる場合には、上記式(１)におけるρ１、ρｎ−１、ρｎ、ρｎ＋１、ρ２ｎの値を０に十分近い小さい値にする、または実質的に０にする、または０にする構成であればよい。
【００３７】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３による半球共振型ジャイロ用共振器において、共振器は実施の形態１，２の図１または図２の共振器と同一である。したがって、共振器については説明を省略し、以下では実施の形態１および２と異なる点について説明する。
【００３８】
この発明の実施の形態３にかかる共振器では、軸部１が、共振部２に維持する共振パターンの共振周波数と離れた、または大きく異なる、または異なる共振周波数を持つことを特徴とする。
【００３９】
支持による減衰は、軸部１の歪エネルギーと共振部２の歪エネルギーの比に比例する。したがって、支持による減衰を減少させるためには、軸部１の歪エネルギーを減少させることが必要である。しかし、軸部１の共振周波数と共振部２の共振パターンの共振周波数が近接している場合、共振部２の振動エネルギーが軸部１に流れ、軸部１の歪エネルギーが増大する。特に、共振部２の重心が軸部１からずれている場合や、共振部２の振動に伴い共振部２の重心位置が振動する場合、共振周波数が近接することによる軸部１の歪エネルギーの増加は顕著になる。付加質量部４により、共振部２の不均一性を補正することで、共振部２の重心のずれおよび振動を抑えることはできるが、完全になくすことは実質不可能である。
【００４０】
したがって、共振部２に維持する共振パターンの共振周波数と異なる共振周波数、または共振部２に維持する共振パターンの共振周波数から離れた共振周波数を持つように軸部１を設計することは、支持による減衰の低減に効果的である。
【００４１】
この実施の形態３の一例として、材料を石英ガラスとし、共振部２の外径が６０ｍｍ、厚みが１．５ｍｍであり、実施の形態１に示した例と同一の付加質量部４を持つとする。また、軸部１は直径を７ｍｍで極３の下側のみとし、軸部１の下端を固定するものとする。このとき、軸部１の長さを長くすると、共振部２の楕円モードの共振周波数は変わらないが、軸部１の１次モード共振周波数は減少する。図３は、軸部１と共振部２の共振周波数の差である楕円モード共振周波数に対する軸部１の１次共振周波数の差［％］と、歪エネルギーの比である歪エネルギー比の関係を表したものである。ただし、共振部２に形状不均一性が存在するとして、付加質量部４とは別に、共振部２の端縁の１箇所に共振部２の２００分の１の質量を持つ質点部(図示省略)が付加されているものとした。また、歪エネルギー比および共振周波数の差は下記式(２)(３)に基づいて算出したものである。
【００４２】
歪エネルギーの比＝((軸部１の歪エネルギー)／(共振部２の歪エネルギー))
(２)
共振周波数の差［％］＝
((楕円モードの共振周波数)−(軸部１次モードの共振周波数))/(楕円モードの共振周波数)×１００                                                      (３)
【００４３】
図３に示すように、軸部１と共振部２の共振周波数の差が±１０％以内となるとき、歪エネルギーの比は急激に増加する。特に共振周波数の差が±５％以内となるとき、共振周波数の差が±１０％以上である場合に比べて、歪エネルギーの比は約１．５倍に増加する。すなわち、支持による減衰が１．５倍となる。これより、軸部１と共振部２の共振周波数の差を±１０％以上とすれば、支持による減衰を低減させることができる。
【００４４】
なお、この実施の形態３の例として軸部１を共振部２の極３の下側のみとしたが、この発明はこれに限定されず、極３を介して上下に２個の軸を備えるか、極３の上側のみに軸があってもよい。また、軸部１の直径や軸長は、この実施の形態３の例に限定されるものではない。
【００４５】
実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４にかかる半球共振型ジャイロの機械系の構成の一例を示す図である。図４の半球共振型ジャイロは、上記各実施の形態による共振器１０，１０ａを軸とするもので、軸部１を通るＺＸ面での縦断面図として示されている。
【００４６】
この実施の形態４に係る半球共振型ジャイロは、上記実施の形態１−３に記載の、付加質量部４を有する共振部２および軸部１で構成される共振器１０または共振器１０ａを備える。図４に示すように、共振器(１０，１０ａ)は、共振部２を支持する軸部１を介して、軸部がある側の上側ハウジング６および下側ハウジング７の少なくとも一方で固定支持される。上側ハウジング６は、共振部２の極３と反対側の端部側となる下方が開口した矩形または円筒形の箱型で、断面形状は台形となるようにしている。下側ハウジング７は、板状部材で、上側ハウジング６の開口を塞ぐ大きさを有している。上側ハウジング６には、共振部２に対し径方向の吸引力を発生させるための複数のアクチュエータ８が、Ｚ軸回りすなわち共振部２の周方向に等間隔で、共振部２の外側に並ぶように配置されている。下側ハウジング７には、共振部２の径方向の変位を検出するための複数の変位センサ９が、Ｚ軸回りすなわち共振部２の周方向に等間隔に、共振部２の内側に並ぶように配置されている。
【００４７】
図５はこの発明の実施の形態４にかかる半球共振型ジャイロの制御系の構成の一例を示す図である。例えばマイクロプロセッサで構成される検出制御部１００は、各アクチュエータ８および各変位センサ９に接続されて、各アクチュエータ８を駆動すると共に各変位センサ９からの検出結果を入力して、Ｚ軸回りの回転角度または回転速度を検出する。
【００４８】
この発明の実施の形態４による半球共振型ジャイロにおいて、アクチュエータ８は例えば静電容量式アクチュエータで構成され、共振部２に非接触で径方向の吸引力を発生させる。変位センサ９は、例えば静電容量式変位センサで構成され、共振部２に非接触で、共振部２の径方向の変位を検出し、検出制御部１００に検出信号を入力する。検出制御部１００は、アクチュエータ８の駆動信号を生成して出力すると共に、各アクチュエータ８への駆動信号および各変位センサ９からの検出信号から、Ｚ軸回りの回転角度または回転速度を検出する。なお図５では非接触な関係を点線の矢印で示した。
【００４９】
共振器１０，１０ａにおいて、付加質量部４のない厚みが一定の半球シェル状の共振部２に比べて、寸法が拡大するのは端縁部のみであり、図４に示すように、共振器１０，１０ａの端縁に当たる位置には上側ハウジング６および下側ハウジング７の間に隙間がある。また、Ｚ軸方向に寸法の拡大はないため、共振部２の端縁に付加質量部４を備えることに起因して、ハウジングを大幅に拡大する必要はない。すなわち、付加質量部４を用いずに、共振部２の半径を拡大することで共振部２のモード質量を増大させる場合に比べて、この実施の形態の半球共振型ジャイロの場合、半球共振型ジャイロの小型化が可能となる。さらに、高いＱ値を持つ共振器を備えることにより、半球共振型ジャイロの高安定度化および低ノイズ化が可能である。
【００５０】
なお上記実施の形態４の説明においては、上側ハウジング６にアクチュエータ８、下側ハウジング７に変位センサ９をそれぞれ設けたが、上側ハウジング６に変位センサ９、下側ハウジング７にアクチュエータ８を設けてもよい。この場合、共振部２の内側にアクチュエータ８、外側に変位センサ９がそれぞれ配列される。
【００５１】
この発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、これらの可能な組み合わせを全て含む。
【符号の説明】
【００５２】
１  軸部、２  共振部、２ａ  半球シェル、３  極、４  付加質量部、５  スリット、
６  上側ハウジング、７  下側ハウジング、８  アクチュエータ、９  変位センサ、
１０，１０ａ  共振器、１００  検出制御部、１０１  表示部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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