(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つの基部から同方向に伸びる４本の脚を備える音叉を有し、前記４本の脚の伸びる方向と同方向の軸まわりに前記基部が回転する振動モードを備えた振動ジャイロにおいて、
前記基部の底面または側面に前記音叉の質量の少なくとも１倍以上の質量をもつ錘を固着し、
この錘または前記音叉は、柔らかい構造をもつ柔構造体に支持され、
この柔構造体を接合するベースと前記柔構造体との間に振動吸収体を挟持したことを特徴とする振動ジャイロ。
【請求項２】
前記振動吸収体は、粘弾性体であることを特徴とする請求項１に記載の振動ジャイロ。
【請求項３】
前記柔構造体は、金属の板からなるジンバル体であることを特徴とする請求項１または２に記載の振動ジャイロ。
【請求項４】
前記錘は、タングステンからなることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の振動ジャイロ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、角速度を検出するために用いられる振動ジャイロに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
家庭用ビデオカメラの手ぶれ防止機構やカーナビゲーションシステムの位置検出機構などに、手ぶれの検出および車体の回転角度を検出するための振動ジャイロが用いられている。
物理法則によれば、角速度Ωで回転する座標系から見て運動する物体にはその相対速度Ｖに比例したコリオリ力Ｆｃが速度と直交する方向に作用し、その大きさと方向は次式で現される。
Ｆｃ＝２ｍＶ×Ω
ここで、ｍはコリオリ力が作用する物体の質量である。
【０００３】
振動ジャイロは振動によって物体の運動を発生させることで、振動方向に直交する方向に作用するコリオリ力を捉えて回転を検出しようとする角速度センサであり、用いられる振動子には音片型、音叉型などの様々な形が提案されている。
【０００４】
このうち、発生させる振動である駆動振動とコリオリ力によって引き起こされる検出振動の双方が、振動子の支持方法の影響を受けないものとして、一つの基部１と基部１から同一の方向に伸びる４本の脚３をもつ図１０に示すような４脚音叉が、たとえば特開平４−３２４３１１号公報などで提案されている。
【０００５】
このような４脚音叉は図１１〜図１６に示す６個の振動モードをもつ。図は４脚音叉の脚部の断面を示したものであり、矢印はある瞬間の各脚の振動方向を表している。振動モードａ（図１１）は隣り合う２本の脚の振動面が直交するモードであり、隣り合う２本の脚が互いに近づく時はそれと直交する２本の脚は互いに離れるモードである。振動モードｂ（図１２）は隣り合う２本の脚の振動面が直交するモードであり、隣り合う２本の脚が互いに近づく時はそれと直交する２本の脚も互いに近づき、脚が全体に近づいたり離れたりするモードである。振動モードｃ（図１３）は隣り合う２本の脚の振動面が直交するモードであり、対角上の２本の脚が近づく時はそれと直交する２本の脚は離れるモードである。振動モードｄ（図１４）は全ての脚の振動面が平行なモードであり、対角上の２本の脚は互いに同相であり、対角上の２本の脚の組とそれと直交する２本の脚の組は逆相のモードである。振動モードｅは振動モードｄの振動面を９０度回転したモードである。振動モードｄと振動モードｅは、振動方向が異なるだけで双子のモードである。振動モードｆは脚と基部が逆方向に回転する捻りモードであり、６個の振動モードの内このモードだけが、基部の振動を伴うモードである。
【０００６】
コリオリ力は駆動振動に直交して働くので駆動振動の振動面と検出振動の振動面は直交するように選ぶのが効率が良いことから、振動モードａ（図１１）と振動モードｃ（図１３）の組合せ、あるいは振動モードｄ（図１４）と振動モードｅ（図１５）の組合せがそれぞれ駆動振動と検出振動として利用される。
これらの振動モードはいずれも脚同士でバランスを取り合うので基部の振動を伴わない。したがって、基部の支持方法によって振動モードが変化しないので、良好な感度特性を得られるとともにドリフトも小さいことが特徴である。
【０００７】
４脚音叉は基部の振動を伴わない振動モードで利用されるため、基部の底面または側面が支持される。
支持の具体的な方法は特開平４−３２４３１１号公報にはなにも示されてはいないが、底面を単に固着する方法や、ＵＳＰ  ５，５９７，９５５に示されるように細い棒で支持する方法が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来技術では、振動モードｆ（図１６）は音叉の支持方法によってその固有周波数が変化するため、支持状態によっては利用する駆動振動の振動モードと検出振動の振動モードの中間に存在してしまう場合があり、検出感度が低下したりドリフトが生じるなどの悪影響を生じるという課題があった。また、細い棒で支持する方法では衝撃や振動に対して著しく弱いという課題があった。
【０００９】
〔発明の目的〕
上記課題を解決するため、本発明の目的は、支持状態による影響を受けず、精度の良い角速度の検出ができる振動ジャイロを提供することにある。また、衝撃や振動に強い振動ジャイロを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の振動ジャイロは、一つの基部から同方向に伸びる４本の脚を備える音叉を有し、４本の脚が伸びる方向と同方向の軸まわりに基部が回転する振動モードを備え、基部の底面または側面に音叉の質量の少なくとも１倍以上の質量をもつ錘を固着し、この錘または音叉は、柔らかい構造をもつ柔構造体に支持され、この柔構造体を接合するベースと柔構造体との間に振動吸収体を挟持したことを特徴とする。
【００１１】
また、柔構造体を接合するベースと柔構造体との間に挟持する振動吸収体は、粘弾性体が好ましい。
【００１２】
本発明の振動ジャイロは、柔構造体が金属板からなるジンバル体であることを特徴とする。
【００１３】
本発明の振動ジャイロは、錘がタングステンからなることを特徴とする。
【００１５】
〔作用〕
本発明のような支持構造を用いると、錘を用いたことにより振動モードｆにおいても基部の変位はわずかになり、またジンバル体を用いることにより基部の変位を吸収することができるため、振動モードｆは支持の状態によらずに駆動振動の振動モードおよび検出振動の振動モードより安定して高い周波数の振動モードとなり、駆動振動および検出振動に悪影響を及ぼすことがない。
【００１６】
さらに、ジンバル体の下部に振動吸収体を設置することにより、衝撃および振動に対して強い振動ジャイロとすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
（実施形態１）
図１は本発明による振動ジャイロの実施の形態を示す図であり、直方体からなる基部１に同一方向に伸びる４本の脚３を有す。この４脚音叉は恒弾性金属として知られるＮｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｆｅの合金であるエリンバーをワイヤー放電加工等によって加工して製作する。各脚の側面部には圧電素子５が貼付されている。各脚の圧電素子５は図２に示すような駆動検出回路に接続される。
駆動検出回路は自励発振を行う駆動回路７、加算回路Ａ９、加算回路Ｂ１１、減算回路１３、および同期検波と積分を行うロックインアンプ１５から成っており、直流電圧が角速度に比例する値として出力される。
基部１は４脚音叉と略同一の質量をもつタングステンの直方体からなる錘１７に接合されており、錘１７はステンレススチールからなるジンバル体１９に接合されている。ジンバル体１９は図３のような構造を持ち、錘１７が接合される部分である内側方形部２１を中心とした柔構造を成している。内側方形部２１は四隅において中間バネ部２３と繋ぎａ２５を介して繋がっており、さらに中間バネ部２３は内側方形部２１と中間バネ部２３との繋ぎａ２５と４５度の角度をなす部分で外縁部２７と繋ぎｂ２９を介して繋がっている。ジンバル体１９は外縁部２７においてベース３１と接合されている。
【００１９】
図４は従来の振動ジャイロの固有周波数を測定した結果であり、各振動モードの周波数分布を示している。また、図５は本実施形態による振動ジャイロの固有周波数を測定した結果である。
本実施形態においては振動モードｆの周波数は最も高い固有周波数として現れており、分布の幅も小さいことがわかる。
【００２０】
図６は本発明による振動ジャイロの感度特性を従来の振動ジャイロの感度特性と比較した図である。
感度は検出可能な最小の角速度として定義され、したがって小さいほど良い。本発明の振動ジャイロは感度特性が向上すると同時に分布の幅も小さいことを示している。また、図７は本発明による振動ジャイロの１時間あたりのドリフトの大きさを従来の振動ジャイロと比較した図であり、本発明の振動ジャイロはドリフトが小さく、分布の幅も小さいことを示している。
【００２１】
上記のように音叉の固定状態によって振動モードｆの固有周波数が変化してしまうのは、振動モードｆが基部の振動を伴う振動モードだからである。我々はこのような現象を理解するために有限要素法による構造解析シミュレーションを試みた。
下記は基部底面の固着条件として様々な境界条件を与えて有限要素法による構造解析を行った結果であるが、完全固定および完全自由の場合には振動モードｆは６つの固有振動モードの内で最も高い固有周波数をもつが、中心部のみを固定した場合には最も低い固有周波数をもつことがわかる。また、他の５つの振動モードの固有周波数は境界条件によって変化しないことがわかる。支持条件のばらつきから、現実の固定状態はこれらの中間状態であると考えられるので、振動モードｆは最も低い振動モードから最も高い振動モードの間のどこへでも位置する可能性があることが理解できる。
0004149597.tif 000002
【００２２】
本発明の実施の形態は音叉を自由支持に近づける構造を実現したものである。前述したように完全自由の境界条件では、振動モードｆは最も高い固有周波数をもつ振動モードとなる。
しかしながら、現実には音叉はなんらかの手段によって支持しなければならないので理想状態から離れることになる。完全自由の境界条件の意味するところは基部の振動を妨げないことにある。この場合基部の振動は音叉の長手方向を軸とした回転なので、音叉の軸の回りの回転を妨げない支持構造をとれば良いが、このような支持構造をとるには基部の振動による変位を小さくした方が良いことは明らかである。
本発明の実施の形態では、基部の振動の変位を小さくする方法として基部の底面に錘１７を付加したものである。基部の振動は脚部の振動に対するバランスを取るように生じるので、錘１７を付加すると小さい変位でもバランスがとれるため変位を小さくすることができる。残った変位はジンバル体１９によって吸収されるので、外部への振動はほとんど無く、したがってジンバル体１９の支持状態は振動モードｆの固有周波数を左右しない。
【００２３】
本実施形態では音叉の材料として恒弾性金属を用い、各脚に圧電素子を貼付した例を示したが、音叉の材料として水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの圧電性単結晶を用いたものに、本発明を適用しても同様の効果が得られる。
【００２４】
（実施形態２）
図８は錘１７を基部１の底面ではなく側面下部に配置した例である。上述した様に、錘１７の効果は音叉の軸の回りの基部の慣性モーメントを大きくして、少しの変位でも脚の振動とバランスが取れるようにすることである。
したがって、基部側面に錘を配しても、底面に接合した時と同様の効果が得られ、振動モードｆを最も高い周波数の振動モードとすることができる。さらに、底面に錘を付加したのと異なり音叉の全長を短くすることができる。
【００２５】
（実施形態３）図９は実施形態１のジンバル体１９とベース３１との間に振動吸収体３３を挟み、接合して耐衝撃性、耐振動性をより向上させた例である。振動吸収体３３としては三進興産社のソルボセイン（商品名）やシーゲル社のアルファゲル（商品名）などの粘弾性体を用いる。このようにすると、音叉の軸方向へ衝撃や振動が加わっても振動吸収体３３の粘弾性により衝撃や振動を吸収することができる。
また、音叉の長手方向を軸とした回転への拘束力はほとんど作用しないので、振動モードｆを最も高い固有周波数とする効果は損なわれない。
【００２６】
【発明の効果】
以上に記したように、本発明によれば、感度が良くドリフトが少ない振動ジャイロを実現できるという効果がある。また、耐衝撃性、耐振動性が良好な振動ジャイロを実現できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による第１の実施形態の振動ジャイロを示す図である。
【図２】本発明の実施形態の振動ジャイロの駆動検出回路を示すブロック図である。
【図３】本発明による実施形態の振動ジャイロのジンバル体の構造を示す図である。
【図４】従来技術の振動ジャイロの固有周波数を測定した結果を示す図である。
【図５】本発明による実施形態の振動ジャイロの固有周波数を測定した結果を示す図である。
【図６】本発明と従来技術の振動ジャイロの感度特性を比較した図である。
【図７】本発明と従来技術の振動ジャイロのドリフト特性を比較した図である。
【図８】本発明による第２の実施形態の振動ジャイロを示す図である。
【図９】本発明による第３の実施形態の振動ジャイロを示す図である。
【図１０】従来技術の振動ジャイロを示す図である。
【図１１】４脚音叉の振動モードａの脚の動きを示す図である。
【図１２】４脚音叉の振動モードｂの脚の動きを示す図である。
【図１３】４脚音叉の振動モードｃの脚の動きを示す図である。
【図１４】４脚音叉の振動モードｄの脚の動きを示す図である。
【図１５】４脚音叉の振動モードｅの脚の動きを示す図である。
【図１６】４脚音叉の振動モードｆの脚の動きを示す図である。
【符号の説明】
１：基部            ３：脚          ５：圧電素子
７：駆動回路        ９：加算回路Ａ          １１：加算回路Ｂ
１３：減算回路          １５：ロックインアンプ          １７：錘
１９：ジンバル体          ２１：内側方形部          ２３：中間バネ部
２５：繋ぎａ          ２７：外縁部          ２９：繋ぎｂ
３１：ベース          ３３：振動吸収体
【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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【図６】
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【図７】
0004149597.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
0004149597.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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