(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
前面と裏面とを有し、且つ軸線を中心に対称に配置された一対の細長いタインと、
速度センサー出力におけるクアドラチュア誤差信号を減らし、且つタイン間のマスバランスを維持するようにトリムされた、一方のタインの前面及び他方のタインの裏面のバランスマスと、
を有する、慣性速度センサー用の音叉。
【請求項２】
拡大領域の自由端を有する一対の細長いタインと、
各タインの拡大領域の前側の第１バランスマスと、
各タインの拡大領域の裏側の第２バランスマスと、
を有し、第１バランスマスと第２バランスマスは各タインで一方のバランスマスが他方に対して横方向にずれた位置に配置され、タインは、各タインの拡大領域の片側からバランスマスをトリムする際に採用されるレーザービームを透す材料で作られている、慣性速度センサー用の音叉。
【請求項３】
前面と裏面とを有し、軸線を中心に対称に配置された一対の細長いドライブタインと、
一対のピックアップタインと、
速度センサー出力におけるクアドラチュア誤差信号を減らし、タイン間のマスバランスを維持し、且つドライブモードの周波数を調節するようにトリムされた、一方のドライブタインの前面及び他方のドライブタインの裏面のバランスマスと、
ピックアップモードの周波数をドライブモードの周波数と独立に調節するための、ピックアップタインのバランスマスと、
を有する、慣性速度センサー用の音叉。
【請求項４】
前面と裏面とを有し、軸線を中心に対称に配置された一対の細長いタインを形成する段階と、
バランスマスを一方のタインの前面に及び他方のタインの裏面に設け、速度センサー出力のクアドラチュア誤差信号を減らし、且つ二つのタイン間のマスバランスを維持するように前記バランスマスを調節する段階と、を有する、慣性速度センサー用の音叉の製造方法。
【請求項５】
バランスマスを一方のタインの前面及び他方のタインの裏面に付与し、バランスマスの一部分を除去することによって、バランスマスを調節する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
バランスマスを一方のタインの前面に及び他方のタインの裏面に付与することによって、バランスマスを調節する、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
拡大領域の自由端を有する一対の細長いタインを、各タインの拡大領域において、前後両側に各々配置されるバランスマスの一方が他方に対して横方向にずれて位置するように形成する段階と、
速度センサー出力におけるクアドラチュア誤差信号を減らし、且つ二つのタイン間のマスバランスを維持するために、二つのタインの両側のバランスマスを調節する段階と、
を有する、慣性速度センサー用の音叉の製造方法。
【請求項８】
実質的に等量のバランスマスを二つのタインの両側から除去することによってバランスマスを調節する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
タインがレーザービームを透す材料で作られ、タインを通過するレーザービームで一方のタインの片側からバランスマスが除去される、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
音叉のドライブモード周波数を調節するために、実質的に等量のバランスマスをタインの同じ側から除去する段階をさらに有する、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前面と裏面とを有する細長い一対のドライブタインを形成する段階と、
前面と裏面とを有する一対のピックアップタインを形成する段階と、
バランスマスをドライブタインの前面及び裏面に設ける段階と、
ドライブタインの間のマスバランスに影響を及ぼすことなく、クアドラチュアオフセット誤差を減らすために、ドライブタインの両側のバランスマスをトリムする段階と、
を有する、慣性速度センサー用の音叉の製造方法。
【請求項１２】
音叉のドライブモード周波数を調節するために、ドライブタインの同じ側のバランスマスをトリムする段階をさらに有する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
バランスマスをピックアップタインに設ける段階と、音叉のピックアップモード周波数を調節するためにピックアップタインのバランスマスをトリムする段階と、をさらに有する請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に速度センサー用の音叉、特に、クアドラチュア誤差を減らすときにマスバランスを維持する、音叉及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
音叉速度センサーは、回転を検知するためにコリオリ効果を利用する。音叉は、タインがほぼ等しくて反対の振幅で平面で振動するドライブモードで振動するように駆動される。回転により、タインは、ドライブ運動に直交する方向に、タインの速度に比例するコリオリ加速度を受ける。両端型音叉では、直交方向の加速度は、振動のピックアップモードを引き起こし、このピックアップモードにより、タインのドライブセットと他の（ピックアップ）セットの両方を装置の平面の外に振動させる。石英速度センサーでは、この平面外振動は、当業界において周知の方法で圧電的に検出される。
【０００３】
このような装置における共通の問題は、音叉の製造における微小な変化が、出力に比較的大きな誤差を引き起こすことがある。これらの製造誤差は、結晶性材料のファセット及び又はタインの横断面形状の誤差（すなわち、タインは完全に方形ではない）のために起こる。いずれの場合も、ドライブタインは正確に同じ平面で振動せず、このことによって、タインの対称軸を中心にねじり偶力が生ずる。このねじり偶力のネット効果は、タインを、振動のピックアップモードで所望の回転信号に対して９０度だけシフトされた位相で振動させることにある。シフトされた信号は、一般に、クアドラチュア誤差信号と呼ばれる。
【０００４】
クアドラチュア誤差信号は、しばしば、センサーの所望のフルスケール出力よりもずっと大きい。したがって、実際の装置を作るためにこれらの誤差信号を減ずる方法を見出すことが必要である。このことは普通、タインの端に材料（典型的には金）のマスをメッキし、次いで材料をタインの一方からレーザーで選択的に除去することによって行われる。この方法でマスが除去されるとき、タインは、それらの長軸を中心とするねじりを受ける。これらのねじりが二つのタインで異なると、ピックアップモード振動へのネット結合が起こり、この結合信号を使用して、製造誤差によって引き起こされるクアドラチュア信号を打ち消すことができる。
【０００５】
この方法でマスをトリムするためのレーザーの使用は、容易に自動化され、高い生産速度が可能である点で有利である。しかしながら、これはまた、二つのタインが、マスがアンバランスになる点で重大な欠点を有する。このアンバランスにより、タインのモーメントを等しくなくし、その結果、ネット横力が、タインのベースに伝えられ、ついには、フォーク取付部及びその周囲に伝えられる。この環境が、特に、音叉の駆動周波数で、或いはその近くで機械的な共振を有する要素を含むならば、音叉と周囲環境とのこの結合は、センサー性能を低下させる。
【０００６】
米国特許第３６８３２１３号は、腕時計の時間の標準として利用される、単一端型音叉すなわちマイクロ共振器を開示している。この装置では、メタルフィルム重りを、タインの自由端付近でその上面に置き、マイクロ共振器の周波数を調節するために、トリムする。この特別な例では、トリーミングは、周波数の調節のみを目的に行なわれ、クアドラチュアの減少又はタインバランスとの関連がない。
【０００７】
米国特許第４３７９２４４号は、タインの非対称振動を示す電圧を検出するための電極を音叉のステムの近くに有する音叉を開示している。タインの対称な振動、かくしてバランス状態をもたらすために、マスをタイン前面から除去するのにレーザーが使用される。この技術によって、バランスした音叉となるが、その音叉は、クアドラチュア出力のいかなる調節をもできないので、又、クアドラチュアオフセットが一般にかなり大きいので、音叉速度センサーには有用でない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、一般に、新規な改良音叉及び製造方法を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、先行技術の制限及び欠点を克服する上記特性の音叉及び製造方法を提供することにある。
【００１０】
本発明の他の目的は、タインマス対称性を妨げずにクアドラチュア誤差を減らす上記特性の音叉及び製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、これら及び他の目的は、前面と裏面とを有する一対の細長いタインが軸線を中心に対称に配置される音叉及び方法を提供することによって成し遂げられ、一方のタインの前面及び他方のタインの裏面のバランスマスをトリムして、クアドラチュア誤差を減らし、且つ又タイン間のマスバランスを維持する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に示すように、音叉は、中央本体すなわちベース１６から反対方向に延び且つ、装置の長手方向軸線１７を中心に対称的に配置された一対のドライブタイン１１，１２と、一対のピックアップタイン１３，１４と、を有する。本体は、中心開口部１９を取り囲むフレーム１８を有し、開口部内の取付パッド２１が、比較的薄いブリッジ２２によってフレームに連結されている。音叉は、石英のような圧電材料の単一構造物として形成される。ドライブ電極及びピックアップ電極（図示せず）が、在来の方法でタインに取り付けられる。
【００１３】
ドライブタイン１１，１２の自由端は、大きい横寸法の領域２３，２４を有し、バランスマス２６乃至２９がこれらの領域２３，２４でタインの上面及び下面に設けられている。マスは互いに横方向にオフセットされ、マス２６，２７は拡大領域の上面に、タイン内縁により近く位置決めされ、マス２８，２９は拡大領域の下面に、タインの外縁により近く位置決めされる。マスは、タインの表面に金をめっきするような適当な手段によって形成されるのが良い。
【００１４】
タイン間のマスのアンバランスを生ずることなくクアドラチュア誤差を減らすために、実質的に等しい量のマスが二つのタインの両面から除去される。かくして、例えば、マス要素２６の一部をタイン１１の上面から除去することによって、クアドラチュア信号の減少が生ずる。それは又、タイン間のマスのアンバランスを生じさせる。しかしながら、マス要素２９の同様な部分がタイン１２の下側から除去されると、クアドラチュア信号のさらなる減少があるが、二つのタインのマスバランスは保たれる。この状態が図３に示され、トリムされたマス要素を、参照番号２６ａ及び２９ａで示す。
【００１５】
二つのマス要素の除去が、クアドラチュア信号の厳密に等しい減少を生じさせない場合には、除去される二つのマス要素の組み合わせは、タインのマス対称性を妨げることなく、クアドラチュア誤差を依然として減少させる。このことは、本発明と従来技術との間の重要な違いである。
【００１６】
どちらのマス要素をトリムすべきかについての決定は、クアドラチュア信号の極性に依存する。例えば、クアドラチュア信号が正極のものであれば、タイン１１の上面のマス２６及びタイン１２の下面のマス２９をトリムすればよい。極性が負であれば、タイン１２の上面のマス２７をトリムし、タイン１１の下面のマス２８をトリムする。
【００１７】
マス要素は、レーザーのような適当な手段によってトリムすることができる。現時点で好ましい実施形態では、タインはレーザービームを透す結晶石英のような材料で作られ、すべてのマスは音叉の同じ側からトリムされる。かくして、例えば、レーザーは、音叉の表側に位置決めされるのがよく、ビームが、音叉を通過して、タインの後側の要素２８，２９をトリムする。変形例として、所望なら、レーザービームをミラーのような他の手段によって、又は音叉をひっくり返すことによって、タインの後側に向けることができる。
【００１８】
マスをタインに付着させ、次いで、クアドラチュア信号を減らすために、マスの一部を除去する代わりに、付けられたマスの使用によって、同様の結果を得ることができる。この場合、クアドラチュア誤差を減らすために、マスが二つのタインの両面に付けられ、タインのマスが減るのではなく増えるけれども、二つのタイン間のマスの対称性は維持される。
【００１９】
実際の装置では、マストリーミング工程でクアドラチュアオフセットを調節するばかりでなく、ドライブモード振動とピックアップモード振動の両方の共振周波数を調節することが重要である。多くの場合、これら二つのモード間の周波数の差が重要であり、これをしっかりと制御しなければならない。この場合、クアドラチュアオフセットに影響を及ぼすことなく、共振周波数を変化させるために、両タインの上面又は両タインの下面からマスを実質的に等しい量除去するのがよい。マス材料が両タインの同じ側から除去されたときには、二つのタインのねじりは相殺する傾向があり、クアドラチュアを増減しない。
【００２０】
マスを除去するならば、共振周波数は増加し、マスを加えるならば、共振周波数は減少する。ドライブタインのマスをトリムすることによって、ドライブモードの周波数は、ピックアップモードの周波数に対して優先的に影響され、それによって、二つのモード間の周波数の差を独立に調節することができる。マスをピックアップタインからトリムすることによって、或いは、マスをピックアップタインに加えることによって、ピックアップモード周波数の同様な調節をドライブモードと独立に行うことができる。このため、マス３１，３２をピックアップタイン１３，１４の自由端の拡大領域３３，３４に設ける。
【００２１】
二つのタインは、クアドラチュアオフセットの調節前のマス及び剛さが実質的に等しいことは必要でない。設計によって又は製造誤差によってタイン間にアンバランスがあれば、アンバランスを除去するために、タインの一方のマスをまずトリムし、次いで、引き続く調節のために両方のタインからマスを等しくトリムすることによってアンバランスを矯正することができる。このようにして、クアドラチュアの減少及び周波数の調節工程によって本質的に非対称な音叉を矯正することができる。
【００２２】
音叉の初期アンバランスは、種々の方法で測定することができる。一つの方法として、音叉を取り付けるベースの振動をモニターするレーザー干渉計変位センサーを採用する。ベースは、ドライブタインのいかなる不平衡モーメントにも応答して自由に振動するように保持される。レーザーをベース上のターゲットに反射させて、振動の振幅及び位相を測定する。振動がゼロになるまでタインの一方からマスを除去することによってフォークのバランスを調節し、それに続いて、上述のように二つのタインの両側からマスを除去することによって、クアドラチュア誤差を減少させることができる。
【００２３】
本発明は、多くの重要な特徴及び利点を有する。本発明は、音叉のタイン間のマスの対称性又はバランスを妨げることなくクアドラチュア誤差を減少させ、且つ又、本発明により、ドライブモード周波数及びピックアップモード周波数を互いに独立に調節させる。本発明は、生産性の増大及びコスト削減のためにたやすく自動化される。
【００２４】
新規な改良音叉及び方法を提供していることが以上の説明から明らかである。いくつかの現時点で好ましい実施形態のみを詳細に説明したけれども、当業者に明らかであるように、特許請求の範囲によって定められるように、いくらかの変更及び修正を本発明の範囲から逸脱することなく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を有する音叉の一実施形態の平面図である。
【図２】図１の線２−２による拡大断面図である。
【図３】クアドラチュア誤差を減らすためにトリムした後のバランスマスを示した、図２と同様な図である。
【符号の説明】
１１，１２    ドライブタイン
１３，１４    ピックアップタイン
１６    ベース
１７    長手方向軸線
１８    フレーム
１９    中心開口部
２１    取付パッド
２２    ブリッジ
２３，２４    ドライブタイン自由端の拡大領域
２６，２７，２８，２９    ドライブタインのマス
２６ａ，２９ａ    トリムされたマス要素
３１，３２    ピックアップタインのマス
３３，３４    ピックアップタイン自由端の拡大領域
【図１】
0004059647.tif 000002
【図２】
0004059647.tif 000003
【図３】
0004059647.tif 000004