WO2000000789A1 - Tuning fork type vibrational gyroscope - Google Patents

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WO2000000789A1
WO2000000789A1 PCT/JP1999/002389 JP9902389W WO0000789A1 WO 2000000789 A1 WO2000000789 A1 WO 2000000789A1 JP 9902389 W JP9902389 W JP 9902389W WO 0000789 A1 WO0000789 A1 WO 0000789A1
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tuning fork
vibrator
vibration
fork type
limiting member
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Hiroshi Ishikawa
Masanori Yachi
Yoshio Satoh
Kazutsugu Kikuchi
Yoshitaka Takahashi
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Fujitsu Ltd
Fujitsu Media Services Ltd
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Fujitsu Ltd
Fujitsu Media Services Ltd
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5607—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using vibrating tuning forks

Definitions

  • the present invention relates to a gyro used for detecting a rotational angular velocity, and more particularly to a tuning fork type vibration gyroscope having two integrally formed arms and a base.
  • Gyroscopes are used as a means for confirming the position of moving objects such as aircraft, large ships, and space satellites. Recently, in the field of consumer use, gyroscopes, hand-shake detection systems such as video cameras, etc. Is also used. Among such gyroscopes, research and development of a tuning-fork type piezoelectric vibrating gyroscope having a structure in which two arms and a base supporting both arms are integrally formed by a piezoelectric single crystal are being advanced.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a tuning-fork type vibration gyro disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-126928.
  • reference numeral 1 denotes a tuning fork type vibrator, and the tuning fork type vibrator 1 has two arms 2, 3 and a base 4 for supporting them. Arms 2, 3 and the base 4, L i T a 0 3; are integrally processed L i N b 0 3 piezoelectric single crystal such as.
  • the tuning fork resonator 1 is supported by connecting the base 4 of the tuning fork resonator 1 to a support substrate 6 provided on a stem 5.
  • the horizontal portion of the support arm 7 having a substantially U-shaped cross section is inserted into a slit of the support substrate 6 formed so as to include the center of rotational movement of the support substrate 6, and is made of a rubber-like elastic body. It is flexibly attached to the support substrate 6 via the adhesive layer 8. At both ends of the support arm 7, A protrusion is provided, and the protrusions are inserted into holes formed in the stem 5.
  • a cap 9 is provided to cover and protect these members.
  • a case 10 is constituted by the cap 9 and the stem 5.
  • a circuit board 11 (see FIG. 5) including a drive circuit for exciting drive vibration and a detection circuit for processing a detection signal, which will be described later, is provided on the stems 5 and Z or the cap 9. A configuration in which 1 is stored in case 10 is also possible.
  • tuning-fork vibrator 1 has fX mode vibration (in-plane vibration) and fy mode vibration (plane-perpendicular vibration).
  • fX mode vibration in-plane vibration
  • fy mode vibration plane-perpendicular vibration
  • the tuning-fork vibrator 1 is integrated with the support substrate 6 and shown in FIGS.
  • the tip of (Arm 2, 3) first strikes the inner wall of case 10, that is, the stem 5 or cap 9.
  • the circuit board 11 is provided on the inner wall of the case 10, FIG.
  • the tuning fork vibrator 1 As shown in (b), the tuning fork vibrator 1
  • Example 1 a cushion material and a protection member are shown.
  • the cushion material is provided between a cover to which a support member for supporting the tuning fork vibrator is fixed, and a case around the cover, and has a function of absorbing external vibration.
  • the protection members provided near the outside of both ends of the support member of the tuning fork vibrator prevent the tuning fork vibrator from being displaced more than necessary, that is, prevent the support member from undergoing large plastic deformation. Has functions.
  • the vibration when vibration with extremely high acceleration is applied, the vibration cannot be absorbed by the cushioning material, and the support member undergoes plastic deformation, and the center of the tuning fork vibrator is caused.
  • the axis deviates from the initial setting position, greatly reducing the gyro characteristics.
  • the plastic deformation of the support member may be further increased by an impact or the like, and the tuning fork type vibrator may remain in contact with the surrounding members. In such a case, since the driving vibration stops, the function of the gyro sensor cannot be performed at all.
  • Conventional Example 2 solves the problem of Conventional Example 1 and discloses a structure that is effective against external impacts.
  • An external connection is made between the mounting plate of the support member supporting the tuning fork type vibrator and the work plate, between the circuit board on which the work plate is mounted and the work cover mounted on the work plate and the case.
  • a cushion material is provided to absorb impact.
  • the structure of Conventional Example 2 consists of the outermost case, the circuit board housed inside, and the shield cover of the circuit board. Cushion material is provided between the work cover, the work cover, the plate, and the tuning fork type vibrator, and external shocks are absorbed by each cushion material.
  • the tuning fork type vibrating gyroscope having a basic structure as shown in FIG. 1, when the rotation center axis of the tuning fork vibrator 1 and the supporting axis of the supporting arm 7 are completely coincident with each other, For example, even when the vibration in the Y direction is applied, the moments above and below the support axis are the same.- As shown in Fig. 6, the tuning fork vibrator 1 generates only translational vibration ( but It is difficult to match these two axes, and when vibrations in the Y direction are applied from the outside when the two axes do not match, the moments above and below the support axis are unbalanced. A rotational motion is generated as shown in Fig. 7. Therefore, even if the rotational motion is not applied to the tuning-fork vibrator 1, there is a problem that an unnecessary signal of the rotational motion is detected.
  • a main object of the present invention is to provide a tuning-fork type vibrating gyroscope that can prevent the tuning fork-type vibrator caused by external vibration or impact from breaking with a small configuration. .
  • Another object of the present invention is to provide a tuning fork type vibrating gyro which can reduce unnecessary signals generated when external vibration is applied. Disclosure of the invention according to a first aspect of the present invention, there is provided a tuning fork type vibrating gyroscope including a tuning fork type vibrator having two arms and a base, and a support substrate for supporting the base. A swing limiting member for limiting the amplitude of the movement is provided at a position in the base direction from the base of the arm.
  • external vibration or external vibration or vibration occurs at any position closer to the base than the base of the arm of the tuning fork vibrator (the boundary between the arm and the base) where in-plane vibration does not occur.
  • a swing limiting member is provided to limit the amplitude of swing of the tuning fork vibrator caused by the impact.
  • the swing restricting member prevents the tuning fork vibrator from colliding with surrounding members, thereby preventing the tuning fork vibrator from being broken.
  • the tuning fork type vibrating gyroscope according to the second aspect of the present invention further includes an adhesive layer between the tuning fork type vibrator and the support substrate for bonding the two components to each other.
  • the swing limiting member is fixed to one of the substrate and the adhesive layer.
  • the swing limiting member is provided on at least one of the tuning fork type vibrator, the support substrate and the adhesive layer, and the swing limiting member can be easily installed. Can be.
  • a tuning fork type vibration gyro according to a third aspect of the present invention, according to the first aspect, further comprises a case for accommodating the tuning fork type oscillator and a support substrate, wherein the swing limitation is provided between the tuning fork type oscillator and the case.
  • a member is provided.
  • a tuning fork type vibration gyro in the first aspect, further comprises a circuit board that is electrically connected to the tuning fork type vibrator, wherein the swing limiting member is fixed to the circuit board. I do.
  • the swing limiting member is provided between the tuning fork type oscillator and the case or between the tuning fork type oscillator and the circuit board. Due to the movement restricting member, the tuning fork vibrator does not collide with the circuit board or the case.
  • the clearance between the arm and the case or the clearance between the arm and the circuit board is a predetermined value.
  • the oscillation between the tuning fork type vibrator and the case or the clearance between the tuning fork type vibrator and the circuit board is equal to or more than a predetermined value.
  • the position and shape of the motion limiting member are set so that the tuning fork vibrator does not collide with the case or the circuit board.
  • a tuning fork type vibrating gyroscope is the fifth or sixth aspect of the invention, wherein the distance between the tuning fork type vibrator and the case or the circuit board is H, and the tuning fork type vibrator and the support substrate are The distance between the center of motion and the tip of the tuning-fork type vibrator is L, and the position where the tuning-fork type vibrator or the support substrate contacts the swing limiting member when the tuning fork type vibrator swings and the case Alternatively, the distance from the circuit board is H ′, and the position where the tuning fork vibrator or the support substrate contacts the swing limiting member when the tuning fork vibrator swings and the tuning fork vibrator and When the distance from the center of oscillation of the supporting substrate is L ', the following two expressions are satisfied at the same time.
  • the above expression is satisfied.
  • the position and shape of the swing limiting member are set, and the tuning fork vibrator does not collide with the case or the circuit board.
  • the swing limiting member is selected from the group consisting of an elastic body of epoxy resin, urethane resin, silicon rubber, and butyl rubber, and a foamed material thereof. It is characterized by being formed of a material.
  • the above-described material is used for the swing limiting member, so that even a swing limiting member having a complicated shape can be easily manufactured in large quantities. .
  • the tuning fork type vibration gyro according to the tenth aspect is characterized in that, in the ninth aspect, the hardness of the swing limiting member is 100 (JISA) or less.
  • the hardness of the swing limiting member is set to be equal to or less than the above numerical value, thereby preventing the tuning fork vibrator from breaking.
  • a tuning fork type vibrating gyroscope includes a tuning fork type vibrator having two arms and a base, and a support substrate for supporting the base, and a surface of the tuning fork type vibrator as driving-side vibration.
  • a tuning fork type vibration gyro that performs internal vibration and torsional vibration in which the tuning fork type vibrator and the supporting substrate are integrated as a detection side vibration, wherein a resonance frequency of the drive side vibration and the detection side vibration It is characterized in that the absolute value of the difference from the resonance frequency is equal to or more than the upper limit of the required frequency characteristic.
  • the absolute value of the difference between the resonance frequency of the driving-side vibration and the resonance frequency of the detection-side vibration is set to be equal to or more than the upper limit of the required frequency characteristic. Reduce unnecessary signals.
  • a tuning fork type vibration gyro according to a first aspect of the present invention, The absolute value of the difference is at least three times the upper limit of the required frequency characteristic.
  • the absolute value of the difference is set to be three times or more the upper limit of the required frequency characteristic, and the effect of reducing unnecessary signals due to external vibration is great. .
  • a tuning fork type vibrating gyroscope includes a tuning fork type vibrator having two arms and a base, a circuit for exciting a drive side vibration, and a detection circuit for detecting a detection side vibration generated when a rotational angular velocity is applied.
  • a signal processing circuit for digitally converting a detection signal of the detection circuit to perform signal processing, wherein a sampling frequency of the signal processing circuit is larger than twice the reciprocal of an integration time during signal processing. Wherein the absolute value of the difference between the resonance frequency of the driving-side vibration and the resonance frequency of the detection-side vibration is larger than the reciprocal of the integration time.
  • the sampling frequency in the digital signal processing circuit of the detection system is set to be larger than twice the reciprocal of the integration time in signal processing, and the resonance frequency of the drive side vibration and the detection side
  • the absolute value of the difference between the vibration and the resonance frequency is set to be larger than the reciprocal of the integration time to reduce unnecessary signals due to external vibration.
  • Fig. 1 is a block diagram of a conventional tuning-fork type vibrating gyroscope
  • Figs. 2 (a) and (b) show the vibration state of the tuning fork-type vibrator
  • Figs. 3 (a) and (b) Fig. 4 (a) and (b) show the swinging motion of the tuning fork vibrator due to vibration or impact.
  • Figs. 4 (a) and (b) show the state where the tip of the arm contacts the case.
  • Fig. 6 shows the state where the tip of the arm contacts the circuit board.
  • Fig. 6 shows the tuning fork vibrator caused by external vibration.
  • FIG. 7 shows a translational motion
  • FIG. 7 shows a translational motion
  • FIG. 7 shows a rotational motion of the tuning fork type vibrator caused by external vibration
  • FIG. 8 shows a configuration diagram of an example of the tuning fork type vibrating gyroscope of the present invention
  • FIG. 9 (a) is a configuration diagram of a characteristic portion of another example of the tuning fork type vibration gyroscope of the present invention
  • FIGS. 10 (a) to (c) are diagrams of still another example of the tuning fork type vibration gyroscope of the present invention.
  • FIG. 11 is a configuration diagram of still another example of the tuning fork type vibration gyroscope of the present invention
  • FIG. 12 is a configuration diagram of still another example of the tuning fork type vibration gyroscope of the present invention.
  • FIG. 13 is an explanatory diagram for defining the position and shape of the swing limiting member
  • Fig. 14 is a table showing the experimental results on the hardness of the swing limiting member
  • Fig. 15 is a tuning fork type vibration gyro.
  • Fig. 16 shows the relationship between the drive signal and the detection signal in Fig. 16.
  • Fig. 16 shows the relationship between the rotation frequency and the response output in a tuning fork type vibrating gyroscope. Rough
  • Fig. 17 is a configuration diagram of the analog detection circuit of the tuning fork vibratory gyroscope
  • Figs. 18 (a) to (c) are diagrams showing the synthesis of the frequency response characteristics in the analog detection circuit
  • Fig. 18 (a) to (c) are diagrams showing the synthesis of the frequency response characteristics in the analog detection circuit
  • FIG. 19 (A) to (c) are diagrams showing experimental results of detection signals (converted to voltage) when a vibration is externally applied to the tuning fork type vibrating gyroscope
  • FIG. 20 is digital signal processing of the tuning fork type vibrating gyroscope
  • Fig. 21 shows the experimental results of the detection signal (converted to angular velocity) when a vibration is externally applied to the tuning fork-type vibrating gyroscope (example of the present invention).
  • Fig. 21 shows the tuning fork.
  • FIG. 7 is a diagram showing experimental results of detection signals (converted into angular velocities) when a vibration is applied externally to a mold vibration gyroscope (conventional example).
  • FIG. 8 is a configuration diagram of an example of the tuning fork type vibration gyroscope of the present invention.
  • 1 is a tuning fork resonator, and tuning fork resonator 1 has two 1 O
  • Arms 2 and 3 and base 4 for supporting them are provided. Arms 2, 3 and the base 4 is obtained by one processing body the L i T a 0 3, L i N b 0 3 piezoelectric single crystal such as.
  • the tuning fork type vibrator 1 is supported by connecting the base 4 of the tuning fork type vibrator 1 to a support substrate 6 provided on a stem 5.
  • the horizontal portion of the support arm 7 having a substantially U-shaped cross section is inserted into a slit of the support substrate 6 formed so as to include the center of the rotational movement of the support substrate 6, and is formed of a rubber-like elastic body. It is flexibly attached to a support substrate 6 via an adhesive layer 8. Projections are provided at both ends of the support arm 7, and those projections are inserted into holes formed in the stem 5. Also, a cap 9 is provided to cover and protect these members. Case 10 is composed of the cap 9 and the stem 5.
  • annular (hollow rectangular parallelepiped) swing limiting member 21 is provided so as to surround the base 4, and one surface thereof is fixed to the stem 5.
  • the rocking limiter 21 is located at a position where almost no in-plane vibration occurs, that is, at the base of the arms 2 and 3 (the boundary between the arms 2 and 3 and the base 4.
  • the swing limiting member 21 can be provided at an arbitrary position on the base 4.
  • the tuning-fork type vibrator 1 swings according to the vibration or impact, and Child 1 in surrounding member There was a collision.
  • a swing limiting member 21 is provided around the base 4 so that vibration or impact is applied from the outside and the tuning fork type vibrator 1 is provided.
  • the swing width of the tuning fork type oscillator 1 is limited by the presence of the oscillation limiting member 21, so that the tuning fork type oscillator 1 is moved around the stem 5, the cap 9, and the like. Can be prevented from colliding.
  • the gyro characteristics are not impaired, and the drive vibration is not stopped and the gyro function is not lost.
  • FIGS. 9 (a) and 9 (b) are configuration diagrams of a characteristic portion of another example of the tuning fork type vibration gyroscope of the present invention.
  • the swing limiting member 21 is formed directly on the base 4.
  • the swing limiting member 21 extending in each direction is formed on the base 4, and in the example of FIG. 9 (b), the annular swing limiting member 21 is formed directly on the base 4.
  • the rocking restricting member 21 is provided with the stem 5 and the cap 9 before the tuning fork type vibrator 1. And so on, so that the tuning fork vibrator 1 can be prevented from colliding with the surrounding members.
  • the same shape as in Figs. 9 (a) and (b) is used.
  • the swing limiting member 21 may be formed on the support substrate 6.
  • FIGS. 10 (a) to (c) are configuration diagrams of a characteristic portion of still another example of the tuning fork type vibration gyro of the present invention.
  • the swing limiting member 21 is formed integrally with the adhesive layer 8 that bonds the support substrate 6 and the support arm 7. are doing. Also in this example, when the tuning fork type vibrator 1 swings greatly, the swing limiting member 21 first comes into contact with the surrounding members to prevent collision with the surrounding members of the tuning fork type vibrator 1. .
  • all of the swing limiting members 21 are provided on the support substrate 6, but the swing limiting members 21 in the upper and lower portions are made of a base. 4 may be provided. Further, the shape of the swing limiting member 21 may be annular.
  • FIG. 11 is a configuration diagram of still another example of the tuning fork type vibration gyroscope of the present invention. 11, the same parts as those in FIG. 8 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
  • a case 10 composed of a circuit board 11 including a drive circuit for exciting drive vibration and a detection circuit for processing a detection signal, and a power system 5 and a cap 9.
  • a circuit board 11 exists between the stem 5 and the tuning-fork vibrator 1.
  • the circuit board 11 penetrates through the terminal pins 12 for securing electrical continuity with an external circuit and the stem 5. It is provided.
  • a swing limiting member 21 is provided around the base 4. The lower surface of the swing limiting member 21 is fixed to the circuit board 11.
  • FIG. 12 is a configuration diagram of still another example of the tuning-fork type vibration gyroscope of the present invention.
  • the same parts as those in FIG. 8 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
  • a plurality of swing restriction members 21 are provided.
  • one swing limiting member 21 fixed to the stage 5 (or the circuit board 11) below the tuning-fork vibrator 1 and the inner wall surface of the cap 9
  • the two fixed rocking limiting members 21 Provided.
  • the swing limiting member 21 when the swing limiting member 21 is provided between the tuning fork vibrator 1 and the case 10 and / or between the tuning fork vibrator 1 and the circuit board 11, surrounding members may be provided. Make sure that the part that comes in contact with the earliest part (the end of the arms 2 and 3) does not contact the surrounding members (the case 10 and the circuit board 11), that is, the clearance between the arms 2 and 3 and the case 10
  • the position and shape of the swing limiting member 21 may be designed so that the clearance and / or the clearance between the arms 2 and 3 and the circuit board 11 is equal to or greater than a predetermined value. is necessary.
  • Fig. 13 shows that when the swing limiting member 21 is provided below the tuning fork vibrator 1, the tips of the arms 2 and 3 must not contact the stem 5 (or the circuit board 11).
  • the distance between the tuning fork vibrator 1 and the stem 5 (or the circuit board 11) is H, the swing center of the tuning fork vibrator 1 and the support substrate 6 and the arms 2, 3 are shown in FIG.
  • the design criteria of the position and the shape of the swing limiting member 21 when the swing limiting member 21 is provided below the tuning fork vibrator 1 are shown.
  • the position and shape of the swing limiting member 21 can be similarly designed.
  • the material used for the swing limiting member 21 and its hardness will be described.
  • a material of the swing limiting member 21 a resin such as epoxy or urethane, an elastic body of rubber such as silicon or butyl, or a foamed material thereof can be used. With such a material, a complicated shape of the swing limiting member 21 can be easily manufactured in large quantities by using a jig in advance. ⁇ Accordingly, even when the swing limiting member 21 is provided, the tuning fork is used. The assembly of the mold vibrating gyroscope is easy, which can contribute to reduction of man-hours and cost reduction. In the configuration shown in Fig.
  • the swing limiting member 21 is formed of an elastic material having a hardness of 100 (JIS A) or less, the arms 2 and 3 do not break. This is effective for preventing the tuning fork type vibrator 1 from being broken. I understand. It is also possible to use a closed container containing a material having a low hardness (for example, 0 (JIS A)) as the swing limiting member 21.
  • the configuration in which such a swing limiting member 21 is provided is such that the tuning fork type vibrator 1 inevitably swings in response to external vibration or impact, and the support portion of the tuning fork type vibrator 1 is made of an elastic body. This is particularly effective in a certain tuning fork type vibration gyroscope.
  • the tuning fork type vibration gyro of the present invention does not absorb or absorb external vibrations or shocks as in the prior art, but has a configuration in which the swing width of the tuning fork type vibrator 1 is limited by the swing limiting member 21.
  • a work cover, a work plate, a shield cover, a cushion material, and the like as shown in Conventional Examples 1 and 2 are not required, and a significant reduction in size can be achieved. .
  • FIG. 15 is a diagram showing a relationship between a drive signal and a detection signal in the tuning fork type vibrating gyroscope.
  • the detection signal of the gyroscope changes the driving frequency as shown in FIG. It becomes an AM-modulated wave in which a detection signal with a period t is superimposed on the signal that it has.
  • FIG. 16 is a graph showing the relationship between the rotation frequency applied to the tuning fork type vibrating gyroscope and the response output.
  • the absolute value of the difference ⁇ f between the resonance frequency of the drive-side vibration and the resonance frequency of the detection-side vibration has three values (40 Hz, 80 Hz, 120 Hz z)).
  • the tuning fork vibration at ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ The frequency characteristic of the child 1 itself is determined, and its response output shows a peak when a frequency rotation near I ⁇ f I is applied.
  • FIG. 17 is a configuration diagram of an analog detection circuit using such an LPF.
  • the analog detection circuit includes a differential amplifier 31 that inputs detection voltage signals of two detection electrodes provided on the arms 2 and 3 and outputs a signal proportional to the difference between the two inputs,
  • a synchronous detector 32 for synchronously detecting an output signal from the amplifier 31; an oscillator 33 for oscillating a reference clock serving as a synchronous signal and outputting the same to the synchronous detector 32; and a predetermined filtering characteristic.
  • It has an LPF 34 having a characteristic (cut-off frequency F c) and a DC amplifier 35 for amplifying the output of the LPF 34.
  • FIGS. 18 (a) to (c) are diagrams showing the synthesis of the frequency response characteristics in such an analog detection circuit.
  • FIG. 18 (a) is a diagram showing the angular velocity frequency characteristics of the tuning fork type vibrator 1.
  • FIG. 18 (b) shows an example of the frequency characteristic of the LPF 34
  • FIG. 18 (c) shows an example of the frequency response characteristic of an actual tuning fork type vibrating gyroscope.
  • I ⁇ f I is slightly larger than F max in accordance with F max and the cut-off frequency F c of LPF 34 is slightly larger than F max
  • the tuning fork vibration gyro The actual frequency response characteristic of the tuning fork vibrator 1 is obtained by combining the frequency characteristics of the tuning fork resonator 1 itself (Fig. 18 (a)) and the frequency characteristics of the LPF 34 (Fig. 18 (b)) ( Fig. 18 (c)) 1 T
  • Fig. 19 (a) to (c) show the detection signals when an external vibration is applied to a tuning fork-type vibrating gyroscope in which I ⁇ I and Fc are changed.
  • Fig. 19 (a), (b), and (c) are
  • 2 x F c (Fig. 19
  • a tuning-fork type vibration jar having a digital signal processing circuit for converting an analog detection signal into a digital signal and processing the digital signal.
  • FIG. 20 is a block diagram of such a digital signal processing circuit.
  • the digital signal processing circuit includes an A / D converter 41 that converts an input analog detection signal into a digital signal, and an A / D converter 41. And an integrator 42 for integrating the output of the / D converter 41 over a predetermined time.
  • the analog detection signal of the tuning fork type vibrating gyroscope is
  • the digital signal processing circuit of the detection system requires an integration time of at least a half cycle (tZ2) of the detection wave.
  • the sampling frequency ⁇ s must be greater than the reciprocal of the integration time (2Zt).
  • the upper limit of the detectable angular frequency (required frequency characteristic) that is, the maximum value of 1 / t, is equal to or less than the absolute value of ⁇ described above. Therefore, by simultaneously satisfying the conditions of fs> tZ2 and lAfl> lZt, it becomes possible to effectively remove unnecessary signals.
  • FIG. 21 and Fig. 22 show the detections when the vibration is applied externally to the tuning fork-type vibrating gyroscope of the present invention example satisfying the above two conditions and the comparative example not satisfying the above two conditions. It is a figure which shows a signal (angular velocity conversion), and FIG. 21 and FIG. 22 show the experimental result of the present invention example and a comparative example, respectively.
  • the amplitude of the unnecessary signal is 1 ⁇ 5 as compared with the comparative example, and it has been confirmed that the method of the present invention is effective in reducing the unnecessary signal generated when external vibration is applied.
  • the tuning fork type vibration gyro of the present invention is provided with a swing limiting member for limiting the swing width of the tuning fork type vibrator.
  • the arm does not collide with surrounding members, and it is possible to prevent the in-plane vibration from stopping or the gyro function from being lost due to the arm being broken.
  • the absolute value of the difference between the resonance frequency of the driving side vibration and the resonance frequency of the detection side vibration is larger than the upper limit of the required frequency characteristic, or larger than the reciprocal of the integration time. As a result, unnecessary signals due to external vibrations can be significantly reduced, and vibration resistance can be improved.

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Description

明 糸田 ¾
音叉型振動ジャイロ
技術分野
本発明は、 回転角速度検出に使用されるジャイ ロに関し、 特に、 一体的に形成された 2つのアーム及びベースを有する音叉型振動ジ ャイ ロに関する。 背景技術
ジャイロスコープは、 航空機， 大型船舶， 宇宙衛星等の移動体の 位置を確認する手段として使用されており、 最近では民生用の分野 で力一ナビゲ一シヨ ンシステム， ビデオカメラ等の手振れ検出装置 等にも利用されている。 このようなジャイロスコープの中で、 2つ のアームと両アームを支えるベ一スとを圧電単結晶で一体的に形成 した構成を有する音叉型圧電振動ジャイロの研究開発が進められて いる。
第 1 図は、 例えば特開平 9 一 2 6 9 2 2 8号公報に示された音叉 型振動ジャイ ロの構成図である。 図において、 1 は音叉型振動子で あり、 音叉型振動子 1 は、 2つのアーム 2， 3及びこれらを支持す るベース 4を有する。 アーム 2 , 3及びベース 4 は、 L i T a 0 3 ； L i N b 0 3 等の圧電単結晶を一体加工したものである。 この音叉 型振動子 1 のベース 4を、 ステム 5 に設けられた支持基板 6 に結合 することによって、 音叉型振動子 1 を支持している。
また、 断面が略 U字状をなす支持アーム 7の水平部は、 支持基板 6の回転運動中心を含むように形成された支持基板 6のスリ ッ ト内 に挿入され、 ゴム状弾性体からなる接着層 8を介して支持基板 6 に フ レキシブルに取り付けられている。 支持アーム 7の両端部には突 起が設けられ、 それらの突起がステム 5 に形成されたホール内に挿 入されている。
また、 これらの部材を覆って保護するためにキャ ップ 9が設けら れている。 このキャ ップ 9 とステム 5 とにてケース 1 0が構成され る。 なお、 後述する駆動振動を励振させる駆動回路及び検出信号を 処理する検出回路を含む回路基板 1 1 (第 5図参照） を、 ステム 5 及び Zまたはキャ ップ 9に設けて、 この回路基板 1 1 をケース 1 0 内に収納するような構成も可能である。
このような音叉型振動子 1 には、 第 2図 （ a ) , ( b ) に示すよ うに、 f Xモー ド振動 （面内振動） と f yモー ド振動 （面垂直振 動） とがある。 そして、 駆動振動 （面内振動） を励振させると、 回 転角速度が加わった場合には検出振動 （面垂直振動） が起こるので この振動の大きさに比例した出力信号を検出して、 角速度を求める, ところで、 駆動振動 （面内振動） 方向を X方向、 検出振動 （面垂 直振動） 方向を Y方向、 両方向に垂直な回転軸方向を Z方向とする と、 特に、 外部からの振動または衝撃が X方向， Y方向に加えられ た場合、 音叉型振動子 1 は支持基板 6 と一体的に、 第 3図 （ a ) ，
( b ) に示すような揺動運動を起こす。
この場合、 第 4図 （ a ) , ( b ) に示すように、 音叉型振動子 1
(アーム 2， 3 ) の先端が最初に、 ケース 1 0 の内壁、 つまりステ 厶 5 またはキャ ップ 9 に衝突するこ とになる。 また、 ケース 1 0の 内壁に回路基板 1 1 が設けられている場合には、 第 5図 （ a ) ，
( b ) に示すように、 その回路基板 1 1 に最初に音叉型振動子 1
(アーム 2， 3 ) の先端が衝突する。 こ こで、 外部からの振動また は衝撃が大きい場合、 音叉型振動子 1 はこの衝突によってアーム 2 : 3の付け根部で折れて破壊されてしまい、 センサの機能を果たせな くなるという問題がある。
外部からの振動または衝撃から音叉型振動子を保護するために種 々の工夫が提案されている （特開平 5 — 1 8 7 5 5号公報 （従来例 1 ) ， 特開平 7 - 2 4 3 8 5 7号公報 （従来例 2 ) ) 。
従来例 1 では、 ク ッ ショ ン材及び保護部材が示されている。 この ク ッ ショ ン材は、 音叉型振動子が支持される支持部材が固定される カバ一と、 その周りのケースとの間に設置されており、 外部からの 振動を吸収する機能を有する。 また、 音叉型振動子の支持部材の両 端の外側近傍に設けた保護部材は、 音叉型振動子が必要以上に変位 するこ と、 即ち、 支持部材が大き く塑性変形するこ とを防止する機 能を有する。
しかしながら、 この従来例 1 では、 加速度が非常に大きい振動が 加えられた場合、 ク ッ シ ョ ン材でこの振動を吸収できず、 支持部材 が塑性変形をおこ して、 音叉型振動子の中心軸が初期設定位置から ずれてしまい、 ジャイ ロ特性を大き く損なってしまう。 また、 衝撃 等によって更に支持部材の塑性変形が大き く なつて、 音叉型振動子 が周囲の部材に接触したままになってしまう場合がある。 このよう な場合には、 駆動振動が停止してしまうので、 ジャイロセンサの機 能を全く果たせないことになる。
一方、 従来例 2は、 従来例 1 での問題点を解決して、 外部からの 衝撃に対して有効な構造を開示している。 音叉型振動子を支持する 支持部材の取り付け板とワークプレー 卜との間、 ワークプレー 卜が 取り付けられた回路基板及びワークプレ一 トに取り付けられている ワークカバ一とケースとの間に、 外部からの衝撃を吸収するための ク ッ ショ ン材を設けている。 この従来例 2の構造は、 最も外側のケ ースと、 その内部に収納される回路基板， 回路基板のシール ドカバ ―， ワークカバー， ヮ一クプレー ト， 音叉型振動子の間に、 夫々 ク ッショ ン材を設け、 外部からの衝撃を夫々のク ッ ショ ン材で順次吸 収していく。
しかしながら、 この従来例 2では、 多量のク ッ ショ ン材を設ける ので、 全体構成を小型化できないという問題がある。 また、 音叉型 振動子が周囲の部材に接触したままになってしまった場合には、 従 来例 1 と同様に、 ジャイロセンサの機能を全く果たせない。
ところで、 第 1 図に示すような基本的構造の音叉型振動ジャイ ロ において、 音叉型振動子 1 の回転中心軸と支持アーム 7 との支持軸 とが完全に一致している場合は、 外部から例えば Y方向の振動が加 わっても、 支持軸線を境界とした上下でのモーメ ン トが等しいので- 第 6図に示すように、 音叉型振動子 1 は、 並進振動しか起こさない ( しかし、 これらの双方の軸を一致させることは困難であり、 双方の 軸が一致しない場合に外部から Y方向の振動が加わると、 支持軸線 を境界とした上下でのモ一メ ン トがアンバラ ンスとなり、 第 7図に 示すように、 回転運動が生じる。 よって、 回転運動が音叉型振動子 1 に加えられなくても、 不要な回転運動の信号を検出してしまう と いう問題がある。
本発明の主な目的は、 外部からの振動または衝撃によって引き起 こされる音叉型振動子の破壤を、 小型な構成にて防止することがで きる音叉型振動ジャイロを提供することにある。
本発明の他の目的は、 外部からの振動が加わつた場合に発生する 不要な信号を低減することができる音叉型振動ジャィ口を提供する こ とにめる。 発明の開示 第 1 発明の音叉型振動ジャイロは、 2つのアーム及びベースを有 する音叉型振動子と、 前記ベースを支持する支持基板とを備えた音 叉型振動ジャイ ロにおいて、 前記音叉型振動子の揺動の振幅を制限 する揺動制限部材を、 前記アームの付け根部よりベース方向の位置 に設けているこ とを特徴とする。
第 1 発明の音叉型振動ジャイロでは、 面内振動が起こらない、 音 叉型振動子のアームの付け根部 （アームとベースとの境界部） より ベース寄りの任意の位置に、 外部からの振動または衝撃に伴う音叉 型振動子の揺動の振幅を制限する揺動制限部材を設けている。 よつ て、 この揺動制限部材により、 音叉型振動子が周囲の部材に衝突す ることを阻止して、 音叉型振動子の破壊を防ぐ。
第 2発明の音叉型振動ジャイロは、 第 1 発明において、 前記音叉 型振動子と前記支持基板との間に両者を接着させるための接着層を 更に備えており、 前記音叉型振動子， 前記支持基板及び前記接着層 のうちの何れかに、 前記揺動制限部材が固定されていることを特徴 とする。
第 2発明の音叉型振動ジャイロでは、 揺動制限部材が、 音叉型振 動子， 支持基板または接着層のうちの少なく とも 1 つに設けられて おり、 容易に揺動制限部材を設置することができる。
第 3発明の音叉型振動ジャイロは、 第 1 発明において、 前記音叉 型振動子及び支持基板を収納するケースを更に備えており、 前記音 叉型振動子と前記ケースとの間に前記揺動制限部材が設けられてい ることを特徴とする。
第 4発明の音叉型振動ジャイロは、 第 1 発明において、 前記音叉 型振動子と導通する回路基板を更に備えており、 前記回路基板に前 記揺動制限部材が固定されていることを特徴とする。 第 3または第 4発明の音叉型振動ジャイ ロでは、 揺動制限部材が、 音叉型振動子とケースとの間、 または、 音叉型振動子と回路基板と の間に設けられており、 この揺動制限部材により、 音叉型振動子が 回路基板またはケースに衝突しない。
第 5または第 6発明の音叉型振動ジャイ ロは、 第 3または第 4発 明において、 前記アームと前記ケースとの間、 または、 前記アーム と前記回路基板との間のク リアラ ンスが所定値以上であるこ とを特 徴とする。
第 5 または第 6発明の音叉型振動ジャイ ロでは、 音叉型振動子， ケース間のク リ アラ ンス、 または、 音叉型振動子， 回路基板間のク リアランスが所定値以上になるように、 揺動制限部材の位置及び形 状を設定するようにしており、 音叉型振動子がケースまたは回路基 板に衝突しない。
第 7または第 8発明の音叉型振動ジャイロは、 第 5 または第 6発 明において、 前記音叉型振動子と前記ケースまたは前記回路基板と の距離を H、 前記音叉型振動子及び支持基板の揺動中心と前記音叉 型振動子の先端との距離を L、 前記音叉型振動子が揺動した場合に おける前記音叉型振動子または前記支持基板が前記揺動制限部材に 接触する位置と前記ケースまたは前記回路基板との距離を H' 、 前 記音叉型振動子が揺動した場合における前記音叉型振動子または前 記支持基板が前記揺動制限部材に接触する位置と前記音叉型振動子 及び支持基板の揺動中心との距離を L ' とした場合に、 以下の両式 を同時に満足することを特徴とする。
H= L x s i n 0 > O
t a n ^ = (H-H' ) /L '
第 7または第 8発明の音叉型振動ジャイ ロでは、 上記式を満たす ように、 揺動制限部材の位置及び形状を設定するようにしており、 音叉型振動子がケースまたは回路基板に衝突しない。
第 9発明の音叉型振動ジャイロは、 第 1 発明において、 前記揺動 制限部材は、 エポキシ樹脂， ウレタン樹脂， シリ コンゴ， プチルゴ ムの各弾性体、 及び、 それらの発泡材からなる群から選ばれた材料 で形成されているこ とを特徴とする。
第 9発明の音叉型振動ジャイ ロでは、 上述したような材料を揺動 制限部材に使用するようにしており、 複雑な形状の揺動制限部材で あっても容易に大量に作製することができる。
第 1 0発明の音叉型振動ジャイロは、 第 9発明において、 前記揺 動制限部材の硬度が 1 0 0 ( J I S A ) 以下であるこ とを特徴とする ( 第 1 0発明の音叉型振動ジャイロでは、 揺動制限部材の硬度を上 記数値以下とするようにしており、 音叉型振動子が折れることを防 止する。
第 1 1 発明の音叉型振動ジャイ ロは、 2つのアーム及びべ一スを 有する音叉型振動子と、 前記ベースを支持する支持基板とを備え、 駆動側振動としての前記音叉型振動子の面内振動と、 検出側振動と しての前記音叉型振動子及び支持基板が一体となつた捩じり振動と を行う音叉型振動ジャイ ロにおいて、 前記駆動側振動の共振周波数 と前記検出側振動の共振周波数との差の絶対値が要求周波数特性の 上限値以上であるこ とを特徴とする。
第 1 1 発明の音叉型振動ジャイロでは、 駆動側振動の共振周波数 と検出側振動の共振周波数との差の絶対値を要求周波数特性の上限 値以上とするようにしており、 外部からの振動による不要な信号を 低減する。
第 1 2発明の音叉型振動ジャイロは、 第 1 1 発明において、 前記 差の絶対値が要求周波数特性の上限値の 3倍以上であるこ とを特徴 とする。
第 1 2発明の音叉型振動ジャイロでは、 その差の絶対値を要求周 波数特性の上限値の 3倍以上とするようにしており、 外部からの振 動による不要な信号を低減する効果が大きい。
第 1 3発明の音叉型振動ジャイロは、 2つのアーム及びベースを 有する音叉型振動子と、 駆動側振動を励振する回路と、 回転角速度 が加わつた場合に生じる検出側振動を検出する検出回路と、 該検出 回路の検出信号をデジ夕ル変換して信号処理する信号処理回路とを 備え、 該信号処理回路におけるサンプリ ング周波数が信号処理時の 積分時間の逆数の 2倍より大きい音叉型振動ジャイロにおいて、 前 記駆動側振動の共振周波数と前記検出側振動の共振周波数との差の 絶対値が前記積分時間の逆数より大きいこ とを特徴とする。
第 1 3発明の音叉型振動ジャイロでは、 検出系のデジタル信号処 理回路におけるサンプリ ング周波数を信号処理時の積分時間の逆数 の 2倍より大き くすると共に、 駆動側振動の共振周波数と検出側振 動の共振周波数との差の絶対値をその積分時間の逆数より大き くす るようにしており、 外部からの振動による不要な信号を低減する。 図面の簡単な説明
第 1 図は従来の音叉型振動ジャイロの構成図、 第 2図 （ a ) , ( b ) は音叉型振動子の振動状態を示す図、 第 3図 （ a ) , ( b ) は外部からの振動または衝撃による音叉型振動子の揺動運動を示す 図、 第 4図 （ a ) , ( b ) はアームの先端がケースに接触する状態 を示す図、 第 5図 （ a ) ， ( b ) はアームの先端が回路基板に接触 する状態を示す図、 第 6図は外部からの振動による音叉型振動子の 並進運動を示す図、 第 7図は外部からの振動による音叉型振動子の 回転運動を示す図、 第 8図は本発明の音叉型振動ジャイ ロの一例の 構成図、 第 9図 （ a ) ， ( b ) は本発明の音叉型振動ジャイ ロの他 の例の特徴部分の構成図、 第 1 0図 （ a ) 〜 （ c ) は本発明の音叉 型振動ジャイ ロの更に他の例の特徴部分の構成図、 第 1 1 図は本発 明の音叉型振動ジャイ ロの更に他の例の構成図、 第 1 2図は本発明 の音叉型振動ジャイ ロの更に他の例の構成図、 第 1 3図は揺動制限 部材の位置及び形状を規定するための説明図、 第 1 4図は揺動制限 部材の硬度に関する実験結果を示す図表、 第 1 5図は音叉型振動ジ ャイロにおける駆動信号と検出信号との関係を示す図、 第 1 6図は 音叉型振動ジャイ ロにおける回転周波数と応答出力との関係を示す グラフ、 第 1 7図は音叉型振動ジャイ ロのアナログ検出回路の構成 図、 第 1 8図 （ a ) 〜 （ c ) はアナログ検出回路における周波数応 答特性の合成を示す図、 第 1 9図 （ a ) 〜 （ c ) は音叉型振動ジャ イロに外部から振動を加えた場合の検出信号 （電圧換算） の実験結 果を示す図、 第 2 0図は音叉型振動ジャイ ロのデジタル信号処理回 路の構成図、 第 2 1 図は音叉型振動ジャイ ロ （本発明例） に外部か ら振動を加えた場合の検出信号 （角速度換算） の実験結果を示す図. 第 2 2図は音叉型振動ジャイ ロ （従来例） に外部から振動を加えた 場合の検出信号 （角速度換算） の実験結果を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明をその実施の形態を示す図面を参照して具体的に説 明する。
第 8図は、 本発明の音叉型振動ジャイ ロの一例の構成図である。 図において、 1 は音叉型振動子であり、 音叉型振動子 1 は、 2つの 1 O
アーム 2 , 3及びこれらを支えるベース 4 を有する。 アーム 2， 3 及びベース 4 は、 L i T a 0 3 ， L i N b 0 3 等の圧電単結晶を一 体加工したものである。 この音叉型振動子 1 のべ一ス 4 を、 ステ厶 5 に設けられた支持基板 6 に結合するこ とによって、 音叉型振動子 1 を支持している。
また、 断面が略 U字状をなす支持アーム 7 の水平部は、 支持基板 6 の回転運動中心を含むよう に形成された支持基板 6 のス リ ッ ト内 に挿入され、 ゴム状弾性体からなる接着層 8 を介して支持基板 6 に フ レキシブルに取り付けられている。 支持アーム 7 の両端部には突 起が設けられ、 それらの突起がステム 5 に形成されたホール内に揷 入されている。 また、 これらの部材を覆って保護するためにキヤ ッ プ 9 が設けられている。 このキヤ ップ 9 とステ厶 5 とにてケース 1 0 が構成される。
また、 ベース 4 を囲む態様で、 環状 （中空直方体状） の揺動制限 部材 2 1 力 、 その一面をステム 5 に固定して設けられている。 なお. この揺動制限部材 2 1 は、 面内振動がほとんど起こ らない位置、 つ ま りアーム 2， 3 の付け根部 （アーム 2， 3 とベース 4 との境界部. 第 8 図に破線 Aで示す） からベース 4寄りに設けておけば良いので. ベース 4 の任意の位置に揺動制限部材 2 1 を設けるこ とができる。
このような音叉型振動ジャイ ロでは、 従来例と同様に、 駆動振動 (面内振動） を励振させ、 回転角速度が加わった場合に検出振動 (面垂直振動） が起こ り、 この振動の大きさに比例した出力信号を 検出するこ とで角速度を求める。
前述したように、 第 1 図に示すような従来の音叉型振動ジャイロ に外部から振動または衝撃が加わった場合、 その振動または衝撃に 応じて音叉型振動子 1 が揺動して、 音叉型振動子 1 が周囲の部材に 衝突することがあった。 これに対して、 第 8図に示すような本発明 の音叉型振動ジャイロでは、 ベース 4の周囲に揺動制限部材 2 1 を 設けており、 外部から振動または衝撃が加わって音叉型振動子 1 が 揺動した場合でも、 この揺動制限部材 2 1 の存在によって音叉型振 動子 1 の揺動幅が制限されるので、 音叉型振動子 1 がステム 5， キ ヤ ップ 9等の周囲の部材に衝突することを防止できる。 この結果、 ジャイロ特性を損なう こ とはなく、 また、 駆動振動が停止してジャ ィ口機能を失う こ ともない。
なお、 第 8図に示す例では、 ベース 4 (音叉型振動子 1 ) の周囲 に、 揺動制限部材 2 1 を設けているが、 支持基板 6 または接着層 8 の周囲にこのような揺動制限部材 2 1 を設けるようにしても良い。 第 9図 （ a ) , ( b ) は、 本発明の音叉型振動ジャイ ロの他の例 の特徴部分の構成図である。 第 9図 （ a ) , ( b ) に示す例は、 何 れもベース 4 に直接に揺動制限部材 2 1 を形成したものであり、 第 9図 （ a ) の例では、 X， Yの各両方向に延設した揺動制限部材 2 1 をべ一ス 4 に形成し、 第 9図 （ b ) の例では、 環状の揺動制限部 材 2 1 をベース 4 に直接形成している。
このような構成では、 外部から振動または衝撃によって音叉型振 動子 1 が大き く揺動した場合でも、 この揺動制限部材 2 1 が音叉型 振動子 1 に先んじてステム 5 , キャ ップ 9等の周囲の部材に接触す るので、 音叉型振動子 1 が周囲の部材に衝突するこ とを防止できる, なお、 図示省略するが、 第 9図 （ a ) ， ( b ) と同形状の揺動制 限部材 2 1 を支持基板 6 に形成するようにしても良い。
第 1 0図 （ a ) 〜 （ c ) は、 本発明の音叉型振動ジャイロの更に 他の例の特徴部分の構成図である。 この例では、 支持基板 6 と支持 アーム 7 とを接着する接着層 8 に一体的に揺動制限部材 2 1 を形成 している。 この例でも、 音叉型振動子 1 が大き く揺動した場合に、 揺動制限部材 2 1 が先に周囲の部材に接触して、 音叉型振動子 1 の 周囲の部材への衝突を防止する。
なお、 第 1 0図 （ a ) 〜 （ c ) に示す例では、 揺動制限部材 2 1 の全てが支持基板 6 に設けられているが、 上下部分の揺動制限部材 2 1 はべ一ス 4 に設けるようにしても良い。 また、 この揺動制限部 材 2 1 の形状を環状としても良い。
第 1 1 図は、 本発明の音叉型振動ジャイ ロの更に他の例の構成図 である。 第 1 1 図において、 第 8図と同一部分には同一番号を付し て説明を省略する。 この例では、 駆動振動を励振させる駆動回路及 び検出信号を処理する検出回路を含む回路基板 1 1 力 ステム 5及 ぴキャ ップ 9で構成されるケース 1 0内に収納されている。 ステム 5 と音叉型振動子 1 との間に回路基板 1 1 が存在し、 回路基板 1 1 には、 外部回路との電気的導通を図るための端子ピン 1 2力 、 ステ 厶 5を貫通して設けられている。 そして、 第 8図と同様に、 ベース 4の周囲に揺動制限部材 2 1 が設けられている。 この揺動制限部材 2 1 の下面は、 回路基板 1 1 に固定されている。
このような構成では、 音叉型振動子 1 の振れ幅が揺動制限部材 2 1 にて制限され、 大き く揺動しても、 音叉型振動子 1 力 回路基板 1 1 ， キャ ップ 9等の周囲の部材に衝突するこ とを防止できる。 第 1 2図は、 本発明の音叉型振動ジャイ ロの更に他の例の構成図 である。 第 1 2図において、 第 8図と同一部分には同一番号を付し て説明を省略する。 この例は、 複数個の揺動制限部材 2 1 を設けた ものである。 第 1 2図に示す例では、 音叉型振動子 1 の下方でステ 厶 5 (または回路基板 1 1 ) に固定された 1 個の揺動制限部材 2 1 と、 キャ ップ 9の内壁面に固定された 2個の揺動制限部材 2 1 とを 設けている。
このように、 音叉型振動子 1 とケース 1 0 との間、 及び /または 音叉型振動子 1 と回路基板 1 1 との間に揺動制限部材 2 1 を設ける 場合には、 周囲の部材に最も早く 接触する部分 （アーム 2 , 3の先 端部分） が周囲の部材 （ケース 1 0， 回路基板 1 1 ) に接触しない よう に、 つま り、 アーム 2 , 3 , ケース 1 0間のク リ アラ ンス、 及 び/または、 アーム 2， 3， 回路基板 1 1 間のク リ アラ ンスが所定 の値以上になるよう に、 揺動制限部材 2 1 の位置及び形状を設計す るこ とが必要である。
第 1 3図は、 音叉型振動子 1 の下方に揺動制限部材 2 1 を設ける 場合において、 アーム 2 , 3の先端部分が絶対にステム 5 (または 回路基板 1 1 ) に接触しないように規定した例を示す模式図である, 音叉型振動子 1 とステム 5 (または回路基板 1 1 ) との間の距離を H、 音叉型振動子 1 及び支持基板 6の揺動中心とアーム 2， 3の先 端との間の距離を L、 音叉型振動子 1 が揺動した場合における音叉 型振動子 1 または支持基板 6が揺動制限部材 2 1 に接触する位置と ステム 5 (または回路基板 1 1 ) との間の距離を H ' 、 音叉型振動 子 1 が揺動した場合における音叉型振動子 1 または支持基板 6が揺 動制限部材 2 1 に接触する位置と音叉型振動子 1 及び支持基板 6の 揺動中心との距離を L ' と した場合に、 以下の （A) , ( B ) 式を 同時に満足するように、 揺動制限部材 2 1 の位置及び形状を設計す る。
H = L x s i n ^ > 0 ··· (A) t a n 0 = (H - H ' ) /L ' - ( B ) 上記 （A) , ( B ) 式を満たすように揺動制限部材 2 1 の位置及 ぴ形状を設計するようにすれば、 アーム 2 , 3の先端部分が、 決し てステム 5 (または回路基板 1 1 ) に接触しない。 従って、 アーム 2， 3 の先端部分がステム 5 (または回路基板 1 1 ) に接触しない 場合の揺動制限部材 2 1 の高さの最小値を、 （A ) ， （ B ) 式によ り規定できるこ とになる。 よって、 最低の高さの揺動制限部材 2 1 を提供できるので、 揺動制限部材 2 1 の原材料費及び重量の低減化 を図ることができる。
なお、 上記例では、 音叉型振動子 1 の下方に揺動制限部材 2 1 を 設けた場合における揺動制限部材 2 1 の位置及び形状の設計基準を 示したが、 ケース 1 0 (キャ ップ 9 ) の内壁に揺動制限部材 2 1 を 設ける場合にも、 同様に、 揺動制限部材 2 1 の位置及び形状を設計 できる。
こ こで、 揺動制限部材 2 1 に使用する材料及びその硬度について 説明する。 揺動制限部材 2 1 の材料としては、 エポキシ， ウレタン 等の樹脂、 シリ コン， ブチル等のゴムの弾性体、 または、 それらの 発泡材を使用できる。 このような材料では、 事前に治具を用いて複 雑な形状の揺動制限部材 2 1 も容易に大量に作製するこ とができる < 従って、 揺動制限部材 2 1 を設ける場合にも音叉型振動ジャイ ロの 組み立ては容易であり、 工数削減及び低コス ト化に寄与できる。 第 1 3図に示す構成において、 音叉型振動子 1 が最も揺動しやす い Y方向について 1 5 0 0 ( G ) の一定衝撃を外部から加え、 揺動 制限部材 2 1 の硬度を変化させて、 アーム 2， 3が折れるか否かを 調べる実験を行った。 その結果を、 第 1 4図に示す。 揺動制限部材 2 1 を設けない例 （比較例） では、 アーム 2， 3が周囲の部材に衝 突して折れてしまった。 一方、 硬さが 1 0 2 ( J I S A ) では、 周囲 の部材にアーム 2， 3 は衝突はしないが、 揺動制限部材 2 1 自体が 硬くて弾性が少なく なるので、 揺動制限部材 2 1 への接触の衝撃で アーム 2， 3が折れた。 よって、 硬度 1 0 0 (JIS A) 以下の弾性 体で揺動制限部材 2 1 を形成した場合には、 アーム 2， 3が折れず. 音叉型振動子 1 の破壊防止に有効であるこ とが分かる。 なお、 硬さ が小さい （例えば、 0 (JIS A))材料を収容した密閉容器を、 揺動 制限部材 2 1 として使用することも可能である。
このような揺動制限部材 2 1 を設ける構成は、 外部からの振動ま たは衝撃に対して必然的に音叉型振動子 1 が揺動する、 音叉型振動 子 1 の支持部が弾性体である音叉型振動ジャイ ロにおいて特に有効 である。 本発明の音叉型振動ジャイロは、 従来のように外部からの 振動または衝撃を緩和， 吸収するものではなく、 音叉型振動子 1 の 揺動幅を揺動制限部材 2 1 にて制限する構成であり、 従来例 1 ， 2 とは外部からの振動または衝撃への対処が異なる。 また、 本発明で は、 従来例 1 , 2に示すようなワークカバ一， ワークプレー ト， シ —ル ドカバ一， ク ッ ショ ン材等が不要であり、 大幅な小型化を図る こ とができる。
以下、 外部から振動が加わつた場合に生じる不要な信号を低減で きるようにした本発明の音叉型振動ジャイロについて説明する。
第 1 5図は、 音叉型振動ジャイロにおける駆動信号と検出信号と の関係を示す図であり、 回転運動が加わると、 ジャイ ロの検出信号 は、 第 1 5図に示すように、 駆動周波数を有する信号に周期 t の検 出波が乗った AM変調波となる。
また、 第 1 6図は、 音叉型振動ジャイロに加えられる回転周波数 と応答出力との関係を示すグラフである。 第 1 6図のグラフでは、 駆動側振動の共振周波数と検出側振動の共振周波数との差 Δ f の絶 対値が 3種の値 （ 4 0 H z , 8 0 H z , 1 2 0 H z ) である場合の 特性を表している。 第 1 6図に示すように、 ΐ Δ ί Ι で音叉型振動 子 1 自身の周波数特性は決定され、 I Δ f I 近傍の周波数の回転が 加わった場合にその応答出力がピークを呈する。 従って、 音叉型振 動ジャイロの要求周波数特性の上限値 F max より I Δ f I を小さ く すると、 ピーク部分を含んだ周波数応答特性を持つようになり、 外 部からの振動も大きな振幅となって検出するこ とになる。 よって、 本発明では、 この I △ f I を要求周波数特性の上限値 F max 以上と し、 また、 回路の L P F (口一パスフィ ルタ） を併用することによ り、 F max 以下でフラ ッ トな周波数応答特性を得るようにする。 第 1 7図は、 このような L P Fを用いるアナログ検出回路の構成 図である。 このアナログ検出回路は、 アーム 2 , 3 に設けられた 2 系統の検出電極の検出電圧信号を入力してその 2つの入力の差に比 例した信号を出力する差動増幅器 3 1 と、 差動増幅器 3 1 からの出 力信号を同期検波する同期検波器 3 2 と、 同期信号となる基準ク口 ッ クを発振して同期検波器 3 2へ出力する発振器 3 3 と、 所定の濾 波特性 （カ ツ トオフ周波数 F c ) を有する L P F 3 4 と、 L P F 3 4の出力を増幅する直流増幅器 3 5 とを有する。
第 1 8図 （ a ) 〜 （ c ) は、 このようなアナログ検出回路におけ る周波数応答特性の合成を示す図であり、 第 1 8図 （ a ) は音叉型 振動子 1 の角速度周波数特性、 第 1 8図 （ b ) は L P F 3 4 の周波 数特性、 第 1 8図 （ c ) は実際の音叉型振動ジャイ ロにおける周波 数応答特性の一例を夫々示している。 こ こで、 F max に合わせて I Δ f I を F max よりわずかに大き く、 しかも、 L P F 3 4 のカ ツ トオフ周波数 F c を F max よりわずかに大き く した場合、 音叉型振 動ジャイロの実際の周波数応答特性は、 音叉型振動子 1 自身の周波 数特性 （第 1 8図 （ a ) ) と L P F 3 4 の周波数特性 （第 1 8図 ( b ) ) とが合成されたもの （第 1 8図 （ c ) ) となり、 F max 以 1 T
上の周波数で大きなピークを持つ。 そして、 外部からの振動もこの ピーク部に略等しい周波数で大きな振幅をとることになる。
従って、 外部からの振動にて生じるノイズとしての不要信号を低 減するためには、 I Δ f Iを Fmax より十分大き ぐしておく必要が ある。 こ こで、 F c は Fmax に準じると考えられるので、 両者は略 等しい数値であるとしても良い。 よって、 I Δ ί Iを F c より十分 大き くするこ とにより、 上記の不要信号を低減できる。
第 1 9図 （ a ) 〜 （ c ) は、 I Δ ί I 及び F c を変化させた音叉 型振動ジャイロに、 実験的に外部から振動を加えた場合の検出信号
(電圧換算） を示す図であり、 第 1 9図 （ a ) ， ( b ) , ( c ) は 夫々、 | Δ ί | = 1 2 0 Η ζで Fc = 6 0 H z , I Δ f 1 = 2 0 0 H zで F c = 6 0 H z , I Δ f | = 2 0 0 H zで F c = 2 2 H zで ある場合の実験結果を表す。 | A f | = 2 x F c の場合 （第 1 9図
( a ) ) に比較して、 | A f l > 3 x F c の場合 （第 1 9図 （ b ) ) には大幅に不要信号が低減されることを確認できた。 更に、 I △ ί I > 9 X F c を満たす場合 （第 1 9図 （ c ) ) では、 飛躍的に不要信 号が低減されることを確認できた。
次に、 アナログの検出信号をデジタル信号に変換して、 そのデジ 夕ル信号を処理するデジタル信号処理回路を備えた音叉型振動ジャ ィ口について説明する。
第 2 0図は、 このようなデジタル信号処理回路の構成図であり、 このデジタル信号処理回路は、 入力されるアナログの検出信号をデ ジタル信号に変換する A/D変換器 4 1 と、 A/D変換器 4 1 の出 力を所定時間にわたって積分する積分器 4 2 とを有する。
音叉型振動ジャイ ロのアナログの検出信号は、 上述したように
(第 1 5図参照） 、 回転運動による周期 t の検出波が駆動信号に加 えられた態様をなす。 従って、 不要な回転角速度信号を効果的に除 去するためには、 検出系のデジタル信号処理回路において、 少なく とも検出波の半周期 （ tZ2) 以上の積分時間が必要であり、 しか も、 その積分時間の逆数 （ 2 Z t ) 以上のサンプリ ング周波数 ί s をとる必要がある。 こ こで、 検出可能角周波数 （要求周波数特性） の上限値、 いわゆる 1 / tの最大値は、 上述した Δ ίの絶対値以下 である。 従って、 f s > tZ2と l A f l 〉 l Ztとの条件を同時 に満足することにより、 不要な信号の除去を効果的に行う こ とが可 能となる。
第 2 1 図， 第 2 2図は、 上記 2条件を満たす本発明例と上記 2条 件を満たさない比較例との音叉型振動ジャイロに、 実験的に外部か ら振動を加えた場合の検出信号 （角速度換算） を示す図であり、 第 2 1図， 第 2 2図は夫々、 本発明例， 比較例の実験結果を示す。 な お、 何れの例も、 1 4 0 H z , 1 Gで Y方向に振動を印加し、 i s = 1 k H z, t = 1 s e c . , Δ ί = 1 2 0 Η ζ とした。 本発明例 では、 比較例と比べて不要信号の振幅が 1 Ζ 5になり、 外部から振 動が加わつた場合に生じる不要信号の低減に本発明の手法が有効で あるこ とを確認できた。 産業上の利用可能性
以上のように本発明の音叉型振動ジャイロでは、 音叉型振動子の 揺動幅を制限する揺動制限部材を設けているので、 従来例と比べて 小型の構成であっても、 外部からの大きな振動または衝撃が加わつ た場合に、 周囲の部材にアームが衝突するこ とがなく、 面内振動が 停止したり、 アームが折れるこ と等によるジャイロ機能の消失を回 避できる。 また本発明の音叉型振動ジャイロでは、 駆動側振動の共振周波数 と検出側振動の共振周波数との差の絶対値を、 要求周波数特性の上 限値より大きいか、 または、 積分時間の逆数より大き くするので、 外部からの振動による不要信号を大幅に低減でき、 耐振動特性の向 上を図ることができる。

Claims

2 O 請 求 の 範 囲
1 . 2つのアーム及びベースを有する音叉型振動子と、 前記べ一 スを支持する支持基板とを備えた音叉型振動ジャィ口において、 前 記音叉型振動子の揺動の振幅を制限する揺動制限部材を、 前記ァー ムの付け根部よりベース方向の位置に設けていることを特徴とする 音叉型振動ジャィ口。
2 . 前記音叉型振動子と前記支持基板との間に両者を接着させる ための接着層を更に備えており、 前記音叉型振動子， 前記支持基板 及び前記接着層のうちの何れかに、 前記揺動制限部材が固定されて いる請求項 1記載の音叉型振動ジャイロ。
3 . 前記音叉型振動子及び支持基板を収納するケースを更に備え ており、 前記音叉型振動子と前記ケースとの間に前記揺動制限部材 が設けられている請求項 1記載の音叉型振動ジャィ口。
4 . 前記音叉型振動子と導通する回路基板を更に備えており、 前 記回路基板に前記揺動制限部材が固定されている請求項 1記載の音 叉型振動ジャイロ。
5 . 前記アームと前記ケースとの間、 または、 前記アームと前記 回路基板との間のク リアラ ンスが所定値以上である請求項 3記載の 音叉型振動ジャィ口。
6 . 前記アームと前記ケースとの間、 または、 前記アームと前記 回路基板との間のク リアラ ンスが所定値以上である請求項 4記載の 音叉型振動ジャイロ。
7 . 前記音叉型振動子と前記ケースまたは前記回路基板との距離 を H、 前記音叉型振動子及び支持基板の揺動中心と前記音叉型振動 子の先端との距離を L、 前記音叉型振動子が揺動した場合における 前記音叉型振動子または前記支持基板が前記揺動制限部材に接触す る位置と前記ケースまたは前記回路基板との距離を H ' 、 前記音叉 型振動子が揺動した場合における前記音叉型振動子または前記支持 基板が前記揺動制限部材に接触する位置と前記音叉型振動子及び支 持基板の揺動中心との距離を L ' とした場合に、 以下の両式を同時 に満足する請求項 5記載の音叉型振動ジャイロ。
H = L X s i η Θ > 0
t a n 0 = (H - H ' ) /L /
8. 前記音叉型振動子と前記ケースまたは前記回路基板との距離 を H、 前記音叉型振動子及び支持基板の揺動中心と前記音叉型振動 子の先端との距離を L、 前記音叉型振動子が揺動した場合における 前記音叉型振動子または前記支持基板が前記揺動制限部材に接触す る位置と前記ケースまたは前記回路基板との距離を H ' 、 前記音叉 型振動子が揺動した場合における前記音叉型振動子または前記支持 基板が前記揺動制限部材に接触する位置と前記音叉型振動子及び支 持基板の揺動中心との距離を L ' とした場合に、 以下の両式を同時 に満足する請求項 6記載の音叉型振動ジャイロ。
H = L x s i n 0 > O
" η θ = (Η - H ' ) ZL '
9. 前記揺動制限部材は、 エポキシ樹脂， ウレタン樹脂， シリ コ ンゴ， ブチルゴムの各弾性体、 及び、 それらの発泡材からなる群か ら選ばれた材料で形成されている請求項 1記載の音叉型振動ジャィ α0
1 0. 前記揺動制限部材の硬度が 1 0 0 (JIS Α) 以下である請 求項 9記載の音叉型振動ジャイロ。
1 1 . 2つのアーム及びベースを有する音叉型振動子と、 前記べ ースを支持する支持基板とを備え、 駆動側振動としての前記音叉型 振動子の面内振動と、 検出側振動としての前記音叉型振動子及び支 持基板が一体となった捩じり振動とを行う音叉型振動ジャイロにお いて、 前記駆動側振動の共振周波数と前記検出側振動の共振周波数 との差の絶対値が要求周波数特性の上限値以上であることを特徴と する音叉型振動ジャイ ロ。
1 2 . 前記差の絶対値が要求周波数特性の上限値の 3倍以上であ る請求項 1 1記載の音叉型振動ジャイ ロ。
1 3 . 2つのアーム及びベースを有する音叉型振動子と、 駆動側 振動を励振する回路と、 回転角速度が加わった場合に生じる検出側 振動を検出する検出回路と、 該検出回路の検出信号をデジタル変換 して信号処理する信号処理回路とを備え、 該信号処理回路における サンプリ ング周波数が信号処理時の積分時間の逆数の 2倍より大き い音叉型振動ジャイロにおいて、 前記駆動側振動の共振周波数と前 記検出側振動の共振周波数との差の絶対値が前記積分時間の逆数よ り大きいこ とを特徴とする音叉型振動ジャイ ロ。
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