JP2007071706A

JP2007071706A - 音叉型振動ジャイロ

Info

Publication number: JP2007071706A
Application number: JP2005259277A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kuramoto; 健次倉本; Mitsuhiro Nakajima; 光浩中島; Takeshi Hosokawa; 武志細川
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 2005-09-07
Filing date: 2005-09-07
Publication date: 2007-03-22

Abstract

【課題】振動脚の質量バランスにあって質量の微調整を正確かつ容易に行う。
【解決手段】駆動脚３のバランスウエイト部１０は、トリミングできる材質を有する三角形状部１１を有する。検出脚４の先端にバランスウエイト部１０としてトリミングできる材質を有する三角形状部１１を有する。バランスウエイト部１０は、振動脚３又は検出脚４の中央線Ｃを中心として左右対称の形状を有する。バランスウエイト部１０の材質は、電極と同一材質の金属からなる。バランスウエイト部１０は、駆動脚３又は検出脚４の先端から基端に向かって徐々に細くなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動脚の質量調整を行うことでいわゆる振動漏れを防止するようにした音叉型振動ジャイロに関する。

音叉型振動ジャイロは、航空機等回転物上に備えられた音叉による振動を利用して回転時に生ずるコリオリ力を検出し、回転角速度を測定する装置である。かかる振動ジャイロは、音叉の振動脚に設けられた振動電極に電圧を印加し振動脚の振動を励起し、回転に伴うコリオリ力により生じた振動を検出電極にて得るものである。この場合、振動駆動中の振動ジャイロの回転非検出状態では、コリオリ力による振動は生ぜず検出電極の出力はゼロである。ところが、音叉の振動脚に質量のアンバランスが生じると、振動ジャイロの回転非検出状態でも検出電極の出力はゼロにならずにある振動出力が生じ、いわゆる振動漏れが生ずる。従来からこの振動漏れをなくすために振動脚の質量をバランスするウエイトトリミング方法が種々提案されている。

特許文献１においては、リュータを用いて振動体自体を研削してトリミングする方法が開示され、特許文献２においては、レーザによる振動脚の電極自体をトリミングする方法が開示され、また特許文献３においては、ダミー電極にスリットを入れるトリミング方法が開示され、また、特許文献４においては、レーザ光によるウエイトトリミング方法にあってレーザ照射箇所をコントロールする技術が開示されている。
レーザ光のよるウエイトトリミングの一例として端的な従来技術は、図８にて示す音叉型振動ジャイロのトリミング技術がある。この図８でのトリミング技術は、例えば６脚の音叉型振動ジャイロ１にあって、振動脚２のうち駆動脚３の先端及び検出脚４の先端に質量バランス調整用の矩形ダミー電極５を備え、この矩形ダミー電極５の矩形を横切るようにレーザ光６を照射させダミー電極５を除去することで振動脚２の質量バランスを得ようとするものである。
特開２００２−２４３４５１号公報特開平９−８９５６８号公報特開２００２−３１０６６３号公報特開平６−４２９７０号公報

しかし、上記図８による従来技術は、矩形ダミー電極５を振動脚２の先端に設けてこのダミー電極５を除去するようにレーザ光６の位置制御をするものであるが、その制御が面倒である。すなわち、振動脚２の質量バランスを取るために図９（ａ）に示すように矩形ダミー電極５をレーザ光６にて除去するに当たり、図９（ｂ）に示すように矩形ダミー電極５を除去して質量の粗調整を行い、また、図９（ｃ）に示すように矩形のダミー電極５をその途中まで除去して質量の微調整を行っている。この場合、所望の電極質量とするためレーザ光６を図９（ｃ）に示すようにダミー電極５の途中位置まで位置制御し所望の質量の微調整を行うことは、レーザ光（スポット）の照射及び位置の制御の限界やダミー電極５自体の極小面積であることとも相俟って、非常に困難である。

本発明は、上述の問題を解決するために発明されたもので、振動脚の質量バランスを取るに当たって質量の微調整を正確かつ容易に行うようにした音叉型振動ジャイロの提供を目的とする。

上述の目的を達成する本発明は、駆動脚の各先端にバランスウエイト部を被着した音叉型振動ジャイロにおいて、バランスウエイト部は、トリミングできる材質からなる三角形状部を有することを特徴とする。

本発明によれば、バランスウエイト部の徐々に細くなっている三角形状部を切断するようにレーザ光にて除去することにより、その切断位置によりトリミングされる除去重量がきめ細かに設定できるので、レーザ光の精密な位置制御や照射制御を行うことなく、質量の粗調整のみならず高精度な微調整を容易にかつ確実に行うことができる。

ここで、本発明の実施形態を図１〜図７を参照して説明する。なお、図１、図２において、図８、図９と同一部分には同符号を付す。
〔実施形態〕
図１は本実施形態を例示する６脚の音叉型振動ジャイロを示す。図１において、この６脚の振動ジャイロ１は、非振動脚を挟むような振動脚２を４脚備えた左右対称の構造を有し、振動脚２のうち駆動脚３にはこの駆動脚３を図示のように左右方向に振動させる電圧を印加する駆動用電極７が被着形成され、また検出脚４にはコリオリ力に伴う検出脚４の前後の振動に基づく出力を得る検出用電極８が被着形成されている。

本実施形態においては、駆動脚３及び検出脚４からなる振動脚２の各先端には、各駆動脚３同士の質量ならびに各検出脚４同士の質量をバランスさせるバランスウエイト部１０が被着形成されている。このバランスウエイト部１０は、図２（ａ）〜（ｇ）に示すような三角形状部１１を被着することによって形成され、図２（ａ）、（ｄ）〜（ｇ）の例では三角形状部１１のみを備え、図２（ｂ）の例では四角形状部１２の軸方向片側に三角形状部１１を加えた形状を備え、図２（ｃ）の例では四角形状部１２の軸方向両側に二つの三角形状部１１を加えた形状を備えている。ここで、三角形状部１１は、言い換えれば軸方向に徐々に細くなっている三角形もしくはそれに類する形状のことを指し、（ａ）に示す二等辺三角形や（ｆ）に示す正三角形、（ｇ）に示す直角三角形の他、（ｄ）に示す紡錘端形状、（ｅ）に示す凹む斜線で徐々に細くなっている外形を有するいわゆるラッパ形状、等が挙げられ得る。

なお、図２（ａ）、（ｂ）、（ｄ）〜（ｇ）に示す三角形状部１１は、振動脚２の先端から基端に向かって徐々に細くなる向きであるが、例えば、図２（ａ）、（ｆ）の破線にて例示されるように基端から先端に向かって徐々に細くなる向きにしても良い。このことは、図２（ｂ）（ｄ）（ｅ）（ｇ）の例についても同様であるが、この三角形状部１１の向きの違いに関しては、後述する。
バランスウエイト部１０の三角形状部１１の形状について、まず三角形の典型例として二等辺三角形について図２（ａ）に示す。具体的にこの二等辺三角形は、一例として振動脚２の先端と平行に二等辺三角形の底辺Ｂが位置し、振動脚２の中央線Ｃを二等辺三角形の二等分線（高さ方向線）が重なるように被着形成される。したがって、振動脚２の中央線Ｃに対して左右対称（図２中上下対称）になるように二等辺三角形の三角形状部１１が形成される。こうした三角形状部１１の被着により振動脚２の中央線Ｃに対して左右（図２中上下）対称にバランスしたウエイト（質量）が振動脚２に付与されることになる。

また、図２（ｂ）に示すバランスウエイト部１０は、振動脚２の先端に一辺を平行に揃えた四角形状部１２を有しその四角形状部１２の基端側に連続して三角形状部１１が加わった形状を有し、四角形状部１２及び三角形状部１１の各二等分線が振動脚２の中央線Ｃと重なり、中央線Ｃに対して左右対称にバランスしたウエイトが付与されることになる。
更に、図２（ｃ）に示すバランスウエイト部１０は、四角形状部１２の先端側及び基端側の双方に三角形状部１１が加わった形状を有し、四角形状部１２を中心にして先端側に一方の三角形状部１１が突き出し、また四角形状部１２の基端側に他方の三角形状部１１が突き出しており、四角形状部１２及び三角形状部１１の各二等分線である振動脚２の中央線Ｃに対して左右対称にバランスしたウエイトが付与されることになる。

同様に、図２（ｄ）に示すバランスウエイト部１０は紡錘端形状、図２（ｅ）に示すバランスウエイト部はラッパ形状、図２（ｆ）に示すバランスウエイト部は正三角形をそれぞれ有し、それぞれの二等分線である振動脚２の中央線Ｃに対して左右対称にバランスしたウエイトが付与されることになる。
こうして、バランスウエイト部１０は、先端が徐々に細くなる形状に形成された三角形状部１１を基本的に有し、図２（ａ）〜（ｆ）に示すバランスウエイト部を有する振動脚２では、中央線Ｃに対して左右対称にバランスしたウエイトが付与される。この場合、三角形状部１１は主に微調整部として用いられ、四角形状部１２は、主に粗調整部として用いられる。

なお、上述の例では、振動脚２上にて四角形状部１２及び三角形状部１１が中央線Ｃに対して左右対称にバランスして形成されている。このことは左右方向に振動する駆動脚３及び前後に振動する検出脚４それぞれの脚上での質量分布を中央線Ｃに対し偏りなくバランスさせるためであり、三角形状部でも、四角形状部１２でも中央線Ｃに対して左右対称にバランスされているのが好ましい。しかしながら、場合によっては、振動脚２上にて四角形状部１２及び（又は）三角形状部１１を中央線Ｃに対して左右対称にバランスさせず、左右方向に振動する駆動脚３及び前後に振動する検出脚４それぞれの脚上での質量分布を偏らせる形状、例えば図２（ｇ）に示す直角三角形状等も形成可能である。

ここで、バランスウエイト部１０として三角形状部１１を被着形成したのは、レーザ光による三角形状部１１の除去質量を容易に微調整できるようにするためである。すなわち、例えば図２（ａ）に示すように振動脚２の中央線Ｃに直角な方向にレーザ光を移動させその部分の三角形状部１１を切断することで三角形状部１１を除去して振動脚２相互間の質量をバランスさせるに当り、振動脚２の中央線Ｃの位置（三角形状の高さ位置）に応じて三角形状部１１の除去長さ言い換えれば除去質量が変化することになるので、この中央線Ｃ上での三角形状部１１を切断する位置を決めれば除去質量をきめ細かに設定でき質量の微調整が可能となることによる。この場合、レーザ光は、中央線Ｃに直角な方向に三角形状部１１を切断するように移動され、従来のように途中まで位置制御をするものではない。

また、この三角形状部１１の徐々に細くなる程度言い換えれば三角形状部の斜めの傾斜は、隣接するレーザ光による除去質量の差が振動検出精度の最小値に相応する値となるような傾斜となっている。
更に、振動脚２に形成される三角形状部１１の細くなる向きは、図２（ａ）（ｂ）（ｄ）（ｅ）（ｆ）（ｇ）では、振動脚２の先端側から基端側に向かって細くなっているが、基端側から先端側に向かって細くなる向き（図２（ｃ）の脚先端側の三角形、図２（ａ）（ｆ）の破線の例）としても良いことは前述した。この場合、基端側から先端側に向かって細くなる三角形状部１１に対して先端側から基端側に向かって細くなる三角形状部１１を振動脚２の同じ位置に形成すると仮定した場合、振動脚２の基端位置からの距離に関係するモーメントを勘案するとき、振動脚２の基端位置からの距離が短いほうがモーメントは小さくなるので先端側から基端側に向かって細くなる三角形状部１１の先端を除去する方が逆の方向に細くなる三角形状部１１の先端を除去するよりも微調整が容易となる。

このようにして振動脚２の先端にあって駆動用電極７あるいは検出用電極８以外の部分に基本的に軸方向に徐々に細くなる三角形状部１１を被着したことにより、三角形状部１１の中央線Ｃ上の位置の設定によりレーザ光の切断による除去長さ（質量）が決まり微調整が可能となる。
バランスウエイト部１０は、レーザ光（スポット）の照射によって除去される材質を有し、図１及び図２（ａ）に示すように底辺部分Ｂに対して中央線Ｃに沿い徐々に細くなっている三角形状部１１のその中央線Ｃを横切るようにレーザ光６を照射する。このため、中央線Ｃ上の位置に応じて、レーザ光６の照射による三角形状部１１の除去長さが決定されることになり、底辺部分Ｂからもっとも離れた三角形状部１１の先端部分では、レーザ光６の照射による除去長さは点となってほんのわずかとなる。この場合、レーザ光６のレーザスポットの大きさあるいは移動速度は、バランスウエイト部１０の厚さや材質を加味して除去できるような大きさあるいは移動速度となっている。

ここで、レーザ光の照射によって除去されるバランスウエイト部１０は、駆動用電極７あるいは検出用電極８と同じ材質、例えばクロムやチタンを下地とした金やニッケルからなる材質が挙げられ、駆動脚３及び検出脚４の表面に蒸着やスパッタリングによって薄膜として形成される。この場合、バランスウエイト部１０は、駆動用電極７あるいは検出用電極８と同一材質にて同時に形成することができるので、加工工数ならびに加工時間の削減につながる。また、バランスウエイト部１０は、金属含有樹脂、例えば銀粒子を含有した導電性接着剤にて形成することができる。この場合、接着剤の硬化時間等を要するが、電極７，８形成後の後付け加工が可能となり、上述の電極よりも厚く被着できて質量の増大につながるのでバランスウエイト部１０として調整すべき質量の調整範囲を広げることができる。また、電極７，８と同一材質で同時に形成したバランスウエイト部１０上に更に上記金属含有樹脂を被着すれば調整すべき質量を更に増大することができる。

図３は、三角形状部１１を有する図１に示す振動ジャイロ１についてジャイロ出力及び漏れ検出量を得る簡略ブロックを示す。振動ジャイロ１にあって駆動脚３に被着された駆動用電極７は発振回路２０に接続され、この発振回路２０からの駆動電圧信号は、図１に示すように駆動脚３を左右方向に互いに逆位相にて励振する。一方、検出脚４に被着された検出用電極８は、検出回路２１に接続され、この検出用電極８に生じた検出脚４の振動に当たる電気信号は、この検出回路２１により取り出される。検出回路２１は、同期検波回路２２に接続され、検出回路２１の検出出力のうち発振回路２０の同相信号成分が除かれてジャイロ出力が得られる。ここにおいて、駆動用電極７に駆動信号が印加され駆動脚３が左右方向に振動している状態で、駆動脚３がバランスしている状態では、検出用電極８には振動が現れず検出脚４がバランスしていれば検出回路２１の出力はゼロである。ところが、駆動脚３または検出脚４がバランスを欠く状態では、検出脚４に前後方向に振動が生じ言い替えれば漏れ振動が発生し、検出用電極８に漏れ振動による検出出力が生じ、検出回路２１に漏れ検出量にあたる出力が生ずる。したがって、漏れ検出モニタ端子２３からは、検出回路２１からの漏れ検出量を取り出すことができる。この場合、この漏れ検出量の一部は、同期検波回路２２を通しても除去されずジャイロ出力となり、振動ジャイロ１の誤差信号となって現れる。

図４は、図３に示すブロックにて漏れ検出モニタ端子２３に漏れ出力が生じた時の図２に示すバランスウエイト部１０のトリミングを行うフローチャートを示す。すなわち、図４にて、漏れ検出モニタ端子２３に漏れ検出量が生じた場合、ステップ３１ではこの漏れ検出量がジャイロ出力に影響を及ぼさない基準漏れ検出量Ａより大きいか否かが判断される。漏れ検出量が基準漏れ検出量以下である場合、回転角速度検出には問題なくトリミングは行わない。漏れ検出量が基準漏れ検出量よりも大きい場合、その漏れ検出量に基づくバランスウエイト部１０の除去すべき質量を算出する（ステップ３２）。その場合、バランスウエイト部１０の材質（密度）、大きさや形状（面積）、厚さ（ステップ３３）を勘案して、除去すべきバランスウエイト部１０の位置を決定する（ステップ３４）。この場合、例えば、バランスウエイト部１０が図２（ａ）に示す二等辺三角形のケースの場合、質量に相応する底辺部分Ｂである基準位置からの高さ（除去位置）を決定し、その位置に当たる部分を除去することで、バランスウエイト部１０の除去を行う（ステップ３５）。この後、再度図３に示すブロックにて漏れ検出を行い、漏れ検出量をモニタする（ステップ３６）。この後、ステップ３７にてトリミング後に得られた漏れ検出量が基準漏れ検出量より大きいか否か判断し、漏れ検出量が基準漏れ検出量以下の場合を除いてステップ３２に戻り除去すべき質量の算出からの処理を繰り返す。このようにして漏れ検出量を基準漏れ検出量Ａ以下に抑え込むことができる。

ここで、漏れ検出量が基準漏れ検出量よりも大きい場合の除去質量算出ステップ３２、及び除去ウエイト部位置決定ステップ３４としては、次のような具体的処理が挙げられる。すなわち、漏れ検出量が生じることは駆動脚３がバランスを欠き、このことは各駆動脚３の共振周波数に差が生じることになる。したがって、各駆動脚３の共振周波数の差を低減させることは、漏れ検出量を低減または無くすことにつながる。振動脚２の共振周波数を求める場合、例えば図５に示すように脚の長さｌ、脚の幅ｗ、脚の厚さｔとした片端固定で等分布荷重の振動脚２を考察すると、その共振周波数ｆは、次式（１）となる。

ｆ＝（１／２π）√（ｋ／（ｍ_ｃ＋ｍ_ｔ））・・・（１）
ここで、係数ｋ＝（Ｅ・ｌ・ｔ^３）／（１２・β・ｗ^３）であり、ｍ_ｃは脚自体の質量、ｍ_ｔはバランスウエイト部１０のトリミングウエイト付加量である。また、上記ｋ式中、Ｅはヤング率、βはたわみ係数で片端固定で等分布荷重では１／８である。
この結果、バランスウエイト部１０のトリミングウエイト付加量ｍ_ｔのトリミング除去を実行することにより共振周波数の調整を行うことができる。この場合、図６にて例示するようにトリミングウエイト付加量ｍ_ｔに対して共振周波数が依存し決定され得る。

今、図１あるいは図２（ａ）に示すような三角形のバランスウエイト部１０を用いて、レーザ光の照射によりトリミングを実行した場合、トリミングウエイト付加量ｍ_ｔは次式（２）で示される。
ｍ_ｔ＝Ｌ_ｂ・Ｈ／２・ｔ_Ｔ・ρ_Ｄ−Σ〔Ｌ_ｂ（１−（ｈ_ｉ／Ｈ））Ｒ・ｔ_Ｔ・ρ_Ｄ〕・・・（２）
ここで、（２）式中、Ｌ_ｂは三角形の底辺Ｂの長さ、Ｈは三角形の高さ、ｔ_Ｔは三角形の厚さ、ρ_Ｄはバランスウエイト部１０の材料密度であり、第１項はバランスウエイト部１０全体の質量を表している。また、（２）式中、Ｒはレーザ光のスポット径であり、第２項は図７に示す三角形状部１１の底辺Ｂからの距離ｈ_ｉの位置でのレーザ光によるバランスウエイト部１０の除去量を表わしている。なお、Σは複数のレーザ光によるトリミング除去位置（切断位置）ｈ_ｉを予定したもので、総除去量を表わす。

このようにして、振動脚２の共振周波数差を軽減しあるいは無くすために（１）式及び（２）式にてトリミングウエイト付加量ｍ_ｔを算出し、（２）式中第２項の除去量を算出し、トリミング部位ｈ_ｉを決定することになる。
なお、漏れ検出量の検出は、駆動脚３の振動に基づくものであるので、振動脚２のバランスに当たっては、駆動脚３を調整することになるが、検出脚４にもバランスウエイト部１０が形成されている場合には駆動脚３の調整後更に検出脚４を調整することになる。図４に示すバランスウエイト部１０のトリミングは、駆動脚３あるいは検出脚４いずれかについて適用することができる。駆動脚３及び検出脚４の双方をトリミングする場合は、駆動脚３用の基準漏れ検出量Ａ１に基づき駆動脚３のバランスウエイト部１０にて図４に示すトリミングを実施後、検出脚４の基準漏れ検出量Ａ２に基づき検出脚４のバランスウエイト部１０にて図４に示すトリミングを実施する。こうして、バランスウエイト部１０をトリミングするという作業を繰り返し、漏れ検出量を基準値以下に抑え込むことになる。

なお、駆動脚３と検出脚４との双方にてバランスウエイト部１０のレーザ光によるトリミングを行いバランスウエイト部１０を調整するに当たっては、具体的には次の方法も考えられる。すなわち、左右の二本の駆動脚３を振動させ、その駆動脚３の逆位相の変位差を測定する。この場合、測定はレーザドップラー振動計にて直接変位差を測定する、あるいは発振回路２０の各駆動脚３からの出力値をモニタする、ことにより変位差を得て、その変位差が基準値以下になるまでトリミングを実施する。その後、検出脚４のバランスウエイト部１０にて図４に示すトリミングを実行し、漏れ検出量モニタの値を基準値Ａ以下にするようにトリミングを実行することになる。

この実施形態は、６脚の音叉型振動ジャイロに付き説明してきたが、４脚、３脚、２脚についても適用することができる。

本発明の実施形態を示す振動ジャイロの斜視図である。バランスウエイト部を例示する振動脚先端の構成図である。振動ジャイロのブロック図である。バランスウエイト部のトリミング処理フローチャートである。振動脚の共振周波数の説明図である。共振周波数に対するトリミングウエイト付加量の特性線図一例である。（２）式の説明図である。従来の振動ジャイロの斜視図である。ダミー電極の構成図である。

Claims

駆動脚の各先端にバランスウエイト部を被着した音叉型振動ジャイロにおいて、
上記バランスウエイト部は、トリミングできる材質からなる三角形状部を有することを特徴とする音叉型振動ジャイロ。
音叉型振動ジャイロに駆動脚のほかに検出脚を有するものであって、
検出脚の先端にバランスウエイト部としてトリミングできる材質からなる三角形状部を有することを特徴とする請求項１に記載の音叉型振動ジャイロ。
上記バランスウエイト部の材質は、電極と同時に形成される同一材質の金属からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の音叉型振動ジャイロ。
上記バランスウエイト部は、振動脚又は検出脚の先端から基端に向かって徐々に細くなる形状を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の音叉型振動ジャイロ。