JP2007085822A

JP2007085822A - 振動ジャイロ

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Publication number: JP2007085822A
Application number: JP2005273452A
Authority: JP
Inventors: Toru Yanagisawa; 徹柳沢
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2025-09-21
Also published as: JP4668752B2

Abstract

【課題】外界の衝撃や振動と内部振動系を分離した高性能の振動ジャイロを実現する。
【解決手段】本発明の振動ジャイロは、複数の脚部と基部と支持部とを備えた振動子と、この振動子を収容する筐体と、前記振動子へ不要な振動が伝達するのを防止し、前記支持部を設けた防振部材と、を有する振動ジャイロであって、前記防振部材は、少なくとも一部に開放部を有すると共にばね性を備えた枠状に形成され、かつ、弾性部材を介して筐体に固着されることを特徴とする。これにより、外界の衝撃や振動と内部振動系を分離した高性能の振動ジャイロを実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、角速度を検出する振動ジャイロに関するものである。

近年、ジャイロスコープも小型化の研究が進み、圧電効果で振動体を励振し、振動体に備えられた別の圧電効果で振動体が回転により受けるコリオリ力で起きる新たな振動により発生する電圧を検出する振動ジャイロの小型化は目を見張るものがあるが、適用される機器の小型化を制限しないように、更なる小型化が要求されている。

このような振動を利用する振動ジャイロは、外部からの振動や激力に対して、センシングに用いる内部振動系を徹底的に分離しておかなければ精度の良いセンシングが実現できない。このため高性能な振動ジャイロは、一般に外部振動や激力と内部振動系を分離するための大掛かりなサスペンション機構を備えなければならない。これはジャイロの小型化を阻害する大きな要素となっている。

尚、振動体が利用している複数の振動を内部振動系と呼び、振動ジャイロが外部から加振されたり、激力を受けたりした場合の振動を外部振動と呼ぶこととする。以下に、サスペンションを用いて外部振動と内部振動系を分離する例を示す。

特許文献１には、外部振動と内部振動系を分離する機構が示されている。振動子１は枠形ベース２０に包囲されるように枠形ベース２０と一体的に形成されている。枠形ベース２０には無端帯状の防振ゴム２１が巻回されている。枠形ベース２０に防振ゴム２１を巻回した状態でケーシング本体３１とカバー３２との間に挟持される。外部からの衝撃や振動は防振ゴム２１により吸収されて枠形ベース２０に伝達されるのを防止でき、振動ジャイロの性能を向上させることができることが示されている。

特許文献２には、外部振動と内部振動系を分離する機構が示されている。振動子の基部１は錘１７を接合した上で柔構造である枠型ジンバル体１７に接合して支持する。外部からの衝撃や振動は枠型ジンバル体１７により吸収されて外部に伝達されるのを防止でき、振動ジャイロの性能を向上させることができることが示されている。
特開平０８−１７８６６９号（図１）特開２０００−２１３９４２号（図１、図３）

しかしながら、従来の枠構造は閉構造となっているので、一般的に弾性が高く、緩やかな支持に適しておらず、また枠構造自体にダンパー機能がないので枠構造自体の振動を減衰させる構成とはなっていない。また、閉枠構造では全ての方向からの衝撃に対して柔構造となりえない。

本発明の目的は、上記課題を解決しようとするもので、全方向からの激力や振動に対して緩やかに緩衝を行い、特定した方向ではより緩やかに緩衝を行い、外部振動を減衰させ、外部振動と内部振動系を分離した高性能の振動ジャイロを実現することである。

上記目的を解決するために、本発明の振動ジャイロは、下記の構成を採用する。

複数の脚部と基部と支持部とを備えた振動子と、この振動子を収容する筐体と、前記振
動子へ不要な振動が伝達するのを防止し前記支持部を設けた防振部材と、を有する振動ジャイロにおいて、前記防振部材は、少なくとも一部に開放部を有すると共にばね性を備えた枠状に形成され、かつ、弾性部材を介して筐体に固着されることを特徴とする。

この構成により、全方向からの激力や振動に対して緩やかに緩衝を行うことができると共に、外部振動を減衰させ、外部振動と内部振動系を分離した高性能の振動ジャイロを実現できる。

また、前記開放部は、前記防振部材において前記支持部が設けられた領域を除く位置に形成されることを特徴とする。この構成により、複数の脚部が含まれる面内に平行な方向からの振動を減衰させる効果を有する。

また、前記振動子は、前記複数の脚部が含まれる面内に略直交する外周面を有し、この外周面が前記防振部材の内周面と対向するように、前記防振部材によって囲まれた包囲スペースの領域内に配置されることを特徴とする。この構成により、無駄な空間を設けることなく振動ジャイロの小型化を実現することができる。

また、前記開放部は、前記振動子における前記脚部の先端に対向する位置に形成されることを特徴とする。この構成により、特に振動子の長手方向に直交する方向の振動を減衰させる効果を実現することができる。

また、前記開放部は、前記支持部及び前記脚部の先端を除いた前記外周面に対向する位置に形成されることを特徴とする。この構成により特に振動子の長手方向の振動を減衰させる効果を実現することができる。

また、前記振動子は前記防振部材と別部材であり、前記支持部が前記防振部材に固着されることを特徴とする。この構成により、防振部材の材質を振動子と同じものに制限されることなく最適な防振効果を実現することができる。

また、前記弾性部材は、前記防振部材と前記筐体との間に複数個設けられているとともに、所定の間隔を置いて前記防振部材を支持することを特徴とする。

この構成により、前記弾性部材の全ての部分を前記防振部材で支えた場合に比べて、利用したい前記弾性部材の応力変位を、前記防振部材に妨げられることなく発現させることができる。

また、前記防振部材は、４つの角部を備えた略矩形状に形成されると共に、前記４つの角部の位置に前記弾性部材を配置したことを特徴とする。

この構成により、前記弾性部材の応力変位は前記弾性部材の一部に集中することなくバランスよく行われ、効率的に防振効果を発現できる。

また、前記弾性部材は、ゴムダンパまたはシリコーン剤であることを特徴とする。この構成により、振動の減衰率の高い防振効果を実現することができる。

また、前記防振部材は、比重の大きな金属のタングステンであることを特徴とする。この構成により、振動子側の振動を外部に伝えにくい構成とすることができる。

本発明により、特定した方向を含む全方向からの激力や振動に対して緩やかに緩衝を行
うことが出来るとともに、外部振動を減衰させ、外部振動と内部振動系を分離した高性能の振動ジャイロを実現できる。

以下、本発明の振動ジャイロを実施するための最良の形態による実施の形態を図面を基に説明する。図１〜図５は本発明の実施の形態である外部振動と内部振動系を分離した振動ジャイロである。図１は第１の実施形態である外部振動と内部振動系を分離した振動ジャイロの外観を示す斜視図であり、図２は外部振動と内部振動系を分離した振動ジャイロの平面図である。図３は音叉の構成を示す平面図であり、図４は第２の実施形態である外部振動と内部振動系を分離した振動ジャイロの平面図である。図５は第３の実施形態である外部振動と内部振動系を分離した振動ジャイロの平面図である。

（第１の実施形態）
本実施の形態においては、外部振動と内部振動系を分離し、振動ジャイロの性能を向上させることができる振動ジャイロの構成を説明する。振動ジャイロは、ある方向に振動する振動子が回転すことにより振動子に発生するこの回転速度に比例する新たな振動を精密に検出することにより、この回転速度を測定する装置だが、振動子が利用している振動を内部振動と呼び、振動ジャイロが外部から加振されたり、激力を受けたりした場合の振動を外部振動と呼ぶこととする。

激力は多くの周波数を持つ振動の集まりとみなすことができる。ここに、内部振動と外部振動が結合し、あるいは共鳴すると、回転速度を計測していることにならないことは明らかである。

本実施の形態で説明する外部振動と内部振動系を分離した振動ジャイロ１の構成を図１に示す。振動ジャイロ１は、高いＱ値を持って高精度に自励発振を行い、この系に働くコリオリ力により検出振動を励振できる振動体である振動子２と、この振動子２を収めた筐体３０及びこの振動子２の振動系と外界を分離できる支持構造により構成される。

この支持構造は、後述する防振部材１０、４０、５０及び弾性部材２０、２１、２２、２３で構成される。図１には図示しないが、筐体３０は六面体のひとつの面を取り除いた箱型であり、振動子２は筐体３０の内側の取り付け面３１に取り付けられる。

振動ジャイロ１に用いる振動子には様々な形状のものが提案され、実際に適用されているが、本実施形態では小型化に最も有利な片持ち構造の音叉形状の振動子を用いる。片持ち構造の音叉形状を持つ振動子にも音叉の脚の数や平面構造であるかないか等、様々な種類があるが、本実施の形態では、振動子の形状が構造の説明がし易く、また発明の効果が最も大きく現れる平面型２脚音叉の場合について説明するが、３、４脚音叉などの場合にも適用できるものである。

図３には振動体として用いる音叉型の振動子２を示す。振動子２は脚部３及び基部４及び支持部５で構成され、脚部３は駆動と検出を担う振動部であり、脚部３の付け根である基部４は脚部３を支持し、ひずみと変位をもって脚部３の振動を継続させる。基部４から伸びた支持部５は振動子２の振動変位に際してひずみの少ない部分であり、外部への接続に用いられる。

尚、振動子２は、２本の脚部３が含まれる面内（Ｙ−Ｘ面）に垂直な方向（Ｚ方向）に外周面２ａを備えている。

図１及び図２に、本発明の構成の枢要な部分である支持構造を示す。この支持構造は、
錘を兼ねたばね構造を有する防振部材１０及び筐体３０への柔接続部である弾性部材２０〜２３であり、振動子２は防振部材１０に接合される。

防振部材１０は比重が大きく、ばね性を持つ金属板であり、振動子２を漸く包囲できる大きさと略リング状の形状を有する。しかし、その一部は開放部１１により開放され、結果としてリングではなく折り曲げられた４つの角部を備える略矩形状となっている。振動子２はその外周面２ａが防止部材１０の内周面１０ａと対向するように、防振部材１０によって囲まれた包囲スペースの領域内に配置されている。

これにより、無駄な空間を設けることなく振動ジャイロ１の小型化を実現することができる。そして、開放部１１は、振動子２の脚部３の先端に対向する位置に形成されている。これにより、振動子２の長手方向（Ｙ方向）に直交する方向（Ｘ方向）の振動を減衰させる効果を実現することができる。

弾性部材２０〜２３は、柔らかいゴム状の平板である。また、弾性部材２０〜２３は、シリコーン剤で構成しても良い。これにより、振動の減衰率の高い防振効果を実現することができる。また、防振部材１０は、比重の大きなタングステンが適している。これにより、振動子側の振動を外部に伝えにくい構成とすることができる。

図１及び図２には、振動子２の支持部５は、防止部材１０の一部にエポキシ接着剤などで固着され、防振部材１０は弾性部材２０〜２３を介して筐体３０の取り付け面３１に取り付けられた様子が示されている。

この構成において、振動子２は、振動子２の全体サイズに比べて全体サイズの大きな防振部材１０に支持部５を固着したことにより、振動子２に対して振動を安定させる大きな支持機構を獲得できる。すなわち、外部からの変位は弾性部材２０〜２３により減衰できるが、振動子２の脚部３の長手方向（Ｙ方向）に垂直な方向（Ｚ方向）に関しては、更に防振部材１０の変形による効果が相乗され、サスペンション機構を実現している。

また、振動子２と防振部材１０とを別の部材で構成する。これにより、防振部材１０の材質を振動子２と同じものに制限されることなく最適な防振効果を実現することができる。また、弾性部材２０〜２３は、所定の間隔を置いて４つの角部の位置に配置され、防振部材１０を支持している。

これにより弾性部材の応力変形が一部に集中することなく能率的に発現でき、更に防振部材の重心に対してバランスの良い保持が行えるので、加速度による防振部材の変位も均等にでき、大きな変異によって防振部材の一部が伸びきったりすることはなくなる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を図４に示す。本実施の形態では、第１の実施形態と異なる構成のみを説明し、同一の構成は省略する。第１の実施形態と異なる構成は、開放部４１を有する防振部材４０に穴４２、４３、４４、４５を設けることである。この構成により、防振部材４０をジンバル状にしてばね定数を小さくすることができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態を図５に示す。本実施の形態では、第１の実施形態と異なる構成のみを説明し、同一の構成は省略する。第１の実施形態と異なる構成は、防振部材５０において開放部５１の位置が振動子２における支持部５及び脚部３の先端を除いた外周面２ａに対向する位置に形成されることである。すなわち、防振部材１０の撓み易い方向が振動子２の長手方向（Ｙ方向）になる。

この構成により、振動子２は、振動子２の全体サイズに比べて全体サイズの大きな防振部材１０に支持部５を固着したことにより、振動子２に対して振動を安定させる大きな支持機構を獲得できる。すなわち、外部からの変位は弾性部材２０〜２３により減衰できるが、振動子２の脚部３の長手方向（Ｙ方向）に関しては更に防振部材１０の変形による効果が相乗され、サスペンション機構を実現している。

尚、本実施形態では、開放部５１を振動子２の左側に形成したが、振動子２の右側に形成しても同様の効果を奏する。

一方、振動ジャイロ１においては、駆動振動を発生させ、検出振動を検知ずる為に振動体としての振動子２には圧電体を用い、筐体３０側に備えられた振動体駆動検出用の電子回路（図示せず）と振動体はこれらに必要な信号のやり取りの為に電気的な接続を行わなければならない。

第１〜第３の実施形態で使用する音叉型振動子２は水晶から成り、非常に小さいが正確な電流を電子回路とやり取りする必要がある。また、第１〜第３の実施形態に示した構成では、振動子２は筐体３０と相対的に変位するので、ここでは図示しないが、振動子２と筐体３０上の電子回路との電気的な接続には機械的な変位を許容する電気的接続方法であるワイヤボンドで接続するのが好ましい。

尚、第１及び第３の実施形態で示した防振部材の開放部を、振動子の脚部先端に対向する位置に形成した場合と、振動子の側面に対向する位置に形成した場合とで説明したが、これらの位置以外であっても防振部材における振動子の支持部が設けられた領域を除く位置に形成しても構わない。

また、第１〜第３の実施形態では、振動子と防振部材とを別部材として、振動子の脚部と支持部が防振部材から略同一高さになるようにして振動子を防振部材に近接して接合した場合を説明した。しかし、振動子の脚部と支持部とが防振部材から同一高さではなく、脚部の方が高くなるように振動子が防振部材から離れた場合であっても本発明が適用されることは言うまでもない。

本発明の第１の実施形態である外部振動と内部振動系を分離した振動ジャイロの外観を示す斜視図である。本発明の第１の実施形態である外部振動と内部振動系を分離した振動ジャイロの平面図である。本発明の実施の形態である音叉を構成を示す平面図である。本発明の第２の実施形態である外部振動と内部振動系を分離した振動ジャイロの平面図である。本発明の第３の実施形態である外部振動と内部振動系を分離した振動ジャイロの平面図である。

符号の説明

１振動ジャイロ
２振動子
２ａ外周面
３脚部
４基部
５支持部
１０、４０、５０防振部材
１０ａ内周面
１１、４１、５１開放部
４２、４３、４４、４５穴
２０、２１、２２、２３弾性部材
３０筐体
３１取り付け面

Claims

複数の脚部と基部と支持部とを備えた振動子と、
この振動子を収容する筐体と、
前記振動子へ不要な振動が伝達するのを防止し、前記支持部を設けた防振部材と、
を有する振動ジャイロにおいて、
前記防振部材は、少なくとも一部に開放部を有すると共にばね性を備えた枠状に形成され、かつ、弾性部材を介して筐体に固着されることを特徴とする振動ジャイロ。
前記開放部は、前記防振部材における前記支持部が設けられた領域を除く位置に形成されることを特徴とする請求項１に記載の振動ジャイロ。
前記振動子は、前記複数の脚部が含まれる面内に略直交する外周面を有し、この外周面が前記防振部材の内周面と対向するように、前記防振部材によって囲まれた包囲スペースの領域内に配置され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。
前記開放部は、前記振動子における前記脚部の先端の対向する位置に形成されることを特徴とする請求項３に記載の振動ジャイロ。
前記開放部は、前記支持部及び前記脚部の先端を除いた前記外周面に対向する位置に形成されることを特徴とする請求項３に記載の振動ジャイロ。
前記振動子は前記防振部材と別部材であり、前記支持部が前記防振部材に固着されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の振動ジャイロ。
前記弾性部材は、前記防振部材と前記筐体との間に複数個設けられているとともに、所定の間隔を置いて前記防振部材を支持することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の振動ジャイロ。
前記防振部材は、４つの角部を備えた略矩形状に形成されると共に、前記４つの角部の位置に前記弾性部材を配置したことを特徴とする請求項７に記載の振動ジャイロ。
前記弾性部材は、ゴムダンパであることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の振動ジャイロ。
前記弾性部材は、シリコーン剤であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の振動ジャイロ。
前記防振部材は、比重の大きな金属のタングステンであることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の振動ジャイロ。