JP3007216B2 - 一端閉鎖型音叉用慣性レート検出器 - Google Patents

一端閉鎖型音叉用慣性レート検出器

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JP3007216B2
JP3007216B2 JP4053173A JP5317392A JP3007216B2 JP 3007216 B2 JP3007216 B2 JP 3007216B2 JP 4053173 A JP4053173 A JP 4053173A JP 5317392 A JP5317392 A JP 5317392A JP 3007216 B2 JP3007216 B2 JP 3007216B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一端閉鎖型音叉用慣性
検出器および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】一端閉鎖型および両端閉鎖型の音叉は、
これまでも開示されている。しかし、このような音叉
は、砲弾等で経験するような極めて強い発射時の衝撃環
境に耐えることができないことが判明している。したが
って、極めて高いＧ環境でも機能することができる慣性
検出器およびその方法に対するニーズがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】一般的に、本発明の目
的は、極めて高いＧ環境下でも持ち堪えられおよび（ま
たは）動作できる一端閉鎖型音叉用慣性検出器および方
法を提供することである。本発明の他の目的は、全ての
方向で極めて高いＧの力に耐えることができる上記の特
徴を有する検出器および方法を提供することである。
【０００４】本発明の他の目的は、電子的結合の一次打
ち消しを達成する特徴を有する検出器および方法を提供
することである。本発明の他の目的は、電極のパターン
の物理的対称が与えられ、それによって駆動信号に起因
するピックアップ信号の部分の電気的打ち消しが可能に
なる上記の特徴を有する検出器および方法を提供するこ
とである。
【０００５】本発明の他の目的は、ピックアップ信号の
ピックアップを最大にし、また駆動に起因するピックア
ップの際の信号のいずれの部分をも均衡させるように、
ピックアップ電極のパターンを設計する上記の特徴を有
する検出器および方法を提供することである。本発明の
他の目的は、物理的な電極パターンをレーザによってト
リミングして、電気的均衡を得る上記特徴を有する検出
器および方法を提供することである。
【０００６】本発明の他の目的は、一端閉鎖型音叉の先
端部の断面が矩形であり、先端部の幅とは実質的に異な
った厚さを有し、その結果、ピックアップの場合、駆動
の場合とは異なった周波数の共振応答を利用する上記の
特徴を有する検出器および方法を提供することである。
本発明の他の目的は、その厚さが実質的に先端部の幅よ
りも大きい検出器および方法を提供することである。
【０００７】本発明の他の目的は、ピックアップ周波数
が実質的に駆動周波数よりも高い検出器および方法を提
供することである。本発明の他の目的は、信号対雑音比
を向上するように駆動電極とピックアップ電極を位置決
めする上記の特徴を有する検出器および方法を提供する
ことである。本発明の他の目的は、ピックアップ信号に
対する駆動運動の歪みの影響を最小にすることができる
上記の特徴を有する検出器および方法を提供することで
ある。
【０００８】本発明の他の目的は、容易かつ経済的に大
量生産することができる上記の特徴を有する検出器を提
供することである。本発明の他の目的および特徴は添付
図で詳細に説明する以下の実施例から明らかとなろう。
【０００９】
【実施例】一般的に、本発明の一端閉鎖型音叉用の慣性
検出器を、その関連するエレクトロニック回路と共にハ
ウジング内に取り付ける。この一端閉鎖型音叉の第１お
よび第２先端部は一つの面内にあって、対称軸を有す
る。本体は、これらの第１および第２先端部と一体に形
成され、第１および第２先端部と同一面内にある。この
本体をハウジングに固定する手段が設けられ、その結
果、ハウジングはベースとして機能する。第１および第
２先端部は、矩形の断面を有し、厚さと異なった幅を有
する。駆動電極とピックアップ電極は音叉の先端部上に
取り付けられ、両者を物理的に均衡させ、ピックアップ
信号が駆動信号から容易に分離できるように駆動電極と
ピックアップ電極とをトリミングする。
【００１０】さらに詳しくは、図に示すように、一端閉
鎖型音叉用慣性検出器アセンブリ１１は、図２にブロッ
ク図の形式で示したエレクトロニック回路を内蔵する円
筒形の下部１３と、一端閉鎖型音叉１６を内臓する円筒
形の上部１４を有する円筒形のハウジング１２によって
構成される。ハウジング１２は、また円形のカバー１７
によっても構成される。ハウジング１２の部分１３、１
４および１７は、アルミのような適当な材料で形成する
ことができ、密閉してはんだ付けまたはレーザ溶接によ
って単体のハーメチック・シールされたアセンブリにす
る。
【００１１】ハウジング１２の上部１４の円筒空間２１
に、一端閉鎖型音叉１６を配置する。音叉１６を取り付
ける、または支持するプラットフォーム即ちベース２２
として機能する手段をハウジングの中に設ける。例え
ば、Ｚカットされた石英またはリチウム・ニオブ酸塩ま
たは他の種類の水晶および石英のような材料のような１
個の圧電材料から音叉１６を形成する。この圧電材料
は、この材料から製作される一端閉鎖型音叉１６の所望
の特性に見合って選択された厚さを有することができ
る。一例として、この厚さは、２０３２ミクロンから６
３５ミクロンの間であり、一般的には１０１６ミクロン
でよい。当業者には周知の技術によって，化学的エッチ
ングのような適当な手段で、圧電材料から一端閉鎖型音
叉１６を製作することができる。
【００１２】単結晶から製作された一端閉鎖型音叉１６
は、一つの面内にあって、対称軸を有し、間隔を置いて
平行する第１および第２の先端部２６、２７を備える。
第１および第２先端部２６、２７は本体２８と一体に形
成され、本体２８は典型的には軸対称に配置され、また
先端部２６、２７と同一面内ある。先端部２６と２７の
間の空間２９は、本体２８が２つの先端部２６、２７と
接続する領域の二股部３１で終る。本体２８は、ステム
３２として識別することのできる狭窄部と、先端部２
６、２７から離れペデスタル３３として識別することの
できる拡開部を有する。
【００１３】特に図３および図４から分かるように、ペ
デスタル３３は、漸増する幅を有し、また傾斜部３４が
設けられる。先端部の反対側にあるペデスタル３３は、
円筒形の内周２１の曲率と一致した曲面３６を有する。
ペデスタル３３とプラットフォーム即ちベース２２の間
およびペデスタル３３の曲面３６と円筒形の凹部２１を
形成するハウジングの壁部の間に接着剤を使用する等の
適当な方法で、ハウジング１２の上部１４の内部に一端
閉鎖型音叉１６を取り付ける。さらに、ペデスタル３３
の両側に１組のピン３７を配置し，これらのピン３７
は、音叉および検出器アセンブリ１１が極めて高いＧの
力を吸収できるように、プラットフォーム即ちベース２
２と強固に係合したペデスタルと音叉１６の部分を保持
する肩部として機能する傾斜部３４と係合する。傾斜部
３４によって、衝撃荷重を受けた場合に応力を発生する
傾向を有する内側に鋭角の角部を生ずることなく、フレ
ア状のペデスタル３３を得ることが可能になる。
【００１４】一端閉鎖型音叉１６の先端部２６、２７の
断面は、図９に示すように矩形であり、相互に異なった
２つの寸法、即ち幅と厚さを有する。一般的に、図９に
示すように先端部の幅は、厚さよりも狭い。本発明の一
実施例では、第１および第２先端部２６、２７は、ステ
ム３２の長さの約２倍の長さを有する。先端部２６と２
７の間の空間２９の幅は、先端部の幅の約２倍である。
ステム３２の長さは、その幅よりも長い。
【００１５】第１および第２先端部２６、２７は、上面
４１と底面４２および第１側面４３と第２側面４４を有
する（図９参照）。ステム３２は、上面４６と底面４７
および第１側面４８と第２側面４９を有する（図１０参
照）。一端閉鎖型音叉１６の上に駆動電極６１とピック
アップ電極６２を取り付ける。本発明の一実施例では、
駆動電極６１よりもピックアップ電極６２を二股部３１
に接近して載置することが好ましいということが分かっ
ているが、主としてその理由は、ピックアップ電極が拾
うピックアップ電圧を増幅するよりも駆動電極に大きな
パワーを発生させることのほうが、そしてエレクトロニ
ックスが二股部３１からの距離を補償するほうが簡単だ
からということである。最大の応力を生じ、それによっ
てピックアップ信号を最大にし、またそれによって信号
対雑音比を向上できるように二股部３１の近くにピック
アップ電極を載置することが望ましい。
【００１６】先端部２６の駆動電極６１は、上面４１と
底面４２に形成されて第１駆動電極を形成する電極６６
と６７とから成り、これらの電極は先端部２６の側面４
３、４４に設けたリード線６８と６９によって接続され
ている。駆動電極６６、６７を接続している上面４１の
リード線７１は、ステム３２の上面４６上をペデスタル
３２のパッド７２まで延びる。
【００１７】同様に、他方の先端部２７の上面４１と底
面４２に第２駆動電極を形成する電極７３と７４は先端
部２７の側面４３、４４に設けたリード線７６と７７に
よって接続されている。これらの電極７３、７４を接続
している上面４１のリード線７９は、ステム３２の上面
４６上をパッド８１まで延びる。
【００１８】第１駆動電極のＬ（ｌｏｗ）電極、即ちグ
ラウンド電極８３、８４は、先端部２６の側面４３、４
４に設けられ、下面４２のリード線８６によって下面４
２で相互に接続され、またリード線８７、８８によって
上面４１上で接続され、これらのリード線８７、８８
は、両方ともペデスタル３３のパッド９１に接続され
る。同様に、第２駆動電極のＬ電極、即ちグラウンド電
極９６、９７は、先端部２７の側面４３、４４に設けら
れ、リード線９８によって下面４２で相互に接続され、
また２本のリード線９９、１０１によって上面４１上で
接続され、これらのリード線９９、１０１は、両方とも
ペデスタル３３上のパッド１０２に接続される。
【００１９】先端部２６のピックアップ電極６２は、先
端部２６の側面４３、４４に設けられたピックアップＨ
（ｈｉｇｈ）電極１０６、１０７から成り、下面４２の
リード線１１８によって下面４２上で相互に接続され、
それからリード線１０９によって（図４参照）ステム３
２の下面４７上を延びるリード線１１１へ接続される。
リード線１１１は、側面４９のリード線１１２に接続さ
れる（図５参照）。リード線１１２はリード線１１３に
接続され、リード線１１３はペデスタル３３のパッド１
１４に接続される。同様に、Ｈピックアップ電極１１
６、１１７は、先端部２７の側面４３、４４に設けら
れ、下面４２のリード線１１８によって相互に接続さ
れ、またリード線１１９によってリード線１１１に接続
され、このリード線１１１はリード線１１３によってパ
ッド１１４に接続される。
【００２０】ピックアップＬ電極１２１、１２２は、先
端部２６の側面４３、４４に設けられている。電極１２
１はリード線１２３によって別のリード線１２４に接続
され、このリード線１２４は、上面４６のステム３２の
真ん中を下方にペデスタル３３のパッド１２６まで延び
る。電極１２２はリード線１２７によってパッド１２６
に接続される。同様に、ピックアップＬ電極１３１、１
３２は先端部２７の側面４３、４４に設けられる。電極
１３１はリード線１３３によってパッド１２６まで延び
るリード線１２４に接続される。電極１３２は、リード
線１３４によってパッド１２６に接続される。上に説明
したパッドは金によって形成することができ、パッドは
金のリード線（図示せず）にボンディングされ、この金
のリード線は、プラットフォーム即ちベース２２を通っ
てハウジングの下部１３に入り込み、そこで図２にブロ
ック図で示すエレクトロニック回路に接続される。これ
らの金のリード線は相互に絶縁され、ハウジング１２の
部分１３、１４で密封されている。使用するフィードス
ルー(回路間接続導体)を音叉に対して対称的なパターン
となるように配置し、またフィードスルー間の結合を最
小にすることが望ましい。ペデスタル３３が大きいの
で、フィードスルーを相互に離してフィードスルー間の
静電結合を比較的小さくすることができる。
【００２１】リード線間の容量結合を最小にするため、
上述の電極はできるだけ接近した物理的対称性または均
衡を達成するように配設されている。駆動用Ｈリード線
７１と７９はアースに対して十分保護され、またはシー
ルドされている。これらの駆動用Ｈリード線７１と７９
の両側のリード線はアース機能を果たすので、発生した
全ての静電界の電気力線はアースに短絡される。リード
線７１と７９も、音叉１６の本体２８の両側または上面
と下面に設けたピックアップ用Ｈリード線１２４と１１
１に対して高度に保護されている（図１０参照）。ピッ
クアップＨリード線１０９はステム３２の中間に配設さ
れ、従って音叉１６の石英がつくる誘電体に対称的に結
合され、また駆動Ｈリード線７１と７９の駆動Ｈ信号に
対して対称的に結合される。このようにして、ピックア
ップＨリード線１１１は音叉１６の誘電体を介して等し
く結合される。駆動Ｈリード線７１と７９は以下で説明
するように逆相で駆動されるので、ピックアップＨリー
ド線１１１によって拾われる信号は等しくて反対であ
り、ゼロとされる。このピックアップの最小化は、また
ピックアップＨリード線１１１と駆動Ｈリード線７１、
７９の間の空間が比較的大きく従って、容量が非常に低
いという事実によっても助長される。
【００２２】上述した電極とリード線およびこれらをつ
くるための金属化と関連して、金属化は先端２６と２７
の上下面４１と４２および側面４３と４４に対して行わ
れる。リード線のパターンは図示の如くであるので、こ
れらのリード線は先端の周囲に巻き付き、隣り同志に配
設されているが音叉の上側と下側にあるピックアップＨ
リード線と駆動Ｈリード線の間のガードとして機能す
る。この構成によりリード線と電極に対して所望の対称
性を与えながら適当な保護すなわちシールドを行うこと
ができる。
【００２３】しかし、例えば、適当なガードを使用する
ことによって、異なったパターンを利用でき、全てのリ
ード線を上面に設けることもできる。または、リード線
の一部を音叉の側面に設けることもできる。しかし、形
状が小さいこととリード線の位置と大きさを正確に決め
るという要望のため、大部分のリード線のパターンを、
リード線とこれらのリード線の間の空間の寸法の決定を
より正確に調整することのできる音叉の上面に設けるこ
とが望ましい。このようなリード線と電極のパターン化
を簡単に行うのに二側面マスク・セットを使用する。マ
スクを両側面に正確に位置合わせできるからである。ま
た、普通のマスキングとホト・レジスト技術を使って上
面と下面とを金属化してから穴明きシャドーマスクを使
って音叉の両側面に対する側面金属化を実施してもよ
い。
【００２４】図２のエレクトロニックスに関連して上述
の一端閉鎖型音叉の動作と利用とを以下に簡単に説明す
る。駆動Ｌリード線１４２と１４３は駆動用発振器１５
１に接続され、この駆動用発振器１５１は電流増幅器１
５２によって構成され、この電流増幅器１５２には増幅
器の出力と駆動Ｌリード線１４２との間に接続された抵
抗１５３を介して抵抗フィードバック回路が設けられて
いる。駆動Ｌリード線１４３は図示のように接地されて
いる。増幅器１５２の出力は線１５６を介して同期復調
器１５７に基準信号を与える。この線１５６は、また９
０゜位相シフタ１５８に接続され、９０゜シフトした同
じ基準信号を他の位相検出復調器１５９に与える。
【００２５】駆動発振器１５１の出力は増幅器１６１に
も供給され、この増幅器１６１には自動利得制御回路１
６２によって自動利得制御が与えられ、この自動利得制
御回路１６２の入力は駆動発振器１５１の出力に接続さ
れ、出力は増幅器１６１に接続されている。この自動利
得制御回路は基準電圧１６３に接続されている。増幅器
１６１からの出力は線１６６によって駆動リード線７９
に直接供給されると共にインバータ１６７を介して駆動
リード線７１に供給され、その結果、先端部２６と２７
は、約１８０゜の位相の異なる二相駆動によって振動さ
せられる。図示の構成では、一方の先端部２７は閉ルー
プの状態で駆動され、他方の先端部２６はインバータ１
６７によって駆動され先端部２７に直ぐに追従する。従
動側の先端部２６の下側がハード・グラウンド（ｈａｒ
ｄ ｇｒｏｕｎｄ）の状態にあり、他方能動側の先端部
２７の下側が駆動発振器１５１に入力を与えるのは、こ
の理由による。
【００２６】ＡＧＣ回路１６２は従来のタイプのもので
あり、検出器とＡＣ／ＤＣ変換器として機能する増幅器
によって構成され、このＡＣ／ＤＣ変換器は電流増幅器
１５２からの出力を受けてＡＣをＤＣに整流し、次にこ
れはＡＧＣ基準回路１６３によって与えられる基準ＤＣ
電圧と比較される。発振器のループの利得が１であり、
これによって固定された振幅で連続した発振を行うとい
う仕方でＡＧＣ回路１６２のループ増幅器は増幅器１６
１の利得を制御する。このような方法で、電流増幅器１
５２の出力は正確な値に調整され、この正確さは使用さ
れている電圧基準１６３の精度によって決まる。電流増
幅器１５２の電流を調整することにより先端部２６と２
７の振動速度を一定に調整することが可能になる。音叉
１６に使用している圧電材料は先端部のたわみすなわち
ふれを電荷と関連づける圧電係数を有している。調整さ
れている駆動電流は時間に対する電荷の変化分、すなわ
ち電荷の微分であり、これによって、先端部の速度であ
る時間に対する先端部のたわみの変化分、すなわちたわ
みの微分を調整することが可能になる。このようにして
駆動先端部の速度を正確に調整することによって、セン
サのレート信号の大きさを決定する場合の一つの主要な
ファクタを正確に調整することができる。
【００２７】上述したところから、音叉１６に二相駆動
が与えられ、そして一方の駆動は＋１で、他方の駆動は
その駆動と位相が１８０゜ずれているために−１である
ことを除いて、一方の駆動は少なくとも他方の駆動と単
純に等しいことを理解されよう。しかし、大きさも正確
には等しくなく相互に位相が１８０゜正確にずれていな
い二相駆動であっても、それは本発明の範囲内でのこと
であることは理解しなければならない。信号を拾う二線
結合の電気的フィードスルーの容量の非対称性を補償す
る電気的トリミングを得るために大きさを、例えば、−
１ではなく、−0.９ないし−1.１に変化させることもあ
る。二相駆動を使用することにより先端部２６と２７が
存在する面において、これらの先端部２６と２７は反対
の方向に移動して、相互に近づいたり、離れたりする。
駆動電極は先端部２６と２７の上に位置しており、両方
の先端駆動の下側の電極は全てこれらの先端部側にあ
り、そして実際の活性高電圧駆動電極は先端部２６と２
７の上面と下面にある。これらの先端部を対向方向に動
かすためには駆動信号の位相は既に述べたように実質的
に１８０゜ずれていなければならない、すなわち逆相で
なければならない。
【００２８】ピックアップのＨの信号とピックアップの
Ｌの信号は、それぞれ線１６６と１６７を介して電荷増
幅器１７１に供給され、この電荷増幅器１７１にはコン
デンサ１７２を介して容量性フィードバックをかけてい
る。ピックアップＬ線１６７は図示のように接地されて
いる。電荷増幅器１７１からの出力はフィルタ／増幅器
１７６に供給され、このフィルタ／増幅器１７６の出力
は同期復調器１５７と１５９に接続される。同期復調器
１５７の出力はフィルタ／増幅器１８１に供給され、こ
のフィルタ／増幅器１８１の出力１８２には信号Ｅ0が
生じ、この信号Ｅ0は検出されている入力角速度に比例
するＤＣレート信号である。上述したように、音叉１６
のピックアップ電極はピックアップＬリード線とピック
アップＨリード線となって出てくる。ピックアップＬリ
ード線１６７は接地されたリード線であり、ピックアッ
プＨリード線１６６はその集計した情報を電荷増幅器１
７１に供給し、その後それは同期復調器１５７によって
復調され、濾波されて出力レート信号を与える。同期復
調器１５７はフィルタ増幅器１７６からの信号を位相シ
フタ１５８からの９０゜の直角基準に対して復調し、位
相検出復調器１５９に接続されたフィルタ／増幅器１８
３から供給される直角位相出力ＥQとする。この直角位
相出力ＥQ は大部分の誤差のソースが駆動電流に対して
直角位相であるので試験目的とバランスィングさせる均
衡目的には有用である。
【００２９】上述したところと関連して理解すべきこと
は、駆動歪みが発生するのと同じように音叉１６として
働く同じ石英の本体でピックアップ歪みが発生するの
で、このピックアップ歪みの駆動歪みによるコンタミネ
ーションが生じる。一例として先端部２６と２７の先端
で５０００Ｇを発生する環境内で駆動先端部は公称たわ
みと公称周波数とでたわむ。この先端部のたわみによっ
て音叉と二股部３１とに大きな歪みが発生する。音叉１
６がそれの対称軸の周りで毎秒例えば１００゜というよ
うな公称最大値で回転すると、先端部２６と２７の先端
速度はコリオリの加速度を発生する。このコリオリの加
速度は先端部の振動の方向と直角の方向に作用し、それ
ゆえこれらの先端部の二股部３１に直角方向に最大入力
レートで駆動歪みよりも少なくとも４桁小さい歪みを加
える。一例として、石英の音叉１６の同じ場所で発生す
る駆動歪みの約１００万分の一のピックアップ信号を正
確に感知することが望まれているというのが典型であ
る。このようにして、ピックアップ電極には駆動歪みに
起因する電荷が存在する。
【００３０】もしピックアップ電極が物理的に完全に対
称形であれば、駆動歪みは打ち消し合ってなくなってい
る。しかし、ピックアップ電極を物理的に完全に対称形
にすることはできないので、駆動歪みを表わす若干の残
存電荷がピックアップ電極に存在する。これらのピック
アップ信号は駆動加速度と同相である駆動歪みと関連し
ている。コリオリの加速度は駆動速度と同相であるの
で、駆動歪みは所望のレート信号と直角位相の関係にあ
るピックアップ電極によって拾われる。このことはレー
ト信号と同相の関係にある電気結合容量と対照的であ
る。駆動歪みからピックアップ電極が拾う信号は直角位
相である。この信号はできるだけ相殺しなければならな
い。何故ならば、ピックアップ歪みに対する駆動歪みの
大きさは、例えば、1,０００,０００：１ないし１００,
０００：１であり、これによって信号処理エレクトロニ
クスにおいて動的範囲の取り扱いが困難となるからであ
る。
【００３１】ピックアップ電極が駆動歪みを拾うのを最
小とするため、電極のパターンをレーザでトリミングし
てピックアップ電極が拾う駆動歪みに関する直角位相の
問題を解決する。このように電極をレーザによりトリミ
ングすることによって毎秒数万度の直角位相のオフセッ
トをゼロに減じることが可能である。このトリミングを
利用することによって、エレクトロニクスにおいて直角
位相を均衡させなければならない、すなわちゼロにしな
ければならないという事態をほとんどなくすことができ
る。もし大きな直角位相のオフセットをエレクトロニク
スで処理しなければならないのであれば、極度の位相精
度を保持しつつエレクトロニクスは非常に大きな範囲で
変動する信号を扱わなければならなくなる。換言すれば
本発明では、直角位相出力を正確に電気的にゼロにする
には外部の電子回路でそれをゼロにするよりも電極を機
械的にトリムする方がはるかに好ましいのである。外部
の電子回路によると、電極の不均衡に起因する誤差が温
度にうまく追従しないという別の困難が生じるからであ
る。こういうことで本発明では、例えば電極のパターン
をレーザによってトリミングすることにより電極の機械
的誤差をなくすことが好ましいことがはっきりしたので
ある。
【００３２】本発明によれば、ピックアップ共振モード
の周波数と駆動共振モードの周波数の間の周波数の差で
ある所定の「△ｆ」を選択するのが好ましい。単結晶の
音叉に使用する石英はＱが非常に高い材料であるので、
ピックアップ信号は狭い帯域幅を有する利得の高い共振
系に現れる。石英の固有の低い圧電結合のため減衰させ
て帯域幅を広げるというのは、本発明では実際的ではな
い。こういうことなので本発明では、駆動周波数もしく
は駆動モードとは異なる、すなわち、駆動周波数もしく
は駆動モードの上または下のピックアップ共振もしくは
ピックアップ・モードで音叉１６を動作させるようにし
ている。本発明では駆動モードの上にあるピックアップ
・モードを選択するのがより好ましい。このことは、横
断面が正方形でない先端部を設けることによって達成さ
れる。一次では、共振を行っている先端部の周波数F
は、先端部の幅Wを長さLの二乗で除して定数Kを乗じた
値に等しい（F＝K・W／L2）。駆動モードでの幅は先端
部がたわんでいる方向の幅を意味し、ピックアップ・モ
ードでの幅は，それに対して直角な方向の幅であり、換
言すれば音叉に使用している石英材料の厚さである。従
って、正方形であって厚さと幅が等しい先端部の場合に
は、駆動およびピックアップ共振周波数は少なくとも一
次では等しい。従って本発明では、ピックアップ周波数
を駆動周波数から約３％だけ離すことが一般的に望まし
い。こういうことで例えば、１０ｋＨｚの駆動周波数は
ピックアップでは１0.３ｋＨｚの周波数を意味する。石
英の音叉１６を製作する場合にこのような精度を達成す
るのは困難であるので、幅を厚さの５０〜８０％になる
ように選択している。これによって、所望の３００Ｈｚ
に比べて２〜５ｋＨｚの範囲で差のある周波数が得られ
る。駆動周波数よりも例えば３％離した小さな差をつく
るため、音叉のステム３２は本体２８よりも狭くなって
いる。これによりステム３２にねじれによる付加的な可
撓性が与えられ、その結果ピックアップ・モードでは振
動面から外れて先端部がたわむだけではなく本体２８と
ステム３２とがねじれによって回動する。ステムの長さ
と幅を先端部の横断面に応じて、複合ピックアップ・モ
ードが駆動モードから３％離れるよう選択する。
【００３３】このようにして△ｆを選択することによ
り、非常にＧの高い発射環境で動作するのに特に適した
一端閉鎖型音叉の慣性検出器と方法とを提供することが
可能となる。本発明と関連して、不当に性能を犠牲にす
ることなく、これらの要求を満足させることが可能であ
ることが分かった。例えば、２1,０００Ｇというような
高いＧに全方向で適応できる。本発明の検出器では音叉
を比較的大きくすることができる。ステムを直接ケース
に取り付けることにより音叉を強固に取り付けることが
できる。音叉の取り付けは実質的に一点でねじれの中心
線で行われるので、ＤＣの歪みの侵入はほとんどない。
存在する２つの感知できる程度の寄生モードはＸ方向と
Ｚ方向でのステムの３〜５ｋＨｚの屈曲であるが、これ
は駆動信号とピックアップ信号とからきり離されてい
る。検出器はロール軸（Ｙ）に大きな剛性を有し、更に
Ｘ軸とＹ軸に高いＧの能力を有している。この検出器の
構造は比較的簡単であって、これを大量かつ経済的に製
作することは容易である。
【００３４】加速度を検出するためにこの検出器を使用
したい場合は、先端部の先端に特許第4,９３0,３５１号
に開示するような切り込みを付けることができる。上述
したところから、本発明の一端閉鎖型音叉をコリオリの
レート（コリオリの力もしくはコリオリの効果から生じ
る変化）の検出器として使用できることを理解されよ
う。その場合音叉を使用して角速度入力を機械的信号に
変換し、この機械的信号を検出して特許第4,５２4,６１
９号、4,５３8,４６１号および4,６５4,６６３号に記載
の種類のレート出力信号に変換することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一端閉鎖型音叉用慣用検出器アセ
ンブリの部分的に展開して示す分解図である。
【図２】図１に示した検出器アセンブリで使用されるエ
レクトロニックスのブロック図であり、エレクトロニッ
クスを一端閉鎖型音叉に接続する方法を示す。
【図３】図１に示した検出器アセンブリで使用する一端
閉鎖型音叉の拡大平面図である。
【図４】図３に示した一端閉鎖型音叉の底面図である。
【図５】図３の線５−５で切断した図３に示す一端閉鎖
型音叉の側面図である。
【図６】図３の線６−６で切断した図３に示す一端閉鎖
型音叉の側面図である。
【図７】図３の線７−７で切断した図３に示す一端閉鎖
型音叉の側面図である。
【図８】図３の線８−８で切断した図３に示す一端閉鎖
型音叉の側面図である。
【図９】図３の線９−９で切断した断面図である。
【図１０】図３の線１０−１０で切断した断面図であ
る。
【符号の説明】
１１ 一端閉鎖型音叉用慣性検出器アセンブリ １２ ハウジング ２６，２７ 先端部 ２８ 本体 ３１ 二股部 ３３ ペデスタル ３４ 傾斜部 ６６、６７、７３、７４、８３、８４、９６、９７、１
０６、１０７、１２１、１２２、１３１、１３２ 電
極 ７１、７６、７７、７９、８６、８７、８８、９８、９
９、１０１、１０９、１１１、１１２、１１３、１１
８、１１９、１２４、１２７１３３、１３４、１４２、
１４３ リード線 １５１ 駆動用発振器 １５２ 電流増幅器 １５７、１５９ 復調器 １６１ 増幅器 １６２ 自動利得制御回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−58111（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−129514（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−306110（ＪＰ，Ａ) 米国特許4654663（ＵＳ，Ａ) 国際公開90／10196（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01M 1/10

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 対称軸の周りに対称的に配置された一対
    の先端部と本体とを一体構造として圧電性材料から形成
    した一端閉鎖型音叉と、前記の先端部に取り付けた駆動
    電極とピックアップ電極と、駆動モードで前記の駆動電
    極へ駆動信号を供給する手段と、前記のピックアップ電
    極へ接続され、そしてピックアップ・モードで作動し、
    前記の対称軸の周りでの前記の音叉の回転に応答して出
    力信号を生じるエレクトロニック装置とを備え、前記の
    先端部は矩形の横断面を有し、その横断面の幅によって
    駆動モードの周波数が決まり、そして横断面の厚みによ
    ってピックアップ・モードの周波数が決まり、前記の先
    端部の幅は前記の厚みよりも小さくなっていてピックア
    ップ・モードの周波数は駆動モードの周波数よりも高
    く、そして前記の本体が含む幅が狭くなっているステム
    は、ピックアップ・モードの周波数を低下させるねじれ
    たわみ性を持つような寸法とされ、それにより駆動モー
    ドとピックアップモードとの間での周波数分離を減少さ
    せていることを特徴とする慣性レート検出器。
  2. 【請求項２】 先端部の幅が厚みの50-80％である請求
    項1に記載の慣性レート検出器。
  3. 【請求項３】 駆動モードとピックアップモードとの間
    の周波数の差が駆動モードの周波数の3％程度であるよ
    うに先端部とステムの寸法を定めた請求項1に記載の慣
    性レート検出器。
  4. 【請求項４】 それぞれの先端部の反対表面に駆動電極
    を取り付け、そして残りの２つの表面にピックアップ電
    極を取り付けた請求項1に記載の慣性レート検出器。
  5. 【請求項５】 ピックアップ電極を駆動電極よりも本体
    に近づけて取り付けた請求項1に記載の慣性レート検出
    器。
  6. 【請求項６】 対称軸の周りに対称的に配置された一対
    の先端部と本体とを有する一端閉鎖型音叉と、前記の先
    端部に取り付けた駆動電極とピックアップ電極と、駆動
    モードで前記の駆動電極へ駆動信号を加える手段と、前
    記のピックアップ電極へ接続され、そしてピックアップ
    ・モードで作動し、前記の対称軸の周りでの前記の音叉
    の回転に応答して出力信号を生じるエレクトロニック装
    置とを含み、前記の本体と前記の先端部とを圧電性材料
    の一体構造として形成し、先端部の矩形横断面の幅が駆
    動モードの周波数を決め、そして矩形横断面の厚みがピ
    ックアップ・モードの周波数を決めるように前記の先端
    部を形成し、そしてねじれたわみ性を持つような寸法と
    した、幅の狭くなったステムを持たせて前記の本体を形
    成しピックアップモードでは先端部のたわみとステムの
    ねじれ回転との両方を生じるようにしたことを特徴とし
    た慣性レート検出器。
  7. 【請求項７】 先端部の厚みが先端部の幅よりも大き
    く、そしてピックアップモードの周波数が駆動モードの
    周波数よりも高い請求項６に記載の慣性レート検出器。
  8. 【請求項８】 幅が厚みの50ないし80％程度である請求
    項６に記載の慣性レート検出器。
  9. 【請求項９】 駆動モードとピックアップモードとの間
    の周波数の差を駆動モードの周波数の3％程度にするよ
    うに先端部を形成し、ステムの寸法を決めた請求項６に
    記載の慣性レート検出器。
  10. 【請求項１０】 対称軸の周りに対称的に配置した一対
    の先端部と本体とを一体に形成し、駆動電極とピックア
    ップ電極とを前記の先端部に取り付けて成る一端閉鎖型
    音叉と、駆動モードで前記の駆動電極へ駆動信号を供給
    する手段と、ピックアップモードで作動中前記の対称軸
    の周りでの前記の音叉の回動により前記のピックアップ
    電極に生じる信号を監視する手段とを備える慣性レート
    検出器を作る方法において、 矩形横断面の幅が駆動モードの周波数を決め、そして矩
    形横断面の厚みがピックアップ・モードの周波数を決め
    る矩形横断面を有するように前記の先端部のそれぞれを
    形成し、駆動モードとピックアップモードとの周波数を
    分離するように前記の先端部の幅と厚みを異なるように
    する段階と、 二つのモードの一方の周波数を変えて、それにより二つ
    のモードの間の分離を減少させるステムの寸法を決めて
    本体を形成する段階とを備えることを特徴とする方法。
  11. 【請求項１１】 ピックアップモードの周波数が駆動モ
    ードの周波数よりも高くなるように先端部の厚みは幅よ
    りも大きくなっており、そしてピックアップモードの周
    波数を減少するねじれたわみ性を持つようにステムの寸
    法を決める請求項１０に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 幅が厚みの５０ないし８０％程度であ
    るような先端部を形成する請求項１０に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 周波数分離が駆動モードの周波数のほ
    ぼ3％となるように先端部を形成し、そしてステムの寸
    法を定めた請求項１０に記載の方法。
  14. 【請求項１４】 対称軸の周りに対称的に配置した一対
    の先端部と本体とを一体に形成し、駆動電極とピックア
    ップ電極とを前記の先端部に取り付けて成る一端閉鎖型
    音叉と、駆動モードで前記の駆動電極へ駆動信号を供給
    する手段と、ピックアップモードで作動中前記の対称軸
    の周りでの前記の音叉の回転により前記のピックアップ
    電極に生じる信号を監視する手段とを備える慣性レート
    検出器を作る方法において、 ピックアップモードでは先端部のたわみとステムのねじ
    れ回転との両方を生じるようにねじれたわみ性を持つよ
    うな寸法とした、幅の狭くなったステムを前記の本体に
    形成する段階と、 駆動電極とピックアップ電極とを電極パターンの形にし
    て先端部の上に対称的に配置する段階と、 直角オフセットをゼロにするように電極パターンを修正
    する段階とを備えることを特徴とする方法。
  15. 【請求項１５】 修正はレーザートリミングにより行う
    請求項１４に記載の方法。
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