JP4711414B2 - 角速度測定用トランスデューサ - Google Patents

Description

本発明は、角速度測定用トランスデューサに関する。

本発明は、一般的に、回転する単一のピエゾ電子同調フォークにより形成された角速度測定用トランスデューサに関する。この同調フォークはベースを有し、このベースから励起レグと検出レグが延びている。さらに、本発明は、検出レグ上に配置された検出電極の形成に関する。

従来技術から、特に特許文献１から、ベースを有する単一の同調フォークにより形成されたジャイロメータ（gyrometer）は公知である。このベースには、励起電極が形成される第１レグと検出電極が形成される第２レグとが延びる。

ヨーロッパ特許第０７５０１７７号明細書

図１は、ジャイロメータで使用されるこの種の同調フォーク１の一例を示す。図１ａの軸方向断面に示された同調フォーク１は、２個のレグ３、４が取り付けられたベース２を有する。この組立体は、ピエゾ電子水晶材料製である。図１ｂの横方向断面に示すように、各レグ３、４は、電極を有する。励起レグ３は、第１励起電極対５ａ、５ｂと第２励起電極対６ａ、６ｂとを有する。第１励起電極対５ａ、５ｂは互いに接続され、交番電気信号が図１ａの面に対応する面で、同調フォークの共振周波数で加えられる。一方、第２励起電極対６ａ、６ｂも互いに接続され、交番電気信号が第１励起電極対５ａ、５ｂに加えられるのとは逆の位相で加えられる。この交番電気信号を加えることにより励起し、同調フォーク１のレグ３と４が矢印９で示された第１面で機械的に振動する。検出レグ４は、互いに接続された第１検出電極対７ａ、７ｂと、互いに接続された第２検出電極対８ａ、８ｂとを有する。これらの対は、励起レグ３の機械的振動を電気信号に変換し、この電気信号は、前記電極が接続された検出回路で検出される。

同調フォークのジャイロメータ理論によれば、励起信号は第１励起電極対５ａ−５ｂ、第２励起電極対６ａ−６ｂに加えられる。同調フォーク１が長手軸１０の周囲で回転運動することにより、励起されたレグの移動方向と長手軸１０に対し、直交する方向にコリオリ（Corioli）の力を生成する。その結果、励起振動面に直交する面で検出レグ４の振動が、矢印１１で示すように行われる。この機械的振動は、同調フォーク１のピエゾ電子水晶体により電気信号に変換され、この電気信号を同調フォークの第１検出電極対７ａ−７ｂ、第２検出電極対８ａ−８ｂが検出する。

この検出電極構成における主な問題点の１つは、電極の電気パスが２つの検出電極の間で検出され、逆の電気信号がそこに加わり、直線状ではなくなる。従って、電界ラインの損失量は無視できない。従って、この検出構成／方法は最適ではない。

理論的に興味深い解決方法は、２つの第１検出電極対７ａ−７ｂ、第２検出電極対８ａ−８ｂを図１ｃに示すよう形成することである。しかし、この解決方法も欠点があり、製造方法が複雑となり、制御が難しくなることである。実際に、同調フォークの側面の電極は、「電極堆積」により構成され、これは、側面の全体厚にわたって行うことが必要である。かくして、電極堆積部分を２つの部分に分けて、所望の別個の電極７ｂ、８ｂを得ることは非常に困難である。さらに、この種のジャイロメータは、連続して形成され、すなわち互いに横に並んで形成される。かくして、同調フォークの外部横表面上の形成された電極堆積領域を別個の電極７ａ、８ａに分離することは非常に難しい。
さらにまた、さまざまな前記した解決方法は、さらなる欠点がある。すなわち、同調フォークが大きすぎることであり、基板上に乗るジャイロメータのアプリケーションでは出来るだけ小型の方が好ましい。

本発明の目的は、前記の欠点を解決することであり、本発明の角速度測定用のトランスデューサは、ピエゾ電子材料製の共振器の形態で形成され、この共振器は検出電極構造を有する同調フォークを有し、検出レグに形成された電界の最適な測定を可能とし、且つ製造方法が比較的単純である。

かくして、本発明の範囲内において、検出電極は、一方でその製造方法が単純となり、他方で検出レグで検出された電界ラインが、検出レグを通り、対向する電極の間をほぼ直線状の電気パスに沿って伝搬するよう構成される。

このために、少なくとも１個の溝が同調フォークの検出レグの上部面と底部面のそれぞれにエッチングで形成される。これは、同一性能に対して同調フォークのサイズを小型化できる利点がある。

かくして、本発明は角速度測定用トランスデューサに関する。本発明は請求項１に記載のとうりである。

本発明の第１実施例によれば、本発明の測定用トランスデューサの特徴は、本発明は請求項２に記載のとうりである。

本発明の第２実施例によれば、本発明の測定用トランスデューサの特徴は、本発明は請求項５に記載のとうりである。

小型化するために、機械的分離手段が同調フォークのベースに具備され、さらに同調フォークを小型化している。

図２ａ、２ｂに示した本発明の第１実施例によれば、本発明の角速度測定装置は、回転する１個のピエゾ電子（従来は水晶）製の同調フォーク２１により形成されるトランスデューサを有する。この同調フォーク２１は、ベース２２により形成され、このベース２２から２本の平行な励起レグ２３と検出レグ２４が延びて、それらはスロットにより分離されている。これらのレグは、それぞれ反対極性の電極を形成する導電性堆積部分を具備し、レグ内の交番電界を生成／検出する。交番電界は、ピエゾ電子材料の変形により同調フォークの振動を引き起こし、その逆も行われる。各励起レグ２３と検出レグ２４は、２つの上部表面と底部表面と、２つの側部表面とを有する。

励起手段２５、２６は、２本のレグの内の一方のレグ（励起レグ２３と称する）の上に配置され、励起信号に応答して所定の周波数で、好ましくはＸ−Ｙ面である第１方向で、同調フォークの共振周波数で、トランスデューサの振動を生成する。図２ｂに示した実施例によれば、励起手段は、第１励起電極対２５ａ、２５ｂ（すなわち励起レグ２３の上部表面と底部表面にそれぞれ配置された中央電極）と、第２励起電極対２６ａ、２６ｂ（すなわち励起レグ２３の２つの側部表面の一方と他方の上の全厚にわたってそれぞれ配置される側面方向電極）とを有する。

これらの電極は、電気的に次ぎのように接続される。すなわち、従来通り、中央電極である第１励起電極対２５ａ、２５ｂは、励起ソースの一方の極に接続され、側面電極である第２励起電極対２６ａ、２６ｂは、励起ソースの反対（逆）極に接続される。これらの接続は、同調フォークそのものの上に堆積された導電性パスにより行われる。励起ソースは、図２ａでは発振器４１の形態で示されている。動作中においては、共振器の振動は、レグ２３、２４の面の横方向交番電界に起因して、同調フォークの励起レグ２３を曲げることにより維持される。

好ましい実施例によれば、励起レグ２３は、２個の溝２９−３０、溝３１−３２を有する。これらは、励起レグ２３の上部表面と底部表面のそれぞれの上に軸方向に彫り込むことにより形成される。この溝の深さは、励起レグ２３の厚さの２０％−４５％の間で、好ましくは３０％台である。

中央電極である第１励起電極対２５ａ、２５ｂは、対応する面上にエッチングで形成された溝２９−３０と溝３１−３２をそれぞれ横方向にカバーするよう形成される。

レグの厚さ方向にエッチングで形成された溝内に中央電極を配置することにより、ピエゾ電子結合が大きくなる。等寸法では、ピエゾ電子結合の増加により、同調フォークの等価抵抗が減少し、それに関連する発振器の電力消費も減少する。この理由は、等しい品質ファクタに対しては、この形成により共振器の寸法が小さくなるからである。

両方の面に溝を具備することにより、対称的なレグ・セクションが形成される。これにより、その面の外側のレグの変形を阻止する。溝の存在は、結晶の電気軸Ｘに沿った均質電界の形成にとって好ましい。

１個の溝のみを励起レグの上部表面と底部表面のそれぞれに形成することも可能である。この場合、中央電極は対応する面上に存在する１個の溝を横方向にカバーする。最後に、励起レグ上に溝を具備しないことも可能である。

図２ａ、２ｂを参照すると、検出手段２７、２８が同調フォークの他方のレグ（検出レグ２４と称する）の上に具備され、トランスデューサの第２振動に応じて、電気的検出信号を生成する。この第２振動は、第１振動と長手軸１０を中心にした回転に応答して精製され、第１方向と直交する第２方向で振動し、同一の所定周波数を有する。第２振動は、成分を有し、その振幅は角速度を表す。

前述した同調フォークを有するジャイロメータは、さらに、適宜の測定装置（検出器４２の形態で示される）を有するが、ここでは詳述しない。その理由は、その構造はトランスデューサの角速度が測定される目的に応じ変わり、この測定装置は電気検出信号から角速度を表す測定信号を供給するだけで、本発明とは直接関係がないからである。

検出レグ２４は、上部表面と底部表面のそれぞれの上に軸方向にエッチングで形成された２個の溝３３−３４と溝３５−３６とを有する。各溝は、２個の側面を有する。検出手段は、上部表面に、第１検出電極２７ａと第２検出電極２８ａを有する。第１検出電極２７ａは、第１溝３３の一方の側面上に配置され、第２検出電極２８ａは、第３溝３４の一方の側面上に配置される。かくして、２つの電極（第１検出電極２７ａと第２検出電極２８ａ）の間の電気パスは、検出レグ２４を通してほぼ直線状である。検出手段は、また、底部表面に互いに向かい合って形成された第３検出電極２７ｂと第４検出電極２８ｂとを有する。第３検出電極２７ｂは、第２溝３６の側面の一方に形成され、第４検出電極２８ｂは、第４溝３５の側面の一方に形成される。かくして、２個の電極（第３検出電極２７ｂ、第４検出電極２８ｂ）の間の電気パスは、検出レグ２４を通って直線状となる。第１検出電極２７ａと第３検出電極２７ｂは、検出器４２の第１極に接続され、電極２８ａ、２８ｂは、第１極とは逆の第２極に結合される。かくして、検出レグにより生成された電界の検出は最適化され、一方、特許文献１に開示されたものと類似の電極堆積方法をで形成可能である。

一例として、検出レグの上部表面と底部表面のそれぞれに軸方向にエッチングで形成された溝の深さは、検出レグの厚さの２０−４５％の間であり、好ましくは３０％台である。

小型化するために、機械的分離手段が、同調フォークのベースをジャイロメータに固定する溝部分３８と、レグ２３、２４との間に形成される。これらの機械的分離手段は、本発明の第１変形例によれば、ベースの上部部分に形成されたノッチ３７で具体化される。第２変形例（図示せず）によれば、これらの機械的非結合手段は、ベース２２の上部中央部分に形成されたホール（孔）で具体化される。上記具体例の組み合わせも可能である。

図２ｃ、図３では、発振器４３と検出器４２は、図面を簡単にするため図示していない。

図２ｃは、図２ａ、２ｂの同調フォークの変形例を示す。この変形例は、いわゆるクロス（交差）電極が同調フォーク上に配置される。第１の実施例と異なる点は、一対の励起電極を一対の検出電極で置換させたことである。かくして、クロスした電極を具備するこの種の同調フォークは、前述した実施例と同様に動作して同じ利点がある。

この実施例によれば、励起レグ２３は、溝２９−３０を横方向からカバーするよう、上部表面に形成された第１励起電極２５ａと、第１励起電極２５ａが接続される電位とは逆の電位に接続され、励起レグ２３の一方の側面と他方の側面にそれぞれ形成される第２励起電極２６ａと第３励起電極２６ｂとを有する。この励起レグ２３は、その底部表面に互いに向かい合って形成される第３検出電極２７ｂと第２検出電極２８ｂとを有する。第３検出電極２７ｂは、第２溝３６の一方の側面上に配置され、第２検出電極２８ｂは第４溝３５の側面の一方に配置される。その結果、電極２７ｂと２８ｂの間の電気パスは、励起レグ２３を貫いて直線状である。

検出レグ２４は、同様に、その上部表面に、互いに向かい合って形成される第３検出電極２７ａと第４検出電極２８ａとを有する。第３検出電極２７ａは、第１溝３３の側面の一方に形成され、第４検出電極２８ａは、第３溝３４の側面の一方に形成される。かくして、電極２７ａと２８ａの間の電気パスは、検出レグ２４を通り、直線状である。検出レグ２４は、さらに、底部表面に溝３１−３２を横方向にカバーするよう形成された第４励起電極２５ｂと、検出レグ２４の一方の側面と他方の側面の全体厚さ方向にそれぞれ配置された第５励起電極２６ｃと第６励起電極２６ｄとを有する。

図３は、本発明の第２実施例のジャイロメータ用の同調フォークを示す。この実施例によれば、検出レグ２４、上部表面と底部表面のそれぞれの上に１個の溝３７、３８のみを有する。第１検出電極３９ａは、検出レグの上部表面上にエッチングで形成されたノッチ３７の側面の一方に形成される。第２検出電極４０ａは、検出レグの側面の一方の厚さの方向に形成される。かくして、２つの電極（第１検出電極３９ａと第２検出電極４０ａ）の間の電界は、検出レグ２４を通り直線状となる。

検出レグは、さらに、レグの底部表面にエッチングで形成された溝部分３８の側面の一方の上に形成された第３検出電極３９ｂと、検出レグの第２の側面（この側面は第２検出電極４０ａが形成された側面に対向する）の厚さ方向に形成された第４検出電極４０ｂとを有する。かくして、２つの電極（第３検出電極３９ｂと第４検出電極４０ｂ）の間の電界は、検出レグ２４を通り直線状となる。

図２ｂ、２ｃ、図３に示すように、ピエゾ電子製の同調フォークは水晶製であり、その上部表面と底部表面は、水晶の光学軸（ｚ）に直交し、レグは水晶の機械軸（ｙ）に沿って延びる。

本発明の変形例として、検出レグと励起レグを反転させ、励起レグを検出レグとして用いることもできる。あるいはその逆も可能である。また、機械的分離手段を、ここに述べた実施例のそれぞれに用いることが出来る。いわゆる交差した電極の同調フォーク、すなわち、一対の励起電極と検出電極が２本のレグの間で反転させることも可能であり、これも本発明の範囲に含まれる。

以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。特許請求の範囲の構成要素の後に記載した括弧内の番号は、図面の部品番号に対応し、発明の容易なる理解の為に付したものであり、発明を限定的に解釈するために用いてはならない。また、同一番号でも明細書と特許請求の範囲の部品名は必ずしも同一ではない。これは上記した理由による。

従来技術に係るジャイロメータで使用される同調フォークの軸方向断面図。 図１ａの同調フォークの励起レグと検出レグの線Ｉ−Ｉで切った横方向断面図。 理論的に最適の検出電極を具備した同調フォークの励起レグと検出レグの横方向断面図。 本発明の第１実施例によるジャイロメータの同調フォークの軸方向断面図。 図２ａの同調フォークの励起レグと検出レグの線ＩＩ−ＩＩに沿った拡大横方向断面図。 本発明の第１実施例の変形例による同調フォークの２本のレグの横方向拡大断面図。 本発明の第２実施例による同調フォークの励起レグと検出レグの拡大横方向断面図。

１ 同調フォーク
２ ベース
３，４ レグ
３ 励起レグ
４ 検出レグ
５ａ、５ｂ 第１励起電極対
６ａ、６ｂ 第２励起電極対
７ａ、７ｂ 第１検出電極対
８ａ、８ｂ 第２検出電極対
９ 矢印
１０ 長手軸
２１ 同調フォーク
２２ ベース
２３，２４ レグ
２３ 励起レグ
２４ 検出レグ
２５，２６ 励起手段
２５ａ、２５ｂ 第１励起電極対
２６ａ、２６ｂ 第２励起電極対
２７，２８ 検出手段
２７ａ 第１検出電極
２８ａ 第２検出電極
２７ｂ 第３検出電極
２８ｂ 第４検出電極
２９，３０ 溝
３１，３２ 溝
３３ 第１溝
３４ 第３溝
３５ 第２溝
３６ 第４溝
３３，３４ 溝
３５，３６ 溝
３７ ノッチ
３８ 溝部分
３９ａ 第１検出電極
３９ｂ 第３検出電極
４０ａ 第２検出電極
４０ｂ 第４検出電極
４１ 発振器
４２ 検出器
４３ 発振器

Claims (5)

1. 角速度を測定するトランスデューサにおいて、
   （Ａ）回転するピエゾ電子製の１個の同調フォーク（２１）と、
   前記同調フォーク（２１）は、ベース（２２）から延びる励起レグ（２３）と検出レグ（２４）とを有し、
   前記各レグは、上部表面と底部表面と２つの側面とを有し、
   （Ｂ）前記励起レグ（２３）上に配置され、前記同調フォーク（２１）の第１振動を励起する励起手段（２５ａ、２５ｂ、２６ａ、２６ｂ）と、
   （Ｃ）前記検出レグ（２４）上に配置され、前記同調フォーク（２１）の回転と前記第１振動に応答して生成された、前記同調フォーク（２１）の第２振動を検出する検出手段（２７ａ、２７ｂ、２８ａ、２８ｂ；３９ａ、３９ｂ、４０ａ、４０ｂ）と
   を有し、
   前記検出レグ（２４）は、前記上部表面上に第１の溝（３７）と、前記底部表面上に第２の溝（３８）とを有し、
   前記第１と第２の溝は、それぞれ、側面を有し、
   前記検出手段は、対向して配列された第１検出電極（３９ａ）と第２検出電極（４０ａ）と、対向して配列された第３検出電極（３９ｂ）と第４の検出電極（４０ｂ）とを有し、
   前記第１検出電極（３９ａ）は、前記第１溝（３７）の側面の内の第２検出電極（４０ａ）に近い側面に配置され、
   前記第２検出電極（４０ａ）は、前記検出レグ（２４）の第１側面全体にわたって、前記第１検出電極と第２検出電極の間の電界が、前記検出レグ（２４）を直線状に貫くように、配列され、
   前記第３検出電極（３９ｂ）は、前記第２溝（３８）の側面の内の第４検出電極（４０ｂａ）に近い側面に配列され、
   前記第４検出電極（４０ｂ）は、前記第１側面に対向する第２側面全体にわたって、前記第３検出電極と第４の検出電極の間の電界が、前記検出レグ（２４）を直線状に貫くように、配列される
   ことを特徴とする角速度測定用トランスデューサ。
2. 前記励起手段は、前記励起レグ（２３）の上部表面、底部表面、２つの側面のそれぞれに配置された第１励起電極（２５ａ）、第２励起電極（２５ｂ）、第３励起電極（２６ａ）、第４励起電極（２６ｂ）を有し、
   前記励起レグ（２３）は、その上部表面に少なくとも１個の第１溝（２９）と、その底部表面に少なくとも１個の第２溝（３１）とを有し、
   前記第１励起電極（２５ａ）は、前記第１溝（２９）の底と側面にも延在し、
   前記第２励起電極（２５ｂ）は、前記第２溝（３１）の底と側面にも延在する
   ことを特徴とする請求項１記載の角速度測定用トランスデューサ。
3. 角速度を測定するトランスデューサにおいて、
   （Ａ）回転するピエゾ電子製の１個の同調フォーク（２１）と、
   前記同調フォーク（２１）は、ベース（２２）から延びる第１レグ（２３）と第２レグ（２４）とを有し、
   前記各レグ（２３、２４）は、上部表面と底部表面と２つの側面とを有し、
   前記第１レグ（２３）は、前記上部表面上に第１と第２の上部溝（２９，３０）と、前記底部表面上に第１と第２の底部溝（３５，３６）とを有し、
   前記第２レグ（２４）は、前記上部表面上に第１と第２の上部溝（３３，３４）と、前記底部表面上に第１と第２の底部溝（３１，３２）とを有し、
   （Ｂ１）前記第１レグ（２３）上に配置され、前記同調フォーク（２１）の第１振動を励起する第１と第２と第３の励起手段（２５ａ、２６ａ、２６ｂ）と、
   前記第１励起手段（２５ａ）は、前記第１レグ（２３）の上部表面と前記第１と第２の上部溝（２９，３０）の壁に形成され、
   前記第２と第３の励起手段（２６ａ、２６ｂ）は、前記第１レグ（２３）の２つの側面に形成され、
   （Ｂ２）前記第２レグ（２４）上に配置され、前記同調フォーク（２１）の第１振動を励起する第１と第２と第３の励起手段（２５ｂ、２６ｃ、２６ｄ）と、
   前記第１励起手段（２５ｂ）は、前記第２レグ（２４）の底部表面と前記第１と第２の底部溝（３１，３２）の壁に形成され、
   前記第２と第３の励起手段（２６ｃ、２６ｄ）は、前記第２レグ（２４）の２つの側面に形成され、
   （Ｃ１）前記第１レグ（２３）上に配置され、前記同調フォーク（２１）の回転と前記第１振動に応答して生成された、前記同調フォーク（２１）の第２振動を検出する第１と第２の検出手段（２７ｂ、２８ｂ）と、
   前記第１検出手段（２７ｂ）と第２検出手段（２８ｂ）は、それぞれ前記第２と第１の底部溝（３６，３５）の壁の内互いに近い壁に形成され、
   （Ｃ２）前記第２レグ（２４）上に配置され、前記同調フォーク（２１）の回転と前記第１振動に応答して生成された、前記同調フォーク（２１）の第２振動を検出する第１と第２の検出手段（２７ａ、２８ａ）と
   前記第１検出手段（２７ａ）と第２検出手段（２８ａ）は、それぞれ前記第１と第２の上部溝（３３，３４）の壁の内互いに近い壁に形成され、
   を有し、その結果、
   前記第１レグ（２３）の励起電極（２５ａ）と前記第２レグ（２４）の励起電極（２５ｂ）とを結ぶ線と、前記第１レグ（２３）の検出電極（２７ｂ，２８ｂ）と前記第２レグ（２４）の検出電極（２７ａ，２８ａ）とを結ぶ線とは、交差する
   ことを特徴とする角速度測定用トランスデューサ。
4. ピエゾ電子材料は水晶であり、前記上部表面と底部表面は、水晶の光学軸（ｚ）に直交し、
   前記レグは、水晶の機械軸（ｙ）に沿って延びる
   ことを特徴とする請求項１−３のいずれかに記載の角速度測定用トランスデューサ。
5. 前記ベース（２２）は、前記ベースを固定する部分と前記レグ（２３、２４）との間に機械的分離手段（４５）を具備する
   ことを特徴とする請求項１−４のいすれかに記載の角速度測定用トランスデューサ。

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