JP2007192662A

JP2007192662A - 角速度センサ

Info

Publication number: JP2007192662A
Application number: JP2006010915A
Authority: JP
Inventors: Michihiko Hayashi; 道彦林
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-01-19
Filing date: 2006-01-19
Publication date: 2007-08-02

Abstract

【課題】本発明は、支持台に塗布する接着剤の量が多すぎても、振動子の検出振動の振動数が変動するということはなく、個々の製品での出力信号の検出感度バラツキが少ない角速度センサを提供することを目的とするものである。
【解決手段】振動子２１における取付部２１ｃとケース３０における支持台３９とを接着剤４０で固着するとともに、ケース３０における支持台３９に接着剤４０を逃がすための溝４１を設け、接着剤４０が支持台３９の端部からはみ出すことがない構成としたものである。
【選択図】図５

Description

本発明は、特に航空機・車両などの移動体の姿勢制御やナビゲーションシステム等に用いられる角速度センサに関するものである。

従来のこの種の角速度センサは、図１４〜図１７に示されるような構成を有していた。

図１４は従来の角速度センサの側断面図、図１５は同角速度センサにおけるケースを取り外した状態を示す上面図、図１６は同角速度センサにおける振動子の上面図、図１７は同角速度センサにおける基台の上面図である。

図１４〜図１７において、１はＨ形の水晶からなる振動子で、この振動子１は略中央に取付部２を設けており、この取付部２の上面に一対の駆動パッド電極３、一対の出力パッド電極４を設けている。そして、振動子１における取付部２からは外方へ突出するように一対の第１の腕部６を設けており、かつこの第１の腕部６の外側面には駆動電極７を設けている。そして、この駆動電極７は前記取付部２における駆動パッド電極３および出力パッド電極４に電気的に接続している。そしてまた、前記振動子１における取付部２からは、前述の第１の腕部６を設けた方向と反対の方向に一対の第２の腕部８を設けており、この第２の腕部８には一対の検出電極９を設けている。そして、この検出電極９は前記取付部２における一対の出力パッド電極４に電気的に接続している。１０は基台で、この基台１０は図１７に示すように、略中央に直方体の支持台１１を設けており、この支持台１１に振動子１における取付部２を固着している。また、前記基台１０には支持台１１を取り囲むように、４つの配線用電極１２を設けている。１３はワイヤーからなる金属線で、この金属線１３は振動子１１における取付部２に設けた駆動パッド電極３および出力パッド電極４と前記基台１０における４つの配線用電極１２に電気的に接続している。１４はカバーで、このカバー１４は前記基台１０を覆うように設けており、そしてカバー１４と基台１０とにより振動子１を収納している。

以上のように構成された従来の角速度センサについて、次にその動作を説明する。

発振回路（図示せず）から出力される正弦波信号などの駆動信号が、駆動パッド電極３を介して一対の駆動電極７に印加されると、第１の腕部６が屈曲振動する。そしてこの屈曲振動が取付部２等を伝わって第２の腕部８に到達することにより、第２の腕部８も同様に屈曲振動する。そしてこの状態において、振動子１の長手方向の中心軸を中心に振動子１が回転すると、その回転角速度に応じたコリオリ力が第２の腕部８に発生する。そして、このコリオリ力により、第２の腕部８に設けた検出電極９に出力電圧が発生し、取付部２に設けた出力パッド電極４および配線用電極１２を介して外部に設けたコンピュータ（図示せず）に出力し、角速度センサに加わる角速度を検出するものであった。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開平７−５５４７９号公報

しかしながら、上記従来の構成では、基台１０における支持台１１に塗布する接着剤の量が多すぎると、図１８に示すように、接着剤１５が支持台１１の端部１６からはみ出すため、第１の腕部６の変位する支点がずれることになり、これにより、第１の腕部６の屈曲する振動数が変動するため、これと連動している第２の腕部８の振動数も変動することになり、これにより、個々の製品での出力信号の検出感度バラツキが発生してしまうという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、支持台に塗布する接着剤の量が多すぎても、振動子の検出振動の振動数が変動するということはなく、個々の製品での出力信号の検出感度バラツキが少ない角速度センサを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、駆動電極と検出電極のいずれか一方、もしくは両方を設けた腕部とこの腕部の一端側を支持する取付部とからなる振動子と、この振動子を収納するとともに内底面に支持台を設け、この支持台に前記振動子における取付部を固着し、かつ少なくとも３つの配線用電極を設けたケースと、前記振動子における駆動電極、検出電極とケースにおける配線用電極とを電気的に接続する金属線とを備え、前記振動子における取付部とケースにおける支持台とを接着剤で固着するとともに、ケースにおける支持台に前記接着剤を逃がすための溝を設けたもので、この構成によれば、ケースにおける支持台に接着剤を逃がすための溝を設けているため、支持台に塗布する接着剤の量が多すぎても、その接着剤は溝に流入することになり、これにより、接着剤が支持台の端部からはみ出すことはなくなるため、振動子の検出振動の振動数が安定するという作用効果を有するものである。

本発明の請求項２に記載の発明は、特に、支持台に設けられる溝の長手方向を振動子における腕部が延出する方向以外の方向に設定したもので、この構成によれば、支持台に設けられる溝の長手方向を振動子における腕部が延出する方向以外の方向に設定しているため、溝を溢れる程の接着剤が溝に流入しても、その接着剤は振動子の腕部の延出する方向以外の方向に流れることになり、これにより、支持台と振動子との間の支点に接着剤が付着することはないため、さらに、多量の接着剤が支持台に塗布されても振動子の検出振動の振動数が安定するという作用効果を有するものである。

本発明の請求項３に記載の発明は、特に、支持台における溝の先端を振動子の取付部における側面部より外側に位置させたもので、この構成によれば、支持台における溝の先端を振動子の取付部における側面部より外側に位置させているため、溝に入りこんだ接着剤は毛細管現象により溝の先端まで行きわたることになり、これにより、振動子における取付部とケースにおける支持台とを直接に接着する接着剤の量が均一になるため、振動子がケースにおける支持台に対して傾くことはなくなり、これにより、振動子をケースにおける支持台に精度良く接着させることができるという作用効果を有するものである。

以上のように本発明の角速度センサは、駆動電極と検出電極のいずれか一方、もしくは両方を設けた腕部とこの腕部の一端側を支持する取付部とからなる振動子と、この振動子を収納するとともに内底面に支持台を設け、この支持台に前記振動子における取付部を固着し、かつ少なくとも３つの配線用電極を設けたケースと、前記振動子における駆動電極、検出電極とケースにおける配線用電極とを電気的に接続する金属線とを備え、前記振動子における取付部とケースにおける支持台とを接着剤で固着するとともに、ケースにおける支持台に前記接着剤を逃がすための溝を設けているため、支持台に塗布する接着剤の量が多すぎても、その接着剤は溝に流入することになり、これにより、接着剤が支持台の端部からはみ出すことはなくなるため、振動子の検出振動の振動数は安定することになり、これにより、個々の製品での出力信号の検出感度バラツキが少ない角速度センサを提供することができるという優れた効果を奏するものである。

以下、一実施の形態を用いて、本発明の請求項１〜３に記載の発明について説明する。

図１は本発明の一実施の形態における角速度センサの分解斜視図、図２は同角速度センサの上面断面図、図３は同角速度センサにおける振動子の上面図、図４は同角速度センサにおける第１の腕部の断面図、図５は同角速度センサにおけるケースを上側から見た斜視図、図６は同角速度センサのケースにおける支持台に振動子を固着した状態を示す側断面図、図７は同角速度センサにおけるケースを下側から見た斜視図、図８は同角速度センサにおける収納部を上側から見た斜視図、図９は同角速度センサにおける収納部を下側から見た斜視図、図１０は同角速度センサにおけるカバーの斜視図である。

図１〜図１０において、２１は音叉形状の振動子で、この振動子２１は図３に示すように、第１の腕部２１ａ、第２の腕部２１ｂおよび第１の腕部２１ａと第２の腕部２１ｂの一端を継続する取付部２１ｃとにより構成されている。また、前記振動子２１は図４に示すように、Ｓｉからなる基材２２の上面の全面にわたってＰｔの薄膜からなる共通基準電極２３を設け、さらにこの共通基準電極２３の上面にＰＺＴ薄膜からなる圧電層２４を設けている。そしてまた、音叉形状の振動子２１は、図３に示すように、上面の略中央の内側に位置して、圧電層２４の上面に一対の第１の駆動電極２５を設けるとともに、略中央の外側に位置して圧電層２４の上面に一対の第２の駆動電極２６を設けている。また、この振動子２１は、上面の第１の駆動電極２５と第２の駆動電極２６との間に位置して、圧電層２４の上面に一対の検出電極２７を設けるとともに、第１の駆動電極２５より根元側に位置して、圧電層２４の上面にモニター電極２８を設けている。そしてまた、振動子２１における取付部２１ｃの表面に位置して、圧電層２４の表面にＧＮＤ電極２９を設けている。

３０はセラミックからなるケースで、このケース３０は内底面から外底面にわたってセラミックと配線用導体の層構造からなる多層回路基板３１を設けており、そしてこの多層回路基板３１の上面には、図５に示すように、第１の配線用電極３２を設けている。また、多層回路基板３１の上面には、前記第１の配線用電極３２と金あるいはアルミニウムからなる金属線３４により電気的に接続されたＩＣ３５を設けている。そしてこのＩＣ３５は前記ケース３０の内側に収納され、かつ前記振動子２１における検出電極２７から出力される出力信号を処理するものである。また、前記ケース３０における多層回路基板３１の外底面には図７に示すように、８つの銀からなるケース電極３７およびコンデンサ電極３７ａを設けるとともに、図５に示すように、多層回路基板３１の上面の外周にわたってセラミックからなる側壁３８を設けている。

また、前記ケース３０の内底面には、支持台３９を設けており、かつこの支持台３９には、図３に示す振動子２１における取付部２１ｃを接着剤４０により固着している。そして、この支持台３９には、前記振動子２１における第１の腕部２１ａおよび第２の腕部２１ｂが延出する方向と垂直な方向に溝４１を設けている。

そして、この取付部２１ｃを固着した両側に位置して第２の配線用電極４２を設けており、かつこの第２の配線用電極４２は、金属線３４を介して振動子２１における第１の駆動電極２５、第２の駆動電極２６、検出電極２７、モニター電極２８およびＧＮＤ電極２９と電気的に接続されている。４３は金属製の蓋で、この蓋４３はケース３０の開口部を覆ってケース３０の内側を封止している。４４は樹脂で構成した収納部で、この収納部４４は角速度の被測定物である相手側基板（図示せず）と平行な方向を角速度の検知軸とする向きとなるように構成されている。またこの収納部４４には、前記ケース３０が収納されるとともに、前記振動子２１における第１の駆動電極２５、第２の駆動電極２６あるいは検出電極２７と一端部が電気的に接続される８つの端子４５の他端部を一体に埋設している。そしてまた、前記収納部４４における端子４５の一端部側の先端には、はんだ付け部４６を設けており、このはんだ付け部４６はケース３０におけるケース電極３７とはんだにより電気的に接続するようにしている。さらに、前記収納部４４における端子４５は、一端部側を折り曲げることにより、はんだ付け部４６から略垂直にフィレット形成部４７を設けており、このフィレット形成部４７にケース３０におけるケース電極３７と端子４５とをはんだ付けした際にフィレット４７ａが形成されるものである。

４８は角速度の検知軸と略平行に設けられ、かつ前記ケース３０を載置する載置部で、この載置部４８には前記端子４５の中間部を埋設するとともに、この載置部４８を８つの端子４５におけるそれぞれのはんだ付け部４６と略平行に設けている。また、この載置部４８の略中央には開口部４９を設けており、この開口部４９を設けたことにより、端子４５におけるはんだ付け部４６とケース３０におけるケース電極３７とのはんだ付け状態を判定するフィレット４７ａの高さを目視で確認することができるものである。また、前記収納部４４の外底面には、図９に示すように、収納部４４に一体に埋設した端子４５の他端部側の先端部を露出させることにより、電源電極５０、ＧＮＤ電極５１、出力電極５２を設けている。さらに、前記収納部４４の外底面には、図９に示すように、４つの凹部５４を設けている。５５は金属製のカバーで、このカバー５５は、図１０に示すように、開口部側に３つの係止爪５６を設け、かつこの係止爪５６を図９に示す収納部４４における凹部５４でかしめ固定している。

以上のように構成された本発明の一実施の形態における角速度センサについて、次に、その組立方法を説明する。

まず、予め準備した図１１（ａ）に示すＳｉからなる基材２２の上面に図１１（ｂ）に示すように、Ｐｔの薄膜からなる共通基準電極２３をスパッタにより形成し、その後、図１１（ｃ）に示すように、共通基準電極２３の上面にＰＺＴ薄膜からなる圧電層２４をスパッタにより形成する。

次に、図１１（ｄ）に示すように、圧電層２４の上面にＡｕの薄膜からなる形成途上電極２５ａをスパッタにより形成し、その後、図１１（ｅ）に示すように、所定の形状になるように、共通基準電極２３、圧電層２４および形成途上電極２５ａの不要な箇所を除去し、圧電層２４の上面に第１の駆動電極２５、第２の駆動電極２６、検出電極２７、モニター電極２８および共通基準電極２９を形成する。

次に、共通基準電極２９側に電圧を印加するとともに、第１の駆動電極２５、第２の駆動電極２６、検出電極２７、モニター電極２８を接地することにより、圧電層２４を分極する。

次に、基材２２における不要な箇所を除去することにより、図１１（ｆ）に示すように、個片の振動子２１を形成する。

次に、予め準備したセラミックからなる絶縁体（図示せず）と配線用導体（図示せず）からなる多層回路基板３１の上面に、Ａｕからなる第１の配線用電極３２、第２の配線用電極４２を形成し、その後、多層回路基板３１の下面にＡｇからなるケース電極３７を形成する。

次に、多層回路基板３１の上面の外周にわたってセラミックからなる側壁３８を形成する。

次に、ＩＣ３５をケース３０における多層回路基板３１の略中央の上面に実装し、その後、このＩＣ３５における電極（図示せず）と多層回路基板３１における第１の配線用電極３２をＡｕからなる金属線３４を介してワイヤーボンディングにより電気的に接続する。

次に、音叉型の振動子２１における取付部２１ｃの下面をケース３０の支持台３９の上面に接着剤４０により固着し、その後、振動子２１の上面に形成された第１の駆動電極２５、第２の駆動電極２６、検出電極２７、モニター電極２８およびＧＮＤ電極２９とケース３０における第２の配線用電極４２をＡｕからなる金属線３４を介してワイヤーボンディングにより電気的に接続する。

ここで、多量の接着剤４０をケース３０における支持台３９の上面に塗布する場合を考えると、本発明の一実施の形態における角速度センサにおいては、支持台３９に設けられる溝４１の長手方向を振動子２１における第１の腕部２１ａおよび第２の腕部２１ｂが延出する方向以外の方向に設定しているため、溝４１を溢れる程の接着剤４０が溝４１に流入したとしても、その接着剤４０は振動子２１の第１の腕部２１ａおよび第２の腕部２１ｂの長手方向以外の方向に流れることになり、これにより、支持台３９と振動子２１との間の支点に接着剤４０が付着することはないため、振動子２１の振動する支点が変動するということはなくなり、これにより、振動子２１の駆動振動の振動数は安定するという効果が得られるものである。

次に、ケース３０の開口部に、金属製の蓋４３をシーム溶接により窒素雰囲気中で固着する。

次に、予め折り曲げることにより一端部側にはんだ付け部４６およびフィレット形成部４７を設けた８つの端子４５を成形金型（図示せず）に設置した後、この成形金型（図示せず）に溶融している樹脂を流し込み、図８に示すように、端子４５の中間部を埋設する載置部４８と、端子４５の他端部を一体に埋設する収納部４４とを形成する。

次に、ケース３０におけるケース電極３７にクリームはんだを塗布した後、ケース電極３７と端子４５におけるはんだ付け部４６とが対向するように、載置部４８にケース３０を載置する。

次に、約２５０℃のリフロー炉（図示せず）に、ケース３０および収納部４４を入れてクリームはんだ（図示せず）を溶融させて、ケース電極３７とはんだ付け部４６とを電気的に接続した後、ケース３０および収納部４４を冷却する。

次に、端子４５における他端部側の先端部を折り曲げて、収納部４４の外底面に電源電極５０、ＧＮＤ電極５１、出力電極５２を形成する。

最後に、金属製のカバー５５を収納部４４にかぶせた後、カバー５５の開口部側に設けた３つの係止爪５６を収納部４４の外底面に設けた４つの凹部５４に位置させてかしめ固定する。

以上のように構成された本発明の一実施の形態における角速度センサについて、次に、その動作を説明する。

まず、音叉型の振動子２１における第１の腕部２１ａおよび第１の腕部２１ａに設けた第１の駆動電極２５に正電圧を印加するとともに、第２の駆動電極２６に負電圧を印加すると、第１の駆動電極２５の下側に位置する圧電層２４が伸びるとともに、第２の駆動電極２６の下側に位置する圧電層２４が縮むため、振動子２１における第１の腕部２１ａおよび第２の腕部２１ｂが外側に向かって開かれる。

次に、音叉型の振動子２１における第１の腕部２１ａおよび第１の腕部２１ａに設けた第１の駆動電極２５に負電圧を印加するとともに、第２の駆動電極２６に正電圧を印加すると、第１の駆動電極２５の下側に位置する圧電層２４が縮むとともに、第２の駆動電極２６の下側に位置する圧電層２４が伸びるため、振動子２１における第１の腕部２１ａおよび第２の腕部２１ｂが外側に向かって閉じられる。すなわち、音叉型の振動子２１における第１の駆動電極２５および第２の駆動電極２６に交流電圧を印加すると、振動子２１における第１の腕部２１ａおよび第２の腕部２１ｂは面内方向の固有振動数で速度Ｖの屈曲運動をする。そして、振動子２１の屈曲運動はモニター電極２８から発生する出力信号が一定になるように、第１の駆動電極２５および第２の駆動電極２６に印加する電圧を調整することにより、屈曲振動の振幅を制御している。

そしてまた、振動子２１における第１の腕部２１ａおよび第２の腕部２１ｂが固有振動数で屈曲運動している状態において、振動子２１が長手方向の中心軸（検知軸）周りに角速度ωで回転すると、振動子２１における第１の腕部２１ａおよび第２の腕部２１ｂのアームにＦ＝２ｍＶ×ωのコリオリ力が発生する。このコリオリ力により、検出電極２７の下側に位置する圧電層２４に発生する電荷からなる出力信号を検出電極２７、金属線３４、第２の配線用電極４１、多層回路基板３１、第１の配線用電極３２および金属線３４を介してＩＣ３５に入力し、波形処理をした後、第２の配線用電極４１、コンデンサ３６、ケース電極３７、端子４５、出力電極５２を介して、相手側のコンピュータ（図示せず）に入力することにより、角速度を検出するものである。

なお、上記本発明の一実施の形態における角速度センサにおいては、支持台３９の外側面まで溝４１を設けた構成としているが、図１２に示すように、支持台５７の略中央に接着剤４０を塗布する塗布部５８を設けるとともに、この塗布部５８を取り囲むように溝５９を設け、さらに、図１３に示すように、支持台５７における溝５９の先端を振動子２１の取付部２１ｃにおける側面部６０よりも外側に位置させても良いもので、この構成によれば、支持台５７における溝５９の先端を振動子２１の取付部２１ｃにおける側面部６０より外側に位置させているため、溝５９に入りこんだ接着剤４０は毛細管現象により溝５９の先端まで行きわたることになり、これにより、振動子２１における取付部２１ｃとケース３０における支持台５７とを直接に接着する接着剤４０の量が均一になるため、振動子２１がケース３０における支持台５７に対して傾くことはなくなり、これにより、振動子２１をケース３０における支持台５７に精度良く接着させることができるという効果が得られるものである。

また、上記本発明の一実施の形態における角速度センサにおいては、一対の腕部２１ａ、２１ｂの一端を取付部２１ｃにより接続した音叉からなる振動子２１を用いているが、４本の腕部からなるＨ型の音叉からなる振動子あるいは１本の腕部の一端に取付部を設けた構成の振動子を用いた場合でも、上記本発明の一実施の形態と同様の効果が得られるものである。

そしてまた、上記本発明の一実施の形態における角速度センサにおいては、振動子２１の上面に形成された第１の駆動電極２５、第２の駆動電極２６、検出電極２７、モニター電極２８および共通基準電極２３とケース３０における第２の配線用電極４２をＡｕからなる金属線３４を介してワイヤーボンディングにより電気的に接続しているが、フェースダウン工法により接続しても良いものである。

本発明に係る角速度センサは、振動子の検出振動の振動数が安定するという効果を有するものであり、航空機・車両などの移動体の姿勢制御やナビゲーションシステム等に用いられる角速度センサとして有用なものである。

本発明の一実施の形態における角速度センサの分解斜視図同角速度センサの上面断面図同角速度センサにおける振動子の上面図同角速度センサにおける第１の腕部の断面図同角速度センサにおけるケースを上側から見た斜視図同角速度センサのケースにおける支持台に振動子を固着した状態を示す側断面図同角速度センサにおけるケースを下側から見た斜視図同角速度センサにおける収納部を上側から見た斜視図同角速度センサにおける収納部を下側から見た斜視図同角速度センサにおけるカバーの斜視図（ａ）〜（ｆ）同角速度センサにおける振動子の組立工程図本発明の他の実施の形態の角速度センサにおける支持台の斜視図同角速度センサのケースにおける支持台に振動子を固着した状態を示す側断面図従来の角速度センサの側断面図同角速度センサにおけるケースを取り外した状態を示す上面図同角速度センサにおける振動子の上面図同角速度センサにおける基台の上面図従来の角速度センサにおけるケースの支持台に振動子の取付部を固着した状態を示す側断面図

符号の説明

２１振動子
２１ａ，２１ｂ腕部
２１ｃ取付部
２５，２６駆動電極
２７検出電極
３０ケース
３２，４２配線用電極
３４金属線
３９，５７支持台
４０接着剤
４１，５９溝
６０側面部

Claims

駆動電極と検出電極のいずれか一方、もしくは両方を設けた腕部とこの腕部の一端側を支持する取付部とからなる振動子と、この振動子を収納するとともに内底面に支持台を設け、この支持台に前記振動子における取付部を固着し、かつ少なくとも３つの配線用電極を設けたケースと、前記振動子における駆動電極、検出電極とケースにおける配線用電極とを電気的に接続する金属線とを備え、前記振動子における取付部とケースにおける支持台とを接着剤で固着するとともに、ケースにおける支持台に前記接着剤を逃がすための溝を設けた角速度センサ。
支持台に設けられる溝の長手方向を振動子における腕部が延出する方向以外の方向に設定した請求項１記載の角速度センサ。
支持台における溝の先端を振動子の取付部における側面部より外側に位置させた請求項１記載の角速度センサ。