JP2012242230A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、角速度センサの周囲の温度が長時間上昇しても、圧電層の分極量が低下することにより、感度が低下してしまうということのない特性の向上した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】そして、この目的を達成するために、本発明の角速度センサは、接着剤８９に無機化合物を含有させるとともに、ケース７０内に水分ゲッター材９０を設ける構成とした。これにより、角速度センサの出力信号の精度が向上する。
【選択図】図１

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６〜図１０に示されるような構成を有していた。

図６は従来の角速度センサの分解斜視図、図７は同角速度センサの上面断面図、図８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９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１０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である。

図６〜図１０において、２１は音叉形状の振動子で、この振動子２１は、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の一端を接続する接続部２１ｃとにより構成されている。また、振動子２１は、Ｓｉからなる基材（図示せず）の上面の全面にわたってＰｔとＴｉの合金薄膜からなる共通基準電極（図示せず）を設け、さらにこの共通基準電極（図示せず）の上面にチタン酸ジルコン酸鉛［Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃］からなる圧電層（図示せず）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９に示すように、第１の配線用電極３２と第２の配線用電極３３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ワイヤー線３４により電気的に接続されたＩＣ３５を設けるとともに、第２の配線用電極３３と電気的に接続されたコンデンサ３６を設けている。そして前記ＩＣ３５はケース３０の内側に収納されるとともに、振動子２１から出力される出力信号を処理するものである。そして、ＩＣ３５はケース３０の内底面に接着剤（図示せず）により、接着されている。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１０に示すように、６つの銀からなるケース電極３７を設けるとともに、図９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を設けており、そしてこの側壁３８の上面にコバールからなる金属枠３９を設けている。さらに、前記ケース３０における内底面には図９に示すように、段差部４０を設けており、かつこの段差部４０には、図６に示す振動子２１を固着するとともに、第３の配線用電極４１を設けており、そしてこの第３の配線用電極４１は、ワイヤー線３４を介して振動子２１と電気的に接続している。４２は金属製の蓋で、この蓋４２はケース３０の開口部をケース３０の内側にＨｅとＯ₂との混合ガスを封入している。４３は樹脂で構成した収納部で、この収納部４３は角速度の被測定物である相手側基板（図示せず）と垂直の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４３には、前記ケース３０が収納されるとともに、一端が前記振動子２１と電気的に接続される少なくとも３つの端子４４の他端を一体に埋設している。４５は前記収納部４３の略中央に位置して収納部４３における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４５には前記端子４４の一端側を埋設するとともに、この載置部４５から前記端子４４の一端側の先端部４４ａを露出させている。

またケース３０を収納部４３における載置部４５に載置することにより、ケース３０におけるケース電極３７が載置部４５における端子４４の一端側の先端部４４ａに電気的に接続される。そしてまた端子４４の一端側の先端部４４ａはケース３０とも機械的に接続されているため、ケース３０は収納部４３に他端が一体に埋設された端子４４により周囲から支持される構成となっているものである。

また、収納部４３の外底面には、図８に示すように、６つの電極用凹部４６を設けており、そしてこの電極用凹部４６に、収納部４３に一体に埋設した端子４４の他端側の先端部を露出させることにより、電源電極４７、ＧＮＤ電極４８、出力電極４９および３つの固定用電極５０を設けている。そしてまた、前記６つの端子４４には、図７に示すように、略中央にそれぞれＺ形状の屈曲部４４ｂを設け、さらに、この屈曲部４４ｂによりＹ軸方向延出部５１およびＺ軸方向延出部５２を設けることにより、ケース３０が収納部４３に対してＸ軸方向に変位するように構成している。さらに、収納部４３の外底面には、図８に示すように、３つの凹部５３を設けている。５４は金属製のカバーで、このカバー５４は、開口部側に３つの係止爪５６を設け、かつこの係止爪５６を収納部４３における凹部５３でかしめ固定することにより、ＧＮＤ電位接続部５５を収納部４３の外底面に設けている。

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、その動作を説明する。

振動子２１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、圧電層（図示せず）に発生した電荷からなる出力信号をワイヤー線３４、第３の配線用電極４１、多層回路基板３１、第１の配線用電極３２およびワイヤー線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３３、コンデンサ３６、ケース電極３７、端子４４における一端側の先端部４４ａ、端子４４、出力電極４９を介して、相手側のコンピューター（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、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。

国際公開第０３／０４６４７９号

しかしながら、上記従来の構成においては、角速度センサが、長時間高温雰囲気中に置かれると、ケース５４の内側に封入されたＯ₂と有機接着剤とが反応しＨ₂ＯとＣＯ₂とになるため、ケース５４内部のＯ₂が希薄になり、これにより、チタン酸ジルコン酸鉛［Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃］からなる圧電層のＯ₂が抜け欠陥となるから、圧電層の分極量が低下することとなり、角速度センサの感度が低下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、角速度センサの周囲の温度が長時間上昇しても、圧電層の分極量が低下することにより、感度が低下してしまうということのない特性の向上した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、不活性ガスとＯ₂との混合気体を封入するケースと、このケースの内側に固定部を固定されるとともにＳｉからなる基材の上面にチタン酸ジルコン酸鉛を含有する圧電層で構成された駆動電極および検出電極を設けた振動子と、前記ケースの内底面に下面を接合されるとともに前記振動子における駆動電極に駆動信号を入力しかつ振動子における検出電極から出力される検出信号を処理するＩＣと、前記ケースの内底面とＩＣの下面とを接合する接着剤とを備え、前記接着剤に無機化合物を含有させるとともに、前記ケース内に水分ゲッター材を設けたもので、この構成によれば、接着剤に無機化合物を含有させたため、角速度センサの周囲の温度が上昇しても、ケースの内側に封入されたＯ₂と無機接着剤とは反応しないため、ケース内部のＯ₂が希薄になることがなくなり、これにより、チタン酸ジルコン酸鉛［Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃］からなる圧電層のＯ₂が抜ける欠陥が生じないから、圧電層の分極量が低下を防止することとなり、さらに、ケース内に水分ゲッター材を設けたため、振動子の表面にＨ₂Ｏが結合することを防止でき、振動子の質量バランスが安定するので、その結果、角速度センサの出力信号の精度が向上するという作用効果を有するものである。

本発明の角速度センサは、不活性ガスとＯ₂との混合気体を封入するケースと、このケースの内側に固定部を固定されるとともにＳｉからなる基材の上面にチタン酸ジルコン酸鉛を含有する圧電層で構成された駆動電極および検出電極を設けた振動子と、前記ケースの内底面に下面を接合されるとともに前記振動子における駆動電極に駆動信号を入力しかつ振動子における検出電極から出力される検出信号を処理するＩＣと、前記ケースの内底面とＩＣの下面とを接合する接着剤とを備え、前記接着剤に無機化合物を含有させるとともに、前記ケース内に水分ゲッター材を設けたもので、この構成によれば、接着剤に無機化合物を含有させたため、角速度センサの周囲の温度が長時間上昇しても、ケースの内側に封入されたＯ₂と無機接着剤とは反応しないため、ケース内部のＯ₂が希薄になることがなくなり、これにより、チタン酸ジルコン酸鉛［Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃］からなる圧電層のＯ₂が抜ける欠陥が生じないから、圧電層の分極量が低下を防止することとなり、さらに、ケース内に水分ゲッター材を設けたため、振動子の表面にＨ₂Ｏが結合することを防止でき、振動子の質量バランスが安定するので、その結果、角速度センサの出力信号の精度が向上するという効果を有するものである。

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 同角速度センサの側断面図 同角速度センサにおける振動子の斜視図 同角速度センサにおける振動子の側断面図 （ａ）〜（ｆ）同角速度センサにおける振動子の組立工程図 従来の角速度センサの分解斜視図 従来の角速度センサの上面断面図 従来の角速度センサにおける収納部を下側から見た斜視図 従来の角速度センサにおけるケースを上側から見た斜視図 従来の角速度センサにおけるケースを下側から見た斜視図

以下、本発明の一実施の形態における角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。

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側断面図、図３は同角速度センサにおける振動子の斜視図、図４は同角速度センサにおける振動子の側断面図である。

図１〜図４において、６１は音叉形状の振動子で、この振動子６１は図３に示すように、第１の腕部６１ａ、第２の腕部６１ｂおよび第１の腕部６１ａと第２の腕部６１ｂの一端を接続する支持部６１ｃとにより構成されている。また、振動子６１は図４に示すように、Ｓｉからなる基材６２の上面の全面にわたってＰｔとＴｉの合金薄膜からなる共通基準電極６３を設け、さらにこの共通基準電極６３の上面にＰＺＴ薄膜からなる圧電層６４を設けている。そしてまた、音叉形状の振動子６１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６４の上面に一対の第１の駆動電極６５を設けるとともに、略中央の外側に位置して圧電層６４の上面に一対の第２の駆動電極６６を設けている。また、この振動子６１は、上面の先端側に位置して、圧電層６４の上面に一対の検出電極６７を設けるとともに、第１の駆動電極６５より根元側に位置して、圧電層６４の上面にモニター電極６８を設けている。そしてまた、振動子６１における支持部６１ｃの表面に位置して、圧電層６４の表面にＧＮＤ電極６９を設けている。

７０はセラミックからなるケースで、このケース７０は内底面および内側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り、配線パターン（図示せず）を有する多層回路基板７２を設けている。また、前記ケース７０の側壁７３の内側面に設けた段差部７４に端子電極７５を設けるとともに、外底面に電源電極７６、ＧＮＤ電極７７および出力電極７８を設けており、前記端子電極７５と、電源電極（図示せず）、ＧＮＤ電極（図示せず）および出力電極（図示せず）とを、配線パターン（図示せず）により電気的に接続している。そして、また、ケース７０における側壁７３の上面にコバールからなる金属枠７９を設けている。８８はＩＣで、このＩＣ８８は前記ケース７０の内底面に設けられるとともに、振動子６１からの出力信号を処理している。そしてまた、前記ケース７０の内底面と、ＩＣ８８の下面とは、無機接着剤８９により接着している。さらに、前記ケース７０の段差部７４には、水分ゲッター材９０を設けている。９１はコバールからなる上蓋で、この上蓋９１は前記ケース７０の開口部を閉塞している。そして、前記ケース７０と上蓋９１とにより密閉された空間には、Ｏ₂と例えばＨｅ等の不活性ガスとの混合気体９２を封入している。

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５（ａ）に示すＳｉからなる基材６２の上面に図５（ｂ）に示すように、ＰｔとＴｉの合金薄膜からなる共通基準電極６３をスパッタにより形成し、その後、図５（ｃ）に示すように、共通基準電極６３の上面にＰＺＴ薄膜からなる圧電層６４をスパッタにより形成する。

次に、図５（ｄ）に示すように、圧電層６４の上面にＴｉとＡｕの合金薄膜からなる形成途上電極６５ａをスパッタにより形成し、その後、図５（ｅ）に示すように、所定の形状になるように、共通基準電極６３、圧電層６４および形成途上電極６５ａの不要な箇所を除去し、圧電層６４の上面に第１の駆動電極６５、第２の駆動電極６６、検出電極６７、モニター電極６８およびＧＮＤ電極６９を形成する。

次に、共通基準電極６３側に電圧を印加するとともに、第１の駆動電極６５、第２の駆動電極６６、検出電極６７、モニター電極６８およびＧＮＤ電極６９を接地することにより、圧電層６４を分極する。

次に、基材６２における不要な箇所を除去することにより、図５（ｆ）に示すように、個片の振動子６１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７２の上面の外周にわたって、セラミックからなる側壁７３および段差部７４を形成した後、この段差部７４の上面に、Ａｕからなる端子電極７５を形成し、さらに、側壁７３の上面にコバールからなる金属枠７９を固着する。

次に、ＩＣ８８をケース７０における多層回路基板７２の上面に実装し、ディスペンサーで塗布した無機接着剤８９により接着し、ＩＣ８８と多層回路基板７２とを電気的に接続する。

次に、ケース７０の段差部７４に水分ゲッター材９０をディスペンサーで、塗布する。

次に、ケース７０の開口部に、金属製の上蓋９１をシーム溶接によりＨｅからなる不活性ガスとＨ₂Ｏとの混合ガスの雰囲気中で固着する。

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６１における第１の腕部６１ａおよび第１の腕部６１ａに設けた第１の駆動電極６５に正電圧を印加するとともに、第２の駆動電極６６に負電圧を印加すると、第１の駆動電極６５の下側に位置する圧電層６４が伸びるとともに、第２の駆動電極６６の下側に位置する圧電層６４が縮むため、振動子６１における第１の腕部６１ａおよび第２の腕部６１ｂが外側に向かって開かれる。

次に、音叉型の振動子６１における第１の腕部６１ａおよび第１の腕部６１ａに設けた第１の駆動電極６５に負電圧を印加するとともに、第２の駆動電極６６に正電圧を印加すると、第１の駆動電極６５の下側に位置する圧電層６４が縮むとともに、第２の駆動電極６６の下側に位置する圧電層６４が伸びるため、振動子６１における第１の腕部６１ａおよび第２の腕部６１ｂが内側に向かって閉じられる。すなわち、音叉型の振動子６１における第１の駆動電極６５および第２の駆動電極６６に交流電圧を印加すると、振動子６１における第１の腕部６１ａおよび第２の腕部６１ｂ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６１の屈曲運動はモニター電極６８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６５および第２の駆動電極６６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６１における第１の腕部６１ａおよび第２の腕部６１ｂが固有振動数で屈曲運動している状態において、振動子６１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６１における第１の腕部６１ａおよび第２の腕部６１ｂ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６７の下側に位置する圧電層６４に発生する電荷からなる出力信号を検出電極６７、端子電極７５、ケース７０における配線パターン（図示せず）を介してＩＣ８８に入力し、波形処理をした後、ケース７０における出力電極（図示せず）から外部に角速度の出力信号として出力するものである。

ここで、前記ケース７０にＩＣ８８を有機接着剤（図示せず）で接着する場合と、無機接着剤８９とで接着する場合とを比較して考える。

角速度センサの電源端子（図示せず）に５．２５Ｖ印加し、１５５℃の雰囲気中で、約２００時間放置した後、１２５℃での感度を比較した。初期と耐久後の感度の変化量は、従来の有機化合物含有の接着剤使用に比べて、無機化合物含有の接着剤８９を使用した方が大幅に減少した。

すなわち、接着剤８９に無機化合物を含有させたため、角速度センサの周囲の温度が長時間上昇しても、ケース７０の内側に封入されたＯ₂と接着剤８９とは反応しないため、ケース７０内部のＯ₂が希薄になることがなくなり、これにより、チタン酸ジルコン酸鉛［Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃］からなる圧電層６４のＯ₂が抜ける欠陥が生じないから、圧電層６４の分極量の低下を防止することができることとなり、角速度センサの出力感度が安定するという作用効果を有するものである。

そして、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、ケース７０内に水分ゲッター材９０を設けたため、振動子６１の表面にＨ₂Ｏが結合することを防止でき、振動子６１の質量バランスが安定するので、その結果、角速度センサの出力信号の精度が向上するという作用効果を有するものである。

本発明にかかる角速度センサは、角速度センサの周囲の温度が上昇しても、圧電層の分極量が低下することにより、感度が低下してしまうということのない特性の向上した角速度センサを提供することができるという効果を有し、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として有用である。

６１ 振動子
６２ 基材
６４ 圧電層
６５，６６ 駆動電極
６７ 検出電極
７０ ケース
８８ ＩＣ
８９ 無機接着剤
９０ 水分ゲッター材

Claims (1)

1. 不活性ガスとＯ₂との混合気体を封入するケースと、このケースの内側に固定部を固定されるとともにＳｉからなる基材の上面にチタン酸ジルコン酸鉛を含有する圧電層で構成された駆動電極および検出電極を設けた振動子と、前記ケースの内底面に下面を接合されるとともに前記振動子における駆動電極に駆動信号を入力しかつ振動子における検出電極から出力される検出信号を処理するＩＣと、前記ケースの内底面とＩＣの下面とを接合する接着剤とを備え、前記接着剤に無機化合物を含有させるとともに、前記ケース内に水分ゲッター材を設けた角速度センサ。

Images