JP2977136B2 - ジャイロに意図されたセンサー素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の属する技術分野 本発明は添付の請求の範囲第１項の前段に記載された
センサー素子に関するものである。

従来の技術 回転している質量をジャイロのセンサー素子として利
用することはジャイロ技術の分野において公知である。
しかしこのような回転質量のジャイロは技術的に複雑で
あるので、近年になってねじりおよび振動に基づいた色
々のタイプのジャイロが設計されている。

ねじりセンサージャイロは周囲環境に固定された遷移
部分に連結された振動歯を利用する。遷移部分はコリオ
リの力によって発生させられるねじり振動に積極的な役
割りを演じる。このようなねじりセンサージャイロは米
国特許第4524619号に説明されている。

振動センサージャイロは振動する円柱構造体または振
動する細長体を利用する。このタイプのジャイロにおい
ては遷移部分は根本的に振動を絶縁する効果を持ってい
る。

発明が解決しようとする課題 高い重力加速度に耐えられるセンサー素子を備えたジ
ャイロが要求されている。すなわちジャイロの各部分が
苛酷な環境応力（たとえば速い砲口速度を持つ弾薬装置
（ミサイル、弾丸、擲弾類等）に搭載される時の特に高
い加速度の応力）に耐え得ることが要求されている。ジ
ャイロはそのセンサー素子が軽量設計されたときでもそ
の最も弱い点が壊れないように見込んでおかなければな
らない。弾薬装置にとっては、苛酷な加速度下において
さえもそのジャイロは出力信号を発信できることが基本
である。また外部容積が小さいこともしばしば要求され
る。

課題を解決するための手段 本発明の主目的は概略説明された上記の問題を解決す
るジャイロのセンサー素子を提案することにある。本発
明による新規な装置の本質は添付の請求の範囲第１項か
ら明らかである。

新規なセンサー素子は好ましくは水晶の結晶から作ら
れる音叉として設計される。音叉の基部はしっかりと固
定され、音叉の歯は自由に振動できる。駆動電極は歯に
置かれ、圧電効果によって結晶の歯を要求される方向へ
振動させる。結晶の基部から導線をたとえばワイヤーボ
ンディングまたはTAB（テープ支援ボンディング）によ
って接続して周囲の電子機器に接続できる。

センサー素子は水晶発振器を製造する従来の技術で製
造できるものである。センサー素子の歯の共振周波数は
歯とは異った材料（たとえば金）を厚くコーティングす
ることによって調節することができる。あるいは、歯か
ら材料を取り除くことによっても調節できる。このよう
な場合には理想的にはレーザーを用いて行われる。カプ
セル内にセンサー素子を装着するには、たとえば接着剤
を使用する従来技術によって行える。

水晶結晶は容量妨害に対して非常に敏感なので、セン
サー素子に接続される電子機器はセンサー素子にできる
だけ接近して配置される。結果として混成電子機器が好
ましく、これはジャイロの容積を最小にすることができ
る。センサー素子の寸法は標準的な従来形の腕時計用の
結晶より大きかってはならない。容積の主要部分はそれ
が混成設計によるとしても電子機器によって占められる
であろう。

本発明のセンサー素子の好ましい幾つかの実施態様に
ついて添付図面を参考にして以下詳細に説明する。

実施例 第１図はセンサー素子１の基本構造を示す。素子は二
つの歯2,3を含んでいる。歯の断面積は歯の全長にわた
って一定である。しかし断面積が変化する歯を設計する
ことも可能である。歯は音叉の基部４へしっかりと連結
されている。基部４の大部分は矩形構造をしている。歯
2,3および基部４を備えた全体のセンサー素子は単一の
圧電結晶片から作られている。一例として述べると、そ
の製造には従来の水晶結晶製造技術を利用することがで
き、第２図および第３図のように、音叉は歯および基部
の両方において一定の厚さが与えられることになる。基
部４のうちの固定部分７の表面を歯の振動から絶縁する
ために基部４に凹み5,6または対応する突起を設けるこ
とができる。

圧電気の機械的な軸線（第1a図のＹ軸）に沿って歯が
延びていることが結晶学的い好ましい。音叉の厚さは第
1a図および第2a図のＺ軸の方向にある。歯の幅は第1a図
および第2a図のＸ軸の方向にある。ＸおよびＺ軸は場所
を交換できるが、この明細書においては音叉はＸ−Ｙ面
内にあるとする。音叉の水切角（water cutting angl
e）および配向をわずか変化させると、たとえば音叉の
固有モードの間の機械的結合および温度特性に影響を与
える。

Ｘ−Ｙ面内で歯の振動を励起する駆動電極が歯にコー
ティングされる。そしてＹ−Ｚ面内での歯の振動をセン
サーするセンサー電極も歯に配置される。周辺機器に電
気接続させるための出力小島あるいは接続パッドは結晶
の基部４に配置される。前記電極とそれらの出力小島は
音叉に設けた導線によって接続される。電極、導線およ
び出力小島は従来の水晶製造技術によって設けることが
できる。

結晶はたとえば接着剤によってその固定部分７が固定
装置８に取り付けられる。当然、固定部分７は接着剤以
外の方法でしっかりと固定することもできる。音叉の基
部４の歯とは反対の方向の固定部分７の側面は接着面と
して理想的に用いられる。基部の両側面はどちらでも接
着面として利用することができる。出力パッドはワイヤ
ーボンディング、TAB（テープ支援ボンディング）、導
電性接着剤または同類物により周辺機器に電気的に接続
される。もしすべての出力端子が基部４の片側にまとめ
て設置されれば電気的接続の面から見て有利であろう。
結晶を所定位置に取り付ける別の方法は基部４の固定部
分７を二枚の板の間にしっかりと締めつけることで達成
される。

歯の振動が基部４の固定部分７に影響を及ぼさないよ
うに基部４を設計することが好ましい。またボンディン
グワイヤ等が歯の振動運動に減衰効果を及ぼさないよう
に、出力小島は基部の固定部分７にまたはその付近に設
置されるべきである。もし歯の振動に対して受け入れ難
いほど強く基部が関与（寄生振動）すると、エネルギー
損失を起す恐れを生じ、さらに外部の振動が容易に歯に
達してそこで偽ジャイロ信号を発生させる。

外部振動の音叉振動（特に出力信号）への影響を最小
にするためは、音叉およびその固定に関する設計をでき
るだけ対称的にするとよい。

センサーからの出力信号は次の物理的現象に由来す
る。すなわち適当な電子装置と電極配置とを利用してＸ
−Ｙ面内において歯の振動を発生させる。この振動の振
幅は一定に保たれる。その周波数は歯の共振周波数の一
つと等しくなるように選ばれる。選択された周波数は二
つの歯を互いに反対方向（つまり歯の端部が周期の半分
の期間は互いに近づき、他の半分の期間は互いに遠ざか
るよう）に振動させる。音叉がＹ軸線を中心として回転
させられるとコリオリの力が起きてＹ−Ｚ面内の振動を
励起させようとする駆動力を発生させる。Ｙ−Ｚ面内に
発生させられた振動は与えられた回転速度に直接的に比
例する振幅を持つ。歯はこの振動においてもＸ−Ｙ面内
の振動と全く同様に互いに反対方向に運動する。Ｙ−Ｚ
面内における振動はこの面内の振動にだけ感応するセン
サー電極によって検出される。信号処理および復調によ
って直流信号が得られる。直流信号の大きさは与えられ
た回転速度に直接に比例する。Ｙ−Ｚ面内における振動
は静電容量的に検出することもできる。

大きい出力信号を得るためには相互にほとんど同一の
二つの振動に対する共振周波数を選択することがもっと
も重要である。なぜ一致する共振周波数では望ましくな
いかと言う理由は、温度変化が共振周波数を他からある
ものへと移行させることがあるからである。これらの変
動は小さいがセンサーの振動位相を容認できない態様で
変えるに十分なほどに大きい。これは温度変化がセンサ
ー振動にセンサーできるほどの影響を与えない程度に共
振周波数が異なるように選択することにより矯正するこ
とができる。

歯の製造に起因する不正確さは共振周波数に不正確さ
をもたらす。これらは二つの利用される共振周波数の間
に望まれる周波数差よりも大きいであろう。そこで望ま
しい周波数差が得られるように共振周波数を調節するこ
とが必要である。この調節は歯の適当に選ばれた点に質
量を付け加えるか、または取り去るかして行われる。こ
の質量の付加、または除去を行う技術は当技術分野の人
間に良く知られている。周波数の差を調節するので、前
記のバランス調節は二つの共振周波数の内の一つにだけ
行えばよい。質量は例えば共振周波数の一つの振動が節
を持っている点に取り付けることができる。平面外の振
動はＸ−Ｙ面内の振動よりも大きい影響を音叉の基部に
与えるので、この見地から調節に適した領域は基部と歯
の間の遷移的な場所である。このバランス調節において
質量は不釣合が起きないように歯に対称的に取り付けら
れる。

歯をＸ−Ｙ面内で振動させるための駆動電極9,10,11
および12は適当な駆動用電子機器に接続される。駆動用
電子機器は駆動電極にサイン波形の電圧を印加する。電
子機器はその信号周波数が適当な共振周波数に適合する
ように結晶に適応させられる。この駆動電極の配列は第
4a図に描かれている。この配列は歯の横断面内に電場13
を発生させる。水晶のような圧電材料はＺ軸内の電場に
不感応であるので電場13は右側の横断面14内に描かれた
電場15,16に等しいと仮定される。この後者の電場15,16
はＹ軸線内の歯の一部分に伸張歪みを発生させ、他の部
分に収縮歪みを発生させる。歯はそこでＸ−Ｙ面内で曲
ろうと努力する。電気的に供給される電圧は時間に依存
するので結晶の横断面14内の電場15,16もまた時間依存
形である。かくして歯のＸ−Ｙ面内の振動が発生させら
れる。

面外の振動にだけ感応する配列の電極17,18,19および
20が用いられる。これらの電極17〜20はこの振動方向
（音叉の面外）の時間に従って変る曲がりを検出するの
に利用される。振動が存在する時、圧電結晶構造は変形
される。このことによって表面および容積の変化が発生
する。これらの変化は電極の配列と共に横断面22に描写
された電場模様21を創成する。この電場模様は電子を一
方の電極から他方の電極へと移動させる。かくしてＹ−
Ｚ面内の振動振幅に相応した大きさの電流が生じる。

図示された電極の配列は一例に過ぎない。要望される
機能を得るために上述以外の電極配列を利用することが
できる。

製造上の欠点の故に、結晶が装着されると、二つの振
動方向の間に結合が生じることがある。この結合によっ
てセンサーは何の回転を受けなくてもセンサー電極から
出力信号を出す結果となる。この「漏話」はジャイロの
性能（たとえば温度安定性に関する）を損じるので好ま
しくない。この二つの振動方向の間の結合を取除く一つ
の方法は二つの歯に同一の振動特性を持たせるような方
法でバランスさせることである。このバランシングはた
とえば第１図の領域ＢまたはＢ′内の歯について行われ
る。

センサーは強力な加速度のような極度に苛酷な機械的
応力に耐え得るように、その構造は頑丈でなければなら
ない。そこで構造は少しでも脆弱な部品を含んではいけ
ない。不必要な構造部品はすべて除かれるべきである。
含まれなければならない部品はコリオリの力を作ること
ができるＸ−Ｙ面内の基準振動を発生させるための歯で
ある。これらの歯はどこかに固定されなければならな
い。したがってセンサーの基部４も無くてはならないも
のである。コリオリの力が発生させた振動を検出する必
要がある。この検出はねじり検出用のセンサーに機械部
品を集積して行うこともできる。センサーの部品の数は
最少に留められるべきなので、基準振動を発生させるの
に用いた歯の別の振動をセンサーするならば、その別の
振動による機械的応力が最大となる領域内で本質的にセ
ンサーすることが望ましい。

歯を駆動および検出の両方に用いるために、二つの振
動のための電極はそれが取り付けられる歯の表面のスペ
ースを分け合うことが必要である。電極は利用できるス
ペースにうまく適合されなければならない。歯の上で遠
く離れた電極は低いレベルの効率しか持たないが、歯の
上で近くにある電極はより高いレベルの効率を持つこと
ができる。もし駆動電極とセンサー電極とが同一の面積
をカバーすることができれば駆動方向の振幅は最大とな
る。駆動電子機器に対する要求を単純化するために駆動
電極に良好な性能が要求されるならば駆動電極は基部と
歯との間の遷移点の極く近くに設置される。センサー電
極は、二つの電極の性能が過度の相互矛盾を示さなけれ
ば、基部と歯との間の遷移点23,23′の近くに置かれ
る。

駆動電極の寸法は所望の性能が電子機器に関して満た
されるように選ばれる。この電極の取り付けはセンサー
電極が基部と歯の中間の遷移部分をカバーできるだけで
なく、基部の部分23,23′が歯のセンサー振動の期間
中、実際に振動的に活動していると言う事実からしても
好ましい。

上述の電極の設計例が第5,6および７図に示されてい
る。この設計例は上記概念を実現するための方法の一例
にすぎない。第8,9および10図は駆動電極とセンサー電
極とが入れ替った場合の設計例を示す。第5,6および７
図においては導線は出力小島24の数を最少にし、かつす
べての出力小島を音叉の一側面に配置している。センサ
ー電極が基部近くに置かれる時、駆動部とセンサー電極
との間の境界線は基部から歯までの距離の20パーセント
と40パーセントの間に置かれるべきである。第8,9およ
び10図において出力小島24は数が多い。

第5,6および７図において、基部から計算して歯の長
さの30パーセントの所から80パーセントの所までの間の
領域の歯の四側面すべてに駆動電極が設けられている。
第５図においては二つの駆動電極25,26のみが示されて
いる。駆動電極25,26は導体27によって出力小島24に接
続されている。導体への、および導体からの妨害を最少
にするためにこれらから出る妨害電場が双極性となるよ
うに導体27は対になされている。センサー電極28,29お
よび30は導体31によってそれらの出力小島に接続さてい
る。センサー電極はセンサーの両側面に配置される。出
力小島はセンサーの片側かまたはその両側に配置されて
も良い。

第８から10図のセンサー電極32,33,34および35は歯の
自由端側に置かれている。歯の両側面にセンサー電極が
設けられているが、そのうち片側だけが第８図に示され
ている。駆動電極は歯の底部側に置かれ、遷移部分23′
を越えて下向きに延びている。一組の駆動電極36,37が
各歯に設置される。出力小島24への接続は導体38によっ
て行われる。第８図の複数の出力小島24はセンサー素子
の固定部分の大部分を覆っている。

第11および12図は音叉上のセンサー電極および駆動電
極の位置に関する他の変形について前面から（第11図）
および後面から（第12図）示している。

この駆動電極39,40,41は歯の前面および後面の自由端
の最端部に置かれている。電極40および41は側部電極と
して取り付けられている。駆動電極は出力小島42,43お
よび44に接続されており出力小島44はキャパターとして
設計されている。

センサー電極45,46,47は歯の底部に設けられて遷移部
分23″を越えて下へと延びている。センサー電極は前面
および後面に置かれそれぞれの出力小島S⁺,S^-に導体に
よって接続されている。

漂遊静電容量を補償するための疑似導線48,49は音叉
の表面上に取り付けられて、駆動電極とセンサー電極と
の間の領域内の歯から、音叉の基部上の出力小島50,51
へと延びている。

上記に考究された構造はいわゆる音叉原理に基づいて
いる。しかし単一歯の音叉の設計が含まれないと言うこ
とは無い。その原理は同一であろう。またこのような場
合、一つの歯に駆動および検知の両電極が取り付けられ
る。しかし二つの歯を含む音叉に固有の利点は一つの歯
だけを利用した場合に比較して二つの振動方向内の振動
をさらに集中できると言うことである。したがって周囲
からのジャイロの影響はもし二つの歯が利用されたなら
ばより小さくなるであろう。当然一つ以上の音叉を含ん
だシステムを設計することも可能である。

利用される共振周波数は歯の、結果として生じる機械
的強度に直接に比例する。このように利用される周波数
は低すぎてはならない。もし高い共振周波数が利用され
ると、センサーの外部振動に対する感度は同時に低下さ
せられるであろう。

本発明は前記に説明された実施態様および図面に示さ
れたものによって制限されると考えるべきではなく、多
くの変更はここに公開されるような添付の請求の範囲お
よび発明概念の精神および範囲から逸脱することなく考
案することができる。

発明の効果 本発明のジャイロ用センサー素子は経済的に製造する
ことができる。かつこのようなジャイロは作動的に非常
に信頼性が高くかつ軽量設計にもかかわらず高い加速度
のような要因に耐えることができる。

図面の簡単な説明 第１図は音叉型のセンサー素子を示す平面図である。

第1a図は第１図のセンサー素子のX,YおよびＺ方向軸
を示す。

第２図は第１図のセンサー素子の側面図である。

第2a図は第２図のX,YおよびＺ方向軸を示す。

第３図は第１図のセンサー素子の縦断面を示す。

第４図は一つの歯の上に駆動電極およびセンサー電極
が取り付けられている音叉型センサー素子の一例の斜視
図である。

第4a図は第４図の駆動電極の活性化により発生する歯
内の圧電現象を説明するための略図である。

第4b図は第４図の歯の圧電現象のセンサー電極に対す
る影響を説明するための略図である。

第５乃至７図は駆動およびセンサー電極の実際的な設
計を描いたものである。

第８乃至10図は第５図乃至第７図に示したものに関連
する電極を施した別の実施態様を示したものである。

第11および12図は他の電極を施した実施態様を示した
ものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−154915（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−239613（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−73414（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−31015（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−217115（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−294311（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−118911（ＪＰ，Ｕ) 米国特許4674331（ＵＳ，Ａ)

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】各々第１端と第２端とを有し歯（2,3）を
   規定する二つの細長素子を含むジャイロに意図されたセ
   ンサー素子（１）であって、前記第１端はＸ−Ｙ平面お
   よびＹ−Ｚ平面として定義された互いに垂直である二つ
   の平面において自由に振動でき、前記第２端は基部
   （４）にしっかりと連結され、前記第１端の振動を圧電
   的に励起および検出するための駆動電極（例えば９−1
   2）およびセンサー電極（例えば17−20）を具備し、前
   記駆動電極は前記センサー電極が振動を検出する平面に
   対して垂直の平面において振動を励起し、前記センサー
   振動は前記センサー素子（１）が前記両平面が合致する
   長手方向軸線のまわりに回転されるときに前記センサー
   素子（１）に作用するコリオリ力により生じるジャイロ
   に意図されたセンサー素子において、 前記細長素子は矩形の断面を有し、 前記基部（４）は前記の二つの細長素子の断面積の和よ
   りも大きい面積を有する細長い矩形の断面を有しかつ遷
   移部分（23,23′）と固定部分（７）とからなり、前記
   固定部分は振動に認められうる程度の寄与をせず前記長
   手方向軸線のまわりに回転可能である固定構造体（８）
   に直接取り付けられるようになっており、 前記の二つの細長素子は前記遷移部分（23,23′）およ
   び固定部分（７）と共に水晶の如き結晶圧電材料の共通
   単一片に作られており、 前記駆動電極およびセンサー電極は前記遷移部分（23,2
   3′）に近い部分を含む前記細長素子の実質的な部分を
   覆っており、 第１組の電極（例えば９−12）は前記細長素子の全ての
   四つの側面に、各側面につき少なくとも一つ、置かれ、 第２組の電極（例えば17−20）は前記細長素子の互いに
   対向する二つの側面に、各側面につき少なくとも二つ、
   主として置かれ、 前記細長素子の少なくとも一つには第１組と第２組の電
   極が設けられており、 前記センサー素子は、導体により、固定部分に配置され
   た接続材料（24）に接続され、これにより外部電子装置
   への具体的接続が行われている ことを特徴とするセンサー素子。
2. 【請求項２】細長素子の共振周波数は、たとえば金のよ
   うなバランス調節用質量によって調節されることを特徴
   とする請求の範囲第１項のセンサー素子。
3. 【請求項３】センサー素子はたとえば大きくても総長約
   ６ミリメートルであり、かつ大きくても最大厚さ約0.6
   ミリメートルであるように小さい外部容積を持っている
   ことを特徴とする請求の範囲第１項または第２項のいず
   れか一項に記載のセンサー素子。
4. 【請求項４】前記遷移部分は細長素子と固定部分との間
   の振動伝達を防止する凹みおよび／または突起（5,6）
   を備えて設計されていることを特徴とする請求の範囲第
   １項乃至第３項のいずれか一項に記載のセンサー素子。
5. 【請求項５】各それぞれの細長素子はＸ−Ｙ平面内の細
   長素子の振動励起を可能にする駆動電極形状とＹ−Ｚ平
   面内の振動検出を可能とするセンサー電極形状とを担持
   することを特徴とする請求の範囲第１項乃至第４項のい
   ずれか一項に記載のセンサー素子。
6. 【請求項６】周囲の振動が各それぞれの細長素子の振動
   に影響を与えないように対称的に設計され固定されてい
   ることを特徴とする請求の範囲第１項のセンサー素子。
7. 【請求項７】バランス調節は各それぞれの細長素子の最
   外部で実行されることを特徴とする請求の範囲第２項の
   センサー素子。
8. 【請求項８】バランス調節用の質量は振動の一つが細長
   素子の上に節を作っている一点に取り付けられているこ
   とを特徴とする請求の範囲第２項載のセンサー素子。
9. 【請求項９】センサー電極が基部にもっとも近く置かれ
   るような場合には駆動電極のセンサー電極との間の境界
   線は基部からの各それぞれの細長素子の長さの20パーセ
   ントおよび40パーセントの間に在ることを特徴とする請
   求の範囲第１項乃至第８項のいずれか一項に記載のセン
   サー素子。