JP4449504B2

JP4449504B2 - 角速度センサ

Info

Publication number: JP4449504B2
Application number: JP2004072557A
Authority: JP
Inventors: 偉生大越
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-03-15
Filing date: 2004-03-15
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2024-03-15
Also published as: JP2005257615A; US7127945B2; US20050199062A1

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１２に示されるような構成を有していた。

図１２は従来の角速度センサにおける振動子の斜視図、図１３は同角速度センサの回路図、図１４は同角速度センサにおける振動子をケースに収納した状態を示す斜視図である。

図１２〜図１４において、１は直方体形状の振動子で、第１の圧電体基板２に電極層３を介して第２の圧電体基板４を貼り合わせることにより構成されている。また、振動子１の上面には駆動および検出の双方の役割をする２つの分割電極５を設け、かつ下面には共通電極６を設けている。７は４つの略Ｚ型の端子で、一端に幅広部８を設けており、この幅広部８は、一端を前記振動子１における分割電極５に、振動子１における振動の節に位置してはんだ付けすることにより保持するとともに、他端を外方へ向かって突出させている。そして、従来の角速度センサは、図１３に示すような回路構成となっているもので、すなわち、分割電極５には、駆動手段である発振回路９の一方の出力端が抵抗１０を介してそれぞれ接続されている。また共通電極６には、発振回路９の他方の出力端が接続されている。そしてまた前記分割電極５は、抵抗１１を介して差動増幅回路１２の非反転入力端（＋）および反転入力端（−）にそれぞれ接続され、さらに差動増幅回路１２の出力端と差動増幅回路１２の反転入力端（−）間には抵抗１３が接続されている。さらにまた、図１４に示すように、ケース１４の内側に振動子１および端子７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９から出力される正弦波信号などの駆動信号が、抵抗１０を介して振動子１における分割電極５に印加されると、第１の圧電体基板２および第２の圧電体基板４が、それぞれの主面に直交する方向に屈曲振動する。そして振動子１が中心軸を中心に回転すると、その回転角速度に応じたコリオリ力が発生する。このとき発生するコリオリ力は、第１の圧電体基板２および第２の圧電体基板４の主面に平行で、かつ振動子１の中心軸と直交する方向に働く。このコリオリ力により、振動子１の屈曲振動の方向が変わり、前記分割電極５に角速度に応じた信号が発生する。そして、分割電極５に発生した信号は、抵抗１１を介して差動増幅回路１２によって検出され、角速度センサに加わる角速度を検出するものである。

ここで、角速度センサの耐久性を向上させることを考えた場合、従来の角速度センサにおいては、ケース１４をさらに別の収納部（図示せず）の内部に収納して、ケースを２重構造とすることにより、角速度センサの耐久性を向上させるようにしていた。

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１０−３３２３７８号公報

しかしながら、上記従来の構成では、角速度センサの小型化に伴ってケース１４を別の収納部（図示せず）に面実装するとき、ケース１４に別の収納部（図示せず）をはんだ付けした場合のはんだ量の管理をすることができないため、はんだ付け時におけるはんだの量が少ないと、ケース１４と別の収納部（図示せず）との電気的な接続が不安定になり、角速度センサの出力信号の精度が劣化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、ケースと収納部とをはんだ付けするはんだの量が少なくなるということはなく、出力信号の精度が安定している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、本発明は駆動電極および検出電極を設けた音叉型の振動子と、この振動子における検出電極から出力される出力信号を処理するＩＣと、このＩＣおよび振動子を内側に収納するとともに外底面にケース電極を設けたケースと、このケースにおけるケース電極と一端部が電気的に接続されるとともにケースを周囲から支持する少なくとも３つの端子と、前記ケースを載置する載置部を有するとともに前記端子の他端部側を一体に埋設し、かつこの端子における他端部側先端に電極を設けた収納部と、この収納部を覆うカバーとを備え、前記収納部における載置部に、端子の一端部とケースにおけるケース電極とをはんだ付けするための開口部を設けたものである。

以上のように本発明の角速度センサは、駆動電極および検出電極を設けた音叉型の振動子と、この振動子における検出電極から出力される出力信号を処理するＩＣと、このＩＣおよび振動子を内側に収納するとともに外底面にケース電極を設けたケースと、このケースにおけるケース電極と一端部が電気的に接続されるとともにケースを周囲から支持する少なくとも３つの端子と、前記ケースを載置する載置部を有するとともに前記端子の他端部側を一体に埋設し、かつこの端子における他端部側先端に電極を設けた収納部と、この収納部を覆うカバーとを備え、前記収納部における載置部に、端子の一端部とケースにおけるケース電極とをはんだ付けするための開口部を設け、この開口部で端子の一端部とケースにおけるケース電極とをはんだ付けするようにしているため、はんだ付け後においては、載置部における開口部からはんだ付けのはんだ量を確認することができ、これにより、はんだ量が少ない場合には、補填することができるため、端子の一端部とケースにおけるケース電極との電気的な接続を安定化させ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１〜５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斜視図、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は同角速度センサにおけるケースを下側から見た斜視図、図７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カバーの斜視図である。

図１〜図９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とＴｉの合金薄膜からなる共通ＧＮＤ電極２３を設け、さらにこの共通ＧＮＤ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、上面の先端側に位置して、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における接続部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ワイヤー線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６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を設けており、そしてこの側壁３８の上面にはコバールからなる金属枠３９を設けている。

また、前記ケース３０の内底面には、段差部４０を設けており、かつこの段差部４０には、図３に示す振動子２１における接続部２１ｃを固着するとともに、この接続部２１ｃを固着した両側に位置して第２の配線用電極４１を設けており、そしてこの第２の配線用電極４１は、前記ワイヤー線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。４２は金属製の蓋で、この蓋４２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。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４３には、前記ケース３０が収納されるとともに、一端部が前記振動子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と電気的に接続される８つの端子４４の他端部を一体に埋設している。そしてまた、前記収納部４３における端子４４の一端部側の先端には、はんだ付け部４５を設けており、このはんだ付け部４５をケース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４３における端子４４は、一端部側を折り曲げることにより、はんだ付け部４５から略垂直にフィレット形成部４６を設けており、このフィレット形成部４６にケース３０におけるケース電極３７と端子４４とをはんだ付けした際にフィレット４６ａが形成されるものである。

上記したように、端子４４は、一端部側を折り曲げることにより、はんだ付け部４５から略垂直にフィレット形成部４６を設けているため、端子４４のはんだ付け部４５とケース３０におけるケース電極３７とをはんだ付けした際には、端子４４にフィレット４６ａが形成されることになり、これにより、端子４４とケース３０とのはんだ付け強度が確保されるため、強度が向上した角速度センサを提供することができるものである。

４７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４７には前記端子４４の中間部を埋設するとともに、この載置部４７を８つの端子４４におけるそれぞれのはんだ付け部４５と略平行に設けている。また、この載置部４７の略中央には開口部４８を設けており、この開口部４８を設けたことにより、端子４４におけるはんだ付け部４５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４６ａ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４３の外底面には、図８に示すように、収納部４３に一体に埋設した端子４４の他端部側の先端部を露出させることにより、電源電極４９、ＧＮＤ電極５０、出力電極５１および５つの固定用電極５２を設けている。そしてまた、前記収納部４３における電源電極４９、ＧＮＤ電極５０、出力電極５１および５つの固定用電極５２は、上下方向に変位可能に構成されている。さらに、前記収納部４３の外底面には、図８に示すように、４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、図９に示すように、開口部側に３つの係止爪５５を設け、かつこの係止爪５５を図８に示す収納部４３における凹部５３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１０（ａ）に示すＳｉからなる基材２２の上面に図１０（ｂ）に示すように、ＰｔとＴｉの合金薄膜からなる共通ＧＮＤ電極２３を蒸着により形成し、その後、図１０（ｃ）に示すように、共通ＧＮＤ電極２３の上面にＰＺＴ薄膜からなる圧電層２４を蒸着により形成する。

次に、図１０（ｄ）に示すように、圧電層２４の上面にＴｉとＡｕの合金薄膜からなる形成途上電極２５ａを蒸着により形成し、その後、図１０（ｅ）に示すように、所定の形状になるように、共通ＧＮＤ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ＧＮＤ電極２９を形成する。

次に、共通ＧＮＤ電極２３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およびＧＮＤ電極２９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１０（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および段差部４０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４１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を形成し、その後、この側壁３８の上面にコバールからなる金属枠３９を固着する。

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をワイヤー線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における接続部２１ｃの下面をケース３０の段差部４０の上面に固着し、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４１をアルミニウムからなるワイヤー線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、ケース３０の開口部に、金属製の蓋４２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４５およびフィレット形成部４６を設けた８つの端子４４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７に示すように、端子４４の中間部を埋設する載置部４７と、端子４４の他端部を一体に埋設する収納部４３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４４におけるはんだ付け部４５とが対向するように、載置部４７にケース３０を載置する。

上記したように、前記８つの端子４４におけるそれぞれの一端側には、収納部４３における載置部４７と略平行にはんだ付け部４５を設けているため、端子４４のはんだ付け部４５とケース３０におけるケース電極３７とをはんだ付けする際には、それぞれのはんだ付け部４５とケース電極３７との間隙を一定にした状態で対向させることができるため、はんだ付けを正確に実施することができるという効果が得られるものである。

また、収納部４３における載置部４７の内側には、開口部４８を設けているため、はんだ付け後において、載置部４７における開口部４８からはんだ付けのはんだ量を確認することができ、これにより、はんだ量が少ない場合には、補填することができるため、端子４４の一端部とケース３０におけるケース電極３７との電気的な接続を安定化させることができるという効果が得られるものである。

次に、約２２０℃の高温炉に（図示せず）、ケース３０および収納部４３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４５とを電気的に接続した後、ケース３０および収納部４３を冷却する。

次に、端子４４における他端部側の先端部を折り曲げて、収納部４３の外底面に電源電極４９、ＧＮＤ電極５０、出力電極５１および５つの固定用電極５２を形成する。

最後に、金属製のカバー５４を収納部４３にかぶせた後、カバー５４の開口部側に設けた３つの係止爪５５を収納部４３の外底面に設けた４つの凹部５３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が内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、ワイヤー線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４１、コンデンサ３６、ケース電極３７、端子４４、出力電極５１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。

以下、本発明の一実施の形態における角速度センサを相手側基板に実装する状態を図面を参照しながら説明する。

まず、図１１（ａ）に示すように、相手側基板５６にクリームはんだ５７を塗布した後、相手側基板５６の上面に収納部４３の外底面を載置する。

次に、図１１（ｂ）に示すように、約２２０℃の高温炉５８内に角速度センサを入れることにより、前記クリームはんだ５７が溶融して、角速度センサにおける電源電極４９、ＧＮＤ電極５０、出力電極５１および固定電極５２が相手側基板５６に接続されるものである。

上記構成においては、収納部４３における電源電極４９、ＧＮＤ電極５０、出力電極５１および固定電極５２を上下方向に変位可能に構成しているため、収納部４３における電源電極４９、ＧＮＤ電極５０、出力電極５１および固定電極５２を相手側基板５６にはんだ付けした後に、電源電極４９、ＧＮＤ電極５０、出力電極５１および固定電極５２と相手側基板５６との距離を一定に保つことができ、これにより、電源電極４９、ＧＮＤ電極５０、出力電極５１および固定電極５２と相手側基板５６とのはんだ付け部にストレスが加わることはないため、電源電極４９、ＧＮＤ電極５０、出力電極５１および固定電極５２と相手側基板５６とのはんだ付けの信頼性が安定するという効果が得られるものである。

最後に、図１１（ｃ）に示すように、角速度センサを冷却することにより、電源電極４９、ＧＮＤ電極５０、出力電極５１および固定電極５２の相手側基板５６への実装が完了する。

このとき、前記収納部４３の線膨張係数は５０ＰＰＭとすることにより、端子４４の線膨張係数１８ＰＰＭよりも大きくしているため、はんだ付け直後の冷却の際には、端子４４よりも収納部４３が収縮することになり、この場合、収納部４３が収縮しても、端子４４と相手側基板５６との距離は常に一定であるため、相手側基板５６と端子４４とを接合しているはんだに内部応力が加わることはなくなり、これにより、はんだ付け部の信頼性は常に安定したものが得られるものである。

本発明にかかる角速度センサは、ケースと収納部とをはんだ付けするはんだの量が少なくなるということはなく、出力信号の出力特性が劣化することの少ない耐久性の向上した精度が安定している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。

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斜視図同角速度センサにおける音叉の側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（ａ）〜（ｃ）同角速度センサを相手側基板に実装する状態を示す工程図従来の角速度センサの斜視図同角速度センサの回路図同角速度センサをケースに実装した状態を示す斜視図

符号の説明

２１振動子
２５，２６駆動電極
２７検出電極
３０ケース
３５ＩＣ
３７ケース電極
４３収納部
４４端子
４５はんだ付け部
４６フィレット形成部
４７載置部
４８開口部
４９，５０，５１，５２電極
５４カバー

Claims

駆動電極および検出電極を設けた音叉型の振動子と、この振動子における検出電極から出力される出力信号を処理するＩＣと、このＩＣおよび振動子を内側に収納するとともに外底面にケース電極を設けたケースと、このケースにおけるケース電極と一端部が電気的に接続されるとともにケースを周囲から支持する少なくとも３つの端子と、前記ケースを載置する載置部を有するとともに前記端子の他端部側を一体に埋設し、かつこの端子における他端部側先端に電極を設けた収納部と、この収納部を覆うカバーとを備え、前記収納部における載置部に、端子の一端部とケースにおけるケース電極とをはんだ付けするための開口部を設けた角速度センサ。
少なくとも３つの端子におけるそれぞれの一端部側に、収納部における載置部と略平行にはんだ付け部を設けた請求項１記載の角速度センサ。
端子における一端部側を折り曲げることにより、はんだ付け部から略垂直にフィレット形成部を設けた請求項２記載の角速度センサ。
収納部における電極を上下方向に変位可能に構成した請求項１記載の角速度センサ。
収納部の線膨張係数を端子の線膨張係数よりも大きくした請求項１記載の角速度センサ。