JP4715153B2

JP4715153B2 - 角速度センサ

Info

Publication number: JP4715153B2
Application number: JP2004294779A
Authority: JP
Inventors: 朋弘三谷
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-10-07
Filing date: 2004-10-07
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2024-10-07
Also published as: US7234352B2; US20060089019A1; JP2006105854A

Description

本発明は、特に航空機、車両等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、この種の角速度センサは、図６に示すような構成を有していた。

図６は従来の角速度センサの側断面図である。

図６において、１は基台で、この基台１に音叉部（図示せず）を固着するとともに、複数の端子２を設けており、この端子２により、音叉部（図示せず）からの出力信号を外部に出力している。３はカバーで、このカバー３は前記基台１とで音叉部（図示せず）を内側に収納している。４は第１の回路基板で、この第１の回路基板４は前記基台１における端子２を間隙を設けて、半田付けにより固着するとともに、接続端子５の一端と電気的に接続されている。６は第２の回路基板で、この第２の回路基板６は前記接続端子５における他端と電気的に接続されるとともに、上面にＩＣからなる処理回路７を設けており、この処理回路７により、音叉部（図示せず）からの出力信号を処理している。８は一対のゴム体で、このゴム体８は前記第１の回路基板４の両端を支持しており、このゴム体８により、振動を吸収して、外部からの強い振動が音叉部（図示せず）に直接加わらないようにしている。９は一対の支持台で、この支持台９は前記第１の回路基板４をゴム体８を介して支持するとともに、第２の回路基板６を直接に支持している。１０はケースで、このケース１０は前記基台１、カバー３、第１の回路基板４、接続端子５、第２の回路基板６、ゴム体８および支持台９を内部に収納している。

以上のように構成されている従来の角速度センサについて、次にその動作を説明する。

音叉部（図示せず）に交流電圧を印加することにより音叉部（図示せず）が所定の固有振動数で駆動方向に速度ｖで屈曲振動している状態において、音叉部（図示せず）が音叉部（図示せず）の中心軸周りに角速度ωで回転すると、音叉部（図示せず）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音叉部（図示せず）に発生する電荷を第２の回路基板６の処理回路７で増幅し、出力電圧として外部コンピュータ（図示せず）で測定することにより、角速度を検出していた。

なお、この出願の発明に関連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８−２７１２５７号公報

しかしながら上記従来の構成においては、ゴム体８により振動を吸収して外部からの強い振動が音叉部（図示せず）に直接伝わらないようにしている反面、一対のゴム体８により第１の回路基板４を支持しているため、ゴム体８の支持台９への嵌め込み状態により、第１の回路基板４が傾くと、基台１およびカバー３の内側に収納された音叉部（図示せず）が傾くことになり、これにより、音叉部（図示せず）からの出力信号が小さくなり、角速度センサの出力特性が不安定になっ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、基台およびカバーの内側に収納された音叉部が傾いて、出力特性が不安定になるということはなく、常に特性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、音叉部と、この音叉部からの出力信号を外部に出力する端子を設けた基台と、前記音叉部を基台とで内側に収納するカバーと、前記基台における端子を固着するとともに音叉部からの出力信号を処理する処理回路を設けた回路基板と、前記基台、カバーおよび回路基板を内部に収納するケースとを備え、前記基台における端子を回路基板に、基台と回路基板との間に間隙が存在するように固着し、かつこの間隙に位置する前記基台における端子の中央部を塑性変形させた後、折り曲げることにより薄板からなる屈曲部を設け、さらにこの屈曲部を前記塑性変形により音叉部の長手方向の中心軸である角速度を検知する検知軸と平行な方向の厚みを小とする薄板としたもので、この構成によれば、基台における端子を回路基板に、基台と回路基板との間に間隙が存在するように固着し、かつこの間隙に位置する前記基台における端子に屈曲部を設けたため、この屈曲部により、高い周波数の外部からの振動を吸収することができ、これにより、従来のようにゴム体により回路基板を支持することなく直接に回路基板をケースで支持することができるため、従来のように回路基板が傾くことによって音叉部が傾くということはなくなるとともに、屈曲部を塑性変形により音叉部の長手方向の中心軸である角速度を検知する検知軸と平行な方向の厚みを小とする薄板としたため、この屈曲部により外部からの振動を吸収す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、音叉部と、この音叉部からの出力信号を外部に出力する端子を設けた基台と、前記音叉部を基台とで内側に収納するカバーと、前記基台における端子を固着するとともに音叉部からの出力信号を処理する処理回路を設けた回路基板と、前記基台、カバーおよび回路基板を内部に収納するケースとを備え、前記基台における端子を回路基板に、基台と回路基板との間に間隙が存在するように固着し、かつこの間隙に位置する前記基台における端子の中央部を塑性変形させた後、折り曲げることにより薄板からなる屈曲部を設け、さらにこの屈曲部を前記塑性変形により音叉部の長手方向の中心軸である角速度を検知する検知軸と平行な方向の厚みを小とする薄板としたもので、この構成によれば、基台における端子を回路基板に、基台と回路基板との間に間隙が存在するように固着し、かつこの間隙に位置する前記基台における端子に屈曲部を設けたため、この屈曲部により、高い周波数の外部からの振動を吸収することができ、これにより、従来のようにゴム体により回路基板を支持することなく直接に回路基板をケースで支持することができるため、従来のように回路基板が傾くことによって音叉部が傾くということはなくなるとともに、屈曲部を塑性変形により音叉部の長手方向の中心軸である角速度を検知する検知軸と平行な方向の厚みを小とする薄板としたため、この屈曲部により外部からの振動を吸収する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、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基台を回路基板に固着した状態を示す斜視図、図４は同角速度センサにおける基台を回路基板に固着した状態を示す上面図である。

図１〜図４において、２１は水晶製の音叉部で、この音叉部２１は四角柱状の駆動電極振動体２２と、この駆動電極振動体２２と平行に設けられた四角柱状の検出電極振動体２３と、前記駆動電極振動体２２の一端と検出電極振動体２３の一端を一体に接続する接続部２４とにより構成されている。そして前記駆動電極振動体２２の４つの側面には、それぞれ金からなる駆動電極２５を設けている。また前記検出電極振動体２３の表面および裏面には金からなるモニタ電極２６が設けられるとともに、この検出電極振動体２３の内側の側面には金からなるＧＮＤ電極（図示せず）が設けられ、かつ外側の側面には金からなる一対の検出電極２８が設けられている。２９は直方体形状の金属製の支持台で、この支持台２９は前記接続部２４の根元を支持している。３０は金属製の基台で、この基台３０は前記支持台２９の下部を固着するとともに、複数の端子挿入孔３１を設けており、この端子挿入孔３１の内側面には絶縁物３２を設けている。そして前記基台３０の端子挿入孔３１に前記絶縁物３２を介して端子３３を挿通している。また前記基台３０の端子３３は前記駆動電極２５、検出電極２８、ＧＮＤ電極２７（図示せず）およびモニタ電極２６と図２に示すリード線３３ａによりそれぞれ電気的に接続されるとともに、この端子３３に屈曲部３３ｂを設けており、この屈曲部３３ｂは角速度を検知する検知軸と平行な方向の厚みを小とした薄板により構成されている。

上記本発明の一実施の形態においては、端子３３における屈曲部３３ｂを角速度を検知する検知軸と平行な方向の厚みを小とした薄板により構成しているため、この屈曲部３３ｂにより外部からの振動を吸収することができるという効果を有するものである。

３４は金属製のカバーで、このカバー３４は前記基台３０の上面を覆うように設けており、このカバー３４と基台３０とにより、前記駆動電極振動体２２、検出電極振動体２３および接続部２４からなる音叉部２１を内側に収納している。３５は回路基板で、この回路基板３５は前記基台３０の下方に設けられるとともに、下面に電子部品からなる処理回路３６を設けており、前記検出電極振動体２３の検出電極２８から角速度により発生する出力電圧を端子３３を介してこの電子部品からなる処理回路３６に入力し、出力電圧に変換している。また前記回路基板３５には孔３７を設けており、この孔３７に前記端子３３を実装するとともに、端子３３と回路基板３５とを半田付けしている。そしてまた、前記基台３０における端子３３を回路基板に半田付けにより固着する場合、回路基板３５と基台３０との間に間隙３８が存在するように固着し、そしてこの間隙３８に位置する前記基台３０における端子３３に図２に示すように薄板からなる屈曲部３３ｂを設けている。３９は金属製の外ケースで、この外ケース３９は前記基台３０とカバー３４および回路基板３５を内部に収納している。４０は樹脂製の蓋で、この蓋４０は前記外ケース３９の開口部を閉塞するとともに複数の外端子４１を一体に設けており、かつこの外端子４１は一端を前記回路基板３５における電子部品からなる処理回路３６と電気的に接続するとともに、他端を外方に突出させている。そして、前記外ケース３９および蓋４０により回路基板３５を直接に支持している。

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、駆動電極振動体２２、検出電極振動体２３および接続部２４を一体に構成した水晶製の音叉部２１を準備する。

次に、前記駆動電極振動体２２の４つの側面に駆動電極２５を、検出電極振動体２３の表面および裏面にモニタ電極２６を、前記検出電極振動体２３の内側の側面にＧＮＤ電極（図示せず）を、前記検出電極振動体２３の外側の側面に一対の検出電極２８をそれぞれ金を蒸着することにより形成する。

次に、音叉部２１の根元を前記支持台２９に固着した後、前記支持台２９の下面を基台３０の上面に固着する。

次に、円柱形状のリード線からなる端子３３の中央部を塑性変形させた後、薄板からなる端子３３を折り曲げることにより、端子３３に屈曲部３３ｂを形成する。このように端子３３における平板からなる屈曲部３３ｂは、円柱形状のリード線を塑性変形させることにより形成しているため、端子３３における屈曲部３３ｂのみが薄板により構成されることになり、そして回路基板３５との半田付け部は円柱形状であるため、端子３３と回路基板３５との半田付け強度が保証されるという作用効果を有するものである。

次に、予め絶縁物３２を内側面に設けた基台３０の端子挿入孔３１に端子３３を挿入した後、この端子３３と前記駆動電極２５、検出電極２８、ＧＮＤ電極２７（図示せず）およびモニタ電極２６をそれぞれリード線３３ａを介して半田付けにより電気的に接続する。

次に、前記基台３０と回路基板３５との間に間隙３８を設けるように、前記端子３３を回路基板３５の孔３７に挿入した後、前記回路基板３５と端子３３とを半田付けにより電気的に接続する。

次に、前記カバー３４および基台３０を外ケース３９の内側に収納した後、回路基板３５における電子部品からなる処理回路３６と蓋４０における外端子４１を電気的に接続する。

最後に、前記外ケース３９の開口部を蓋４０により閉塞する。

以上のようにして組み立てら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。

音叉部２１の駆動電極振動体２２における駆動電極２５に交流電圧を印加することにより、前記駆動電極振動体２２が駆動方向の固有振動数で駆動方向に速度ｖで屈曲振動する。この屈曲振動は接続部２４を介して対向する検出電極振動体２３にも伝わり、そしてこの検出電極振動体２３も駆動方向の固有振動数で駆動方向に速度ｖで屈曲振動する。この駆動電極振動体２２および検出電極振動体２３が屈曲振動している状態において、音叉部２１が音叉部２１の長手方向の中心軸周りに角速度ωで回転すると、前記検出電極振動体２３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、前記検出電極振動体２３の検出電極２８に発生する電荷を端子３３を介して回路基板３５の電子部品からなる処理回路３６により出力電圧に変換し、さらに蓋４０における外端子４１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、角速度として検出するものである。

ここで、角速度センサに外部から不必要な振動が加わる場合、振動する物体の固有振動数ｆは（数１）のように表される。このような振動は、端子３３を介して音叉部２１に伝わる。

ここで、音叉部２１、基台３０およびカバー３４を従来の直線形状の端子で支持する場合を考えると、図５の振動伝達特性Ａに示すように、音叉部２１、基台３０およびカバー３４を端子３３で結合した状態での固有振動数は約５ＫＨｚとなる。そして、この場合の音叉部２１の固有振動数１３ＫＨｚ付近の伝達特性は、図５の振動伝達特性Ａからも明らかなように約−１５ｄＢである。一方、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、端子３３に屈曲部３３ｂを設けているため、この屈曲部３３ｂにより、高い周波数の外部からの振動を効果的に吸収することができ、その結果、音叉部２１、基台３０およびカバー３４を端子３３で結合した状態における、音叉部２１の固有振動数１３ＫＨｚ付近の伝達特性は、図５の振動伝達特性Ｂからも明らかなように約−２６ｄＢとなり、従来の直線型の端子に比較して約−１０ｄＢの減衰効果が生じるものである。

そして、間隙３８に位置する端子３３に屈曲部３３ｂを設けたことにより、この屈曲部３３ｂで、高い周波数の外部からの振動を効果的に吸収することができるもので、これにより、従来のように回路基板３５をゴム体で支持する必要もなく、回路基板３５を外ケース３９で直接支持することができるため、従来のように回路基板３５が傾くということもなくなり、これにより、音叉部２１が傾くということはなくなるため、出力特性が安定するという効果が得られるものである。

本発明にかかる角速度センサは、出力特性の安定した角速度センサを提供できるという効果を有し、航空機、車両等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側断面図同角速度センサにおける回路基板に基台を固着した状態を示す斜視図同角速度センサにおける回路基板に基台を固着した状態を示す上面図同角速度センサに外部から加わる振動が減衰する状態を示す特性図従来の角速度センサの側断面図

２１音叉部
３０基台
３３端子
３３ｂ屈曲部
３４カバー
３５回路基板
３６処理回路
３９ケース

Claims

音叉部と、この音叉部からの出力信号を外部に出力する端子を設けた基台と、前記音叉部を基台とで内側に収納するカバーと、前記基台における端子を固着するとともに音叉部からの出力信号を処理する処理回路を設けた回路基板と、前記基台、カバーおよび回路基板を内部に収納するケースとを備え、前記基台における端子を回路基板に、基台と回路基板との間に間隙が存在するように固着し、かつこの間隙に位置する前記基台における端子の中央部を塑性変形させた後、折り曲げることにより薄板からなる屈曲部を設け、さらにこの屈曲部を前記塑性変形により音叉部の長手方向の中心軸である角速度を検知する検知軸と平行な方向の厚みを小とする薄板とした角速度センサ。