JP5786114B2

JP5786114B2 - 角速度センサ

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Publication number: JP5786114B2
Application number: JP2010207505A
Authority: JP
Inventors: 崇内田; 朋弘三谷
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2030-09-16
Also published as: JP2012063242A

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８〜図１２に示されるような構成を有していた。

図８は従来の角速度センサの分解斜視図、図９は同角速度センサの上面断面図、図１０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１１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１２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８〜図１２において、２１は音叉形状の振動子である。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１１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。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１２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１１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１０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８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の内側が真空雰囲気となるように封止している。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１０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９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１０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、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１０に示す収納部４３における凹部５３でかしめ固定することにより、図１０に示すように、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、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。

ここで、外部からＸ軸方向の振動が加わる場合を考えると、従来の角速度センサにおいては、端子４４にＹ軸方向延出部５１およびＺ軸方向延出部５２を設けているため、ケース３０が収納部４３に対してＸ軸方向に撓むこととなり、外部からのＸ軸方向の外乱振動をケース３０に伝わらないように減衰させるものであった。

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。

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、ケース３０が収納部４３に対してＸ軸方向に撓むため、外部から加わるＸ軸方向の外乱振動をケース３０に伝わらないように減衰させることが出来る反面、外部から加わるＹ軸方向およびＺ軸方向の振動を減衰させることが出来なく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、外部から加わるＹ軸方向およびＺ軸方向の振動を減衰させることが出来ないということのない、３軸方向全ての振動を減衰させることが可能な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、検出電極および支持部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、前記振動子における支持部を支持する載置部材と、前記振動子、ＩＣおよび載置部材を内側に収納するとともに、段差部に端子電極を設け、かつ外底面に電源電極、ＧＮＤ電極および出力電極を設け、さらに前記端子電極と電源電極、ＧＮＤ電極および出力電極とを電気的に接続する配線パターンとを設けたケースと、前記載置部材を前記端子電極と電気的に接続するとともに、周囲から支持し、かつ、Ｘ軸方向延出部、Ｙ軸方向延出部およびＺ軸方向延出部を設けた複数の端子とを備え、前記複数の端子のうちの外側に配置された端子のＸ軸方向延出部は載置部材からＸ軸の一方向に延出され、内側に配置された端子のＸ軸方向延出部は他方向に延出されたものである。この構成によれば、端子にＸ軸方向延出部、Ｙ軸方向延出部およびＺ軸方向延出部を設けたため、Ｘ軸方向延出部とＹ軸方向延出部とにより外部から加わるＺ軸方向の振動を減衰させるとともに、Ｙ軸方向延出部とＺ軸方向延出部とにより外部から加わるＸ軸方向の振動を減衰させ、さらに、Ｚ軸方向延出部とＸ軸方向延出部とにより外部から加わるＹ軸方向の振動を減衰させることとなり、３軸方向全ての振動を減衰させることができる。また、複数の端子のうちの外側に配置された端子のＸ軸方向延出部は載置部材からＸ軸の一方向に延出され、内側に配置された端子のＸ軸方向延出部はＸ軸の他方向に延出され、さらに複数の端子の重心と載置部材の重心とが互いに略一致するようにしたため、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に角速度が加わった際に、複数の端子の重心移動により、振動子が表方向もしくは裏方向に移動することがなくなる。その結果、振動子から発生する信号が安定するという作用効果を有するものである。

本発明の角速度センサは、駆動電極、検出電極および支持部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、前記振動子における支持部を支持する載置部材と、前記振動子、ＩＣおよび載置部材を内側に収納するとともに、段差部に端子電極を設け、かつ外底面に電源電極、ＧＮＤ電極および出力電極を設け、さらに前記端子電極と電源電極、ＧＮＤ電極および出力電極とを電気的に接続する配線パターンとを設けたケースと、前記載置部材を前記端子電極と電気的に接続するとともに、周囲から支持し、かつ、Ｘ軸方向延出部、Ｙ軸方向延出部およびＺ軸方向延出部を設けた複数の端子とを備え、前記複数の端子のうちの外側に配置された端子のＸ軸方向延出部は載置部材からＸ軸の一方向に延出され、内側に配置された端子のＸ軸方向延出部は他方向に延出されたものである。この構成によれば、端子にＸ軸方向延出部、Ｙ軸方向延出部およびＺ軸方向延出部を設けたため、Ｘ軸方向延出部とＹ軸方向延出部とにより外部から加わるＺ軸方向の振動を減衰させるとともに、Ｙ軸方向延出部とＺ軸方向延出部とにより外部から加わるＸ軸方向の振動を減衰させ、さらに、Ｚ軸方向延出部とＸ軸方向延出部とにより外部から加わるＹ軸方向の振動を減衰させることとなり、３軸方向全ての振動を減衰させることができる。また、複数の端子のうちの外側に配置された端子のＸ軸方向延出部は載置部材からＸ軸の一方向に延出され、内側に配置された端子のＸ軸方向延出部はＸ軸の他方向に延出され、さらに複数の端子の重心と載置部材の重心とが互いに略一致するようにしたため、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に角速度が加わった際に、複数の端子の重心移動により、振動子が表方向もしくは裏方向に移動することがなくなる。その結果、振動子から発生する信号が安定す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上蓋を外した状態を示す上面図同角速度センサの下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同角速度センサにおける載置部材に振動子および端子を固定した状態を示す斜視図（ａ）〜（ｆ）同角速度センサにおける振動子の組立工程図従来の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収納部を下側から見た斜視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

以下、一実施の形態を用いて、本発明の請求項１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蓋を外した状態を示す上面図、図３は同角速度センサの下面図、図４は同角速度センサにおける振動子の斜視図、図５は同角速度センサにおける振動子の側断面図、図６は同角速度センサにおける載置部材に振動子および端子を固定した状態を示す斜視図である。

図１〜図６において、６１は音叉形状の振動子で、この振動子６１は図４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５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ＧＮＤ電極６３を設け、さらにこの共通ＧＮＤ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４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７６、ＧＮＤ電極７７および出力電極７８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。８０は樹脂製の載置部材で、この載置部材８０は前記振動子６１における支持部６１ｃを支持するとともに、前記ケース７０における端子電極７５と一端を電気的に接続された８つの端子８１により周囲から支持されている。そして、前記端子８１は、各々Ｙ軸方向延出部８２、Ｚ軸方向延出部８３およびＸ軸方向延出部８４により構成されており、８つの端子８１のうち、外側に配置された４つの端子８１のＸ軸方向延出部８４は表方向に延出され、一方、内側に配置された４つの端子８１のＸ軸方向延出部８４は裏方向に延出されている。すなわち、載置部材８０の重心と８つの端子８１をあわせた重心とが、互いに略一致するように構成されている。

すなわち、８つの端子８１のＸ軸方向延出部を表裏互いに逆方向に延出するようにすることにより、複数の端子８１の重心と載置部材８０の重心とが互いに略一致するようにしたため、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に角速度が加わった際に、複数の端子の重心移動により、振動子６１が上方向もしくは下方向に移動することがなくなり、振動子６１から発生する信号が安定するという作用効果を有するものである。

そしてまた、前記振動子６１における第１の駆動電極６５、第２の駆動電極６６、検出電極６７およびＧＮＤ電極６９は端子８１とワイヤー線８５により電気的に接続されている。８６は樹脂製の補強部材で、この補強部材８６は前記端子８１とケース７０における端子電極７５との接続箇所を覆うように設けることにより、端子８１をケース７０に埋設している。

そして、ケース７０における端子電極７５に接続する端子８１をケース７０に埋設するようにしたため、端子電極７５と端子８１との接続が強固となり、これにより、強い振動が角速度センサに加わったとしても、端子電極７５と端子８１との電気的な接続を確保することができるという作用効果を有するものである。

８７は加速度センサ素子で、この加速度センサ素子８７は前記ケース７０の内底面に設けられるとともに、端子電極７５とワイヤー線８５により電気的に接続されている。８８はＩＣで、このＩＣ８８は前記ケース７０の内底面に加速度センサ素子８７と並設されるとともに、振動子６１からの出力信号および加速度センサ素子８７からの出力信号を処理している。８９はコバールからなる上蓋で、この上蓋８９は前記ケース７０の開口部を閉塞している。

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７（ａ）に示すＳｉからなる基材６２の上面に図７（ｂ）に示すように、ＰｔとＴｉの合金薄膜からなる共通ＧＮＤ電極６３を蒸着により形成し、その後、図７（ｃ）に示すように、共通ＧＮＤ電極６３の上面にＰＺＴ薄膜からなる圧電層６４を蒸着により形成する。

次に、図７（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を蒸着により形成し、その後、図７（ｅ）に示すように、所定の形状になるように、共通ＧＮＤ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ＧＮＤ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７（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、多層回路基板７２の下面にＡｇからなる電源電極７６、ＧＮＤ電極７７および出力電極７８を形成する。

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、その後、このＩＣ８８と多層回路基板７２とを電気的に接続する。

次に、前記ケース７０における多層回路基板７２の上面に、ＩＣ８８と並設するように、加速度センサ素子８７を実装した後、加速度センサ素子８７とケース７０における端子電極７５とをアルミニウムからなるワイヤー線８５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、予め、８つの端子８１を載置部材８０にインサート成形した後、載置部材８０に振動子６１における支持部６１ｃの下面を固着し、その後、振動子６１の上面に形成された第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と端子８１とをアルミニウムからなるワイヤー線８５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、８つの端子８１をケース７０における端子電極７５に半田付けした後、樹脂製の補強部材８６で覆うことにより、端子８１をケース７０に埋設する。

次に、ケース７０の開口部に、金属製の上蓋８９をシーム溶接により窒素雰囲気中で固着する。

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、ワイヤー線８５、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７８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、外部からＺ軸方向に約２５ｋＨｚからなる外乱振動が加わる場合を考える。

端子８１にＸ軸方向延出部８４とＹ軸方向延出部８２とにより外部から加わるＺ軸方向の振動を減衰させるものである。

また、同様に、外部からＸ軸方向に約２５ｋＨｚからなる外乱振動が加わる場合には、Ｙ軸方向延出部８２とＺ軸方向延出部８３とにより外部から加わるＸ軸方向の振動を減衰させるものである。

さらに、外部からＹ軸方向に約２５ｋＨｚからなる外乱振動が加わる場合には、
Ｚ軸方向延出部８３とＸ軸方向延出部８４とにより外部から加わるＹ軸方向の振動を減衰させることができる。

すなわち、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８１にＸ軸方向延出部８４、Ｙ軸方向延出部８２およびＺ軸方向延出部８３を設けたため、Ｘ軸方向延出部８４とＹ軸方向延出部８２とにより外部から加わるＺ軸方向の振動を減衰させるとともに、Ｙ軸方向延出部８２とＺ軸方向延出部８３とにより外部から加わるＸ軸方向の振動を減衰させ、さらに、Ｚ軸方向延出部８３とＸ軸方向延出部８４とにより外部から加わるＹ軸方向の振動を減衰させることとなり、３軸方向全ての振動を減衰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。

本発明にかかる角速度センサは、外部から加わるＹ軸方向およびＺ軸方向の振動を減衰させることが出来ないということのない、３軸方向全ての振動を減衰させることが可能な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
６１ｃ支持部
６４圧電層
６５，６６駆動電極
６７検出電極
７０ケース
７４段差部
７５端子電極
７６電源電極
７７ＧＮＤ電極
７８出力電極
８０載置部材
８１端子
８２Ｙ軸方向延出部
８３Ｚ軸方向延出部
８４Ｘ軸方向延出部

Claims

駆動電極、検出電極および支持部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、前記振動子における支持部を支持する載置部材と、前記振動子、ＩＣおよび載置部材を内側に収納するとともに、段差部に端子電極を設け、かつ外底面に電源電極、ＧＮＤ電極および出力電極を設け、さらに前記端子電極と電源電極、ＧＮＤ電極および出力電極とを電気的に接続する配線パターンとを設けたケースと、前記載置部材を前記端子電極と電気的に接続するとともに、周囲から支持し、かつ、Ｘ軸方向延出部、Ｙ軸方向延出部およびＺ軸方向延出部を設けた複数の端子とを備え、前記複数の端子のうちの外側に配置された端子のＸ軸方向延出部は載置部材からＸ軸の一方向に延出され、内側に配置された端子のＸ軸方向延出部はＸ軸の他方向に延出され、さらに複数の端子の重心と載置部材の重心とが互いに略一致するようにした角速度センサ。