JPH04504617A - ジャイロに意図されたセンサー素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

ジャイロに意図されたセンサー素子 技術分野 本発明は添付の請求の範囲第１項に従うセンサー素子に関するものである。 背景技術 回転している質量をジャイロ用のセンサー素子として利用することはこの技術に おいて公知である。しかしこのようなジャイロは技術的に複雑であり、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た。 ねじりを感知するジャイロは通常は周囲の環境に固定された遷移部分、次にそれ に連結された振動する歯を利用している。遷移部分はコリオりの力によって発生 させられるねじり振動において活動的な役割りを演じる。このようなねじりを感 知するジャイロは米国特許第４５２４６１９号において説明されている。 振動感知ジャイロは振動する円筒構造体または振動する細長体に基づいている。 これらのタイプのジャイロにおいては遷移部分は初めは振動を絶縁する効果を持 っている。 発明の要約 技術的課題 この技術において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。ジャイロの各部分がたとえば速い砲口速度を持った弾薬装置（ ミサイル、発射体、手りゅう弾等）に用いられる時の苛酷な環境応力、特に高い 加速度の応力に耐え得ることが最も重要である。ジャイロの構造において、ジャ イロおよびそのセンサー素子は各それぞれの最も弱い点に関して軽量であるよう に設計され、しかも頑丈であるように考え合わせられなければならない。弾薬装 置にとっては適用される加速度の荷重下においてさえも出力信号を発信できるこ とが基本である７また外部容積が小さいこともしばしば要求される。 解決法 本発明の主目的は上記に概略説明された問題の解決法を与えるジャイロ用のセン 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を特徴づけると考えられる本質は添付フレイム１の特徴 を表わす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 。音叉の基礎はしっかりと固定され、一方音叉の歯は自由に振動できるようにさ れている。 駆動電極は結晶上に置かれ、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。結晶の基礎に導線を連結して（たとえばワイヤーボンディングまたはＴ ＡＢ、テープ支援ボンディングの援助によって）周囲の電子機器に接触されるこ とができる。 センサー素子は水晶発振器製造の従来技術を使用した設計法によって作られる。 センサー素子の歯の共振周波数はたとえば金のような歯とは異った部品を厚くコ ーティングすることによって調節することができる。その代りにある量を取り除 くことも行われ、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。組 み合せカプセル内に結晶を取り付けるには、たとえば接着剤を使用するような従 来技術によって行うこともできる。 上記によって公開されたセンサー素子に組み合オフされる電子機器は水晶結晶が 容量妨害に対してごく敏感なので好ましくはセンサー素子にできるだけ接近して 取っ付Ｇプられる。結果としてジャイロの容積を最小に保つことができる混成電 子機器が好ましい。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 も大きくない。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。 効果 上記に列挙した問題を解決することに加えて本発明によるジャイロのための新規 なセンサー素子は好都合な製造工程によって経済的に製造することができる。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頑丈で高い加速度の力のよ うな要因に耐えることができる。 ４、

【図面の簡単な説明】

本発明の明らかな特徴を示すセンサー素子の一般に推薦される一つの実施態様に ついて添付図面を参考にして以下詳細に説明する。添付図面において 第１図は音叉センサー素子を示す平面図である。 第１ａ図は第１図の素子のＸ、Ｙおよび２方向軸を示す第２図は第１図による音 叉の側面図である。 第２ａ図は上述のＸ、ＹおよびＺ軸の方向矢印を示す。 第３図は第１図による音叉の一つの歯の設計を示す立面図である。 第４図は一つの歯の上に駆動およびセンサー電極が取り付けられている音叉の設 計の一例の透視図である。 第４ａ図は第４図〜による一つの歯の内の駆動！極の活性化による圧電現象を示 す略図である。 第４ｂ図は歯の上のセンサー電極の圧電現象を示す略図である。 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応用した別の 実施態様を示したものであり、第１１および１２図は他の電極を応用した実施態 様を示したものである。 好適実施態様 図を参考に説明すると第１図はセンサー素子ｌの基本構造を示す。素子は二つの 歯２．３を含んでいる。この場合、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。歯は音叉の基礎４へ しっかりと連結されている。これは大部分は角形構造をしている。歯２，３およ び基礎４を備えて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。 提案された方法によれば第２図および第３図による、音叉が歯および基礎におい て一定の厚さを与えられていると言うことを含む従来技術による水晶結晶製造技 術を利用することができる。凹み５．６または対応する突起は歯の振動から固定 部分の表面の振動を絶縁するために基礎上に導入することができる。 結晶学的に歯が圧電気の機械的な軸線、第１ａ図の内のＹ軸に沿っていることが 好ましい。音叉の厚さは第１ａ図および第２ａ図の２軸によって構成されるよう な光学軸線の内に延びるべきである。歯の幅は第１ａ図および第２ａ図のＸ軸線 に沿った電気方向に配置される。Ｘおよび２軸線は場所を交換できるが、この明 細書の主文の残余においては音叉はｘ−Ｘ面内にあると仮定されている。音叉の 水切角（ｗａｔｅｒ　ｃｕｔｔｉｎｇ　ａｎｇｌｅ　）および配向の小さい変化 は、たとえば音叉の固有モードの間の温度特性および機械的結合とを影響させる のに好ましい。 音叉は歯の振動を励起できるように適当に選ばれた電極形状にＸ−Ｙ面内にコー ティングされる。Ｙ−Ｚ面内の歯の振動を感知するセンサー電極も歯の上に配置 される。周辺機器と電気接触させるために利用される小島／接続バッド／接触材 料は結晶の基礎の上に配置される。を極およびそれらの出力小島は音叉上の導線 によって連結される。電極、導線および出力小島の応用は水晶製造の従来技術を 使用することによって達成される。 結晶はたとえば接着剤によって固定装置８上の固定部分７に取り付けられる。当 然固定部分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。歯に関して 向き合っている音叉の基礎部分は接着面として理想的に用いられる５基礎の側面 はどちらでも接着面として利用することができる。出力パッドは周辺機器にワイ 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 様なものを利用して電気的に接続される。もしすべての出力端子が基礎の片側に 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。結晶を取り付ける 別の方法は基礎の固定部分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。 基礎の設計は好ましくは、取り付けに利用される基礎部分に歯の振動が影響を及 ぼさないような方法で選択される。たとえば出力小島はボンディングワイヤ等が 歯の振動的な運動に減衰効果を及ぼさないように、固定に利用される基礎の一部 分の付近の上または内に設置されるべきである。もし基礎が歯の振動に対して受 け入れ難いほど強く（寄生振動）関与すると、設置領域内でエネルギー損失を起 す恐れを生ずる。さらに外部振動は容易に歯に達してそこで偽ジャイロ信号を発 生させる。 音叉への周囲からの振動の効果を、特に出力信号に対して最小にするために音叉 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ことがもっとも重要であ る。 センサー素子またはセンサーからの出力信号は、適当な電子装置および電極パタ ーンを利用して振動を歯の内のＸ−Ｙ面内に発生させると言う物理的現象を引き 起す。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歯が反抗して振動するように、 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る推進力を発生させる。これらの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で あろう、Ｘ、−Ｙ面内の振動と全く同様に歯はこの振動においては互いに反対に 運動する。Ｙ−Ｚ面内における、合成振動はこの面内の振動にだけ感応する電極 の援助によって検出される。信号処理および復調によってその大きさが与えられ た回転に直接に比例する直流信号が得られる。あるいは合成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つとも重要である。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容認でき ない方法でセンサーの振動位相を変えるに十分なほど大きい、共振周波数の選択 に際して温度変化がセンサー振動に感知できるほどの影響を与えない範囲に留め るように矯正することができる。 歯の製造に起因する不正確さは二つの利用された共振周波数の間に要求される周 波数差よりも大きい共振周波数の不正確さをもたらすであろう。そこで要求され る周波数差が得られることを保証するように共振周波数を調節する。 この調節は歯の上の適当に選ばれた点に質量を付は加えるか、または取り去るか して行われる。この質量の取り付け、または除去を行う技術はそれぞれこの技術 に熟練した人間に良く知られていると考えられる。周波数の差を調節するこのよ うなバランス調節は二つの共振周波数の内の一つにだけ好ましく影響する。たと えば質量は共振周波数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 面外の振動がＸ−Ｙ面内の振動よりも大きい影響を音叉の基礎に与えるので、こ の見地から調節に適した領域は基礎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の上に対称的に取り付けられる 。 結晶の歯をＸ−Ｙ面内で振動させるために利用されるこれらの電極９．１０．１ １および１２は適当な駆動用電子機器に接続される。このような電子機器は駆動 電極を横断するサイン波形の電圧を利用する。電子機器は信号周波数が適当な共 振周波数に同調するように結晶に適応させられる。この振動に関する一つの提案 された電極形状は第４ａ図に描かれている。この形状は歯の横断面内に場１３を 発生させる。水晶のような圧電材料はＺ軸内の場に感応するので上記に列挙され た電極形状内に発生させられた場は横断面１４内に描かれた電場１５．１６に等 しいと仮定される。この後者の場はＹ軸線内の歯の一部分に伸張歪みを発生させ 、他の部分の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断面内の場もまた時間依 存形であり音叉の歯の運動も従って時間に依存する。Ｘ−Ｙ面内の振動はこのよ うにして発生させられる。 Ｘ−Ｙ面内の振動に関連した方法で音叉の面の外の振動にだけ感応する電極の形 状１７．１８．１９および２０が用いられる。これらの電極１７〜２ｏはこの振 動方向内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、これらの負荷は提案された電極の形状と一緒に断面２２内の描写された模 様２１を創成する。この場の模様は電子を電極へと移転させ、かつ電極から移転 させる原因となる。Ｙ−Ｚ面内の振動振幅に相応した大きさの電流はこのように して発生させられる。 図示された電極の形状に一つの例を構成するに過ぎない。上述の説明されたもの 以外の電極形状は要望される機能を得るために利用することができる。 結晶が取り付けられる時に製造上の欠点があれば二つの振動方向の間に結合が生 じることがある。これによってセンサーが何の回転を受けなくてもセンサー電極 から出力信号を受けたかのような結果を生じる。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 向の間の連結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。 構造に関するすべての不必要な部品は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面内の関係振動を発生させる 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 センサーの基礎はまた無くてはならないものである。コリオりの力が発生するこ の振動も検出されなければならない、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、振動の感知が関係振動を発生させるのに用いられるこれらの歯に関して 、センサー振動に起因して機械的応力が最大となる領域内で本質的に行われるこ 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、これらの二つの振動 に要求される電極の形状の双方が歯の上で利用するスペースを別は合うことが必 要である。電極は利用できるスペースにもっとも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。 もし電気的駆動に用いられる電極に良好な性能が要求されるならば、駆動電子機 器に対する要求を単純化するためにこれらの電極は基礎と歯との間の遷移点にも っとも近く設置されなければならない。二つの電極の形状の性能が過度の相互矛 盾を示さなければセンサー電極は基礎と歯との間の遷移部分２３．２３’の近く に置かれるべきである。 駆動電極の寸法は電子機器に関して要求される性能が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礎と歯の中間の遷移部分をカバーでき るだけでなく、基礎の部分２３．２３’が歯の感知振動の期間中、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記に説明された歯の部分の電極 の設計例は第５．６および７図に含まれている。この型は上記概念を実現すると 考えられる方法の一つとしてだけ理解されるべきである。 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型を示す 、最初の第５，６および７図において導線は出力小島２４の数を最少にする考え から、すべての出力小島を音叉の片側に置くように配置する。センサー電極が基 礎のもっとも近くに置かれる時、駆動部とセンサー電極との間の境界線は基礎か 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（接続材料）は数が多い。 第５．６および７図において、基礎から計算して歯の長さの３０パーセントから ８０パーセントまでの距離間にある領域は歯の全側面にわたって駆動！極で覆わ れている。 第５図において駆動電極の二つは参照番号２５および２６で示されている。駆動 電極は中間物２７によって接触小島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はそれらから出る妨害場が双極性となる ように組み合わされている。センサー電極２８゜２９および３ｏは導体３１の中 間配線によってそれらの接続小島に接続さている。センサー電極はセンサーの両 側に配置されている。接触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図においてセンサー電極３２．３３．３４および３５は歯の自由端 のもっとも外端部に置かれている。歯の二つの互いに向き合っている側面はその 片側だけが第８図に示されているセンサー電極でコー・トされている。 この場合駆動電極は歯の底部に置かね、遷移部分２３′を越えて下向きに延びて いる。この場合、駆動＠％３６．３７の一組は各歯の表面に設！される。接触小 島２４への接続は導体３８の中間配線によって行われる。第８図による接触小島 ２４はセンサー素子上の固定部分の大部分を覆っている。 第】１および】２図は音叉上のセンサーおよび駆動電極の位置に関する他の変形 について部分的には前面から（第１１図）および部分的には後面から（第１２図 ）示している。 この場合駆動電極３９，４０．４１は歯の前面および後面の自由端上の最端部に 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 電極は接触小島４２．４３および４４に接続されており接触小島４４はキャパシ 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接触小島 Ｓ′″、Ｓ−に導体の中間配線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、音叉の基礎上の接触小 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ば無い。その原理は同一であろう。またこのよう な場合、歯は駆動および検知の両電擾を包含する。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 。 Ｆｉｇ、　４ Ｆｉｇ、ｌｉ　Ｆｉｇ、　１２ 平成３年８月２１日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ジャイロに意図されたセンサー素子（１）であってＸ−Ｙ平面およびＹ−Ｚ 平面で規定された互いに垂直な二つの平面内で自由に振動する第一端を配置され かつ前記両平面と一致する長手方向軸線のまわりに回転可能である構造物にしっ かりと取り付けられた第二端を配置され、前記第一端（２５）は駆動およびセン サー電極（９〜１２）により振動可能でありかつこの振動が圧電的に検知可能で あるセンサー素子（１）において、このセンサー素子は細長体からなりまたは含 み、この細長体はその第二端において遷移部分（２３，２３′）と前記振動に何 らの認め得る程度に関与しない固定部分（７）とを示し；前記駆動およびセンサ ー電極は前記細長体の振動可能な端の実質的な部分を覆い；そして前記センサー 素子は、導体により前記固定部分に配置された接続材料（２４）に連結され、こ の接続材料により外部の電子機器への接続が達成されていることを特徴とするセ ンサー素子。 ２．センサー素子はフォーク構造内に含まれた二つの細長体よりなり、前記細長 体はたとえば水晶のような圧電材料の一個の共通体として遷移部分（２３）およ び固定部分（７Ｆ）と一体に製造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。 ３．細長体（以下歯と称する）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（単数または複数）によって調節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。 ４．センサー素子は、たとえば大きくても全長約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な小さい外部容積を示すこと を特徴とする前述の請求の範囲のいずれか一項に記載のセンサー素子。５．セン サー素子において遷移部分は歯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）を備えるように設計されていることを特徴とする前述 の請求の範囲のいずれか一項に記載のセンサー素子。 ６．センサー素子において各それぞれの細長体／歯はＸ−Ｙ面内の歯の振動を励 起することができる駆動電極形状を持ち：かつ各それぞれの歯はＹ−Ｚ面内の振 動の検出を可能にするセンサー電極の形状を呈することを特徴とする前述の請求 の範囲のいずれか一項に記載のセンサー素子。 ７．センサー素子において各それぞれの細長体／歯の振動は固定部分（７）に影 響せずまたは伝達されないように配置され；かつ接触材料／接続小島（２４）は 固定部分上に外部接続が各それぞれの細長体／歯内の振動に対する減衰影響から 防止され、外部接続（ｔ）の外から起るエネルギー損失の危険が防止され、およ び／または外部振動による各それぞれの細長体／歯への影響および偽ジャイロ信 号の発生から防止されるように配置されることを特徴とする前述の請求の範囲い ずれか一項に記載のセンサー素子。 ８．センサー素子において音叉は周囲の振動が各それぞれの細長体／歯に振動の 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７項のセンサー素子。 ９．センサー素子においてバランス調節は各それぞれの歯の最外部で実行される ことを特徴とする請求の範囲第３項のセンサー素子。 １０．センサー素子においてバランス調節用の質量は振動の一つが歯の上に節を 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３項のセン サー素子。 １１．センサー素子は脆弱な部分が無い頑丈な構造であることを特徴とする前述 の請求の範囲のいずれか一項に記載のセンサー素子。 １２．センサー素子においてセンサー電極が基礎にもっとも近く置かれるような 場合には駆動電極およびセンサー電極との間の境界線は基礎からの各それぞれの 歯の長さの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前 述の請求の範囲のいずれか一項に記載のセンサー素子。 １３．センサー素子において共振周波数が３０キロヘルツを越えていることを特 徴とする前述の請求の範囲いずれか一項に記載のセンサー素子。