JPH06289043A - 角速度センサおよびその製造方法 - Google Patents
角速度センサおよびその製造方法Info
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- JPH06289043A JPH06289043A JP5189971A JP18997193A JPH06289043A JP H06289043 A JPH06289043 A JP H06289043A JP 5189971 A JP5189971 A JP 5189971A JP 18997193 A JP18997193 A JP 18997193A JP H06289043 A JPH06289043 A JP H06289043A
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Abstract
能な角速度センサおよびその製造方法に関するものであ
る。 【構成】 第1の振動ユニット4と、第2の振動ユニッ
ト8の2つの振動ユニットとを、検知軸に沿って互いに
平行になるように電極ブロックにより連結して音叉構造
にすると共に、この第1,第2の検知用素子4,8が圧
電素子3を含む矩形平板形状で構成され、少なくともい
ずれか一方の平板形状の端面を削られて直角形状でない
部分を有する。これにより、温度特性に優れ、外乱振動
によるノイズが発生しない高性能の角速度センサを得る
ことができる。
Description
用いられる角速度センサ、特に圧電素子を含む振動子に
よる音叉構造の角速度センサおよびその製造方法に関す
るものである。
法装置には、飛行機、船舶のような移動する物体の方位
を知る方法として機械式の回転ジャイロが主に使われて
いる。
械式であることから装置が大がかりであり、コストも高
く、小型化が望まれる機器への応は困難である。
て、振動した検知素子から『コリオリの力』を検出する
方式の振動型角速度センサがある。多くは圧電方式や、
電磁方式による振動駆動メカニズムを採用している構造
のものである。
ロを構成する質量の運動が一定速度の運動ではなく振動
になっているので、角速度が加わった場合、『コリオリ
の力』は、質量の振動数と等しい振動数の振動トルクと
して生じるものである。
って角速度を測定するのが振動型角速度センサの原理で
ある。近年、特に圧電体を用いたこの原理によるセンサ
が多く考案されている(日本航空宇宙学会誌第23巻第
257号339〜350ページ参照)。
て、図12〜図14を用いて説明する。角速度センサは
図12に示すような構造であり、主に4つの圧電バイモ
ルフからなる駆動素子、モニター素子、第1および第2
の検知素子で構成されている。駆動素子101と第1の
検知素子103を接合部105で直交接合した第1の振
動ユニット109と、モニター素子102と第2の検知
素子104を接合部106で直交接合した第2の振動ユ
ニット110とを連結板107で連結し、この連結板1
07を支持棒108で一点支持した音叉構造となってい
る。
正弦波電圧信号を与えると、逆圧電効果により第1の振
動ユニット109が振動を始める。すると音叉構造を構
成しているので音叉振動により第2の振動ユニット11
0も振動をはじめる。
素子102の圧電効果によって素子表面に電荷を発生す
る。この電荷は駆動素子101へ印加している正弦波電
圧信号に比例する。このモニター素子102に発生する
電荷を検出し、これが一定振幅になるように駆動素子1
01へ印加する正弦波電圧信号をコントロールすること
により安定した音叉振動を得ることができる。
度に比例した出力を発生させる仕組みを図13及び図1
4を用いて説明する。図13は図12に示した角速度セ
ンサを上からみたものである。図13に示すように、速
度vで振動している検知素子103に角速度ωの回転が
加わると、検知素子103には『コリオリの力』が生じ
る。この『コリオリの力』は速度vに垂直で大きさは2
mvω(mは検知素子103の先端の等価質量)であ
る。
で、ある時点で検知素子103が速度vで振動している
とすれば、検知素子104は速度−vで振動しており
『コリオリの力』は−2mvωである。よって検知素子
103,104には、図13のように互いに逆向きの
『コリオリの力』が働く方向に変形し、素子表面には圧
電効果によって電荷が生じる。
あり、音叉振動速度が
ており、検知素子103,104を面方向に変形させる
力となる。従って検知素子103,104の表面電荷量
Qは、
されているとすれば、
る表面電荷量Qは角速度ωに比例した出力として得ら
れ、この信号を
流信号が得られる。なお、このセンサに角速度以外の並
進運動を与えても検知素子103と検知素子104の2
つの素子表面には同極性の電荷が生ずるため、直流信号
に変換時、互いに打ち消しあって出力はでないようにな
っている。
圧電バイモルフ素子を組み合わせて音叉構造とした角速
度センサでは、製造上非常に複雑であるだけでなく、高
精度に組み立てられたとしても圧電体のバラツキも含め
て、音叉構造の左右の重量バランスや微妙な形状非対称
などにより、不要信号としての発生電荷は必ずしもキャ
ンセルされてゼロになるとは限らない。
ことにより、組立精度を向上させ、非対称成分を削減す
る工夫は行われているが、確実に左右の不要信号成分が
キャンセルされたことにはならず、課題を残している。
この残留不要信号成分が温度特性を悪化させ、外乱振動
に弱いという問題点が生じていた。
があり、圧電バイモルフタイプにしろ圧電ユニモルフタ
イプにしろ、加工の際に両表面に印刷配置されてなる銀
電極からバリなどが発生し、それを原因として更に非対
称成分が発生し易い問題がある。
造の左右のアンバランスによる不要信号成分を確実にキ
ャンセルさせることで、温度特性に優れ、外乱振動によ
るノイズが発生しない高性能の角速度センサを得ること
を目的とする。
し、経時変化のない、安定した温度特性と外乱振動に強
い高性能な角速度センサを得ることを目的とする。
に本発明は、第1の駆動用素子と第1の検知用素子とを
互いに直交配置してなる第1の振動ユニットと、第2の
駆動用素子と第2の検知用素子とを互いに直交配置して
なる第2の振動ユニットの2つの振動ユニットとを、検
知軸に沿って互いに平行になるように電極ブロックによ
り連結して音叉構造にすると共に、この第1,第2の検
知用素子が圧電素子を含む矩形平板形状で構成され、少
なくともいずれか一方の平板形状の端面が削られて直角
形状でない部分を有する角速度センサおよびその製造方
法を提供するものである。
電極を設け、この両電極の内少なくとも一方の電極を圧
電素子の面の外周端に達しないように形成する角速度セ
ンサおよびその製造方法を提供するものである。
用素子と第1の検知用素子を同一金属板に駆動用、検知
用の圧電素子をそれぞれ接着配置して構成し、第2の振
動ユニットは第2の駆動用素子と第2の検知用素子を同
一金属板に駆動用、検知用の圧電素子をそれぞれ接着配
置し、検知用素子を削ることによる特性調整をする角速
度センサおよびその製造方法である。
検知素子とから出力される不要信号成分を容易に、そし
て正確にキャンセルさせることができるので、温度特性
に優れ、外乱振動によるノイズが発生しない高性能の角
速度センサを得ることができる。さらに振動ユニットを
特殊形状の金属板上に圧電素子を接着する構成にし、圧
電素子の電極を特殊形状とすることにより、製造し易く
精度の高い加工が可能となると共に、その電極の切り屑
やバリが発生することのない信頼性の高い角速度センサ
を得ることができる。
る角速度センサの一実施例を図面に基づいて説明する。
ンサは、中央部で直交するように成形された第1の恒弾
性金属板1に駆動用圧電体2と第1の検知用圧電体3を
接着配置して構成される第1の振動ユニット4と、同じ
く中央部で直交するように成形された第2の恒弾性金属
板5にモニター用圧電体6と第2の検知用圧電体7を接
着配置して構成される第2の振動ユニット8と、これら
を音叉型に接合する電極ブロック9とからなり、支持ピ
ン10で一点支持した音叉構造になっている。この実施
例では恒弾性金属にエリンバを用いている。
出原理は従来例と同じなので省略するが、従来と異なる
構造は第2の振動ユニット8の第2の検知用圧電体7が
接着されている恒弾性金属板5の端面の一部の直角エッ
ジが削られて、11a,11bの間の部分に直角エッジ
でない部分があることである。
て図2のフローチャートを示す図を参照しながら説明す
る。従来例の課題に述べたように、第1の振動ユニット
4、第2の振動ユニット8は音叉構造に組み立てられる
と、高精度に組み立てられたとしても、圧電体のバラツ
キも含めて、左右の重量バランスや微妙な形状非対称な
どにより、不要信号としての発生電荷は必ずしもキャン
セルされてゼロになるとは限らない。そこで、検知用圧
電体が接着されている検知用素子部分の端面の一部を削
り取る、いわゆるトリミングを行う。
対称性に基づくアンバランス成分である不要信号成分を
検出する検査工程(1)を通す(ステップa)。次にそ
の検査工程で検出された不要信号成分の値が規定値Lと
比較され、それに満たない場合は次の検査工程(2)に
送られ、それ以上の場合は検知用素子の粗調整のための
トリミング工程に送られる(ステップb)。そのトリミ
ング工程で検知素子を粗調整切削(ステップc)された
ものは検査工程(2)で再び不要信号成分が検出され、
今度は規定値Mと比較され(M>Lとする)、それに満
たない場合は次の完成工程に送られ、それ以上の場合は
検知用素子の微調整のためのトリミング工程に送られる
(ステップe)。そのトリミング工程で検知素子が微調
整切削(ステップf)されたものは再びステップaの検
査工程(1)に戻され、検査工程(1)(2)を通過す
れば完成工程に送られる。
は本実施例では検知用圧電素子が恒弾性金属板に接着さ
れている構造としているので、恒弾性金属板部分を削る
ことが最も効率的である。本実施例では具体的には恒弾
性金属板5の端面のエッジ部を削り取っている。すなわ
ちトリミング工法を用いて左右の重量バランスや振動バ
ランスを調整し不要信号成分をキャンセルさせている。
角速度センサの上方向からトリミング箇所を示した図
で、検知用圧電素子と恒弾性金属板からなる矩形状平板
の検知素子の直角エッジ部のA,B,C,Dの4箇所を
それぞれ削る場合を示している。削る位置と量によって
粗調整、微調整が可能となり、適量のトリミングを施せ
ば左右の不要信号成分がキャンセルされゼロにすること
ができる。また、図4(a)はそのトリミング方法を示
した図で、ここではリューターと称する回転円盤式の砥
石12を検知用圧電体7の貼り合わせられた恒弾性金属
板5の端面のエッジの直角部分が削られ、切削部11が
現れてきている。図4(b)はそのトリミングを施した
角速度センサの部分斜視図を示している。
グ量を変えた場合の不要信号成分との相関を示した実験
データである。図3で示したA部、D部、B部、C部
を、順に図7(b)に示すように各3段階(A−1,A
−2,A−3……C−1,C−2,C−3)削った場合
の不要信号成分量の変化を示している。A部、C部をト
リミングすることで+方向に、B部、D部をトリミング
することで−方向に調整できることがわかる。また、同
じ量のトリミングでも二つの検知素子の外側の方が不要
信号成分の変化値は顕著であることから前述の粗調整切
削工程での切削に用い、内側の方が不要信号成分の変化
値は少ないことから前述の微調整切削工程での切削に用
いる。例えば+方向にトリミングする場合ならまずA部
を粗調整し、C部で微調整することも有意である。ま
た、トリミングし過ぎた場合は、B部、あるいはD部を
再調整トリミングすることもできる。
度センサの振動ユニットを示している。第1の実施例と
異なるところは検知用素子に相当する恒弾性金属板5の
端面部分に穴部11cを有することである。この穴部1
1cは、レーザ光で開けられたもので、大きさの異なる
複数の穴から構成されている。第1の実施例における切
削によるトリミング工程に代わり、検知用素子の端面付
近にレーザ光により穴を開け、振動ユニットの非対称に
基づく不要信号成分の削減を行っている。この方法によ
るとレーザ光の強さ、太さを調節することにより穴の深
さ、大きさが変化し、効率的にトリミング特性調整が可
能となる。
に示すように、振動ユニットを構成するときに、恒弾性
金属板1,5をそれぞれ金属平板状のほぼ中央部におい
て長手方向に互い違いになるように幅方向の端部から中
間部に向かって設けたスリットによりほぼ直角に折り曲
げられた構成としている。その折り曲げ部1a,5aが
上下、左右の中心の位置に設定できる構成であるので、
より対称性のよい振動ユニットを実現している。
用いて説明する。
部を境に上下が直交するように成形した第1の恒弾性金
属板1に駆動用圧電体2と第1の検知用圧電体3を接着
配置して構成される第1の振動ユニット4と、同じく中
央部を境に上下が直交するように成形した第2の恒弾性
金属板5にモニター用圧電体6と第2の検知用圧電体7
を接着配置して構成される第2の振動ユニット8と、こ
れらを音叉型に接合する電極ブロック9とからなり、支
持ピン10で一点支持した音叉構造になっている。
体6及び第1,第2の検知用圧電体3,7は、矩形状の
圧電素子13aの両面にこの外周端に達しないように中
央部に、印刷電極14を形成した構成である。そして、
第2の検知用圧電体7が接着されている恒弾性金属板5
は第1の実施例同様に切削部11を有し11aから11
bの直角エッジが削られた状態である。
度の検出原理は従来のものと同じであり、省略する。
について、図9〜図11を用いて説明する。
に、複数個の圧電体が得られるような大判の圧電素子板
13を準備し、その圧電素子板13の両面に図10
(a),(b)に示すように、銀電極材料を印刷焼成し
て印刷電極14を設ける。このとき、印刷電極14は島
状に個別に分離し、かつ両面の印刷電極14が圧電素子
板13を介して互いに対向するように形成する。
島状に分離して設けられた印刷電極14の間を切断し、
個片に分離することにより、圧電素子13aが得られ
る。この圧電素子13aを図8に示すように恒弾性金属
板1,5に接着することにより本実施例の角速度センサ
が得られる。このように島状に電極が分離して形成され
ているので、圧電素子に分離する際電極部分を切断する
ことがないため金属粉や、バリの発生がなくなり、生産
し易く電気的なショートによる不良が起き難くなる。ま
た、振動ユニットの非対称性の調整のためのトリミング
工程の切削が恒弾性金属板でなく、圧電体素子部分であ
る場合にも電極がない端面部分を切削に用いることがで
きるので金属粉による同様の問題がなくなる。
13aの両面の電極全てを島状に分離して形成したが、
少なくとも一方の電極を島状に分離しておいても、同様
な効果が得られる。
面を削るか穴部を設けることにより特性調整するもので
あり、左右の不要信号成分をキャンセルさせることがで
きるため、温度特性に優れ、外乱振動によるノイズが発
生しない高性能の角速度センサを得ることができる。
の電極を圧電素子の外周端に達しないように形成した検
知用素子の端面を削ることにより特性調整するものであ
り、左右の不要信号成分をキャンセルさせることができ
るため、温度特性に優れ、外乱振動によるノイズが発生
しない高性能の角速度センサを得ることができると共
に、印刷により形成された電極の切り屑やバリが発生す
ることがなく、すなわち圧電体裏表間の電極ショートの
ない信頼性の高い角速度センサを得ることができる。
た角速度センサを示す斜視図
ーチャートを示す図
グ箇所を示した概略図
素子をトリミングする方法の一例を示した要部の斜視図
(b)はそのトリミングが終了した状態の角速度センサ
の要部を示した斜視図
た角速度センサの要部を示す斜視図
ットの構成を説明するための角速度センサの要部を示す
斜視図
リミング位置とトリミング量を変えた場合の不要信号成
分との相関を示した特性図
た角速度センサを示す斜視図
製造方法における要部工程を示す斜視図及び断面図
の製造方法におけるさらに続く要部工程を示す斜視図及
び断面図
の製造方法におけるさらに続く要部工程を示す斜視図及
び断面図
す説明図
した模式斜視図
Claims (19)
- 【請求項1】 第1の駆動用素子と第1の検知用素子と
を互いに直交配置してなる第1の振動ユニットと、第2
の駆動用素子と第2の検知用素子とを互いに直交配置し
てなる第2の振動ユニットと、前記第1,第2の振動ユ
ニットを結合する電極ブロックとを有し、前記第1,第
2の振動ユニットを検知軸に沿って互いに平行になるよ
うに前記第1,第2の振動用素子を前記第1,第2の駆
動用素子において前記電極ブロックにより連結してなる
音叉構造であると共に、前記第1,第2の検知用素子が
圧電素子を含む矩形平板形状で構成され、少なくとも前
記第1,第2の検知用素子のいずれか一方の平板形状の
端面が削られて直角形状でない部分を有する角速度セン
サ。 - 【請求項2】 第1の駆動用素子と第1の検知用素子と
を互いに直交配置してなる第1の振動ユニットと、第2
の駆動用素子と第2の検知用素子とを互いに直交配置し
てなる第2の振動ユニットと、前記第1,第2の振動ユ
ニットを結合する電極ブロックとを有し、前記第1,第
2の振動ユニットを検知軸に沿って互いに平行になるよ
うに前記第1,第2の振動用素子を前記第1,第2の駆
動用素子において前記電極ブロックにより連結してなる
音叉構造であると共に、前記第1,第2の検知用素子が
圧電素子を含む矩形平板形状で構成され、少なくとも前
記第1,第2の検知用素子のいずれか一方の平板形状の
面上の一部に穴部を有する角速度センサ。 - 【請求項3】 平板状のほぼ中央部において長手方向に
互い違いになるように幅方向の端部から中間部に向かっ
て設けたスリットによりほぼ直角に折り曲げられた金属
板上に、駆動用圧電素子と検知用圧電素子を互いに直交
配置されるように接着した構成である第1,第2の振動
ユニットと、前記第1,第2の振動ユニットを結合する
電極ブロックとを有し、前記第1,第2の振動ユニット
を検知軸に沿って互いに平行になるように前記第1,第
2の振動用素子を前記第1,第2の駆動用素子の部分で
前記電極ブロックにより連結してなる音叉構造であると
共に、前記第1,第2の振動ユニットの少なくとも一方
の検知用圧電素子が接着された前記平板状金属板の端面
が削られて直角形状でない部分を有する角速度センサ。 - 【請求項4】 圧電素子の相対する面それぞれに電極を
設け、前記電極の内少なくとも一方の電極を前記圧電素
子の面の外周端に達しないように形成した請求項1、請
求項2または請求項3記載の角速度センサ。 - 【請求項5】 第1の振動ユニットは第1の駆動用素子
と第1の検知用素子を同一金属板に駆動用、検知用の圧
電素子とをそれぞれ接着し、第2の振動ユニットは第2
の駆動用素子と第2の検知用素子を同一金属板に駆動
用、検知用の圧電素子をそれぞれ接着してなる請求項1
または請求項2記載の角速度センサ。 - 【請求項6】 同一金属板が、平板状のほぼ中央部にお
いて長手方向が互い違いになるように幅方向の端部から
中間部に向かって設けたスリットによりほぼ直角に折り
曲げられた金属板であり、前記金属板上に駆動用圧電素
子と検知用圧電素子を互いに直交配置されるように接着
してなる請求項5記載の角速度センサ。 - 【請求項7】 穴部が平板形状の端面付近に形成された
請求項2記載の角速度センサ。 - 【請求項8】 第1の駆動用素子と第1の検知用素子と
を互いに直交してなる第1の振動ユニット、及び第2の
駆動用素子と第2の検知用素子とを互いに直交してなる
第2の振動ユニットからなり、かつ前記第1,第2の振
動ユニットを検知軸に沿って互いに平行になるように前
記第1,第2の振動用素子を連結してなる音叉構造の角
速度センサにおいて、前記第1,第2の検知用素子の少
なくとも一方の検知用素子の端面を削ることによって特
性調整をする角速度センサの製造方法。 - 【請求項9】 第1,第2の振動ユニットのアンバラン
ス成分を検出する工程を有し、前記検出結果に基づき検
知用素子の端面を削ることによる特性調整をする請求項
8記載の角速度センサの製造方法。 - 【請求項10】 第1の駆動用素子と第1の検知用素子
とを互いに直交してなる第1の振動ユニット、及び第2
の駆動用素子と第2の検知用素子とを互いに直交してな
る第2の振動ユニットからなり、かつ前記第1,第2の
振動ユニットを検知軸に沿って互いに平行になるように
前記第1,第2の振動用素子を連結してなる音叉構造の
角速度センサにおいて、前記第1,第2の検知用素子の
少なくとも一方の検知用素子の面上に穴部を形成するよ
うに削ることによって特性調整をする角速度センサの製
造方法。 - 【請求項11】 第1の駆動用素子と第1の検知用素子
とを互いに直交してなる第1の振動用ユニット、及び第
2の駆動用素子と第2の検知用素子とを互いに直交して
なる第2の振動ユニットからなり、かつ前記第1,第2
の振動ユニットを検知軸に沿って互いに平行になるよう
に前記第1,第2の振動用素子を連結してなる音叉構造
の角速度センサにおいて、前記第1,第2の振動ユニッ
トの駆動用素子と検知用素子は、同一金属板に駆動用と
検知用の圧電素子を接着して構成し、かつ前記第1,第
2の検知用素子の少なくとも一方の検知用素子の端面を
削ることによって特性調整する角速度センサの製造方
法。 - 【請求項12】 金属板の端面を長手方向に削ることで
特性調整する請求項11記載の角速度センサの製造方
法。 - 【請求項13】 金属板の4つの長手方向端面の外側を
削ることで特性の粗調整を行い、内側を削ることで微調
整する請求項11記載の角速度センサの製造方法。 - 【請求項14】 長手方向に削る長さを変えることで特
性調整する請求項11記載の角速度センサの製造方法。 - 【請求項15】 金属板が、平板状のほぼ中央部におい
て長手方向に互い違いになるように幅方向の端部から中
間部に向かって設けたスリットによりほぼ直角に折り曲
げることにより構成される請求項11記載の角速度セン
サの製造方法。 - 【請求項16】 矩形状の圧電素子の両面に電極を設け
た圧電体を金属板に接着した振動体から構成され、かつ
両面の電極の内少なくとも一方の電極を前記矩形状の圧
電素子の外周端に達しないように形成した角速度セン
サ。 - 【請求項17】 中央部を境に上下が直交するように形
成した金属板の前記上下の片面に駆動用圧電体と検知用
圧電体を各々接着して振動ユニットを構成し、この振動
ユニットを音叉状に結合して構成した請求項16記載の
角速度センサ。 - 【請求項18】 金属板が、平板状のほぼ中央部におい
て長手方向に互い違いになるように幅方向の端部から中
間部に向かって設けたスリットによりほぼ直角に折り曲
げることにより構成される請求項17記載の角速度セン
サ。 - 【請求項19】 複数個の圧電体が形成されるように大
判の圧電素子の両面に電極を形成した後、個々の圧電体
に切断する際に、大判の圧電素子の少なくとも一方の面
には個々の圧電体の電極を島状に分離して形成し、その
後島状の電極間で矩形状に圧電素子を切断することによ
り圧電体を得ることを特徴とする角速度センサの製造方
法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP18997193A JP3218813B2 (ja) | 1993-02-03 | 1993-07-30 | 角速度センサおよびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP5-16054 | 1993-02-03 | ||
JP5-16122 | 1993-02-03 | ||
JP1612293 | 1993-02-03 | ||
JP1605493 | 1993-02-03 | ||
JP18997193A JP3218813B2 (ja) | 1993-02-03 | 1993-07-30 | 角速度センサおよびその製造方法 |
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JPH06289043A true JPH06289043A (ja) | 1994-10-18 |
JP3218813B2 JP3218813B2 (ja) | 2001-10-15 |
Family
ID=27281237
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP18997193A Expired - Lifetime JP3218813B2 (ja) | 1993-02-03 | 1993-07-30 | 角速度センサおよびその製造方法 |
Country Status (1)
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- 1993-07-30 JP JP18997193A patent/JP3218813B2/ja not_active Expired - Lifetime
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