JPS61180107A - 角速度センサ素子の製造方法 - 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】 産業上の利用分野 本発明は、角速度センサ素子の製造方法に関するもので
、特に振動ジャイロを利用した素子に係る０ 従来の技術 回動体の角速度を検知する素子には各種のものがあるが
、レートジャイロの一種であるガスジャイロ（ガス流の
利用）やピエゾジャイロ（圧電体の機械振動の利用）は
既に市販されており、本発明は後者の製造方法に関する
もので、広義には振動ジャイロに分類されるものに係る
。従来素子の製造方法を説明する前に、振動ジャイロは
すべて振動体が回動状態で受けるコリオリカを利用して
いるので、この力の作用の仕方について第４図に基づき
説明する。第４図におけるゴチック記号Ω。

■およびＦと矢印は各々角速度、線速度およびコリオリ
カとその向きを表わす。同じくギリシャ文字α、βおよ
びγは各々ＶとΩ、ΩとＦおよびＦどＶのなす最小角度
を表わす。コリオリカが実用上有効に作用するには、次
の各式が近似的に成立していることが必要である。すな
わち、α＝／（Ｖ、Ω）、β＝／（Ω、Ｆ）、γ＝／（
Ｆ　、Ｖ　）　　　・・・（１）α＝β＝γ＝９０°　
　　　　　・・・・・・（２）ｌＦ　ｌ　＝　ｌ　２ｍ
ＶＸΩｌ　　　　　　＝−（３）但し、（３）式の右辺
はベクトル積と呼ばれるものである。同じく記号ｍは線
速度を有する物体の質量で、振動ジャイロに於ては、振
動する各質点の質量に対応する。

次に、振動ジャイロの従来例の代表として、主要素が圧
電バイモルフのみから成る角速度センサ素子の製造方法
と動作機構を、図面を参照しながら説明する。第５図が
、ピエゾジャイロと名付けられる角速度センサ素子の斜
視図である。１０ａ。

１０ｂは矩形板状圧電バイモルフから成り、上下バイモ
ルフ全体を振動させる為の駆動素子である。

２０ａ、２０ｂは前記バイモルフと材質・形状が共に全
く同様な圧電バイモルフから成り、回動に際して受ける
コリオリカを利用して角速度を検知する為の検知素子で
ある。尚、圧電バイモルフとは、それ自身では単一な分
極軸しか持たぬ圧電単板でかつ形状・大きさの等しいも
の二枚を、主面同志が密着するように貼り合せて作られ
たものを言う。４ｏは前記バイモルフ１０ａ、１０ｂの
各一端を固定する為の支持基板であシ、前記１０ａ。

１ｏｂはスペーサーやリードピンで挾持される如く、半
田等で前記基板に装着されるものである。

３０ａ、３０ｂは前記バイモルフ１０ａと２０ａ及び１
ｏｂと２０ｂとを各々長さ方向を共有しながら幅方向に
は５ｅａｄの角度をなして結合させる継手であり、通常
は上下のバイモルフの電極面を短絡させないように、絶
縁性の樹脂に互いにその長さ方向が直交する溝を設け、
同じく絶縁性の接着剤を用いて、前記結合を実現してい
る。６ｏで記号化された矢印は第４図のゴチック文字Ω
と対応するもので、前記振動体の回動状態での回転軸と
その方向を意味する。上記の如く製造された角速度セン
サ素子の動作機構は次の通りである。前記駆動素子とし
てのバイモルフに矩形パルス又は正弦波交流の電気信号
を加えると、逆の圧電効果によって、上記バイモルフは
その主面に平行に第６図の実線及び点線で与えられる矢
印の示すように円弧状に振動する。前記振動が持続して
いる状態で、前記センサ素子を搭載した回動体が第５図
の５０で与えられる回転軸を有する角速度の成分をもつ
と、第４図のびについて（２）式が成立し、前記検知素
子としてのバイモルフ２０の主面上に（３）式で表わさ
れるコリオリカが作用する。その結果、前記バイモルフ
は厚み方向に屈曲し、正の圧電効果により、前記角速度
成分に比例した電気信号を発生しうる。この電気信号は
、通常束縛電荷の形で生じ、良く知られた検出回路によ
って取り出される。尚駆動素子としてのバイモルフを動
かす為の駆動回路も既に良く知られたものであるが、詳
細は、実施例の説明で併せて述べる。

発明が解決しようとする問題点 上記従来例には以下の問題点が存在する。

１　従来の製法に基づく角速度センサ素子（以下、セン
サ素子と略称）では、第５図に示すようにコリオリカを
受ける左右のバイモルフの先端同志が相互接触する恐れ
がある。従来の製法による限り、このことは避けること
が出来ない０何故なら、回動に際して受けるコリオリカ
以外の力による不要な出力信号を除く為には、一対のバ
イモルフが必要であり、センサ素子形状の大形化を避け
るには左右一対のバイモルフを十分近接させる必要があ
ったからである。前記不要な出力信号についての詳細も
実施例の説明で併せ述べる。このような構成の素子に於
ける性能上の最重要点は、上下バイモルフの幅方向に於
ける直交度の精度である。一般に、いわゆるバックグラ
ウンドノイズ（不要雑音信号）として、回動していない
状態でのセンサ素子の信号出力は出来る限り抑える必要
があり、その為には上記精度をいくら上げても挙げ過ぎ
ることは無いからである。もし、上記直交度（のが９０
’から若干ずれる場合には、同一方向から測った前記一
対のバイモルフの結合体のそれ（θ１．θ２）が、次式
を充すことが望ましい。即ち、（θ１＋０２）／２　＝
９０°　　　・・・・・・・・・（４）結局、上記条件
を充すには、極めて高度な組立精度が要求される。

２　第５図からも容易に分る通り、従来の製法に基づく
センサ素子の主要素は矩形板状の圧電バイモルフである
。而も、各バイモルフの支持や相互結合の位置はいずれ
も前記バイモルフの長さ方向の端部であり、材質的にも
構造的にも、センサ素子としての機械的強度が十分には
得られ難い。

３　センサ素子の主要素たる前記バイモルフの支持や結
合の為の部材には絶縁性の樹脂等が多用される。従って
、センサ素子構成の要素部品点数が多くなり、各部品の
加工並びに相互の接続・結合箇所の増加と併せて、製造
コストが高くなり易い。

問題点を解決するための手段 上記問題点を併せて全て解決するには、高度な組立精度
を要せず、かつ機械的強度を十分に保たせた上、尚部品
点数を増やさず、製造の簡易な、センサ素子の製造方法
を提供すれば良い訳である。

このために、本発明に基づく角速度センサ素子の製造方
法では、まず素子構成の主要素として薄板状金属から成
る音叉片を採用する。但し、前記音叉片の左右脚部は各
々基板部側と先端側の三部分から成っており、後者の主
面は前者主面と直交している。次いで、前記音叉片の基
板部側脚部主面に単一な分極軸のみを有する圧電単板を
左右者一枚装着して前記音叉用駆動用の圧電振動子とす
る。これにより圧電音叉が形成された。この圧電音叉先
端側脚部主面に、音叉脚部の長さ方向の角速度成分に比
例するコリオリカを受けて電気信号に変換する為の圧電
バイモルフを左右各一組装着する。最後に、公知の電気
回路の助けを借りて前記角速度成分に対応した電気信号
が前記圧電バイモルフから取り出され得るよう、前記各
要素体間並びに各種電気回路と前記各要素体間に電気的
結線を施して終る。

作　　用 本発明に基づく角速度センサ素子の製造方法では、上記
の説明で明らかな如く、回動状態に置かれるべき振動体
の、励振用駆動素子の支持と、前記駆動素子と回動に於
て受けるコリオリカを利用して角速度を検知する為の検
知素子との結合が、薄板状金属音叉片で共に達成されて
因る為、従来の製法に於て強く要求されていた高度な組
立精度が、音叉片の成形精度に取って代られ得る。又本
発明に基づいて作られるセンサ素子の機械的強度も、主
として金属音叉片のそれで決まることになる。更に、セ
ンサ素子を構成する部品点数も、圧電単板に換算した圧
電板の枚数は上記素子の主要素として金属音叉片を採用
したことによシ、二枚減らすことができ、併せて前記駆
動素子と検知素子との結合部材も一点削減できる。従っ
て、センサ素子の製造も簡易となり、コストダウンが図
れる。尚、上記音叉片が負うべき二つの課題、即ち組立
精度と機械的強度は、一般に従来より金属音叉片が、各
種エレクトロニクス部品の主要部材（例えばリードフィ
ルタの構成主要素）として、工業的に安定に作られてい
るので、新たな発明を要せず、現実的にその解決が容易
である。

実施例 以下、本発明に基づく角速度センサ素子の製造方法の構
成と作用並びに従来例に優る利点を、図面に基づいて具
体的に説明する。第１図は、本発明に基づいて作られる
角速度センサ素子の構成の一例を示すもので、第１図ａ
は上面図を、同じくｂは側面図を、同じくＣはａに於け
る長さ方向の位置（ＢＢ’）を切り口とし、その方向か
ら眺めた断面図をそれぞれ表わす。１，２は薄板状金属
から成る音叉片脚部の白基根部側部分を、３．４は同じ
く音叉片脚部の内前記１，２と互いに厚み方向で直交す
る先端側部分を、５，６は前記音叉片脚部先端側部分の
主平面上に装着された圧電バイモルフを、７，８は前記
音叉片脚部基板部側部分の主面上に装着された圧電単板
を、９ａ、９ｂ、９ｃは前記音叉片基根部の各要素を、
それぞれ表わす。

１１、Ａ２．Ａｏは各々前記１，２及び３．４更に５．
６の長さを表わし、左右脚部でそれぞれ等しい。同図す
、ｃから明らかな如く、前記バイモルフ（５，６）は音
叉片の板面に対し互いに反対側に装着されている。第２
図は、本発明に基づいて作られる角速度センサ素子の構
成の別例を示すもので、図番記号ａ、ｂ、ｃの意味や図
中の番号の意味も、第１図の場合と全く同様である。但
し、５’、６’のみは、バイモルフという基本構成は同
じであるが、バイモルフ形成の各圧電単板の分極軸の向
きが互いに反対であシ、同図す、ｃから明らかな如く、
音叉片脚部先端側部分の主面に対し互いに同じ側に装着
される故にプライム記号（′）を番号の右肩に付したも
のである。

上記に基づき、本発明の製造方法を具体的に以下に説明
する。まず、音叉片として、はエリンバ合金等で代表さ
れる薄板状金属から成り、基板部（９ａ、９ｂ、９ｃ　
）と脚部とが同一材質でかつ各部が一体成形又は溶接に
よって一体化されているものを用い、４己脚部は左右共
に先端側（３゜４）と基板部側（１，２）とで各板の主
面が直交するように折り曲げ加工を施す。次いで、前記
音叉片脚部の基板部側近傍の主面に、単一な分極軸しか
持たぬ圧電単板（７，８）を左右一枚ずつ、前記音叉片
を機械的に振動させるための駆動素子として装着せしめ
て圧電音叉とする。この場合、長さ振動を行なう圧電板
が常用される。続いて、前記圧電音叉脚部の先端側主面
に、圧電バイモルフ（６，６又は６′、６′）を左右−
組ずつ、前記音叉脚部の脚長方向に沿った角速度成分を
コリオリカを介して検出する為の検知素子として装着せ
しめる。尚、上記装着に際しては、通常絶縁性エポキシ
系樹脂が各部材の接着剤として多用されるが、前記音叉
片や圧電板の機能や形状を損はぬ限りは、装着の方法や
材料は全く任意であって良い。更に、前記音叉基根部の
支持については、上記と同じく、支持部材・方法・手段
のいずれも任意で良いから、特許請求の範囲での明文化
及び図示を略した。最後に、電気的結線について説明す
る。まず、前記音叉片を圧電音叉として働らかせるには
、前記圧電単板（７，８）を、■　オペアンプ（演算増
幅器）を介して直列に接続するか、■　オペアンプを介
さず並列に接続して、それぞれいわゆる自励発振回路を
組立れば良い。上記各自励発振回路は従来から良く知ら
れておシ、従って、圧電単板に関する結線図も略されて
いる。次に、前記ノくイモルフ（５，６又はｓ’、ｅ’
）を、コリオリカを介して角速度を知る検知素子として
働らかせるには、第１図、第２図の各場合に対応して、
第３図ａ。

ｂの如くその出力端子を結線すればよい０同図に於て、
０．０は圧電効果によりバイモルフ表面に誘起される束
縛電荷である。但し、電極の図示は同図に於て略されて
いる。第３図の如き結線の必要性と妥当性は、音叉の左
右脚部の振動が常に互いに逆相であることと、コリオリ
カ以外の力（例えば、遠心力や角加速度力）による不要
な出力を相殺することに由来する。上記結線の事情は、
不要信号を除去するという点では、第５図に示した従来
例にも共通なことである。尚、同質金属薄板の連続体と
して形成される音叉片の特長として従来から良く知られ
ているように、音叉片の左右脚部の機械的振動の効率と
一様性とが優れていることから、上記に述べたように圧
電音叉としての駆動回路選択の自由度が多い。因みに、
第５図の従来例は、−見、音叉構造を有するように見え
るが、音叉体の基板部が別の支持体によって支持されて
いない為、音叉体を形成していない。従って、上記駆動
回路選択の自由度も少ないことになる。例えば、上記■
の如き駆動回路では著るしく上記の振動効率が低下して
実用できない。上記■の駆動回路を用い得る利点は、音
叉体の左右脚部の機械的質係数（ＱＭ）や共振周波数（
ｆｒ）がそれぞれ左右で互いに多少の差異があった場合
、音叉体全体の振動効率、■ではかなり落ちる恐れがあ
るのに対し、■では殆んどその恐れが無いからである。

かくして、検知信号の増幅回路等の各種電気回路と前記
各要素体間との電気的結線を施して本センサ素子の製造
工程が終了する。

上記方法の作用は既に述べた通りであり、本方法に基づ
いて作られた角速度センサ素子では、主構成要素たる音
叉片の脚部の長さ方向に平行な角速度の成分を、コリオ
リカを介して前記脚部先端主面に装着された圧電バイモ
ルフの信号として取り出すことができる。

かくして、上記実施例は、従来例の問題点を全て解決す
るばかりでなく、主構成要素たる音叉片の機械的振動効
率が優れているため、センサ素子としての感度の向上も
期待できる素子を作り得るものである。

尚、本発明に基づく角速度センサ素子製法の構成要件に
ついては、上記の説明に加えるべき、材料や形状その他
の制限事項は特にない。例えば、圧電板を装着すべき金
属音叉片の形状について、Ｕ（ニー）字形だけでなくコ
（こ）の字形であっても良く、その基板部についても、
第１図、第２図に共通に、９ａが厳重要素で、９ｂ、９
０は敢て特に必要ではない。更に、音叉片脚部の各部の
長さく１１，１２）や圧電バイモルフの長さく１８）及
びその比も、１１ζ１２≧ノ。でさえあれば良いもので
ある。但し、圧電板としては、圧電セラミックが一般に
は多用される。

発明の効果 以上、本発明は、角速度センサ素子の製法として、脚部
の基板部側と先端部側とが互いに厚み方向で直交した金
属薄板からなる音叉片の前記各主板面に、音叉片部動用
の圧電単板とコリオリカ感知用の圧電バイモルフとを、
単板は基板部側に、バイモルフは先端部側に、それぞれ
設け、音叉脚部の長さ方向の角速度成分を各種電気回路
の協力を得て検知するように、各要素体間に電気的結線
を施して成る方法を採用することにより、従来例の問題
点を解決するばかりでなく、より高感度の期待できるセ
ンサ素子を提供しうるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ、ｂ、Ｃ及び第２図ａ、ｂ、Ｃは未発に基づく
角速度センサ素子の製法に於ける電気的結線の一部を説
明するための図、第４図は回動系における角速度と線速
度およびコリオリカの関係を説明するための概念図、第
５図は従来の製法に基づく角速度センサ素子の斜視図で
ある。 １．２，３．４・・・・・・音叉片脚部、５．５’、６
゜６・・・・・・圧電バイモルフ、７，８・・・・・・
圧電単板、ｓａ、ｓｂ、９Ｃ・・・・・・音叉片基根部
。 ’！、８−−−１度東玖 （Ｃ） ｙ：ｒ−・−厘１ζバ°イモノＬフ １８一旦充羊張 （ｃｂン　　　　　　　　　　　　　　　　　　（ｂ）
　　　　錫Ｑｃ−−−骸、１１”、」１；、１ｐ（Ｃ） （ａ／） ｔｂ） 第４図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）薄板状金属から成り左右脚部の先端側主面が基根
   部側主面に対し直交している音叉片に、前記基根部側主
   面には、前記音叉片駆動用として、単一な分極軸のみを
   有する圧電単板を左右各一枚、又前記先端側主面には、
   前記音叉片脚部の長さ方向の角速度成分をコリオリカを
   介して検出する為に、圧電バイモルフを左右各一組、そ
   れぞれ装着し、前記角速度成分に対応した電気信号が前
   記圧電バイモルフから取り出され得るよう、前記各要素
   体間並びに各種電気回路と前記各要素体間に電気的結線
   を施して成る角速度センサ素子の製造方法。
2. （２）圧電単板及びバイモルフとして、板厚方向に分極
   された圧電セラミックを利用する特許請求の範囲第１項
   記載の角速度センサ素子の製造方法。