(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動するように設計されている半球形または鐘形の受感部（４）と、
上記受感部（４）を励起し、なおかつ上記受感部（４）の振動を検知するための励起／検知電極（２０）を保持可能な電極保持器（８）と、
上記電極保持器を支持するための部材（１０，１６）とを備え、
上記支持部材（１０，１６）は、ベリリウムからなる土台（１０）を備えることを特徴とするジャイロセンサ（２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、
振動するように最適な設計がなされた受感部と、
励起電極ならびに受感部の振動を検知する検知電極を保持可能な電極保持器と、
電極保持器を支持するための部材とを備えたジャイロセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
電極保持器を支持するための部材は、土台と、当該土台および電極保持器の間に置かれた分離部とを備えている。分離部は、センサが検知する温度変化に応じて運ばれた土台の寸法変化に応じて、電極保持器および受感部を分離するように設計されている。例えば分離部は、電極保持器のための支柱を備えている。当該支柱は、仏国特許発明第２８０５０３９号明細書に開示されているように、電極と電子回路との間の信号を転送するために土台を貫通する。
【０００３】
このようなセンサは、慣性コアと呼ばれる支持部材に通常は繋がれている。この慣性コアは、さらに慣性測定システムに統合されている。当該慣性測定システムは、振動する保持器または衝撃を吸収する保持器が備えられている。センサは慣性コアに固く取り付けられているため、保持器の使用中に上述の振動を受ける可能性がある。以下では、保持器の振動に起因して生じる受感部の振動モードを寄生振動モードと称す。
【０００４】
保持器からの振動を増幅させないために、センサの土台は一般的に堅い材料で作られている。例えば、土台は厚さ１０ｍｍ、重さ７０ｇの金属板である。そのため、慣性センサは重くて分厚い。
【０００５】
慣性情報関係は、１００Ｈｚの周波数範囲に含まれ、ジャイロセンサの共振周波数の両端に位置している。慣性情報には、回転角度に関する情報またはジャイロセンサの保持器の回転速度に関する情報が含まれている。以下では、ジャイロセンサの共振周波数を「好適な」振動モードと称す。機械的な寄生振動モードと「好適な」振動モードとの干渉は、ジャイロセンサの性能に影響を与える。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ジャイロセンサの最適性能を保証するために、「最適な」振動モードから遠く離れた位置にある第１寄生振動モードを有するジャイロセンサを提供することが望ましい。
【０００７】
本発明の一目的は、機械的な寄生振動モードによる影響が少なくい軽量および小型のジャイロセンサを提供することにある。
【０００８】
本発明の他の目的は、より正確な回転角度の大きさが得られるジャイロセンサを提供することにある。
【０００９】
本発明のさらに他の目的は、複数の電気接続部が貫通するが、密封された土台を有するジャイロセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明は、
振動するように設計されている半球形または鐘形の受感部と、
上記受感部を励起し、なおかつ上記受感部の振動を検知するための励起／検知電極を保持可能な電極保持器と、
上記電極保持器を支持するための部材とを備え、上記支持部材は、密度が５ｋｇ／ｄｍ３未満であり、なおかつヤング係数を当該密度で割った比率の平方根が９ＧＰａ１／２・ｄｍ３／２・ｋｇ−１／２よりも大きい材料からなる土台を備えているジャイロセンサに関する。
【００１１】
特定の実施形態によれば、ジャイロセンサは以下の１つまたはそれ以上の特徴を有している：
−上記材料は、密度が１．５ｋｇ／ｄｍ３から５ｋｇ／ｄｍ３までの間であり、ヤング係数を当該密度で割った比率の平方根が９ＧＰａ１／２・ｄｍ３／２・ｋｇ−１／２から１２ＧＰａ１／２・ｄｍ３／２・ｋｇ−１／２までの間であること
−上記材料は、ベリリウムを備えていること
−上記材料は、セラミックを備えていること
−上記セラミックは、アルミナであること
−上記セラミックは、同時焼成されていること
−上記土台が、高温同時焼成されたセラミック層と、集積された複数の電機接続部とによって形成されていること
−上記土台が、低温同時焼成されたセラミック層と、集積された複数の電気接続部とによって形成されていること
−上記土台内に集積された複数の電気接続部と、上記複数の電気接続部に電気的に接続された電子回路とをさらに備えていること
−上記支持部材は、上記土台と上記電極保持器との間に配置された導電性支柱であって、一端が上記複数の電気接続部の複数の電気接触部にハンダ付けされ、他端が上記電極保持器の励起／検知電極に接続されている導電性支柱を備えていること
−上記土台にハンダ付けされた上記電子回路を保護するためのパッケージをさらに備えていること
−上記土台には、上記パッケージの内側に存在する複数のピンのアレイと、上記パッケージの外側に存在する複数の追加のピンのアレイとが内部に組み込まれており、上記土台の上記複数の電気接触部の少なくとも一部は、上記複数のピンのアレイと上記複数の追加のピンのアレイとを相互接続可能であること
−慣性コアに固定されるように設計されており、上記電極保持器上に配置されている保護リングと、上記慣性コアの電気的アースに接続されており、上記保護リングと、上記電子回路および上記パッケージのいずれか一方あるいは双方とを接続するための複数の電気接続手段とをさらに備えていること
−慣性コアに固定されるように設計されており、上記慣性コアの電気的アースに接続され、上記土台に固定されたカバーをさらに備えていること
−上記電極保持器と上記土台との間に配置され、軸方向に沿った少なくとも１つの弾性電気結合器をさらに備えていること
−４つの固定部材を介して、慣性コアに固定されるように設計されていること
本発明は、添付した図面を参照してなされる以下の説明でより理解されるであろう。なお、以下でなされる説明は、一例として挙げたものに過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係るジャイロセンサの透視図である。
【図２】図１に示したジャイロセンサの横断面図である。
【図３】図１に示したジャイロセンサの上面図である。
【図４】図１に示した土台（カバーおよび電子回路が設けられていない状態）の下面図である。
【図５】ヤング係数を、種々の材料および合金の密度で割った比率の平方根を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明について、鐘形または丸い帽子状の共振器を有するジャイロセンサを参照して説明する。しかし、本発明を他のいかなるタイプの慣性センサに適用してもよく、特に加速度計に適用してもよい。
【００１４】
図１および図２に示すように、本発明に係るジャイロセンサ２は、
自身を固定するための軸６を持つ受感部（以下、共振器４と称す）と、
共振器４の軸６が固定され、共振器４を動作させるために必要な電極を保持する部分（以下、電極保持器８と称す）と、
慣性コア１１と呼ばれる支持体にジャイロセンサを固定するための土台１０と、
土台１０に固定され、当該土台１０と一緒に、電極保持器８および共振器４を含む真空密封チャンバ１４を構成するカバー１２とを備えている。上記の共振器４は、取り分け半球形をしていてもよい。上記の密封チャンバにおいて、真空の質に害を与えやすい残留粒子またはガスを吸着するために、ゲッタがチャンバ１４内に配置されている。
【００１５】
電極保持器８は、種々の構成を有していてもよい。図２に示すように、電極保持器８は平坦であり、共振器４の端面１５に対向するように電極が配置されていてもよい。あるいは、電極保持器８は球形であり、共振器の内面に対向するように電極が配置されていてもよい。なお、この構成は図示されていない。
【００１６】
電極保持器８は、土台１０によって支えられた８つの導電性支柱１６によって支持されている。
【００１７】
電極保持器８および土台１０の間で熱膨張差がある場合、または加速あるいは衝撃が土台１０の平面に沿う場合、支柱１６は弾性変形するように設計されている。
【００１８】
支柱１６の下端は土台１０にハンダ付けされている。支柱の振動周波数を正確に調べることにより、デジタルフィルタリングによってこれらの寄生振動を除去するために、上記のハンダ付けは、２つの平坦な面の間の完璧に規定された位置で行われる。
【００１９】
共振器４の端面１５および外縁１５Ａは金属化されている。これらは、所定の電位となるように設計されている。このため、共振器４の内面および軸６は、端面１５との間に電気接続部１８を有している。
【００２０】
電気接続部１８は、軸６の略直下にある第１電気結合器２８に連結されている。この第１電気結合器２８は、共振器の軸６の軸方向、ならびに当該軸方向に対して垂直な方向に沿って伸縮自在である。軸６の両側において支柱１６が対照的に変形するため、第１電気結合器２８の軸方向に沿った変形により、電極保持器８と土台１０との間において加速、衝撃、または電極保持器８および土台１０の間の熱膨張差に起因して生じたいかなる変形をも補うことができる。
【００２１】
第１電気結合器２８は、例えば土台１０に固定されたスタッド３０と、スタッド３０に固定され、電気接続部１８に接触した状態で配置されたバネ３２とである。
【００２２】
共振器４を励起し、共振器４の振動を検知するための電極２０は、当該電極２０に接続された保護リング（図示せず）と一緒に、電極保持器８上に配置されている。
【００２３】
特に各電極２０は、電極保持器の主面２２、端面２４、および当該主面２２とは反対側の他の主面２６上を伸展する。支柱１６は、例えば導電性接着剤またはハンダ付けにより、電極保持器の電極２０に固定されている。
【００２４】
第２電気結合器２９は、第１電気結合器２６と同様に、電極保持器８の保護リングを土台１０に接続させることが可能である。
【００２５】
励起／検知電極２０は、共振器の断面１５とは反対側に向かって伸展する。当該励起／検知電極２０は、土台１０の縁へと向かって伸展するＴ字型の部分を含む。保護リングは、励起／検知電極２０の内部に伸展する中心部分と、励起／検知電極２０の外部に伸展する少なくとも１つの周辺部分と、中心部分を周辺部分に繋げるために、励起／検知電極２０間を伸展する接続部分とを有する。
【００２６】
励起／検知電極２０と端面１５との間に位置する力線は、共振器の振動の測定を可能にする。共振器の端面１５の両側に位置する力線は、保護リングの中心部分および周辺部分に向かってそらされる。
【００２７】
土台１０には、当該土台１０を慣性コア１１に固定するための４つの部材３３（例えば、滑らかな孔あるいはネジ孔）が設けられている。一変形例では、土台１０は慣性コア１１に取り付けられていてもよい。さらに他の変形例によれば、滑らかな孔あるいはネジ孔は、センサを慣性コアに固定するために設けられていてもよい。また、一変形例では、土台１０には、当該土台１０を慣性コア１１に固定するために異なる数の部材３３が設けられていてもよい。
【００２８】
四角形の土台１０において、厚さが“ｈ”、側面の長さが“ａ”であり、土台１０の各縁から距離“ｂ”だけ間隔を空けた４箇所で固定されているとすると、分析コンピュータモデルからは、機械的寄生振動モードは以下の式に応じて変化するという結果が導き出される。
【００２９】
【数１】
0005947722.tif 000002
【００３０】
ここでｈは、土台１０の厚さであり、
ａは、土台１０の側面の長さであり、
λ１は、側面の長さａと距離ｂとに依存するパラメータであり、
Ｅは、土台１０の材料のヤング係数であり、
ρは、土台１０の材料の密度であり、
νは、土台１０の材料のポアソン比である。
【００３１】
「好適な」振動モードから離れた第１寄生振動モードを有する軽量のジャイロセンサを見つけ出す問題は、最小の厚さｈｍｉｎ（Ｆ１≧Ｆ）を見つけ出すこととして考えることができる。上記の式は、下記のとおりに書き換えることができる。
【００３２】
【数２】
0005947722.tif 000003
【００３３】
２００種類の材料および合金を調べた。一部の結果は、図５に示されている。本図から分かるように、密度が５ｋｇ／ｄｍ３未満であり、なおかつヤング係数を上記の密度で割った比率の平方根が９ＧＰａ１／２・ｄｍ３／２・ｋｇ−１／２よりも大きい材料を選択することによって、ジャイロセンサは改良される。すなわち、
【００３４】
【数３】
0005947722.tif 000004
【００３５】
【数４】
0005947722.tif 000005
【００３６】
ここでＥは、該当する材料のヤング係数であり、ρは、その密度である。
【００３７】
上記の材料の密度は、１．５から５までの間であることが好ましく、ヤング係数を上記の密度で割った比率の平方根は、９ＧＰａ１／２・ｄｍ３／２・ｋｇ−１／２から１２ＧＰａ１／２・ｄｍ３／２・ｋｇ−１／２までの間であることが好ましい。すなわち、
【００３８】
【数５】
0005947722.tif 000006
【００３９】
【数６】
0005947722.tif 000007
【００４０】
このような材料を用いることによって、寄生振動モードを削減し、質量を２または３抑え、土台１０に用いる従来の材料に対して、２つの土台のサイズを抑えることができる。
【００４１】
本発明の第１の実施形態においては、上記の材料はベリリウムを含む。土台１０は、全体がベリリウムまたはベリリウム合金で形成されていることが好ましい。本実施形態によれば、支柱は土台を貫通しており、ガラスシールを形成することにより、支柱は当該ガラスシールによって密封されて土台に固定されている。
【００４２】
本発明の第２の実施形態においては、上記の材料はセラミックを含み、好ましくはアルミナを含む。本発明によれば、セラミックは、結晶構造または部分的な結晶構造を有するガラス状または非ガラス状の物体か、基本的に無機物質および非金属物質から形成されたガラスであって、冷却されると固化する溶融塊によって形成されたガラスか、加熱（ＡＳＴＭ Ｃ ２４２）と同時あるいはその後に、熟成されて形成されたガラスである。酸化物セラミックス、非酸化物（窒化物、炭化物、ホウ化物等）セラミックス、合成セラミックス合金酸化物、および合成セラミックス合金非酸化物は区別される。
【００４３】
土台１０は、厚さが約４ｎｍ、質量が約２０ｇであることが好ましい。
【００４４】
特に土台１０は、セラミック層、複数の第１電気接続部３４、複数の第２電気接続部３５、および複数のピンを同時焼成して製造される。
【００４５】
セラミックは、高温で同時焼成されることが好ましい。
【００４６】
一変形例では、セラミックは低温で同時焼成されてもよい。
【００４７】
高温同時焼成されたセラミック製の土台、および低温同時焼成されたセラミック製の土台を製造する際に用いるプロセスは、ＨＴＣＣ（High-Temperature Cofired Ceramic）およびＬＴＣＣ（Low-Temperature Cofired Ceramic）と呼ばれる。
【００４８】
複数の第１電気接続部３４は、８つの支柱１６と、第１電気結合器２８と、第２電気結合器２９とを、電子回路３６に接続している。この電子回路３６は、土台１０において電極保持器に対向する一面４０（以下、上面４０と称す）とは反対側の一面３８（以下、下面３８と称す）に接続されている。
【００４９】
図３および図４に示すように、複数の第１電気接続部３４は、土台の上面４０上に存在する８つの電気接触部４２を有している。これらの電気接触部４２は、下面３８上に存在する８つのピンの第１アレイ４４に電気的に接続されている。電気接触部４２は、８つの支柱１６にハンダ付けされている。８つのピンの第１アレイ４４は、電気接続、ハンダ付け、または超音波ボンディング（ボールボンディングまたはウェッジボンディングとも呼ばれる）によって、電子回路３６に接続されている。
【００５０】
複数の第１電気接続部３４は、上面４０上に存在する１つの電気接触部４６を有している。この電気接触部４６は、第２電気結合器２９にハンダ付けされており、下面３８上に存在する４つのピン４８に電気的に接続されている。４つのピン４８は、電子回路３６に接続されている。
【００５１】
４つのピン４８は、電子部品を電子カードの両側に配置することができるように、土台１０から所定の距離だけ離れた位置に電子カード３６を保持可能である。一変形例として、複数のピン４８は、複数の電気接続部と一緒に配置されており、電子カードは、例えば接着によって、面３８に直接固定されていてもよい。
【００５２】
さらに、複数の第１電気接続部３４は、上面４０上に存在する１つの電気接触部５０を有している。この電気接触部５０は、下面３８上に存在するピン５２に電気的に接続されている。電気接触部５０は、第１電気結合器２８にハンダ付けされている。ピン５２は、高電圧を受け取るように設計されている。当該高電圧は、第１電気結合器３８を介して端面１５の共振器に供給される。
【００５３】
土台１０内に集積された複数の第２電気接続部３５は（図４では、模式的に示されている）、土台の下面３８上に存在する複数のピンの第２アレイ５４および複数のピンの第３アレイ５６を有している。複数のピンの第２アレイ５４は、複数のピンの第３アレイ５６に電気的に接続して、その接続部を密閉している。複数のピンの第２アレイ５４は、電子回路３６に接続されている。複数のピンの第３アレイ５６は、ジャイロセンサ２の外部にある接続部に接続するように構成されている。
【００５４】
一変形例として、複数のピンのアレイ５６の一部は、上記の外部接続部を土台１０に対して保持する機械的な保持器として機能してもよい。
【００５５】
ジャイロセンサ２は、電子回路３６を保護するためのパッケージ５８をさらに有している。このパッケージ５８は、土台の下面３８に半田付けされたフレーム６０と、当該フレーム６０に固定された蓋６２とを有している。パッケージ５８は、制御された気圧下に、電子回路３６を保持することができる。
【００５６】
パッケージ５８のフレーム６０は、土台の下面３８の一部分までしか拡がっていない。パッケージ５８は、電子回路３６、複数のピンの第１アレイ４４、第２アレイ５４、および当該複数のピン４８を収容するように設計されている。複数のピンの第３アレイ５６および複数のピン５２は、パッケージ５８の外側に配置されている。
【００５７】
一変形例として、複数のピンのアレイ４４，５４，５６の代わりに金属パッドを用いてもよい。
【００５８】
複数の電気接続手段２０，２９，３３，３４，３５，４８は、ジャイロセンサ２の電気的アースをコア１１の電気的アースに接続させることができる。特に、電極保持器８、電子回路３６、パッケージ５８、カバー１２、複数のピンの第２アレイ５４、および第３アレイ５６の上に配置された保護リングは、特定の電極２０、第２電気結合器２９、特定の電気接続部３４，３５、固定部材３３、および複数のピン４８を介して、慣性コア１１の電気的アースに接続されている。これらの部材は、電磁波を含む環境下でジャイロセンサが動作可能にするように設計された「ファラデーケージ」を形成するために、アースに接続されている。
【００５９】
フレーム５０上に蓋６２が嵌合していないとき、接続部（特に、複数のピンの第１アレイ４４との接続部）とを介して、ジャイロセンサ２を容易に試すことができる。ジャイロセンサを試した後、電子回路３６は土台の複数のピンに接続され、フレーム６０上に蓋６２が固定される。
【００６０】
また、土台は単一の部材として製造され、支柱１６は当該土台１０を貫通していないため、土台１０は完全に密封することができる。
【００６１】
さらに、土台の上面４０に支柱１６をハンダ付けすることによって、支柱の振動モードをより精度よく制御することができる。
【００６２】
また、同時焼成されたセラミック製の土台を用いることによって、複数のピンのアレイ４４を自由に配置することができるため、電子カード３６の専有面積を削減することができる。
【００６３】
最新技術のジャイロセンサでは、支柱は土台を貫通しているため、支柱と土台に形成された開口部との間に溶かしたガラスを少量つける等、ガラスシールを形成して土台を密封して支柱を固定している。溶かした少量のガラスが冷却されて固化する位置は、正確に制御することはできない。しかし、支柱の振動周波数は、支柱が土台のどの位置に固定されているかによって異なる。この振動周波数は、ジャイロセンサが振動または衝撃を受けた場合に、当該ジャイロセンサによって生成された回転角度の大きさに影響を及ぼす。
【００６４】
振動するジャイロセンサにおいては、振動周波数は一般的に数ｋＨｚであり(例えば、
３ｋＨｚ)、±１００Ｈｚの範囲内で正確に制御する必要がある。最新技術のジャイロセンサでは、固化した少量のガラスが配置される位置を正確に制御することができないため、各支柱の振動周波数は異なってしまう。結果、最新技術のジャイロセンサの電子部品を処理するだけでは、振動周波数を簡単に変更することはできない。さらに、最新技術のジャイロセンサの土台にいくつもの支柱が貫通している状態で土台を精度よく密閉するのは難しい。また、完璧なガラスシールを得るのは難しい。
【００６５】
上述した問題点の少なくとも１つを改善したジャイロセンサを提供することも本発明の別の目的である。
【００６６】
この後者の目的のために、本発明は、
振動するように設計されている半球形または鐘形の受感部４と、
上記受感部４を励起し、なおかつ上記受感部４の振動を検知するための励起／検知電極２０を保持可能な電極保持器８と、
上記電極保持器を支持するための部材１０，１６とを備え、
上記支持部材１０，１６は、絶縁材料からなる土台１０を備えており、
上記支持部材１０，１６の電極接続部３４，３６は、上記土台１０内に集積されていることを特徴とするジャイロセンサ２に関する。
【００６７】
複数の電気接続部３４は、土台１０を貫通しているが、土台の材料以外の他の材料には囲まれていない。複数の電気接続部３４の集積は、高温同時焼成または低温同時焼成等、集積回路を製造するために用いる方法によって行われる。土台１０は一体的、すなわち一体形成品である。そのため、土台１０は１つにまとめられて作られている。土台１０には、支柱もその他の部材も横切っていない。結果、支柱の振動周波数は、ジャイロセンサにより生成された回転角度の大きさに影響を及ぼさない。したがって、土台１０をより密閉することができる。また、ジャイロセンサの製造プロセスは単純化されるため、製造コストを下げることができる。
【００６８】
ジャイロセンサの土台１０は、
密度が５ｋｇ／ｄｍ３未満ではなく、
ヤング係数を当該密度で割った比率の平方根が９ＧＰａ１／２・ｄｍ３／２・ｋｇ−１／２よりも大きくない材料から形成されていてもよい。
【００６９】
例えば、土台１０は、「Ｄｕｐｏｎｔ ９５１（登録商標）」および「Ｄｕｐｏｎｔ ９４３（登録商標）」として販売されている材料といったセラミックで形成されていてもよいし、「Ｆｅｒｒｏ Ａ６Ｍ」および「Ｆｅｒｒｏ Ａ６Ｓ」等の金属合成材料で形成されていてもよい。
【００７０】
一変形例として、ジャイロセンサは請求項６から請求項１６までのいずれか１項に記載の構成を備えていてもよい。
【図１】
0005947722.tif 000008
【図２】
0005947722.tif 000009
【図３】
0005947722.tif 000010
【図４】
0005947722.tif 000011
【図５】
0005947722.tif 000012