(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
角速度に応じて信号を出力する音叉と、前記音叉の一部を上面に固着する第１の基台と、前記第１の基台に固着され、かつ前記音叉を覆う第１のカバーと、この第１のカバーの上面と当接する第１のゴム体と、前記第１の基台の下面に上面が当接する第２のゴム体と、この第２のゴム体の下面に上面が当接する支持板と、この支持板に上面が当接する第２の基台と、前記第２の基台と音叉、第１の基台、第１のカバー、第１のゴム体、第２のゴム体および支持板を覆う有底筒状の第２のカバーとを備え、前記支持板の上面から上方へ突出するように少なくとも４つの壁部を設け、この壁部により、前記第２のゴム体における４つの側面を位置決め固定するとともに、前記支持板における少なくとも２つの壁部の上端に当接部を設け、この当接部に第１のゴム体における下面を当接させ、かつ第２のカバーを第１のゴム体に被せることにより、前記第１のゴム体を介して前記支持板を第２の基台の方向に押さえつけるようにした角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空機・車両など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。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の角速度センサとしては特開平８−１７０９１７号公報に開示されたものが知られている。
【０００３】
以下に従来の角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。
【０００４】
図１２は従来の角速度センサにおける基台に音叉を固着した状態を示す斜視図、図１３は同角速度センサの側断面図である。
【０００５】
図１２、図１３において、１は柱状の音叉で、一対の柱部２と、この柱部２の端部を接続する接続部３とにより構成されている。そして、音叉１の一対の柱部２のそれぞれの外側面には駆動圧電素子４が設けられるとともに、この駆動圧電素子４を設けた側面と同一面上に参照圧電素子５が設けられている。そしてまた、音叉１における駆動圧電素子４および参照圧電素子５を設けた側面と異なる側面には一対の検知圧電素子６を設けている。７は金属製の支持部材で、音叉１の接続部３の根元を支持している。８は金属製の基台で、支持部材７の下面を上面に固着するとともに、この基台８には複数の端子挿入孔９を設けており、この端子挿入孔９に端子１０を絶縁物１１を介して挿通させ、さらに、この端子１０は音叉１の駆動圧電素子４、参照圧電素子５および検知圧電素子６と電気的に接続している。１２は回路基板で、基台８の下方に設けられるとともに基台８の端子１０と電気的に接続されているリード線１３に半田付けによって電気的に接続され、かつ音叉１の検知圧電素子６から角速度により発生する出力信号を処理する電子部品１４を上面に設けている。１５は支持台で、スタッドボルト１６により基台８および回路基板１２を支持している。１７は金属製のカバーで、音叉１、基台８および回路基板１２を内側に収納するとともに、支持台１５を覆っている。
【０００６】
以上のように構成されている従来の角速度センサについて、次に、その動作を説明する。
【０００７】
音叉１の駆動圧電素子４に交流電圧を印加することにより音叉１が駆動方向の固有振動数で駆動方向に速度Ｖで屈曲振動する。この状態において、音叉１が音叉１の中心軸回りに角速度ωで回転すると音叉１の一対の柱部２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知圧電素子６に発生する電荷を回路基板１２の電子部品１４で増幅し、出力電圧として外部コンピューターで測定することにより角速度を検出していた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の構成においては、図１３に示すように、基台８と回路基板１２とをスタットボルト１６で支持台１５に接続しているため、このスタットボルト１６を介して外部より振動が侵入することとなり、これにより、この振動は音叉１に加わるから、角速度センサに角速度を付加しない状態においても音叉１の検知圧電素子６に電荷が発生する場合があり、その結果、角速度センサの出力特性が劣化してしまうという課題を有していた。
【０００９】
本発明は上記従来の課題を解決するもので角速度センサに角速度を付加しない状態において外部より振動が加わっても音叉に振動が伝わることの少ない出力特性の向上した角速度センサを提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の角速度センサは、角速度に応じて信号を出力する音叉と、前記音叉の一部を上面に固着する第１の基台と、前記第１の基台に固着され、かつ前記音叉を覆う第１のカバーと、この第１のカバーの上面と当接する第１のゴム体と、前記第１の基台の下面に上面が当接する第２のゴム体と、この第２のゴム体の下面に上面が当接する支持板と、この支持板に上面が当接する第２の基台と、前記第２の基台と音叉、第１の基台、第１のカバー、第１のゴム体、第２のゴム体および支持板を覆う有底筒状の第２のカバーとを備え、前記支持板の上面から上方へ突出するように少なくとも４つの壁部を設け、この壁部により、前記第２のゴム体における４つの側面を位置決め固定するとともに、前記支持板における少なくとも２つの壁部の上端に当接部を設け、この当接部に第１のゴム体における下面を当接させ、かつ第２のカバーを第１のゴム体に被せることにより、前記第１のゴム体を介して前記支持板を第２の基台の方向に押さえつけるようにしたもので、この構成によれば、角速度センサに角速度を付加しない状態において外部より振動が加わってもその振動が加わることの少ない出力特性の向上した角速度センサを提供することができるものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、角速度に応じて信号を出力する音叉と、前記音叉の一部を上面に固着する第１の基台と、前記第１の基台に固着され、かつ前記音叉を覆う第１のカバーと、この第１のカバーの上面と当接する第１のゴム体と、前記第１の基台の下面に上面が当接する第２のゴム体と、この第２のゴム体の下面に上面が当接する支持板と、この支持板に上面が当接する第２の基台と、前記第２の基台と音叉、第１の基台、第１のカバー、第１のゴム体、第２のゴム体および支持板を覆う有底筒状の第２のカバーとを備え、前記支持板の上面から上方へ突出するように少なくとも４つの壁部を設け、この壁部により、前記第２のゴム体における４つの側面を位置決め固定するようにしたから、横方向の振動により第２のゴム体が動こうとしても４つの壁部が動きを抑制することとなり、横方向の振動に対して音叉が移動してしまうということがなくなるため、外部からの振動に対して特性が向上するとともに、前記支持板における少なくとも２つの壁部の上端に当接部を設け、この当接部に第１のゴム体における下面を当接させ、かつ第２のカバーを第１のゴム体に被せることにより、前記第１のゴム体を介して前記支持板を第２の基台の方向に押さえつけるようにしたから、角速度センサに上下方向の大きな衝撃力が加わったとしても慣性力により支持板が第２の基台の上面より離れることがないこととなり、これにより、音叉に角速度により発生するコリオリ力以外の余分な外力が加わるということがないから、上下方向の衝撃に対して角速度センサの出力特性が安定するという作用を有するものである。
【００１２】
以下、本発明の一実施の形態における角速度センサについて図面を参照しながら説明する。
【００１３】
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側断面図および側面図、図３は同角速度センサにおける音叉の斜視図、図４は同角速度センサにおける音叉を裏側から見た斜視図、図５は同角速度センサにおける第２のゴム体の斜視図、図６は同角速度センサにおける第１のゴム体の斜視図、図７は同角速度センサにおける回路基板の斜視図、図８は同角速度センサにおける回路基板にフレキシブル配線板を半田付けした状態を示す上面図、図９は同角速度センサにおける支持板の斜視図である。
【００１４】
図１〜図９において、２１は互いに結晶軸の異なる単結晶の水晶製の薄板を貼り合わせた第１の振動体で、表面に図３に示すように、第１の駆動電極２２を設けるとともに、裏面に図４に示すように、第２の駆動電極２３を設け、かつ外側面に金からなる第１の検出電極２４を設け、さらに内側面に金からなる第２の検出電極２５を設けている。２６は互いに結晶軸の異なる単結晶の水晶製の薄板を貼り合わせた第２の振動体で、表面に、金からなる第４の駆動電極２７を設けるとともに、裏面に第３の駆動電極２８を設け、かつ外側面に第３の検出電極２９、さらに内側面に第４の検出電極３０を設けている。３１は水晶からなる接続部で、第１の振動体２１および第２の振動体２６の一端を接続するものである。そして、第１の振動体２１、第２の振動体２６および接続部３１により音叉３１ａを構成している。３２は金属製の第１の基台で、音叉３１ａにおける接続部３１を固着するとともに、６つの端子挿入孔３３を設けており、そしてこの端子挿入孔３３には、第１の駆動電極２２、第２の駆動電極２３、第３の駆動電極２８、第４の駆動電極２７、第１の検出電極２４、第２の検出電極２５、第３の検出電極２９および第４の検出電極３０と電気的に接続される６つの端子３４を挿通させている。３５は金属製の第１のカバーで、第１の基台３２の外周部に固着されるとともに、第１の基台３２とこのカバー３５の内側には音叉３１ａを収納している。このとき、第１の基台３２と第１のカバー３５との内部が真空状態となるように第１のカバー３５と第１の基台３２との固着部を密着させているものである。３６は第２のゴム体で、上面を第１の基台３２の下面に当接させるとともに、図５に示すように、側面に上方に向かって突出する支持用壁３６ａを設けており、この支持用壁３６ａにより、第１の基台３２および第１のカバー３５の外側面を支持している。
【００１５】
また、第２のゴム体３６における内側面に載置部３７を設け、第２のゴム体３６と第１の基台３２の下面とが当接する面積が小となり、角速度センサに外部から伝わる高い周波数の振動・衝撃が減衰され、特性の安定した角速度センサを提供できる効果を有するものである。
【００１６】
さらに、第２のゴム体３６における長手方向の外側面に第１の凹部３８を設けている。３９は第１のゴム体で、図６に示すように、第１のカバー３５の上面と当接するように設けており、この第１のゴム体３９の下面に直方体の第２の凹部４０を設けるとともに、この第２の凹部４０における内側天面部の外周部に段差部４１を設け、この段差部４１を第１のカバー３５における上面と当接させている。また、第１のゴム体３９の内側面にさらに外方へ突出する逃げ凹部４２を設け、この逃げ凹部４２を除いた部分の長辺の端部４３を第１のカバー３５における外側面と当接させている。
【００１７】
そして、第１のカバー３５の上面に第１のゴム体３９を当接させるとともに、前記第１の基台３２の下面に第２のゴム体３６を当接させたため、上下方向の振動を音叉に伝えにくくなり、その結果、上下方向の振動に対して出力特性が安定するという効果を有するものである。
【００１８】
また、第１のゴム体３９の内側面にさらに外方へ突出する逃げ凹部４２を設けたため、第１のゴム体３９における逃げ凹部４２に第２のゴム体３６における支持用壁３６ａが入り込むこととなり、その結果、第１のゴム体３９に第２のゴム体３６が当接することにより第１のゴム体３９が浮き上がるということがないから、第１の基台３２および第１のカバー３５を確実に支持することができるという効果を有するものである。
【００１９】
また、第２のゴム体３６の硬度と第１のゴム体３９の硬度を異ならせ、音叉３１ａ、第１のカバー３５および第１の基台３２をあわせた重心からの距離の遠い部分に配設された第１のゴム体３９の硬度を重心からの距離の近い部分に配設された第２のゴム体３６の約０．５倍となるように異ならせたため、衝撃力が角速度センサに負荷された場合に、音叉３１ａ、第１のカバー３５および第１の基台３２をあわせた重心廻りに回転モーメントが加わらなくなり、その結果、耐衝撃性の向上した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。
【００２０】
４４は回路基板で、図７に示すように、第１の基台３２の下方に設けるとともに、上面および下面に電子部品４６を設けておりこの電子部品４６により第１の振動体２１における第１の検出電極２４、第２の検出電極２５、第２の振動体２６における第３の検出電極２９および第４の検出電極３０から角速度により発生する電荷からなる出力信号を端子３４、フレキシブル配線板４７、回路基板４４におけるランド部４５を介して入力し、出力電圧に変換している。そして、フレキシブル配線板４７は図８に示すように、二叉に分離しており、一方の検出電極配線部４７ａを第１の検出電極２４、第２の検出電極２５、第３の検出電極２９および第４の検出電極３０と電気的に接続させているとともに、他方の駆動電極配線部４７ｂを第１の駆動電極２２、第２の駆動電極２３、第３の駆動電極２８および第４の駆動電極２７と電気的に接続させている。そして、駆動電極に入力される信号と、検出電極から出力される信号が距離を離すことにより、互いに影響を及ぼさない構成となっているものである。
【００２１】
また、回路基板４４の側面には４つの溝部４８を設けるとともに、この回路基板４４には、端子挿入孔４９を設けており、この端子挿入孔４９からは下方へ突出するように電源端子５０、ＧＮＤ端子５１および出力端子５２を半田付けすることにより設けている。
【００２２】
５３は金属製の第２の基台で、回路基板４４の下側に位置して設けられるとともに、５つの孔５４を設けており、この孔５４に電源端子５０、ＧＮＤ端子５１および出力端子５２をガラスからなる絶縁物５５を介して挿通させている。
【００２３】
５６は第２のカバーで、第２の基台５３の上面に固着され、かつ第１の基台３２、第１のカバー３５、第２のゴム体３６、第１のゴム体３９および回路基板４４を覆うように設けている。
【００２４】
５７は金属製の支持板で、外側面から下方へ突出するように支持脚５８を設けており、この支持脚５８を回路基板４４における溝部４８に嵌合させるとともに、支持脚５８の先端部を第２の基台５３の上面に当接させている。
【００２５】
また、支持板５７の上面から下方へ突出するように４つの壁部５９を設け、この壁部５９により第２のゴム体３６における４つの外側面を位置決め固定する。
【００２６】
このとき、支持板５７の上面から上方へ突出するように４つの壁部５９を設け、この壁部５９により、前記第２のゴム体３６における４つの側面を位置決め固定するようにしたから、横方向の振動により第２のゴム体３６が動こうとしても４つの壁部５９が動きを抑制することとなり、その結果、横方向の振動に対して特性の向上した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。
【００２７】
そして、４つの壁部のうち２つは、上端に当接部６０を設け、この当接部６０に第１のゴム体３９における下面を当接させ、かつ第２のカバー５６を第１のゴム体３９に被せることにより、第１のゴム体３９を介して支持板５７を第２の基台５３の方向に押さえつけるように固定している。また、支持板５７の上部には載置部５７ａを設けており、この載置部５７ａの上面に第２のゴム体３６を載置している。そして、この支持板５７における載置部５７ａと第２のカバー５６における内側天面部とにより、第２のゴム体３６および第１のゴム体３９を圧縮した状態で、第１の基台３２および第１のカバー３５を支持している。
【００２８】
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。
【００２９】
まず、互いに結晶軸の異なる単結晶からなる水晶製の薄板を貼り合わせることにより第１の振動体２１、第２の振動体２６および接続部３１からなる音叉３１ａを形成する。
【００３０】
次に、第１の振動体２１の正面に第１の駆動電極２２、裏面に第２の駆動電極２３、外側面に第１の検出電極２４、内側面に第２の検出電極２５、第２の振動体２６の正面に第４の駆動電極２７、裏面に第３の駆動電極２８、内側面に第４の検出電極３０、外側面に第３の検出電極２９を金を蒸着することによりそれぞれ形成する。
【００３１】
次に、第１の基台３２における端子挿入孔３３に端子３４を挿通させた後、端子挿入孔３３にガラスからなる絶縁物（図示せず）を充填し、第１の基台３２に、端子３４を固着する。
【００３２】
次に、音叉３１ａにおける接続部３１を第１の基台３２の上面に固着した後、第１の基台３２における端子３４を第１の駆動電極２２、第２の駆動電極２３、第１の検出電極２４、第２の検出電極２５、第４の駆動電極２７、第３の駆動電極２８、第３の検出電極２９および第４の検出電極３０にそれぞれ金からなるリード線（図示せず）を介して、ワイヤーボンディングにより接続する。
【００３３】
次に、第１の基台３２の外周部を第１のカバー３５により、内側が真空になるように、真空の雰囲気中で溶着する。
【００３４】
次に、回路基板４４に電子部品４６を実装した後、フレキシブル配線板４７を回路基板４４に半田付けし、フレキシブル配線板４７を電子部品４６に電気的に接続する。
【００３５】
次に、回路基板４４における端子挿入孔４９に電源端子５０、ＧＮＤ端子５１および出力端子５２を挿入した後、これらの端子を回路基板４４に半田付けして、電気的に接続する。
【００３６】
次に、回路基板４４における溝部４８に支持板５７の支持脚５８を嵌め合わせる。
【００３７】
このとき、支持板５７における支持脚５８の下端部が第２の基台５３における上面に当接するように構成されている。
【００３８】
次に、支持板５７における載置部５７ａの上面に第２のゴム体３６を載置した後、さらに第２のゴム体３６の上面に第１の基台３２および第１のカバー３５を載置する。
【００３９】
次に、第１のカバー３５の上面および外側面に第１のゴム体３９を被せ、第２のゴム体３６および第１のゴム体３９により、第１のカバー３５および第１の基台３２を挟持する。
【００４０】
最後に、第２の基台５３の外周部を第２のカバー５６で溶着し、第２のカバー５６および第２の基台５３の内側に、第１のゴム体３９、第１のカバー３５、音叉３１ａ、第１の基台３２、第２のゴム体３６、支持板５７および回路基板４４を収納する。
【００４１】
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。
【００４２】
音叉における第１の駆動電極２２、第２の駆動電極２３、第３の駆動電極２８および第４の駆動電極２７に交流電圧を印加する。このとき、まず、図１０に示すように、第１の振動体２１における第２の駆動電極２３に正電圧を印加するとともに、第１の駆動電極２２に負電圧を印加すると、第１の検出電極２４側では、水晶製の薄板における結晶軸の方向と電荷の方向が一致するため、伸びることとなるとともに、第２の検出電極２５側では、結晶軸の方向と電荷の方向が反対になるため縮むこととなり、その結果、第１の振動体２１が第２の振動体２６側に傾く。次に、図１１に示すように、第１の振動体２１における第２の駆動電極２３に負電圧を印加するとともに、第１の駆動電極２２に正電圧を印加すると、第１の検出電極２４側では、水晶製の薄板における結晶軸の方向と電荷の方向が反対になるため、縮むことになるとともに、第２の検出電極２５側では、結晶軸の方向と電荷の方向が同じになるため伸びることとなり、その結果、第１の振動体２１が外側に傾くことになる。
【００４３】
そして、第２の振動体２６における第３の駆動電極２８および第４の駆動電極２７にも同様に交流電圧を印加するとともに、第１の振動体２１と第２の振動体２６とは接続部３１により機械的に接続されているから、第１の振動体２１および第２の振動体２６は接続部３１の長手方向に駆動方向の固有振動数において速度Ｖで屈曲振動する。そしてまた、この第１の振動体２１および第２の振動体２６が屈曲振動している状態において、音叉が音叉の長手方向の中心軸周りに角速度ωで回転すると、第１の振動体２１および第２の振動体２６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、第１の検出電極２４、第２の検出電極２５、第３の検出電極２９および第４の検出電極３０に発生する電荷からなる出力信号を金からなるリード線（図示せず）、端子３４、フレキシブル配線板４７を介して回路基板４４における電子部品４６により出力電圧に変換し、さらに第２の基台５３における出力端子５２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。
【００４４】
ここで、上下方向の強い衝撃力が角速度センサに加わる場合を考えると、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、支持板５７における２つの壁部５９の上端に当接部６０を設け、この当接部６０に第１のゴム体３９における下面を当接させ、かつ第２のカバー５６を第１のゴム体３９に被せることにより、前記第１のゴム体３９を介して前記支持板５７を第２の基台５３の方向に押さえつけるようにしたもので、この構成によれば、角速度センサに上下方向の大きな衝撃力が加わったとしても慣性力により支持板５７が第２の基台５３の上面より離れることがないため、音叉に角速度により発生するコリオリ力以外の余分な外力が加わるということがなくなり、その結果、上下方向の衝撃に対して出力特性が安定した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。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように本発明の角速度センサは、角速度に応じて信号を出力する音叉と、前記音叉の一部を上面に固着する第１の基台と、前記第１の基台に固着され、かつ前記音叉を覆う第１のカバーと、この第１のカバーの上面と当接する第１のゴム体と、前記第１の基台の下面に上面が当接する第２のゴム体と、この第２のゴム体の下面に上面が当接する支持板と、この支持板に上面が当接する第２の基台と、前記第２の基台と音叉、第１の基台、第１のカバー、第１のゴム体、第２のゴム体および支持板を覆う有底筒状の第２のカバーとを備え、前記支持板の上面から上方へ突出するように少なくとも４つの壁部を設け、この壁部により、前記第２のゴム体における４つの側面を位置決め固定するようにしたから、横方向の振動により第２のゴム体が動こうとしても４つの壁部が動きを抑制することとなり、横方向の振動に対して音叉が移動してしまうということがなくなるため、外部からの振動に対して特性が向上するとともに、前記支持板における少なくとも２つの壁部の上端に当接部を設け、この当接部に第１のゴム体における下面を当接させ、かつ第２のカバーを第１のゴム体に被せることにより、前記第１のゴム体を介して前記支持板を第２の基台の方向に押さえつけるようにしたから、角速度センサに上下方向の大きな衝撃力が加わったとしても慣性力により支持板が第２の基台の上面より離れることがないこととなり、これにより、音叉に角速度により発生するコリオリ力以外の余分な外力が加わるということがないから、上下方向の衝撃に対して出力特性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。
【図面の簡単な説明】
【図１】  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】  同角速度センサの側断面図および側面図
【図３】  同角速度センサにおける音叉の斜視図
【図４】  同角速度センサにおける音叉を裏側から見た斜視図
【図５】  同角速度センサにおける第２のゴム体の斜視図
【図６】  同角速度センサにおける第１のゴム体の斜視図
【図７】  同角速度センサにおける回路基板の斜視図
【図８】  同角速度センサにおける回路基板にフレキシブル配線板を半田付けした状態を示す上面図
【図９】  同角速度センサにおける支持板の斜視図
【図１０】  同角速度センサにおける音叉の動作状態を示す断面図
【図１１】  同角速度センサにおける音叉の動作状態を示す断面図
【図１２】  従来の角速度センサにおける基台に音叉を固着した状態を示す斜視図
【図１３】  同角速度センサの側断面図
【符号の説明】
３１ａ  音叉
３２  第１の基台
３５  第１のカバー
３６  第２のゴム体
３６ａ  支持用壁
３７  載置部
３８  第１の凹部
３９  第１のゴム体
４２  逃げ凹部
５３  第２の基台
５６  第２のカバー
５７  支持板
５９  壁部
６０  当接部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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