JPH11325909A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 支持部材の振動子や半田付け材料に対する濡
れ性を改善し、特性のばらつきが生じない角速度センサ
を提供する。 【解決手段】 振動子２を支持する一対の支持部材６，
７が、金属線材６ａ，７ａに金の皮膜６ｃ，７ｃが成膜
されてなるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、カーナビゲーショ
ンシステム等における方向検知や、カメラ一体型ビデオ
テープレコーダ等の手振れ検知に用いられる角速度セン
サに関し、特に、圧電素子を用いた角速度センサに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、慣性座標系の角速度を検出し
て航空機等の進行方向を算出するといった用途に角速度
センサが用いられている。この角速度センサは、近年、
自動車に搭載されるナビゲーションシステムの補助機能
として、又はカメラ一体型ビデオテープレコーダの手振
れ防止機能の手振れ検出等に応用されており、その需要
が急上昇している。

【０００３】このような角速度センサとしては、例え
ば、略三角柱状や略四角柱状に形成され、線状の支持部
材により支持されて基台上に配設された振動子の側面
に、この振動子を所定の方向に振動させるための圧電素
子と、この振動子の回転を検出するための圧電素子とが
接合されてなるものが提案されている。

【０００４】この種の角速度センサは、振動子を振動さ
せる圧電素子に駆動信号が供給されると、振動子が支持
部材により支持されている点を振動ノード点として屈曲
振動をする。この状態で、角速度センサが振動子の軸を
中心とした回転運動をすると、屈曲振動の振動方向に対
して直交する方向にコリオリ力が発生し、このコリオリ
力により振動子の屈曲振動の振動方向が変化することと
なる。

【０００５】この角速度センサは、圧電素子によりコリ
オリ力による屈曲運動の振動方向の変化を感知すること
によって、その回転角速度を検出するようにしている。

【０００６】ところで、この角速度センサにおいて、振
動子を支持する線状の支持部材は、圧電素子に電気信号
を入出力するための信号線としての機能も有しており、
端部が基台上にプリント形成された配線パターンに半田
付けされることにより、基台に取り付けられている。

【０００７】したがって、この角速度センサにおいて、
支持部材は、振動子を確実に支持するに足る剛性を有す
ると共に、良好な半田付け性を有することが望まれてお
り、例えば、タングステンやモリブデン等の剛性の高い
金属線に、ニッケル皮膜が施されてなるものが用いられ
ていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した角
速度センサにおいては、感度、残留ノイズ、外乱の影響
等に対する安定性は、振動子の組立精度、特に振動子が
支持された状態に大きく依存する。しかしながら、この
角速度センサにおいて用いられていたニッケル皮膜が施
されてなる支持部材は、この支持部材を振動子に接合す
る際の振動子に対する濡れ性や、この支持部材を基台の
配線パターンに半田付けする際の半田付け材料に対する
濡れ性に問題があった。このため、角速度センサは、そ
の特性にばらつきが生じてしまう場合があった。

【０００９】そこで、本発明は、支持部材の振動子や半
田付け材料に対する濡れ性を改善し、特性のばらつきが
生じない角速度センサを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る角速度セン
サは、柱状に形成された振動子と、この振動子の側面に
取り付けられ、この振動子を所定の方向に振動させ、又
はこの振動子の回転を検出する圧電素子と、振動子を基
台上に支持する一対の支持部材とを備えている。そし
て、この角速度センサは、支持部材が、線材に金の皮膜
が形成されてなることを特徴としている。

【００１１】この角速度センサは、圧電素子に駆動信号
が供給されると、支持部材に支持された振動子が屈曲振
動をする。このとき、角速度センサは、振動子の軸を中
心として回転運動をすると、屈曲振動の振動方向に対し
て直交する方向にコリオリ力が発生し、このコリオリ力
により振動子の屈曲振動の振動方向が変化する。

【００１２】この角速度センサは、このコリオリ力によ
る屈曲運動の振動方向の変化を圧電素子により感知する
ことによって、その回転角速度を検出する。

【００１３】この角速度センサにおいては、振動子を支
持する支持部材が、線材に金の皮膜が形成されてなるの
で、この支持部材の振動子や半田付け材料に対する濡れ
性が大幅に改善される。これにより、この角速度センサ
は、例えば、振動子と支持部材との接合強度のばらつき
が減少するので、支持部材の振動子に対する接合強度を
必要以上に上げる必要がなく、必要最小限の範囲での接
合が可能となる。その結果、角速度センサは、振動子の
Ｑの低下が抑制され、感度が向上する。

【００１４】また、この角速度センサにおいては、支持
部材の振動子や半田付け材料に対する濡れ性が大幅に改
善されたことにより、支持部材を基台に取り付ける際の
濡れ状態を均一にすることが可能で、各振動方向におけ
る共振周波数やＱのばらつきが抑制され、角速度の検出
を良好に行うことができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００１６】本発明に係る角速度センサ１は、例えば図
１及び図２に示すように、断面が略矩形の柱状体に形成
された振動子２と、この振動子２の側面に取り付けられ
た２つの圧電素子３，４と、圧電素子３，４が取り付け
られた振動子２を基台５上に支持する一対の支持部材
６，７とを備えている。

【００１７】振動子２は、例えば、エリンバ等の一般に
機械的な振動を生じるような恒弾性材料が、断面が略矩
形の柱状体に成形されてなる。なお、この振動子２は、
成形加工された後に真空で４００〜６００℃に加熱処理
されることによって、検出感度の温度特性の調節が可能
である。

【００１８】この振動子２は、４つの側面を有してお
り、その４つの側面のうち隣り合う２つの側面２ａ，２
ｂに、圧電素子３，４が取り付けられている。そして、
この振動子２は、圧電素子３，４が取り付けられた２つ
の側面２ａ，２ｂ以外の２側面の交わる角部に、基台５
に取り付けられた一対の支持部材６，７が接合され、こ
の支持部材６，７により支持されて基台５上に吊り下げ
られるように配設される。

【００１９】振動子２の２つの側面２ａ，２ｂに取り付
けられた圧電素子３，４は、それぞれ圧電特性を有する
圧電層３ａ，４ａと、この圧電層３ａ，４ａの両面に形
成された一対の電極層３ｂ，３ｃ，４ｂ，４ｃとから構
成されている。そして、これら圧電素子３，４は、とも
に略矩形の板状とされ、振動子２の側面２ａ，２ｂより
もやや小となるように形成されている。

【００２０】圧電素子３，４を構成する圧電層３ａ，４
ａは、例えばＰＺＴ等の圧電セラミックスが板状に成形
されることにより形成される。なお、圧電層３ａ，４ａ
に用いられる材料は、圧電特性を有するものであればよ
く、上記の材料に限定されるものではない。

【００２１】また、圧電素子３，４を構成する電極層３
ｂ，３ｃ，４ｂ，４ｃは、例えば金のような導電体から
なり、無電解メッキ等の手法により圧電層３ａ，４ａの
両面に形成される。

【００２２】そして、この圧電素子３，４は、振動子２
の側面に対して、エポキシ樹脂等の接着剤により熱硬化
工程を経て接着される。

【００２３】この角速度センサ１において、２つの圧電
素子３，４は、ともに振動子２を所定の方向へ励振させ
る機能と振動子２の回転を検出する機能とを有してい
る。そして、これら２つの圧電素子３，４は、ともに一
方の電極層３ｂ，４ｂがリード線８，９を介して基台５
上に形成された配線パターンに電気的に接続され、他方
の電極層３ｃ，４ｃが振動子２及び支持部材６，７を介
して、基台５上に形成された配線パターンに電気的に接
続されている。

【００２４】振動子２を支持する支持部材６，７は、図
３に示すように、例えば、タングステンやモリブデン等
の剛性の高い金属からなる金属線材６ａ，７ａにニッケ
ル下地膜６ｂ，７ｂ、金（Ａｕ）の皮膜６ｃ，７ｃがそ
れぞれ成膜されてなり、全体略コ字状を呈するように形
成されている。そして、支持部材６，７は、それぞれ両
端部が、基台５に埋設されると共に基台５上に形成され
た配線パターンに半田付けされ、その略中央部が、振動
子２の上記角部に抵抗溶接やレーザ溶接等の手法により
接合されている。なお、図３においては、一対の支持部
材６，７のうち、一方の支持部材７を一部のニッケル下
地膜７ｂ及び金（Ａｕ）の皮膜７ｃを除去した状態で示
している。

【００２５】また、この支持部材６，７と振動子２との
接合点は、極力振動の妨げとならないように、図１に示
すように、振動子２の長さをＬとしたときに、振動子２
の両端から約０．２２４Ｌの位置とされることが望まし
い。

【００２６】また、ここでは、全体略コ字状を呈するよ
うに形成された支持部材６，７について説明するが、支
持部材６，７の形状はこの例に限定されるものではな
く、例えば、円弧形状や全体略Ｖ字状を呈するように形
成されていてもよい。

【００２７】また、ここでは、支持部材６，７が振動子
２を基台５上に吊り下げるように支持した角速度センサ
１について説明するが、本発明に係る角速度センサはこ
の例に限定されるものではなく、例えば、支持部材６，
７上に振動子２が支持されるようにしてもよい。

【００２８】支持部材６，７のニッケル下地膜６ｂ，７
ｂは、タングステンやモリブデン等からなる金属線材６
ａ，７ａとの密着性や、支持部材６，７を基台５上に形
成された配線パターンに半田付けする際の半田食われ等
を考慮して、膜厚が１〜５μｍの範囲内とされているこ
とが望ましい。また、支持部材６，７の金の皮膜６ｃ，
７ｃは、振動子２との接合状態や支持部材６，７を基台
５上に形成された配線パターンに半田付けする際の濡れ
性の向上等を考慮して、膜厚が０．０３〜１μｍの範囲
内とされていることが望ましい。金の皮膜６ｃ，７ｃ
は、その膜厚が０．０３μｍ以下であると、濡れ性の向
上が図れず効果が得られない。また、金の皮膜６ｃ，７
ｃは、その膜厚が１μｍ以上であると、製造コストの上
昇や振動子２のＱの低下を招くため好ましくない。

【００２９】また、ニッケル下地膜６ｂ，７ｂ及び金の
皮膜６ｃ，７ｃは、量産性を考慮すると、無電解ニッケ
ルメッキを行ってニッケル下地膜６ｂ，７ｂを成膜した
後に、電解金メッキを行って金の皮膜６ｃ，７ｃを成膜
することにより形成することが望ましいが、蒸着法やス
パッタリング法等によりそれぞれの膜を成膜するように
してもよい。

【００３０】以上のように構成された角速度センサ１
は、振動子２の屈曲運動の振動方向が変化する際、振動
子２に働くコリオリ力を検出する。

【００３１】この角速度センサ１においては、圧電素子
３，４に対して駆動信号が供給されると、圧電素子３，
４が一対の支持部材６，７に支持された点を駆動ノード
点として、振動子２を図１中矢印Ｓで示す方向に安定的
に振動させる。

【００３２】このとき、振動子２が図１中矢印Ｓで示す
方向にのみ振動している場合、一対の圧電素子３，４
は、それぞれ同様に屈曲するために、それぞれ同様な正
弦波を出力する。したがって、これら一対の圧電素子
３，４からの出力電圧の差動を取ると、ほぼ０となる。
すなわち、角速度センサ１は、一対の圧電素子３，４か
らの出力の差動が０であることを確認すれば、無回転を
検出することができる。

【００３３】一方、角速度センサ１は、外部からの震動
等が加えられると、振動子２の中心を軸として回転運動
をする。このとき、角速度センサ１には、無回転時の振
動方向に対して略直交する方向にコリオリ力が発生す
る。そのため、角速度センサ１の振動方向は、無回転時
の振動方向からずれることとなる。

【００３４】このとき、一対の圧電素子３，４は、振動
子２の振動方向が変化するため、それぞれが異なった屈
曲を起こすこととなる。このため、それぞれの圧電素子
３，４は、異なった正弦波を出力することとなる。すな
わち、これら一対の圧電素子３，４のうち、例えば、一
方の圧電素子３からの出力電圧が他方の圧電素子４から
の出力電圧と比較して大となる。

【００３５】したがって、この角速度センサ１では、こ
れら一対の圧電素子３，４からの出力の差動をとると、
所定の値を示す出力信号を検出することができる。そし
て、この出力信号は、振動子２の振動方向変化の度合い
に応じて変化する。具体的には、振動子２の振動方向の
変化が大きい場合には、大きな出力信号となる。これに
より、この角速度センサ１では、出力信号を測定するこ
とにより振動方向の変化を測定することができる。

【００３６】本発明に係る角速度センサ１においては、
振動子２を支持する一対の支持部材６，７が、タングス
テンやモリブデン等の剛性の高い金属からなる金属線材
６ａ，７ａにニッケル下地膜６ｂ，７ｂ、金（Ａｕ）の
皮膜６ｃ，７ｃがそれぞれ成膜されてなるので、この支
持部材６，７の振動子２や半田付け材料に対する濡れ性
が大幅に改善される。これにより、この角速度センサ１
は、例えば、振動子２と一対の支持部材６，７との接合
強度のばらつきが減少するので、一対の支持部材６，７
の振動子２に対する接合強度を必要以上に上げる必要が
なく、必要最小限の範囲での接合が可能となる。その結
果、角速度センサ１は、振動子２のＱの低下が抑制さ
れ、感度が向上する。

【００３７】また、この角速度センサ１においては、一
対の支持部材６，７の振動子２や半田付け材料に対する
濡れ性が大幅に改善されたことにより、一対の支持部材
６，７を基台５に取り付ける際の濡れ状態を均一にする
ことが可能で、各振動方向における共振周波数やＱのば
らつきが抑制され、角速度の検出を良好に行うことがで
きる。

【００３８】なお、以上は断面が略矩形の柱状体に成形
されてなる振動子２を備えた角速度センサ１について説
明したが、本発明に係る角速度センサはこの例に限定さ
れるものではなく、例えば、図４及び図５に示すよう
に、断面が三角形状の柱状体に成形されてなる振動子１
１を備えて構成されてもよい。

【００３９】この図４及び図５に示す角速度センサ１０
においては、振動子１１がその一つの角部にて一対の支
持部材６，７に接合され、この支持部材６，７により支
持されて基台５上に吊り下げられるように配設される。

【００４０】この振動子１１の３つの側面には、それぞ
れ圧電素子１２，１３，１４が取り付けられている。そ
して、この角速度センサ１０においては、３つの圧電素
子１２，１３，１４のうち、振動子１１の基台５と対向
する面に取り付けられた圧電素子１２が、振動子１１を
所定の方向へ励振させる駆動用圧電素子として機能し、
他の圧電素子１３，１４が、振動子１１の回転を検出す
る検出用圧電素子として機能する。

【００４１】駆動用圧電素子１２と検出用圧電素子１
３，１４は、それぞれ圧電特性を有する圧電層１２ａ，
１３ａ，１４ａと、この圧電層１２ａ，１３ａ，１４ａ
の両面に形成された一対の電極層１２ｂ，１２ｃ，１３
ｂ，１３ｃ，１４ｂ，１４ｃとから構成されている。そ
して、これら駆動用圧電素子１２と検出用圧電素子１
３，１４は、それぞれ一方の電極層１２ｂ，１３ｂ，１
４ｂがリード線１５，１６，１７を介して基台５上に形
成された配線パターンに電気的に接続され、他方の電極
層１２ｃ，１３ｃ，１４ｃが振動子１１及び支持部材
６，７を介して、基台５上に形成された配線パターンに
電気的に接続されている。

【００４２】なお、この断面が三角形状の柱状体に成形
されてなる振動子１１を備える角速度センサ１０におい
ては、３つの圧電素子１２，１３，１４のうち、振動子
１１の基台５と対向する面に取り付けられた圧電素子１
２を帰還用に用い、他の圧電素子１３，１４に、振動子
１１を所定の方向へ励振させる機能と振動子１１の回転
を検出する機能とを持たせるようにしてもよい。

【００４３】また、この角速度センサ１０において、支
持部材６，７は、上述した角速度センサ１の支持部材
６，７と同様に、タングステンやモリブデン等の剛性の
高い金属からなる金属線材にニッケル下地膜、金（Ａ
ｕ）の皮膜がそれぞれ成膜されてなり、全体略コ字状を
呈するように形成されている。そして、支持部材６，７
は、それぞれ両端部が、基台５に埋設されると共に基台
５上に形成された配線パターンに半田付けされ、その略
中央部が、振動子１１の上記角部に抵抗溶接やレーザ溶
接等の手法により接合されている。

【００４４】以上のように構成された角速度センサ１０
は、上述した角速度センサ１と同様に、振動子１１を支
持する一対の支持部材６，７が、タングステンやモリブ
デン等の剛性の高い金属からなる金属線材にニッケル下
地膜、金（Ａｕ）の皮膜がそれぞれ成膜されてなるの
で、この支持部材６，７の振動子１１や半田付け材料に
対する濡れ性が大幅に改善される。これにより、この角
速度センサ１０は、例えば、振動子１１と一対の支持部
材６，７との接合強度のばらつきが減少するので、一対
の支持部材６，７の振動子１１に対する接合強度を必要
以上に上げる必要がなく、必要最小限の範囲での接合が
可能となる。その結果、角速度センサ１は、振動子１１
のＱの低下が抑制され、感度が向上する。

【００４５】また、この角速度センサ１０においては、
一対の支持部材６，７の振動子１１や半田付け材料に対
する濡れ性が大幅に改善されたことにより、一対の支持
部材６，７を基台５に取り付ける際の濡れ状態を均一に
することが可能で、各振動方向における共振周波数やＱ
のばらつきが抑制され、角速度の検出を良好に行うこと
ができる。

【００４６】

【発明の効果】本発明に係る角速度センサは、振動子を
支持する一対の支持部材が、線材に金の皮膜が形成され
てなるように構成されているので、一対の支持部材の振
動子や半田付け材料に対する濡れ性が大幅に改善され、
各振動方向における共振周波数やＱのばらつきが抑制さ
れるので、角速度の検出を良好に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る角速度センサの全体斜視図であ
る。

【図２】上記角速度センサの要部断面図である。

【図３】上記角速度センサの要部斜視図である。

【図４】本発明に係る他の角速度センサの全体斜視図で
ある。

【図５】上記角速度センサの要部断面図である。

【符号の説明】

１，１０ 角速度センサ、２，１１ 振動子、３，４，
１２，１３，１４ 圧電素子、５ 基台、６，７ 支持
部材、６ａ，７ａ 金属線材、６ｂ，７ｂ ニッケル下
地膜、６ｃ，７ｃ 金の皮膜

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 柱状に形成された振動子と、 上記振動子の側面に取り付けられ、上記振動子を所定の
   方向に振動させ、又は上記振動子の回転を検出する圧電
   素子と、 上記振動子を基台上に支持する一対の支持部材とを備
   え、 上記支持部材は、線材に金の皮膜が形成されてなること
   を特徴とする角速度センサ。
2. 【請求項２】 上記金の皮膜は、膜厚が０．０３〜１μ
   ｍの範囲内とされていることを特徴とする請求項１記載
   の角速度センサ。
3. 【請求項３】 上記振動子の断面形状が略矩形とされる
   ことを特徴とする請求項１記載の角速度センサ。