JP3593197B2

JP3593197B2 - Piezoelectric vibration gyro

Info

Publication number: JP3593197B2
Application number: JP34870595A
Authority: JP
Inventors: 長幸小野
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1995-12-18
Filing date: 1995-12-18
Publication date: 2004-11-24
Anticipated expiration: 2015-12-18
Also published as: JPH09166447A

Description

【０００１】
【利用される産業分野】
本発明は、カメラ一体型ＶＴＲの手振れ防止や自動車のナビゲーションシステムなどに用いられるジャイロスコープの内、特に、圧電振動子の超音波振動を用いた、いわゆる圧電振動ジャイロに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、従来の振動ジャイロに用いられる音片振動子の構造概略を示す斜視図である。音片振動子を用いた振動ジャイロは、音片振動子の屈曲振動モードを利用しており、屈曲振動モードを励振するために、エリンバー等の恒弾性金属振動体に圧電セラミック薄板を接着している。
【０００３】
音片振動子３１の隣り合う面に、駆動および検出用の圧電セラミック薄板３２、３３が接着されている。駆動用の圧電セラミック薄板３２にこの音片振動子３１の共振周波数にほぼ等しい周波数の交流電圧を印加すると、振動子は駆動振動面に沿って振動する。
【０００４】
音片振動子３１は、その屈曲振動の節点線３４上で金属支点３５の溶着等により固定されている。駆動、検出用の圧電セラミック薄板３２，３３に半田付けされた入出力用のリード線３６は、励振振動への影響をなるべく少なくするように、節点線３４上まで引き回して、そこから外部に引き出される。
【０００５】
図９は、従来の振動ジャイロの構造概略を示す分解斜視図である。従来の圧電振動ジャイロは、前記音片振動子３１を具備した振動子ユニットと駆動・検出回路基板３７に衝撃緩衝用のシリコンダンパー３８を装着し、樹脂ケース３９に収納されている。
【０００６】
フレキシブル基板４０は、振動子ユニットと駆動・検出回路基板３７を電気的に接続している。駆動・検出回路の動作電源電圧や出力信号は、フレキシブル基板４１を介して樹脂ケース３９に一体成形によって形成された信号端子ピン４２から入出力される。
【０００７】
振動子ユニットおよび駆動・検出回路が収納された樹脂ケース３９は、開放端部を上蓋４３で封じ、接着樹脂によってモールドされる。そして、前記樹脂ケース３９に金属ケース４４を被せ、固定用の爪４５を数箇所折り曲げ、樹脂ケース３９を固定する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の振動ジャイロには、金属ケースが使われていることが多い。そのため、図５に示すように、振動ジャイロを外部基板２６に取り付ける場合、固定用の爪２４を折り曲げ、または半田付けしなければならなかった。
【０００９】
また、振動子が金属であるため、外部からの電磁的ノイズの影響を受けやすい。そこで、この外部ノイズを遮蔽するためにケーシングし、それをアース接地することによってシールドしなければならないという欠点があった。
【００１０】
本発明の課題は、前記金属ケースを用いずに、外部基板に固定する機能を有する樹脂ケースを用いて、低コストの圧電振動ジャイロを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、円柱状圧電セラミックからなる振動子を具備したホルダーに衝撃緩衛用のシリコンダンパーを両端に装着した振動子ユニットと駆動・検出回路を収納する、一外側面に数本の入出力用の信号端子ピンとともに１個あるいは数個の外部基板固定用の爪を有する金属薄板金具を一体成形した樹脂ケースを用いることを特徴とする圧電振動ジャイロが得られる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、実施例を用いて説明する。
図１は、本発明の振動ジャイロに用いられる樹脂ケースを示す説明図であり、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は断面図である。
図２は、本発明の振動ジャイロに用いられる樹脂ケースの金属薄板金具を示す斜視図であり、図２（ａ）は、２脚の金属薄板金具の斜視図、図２（ｂ）は、コ字形の金属薄板金具の斜視図、図２（ｃ）は、Ｈ字形の金属薄板金具の斜視図である。
図３は、本発明の圧電振動ジャイロに用いられる振動子、支持具及び振動子を組み込んだホルダーの構造を示す斜視図である。図３（ａ）は振動子の斜視図、図３（ｂ）は支持具の斜視図、図３（ｃ）は振動子を組み込んだホルダの斜視図である。
図４は、本発明の圧電振動ジャイロの構造概略を示す斜視図である。
【００１３】
本発明の圧電振動ジャイロは、図３、図４に示すように、円柱状圧電セラミックの振動子６を支持具１１の貫通孔１２に挿入し、前記支持具１１の貫通孔１２の縁部で振動子１１の屈曲振動の節点線１０を支持し、この支持具と振動子の接する部分に、シリコーンゴムを注入して接着してなるホルダー１３に、衝撃緩衝用のシリコンダンパー１６を両端に装着した振動子ユニットと駆動・検出回路基板１７を樹脂ケース１８に収納したものである。
【００１４】
振動子６と駆動・検出回路基板１７の接続用フレキシブル基板１９は、ホルダーの金属端子棒１５によって、振動子と駆動・検出回路基板を電気的に接続している。駆動・検出回路の動作電源電圧や出力信号は、駆動・検出回路基板１７と信号端子ピン２１の接続用フレキシブル基板２０によって、樹脂ケース１８に一体成形によって形成された信号端子ピン２１から入出力される。
【００１５】
振動子ユニットおよび駆動・検出回路を収納する樹脂ケース１は、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、従来のケースと同様に、数本の信号端子ピン３を、有底に埋設し外壁に突き抜けるように一体成形し、上蓋で閉じられ、接着樹脂によってモールドされる。前記樹脂ケース１に上蓋２２（図４参照）をかぶせた後、金属薄板金具２の固定用の爪２ａを数箇所折り曲げ、樹脂ケース１を基板に固定する。
【００１６】
また、樹脂ケース１は、図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、固定用の爪２ａ２個を１組としたコの字形の金属薄板金具２を前記外壁に埋没するように２個設けている。また、爪２ａは、信号端子ピン３を植設した外壁に４箇所突出している。
【００１７】
図２（ａ）に示す金型薄板金具４は、２本の脚を設けて、その２本の脚を開いた状態のものである。また、図２（ｂ）に示すコ字形のものは、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示したものである。また、図２（ｃ）に示すＨ字形で、固定用の爪２ａ４個１組とした金属薄板金具５も、１個一体で埋設されるので、他の金具に比べ、強度が大きい。このような前記外部基板固定用の爪を有する金属薄板金具２，４，５を設けることにより、金属ケースの使用を省略できるので、コストを低減できる。
【００１８】
本発明の振動ジャイロにおいては、金属ケースの基板に取り付ける機能を従来の樹脂ケースにもたせることで、前記樹脂ケースと前記金属ケースの両者併用をやめて、単独で使用することができる。
【００１９】
次に、本発明の振動ジャイロが、外部磁界の影響を受けるかどうかを調べた。前記エリンバーの恒弾性金属振動体に圧電セラミック薄板と接着している音片振動子を用いた従来の振動ジャイロと本発明の振動ジャイロとを比較したのが、図６のグラフである。
【００２０】
図６（ａ）は、比較例として、金属ケースを使用しない場合における前記音片振動子を使用した振動ジャイロの出力ノイズを示したものである。
【００２１】
図６（ｂ）は、比較例として、金属ケースを使用した場合における音片振動子を使用した振動ジャイロの出力ノイズを示したものである。
【００２２】
図６（ｃ）は、円柱状セラミックからなる振動子及び樹脂ケースを用いた本発明の圧電振動ジャイロの出力ノイズを示したものである。
【００２３】
図６に示すように、金属ケースを使用しない場合における音片振動子を使用した比較例の振動ジャイロは、出力ノイズが大きく、本発明の振動ジャイロと金属ケースを使用した場合の音片振動子を用いた振動ジャイロとが、ほぼ同レベルの出力ノイズであることがわかる。
【００２４】
次に、シールドした音片振動子を用いた振動ジャイロと本発明の振動ジャイロに、６．２５×１０^−２Ｗｂ／ｍ^２の外部磁界を印加し、各々の振動ジャイロの耐磁界特性である出力を調べた。
【００２５】
図７（ａ）は、６．２５×１０^−２Ｗｂ／ｍ^２の外部磁界の波形を示している。図７（ｂ）は、本発明の振動ジャイロの出力変化を示している。図７（ｃ）は、シールドした場合の音片振動子を用いた比較例の振動ジャイロの出力変化を示している。
【００２６】
図７より、本発明の振動ジャイロが外部磁界の影響が、きわめて小さいことが分かる。
【００２７】
【発明の効果】
以上に示したように、本発明によれば、セラミック単体からなる円柱状の振動子の特長を生かし、金属ケースを用いずに、外部基板に固定する機能を有する樹脂ケースを提供し、圧電振動ジャイロの低コスト化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の振動ジャイロに用いられる樹脂ケースを示す説明図。図１（ａ）は樹脂ケースの構造示す斜視図。図１（ｂ）は樹脂ケースの構造を示す断面図。
【図２】本発明の振動ジャイロに用いられる樹脂ケース用の金属薄板金具を示す斜視図。図２（ａ）は２脚の金属薄板金具の斜視図。図２（ｂ）はコ字形の金属薄板金具の斜視図。図２（ｃ）はＨ字形の金属薄板金具の斜視図。
【図３】圧電振動ジャイロに用いられる振動子、支持具及び振動子も組み込んだホルダーの構造概略を示す斜視図。図３（ａ）は振動子の斜視図。図３（ｂ）は支持具の斜視図。図３（ｃ）は振動子を組込んだホルダーの斜視図。
【図４】本発明の圧電振動ジャイロの構造概略を示す分解斜視図。
【図５】圧電振動ジャイロの固定方法の説明図。
【図６】音片振動子とセラミック単体振動子を用いた振動ジャイロの出力ノイズを比較した特性図。図６（ａ）はシールドしない場合の音片振動子を用いた振動ジャイロの出力ノイズの特性図。図６（ｂ）はシールドした場合の音片振動子を用いた振動ジャイロの出力ノイズの特性図。図６（ｃ）は本発明の振動ジャイロの出力ノイズの特性図。
【図７】音片振動子とセラミック単体振動子を用いた振動ジャイロの耐磁界特性を示す図。図７（ａ）は印加磁界の波形を示す図。図７（ｂ）は印加磁界を加えたときの外部磁界に対する本発明の振動ジャイロの出力変化を示す図。図７（ｃ）は印加磁界を加えたときの外部磁界に対する音片振動子を用い、シールドした場合の振動ジャイロの出力変化を示す図。
【図８】従来の振動ジャイロに用いられる音片振動子の斜視図。
【図９】従来の振動ジャイロの分解斜視図。
【符号の説明】
１，１８，３９樹脂ケース
２，４，５金属薄板金具
２ａ，４５爪
３，２１，４２信号端子ピン
６振動子
７帯状電極
８，３６リード線
９半田点
１０，３４節点線
１１支持具
１２（支持具の）貫通孔
１３ホルダー
１４（ホルダーの）貫通孔
１５金属端子棒
１６，３８シリコンダンパー
１７，３７駆動・検出回路基板
１９，４１（振動子と駆動・検出回路基板の接続用）フレキシブル基板
２０，４０（駆動・検出回路基板と信号端子ピンの接続用）フレキシブル基板
２２，４３上蓋
２３，４４金属ケース
２５端子
２６外部基板
３１音片振動子
３２，３３圧電セラミック薄板
３５金属支点[0001]
[Industrial fields used]
The present invention relates to a so-called piezoelectric vibrating gyroscope using ultrasonic vibration of a piezoelectric vibrator, particularly to a gyroscope used for preventing camera shake of a camera-integrated VTR and for a car navigation system.
[0002]
[Prior art]
FIG. 8 is a perspective view schematically showing the structure of a resonator element used in a conventional vibrating gyroscope. The vibrating gyroscope using the vibrator vibrator uses the bending vibration mode of the vibrator vibrator.To excite the bending vibration mode, a piezoelectric ceramic thin plate is bonded to a constant elastic metal vibrator such as Elinvar. I have.
[0003]
Driving and detecting piezoelectric ceramic thin plates 32 and 33 are adhered to adjacent surfaces of the resonator element 31. When an AC voltage having a frequency substantially equal to the resonance frequency of the resonator element 31 is applied to the driving piezoelectric ceramic thin plate 32, the resonator vibrates along the driving vibration surface.
[0004]
The resonator element 31 is fixed on the node line 34 of the bending vibration by welding a metal fulcrum 35 or the like. The input / output lead wires 36 soldered to the driving and detecting piezoelectric ceramic thin plates 32 and 33 are routed to the node line 34 so as to minimize the influence on the excitation vibration, and are drawn out therefrom. It is.
[0005]
FIG. 9 is an exploded perspective view showing a schematic structure of a conventional vibrating gyroscope. In a conventional piezoelectric vibrating gyroscope, a shock absorbing silicon damper 38 is mounted on a vibrator unit having the above-described sound piece vibrator 31 and a drive / detection circuit board 37, and is housed in a resin case 39.
[0006]
The flexible board 40 electrically connects the vibrator unit and the drive / detection circuit board 37. The operating power supply voltage and output signal of the drive / detection circuit are input / output through signal terminal pins 42 formed integrally with the resin case 39 via the flexible substrate 41.
[0007]
The resin case 39 in which the vibrator unit and the drive / detection circuit are housed has its open end sealed with an upper lid 43 and molded with an adhesive resin. Then, the metal case 44 is put on the resin case 39, and the fixing claws 45 are bent at several places to fix the resin case 39.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, a metal case is often used in the conventional vibrating gyroscope. Therefore, as shown in FIG. 5, when attaching the vibrating gyroscope to the external substrate 26, the fixing claws 24 had to be bent or soldered.
[0009]
Further, since the vibrator is made of metal, the vibrator is easily affected by external electromagnetic noise. Therefore, there is a disadvantage that the casing must be shielded by shielding the external noise by grounding it.
[0010]
An object of the present invention is to provide a low-cost piezoelectric vibration gyro using a resin case having a function of fixing to an external substrate without using the metal case.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a vibrator unit in which a silicon damper for cushioning impact is mounted on both ends and a drive / detection circuit are housed in a holder having a vibrator made of a columnar piezoelectric ceramic, and a plurality of vibrator units are provided on one outer surface. A piezoelectric vibrating gyroscope is obtained in which a resin case is used in which a thin metal plate having one or several nails for fixing an external substrate together with input / output signal terminal pins is integrally formed.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described using examples.
FIG. 1 is an explanatory view showing a resin case used for a vibrating gyroscope according to the present invention. FIG. 1 (a) is a perspective view, and FIG. 1 (b) is a sectional view.
FIG. 2 is a perspective view showing a metal sheet metal fitting of a resin case used in the vibrating gyroscope of the present invention. FIG. 2 (a) is a perspective view of a two-piece metal sheet metal fitting, and FIG. FIG. 2 (c) is a perspective view of an H-shaped metal sheet metal fitting.
FIG. 3 is a perspective view showing the structure of a vibrator, a support, and a holder incorporating the vibrator used in the piezoelectric vibrating gyroscope of the present invention. FIG. 3A is a perspective view of a vibrator, FIG. 3B is a perspective view of a support, and FIG. 3C is a perspective view of a holder incorporating the vibrator.
FIG. 4 is a perspective view schematically showing the structure of the piezoelectric vibrating gyroscope according to the present invention.
[0013]
In the piezoelectric vibrating gyroscope of the present invention, as shown in FIGS. 3 and 4, a vibrator 6 made of a columnar piezoelectric ceramic is inserted into a through-hole 12 of a support 11 and an edge of the through-hole 12 of the support 11. A silicone damper 16 is mounted on both ends of a holder 13 that supports the node line 10 of the bending vibration of the vibrator 11 and in which silicone rubber is injected and adhered to a portion where the support comes into contact with the vibrator. The vibrator unit and the drive / detection circuit board 17 are housed in a resin case 18.
[0014]
The flexible substrate 19 for connecting the vibrator 6 and the drive / detection circuit board 17 electrically connects the vibrator and the drive / detection circuit board by the metal terminal rod 15 of the holder. The operating power supply voltage and output signal of the drive / detection circuit are input / output from / to the signal terminal pins 21 formed integrally with the resin case 18 by the flexible connection board 20 for connecting the drive / detection circuit board 17 and the signal terminal pins 21. You.
[0015]
As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), a resin case 1 for accommodating a vibrator unit and a drive / detection circuit is provided with several signal terminal pins 3 in the same manner as a conventional case. And molded integrally so as to penetrate the outer wall, closed with an upper lid, and molded with an adhesive resin. After covering the resin case 1 with the upper lid 22 (see FIG. 4), the fixing claws 2a of the metal sheet metal fitting 2 are bent at several places to fix the resin case 1 to the substrate.
[0016]
As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), the resin case 1 is configured such that a U-shaped metal sheet metal fitting 2 having two sets of fixing claws 2a is buried in the outer wall. Two are provided. The claws 2a protrude from the outer wall where the signal terminal pins 3 are planted at four places.
[0017]
The thin metal die 4 shown in FIG. 2A is provided with two legs and the two legs are opened. 2 (b) are those shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b). Also, the metal sheet metal fitting 5 having a set of four fixing claws 2a, which is H-shaped as shown in FIG. 2 (c), is buried in one piece, so that it has higher strength than other metal fittings. By providing the metal sheet metal fittings 2, 4, and 5 having the claws for fixing the external substrate, the use of a metal case can be omitted, and the cost can be reduced.
[0018]
In the vibrating gyroscope of the present invention, by providing the function of attaching the metal case to the substrate to the conventional resin case, both the resin case and the metal case can be stopped and used alone.
[0019]
Next, it was examined whether or not the vibrating gyroscope of the present invention was affected by an external magnetic field. FIG. 6 is a graph comparing a conventional vibrating gyroscope using a vibrating gyroscope using a vibrating piece vibrator in which a piezoelectric ceramic thin plate is adhered to a constant elastic metal vibrating body of the aforementioned Elinvar and a vibrating gyroscope according to the present invention.
[0020]
FIG. 6A shows, as a comparative example, output noise of a vibrating gyroscope using the above-described sound piece vibrator when a metal case is not used.
[0021]
FIG. 6B shows, as a comparative example, output noise of a vibrating gyroscope using a resonator element when a metal case is used.
[0022]
FIG. 6C shows output noise of the piezoelectric vibrating gyroscope of the present invention using a vibrator made of a columnar ceramic and a resin case.
[0023]
As shown in FIG. 6, the vibrating gyroscope of the comparative example using the vibrating gyroscope without using the metal case has a large output noise, and the vibrating gyroscope using the vibrating gyroscope of the present invention and the metal case is used. It can be seen that the output gyro and the vibration gyro using the same are almost the same level of output noise.
[0024]
Next, an external magnetic field of 6.25 × 10 ⁻² Wb / m ² was applied to the vibrating gyroscope using the shielded resonator element and the vibrating gyroscope of the present invention, and the magnetic field resistance characteristics of each vibrating gyroscope were measured. Checked the output.
[0025]
FIG. 7A shows a waveform of an external magnetic field of 6.25 × 10 ⁻² Wb / m ² . FIG. 7B shows an output change of the vibrating gyroscope according to the present invention. FIG. 7C shows an output change of the vibrating gyroscope of the comparative example using the sound piece vibrator in the case of shielding.
[0026]
FIG. 7 shows that the vibrating gyroscope of the present invention has an extremely small influence of an external magnetic field.
[0027]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a resin case having a function of fixing to an external substrate without using a metal case is provided by taking advantage of the characteristics of a columnar vibrator made of a single ceramic. The cost of the gyro can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view showing a resin case used in a vibrating gyroscope according to the present invention. FIG. 1A is a perspective view showing the structure of a resin case. FIG. 1B is a sectional view showing the structure of the resin case.
FIG. 2 is a perspective view showing a thin metal plate for a resin case used in the vibrating gyroscope according to the present invention. FIG. 2A is a perspective view of a two-piece metal sheet metal fitting. FIG. 2B is a perspective view of a U-shaped metal sheet metal fitting. FIG. 2C is a perspective view of an H-shaped thin metal plate.
FIG. 3 is a perspective view showing an outline of the structure of a holder used in a piezoelectric vibrating gyroscope that also incorporates a vibrator, a support, and a vibrator. FIG. 3A is a perspective view of the vibrator. FIG. 3B is a perspective view of the support tool. FIG. 3C is a perspective view of a holder incorporating the vibrator.
FIG. 4 is an exploded perspective view schematically showing the structure of a piezoelectric vibrating gyroscope according to the present invention.
FIG. 5 is an explanatory view of a method of fixing a piezoelectric vibrating gyroscope.
FIG. 6 is a characteristic diagram comparing output noise of a vibrating gyroscope using a resonator element vibrator and a ceramic single vibrator. FIG. 6A is a characteristic diagram of output noise of a vibrating gyroscope using a resonator element without shielding. FIG. 6B is a characteristic diagram of the output noise of the vibrating gyroscope using the sound piece resonator when shielded. FIG. 6C is a characteristic diagram of output noise of the vibrating gyroscope according to the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing magnetic field resistance characteristics of a vibrating gyroscope using a resonator element vibrator and a ceramic single vibrator. FIG. 7A shows a waveform of an applied magnetic field. FIG. 7B is a diagram showing a change in output of the vibrating gyroscope according to the present invention with respect to an external magnetic field when an applied magnetic field is applied. FIG. 7C is a diagram showing a change in output of the vibrating gyroscope when the sound piece vibrator is shielded by using the sound piece vibrator against an external magnetic field when an applied magnetic field is applied.
FIG. 8 is a perspective view of a resonator element used in a conventional vibrating gyroscope.
FIG. 9 is an exploded perspective view of a conventional vibrating gyroscope.
[Explanation of symbols]
1, 18, 39 Resin cases 2, 4, 5 Metal sheet metal fittings 2a, 45 Claws 3, 21, 42 Signal terminal pins 6 Vibrators 7 Strip electrodes 8, 36 Lead wires 9 Solder points 10, 34 Node lines 11 Supporters 12 Through hole 13 (for holder) Holder 14 Through hole 15 (for holder) Metal terminal rod 16, 38 Silicon damper 17, 37 Drive / detection circuit board 19, 41 (For connecting vibrator to drive / detection circuit board) Flexible Substrates 20, 40 (for connection between drive / detection circuit board and signal terminal pins) Flexible substrates 22, 43 Upper lid 23, 44 Metal case 25 Terminal 26 External substrate 31 Resonator vibrator 32, 33 Piezoelectric ceramic thin plate 35 Metal fulcrum

Claims

円柱状圧電セラミックからなる振動子を具備したホルダーに衝撃緩衛用のシリコンダンパーを両端に装着した振動子ユニットと駆動・検出回路を収納する、一外側面に数本の入出力用の信号端子ピンとともに１個あるいは数個の外部基板固定用の爪を有する金属薄板金具を一体成形した樹脂ケースを用いることを特徴とする圧電振動ジャイロ。A vibrator unit with a silicon damper for shock absorption mounted on both ends in a holder equipped with a vibrator made of cylindrical piezoelectric ceramic, and a drive / detection circuit. A piezoelectric vibrating gyroscope using a resin case in which a thin metal plate having one or several external substrate fixing claws together with pins is integrally formed.