JPH01250014A - 振動ジャイロ - 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］ 本発明は物体の慣性角速度を検出する振動ジャイロに関
するものである。

［従来の技術］ 近年制御技術の発達に伴い自動搬送車のナビゲーション
システム、ロボットの方向探知あるいは駆動機器の防振
装置として小型高性能の角速度センサーが求められてい
る。

従来、飛行機や船舶のような大型の６動物体にはジャイ
ロスコープを用いた慣性航法装置が使われてきたが、機
械式で装置が大きく、かつコストも高い為に民生用の小
型機器への応用は困難であった。

一方、回転力を使わずに物体を振動させて角速度が発生
した時に生じるコリオリの力を利用してその角速度を検
出する振動ジャイロが種々開発されている。

振動ジャイロには大きく片持ばりの音叉構造タイプと両
持ばりのバー構造タイプの２種に分類することができる
。片持ばりの音叉構造タイプの場合左右の振動子の形状
のわずかな違いにより発生する加速度成分が、検出され
る角速度にノイズとなって現われ検出感度を下げるので
左右のバランス調整機構を設けなければならない。また
音叉構造タイプそのものが構造が複雑であることから製
造上コストが非常に高いものにつくという問題がある。

これに対し、バー構造タイプはその振動子の形状が直方
体であり製造が簡単であることや、バー構造タイプその
ものが単純である為その製造コストが安くつくという長
所がある。

その構造を第８図および第９図に示す。

第８図は従来のバー構造タイプのハウジングを除いた状
態での斜視図を示し、１１は振動子で直方体形状をして
いる。振動子１１の側面１１Ａ　、　ＩＩＢ及び側面１
１Ａの対面１１Ｃ１側面１１Ｂの対面１１０にはそれぞ
れ表裏両面が電極をなす圧電素子１２Ａ、１２Ｂ、１２
Ｃ，１２Ｄが振動子１１の各側面の中央部に貼りつけら
れている。１３Ａ　５Ｊ１３０は振動子１１の支持軸で
ありそれぞれ振動子１１の各側面１１Ａ〜１１０に圧入
あるいは嵌合接着で取り付けられその位置は励振時の節
となる点になっている。また各支持軸１３Ａ〜１３０の
他端は、第９図の断面図に示すように、ハウジング１４
Ａ及び１４Ｂに固定されている。１５Ａ〜１５０は各圧
電素子１２Ａ−１２０と駆動及び信号処理回路とを接続
する為のリード線である。１５ＥはＧＮＤに接地する為
のリード線である。

このような構成からなるバー構造タイプの振動ジャイロ
において、駆動回路からたとえば圧電素子１２Ｂに電界
Ｅを加えると、振動子１１はβ方向に励損する。このよ
うな状態において撮動ジャイロにその長袖回りに角速度
Ｖが加わると、角速度Ｖに比例したコリオリの力が振動
子１１に作用し、振動子１１はα方向にも振動しその変
位を圧電素子１２Ａ及びその対面の圧電素子１２Ｃで検
出し電気信号に変えてリード線１５＾及び１５Ｃを介し
て信号処理回路に伝達し角速度を検出できるわけである
。この時圧電素子１２Ｄは振動子１１の振動周波数をモ
ニターしリード線１５Ｄを介して駆動回路にフィードバ
ックして振動周波数を一定に保つようにしている。

［発明が解決しようとする課題］ このような構成と原理で角速度を検出するバータイプの
振動ジャイロにおいて、その構造は極めて簡単であるが
、製造上は回路へ接続する圧電素子から延びるリード線
がハウジング内から外へ引き出さなければならない為に
繁雑であり、作業効率が非常に悪くかつ配線処理中に圧
電素子とリード線の接続に支障をきたすことが多いなど
の作業上の問題点が発生していた。

本発明の目的は、圧電素子からリード線を引き出すこと
なく外部回路と圧電素子との間を接続でき、組付作業効
率の向上を図ることができる振動ジャイロを提供せんと
するものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の目的を達成するための要旨とするところは、直
方体形状に形成した導電性材料からなる振動子の少なく
ともその３側面に、表裏両面を電極とする圧電素子を一
方の電極が該振動子と導通可能に取付け、該振動子の４
側面の内、該圧電素子の取り付けられる３側面にはその
圧電素子の他方の電極と導通する導電性の支持軸をその
側面に対し鉛直方向に夫々支出すると共に、該振動子の
他の１側面には該振動子と導通する導電性の支持軸をそ
の側面に対し鉛直方向に支出し、また該４本の支持軸の
支出端部を固定部材に固定して該振動子を支持し、さら
にフレキシブルプリント基板に該４本の支持軸に対応し
てそれぞれ導電パターンを設け、これらの各導電パター
ンを夫々支持軸の支出端部に接続するように構成したこ
とを特徴とする振動ジャイロにある。

［作　用］ 上記の如く構成した振動ジャイロは、振動子の３側面に
取り付けられる各圧電素子の一方の電極は、振動子に導
通する１本の支持軸に接続され、該各圧電素子の他方の
電極は他の３本の支持軸に接続され、これらの支持軸の
支出端部を夫々フレキシブルプリント基板の導電パター
ンに接続することで、各圧電素子の電極からリード線を
引き出すことなくフレキシブルプリント基板により直接
外部回路と接続できる。

［実施例１ 第１図は本発明の一実施例である振動ジャイロの構成を
示す斜視図であり、第２図はその断面図、第３図、第４
図はそれぞれ主要部分の構成を示す斜視図及び断面図で
ある。

１は振動子で、直方体形状をしており、側面ＩＡ及びＩ
Ｂそしてその対向する側面ＩＣ及びＩＤには、第３図に
示すように、それぞれ有底の穴ＩＡ’　、　ＩＢ’　、
　Ｉｃ’　、　ＩＤ’が励振時の振動子１の節点となる
位置に形成されている。

２Ａ、２Ｂ、２Ｃ，２Ｄはそれぞれ検出用、駆動用、バ
ランス用及びモニター用の圧電素子であり、振動子１の
側面ＩＡ、ＩＢ、ＩＣ。

ＩＤに貼着されるが、振動子１の穴ＩＡ’　、ＩＢ’。

ＩＣ’　、　ＩＤ”の位置に該当する部分には穴１＾°
。

ＩＢ’　、　ＩＣ’　、　１０’よりも小さく、後述の
支持軸３Ａ〜３Ｄの径よりも若干大きな穴２＾”　、２
Ｂ’。

２Ｃ’　、　２Ｄ’がそれぞれ２ケずつ離隔して形成さ
れている。またこれらの圧電素子２Ａ、２Ｂ。

２Ｃ，２Ｄは４つとも同一形状であり、接着剤層を極め
て薄くして振動子１の各側面に貼りつけられ、振動子１
の各側面と圧電素子２Ａ〜２Ｄの貼りつけ面とを電気的
に導通状態としている。

３Ａ、３Ｂ、３Ｃ，３Ｄはそれぞれ振動子１の側面ＩＡ
、ＩＢ、ＩＣ，ＩＤに取りつけられる支持軸で、４木と
も同一形状であり、振動子１と同一金属で作られ、各一
端部３＾１　、３ＢＩ。

３Ｇ’　、　３０′はリード線の半田付は部をなしてい
る。

４Ａ、４Ｂ、４Ｃ，４Ｄは振動子１及び支持軸３Ａ〜３
Ｄと同一の金属で作られている嵌合部材で、中心部に穴
４＾’　、　４Ｂ’、　４Ｃ’　、　４Ｄ”がおいてお
り、支持軸３Ａ、３Ｂ、３Ｃ，３Ｄの他端部がおのおの
、圧入され電気的導通状態を形成している。嵌合部材４
Ａ、４Ｂ、４Ｄは同一形状であり、有底の筒形状に形成
された絶縁部材５Ａ、５Ｂ、５Ｄに軽圧入あるいは接着
剤を介して嵌合され、この状態で振動子１の穴ＩＡ’　
、　ＩＢ’、　ＩＣ’　、　１０°にそれぞれ接着剤で
固定される。したがりて支持軸３Ａ、３Ｂ、３Ｄは電気
的に不導通の状態で振動子１にとりつけられることにな
る。一方、嵌合部材４Ｃは他の嵌合部材４Ａ、４Ｂ、４
Ｄより外径が大きく形成されており、絶縁部材を介さず
に直接振動子１の穴ＩＣ’に圧入され、振動子１と支持
軸３Ｃとは嵌合部材４Ｃを介して電気的的導通状態が形
成される。

）Ａ、７Ｂ、７Ｄは第４図に示す如く、圧電素子２Ａ、
２Ｂ、２Ｄと支持軸３Ａ、３Ｂ。

３Ｄとの電気的導通状態を形成する為の導電性接着剤で
あり、８Ａ、８Ｂ、８Ｄは接着結合部を保護する為の保
護樹脂である。

６Ａ、６Ｂ、６Ｃ，６Ｄは弾性材からなる吸収部材で、
支持軸３Ａ、３Ｂ、３Ｃ，３Ｄが振動子１の振動の節点
に軸支されるようになっているが、わずかなズレにより
、また節点は点であるのに対し、実際の支持では面積を
もりている為に振動子１の振動が後述のハウジングに伝
達されるのを防ぐ為のものであり、中心の穴６Ａ’　、
　６Ｂ’、　６０″、６Ｄ°に支持軸３Ａ、３Ｂ。

３Ｃ，３Ｄの半田付部３Ａ’　、　３Ｂ’、　　３（：
’　、　３Ｄ。

を貫通させ所定量を突出させる。

９は第１ハウジングで、頂面９Ａには吸収部材６Ａ、６
Ｂ、６Ｃ，６Ｄの径よりも小さな開口部９Ｂを有し、頂
面９Ａの４辺から側面９Ｃ，９Ｄ、９Ｅ、９Ｆ　（不図
示）が−法的に折曲形成され、側面９Ｃには上下に延び
るスリット９Ｇとそれに続いて開口部９Ｂと同径の開口
部９Ｈを有し、また側面９Ｃの反対側面９Ｅも同様に対
向位置にスリットと開口部を有している。ハウジング９
は金属でできており、頂面９Ａと側面９Ｃ，９Ｄ、９Ｅ
、９Ｆとで箱形形状をなしている。また、側面９Ｃの下
端には一対の凸部９■が突設されており、この一対の凸
部９Ｉは後述するフレキシブルプリント基板（図中かフ
レキと略す）１０にハウジングを固定するためのもので
、一方の凸部９■はフレキ１０のＧＮＤパターン１０−
３に半田付され電気的に結合されるようになっている。

１０はフレキで、第５図に示す展開形状をしており、不
図示の外部回路に延びるベース面ｌＯ＾は斜線で示す部
分の裏面側に裏打材１０Ｂが貼着されてハウジング９の
下蓋をなしており、またベース面１０Ａには吸収部材６
Ａ〜６Ｄよりも小径の開口部１０Ｃが貫通している。フ
レキ１０のベース面１０Ａからは舌片１００．ＩＱＥ、
ＩＯＦ。

１０Ｇが第５図に示す如く延出され、これらの各舌片１
０Ｄ、ｌＯＥ、ＩＯＦ、ＩＯＧの裏面（ハウジング９の
該側面に沿って折曲した場合には外面）側にはベース面
１０Ａから、舌片１０Ｄに対し第１の導電パターン１０
−１、舌片１０Ｅに対し第２の導電パターン１０−２、
舌片１０Ｆ　ニ対しＧＮＤハターン１０−３．舌片１０
Ｇに対し第３の導電パターン１Ｏ−４が延出され、ＧＮ
Ｄ　バター）’　１０−３はベース面１０Ａにおいて大
部分を占めるように形成されている。また、これらの各
舌片１０Ｄ〜１０Ｇにはその先端部に支持軸３Ａ〜３Ｄ
よりも若干大径の開口部１０１３’　、１０Ｅ’　、１
０Ｆ’　、ＬＯＧ’が穿設され、各導電パターンおよび
ＧＮＤパターン１ｏ−１〜１０−４の先端部がこれら各
開口部１００’〜ＬＯＧ’を取り囲む半田付ランドパタ
ーン１０−１’。

１０−２°、１０−３°、１０−４’を形成している。

一方、フレキ１０のベース面ＩＯＡの裏打部分の四隅に
はハウジング９の側面９０〜９Ｆの下部に形成した各凸
部９Ｉが嵌合する角穴１０Ｈが形成され、この角孔の一
つがＧＮＤパターン１０−３に対応していて、ハウジン
グ９とベース面１０Ａとにより一体のシールド構造を形
成するようになっている。そして、ハウジング９にフレ
キ１０を組付けた状態において、舌片１００の開口部１
００’がハウジング９の頂面９Ａの開口部９Ｂを貫通す
る支持軸３Ａの半田付部３Ａ’に嵌合し、半田付ランド
パターン１０−１’　と半田付けされ、舌片１０Ｅの開
口部１０Ｅ°がハウジング９の開口部９Ｈを貫通する支
持軸３Ｂの半田付部３Ｂ’に嵌合し、半田付ランドパタ
ーン１０−２°と半田付けされ、舌片ＬＯＧの開口部１
０Ｇ°がハウジング９の開口部９Ｆを貫通する支持軸３
Ｄの半田付部３Ｄ’　に嵌合し、半田付ランドパターン
１０−４゜と半田付けされる。また、舌片１０Ｆはフレ
キ１０の裏打材１０Ｂ側に回り込ませ、その開口部１０
Ｆ゛をベース面１０Ａの開口部１０Ｃを貫通する支持軸
３Ｃの半田付部３Ｇ’に嵌合し、半田付ランドパターン
１０−３’　と半田付けするが、このままでは半田付ラ
ンドパターン１０−３が内側になるので舌片１０Ｆを２
度折り曲げて半田付ランドパターン１０−３を外側に向
けると共に、途中に支持３Ｃを通す通し穴１０Ｆ”を設
けている。なお、フレキ１０を両面パターンとすればこ
の舌片１０Ｆを２度曲げする必要もなく、また通し穴１
０Ｆ”も必要ではない。

すなわち、圧電素子２Ａ、２Ｂ、２Ｄの各−方の電極は
振動子および支持軸３Ｃを介してフレキ１０のＧＮＤパ
ターン１０−３に接続され、圧電素子２Ａの他方の電極
は支持軸３Ａを介してフレキ１０の第１の導電パターン
１０−１に接続され、圧電素子２Ｂの他方の電極は支持
軸３Ｂを介して第２の導電パターン１０−２に接続され
、圧電素子２Ｄの他方の電極は支持軸３Ｄを介して第４
の導電パターン１０−４に接続されることとなる。

次に本実施例の振動ジャイロの組立手順について述べる
。

まず支持軸３Ａの他端を嵌合部材４Ａの穴４Ａ’に圧入
したのち、嵌合部材４Ａの外周を絶縁部材５Ａの穴５Ａ
’に軽圧入あるいは接着固定する。その後絶縁部材５Ａ
の外周を振動体１の側面ＩＡの穴ＩＡ’に圧入固定する
。これにより支持軸３Ａが振動子１の節点に軸支された
ことになる０次に圧電素子２Ａの穴２＾°を振動体１に
軸支された支持軸３Ａに通して極薄の接着剤層を介して
振動体！の側面！Ａ＆：接着固定し、振動体１の面ＩＡ
と圧電素子２Ａとの電気的結合状態を作る。更に支持軸
３Ａと圧電素子２Ａの反対面とを導電性接着剤７Ａで導
通結合を行うことで圧電素子２Ａの接着剤塗布面とは逆
の面との電気的結合が行われたことになり、リード線を
介さずに圧電素子との電気結合を外に引き出すことが可
能になるわけである。更に吸収部材６Ａの穴６Ａ’　に
支持軸３Ａを通し、吸収部材６Ａを半田付部３Ａ’を確
保するまで押し込む。これにより振動ジャイロ本体の１
面が完成したことになる。支持軸３Ｂ、３Ｄについても
全く同様に行うことで振動ジャイロ本体の３面が完成し
たことになる。さて支持軸３ｃについては若干具なる。

つまり支持軸３ｃは振動子１との電気的結合を行う必要
があるので絶縁部材は使わす嵌合部材４Ｃを直接振動子
１の側面ＩＣの穴ＩＣ’に圧入して電気結合状態が作ら
れる。圧電素子２Ｃは支持軸３ｃとの電気的結合は行わ
ず単に上下のバランスの為に取り付けられているので他
の物質での代用あるいは振動子１の形状を変更すること
で廃止することも十分可能である。このあと他と同様に
半田付部３Ｃ’を残して吸収部材６Ｃを押し込めば振動
ジャイロ本体の４面が完成したことになる。

完成した振動ジャイロ本体の吸収部材６Ｂをハウジング
９のスリット９Ｇに圧入し開口部９Ｈまで、また吸収部
材６Ｄも同様に対向面のスリットから開口部に押しこみ
、さらに吸収部材６Ａを頂面９Ａの開口部９Ｂに押し込
み固定した後、フレキ１０のベース部１ｏ＾の開口部１
０Ｃに吸収部材６Ｃを押し込み、同時にハウジング９の
凸部９Ｉをベース面１０Ａの角穴１ＧＨにはめこんで固
定して接着あるいは半田付をする。このとき凸部９Ｉの
少なくとも１つはＧＮＤパターン１０−３に半田付して
シールに構造を形成する。

支持軸３Ａ、３Ｂ、３Ｃ，３Ｄの各半田付部３＾’　、
　３Ｂ’、　　３Ｇ’　、　３Ｄ°にフレキ１０の各舌
片１０Ｄ、ＩＯＥ、ＩＯＦ、ＩＯＧの各開口部１００’
　、１０Ｅ’　、ＩＯＦ’　。

１０Ｇ°を挿入し、半田付ラント１Ｏ−１°〜１０−４
°にて半田結合することで、回路との電気接続が行われ
る。この状態で振動ジャイロが完成し、受台等に固定す
れば良い。

なお、上記の実施例においては加工及び作業効率上振動
子１と支持軸３Ａ、３Ｂ、３Ｄとの結合を嵌合部材４Ａ
、４Ｂ、４Ｄ及び絶縁部材５Ａ、５Ｂ、５Ｄを介して行
っているが、嵌合部材４Ａ、４Ｂ、４Ｄを廃止し、支持
軸３Ａ。

３Ｂ、３Ｄを直接絶縁部材５Ａ、５Ｂ、５Ｄに一圧入あ
るいは嵌合径接着して固定することで一体化し、それを
振動子１の面ＩＡ、ＩＢ、１０の穴ＩＡ’　、　１Ｂ’
、　１０’　に圧入結合しても良いし、支持軸３Ｃに関
しても嵌合部材４Ｃを廃止し直接振動子１の面ＩＣの穴
ＩＣ’に圧入結合させても良いことはいうまでもない。

次に本発明の他の実施例を第６図に基づいて述べる。

この実施例では上述の嵌合部材４Ａ、４Ｂ。

４Ｃ，４Ｄを廃止した場合を図示しているが、前述の実
施例と同一構成にしてももちろん問題ないことはいうま
でもない。

図中、２１は振動子で、上記実施例の振動子１と基本的
には全く同じであり、振動の節点となる位置にあけた各
９面の穴の大きさのみ異なる。これは上記の実施例に招
ける嵌合部材４Ａ、４Ｂ、４Ｃ，４Ｄを廃止したことに
伴い、絶縁部材２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｄの外径が小さく
てすむことによる。圧電素子２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｄ　
　（不図示）は圧電素子２Ａ、２Ｂ、２Ｄよりも小さい
が同様の形状にしてもかまわない。しかし穴加工が増え
る分だけコストアップになるので小さな形状で機能を満
足できればそれにこしたことはない。振動子２１の側面
２１Ａの対側面２１Ｃ（不図示）は直接支持軸３Ｃの一
端が圧入結合されている。側面２１Ｃにはバランスをと
る上で圧電素子２２Ｃ（不図示）を貼りつけているが、
これはなくても良い。ただこの時は振動数が変化し振動
子２１の形状を多少変更する必要が生じる場合もある。

さて圧電素子２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｄ及び振動子２１と
支持軸３Ａ、３Ｂ、３Ｄ及び３Ｃとの電気的接続はエナ
メル線等のリード線ＩＬＡ、　ｆａ　、　ＪＺ。

で行う。すなわち、たとえば圧電素子２２への中央に銀
ペースト等でリード線ＩｌＡと電気的結合を行い、この
リード線ＬＡの他端を支持軸３Ａの中央付近に数回巻き
つけた上で半田結合を行うことで圧電素子２２Ａと支持
軸３Ａとの電気的結合が成立し、支持軸３Ａの半田付部
３Ａ’　よりハウジング外へ電気的に取り出すことがで
きることになる。

圧電素子２２Ｂ、２２Ｄについても全く同様にリード線
ＪＺ　Ｂ　＋　ＩＩ　Ｄにより行われる。

支持軸３Ｃについては既に振動子２１と直接的に電気結
合されているのでリード線は不要である。

このような形態から振動ジャイロ本体をハウジング９、
フレキ１０に取りつけ半田することで振動ジャイロが完
成し、かつ回路との接続も完了する。

次に吸収部材６Ａ、６Ｂ、６Ｃ，６Ｄであるが、第７図
のようにハウジング９の開口部９Ｂ、９Ｈまたフレキ１
０の開口部１００で固定される中央部に溝を設ければ位
置決めしやすくなる。この時も振動を十分に吸収できる
肉厚にしておかなければならないことはいうまでもない
。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、本発明によれば、振動子を支
持する支持軸を利用して圧電素子と各電極との接続を行
えるとともに、各支持軸の支出端部をフレキシブルプリ
ント基板に接続して直接と外部回路へ接続でき、組立作
業性を大幅に向上させることができ、また、フレキシブ
ルプリント基板を固定部材兼用とし、さらにシール構造
とすることでより一層コスト低減および作業性の向上を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による振動ジャイロの一実施例を示す分
解斜視図、第２図はその断面図、第３図はその振動ジャ
イロ本体の分解斜視図、第４図はその要部の断面図、第
５図はフレキの展開図、第６図他の実施例の分解斜視図
、第７図は振動吸収部材の他の実施例の斜視図、第８図
は従来の振動ジャイロの斜視図、第９図はその平面図を
示している。 １：振動子 ２Ａ、２Ｂ、２Ｃ，２Ｄ：圧電素子 ３Ａ、３Ｂ、３Ｃ，３Ｄ：支持軸 ５Ａ、５Ｂ、５Ｄ：絶縁部材 ６Ａ、６Ｂ、６Ｃ，６Ｄ：吸収部材 ９：ハウジング １０：フレキシブルプリント基板（フレキ）０Ｆ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　直方体形状に形成した導電性材料からなる振動子の
   少なくともその３側面に、表裏両面を電極とする圧電素
   子を一方の電極が該振動子と導通可能に取付け、該振動
   子の４側面の内、該圧電素子の取り付けられる３側面に
   はその圧電素子の他方の電極と導通する導電性の支持軸
   をその側面に対し鉛直方向に夫々支出すると共に、該振
   動子の他の１側面には該振動子と導通する導電性の支持
   軸をその側面に対し鉛直方向に支出し、また該４本の支
   持軸の支出端部を固定部材に固定して該振動子を支持し
   、さらにフレキシブルプリント基板に該４本の支持軸に
   対応してそれぞれ導電パターンを設け、これらの各導電
   パターンを夫々支持軸の支出端部に接続するように構成
   したことを特徴とする振動ジャイロ。 ２　前記フレキシブルプリント基板はその一部が剛性の
   補強部材により補強され、いずれか１つの支持軸を支持
   固定可能な固定部材を兼用していることを特徴とする請
   求項１に記載の振動ジャイロ。 ３　前記フレキシブルプリント基板の剛性補強部及び固
   定部材は前記振動子の全周を覆うと共に、電磁シールド
   構造に形成されていることを特徴とする請求項２に記載
   の振動ジャイロ。