ばね部材、ばね部材の製作方法、及びサーボ型センサ
【課題】 所望する厚みの薄肉ヒンジ部を有する薄板状のばね部材を、高精度、低コストで効率良く製作することができるばね部材、そのばね部材の製作方法、及びそのばね部材を有するサーボ型センサを提供することを目的とする。
【解決手段】 固定子に取り付けられる固定部２と、可動子に取り付けられる可動部３と、固定部２と可動部３との間に配設された薄肉ヒンジ部４と、を備え、薄肉ヒンジ部４が弾性変形して可動部３がその板厚方向に揺動運動する薄板状のばね部材１において、固定部２、可動部３及び薄肉ヒンジ部４が、液晶ポリマーによって一体に成形され、薄肉ヒンジ部４は、薄肉ヒンジ部４のヒンジ軸線Ｌ方向及び板厚方向にそれぞれ直交する方向に分子配向されている。
【解決手段】 固定子に取り付けられる固定部２と、可動子に取り付けられる可動部３と、固定部２と可動部３との間に配設された薄肉ヒンジ部４と、を備え、薄肉ヒンジ部４が弾性変形して可動部３がその板厚方向に揺動運動する薄板状のばね部材１において、固定部２、可動部３及び薄肉ヒンジ部４が、液晶ポリマーによって一体に成形され、薄肉ヒンジ部４は、薄肉ヒンジ部４のヒンジ軸線Ｌ方向及び板厚方向にそれぞれ直交する方向に分子配向されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サーボ型加速度計やサーボ型傾斜計等のサーボ型センサに組み込まれるばね部材、及び該ばね部材の製作方法、並びに上記ばね部材を有するサーボ型センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
精密部品の１つであるサーボ型加速度計には、加速度が作用すると揺動する振子が組み込まれている。この振子は、所定の厚さの薄板状のばね部材であり、部分的に厚みがさらに薄く形成された薄肉ヒンジ部を中心に揺動するようになっている。特に、この薄肉ヒンジ部は、微小な加速度でも振子が揺動するように厚み精度が求められている。つまり、振子として機能させるためには、部分的に厚みを変化させながらばね部材を高精度に厚み制御しながら加工することが必要とされている。
【０００３】
ここで、この種のばね部材４０の厚みを部分的に薄くして図８に示す薄肉ヒンジ部４１を加工する方法としては、一般的にプレスを利用する方法や、切削による方法等が知られている。
このうちプレスを利用する方法は、図９に示すように、ばね部材４０の両側から、該ばね部材４０をプレス工具４２で機械的に挟んで部分的に厚みを薄くする方法である。一方、切削による方法は、図１０に示すように、ばね部材４０の片側を加工工具４３で切削加工した後、ばね部材４０を裏返し、その後、再度加工工具４３で残りの片側を切削加工する方法である。また、上述した機械的加工とは異なり、腐食作用を利用したエッチングによりばね部材４０を加工する方法も知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−１４２２４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した従来の方法では、まだ以下の課題が残されている。
即ち、プレスを利用する方法では、容易に薄肉ヒンジ部４１を形成することができるが、プレスするタイミングや、プレス時間や、プレスする際の圧力等によって厚みが容易に変わってしまい、薄肉ヒンジ部４１の厚みを高精度に制御することが難しいものであった。よって、許容できる厚み公差内に収めることが困難であり、薄肉ヒンジ部４１を必要な厚み精度で安定して形成することができなかった。特に、厚み公差のレンジが１μｍ程度の薄肉ヒンジ部４１を形成することは、困難であった。
【０００５】
そのため、このばね部材４０を振子として利用したとしても、安定した揺動を期待できるものではなかった。また、プレスした際の加工硬化によりばね部材４０が本来持っている材料特性が変化してしまう恐れがあった。加えて、薄肉ヒンジ部４１をばね部材４０の厚みの中心に精度良く形成することが困難であった。これらのことも、安定した揺動を妨げる要因となるものであった。
【０００６】
また、切削による方法では、図１１に示すように、片側を切削加工した後、残りの片側を切削加工しようとすると、最初の切削によってばね部材４０の厚みが既に薄くなっているので、加工工具４３を押し付けた際に反ってしまう恐れがある。そのため、通常はこの反りを防ぐため、図１２に示すように最初に切削した孔に嵌合する治具４４を用意して、ばね部材４０の姿勢を安定化させる必要がある。ところが、治具４４を毎回セットする必要があるので、加工の効率が悪く、コスト高を招くものであった。
また、プレスする場合と同様に、薄肉ヒンジ部４１の厚みを高精度に制御することが難しく、薄肉ヒンジ部４１を必要な精度で安定して形成することができなかった。そのため、ばね部材４０を振子として利用したとしても、安定した揺動を期待できるものではなかった。
また、切削時に発生する熱の影響や摩擦等の影響により、ばね部材４０が本来持っている材料特性が変化してしまうおそれがあった。加えて、薄肉ヒンジ部４１をばね部材４０の厚みの中心に精度良く形成することが困難であった。これらのことも、安定した揺動を妨げる要因となるものであった。
【０００７】
上述したように、プレス及び切削による機械的加工では、薄肉ヒンジ部４１を必要な精度で安定して形成することができず、しかも、ばね部材４０の特性が変化するおそれがあった。また、低コストで効率良く加工することができなかった。また、ばね部材４０を振子として利用したとしても、揺動の安定性に欠けるものであった。
【０００８】
一方、エッチングにより加工を行う方法では、上述した機械的加工特有のばね部材４０の特性変化に関しては生じないが、やはり、薄肉ヒンジ部４１の厚みを高精度に制御することが困難であった。加えて、薄肉ヒンジ部４１をばね部材４０の厚みの中心に精度良く形成することも困難であった。また、加工形状が制限されるとともに、加工時間がかかるという問題がある。
【０００９】
本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、その目的は、所望する厚みの薄肉ヒンジ部を有する薄板状のばね部材を、高精度、低コストで効率良く製作することができるばね部材、そのばね部材の製作方法、及びそのばね部材を有するサーボ型センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るばね部材は、固定子に取り付けられる固定部と、可動子に取り付けられる可動部と、前記固定部と前記可動部との間に配設された薄肉ヒンジ部と、を備え、該薄肉ヒンジ部が弾性変形して前記可動部がその板厚方向に揺動運動する薄板状のばね部材において、前記固定部、前記可動部及び前記薄肉ヒンジ部が、液晶ポリマーによって一体に成形され、前記薄肉ヒンジ部は、該薄肉ヒンジ部のヒンジ軸線方向及び板厚方向にそれぞれ直交する方向に分子配向されていることを特徴としている。
【００１１】
このような特徴により、本発明に係るばね部材を製作する際、まず、ばね部材を成形するための金型を用意する。そして、その金型の中に、溶融した液晶ポリマーを流し入れる。そして、その液晶ポリマーが固化した後、金型を脱型することで、薄板状のばね部材が製作される。上記した液晶ポリマーは流動性に優れており、薄い部分にも容易に充填されるため、金属製のものや他の樹脂製のものと比べて薄いばね部材を製作することが可能である。具体的には、固定部及び可動部の厚さを２５０〜３００μｍ程度、薄肉ヒンジ部の最薄部分の厚さを１５〜２０μｍ程度にすることが可能である。また、液晶ポリマーは、分子配向方向によって弾性率（強度）に異方性が生じるが、薄肉ヒンジ部は、その板厚方向及びヒンジ軸線方向にそれぞれ直交する方向（ヒンジ軸線直交方向）に分子配向されているため、ヒンジ軸線方向の弾性率は小さく強度が弱くなるが、上記ヒンジ軸線直交方向の弾性率は大きく強度が強くなる。したがって、薄く成形された薄肉ヒンジ部は、可動部をその板厚方向に揺動運動させるのに十分な弾性率（強度）を有するとともに、座屈が生じ難くなる。また、液晶ポリマーは、金属等の他の材料に比べて曲げ剛性が低いため、所定の曲げ剛性を持つ薄肉ヒンジ部の厚みを厚く設定することが可能である。これにより、製造ばらつき（厚み公差）の影響を受けにくく、より製造し易くなる。
【００１２】
また、本発明に係るばね部材は、前記薄肉ヒンジ部が前記ヒンジ軸線方向に間隔をあけて複数配設されていることが好ましい。
これにより、薄肉ヒンジ部における分子配向を上記ヒンジ軸線直交方向に揃い易くなる。すなわち、液晶ポリマーは、その流れ方向に沿って分子配向されるため、仮に、薄肉ヒンジ部が幅広であると、液晶ポリマーは一定の方向に流れずに放射状に広がるように流れ、分子配向の方向が不均等になりやすい。これに対し、上記のように、薄肉ヒンジ部がヒンジ軸線方向に間隔をあけて複数配設されていると、その分、薄肉ヒンジ部の幅が狭くなるため、液晶ポリマーは一定の方向に流れ易くなり、分子配向の方向が一定の方向に揃えられる。したがって、分子配向の方向が上記ヒンジ軸線直交方向に揃えられる。
【００１３】
また、本発明に係るばね部材は、前記薄肉ヒンジ部の分子配向方向に延在する仮想中心線を対称軸にして線対称形状に成形されていることが好ましい。
これにより、上記仮想中心線上の位置から液晶ポリマーを流し入れると、液晶ポリマーが均一に流れ易くなり、高品質のばね部材が製作される。
【００１４】
また、本発明に係るばね部材は、前記固定部から前記薄肉ヒンジ部を経て前記可動部に至る導通パターンが表面に形成されていることが好ましい。
これにより、フィードバック制御するための制御装置と可動子とを電気的に接続する際、リード線の振れを抑制することができる。すなわち、仮に、可動子にリード線を直接接続すると、可動子が動くことでリード線が振れることになり、断線や可動部の変位阻害、これに伴う個体差の発生等の原因となる。これに対し、上記のように、固定部から薄肉ヒンジ部を経て可動部に至る導通パターンが表面に形成されていると、可動部上の導通パターンと可動子とをリード線で接続するとともに、固定部上の導通パターンと制御装置とをリード線で接続することで、制御装置と可動子とが電気的に接続される。これにより、可動子に接続するリード線の振れはなくなり、また、制御装置に接続するリード線も振れはなくなる、もしくは極めて小さくなる。なお、液晶ポリマーは、耐熱性に優れているため、導通パターンを形成するのに適している。
【００１５】
また、本発明に係るばね部材は、前記液晶ポリマーに、チタン酸カリウムウイスカーからなる強化材が含有されていることが好ましい。
これにより、ばね部材の強度は向上し、薄く成形された薄肉ヒンジ部が破断しにくくなるとともにヒンジ部の減衰率が大きくなる。
【００１６】
また、本発明に係るばね部材の製作方法は、上記した本発明に係るばね部材を成形するための金型内に液晶ポリマーを流し入れて成形するばね部材の製作方法であって、前記金型のうち前記固定部又は前記可動部の側面を成形する部分にサイドゲートを設け、該サイドゲートから前記金型内に前記液晶ポリマーを流入させることを特徴としている。
【００１７】
これにより、サイドゲートから流し込まれた液晶ポリマーは、金型内を流通して薄肉ヒンジ部を成形する部分に充填される。例えば、サイドゲートが固定部側に設けられている場合、薄肉ヒンジ部を成形する部分には、固定部側から可動部側に向けて液晶ポリマーが流れ込んで充填される。一方、サイドゲートが可動部側に設けられている場合、薄肉ヒンジ部を成形する部分には、可動部側から固定部側に向けて液晶ポリマーが流れ込んで充填される。上記した何れの場合も、薄肉ヒンジ部の液晶ポリマーは、上記ヒンジ軸線直交方向に分子配向される。
【００１８】
また、本発明に係るばね部材の製作方法は、前記薄肉ヒンジ部が前記ヒンジ軸線方向に間隔をあけて複数配設されたばね部材を製作する際、隣り合う前記薄肉ヒンジ部間の中央位置を通るとともに前記薄肉ヒンジ部の分子配向方向と平行に延在する仮想中心線上に、前記サイドゲードを配設させることが好ましい。
これにより、サイドゲートから流し込まれた液晶ポリマーは、隣り合う薄肉ヒンジ部を成形する部分にそれぞれ均等に流れ込む。
【００１９】
また、本発明に係るばね部材の製作方法は、前記薄肉ヒンジ部の分子配向方向に沿って延在する該薄肉ヒンジ部の中心線の延長線上に、前記サイドゲート部を配設させてもよい。
これにより、サイドゲートから固定部を成形する部分、薄肉ヒンジ部を成形する部分、可動部を成形する部分の順で流れる液晶ポリマーの流路が、ヒンジ軸線直交方向に真直ぐ延在する。
【００２０】
また、本発明に係るばね部材の製作方法は、前記液晶ポリマーを前記金型内に流し入れた後、該金型を脱型する際、前記固定部及び前記可動部にそれぞれエジェクターピンを当接させることが好ましい。
仮に、固定部及び可動部のうちの何れか一方だけをエジェクターピンで押し出すようにすると、薄く成形された薄肉ヒンジ部が破断するおそれがある。また、薄肉ヒンジ部にエジェクターピンを当接させると、エジェクターピンによる押圧力で薄肉ヒンジ部が変形し、薄肉ヒンジ部の成形精度が悪くなり、ばね部材のばね性能が確保するのが難しくなる。これに対し、上記したように、ばね部材を金型内から外す際、エジェクターピンによって固定部及び可動部をそれぞれ押し出すようにすると、薄肉ヒンジ部が破断したり変形したりすることなく、ばね部材が金型内から容易に外される。
【００２１】
また、本発明に係るサーボ型センサは、上記した本発明に係るばね部材を振子として利用することを特徴としている。
これにより、十分な弾性率（強度）を有し、座屈が生じ難いばね部材を振子として用いるので、加速度等の物理量が感度良く、しかも高精度に検出される。また、上記したばね部材は、従来のものと比べて薄く軽い部材なので、サーボ型センサが小型化及び軽量化される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係るばね部材及びばね部材の製作方法によれば、所望する厚みの薄肉ヒンジ部を有する薄板状のばね部材を、高精度、低コストで効率良く製作することができる。
また、本発明に係るサーボ型センサによれば、高感度及び高精度の検出を実現することができるとともに、小型化及び軽量化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明に係るばね部材、ばね部材の製作方法、及びサーボ型センサの実施の形態について、図面に基いて説明する。
図１はばね部材１を表す平面図であり、図２は図１に示すＡ−Ａ間の断面図であり、図３はばね部材１を成形するための金型６を表す平断面図であり、図４はばね部材１を用いたサーボ型センサ２０を表す平面図であり、図５は図４に示すＢ−Ｂ間の断面図であり、図６は図４に示すＣ−Ｃ間の断面図である。
なお、本実施の形態では、後述する薄肉ヒンジ部４のヒンジ軸線Ｌ方向、つまり図１における横方向をＸ方向とし、薄肉ヒンジ部４のヒンジ軸線Ｌ方向及び板厚方向にそれぞれ直交する方向、つまり図１における縦方向をＹ方向とし、ばね部材１の板厚方向、つまり図２における縦方向をＺ方向とする。
【００２４】
［ばね部材］
図１、図２に示すように、ばね部材１は、固定部２と可動部３と薄肉ヒンジ部４とを備える薄板状の部材であり、薄肉ヒンジ部４が弾性変形して可動部３がその板厚方向（Ｚ方向）に揺動運動するものである。このばね部材１は、固定部２と可動部３と薄肉ヒンジ部４とが液晶ポリマーによって一体に成形されてなるものであり、Ｙ方向に延在する仮想中心線Ｐを対称軸にして線対称形状に成形されている。なお、仮想中心線Ｐは、後述する隣り合う薄肉ヒンジ部４，４間の中央位置を通るとともに後述する薄肉ヒンジ部４の分子配向方向と平行（Ｙ方向）に延在する線である。上記液晶ポリマーは、成形材料となるサーモトロピック型のものであり、上記液晶ポリマーとしては、例えば全芳香族ポリエステルのII型を用いることが可能である。このような液晶ポリマーかなる成形品は、金属等の他の材料からなるものに比べて曲げ剛性が低いため、上記薄肉ヒンジ部４は、その曲げ剛性が相当低くなっているのにもかかわらず、その厚みは比較的厚く設定される。また、この液晶ポリマーには、チタン酸カリウムウイスカーからなる強化材が含有されていることが好ましい。具体的に説明すると、平均繊維径が０．３〜０．６μｍ、平均繊維長が１０〜２０μｍのチタン酸カリウムウイスカーを５〜３０重量％程度含有させることが望ましい。これにより、薄肉ヒンジ部４の厚みが薄くても均一に充填できる。因みに強化繊維として最も一般的に用いられるガラス繊維の径の平均は９〜１３μｍであるからこのような薄肉部の成形は困難である。
【００２５】
固定部２は、固定子（後述する第１フレーム２１）に取り付けられる部位であり、平面視略長方形状の薄板状（厚さ２５０〜３００μｍ程度）のものである。この固定部２の長手方向（Ｘ方向）の両端部には、ネジ止めするための円形の孔２ａがそれぞれ形成されている。また、固定部２の長手方向（Ｘ方向）の中央部分には、ゲート跡２ｂが形成されている。このゲート跡２ｂは、ばね部材１を成形する際に液晶ポリマーを流し入れた跡である。ゲート跡２ｂは、固定部２の一方側（図１における下側）の側面に形成されており、上記した仮想中心線Ｐ上に配設されている。
【００２６】
可動部３は、可動子（後述するトルカフレーム２６）に取り付けられる部位であり、固定部２の他方側（図１における上側）の位置に配設されている。可動部３は、一方側が平面視矩形状を成すとともに他方側が円弧形状を成した薄板状（厚さ２５０〜３００μｍ程度）のものであり、その略中央部分には、トルカフレーム２６を挿通させるための円形の孔３ａが形成されている。
【００２７】
薄肉ヒンジ部４は、固定部２と可動部３とを繋ぐ部位であり、固定部２と可動部３とを間に配設されている。薄肉ヒンジ部４は、Ｙ方向断面視において、その中央部分の両面に円弧状の凹部４ａがそれぞれ形成されている。この凹部４ａは、Ｘ方向に延在して両端が開放されたＵ溝状のものであり、凹部４ａの中央部分（最薄部分）の厚さは１５〜２０μｍ程度になっている。この薄肉ヒンジ部４は、Ｙ方向に分子配向されている。つまり、薄肉ヒンジ部４においては、液晶ポリマーの分子の直鎖がＹ方向に延在した構成になっている。また、上記した構成の薄肉ヒンジ部４は、Ｘ方向に間隔をあけて複数（図１では２つ）設けられており、隣り合う一対の薄肉ヒンジ部４，４の間には略矩形の開口Ｋが形成されている。これら一対の薄肉ヒンジ部４，４は、仮想中心線Ｐを挟んで対称に配設されている。
【００２８】
また、ばね部材１の表面（両面）には、電流を流通させる金属製の導通パターン５が形成されている。導通パターン５は、固定部２から薄肉ヒンジ部４を経て可動部３に至るものであり、固定部２上に形成された固定部側端子５ａと、可動部３上に形成された可動部側端子５ｂと、固定部側端子５ａと可動部側端子５ｂとを結ぶ連結部５ｃと、から構成されている。固定部側端子５ａは、固定部２の長手方向（Ｘ方向）の略中央部分に配設されており、導通パターン５ｂは、可動部３の隅部に配設されている。また、導通パターン５は、各面（両面）にそれぞれ２つ形成されており、これら２つの導通パターン５，５は、仮想中心線Ｐを挟んで対称に配設されている。
【００２９】
［ばね部材の製作方法］
次に、上記した構成からなるばね部材１を製作する方法について説明する。
まず、図３に示すように、ばね部材１を成形するための金型６を用意する。この金型６は、図１に示す固定部２と可動部３と薄肉ヒンジ部４とを一体成形するための金型であり、金型６内に成形材料（液晶ポリマー）を流し入れるためのサイドゲート８と、成形されたばね部材１を金型６から外すための複数のエジェクターピン７を挿通させるためのエジェクター用孔９と、が備えられている。サイドゲート８は、ばね部材１の固定部２の長手方向（Ｘ方向）の側面を成形するための部分６ａに設けられており、ばね部材１の仮想中心線Ｐ上に配設されている。また、エジェクター用孔９は、金型６のうち、固定部２を成形する部分（固定部成形部６ｂ）及び可動部３を成形する部分（可動部成形部６ｄ）にそれぞれ均等に配設されている。具体的に説明すると、固定部２において、エジェクター用孔９は、固定部２の孔２ａを形成する部分６ｅのＸ方向の両側にそれぞれ形成されている。また、可動部３において、エジェクター用孔９は、可動部３の一方側（図３における下側）の隅部にそれぞれ形成されているとともに、これら隅部のエジェクター用孔９の中間位置、及び、可動部３の孔３ａを成形する部分６ｆの他方側（図３における上側）の位置にそれぞれ形成されている。なお、上記した隅部のエジェクター用孔９の中間位置に形成されたエジェクター用孔９、及び、可動部３の孔３ａを成形する部分６ｆの他方側の位置に形成されたエジェクター用孔９は、仮想中心線Ｐ上にそれぞれ配設されている。
【００３０】
次に、上記したサイドゲート８から上記金型６の中に、溶融した液晶ポリマーを流し入れる。サイドゲート８から流し込まれた液晶ポリマーは、図３に示す矢印方向に流通する。すなわち、液晶ポリマーは、金型６のうちの固定部成形部６ｂに充填されるとともに、金型６のうちの薄肉ヒンジ部４を成形する部分（薄肉ヒンジ部成形部６ｃ）に流れ込み、さらに、薄肉ヒンジ部成形部６ｃから可動部成形部６ｄに流れ込んで充填される。このとき、ばね部材１は、仮想中心線Ｐを対称軸にして線対称形状を成しており、上記仮想中心線Ｐ上に配設されたサイドゲート８から液晶ポリマーを流し入れるため、液晶ポリマーが均一に流れ易く、金型６全体に満遍なく充填される。特に、上記液晶ポリマーは流動性に優れており、最薄部分の厚さが１５〜２０μｍ程度の薄肉ヒンジ部成形部６ｃにも満遍なく充填される。また、薄肉ヒンジ部成形部６ｃにおいては、一方側（固定部２側）から他方側（可動部３側）に向けて液晶ポリマーが流通するため、薄肉ヒンジ部４はＹ方向に分子配向される。また、薄肉ヒンジ部４は、Ｘ方向に間隔をあけて複数配設されているため、薄肉ヒンジ部４の幅は狭く、薄肉ヒンジ部４における分子配向がＹ方向に揃い易くなる。
【００３１】
次に、上記した液晶ポリマーが固化した後、金型６を脱型させる。このとき、上記したエジェクターピン７をエジェクター用孔９から金型６の内側に向けて突出させ、成形されたばね部材１の固定部２及び可動部３にそれぞれ当接させる。そして、これらのエジェクターピン７で押し出すようにばね部材１を金型６から外す。これにより、薄肉ヒンジ部４が破断したり変形したりすることなく、ばね部材１が金型６内から容易に外される。
【００３２】
次に、図１、図２に示すように、上記のように成形されたばね部材１の表面に導通パターン５を形成する。この導通パターン５は、ばね部材１の両面にそれぞれ形成する。
以上により、上記した構成からなるばね部材１が完成する。なお、上記したばね部材１の薄肉ヒンジ部４は、曲げ剛性が相当低いにもかかわらず、その厚みが比較的厚く設定されているので、製造ばらつきの影響を受けにくい。
【００３３】
上記したばね部材１及びその製作方法によれば、所望する厚みの薄肉ヒンジ部４を有する薄板状のものを、高精度、低コストで効率良く製作することができる。また、薄肉ヒンジ部４はＹ方向に分子配向されているため、Ｘ方向の弾性率は小さく強度が弱くなるが、Ｙ方向の弾性率は大きく強度が強くなる。したがって、可動部３をＺ方向に揺動運動させるのに十分な弾性率（強度）を有するとともに、座屈が生じ難くいばね部材１を製作することができ、ばね部材１の安定した揺動運動を実現することができる。
【００３４】
また、薄肉ヒンジ部４がＸ方向に間隔をあけて複数配設されており、薄肉ヒンジ部４における液晶ポリマーの分子配向の方向がＹ方向に揃えられるため、高品質のばね部材１を提供することができる。
【００３５】
また、上記したばね部材１は、仮想中心線Ｐを対称軸にして線対称形状を成しており、液晶ポリマーが均一に流れ易くなっているため、液晶ポリマーを満遍なく充填することができ、高品質のばね部材１を容易に形成することができる。
【００３６】
また、上記したばね部材１の表面には、固定部２から薄肉ヒンジ部４を経て可動部３に至る導通パターン５が形成されているため、図示せぬ制御装置と可動子（第１コイル２７）とを電気的に接続する際、後述する図４、図５に示すリード線３１の振れを抑制することができる。これにより、リード線３１の断線等の不具合を防止することができる。
【００３７】
また、ばね部材１の成形材料である液晶ポリマーにチタン酸カリウムウイスカーからなる強化材を含有させると、ばね部材１の強度が向上し、薄く成形された薄肉ヒンジ部４がさらに破断しにくくなる。これにより、より一層安定した揺動運動が可能なばね部材１を提供することができる。そして、このチタン酸カリウムウイスカーの含有量をコントロールすることにより、ばね部材１の剛性、減衰率をコントロールすることが出来る。
【００３８】
また、上記したばね部材１の製作方法では、仮想中心線Ｐ上に配設されたサイドゲート８から金型６内に液晶ポリマーを流入させており、液晶ポリマーが隣り合う薄肉ヒンジ部成形部６ｃ，６ｃに均等に流れ込むため、金型６内に満遍なく液晶ポリマーを充填することができ、高品質のばね部材１を提供することができる。
【００３９】
さらに、上記したばね部材１の製作方法では、エジェクター用孔９を固定部２及び可動部３にそれぞれ当接させており、薄肉ヒンジ部４が破断したり変形したりすることなく、ばね部材１が金型６内から容易に外されるため、高品質のばね部材１を容易に製作することができる。
【００４０】
［サーボ型センサ］
次に、上記したばね部材１を用いたサーボ型センサ２０について説明する。
図４から図６に示すように、サーボ型センサ２０は、ばね部材１を振子として用いたサーボ型加速度計である。サーボ型センサ２０には、第１フレーム２１と、第１フレーム２１に被せられるケース２５と、からなるハウジング３０が備えられている。このハウジング３０の内部は、密閉されているとともに真空雰囲気になっている。
【００４１】
上記ハウジング３０内には、ばね部材１、永久磁石２８Ａ，２８Ｂ及び第１、第２コイル２７，２９がそれぞれ収容されている。ばね部材１は、第１フレーム２１に固定されている。詳細に説明すると、固定部２の孔２ａに挿通させた取付ねじ２２を第１フレーム２１に形成されたねじ孔２３に螺合することで、ばね部材１を第１フレーム２１に固定している。この際、ばね部材１のうち、固定部２のみが第１フレーム２１に接触しており、可動部３及び薄肉ヒンジ部４は第１フレーム２１に対して非接触状態となっている。つまり、ばね部材１は、固定部２を基端部にして片持ち支持された状態になっており、上記真空雰囲気で揺動するようになっている。
【００４２】
また、ケース２５の内側には、ばね部材１の可動部３を間に挟んで第１フレーム２１に対向配置された第２フレーム２４が取り付けられている。第２のフレーム２４は、ばね部材１に対して非接触状態を保った状態で配設されている。
【００４３】
ばね部材１の可動部３に形成された孔３ａには、円筒状に形成されたトルカフレーム２６が挿通されて固定されており、このトルカフレーム２６の両端部の外周には、第１のコイル２７がそれぞれ巻回されている。また、このトルカフレーム２６の両端部の内側には、トルカフレーム２６と同軸上に延在した円柱状の永久磁石２８Ａ，２８Ｂがそれぞれ配設されている。一方の永久磁石２８Ａは第１フレーム２１に突設されており、他方の永久磁石２８Ｂは第２フレーム２４に突設されており、２つの永久磁石２８Ａ，２８Ｂはばね部材１を挟んで対称に配設されている。ここで、第１フレーム２１及び第２フレーム２４は、それぞれ電磁軟鉄により形成されており、磁気回路として機能している。また、永久磁石２８Ａ，２８Ｂの外周には、第２コイル２９がそれぞれ巻回されている。また、ばね部材１の導通パターン５の可動部側端子５ｂはリード線３１を介して第１コイル２７に電気的に接続されている。また、導通パターン５の固定部側端子５ａは、図示せぬリード線を介して図示せぬ制御装置に電気的に接続される。
【００４４】
次に、上記したサーボ型センサ２０により、加速度を検出する場合について説明する。
永久磁石２８Ａ，２８Ｂの中心軸線Ｇに沿って加速度が作用すると、ばね部材１は図５に示す矢印方向に揺動する。これに伴って、トルカフレーム２６及び第１コイル２７も揺動する。すると、第１コイル２７の抵抗値と、第２コイル２９の抵抗値との差が変化する。そして、この差がゼロになるように、第１コイル２７に流れる電流をフィードバック制御する。この電流は、加速度に比例しているので、この電流を検出することで加速度を検出することができる。
【００４５】
上記した構成からなるサーボ型センサ２０によれば、十分な弾性率（強度）を有し、座屈が生じ難いばね部材１を振子として用いるので、加速度が感度良く、しかも高精度に検出される。また、上記したばね部材１は、従来のものと比べて薄く軽い部材なので、サーボ型センサ２０の小型化及び軽量化を図ることができる。
【００４６】
以上、本発明に係るばね部材、ばね部材の製作方法、及びサーボ型センサの実施の形態について説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記した実施の形態では、仮想中心線Ｐ上にサイドゲート８が配設されているが、本発明は、図７に示すように、薄肉ヒンジ部４の分子配向方向（Ｙ方向）に沿って延在する薄肉ヒンジ部４の中心線の延長線Ｏ上にサイドゲート８が配設されていてもよい。これにより、サイドゲート８から固定部成形部６ｂ、薄肉ヒンジ部成形部６ｃ、可動部成形部６ｄの順で流れる液晶ポリマーの流路がＹ方向に沿って真直ぐ延在するため、薄肉ヒンジ部４における分子配向方向が確実にＹ方向に揃えられる。これにより、Ｙ方向の弾性率が高く座屈しにくい高品質のばね部材１を製作することができる。
【００４７】
また、上記した実施の形態では、金型６のうちの固定部成形部６ｂにサイドゲート８が設けられているが、本発明は、金型６のうちの可動部成形部６ｄにサイドゲート８が設けられていてもよい。
【００４８】
また、上記した実施の形態では、薄肉ヒンジ部４がＸ方向に間隔をあけて２つ設けられているが、本発明は、薄肉ヒンジ部４が３つ以上設けられていてもよく、或いは、薄肉ヒンジ部４がＸ方向の中央部分に１つだけ設けられた構成にすることも可能である。
【００４９】
また、上記した実施の形態では、ばね部材１が線対称形状を成しているが、本発明は、非対称形状のばね部材にすることも可能である。
また、上記した実施の形態では、ばね部材１の両面に導通パターン５がそれぞれ形成されているが、本発明は、ばね部材１の表面のうち、いずれか一方の面にのみ導通パターン５が形成されていてもよく、或いは、導通パターン５を形成しないことも可能である。
また、ばね部材１の成形材料である液晶ポリマーにチタン酸カリウムウイスカーからなる強化材が含有されていることが好ましいが、本発明は、チタン酸カリウムウイスカー以外の強化材（例えばガラス繊維等）を含有させることも可能であり、或いは、強化材を含有させないことも可能である。
【００５０】
また、上記した実施の形態では、金型６にエジェクター用孔９が形成されており、このエジェクター用孔９を挿通するエジェクターピン７によって、金型６内からばね部材１を押し出して脱型しているが、本発明は、金型６にエジェクター用孔９が形成されてなく、エジェクターピン７を用いずに金型６内からばね部材１を脱型することも可能である。
【００５１】
また、上記した実施の形態では、ばね部材１がサーボ型センサ２０に用いられているが、本発明に係るばね部材を、他のセンサや機器に用いることも可能である。
その他、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した変形例を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施の形態を説明するためのばね部材の平面図である。
【図２】図２に示すＡ−Ａ間の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態を説明するための金型の平断面図である。
【図４】本発明の実施の形態を説明するためのサーボ型センサの平面図である。
【図５】図４に示すＢ−Ｂ間の断面図である。
【図６】図４に示すＣ−Ｃ間の断面図である。
【図７】本発明の他の実施の形態を説明するためのばね部材の平面図である。
【図８】従来のばね部材の一例を表す斜視図である。
【図９】図８に示すばね部材をプレス法により製造している状態を示す図である。
【図１０】図８に示すばね部材を切削法により製造している状態を示す図である。
【図１１】図１０に示す切削法によりばね部材を加工する際に、ばね部材が反ってしまった状態を示す図である。
【図１２】図１０に示す切削法によりばね部材を加工する際に、ばね部材の反りを防止するために治具を利用している状態を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１ ばね部材
２ 固定部
３ 可動部
４ 薄肉ヒンジ部
５ 導通パターン
６ 金型
７ エジェクターピン
８ サイドゲート
２０ サーボ型センサ
２１ 第１フレーム（固定子）
２６ トルカフレーム（可動子）
Ｌ ヒンジ軸線
Ｏ 延長線（薄肉ヒンジ部の中心線の延長線）
Ｐ 仮想中心線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サーボ型加速度計やサーボ型傾斜計等のサーボ型センサに組み込まれるばね部材、及び該ばね部材の製作方法、並びに上記ばね部材を有するサーボ型センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
精密部品の１つであるサーボ型加速度計には、加速度が作用すると揺動する振子が組み込まれている。この振子は、所定の厚さの薄板状のばね部材であり、部分的に厚みがさらに薄く形成された薄肉ヒンジ部を中心に揺動するようになっている。特に、この薄肉ヒンジ部は、微小な加速度でも振子が揺動するように厚み精度が求められている。つまり、振子として機能させるためには、部分的に厚みを変化させながらばね部材を高精度に厚み制御しながら加工することが必要とされている。
【０００３】
ここで、この種のばね部材４０の厚みを部分的に薄くして図８に示す薄肉ヒンジ部４１を加工する方法としては、一般的にプレスを利用する方法や、切削による方法等が知られている。
このうちプレスを利用する方法は、図９に示すように、ばね部材４０の両側から、該ばね部材４０をプレス工具４２で機械的に挟んで部分的に厚みを薄くする方法である。一方、切削による方法は、図１０に示すように、ばね部材４０の片側を加工工具４３で切削加工した後、ばね部材４０を裏返し、その後、再度加工工具４３で残りの片側を切削加工する方法である。また、上述した機械的加工とは異なり、腐食作用を利用したエッチングによりばね部材４０を加工する方法も知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平５−１４２２４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した従来の方法では、まだ以下の課題が残されている。
即ち、プレスを利用する方法では、容易に薄肉ヒンジ部４１を形成することができるが、プレスするタイミングや、プレス時間や、プレスする際の圧力等によって厚みが容易に変わってしまい、薄肉ヒンジ部４１の厚みを高精度に制御することが難しいものであった。よって、許容できる厚み公差内に収めることが困難であり、薄肉ヒンジ部４１を必要な厚み精度で安定して形成することができなかった。特に、厚み公差のレンジが１μｍ程度の薄肉ヒンジ部４１を形成することは、困難であった。
【０００５】
そのため、このばね部材４０を振子として利用したとしても、安定した揺動を期待できるものではなかった。また、プレスした際の加工硬化によりばね部材４０が本来持っている材料特性が変化してしまう恐れがあった。加えて、薄肉ヒンジ部４１をばね部材４０の厚みの中心に精度良く形成することが困難であった。これらのことも、安定した揺動を妨げる要因となるものであった。
【０００６】
また、切削による方法では、図１１に示すように、片側を切削加工した後、残りの片側を切削加工しようとすると、最初の切削によってばね部材４０の厚みが既に薄くなっているので、加工工具４３を押し付けた際に反ってしまう恐れがある。そのため、通常はこの反りを防ぐため、図１２に示すように最初に切削した孔に嵌合する治具４４を用意して、ばね部材４０の姿勢を安定化させる必要がある。ところが、治具４４を毎回セットする必要があるので、加工の効率が悪く、コスト高を招くものであった。
また、プレスする場合と同様に、薄肉ヒンジ部４１の厚みを高精度に制御することが難しく、薄肉ヒンジ部４１を必要な精度で安定して形成することができなかった。そのため、ばね部材４０を振子として利用したとしても、安定した揺動を期待できるものではなかった。
また、切削時に発生する熱の影響や摩擦等の影響により、ばね部材４０が本来持っている材料特性が変化してしまうおそれがあった。加えて、薄肉ヒンジ部４１をばね部材４０の厚みの中心に精度良く形成することが困難であった。これらのことも、安定した揺動を妨げる要因となるものであった。
【０００７】
上述したように、プレス及び切削による機械的加工では、薄肉ヒンジ部４１を必要な精度で安定して形成することができず、しかも、ばね部材４０の特性が変化するおそれがあった。また、低コストで効率良く加工することができなかった。また、ばね部材４０を振子として利用したとしても、揺動の安定性に欠けるものであった。
【０００８】
一方、エッチングにより加工を行う方法では、上述した機械的加工特有のばね部材４０の特性変化に関しては生じないが、やはり、薄肉ヒンジ部４１の厚みを高精度に制御することが困難であった。加えて、薄肉ヒンジ部４１をばね部材４０の厚みの中心に精度良く形成することも困難であった。また、加工形状が制限されるとともに、加工時間がかかるという問題がある。
【０００９】
本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、その目的は、所望する厚みの薄肉ヒンジ部を有する薄板状のばね部材を、高精度、低コストで効率良く製作することができるばね部材、そのばね部材の製作方法、及びそのばね部材を有するサーボ型センサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るばね部材は、固定子に取り付けられる固定部と、可動子に取り付けられる可動部と、前記固定部と前記可動部との間に配設された薄肉ヒンジ部と、を備え、該薄肉ヒンジ部が弾性変形して前記可動部がその板厚方向に揺動運動する薄板状のばね部材において、前記固定部、前記可動部及び前記薄肉ヒンジ部が、液晶ポリマーによって一体に成形され、前記薄肉ヒンジ部は、該薄肉ヒンジ部のヒンジ軸線方向及び板厚方向にそれぞれ直交する方向に分子配向されていることを特徴としている。
【００１１】
このような特徴により、本発明に係るばね部材を製作する際、まず、ばね部材を成形するための金型を用意する。そして、その金型の中に、溶融した液晶ポリマーを流し入れる。そして、その液晶ポリマーが固化した後、金型を脱型することで、薄板状のばね部材が製作される。上記した液晶ポリマーは流動性に優れており、薄い部分にも容易に充填されるため、金属製のものや他の樹脂製のものと比べて薄いばね部材を製作することが可能である。具体的には、固定部及び可動部の厚さを２５０〜３００μｍ程度、薄肉ヒンジ部の最薄部分の厚さを１５〜２０μｍ程度にすることが可能である。また、液晶ポリマーは、分子配向方向によって弾性率（強度）に異方性が生じるが、薄肉ヒンジ部は、その板厚方向及びヒンジ軸線方向にそれぞれ直交する方向（ヒンジ軸線直交方向）に分子配向されているため、ヒンジ軸線方向の弾性率は小さく強度が弱くなるが、上記ヒンジ軸線直交方向の弾性率は大きく強度が強くなる。したがって、薄く成形された薄肉ヒンジ部は、可動部をその板厚方向に揺動運動させるのに十分な弾性率（強度）を有するとともに、座屈が生じ難くなる。また、液晶ポリマーは、金属等の他の材料に比べて曲げ剛性が低いため、所定の曲げ剛性を持つ薄肉ヒンジ部の厚みを厚く設定することが可能である。これにより、製造ばらつき（厚み公差）の影響を受けにくく、より製造し易くなる。
【００１２】
また、本発明に係るばね部材は、前記薄肉ヒンジ部が前記ヒンジ軸線方向に間隔をあけて複数配設されていることが好ましい。
これにより、薄肉ヒンジ部における分子配向を上記ヒンジ軸線直交方向に揃い易くなる。すなわち、液晶ポリマーは、その流れ方向に沿って分子配向されるため、仮に、薄肉ヒンジ部が幅広であると、液晶ポリマーは一定の方向に流れずに放射状に広がるように流れ、分子配向の方向が不均等になりやすい。これに対し、上記のように、薄肉ヒンジ部がヒンジ軸線方向に間隔をあけて複数配設されていると、その分、薄肉ヒンジ部の幅が狭くなるため、液晶ポリマーは一定の方向に流れ易くなり、分子配向の方向が一定の方向に揃えられる。したがって、分子配向の方向が上記ヒンジ軸線直交方向に揃えられる。
【００１３】
また、本発明に係るばね部材は、前記薄肉ヒンジ部の分子配向方向に延在する仮想中心線を対称軸にして線対称形状に成形されていることが好ましい。
これにより、上記仮想中心線上の位置から液晶ポリマーを流し入れると、液晶ポリマーが均一に流れ易くなり、高品質のばね部材が製作される。
【００１４】
また、本発明に係るばね部材は、前記固定部から前記薄肉ヒンジ部を経て前記可動部に至る導通パターンが表面に形成されていることが好ましい。
これにより、フィードバック制御するための制御装置と可動子とを電気的に接続する際、リード線の振れを抑制することができる。すなわち、仮に、可動子にリード線を直接接続すると、可動子が動くことでリード線が振れることになり、断線や可動部の変位阻害、これに伴う個体差の発生等の原因となる。これに対し、上記のように、固定部から薄肉ヒンジ部を経て可動部に至る導通パターンが表面に形成されていると、可動部上の導通パターンと可動子とをリード線で接続するとともに、固定部上の導通パターンと制御装置とをリード線で接続することで、制御装置と可動子とが電気的に接続される。これにより、可動子に接続するリード線の振れはなくなり、また、制御装置に接続するリード線も振れはなくなる、もしくは極めて小さくなる。なお、液晶ポリマーは、耐熱性に優れているため、導通パターンを形成するのに適している。
【００１５】
また、本発明に係るばね部材は、前記液晶ポリマーに、チタン酸カリウムウイスカーからなる強化材が含有されていることが好ましい。
これにより、ばね部材の強度は向上し、薄く成形された薄肉ヒンジ部が破断しにくくなるとともにヒンジ部の減衰率が大きくなる。
【００１６】
また、本発明に係るばね部材の製作方法は、上記した本発明に係るばね部材を成形するための金型内に液晶ポリマーを流し入れて成形するばね部材の製作方法であって、前記金型のうち前記固定部又は前記可動部の側面を成形する部分にサイドゲートを設け、該サイドゲートから前記金型内に前記液晶ポリマーを流入させることを特徴としている。
【００１７】
これにより、サイドゲートから流し込まれた液晶ポリマーは、金型内を流通して薄肉ヒンジ部を成形する部分に充填される。例えば、サイドゲートが固定部側に設けられている場合、薄肉ヒンジ部を成形する部分には、固定部側から可動部側に向けて液晶ポリマーが流れ込んで充填される。一方、サイドゲートが可動部側に設けられている場合、薄肉ヒンジ部を成形する部分には、可動部側から固定部側に向けて液晶ポリマーが流れ込んで充填される。上記した何れの場合も、薄肉ヒンジ部の液晶ポリマーは、上記ヒンジ軸線直交方向に分子配向される。
【００１８】
また、本発明に係るばね部材の製作方法は、前記薄肉ヒンジ部が前記ヒンジ軸線方向に間隔をあけて複数配設されたばね部材を製作する際、隣り合う前記薄肉ヒンジ部間の中央位置を通るとともに前記薄肉ヒンジ部の分子配向方向と平行に延在する仮想中心線上に、前記サイドゲードを配設させることが好ましい。
これにより、サイドゲートから流し込まれた液晶ポリマーは、隣り合う薄肉ヒンジ部を成形する部分にそれぞれ均等に流れ込む。
【００１９】
また、本発明に係るばね部材の製作方法は、前記薄肉ヒンジ部の分子配向方向に沿って延在する該薄肉ヒンジ部の中心線の延長線上に、前記サイドゲート部を配設させてもよい。
これにより、サイドゲートから固定部を成形する部分、薄肉ヒンジ部を成形する部分、可動部を成形する部分の順で流れる液晶ポリマーの流路が、ヒンジ軸線直交方向に真直ぐ延在する。
【００２０】
また、本発明に係るばね部材の製作方法は、前記液晶ポリマーを前記金型内に流し入れた後、該金型を脱型する際、前記固定部及び前記可動部にそれぞれエジェクターピンを当接させることが好ましい。
仮に、固定部及び可動部のうちの何れか一方だけをエジェクターピンで押し出すようにすると、薄く成形された薄肉ヒンジ部が破断するおそれがある。また、薄肉ヒンジ部にエジェクターピンを当接させると、エジェクターピンによる押圧力で薄肉ヒンジ部が変形し、薄肉ヒンジ部の成形精度が悪くなり、ばね部材のばね性能が確保するのが難しくなる。これに対し、上記したように、ばね部材を金型内から外す際、エジェクターピンによって固定部及び可動部をそれぞれ押し出すようにすると、薄肉ヒンジ部が破断したり変形したりすることなく、ばね部材が金型内から容易に外される。
【００２１】
また、本発明に係るサーボ型センサは、上記した本発明に係るばね部材を振子として利用することを特徴としている。
これにより、十分な弾性率（強度）を有し、座屈が生じ難いばね部材を振子として用いるので、加速度等の物理量が感度良く、しかも高精度に検出される。また、上記したばね部材は、従来のものと比べて薄く軽い部材なので、サーボ型センサが小型化及び軽量化される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係るばね部材及びばね部材の製作方法によれば、所望する厚みの薄肉ヒンジ部を有する薄板状のばね部材を、高精度、低コストで効率良く製作することができる。
また、本発明に係るサーボ型センサによれば、高感度及び高精度の検出を実現することができるとともに、小型化及び軽量化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明に係るばね部材、ばね部材の製作方法、及びサーボ型センサの実施の形態について、図面に基いて説明する。
図１はばね部材１を表す平面図であり、図２は図１に示すＡ−Ａ間の断面図であり、図３はばね部材１を成形するための金型６を表す平断面図であり、図４はばね部材１を用いたサーボ型センサ２０を表す平面図であり、図５は図４に示すＢ−Ｂ間の断面図であり、図６は図４に示すＣ−Ｃ間の断面図である。
なお、本実施の形態では、後述する薄肉ヒンジ部４のヒンジ軸線Ｌ方向、つまり図１における横方向をＸ方向とし、薄肉ヒンジ部４のヒンジ軸線Ｌ方向及び板厚方向にそれぞれ直交する方向、つまり図１における縦方向をＹ方向とし、ばね部材１の板厚方向、つまり図２における縦方向をＺ方向とする。
【００２４】
［ばね部材］
図１、図２に示すように、ばね部材１は、固定部２と可動部３と薄肉ヒンジ部４とを備える薄板状の部材であり、薄肉ヒンジ部４が弾性変形して可動部３がその板厚方向（Ｚ方向）に揺動運動するものである。このばね部材１は、固定部２と可動部３と薄肉ヒンジ部４とが液晶ポリマーによって一体に成形されてなるものであり、Ｙ方向に延在する仮想中心線Ｐを対称軸にして線対称形状に成形されている。なお、仮想中心線Ｐは、後述する隣り合う薄肉ヒンジ部４，４間の中央位置を通るとともに後述する薄肉ヒンジ部４の分子配向方向と平行（Ｙ方向）に延在する線である。上記液晶ポリマーは、成形材料となるサーモトロピック型のものであり、上記液晶ポリマーとしては、例えば全芳香族ポリエステルのII型を用いることが可能である。このような液晶ポリマーかなる成形品は、金属等の他の材料からなるものに比べて曲げ剛性が低いため、上記薄肉ヒンジ部４は、その曲げ剛性が相当低くなっているのにもかかわらず、その厚みは比較的厚く設定される。また、この液晶ポリマーには、チタン酸カリウムウイスカーからなる強化材が含有されていることが好ましい。具体的に説明すると、平均繊維径が０．３〜０．６μｍ、平均繊維長が１０〜２０μｍのチタン酸カリウムウイスカーを５〜３０重量％程度含有させることが望ましい。これにより、薄肉ヒンジ部４の厚みが薄くても均一に充填できる。因みに強化繊維として最も一般的に用いられるガラス繊維の径の平均は９〜１３μｍであるからこのような薄肉部の成形は困難である。
【００２５】
固定部２は、固定子（後述する第１フレーム２１）に取り付けられる部位であり、平面視略長方形状の薄板状（厚さ２５０〜３００μｍ程度）のものである。この固定部２の長手方向（Ｘ方向）の両端部には、ネジ止めするための円形の孔２ａがそれぞれ形成されている。また、固定部２の長手方向（Ｘ方向）の中央部分には、ゲート跡２ｂが形成されている。このゲート跡２ｂは、ばね部材１を成形する際に液晶ポリマーを流し入れた跡である。ゲート跡２ｂは、固定部２の一方側（図１における下側）の側面に形成されており、上記した仮想中心線Ｐ上に配設されている。
【００２６】
可動部３は、可動子（後述するトルカフレーム２６）に取り付けられる部位であり、固定部２の他方側（図１における上側）の位置に配設されている。可動部３は、一方側が平面視矩形状を成すとともに他方側が円弧形状を成した薄板状（厚さ２５０〜３００μｍ程度）のものであり、その略中央部分には、トルカフレーム２６を挿通させるための円形の孔３ａが形成されている。
【００２７】
薄肉ヒンジ部４は、固定部２と可動部３とを繋ぐ部位であり、固定部２と可動部３とを間に配設されている。薄肉ヒンジ部４は、Ｙ方向断面視において、その中央部分の両面に円弧状の凹部４ａがそれぞれ形成されている。この凹部４ａは、Ｘ方向に延在して両端が開放されたＵ溝状のものであり、凹部４ａの中央部分（最薄部分）の厚さは１５〜２０μｍ程度になっている。この薄肉ヒンジ部４は、Ｙ方向に分子配向されている。つまり、薄肉ヒンジ部４においては、液晶ポリマーの分子の直鎖がＹ方向に延在した構成になっている。また、上記した構成の薄肉ヒンジ部４は、Ｘ方向に間隔をあけて複数（図１では２つ）設けられており、隣り合う一対の薄肉ヒンジ部４，４の間には略矩形の開口Ｋが形成されている。これら一対の薄肉ヒンジ部４，４は、仮想中心線Ｐを挟んで対称に配設されている。
【００２８】
また、ばね部材１の表面（両面）には、電流を流通させる金属製の導通パターン５が形成されている。導通パターン５は、固定部２から薄肉ヒンジ部４を経て可動部３に至るものであり、固定部２上に形成された固定部側端子５ａと、可動部３上に形成された可動部側端子５ｂと、固定部側端子５ａと可動部側端子５ｂとを結ぶ連結部５ｃと、から構成されている。固定部側端子５ａは、固定部２の長手方向（Ｘ方向）の略中央部分に配設されており、導通パターン５ｂは、可動部３の隅部に配設されている。また、導通パターン５は、各面（両面）にそれぞれ２つ形成されており、これら２つの導通パターン５，５は、仮想中心線Ｐを挟んで対称に配設されている。
【００２９】
［ばね部材の製作方法］
次に、上記した構成からなるばね部材１を製作する方法について説明する。
まず、図３に示すように、ばね部材１を成形するための金型６を用意する。この金型６は、図１に示す固定部２と可動部３と薄肉ヒンジ部４とを一体成形するための金型であり、金型６内に成形材料（液晶ポリマー）を流し入れるためのサイドゲート８と、成形されたばね部材１を金型６から外すための複数のエジェクターピン７を挿通させるためのエジェクター用孔９と、が備えられている。サイドゲート８は、ばね部材１の固定部２の長手方向（Ｘ方向）の側面を成形するための部分６ａに設けられており、ばね部材１の仮想中心線Ｐ上に配設されている。また、エジェクター用孔９は、金型６のうち、固定部２を成形する部分（固定部成形部６ｂ）及び可動部３を成形する部分（可動部成形部６ｄ）にそれぞれ均等に配設されている。具体的に説明すると、固定部２において、エジェクター用孔９は、固定部２の孔２ａを形成する部分６ｅのＸ方向の両側にそれぞれ形成されている。また、可動部３において、エジェクター用孔９は、可動部３の一方側（図３における下側）の隅部にそれぞれ形成されているとともに、これら隅部のエジェクター用孔９の中間位置、及び、可動部３の孔３ａを成形する部分６ｆの他方側（図３における上側）の位置にそれぞれ形成されている。なお、上記した隅部のエジェクター用孔９の中間位置に形成されたエジェクター用孔９、及び、可動部３の孔３ａを成形する部分６ｆの他方側の位置に形成されたエジェクター用孔９は、仮想中心線Ｐ上にそれぞれ配設されている。
【００３０】
次に、上記したサイドゲート８から上記金型６の中に、溶融した液晶ポリマーを流し入れる。サイドゲート８から流し込まれた液晶ポリマーは、図３に示す矢印方向に流通する。すなわち、液晶ポリマーは、金型６のうちの固定部成形部６ｂに充填されるとともに、金型６のうちの薄肉ヒンジ部４を成形する部分（薄肉ヒンジ部成形部６ｃ）に流れ込み、さらに、薄肉ヒンジ部成形部６ｃから可動部成形部６ｄに流れ込んで充填される。このとき、ばね部材１は、仮想中心線Ｐを対称軸にして線対称形状を成しており、上記仮想中心線Ｐ上に配設されたサイドゲート８から液晶ポリマーを流し入れるため、液晶ポリマーが均一に流れ易く、金型６全体に満遍なく充填される。特に、上記液晶ポリマーは流動性に優れており、最薄部分の厚さが１５〜２０μｍ程度の薄肉ヒンジ部成形部６ｃにも満遍なく充填される。また、薄肉ヒンジ部成形部６ｃにおいては、一方側（固定部２側）から他方側（可動部３側）に向けて液晶ポリマーが流通するため、薄肉ヒンジ部４はＹ方向に分子配向される。また、薄肉ヒンジ部４は、Ｘ方向に間隔をあけて複数配設されているため、薄肉ヒンジ部４の幅は狭く、薄肉ヒンジ部４における分子配向がＹ方向に揃い易くなる。
【００３１】
次に、上記した液晶ポリマーが固化した後、金型６を脱型させる。このとき、上記したエジェクターピン７をエジェクター用孔９から金型６の内側に向けて突出させ、成形されたばね部材１の固定部２及び可動部３にそれぞれ当接させる。そして、これらのエジェクターピン７で押し出すようにばね部材１を金型６から外す。これにより、薄肉ヒンジ部４が破断したり変形したりすることなく、ばね部材１が金型６内から容易に外される。
【００３２】
次に、図１、図２に示すように、上記のように成形されたばね部材１の表面に導通パターン５を形成する。この導通パターン５は、ばね部材１の両面にそれぞれ形成する。
以上により、上記した構成からなるばね部材１が完成する。なお、上記したばね部材１の薄肉ヒンジ部４は、曲げ剛性が相当低いにもかかわらず、その厚みが比較的厚く設定されているので、製造ばらつきの影響を受けにくい。
【００３３】
上記したばね部材１及びその製作方法によれば、所望する厚みの薄肉ヒンジ部４を有する薄板状のものを、高精度、低コストで効率良く製作することができる。また、薄肉ヒンジ部４はＹ方向に分子配向されているため、Ｘ方向の弾性率は小さく強度が弱くなるが、Ｙ方向の弾性率は大きく強度が強くなる。したがって、可動部３をＺ方向に揺動運動させるのに十分な弾性率（強度）を有するとともに、座屈が生じ難くいばね部材１を製作することができ、ばね部材１の安定した揺動運動を実現することができる。
【００３４】
また、薄肉ヒンジ部４がＸ方向に間隔をあけて複数配設されており、薄肉ヒンジ部４における液晶ポリマーの分子配向の方向がＹ方向に揃えられるため、高品質のばね部材１を提供することができる。
【００３５】
また、上記したばね部材１は、仮想中心線Ｐを対称軸にして線対称形状を成しており、液晶ポリマーが均一に流れ易くなっているため、液晶ポリマーを満遍なく充填することができ、高品質のばね部材１を容易に形成することができる。
【００３６】
また、上記したばね部材１の表面には、固定部２から薄肉ヒンジ部４を経て可動部３に至る導通パターン５が形成されているため、図示せぬ制御装置と可動子（第１コイル２７）とを電気的に接続する際、後述する図４、図５に示すリード線３１の振れを抑制することができる。これにより、リード線３１の断線等の不具合を防止することができる。
【００３７】
また、ばね部材１の成形材料である液晶ポリマーにチタン酸カリウムウイスカーからなる強化材を含有させると、ばね部材１の強度が向上し、薄く成形された薄肉ヒンジ部４がさらに破断しにくくなる。これにより、より一層安定した揺動運動が可能なばね部材１を提供することができる。そして、このチタン酸カリウムウイスカーの含有量をコントロールすることにより、ばね部材１の剛性、減衰率をコントロールすることが出来る。
【００３８】
また、上記したばね部材１の製作方法では、仮想中心線Ｐ上に配設されたサイドゲート８から金型６内に液晶ポリマーを流入させており、液晶ポリマーが隣り合う薄肉ヒンジ部成形部６ｃ，６ｃに均等に流れ込むため、金型６内に満遍なく液晶ポリマーを充填することができ、高品質のばね部材１を提供することができる。
【００３９】
さらに、上記したばね部材１の製作方法では、エジェクター用孔９を固定部２及び可動部３にそれぞれ当接させており、薄肉ヒンジ部４が破断したり変形したりすることなく、ばね部材１が金型６内から容易に外されるため、高品質のばね部材１を容易に製作することができる。
【００４０】
［サーボ型センサ］
次に、上記したばね部材１を用いたサーボ型センサ２０について説明する。
図４から図６に示すように、サーボ型センサ２０は、ばね部材１を振子として用いたサーボ型加速度計である。サーボ型センサ２０には、第１フレーム２１と、第１フレーム２１に被せられるケース２５と、からなるハウジング３０が備えられている。このハウジング３０の内部は、密閉されているとともに真空雰囲気になっている。
【００４１】
上記ハウジング３０内には、ばね部材１、永久磁石２８Ａ，２８Ｂ及び第１、第２コイル２７，２９がそれぞれ収容されている。ばね部材１は、第１フレーム２１に固定されている。詳細に説明すると、固定部２の孔２ａに挿通させた取付ねじ２２を第１フレーム２１に形成されたねじ孔２３に螺合することで、ばね部材１を第１フレーム２１に固定している。この際、ばね部材１のうち、固定部２のみが第１フレーム２１に接触しており、可動部３及び薄肉ヒンジ部４は第１フレーム２１に対して非接触状態となっている。つまり、ばね部材１は、固定部２を基端部にして片持ち支持された状態になっており、上記真空雰囲気で揺動するようになっている。
【００４２】
また、ケース２５の内側には、ばね部材１の可動部３を間に挟んで第１フレーム２１に対向配置された第２フレーム２４が取り付けられている。第２のフレーム２４は、ばね部材１に対して非接触状態を保った状態で配設されている。
【００４３】
ばね部材１の可動部３に形成された孔３ａには、円筒状に形成されたトルカフレーム２６が挿通されて固定されており、このトルカフレーム２６の両端部の外周には、第１のコイル２７がそれぞれ巻回されている。また、このトルカフレーム２６の両端部の内側には、トルカフレーム２６と同軸上に延在した円柱状の永久磁石２８Ａ，２８Ｂがそれぞれ配設されている。一方の永久磁石２８Ａは第１フレーム２１に突設されており、他方の永久磁石２８Ｂは第２フレーム２４に突設されており、２つの永久磁石２８Ａ，２８Ｂはばね部材１を挟んで対称に配設されている。ここで、第１フレーム２１及び第２フレーム２４は、それぞれ電磁軟鉄により形成されており、磁気回路として機能している。また、永久磁石２８Ａ，２８Ｂの外周には、第２コイル２９がそれぞれ巻回されている。また、ばね部材１の導通パターン５の可動部側端子５ｂはリード線３１を介して第１コイル２７に電気的に接続されている。また、導通パターン５の固定部側端子５ａは、図示せぬリード線を介して図示せぬ制御装置に電気的に接続される。
【００４４】
次に、上記したサーボ型センサ２０により、加速度を検出する場合について説明する。
永久磁石２８Ａ，２８Ｂの中心軸線Ｇに沿って加速度が作用すると、ばね部材１は図５に示す矢印方向に揺動する。これに伴って、トルカフレーム２６及び第１コイル２７も揺動する。すると、第１コイル２７の抵抗値と、第２コイル２９の抵抗値との差が変化する。そして、この差がゼロになるように、第１コイル２７に流れる電流をフィードバック制御する。この電流は、加速度に比例しているので、この電流を検出することで加速度を検出することができる。
【００４５】
上記した構成からなるサーボ型センサ２０によれば、十分な弾性率（強度）を有し、座屈が生じ難いばね部材１を振子として用いるので、加速度が感度良く、しかも高精度に検出される。また、上記したばね部材１は、従来のものと比べて薄く軽い部材なので、サーボ型センサ２０の小型化及び軽量化を図ることができる。
【００４６】
以上、本発明に係るばね部材、ばね部材の製作方法、及びサーボ型センサの実施の形態について説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記した実施の形態では、仮想中心線Ｐ上にサイドゲート８が配設されているが、本発明は、図７に示すように、薄肉ヒンジ部４の分子配向方向（Ｙ方向）に沿って延在する薄肉ヒンジ部４の中心線の延長線Ｏ上にサイドゲート８が配設されていてもよい。これにより、サイドゲート８から固定部成形部６ｂ、薄肉ヒンジ部成形部６ｃ、可動部成形部６ｄの順で流れる液晶ポリマーの流路がＹ方向に沿って真直ぐ延在するため、薄肉ヒンジ部４における分子配向方向が確実にＹ方向に揃えられる。これにより、Ｙ方向の弾性率が高く座屈しにくい高品質のばね部材１を製作することができる。
【００４７】
また、上記した実施の形態では、金型６のうちの固定部成形部６ｂにサイドゲート８が設けられているが、本発明は、金型６のうちの可動部成形部６ｄにサイドゲート８が設けられていてもよい。
【００４８】
また、上記した実施の形態では、薄肉ヒンジ部４がＸ方向に間隔をあけて２つ設けられているが、本発明は、薄肉ヒンジ部４が３つ以上設けられていてもよく、或いは、薄肉ヒンジ部４がＸ方向の中央部分に１つだけ設けられた構成にすることも可能である。
【００４９】
また、上記した実施の形態では、ばね部材１が線対称形状を成しているが、本発明は、非対称形状のばね部材にすることも可能である。
また、上記した実施の形態では、ばね部材１の両面に導通パターン５がそれぞれ形成されているが、本発明は、ばね部材１の表面のうち、いずれか一方の面にのみ導通パターン５が形成されていてもよく、或いは、導通パターン５を形成しないことも可能である。
また、ばね部材１の成形材料である液晶ポリマーにチタン酸カリウムウイスカーからなる強化材が含有されていることが好ましいが、本発明は、チタン酸カリウムウイスカー以外の強化材（例えばガラス繊維等）を含有させることも可能であり、或いは、強化材を含有させないことも可能である。
【００５０】
また、上記した実施の形態では、金型６にエジェクター用孔９が形成されており、このエジェクター用孔９を挿通するエジェクターピン７によって、金型６内からばね部材１を押し出して脱型しているが、本発明は、金型６にエジェクター用孔９が形成されてなく、エジェクターピン７を用いずに金型６内からばね部材１を脱型することも可能である。
【００５１】
また、上記した実施の形態では、ばね部材１がサーボ型センサ２０に用いられているが、本発明に係るばね部材を、他のセンサや機器に用いることも可能である。
その他、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した変形例を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施の形態を説明するためのばね部材の平面図である。
【図２】図２に示すＡ−Ａ間の断面図である。
【図３】本発明の実施の形態を説明するための金型の平断面図である。
【図４】本発明の実施の形態を説明するためのサーボ型センサの平面図である。
【図５】図４に示すＢ−Ｂ間の断面図である。
【図６】図４に示すＣ−Ｃ間の断面図である。
【図７】本発明の他の実施の形態を説明するためのばね部材の平面図である。
【図８】従来のばね部材の一例を表す斜視図である。
【図９】図８に示すばね部材をプレス法により製造している状態を示す図である。
【図１０】図８に示すばね部材を切削法により製造している状態を示す図である。
【図１１】図１０に示す切削法によりばね部材を加工する際に、ばね部材が反ってしまった状態を示す図である。
【図１２】図１０に示す切削法によりばね部材を加工する際に、ばね部材の反りを防止するために治具を利用している状態を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１ ばね部材
２ 固定部
３ 可動部
４ 薄肉ヒンジ部
５ 導通パターン
６ 金型
７ エジェクターピン
８ サイドゲート
２０ サーボ型センサ
２１ 第１フレーム（固定子）
２６ トルカフレーム（可動子）
Ｌ ヒンジ軸線
Ｏ 延長線（薄肉ヒンジ部の中心線の延長線）
Ｐ 仮想中心線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子に取り付けられる固定部と、可動子に取り付けられる可動部と、前記固定部と前記可動部との間に配設された薄肉ヒンジ部と、を備え、該薄肉ヒンジ部が弾性変形して前記可動部がその板厚方向に揺動運動する薄板状のばね部材において、
前記固定部、前記可動部及び前記薄肉ヒンジ部が、液晶ポリマーによって一体に成形され、
前記薄肉ヒンジ部は、該薄肉ヒンジ部のヒンジ軸線方向及び板厚方向にそれぞれ直交する方向に分子配向されていることを特徴とするばね部材。
【請求項２】
請求項１に記載のばね部材において、
前記薄肉ヒンジ部が前記ヒンジ軸線方向に間隔をあけて複数配設されていることを特徴とするばね部材。
【請求項３】
請求項１又は２の何れか一項に記載のばね部材において、
前記薄肉ヒンジ部の分子配向方向に延在する仮想中心線を対称軸にして線対称形状に成形されていることを特徴とするばね部材。
【請求項４】
請求項１から３の何れか一項に記載のばね部材において、
前記固定部から前記薄肉ヒンジ部を経て前記可動部に至る導通パターンが表面に形成されていることを特徴とするばね部材。
【請求項５】
請求項１から４の何れか一項に記載のばね部材において、
前記液晶ポリマーに、チタン酸カリウムウイスカーからなる強化材が含有されていることを特徴とするばね部材。
【請求項６】
請求項１から５の何れか一項に記載のばね部材を成形するための金型内に液晶ポリマーを流し入れて成形するばね部材の製作方法であって、
前記金型のうち前記固定部又は前記可動部の側面を成形する部分にサイドゲートを設け、
該サイドゲートから前記金型内に前記液晶ポリマーを流入させることを特徴とするばね部材の製作方法。
【請求項７】
請求項６記載のばね部材の製作方法において、
前記薄肉ヒンジ部が前記ヒンジ軸線方向に間隔をあけて複数配設されたばね部材を製作する際、
隣り合う前記薄肉ヒンジ部間の中央位置を通るとともに前記薄肉ヒンジ部の分子配向方向と平行に延在する仮想中心線上に、前記サイドゲードを配設させることを特徴とするばね部材の製作方法。
【請求項８】
請求項６記載のばね部材の製作方法において、
前記薄肉ヒンジ部の分子配向方向に沿って延在する該薄肉ヒンジ部の中心線の延長線上に、前記サイドゲート部を配設させることを特徴とするばね部材の製作方法。
【請求項９】
請求項６から８の何れか一項に記載のばね部材の製作方法において、
前記液晶ポリマーを前記金型内に流し入れた後、該金型を脱型する際、前記固定部及び前記可動部にそれぞれエジェクターピンを当接させることを特徴とするばね部材の製作方法。
【請求項１０】
請求項１から５の何れか一項に記載のばね部材を振子として利用することを特徴とするサーボ型センサ。
【請求項１】
固定子に取り付けられる固定部と、可動子に取り付けられる可動部と、前記固定部と前記可動部との間に配設された薄肉ヒンジ部と、を備え、該薄肉ヒンジ部が弾性変形して前記可動部がその板厚方向に揺動運動する薄板状のばね部材において、
前記固定部、前記可動部及び前記薄肉ヒンジ部が、液晶ポリマーによって一体に成形され、
前記薄肉ヒンジ部は、該薄肉ヒンジ部のヒンジ軸線方向及び板厚方向にそれぞれ直交する方向に分子配向されていることを特徴とするばね部材。
【請求項２】
請求項１に記載のばね部材において、
前記薄肉ヒンジ部が前記ヒンジ軸線方向に間隔をあけて複数配設されていることを特徴とするばね部材。
【請求項３】
請求項１又は２の何れか一項に記載のばね部材において、
前記薄肉ヒンジ部の分子配向方向に延在する仮想中心線を対称軸にして線対称形状に成形されていることを特徴とするばね部材。
【請求項４】
請求項１から３の何れか一項に記載のばね部材において、
前記固定部から前記薄肉ヒンジ部を経て前記可動部に至る導通パターンが表面に形成されていることを特徴とするばね部材。
【請求項５】
請求項１から４の何れか一項に記載のばね部材において、
前記液晶ポリマーに、チタン酸カリウムウイスカーからなる強化材が含有されていることを特徴とするばね部材。
【請求項６】
請求項１から５の何れか一項に記載のばね部材を成形するための金型内に液晶ポリマーを流し入れて成形するばね部材の製作方法であって、
前記金型のうち前記固定部又は前記可動部の側面を成形する部分にサイドゲートを設け、
該サイドゲートから前記金型内に前記液晶ポリマーを流入させることを特徴とするばね部材の製作方法。
【請求項７】
請求項６記載のばね部材の製作方法において、
前記薄肉ヒンジ部が前記ヒンジ軸線方向に間隔をあけて複数配設されたばね部材を製作する際、
隣り合う前記薄肉ヒンジ部間の中央位置を通るとともに前記薄肉ヒンジ部の分子配向方向と平行に延在する仮想中心線上に、前記サイドゲードを配設させることを特徴とするばね部材の製作方法。
【請求項８】
請求項６記載のばね部材の製作方法において、
前記薄肉ヒンジ部の分子配向方向に沿って延在する該薄肉ヒンジ部の中心線の延長線上に、前記サイドゲート部を配設させることを特徴とするばね部材の製作方法。
【請求項９】
請求項６から８の何れか一項に記載のばね部材の製作方法において、
前記液晶ポリマーを前記金型内に流し入れた後、該金型を脱型する際、前記固定部及び前記可動部にそれぞれエジェクターピンを当接させることを特徴とするばね部材の製作方法。
【請求項１０】
請求項１から５の何れか一項に記載のばね部材を振子として利用することを特徴とするサーボ型センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−５３１６１（Ｐ２００９−５３１６１Ａ）
【公開日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２２２６６２（Ｐ２００７−２２２６６２）
【出願日】平成１９年８月２９日（２００７．８．２９）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月１２日（２００９．３．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年８月２９日（２００７．８．２９）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
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