JP2002195834A - 物理量検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 弾性体を用いて物理量検出部に加わる振動や
衝撃による影響を改善する。 【解決手段】 物理的な変化を検出する物理量検出部２
０を防振部材２３，２４で支持すると共にこの防振部材
２３，２４を保持部５で保持する。防振部材２３，２４
には、先端を円錐形に形成した当接部２３ａ，２４ａを
一体に設ける。そして、物理量検出部２０を当接部２３
ａ，２４ａの先端で支持して外部からの振動を減衰す
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、物理的な変化を検
出する物理量検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】物理量検出装置の中には、外部からの振
動や衝撃が加わると出力特性に悪影響を及ぼすものがあ
る。図９は物理量検出装置の例として、角速度センサ装
置の概略構成を示している。角速度センサ装置には、例
えば、図１０に示すような静電駆動型の角速度センサ１
がある。

【０００３】角速度センサ１の内部の構成を図１０を用
いて説明する。角速度センサ１の内部は、シリコン基板
を、その厚み方向に半導体微細加工することにより作ら
れる。振動体３は、四角形の形状に形成され、重りとし
て機能する。この振動体３の角部は４本の梁２で支持部
７に連結されており、振動体３は支持部７を支点として
振動可能である。

【０００４】振動体３の外縁には、図面の横方向（Ｘ軸
方向）及び図面の縦方向（Ｙ軸方向）に伸びる板状の可
動櫛歯電極８，９，１０，１１が設けられている。ま
た、振動体３の外縁と対向する位置には、固定電極１
２，１３，１４，１５が配設されており、この固定電極
１２，１３，１４，１５には、可動櫛歯電極８，９，１
０，１１と一定の空間を介して対向する固定櫛歯電極１
６，１７，１８，１９が設けられている。

【０００５】この構成に於いて、支持部７を接地し、例
えば、固定電極１２と固定電極１３に位相が１８０度異
なる駆動信号を印加すると、可動櫛歯電極８と固定櫛歯
電極１６の間に静電力が働き、振動体３は、固定電極１
２方向へ移動し、梁３の弾力で元の位置に復帰する。次
に、１８０度の位相遅れで可動櫛歯電極９と固定櫛歯電
極１７の間に静電力が作用すると、今度は、振動体３が
固定電極１３方向へ移動する。この場合も、振動体３
は、梁２の弾力で元の位置に復帰する。

【０００６】このような繰り返し動作により、振動体３
は、一定の振幅でＸ軸方向に振動する。振動体３の機械
共振周波数ｆｏは、振動体３の重さと梁２の弾力で定ま
る。梁２の弾力を大きくすると振動体３の振動周波数は
高くなる。梁２は、図面を貫く垂直方向（Ｚ軸方向）に
厚みを持っており、梁２の断面積と梁２の長さを調整す
ることにより、梁２の弾力、換言すれば、バネ定数を変
えることができる。

【０００７】上述の如く振動体３が振動しているとき、
振動体３に対するＺ軸の周りに角速度が加わると、振動
体３にコリオリ力が作用し、振動体３はＹ軸方向に変位
し、可動櫛歯電極１０と固定櫛歯電極１８の間及び可動
櫛歯電極１１と固定櫛歯電極１９の間の静電容量が変化
する。この容量変化が角速度信号となる。

【０００８】上述した角速度センサ１は、図９に示すよ
うに、回路基板４に実装される。回路基板４には、角速
度センサ１が出力する角速度信号を処理する信号処理回
路等が設けられる。外部から振動や衝撃が回路基板４に
加わると、角速度センサ１の振動体３が変位する。この
とき、角速度センサ１は、本来はノイズである外部から
の振動や衝撃を角速度として検出し、角速度信号として
出力する。特に、機械共振周波数ｆｏに近似の周波数を
有する外力が加わる場合には振動体３が大きく変位する
ため、角速度センサ１の出力特性に大きな悪影響を及ぼ
す。

【０００９】このため、従来、角速度センサ１を固定し
た回路基板４を保持部５に固定する場合には、回路基板
４と保持部５の間にゴム等の防振部材６を挟み、角速度
センサ１に伝達される振動エネルギーを緩和することが
行われている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た回路基板４は、通常、保持部５から加わる振動や衝撃
に耐え得るように、防振部材６により可成り堅固に支持
されている。即ち、角速度センサ１に対する強い振動や
衝撃の印加を想定して、回路基板４と防振部材６の接触
面積を大きくし、回路基板４を堅固に支持している。

【００１１】このため、振動や衝撃のエネルギー自体は
防振部材材６により小さくなるものの広範囲の振動周波
数を含んだまま角速度センサ１に伝わり、角速度の変化
がないのに、恰も角速度の変化があるが如く疑似出力を
発生したり、角速度の変化が小さいのに、角速度が恰も
大きく変化した如き出力を発生して、角速度センサ１の
出力特性を悪化させる課題がある。

【００１２】本発明は上記課題を解決するために成され
たものであり、その目的は、物理量検出部に振動や衝撃
が加わっても安定した出力特性が得られる物理量検出装
置を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は次に示す構成をもって課題を解決する手段
としている。即ち、第１の発明の物理量検出装置は、物
理的な変化を検出する物理量検出部と、この物理量検出
部を支持する防振部材と、この防振部材を保持する保持
部とを備え、防振部材には先端を尖らせた当接部が一体
に設けられ、少なくとも二以上の当接部の先端を物理量
検出部に点接触させて物理量検出部を支持したことを特
徴として課題を解決する手段としている。

【００１４】この発明に於いて、物理量検出部は、防振
部材の当接部により点接触の状態に支持されるから、防
振部材の共振周波数を物理量検出部の共振周波数よりも
低く、また、両者の共振周波数の差を大きく設定するこ
とができる。このため、特に、物理量検出部が内包する
振動周波数と同じ又は近似の周波数が外部から保持部に
加わっても、その振動エネルギーは防振部材の当接部で
著しく減衰され、物理量検出部の出力特性に及ぼす悪影
響は極めて小さくなる。

【００１５】また、物理量検出部は、駆動信号を印可す
ることにより、内部で発生する振動エネルギーによっ
て、固有の振動周波数で振動する振動状態に保持され
る。このとき、物理量検出部が当接部の先端を介して柔
軟に支持されるため、物理量検出部の振動エネルギーが
保持部に伝達されて振動エネルギーの損失となることが
防止される。この結果、物理量検出部に於ける良好な振
動の継続が確保される。

【００１６】第２の発明の物理量検出装置は、上述の発
明に於いて、物理量検出部は、弾力を有する梁部材によ
り振動可能に支持された振動体を有し、当接部に於ける
物理量検出部を支える弾力を、振動体を支える梁部材の
弾力よりも小さく構成したことを特徴としている。

【００１７】この構成に於いて、物理量検出部は、防振
部材の当接部を用いた上述同様の柔軟な支持構造で支持
される。当接部の弾力は、振動体を支持している梁部材
の弾力よりも小さいので、保持部から物理量検出部に伝
わる振動や衝撃のエネルギーは当接部の弾力により減衰
される。この結果、保持部が振動しても、振動体の振動
に対する影響は殆ど生じない。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る実施形態例
を図面に基いて説明する。図１及び図２を用いて物理量
検出装置の原理的構成を説明する。また、図３は振動周
波数に対する機械共振特性を示す。なお、従来例と同一
構成部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明
は省略する。

【００１９】図１に於いて、物理量検出部２０は、物理
量検出センサ２１と、この物理量検出センサ２１を実装
した回路基板４から構成される。物理量検出部２０は、
保持部５に固定されたゴム等の弾性体からなる防振部材
２３，２４により、図面の横方向（Ｘ軸方向）及び図面
の縦方向（Ｙ軸方向）から支持されている。

【００２０】防振部材２３，２４には、回路基板４を点
接触の状態で支持する円錐状の当接部２３ａ,２４ａが
一体に設けられている。換言すれば、当接部２３ａ,２
４ａの先端は、断面鋭角に形成され、その頂点が回路基
板４と点接触している。図１では、防振部材２３は当接
部２３ａだけで構成されており、防振部材２４は基体２
４ｂの上に当接部２４ａを突出させた構成である。な
お、当接部２３ａ,２４ａが回路基板４を支持する構成
であれば、基体２４ｂの存否及び基体２４ｂの形状は限
定されない。

【００２１】この当接部２３ａ,２４ａは、長方形の回
路基板４の対向する端縁４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの全体
を支持するのではなく、端縁４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄに
当接部２３ａ,２４ａの先端を点接触の状態で、換言す
れば、可能な限り小さな面積で接触させて、回路基板４
をＸ軸方向、Ｙ軸方向、図面に垂直な方向（Ｚ軸方向）
に柔軟に保持すると共に、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の回りに
回転するのを防止している。

【００２２】上述した弾力構成を、バネを用いて等価置
換した図２のモデルにより説明する。なお、図２では、
物理量検出部２０の物理量検出センサ２１を角速度セン
サ１として説明している。バネ２５は、防振部材２３，
２４の弾力に相当し、バネ２６は、角速度センサ１の梁
２の弾力に相当する。物理量検出部２０の質量は、角速
度センサ１を含む回路基板４の質量であり、物理量検出
部２０はバネ２５の弾力により振動する。

【００２３】また、物理量検出部２０の振動部、換言す
れば、角速度センサ１に於ける振動体３は、バネ２６の
弾力で振動する。なお、保持部５は不動である。振動体
３の共振周波数ｆｏは、振動体３の質量とバネ２６のバ
ネ定数で決まり、また、物理量検出部２０の共振周波数
ｆ１は、回路基板４の質量とバネ２５のバネ定数で決ま
る。図３に振動体３の周波数と振幅との関係を実線ａで
示し、また、物理量検出部２０の周波数と振幅との関係
を実線ｂで示す。

【００２４】このモデル構造に於いては、不等式ｆ１<
ｆｏ／√２を満足させることにより、保持部５側から加
えられる外来の振動や衝撃の振動エネルギーに対する減
衰効果を大きくすることができ、また、物理量検出部２
０に内在する振動エネルギーが保持部５側に漏出するの
を効果的に防止できることが知られている（例えば、
「機械振動学 −動的問題解決の基礎知識− （株）工
業調査会」）。上述した図１の物理量検出装置では、物
理量検出部２０を点接触の状態で柔軟に支持することに
より、物理量検出装置は、上記不等式を満足する構成に
近付けることができる。

【００２５】更に、物理量検出装置では、点接触の状態
で柔軟に支持したことにより、図３に示した振動体３の
共振周波数ｆｏと物理量検出部２０の共振周波数ｆ１と
の周波数差（ｆｏ−ｆ１）を大きくすることができる。
この結果、共振周波数ｆｏで振動する振動体３の振動に
対し悪影響を与える振動周波数成分を低減することがで
きる。従って、振動や衝撃の外力が物理量検出部２０に
作用しても、物理量検出センサ２１は、その影響を受け
ることなく正常に動作する。

【００２６】なお、図示していないが、回路基板４の導
体パターンは、可撓性のリード部材或いはフレキシブル
基板によって外部端子に電気的に接続される。リード部
材の弾力は、当接部２３ａ，２４ａの弾力（バネ定数）
に比べて極めて小さいので、リード部材を介して保持部
５側から回路基板４に伝わる振動は無視することができ
る。

【００２７】上述の周波数条件を実現するには、図１に
示した柔軟支持構造の他に、図４及び図５に示す支持方
法がある。図４は、当接部２８が直接接触する回路基板
４のみを示し、回路基板４を起てた状態で支持する支持
方法である。物理量検出部２０の仕様により、図４
(Ａ)、図４(Ｂ)及び図４(Ｃ)に示す何れかの支持方法が
選択される。

【００２８】図４(Ａ)では、長方形の回路基板４に於け
る４つの角部を、円錐形の当接部２８で対角線の方向か
ら支持している。回路基板４の角部は、当接部２８の先
端で点接触の状態に支持される。この柔軟支持構造で
は、回路基板４の対角線方向の振動はもとより、回路基
板４の平面方向（Ｘ−Ｙ軸平面）及び回路基板４の平面
に直交する方向（Ｚ軸方向）の何れの方向からの振動を
も当接部２８の弾力で減衰することができると共に、Ｘ
軸、Ｙ軸及びＺ軸の回りの回転を防ぐことができる。

【００２９】また、図４(Ｂ)は、図１に於いて、回路基
板４の端縁４ａを支持する当接部２８を１つに減らして
端縁４ａの中央を支持する構成である。当接部２８の数
が少ないことにより、回路基板４の共振周波数ｆ１は、
図４(Ａ)の場合よりも低くなり、振動体３の共振周波数
ｆｏから更に離れた周波数となる。

【００３０】更に、図４(Ｃ)は、回路基板４の対向する
端縁４ａ，４ｂの中央を夫々１つの当接部２８で支持し
た構成である。この支持構造は、回路基板４の寸法を可
能な限り小さくしたり、回路基板４に電子部品を搭載し
ない等、回路基板４が軽い場合に有効であり、回路基板
４の振動周波数は更に低下する。

【００３１】図５は、上述同様に、当接部２８が直接接
触する回路基板４のみを示し、回路基板４を寝かせた状
態で支持する支持方法である。この支持方法では、図４
に比べて支持構造の背が低くなる。回路基板４は、水平
に配置されて、その表裏面側から当接部２８により支持
されている。即ち、図５(Ａ)は、回路基板４の４つの角
部付近に、表裏面側から当接部２８の先端を向い合せに
点接触させて、回路基板４を支持している。

【００３２】この柔軟支持構造に於いても、回路基板４
の表裏面方向からの振動に対して、また、回路基板４の
平面方向に加わるどのような振動に対しても、回路基板
４は、当接部２８により柔軟に支持され、回路基板４、
換言すれば、物理量検出部２０に外部から加わる振動エ
ネルギーを減衰することができる。

【００３３】また、図５(Ｂ)は、回路基板４の表裏面を
三角形の頂点位置で支持する支持構造である。図５(Ａ)
に比べて、支持箇所が１つ少なくなる。従って、回路基
板４、即ち、保持部５を介して外部から物理量検出部２
０に伝わる振動周波数は、図５(Ａ)の場合よりも低くな
る。

【００３４】図６を用いて物理量検出装置の具体的な第
１実施形態例を説明する。平板状のベース３０には、複
数の端子ピン３１がベース３０を貫通し且つベース３０
から電気的に絶縁されて２列植設されている。このベー
ス３０には、キャップ３２が被せられ、これらベース３
０とキャップ３２は、気密に封止される。なお、図６で
は１列の端子ピン３１が示されている。

【００３５】ベース３０の上には、２つの端子ピン３１
列の間に、ゴムからなる振動吸収部材３３，３４に挟ま
れた回路基板３５が起立して配置されている。換言すれ
ば、ベース３０の上面に対し、回路基板３５を、その平
面が直角になる如く起こすと共に、ベース３０と回路基
板３５の間に、振動吸収部材３３を介在させ、また、キ
ャップ３２の内天面３２ａと回路基板３５の間に振動吸
収部材３４を介設した構成である。キャップ３２をベー
ス３０に固定したときには、振動吸収部材３３，３４
は、ベース３０とキャップ３２の内天面３２ａから押圧
力を受ける。

【００３６】回路基板３５には、物理量検出センサ２１
が固定されており、その入出力端は、図示しないリード
線、リードフレーム、フレキシブル基板等で回路基板３
５の図示しない導体パターンに接続され、又は、入出力
端は、直接、導体パターンにバンプ接続されている。回
路基板３５の端子パターン３６とキャップ３２の内側に
ある端子ピン３１の上端との間は、可撓性のリード線、
即ち、弾力が殆どないリード線で電気的に接続されてい
る。

【００３７】上述の構成に於いて、回路基板３５は、振
動吸収部材３３，３４により柔軟に支持される。この振
動吸収部材３３，３４としては、一般的に弾力に富んだ
ゴムが使用される。高温下で使用される場合には、耐熱
性を有するシリコンゴムが用いられる。振動吸収部材３
３，３４は、同じ支持構造を持っており、回路基板３５
の対向する部位に於ける特定箇所を点接触の状態で支持
する。

【００３８】図７を参照して振動吸収部材３３の構成を
詳述すると、振動吸収部材３３は、全体としてＵ字形を
しており、回路基板３５に対し回路基板３５を掴む如く
装着され、回路基板３５の端縁３５ａに接触するＵ字形
の内側には溝３７が設けられている。回路基板３５が挿
入される溝３７に於ける、紙面に垂直方向の幅の寸法
は、回路基板３５の厚みよりも少し広く構成されてい
る。

【００３９】振動吸収部材３３の溝３７の底面３８，３
９には、円錐形の当接部４０，４１が一体に設けられて
いる。この当接部４０，４１の先端は、回路基板３５の
角部分を直交する２方向から回路基板３５を柔軟に支持
している。溝３７の底面３８，３９は、回路基板３５の
端縁３５ａと接触することはない。また、溝３７の側面
４２は、回路基板３５の表裏面に接触するが、回路基板
３５を押圧しない構成である。

【００４０】振動吸収部材３４も溝の構造は、振動吸収
部材３３と同じ構成で、回路基板３５は、上下からその
角部分を当接部４０，４１により点接触の形態で支持さ
れている。この構成により、回路基板３５を支持する当
接部４０，４１の面積は極小となるので、回路基板３５
を支持する弾力を小さくすることができ、回路基板３５
の共振周波数ｆ１を極端に低くすることができる。

【００４１】図８を用いて物理量検出装置の具体的な第
２実施形態例を説明する。なお、図６に示す第１実施形
態例と同一構成部分には同一符号を付し、その共通部分
の重複説明は省略する。ベース３０の表面には、振動吸
収部材４５が載置されている。この振動吸収部材４５
は、箱形の構成であり、内側の形状は、回路基板３５と
同じで、その寸法は回路基板３５よりも少し大きい。

【００４２】また、振動吸収部材４５の内側には、その
四隅部分に内底面から突出した円錐形の当接部４６が設
けられており、この当接部４６の上には回路基板３５が
寝かせた状態で載せられている。換言すれば、回路基板
３５は、その４つの角部分が当接部４６の先端部分に於
いて点接触の状態で支持され、ベース３０の表面に平行
に配置されている。これにより、回路基板３５の裏面
は、振動吸収部材４５の内底面４７から浮いた状態にな
る。

【００４３】回路基板３５を収容した振動吸収部材４５
の上には、蓋をする如く振動吸収部材４８が載せられて
いる。振動吸収部材４８は、板状に構成され、振動吸収
部材４５の当接部４６に相当する位置には、円錐形をし
た当接部４９が下向きに設けられている。この当接部４
９の先端は、回路基板３５の表面に点接触して、回路基
板３５を表面側から支持している。換言すれば、回路基
板３５は、その角部分が当接部４６，４９により表裏面
から支持された構成となっている。

【００４４】この構成に於いて、ベース３０にキャップ
５０を固定し気密に封止したときには、当接部４６，４
９は、対向方向に押圧力を受け、回路基板３５を柔軟な
支持構造により支持する。回路基板３５の四方の端縁
は、振動吸収部材４５の内側面から少し離れているの
で、殆ど押圧力を受けることはない。また、当接部４
６，４９の数は、図６の第１実施形態例に比べて２倍と
なるので、回路基板３５の重さが同じときには、当接部
４６，４９の断面積をほぼ半分とすることができる。

【００４５】この構成によれば、物理量検出装置の背を
低く構成することができる。また、キャップ５０を被せ
てベース３０に固定したとき、回路基板３５がベース３
０の表面に平行になり、物理量検出センサ２１、例え
ば、角速度センサの検知軸を正確に定めることができ
る。

【００４６】

【発明の効果】請求項１の物理量検出センサ装置によれ
ば、物理量検出部を当接部の先端で点接触の状態で支持
するので、外部から保持部を介して物理量検出部に加わ
る振動や衝撃等の振動エネルギーを、当接部に於いて著
しく減衰することができ、これにより、物理量検出部に
伝わる共振周波数を画期的に低下させることができる。
また、物理量検出部自身が振動する場合には、その振動
エネルギーが保持部を介して外部に漏出するのを防止で
きる。従って、物理量検出部の出力に対する影響は殆ど
なくなり、物理量検出部の出力を安定させることができ
る。

【００４７】請求項２の物理量検出センサ装置によれ
ば、防振部材に於ける当接部の弾力は、物理量検出部に
於ける振動体を支持する梁の弾力よりも小さいので、外
部から保持部を介して物理量検出部に加わる振動や衝撃
等の振動エネルギーを、当接部に於いて確実に減衰さ
せ、振動体の振動に対する影響を最小限に抑えることが
でき、また、振動体の振動エネルギーが物理量検出部全
体を振動させても、その振動は当接部で遮断された状態
になって保持部側に伝達されないので、振動体の振動を
良好に維持することができ、物理量検出部から安定した
出力を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る物理量検出装置の原理的構成を説
明する概略構成図である。

【図２】図１の原理的構成をバネモデルに置換して示す
説明図である。

【図３】図２のバネモデルの振動体と物理量検出部に於
ける周波数と振幅の関係を示す特性図である。

【図４】図１に於ける回路基板の他の支持概念を示す斜
視図で、(Ａ)は回路基板を４点で支持した実施形態例を
示し、(Ｂ)は回路基板を３点で支持した実施形態例を示
し、(Ｃ)は回路基板を２点で支持した実施形態例を示
す。

【図５】図１に於ける回路基板の更に他の支持概念を示
す斜視図で、(Ａ)は回路基板を表裏面から４点で支持し
た実施形態例を示し、(Ｂ)は回路基板を表裏面から３点
で支持した実施形態例を示す。

【図６】本発明に係る物理量検出装置の具体的な実施形
態例を示す一部断面側面図である。

【図７】図６の物理量検出装置に用いる振動吸収部材の
一部断面側面図である。

【図８】本発明に係る物理量検出装置の具体的な他の実
施形態例を示す一部断面側面図である。

【図９】従来の物理量検出装置の概略を説明する断面図
である。

【図１０】物理量検出装置に用いる角速度センサの内部
構成を示す平面図である。

【符号の説明】 ２ 梁 ３ 振動体 ５ 保持部 ２０ 物理量検出部 ２３，２４ 防振部材 ２３ａ，２４ａ，２８ 当接部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 物理的な変化を検出する物理量検出部
   と、該物理量検出部を支持する防振部材と、該防振部材
   を保持する保持部とを備え、前記防振部材には先端を尖
   らせた当接部が一体に設けられ、少なくとも二以上の前
   記当接部の先端を前記物理量検出部に点接触させて前記
   物理量検出部を支持したことを特徴とする物理量検出装
   置。
2. 【請求項２】 前記物理量検出部は、弾力を有する梁部
   材により振動可能に支持された振動体を有し、前記当接
   部に於ける前記物理量検出部を支える弾力を、前記振動
   体を支える前記梁部材の弾力よりも小さく構成したこと
   を特徴とする請求項１に記載の物理量検出装置。