JP2006234463A - Inertial sensor - Google Patents

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Toshiyuki Nozoe
利幸 野添
Hideo Oogoshi
偉生 大越
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inertial sensor which assured leak vibration suppression effect and anti-shock performance against external shock vibration of a detection element and can reduce the size. <P>SOLUTION: A natural frequency of the flexible resin substrate 7 facing the mounting part 71 of a sensing element 8 by way of a spring 72 and having a substrate base 74 arranged so as to have a specific difference of level 73 to the mounting part 71 is constituted to be larger than the difference in the natural frequency in the sensing direction from the natural frequency in the drive direction of the sensing element 8 and smaller range than the lowest frequency excited by the sensing element 8 by external vibration. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、面実装型慣性センサに関するものである。   The present invention relates to a surface mount type inertial sensor.

近年、車両の角速度などの慣性量を検知して自動車の安全制御やナビゲーションを行うシステムが普及してきている。   In recent years, systems that perform safety control and navigation of automobiles by detecting an inertia amount such as an angular velocity of a vehicle have become widespread.

このようなシステムに用いられる慣性センサの角速度を検知する音叉型あるいは柱状型の振動子からなる検知素子は、例えば弾性を有する材料を介して支持されることにより振動の外部への漏れ出しを抑制している。   A detection element made up of a tuning fork type or columnar type vibrator that detects the angular velocity of an inertial sensor used in such a system, for example, is supported by an elastic material to suppress leakage of vibration to the outside. is doing.

このような従来の検知素子を図8に示す。検知素子は円柱状の圧電セラミックス体1からなり、圧電セラミックス体1の一部に凹部1aが2ヶ所に設けられている。凹部1aにはリング状の支持具2が配されている。ここで、支持具2は弾性体からなるので、凹部1aに嵌合させることができる。この支持具2をケース(図示せず)に固定することにより圧電セラミックス体1が支持されている。   Such a conventional sensing element is shown in FIG. The detection element is composed of a cylindrical piezoelectric ceramic body 1, and concave portions 1 a are provided in two portions of the piezoelectric ceramic body 1. A ring-shaped support 2 is disposed in the recess 1a. Here, since the support tool 2 consists of an elastic body, it can be made to fit in the recessed part 1a. The piezoelectric ceramic body 1 is supported by fixing the support 2 to a case (not shown).

このような構成により、圧電セラミックス体1の振動の外部への漏れ出しが支持具2で吸収されるため、漏れ振動が外部の構造(例えば基板、ケースの継ぎ目)などの機械的伝達関数に影響した結果生じる「はね返り」によるオフセットドリフトや伝達関数の温度変化による温度ドリフト、部材の劣化、変質にともなう経時変化を改善している。   With such a configuration, since the leakage of the vibration of the piezoelectric ceramic body 1 to the outside is absorbed by the support 2, the leakage vibration affects a mechanical transfer function such as an external structure (for example, a joint of a substrate or a case). As a result, offset drift due to “bounce”, temperature drift due to temperature change of transfer function, deterioration of member, and change with time are improved.

さらに、自動車の走行に伴う慣性センサ外部からの衝撃振動が弾性材料により吸収され、耐衝撃性の確保も可能となる。   Furthermore, the impact vibration from the outside of the inertial sensor accompanying the running of the automobile is absorbed by the elastic material, and the shock resistance can be ensured.

なお、本出願に関する先行技術文献情報としては、例えば特許文献1が知られている。
実開平5−73518号公報
For example, Patent Document 1 is known as prior art document information relating to the present application.
Japanese Utility Model Publication No. 5-73518

しかしながら、慣性センサとして今後ますますの小型化に対するニーズを鑑みると、前記従来の構成では、検知素子を小型化しつつ漏れ振動抑制効果および耐衝撃性を確保することが難しくなる。   However, in view of the need for further downsizing as an inertial sensor in the future, with the conventional configuration, it becomes difficult to ensure a leakage vibration suppressing effect and impact resistance while downsizing the sensing element.

これは、両者が相反する性能(例えば漏れ振動抑制のために検知素子の支持部剛性を低くすると衝撃印加時における支持部の強度が低下してしまう)であり、これらの両立点を見出しながら支持部の小型化も図らなければならないためである。   This is a contradictory performance (for example, if the rigidity of the support part of the sensing element is lowered to suppress leakage vibration, the strength of the support part when applying an impact will be reduced). This is because the size of the part must also be reduced.

具体的には、慣性センサをニーズの高い実装面積数mm角程度の面実装型にまで小型化するには、検知素子も数mm程度の大きさが要求される。このような超小型の検知素子に適用でき、漏れ振動抑制効果および耐衝撃性を確保した従来の構成のような弾性体の支持具を設計すること、および、それを用いて歩留まりよく慣性センサを製造することは現実的に極めて困難となる。   Specifically, in order to reduce the size of the inertial sensor to a surface-mounting type having a high mounting area of several millimeters square, the sensing element is also required to have a size of several millimeters. It can be applied to such ultra-compact sensing elements, designing an elastic support member having a conventional configuration that ensures a leakage vibration suppressing effect and impact resistance, and using it, an inertial sensor with high yield can be used. Manufacturing is extremely difficult in practice.

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、漏れ振動抑制効果および耐衝撃性を確保した小型化可能な慣性センサを提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide an inertial sensor that can be reduced in size while ensuring a leakage vibration suppressing effect and impact resistance.

前記従来の課題を解決するために、本発明の慣性センサは、検出素子の取付部にバネ部を介して対峙するとともに取付部に対し所定の段差を持つように配設した基板基部を有する可撓性樹脂基板の固有周波数が、検出素子の駆動方向の固有周波数と検知方向の固有周波数の周波数差より大きく、かつ、外部からの振動により検知素子に励起される最低周波数より小さい範囲となるように構成したものである。   In order to solve the above-described conventional problems, the inertial sensor of the present invention may have a substrate base that is disposed so as to face the attachment portion of the detection element via a spring portion and have a predetermined step with respect to the attachment portion. The natural frequency of the flexible resin substrate is larger than the frequency difference between the natural frequency in the driving direction of the detection element and the natural frequency in the detection direction, and smaller than the lowest frequency excited in the detection element by external vibration. It is configured.

本構成によって、検知素子が可撓性樹脂基板のバネ部により実質弾性的に支持されることになる。その結果、前記目的を達成することができる。   With this configuration, the detection element is substantially elastically supported by the spring portion of the flexible resin substrate. As a result, the object can be achieved.

本発明の慣性センサによれば、検出素子の漏れ振動は支持部材である可撓性樹脂基板のバネ部の介在により減衰される結果、検知素子からの漏れ振動による影響を低減でき、また外部衝撃等が可撓性樹脂基板により減衰されるため、漏れ振動抑制効果および耐衝撃性を確保しつつ小型化することができる。   According to the inertial sensor of the present invention, the leakage vibration of the detection element is attenuated by the intervention of the spring portion of the flexible resin substrate that is the support member. As a result, the influence of the leakage vibration from the detection element can be reduced, and the external impact can be reduced. Etc. are attenuated by the flexible resin substrate, so that it is possible to reduce the size while securing the leakage vibration suppressing effect and the impact resistance.

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1における慣性センサの内部を示し、(a)は平面図を、(b)は(a)のA−A断面図をそれぞれ示す。図2は本発明の実施の形態1における慣性センサの可撓性樹脂基板の平面図である。図3は本発明の実施の形態1における慣性センサの検知素子を支持した可撓性樹脂基板を示し、(a)は上面図を、(b)は側面図をそれぞれ示す。図4は本発明の実施の形態1における慣性センサの検知素子を示し、(a)は停止時の、(b)は駆動時の、(c)は検知時の斜視図をそれぞれ示す。図5は本発明の実施の形態1における慣性センサの外部衝撃振動印加時の断面図を示し、(a)は図1のA−A断面図を、(b)は図1のB−B断面図をそれぞれ示す。図6は本発明の実施の形態1における慣性センサに外部衝撃を与えた時の出力経時特性図を示し、(a)は外部衝撃波形図を、(b)はバネ部を設けない場合のセンサ出力波形図を、(c)はバネ部を設けた場合のセンサ出力波形図をそれぞれ示す。図7は本発明の実施の形態1における慣性センサの変形例を示す断面図である。
(Embodiment 1)
1A and 1B show the inside of an inertial sensor according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 1A is a plan view and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. FIG. 2 is a plan view of the flexible resin substrate of the inertial sensor according to Embodiment 1 of the present invention. 3A and 3B show a flexible resin substrate that supports the sensing element of the inertial sensor according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 3A is a top view and FIG. 3B is a side view. 4A and 4B show a detection element of the inertial sensor according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 4A is a perspective view at the time of stop, FIG. 4B is a drive time, and FIG. 5 shows a cross-sectional view of the inertial sensor according to Embodiment 1 of the present invention when an external impact vibration is applied. FIG. 5A is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1, and FIG. Each figure is shown. FIGS. 6A and 6B show output temporal characteristics when the external impact is applied to the inertial sensor according to the first embodiment of the present invention. FIG. 6A is an external impact waveform diagram, and FIG. An output waveform diagram is shown, and (c) is a sensor output waveform diagram when a spring portion is provided. FIG. 7 is a cross-sectional view showing a modification of the inertial sensor according to Embodiment 1 of the present invention.

図1(a)において、外容器3はセラミックパッケージからなり、その内壁には互いに高さの異なる台3a、3bが設けられている。台3a、3bの上面にはそれぞれ外容器3に内蔵されるように一体形成した複数の配線導体30の端子3c、3dが形成されている。全ての端子3cは端子3dの一部と配線導体30により1対1に電気的に接続されている。残りの端子3dは電源供給やセンサ出力、およびデジタルキャリブレーションに使用されるように外容器3の裏面に設けた外部端子(図示せず)に接続されている。   In FIG. 1 (a), the outer container 3 is made of a ceramic package, and the base walls 3a and 3b having different heights are provided on the inner wall thereof. Terminals 3c and 3d of a plurality of wiring conductors 30 that are integrally formed so as to be housed in the outer container 3 are formed on the upper surfaces of the bases 3a and 3b. All the terminals 3 c are electrically connected one-to-one by a part of the terminal 3 d and the wiring conductor 30. The remaining terminal 3d is connected to an external terminal (not shown) provided on the back surface of the outer container 3 so as to be used for power supply, sensor output, and digital calibration.

外容器3の底面には回路IC6がダイボンドにより固定されている。回路IC6には複数のパッド6aが設けられている。パッド6aと端子3dの間にはワイヤ6bがワイヤボンディングにより接続されている。これにより、回路IC6は配線導体30と電気的に接続される。   A circuit IC 6 is fixed to the bottom surface of the outer container 3 by die bonding. The circuit IC6 is provided with a plurality of pads 6a. A wire 6b is connected between the pad 6a and the terminal 3d by wire bonding. Thereby, the circuit IC 6 is electrically connected to the wiring conductor 30.

回路IC6の上部には、回路IC6と接しないように、短冊状の可撓性樹脂基板7の一部に設けた取付部71に検知素子8が支持されている。   On the upper part of the circuit IC 6, the detection element 8 is supported by a mounting portion 71 provided on a part of the strip-shaped flexible resin substrate 7 so as not to contact the circuit IC 6.

取付部71に対してはバネ部72を介して対峙するとともに取付部71と所定の段差73を持つように配設した基板基部74が配されている。段差73は可撓性樹脂基板7をクランク状に折り曲げることで形成されている。   A substrate base portion 74 is disposed so as to face the attachment portion 71 via a spring portion 72 and to have a predetermined step 73 with the attachment portion 71. The step 73 is formed by bending the flexible resin substrate 7 into a crank shape.

ここで、検知素子8は基板基部74に対向するように取付部71に支持されているので、取付部71と重なる部分を除いて中空懸架されることになる。   Here, since the detection element 8 is supported by the attachment portion 71 so as to face the substrate base portion 74, the detection element 8 is suspended in a hollow space except for a portion overlapping the attachment portion 71.

また、可撓性樹脂基板7に設けた複数の配線パターン7aの端子7bは基板基部74のひとつの端部にのみ集めて配してある。   Further, the terminals 7 b of the plurality of wiring patterns 7 a provided on the flexible resin substrate 7 are collected and arranged only at one end of the substrate base 74.

この端子7bは台3a上に設けた端子3cと導電性ペースト9で電気的かつ機械的に接続固定されている。これにより、可撓性樹脂基板7は片持ち梁状に固定されることになる。この際、図1(b)に示すように台3aと3bは前者の方が高くなるように形成されているため、可撓性樹脂基板7および検知素子8が回路IC6と互いに干渉することはない。   The terminal 7b is electrically and mechanically connected and fixed by a terminal 3c provided on the base 3a and a conductive paste 9. Thereby, the flexible resin substrate 7 is fixed in a cantilever shape. At this time, as shown in FIG. 1B, the bases 3a and 3b are formed so that the former is higher, so that the flexible resin substrate 7 and the detection element 8 do not interfere with the circuit IC 6. Absent.

従って、検知素子8を駆動振動させても他の部材と衝突することなく慣性量を検知できる。   Therefore, even if the detection element 8 is driven to vibrate, the amount of inertia can be detected without colliding with other members.

バネ部72は可撓性樹脂基板7のうち基板基部74および取付部71、段差73のいずれをも除いた一部分を切り欠くことにより形成した。バネ部72は図1に示すようにつづら折れ状とした。   The spring portion 72 was formed by cutting out a portion of the flexible resin substrate 7 excluding any of the substrate base 74, the attachment portion 71, and the step 73. As shown in FIG. 1, the spring portion 72 has a bent shape.

これにより、後述するように漏れ振動が抑制できるとともに外部からの衝撃を有効に吸収することができる。   As a result, as will be described later, leakage vibration can be suppressed and an external impact can be effectively absorbed.

外容器3の最上端である開口部3eには図示しない金属製の蓋が、開口部3eにロウ付けされたコバールリング(図示せず)を介してシーム溶接されている。これにより外容器3の内部は気密が保たれた状態で検知素子8と回路IC6を内蔵している。   A metal lid (not shown) is seam welded to the opening 3e which is the uppermost end of the outer container 3 via a Kovar ring (not shown) brazed to the opening 3e. As a result, the inside of the outer container 3 contains the detection element 8 and the circuit IC 6 in a state where the airtightness is maintained.

ここで、検知素子8を実装した可撓性樹脂基板7について詳細を説明する。   Here, the details of the flexible resin substrate 7 on which the detection element 8 is mounted will be described.

可撓性樹脂基板7はポリイミドを図2に示すような形状に加工して形成されている。すなわち、可撓性樹脂基板7には取付部71、およびバネ部72が設けられており、取付部71は折り曲げ加工により段差73を形成することで構成される。   The flexible resin substrate 7 is formed by processing polyimide into a shape as shown in FIG. That is, the flexible resin substrate 7 is provided with an attachment portion 71 and a spring portion 72, and the attachment portion 71 is configured by forming a step 73 by bending.

また、可撓性樹脂基板7には複数の配線パターン7aが設けられており、その一方の端子7bは台3a上に設けた端子3cと接続され、他方の端子7cは検知素子8に設けた図示しない端子と以下に述べる手法にて接続される。   The flexible resin substrate 7 is provided with a plurality of wiring patterns 7a, one terminal 7b of which is connected to the terminal 3c provided on the base 3a, and the other terminal 7c provided to the detection element 8. It connects with the terminal which is not illustrated with the method which is described below.

可撓性樹脂基板7の取付部71に検知素子8を実装した状態を図3に示す。検知素子8は図2の端子7cに対向するように検知素子8の端子を重ねて実装されている。具体的には、図3(b)に示すように検知素子8の複数の端子と可撓性樹脂基板7の端子7c(図中、太線で示した)との間にバンプ10を設けることによりフェイスダウンボンディング手法にて電気的に接続されている。なお、図3(b)の可撓性樹脂基板7やバンプ10の厚みなどはわかりやすくするために実際より誇張して示した。   FIG. 3 shows a state where the detection element 8 is mounted on the attachment portion 71 of the flexible resin substrate 7. The sensing element 8 is mounted with the terminals of the sensing element 8 overlapped so as to face the terminal 7c of FIG. Specifically, as shown in FIG. 3B, bumps 10 are provided between a plurality of terminals of the sensing element 8 and terminals 7c (shown by bold lines in the figure) of the flexible resin substrate 7. It is electrically connected by a face-down bonding method. Note that the thicknesses of the flexible resin substrate 7 and the bumps 10 in FIG. 3B are shown exaggerated for the sake of clarity.

ここで、前記したように慣性センサの小型化ニーズに対応するためには検知素子8も小型化しなければならないが、それに伴って端子も微小化される。しかし、検知素子8は後述するように駆動振動するため、検知素子8に設けた端子と端子7cとの電気的接続だけで両者を固定したのでは接続部分の面積が微小なことにより機械強度不足となり振動に対して十分耐えられない可能性がある。   Here, as described above, the sensing element 8 must be miniaturized in order to meet the miniaturization needs of the inertial sensor, but the terminals are miniaturized accordingly. However, since the sensing element 8 vibrates as described later, the mechanical strength is insufficient due to the small area of the connecting portion if the two are fixed only by electrical connection between the terminal provided on the sensing element 8 and the terminal 7c. And may not be able to withstand vibration sufficiently.

そこで、図3(b)において、検知素子8と取付部71の隙間でバンプ10以外の部分に熱硬化型一液性の接着剤11を充填してある。これにより、検知素子8と可撓性樹脂基板7は電気的かつ機械的に強固に固定される。   Therefore, in FIG. 3B, a portion other than the bump 10 is filled with the thermosetting one-component adhesive 11 in the gap between the detection element 8 and the attachment portion 71. Thereby, the detection element 8 and the flexible resin substrate 7 are firmly fixed electrically and mechanically.

このような構成とすることにより、従来のような支持具2が不要となるため、容易に製造することができる。   By adopting such a configuration, the conventional support 2 is not required and can be easily manufactured.

次に動作について説明する。   Next, the operation will be described.

図4(a)において、検知素子8はシリコンを素体とし、その表面に図示しない圧電薄膜と電極が形成された音叉形状を呈している。これら圧電薄膜と電極により検知部、駆動部および端子が構成される。また、音叉は2本のアーム8a、8b、および端子を有する素子基部8cから構成されている。   In FIG. 4A, the detection element 8 has a tuning fork shape in which silicon is used as a base body and a piezoelectric thin film and electrodes (not shown) are formed on the surface thereof. These piezoelectric thin film and electrodes constitute a detection unit, a drive unit, and a terminal. The tuning fork is composed of two arms 8a and 8b and an element base 8c having terminals.

回路IC6に内蔵された駆動回路からワイヤ6b、配線導体30、および配線パターン7aを経て、検知素子8を駆動制御する電圧が駆動部に印加されると、図4の下部に定義した座標系におけるX方向に速度Vxにてアーム8a、8bが駆動振動する。この時の検知素子8の様子を図4(b)に示す。   When a voltage for driving and controlling the sensing element 8 is applied to the driving unit from the driving circuit built in the circuit IC 6 through the wire 6b, the wiring conductor 30, and the wiring pattern 7a, the coordinate system defined in the lower part of FIG. The arms 8a and 8b vibrate in the X direction at a speed Vx. FIG. 4B shows the state of the detection element 8 at this time.

この状態でZ軸方向に回転ωが印加されると、Y方向にm・Vx×ω(m:検知素子8の質量)なる力が作用してアーム8a、8bはY方向の振動成分を発生する。この時の検知素子8の様子を図4(c)に示す。図4(b)より、アーム8a、8bの駆動振動方向を互いに逆にしているので、図4(c)に示すようにY方向の振動成分は大きさが等しく方向が逆になる。   When rotation ω is applied in the Z-axis direction in this state, a force of m · Vx × ω (m: mass of the sensing element 8) acts in the Y direction, and the arms 8a and 8b generate vibration components in the Y direction. To do. The state of the detection element 8 at this time is shown in FIG. As shown in FIG. 4B, the driving vibration directions of the arms 8a and 8b are opposite to each other. Therefore, as shown in FIG. 4C, the vibration components in the Y direction have the same magnitude and the opposite directions.

このアーム8a、8bの撓みを検知素子8に設けた検知部により電荷に変換し、素子基部8cに設けた端子より撓みに応じた信号を得ているのであるが、アーム8a、8bの信号は大きさが等しく符号が逆なので、両者の差を取ることで感度が2倍となる。   The deflection of the arms 8a and 8b is converted into electric charges by the detection unit provided in the detection element 8, and a signal corresponding to the deflection is obtained from the terminal provided in the element base 8c. The signals of the arms 8a and 8b are Since the magnitude is equal and the sign is opposite, the sensitivity is doubled by taking the difference between the two.

この信号は配線パターン7a、配線導体30、およびワイヤ6bを経て回路IC6の出力回路に入力される。出力回路では入力された信号を処理し、最終的に回転ωによる慣性量に応じた信号に調整して出力する。   This signal is input to the output circuit of the circuit IC 6 through the wiring pattern 7a, the wiring conductor 30, and the wire 6b. The output circuit processes the input signal, and finally adjusts and outputs the signal according to the amount of inertia due to the rotation ω.

なお、図4(b)、(c)に示したアーム8a、8bの振幅や撓み量は実際には微小であるが、わかりやすくするために誇張して示した。   In addition, although the amplitude and the amount of bending of the arms 8a and 8b shown in FIGS. 4B and 4C are actually minute, they are exaggerated for easy understanding.

ここで、印加される回転に応じた電荷信号を効率よく得るために、駆動方向(X方向)の固有周波数ωdと検知方向(Y方向)の固有周波数ωsは互いに適度に近づけた方がよい。そこで、本実施の形態1においてはωd=22kHz、ωs=21.3kHzと設定している。なお、ωdとωsの周波数差を離調周波数Δfと呼び、本実施の形態1ではΔf=0.7kHzとなる。   Here, in order to efficiently obtain a charge signal according to the applied rotation, it is preferable that the natural frequency ωd in the driving direction (X direction) and the natural frequency ωs in the detection direction (Y direction) be appropriately close to each other. Therefore, in the first embodiment, ωd = 22 kHz and ωs = 21.3 kHz are set. The frequency difference between ωd and ωs is called a detuning frequency Δf, and Δf = 0.7 kHz in the first embodiment.

このようにして駆動される慣性センサは検知素子8が可撓性樹脂基板7により外容器3の内空間で中空懸架されているため、検出素子8の駆動振動は可撓性樹脂基板7にのみ伝達される。可撓性樹脂基板7はバネ部72を有するので、可撓性樹脂基板7の持つ弾性に加えバネ部72の弾性により検知素子8の振動を吸収し、外部への漏れ振動を抑制することができる。   In the inertial sensor driven in this way, the detection element 8 is suspended in a hollow space in the inner space of the outer container 3 by the flexible resin substrate 7, so that the drive vibration of the detection element 8 is applied only to the flexible resin substrate 7. Communicated. Since the flexible resin substrate 7 has the spring portion 72, the vibration of the detection element 8 is absorbed by the elasticity of the spring portion 72 in addition to the elasticity of the flexible resin substrate 7, thereby suppressing leakage vibration to the outside. it can.

また、外部からの衝撃振動に対するセンサ出力への影響も検討した。   In addition, the influence on the sensor output with respect to external impact vibration was also examined.

可撓性樹脂基板7やバネ部72を介さず強固に検知素子8を固定した場合、前記駆動条件下で様々な外部衝撃振動を与えると、検知素子8にその振動が励起され、駆動振動が大きく影響を受ける場合があった。これにより、センサ出力に誤差が重畳されてしまう。   When the detection element 8 is firmly fixed without using the flexible resin substrate 7 or the spring portion 72, when various external impact vibrations are applied under the driving conditions, the vibration is excited in the detection element 8, and the driving vibration is generated. In some cases, it was greatly affected. As a result, an error is superimposed on the sensor output.

そこで、センサ出力信号に影響を与える衝撃振動の周波数を調べた結果、前記駆動条件においては励起により11kHzから135kHzの範囲における複数の周波数で影響することがわかった。従って、その最低周波数である11kHzまでの周波数を伝達しないように、すなわち、それより小さい固有周波数を有するようにバネ部72の形状を設定することで、外部からの衝撃振動を吸収することができる。   Thus, as a result of investigating the frequency of the impact vibration that affects the sensor output signal, it was found that the driving condition affects at a plurality of frequencies in the range of 11 kHz to 135 kHz due to excitation. Therefore, by setting the shape of the spring portion 72 so as not to transmit a frequency up to 11 kHz, which is the lowest frequency, that is, to have a lower natural frequency, it is possible to absorb impact vibration from the outside. .

以上の結果から、可撓性樹脂基板7の固有周波数の上限を10kHzとした。   From the above results, the upper limit of the natural frequency of the flexible resin substrate 7 was set to 10 kHz.

一方、可撓性樹脂基板7の固有周波数が離調周波数Δfと近接すると、その周波数の外部衝撃振動が加わった時に検知素子8に増幅されて重畳してしまうので、センサ出力精度が悪くなる。従って、この影響を避けるため、可撓性樹脂基板7の固有周波数はΔfより大きくしておかなければならない。   On the other hand, when the natural frequency of the flexible resin substrate 7 is close to the detuning frequency Δf, the sensor output accuracy is deteriorated because it is amplified and superimposed on the detection element 8 when external shock vibration of that frequency is applied. Therefore, in order to avoid this influence, the natural frequency of the flexible resin substrate 7 must be larger than Δf.

本実施の形態1ではΔf=0.7kHzであるので、可撓性樹脂基板7の固有周波数の下限は0.7kHzより大きくすればよいが、Δf近傍では外部衝撃振動の影響が十分低減されないので、Δfよりある程度離しておく必要がある。   Since Δf = 0.7 kHz in the first embodiment, the lower limit of the natural frequency of the flexible resin substrate 7 may be larger than 0.7 kHz. However, the influence of external impact vibration is not sufficiently reduced in the vicinity of Δf. , Δf must be separated to some extent.

そこで、様々な可撓性樹脂基板7の固有周波数を変えた時のセンサ出力への影響、およびΔfのバラツキを調べた結果、2kHz以上であれば大きく影響しないことがわかった。従って、可撓性樹脂基板7の固有周波数の下限はバラツキマージンを含め2kHzとした。   Therefore, as a result of investigating the influence on the sensor output when changing the natural frequency of various flexible resin substrates 7 and the variation of Δf, it has been found that there is no significant effect at 2 kHz or more. Therefore, the lower limit of the natural frequency of the flexible resin substrate 7 is 2 kHz including the variation margin.

以上より、可撓性樹脂基板7の固有周波数の範囲は2kHzから10kHzとなる。この範囲になるように可撓性樹脂基板7のバネ部72の形状を設定することで、外部からの衝撃振動も有効に吸収することができる。   From the above, the range of the natural frequency of the flexible resin substrate 7 is 2 kHz to 10 kHz. By setting the shape of the spring portion 72 of the flexible resin substrate 7 within this range, it is possible to effectively absorb impact vibration from the outside.

ここで、バネ部72の形状は可撓性樹脂基板7のうち配線パターン7aの端子7bおよび取付部71、段差73のいずれをも除く一部分を切り欠くことにより形成しているが、これはどのような切り欠き形状でもよいわけではない。そこで、その最適形状を以下のようにして決定した。   Here, the shape of the spring part 72 is formed by cutting out a part of the flexible resin substrate 7 except for the terminal 7b of the wiring pattern 7a, the attachment part 71, and the step 73. Such a notch shape is not necessarily acceptable. Therefore, the optimum shape was determined as follows.

まず、バネ部72を設けない可撓性樹脂基板7に検知素子8を実装した慣性センサに外部から様々な方向に衝撃振動を加えた時の検知素子8の様子を図5に示す。なお、図5(a)は図1のA−A断面図を、図5(b)は図1のB−B断面図をそれぞれ示す。また、いずれの図も可撓性樹脂基板7の厚みや変動は実際には微小であるが、わかりやすくするためにいずれも誇張して示した。   First, FIG. 5 shows the state of the detection element 8 when impact vibration is applied in various directions from the outside to the inertial sensor in which the detection element 8 is mounted on the flexible resin substrate 7 not provided with the spring portion 72. 5A is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. Moreover, although the thickness and fluctuation | variation of the flexible resin substrate 7 are actually very small in any figure, all were exaggerated and shown for easy understanding.

図5(a)は慣性センサに矢印で示した上下方向(Y方向)の衝撃振動が加わった場合である。この場合は検知素子8の全体がY方向に同時に移動するため、アーム8a、8bは同じ方向に撓む。従って、両者の検知部に発生する信号は大きさ、符号とも同じになる。   FIG. 5A shows a case where impact vibration in the vertical direction (Y direction) indicated by the arrow is applied to the inertial sensor. In this case, since the entire detection element 8 moves simultaneously in the Y direction, the arms 8a and 8b bend in the same direction. Accordingly, the signals generated in both detection units are the same in magnitude and sign.

ここで、前記したようにアーム8a、8bの信号は両者の差を取る構成としていることから、図5(a)の衝撃振動による信号は0になり、出力への影響はキャンセルされる。よって、図5(a)の衝撃振動に対しては特に問題とならない。   Here, as described above, since the signals of the arms 8a and 8b take the difference between the two, the signal due to the impact vibration in FIG. 5A becomes 0, and the influence on the output is cancelled. Therefore, there is no particular problem with respect to the impact vibration shown in FIG.

一方、図5(b)の矢印で示したように慣性センサのXY面内回転方向の衝撃振動が加わった場合、検知素子8も同図に点線で示したようにXY面内回転方向に振動する。これにより、アーム8a、8bは図4(c)と同様の撓みを生じる。従って、衝撃振動による信号が重畳されてしまい、センサ出力に誤差が生じてしまう。   On the other hand, when an impact vibration in the XY in-plane rotation direction of the inertial sensor is applied as indicated by the arrow in FIG. 5B, the detection element 8 also vibrates in the XY in-plane rotation direction as indicated by the dotted line in FIG. To do. As a result, the arms 8a and 8b bend as in FIG. Therefore, a signal due to shock vibration is superimposed, and an error occurs in the sensor output.

このことから、検知素子8が図5(b)のような動きを吸収し、図5(a)の動きのみにするようにバネ部72を構成する必要がある。   Therefore, it is necessary to configure the spring portion 72 so that the detection element 8 absorbs the movement as shown in FIG. 5B and only the movement shown in FIG.

そこで、様々な形状のバネ部72を作製し、図5(b)の衝撃振動によるセンサ出力への影響を調べた結果、外容器3が図5(b)のXY面内回転方向に動いても検知素子8が動かないようにするためにはバネ部72がよじれるようにすればよいことがわかった。その一例が図2に示したバネ部72の形状である。   Thus, as a result of producing spring portions 72 of various shapes and examining the influence of the impact vibration on the sensor output in FIG. 5B, the outer container 3 moves in the XY in-plane rotation direction in FIG. 5B. In order to prevent the detection element 8 from moving, it has been found that the spring 72 should be twisted. One example is the shape of the spring portion 72 shown in FIG.

バネ部72はつづら折れ部分を有するように構成されている。これにより、外容器3が図5(b)のXY面内回転方向に動いても、つづら折れ部分がよじれることでXY面内回転方向の振動が検知素子8に伝達されず、センサ信号の誤差を低減することができる。   The spring portion 72 is configured to have a bent portion. As a result, even if the outer container 3 moves in the XY in-plane rotation direction of FIG. 5B, the bending portion is kinked so that vibration in the XY in-plane rotation direction is not transmitted to the detection element 8 and the sensor signal error Can be reduced.

このようにして最適な固有周波数が得られ、かつ、つづら折れ部分を有するバネ部72を形成した可撓性樹脂基板7の形状を決定した。なお、図3に示すように可撓性樹脂基板7の取付部71に検知素子8を支持した状態における固有周波数は約3kHzであった。   Thus, the shape of the flexible resin substrate 7 on which the optimum natural frequency was obtained and the spring portion 72 having the folded portion was formed was determined. In addition, as shown in FIG. 3, the natural frequency in the state which supported the detection element 8 in the attaching part 71 of the flexible resin board | substrate 7 was about 3 kHz.

以上の構成による面実装型の小型慣性センサを実際に作製し評価した結果、検知素子8の駆動振動が外部に漏れることによる「はね返り」に起因した出力への影響が低減されることを確認した。   As a result of actually producing and evaluating a surface-mounting type small inertial sensor having the above configuration, it was confirmed that the influence on the output due to “bounce” due to leakage of the driving vibration of the sensing element 8 to the outside was reduced. .

また、外部からの衝撃振動に対する出力への影響を調べた結果を図6に示す。図6(a)において、横軸は時間、縦軸は慣性センサに印加した衝撃振動強さを示す。図6(b)および(c)において、横軸は時間、縦軸はセンサ出力を示す。   FIG. 6 shows the result of examining the influence on the output with respect to the impact vibration from the outside. In FIG. 6A, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the impact vibration strength applied to the inertial sensor. 6B and 6C, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents sensor output.

慣性センサに図6(a)の衝撃振動を与えると、検知素子8に可撓性樹脂基板7を介さず強固に固定した場合には図6(b)に示すようにセンサ出力に衝撃振動が重畳され誤差が大きくなり、しかも減衰するまでに長時間を要することがわかった。   When the inertial sensor is subjected to the impact vibration shown in FIG. 6 (a), when the detection element 8 is firmly fixed without the flexible resin substrate 7 interposed therebetween, the impact vibration occurs in the sensor output as shown in FIG. 6 (b). It was found that the error was increased due to the superposition, and that it took a long time to attenuate.

一方、本実施の形態1の可撓性樹脂基板7に検知素子8を支持した場合は図6(c)に示すように衝撃振動のセンサ出力への影響は極めて小さく、減衰までの時間も短いことがわかった。   On the other hand, when the detection element 8 is supported on the flexible resin substrate 7 of the first embodiment, the influence of the impact vibration on the sensor output is extremely small as shown in FIG. I understood it.

以上のことから、外部からの衝撃振動に対してもセンサ出力への影響が十分低減されることを確認した。   From the above, it was confirmed that the influence on the sensor output was sufficiently reduced even with external impact vibration.

なお、本実施の形態1では外容器3をセラミック製のパッケージとしたが、これはプラスチック製としてもよい。これにより、セラミック製パッケージより安価に外容器3を形成できるため、使用温度範囲が狭いものの低コストが要求される民生用の慣性センサにも本実施の形態1の構成を適用できる。   In the first embodiment, the outer container 3 is a ceramic package, but it may be made of plastic. As a result, the outer container 3 can be formed at a lower cost than a ceramic package. Therefore, the configuration of the first embodiment can be applied to a consumer inertial sensor that requires a low cost although its operating temperature range is narrow.

また、本実施の形態1の可撓性樹脂基板7に設けた取付部71の検知素子8が実装される裏面に錘を設ける構成としてもよい。この際の慣性センサの断面図を図7に示す。錘12は取付部71の裏面に接着されている。なお、図7の可撓性樹脂基板7の厚みはわかりやすくするために実際より誇張して示した。   Moreover, it is good also as a structure which provides a weight in the back surface in which the detection element 8 of the attaching part 71 provided in the flexible resin substrate 7 of this Embodiment 1 is mounted. A sectional view of the inertial sensor at this time is shown in FIG. The weight 12 is bonded to the back surface of the mounting portion 71. Note that the thickness of the flexible resin substrate 7 in FIG. 7 is exaggerated from the actual thickness for easy understanding.

図7のように構成することで、錘12の慣性により図5(b)に示したXY面内回転方向の振動をさらに低減することができ、より高精度な慣性センサを実現できる。   By configuring as shown in FIG. 7, the vibration in the XY in-plane rotation direction shown in FIG. 5B can be further reduced by the inertia of the weight 12, and a highly accurate inertial sensor can be realized.

さらに、本構成により錘12の重さを変えることで可撓性樹脂基板7の固有周波数が変わるため、容易に固有周波数を設定することができる。   Furthermore, since the natural frequency of the flexible resin substrate 7 is changed by changing the weight of the weight 12 according to this configuration, the natural frequency can be easily set.

以上の構成、動作により漏れ振動抑制効果および耐衝撃性を確保しつつ小型化が可能な慣性センサを実現することができる。   With the configuration and operation described above, an inertial sensor that can be reduced in size while ensuring a leakage vibration suppressing effect and impact resistance can be realized.

本発明にかかる慣性センサは、漏れ振動抑制効果および耐衝撃性を確保しつつ小型化できるので、面実装型慣性センサ等として有用である。   Since the inertial sensor according to the present invention can be reduced in size while ensuring a leakage vibration suppressing effect and impact resistance, it is useful as a surface mount type inertial sensor or the like.

(a)本発明の実施の形態1における慣性センサの内部を示す平面図、(b)同図1(a)におけるA−A断面図(A) Top view which shows the inside of the inertial sensor in Embodiment 1 of this invention, (b) AA sectional drawing in Fig.1 (a). 本発明の実施の形態1における慣性センサの可撓性樹脂基板の平面図The top view of the flexible resin substrate of the inertial sensor in Embodiment 1 of this invention (a)本発明の実施の形態1における慣性センサの検知素子を支持した可撓性樹脂基板の上面図、(b)同側面図(A) Top view of flexible resin substrate supporting sensing element of inertial sensor in Embodiment 1 of the present invention, (b) Side view (a)本発明の実施の形態1における慣性センサの検知素子の停止時の斜視図、(b)同駆動時の斜視図、(c)同検知時の斜視図(A) The perspective view at the time of the stop of the detection element of the inertial sensor in Embodiment 1 of this invention, (b) The perspective view at the time of the drive, (c) The perspective view at the time of the detection (a)本発明の実施の形態1における慣性センサの外部衝撃振動印加時の図1(a)におけるA−A断面図、(b)同B−B断面図(A) AA sectional view in FIG. 1 (a) at the time of external impact vibration application of the inertial sensor in Embodiment 1 of the present invention, (b) BB sectional view of the same (a)本発明の実施の形態1における慣性センサに外部衝撃を与えた時の外部衝撃波形図、(b)バネ部を設けない場合の同センサ出力波形図、(c)バネ部を設けた場合の同センサ出力波形図(A) External impact waveform diagram when external impact is applied to the inertial sensor according to Embodiment 1 of the present invention, (b) Sensor output waveform diagram when no spring portion is provided, (c) Spring portion is provided The same sensor output waveform diagram 本発明の実施の形態1における慣性センサの錘付き構成の断面図Sectional drawing of the structure with the weight of the inertial sensor in Embodiment 1 of this invention 従来の慣性センサの検知素子部分の一部断面図Partial sectional view of the sensing element part of a conventional inertial sensor

符号の説明Explanation of symbols

3 外容器
3a、3b 台
3c、3d、7b、7c 端子
3e 開口部
30 配線導体
6 回路IC
6a パッド
6b ワイヤ
7 可撓性樹脂基板
7a 配線パターン
8 検知素子
8a、8b アーム
8c 素子基部
9 導電性ペースト
10 バンプ
11 接着剤
12 錘
71 取付部
72 バネ部
73 段差
74 基板基部
3 Outer container 3a, 3b Base 3c, 3d, 7b, 7c Terminal 3e Opening 30 Wiring conductor 6 Circuit IC
6a pad 6b wire 7 flexible resin substrate 7a wiring pattern 8 sensing element 8a, 8b arm 8c element base 9 conductive paste 10 bump 11 adhesive 12 weight 71 mounting portion 72 spring portion 73 step 74 substrate base

Claims (5)

駆動振動し慣性量を検知する検知素子と、
前記検知素子を駆動制御する駆動回路および前記検知素子からの信号を処理し慣性量に応じた信号に調整し出力する出力回路を含む回路ICと、
前記検知素子の取付部、前記取付部にバネ部を介して対峙するとともに前記取付部に対し所定の段差を持つように配設した基板基部を有し、かつ前記基板基部と対向するように前記取付部に支持した前記検知素子を前記回路ICに電気的に接続するための配線パターンを形成した短冊状の可撓性樹脂基板と、
前記回路ICを内蔵し、前記検知素子が駆動振動により慣性量を検知可能なように前記基板基部を内部に取り付けた外容器とを備え、
前記検知素子を支持した状態の前記可撓性樹脂基板の固有周波数が、前記検出素子の駆動方向の固有周波数と検知方向の固有周波数の周波数差より大きく、かつ、外部からの振動により前記検知素子に励起される最低周波数より小さい範囲とした慣性センサ。
A sensing element that detects the amount of inertia by driving vibration;
A circuit IC including a drive circuit that drives and controls the sensing element and an output circuit that processes a signal from the sensing element and adjusts and outputs the signal according to the amount of inertia;
The sensing element mounting portion, the mounting portion facing the mounting portion via a spring portion, and having a substrate base disposed so as to have a predetermined step with respect to the mounting portion, and so as to face the substrate base A strip-shaped flexible resin substrate on which a wiring pattern for electrically connecting the detection element supported by the mounting portion to the circuit IC is formed;
Including the circuit IC, and an outer container in which the substrate base is attached so that the detection element can detect the amount of inertia by driving vibration,
The natural frequency of the flexible resin substrate in a state where the detection element is supported is larger than a frequency difference between the natural frequency in the driving direction of the detection element and the natural frequency in the detection direction, and the detection element is caused by external vibration. An inertial sensor with a range smaller than the lowest frequency excited by
検知素子は接着剤で可撓性樹脂基板の取付部に支持した請求項1に記載の慣性センサ。 The inertial sensor according to claim 1, wherein the detection element is supported on an attachment portion of the flexible resin substrate by an adhesive. バネ部の形状により可撓性樹脂基板の固有周波数が2kHzから10kHzの範囲となるように設定した請求項1に記載の慣性センサ。 The inertial sensor according to claim 1, wherein the natural frequency of the flexible resin substrate is set in a range of 2 kHz to 10 kHz depending on a shape of the spring portion. バネ部の形状はつづら折れ状である請求項3に記載の慣性センサ。 The inertial sensor according to claim 3, wherein the shape of the spring part is a folded shape. 取付部に錘を設けた請求項1に記載の慣性センサ。 The inertial sensor according to claim 1, wherein a weight is provided on the mounting portion.
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