JP2011169714A - Angular velocity sensor unit - Google Patents
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Description
本発明は、各種電子機器に用いられる角速度センサユニットに関する。 The present invention relates to an angular velocity sensor unit used in various electronic devices.
この種の角速度センサユニットは図8に示すようなパッケージ1の内部に角速度センサ素子2およびこの角速度センサ素子2を制御するIC3を配置する構造が一般的であり、昨今、パッケージ1に加わる外乱振動を角速度センサ素子2に伝達することを抑制するため、角速度センサ素子2をパッケージ1の内部空間において防振部材4で懸架する構造が提案されている。 This type of angular velocity sensor unit generally has a structure in which an angular velocity sensor element 2 and an IC 3 for controlling the angular velocity sensor element 2 are arranged inside a package 1 as shown in FIG. Has been proposed in which the angular velocity sensor element 2 is suspended by a vibration isolating member 4 in the internal space of the package 1.
また、角速度センサ素子2は素子を駆動振動させ、検出軸の回りに加わる角速度に伴うコリオリ力による素子の撓み成分を検出する振動型の素子を用いるとともに、角速度センサ素子2は角速度を検出するための振動空間を確保するため台座5を介して防振部材4に実装していた。
In addition, the angular velocity sensor element 2 uses a vibration-type element that drives and vibrates the element and detects a deflection component of the element due to the Coriolis force accompanying the angular velocity applied around the detection axis, and the angular velocity sensor element 2 detects the angular velocity. In order to secure the vibration space, the vibration isolating member 4 is mounted via the
なお、この出願の発明に関連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。 As prior art document information related to the invention of this application, for example, Patent Document 1 is known.
しかしながら、角速度センサ素子2を防振部材4の表面に載置した台座5の上に実装した場合、図9に示すように防振部材4を介してパッケージ1に取り付けられる角速度センサ素子2の重心位置が防振部材4の部材平面より高くなってしまうことから、パッケージ1の外部から加わる外乱振動に対して、防振部材4に矢印6で示すような撓み振動が励起され、この撓み振動を検出軸回りの回転として角速度として誤検出してしまうという問題があった。
However, when the angular velocity sensor element 2 is mounted on the
そこで、本発明はこのような問題を解決し、角速度センサユニットの検出精度を高めることを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to solve such problems and increase the detection accuracy of the angular velocity sensor unit.
この目的を達成するために本発明は、角速度センサ素子をパッケージの内部空間に防振部材を介して懸架する角速度センサユニットにおいて、防振部材をパッケージとの接続部と台座との接続部とこれら接続部間に位置する懸架部とに分け、懸架部の重心位置の高さを角速度センサ素子、台座および防振部材における台座との接続部からなる複合体の重心位置の高さと一致させた構造としたのである。 In order to achieve this object, the present invention provides an angular velocity sensor unit in which an angular velocity sensor element is suspended in an internal space of a package via a vibration isolating member, and the vibration isolating member is connected to a connection portion between a package and a pedestal. A structure in which the height of the center of gravity of the suspension is made to coincide with the height of the center of gravity of the complex composed of the connection with the base of the angular velocity sensor element, the base, and the vibration isolator. It was.
この構成により本発明は、角速度センサ素子に対する外乱振動の影響を抑制し、角速度センサユニットの検出精度を高めることが出来るのである。 With this configuration, the present invention can suppress the influence of disturbance vibration on the angular velocity sensor element, and can improve the detection accuracy of the angular velocity sensor unit.
以下、本発明の一実施形態について図を用いて説明する。なお、上述した従来の技術と同様の構成については同じ符号を付して説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated about the structure similar to the prior art mentioned above.
図1は本発明の一例である角速度センサユニットを示したものであり、その基本構造は積層セラミクスからなるパッケージ1の内部空間に角速度センサ素子2と、この角速度センサ素子2に駆動信号を印加する駆動制御回路および角速度センサ素子2から出力された検出信号を処理する検出回路を包含するIC3を配置し、パッケージ1の開口をリッド7で封口した構造となっている。 FIG. 1 shows an angular velocity sensor unit which is an example of the present invention, and its basic structure is that an angular velocity sensor element 2 is applied to an internal space of a package 1 made of laminated ceramics, and a drive signal is applied to the angular velocity sensor element 2. An IC 3 including a drive control circuit and a detection circuit that processes a detection signal output from the angular velocity sensor element 2 is arranged, and the opening of the package 1 is sealed with a lid 7.
また、角速度センサ素子2はパッケージ1を介して外乱振動が伝達されないように撓み性を有する板バネ素材や弾性素材からなる防振部材8によりパッケージ1の内部空間に懸架された台座9で支持した構造としている。
Further, the angular velocity sensor element 2 is supported by a pedestal 9 suspended in the internal space of the package 1 by a
また、角速度センサ素子2は図2に示すように、支持部2aから検出軸10に沿って延出された一対の駆動アーム2b上に駆動電極2cおよび検知電極2dを設けた音叉型の振動型素子であり、台座9における角速度センサ素子2を実装する部分を図1に示すように段差構造として上段面9aに角速度センサ素子2の支持部2aを実装し駆動アーム2bの振動空間を確保した構造となっている。
As shown in FIG. 2, the angular velocity sensor element 2 is a tuning-fork type vibration type in which a
なお、角速度センサ素子2はSiからなる基板で構成され、その表面に設けられる各電極の構造は図3に示すようにAuからなる上部電極11aとPtからなる下部電極11bと、これらの間に配置されたPZTからなる圧電体層11cにより形成され、下部電極11bをグランド接続した状態で上部電極11aに正電圧を印加すると電極の積層方向に対して圧縮力が働き、この圧縮力により電極パターンが延びる方向に応力が発生し、これとは逆に負電圧を印加すると電極に引張力が働き、この引張力により電極パターンが縮む方向に応力が発生するものである。また、これとは逆に駆動アーム2bの撓みにより電極が縮むことで負電圧を発生し、電極が延びることで正電圧を発生させるものである。
The angular velocity sensor element 2 is composed of a substrate made of Si, and the structure of each electrode provided on the surface thereof is an upper electrode 11a made of Au and a
また、角速度の検出については、図2に示した駆動電極2cにIC3から駆動電圧を印加することにより駆動アーム2bが矢印で示すようX軸方向つまり駆動アーム2bの並設方向に駆動振動し、この駆動振動状態において検出軸回りに角速度が加わることでコリオリ力により駆動アーム2bがZ軸方向(駆動振動により形成される振動平面(XY平面)に直交する方向)に撓み振動が生じ、この撓み振動を検知電極2dにより電気信号に変換しIC3に出力するのである。
As for angular velocity detection, by applying a drive voltage from the IC 3 to the
また、図4に示したように防振部材8は、角速度センサ素子2の駆動振動における振動平面(XY平面)と平行な面8aと、振動平面(XY平面)と直交する面8bを有する段差構造としており、振動平面(XY平面)と平行な面8aの防振作用により振動方向と直交する向き(Z軸方向)の外乱振動を抑制し、振動平面(XY平面)と直交する面8bの防振作用により振動平面と平行な向き(XY平面での面内方向)の外乱振動を抑制した構造としている。
As shown in FIG. 4, the
そして、この角速度センサユニットは、防振部材8の外側部分を接続部8cとしてパッケージ1に接続するとともに内側部分を接続部8dとして台座9に接続した構成とするとともに、接続部8c,8dの間の懸架部8eの重心位置12の高さを角速度センサ素子2、台座9および台座9との接続部8dからなる複合体つまり懸架部8eにより懸架される部分全体の重心位置13の高さと一致させた構造として角速度センサユニットの検出精度を向上させている。なお、ここでいう重心位置12,13の高さを一致させるとは角速度センサ素子2の駆動振動における振動平面を基準として各重心位置の相対的な高さを合わせることを意味する。
The angular velocity sensor unit has a configuration in which the outer portion of the
すなわち、懸架部8eの重心位置12と、この懸架部8eに懸架された複合体の重心位置13との高さを一致させることで、図9を用いて説明した従来の角速度センサ素子2の重心位置が防振部材8より上に位置する構成での矢印6で示す撓み振動の発生を抑制し、外乱振動に対する不要な検出信号の出力を抑制できることから、結果として角速度センサユニットにおける特性の検出精度を高めることが出来るのである。
That is, the center of gravity of the conventional angular velocity sensor element 2 described with reference to FIG. 9 is made to coincide with the height of the center of
なお、特に図示していないが防振部材8が平坦構造で或る場合においても懸架部8eの重心位置12の高さと、この懸架部8eにより懸架される角速度センサ素子2を含む複合体の重心位置13の高さを一致させることで同様の作用効果を奏する。
Although not particularly illustrated, even when the
また、上述した角速度センサ素子2は図2に示すよう駆動アーム2bが駆動振動する駆動振動平面(XY平面)に対して検出軸(Y軸)が平行となった角速度センサ素子2を挙げて説明したが、振動平面(XY平面)に対して検出軸が直交(Z軸)する角速度センサ素子を用いることで検出軸方向が異なる角速度センサユニットを略同等の形状にて構成することも出来る。
Further, the angular velocity sensor element 2 described above is described with reference to the angular velocity sensor element 2 in which the detection axis (Y axis) is parallel to the drive vibration plane (XY plane) on which the
なお、駆動振動平面(XY平面)に対して検出軸が直交(Z軸)する角速度センサ素子14としては、図5に示すように、中央部分に位置する固定部14aの両側に錘部14bを対称配置し、それぞれの錘部14bを一対の駆動アーム14cで接続した形状となっており、駆動アーム14c上には後述する駆動電極14d、検出電極14e及びモニタ電極14fが配置されている。
As shown in FIG. 5, the angular
そして、駆動電極14dにIC3から駆動信号を印加することで、駆動アーム14cが図6に示すよう錘部14bを固定部14aと錘部14bを結ぶ方向(X軸方向)に対称に伸縮するように駆動振動し、この駆動振動の状態において角速度センサ素子14の振動平面(XY平面)に垂直な方向(Z軸方向)を検出軸としてこの検出軸回りに角速度を受けることでコリオリ力が生じ、このコリオリ力により駆動アーム14cが図7に示すように駆動振動方向(X軸方向)と直交する方向(Y軸方向)に振動するようになり、この検出振動による駆動アーム14cの変形を検出電極14eで検知し電気信号としてIC3に出力する振動型素子構造となっている。
Then, by applying a drive signal from the IC 3 to the
そして、この角速度センサ素子14も図2に示す音叉型の角速度センサ素子2と同様に台座により振動空間を確保した状態で防振部材8に懸架する構造であるので、図4に示すように懸架部8eの重心位置12の高さを角速度センサ素子14、台座9および防振部材8における台座9との接続部8dからなる複合体つまり懸架部8eにより懸架される部分全体の重心位置13の高さと一致させる構造とすることで角速度センサユニットの検出精度を向上できるのである。
The angular
また、台座9は、角速度センサ素子2の振動空間を形成する台座9の機能を防振部材8自体に形成しても構わず、例えば特に図示していないが液晶ポリマーなどのシート状の弾性素材を成形して角速度センサ素子2を振動可能に支持する段差構造をシート内に一体成形することで、この段差構造が台座9の役割を果たし周囲のシート部分が防振部材8の役割を果たすため、角速度センサユニットとしての部品点数の削減ができ、生産性の向上に寄与できるのである。なお、このように防振部材8と台座9の複合体を一体成形する構成においては、防振部材8における厚みを確保しやすく、この場合、厚み方向(Z軸方向)に対する防振効果を得ることができ、より角速度センサユニットの検出精度を向上出来るのである。
Further, the pedestal 9 may have the function of the pedestal 9 forming the vibration space of the angular velocity sensor element 2 in the
また、防振部材8を構成する弾性素材として用いた液晶ポリマーは、振動吸収性能を有するだけでなく、溶融粘度は低く流動性が良好であることから、防振部材8の成形あるいは防振部材8と台座9の複合体の一体成形においても好適な材料であり、この作用効果はポリフタルアミド(PPA)を用いても同様である。
The liquid crystal polymer used as an elastic material constituting the
また、他の防振部材8を構成する弾性素材としてはシリコンが挙げられ、液晶ポリマーと同様に振動吸収性能を有するとともに、ヤング率の温度特性が非常に小さいという特徴があり、角速度センサユニットとしての温度特性の改善ができる。
Another example of the elastic material constituting the
なお、防振部材8としてステンレスやりん青銅といった板バネ素材を用いる場合には、防振部材8の接続部8dを台座9の内部にモールドして一体化する構造とすることで、角速度センサ素子2の振動平面(XY平面)と平行な面8aと直交する面8bを含む段差構造の懸架部8eが板バネ素材で形成する構造となり、この段差構造を含む部分を上述した弾性素材で形成するより生産性を高めることが出来る。
In the case where a leaf spring material such as stainless steel or phosphor bronze is used as the
本発明は、角速度センサ素子の検出精度を向上できるという効果を有し、特に車載用途の角速度センサユニットにおいて有用である。 The present invention has an effect that the detection accuracy of an angular velocity sensor element can be improved, and is particularly useful in an in-vehicle-use angular velocity sensor unit.
1 パッケージ
2 角速度センサ素子
8 防振部材
8c,8d 接続部
8e 懸架部
9 台座
12 懸架部の重心位置
13 複合体の重心位置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Package 2 Angular
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