JP2014190718A - Angular velocity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧電振動型角速度センサに関するものであり、特にセンサの耐振動構造に関する。 The present invention relates to a piezoelectric vibration type angular velocity sensor, and more particularly to a vibration resistant structure of the sensor.
近年、圧電素子を用いた微小振動を検出するデバイスが多く活用されている。その一つとして例えば振動する質量体に回転が加えられた際に生じるコリオリ力に起因して発生する非常に微弱な振動や変位を、圧電素子を介して検出することにより、各方向における回転動作、すなわち、回転角速度を検知して測定することが可能な圧電振動型角速度センサ、いわゆる、ジャイロセンサが知られている。 In recent years, many devices that detect minute vibrations using piezoelectric elements have been utilized. As one of them, for example, by detecting very weak vibrations and displacements caused by Coriolis force generated when rotation is applied to a vibrating mass body through a piezoelectric element, rotational movement in each direction That is, a piezoelectric vibration type angular velocity sensor capable of detecting and measuring a rotational angular velocity, that is, a so-called gyro sensor is known.
このうち、長寿命で低価格且つ小型で軽量の圧電振動型角速度センサとして、基部を挟んで対向する複数の振動腕を有するセンサ素子を備え、一方の振動腕、すなわち、駆動腕を平面内で駆動させ、コリオリ力によってその駆動方向と直交する方向へ生じた振動や変位を他方の振動腕、すなわち、検出腕にて検知するH型角速度センサが提案又は実用に供されている。しかし極めて小型で高感度な角速度センサを実現するには、各振動腕の共振周波数を利用し大きな変位を得ることが必要となる。 Among them, as a long-life, low-cost, small and lightweight piezoelectric vibration type angular velocity sensor, it is provided with a sensor element having a plurality of vibration arms facing each other across the base, and one vibration arm, that is, the drive arm is in a plane. There has been proposed or put to practical use an H-type angular velocity sensor that is driven and detects vibration and displacement generated in the direction orthogonal to the driving direction by the Coriolis force by the other vibrating arm, that is, the detection arm. However, in order to realize an extremely small and highly sensitive angular velocity sensor, it is necessary to obtain a large displacement using the resonance frequency of each vibrating arm.
また、例えば自動車にて使われる角速度センサでは、耐振動特性や耐衝撃特性にも高い性能が要求される。角速度センサ素子は、コリオリ力を得るための励振振動と、コリオリ力を検知する検知振動の少なくとも2つの直交する振動モードが働き複雑に振動する。これらの角速度センサ素子の振動は、本来、素子の中で閉じた系で振動することが望ましい。 For example, an angular velocity sensor used in an automobile requires high performance in terms of vibration resistance and shock resistance. The angular velocity sensor element vibrates in a complicated manner by at least two orthogonal vibration modes of an excitation vibration for obtaining a Coriolis force and a detection vibration for detecting the Coriolis force. It is desirable that the vibrations of these angular velocity sensor elements are originally vibrated in a closed system.
しかし実際の角速度センサ素子では、加工の非対称性などによって生じる不要振動や、励振・検知に使用する振動モードのモード形状によっては、センサ素子の振動がその他の部品を通して素子の外部へと漏れることが避けられない。このため角速度センサを実装した場合には振動状態が変化してしまうため振動子の特性が変化してしまう。また反対に、外部の振動により角速度センサ素子が励振されるといった影響も発生する。この場合は、例えば自動車走行中の振動により角速度センサ素子が励振されてしまい、角速度センサの信号出力が変動しシステムが誤動作してしまう可能性がある。 However, in an actual angular velocity sensor element, the vibration of the sensor element may leak out of the element through other components depending on the unwanted vibration caused by processing asymmetry and the mode shape of the vibration mode used for excitation and detection. Unavoidable. For this reason, when the angular velocity sensor is mounted, the vibration state changes, so the characteristics of the vibrator change. On the other hand, there is an effect that the angular velocity sensor element is excited by external vibration. In this case, for example, the angular velocity sensor element is excited by vibration while the vehicle is running, and the signal output of the angular velocity sensor may fluctuate, causing the system to malfunction.
このような角速度センサ素子からの不要振動、すなわち、振動漏れや、外部振動の角速度センサ素子への影響を低減させるため、角速度センサ素子とパッケージ、もしくは実装部との間に以下のような構造を設ける技術が開示されている。特許文献1には、センサ素子ベース部と実装部、すなわち、外部樹脂ケースとの間に、センサ素子を内包する大きな内部パッケージと、内部パッケージと外部樹脂ケースとを接続する複数のリード端子と、リード端子を所定の間隔で整列させる枠体が設けられた技術が開示されている。
In order to reduce such unnecessary vibration from the angular velocity sensor element, that is, vibration leakage and the influence of external vibration on the angular velocity sensor element, the following structure is provided between the angular velocity sensor element and the package or mounting portion. The providing technique is disclosed.
特許文献2には、角速度センサ素子ベース部と実装部との間に、角速度センサ素子のベース部を表面で支持しパッケージ面積と同等の面積を有する支持部と、シリコンゴムなどで構成された防振部が設けられた技術が開示されている。 Japanese Patent Laid-Open No. 2004-260688 discloses a protection portion configured by supporting a base portion of an angular velocity sensor element on the surface between the angular velocity sensor element base portion and the mounting portion and having an area equivalent to the package area, and silicon rubber. A technique provided with a vibrator is disclosed.
前記先行技術文献で開示されているように、外部からの不要な振動によって角速度センサ素子が誤った検知をしてしまう、もしくは、角速度センサ素子自身から生じた不要な振動によって自ら誤った検知をしてしまい正しい検知ができなくなってしまうという問題がある。また、前記先行技術文献で開示されているように、加工で改善したり新たな枠体やシリコンゴムによる防振部を設けたりする方法では、複数の部材を組み合わせて作製するため保持構造が複雑となり組立工程数が増加するため組立精度やコストアップが課題となってしまう。 As disclosed in the prior art document, the angular velocity sensor element makes an erroneous detection due to unnecessary external vibration, or makes an erroneous detection by an unnecessary vibration caused by the angular velocity sensor element itself. Therefore, there is a problem that correct detection cannot be performed. Also, as disclosed in the prior art document, the method of improving by processing or providing a new frame or vibration isolator made of silicon rubber requires a complicated holding structure because it is made by combining a plurality of members. As the number of assembly steps increases, assembly accuracy and cost increase become problems.
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、角速度センサ素子からの不要振動の抑制や、外部からの不要振動の角速度センサ素子への伝達の抑制を、簡便な構造を付加することにより実現可能な、角速度センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and realizes suppression of unnecessary vibration from the angular velocity sensor element and suppression of transmission of unnecessary vibration from the outside to the angular velocity sensor element by adding a simple structure. An object is to provide a possible angular velocity sensor.
本発明は、圧電振動型の角速度センサ素子と、前記角速度センサ素子を固定するパッケージと、前記パッケージを封止する蓋部を備え、前記蓋部は、前記パッケージを直接封止するリッドと、前記リッド上に積層された耐振動構造部からなり、前記耐振動構造部は、前記リッド部より剛性の低い材料からなる低剛性部と、前記リッド部と同等またはそれ以上の高い剛性の材料からなる高剛性部の少なくとも一組の2層構造からなっており、前記低剛性部は、前記リッドと前記高剛性部の間に配置されていることを特徴とする角速度センサである。 The present invention includes a piezoelectric vibration type angular velocity sensor element, a package for fixing the angular velocity sensor element, a lid portion for sealing the package, and the lid portion includes a lid for directly sealing the package; The vibration-resistant structure portion is laminated on a lid, and the vibration-resistant structure portion is made of a low-rigidity portion made of a material having a lower rigidity than the lid portion and a material having a rigidity higher than or equal to the lid portion. The angular velocity sensor has a two-layer structure of at least one pair of high-rigidity portions, and the low-rigidity portions are arranged between the lid and the high-rigidity portions.
このような構成にすることで、リッド上に、低剛性部と高剛性部の順で、積層させて2層構造とすると、外部からの振動がより素子に伝わりにくくなり、不要振動を抑制することができるといった優れた効果を有する。また、角速度センサ素子から発生する不要振動が、その他の部品を通して外部へ漏れることを抑制することができるといった優れた効果を有する。 By adopting such a configuration, when a low-rigidity part and a high-rigidity part are laminated in this order on the lid to form a two-layer structure, external vibrations are less likely to be transmitted to the element, and unnecessary vibrations are suppressed. It has an excellent effect of being able to. Moreover, it has the outstanding effect that it can suppress that the unnecessary vibration generate | occur | produced from an angular velocity sensor element leaks outside through other components.
また、リッドと、低剛性部と高剛性部の各材料を特定し、更に、ヤング率や各層厚を最適化することで、不要振動を抑制する効果を上げることができる。 Moreover, the effect which suppresses an unnecessary vibration can be raised by specifying each material of a lid, a low-rigidity part, and a high-rigidity part, and also optimizing a Young's modulus and each layer thickness.
本発明により、角速度センサ素子からの不要振動の抑制や、外部からの不要振動の角速度センサ素子への伝達の抑制を、簡便な構造を付加することにより実現可能な、角速度センサを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an angular velocity sensor capable of suppressing unnecessary vibration from the angular velocity sensor element and suppressing transmission of unnecessary vibration from the outside to the angular velocity sensor element by adding a simple structure. it can.
本発明を実施するための形態について、図面を参照しつつ詳細に説明するが、以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。 Although the form for implementing this invention is demonstrated in detail, referring drawings, this invention is not limited by the content described in the following embodiment. The constituent elements described below include those that can be easily assumed by those skilled in the art and those that are substantially the same. Furthermore, the constituent elements described below can be appropriately combined. In addition, various omissions, substitutions, or changes of components can be made without departing from the scope of the present invention.
(実施形態1)
図1は、実施形態1の角速度センサ1の全体構成を示す分解斜視図である。図1において、実施形態1の角速度センサ1は、車両などの被検出物に固定されるパッケージ2、角速度センサ素子3、パッケージ2を封止する蓋部4から構成されている。図2は、図1に示した角速度センサ1の斜視図であるが、蓋部4は省略してある。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded perspective view showing the overall configuration of the
図3は、図2のA−A線での断面図である。図3において、角速度センサ素子3は、固定部14によりパッケージ2に固定され、パッケージ2を封止する蓋部4は、パッケージ2を直接封止するリッド5と、リッド5上に積層された耐振動構造部6にて構成される。さらに、耐振動構造部6は少なくとも一組の低剛性部7と高剛性部8の2層構造となっている。耐振動構造部6は、パッケージ2にリッド5を直接封止する際に巻き込まないようにリッド5よりも小さい面積で構成される。
3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. In FIG. 3, the angular
次に、実施形態1における外部からの不要振動について、耐振動構造部6により不要振動が角速度センサ素子3へ伝達しない構造について説明する。実施形態1の耐振動構造部6が設けられていないと、自動車走行による振動などの、外部からの不要な振動が直に角速度センサ素子3に伝わってしまい、角速度センサ1の信号出力が変動しシステムが誤動作してしまう。実施形態1の、少なくとも一組の低剛性部7と高剛性部8の2層構造を有する耐振動構造部6を設けることで、外部からの不要振動を抑制する。
Next, a structure in which unnecessary vibration from the outside according to the first embodiment is not transmitted to the angular
また、実施形態1における角速度センサ素子3からの不要振動について、耐振動構造部6により不要振動が外部へ伝達しない構造について、耐振動構造部6が設けられていないと、角速度センサ素子3から加工の非対称性などによって生じる不要振動が、その他の部品を通して素子の外部へと漏れてしまい、その結果角速度センサ1の信号出力が変動しシステムが誤動作してしまう。少なくとも一組の低剛性部7と高剛性部8の2層構造を有する耐振動構造部6を設けることで、角速度センサ素子3からの不要振動を抑制する。
In addition, regarding the unnecessary vibration from the angular
耐振動構造部6が、リッド5上に低剛性部7と高剛性部8の順で積層された少なくとも一組の2層構造が優れていることについて、技術的な原理を説明する。リッド5は、コバール(FeNiCo合金)やステンレス(FeCrNi合金)といった材料からなり振動を受けやすい材料である。しかしながら、パッケージの封止性を考えるとこの材料を使わざるを得ないといった事情がある。低剛性部7は、リッド5より剛性の低い材料であって、シリコンゴムやフッ素系樹脂といった樹脂材料からなる。高剛性部8は、リッド5と同等またはそれ以上の高い剛性の材料であって、コバールやステンレスといった材料からなっている。単に、低剛性材料と高剛性材料を積層させれば課題が解決するわけではなく、低剛性材料と高剛性材料の剛性の関係が重要であり、両者の剛性の尺度であるヤング率の比や低剛性部7と高剛性部8の各層厚比にも大きく影響する。
The technical principle that the vibration-resistant
低剛性部7と高剛性部8の剛性の関係であるが、剛性の尺度であるヤング率について、その比の数値が、外部からの振動が素子に伝わりにくくなる効果を得るためには、剛性の尺度であるヤング率の比の数値、すなわち、低剛性のヤング率/高剛性のヤング率の比が0.50以下であることが好ましい。
The relationship between the rigidity of the low-
また、さらに、外部からの振動が素子に伝わりにくくなる効果を得るためには、低剛性部7と高剛性部8の剛性の、低剛性のヤング率/高剛性のヤング率の比が0.50以下であるときに、各層厚比が、外部からの振動が素子に伝わりにくくなる効果を得るためには、低剛性部の層厚/高剛性部の層厚比が、0.2以上、好ましくは0.2〜5.0であることが好ましい。
Furthermore, in order to obtain an effect that external vibrations are not easily transmitted to the element, the ratio of the low rigidity Young's modulus / high rigidity Young's modulus of the rigidity of the
また、積層順は、リッド5上に低剛性部7と高剛性部8の順で積層されることが好ましい。その理由は、変形しやすい低剛性部7を、低剛性部よりヤング率が高く剛性の高いリッド5および高剛性部8で挟み込むことで、リッド5と低剛性部7との接合面、および低剛性部7と高剛性部8との接合面、の両方の接合面で発生するせん断応力により、外部から印加された不要な振動は、耐振動構造部6で減衰され、よりいっそう外部からの振動が素子に伝わりにくくなる高い効果が得られるためである。
The stacking order is preferably stacked on the
(実施形態2)
図7は、実施形態1として示した図2において、実施形態2として示したA−A線での断面図である。実施形態2は、実施形態1とは異なり、図7に示すように、耐振動構造部6を、リッド5の下部、すなわち、パッケージ2とリッド5で封止された空間の内側に配置している。耐振動構造部6をリッド5の下部に設けることにより、層厚方向に、角速度センサ全体の寸法を大きくすることなく、角速度センサ素子3からの不要振動、および、外部からの不要振動に対して、実施例1と同様に、効果的に抑制することが可能となる。ただし、実施形態2においても、実施形態1で説明した、基本的な条件、すなわち、低剛性材料と高剛性材料の剛性の関係、各層厚比、積層順は満たす必要がある。
(Embodiment 2)
7 is a cross-sectional view taken along line AA shown as
実施例1として、実施形態1の構成を有するサンプルを準備した。外部から、Z軸方向、すなわち、上下方向に不要振動が印加された場合の、実施例1と以下に説明する比較例との比較において、蓋部4の振動の様子を説明する。
As Example 1, a sample having the configuration of
比較例として、蓋部4の、実施形態1のように対策がとられていない状態、すなわち、リッド5のみで構成された蓋部4を有するサンプルを準備した。図4aは、外部からZ軸方向に不要振動が印加された場合に、Z軸方向、すなわち、積層平面を上部から見た蓋部4の振動の様子を示した図である。また、図4bは、図4aの様子を、Y軸方向、すなわち、B−B断面の、XZ平面で切ったときの断面で見た振動の様子を示したイメージ図である。
As a comparative example, a sample of the
比較例によれば、外部からZ軸方向に不要振動が印加されると、パッケージ2を介してZ軸方向の不要振動が蓋部4、すなわち、リッド5に伝達される。その結果、図4aと図4bに示すように、パッケージ2とリッド5を直接固定した蓋部4の中心部分から、蓋部4の平面全体に、Z軸方向に不要振動から生じた振動9が発生する。この振動9は、実装している回路基板13を余計に振動させてしまい、角速度センサ素子3が振動し出力信号に悪影響を及ぼす。
According to the comparative example, when unnecessary vibration is applied from the outside in the Z-axis direction, unnecessary vibration in the Z-axis direction is transmitted to the
それに対し、図5は、実施例1の構成を有する蓋部4を用いて、比較例と同様に、外部からZ軸方向、すなわち、上下方向に不要振動が印加された場合の蓋部4の振動9の様子を示したイメージ図であり、図4bのように、Y軸方向、すなわち、XZ平面で切ったときの断面で見た振動の様子を示した図である。
On the other hand, FIG. 5 shows the
実施例1によれば、比較例と同様に、外部からZ軸方向に不要振動が印加されると、パッケージ2を介してZ軸方向の不要振動が蓋部4、すなわち、リッド5と耐振動構造部6に伝達されるのであるが、実施例1が比較例と異なる点は、図5に示すように、比較例で生じた振動波形9を打ち消すような振動波形10が生じることにより相殺され、結果的に不要振動が抑制される。
According to the first embodiment, similarly to the comparative example, when unnecessary vibration is applied from the outside in the Z-axis direction, the unnecessary vibration in the Z-axis direction is applied to the
比較例で生じた振動波形9を打ち消すように生じた実施例1の振動波形10は、実施例1の蓋部4を構成するリッド5と低剛性部7との接合面、または、低剛性部7と高剛性部8との接合面との間で発生するせん断応力により、外部から印加された不要な振動は、耐振動構造部6で減衰され、この結果、外部からのZ軸方向の不要振動に対して角速度センサ素子3は影響を受けないこととなる。なお、振動波形は、振動の節や腹を2つ以上有する場合もあるが、同様の原理で不要振動は抑制される。
The
せん断応力とは、物体を斜めに変形させるときに発生する応力であり、これは具体的にどうするかと言うと、引張・圧縮では必ず面に対して垂直に力をかけるのであるが、面に平行に力を加えると、平行四辺形のような変形をするような方向に働く。この時発生する応力をせん断応力と呼び、その値は引張応力と同じで、断面積に平行に加えた力を断面積で割った値となる。 Shear stress is the stress generated when an object is deformed diagonally. Specifically, this means that a force is always applied perpendicular to the surface in tension and compression, but parallel to the surface. When a force is applied to, it works in the direction of deforming like a parallelogram. The stress generated at this time is called shear stress, and its value is the same as the tensile stress, which is a value obtained by dividing the force applied parallel to the cross-sectional area by the cross-sectional area.
図6は、実施例1の構成を有する蓋部4を用いて、せん断応力11の様子を示したイメージ図であり、図4bのように、Y軸方向、すなわち、XZ平面で切ったときの断面で見た図である。せん断応力11は、図6のように、蓋部4の両端を支持点12で支持したとき、図のX軸方向の幅方向の中点(幅をLとしたときL/2)で最大の振幅となるように生じる。
FIG. 6 is an image diagram showing the state of the
実施例1で生じるせん断応力11は、蓋部4において、耐振動構造部6が、リッド5上に低剛性部7と高剛性部8の順で積層された2層構造であることで、外部からの不要振動から生じた振動9を打ち消すように生じる。高剛性部8は変形しにくく、低剛性部7は変形しやすいという、相反する性質の剛性部を組合わせることで、更に、せん断応力11が大きくなり、図3の構成であって、図4bや図5を参照すると、例えば、Z軸方向、すなわち、上方向に凸になった場合は、高剛性部8は引き伸ばされ、低剛性部7は圧縮されるような応力が生じている。ただし、基本的な条件、すなわち、耐振動構造部6を構成する低剛性材料と高剛性材料の剛性の関係、各層厚比、積層順は満たす必要がある。
The
実施例1の構成にすることにより、角速度センサ素子3は耐振動構造部6を介する事無くパッケージ2に実装され、及び、角速度センサ1は直接実装部へ実装されることになり、耐振動構造部6の組立精度に影響されること無く角速度センサ素子3の支持の交差を小さくすることが出来る。またこれより角速度センサ1の特性の公差も小さくすることが可能となる。
By adopting the configuration of the first embodiment, the angular
実施例1の構成において、耐振動構造部6は、駆動振動の際に角速度センサ素子3から発生した不要振動について、パッケージ2を通じてリッド5に伝達された振動を効果的に防振させることができ、従来のように角速度センサ素子3とパッケージ2との間に何らかの耐振動対策をする必要を無くすことができる。
In the configuration of the first embodiment, the vibration-
実施例1の構成において、耐振動構造部6は、センサ外部から入力される外部不要振動についても、パッケージ2を通じてリッド5に伝達された外部振動を効果的に防振させることができ、従来のように角速度センサ素子3とパッケージ2との間に何らかの耐振動対策をする必要を無くすことができる。
In the configuration of the first embodiment, the vibration-
実施例1の構成において、耐振動構造部6はリッド5に貼り合わせるだけで、リッド5のパッケージ2への接合方法やリッド5の形状を変更する必要がない。このため、従来のパッケージ2の封止に用いられているリッド5をそのまま使用することができることから、組立が容易で安価な耐振動構造部を提供することができる。
In the configuration of the first embodiment, the vibration-
実施例1の構成において、耐振動構造部6はリッド5のほぼ全面に対して配置する事ができる。この構成によれば、耐振動構造部6を広い面積で配置することが出来るため、角速度センサ素子3からの振動が外部に漏れることを抑制し、また外部からの不要振動が角速度センサ素子3に伝わることを抑制する事ができる。
In the configuration of the first embodiment, the vibration-
実施例2では、比較例と実施例1のサンプルを以下に示すパラメータにつき各5個用意して、外部からの不要振動を与え、そのときの、不要振動に基づく出力信号をプロットして評価した。出力信号は、外部からの不要振動により、実装している回路基板13(図3)を振動させる時に、角速度センサ素子3が振動したときの出力信号である。従って、この出力信号は、不要信号に基づいた信号であり、この数値が大きいほど、角速度センサ素子3が、不要な振動の影響を受けていて、好ましくないということを示している。
In Example 2, five samples of the comparative example and Example 1 were prepared for each of the parameters shown below to give unnecessary vibration from the outside, and the output signal based on the unnecessary vibration at that time was plotted and evaluated. . The output signal is an output signal when the angular
実施例2で実際に使用したサンプルで、低剛性のヤング率/高剛性のヤング率の比が0.25のサンプルについて、低剛性部7の材料はシリコンゴムでヤング率は45MPaで層厚が0.1mmであり、一方、高剛性部8の材料はステンレス合金でヤング率180MPaで層厚が0.1mmである。
In the sample actually used in Example 2, the ratio of the Young's modulus of low rigidity / Young's modulus of high rigidity is 0.25, the material of the
図8は、実施例2において、耐振動構造部6の、低剛性部7と高剛性部8の剛性の関係による効果を示すために、剛性の尺度であるヤング率の比に対して、外部からの不要振動に基づく出力信号をプロットした図である。図8は、横軸に低剛性/高剛性のヤング率の比を、比較例、0.5、0.25とパラメータをふっているのに対し、縦軸に対応する各出力信号[V]をプロットしている。なお、比較例は、リッド5のみであり耐振動構造部6は設けられていない。
FIG. 8 is a graph showing the effect of the relationship between the rigidity of the low-
図8によると、低剛性/高剛性のヤング率の比が小さくなるほど、不要振動に基づく出力信号が小さくなっており、外部からの不要振動が角速度センサ素子3に伝わりにくくなり、角速度センサ素子3への振動を抑制する効果が大きいことを示している。比較例に対しても効果があることから、耐振動構造部6による効果が大きいことを示している。図8より、低剛性/高剛性のヤング率の比が0.50以下であることが好ましいことがわかる。このとき、低剛性部7について材料はシリコンゴムでヤング率は45MPaで層厚が0.1mmである。一方、高剛性部8について、低剛性/高剛性のヤング率の比が0.5のときの材料はヤング率90MPaのコバールで層厚は0.1mmであり、0.25のときの材料はヤング率180MPaのステンレスで層厚は0.1mmである。
According to FIG. 8, as the ratio of Young's modulus of low rigidity / high rigidity becomes smaller, the output signal based on unnecessary vibration becomes smaller, and it becomes difficult for unnecessary vibration from the outside to be transmitted to the angular
図9は、実施例2において、低剛性のヤング率/高剛性のヤング率の比が0.50以下であるときに、各層厚比に対して、外部からの不要振動に基づく出力信号をプロットした図である。図9は、横軸に、低剛性部/高剛性部の層厚比を、比較例、0.1、0.2、1.0、5.0とパラメータをふっているのに対し、縦軸に対応する各出力信号をプロットしている。なお、比較例は、リッド5のみであり耐振動構造部6は設けられていない。
FIG. 9 is a plot of output signals based on unnecessary external vibration against each layer thickness ratio when the ratio of Young's modulus of low rigidity / Young's modulus of high rigidity is 0.50 or less in Example 2. FIG. FIG. 9 shows the layer thickness ratio of the low-rigidity part / high-rigidity part on the horizontal axis, with the comparative examples 0.1, 0.2, 1.0, and 5.0, and the vertical axis. Each output signal corresponding to the axis is plotted. In the comparative example, only the
図9によると、低剛性部/高剛性部の層厚比が、0.1のときは、比較例とほぼ同等の出力であるが、0.1よりも大きくなるほど、不要振動に基づく出力信号が、比較例に対して、小さくなっており、外部からの不要振動が角速度センサ素子3に伝わりにくくなり、角速度センサ素子3への振動を抑制する効果が大きいことを示している。図9より、低剛性部/高剛性部の層厚比が、0.2以上、好ましくは0.2〜5.0であることが好ましいことがわかる。このとき、低剛性部7について材料はシリコンゴムでヤング率は45MPaで層厚が各パラメータについて0.01mm、0.02mm、0.1mm、0.5mmとなっている。一方、高剛性部8について材料はステンレスでヤング率180MPaで層厚が0.1mmである。
According to FIG. 9, when the layer thickness ratio of the low-rigidity part / high-rigidity part is 0.1, the output is almost equivalent to that of the comparative example, but the output signal based on unnecessary vibration increases as the value becomes larger than 0.1. However, it is smaller than that of the comparative example, and it is difficult for unnecessary vibration from the outside to be transmitted to the angular
図10は、実施例2において、耐振動構造部6の、低剛性部7と高剛性部8の積層順について、5つの場合について、外部からの不要振動に基づく出力信号をプロットした図である。図10は、横軸に、耐振動構造部6の構成について、例えば、図3のZ軸方向に対し、パッケージ側から、すなわち、下から順に、構成A:比較例、構成B:リッド/高剛性部8、構成C:リッド/低剛性部7、構成D:リッド/低剛性部7/高剛性部8、構成E:リッド/高剛性部8/低剛性部7とパラメータをふっているのに対し、縦軸に対応する各出力信号[V]をプロットしている。なお、比較例は、リッド5のみであり耐振動構造部6は設けられていない。
FIG. 10 is a diagram in which output signals based on unnecessary external vibrations are plotted for five cases in the stacking order of the low-
図10によると、構成B:リッド/高剛性部8の場合は、構成A:比較例とほぼ同等の出力であるが、構成C:リッド/低剛性部7の場合は、外部からの振動が素子に伝わりにくくなるという効果のために、構成B:リッド/高剛性部8の場合に比べて出力は小さくなり確かに振動を抑制する効果が見られた。また、構成D:リッド/低剛性部7/高剛性部8の構成の場合が最も出力は小さく効果が高いのであるが、構成E:リッド/高剛性部8/低剛性部7の構成の場合では、低剛性部7の振動を伝えにくいという機能のために、比較例に比べると出力は小さく振動を抑制する効果は確認できた。構成D:リッド/低剛性部7/高剛性部8の構成の方が、構成C:リッド/低剛性部7、構成E:リッド/高剛性部8/低剛性部7の構成よりも効果が大きいのは、リッド5と低剛性部7との接合面、および低剛性部7と高剛性部8との接合面、の両方の接合面で発生するせん断応力により、いっそう外部からの振動を素子に伝わりにくくなる効果があるためと考えられる。
According to FIG. 10, in the case of the configuration B: lid /
また低剛性部7は、リッド5より剛性の低い材料であって、シリコンゴムやフッ素系樹脂といった樹脂材料からなり高温にさらすと揮発しやすい材料である。そのため構成C:リッド/低剛性部7、構成E:リッド/高剛性部8/低剛性部7の構成の場合、高温に晒した際に低剛性部が揮発するという不具合がある。これに対して構成D:リッド/低剛性部7/高剛性部8の構成にすると、低剛性部7の揮発について低剛性部7が高剛性部8に覆われているために揮発が抑制され、問題は解消される。
The low-
従って、図10より、構成D:リッド/低剛性部7/高剛性部8の構成が最も好ましいということがわかった。ちなみに、図10の評価における、構成D:リッド/低剛性部7/高剛性部8のサンプルについて、リッド部の材料はコバールで層厚は0.1mmでヤング率は90MPaであり、一方、低剛性部7の材料はシリコンゴムで0.1mmでヤング率は45MPaであり、高剛性部8の材料はステンレスで層厚は0.1mmでヤング率は180MPaである。このときの低剛性のヤング率/高剛性のヤング率の比は0.25である。
Therefore, FIG. 10 shows that the configuration D: lid /
また、実施形態2の構成についても、実施例1のサンプル(構成D)と同様な効果が得られる。図10において、最も右側のパラメータは実施形態2の構成を有するサンプルであって、下から積層順に、構成F:高剛性部8/低剛性部7/リッド5、というものである。図10によると、構成D:リッド/低剛性部7/高剛性部8の結果とほぼ同等となっている。
In addition, the same effects as the sample of Example 1 (Configuration D) can be obtained with the configuration of
また、実施例1のサンプルの振動波形の具体例として図5を示したが、外部からの不要振動による蓋部4の振動9、10は、蓋部4の平面がX軸方向に対して1つの振動の節、2つの振動の腹を持つ振動であって、実施例1のサンプルの蓋部4の構成により、この節を中心にZ軸方向に互いに反対方向に振動する振動を、せん断応力を利用して発生させている。更に、リッド5の平面がX軸方向に対して1つの振動の節、2つの振動の腹を持つ振動や、リッド5の平面がY軸方向に対して1つの振動の節、2つの振動の腹を持つ振動についても、効果があることが確認できている。
Further, FIG. 5 is shown as a specific example of the vibration waveform of the sample of Example 1, but the
(実施例3)
次に、角速度センサ素子3から発生する不要振動、すなわち、漏れ振動について、耐振動構造部6により、不要振動、すなわち、漏れ振動が、パッケージ部2から外部へ伝達を抑制するための構造について説明する。
(Example 3)
Next, regarding the unnecessary vibration generated from the angular
図11は、比較例と、実施例1のサンプルを各5個用意して、角速度センサ素子3からの不要振動を与えたときの、角速度センサ1への影響について確認しようとした図である。ちなみに、実施例1のサンプルは、構成D:リッド/低剛性部7/高剛性部8の構成で、リッド部の材料はコバールで層厚0.1mmでヤング率90MPaであり、低剛性部7の材料はシリコンゴムで層厚0.1mmでヤング率45MPaであり、高剛性部8の材料はステンレスで層厚0.1mmヤング率は180MPaである。このときの低剛性のヤング率/高剛性のヤング率の比は0.25である。
FIG. 11 is a diagram for confirming the influence on the
実施例2の評価は、外部から回路基板13(図3)を振動させることにより、角速度センサ素子3が振動するのでそのときの出力を検知したものであるが、それに対し、実施例3の評価は、角速度センサ素子3からの不要振動であるため不要振動の発生源が角速度センサ素子3であって、それにより回路基板13が振動するというものである。
In the evaluation of Example 2, the angular
実施例3では回路基板13の両端は固定し擬似的に角速度センサ素子3からの不要振動を与えたときの環境を想定した。また、実施例3の評価方法としては、回路基板13の両端を固定した状態で角速度センサ素子3から不要振動を印加して回路基板13の振動の振幅量を直接測定した。
In Example 3, both ends of the
図11は、横軸は、比較例と実施例1のサンプルであり、縦軸は、角速度センサ素子3から不要振動を印加したときに回路基板13の両端を固定して、回路基板13の振動の振幅量をプロットした図である。図11によると、比較例のサンプルは振幅量が大きいのに対し、実施例1のサンプルの振幅量が改善されて小さくなっており、角速度センサ素子3からの外部への不要振動の抑制の効果を確認できた。なお、振動抑制の原理は、せん断応力を利用している点では実施例2と同じである。
In FIG. 11, the horizontal axis is a sample of the comparative example and Example 1, and the vertical axis is the vibration of the
1 角速度センサ
2 パッケージ
3 角速度センサ素子
4 蓋部
5 リッド
6 耐振動構造部
7 低剛性部
8 高剛性部
9 不要振動から生じた振動
10 振動波形9を打ち消すような振動波形
11 せん断応力
12 支持点
13 回路基板
14 固定部
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記蓋部は、前記パッケージを直接封止するリッドと、前記リッド上に積層された耐振動構造部からなり、
前記耐振動構造部は、前記リッド部より剛性の低い材料からなる低剛性部7と前記リッド部と同等またはそれ以上の高い剛性の材料からなる高剛性部の少なくとも一組の2層構造からなっており、前記低剛性部は、前記リッドと前記高剛性部の間に配置されていることを特徴とする角速度センサ。 A piezoelectric vibration type angular velocity sensor element; a package for fixing the angular velocity sensor element; and a lid for sealing the package;
The lid portion includes a lid that directly seals the package, and a vibration-resistant structure portion laminated on the lid.
The vibration-resistant structure portion is composed of at least one pair of two-layer structures of a low-rigidity portion 7 made of a material having a lower rigidity than the lid portion and a high-rigidity portion made of a material having a high rigidity equal to or higher than the lid portion. The angular velocity sensor, wherein the low-rigidity portion is disposed between the lid and the high-rigidity portion.
The angular velocity sensor according to claim 1, wherein the vibration-resistant structure portion is stacked on the angular velocity sensor element side with respect to the lid.
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JP2017085412A (en) * | 2015-10-29 | 2017-05-18 | 日本電波工業株式会社 | Crystal device |
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2013
- 2013-03-26 JP JP2013063765A patent/JP2014190718A/en active Pending
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