JP4337943B2 - Rotation rate sensor - Google Patents

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Description

本発明は、回転率センサに関するものである。   The present invention relates to a rotation rate sensor.

回転率センサとしての振動ジャイロには、例えば、特許文献1に示すようなものが知られている。この振動ジャイロにおいては、振動子のノード点付近をコ字状の細い線により支持し、この線の両端部をガラスエポキシ等からなる矩形状の取付基板に固着している。さらに、この取付基板は振動子の振動により発生する取付基板の振動モードのノード点部分で、ベースプレート上に保持し、固定されている。
特開平11−287658号公報
As a vibrating gyroscope as a rotation rate sensor, for example, one as shown in Patent Document 1 is known. In this vibrating gyroscope, the vicinity of the node point of the vibrator is supported by a thin U-shaped line, and both ends of the line are fixed to a rectangular mounting board made of glass epoxy or the like. Further, the mounting substrate is held and fixed on the base plate at the node point portion of the vibration mode of the mounting substrate generated by the vibration of the vibrator.
Japanese Patent Laid-Open No. 11-287658

このような振動ジャイロは、系全体の共振周波数を小さくすることで機械的なフィルタ効果により振動分離を図ろうとするものであるために、コ字状の細い線により振動子のノード点付近を支持しなければならない。しかし、このような細い線による支持の仕方は、極めて複雑であるため、信頼性に乏しいばかりか衝撃印加に対して極めて弱いという課題を有していた。   Such a vibration gyro is intended to isolate vibrations by reducing the resonance frequency of the entire system by a mechanical filter effect, so the U-shaped thin line supports the vicinity of the node point of the vibrator. Must. However, since the support method using such a thin line is extremely complicated, it has a problem that it is not reliable and is extremely weak against impact application.

本発明はこの課題を解決するためのものであり、衝撃印加に強く、信頼性の高い回転率センサおよび多軸検出型回転率センサを提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve this problem, and it is an object of the present invention to provide a highly reliable rotation rate sensor and multi-axis detection type rotation rate sensor that are strong against impact application.

上記目的を達成するために本発明は、検知素子と、前記検知素子に電気的に接続され、前記検知素子を駆動方向の共振周波数で駆動制御するとともに、前記検知素子から得られた回転率に応じた信号を調整し出力する回路部と、前記検知素子が収納された容器と、前記容器に取り付けられた弾性体と、を有する回転率センサであって、前記弾性体が電気伝導性を有する細線が埋め込まれた弾性体であり、前記弾性体を含む前記回転率センサの支持系の伝達特性曲線における共振周波数のピーク周波数が、前記検知素子の駆動方向および回転率を検出する方向の共振周波数よりも小さく、且つ前記支持系の伝達特性曲線における共振周波数のピーク周波数が、前記検知素子の駆動方向の共振周波数と回転率を検出する方向の共振周波数の差である離調周波数よりも大きく、且つ前記回路部内のローパスフィルタのカットオフ周波数が、前記離調周波数よりも小さい回転率センサとしたものである。 In order to achieve the above object, the present invention relates to a sensing element, electrically connected to the sensing element, driving the sensing element at a resonance frequency in a driving direction, and adjusting the rotation rate obtained from the sensing element. A rotation rate sensor having a circuit unit that adjusts and outputs a corresponding signal, a container in which the detection element is housed, and an elastic body attached to the container, wherein the elastic body has electrical conductivity. Resonance frequency in the direction in which the peak frequency of the resonance frequency in the transfer characteristic curve of the support system of the rotation rate sensor including the elastic body is an elastic body in which a thin line is embedded, in the direction in which the detection element is driven and the rotation rate is detected And the peak frequency of the resonance frequency in the transfer characteristic curve of the support system is the difference between the resonance frequency in the driving direction of the sensing element and the resonance frequency in the direction of detecting the rotation rate. Greater than the detuning frequency and the cut-off frequency of the low-pass filter in the circuit portion, in which a small turnover sensor than the detuning frequency.

このような構成により、衝撃印加に強く、信頼性も高い回転率センサを実現することができるものである。   With such a configuration, it is possible to realize a rotation rate sensor that is strong against impact application and has high reliability.

以下、本発明の実施の形態について図1から図18を用いて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における回転率センサの斜視図である。図2は、図1に示す同センサのA−A断面図を示している。図3は、同センサを構成する振動子を説明するための斜視図を示している。図4は、同振動子の共振特性図を示している。図5(a)は、同振動子のY軸回りに周波数fωの回転が印加された時の駆動側共振周波数(fd)近傍の変調側波を説明するための周波数スペクトル図を示している。図5(b)は、同センサの回路部内のローパスフィルタの特性図を示している。図5(c)は、同振動子のY軸回りに離調周波数A相当の回転率が印加された時のローパスフィルタを通過後の出力の周波数−ゲイン特性図を示している。図6(a)は同振動子の共振特性図、図6(b)は同センサの支持系の機械的な周波数−ゲイン特性図(支持系伝達特性図)を示している。図7は、同センサが基板に実装されている時の外乱衝撃が印加される様子を説明するための説明図を示している。図8(a)は、気密容器と弾性体の寸法関係を説明するための説明図を示している。図8(b)は、図8(a)に示す気密容器と弾性体の寸法と回転率との相関図を示している。図9は、図6に示す同センサの支持系の別の設計仕様における機械的な周波数−ゲイン特性図(支持系伝達特性図)を示している。図10(a)は、同センサに印加される回転率の変化の様子を示す説明図、図10(b)は、図10(a)に示す回転率の変化に対応して回路部から出力されるPWM出力を説明するための出力図、図10(c)は同センサの検知素子の質量、回路部と気密容器の合計質量と出力温度ドリフト量との関係を示す特性図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a perspective view of a rotation rate sensor according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 2 shows an AA cross-sectional view of the sensor shown in FIG. FIG. 3 is a perspective view for explaining the vibrator constituting the sensor. FIG. 4 shows a resonance characteristic diagram of the vibrator. FIG. 5A shows a frequency spectrum diagram for explaining a modulation side wave in the vicinity of the drive side resonance frequency (fd) when rotation of the frequency fω is applied around the Y axis of the same vibrator. FIG. 5B shows a characteristic diagram of the low-pass filter in the circuit section of the sensor. FIG. 5C shows a frequency-gain characteristic diagram of the output after passing through the low-pass filter when a rotation rate corresponding to the detuning frequency A is applied around the Y axis of the same vibrator. FIG. 6A shows a resonance characteristic diagram of the vibrator, and FIG. 6B shows a mechanical frequency-gain characteristic diagram (support system transfer characteristic diagram) of the support system of the sensor. FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining a state in which a disturbance impact is applied when the sensor is mounted on the substrate. FIG. 8A shows an explanatory diagram for explaining the dimensional relationship between the hermetic container and the elastic body. FIG. 8B shows a correlation diagram between the dimensions of the airtight container and the elastic body shown in FIG. FIG. 9 shows a mechanical frequency-gain characteristic diagram (support system transmission characteristic diagram) in another design specification of the support system of the sensor shown in FIG. FIG. 10A is an explanatory diagram showing a change in the rotation rate applied to the sensor, and FIG. 10B is an output from the circuit unit corresponding to the change in the rotation rate shown in FIG. FIG. 10C is a characteristic diagram showing the relationship between the mass of the detection element of the sensor, the total mass of the circuit unit and the hermetic container, and the amount of output temperature drift.

図1において、1は回転率センサ、2はセラミックス製またはエポキシ系等の樹脂製からなる直方体形状の気密容器、3は気密容器2の下方部に設けられた回転率センサ1への電源供給および出力の取り出しのためのパッド電極、4は気密容器2の底に一体に形成された弾性体としてのシリコンゴム、5は金等からなるパッド電極3と基板等に設けられた外部電極とを接続するためにシリコンゴム4の表面に設けられた導体部である。弾性体としてのシリコンゴム4は、気密容器2の底に貼着しても構わない。また、シリコンゴム4の表面および裏面に設けられた導体部には、それぞれ少なくとも電源、出力、グランドのための3系統の電極機能を有するとともに、電源とグランドの間に出力を担う電極機能が位置するように配置されているため、本センサを基板にハンダ付けする際にハンダの潜り込みによる電極−グランド間のショートの発生確率を低減させることができる。   In FIG. 1, 1 is a rotation rate sensor, 2 is a rectangular parallelepiped-shaped airtight container made of ceramic or epoxy resin, and 3 is a power supply to the rotation rate sensor 1 provided in the lower part of the airtight container 2. Pad electrode 4 for taking out the output, 4 is silicon rubber as an elastic body integrally formed on the bottom of the airtight container 2, 5 is a pad electrode 3 made of gold or the like and an external electrode provided on the substrate etc. In order to do so, it is a conductor portion provided on the surface of the silicon rubber 4. Silicon rubber 4 as an elastic body may be attached to the bottom of the airtight container 2. In addition, the conductor portions provided on the front and back surfaces of the silicon rubber 4 have at least three electrode functions for power, output, and ground, respectively, and an electrode function that bears output between the power and ground. Therefore, when the sensor is soldered to the substrate, it is possible to reduce the probability of occurrence of a short circuit between the electrode and the ground due to the penetration of the solder.

図1に示すX軸、Y軸、Z軸は、それぞれ気密容器2の幅方向、長手方向、厚さ方向である。   The X axis, Y axis, and Z axis shown in FIG. 1 are the width direction, the longitudinal direction, and the thickness direction of the hermetic container 2, respectively.

図2において、6は検知素子としての水晶音叉型振動子、7は気密容器2の内部に設けられた層状の配線、8は水晶音叉型振動子6を駆動方向の共振周波数で駆動制御し、水晶音叉型振動子6から得られた回転率に応じた信号を調整し出力するための回路部、9は水晶音叉型振動子6を接着剤等を用いて支持固定するための台座、10a、10bは金属等からなる蓋である。回路部8は、例えば半導体ベアチップからなり、気密容器2内に設けられたパッド電極(図示せず)とワイヤボンディングあるいはバンプにより接続されている。また、気密容器2の内部にガスを充填した後、気密容器2内の気密を保つために、気密容器2は蓋10a、10bにより溶接あるいは接着で封止されている。   In FIG. 2, 6 is a quartz tuning fork vibrator as a detecting element, 7 is a layered wiring provided inside the hermetic container 2, 8 is a drive control of the quartz tuning fork vibrator 6 at a resonance frequency in the driving direction, A circuit unit for adjusting and outputting a signal according to the rotation rate obtained from the quartz tuning fork vibrator 6, and a base 10a for supporting and fixing the quartz tuning fork vibrator 6 using an adhesive or the like, 10a, Reference numeral 10b denotes a lid made of metal or the like. The circuit unit 8 is made of, for example, a semiconductor bare chip, and is connected to a pad electrode (not shown) provided in the hermetic container 2 by wire bonding or bumps. In addition, after the gas is filled in the hermetic container 2, the hermetic container 2 is sealed by welding or bonding with the lids 10 a and 10 b in order to keep the hermetic container 2 hermetic.

図3において、水晶音叉型振動子6は、2枚の水晶板を原子間結合のレベルで直接接合し、作成されている。11、12は水晶音叉型振動子6のアーム、13はアーム11、12を連結する基部、14はアーム11、12上にクロムと金を蒸着し形成した音叉駆動するための電極(図示せず)及び回転率に応じた信号を検出するための電極(図示せず)にそれぞれ接続された、同じくクロムと金を蒸着し形成したパッド電極である。パッド電極14は、気密容器2に設けられたパッド電極(図示せず)とワイヤボンディングあるいはバンプにより接続されている。基部13には振動を分離するための梁構造やくびれ構造が存在しないため、コンクリート面より1m上方からの落下衝撃(瞬間的には1万Gを超える衝撃)に対しても水晶音叉型振動子6が破損するようなことがない。   In FIG. 3, the quartz tuning fork vibrator 6 is formed by directly joining two quartz plates at the level of interatomic coupling. Reference numerals 11 and 12 denote arms of the crystal tuning fork type vibrator 6, reference numeral 13 denotes a base for connecting the arms 11 and 12, reference numeral 14 denotes electrodes for driving a tuning fork formed by depositing chromium and gold on the arms 11 and 12 (not shown). ) And a pad electrode formed by vapor-depositing chromium and gold respectively connected to electrodes (not shown) for detecting a signal corresponding to the rotation rate. The pad electrode 14 is connected to a pad electrode (not shown) provided in the hermetic container 2 by wire bonding or bumps. Since there is no beam structure or constriction structure for separating vibration at the base 13, a crystal tuning fork type vibrator is also applied to a drop impact (impact instantaneously exceeding 10,000 G) from 1 m above the concrete surface. 6 is not damaged.

図1から図3において、回路部8より水晶音叉型振動子6上のパッド電極14に駆動信号が供給されることにより、アーム11、12がX軸方向に往復振動する。また、Y軸回りに回転率ωが印加されると、アーム11、12の質量に比例し、その振幅速度ベクトルと回転率ベクトルの外積方向(Z軸方向)に働く力(コリオリ力)により、アーム11、12が回転率を検出する方向(Z軸方向)に撓む。この撓み量に比例した信号を水晶音叉型振動子6上の検出電極(図示せず)により検出し、この検出された信号を回路部8内で駆動信号により同期検波し、同期検波後の信号を増幅し、ローパスフィルタにて処理することにより、回転率に応じたセンサ信号を得ることができる。   In FIGS. 1 to 3, when a drive signal is supplied from the circuit unit 8 to the pad electrode 14 on the crystal tuning fork vibrator 6, the arms 11 and 12 reciprocate in the X-axis direction. When the rotation rate ω is applied around the Y axis, the force (Coriolis force) acting in the cross product direction (Z axis direction) of the amplitude velocity vector and the rotation rate vector is proportional to the mass of the arms 11 and 12. The arms 11 and 12 bend in the direction of detecting the rotation rate (Z-axis direction). A signal proportional to the amount of deflection is detected by a detection electrode (not shown) on the quartz tuning fork vibrator 6, and the detected signal is synchronously detected by a drive signal in the circuit unit 8, and the signal after synchronous detection is detected. Is processed by a low-pass filter, and a sensor signal corresponding to the rotation rate can be obtained.

図4において、20、21はそれぞれ図3に示す水晶音叉型振動子6の駆動方向の共振周波数(fdと略す)、回転率を検出する方向の共振周波数(fsと略す)、Aは駆動方向の共振周波数(fd)と回転率を検出する方向の共振周波数(fs)の差に相当する周波数(以下、離調周波数と称す)である。横軸は周波数、縦軸はアドミタンス(振動しやすさ)である。ここでは、水晶音叉型振動子6のfdとして、10kHzを用いている。通常、回転率を検出する方向の感度を向上させるために、fdとfsを近づけて検出方向の振動を励起させやすいように水晶音叉型振動子6の寸法形状を設計する。水晶音叉型振動子6は、離調周波数Aが小さくなるほど、近共鳴状態となり検出感度を向上させることができる。例えば、ナビゲーションシステム、ロールオーバーシステム、アドバンスドABSの場合、離調周波数Aはそれぞれ200Hz〜400Hz、300Hz〜500Hz、300Hz〜400Hzに設定するのが適当である。   In FIG. 4, 20 and 21 are resonance frequencies (abbreviated as fd) in the driving direction of the quartz tuning fork vibrator 6 shown in FIG. 3, resonance frequencies (abbreviated as fs) in the direction of detecting the rotation rate, and A is the driving direction. Is a frequency corresponding to the difference between the resonance frequency (fd) and the resonance frequency (fs) in the direction in which the rotation rate is detected (hereinafter referred to as a detuning frequency). The horizontal axis represents frequency, and the vertical axis represents admittance (ease of vibration). Here, 10 kHz is used as fd of the quartz tuning fork vibrator 6. Usually, in order to improve the sensitivity in the direction in which the rotation rate is detected, the dimensional shape of the quartz tuning fork resonator 6 is designed so that fd and fs can be brought close to each other to easily excite vibration in the detection direction. As the detuning frequency A becomes smaller, the quartz tuning fork type vibrator 6 enters a near resonance state and can improve the detection sensitivity. For example, in the case of a navigation system, a rollover system, and an advanced ABS, it is appropriate to set the detuning frequency A to 200 Hz to 400 Hz, 300 Hz to 500 Hz, and 300 Hz to 400 Hz, respectively.

図5(a)から図5(c)において、22a、22bはそれぞれ変調側波(fd+fω)、変調側波(fd−fω)、23は回転率ωに相当する周波数fω、24はローパスフィルタのカットオフ周波数を示す点、25はローパスフィルタの周波数に対するゲイン降下特性を示す直線、26はビート成分である。横軸は周波数、縦軸はゲインである。   5A to 5C, reference numerals 22a and 22b denote modulation side waves (fd + fω) and modulation side waves (fd−fω), 23 denotes a frequency fω corresponding to the rotation rate ω, and 24 denotes a low-pass filter. A point indicating the cut-off frequency, 25 is a straight line indicating a gain drop characteristic with respect to the frequency of the low-pass filter, and 26 is a beat component. The horizontal axis is frequency and the vertical axis is gain.

図5(a)に示すように、回転率ωに相当する周波数(fω)23が水晶音叉型振動子6のY軸回りに印加されると、周波数(fω)23によりfdが振幅変調され、fdの上下に変調側波(fd+fω)22a、変調側波(fd−fω)22bが発生する。この変調側波(fd+fω)22a、変調側波(fd−fω)22bのピーク量は、駆動方向(X軸方向)の振幅量、検出方向(Z軸方向)の機械的共振先鋭度(Q値)および離調周波数Aにより定まる。この変調側波(fd+fω)22a、変調側波(fd−fω)22bを復調(検波、平滑)すれば、印加された回転率に応じたセンサ出力を得ることができる。   As shown in FIG. 5A, when a frequency (fω) 23 corresponding to the rotation rate ω is applied around the Y axis of the quartz tuning fork vibrator 6, fd is amplitude-modulated by the frequency (fω) 23, A modulation side wave (fd + fω) 22a and a modulation side wave (fd−fω) 22b are generated above and below fd. The peak amounts of the modulation side wave (fd + fω) 22a and the modulation side wave (fd−fω) 22b are the amplitude amount in the driving direction (X-axis direction) and the mechanical resonance sharpness (Q value) in the detection direction (Z-axis direction). ) And detuning frequency A. By demodulating (detecting and smoothing) the modulation side wave (fd + fω) 22a and the modulation side wave (fd−fω) 22b, a sensor output corresponding to the applied rotation rate can be obtained.

図5(b)に示すように、復調時には、通常不必要なノイズ成分を抑制するために、ローパスフィルタ(カットオフ周波数を示す点24)により平滑される。ローパスフィルタを通過後の出力は、周波数に対するゲイン降下特性を示す直線25に従い、周波数が大きくなるにつれ、単調に減少していくように設定されている。例えば、ローパスフィルタのカットオフ周波数を示す点24は、ナビゲーションシステム、ロールオーバーシステム、アドバンスドABSの場合、それぞれ10Hz、50Hz、100Hzに設定するのが適当である。同じく、ローパスフィルタの周波数に対するゲイン降下特性を示す直線25の次数は、ナビゲーションシステム、ロールオーバーシステム、アドバンスドABSの場合、2次〜4次、3次〜4次、3次〜5次である。   As shown in FIG. 5B, at the time of demodulation, smoothing is performed by a low-pass filter (a point 24 indicating a cutoff frequency) in order to suppress a noise component that is normally unnecessary. The output after passing through the low-pass filter is set so as to monotonously decrease as the frequency increases according to the straight line 25 indicating the gain drop characteristic with respect to the frequency. For example, the point 24 indicating the cut-off frequency of the low-pass filter is suitably set to 10 Hz, 50 Hz, and 100 Hz, respectively, in the case of a navigation system, rollover system, and advanced ABS. Similarly, the order of the straight line 25 indicating the gain drop characteristic with respect to the frequency of the low-pass filter is second-order to fourth-order, third-order to fourth-order, third-order to fifth-order in the case of the navigation system, rollover system, and advanced ABS.

図5(c)に示すように、印加される回転率の周波数(fω)23が離調周波数A(=fd−fs)近傍になると、例えば変調側波(fd−fω)22bがfsに重なるようになり、この変調側波(fd−fω)22bが起振力となり検出方向(Z軸方向)に実際の回転率に相関しない振動レベルの信号が発生する。この信号が復調されると、離調周波数A(=fd−fs)近傍に相当する回転率の周波数(fω)のところで、センサ出力の鋭いピークとなって現れる。これは、いわゆるビート成分26と呼ばれるものであり、共振型回転率センサに共通の現象である。原則、このビート成分26は、図5(b)に示すローパスフィルタにより抑制される。   As shown in FIG. 5C, when the frequency (fω) 23 of the applied rotation rate is in the vicinity of the detuning frequency A (= fd−fs), for example, the modulation side wave (fd−fω) 22b overlaps with fs. Thus, the modulation side wave (fd−fω) 22b becomes a vibration force, and a vibration level signal that does not correlate with the actual rotation rate is generated in the detection direction (Z-axis direction). When this signal is demodulated, a sharp peak of the sensor output appears at a rotation rate frequency (fω) corresponding to the vicinity of the detuning frequency A (= fd−fs). This is a so-called beat component 26, and is a phenomenon common to resonance-type rotation rate sensors. In principle, this beat component 26 is suppressed by a low-pass filter shown in FIG.

図6(a)は、図4に示す同振動子の共振特性図と同じ図であり、図6(b)はセンサの支持系の機械的な周波数−ゲイン特性図(支持系伝達特性図)である。   6A is the same as the resonance characteristic diagram of the vibrator shown in FIG. 4, and FIG. 6B is a mechanical frequency-gain characteristic diagram of the sensor support system (support system transfer characteristic diagram). It is.

図6(a)、(b)において、30は主に水晶音叉型振動子6、回路部8、気密容器2とシリコンゴム4とから構成されたセンサの支持系伝達特性曲線、31は支持系伝達特性曲線30における共振周波数でのピーク、32は離調周波数A(=fd−fs)=fω、33は支持系伝達特性曲線30上でのfd近傍における減衰量である。共振周波数31は、2kHz〜4kHzの範囲であり、好ましくは2kHzである。図6(b)において、図5(a)から図5(c)にて述べた離調周波数Aがほぼ200Hzから500Hz、ローパスフィルタのカットオフ周波数を示す点24が100Hz以下、ローパスフィルタの次数が実質的に3次以上に設定されることにより、衝撃印加に対して強くなると同時に、印加回転率の周波数により発生しやすいビートをより効率的に抑制できるため、センサの検出周波数領域における出力の信頼性が極めて高くなる。   6 (a) and 6 (b), 30 is a support system transmission characteristic curve of a sensor mainly composed of a quartz tuning fork vibrator 6, a circuit unit 8, an airtight container 2 and silicon rubber 4, and 31 is a support system. The peak at the resonance frequency in the transfer characteristic curve 30, 32 is the detuning frequency A (= fd−fs) = fω, and 33 is the attenuation in the vicinity of fd on the support system transfer characteristic curve 30. The resonance frequency 31 is in the range of 2 kHz to 4 kHz, preferably 2 kHz. 6B, the detuning frequency A described in FIGS. 5A to 5C is approximately 200 Hz to 500 Hz, the point 24 indicating the cutoff frequency of the low pass filter is 100 Hz or less, and the order of the low pass filter. Is set to be substantially higher than the third order, and at the same time, it becomes strong against impact application, and at the same time, beats that are likely to occur due to the frequency of the applied rotation rate can be more efficiently suppressed. Reliability is extremely high.

図7において、40は駆動方向(X軸方向)の衝撃加速度、41は回転率を検出する方向(Z軸方向)の衝撃加速度、42は本来の回転率によらずに外乱の衝撃加速度によりY軸回りに発生した衝撃回転モーメント、43は実装基板である。図1に示す気密容器2の底に一体に形成されたシリコンゴム4が前記実装基板43に接着され固定されている。   In FIG. 7, 40 is the impact acceleration in the driving direction (X-axis direction), 41 is the impact acceleration in the direction of detecting the rotation rate (Z-axis direction), and 42 is Y by the impact acceleration of the disturbance regardless of the original rotation rate. An impact rotation moment generated around the axis 43 is a mounting substrate. A silicon rubber 4 integrally formed on the bottom of the hermetic container 2 shown in FIG. 1 is bonded and fixed to the mounting substrate 43.

本センサは、図3に示すような水晶音叉型振動子6、図6(a)、(b)に示すような機械的な周波数−ゲイン特性と図5(c)に示すような回路のローパスフィルタの特性が組み合わされているため、落下衝撃に対して水晶音叉型振動子6が強いばかりか、離調周波数A(=fd−fs)に相当する回転率の周波数(fω)が印加された場合にもビート成分が抑制される。さらに、共振周波数のピーク31が離調周波数A(=fd−fs)に相当する回転率の周波数(fω)32より大きく設定されているため、機械的な系の共振でビート成分26を不用意に増加させることもない。また、fd近傍での機械的な系の減衰量33が大きいため、外部からの衝撃加速度40、41や衝撃回転モーメント42に対しても強くなる。例えば、本回転率センサ1の質量が5グラム、シリコンゴム4の硬度が30度、厚さが0.5mmの場合、コンクリート面への落下の際の衝撃が約1000G未満に減衰されることが確認されている。   This sensor has a quartz tuning fork vibrator 6 as shown in FIG. 3, a mechanical frequency-gain characteristic as shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b), and a low-pass circuit as shown in FIG. 5 (c). Since the characteristics of the filter are combined, not only the quartz tuning fork type vibrator 6 is strong against drop impact, but also a frequency (fω) of a rotation rate corresponding to the detuning frequency A (= fd−fs) is applied. Even in this case, the beat component is suppressed. Furthermore, since the resonance frequency peak 31 is set to be larger than the rotation rate frequency (fω) 32 corresponding to the detuning frequency A (= fd−fs), the beat component 26 is not prepared due to mechanical resonance. There is no increase. Further, since the mechanical system attenuation amount 33 in the vicinity of fd is large, it is strong against external impact accelerations 40 and 41 and impact rotation moment 42. For example, when the mass of the rotation rate sensor 1 is 5 grams, the hardness of the silicon rubber 4 is 30 degrees, and the thickness is 0.5 mm, the impact upon dropping onto the concrete surface may be attenuated to less than about 1000G. It has been confirmed.

図8(a)において、a、bはそれぞれ図1および図7に示す、気密容器2の幅(X軸方向の長さ)、気密容器2の厚さ(Z軸方向の長さ)とシリコンゴム4の厚さ(Z軸方向の長さ)を合わせた厚さである。矢印Bは、外部から実装基板43に気密容器2の幅方向(X軸方向)と平行に加わる衝撃加速度40の方向であり、この衝撃加速度40によりY軸回りに衝撃回転モーメント42が発生する。   8A, a and b are the width of the airtight container 2 (length in the X-axis direction), the thickness of the airtight container 2 (length in the Z-axis direction) and silicon shown in FIGS. 1 and 7, respectively. This is the total thickness of the rubber 4 (the length in the Z-axis direction). An arrow B indicates the direction of an impact acceleration 40 applied to the mounting substrate 43 from the outside in parallel with the width direction (X-axis direction) of the hermetic container 2, and the impact acceleration 40 generates an impact rotation moment 42 around the Y axis.

図8(b)において、図8(a)に示すa/b比が、ほぼ1.0の時の衝撃印加時の検知軸回りの回転モーメントω´を基準の1.0とすると、a/b比がほぼ1.0以上になると気密容器が徐々に実質的に扁平な形状となり、衝撃印加時の検知軸回りの回転モーメントω´の発生を軽減できる。   In FIG. 8B, when the rotation moment ω ′ around the detection axis when an impact is applied when the a / b ratio shown in FIG. When the b ratio is approximately 1.0 or more, the airtight container gradually becomes substantially flat, and the generation of the rotational moment ω ′ around the detection axis when an impact is applied can be reduced.

図9において、34は水晶音叉型振動子6、回路部8、気密容器2とシリコンゴム4とから構成される図6(b)に示したものとは異なる別のセンサの支持系の機械的な周波数−ゲイン特性曲線(支持系伝達特性曲線)、35は支持系伝達特性曲線34における共振周波数でのピーク、36は離調周波数A(=fd−fs)=fωである。共振周波数のピーク35は、300Hz〜600Hzの範囲であり、好ましくは500Hzである。また、図5(a)から図5(c)にて述べた離調周波数Aがほぼ1kHzから2kHz、ローパスフィルタのカットオフ周波数を示す点24が100Hz以下、ローパスフィルタの次数が実質的に3次以上に設定される場合によっても、衝撃印加に対して強くなると同時に、印加回転率の周波数により発生しやすいビートをより効率的に抑制できるため、センサの検出周波数領域における出力の信頼性が高くなる。   In FIG. 9, reference numeral 34 denotes a mechanical support system for another sensor different from that shown in FIG. A frequency-gain characteristic curve (support system transfer characteristic curve), 35 is a peak at the resonance frequency in the support system transfer characteristic curve 34, and 36 is a detuning frequency A (= fd-fs) = fω. The resonance frequency peak 35 is in the range of 300 Hz to 600 Hz, preferably 500 Hz. Further, the detuning frequency A described in FIGS. 5A to 5C is approximately 1 kHz to 2 kHz, the point 24 indicating the cutoff frequency of the low-pass filter is 100 Hz or less, and the order of the low-pass filter is substantially 3. Even if it is set to the next or higher, it becomes stronger against impact application, and at the same time, beats that are likely to be generated due to the frequency of the applied rotation rate can be more efficiently suppressed, so the output reliability in the detection frequency range of the sensor is high. Become.

図10(a)に示すような回転率が本センサに印加された時に、本センサからアナログの出力が発生する。本センサの回路部にはパルス幅処理変換部を有しているため、この出力に応じて図10(b)に示すようなパルス幅のデューティ比が変化するPWM形式の出力が発生する。この出力をマイコンを用いて処理する場合、AD変換器を必要とせず、デジタルポート1つだけで済む。   When a rotation rate as shown in FIG. 10A is applied to the sensor, an analog output is generated from the sensor. Since the circuit section of this sensor has a pulse width processing conversion section, a PWM output in which the duty ratio of the pulse width changes as shown in FIG. 10B is generated according to this output. When this output is processed using a microcomputer, an AD converter is not required and only one digital port is required.

図10(c)において、横軸は回路部8と気密容器2の合計質量M/検知素子としての水晶音叉型振動子6の質量m、縦軸は本回転率センサ1の出力温度ドリフト量(deg./sec)である。図10(c)に示すように、M/mが5.0以上になると水晶音叉型振動子6の振動が安定化し、漏れ振動量が減少する。これにより本センサの出力温度ドリフト量も10deg./sec以下まで低減する。   10C, the horizontal axis represents the total mass M of the circuit unit 8 and the airtight container 2 / the mass m of the crystal tuning fork vibrator 6 as the sensing element, and the vertical axis represents the output temperature drift amount of the rotation rate sensor 1 ( deg./sec). As shown in FIG. 10C, when the M / m is 5.0 or more, the vibration of the quartz tuning fork vibrator 6 is stabilized and the amount of leakage vibration is reduced. As a result, the output temperature drift amount of the sensor is also reduced to 10 deg./sec or less.

本実施の形態のような構成により、本センサの小型化に伴う検知素子の小型化においても、製造上のばらつきによる本センサの特性の悪化を招くことのない、外乱加速度や衝撃の印加に対しても信頼性の高い超小型の回転率センサを安価に提供できる。特に、面実装型の回転率センサを安価に提供できる。   Due to the configuration of the present embodiment, even when the sensing element is miniaturized due to the miniaturization of the sensor, the sensor is not subject to deterioration of the characteristics due to manufacturing variations. However, a highly reliable ultra-small rotation rate sensor can be provided at low cost. In particular, a surface mount type rotation rate sensor can be provided at low cost.

本実施の形態においては、弾性体としてシリコンゴムを用いた例について説明してきたが、必ずしもこれに特定されるものではなく、厚み方向に電気伝導性を有するように金属細線が埋め込まれたシート状のゴム、ウレタンまたは空孔を有するシリコン、磁性体または磁石が含有された弾性材料、繊維状のガラスまたは樹脂からなるシートを用いることもできる。また、弾性体を積層構造とすることもできる。さらに、気密容器の表面に薄く付着させる構成も可能である。   In the present embodiment, an example in which silicon rubber is used as an elastic body has been described. However, the present invention is not necessarily limited to this, and a sheet shape in which fine metal wires are embedded so as to have electrical conductivity in the thickness direction. A sheet made of rubber, urethane, silicon having pores, an elastic material containing a magnetic material or a magnet, fibrous glass, or resin can also be used. Further, the elastic body can have a laminated structure. Furthermore, the structure attached thinly to the surface of an airtight container is also possible.

また、本実施の形態においては、検知素子として水晶音叉型振動子を用いた例について説明してきたが、必ずしもこれに特定されるものではなく、PZT系の圧電膜が表面に設けられたシリコン板から形成された一端閉鎖型音叉振動子、H型振動子、エッチングによりシリコン板から形成されたビーム型振動子、エッチングによりシリコン板から形成されたリング状振動子、エッチングによりシリコン基板から共振型振動子アームと基部とこの基部を支える梁とこの梁を支える矩形状の枠体とが一体に形成され、かつ、アームの主面上に厚さが1〜5μmのPZT系の圧電膜が蒸着などにより形成された振動子、角柱または円柱状のセラミックス製の振動子、弾性表面波を用いた振動子等さまざまなものを用いることが可能である。   In this embodiment, an example using a quartz tuning fork vibrator as a detection element has been described. However, the present invention is not necessarily limited to this, and a silicon plate having a PZT-based piezoelectric film provided on the surface thereof. One-end closed tuning fork vibrator, H-shaped vibrator, beam-type vibrator formed from a silicon plate by etching, ring-shaped vibrator formed from a silicon plate by etching, resonant vibration from a silicon substrate by etching A child arm, a base, a beam supporting the base, and a rectangular frame supporting the beam are integrally formed, and a PZT-based piezoelectric film having a thickness of 1 to 5 μm is deposited on the main surface of the arm. It is possible to use various types of vibrators such as vibrators formed by the above, prisms or cylindrical ceramic vibrators, vibrators using surface acoustic waves, and the like.

また、本実施の形態においては、検知素子と回路部をそれぞれ離れた位置に設けた例について説明してきたが、必ずしもこれに特定されるものではなく、例えばシリコン板から形成された一端閉鎖型音叉振動子の同一面上に回路が一体に形成されたような構成とすることも可能である。このようにすることで小型化を図り易くなる。   In the present embodiment, an example in which the detection element and the circuit unit are provided at positions separated from each other has been described. However, the present invention is not necessarily limited to this, and is, for example, a one-end closed tuning fork formed from a silicon plate. It is also possible to adopt a configuration in which a circuit is integrally formed on the same surface of the vibrator. By doing so, it becomes easy to reduce the size.

(実施の形態2)
図11は、本発明の実施の形態2における回転率センサの斜視図である。図11において、図1と同一構成部分には同一の番号を付して詳細な説明を省略し、異なる部分についてのみ詳述する。図11において、4aは図1に示すシリコンゴム4がY軸方向に延長された弾性体としてのシリコンゴム、5aは導体部、50はシリコンゴム4aに設けられた突起、60は実装基板、61は導体パターン、62は実装基板60に形成された突起50を位置決め収納するための孔である。この突起50と孔62が設けられていることにより、本センサを位置ずれさせたまま基板に誤接続させてしまうのを防止できる。
(Embodiment 2)
FIG. 11 is a perspective view of a rotation rate sensor according to Embodiment 2 of the present invention. In FIG. 11, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, detailed description thereof is omitted, and only different portions are described in detail. 11, 4a is silicon rubber as an elastic body in which the silicon rubber 4 shown in FIG. 1 is extended in the Y-axis direction, 5a is a conductor, 50 is a protrusion provided on the silicon rubber 4a, 60 is a mounting substrate, 61 Is a conductor pattern, and 62 is a hole for positioning and storing the protrusion 50 formed on the mounting substrate 60. By providing the protrusion 50 and the hole 62, it is possible to prevent the sensor from being erroneously connected to the substrate while being displaced.

(実施の形態3)
図12は、本発明の実施の形態3における回転率センサの斜視図である。図12において、図1と同一構成部分には同一の番号を付して詳細な説明を省略し、異なる部分についてのみ詳述する。図12において、70は弾性体としての断面が楕円を含む円形状である柱状体のシリコンゴム、5bは金等からなるパッド電極3と実装基板(図示せず)等に設けられた外部電極とを接続するためにシリコンゴム70の表面に設けられた導体部である。気密容器2の底にシリコンゴム70が貼着され、シリコンゴム70が実装基板に接着されている。これにより、本センサを実装基板に実装する際に、本センサと実装基板との間に空隙ができ、この空隙に種々の部品を実装させることが可能となり、実装効率の改善を図ることができる。
(Embodiment 3)
FIG. 12 is a perspective view of a rotation rate sensor according to Embodiment 3 of the present invention. In FIG. 12, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, detailed description thereof will be omitted, and only different portions will be described in detail. In FIG. 12, reference numeral 70 is a columnar silicon rubber having a circular shape including an ellipse as an elastic body, 5b is a pad electrode 3 made of gold or the like, an external electrode provided on a mounting substrate (not shown), etc. This is a conductor portion provided on the surface of the silicon rubber 70 to connect the two. Silicon rubber 70 is adhered to the bottom of the hermetic container 2, and the silicon rubber 70 is bonded to the mounting substrate. As a result, when the sensor is mounted on the mounting board, a gap is formed between the sensor and the mounting board, and various components can be mounted in the gap, thereby improving the mounting efficiency. .

本実施の形態においては、シリコンゴムの形状として、断面が楕円を含む円形状である柱状体について説明したが、球状体等さまざまな形状のものを用いることが可能である。また、弾性体としてシリコンゴムを用いて説明したが、これも弾性を有するものであればさまざまな材質のものを用いることが可能である。   In the present embodiment, the columnar body having a circular cross section including an ellipse has been described as the shape of silicon rubber, but various shapes such as a spherical body can be used. Further, although silicon rubber is used as the elastic body, various materials can be used as long as they have elasticity.

(実施の形態4)
図13(a)は本発明の実施の形態4における回転率センサの斜視図、図13(b)は同センサのB−B断面図、図13(c)は振動子の共振特性図およびセンサ全体系の機械的な周波数−ゲイン特性図、図13(d)は弾性体の厚さと振動伝達量との関係を示す特性図である。図13において、実施の形態1〜3と同一構成部分には同一の番号を付して詳細な説明を省略し、異なる部分についてのみ詳述する。
(Embodiment 4)
13A is a perspective view of a rotation rate sensor according to Embodiment 4 of the present invention, FIG. 13B is a BB cross-sectional view of the sensor, and FIG. 13C is a resonance characteristic diagram and sensor of the vibrator. FIG. 13D is a characteristic diagram showing the relationship between the thickness of the elastic body and the amount of vibration transmission. In FIG. 13, the same components as those in the first to third embodiments are denoted by the same reference numerals, detailed description thereof is omitted, and only different portions are described in detail.

図13において、80はフレキシブル基板、80aは回転率センサ1を実装するフレキシブル基板80上の実装部、80bは実装部80aから配線を引き出すための移行部、80cは実装基板60と接続するためのフレキシブル基板80の端子部、81はフレキシブル基板80上に設けられた導体パターン、82は移行部80bに設けられた孔、83は移行部80bに設けられた切り欠き、84は端子部80c上の導体パターン81に接続された第1の導体切片、85は実装基板60に位置決めし、固定するための第2の導体切片、86はフレキシブル基板80上にパッド電極3と対応するように設けられた接続パッド、87はパッド電極3と接続パッド86を電気的に接続するためのハンダ、88は弾性体としてのシリコンゴム、88aはシリコンゴムからなる突起、89はシリコンゴム88を実装基板60に固定するための粘着層、90は認識用マーキングである。   In FIG. 13, 80 is a flexible substrate, 80 a is a mounting portion on the flexible substrate 80 on which the rotation rate sensor 1 is mounted, 80 b is a transition portion for drawing wiring from the mounting portion 80 a, and 80 c is for connecting to the mounting substrate 60. The terminal portion of the flexible substrate 80, 81 is a conductor pattern provided on the flexible substrate 80, 82 is a hole provided in the transition portion 80b, 83 is a notch provided in the transition portion 80b, and 84 is on the terminal portion 80c. A first conductor piece 85 connected to the conductor pattern 81, a second conductor piece 85 for positioning and fixing to the mounting substrate 60, and 86 is provided on the flexible substrate 80 so as to correspond to the pad electrode 3. A connection pad, 87 is solder for electrically connecting the pad electrode 3 and the connection pad 86, 88 is silicon rubber as an elastic body, and 88a is Projections consisting Rikongomu, 89 adhesive layer for fixing the silicone rubber 88 to the mounting substrate 60, 90 is a recognition mark.

シリコンゴム88はフレキシブル基板80に貼着され、かつ、実装基板60への実装時にフレキシブル基板80と回転率センサ1を支えるだけでなく、振動絶縁の働きもする。また、パッド電極3と接続パッド86を電気的に接続するためにハンダ87を用いているが、導電接着剤を使用してもよい。また、粘着層89があるため、回転率センサ1の実装基板60への固定が容易である。さらに、移行部80bに設けられた切り欠き83は、回転率センサ1からの漏れ振動がフレキシブル基板80を伝播しないようにするためのものであり、また、シリコンゴム88の振動絶縁機能がフレキシブル基板80の移行部80bの剛性などにより損なわれないようにするためのものである。   The silicon rubber 88 is adhered to the flexible substrate 80, and not only supports the flexible substrate 80 and the rotation rate sensor 1 when mounted on the mounting substrate 60, but also functions as a vibration insulator. Further, although the solder 87 is used to electrically connect the pad electrode 3 and the connection pad 86, a conductive adhesive may be used. In addition, since the adhesive layer 89 is provided, the rotation rate sensor 1 can be easily fixed to the mounting substrate 60. Further, the notch 83 provided in the transition portion 80b is for preventing leakage vibration from the rotation rate sensor 1 from propagating through the flexible substrate 80, and the vibration insulating function of the silicon rubber 88 is flexible substrate. This is to prevent damage caused by the rigidity of the 80 transition portions 80b.

第2の導体切片85は、実装基板60にハンダ付けされた第1の導体切片84に直接機械的ストレスがかからないように補強するためのものである。これにより、第1の導体切片84の断線、または、実装基板60に固定された第1の導体切片84のハンダ付け部分のクラック発生の抑制も可能となる。   The second conductor piece 85 is for reinforcing the first conductor piece 84 soldered to the mounting substrate 60 so that no mechanical stress is directly applied. Thereby, it is possible to suppress the disconnection of the first conductor piece 84 or the occurrence of cracks in the soldered portion of the first conductor piece 84 fixed to the mounting substrate 60.

また、第1の導体切片84には、それぞれ電源、GND、回転に応じてデューティ比を変化させて出力するPWM出力またはアナログ出力が割り当てられている。より好ましくは、信頼性を考慮した設計上、電源の供給に割り当てられている第1の導体切片84とGNDとして割り当てられている第1の導体切片84は、隣接させない方がよい。   The first conductor section 84 is assigned a PWM output or an analog output that changes the duty ratio according to the power source, GND, and rotation. More preferably, in consideration of reliability, the first conductor section 84 assigned to supply of power and the first conductor section 84 assigned as GND should not be adjacent to each other.

認識用マーキング90は、回転率センサ1を高精度に実装する時の角度ずれを低減させるためのものである。   The recognition marking 90 is for reducing angular deviation when the rotation rate sensor 1 is mounted with high accuracy.

図13(c)において、91はセンサの支持系伝達特性曲線、92は支持系伝達特性曲線91における0dBのレベル、93は支持系伝達特性曲線91における共振周波数での第1のピーク、94は0dBのレベル92からの減衰量、95はピーク93からシフトした第2のピークである。図13(c)に示すように、振動絶縁効果を有するシリコンゴム88により、周波数の高い領域において水晶音叉型振動子6の駆動方向の共振周波数(fdと略す)20付近での振動伝達量を破線で示す0dBのレベル92から減衰量94になるように抑えることができる。この減衰量94により、振動漏れが低減されるため、漏れ振動による影響が緩和される。また、第1のピーク93は、弾性体(ここでは、シリコンゴム88で説明)の損失、硬度、厚さ、形状、あるいは検知素子(ここでは、水晶音叉型振動子6)の質量m、外形等により決定される共振周波数(fdと略す)20との干渉を避けたい等さまざまな目的により任意の周波数に設計可能である。例えば、弾性体(ここでは、シリコンゴム88で説明)の硬度を大きくすると、第1のピーク93はより高い周波数の第2のピーク95側に遷移する。   In FIG. 13C, 91 is a support system transfer characteristic curve of the sensor, 92 is a 0 dB level in the support system transfer characteristic curve 91, 93 is a first peak at a resonance frequency in the support system transfer characteristic curve 91, and 94 is The attenuation from the level 92 of 0 dB, 95 is the second peak shifted from the peak 93. As shown in FIG. 13 (c), the silicon rubber 88 having a vibration insulating effect can reduce the vibration transmission amount in the vicinity of the resonance frequency (abbreviated as fd) 20 in the driving direction of the quartz tuning fork vibrator 6 in a high frequency region. The attenuation can be suppressed from the level 92 of 0 dB indicated by the broken line to the attenuation 94. Since the vibration leakage is reduced by the attenuation amount 94, the influence of the leakage vibration is reduced. Further, the first peak 93 is the loss, hardness, thickness, shape of the elastic body (here, described by the silicon rubber 88), or the mass m of the sensing element (here, the quartz tuning fork vibrator 6), the outer shape. It is possible to design an arbitrary frequency for various purposes such as avoiding interference with a resonance frequency (abbreviated as fd) 20 determined by the above. For example, when the hardness of the elastic body (here, described by the silicon rubber 88) is increased, the first peak 93 transitions to the second peak 95 side of a higher frequency.

また、図13(d)に示すように、シリコンゴム88の厚さにより、図13(c)に示す減衰量94を可変することが可能である。   Further, as shown in FIG. 13D, the attenuation 94 shown in FIG. 13C can be varied by the thickness of the silicon rubber 88.

以上により、振動分離設計の自由度が向上するばかりでなく、小型化、高信頼性化、高精度化に対応できる。   As described above, the degree of freedom in vibration isolation design is improved, and it is possible to cope with downsizing, high reliability, and high accuracy.

(実施の形態5)
図14(a)は本発明の実施の形態5における回転率センサの斜視図、図14(b)は同センサの基板と引き出しリードを一体にした状態の斜視図である。図14において、実施の形態1〜4と同一構成部分には同一の番号を付して詳細な説明を省略し、異なる部分についてのみ詳述する。
(Embodiment 5)
FIG. 14A is a perspective view of a rotation rate sensor according to Embodiment 5 of the present invention, and FIG. In FIG. 14, the same components as those in Embodiments 1 to 4 are denoted by the same reference numerals, detailed description thereof is omitted, and only different portions are described in detail.

図14において、100は支持手段としてのガラスエポキシからなる基板、100aは基板100に設けられた孔、100bは基板100に設けられた切り欠き、100cは基板100上に設けられた引き出しパッド、101はクランク型に成形された引き出しリード、102はハンダである。引き出しリード101は引き出しパッド100cにハンダ102によりハンダ付けされている。また、切り欠き100bは基板100の剛性を部分的に落として、引き出しリード101を介して外部から伝わる振動、あるいは、回転率センサ1からの漏れ振動が伝播しにくくするためのものである。   In FIG. 14, 100 is a substrate made of glass epoxy as support means, 100a is a hole provided in the substrate 100, 100b is a notch provided in the substrate 100, 100c is a drawer pad provided on the substrate 100, 101 Is a drawer lead formed into a crank mold, and 102 is solder. The lead lead 101 is soldered to the lead pad 100c by solder 102. The notch 100b is for partially reducing the rigidity of the substrate 100 to make it difficult for vibration transmitted from the outside via the lead lead 101 or leakage vibration from the rotation rate sensor 1 to propagate.

また、本実施の形態においては、引き出しリード101と引き出しパッド100cの接続にハンダ付けを用いる例について説明したが、抵抗溶接、超音波溶接を用いることも可能である。さらに、基板100にガラスエポキシを用いる例について説明したが、成形樹脂、セラミック系の材料やインナビアホール型の多層基板を用いても良い。   In this embodiment, an example in which soldering is used to connect the lead lead 101 and the lead pad 100c has been described. However, resistance welding or ultrasonic welding can also be used. Furthermore, although the example which uses glass epoxy for the board | substrate 100 was demonstrated, you may use a molding resin, a ceramic-type material, and an inner via-hole type multilayer board | substrate.

また、図14(b)に示すように、基板100と引き出しリード101を一体にする構成も可能である。   Further, as shown in FIG. 14B, a configuration in which the substrate 100 and the lead 101 are integrated is also possible.

以上のような構成により、低コスト化を実現することができる。   With the above configuration, cost reduction can be realized.

(実施の形態6)
図15(a)は本発明の実施の形態6における回転率センサの斜視図、図15(b)は同センサの導体切片を線状にした状態の斜視図である。図15において、実施の形態1〜5と同一構成部分には同一の番号を付して詳細な説明を省略し、異なる部分についてのみ詳述する。
(Embodiment 6)
FIG. 15A is a perspective view of a rotation rate sensor according to Embodiment 6 of the present invention, and FIG. 15B is a perspective view of a conductor section of the sensor in a linear shape. In FIG. 15, the same components as those in the first to fifth embodiments are denoted by the same reference numerals, detailed description thereof is omitted, and only different portions are described in detail.

105は基板100に設けられた導体パターン、110は基板100に設けられた孔、111は長く伸びた基板100の一部に設けられたくびれ部、112、113は基板100上の導体パターン105と接続された導体切片である。   105 is a conductor pattern provided on the substrate 100, 110 is a hole provided in the substrate 100, 111 is a constricted portion provided in a part of the substrate 100 that is elongated, and 112 and 113 are conductor patterns 105 on the substrate 100. Connected conductor segments.

基板100が長く伸びているため、種々の物体への搭載自由度が向上する。例えば、回転率センサ1をケース(図示せず)の壁面に貼着し、基板100から離れた回路基板(図示せず)と接続することも可能とする。また、基板100に孔110が設けられているため、衣類や靴等へ縫い付けることも可能とする。また、孔110に別の物体に設けられたガイドピン(図示せず)を通し、このガイドピンを折り曲げることで固定することも可能である。このように構成することで、回転率センサ1の着脱が簡単になる。   Since the board | substrate 100 is extended long, the mounting freedom to a various object improves. For example, the rotation rate sensor 1 can be attached to a wall surface of a case (not shown) and connected to a circuit board (not shown) separated from the substrate 100. Moreover, since the hole 110 is provided in the board | substrate 100, it can also be sewn on clothing, shoes, etc. It is also possible to pass a guide pin (not shown) provided on another object through the hole 110 and to fix the guide pin by bending. By comprising in this way, attachment / detachment of the rotation rate sensor 1 becomes easy.

また、基板100の一部にくびれ部111が設けられているため、振動絶縁効果を維持することも可能である。   Further, since the constricted portion 111 is provided in a part of the substrate 100, it is possible to maintain the vibration isolation effect.

また、図15(b)に示すように、導体切片113が線状であるため、コネクタとの嵌合が容易である。   Further, as shown in FIG. 15B, since the conductor piece 113 is linear, the fitting with the connector is easy.

本実施の形態においては、フレキシブル基板を用いる例について説明したが、切り欠き、複数の孔、くびれ部または薄肉部を適当に組み合わせることにより、厚さがほぼ0.1mm以上1mm以下の支持手段としての硬質なガラスエポキシからなる基板を用いることも可能である。このような基板を用いることにより、気密容器の実装性がより向上するばかりか、さまざまな電気部品を実装し、その他の基板とワイヤボンディング接続をすることもできる。   In this embodiment, an example using a flexible substrate has been described. However, as a support means having a thickness of approximately 0.1 mm to 1 mm by appropriately combining notches, a plurality of holes, a constricted portion, or a thin-walled portion. It is also possible to use a substrate made of hard glass epoxy. By using such a substrate, not only the mountability of the hermetic container is improved, but also various electrical components can be mounted and wire bonding connection to other substrates can be performed.

(実施の形態7)
図16は本発明の実施の形態7における多軸検出型回転率センサの斜視図である。図16において、実施の形態1〜6と同一構成部分には同一の番号を付して詳細な説明を省略し、異なる部分についてのみ詳述する。
(Embodiment 7)
FIG. 16 is a perspective view of a multi-axis detection type rotation rate sensor according to Embodiment 7 of the present invention. In FIG. 16, the same components as those in the first to sixth embodiments are denoted by the same reference numerals, detailed description thereof is omitted, and only different portions are described in detail.

図16において、120は基板、121はホルダである。基板120上に2個の回転率センサ1の回転検出軸方向ωが互いに同一になるように実装され、さらに、ホルダ121に収められている。これにより、冗長性のあるセンサを構成することができる。   In FIG. 16, 120 is a substrate and 121 is a holder. The two rotation rate sensors 1 are mounted on the substrate 120 so that the rotation detection axis directions ω thereof are the same, and are housed in a holder 121. Thereby, a sensor with redundancy can be constituted.

本実施の形態のような構成とすることにより、2個の回転率センサの各検知素子の駆動方向の共振周波数をほぼ同一にすることができるため、各検知素子を相互にわざわざ異なる共振周波数に設計する必要もなくなり、安価なセンサを実現できる。   By adopting the configuration as in the present embodiment, the resonance frequency in the driving direction of each detection element of the two rotation rate sensors can be made substantially the same, so that each detection element has a resonance frequency different from each other. There is no need to design, and an inexpensive sensor can be realized.

また、2個の回転率センサ1の回転検出軸方向ωが互いに逆向きになるように配置し、2個の回転率センサ1の出力の差動をとれば、コモンノイズなどの弁別も可能となる。   Further, by arranging the rotation detection axis directions ω of the two rotation rate sensors 1 to be opposite to each other and taking the differential of the outputs of the two rotation rate sensors 1, discrimination such as common noise is possible. Become.

以上のように構成することにより、センサ出力の信頼性が飛躍的に高まり、例えば自動車など高い信頼性を要求される用途に適する。また、形状およびコスト面の制約を無くすることもできる。   By configuring as described above, the reliability of the sensor output is remarkably increased, and it is suitable for applications that require high reliability such as automobiles. In addition, there are no restrictions on the shape and cost.

本実施の形態においては、2個の回転率センサ1の回転検出軸方向ωが互いに同一になるように実装された例について説明したが、これに特定されるものではなく用途に応じて3個以上の回転率センサ1の回転検出軸方向ωが互いに同一になるように実装することも可能である。   In the present embodiment, the example in which the rotation detection axis directions ω of the two rotation rate sensors 1 are mounted so as to be the same as each other has been described. It is also possible to mount the rotation rate sensor 1 so that the rotation detection axis directions ω are the same.

(実施の形態8)
図17は本発明の実施の形態8における多軸検出型回転率センサの斜視図である。図17において、実施の形態1〜7と同一構成部分には同一の番号を付して詳細な説明を省略し、異なる部分についてのみ詳述する。
(Embodiment 8)
FIG. 17 is a perspective view of a multi-axis detection type rotation rate sensor according to Embodiment 8 of the present invention. In FIG. 17, the same components as those in the first to seventh embodiments are denoted by the same reference numerals, detailed description thereof is omitted, and only different portions are described in detail.

基板120上に2個の回転率センサ1の回転検出軸方向ωが互いに直交するように実装され、さらに、ホルダ121に収められている。以上のように構成することにより、2個の回転率センサ1の振動が互いに分離、独立し、保証されているため、近接するように配置させても干渉などの悪影響を受けることなく、高密度に実装された多軸検出型回転率センサを実現することができる。   The two rotation rate sensors 1 are mounted on the substrate 120 so that the rotation detection axis directions ω thereof are orthogonal to each other, and are further housed in a holder 121. With the configuration described above, the vibrations of the two rotation rate sensors 1 are separated, independent, and guaranteed, so that even if they are arranged close to each other, there is no adverse effect such as interference, and high density. It is possible to realize a multi-axis detection type rotation rate sensor mounted on the.

(実施の形態9)
図18は本発明の実施の形態9における多軸検出型回転率センサの斜視図である。図18において、実施の形態1〜8と同一構成部分には同一の番号を付して詳細な説明を省略し、異なる部分についてのみ詳述する。
(Embodiment 9)
FIG. 18 is a perspective view of a multi-axis detection type rotation rate sensor according to Embodiment 9 of the present invention. In FIG. 18, the same components as those in the first to eighth embodiments are denoted by the same reference numerals, detailed description thereof is omitted, and only different portions are described in detail.

図18において、130はウレタンからなるホルダ、130a、130bは回転検出軸方向ωが互いに直交する2個の回転率センサ1を埋設するための空洞、131はホルダ130の底面に設けられた固定手段としての粘着シートである。粘着シート131が設けられているため、セットのフレームなど基板以外への効率的な装着も可能となる。また、本実施の形態においては、粘着シート131を用いた例について説明したが、粘着シート以外に磁性シートなどの磁石を用いてもよい。   In FIG. 18, 130 is a holder made of urethane, 130a and 130b are cavities for embedding two rotation rate sensors 1 whose rotation detection axis directions ω are orthogonal to each other, and 131 is a fixing means provided on the bottom surface of the holder 130 As an adhesive sheet. Since the pressure-sensitive adhesive sheet 131 is provided, it can be efficiently mounted on a substrate other than the substrate such as a set frame. Moreover, although the example using the adhesive sheet 131 has been described in the present embodiment, a magnet such as a magnetic sheet may be used in addition to the adhesive sheet.

本実施の形態においては、ウレタンからなるホルダ130を用いる例について説明したが、ゴムを用いることも可能である。また、ホルダ130は箱型であるが、筒型等さまざまな形状とすることができる。   In the present embodiment, the example using the holder 130 made of urethane has been described, but rubber may be used. In addition, the holder 130 is a box shape, but can be various shapes such as a cylindrical shape.

また、本実施の形態においては、空洞が2個設けられた例について説明したが、用途に応じて3個以上設けることも可能である。   In this embodiment, an example in which two cavities are provided has been described. However, three or more cavities may be provided depending on applications.

本実施の形態のような構成により、本センサの小型化に伴う検知素子の小型化においても、製造上のばらつきによる本センサの特性の悪化を招くことのない、外乱加速度や衝撃の印加に対しても信頼性の高い超小型の多軸検出型回転率センサを安価に提供できる。特に、面実装型の多軸検出型回転率センサを安価に提供できる。   Due to the configuration of the present embodiment, even when the sensing element is miniaturized due to the miniaturization of the sensor, the sensor is not subject to deterioration of the characteristics due to manufacturing variations. However, a highly reliable ultra-small multi-axis detection type rotation rate sensor can be provided at low cost. In particular, a surface mount type multi-axis detection type rotation rate sensor can be provided at low cost.

本発明にかかる回転率センサは、検知素子と、この検知素子を駆動方向の共振周波数で駆動制御し、前記検知素子から得られた回転率に応じた信号を調整し出力するための回路部と、前記検知素子と回路部が収納され、かつ、前記検知素子と回路部とが電気的に接続されると同時に、前記回路部への入出力信号を伝達するための配線が施されたセラミックス製または樹脂製の気密容器と、この気密容器の外側表面の少なくとも一平面に連接され、前記気密容器に施された配線と電気的に接続するための導体部を有し、さらに前記気密容器と一体に形成されるか、または、貼着されるかした弾性体とを備え、前記検知素子、回路部、気密容器と弾性体とから構成された系の合成共振周波数が、前記検知素子の駆動方向および回転率を検出する方向の共振周波数よりも小さく、前記検知素子の駆動方向の共振周波数と回転率を検出する方向の共振周波数の周波数の差に相当する印加回転率の周波数よりも大きく、かつ、前記回路部内のローパスフィルタのカットオフ周波数は、前記差に相当する印加回転率の周波数よりも小さくなるようにしているため、衝撃印加に強く、信頼性も高くなる。この回転率センサを硬質基板上に固定手段を用いて複数、近接して実装することにより、センサ同士が相互干渉し難く、かつ、多軸検出を可能とする多軸検出型回転率センサに有用である。   A rotation rate sensor according to the present invention includes a detection element, and a circuit unit for driving and controlling the detection element at a resonance frequency in a driving direction, and adjusting and outputting a signal corresponding to the rotation rate obtained from the detection element. The detection element and the circuit unit are housed, and the detection element and the circuit unit are electrically connected to each other, and at the same time, a ceramic is provided with wiring for transmitting an input / output signal to the circuit unit. Or a resin-made hermetic container, and a conductor portion connected to at least one plane of the outer surface of the hermetic container, and electrically connected to wiring provided on the hermetic container, and further integrated with the hermetic container And a synthetic resonance frequency of a system constituted by the sensing element, the circuit unit, the airtight container and the elastic body is provided in the driving direction of the sensing element. To detect the rotation rate The resonance frequency in the drive direction of the sensing element is greater than the frequency of the applied rotation rate corresponding to the difference between the resonance frequency in the direction of detecting the rotation rate and the low pass filter in the circuit unit. Since the cut-off frequency is made smaller than the frequency of the applied rotation rate corresponding to the difference, it is strong against impact application and has high reliability. Useful for multi-axis detection-type rotation rate sensors that allow multiple sensors to detect each other and prevent multiple sensors from interfering with each other by mounting a plurality of these sensors on a hard substrate using fixing means. It is.

本発明の実施の形態1における回転率センサの斜視図The perspective view of the rotation rate sensor in Embodiment 1 of this invention 同センサのA−A断面図AA sectional view of the sensor 同センサを構成する振動子を説明するための斜視図A perspective view for explaining a vibrator constituting the sensor. 同振動子の共振特性図Resonance characteristics of the same resonator (a)同振動子の周波数スペクトル図、(b)同センサの回路部内のローパスフィルタの特性図、(c)同振動子のローパスフィルタを通過後の出力の周波数−ゲイン特性図(A) Frequency spectrum diagram of the same vibrator, (b) Characteristic diagram of the low-pass filter in the circuit section of the sensor, and (c) Frequency-gain characteristic diagram of output after passing through the low-pass filter of the same vibrator. (a)同振動子の共振特性図、(b)同センサの支持系伝達特性図(A) Resonance characteristic diagram of the vibrator, (b) Support system transmission characteristic diagram of the sensor 同センサの外乱衝撃が印加される様子を説明するための説明図Explanatory drawing for demonstrating how the disturbance shock of the sensor is applied (a)気密容器と弾性体の寸法関係を説明するための説明図、(b)同気密容器と弾性体の寸法と回転率との相関図(A) Explanatory drawing for demonstrating the dimensional relationship of an airtight container and an elastic body, (b) Correlation figure of the dimension and rotation rate of the airtight container and an elastic body 別のセンサの支持系伝達特性図Support system transmission characteristics of another sensor (a)同センサに印加される回転率の変化の様子を示す説明図、(b)回路部から出力されるPWM出力を説明するための出力図、(c)同センサの質量と出力温度ドリフト量との関係を示す特性図(A) Explanatory drawing which shows the mode of the change of the rotation rate applied to the sensor, (b) Output figure for demonstrating the PWM output output from a circuit part, (c) Mass and output temperature drift of the sensor Characteristic diagram showing the relationship with quantity 本発明の実施の形態2における回転率センサの斜視図The perspective view of the rotation rate sensor in Embodiment 2 of this invention 本発明の実施の形態3における回転率センサの斜視図The perspective view of the rotation rate sensor in Embodiment 3 of this invention (a)本発明の実施の形態4における回転率センサの斜視図、(b)同センサのB−B断面図、(c)振動子の共振特性図および支持系伝達特性図、(d)弾性体の厚さと振動伝達量との関係を示す特性図(A) Perspective view of rotation rate sensor according to embodiment 4 of the present invention, (b) BB cross-sectional view of the sensor, (c) Resonance characteristic diagram and support system transmission characteristic diagram of vibrator, (d) Elasticity Characteristic diagram showing the relationship between body thickness and vibration transmission (a)本発明の実施の形態5における回転率センサの斜視図、(b)同センサの基板と引き出しリードを一体にした状態の斜視図(A) Perspective view of a rotation rate sensor according to Embodiment 5 of the present invention, (b) Perspective view of a state in which a substrate of the sensor and a lead are integrated. (a)本発明の実施の形態6における回転率センサの斜視図、(b)同センサの導体切片を線状にした状態の斜視図(A) Perspective view of a rotation rate sensor according to Embodiment 6 of the present invention, (b) Perspective view of a state in which the conductor section of the sensor is linear. 本発明の実施の形態7における多軸検出型回転率センサの斜視図The perspective view of the multi-axis detection type | mold rotation rate sensor in Embodiment 7 of this invention. 本発明の実施の形態8における多軸検出型回転率センサの斜視図The perspective view of the multi-axis detection type rotation rate sensor in Embodiment 8 of this invention. 本発明の実施の形態9における多軸検出型回転率センサの斜視図The perspective view of the multi-axis detection type | mold rotation rate sensor in Embodiment 9 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 回転率センサ
2 気密容器
3、14 パッド電極
4、4a、70、88 シリコンゴム
5、5a、5b 導体部
6 水晶音叉型振動子
7 配線
8 回路部
9 台座
10a、10b 蓋
11、12 アーム
13 基部
20 共振周波数fd
21 共振周波数fs
22a 変調側波(fd+fω)
22b 変調側波(fd−fω)
23 周波数fω
24 カットオフ周波数を示す点
25 ゲイン降下特性を示す直線
26 ビート成分
30 支持系伝達特性曲線
31 支持系伝達特性曲線30における共振周波数でのピーク
32、36 離調周波数A(=fd−fs)=fω
33 fd近傍における減衰量
34 別のセンサの支持系伝達特性曲線
35 支持系伝達特性曲線34における共振周波数でのピーク
40 駆動方向(X軸方向)の衝撃加速度
41 回転率を検出する方向(Z軸方向)の衝撃加速度
42 Y軸回りに発生した衝撃回転モーメント
43、60 実装基板
50、88a 突起
61、81、105 導体パターン
62、82、100a、110 孔
80 フレキシブル基板
80a 実装部
80b 移行部
80c 端子部
83、100b 切り欠き
84 第1の導体切片
85 第2の導体切片
86 接続パッド
87、102 ハンダ
89 粘着層
90 認識用マーキング
91 センサの支持系伝達特性曲線
92 支持系伝達特性曲線91における0dBのレベル
93 支持系伝達特性曲線91における共振周波数での第1のピーク
94 0dBのレベル92からの減衰量
95 ピーク93からシフトした第2のピーク
100、120 基板
100c 引き出しパッド
101 引き出しリード
111 くびれ部
112、113 導体切片
121、130 ホルダ
130a、130b 空洞
131 粘着シート
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Rotation rate sensor 2 Airtight container 3, 14 Pad electrode 4, 4a, 70, 88 Silicon rubber 5, 5a, 5b Conductor part 6 Crystal tuning fork type vibrator 7 Wiring 8 Circuit part 9 Base 10a, 10b Lid 11, 12 Arm 13 Base 20 resonance frequency fd
21 Resonance frequency fs
22a Modulation side wave (fd + fω)
22b Modulation side wave (fd-fω)
23 Frequency fω
24 Point indicating cutoff frequency 25 Straight line indicating gain drop characteristic 26 Beat component 30 Support system transfer characteristic curve 31 Peak at resonance frequency in support system transfer characteristic curve 30 32, 36 Detuning frequency A (= fd−fs) = fω
33 Attenuation amount in the vicinity of fd 34 Support system transfer characteristic curve of another sensor 35 Peak at resonance frequency in support system transfer characteristic curve 34 Impact acceleration in drive direction (X-axis direction) 41 Direction for detecting rotation rate (Z-axis) Direction of impact acceleration 42 Impact rotation moment generated around Y axis 43, 60 Mounting substrate 50, 88a Protrusion 61, 81, 105 Conductor pattern 62, 82, 100a, 110 Hole 80 Flexible substrate 80a Mounting portion 80b Transition portion 80c Terminal Part 83, 100b Notch 84 First conductor segment 85 Second conductor segment 86 Connection pad 87, 102 Solder 89 Adhesive layer 90 Recognizing marking 91 Sensor support system transfer characteristic curve 92 0 dB in support system transfer characteristic curve 91 Level 93 at resonance frequency in support system transfer characteristic curve 91 1 peak 940 dB attenuation from level 92 95 second peak shifted from peak 93 100, 120 substrate 100c extraction pad 101 extraction lead 111 constricted portion 112, 113 conductor section 121, 130 holder 130a, 130b cavity 131 adhesive Sheet

Claims (2)

検知素子と、
前記検知素子に電気的に接続され、
前記検知素子を駆動方向の共振周波数で駆動制御するとともに、
前記検知素子から得られた回転率に応じた信号を調整し出力する回路部と、
前記検知素子が収納された容器と
前記容器に取り付けられた弾性体と、
を有する回転率センサであって、
前記弾性体が電気伝導性を有する細線が埋め込まれた弾性体であり、
前記弾性体を含む前記回転率センサの支持系の伝達特性曲線における
共振周波数のピーク周波数が、前記検知素子の駆動方向および回転率を
検出する方向の共振周波数よりも小さく、
且つ前記支持系の伝達特性曲線における共振周波数のピーク周波数が、
前記検知素子の駆動方向の共振周波数と回転率を検出する方向の共振周波数の差である
離調周波数よりも大きく、
且つ前記回路部内のローパスフィルタのカットオフ周波数が、前記離調周波数よりも小さい
回転率センサ。
A sensing element;
Electrically connected to the sensing element;
While driving the sensing element at a resonance frequency in the driving direction,
A circuit unit for adjusting and outputting a signal corresponding to the rotation rate obtained from the sensing element;
A container in which the sensing element is housed,
An elastic body attached to the container;
A rotation rate sensor comprising:
The elastic body is an elastic body embedded with fine wires having electrical conductivity,
The peak frequency of the resonance frequency in the transfer characteristic curve of the support system of the rotation rate sensor including the elastic body is smaller than the resonance frequency in the direction of detecting the drive direction and the rotation rate of the sensing element,
And the peak frequency of the resonance frequency in the transfer characteristic curve of the support system is
Greater than the detuning frequency, which is the difference between the resonant frequency in the driving direction of the sensing element and the resonant frequency in the direction of detecting the rotation rate,
A rotation rate sensor in which a cutoff frequency of a low-pass filter in the circuit unit is smaller than the detuning frequency.
前記支持系の伝達特性曲線における共振周波数のピーク周波数が2kHzから4kHz、
前記検知素子の駆動方向の共振周波数が10kHz以上、
前記離調周波数が200Hzから500Hz、
ローパスフィルタのカットオフ周波数が100Hz以下であり、
かつ、前記ローパスフィルタの次数が実質的に3次以上である
請求項1に記載の回転率センサ。
The peak frequency of the resonance frequency in the transfer characteristic curve of the support system is 2 kHz to 4 kHz,
The resonant frequency in the driving direction of the sensing element is 10 kHz or more,
The detuning frequency is 200 Hz to 500 Hz,
The cutoff frequency of the low-pass filter is 100 Hz or less,
The rotation rate sensor according to claim 1, wherein the order of the low-pass filter is substantially equal to or higher than the third order.
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