JP5294089B2 - Piezoelectric device - Google Patents
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Description
本発明は、圧電デバイスに関し、例えば、圧電振動デバイス等のセンサデバイスを格納したり保持(支持)したりする耐振動構造、特に物体の角速度を検出するヨーレートセンサ等を格納し保持する耐振動構造等に関する。 The present invention relates to a piezoelectric device, for example, a vibration-resistant structure that stores and holds (supports) a sensor device such as a piezoelectric vibration device, and more particularly, a vibration-resistant structure that stores and holds a yaw rate sensor that detects an angular velocity of an object. Etc.
従来、微小振動を検出する目的で圧電素子を備えた圧電振動デバイスが用いられている。そのような圧電振動デバイスとしては、超音波センサ、圧力センサ、ヨーレートセンサ(角速度センサ)等の種々のものが存在する。これらのなかでも、例えば、ヨーレートセンサは、物体の角速度を検出するものであり、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)を検知・測定することが可能である。 Conventionally, a piezoelectric vibration device including a piezoelectric element has been used for the purpose of detecting minute vibrations. As such a piezoelectric vibration device, various devices such as an ultrasonic sensor, a pressure sensor, and a yaw rate sensor (angular velocity sensor) exist. Among these, for example, a yaw rate sensor detects the angular velocity of an object, and detects very weak vibration and displacement generated due to Coriolis force generated when rotation is applied to a vibrating mass body. By detecting through the piezoelectric element, rotation (operation) in each direction can be detected and measured.
このようなヨーレートセンサ等の圧電振動デバイスは、近時、小型薄型化が進んでおり、薄膜加工や薄膜形成によって得られる圧電薄膜を用いたものが提案又は既に実用化されつつある。しかし、かかる小型かつ薄型の圧電振動デバイスは、一般に、圧電薄膜自体が極めて薄く、軽量であるがゆえに、圧電振動デバイスが搭載される機器やシステムの外部からの振動や衝撃等の影響を受けやすく、それに起因するノイズによって角速度を誤検出してしまいやすい傾向にあることがある。 Such piezoelectric vibration devices such as a yaw rate sensor have recently been reduced in size and thickness, and those using a piezoelectric thin film obtained by thin film processing or thin film formation have been proposed or already put into practical use. However, such a small and thin piezoelectric vibration device is generally susceptible to vibrations and impacts from the outside of the equipment or system in which the piezoelectric vibration device is mounted because the piezoelectric thin film itself is extremely thin and lightweight. In some cases, the angular velocity tends to be erroneously detected due to noise caused by the noise.
かかる不都合を防止すべく、特許文献1には、ヨーレートセンサの圧電振動素子を支持する固定部として、バネとして機能するリードフレームを用いることにより、ヨーレートセンサの耐振・耐衝撃性能を向上させることを試みた例が記載されている。 In order to prevent such inconvenience, Patent Document 1 discloses that the vibration resistance and shock resistance performance of the yaw rate sensor is improved by using a lead frame that functions as a spring as a fixing portion that supports the piezoelectric vibration element of the yaw rate sensor. Examples of attempts are described.
図8は、特許文献1に記載されたヨーレートセンサ300において、リードフレーム330を用いてヨーレートセンサ素子320が支持されている一態様を示す(XZ平面)断面図である。特許文献1に記載されたヨーレートセンサ300は、リードフレーム330が支持基板310の周縁部から中央上方に向かって斜めに立ち上がる立ち上げ部330'を有しており、さらに当該リードフレームを4本用いて基板の中央上方でヨーレートセンサ素子320を4方向から(X軸方向に対して対称、かつY軸方向に対して対称となる様に)支持している。ここで、ヨーレートセンサ素子320を支持している4本のリードフレーム330a,330b,330c,330d(リードフレーム330a,330bのみ図示)のそれぞれの長さは、全て同一である。
FIG. 8 is a cross-sectional view (XZ plane) showing an aspect in which the yaw
そして、特許文献1に記載されたヨーレートセンサ300は、支持基板310、リードフレーム330、及びヨーレートセンサ素子320を各々成形樹脂で固定して取り付ける必要があり、その際、取り付けに要求される精度が極めて高いことから、その製造は容易ではなく、生産性を向上させる観点から不利である。しかも、リードフレームの取り付け精度が十分に高くないと、検出用振動アームの振動の節(振動静止点)を確実に押さえて固定することが困難であり、その場合、検出に不都合な外乱ノイズが不可避的に発生してしまう。また、ヨーレートセンサ300の設置位置における外部振動を吸収する際、XY平面方向の加振が僅かでも加えられると、立ち上げ部330a’,330b’が矢印Mで示すような変位(回転運動)を生じ、ヨーレートセンサ素子320に対して回転方向のノイズを付与してしまうところ、このような回転方向のノイズは、質量体の回転を検出するヨーレートセンサにとって極めて不都合なものである。
In addition, the
ところで、近年、ヨーレートセンサは、カーナビゲーションシステム、デジタル(ビデオ)カメラ、ゲーム機器のコントローラ、携帯電話等の小型電子機器に幅広く搭載されており、これら機器の更なる小型化に伴い、ヨーレートセンサ自体の更なる小型化が熱望されている。このように、ヨーレートセンサ自体(センサ素子)を更に小型化していくと、検出振動の振幅は更に小さくなってしまい、その結果、検出信号は当然に更に小さくなることから、ヨーレートセンサに印加される外部よりの振動によるノイズの影響が相対的に大きくなり、そうなると、ヨーレートセンサに要求される所望の十分な感度を得られ難くなる虞がある。この点においても、ヨーレートセンサの耐振・耐衝撃性能を更に向上させることが急務となっている。また、これら圧電振動デバイス以外、例えば、環境計測、情報通信、医療分野等で用いられる光学センサ等にも更なる小型化がなされており、検出する光の軌道(optical path)を正常な範囲に保ち検出感度を向上させるためには、耐振・耐衝撃性能を更に向上させることが求められている。 By the way, in recent years, yaw rate sensors have been widely installed in small electronic devices such as car navigation systems, digital (video) cameras, game machine controllers, mobile phones, and the like. The further downsizing of this is eagerly desired. As described above, when the yaw rate sensor itself (sensor element) is further reduced in size, the amplitude of the detection vibration is further reduced, and as a result, the detection signal is naturally further reduced, so that it is applied to the yaw rate sensor. The influence of noise due to external vibration becomes relatively large, and it may be difficult to obtain a desired sufficient sensitivity required for the yaw rate sensor. In this respect as well, there is an urgent need to further improve the vibration and shock resistance performance of the yaw rate sensor. In addition to these piezoelectric vibration devices, for example, optical sensors used in environmental measurement, information communication, medical fields, and the like have been further reduced in size so that the optical path to be detected is within a normal range. In order to improve the maintenance detection sensitivity, it is required to further improve the vibration resistance and shock resistance performance.
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来に比して外乱振動に対する優れた耐振・対衝撃性能を有する圧電デバイスの耐振構造、特に、不要な回転動作に起因するノイズを有効に防止することができる圧電デバイスの耐震構造を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to provide a vibration-proof structure for a piezoelectric device that has superior vibration-proof and anti-shock performance against disturbance vibration as compared with the prior art, particularly for unnecessary rotational motion. An object of the present invention is to provide a seismic structure for a piezoelectric device that can effectively prevent noise caused by the noise.
上記課題を解決するために、本発明による圧電デバイスは、圧電素子を有するセンサ部を含むセンサ保持体と、センサ保持体の外周の少なくとも一部に近接して配置されたセンサ保持体の所定方向の変位を抑制する抑制体とを備えている。 In order to solve the above-described problems, a piezoelectric device according to the present invention includes a sensor holding body including a sensor unit having a piezoelectric element, and a predetermined direction of the sensor holding body arranged in proximity to at least a part of the outer periphery of the sensor holding body. And a restraining body that suppresses the displacement.
この構成によれば、圧電デバイスのセンサ部が微小振動を検出する際に、そのセンサ部の振動方向において、外部からの衝撃や振動がセンサ保持体に印加されたとしても、センサ保持体の外周の少なくとも一部に抑制体が近接配置されているので、それらの抑制体とセンサ保持体とが衝当する。これにより、センサ保持体の所定方向の変位が有効に抑止、吸収、低減、相殺等(ただし、作用はこれらに限定されない)されるので、センサ部への外部振動の伝達・伝搬が抑制又は防止され、センサ部における微小振動の検出精度を向上させることができる。さらには、センサ部への外部振動の伝達が抑制又は防止されるので、センサ部の歪みエネルギーを減少させていわゆる「温度ドリフト効果」を低減させることもでき、これにより、圧電振動デバイスの動作安定性を高めることも可能となる。 According to this configuration, when the sensor unit of the piezoelectric device detects minute vibrations, even if an external impact or vibration is applied to the sensor holder in the vibration direction of the sensor unit, Since the suppressors are disposed in close proximity to at least a part of these, the suppressors and the sensor holding body collide with each other. This effectively suppresses, absorbs, reduces, cancels, etc. the displacement of the sensor holder in a predetermined direction (however, the action is not limited to these), thereby suppressing or preventing transmission / propagation of external vibration to the sensor unit. Thus, the detection accuracy of minute vibrations in the sensor unit can be improved. Furthermore, since the transmission of external vibration to the sensor unit is suppressed or prevented, the strain energy of the sensor unit can be reduced to reduce the so-called “temperature drift effect”, thereby stabilizing the operation of the piezoelectric vibration device. It is also possible to increase the nature.
具体的には、抑制体が、センサ保持体の外周の少なくとも一部に対向する面を有する構成を例示でき、この場合、センサ保持体の移動が抑制体の「面」によって規制され易くなる。 Specifically, a configuration in which the suppressing body has a surface facing at least a part of the outer periphery of the sensor holding body can be exemplified, and in this case, the movement of the sensor holding body is easily restricted by the “surface” of the suppressing body.
また、センサ保持体と抑制体との間のギャップの幅が、センサ保持体の厚さの半分よりも小さい構成が挙げられる。このような構成においては、例えばセンサ保持体がセンサを保持(支持)する方向(すなわちセンサ保持体の延在方向に対して垂直な方向)以外の方向の衝撃や振動が印加された場合に、該センサ保持体の所定方向の変位量をより低減させることが可能となり、センサ部への外部振動の伝達・伝搬がより効果的に抑制又は防止できる。 Moreover, the structure where the width | variety of the gap between a sensor holding body and a suppression body is smaller than half of the thickness of a sensor holding body is mentioned. In such a configuration, for example, when an impact or vibration in a direction other than the direction in which the sensor holding body holds (supports) the sensor (that is, the direction perpendicular to the extending direction of the sensor holding body) is applied, The amount of displacement of the sensor holder in a predetermined direction can be further reduced, and transmission / propagation of external vibration to the sensor unit can be more effectively suppressed or prevented.
また、センサ保持体の外周の少なくとも一部及び抑制体の対向する面の双方、又はそのいずれか一方に低摩擦膜を備えてもよい。このような構成においては、センサ保持体が所定の方向に最大に変位してその外周の一部が抑制体の対向する面と衝当する場合であっても、衝当時の衝撃を緩和することによりセンサ部への外部振動の伝達・伝搬を抑え、更に、衝当状態のままでセンサ保持体がセンサ部の保持(支持)方向に滑り動くことが可能となるので、センサ部に対して余分な外乱ノイズや機械的な応力が印加されることをより優位に防止し、センサ部の感度を著しく向上させることができる。 Moreover, you may provide a low-friction film | membrane in at least one part of the outer periphery of a sensor holding body, and the surface which both sides of a suppressing body oppose. In such a configuration, even when the sensor holding body is displaced to the maximum in a predetermined direction and a part of the outer periphery hits the opposing surface of the suppressing body, the impact at the time of the shock is reduced. This suppresses the transmission / propagation of external vibrations to the sensor unit, and further allows the sensor holder to slide in the holding (supporting) direction of the sensor unit in an abutting state. It is possible to prevent the disturbance noise and mechanical stress from being applied more preferentially, and to significantly improve the sensitivity of the sensor unit.
さらに、センサ保持体及び抑制体が内部に収容されるケースを備え、センサ保持体がそのケースの内部空間に支持され、センサ保持体の上方の空間と下方の空間とが、ケースに設けられた通気孔によって連通していても好適である。このような構成においては、センサ保持体の上方の空間と下方の空間が、互いに独立していないので、両空間内のガス(空気等)が、通気孔を通して交換されやすくなる。これにより、両空間間の内圧差が緩和され、センサ保持体がより円滑に変位しやすくなるので、センサ部に対して余分な外乱ノイズが印加されることが更に効果的に防止され、センサ部の感度を更に一層向上させることができる。 Furthermore, the sensor holding body and the suppression body are provided with a case accommodated therein, the sensor holding body is supported by the internal space of the case, and the space above and below the sensor holding body is provided in the case. It is preferable to communicate with each other through a vent hole. In such a configuration, the upper space and the lower space of the sensor holding body are not independent from each other, so that gas (air or the like) in both spaces is easily exchanged through the vent hole. As a result, the internal pressure difference between the two spaces is alleviated and the sensor holding body is more easily displaced more smoothly, so that it is possible to more effectively prevent excessive disturbance noise from being applied to the sensor unit. The sensitivity can be further improved.
またさらに、センサ保持体の上方の空間における通気孔の開口部付近に防風壁を備えるように構成しても構わない。このようにすれば、通気孔を通して、センサ部が設けられたセンサ保持体の上方の空間側へ流入するガス(空気等)流が、防風壁で遮られ得るので、かかるガス流がセンサ部に直接吹きかかることに起因してセンサ部の検出動作等に対するノイズが増大してしまうことを優位に防止することができ、センサ部の感度を殊更に向上させることができる。 Furthermore, you may comprise so that a windbreak wall may be provided near the opening part of the ventilation hole in the space above a sensor holding body. In this way, the gas flow (air, etc.) flowing into the space above the sensor holding body provided with the sensor portion through the vent hole can be blocked by the windbreak wall, so that the gas flow flows into the sensor portion. It is possible to prevent preferentially an increase in noise with respect to the detection operation or the like of the sensor unit due to direct spraying, and the sensitivity of the sensor unit can be further improved.
さらにまた、センサ保持体が圧電素子を格納する筐体である構成が挙げられる。このような構成においても、圧電素子を有するセンサ部を含むセンサ保持体(筐体)の外周の少なくとも一部に、そのセンサ保持体の所定方向の変位を抑制する抑制体が配置されているので、センサ保持体たる筐体に外部からの衝撃や振動が印加されたとしても、その筐体と抑制体とが衝当することによって、筐体の所定方向の変位が有効に抑止、吸収、低減、相殺等され得る。よって、センサ保持体たる筐体の内部に格納されたセンサ部への外部振動の伝達・伝搬が抑制又は防止され、センサ部における微小振動の検出精度を向上させることができる。加えて、センサ部への外部振動の伝達が抑制又は防止されるので、センサ部の歪みエネルギーを減少させていわゆる「温度ドリフト効果」等を低減させることができる。 Furthermore, the structure which is a housing | casing in which a sensor holding body stores a piezoelectric element is mentioned. Even in such a configuration, the suppression body that suppresses the displacement of the sensor holding body in a predetermined direction is disposed on at least a part of the outer periphery of the sensor holding body (housing) including the sensor unit having the piezoelectric element. Even if an external impact or vibration is applied to the housing that is the sensor holding body, the displacement of the housing in a predetermined direction is effectively suppressed, absorbed, and reduced by the impact of the housing and the restraining body. Can be offset. Therefore, transmission / propagation of external vibrations to the sensor unit housed in the housing as the sensor holding body is suppressed or prevented, and detection accuracy of minute vibrations in the sensor unit can be improved. In addition, since transmission of external vibration to the sensor unit is suppressed or prevented, the strain energy of the sensor unit can be reduced to reduce the so-called “temperature drift effect” or the like.
本発明の圧電振動デバイスによれば、センサ保持体の外周に近接配置された抑制体を有するので、センサ部が微小振動を検出する際に、センサ部の検出振動方向における外部からの衝撃や振動がセンサ保持体に印加されたとしても、そのセンサ保持体の回転運動を含む所定方向の変位が有効に抑止、吸収、低減、相殺等されることができる。さらに、センサ保持体の外周の少なくとも一部及び抑制体の対向する面の双方、又はそのいずれか一方に低摩擦膜を有していれば、センサ部に対して余分な外乱ノイズが印加されることをより優位に防止し、センサ部の感度を更に一層向上させることができる。 According to the piezoelectric vibration device of the present invention, since the suppression body is disposed close to the outer periphery of the sensor holding body, when the sensor unit detects a minute vibration, an external impact or vibration in the detection vibration direction of the sensor unit. Even if applied to the sensor holder, the displacement in a predetermined direction including the rotational movement of the sensor holder can be effectively suppressed, absorbed, reduced, offset, and the like. Furthermore, if there is a low friction film on at least a part of the outer periphery of the sensor holder and / or the opposing surface of the suppressor, extra disturbance noise is applied to the sensor unit. This can be prevented more preferentially and the sensitivity of the sensor unit can be further improved.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、図面中、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。さらに、図面の寸法比率は、図示の比率に限定されるものではない。また、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。さらに、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the positional relationship such as up, down, left and right is based on the positional relationship shown in the drawings unless otherwise specified. Furthermore, the dimensional ratios in the drawings are not limited to the illustrated ratios. Further, the following embodiments are exemplifications for explaining the present invention, and are not intended to limit the present invention only to the embodiments. Furthermore, the present invention can be variously modified without departing from the gist thereof.
<第1実施形態>
図1は、本発明による圧電デバイスの第1実施形態に係るヨーレートセンサ装置1の内部耐振構造を示すX−Z方向断面図である。このヨーレートセンサ装置1(すなわち圧電振動デバイス)においては、例えば、箱状、枠状等の形状をなすケース4の内部に、段差を有して(階段状に)設けられた窪み11(抑制体),12が形成されており、それらの窪み11,12は、各々、内部空間G1,G2に対応している。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a cross-sectional view in the XZ direction showing an internal vibration-proof structure of a yaw rate sensor device 1 according to a first embodiment of a piezoelectric device according to the present invention. In this yaw rate sensor device 1 (that is, a piezoelectric vibration device), for example, a depression 11 (a suppressor) provided with a step (in a step shape) inside a
これらの窪み11,12のうち、より深い方の窪み11の内部空間G1は、ケース4の内壁面13及び底面14により画定される空間であり、底面14には、ヨーレートセンサ素子2の駆動振動を制御する駆動信号を発信し、ヨーレートセンサ素子2に於いて検出される検出振動の検出信号を受信するICチップ(ダイ)等の集積回路素子等(図示せず)が配置されている。底面14の中央部には、耐振動材からなるバランサー支持部3が配置されており、ヨーレートセンサ素子2を上面19に保持しているバランサー5(センサ保持体)を、内部空間G1内に下方より支持している。
Of these
バランサー支持部3の耐振動材としては、支持対象となるセンサの種類やヨーレートセンサ装置1の設置環境に応じて、ばね、ゴム、ゲル等、一定の弾性を有する任意の固形材料を用いることができる。本実施形態では、バランサー支持部3は、底面14の中央部にのみ配置され、支持対象となるバランサー5の中央部を下方より一軸(一箇所)で支持(保持)しているので、製造上も極めて簡便である。しかしながら、複数の耐振動材が底面14に配置されてよく、支持対象となるバランサー5の中央部を下方より複数の箇所で支持(保持)してもよい。
As the vibration-resistant material of the
バランサー5は、X―Y平面方向(ケース4の底面14の延在方向と平行な方向)に延在し、Z軸方向(内壁面13の立ち上がり方向と平行な方向)に厚さtを有する、ステンレスやシリコン等からなる一枚の板状部材である。バランサー5のX−Y平面方向における外形は、窪み11における底面14の外形と概ね同一であるが、実際には僅かに小さい。本実施形態では、ヨーレートセンサ装置1のケース4の形状が概ね直方体であり、ケース4内部に画定された内部空間G1のX―Y平面方向の外形が長方形であるので、バランサー5のX―Y平面方向における外形は、その長辺及び短辺の長さが内部空間G1のX―Y平面方向の外形のそれと比較して僅かに短い長方形である。なお、本実施形態では、紙面における±X方向がバランサー5の長辺方向であり、±Y方向がバランサー5の短辺方向である。
The
バランサー5は、その上面19にて、センサ接続部材7を介してヨーレートセンサ素子2を保持している。本実施形態では、音叉型のヨーレートセンサ素子2が用いられているので、その接続位置がバランサー5及びヨーレートセンサ素子2の端部となっているが、その他のセンサが用いられてもよく、センサ素子として超音波センサや光学センサを用いる場合には、その接続位置がバランサー5の中央部付近であっても良い。
The
ヨーレートセンサ素子2は、センサ接続部材7側に貫通孔にて引き出されたライン(図示せず)又はヨーレートセンサ素子2の上面に設けられた端子より内部空間G2に引き出されたライン(図示せず)を介してケース4に対してワイヤーボンディングする等、任意の方法でケース4内部に配置された図示していない集積回路素子に対する電気的接続を形成し、駆動信号及び検出信号を送受信できる。ヨーレートセンサ装置1のケース4としては、例えば複数のセラミック薄板を積層することによって形成されたものが用いられ、ヨーレートセンサ装置1の使用状態においては、内部空間G2上のケース4の開放端を覆う蓋部6によって密閉される。
The yaw
図2に示すのは、本実施形態にかかるバランサー5の外周にZ軸方向に延在する側面8と、ケース4の内壁面13との近接状態を示す拡大断面図である。図2に示すように、ヨーレートセンサ装置1に外部からの振動が印加されていない(初期の)状態では、バランサー5の側面8とケース4の壁面13との間に、一定の間隔gを有する隙間が存在している。先に述べた、バランサー5のX−Y平面方向における外形が窪み11における底面14の外形と概ね同一であるが僅かに小さいことは、この間隔gを有する隙間が存在することに起因している。
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing a proximity state between the
ヨーレートセンサ装置1の使用状態において外部より振動が加えられる場合、当該振動がZ軸方向の振動成分のみであれば、バランサー支持部3はZ軸方向にのみ伸縮するので、結果としてバランサー5がZ軸方向にのみ変位する。つまり、バランサー5の側面8は、内壁面13に対して一定の間隔gを保ったまま変位し、結果としてバランサー5がケース4に衝当・接触することがないので、バランサー5によって保持されるヨーレートセンサ素子2に対するZ軸方向以外の外乱ノイズは生じ得ない。
When vibration is applied from the outside in the usage state of the yaw rate sensor device 1, if the vibration is only a vibration component in the Z-axis direction, the
ヨーレートセンサ装置1の使用状態において外部より加えられる振動がX―Y平面方向成分を含む場合には、バランサー支持部3に(Z軸方向の振動成分に加えて)X―Y平面方向の振動成分が加えられ、バランサー支持部3はZ軸方向に加えてX―Y平面方向にずれ伸縮する。そのようなZ軸方向からずれた変位は、バランサー支持部3によって支持されているバランサー5に対して、X―Y平面方向の振動、又は回転振動(シーソー運動)(図1における矢印μ)を生起させてしまう。しかしながら、本実施形態にかかるヨーレートセンサ装置1は、外乱振動によってX―Y平面方向の振動やシーソー運動が生起され、バランサー5の変位がZ軸方向からずれてしまう場合にあっても、バランサー5の側面8が近接する内壁面13に直ぐに衝当・接触するので、X―Y平面方向成分を含む過度な変位を瞬時に抑制又は規制し、X―Y平面方向の振動やシーソー運動を有意に防止することが可能である。その結果、ヨーレートセンサ装置1は、バランサー5上に保持されるヨーレートセンサ素子2の振動検出方向(Z軸方向)にのみ耐振動性を付加して、振動検出方向以外の外乱ノイズの影響を有意に防止することができる。
When the vibration applied from the outside in the usage state of the yaw rate sensor device 1 includes an XY plane direction component, the
ここで、バランサー5の側面8とケース4の内壁面13との間の隙間の間隔gは、ヨーレートセンサ素子2の回転検出能力に影響を与えない、すなわちバランサー5が許容できる傾きの角度をθ、バランサー5のZ軸方向の厚さをtとすると、
g=t×sinθ
で規定される。よって、バランサー5の側面8とケース4の内壁面13との間の間隔gの大きさは、ヨーレートセンサ装置1が搭載するセンサ素子の種類や、ヨーレートセンサ装置1の使用環境に応じて異なるであろう許容傾きθの値に応じて決定すれば良い。本実施形態にかかるヨーレートセンサ素子2の場合、回転の検出に悪影響を及ぼすシーソー運動を防止する目的であれば、隙間の間隔gをバランサー5のZ軸方向の厚さtの1/2以下とすることが好ましい。
Here, the gap g between the
g = t × sin θ
It is prescribed by. Therefore, the size of the gap g between the
バランサー5の側面8に、フッ素コーティングやDLCコーティングなど、潤滑性を有する任意の潤滑膜9を設けても良い。潤滑膜9をバランサー5の側面8に設けることにより、Z軸方向成分以外の外乱振動がヨーレートセンサ装置1に加えられた場合、バランサー5がシーソー運動等を生起してその側面8がケース4の内壁面13に衝当・接触してしまっても、衝当・接触時に生じ得る摩擦力を低減させることができる。
An
さらに、潤滑膜9が存在することで、バランサー5とケース4の衝当時間が極めて短時間であったとしても、バランサー5にかかるZ軸方向の変位力を減じることなく、バランサー5をZ軸方向に瞬間的に滑らせて上下動させることが可能である。これにより、Z軸方向のバランサー5の動きがより滑らかになるので、ヨーレートセンサ装置1の使用状態においてZ軸方向への良好なダンピング性能を付与し、バランサー5上に保持されるヨーレートセンサ素子2の振動検出方向(Z軸方向)の耐振動性をより一層向上させることができる。
Further, the presence of the
また、潤滑膜10がケース4の内壁面13に設けられても良い。内壁面13に設けられた潤滑膜10は、バランサー5の側面8の潤滑膜9と同様、フッ素コーティングやDLCコーティングなど、潤滑性を有する任意の潤滑剤であってよく、バランサー5における潤滑膜9と同様に、バランサー5の衝突時の衝撃を緩和するだけでなく、バランサー5のZ軸方向の動きを滑らかにする効果を有している。さらに、側面8と内壁面13の双方に潤滑膜9,10を設けることも可能であり、そのようにすれば、ヨーレートセンサ装置1の使用状態において、バランサー5の衝撃緩和能力及び滑動能力が飛躍的に向上し、ヨーレートセンサ素子2に対して好ましくない外乱ノイズが印加されることをより効果的に防止し、ヨーレートセンサ装置1の感度を著しく向上させることができる。
Further, the lubricating film 10 may be provided on the inner wall surface 13 of the
<第2実施形態>
図3は、本発明による圧電振動デバイスの第2実施形態に係るヨーレートセンサ装置20の内部耐振構造を示すX−Z方向断面図である。ヨーレートセンサ装置20は、ケース24の内部に第1実施形態における階段状の窪み11,12を有しておらず、壁体21(抑制体)がバランサー5の周囲を取り囲んでいること以外は、前述したヨーレートセンサ装置1と同様に構成されたものである。よって、図3においては、ヨーレートセンサ素子1と共通する部材には同一の符号を付し、重複した説明を避けるため、ここでは、それらの説明を省略する。
Second Embodiment
FIG. 3 is a cross-sectional view in the XZ direction showing the internal vibration-proof structure of the yaw
本実施形態は、ケース24が、単一の窪み22を有する、上方端が開放された単純な容器形状をなしており、ケース24の内壁面33と底面34とが内部空間G3を画定している。窪み22の底面34の中心部には、ばね、ゴム、ゲル等、一定の弾性を有する任意の固形材料であってよい耐振動材からなるバランサー支持部3が配置されており、ヨーレートセンサ素子2をその上面19に保持するバランサー5を、ケース24の内部空間G3内に下方より支持している。
In the present embodiment, the
本実施形態にかかるバランサー5は、保持対象のセンサ素子の種類等の諸条件に応じてそのX―Y平面方向の外形が決定されており、第1実施形態のようにバランサー5の外周の側面28がケース24の内壁面33に近接して配置されているわけではない。しかしながら、本実施形態にかかるバランサー5の側面28の周囲は、ケース24の底面34より垂直に(Z軸方向に)立ち上がった壁体21によって取り囲まれている。第1実施形態と同様に、ヨーレートセンサ装置20に外部からの振動が印加されていない(初期の)状態では、バランサー5の側面28と壁体の内壁面35との間には間隔gの隙間が存在するので、ヨーレートセンサ装置20に外部からの任意の振動が印加された場合、バランサー5のX―Y平面方向の振動やシーソー運動等が有意に規制される。加えて、バランサー5の外周の側面28及び壁体21の内壁面35に対して、第1実施形態と同様のフッ素コーティングやDLCコーティング等の潤滑膜29,30が設けられてもよく、バランサー5の衝撃緩和能力及びZ軸方向の滑動能力を高めて、ヨーレートセンサ装置20の感度をより向上させることも可能である。
The
本実施形態にかかる壁体21は、第1実施形態と同様に複数のセラミック薄板を積層することによってケース24と一体に成形されてもよいが、ケース24の底面34に対して後工程で取り付けることも可能である。そうすると、汎用的なセンサハウジングとしてのケース24の内部空間G3に対して、任意のセンサ素子及び当該任意のセンサ素子を保持する任意の形状のバランサー5を、バランサー支持部3を介して設置した後で、当該任意の形状のバランサー5の外形に対応した(バランサー5の外形よりも僅かに大きな)外形を有する壁体21を、一定の間隔gの隙間を有するように取り付ければ良い。こうすれば、多種多様なセンサハウジングに対して、本実施形態にかかる耐振構造をより汎用的に適用することが可能となる。また、単一のセンサハウジング内に複数のセンサ素子が封入されている場合、X―Y平面方向の外乱振動の影響を受けやすいセンサ素子のみを対象として壁体21を後から取り付けることで、選択的な耐振能力を有する複合型センサユニットを作成することも可能である。
The
さらに、バランサー5の外形、搭載されるセンサの種類、及びセンサ装置の設置環境等に応じて決定されるX―Y平面方向の振動抑制範囲が狭くて良い場合には、バランサー5全体を取り囲む形状(バランサー5の外形に合わせた形状)の壁体21を設けなくともよく、バランサー5の外周の少なくとも一部分を取り囲む複数の補助的な壁体21を用いることもでき、本実施形態にかかるヨーレートセンサ装置20をより簡便に製造することが可能となる。また、ケース24の内壁面35に対して後から潤滑膜30を塗布する場合と比較して、先工程で壁体21の内壁面35表面に対して予め潤滑膜23塗布してから、ケース24内部に壁体21を後付することは、ヨーレートセンサ装置20の製造を更に簡略化することを可能とする。
Further, when the vibration suppression range in the XY plane direction determined according to the outer shape of the
<第3実施形態>
図4は、本発明による圧電振動デバイスの第3実施形態に係るヨーレートセンサ装置40の内部耐振構造を示すX−Z方向断面図である。ヨーレートセンサ装置40は、ケース内部に、バランサー5の下面45とケース44の底面54との間で画定される下方空間GLと、バランサー5の上面46とケース44の蓋部6との間で画定される上方空間GUとを連通させる通路41を有すること以外は、前述したヨーレートセンサ装置1と同様に構成されたものである。よって、図4においては、ヨーレートセンサ素子1と共通する部材には同一の符号を付し、重複した説明を避けるため、ここでは、それらの説明を省略する。
<Third Embodiment>
FIG. 4 is an XZ direction cross-sectional view showing the internal vibration-proof structure of the yaw
本実施形態にかかるケース44は、下方空間GLにおいてケース44の底面54の任意の位置に設けられた通気孔42から、ケース44内部を通り(迂回し)、上方空間GUにおいてケース44の開放端に近い位置に設けられた通気孔43へと延びる通気用の通路41を有している。図4に示す本実施形態では、単一の通路41のみが示されているが、例えばバランサー支持部3を挟んで反対側の空間に追加の通気用の通路(図示せず)が設けられても良く、ケース44の長辺方向及び/又は短辺方向に複数の通気用の通路(図示せず)を設けても良い。なお、通路41は、ケース30の製造時に複数のセラミック薄板を積層すること等によって形成可能である。
The
バランサー5の側面8とケース44の内壁面53との間には、上記第1実施形態で説明したようにバランサー5の周囲に渡って間隔gの隙間が存在している。よって、例えばバランサー5が最大限傾斜した状態であっても、その周辺の一部には必ず隙間が存在し(例えば、バランサー5の側面8のうち一対の長辺が最大限傾斜して各々がケース44の内壁面53と密着した状態であっても、一対の短辺はケース44に対して完全には密着し得ない)、バランサー5の上方空間GUと下方空間GLとの間で空気の移動は僅かながら可能である。しかし、このようにバランサー5が傾斜した状態ではバランサー5側方の隙間が狭くなってしまい、上方空間GUと下方空間GLの間の空気の移動が著しく制限されるため、バランサー5の上方空間GU又は下方空間GLに存在する空気がバランサー5のZ軸方向の変位に対するエアクッションのごとく作用してしまい、更にバランサー5に対して不要なバイブレーションを与えてしまい、本実施形態にかかるヨーレートセンサ装置40の振動緩和能力に悪影響を与える虞もある。
Between the
しかしながら、上方空間GUと下方空間GLとを連通させる通路41を有する本実施形態にかかるヨーレートセンサ装置40は、外部よりの振動が印加されてバランサー支持部3が収縮し、バランサー5が下方へと変位する場合であっても、下方空間GLに存在した空気が通気孔42を通って通路41へと流れ込み、当該空気が、通気孔43を通して上方空間GUへと排出される。また、同様にバランサー5が上方へと変位する場合には、上方空間GUに存在した空気が通気孔43を通して通路41へと流れ込み、当該空気が、通気孔42を通して下方空間GLへと排出される。このように、通路41を通ってバランサー5の上方空間GUと下方空間GLとの間の空気が相互に交換(移動)できるようになることにより、両空間間の内圧差が緩和されてバランサー5の上下動がより円滑(スムーズ)になるので、バランサー5に対して不要なバイブレーションを与えることはなく、ヨーレートセンサ装置40の感度を更に良好に保つことができる。
However, in the yaw
<第4実施形態>
図5は、本発明による圧電振動デバイスの第4実施形態に係るヨーレートセンサ装置40’の内部耐振構造を示すX−Z方向断面図である。ヨーレートセンサ装置40’は、上方空間GUと下方空間GLとを連通させる通路41の通気孔42,43の開放部分にメッシュ部材58,59を備え、更に上方空間GU側の通気孔43の近辺に防風壁57を備えること以外は、前述した第3実施形態にかかるヨーレートセンサ装置40と同様に構成されたものである。よって、図5においては、ヨーレートセンサ素子40と共通する部材には同一の符号を付し、重複した説明を避けるため、ここでは、それらの説明を省略する。
<Fourth embodiment>
FIG. 5 is a cross-sectional view in the XZ direction showing the internal vibration-proof structure of the yaw
図5に示すヨーレートセンサ装置40’の内の通路41の各通気孔に設けられたメッシュ部材58,59は、上方空間GUと下方空間GLとの間で通路41を通る空気の流れを抑制することで、外乱振動によりバランサー5が上下動する際に生起する積極的な空気流の流量・流速を整えるためのものである。よって、バランサー5が保持するセンサ素子が、高速あるいは著しいZ軸方向の変位振動を好まない場合であっても、通路41の各通気孔にメッシュ部材58,59を追加するだけで通路41を通る空気流を調整して、ヨーレートセンサ装置40’の感度を更に向上させることができる。本実施形態に用いるメッシュ部材58,59は、用いるセンサ素子の種類やセンサ装置の設置環境等に応じて、適宜好ましい整流能力を有する多孔質材料を選択すれば良い。
さらに、上方空間GUの通気孔43に近接して設置された防風壁57は、ケース44の上方空間GUにおいてヨーレートセンサ素子2と通気孔43の近傍に設けられており、防風壁57の上端部とケース44の蓋部6との間には空気が通る間隔dの隙間が設けられている。なお、防風壁57はケース44と一体に成形されても良いし、ケース44に対して後付けされても良い。
Further, the
本実施形態では、通気孔43とヨーレートセンサ素子2との間に防風壁57を設けて、バランサー5が下方に変位した際に通気孔43より排出される積極的な空気流が防風壁57の上端部とケース44の蓋部6との間には空気が通る間隔dの隙間のみを通ることで、排出された空気流がヨーレートセンサ素子2に直接衝当してヨーレートセンサ素子2の駆動振動や検出振動に対するノイズとなってしまうことを有意に防止し、ヨーレートセンサ装置40’の感度を向上させることができる。
In the present embodiment, a
<第5実施形態>
図6は、本発明による圧電振動デバイスの第5実施形態に係るヨーレートセンサ装置60の内部耐振構造を示すX−Z方向断面図である。ヨーレートセンサ装置60は、バランサー65の周辺端部に立ち上がったバランサー壁66を有することを除いては、前述したヨーレートセンサ装置1と同様に構成されたものである。よって、図6においては、ヨーレートセンサ装置1と共通する部材には同一の符号を付し、重複した説明を避けるため、ここでは、それらの説明を省略する。
<Fifth Embodiment>
FIG. 6 is a cross-sectional view in the XZ direction showing the internal vibration-proof structure of the yaw
本実施形態におけるバランサー65は、ステンレスやシリコン等からなり、X―Y平面方向に延在しつつZ軸方向に厚さtを有しているが、その縁部分のみがZ軸方向上方に向かって立ち上がったバランサー壁66を備える。換言すれば、バランサー65は窪み及び開放端を有する容器形状をなしている。また、バランサー壁66の外側表面67は、ケース4の内壁面13との間に一定の間隔の隙間を有している。
The
本実施形態にかかるバランサー65は、バランサー壁66の外側表面67の表面積が大きいので、バランサー65が外乱振動に起因してZ軸方向に変位する際にX―Y平面方向にシーソー運動が生じた場合であっても、外側表面67とケース4の壁面13との間でX―Y平面方向の変位をより効果的に規制・抑制することができる。また、バランサー壁66の外側表面67とケースの内壁面13の双方又は一方に、第1実施形態と同様のフッ素コーティングやDLCコーティング等の潤滑膜69,70を設ければ、バランサー65の衝撃緩和能力及び滑動能力をより一層向上させて、ヨーレートセンサ装置60の感度を更に高めることが可能である。
Since the
また、本実施形態にかかるバランサー65は、外部よりの振動が印加されてバランサー支持部3が収縮しバランサー65が下方へと変位する際、下方空間GLに存在する空気がバランサー壁66の外側表面67とケースの内壁面13との間の隙間を抜けてバランサー65の上方空間GUに移動する場合であっても、バランサー壁66の立ち上がり高さがヨーレートセンサ素子2の搭載位置よりも遥かに高い位置にあるので、ヨーレートセンサ素子2に対して空気流が直接衝当して、ヨーレートセンサ素子2の駆動振動や検出振動に対するノイズとなってしまうことを有意に防止し、ヨーレートセンサ装置60の感度を更に向上させることもできる。
Further, the
<第6実施形態>
図7は、本発明による圧電振動デバイスの第6実施形態に係るヨーレートセンサ装置の外部耐振構造を示すX−Z方向断面図である。本実施形態では、少なくとも一つのヨーレートセンサ素子2を封入したセンサパッケージ100が、センサパッケージ100の設置面上に設けられた支持部103により下方より支持されている。支持部103としては、ばね、ゴム、ゲル等、一定の弾性を有する任意の固形部材を用いることができる。複数の支持部103が配置され、支持対象となるセンサパッケージ100を下方より複数の箇所で支持(保持)してもよい。
<Sixth Embodiment>
FIG. 7 is a cross-sectional view in the XZ direction showing the external vibration-proof structure of the yaw rate sensor device according to the sixth embodiment of the piezoelectric vibration device of the present invention. In the present embodiment, a
センサパッケージ100の側方には、センサパッケージ100の設置面上に立ち上げて設けられた耐振動フレーム101が設けられており、センサパッケージ100の外周面104と耐振動フレーム101の内壁面105との間に一定の間隔の隙間をおいてセンサパッケージの周囲を取り囲んでいる。また、センサパッケージ100の外周面104と耐振動フレーム101の内壁面105の双方には、フッ素コーティングやDLCコーティング等、潤滑性を有する任意の潤滑剤であってよい潤滑膜109,110が設けられている。
On the side of the
本実施形態にかかるセンサパッケージ100は、上述した実施形態と同様に、側方に耐振動フレーム101が設けられていることにより、設置面に平行な方向の振動や、回転振動すなわちシーソー運動(図7における矢印μ)を防止し、パッケージ内のジャイロセンサ素子2等に与える外乱ノイズの影響を有意に防止することができる。また、本実施形態にかかるセンサパッケージ100は、センサパッケージ100の外周面104と耐振動フレーム101の内壁面105に潤滑膜109,110を設けることで、Z軸方向以外の外乱振動がセンサパッケージ100に加えられた場合であっても衝撃緩和能力及び滑動能力を担保することが可能であり、センサパッケージ100に対して余分な外乱ノイズが印加されることをより効果的に防止し、パッケージ内のジャイロセンサ素子2の感度を著しく向上させることができる。
The
なお、本発明は、上記の各実施形態に限定されるものではなく、先に適宜述べたとおり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更(例えば、各実施形態の内容の適宜な組み合わせ等)が可能である。例えば、バランサー5,65の一部であって、搭載するセンサ素子に空気流よる悪影響を与えない位置に、上方空間GU及び下方空間GLとを連通させる貫通孔を追加的に設けたり、バランサーの外形自体を孔部分を有するように形成することも可能であり、バランサー5,65のZ軸方向の変位をより滑らかにすることでヨーレートセンサ装置の感度を向上させることができる。また、バランサー5,65又はセンサパッケージ100を側方より支持する壁体21や耐振動フレーム101が、支持対象を側方より完全に取り囲むのではなく部分的に取り囲むようにすれば、取り囲まれていない部分より側方へと抜ける空気の逃げを創出することも可能であり、この場合もバランサー5,65又はセンサパッケージ100のZ軸方向の変位がより滑らかなものとなるので、不要なバイブレーションを生起することがなく、ヨーレートセンサ装置の感度を向上させることができる。
The present invention is not limited to each of the above-described embodiments. As described above, various modifications (for example, appropriate contents of each embodiment are possible without departing from the spirit of the present invention). Combination) is possible. For example, a through-hole that communicates with the upper space GU and the lower space GL is additionally provided at a position that is a part of the
1,20,40,40’,60…ヨーレートセンサ装置(圧電振動デバイス)、2…ヨーレートセンサ素子(圧電振動デバイス)、3…バランサー支持部、4,24…ケース、5,65…バランサー、6…蓋部、7…センサ接続部材、8,28…側面、9,10,29,30,69,70,109,110…潤滑膜、11,12,22…窪み、13,33,35,53…内壁面、14,34…底面、19,46…上面、21…壁体、42,43…通気孔、45…下面、57…防風壁、58,59…メッシュ部材、66…バランサー壁、67…外側表面、100…センサパッケージ、101…耐振動フレーム、103…支持部、104…外周面,105…内壁面、300…ヨーレートセンサ、320…ヨーレートセンサ素子、330…リードフレーム、G1,G2…内部空間、GU…上方空間、GL…下方空間、M,μ…回転 1, 20, 40, 40 ', 60 ... yaw rate sensor device (piezoelectric vibration device), 2 ... yaw rate sensor element (piezoelectric vibration device), 3 ... balancer support, 4, 24 ... case, 5, 65 ... balancer, 6 ... lid part, 7 ... sensor connecting member, 8, 28 ... side face, 9, 10, 29, 30, 69, 70, 109, 110 ... lubricating film, 11, 12, 22 ... depression, 13, 33, 35, 53 ... inner wall surface, 14, 34 ... bottom surface, 19, 46 ... upper surface, 21 ... wall body, 42, 43 ... vent, 45 ... lower surface, 57 ... windbreak wall, 58, 59 ... mesh member, 66 ... balancer wall, 67 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Outer surface, 100 ... Sensor package, 101 ... Vibration-resistant frame, 103 ... Support part, 104 ... Outer peripheral surface, 105 ... Inner wall surface, 300 ... Yaw rate sensor, 320 ... Yaw rate sensor element, 330 ... Reed frame Over arm, G1, G2 ... internal space, GU ... upper space, GL ... lower space, M, mu ... Rotation
Claims (2)
前記センサ保持体の外周の少なくとも一部に近接して配置され、且つ、該センサ保持体の所定方向の変位を抑制する抑制体と、
前記センサ保持体及び前記抑制体が内部に収容されるケースと、を備え、
前記センサ保持体が前記ケースの内部空間に支持され、
前記センサ保持体の上方の空間と前記センサ保持体の下方の空間とが、前記ケースに設けられた通気孔によって連通している、圧電デバイス。 A sensor holder that supports a sensor unit having a piezoelectric element;
A suppressor that is disposed in the vicinity of at least a portion of the outer periphery of the sensor holder and suppresses displacement of the sensor holder in a predetermined direction;
A case in which the sensor holding body and the suppressing body are housed, and
The sensor holder is supported in the internal space of the case;
The piezoelectric device , wherein a space above the sensor holding body and a space below the sensor holding body communicate with each other through a vent hole provided in the case .
請求項1に記載の圧電デバイス。 A windbreak wall is provided near the opening of the vent hole in the space above the sensor holder,
The piezoelectric device according to claim 1.
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