JP5287760B2

JP5287760B2 - 角速度センサユニット

Info

Publication number: JP5287760B2
Application number: JP2010033121A
Authority: JP
Inventors: 稔夫山崎; 崇内田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2010-02-18
Filing date: 2010-02-18
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2030-02-18
Also published as: JP2011169714A

Description

本発明は、各種電子機器に用いられる角速度センサユニットに関する。

この種の角速度センサユニットは図８に示すようなパッケージ１の内部に角速度センサ素子２およびこの角速度センサ素子２を制御するＩＣ３を配置する構造が一般的であり、昨今、パッケージ１に加わる外乱振動を角速度センサ素子２に伝達することを抑制するため、角速度センサ素子２をパッケージ１の内部空間において防振部材４で懸架する構造が提案されている。

また、角速度センサ素子２は素子を駆動振動させ、検出軸の回りに加わる角速度に伴うコリオリ力による素子の撓み成分を検出する振動型の素子を用いるとともに、角速度センサ素子２は角速度を検出するための振動空間を確保するため台座５を介して防振部材４に実装していた。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開２００５−３３１４４９号公報

しかしながら、角速度センサ素子２を防振部材４の表面に載置した台座５の上に実装した場合、図９に示すように防振部材４を介してパッケージ１に取り付けられる角速度センサ素子２の重心位置が防振部材４の部材平面より高くなってしまうことから、パッケージ１の外部から加わる外乱振動に対して、防振部材４に矢印６で示すような撓み振動が励起され、この撓み振動を検出軸回りの回転として角速度として誤検出してしまうという問題があった。

そこで、本発明はこのような問題を解決し、角速度センサユニットの検出精度を高めることを目的とする。

この目的を達成するために本発明は、角速度センサ素子をパッケージの内部空間に防振部材を介して懸架する角速度センサユニットにおいて、防振部材をパッケージとの接続部と台座との接続部とこれら接続部間に位置する懸架部とに分け、懸架部の重心位置の高さを角速度センサ素子、台座および防振部材における台座との接続部からなる複合体の重心位置の高さと一致させた構造としたのである。

この構成により本発明は、角速度センサ素子に対する外乱振動の影響を抑制し、角速度センサユニットの検出精度を高めることが出来るのである。

本発明の一実施形態の角速度センサユニットの断面図同角速度センサユニットを構成する角速度センサ素子の上面図同角速度センサ素子に設けられる電極の構造を示す模式図同角速度センサ素子の懸架状態を示す模式図他の角速度センサ素子の上面図同角速度センサ素子の駆動状態を示す模式図同角速度センサ素子の検出状態を示す模式図従来の角速度センサユニットの断面図同角速度センサ素子の振動状態を表す模式図

以下、本発明の一実施形態について図を用いて説明する。なお、上述した従来の技術と同様の構成については同じ符号を付して説明する。

図１は本発明の一例である角速度センサユニットを示したものであり、その基本構造は積層セラミクスからなるパッケージ１の内部空間に角速度センサ素子２と、この角速度センサ素子２に駆動信号を印加する駆動制御回路および角速度センサ素子２から出力された検出信号を処理する検出回路を包含するＩＣ３を配置し、パッケージ１の開口をリッド７で封口した構造となっている。

また、角速度センサ素子２はパッケージ１を介して外乱振動が伝達されないように撓み性を有する板バネ素材や弾性素材からなる防振部材８によりパッケージ１の内部空間に懸架された台座９で支持した構造としている。

また、角速度センサ素子２は図２に示すように、支持部２ａから検出軸１０に沿って延出された一対の駆動アーム２ｂ上に駆動電極２ｃおよび検知電極２ｄを設けた音叉型の振動型素子であり、台座９における角速度センサ素子２を実装する部分を図１に示すように段差構造として上段面９ａに角速度センサ素子２の支持部２ａを実装し駆動アーム２ｂの振動空間を確保した構造となっている。

なお、角速度センサ素子２はＳｉからなる基板で構成され、その表面に設けられる各電極の構造は図３に示すようにＡｕからなる上部電極１１ａとＰｔからなる下部電極１１ｂと、これらの間に配置されたＰＺＴからなる圧電体層１１ｃにより形成され、下部電極１１ｂをグランド接続した状態で上部電極１１ａに正電圧を印加すると電極の積層方向に対して圧縮力が働き、この圧縮力により電極パターンが延びる方向に応力が発生し、これとは逆に負電圧を印加すると電極に引張力が働き、この引張力により電極パターンが縮む方向に応力が発生するものである。また、これとは逆に駆動アーム２ｂの撓みにより電極が縮むことで負電圧を発生し、電極が延びることで正電圧を発生させるものである。

また、角速度の検出については、図２に示した駆動電極２ｃにＩＣ３から駆動電圧を印加することにより駆動アーム２ｂが矢印で示すようＸ軸方向つまり駆動アーム２ｂの並設方向に駆動振動し、この駆動振動状態において検出軸回りに角速度が加わることでコリオリ力により駆動アーム２ｂがＺ軸方向（駆動振動により形成される振動平面（ＸＹ平面）に直交する方向）に撓み振動が生じ、この撓み振動を検知電極２ｄにより電気信号に変換しＩＣ３に出力するのである。

また、図４に示したように防振部材８は、角速度センサ素子２の駆動振動における振動平面（ＸＹ平面）と平行な面８ａと、振動平面（ＸＹ平面）と直交する面８ｂを有する段差構造としており、振動平面（ＸＹ平面）と平行な面８ａの防振作用により振動方向と直交する向き（Ｚ軸方向）の外乱振動を抑制し、振動平面（ＸＹ平面）と直交する面８ｂの防振作用により振動平面と平行な向き（ＸＹ平面での面内方向）の外乱振動を抑制した構造としている。

そして、この角速度センサユニットは、防振部材８の外側部分を接続部８ｃとしてパッケージ１に接続するとともに内側部分を接続部８ｄとして台座９に接続した構成とするとともに、接続部８ｃ，８ｄの間の懸架部８ｅの重心位置１２の高さを角速度センサ素子２、台座９および台座９との接続部８ｄからなる複合体つまり懸架部８ｅにより懸架される部分全体の重心位置１３の高さと一致させた構造として角速度センサユニットの検出精度を向上させている。なお、ここでいう重心位置１２，１３の高さを一致させるとは角速度センサ素子２の駆動振動における振動平面を基準として各重心位置の相対的な高さを合わせることを意味する。

すなわち、懸架部８ｅの重心位置１２と、この懸架部８ｅに懸架された複合体の重心位置１３との高さを一致させることで、図９を用いて説明した従来の角速度センサ素子２の重心位置が防振部材８より上に位置する構成での矢印６で示す撓み振動の発生を抑制し、外乱振動に対する不要な検出信号の出力を抑制できることから、結果として角速度センサユニットにおける特性の検出精度を高めることが出来るのである。

なお、特に図示していないが防振部材８が平坦構造で或る場合においても懸架部８ｅの重心位置１２の高さと、この懸架部８ｅにより懸架される角速度センサ素子２を含む複合体の重心位置１３の高さを一致させることで同様の作用効果を奏する。

また、上述した角速度センサ素子２は図２に示すよう駆動アーム２ｂが駆動振動する駆動振動平面（ＸＹ平面）に対して検出軸（Ｙ軸）が平行となった角速度センサ素子２を挙げて説明したが、振動平面（ＸＹ平面）に対して検出軸が直交（Ｚ軸）する角速度センサ素子を用いることで検出軸方向が異なる角速度センサユニットを略同等の形状にて構成することも出来る。

なお、駆動振動平面（ＸＹ平面）に対して検出軸が直交（Ｚ軸）する角速度センサ素子１４としては、図５に示すように、中央部分に位置する固定部１４ａの両側に錘部１４ｂを対称配置し、それぞれの錘部１４ｂを一対の駆動アーム１４ｃで接続した形状となっており、駆動アーム１４ｃ上には後述する駆動電極１４ｄ、検出電極１４ｅ及びモニタ電極１４ｆが配置されている。

そして、駆動電極１４ｄにＩＣ３から駆動信号を印加することで、駆動アーム１４ｃが図６に示すよう錘部１４ｂを固定部１４ａと錘部１４ｂを結ぶ方向（Ｘ軸方向）に対称に伸縮するように駆動振動し、この駆動振動の状態において角速度センサ素子１４の振動平面（ＸＹ平面）に垂直な方向（Ｚ軸方向）を検出軸としてこの検出軸回りに角速度を受けることでコリオリ力が生じ、このコリオリ力により駆動アーム１４ｃが図７に示すように駆動振動方向（Ｘ軸方向）と直交する方向（Ｙ軸方向）に振動するようになり、この検出振動による駆動アーム１４ｃの変形を検出電極１４ｅで検知し電気信号としてＩＣ３に出力する振動型素子構造となっている。

そして、この角速度センサ素子１４も図２に示す音叉型の角速度センサ素子２と同様に台座により振動空間を確保した状態で防振部材８に懸架する構造であるので、図４に示すように懸架部８ｅの重心位置１２の高さを角速度センサ素子１４、台座９および防振部材８における台座９との接続部８ｄからなる複合体つまり懸架部８ｅにより懸架される部分全体の重心位置１３の高さと一致させる構造とすることで角速度センサユニットの検出精度を向上できるのである。

また、台座９は、角速度センサ素子２の振動空間を形成する台座９の機能を防振部材８自体に形成しても構わず、例えば特に図示していないが液晶ポリマーなどのシート状の弾性素材を成形して角速度センサ素子２を振動可能に支持する段差構造をシート内に一体成形することで、この段差構造が台座９の役割を果たし周囲のシート部分が防振部材８の役割を果たすため、角速度センサユニットとしての部品点数の削減ができ、生産性の向上に寄与できるのである。なお、このように防振部材８と台座９の複合体を一体成形する構成においては、防振部材８における厚みを確保しやすく、この場合、厚み方向（Ｚ軸方向）に対する防振効果を得ることができ、より角速度センサユニットの検出精度を向上出来るのである。

また、防振部材８を構成する弾性素材として用いた液晶ポリマーは、振動吸収性能を有するだけでなく、溶融粘度は低く流動性が良好であることから、防振部材８の成形あるいは防振部材８と台座９の複合体の一体成形においても好適な材料であり、この作用効果はポリフタルアミド（ＰＰＡ）を用いても同様である。

また、他の防振部材８を構成する弾性素材としてはシリコンが挙げられ、液晶ポリマーと同様に振動吸収性能を有するとともに、ヤング率の温度特性が非常に小さいという特徴があり、角速度センサユニットとしての温度特性の改善ができる。

なお、防振部材８としてステンレスやりん青銅といった板バネ素材を用いる場合には、防振部材８の接続部８ｄを台座９の内部にモールドして一体化する構造とすることで、角速度センサ素子２の振動平面（ＸＹ平面）と平行な面８ａと直交する面８ｂを含む段差構造の懸架部８ｅが板バネ素材で形成する構造となり、この段差構造を含む部分を上述した弾性素材で形成するより生産性を高めることが出来る。

本発明は、角速度センサ素子の検出精度を向上できるという効果を有し、特に車載用途の角速度センサユニットにおいて有用である。

１パッケージ
２角速度センサ素子
８防振部材
８ｃ，８ｄ接続部
８ｅ懸架部
９台座
１２懸架部の重心位置
１３複合体の重心位置

Claims

パッケージと、前記パッケージの内部に配置される角速度センサ素子と、前記角速度センサ素子を支持し前記角速度センサ素子の振動空間を確保する台座と、前記台座を前記パッケージの内部空間に懸架する防振部材を有し、前記防振部材は前記パッケージとの接続部と前記台座との接続部と前記接続部間に位置する懸架部とからなり、前記懸架部の重心位置の高さを前記角速度センサ素子、前記台座および前記防振部材における前記台座との接続部からなる複合体の重心位置の高さと一致させたことを特徴とする角速度センサユニット。
防振部材と台座を弾性素材で一体成形したことを特徴とする請求項１に記載の角速度センサユニット。
防振部材を液晶ポリマーで構成したことを特徴とする請求項１に記載の角速度センサユニット。
防振部材をポリフタルアミドで構成したことを特徴とする請求項１に記載の角速度センサユニット。
防振部材をシリコンで構成したことを特徴とする請求項１に記載の角速度センサユニット。
防振部材を板バネ素材で構成すると共に台座との接続部を前記台座にモールドしたことを特徴とする請求項１に記載の角速度センサユニット。