JP2009002964A - 回転率センサ - Google Patents

Abstract

【課題】衝撃印加に強く、信頼性も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。
【解決手段】検知素子と回路部が収納され、かつ、検知素子と回路部とが電気的に接続されると同時に、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の気密容器２と、この気密容器２の外側表面の一平面に連接され、気密容器２に施された配線と電気的に接続するためのパッド電極３と、さらに気密容器２に貼着されたシリコンゴム４とを備えた構成からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転率センサに関するものである。

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

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。

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。

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、前記検知素子と回路部が収納された容器とを有する回転率センサであって、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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の実施の形態１における回転率センサの斜視図 同センサのＡ−Ａ断面図 同センサを構成する振動子を説明するための斜視図 同振動子の共振特性図 （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）同振動子の共振特性図、（ｂ）同センサの支持系伝達特性図 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 （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 別のセンサの支持系伝達特性図 （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 本発明の実施の形態２における回転率センサの斜視図 本発明の実施の形態３における回転率センサの斜視図 （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）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）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 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 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 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

符号の説明

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

Claims (2)

1. 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、
   前記検知素子と回路部が収納された容器とを有する回転率センサであって、
   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。
2. 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ほぼ２ｋＨｚから４ｋＨｚ、
   前記検知素子の駆動方向の共振周波数がほぼ１０ｋＨｚ以上、
   前記離調周波数がほぼ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。

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