JP2006208066A - 慣性センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化を図りつつ外部の磁気を確実に遮断した慣性センサを得る。
【解決手段】 磁気シールドし得る材料によって一対のリードフレーム２６が形成される。一対のリードフレーム２６の基端側が平面状に形成され且つ上側に突出した形の素子搭載部３２とされ、スピンバルブ型ＧＭＲ素子２２がこの素子搭載部３２に搭載されつつ接続される。絞り加工により金属をキャップ状に形成して得られた磁気シールドキャップ３０が慣性センサ１０の外枠を構成し、スピンバルブ型ＧＭＲ素子２２に被せられた形のこの磁気シールドキャップ３０とリードフレーム２６とによりスピンバルブ型ＧＭＲ素子２２の全周が囲まれた構造とされる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、小型化を図りつつ外部の磁気が確実に遮断され得る慣性センサに関し、特に携帯電話やノート型パーソナルコンピュータ等の携帯用機器内に実装される慣性センサに好適なものである。

例えば携帯電話やノート型パーソナルコンピュータ等の携帯用機器では、ハードディスクドライブ（以下ＨＤＤと言う）が記憶装置として近年内蔵されるようになった。しかし、携帯用機器中のＨＤＤは、携帯用機器が手振れなどで揺動したり、或いは落下した場合等に故障することがあるので、この時の加速度を初期段階で検出し、ＨＤＤの磁気ヘッドの退避や磁気ヘッドに加わる衝撃を打ち消す制御を行なう必要がある。

従って、この携帯用機器に加わる加速度を初期段階で検出する為に小さな加速度を検出し得る慣性センサが必要となるが、例えば、携帯用機器に内蔵されるＨＤＤに付属した回路基板には、この慣性センサを実装する為の実装空間が存在するものの非常に小さいことから、この慣性センサを小型化することが要求されている。

他方、外部ノイズである外部の磁気を遮断する為の金属キャップが装着された従来構造の慣性センサとして、例えば下記の特許文献１が知られているが、この特許文献１には、検出素子が搭載された基板に金属キャップを単に被せただけの構造が開示されている。
特開２００４−２５８００５号公報

しかし、特許文献１のように、金属キャップを基板の上から被せた構造の場合には、慣性センサの厚み方向の寸法が大きくなり過ぎて、薄型化が図れない欠点を有していた。この一方、この特許文献１のように、金属キャップを単に基板に被せただけの構造では、慣性センサの検出素子を完全に金属キャップにより被うことが難しく、外部の磁気を十分に遮断できない結果として、検出素子の検出精度が低下する虞を有していた。
本発明は上記事実を考慮し、小型化を図りつつ外部の磁気を確実に遮断し得る慣性センサを提供することを目的とする。

請求項１による慣性センサは、磁気感応素子が例えば加速度を検出する検出素子として用いられる慣性センサであって、
磁気シールドし得る材料で形成されたリードフレームに前記磁気感応素子が搭載されると共に、金属製の金属キャップが前記磁気感応素子に被せられ、
前記磁気感応素子を搭載した前記リードフレームの素子搭載部が前記金属キャップ側に突出した形に、前記リードフレームを曲げて、前記磁気感応素子を前記金属キャップ及び前記リードフレームにより囲んだことを特徴とする。

請求項１に係る慣性センサでは、例えば加速度を検出する検出素子として用いられる磁気感応素子が、磁気シールドし得る材料で形成されたリードフレームに搭載されるだけでなく、金属製の金属キャップがこの磁気感応素子に被せられた構造とされている。また、このリードフレームが曲げられて、磁気感応素子を搭載したリードフレームの素子搭載部が金属キャップ側に突出した形にされることで、磁気感応素子が金属キャップ内に位置しつつ、金属キャップ及びリードフレームにより囲まれた構造ともなっている。

つまり、本請求項によれば、金属キャップによって磁気感応素子に対する磁気シールドを図るだけでなく、磁気シールドし得る例えばＮｉ合金をリードフレームの材質として採用したことで、リードフレーム側から磁気感応素子への外来磁気を遮断することも可能となった。

さらに、リードフレームを例えば絞り加工して、リードフレームの素子搭載部を金属キャップ側に一段突出した構造とすることで、金属キャップとリードフレームとの接触によるショートを防ぎつつ、磁気感応素子を金属キャップ及びリードフレームで囲むことができるようになった。すなわち、磁気感応素子を金属キャップ及びリードフレームで囲む構造としたことで、従来構造のように金属キャップを基板の上から単に被せた構造と異なって、慣性センサの厚み方向の寸法を小さくして薄型化を図ることも可能となった。

以上より、本請求項によれば、磁気シールドし得る材料でリードフレームを形成し、このリードフレームの素子搭載部を金属キャップ側に一段突出させて、磁気感応素子を金属キャップ及びリードフレームで囲む構造としたことで、小型化を図りつつ外部の磁気を確実に遮断した慣性センサとなった。

請求項２に係る慣性センサによれば、請求項１の慣性センサと同様の構成の他に、金属キャップが絞り加工によりキャップ状に形成されると共に、金属キャップの開口端周辺に接着剤が配置され、金属キャップ内が封止されるように、開口端周辺に配置された接着剤で金属キャップをリードフレーム側に接着するという構成を有している。

つまり、封止を考慮して絞り加工により一体形状のキャップ状に金属キャップが製作されるだけでなく、この金属キャップの開口端周辺に配置された接着剤によって金属キャップとリードフレーム側との間が接着されている。これに伴って金属キャップ内が確実に封止されることで、請求項１の作用効果をより確実に達成できるようになる。

請求項３に係る慣性センサによれば、請求項１及び請求項２の慣性センサと同様の構成の他に、リードフレームの基端側が合成樹脂材によるパッケージ内に封入され、金属キャップから離れる側に向かってリードフレームの先端側が曲げられる曲げ部をリードフレームが有するという構成を有している。

つまり、リードフレームが曲げ部を有し、この曲げ部により金属キャップから離れる側に向かってリードフレームの先端側が曲げられたことで、金属キャップとリードフレームとの間の接触によるショートを防ぎつつ、金属キャップで磁気感応素子を確実に被う構造にできる結果として、請求項１の作用効果をより確実に達成できるようになる。

本発明によれば、小型化を図りつつ外部の磁気を確実に遮断し得る慣性センサが得られることになる。つまり、本発明は、携帯用機器の揺動又は落下による±１Ｇ程度の小さな加速度を検出する必要のある慣性センサを携帯用機器内に実装する際に好適なものである。

以下、本発明に係る慣性センサの一実施の形態を図１から図４に示し、これらの図面に基づき本実施の形態を説明する。本実施の形態に係る慣性センサ１０の内部に配置されたフレームとされる図１及び図２に示すベースプレート１４は、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂等の合成樹脂材によりＵ字形に形成されている。

このベースプレート１４には、弾性変形し得る弾性部材であるゴム材１６の基端側が連結されているが、このゴム材１６には、延びる方向を直角に変化させて図１（Ａ）における下方とする変曲部１６Ａが一箇所設けられて、ゴム材１６がＬ字形状に形成された片持ち梁構造とされている。尚、本実施の形態では、変形し易いようにこのゴム材１６を低硬度でヤング率の小さいシリコンゴム製としている。

そして、変曲部１６Ａを有するのに伴って、長く形成されたこのゴム材１６の先端側には、錘１８が取り付けられている。従って、このＬ字形状に形成されたゴム材１６の弾性変形に伴い、図１に示す相互に直交するＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸の各方向に沿って、この錘１８が変位可能となっている。

図１及び図２の錘１８には、周囲に磁場を生じさせる磁場発生部材２０が配置されており、これに対応して、磁場発生部材２０から生じる磁束Ｍの向きの変化を検出し得る磁気感応素子とされるスピンバルブ型ＧＭＲ素子２２が設けられている。すなわち、本実施の形態では、磁束方向の変化でインピーダンスが変化するスピンバルブ型ＧＭＲ素子２２が、加速度を検出する検出素子である磁気感応素子とされており、また、錘１８のスピンバルブ型ＧＭＲ素子２２と対向する側にスリット２８が設置され、このスリット２８内に磁場発生部材２０が配置された構造になっている。

さらに、磁気シールドし得る材料の内の最大透磁率μ_max が３万以上とされる高透磁率の例えばＮｉ合金とされる４２アロイによって、図１及び図２に示すように端子電極である一対のリードフレーム２６が形成されている。これら一対のリードフレーム２６の基端側が、平面状に形成された素子搭載部３２とされていて、上記のスピンバルブ型ＧＭＲ素子２２が、この素子搭載部３２に搭載されつつ接続されるような構造とされている。この結果、スピンバルブ型ＧＭＲ素子２２の近傍でこのリードフレーム２６が外部磁界からの影響を防止する構造となっている。

そして、この素子搭載部３２の両端には、リードフレーム２６を絞るように二段に曲げた形の屈曲部２６Ａがそれぞれ存在していて、この素子搭載部３２の外側のリードフレーム２６の部分が素子搭載部３２と平行に延びた構造とされるのに伴い、素子搭載部３２が図１及び図２における上側に突出した形になっている。

さらに、これらスピンバルブ型ＧＭＲ素子２２及びリードフレーム２６の素子搭載部３２は、エポキシ樹脂等の合成樹脂材によるパッケージ２４内に封入されていて、一対のリードフレーム２６の先端側を構成する端子部３４がパッケージ２４外にそれぞれ突出した構造となっている。このパッケージ２４外に突出したリードフレーム２６の先端側部分には、図１及び図２における下側にリードフレーム２６の端子部３４を曲げる曲げ部２６Ｂが存在している。

以上より、スピンバルブ型ＧＭＲ素子２２が一対のリードフレーム２６の素子搭載部３２に接続されると共に、外部の図示しない回路が一対のリードフレーム２６の端子部３４に接続されることになり、これに伴い必要な検出データがこのリードフレーム２６を介して外部の図示しない回路に取り出せるようになっている。

一方、図１及び図２に示すように、絞り加工により金属をキャップ状に形成して得られた金属キャップである磁気シールドキャップ３０が慣性センサ１０の外枠を構成している。そして、この磁気シールドキャップ３０内の奥側に、ゴム材１６及び錘１８が取り付けられたベースプレート１４が配置されている。

また、この磁気シールドキャップ３０の開口端３０Ａに蓋のようにパッケージ２４が取り付けられて、開口端３０Ａ周辺に配置された図示しない接着剤によりこの磁気シールドキャップ３０をリードフレーム２６側のパッケージ２４に接着して固定することで、磁気シールドキャップ３０内が封止されている。この結果、本実施の形態では、ベースプレート１４、ゴム材１６、錘１８、磁場発生部材２０及びスピンバルブ型ＧＭＲ素子２２が、磁気シールドキャップ３０に内蔵された構造になっている。

上記のような構造となるのに伴い、本実施の形態ではリードフレーム２６が屈曲部２６Ａで曲げられて、素子搭載部３２が図１及び図２における上側に突出していることから、この素子搭載部３２が磁気シールドキャップ３０側に突出した形となる。また、曲げ部２６Ｂによりリードフレーム２６が曲げられて図１及び図２における下側にリードフレーム２６の端子部３４が延びていることから、磁気シールドキャップ３０から離れる側に向かってリードフレーム２６が延びた形になる。

以上より、本実施の形態に係る慣性センサ１０は磁気シールドキャップ３０を装着した構造とされているが、この磁気シールドキャップ３０の材質としては、例えばアモルファス材或いはパーマロイ材等の内の例えばＮｉ合金である４２アロイが採用されている。

さらに、磁場発生部材２０と空隙を有しつつ対向して、スピンバルブ型ＧＭＲ素子２２がこの磁気シールドキャップ３０内に配置されていて、スピンバルブ型ＧＭＲ素子２２に被せられた形の磁気シールドキャップ３０とリードフレーム２６とによりスピンバルブ型ＧＭＲ素子２２の全周が囲まれた構造とされることで、外部の磁気が遮断されてスピンバルブ型ＧＭＲ素子２２が外部の磁気による影響を受け難くなっている。

従って、本実施の形態では外部の磁気による影響を受け難くなることから、磁場発生部材２０とスピンバルブ型ＧＭＲ素子２２との間の相対変位による磁束Ｍの向きの変化をより正確に検出可能になる。尚、図１に示すように、例えばこの慣性センサ１０の長さ寸法Ｌは約３．１ｍｍとされ、横寸法Ｈは約２．１ｍｍとされ、厚み寸法Ｗは約０．８ｍｍとされている。

次に、磁気シールドキャップ３０及び一対のリードフレーム２６の作製について、説明する。磁気シールドキャップ３０の作製の際には、プレス順送加工により、４２アロイ製の長尺材を絞ってキャップ状に形成すると共にこの長尺材から打ち抜くことで、図２に示すような磁気シールドキャップ３０を作製する。

この一方、一対のリードフレーム２６の作製の際には、図３に示すように４２アロイ製の長尺材４０に位置決め用の丸穴４２及び角穴４４を形成するだけでなく、この４２アロイ製の長尺材４０を打ち抜くと共に絞り加工して、素子搭載部３２及び端子部３４を形成する。

この後、スピンバルブ型ＧＭＲ素子２２を素子搭載部３２上に搭載してから、図示しない成形金型内において、丸穴４２及び角穴４４で位置決めしつつ合成樹脂材によるパッケージ２４を成形して、図４に示すように、スピンバルブ型ＧＭＲ素子２２及びリードフレーム２６の素子搭載部３２をパッケージ２４内に封入する。そして、一対のリードフレーム２６を長尺材４０から切り取ると共に必要な箇所を曲げ加工して、一対のリードフレーム２６を図２に示すような構造とする。

最後に、図２に示すようにゴム材１６及び錘１８等が取り付けられたベースプレート１４を磁気シールドキャップ３０内に挿入してから、磁気シールドキャップ３０の開口端３０Ａ周辺の全周にわたって接着剤を塗布して配置した状態で、スピンバルブ型ＧＭＲ素子２２が内蔵されたパッケージ２４を磁気シールドキャップ３０の開口端３０Ａに取り付ける。

この結果、接着剤により磁気シールドキャップ３０がパッケージ２４に接着されて、磁気シールドキャップ３０内が封止されるのに伴い、図１に示すように慣性センサ１０が完成される。尚この際、磁気シールドキャップ３０の開放端にパッケージ２４の段部が当接することで、磁気シールドキャップ３０内にベースプレート１４が位置決めされることになる。

次に、本実施の形態に係る慣性センサ１０の作用を説明する。
本実施の形態に係る慣性センサ１０では、加速度を検出する検出素子として用いられるスピンバルブ型ＧＭＲ素子２２が、磁気シールドし得る材料で形成されたリードフレーム２６に搭載されるだけでなく、金属製で絞り加工によりキャップ状に形成された磁気シールドキャップ３０が、このスピンバルブ型ＧＭＲ素子２２に被せられた構造とされている。

そして、磁気シールドキャップ３０の開口端３０Ａ周辺に配置された接着剤で磁気シールドキャップ３０をリードフレーム２６側のパッケージ２４に接着して、磁気シールドキャップ３０内が封止されている。

また、このリードフレーム２６が屈曲部２６Ａで曲げられて、スピンバルブ型ＧＭＲ素子２２を搭載したリードフレーム２６の素子搭載部３２が磁気シールドキャップ３０側に突出した形にされることで、スピンバルブ型ＧＭＲ素子２２が磁気シールドキャップ３０内に位置しつつ、磁気シールドキャップ３０及びリードフレーム２６により囲まれた構造ともなっている。

つまり、本実施の形態によれば、磁気シールドキャップ３０によってスピンバルブ型ＧＭＲ素子２２に対する磁気シールドを図るだけでなく、磁気シールドし得る例えばＮｉ合金をリードフレーム２６の材質として採用したことで、リードフレーム２６側からスピンバルブ型ＧＭＲ素子２２への外来磁気を遮断することも可能となった。

さらに、リードフレーム２６を絞り加工して、素子搭載部３２を磁気シールドキャップ３０側に一段突出した構造とすることで、磁気シールドキャップ３０とリードフレーム２６との接触によるショートを防ぎつつ、スピンバルブ型ＧＭＲ素子２２を磁気シールドキャップ３０及びリードフレーム２６で囲むことができるようになった。すなわち、スピンバルブ型ＧＭＲ素子２２を磁気シールドキャップ３０及びリードフレーム２６で囲む構造としたことで、従来構造のように磁気シールドキャップ３０を基板の上から単に被せた構造と異なって、慣性センサ１０の厚み方向の寸法を小さくして薄型化を図ることも可能となった。

以上より、本実施の形態によれば、磁気シールドし得る材料でリードフレーム２６を形成し、このリードフレーム２６の素子搭載部３２を磁気シールドキャップ３０側に一段突出させて、スピンバルブ型ＧＭＲ素子２２を磁気シールドキャップ３０及びリードフレーム２６で囲む構造としたことで、小型化を図りつつ外部の磁気を確実に遮断した慣性センサ１０となった。

一方、本実施の形態では、封止を考慮して絞り加工により一体形状のキャップ状に磁気シールドキャップ３０が製作されるだけでなく、この磁気シールドキャップ３０の開口端３０Ａ周辺の全周にわたって配置された接着剤によって、磁気シールドキャップ３０とリードフレーム２６側のパッケージ２４との間が接着されていることから、磁気シールドキャップ３０内が確実に封止されるようになる。

さらに、本実施の形態では、リードフレーム２６の基端側が合成樹脂材によるパッケージ２４内に封入されているだけでなく、パッケージ２４から突き出したリードフレーム２６の先端側が、曲げ部２６Ｂにより磁気シールドキャップ３０から離れる側に向かって曲げられている。

つまり、リードフレーム２６が曲げ部２６Ｂを有し、この曲げ部２６Ｂにより磁気シールドキャップ３０から離れる側に向かってリードフレーム２６の先端側が曲げられたことで、磁気シールドキャップ３０とリードフレーム２６との間の接触によるショートを一層確実に防ぎつつ、磁気シールドキャップ３０でスピンバルブ型ＧＭＲ素子２２を確実に被う構造にできるようになる。

次に、本実施の形態に係る慣性センサ１０の動作を説明する。
本実施の形態に係る慣性センサ１０は、Ｌ字形状の片持ち梁構造とされるゴム材１６を有していて、このゴム材１６の基端側がベースプレート１４に連結されると共に、このゴム材１６の先端側に、必要な大きさの質量を有した錘１８が取り付けられた構造とされている。

従って、本実施の形態では、ゴム材１６の先端側に支持された状態の錘１８に、微小な加速度が加わった場合、錘１８の重量との関係で生じることになる力によって、容易にゴム材１６が弾性変形し、これに伴って錘１８及びこの錘１８の表面に配置される磁場発生部材２０が変位することになる。

また、この磁場発生部材２０がその周囲に磁場を生じさせているが、この磁場発生部材２０と対向して配置されたスピンバルブ型ＧＭＲ素子２２が、これら錘１８及び磁場発生部材２０の変位に伴う磁場発生部材２０の磁束方向の変化を検出できるようになる。この結果、本実施の形態の慣性センサ１０によれば、磁束方向の変化の形で微小な加速度を検出できるようになった。

尚、上記実施の形態では、磁気シールドキャップ及びリードフレームの材質として、それぞれ４２アロイを採用したが、磁気シールド効果を有するような材料であれば、他の材料であっても良い。

本発明の一実施の形態に係る慣性センサを示す図であって、（Ａ）は正面から見た断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の１Ｂ−１Ｂ矢視線断面図である。 本発明の一実施の形態に係る慣性センサを示す分解図である。 本発明の一実施の形態に係る慣性センサに適用されるリードフレームの製作を示す図であって、（Ａ）は長尺材を打ち抜いた状態を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の３Ｂ−３Ｂ矢視線断面図である。 本発明の一実施の形態に係る慣性センサに適用されるリードフレームの製作を示す図であって、（Ａ）はパッケージを成形した状態を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の４Ｂ−４Ｂ矢視線断面図である。

符号の説明

１０ 慣性センサ
２０ 磁場発生部材
２２ スピンバルブ型ＧＭＲ素子（磁気感応素子）
２４ パッケージ
２６ リードフレーム
２６Ｂ 曲げ部
３０ 磁気シールドキャップ（金属キャップ）
３０Ａ 開口端
３２ 素子搭載部
３４ 端子部

Claims (3)

1. 磁気感応素子を検出素子として用いた慣性センサであって、
   磁気シールドし得る材料で形成されたリードフレームに前記磁気感応素子が搭載されると共に、金属製の金属キャップが前記磁気感応素子に被せられ、
   前記磁気感応素子を搭載した前記リードフレームの素子搭載部が前記金属キャップ側に突出した形に、前記リードフレームを曲げて、前記磁気感応素子を前記金属キャップ及び前記リードフレームにより囲んだことを特徴とする慣性センサ。
2. 前記金属キャップが絞り加工によりキャップ状に形成されると共に、前記金属キャップの開口端周辺に接着剤が配置され、
   前記金属キャップ内が封止されるように、開口端周辺に配置された接着剤で前記金属キャップを前記リードフレーム側に接着することを特徴とする請求項１記載の慣性センサ。
3. 前記リードフレームの基端側が合成樹脂材によるパッケージ内に封入され、
   前記金属キャップから離れる側に向かって前記リードフレームの先端側が曲げられる曲げ部を前記リードフレームが有することを特徴とする請求項１或いは請求項２に記載の慣性センサ。
   

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