JP2007071672A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 小型でありながら振動漏れの影響を可及的に低減することができ、高い検出精度が得られる角速度センサを提供する。
【解決手段】 角速度を検出する音叉型振動子１０と、音叉型振動子１０を実装するパッケージ３０とを有し、音叉型振動子１０の幅方向が、パッケージ３０の長辺方向となるように音叉型振動子１０をパッケージ３０に配置している。従って、音叉型振動子１０をパッケージ３０に保持したときのイナーシャを大きくすることができ、音叉型振動子１０の振動を外部に漏れにくくすることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は角速度センサに関し、より詳細には音叉型振動子を用いた角速度センサに関する。

角速度センサは、回転時の角速度を検知するセンサであり、カメラの手ぶれ防止やカーナビゲーションなどのシステム、自動車やロボットの姿勢制御システムなどに利用されている。

この角速度センサの角速度を検出する素子として、形状が簡素で製造が容易である等の理由から音叉型振動子を用いたものが知られている。音叉型振動子は、例えば、特許文献１のように一対のアーム２とこれを一端側で連結するベース３を有する構成の音叉型振動子１を素子として用い、当該アーム２の一端を自由端とするとともにベース３の下方を固定端としてパッケージ４に設けられた電極パッド５に導電接合材により電気的機械的に接続している（図１参照）。

特開平１１−２３０７５８号公報

音叉型振動子は、何らかの部材を介してパッケージに取り付けられたり、パッケージに直接取り付けられることになるが、振動子の振動がパッケージへと伝達し、いわゆる外部への振動漏れが生じるおそれがある。特に、パッケージ材料にセラミック等の軽量なものを使用すると、振動漏れによって、音叉型振動子の特性が安定しないという問題が生じる。すなわち、角速度の検出値に誤差が生じてしまう。特許文献１も振動漏れについてはなんら考慮していない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、小型でありながら振動漏れの影響を可及的に低減することができ、高い検出精度が得られる角速度センサを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために本発明の角速度センサは、角速度を検出する振動子と、前記振動子を実装するパッケージとを有し、前記振動子の幅方向が、前記パッケージの長辺方向となるように前記振動子を前記パッケージに配置した構成を備えている。従って、振動子をパッケージに保持したときのイナーシャを大きくすることができ、振動子の振動を外部に漏れにくくすることができる。

上記角速度センサにおいて、前記パッケージ内で、前記振動子が鉛直方向に対して所定角度傾くように前記振動子を前記パッケージに取り付けるとよい。従って、角速度センサを傾斜させて取り付ける時に、振動子を傾斜させるようにしたので、角速度センサ自体の高さが高くなることがなく、装置を小型化することができる。

上記角速度センサにおいて、前記パッケージは、前記振動子が前記パッケージ内で前記所定角度傾くように位置決めする位置決め部材を備えているとよい。また、この位置決め部材は、前記振動子を前記パッケージ内で複数の傾斜角度に設定するとよい。

上記角速度センサにおいて、中央部分の厚みが厚く形成された、前記振動子を前記パッケージ内に封止する蓋部材を有していてもよいし、前記パッケージの周辺部に、重りを貼り合わせてもよい。このような構成であっても振動子をパッケージに保持したときのイナーシャを大きくすることができ、振動子の振動を外部に漏れにくくすることができる。

上記角速度センサにおいて、前記パッケージを支持する回路基板と、前記角速度センサの実装面に対して前記回路基板を垂直に支持する支持基板とを有しているとよい。また、前記回路基板上に実装されたチップ部品を有し、前記パッケージは、前記チップ部品を覆うように前記回路基板に取り付けられていてもよい。さらに、前記角速度センサは、前記回路基板上に実装されたチップ部品を有し、前記パッケージは、前記チップ部品を設けた前記回路基板の面とは反対側の面に設けられていてもよい。

本発明は、全体が小型でありながら振動漏れの影響を可及的に低減することができ、高い検出精度を得ることができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の最良の実施例を詳細に説明する。

図２に、角速度センサの実施例の構成を示す。図２に示す角速度センサ１００は、音叉型振動子１０と、振動子を支持する支持フレーム２０と、セラミックスで形成されたパッケージ３０とを有している。

音叉型振動子１０は、図２に示すようにベース１３と、ベース１３から同一方向に伸びる離間配置された２つのアーム１１、１２とを有している。

支持フレーム２０は、図２に示すように音叉型振動子１０のベース１３を支持し、音叉型振動子１０をパッケージ３０に固定する。支持フレーム２０の展開図を図３（Ａ）に示し、上面図を図３（Ｂ）に示し、正面図を図３（Ｃ）に示し、支持フレーム２０により音叉型振動子１０を支持し、パッケージ３０に搭載した様子を図３（Ｄ）に示す。
支持フレーム２０は、図３（Ａ）に示すように音叉型振動子１０の載置面となる平坦部２１と、音叉型振動子１０を載せた平坦部２１を支持するアーム部２２と、平坦部２１及びアーム部２２をパッケージ３０に安定して固定する脚部２３とを有している。

平坦部２１とベース１３とは、例えばエポキシ系樹脂の接着剤で固定される。この固定は、高い生産性を持って行える。アーム部２２は、図３（Ｃ）に示すようにアーチ状に折り曲げられている。アーム部２２が撓むことで音叉型振動子１０を弾性的に保持している。また、脚部２３は、音叉型振動子を安定して支えることができるようにパッケージ３０と接する接触面の面積を大きく取っている。

さらに支持フレーム２０には、音叉型振動子１０のベース１３を支持する平坦部２１に、Ｌ字状の折り返し部２４を設けている。Ｌ字状の折り返し部２４を設けることによって、ベース１３を指示する支持フレーム２０の支持面積が増え、接着強度が向上する。図３（Ｄ）は、図２に示すＡＡ’線で切断した断面の形状を示し、支持フレーム２０によって音叉型振動子１０が支持された状態を示している。

パッケージ３０は、セラミックで形成されている。パッケージ３０内には、図２に示すように音叉型振動子１０との電気的な接続を取るためのパッド３１を上面に設けたバンク（位置決め部材）３２と、電子部品（ＩＣチップ）３３の搭載領域とが設けられている。

本実施例では、音叉型振動子１０の幅方向（短手方向）が、パッケージの長辺方向となるよう音叉型振動子１０をパッケージ３０に配置している。すなわち、図２に示すパッケージ３０の幅をＷ、長さをＬとすると、音叉型振動子１０の長手方向に平行するパッケージの長さＬよりも、幅方向の幅Ｗの方が大きくなるようにパッケージ３０を設けている。このようにパッケージ３０の幅を広げることで、音叉型振動子１０をパッケージ３０で保持した時に、イナーシャを大きくすることができ、音叉型振動子１０の振動を外部に漏れにくくすることができる。
図４には、パッケージの幅方向の幅と、音叉型振動子１０の振動漏れとの関係を示すシミュレーション結果を示す。グラフの縦軸は、パッケージ３０で音叉型振動子１０を保持したときと保持していないときとの、音叉型振動子１０の共振周波数の差Δｆｙ［Ｈｚ］を示している。パッケージの長さＬを５［ｍｍ］で固定し、パッケージの幅を変更していった時の共振周波数の差をプロットしている。図４から判るように、パッケージ幅Ｗを、パッケージ長さＬよりも大きくしていくに従って、共振周波数の差Δｆｙも小さくなることが判る。この共振周波数の差Δｆｙが小さいほど、振動漏れが小さい。

次に、音叉型振動子１０のパッケージ３０内での配置について説明する。
角速度センサ１００をカーナビゲーション装置に搭載し、車に取り付ける場合、例えば車のダッシュボードが傾斜していると角速度センサ１００の検出軸が傾き、角速度検出誤差が大きくなってしまう。そこで、音叉型振動子１０をパッケージ３０に予め決められた所定角度だけ傾斜した状態で、簡単に取り付けられるようにすることで、角速度を精度よく検出することができる。
本実施例では、パッケージ３０内のバンク３２によって音叉型振動子１０の位置決めを行う。バンク３２は、図２に示すように音叉型振動子１０の左右両側に設けられているが、左側と右側のバンク３２で、図５に示すように音叉型振動子１０と向かい合う面の角度が異なるように設けられている。すなわち、図６に示すようにパッケージ３０の短辺方向に対する面の傾きが、左右のバンク３２で異なる。このバンク３２を利用して、音叉型振動子１０をパッケージに位置決めする。例えば、図６（Ａ）に示すように右側のバンク３２の面に平行するように支持フレーム２０を位置合わせすることで、音叉型振動子１０がパッケージの短辺方向に対してθ１だけ傾く。また、図６（Ｂ）に示すように左側のバンク３２の面に平行するように支持フレーム２０を位置合わせすることで、音叉型振動子１０がパッケージ３０の短辺方向に対してθ２だけ傾く。このようにして、簡単に音叉型振動子１０を所定角度だけ傾けてパッケージ３０に搭載することができる。また、音叉型振動子１０を傾斜させるときに、パッケージ３０を傾斜させるのではなく、音叉型振動子１０自体を傾斜させるので、角速度センサ１００自体の高さが高くなることがなく、装置を小型化することができる。さらに、本実施例は、パッケージ３０の幅Ｗを長さ方向よりも長くしているので、パッケージ３０内で音叉型振動子１０を回転させることができる。

ここで、音叉型振動子１０とパッケージ３０との電気的な接続について詳細に説明する。音叉型振動子１０には、図７に示す電極が形成されている。図７（ Ａ）は音叉型振動子１０の表側を示し、図７（Ｂ）は裏側を示す。アーム１１には検出電極１１ａ、１１ｂ、１１ｃが設けられている。検出電極１１ａと１１ｂは電極１１ｄで接続されている。検出電極１１ａには引出し電極１１ｆが設けられている。電極１１ｃは、引出し電極１１ｅに接続されている。同様に、アーム１２には、検出電極１２ａ、１２ｂ、１２ｃが設けられている。検出電極１２ａと１２ｂは電極１２ｄで接続されている。検出電極１２ａには引出し電極１２ｆが設けられている。検出電極１２ｃは、引出し電極１２ｅに接続されている。音叉型振動子１０の表面には駆動電極１４ａが設けられ、引出し電極１４ｂに接続されている。同様に、裏面には駆動電極１５ａが設けられ、引出し電極１５ｂに接続されている。

図７に示す引出し電極は、例えば図２に示すように、ワイヤ３６を用いてパッケージ３０に設けられたパッド３１にボンディングされる。パッド３１はバンク３２上に形成されており、パッケージ３０に設けられた配線に接続されている。

パッケージ３０上の搭載領域には電子部品（例えば、ＩＣチップ）３３が搭載されている。パッケージ３０上には、電子部品３３との接続電極３４が設けられ、接続電極３４と電子部品３３とは、ワイヤ３５によって接続される。なお、図２には、電子部品３３とパッケージ３０とをワイヤボンディングで接続した例を示したが、フリップチップボンディングによってこれらの電気的な接続を取っても良い。

さらに、パッケージ３０の表面側には、金属製のキャップ（蓋部材）６０を設けて音叉型振動子１０を封止している。キャップ６０は、図８に示すように２段構造となっている。キャップ６０をパッケージ３０上に載せた時に、パッケージ３０と当接する部分よりもその内側の部分の厚みが厚くなっており、パッケージ３０内に入り込むようになっている。このようにキャップ６０に厚みを持たせることで、キャップ６０を重くしイナーシャを大きくすることができる。さらに、キャップ６０と当接するパッケージ３０の縁周囲にもコバール等の金属の重り６１を貼り合わせることで、パッケージ自体の重さを重くすることができる。従って、パッケージ３０の重さを重くすることができ、イナーシャを大きくして、振動が外部に漏れにくくすることができる。

音叉型振動子１０を搭載したパッケージ３０は、図９に示すように回路基板５０と貼り合わされ、回路基板５０は、支持基板５１に立設した状態で支持される。パッケージ３０を搭載した回路基板５０の反対側の面には、回路部品５２が搭載される。なお、パッケージ３０の回路基板５０への搭載例は、図９に示すものだけではなく、図１０（Ａ）〜（Ｃ）に示すものなど種々の例が挙げられる。図１０（Ａ）、（Ｂ）は、回路基板５０自体がパッケージ３０の蓋となるように貼り合わせたものであり、図１０（Ａ）は、回路基板５０側に電子部品３３としてのＩＣチップを搭載した例を示し、図１０（Ｂ）は、パッケージ３０側にＩＣチップを搭載した例を示す。また図１０（Ｃ）は、キャップ６０を設けてパッケージ３０に蓋をしているが、ＩＣチップをパッケージ３０内ではなく、回路基板５０のパッケージ３０とは反対側の面に設けている。

さらに、図１１に示す構成は、回路基板５０に搭載したパッケージ３０をモールド成型した基板７０上に配置している。回路基板５０は、リード７２によって基板７０上に支持されている。また基板７０には、外部の装置と電気的な接続を取るための外部端子７１が設けられている。

以上、本発明の実施の形態を説明した。本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、これらの実施の形態を変形した構成や他の実施の形態を含むものである。例えば、音叉型振動子は２本〜４本のアームを持つ構成であってよい。

従来の角速度センサを示す図である。 本発明の角速度センサの構成を示す図である。 支持フレームの構成を示す図であり、（Ａ）は展開図、（Ｂ）は上面図、（Ｃ）は正面図、（Ｄ）は音叉型振動子を支持し、パッケージに搭載した様子を示す図である。 パッケージ幅と、音叉型振動子の振動漏れとの関係をシミュレーションした結果を示す図である。 パッケージの構成を示す斜視図である （Ａ）は、音叉型振動子をパッケージにθ１傾斜させて搭載した様子を示し、（Ｂ）は、音叉型振動子をパッケージにθ２傾斜させて搭載した様子を示す図である。 音叉型振動子の電極パターンを示す図である。 音叉型振動子を搭載したパッケージをキャップで封止した状態を示す図である。 音叉型振動子を搭載したパッケージの基板への搭載例を示す図である。 音叉型振動子を搭載したパッケージの基板への搭載例を示す図である。 音叉型振動子を搭載したパッケージの基板への搭載例を示す図である。

符号の説明

１０ 音叉型振動子
１１、１２ アーム
１３ ベース
２０ 支持フレーム
２１ 平坦部
２２ アーム部
２３ 脚部
２４折り返し部
３０ パッケージ
３１ パッド
３２ バンク
３３ 電子部品
３４ 接続電極
３５、３６ ワイヤ
５０ 回路基板
５１ 支持基板
５２ 回路部品
６０ キャップ
６１ 重り
７０ 基板
７１ 外部端子
７２ リード
１００ 角速度センサ

Claims (9)

1. 角速度を検出する振動子と、
   前記振動子を実装するパッケージとを有し、
   前記振動子の幅方向が、前記パッケージの長辺方向となるように前記振動子を前記パッケージに配置したことを特徴とする角速度センサ。
2. 前記パッケージ内で、前記振動子が鉛直方向に対して所定角度傾くように前記振動子を前記パッケージに取り付けることを特徴とする請求項１記載の角速度センサ。
3. 前記パッケージは、前記振動子が前記パッケージ内で前記所定角度傾くように位置決めする位置決め部材を備えることを特徴とする請求項２記載の角速度センサ。
4. 前記位置決め部材は、前記振動子を前記パッケージ内で複数の傾斜角度に設定することを特徴とする請求項３記載の角速度センサ。
5. 中央部分の厚みが厚く形成された、前記振動子を前記パッケージ内に封止する蓋部材を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の角速度センサ。
6. 前記パッケージの周辺部に、重りを貼り合わせたことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の角速度センサ。
7. 前記角速度センサは、前記パッケージを支持する回路基板と、前記角速度センサの実装面に対して前記回路基板を垂直に支持する支持基板とを有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の角速度センサ。
8. 前記角速度センサは、前記回路基板上に実装されたチップ部品を有し、前記パッケージは、前記チップ部品を覆うように前記回路基板に取り付けられていることを特徴とする請求項７記載の角速度センサ。
9. 前記角速度センサは、前記回路基板上に実装されたチップ部品を有し、前記パッケージは、前記チップ部品を設けた前記回路基板の面とは反対側の面に設けられていることを特徴とする請求項７記載の角速度センサ。
   

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