JP2007107953A - 角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】振動型の角速度検出素子を、配線部材を介して基板に取り付けてなる角速度センサにおいて、配線部材を防振部材として機能させるうえで、小型化と高信頼性との両立を可能にする。
【解決手段】角速度検出素子２０と基板１０とは、金属よりも可撓性が大きく且つ電気絶縁性を有するテープ状の基部３１に複数本の配線３２を設けてなる配線部材としてのフレキシブルプリント基板３０を介して電気的に接続されており、このフレキシブルプリント基板３０における両端部３３が、基板１０に固定され、フレキシブルプリント基板３０における両端部３３の間に位置する部位が基板１０からドーム形状となって離れており、角速度検出素子２０は、フレキシブルプリント基板３０における基板１０から離れている部位に搭載されて、配線３２と電気的に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動型の角速度検出素子を、配線部材を介して基板に取り付けてなる角速度センサに関し、特に、配線部材を防振部材として機能させるものに関する。

従来、この種の角速度センサは、振動体を備え振動体の振動に基づいて角速度の検出を行う振動型の角速度検出素子を有しており、この角速度検出素子を、配線部材を介して回路基板やケースなどの基板に取り付けてなる。

そして、従来では、このような角速度センサとして、配線部材として金属製棒状をなすリード端子を用い、このリード端子をバネ形状とすることにより防振部材としても機能させるようにしたものが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
国際公開第０３／０４６４７９号パンフレット

ところで、振動型の角速度センサにおいては、振動体を駆動振動させ、角速度印加時のコリオリ力による振動体の変位すなわち検出振動を検出することで角速度検出を行う。これら振動は、通常、たとえば数千Ｈｚ程度の高周波振動であり、このような高周波の振動に基づいて角速度検出を行う。

そこで、防振を施すにあたっては、このような外部からの高周波の振動を減衰するために、防振部材等を使って検出振動の周波数と同じになるような構造共振周波数を低くする（たとえば数百〜数十Ｈｚ程度）ことで防振することが必要となるが、そのためには、防振機能を持つ配線部材として金属製棒状のリード端子を用いた従来のものでは、このリード端子を長くして、よりたわみやすくする、すなわちリード端子の可撓性を大きくすることが必要になってくる。

しかし、上記した従来のものにおいて、リード端子を長くすると、リード端子の機械的強度が小さくなって信頼性が低下したり、リード端子を含めたセンサの体格が大きくなってしまうなどの問題が生じやすい。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、振動型の角速度検出素子を、配線部材を介して基板に取り付けてなる角速度センサにおいて、配線部材としてリード端子を用いることなく、配線部材を適切に防振部材として機能させることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明者は、従来の防振機能を有する配線部材が金属製棒状であることに着目した。

そして、配線部材を、テープ状の基部に配線を設けてなるテープ形状をなすものとすることでより強度が向上できると同時に、その基部を可撓性を有するものとすることで、配線部材をさほど長くすることなく、その弾性による防振機能を確保することができると考えた。

すなわち、本発明においては、配線部材（３０）を、可撓性を有し且つ電気絶縁性を有するテープ状の基部（３１）に配線（３２）を設けてなるものとし、この配線部材（３０）における少なくとも２箇所の周辺端部を、基板（１０）に固定するとともに、配線部材（３０）における基板（１０）に固定された部位（３３）の間に位置する部位が基板（１０）から離れるようにし、角速度検出素子（２０）を、配線部材（３０）における基板（１０）から離れている部位に搭載し、配線（３２）と電気的に接続したことを第１の特徴とする。

それによれば、配線部材（３０）を、可撓性を有する電気絶縁性のテープ状の基部（３１）により構成し、このテープ形状をなす配線部材（３０）の周辺端部を少なくとも２箇所、基板（１０）に固定し、その固定部（３３）の間の部位を基板（１０）から離しているため、その離した部分に角速度検出素子（２０）を支持して配線部材（３０）の弾性による防振がなされる。

そのため、配線部材としてリード端子を用いることなく、配線部材を適切に防振部材として機能させることができる。そして、たとえば、従来のリード端子に比べて、小型化と高信頼性との両立を図ることも可能になる。

また、本発明は、配線部材（３０）を長方形のテープ状とし、その長手方向の両端部を基板（１０）に固定された部位（３３）とし、配線部材（３０）の幅方向を、振動体（２１）における駆動振動の方向に沿ったものとしたことを第２の特徴とする。それによれば、駆動振動方向への漏れを防止できる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

図１は、本発明の実施形態に係る角速度センサ１００の概略構成を示す図であり、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）の上視平面図である。なお、図１において、（ａ）では配線３２は省略し、（ｂ）では振動体２１は省略してある。この角速度センサ１００は、たとえば、自動車に搭載されて自動車に印加される角速度を検出するものとして適用することができる。

基板１０は、プリント回路基板、セラミック回路基板あるいは、ケースなどであり、本角速度センサ１００の土台となるものである。本例では、基板１０はプリント回路基板からなる。

この基板１０の一面１１上には、振動型の角速度検出素子２０が取り付けられている。ここでは、角速度検出素子２０は、配線部材３０を介して機械的・電気的に接続されており、配線部材３０によって基板１０の一面１１上に支持されている。

角速度検出素子２０は角速度検出の用途をなすものであり、振動型の角速度検出素子として一般に知られている半導体チップからなるものや、音叉形状の圧電体などからなる種々のタイプのものが適用できる。

本例では、角速度検出素子２０は、上記特許文献１に記載のものと同様に、振動体２１を備えた半導体チップを有するものである。具体的に、このような角速度検出素子２０としての半導体チップにおける振動体２１は、一般に知られている櫛歯構造の電極部を有する振動体で、弾性を有する梁により支持されて角速度の印加により可動となっている。

そして、図１において、振動体２１がｘ軸方向に駆動振動しているときにｚ軸回りの角速度Ωが印加されると、ｘ軸と直交するｙ軸の方向へコリオリ力により振動体２１が検出振動するようになっている。そして、この振動体２１の検出振動に基づく電気信号を検出することにより、角速度Ωの検出が可能となっている。

また、配線部材３０は、テープ状の基部３１に配線３２を設けてなるものである。ここで、基部３１は、可撓性を有し且つ電気絶縁性を有するものであり、具体的には、基部３１を構成する材料としては金属よりも可撓性の大きい樹脂などが挙げられる。

また、配線３２は、角速度検出素子２０に対して駆動および検出の信号の授受を可能とするためのものであり、本例では、配線３２は複数本のものからなる。このような配線３２は、導電性材料からなるものであり、具体的には金属などが挙げられる。

本実施形態では、配線部材３０は、基部３１が樹脂からなり、配線３２が金属箔からなるフレキシブルプリント基板３０である。このような配線部材３０としてのフレキシブルプリント基板３０は、一般的なものと同様のものであり、テープ状の基部３１は電気絶縁性のポリイミドやポリエステルなどのフィルムからなり、複数本の配線３２は、その基部３１の表面に貼り付けられた銅箔などの金属箔からなる。

本例では、フレキシブルプリント基板３０の本体をなす基部３１は、その平面形状が細長の長方形状をなすテープ状のものであり、配線３２は、基部３１の長手方向に沿って複数本のものがストライプ状に配置されている。このようなテープ形状とした場合、樹脂は、その特性上、金属よりも可撓性が大きいものであり、金属からなるテープ部材よりもたわみやすい。

また、配線部材３０は、その長手方向の２箇所の端部３３が、基板１０の一面１１に固定されており、この固定された２箇所の端部３３は、配線部材３０における基板１０に固定された部位３３、すなわち固定端部３３として構成されている。

ここで、本実施形態では、配線部材３０の固定端部３３は、はんだや導電性接着剤などの導電性接合部材４０を介して、基板１０における図示しない導体部と電気的・機械的に接続されている。具体的には、配線部材３０の配線３２と基板１０における上記導体部とが、導電性接合部材４０を介して導通している。

なお、このような配線部材３０の固定端部３３と基板１０との電気的・機械的な接続は、上記した導電性接合部材４０以外にも、たとえば溶接や圧着などを用いても、同様に実現することができる。

そして、図１に示されるように、配線部材３０の固定端部３３には、当該固定端部３３の基板１０への接続強度を補強する補強部材５０が設けられている。この補強部材５０としては、たとえば、接着剤やモールド樹脂などを採用することができる。それによって、上記導電性接合部材４０による配線部材３０の配線３２の接続だけでなく、基部３１と基板１０との機械的な接続もなされる。

また、図１に示されるように、基板１０の一面１１には、配線部材３０における固定端部３３の位置ずれを防止する位置ずれ防止部材６０が設けられている。この位置ずれ防止部材６０は、本例では、当該固定端部３３の周辺部に設けられているが、基板１０に設けられていればよく、その位置は限定されるものではない。

ここでは、位置ずれ防止部材６０は、基板１０の一面１１から突出して形成された突起６０であり、当該固定端部３３は、この突起６０に干渉して位置ずれが防止されるようになっている。このような突起６０は、基板１０の一面１１に一体に成形されたものでもよいし、接着されたものであってもよい。

なお、位置ずれ防止部材６０としては、このような突起６０以外にも、基板１０の一面１１のうち固定端部３３が接続される部位に設けられた凹部でもよい。この場合、配線部材３０の固定端部３３が、この凹部の底面に接続固定され、当該固定端部３３の位置ずれは、当該固定端部３３が当該凹部の壁面に干渉することにより防止できる。

そして、配線部材３０においては、これら両固定端部３３の間に位置する部位が、基板１０から離れて配置されている。図１（ａ）に示されるように、配線部材３０における両固定端部３３の間の部位は、基板１０の一面１１上に凸となった形状にて基板１０から離れている。

つまり、本例では、配線部材は、細長の長方形テープ状をなし、その両固定端部３３を基板１０に支持させた状態で、中央部が基板１０上に盛り上がったドーム形状をなしている。

そして、角速度検出素子２０は、配線部材３０における基板１０から離れている部位すなわち配線部材３０の中央部の上に搭載されている。本例では、図１に示されるように、角速度検出素子２０は、配線部材３０の配線３２と、はんだ７０を介して電気的・機械的に接続されている。

こうして、角速度検出素子２０は、配線部材３０と電気的に接続され、角速度検出素子２０と外部との電気信号のやり取りは、配線部材３０およびこれと電気的に接続された基板１０を介して行われるようになっている。また、角速度検出素子２０は、機械的にも、配線部材３０を介して基板１０に接続されることで、基板１０の一面１１上に支持されている。

このような配線部材３０を介した角速度検出素子２０の支持構造によれば、角速度検出素子２０を質量とし、可撓性を有する配線部材３０をバネとしたバネ−マス系が形成されることになる。

そして、本例では、配線部材３０は、その基部３１の弾性により、実質的に、図１中のｚ軸方向すなわち基板１０の一面１１と垂直な方向、および、ｙ軸方向すなわち角速度検出素子２０における振動体２１の検出振動の方向に、弾性変形が可能となっており、角速度検出素子２０に対して、これらｙ、ｚの各軸方向への外部振動が減衰されるようになっている。

つまり、上述した振動体２１の駆動および検出振動にとって不要なｚ軸方向への外部振動が、配線部材３０の防振機能によって減衰され、また、角速度Ωの検出の基となる検出振動に対する外部振動が減衰されることにより、角速度検出素子２０の防振がなされるようになっている。

特に、本例では、配線部材３０における固定端部３３の間に位置する部位を、基板１０上に凸となった形状すなわちドーム状の形態にて基板１０から離しているため、図１中のｚ軸方向へ配線部材３０が弾性変形しやすくなっている。そのため、本例では、図１中のｚ軸方向すなわち振動体２１の駆動および検出振動の方向とは直交する方向への防振機能が高いものとなっている。

なお、本例では、配線部材３０を長方形のテープ状とし、その長手方向の両端を固定端部３３としているため、配線部材３０は、その幅方向すなわち長手方向と直交する方向には弾性変形しにくい。

そして、本例では、このような長方形テープ状の配線部材３０の幅方向を、図１中のｘ軸方向すなわち振動体２１の駆動振動の方向に沿ったものとしているため、この方向には、配線部材３０は、さほど弾性変形せず、それによって駆動振動の漏れを防止するようにしている。

このような防振機能を発揮させるために、本実施形態では、従来と同様に、配線部材３０をバネとしたバネ−マス系における共振周波数を、振動体２１の駆動および検出振動の共振周波数（たとえば、数千Ｈｚ）よりも低く（たとえば数百〜数十Ｈｚ程度）となるように、配線部材３０のバネ定数を設計している。

こうして、本実施形態によれば、配線部材３０を、可撓性を有する電気絶縁性のテープ状の基部３１により構成し、このテープ形状をなす配線部材３０の周辺端部を基板１０に固定し、その固定端部３３の間の部位を基板１０から離しているため、その離した部分に角速度検出素子２０を支持して配線部材３０の弾性による防振がなされる。

そのため、本実施形態によれば、配線部材３０としてリード端子を用いることなく、配線部材３０を適切に防振部材として機能させることができる。

そして、本実施形態では、配線部材３０は、可撓性を有するテープ状の基部３１、本例では金属よりも可撓性の大きなテープ状の基部３１よりなるため、配線部材を防振部材として機能させるうえで、従来の金属製棒状の配線部材に比べて、さほど長くすることなく可撓性を大きくしてバネ定数を小さくすることができる。

つまり、本実施形態のテープ状の配線部材３０によれば、そもそも従来の金属製棒状の配線部材に比べて、形状的に機械的強度に優れるとともに、その長さを小さくできることから、配線部材３０の断線を極力抑制でき、小型化と高信頼性との両立を図ることが可能になる。

また、本実施形態では、上述したように、配線部材３０における固定端部３３の接続強度を補強する補強部材５０が設けられており、また、基板１０において、当該固定端部３３の周囲には、その位置ずれを防止する位置ずれ防止部材６０が設けられている。

これら補強部材５０や位置ずれ防止部材６０は無いものであってもよいが、配線部材３０による防振機能をより安定して発揮するには、配線部材３０の固定端部３３の接続強度を補強したり、位置ずれを防止したりすることで、固定端部３３のぐらつきを抑え、固定端部３３の基板１０への固定を強固にする方がよい。

また、本実施形態では、配線部材３０における基板１０に固定された部位の間の距離によって、角速度検出素子２０および配線部材３０の構造共振周波数、すなわち、配線部材３０をバネとし配線部材３０および角速度検出素子２０をあわせた重さを質量とするバネマス系の構造共振周波数が決定されている。

つまり、本実施形態は、配線部材３０の固定位置を調整することで、構造共振周波数を調整する機構を持つものであり、具体的には、配線部材３０における固定端部３３の間の距離を調整すれば、当該構造共振周波数を調整できる。

たとえば、図１の例では、配線部材３０における固定端部３３の間の距離を狭くすれば、配線部材３０の中央部が、より盛り上がっていき、配線部材３０はたわみやすくなる。すなわち、当該構造共振周波数基板を低くできる。このことから、最適な構造共振周波数を求め、そのような周波数となるように、配線部材３０における固定端部３３の間の距離を決めて、組付けを行えばよい。

（他の実施形態）
なお、上記図に示される形態は、本発明の一実施形態を示すものであり、これに限定されるものではない。たとえば、本発明は、他の実施形態として、以下の各図２〜図４に示されるような形態が採用可能である。

図２は、角速度検出素子２０の配線部材３０に対する搭載位置を変形した例を示す概略断面図、図３は、配線部材３０の基板１０から離れる形状を変形した例を示す概略断面図、図４は、形状を変形した配線部材３０の単体の概略平面図である。

上記図１に示される例では、角速度検出素子２０は、配線部材３０における基板１０から離れている部位の上側、すなわち、配線部材３０における基板１０とは反対側の面に搭載されていた。

それに対して、図２に示されるように、角速度検出素子２０は、テープ状の配線部材３０における基板１０から離れている部位において、配線部材３０における基板１０と対向する面に搭載されてもよい。

配線部材としてのフレキシブルプリント基板３０においては、両面フレキシブルプリント基板、すなわち、配線３２を基部３１の表裏両面に設けることが可能であり、これら両面の配線３２は、スルーホールなどにより導通している。そのため、フレキシブルプリント基板３０のどちらの面に角速度検出素子２０を搭載してもかまわない。

また、配線部材３０における固定端部３３の間に位置する部位は基板１０から離れていればよく、それによって、その離れている部位が、固定端部３３を基点として、その弾性により自由に弾性変形可能となっていればよい。

上記実施形態では、配線部材３０における固定端部３３の間に位置する部位は、基板１０上に凸となった形状すなわちドーム状の形態にて基板１０から離れていたが、これに限定されるものではない。

たとえば、図３に示されるように、基板１０に対し当該基板１０を貫通する穴１２を設け、この穴１２をまたぐように配線部材３０を配置するようなものであってもよい。そして、配線部材３０のうちこの穴１２をまたいだ部位が、配線部材３０における基板１０から離れている部位となっている。

この場合、基板１０上に凸となった形状ではなく、逆に角速度検出素子２０の重さにより、基板１０側に若干凹むようにたわんだ形状となるが、その作用効果は上記実施形態と同様である。もちろん、この場合にも、上記図１に示されるように、穴１２の上にて配線部材３０をドーム状に形成してもよい。

なお、この図３に示される例の場合、基板１０を離して２枚設け、この２枚の基板１０の間隔が図３中の穴１２として構成されたものとし、これら２枚の基板１０をまたぐように配線部材３０を配置してもよい。

つまり、基板１０を２個設け、配線部材３０における固定端部３３の一方を、一方の基板１０に固定されたものとし、固定端部３３の他方を、もう一方の基板１０に固定されたものとし、配線部材３０における基板１０から離れている部位を、２個の基板１０の間に位置する部位としてもよい。

そして、このように２つの基板１０を持つものであって、それらをつなぐ配線として用いるフレキシブル基板３０上に角速度検出素子２０を搭載して防振構造とした場合には、２個の基板１０の間の距離によって、角速度検出素子２０および配線部材３０の構造共振周波数が決定されている。

つまり、図３の例は、２個の基板１０の固定位置を調整することによって上記構造共振周波数を調整する機構を持つものであり、具体的には、２個の基板１０間の距離を狭くすれば、配線部材３０の中央部が、凹んでいき、配線部材３０はたわみやすくなる。すなわち、当該構造共振周波数基板を低くできる。

また、配線部材３０は、その周辺端部の少なくとも２箇所の周辺端部が、基板１０に固定されたものであればよく、当該周辺端部のうち２箇所以上が基板１０に固定されていてもよい。

たとえば、図４に示される配線部材３０のように、平面形状が周辺端部３３が３個以上（図示例では６個）に別れて放射状に広がるものであってもよい。この場合、３個以上の周辺端部３３がそれぞれ基板１０に固定されて固定端部３３として構成されるとともに、配線部材３０の中央部が、基板１０から凸となって離れるものとなる。

また、上記実施形態では、角速度検出素子２０と配線基板３０の配線３２とは、はんだなどの導電性接合部材７０を介して接続されていたが、これと同様の接続機能を実現するためには、ボンディングワイヤなどであってもよい。

また、上記実施形態では、長手方向の両端を固定端部３３とした長方形テープ状の配線部材３０において、その幅方向を振動体２１の駆動振動の方向に沿ったものとして駆動振動の漏れを防止するようにしていた。しかし、このような配線部材３０の配置形態は、上記実施形態に限定されるものでなく、角速度検出素子２０における駆動振動、検出振動が阻害されないような防振が施されればよい。

また、配線部材は、上述したフレキシブルプリント基板３０に限定されるものではない。基部３１は樹脂でなくてもよくテープ状とした場合に、可撓性を有し且つ絶縁性のものであるならばよい。

また、角速度検出素子２０としては、上述した半導体チップや圧電体よりなる音叉などの単体からなるものでなくてもよく、これらと回路基板とが組み合わされたユニットであったり、さらにこのユニットをパッケージなどに収納したものであってもよい。

本発明の実施形態に係る角速度センサの構成を示す図であり、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）の上面図である。 他の実施形態として角速度検出素子の配線部材に対する搭載位置を変形した例を示す概略断面図である。 他の実施形態として配線部材の基板から離れる形状を変形した例を示す概略断面図である。 他の実施形態として形状を変形した配線部材の単体の概略平面図である。

符号の説明

１０…基板、２０…角速度検出素子、２１…振動体、
３０…配線部材としてのフレキシブルプリント基板、
３１…配線部材の基部、３２…配線部材の配線、
３３…配線部材における基板に固定された部位としての固定端部、
５０…補強部材、６０…位置ずれ防止部材。

Claims (10)

1. 振動体（２１）を有する振動型の角速度検出素子（２０）を基板（１０）に取り付けてなる角速度センサにおいて、
   前記角速度検出素子（２０）と前記基板（１０）とは、可撓性を有し且つ電気絶縁性を有するテープ状の基部（３１）に配線（３２）を設けてなる配線部材（３０）を介して電気的に接続されており、
   前記配線部材（３０）における少なくとも２箇所の周辺端部が、前記基板（１０）に固定され、この配線部材（３０）における前記基板（１０）に固定された部位（３３）の間に位置する部位が前記基板（１０）から離れており、
   前記角速度検出素子（２０）は、前記配線部材（３０）における前記基板（１０）から離れている部位に搭載されて、前記配線（３２）と電気的に接続されていることを特徴とする角速度センサ。
2. 前記配線部材（３０）における前記基板（１０）に固定された部位の間の部位は、前記基板（１０）上に凸となった形状にて前記基板（１０）から離れていることを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ。
3. 前記配線部材（３０）における前記基板（１０）に固定された部位（３３）には、当該部位（３３）の接続強度を補強する補強部材（５０）が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の角速度センサ。
4. 前記基板（１０）には、前記配線部材（３０）における前記基板（１０）に固定された部位（３３）の位置ずれを防止する位置ずれ防止部材（６０）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の角速度センサ。
5. 前記基板（１０）には穴（１２）が設けられており、
   前記配線部材（３０）は、前記穴（１２）をまたいでおり、この穴（１２）をまたいだ部位が、前記配線部材（３０）における前記基板（１０）から離れている部位となっていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の角速度センサ。
6. 前記配線部材（３０）は、前記基部（３１）が樹脂からなり、前記配線（３２）が金属箔からなるフレキシブルプリント基板（３０）であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の角速度センサ。
7. 前記配線部材（３０）は長方形のテープ状であり、その長手方向の両端部が前記基板（１０）に固定された部位（３３）となっており、
   前記配線部材（３０）の幅方向が、前記振動体（２１）における駆動振動の方向に沿っていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の角速度センサ。
8. 前記配線部材（３０）における前記基板（１０）に固定された部位の間の距離によって、前記角速度検出素子（２０）および前記配線部材（３０）の構造共振周波数が決定されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の角速度センサ。
9. 前記基板（１０）は２個設けられており、
   前記配線部材（３０）における前記基板（１０）に固定された部位の一方が、一方の前記基板（１０）に固定され、当該固定された部位の他方がもう一方の前記基板（１０）に固定されたものであり、
   前記配線部材（３０）における前記基板（１０）から離れている部位は、前記２個の前記基板（１０）の間に位置する部位であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の角速度センサ。
10. 前記２個の基板（１０）の間の距離によって、前記角速度検出素子（２０）および前記配線部材（３０）の構造共振周波数が決定されていることを特徴とする請求項９に記載の角速度センサ。
    

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