JP2013044524A - 角速度センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】角速度の検出精度の低下が抑制された角速度センサ装置を提供する。
【解決手段】互いに直交の関係にあるｘ方向とｙ方向とに変位可能な振動子、該振動子をｘ方向に振動させる加振部、及び、振動子のｙ方向への変位量を検出する検出部を有する角速度センサ（１０）と、該角速度センサ（１０）を搭載する搭載部（３０）と、角速度センサ（１０）と外部素子とを電気的に中継するリード（４０）と、該リード（４０）と搭載部（３０）を支持する支持部（５０）と、を有し、リード（４０）が外部素子に機械的に固定される角速度センサ装置（１００）であって、搭載部（３０）は、支持部（５０）に片持ち支持された吊りリード（３１）を有し、該吊りリード（３１）の端部に角速度センサ（１０）が搭載されており、吊りリード（３１）の長手方向が、ｘ方向若しくはｙ方向に沿っている。
【選択図】図１

Description

本発明は、角速度センサと、該角速度センサを搭載する搭載部と、角速度センサと外部素子とを電気的に中継するリードと、該リードと搭載部を支持する支持部と、を有する角速度センサ装置に関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されるように、角速度センサが取付部材に取り付けられてなる角速度センサの取付構造が提案されている。角速度センサは、振動体の検出振動に基づいて角速度の検出を行う角速度検出素子と、角速度検出素子を収納するパッケージと、角速度検出素子に電気的に接続されたリードフレーム（以下、単にリードと示す）と、を備えている。リードの一端部がパッケージに固定され、他端部が取付部材に固定されており、中間部が角速度センサの搭載方向に沿って取付部材へ向かって延びる延長部となっている。延長部は、延びる方向と直交する方向にバネ性を有して振動可能となっており、この延長部の振動方向は、振動体の検出振動の方向に沿った方向となっている。この延長部の振動により、外部振動に対する角速度検出素子（振動体）の防振がなされている。

特許第４５３４９１２号公報

ところで、上記したように、特許文献１に示される角速度センサの取付構造では、角速度検出素子を収納するパッケージと取り付け部材とが、リードを介して固定されている。これによれば、取付部材に印加された振動が、リードを介して角速度検出素子に伝達されるため、角速度の検出精度が低下する虞がある。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、角速度の検出精度の低下が抑制された角速度センサ装置を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、互いに直交の関係にあるｘ方向とｙ方向とに変位可能な振動子、該振動子をｘ方向に振動させる加振部、及び、振動子のｙ方向への変位量を検出する検出部を有する角速度センサ（１０）と、該角速度センサ（１０）を搭載する搭載部（３０）と、角速度センサ（１０）と外部素子とを電気的に中継するリード（４０）と、該リード（４０）と搭載部（３０）を支持する支持部（５０）と、を有し、リード（４０）が外部素子に機械的に固定される角速度センサ装置であって、搭載部（３０）は、支持部（５０）に片持ち支持された吊りリード（３１）を有し、該吊りリード（３１）の端部に角速度センサ（１０）が搭載されており、吊りリード（３１）の長手方向は、ｘ方向、若しくは、ｙ方向に沿っており、吊りリード（３１）は、自身の長手方向がｘ方向に沿う場合、ｙ方向に弾性を有し、自身の長手方向がｙ方向に沿う場合、ｘ方向に弾性を有することを特徴とする。

このように本発明によれば、角速度センサ（１０）が、外部素子に機械的に固定されるリード（４０）ではなく、支持部（５０）に片持ち支持された吊りリード（３１）に搭載されている。これによれば、角速度センサがリードに搭載された構成と比べて、外部素子に印加された外力が、角速度センサ（１０）に伝達され難い。そのため、上記した外力による振動子のｙ方向への変位量の変動が抑制される。

また、請求項１では、吊りリード（３１）の長手方向が、ｘ方向若しくはｙ方向に沿っている。そして、吊りリード（３１）の長手方向が、ｘ方向に沿う場合、吊りリード（３１）はｘ方向に直交するｙ方向に弾性を有し、撓み易くなるので、ｙ方向にバネ性を有することとなる。このため、外力が角速度センサ（１０）に印加されたとしても、ｙ方向に沿う振動が吊りリード（３１）によって低減され、振動子のｙ方向への変位量の変動が抑制される。これとは反対に、吊りリード（３１）の長手方向が、ｙ方向に沿う場合、吊りリード（３１）はｙ方向に直交するｘ方向に弾性を有し、撓み易くなるので、ｘ方向にバネ性を有することとなる。このため、外力が角速度センサ（１０）に印加されたとしても、ｘ方向に沿う振動が吊りリード（３１）によって低減され、振動子のｘ方向の振動の変化が抑制される。振動子のｙ方向への変位量は、振動子に印加されるコリオリ力に依存し、このコリオリ力は、ｘ方向の振動に依存する。したがって、外力による振動子のｙ方向への変位量の変動が吊りリード（３１）によって抑制される。このように、いずれの場合においても、外力による振動子のｙ方向への変位量の変動が抑制される。このため、角速度の検出精度の低下が抑制される。

請求項２に記載のように、吊りリード（３１）は、自身の長手方向に沿う複数の長手部（３２）と、隣り合う２つの長手部（３２）を連結する連結部（３３）と、を有し、２つの長手部（３２）の内の一方の長手部（３２）の一端と、他方の長手部（３２）の他端とが、連結部（３３）を介して連結された構成が好ましい。これによれば、吊りリード（３１）における短手方向のバネ性が向上されるので、角速度センサ（１０）の防振性が向上される。この結果、外力による振動子のｙ方向への変位量の変動が抑制され、角速度の検出精度の低下が抑制される。

請求項３に記載のように、搭載部（３０）は、吊りリード（３１）を複数有する構成が良い。これによれば、搭載部が１つの吊りリードを有する構成と比べて、角速度センサ（１０）の搭載状態が安定化される。

請求項４に記載のように、吊りリード（３１）とリード（４０）とが、ｙ方向、若しくは、ｘ方向に並んだ構成を採用することもできる。これによれば、角速度センサ装置（１００）の構成が簡素化される。

請求項５に記載のように、支持部（５０）は、角速度センサ（１０）を収納する収納空間を有するパッケージであり、該パッケージを構成する壁部に、吊りリード（３１）とリード（４０）とが支持された構成が良い。これによれば、角速度センサ（１０）が収納空間に保護されるので、外部環境の変動によって、電気的な接続不良や、出力信号の特性変動などの不具合が、角速度センサ（１０）に生じることが抑制される。

角速度センサ（１０）の具体的な構成としては、請求項６に記載のように、角速度センサ（１０）は、振動子が形成されたセンサチップ（１１）と、該センサチップ(１１)の出力信号を処理する処理回路が形成された回路チップ（１２）と、を有し、回路チップ（１２）にセンサチップ（１１）が積み重なったスタック構造を成した構成を採用することができる。

第１実施形態に係る角速度センサ装置の概略構成を示す平面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 リードフレームを説明するための平面図である。 角速度センサ装置の変形例を示す平面図である。 角速度センサ装置の変形例を示す平面図である。 吊りリードの変形例を示す平面図であり、（ａ）は吊りリードが１つの連結部を有する場合、（ｂ）は吊りリードが２つの連結部を有する場合、（ｃ）は連結部の平面形状が平行四辺形の場合を示す。 角速度センサ装置の変形例を示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る角速度センサ装置の概略構成を示す平面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。図３は、リードフレームを説明するための平面図である。以下においては、互いに直交の関係にある方向をｘ方向とｙ方向、これら２つの方向によって規定されるｘ−ｙ平面に直交する方向をｚ方向と示す。

角速度センサ装置１００は、要部として、角速度センサ１０と、搭載部３０と、リード４０と、支持部５０と、を有する。図１及び図２に示すように、角速度センサ１０は、接着剤７０を介して搭載部３０に固定され、搭載部３０とリード４０が、インサート成形により支持部５０に支持されている。そして、角速度センサ１０とリード４０とがワイヤ７１を介して電気的に接続され、角速度センサ１０が外部素子（図示略）と電気的に接続可能となっている。

角速度センサ１０は、センサチップ１１と回路チップ１２と、を有する。図２に示すように、角速度センサ１０は、回路チップ１２にセンサチップ１１が積み重なったスタック構造を成している。センサチップ１１と回路チップ１２とは、接着剤７２を介して機械的に接続され、ワイヤ７３を介して電気的に接続されている。そして、回路チップ１２が、上記したワイヤ７１を介してリード４０と電気的に接続されている。

センサチップ１１は、２つの半導体基板１３，１４が、常温、真空雰囲気中にて直接接合されて成る。第１半導体基板１３は第１半導体層１５、絶縁層１６、第２半導体層１７が順次積層されて成るＳＯＩ基板であり、該第１半導体基板１３における第２半導体基板１４との対向面側にセンシング部１８が周知の露光技術を用いて形成されている。第２半導体基板１４は、単結晶シリコンから成り、第１半導体基板１３との対向面側に、センシング部１８を収納するキャップ１９が形成されている。第２半導体基板１４には、貫通電極（図示略）が形成されており、この貫通電極が、上記したワイヤ７３の一端と電気的に接続されている。センシング部１８の出力信号は、貫通電極とワイヤ７３とを介して回路チップ１２に出力される。

センシング部１８は、図２に示すように、絶縁層１６を介さずに第１半導体層１５に対して第２半導体層１７が浮遊した浮遊部２０と、絶縁層１６を介して第１半導体層１５に第２半導体層１７が固定された固定部２１と、を有する。浮遊部２０は、第１半導体層１５に対してｘ方向及びｙ方向に変位（振動）可能だが、固定部２１は、第１半導体層１５に対して変位不可能となっている。

図示しないが、浮遊部２０は、ｘ方向において、逆位相で振動する対を成す２つの振動子と、該振動子の一部によって構成される加振用可動電極及び検出用可動電極と、を有する。そして、固定部２１は、ｘ方向において加振用可動電極と対向する加振用固定電極と、ｙ方向において検出用可動電極と対向する検出用固定電極と、を有する。加振用可動電極と加振用固定電極との間に働く静電引力によって、振動子がｘ方向に振動している状態で、ｚ方向に角速度が印加されると、ｙ方向に沿うコリオリ力が振動子に発生する。このコリオリ力によって振動子がｙ方向に変位（振動）すると、その変位（振動）によって振動子の一部である検出用可動電極もｙ方向に変位（振動）する。この結果、検出用可動電極と検出用固定電極との電極間隔が変動し、これら２つの電極によって構成されるコンデンサの静電容量が変動する。この静電容量の変動が、センサチップ１１の出力信号として、回路チップ１２に出力される。

回路チップ１２は、図２に示すように、半導体から成る回路基板２２と、該回路基板２２の一面側に形成された、センシング部１８の駆動及びセンサチップ１１の出力信号を処理する回路部２３と、を有する。回路部２３は、図示しないが、電圧生成部とＣＶ変換回路を有する。電圧生成部にて生成された電圧が、ワイヤ７３を介して、上記した加振用可動電極（振動子）と加振用固定電極とに印加される。加振用可動電極（振動子）には、一定電圧が印加され、加振用固定電極には、極性が周期的に変化する電圧が印加される。

ワイヤ７３を介して、センサチップ１１から回路チップ１２に静電容量の変動を含む電気信号が入力されると、その静電容量の変動が、上記したＣＶ変換回路によって電圧に変換される。この電圧に変換された信号が、ワイヤ７１を介してリード４０に出力される。加振用可動電極、加振用固定電極、及び、電圧生成部が、特許請求の範囲に記載の加振部に相当し、検出用可動電極、検出用固定電極、及び、Ｃ−Ｖ変換回路が、特許請求の範囲に記載の検出部に相当する。

搭載部３０は、角速度センサ１０を搭載するものである。搭載部３０は、複数の吊りリード３１を有しており、接着剤７０を介して、吊りリード３１に角速度センサ１０が機械的に接続されている。図１に示すように、吊りリード３１は、平面形状が矩形状を成し、支持部５０に片持ち支持されている。そして、長手方向がｘ方向に沿い、ｘ方向に直交するｙ方向に撓み易くなっている。これにより、吊りリード３１は、ｙ方向にバネ性を有している。

リード４０は、角速度センサ１０と外部素子とを電気的に中継するものである。本実施形態に係るリード４０は、ｙ方向に延びた平板が、断面形状がクランク形状を成すように屈曲されて成り、一端の一部が支持部５０に支持されている。リード４０の他端が、連結部材（図示略）を介して、プリント基板などの外部素子と機械的及び電気的に接続される。図２に示すように、固定された２つの端部を連結する中央部は、宙に浮いている。

支持部５０は、搭載部３０とリード４０を支持するものである。本実施形態に係る支持部５０は、角速度センサ１０を収納する収納空間を有するパッケージであり、該パッケージを構成する壁部５１に、搭載部３０の吊りリード３１とリード４０とが支持されている。図２に示すように、リード４０の一端の一部、リード４０と角速度センサ１０との電気的な接続部位、及び、センサチップ１１と回路チップ１２との電気的な接続部位が、収納空間内に設けられている。

本実施形態に係る搭載部３０（吊りリード３１）とリード４０とは、リードフレームを支持部５０にインサート成形した後、図３に破線で示すように、各リード３１，４０を連結していたフレーム４１を除去することで、電気的に分離される。このフレーム４１の除去後、リード４０を屈曲することで、リード４０の断面形状がクランク状に成形される。なお、図３では、便宜上、搭載部３０とリード４０とにハッチングを入れている。

次に、本実施形態に係る角速度センサ装置１００の作用効果を説明する。上記したように、角速度センサ１０が、外部素子に機械的に固定されるリード４０ではなく、支持部５０に片持ち支持された吊りリード３１に搭載されている。これによれば、角速度センサがリードに搭載された構成と比べて、外部素子に印加された外力が、角速度センサ１０に伝達され難い。そのため、上記した外力による振動子のｙ方向への変位量の変動が抑制される。

また、本実施形態では、吊りリード３１の長手方向がｘ方向に沿い、ｘ方向に直交するｙ方向にバネ性を有している。このため、外力が角速度センサ１０に印加されたとしても、ｙ方向に沿う振動が吊りリード３１によって低減され、振動子のｙ方向への変位量の変動が抑制される。このため、角速度の検出精度の低下が抑制される。

リード４０は、ｙ方向に延びた平板を、断面形状がクランク形状を成すように屈曲されて成る。そして、固定された２つの端部を連結する中央部が宙に浮いている。このため、リード４０は、ｙ方向に直交するｘ方向に撓み易く、ｘ方向にバネ性を有している。これによれば、外力が角速度センサ１０に印加されたとしても、ｘ方向に沿う振動がリード４０によって低減され、振動子のｘ方向の振動の変化が抑制される。振動子のｙ方向への変位量は、振動子に印加されるコリオリ力に依存し、このコリオリ力は、ｘ方向の振動に依存する。したがって、外力による振動子のｙ方向への変位量の変動がリード４０によって抑制される。

搭載部３０は、複数の吊りリード３１を有する。これによれば、搭載部が１つの吊りリードを有する構成と比べて、角速度センサ１０の搭載状態が安定化される。

角速度センサ１０、リード４０と角速度センサ１０との電気的な接続部位、及び、センサチップ１１と回路チップ１２との電気的な接続部位が、収納空間内に設けられている。これによれば、外部環境の変動によって、電気的な接続不良や、出力信号の特性変動などの不具合が、角速度センサ１０に生じることが抑制される。

吊りリード３１とリード４０とは、リードフレームを加工してなる。これによれば、リード３１，４０が別部材から成る構成と比べて、角速度センサ装置１００の製造が簡素化される。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

本実施形態では、吊りリード３１の平面形状が矩形であり、その長手方向がｘ方向に沿う例を示した。しかしながら、図４に示すように、吊りリード３１の長手方向がｙ方向に沿う構成を採用することもできる。この場合、吊りリード３１は、ｘ方向に撓み易く、ｘ方向にバネ性を有する。そのため、吊りリード３１によって、ｘ方向の振動を低減することができる。上記したように、振動子のｙ方向への変位量は、ｘ方向の振動に依存する。したがって、外力による振動子のｙ方向への変位量の変動が吊りリード３１によって抑制される。図４は、角速度センサ装置の変形例を示す平面図である。

本実施形態では、図１に示すように、複数の吊りリード３１がｙ方向に並び、複数のリード４０がｘ方向に並んだ例を示した。しかしながら、図４に示すように、吊りリード３１とリード４０とが、ｘ方向に並んだ構成を採用することもできる。これによれば、角速度センサ装置１００の構成が簡素化される。また、支持部５０の壁部５１におけるｙ方向に沿う部位にて、吊りリード３１を支持しなくとも良いので、その厚さを薄くすることができる。そのため、本実施形態で示した構成と比べて、角速度センサ装置１００の体格の増大が抑制される。なお、図示しないが、吊りリード３１とリード４０とが、ｙ方向に並んだ構成を採用することもできる。

本実施形態では、図１に示すように、搭載部３０が４つの吊りリード３１を有する例を示した。しかしながら、吊りリード３１の数としては上記例に限定されず、図５に示すように、搭載部３０が６つの吊りリード３１を有しても良い。図５は、角速度センサ装置の変形例を示す平面図である。

本実施形態では、吊りリード３１は、平面形状が矩形である例を示した。しかしながら、吊りリード３１の平面形状としては、上記例に限定されない。例えば、図６に示すように、吊りリード３１は、自身の長手方向に沿う複数の長手部３２と、２つの長手部３２を連結する少なくとも１つの連結部３３と、を有し、２つの長手部３２の内の一方の長手部３２の一端と、他方の長手部３２の他端とが、連結部３３を介して連結された構成を採用することもできる。図６の（ａ）に示す吊りリード３１は、２つの長手部３２と、１つの連結部３３とを有し、長手部３２と連結部３３それぞれの平面形状が矩形を成している。図６の（ｂ）に示す吊りリード３１は、３つの長手部３２と、２つの連結部３３とを有し、長手部３２と連結部３３それぞれの平面形状が矩形を成している。図６の（ｃ）に示す吊りリード３１は、２つの長手部３２と、１つの連結部３３とを有し、長手部３２の平面形状が矩形を成し、連結部３３の平面形状が平行四辺形を成している。これらによれば、吊りリード３１の短手方向のバネ性が向上されるので、角速度センサ１０の防振性が向上される。この結果、外力による振動子のｙ方向への変位量の変動が抑制され、角速度の検出精度の低下が抑制される。図７に、図６の（ａ）に示す吊りリード３１を採用した場合の角速度センサ装置１００を示す。図６は、吊りリードの変形例を示す平面図であり、（ａ）は吊りリードが１つの連結部を有する場合、（ｂ）は吊りリードが２つの連結部を有する場合、（ｃ）は連結部の平面形状が平行四辺形の場合を示す。図７は、角速度センサ装置の変形例を示す平面図である。

本実施形態では、リード４０は、ｙ方向に延びた平板を、断面形状がクランク形状を成すように屈曲された例を示した。しかしながら、リード４０は、ｘ方向に延びた平板を、断面形状がクランク形状を成すように屈曲された構成を採用することもできる。この場合、リード４０は、ｙ方向に撓み易く、ｙ方向にバネ性を有する。そのため、リード４０によって、ｙ方向の振動を低減することができる。これにより、外力による振動子のｙ方向への変位量の変動がリード４０によって抑制される。

本実施形態では、角速度センサ１０に、ｘ方向若しくはｙ方向の振動が印加されることが抑制された角速度センサ装置１００を例示した。しかしながら、本発明の適用としては、角速度センサに限らず、加速度センサにも適用することができる。例えば、加速度の検出方向がｘ方向の場合、加速度センサを支持する吊りリードの長手方向を、ｙ方向に沿わせるようにすれば良い。これによれば、外力が加速度センサに印加されたとしても、ｘ方向に沿う振動が吊りリード３１によって低減されるので、加速度の検出精度の低下が抑制される。

１０・・・角速度センサ
３０・・・搭載部
３１・・・吊りリード
４０・・・リード
５０・・・支持部
１００・・・角速度センサ装置

Claims (6)

1. 互いに直交の関係にあるｘ方向とｙ方向とに変位可能な振動子、該振動子をｘ方向に振動させる加振部、及び、前記振動子の前記ｙ方向への変位量を検出する検出部を有する角速度センサ（１０）と、
   該角速度センサ（１０）を搭載する搭載部（３０）と、
   前記角速度センサ（１０）と外部素子とを電気的に中継するリード（４０）と、
   該リード（４０）と前記搭載部（３０）を支持する支持部（５０）と、を有し、
   前記リード（４０）が前記外部素子に機械的に固定される角速度センサ装置であって、
   前記搭載部（３０）は、前記支持部（５０）に片持ち支持された吊りリード（３１）を有し、
   該吊りリード（３１）の端部に前記角速度センサ（１０）が搭載されており、
   前記吊りリード（３１）の長手方向は、前記ｘ方向、若しくは、前記ｙ方向に沿っており、
   前記吊りリード（３１）は、自身の長手方向が前記ｘ方向に沿う場合、前記ｙ方向に弾性を有し、自身の長手方向が前記ｙ方向に沿う場合、前記ｘ方向に弾性を有することを特徴とする角速度センサ装置。
2. 前記吊りリード（３１）は、自身の長手方向に沿う複数の長手部（３２）と、隣り合う２つの長手部（３２）を連結する連結部（３３）と、を有し、２つの前記長手部（３２）の内の一方の長手部（３２）の一端と、他方の長手部（３２）の他端とが、前記連結部（３３）を介して連結さ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装置。
3. 前記搭載部（３０）は、前記吊りリード（３１）を複数有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の角速度センサ装置。
4. 前記吊りリード（３１）と前記リード（４０）とが、前記支持部（５０）にインサート成形されており、
   前記吊りリード（３１）と前記リード（４０）とが、前記ｙ方向、若しくは、前記ｘ方向に並んでいることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の角速度センサ装置。
5. 前記支持部（５０）は、前記角速度センサ（１０）を収納する収納空間を有するパッケージであり、
   該パッケージを構成する壁部（５１）に、前記吊りリード（３１）と前記リード（４０）とが支持されていることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の角速度センサ装置。
6. 前記角速度センサ（１０）は、前記振動子が形成されたセンサチップ（１１）と、該センサチップ（１１）の出力信号を処理する処理回路が形成された回路チップ（１２）と、を有し、
   前記回路チップ（１２）に前記センサチップ（１１）が積み重なったスタック構造を成していることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の角速度センサ装置。

Images