JP2020153949A - センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本開示の課題は、センサ装置の構造を簡単にさせ、かつセンサ装置のサイズを小さくしても、角速度と加速度との両方を検出することができるセンサ装置を提供することである。【解決手段】センサ装置１は、角速度センサ素子３と、加速度センサ素子２と、中間部材４と、弾性体６とを備える。中間部材４は、角速度センサ素子３及び加速度センサ素子２の両方を搭載する。弾性体６は、中間部材４から離れた位置にある固定部７１と中間部材４とに接続する。中間部材４は、固定部７１に加わる振動を受けて振動する。【選択図】図１

Description

本開示は、センサ装置に関し、より詳細には、角速度センサ素子と加速度センサ素子との両方を搭載したセンサ装置に関する。

特許文献１には、セラミックスからなるケース内に、加速度センサ素子と、角速度センサとを収納した装置（センサ装置）が開示されている。加速度センサ素子は、ケース内の多層回路基板に実装された状態で、ワイヤーボンディングにより形成されたワイヤー線を介して端子電極と接続している。また、角速度センサは、多層回路基板から離れた状態となって、振動子を備える載置部材と樹脂製の補強部材の間にある端子で外部からの振動を減衰させている。

特開２０１２−６３２４２号公報

しかし、特許文献１の場合、加速度センサ素子は多層回路基板に実装されている一方で、角速度センサは多層回路基板から離れた位置にある。すなわち、加速度センサ素子が設けられる部材と角速度センサの設置箇所とが互いに異なる位置にあることから、センサ装置の構造が複雑化すると共に、センサ装置のサイズが大きくなりやすい。

本開示の目的は、センサ装置の構造を簡単にさせ、かつセンサ装置のサイズを小さくしても、角速度と加速度との両方を検出することができるセンサ装置を提供することである。

本開示の一態様に係るセンサ装置は、角速度センサ素子と、加速度センサ素子と、中間部材と、弾性体とを備える。中間部材は、前記角速度センサ素子及び前記加速度センサ素子の両方を搭載する。弾性体は、前記中間部材から離れた位置にある固定部と前記中間部材とに接続する。前記中間部材は、前記固定部に加わる振動を受けて振動する。

本開示の上記態様には、センサ装置の構造を簡単にさせ、かつセンサ装置のサイズを小さくしても、角速度と加速度との両方を検出することができる、という利点がある。

図１は、一実施形態に係るセンサ装置の第１例を示す斜視図である。 図２は、同上のセンサ装置の断面図である。 図３は、同上のセンサ装置の説明図である。 図４Ａは、同上の実施形態に係る加速度センサ素子を示す斜視図である。図４Ｂは、同上の加速度センサ素子の説明図である。 図５Ａは、同上の実施形態に係る角速度センサ素子を示す斜視図である。図５Ｂは、同上の角速度センサ素子の説明図である。 図６は、同上のセンサ装置の説明図である。 図７は、同上のセンサ装置の説明図である。 図８は、一実施形態に係るセンサ装置の第２例を示す斜視図である。 図９は、図８のセンサ装置の断面図である。 図１０は、一実施形態に係るセンサ装置の第３例を示す斜視図である。 図１１は、図１０のセンサ装置の説明図である。 図１２は、図１０のセンサ装置の説明図である。 図１３は、図１０のセンサ装置の説明図である。

＜第１実施形態＞
第１実施形態に係るセンサ装置１を、図１〜図６を参照して説明する。

センサ装置１は、図１のように、加速度センサ素子２と、角速度センサ素子３と、中間部材４と、弾性体６と、を備える。中間部材４は、角速度センサ素子３及び加速度センサ素子２の両方を搭載する。弾性体６は、図２のように、固定部７１と中間部材４とに接続する。固定部７１は、中間部材４から離れた位置にある。中間部材４は、固定部７１に加わる振動を受けて振動する。

このようなセンサ装置１によれば、中間部材４が角速度センサ素子３及び加速度センサ素子２の両方を搭載するため、センサ装置１の構造を簡単にさせ、かつセンサ装置１のサイズを小さくできる。そして、センサ装置１の構造が簡単で、サイズが小さくても、センサ装置１は、角速度と加速度との両方を検出することができる。

次に、本実施形態に係るセンサ装置１を、より詳細に説明する。この説明において、中間部材４と加速度センサ素子２とが並ぶ方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向と直交する方向をＸ軸方向とし、Ｘ軸方向と直交する方向をＹ軸方向とする。また、Ｚ軸方向と平行な軸は第１軸であってもよく、Ｘ軸方向と平行な軸は第２軸であってもよく、Ｙ軸方向と平行な軸は第３軸であってもよい。

センサ装置１は、図１のように、加速度センサ素子２と、複数の角速度センサ素子３と、中間部材４と、枠体５と、弾性体６とを備える。

中間部材４は、加速度センサ素子２及び角速度センサ素子３を搭載する。枠体５は、Ｚ軸方向から見た平面視において、中間部材４の外周縁から離れた位置ある枠状の部材である。

弾性体６は、図２のように、基板７が有する固定部７１と中間部材４とに接続する。そして、弾性体６の一部は、中間部材４及び枠体５の間で露出する。また、弾性体６の両端部は、それぞれ、中間部材４及び枠体５内にある。

弾性体６は、Ｚ軸方向に基板７から離れた位置で中間部材４を支持する。弾性体６は、中間部材４と基板７とが離れた状態で、基板７に加わる振動を受けて変形、及び回復を繰り返すことで生じる振幅により中間部材４を振動させる。すなわち、中間部材４は、弾性体６の振幅に追随して振動する。例えば、弾性体６の振幅がＸ軸方向と平行であると、中間部材４もＸ軸方向と平行に振動し、弾性体６の振幅がＹ軸方向と平行であると、中間部材４もＹ軸方向と平行に振動し、弾性体６の振幅がＸ軸方向と平行であると、中間部材４はＸ軸方向と平行に振動する。

弾性体６は、図１のように複数のリードフレーム６１を備える。図１の例では、弾性体６は複数（２４本）のリードフレーム６１のみからなる。

リードフレーム６１は金属製の部材である。このようなリードフレーム６１は、例えば、金属板に切断加工及び折り曲げ加工をすることで形成される部材である。この金属板として、銅板が挙げられる。また、リードフレーム６１は、銅線等の金属線に折り曲げ加工した部材であってもよい。リードフレーム６１は金属製であるため、加速度センサ素子２と、角速度センサ素子３とに電気的に接続できる。

リードフレーム６１は、固定部７１と中間部材４とに接続する（図２参照）。このようなリードフレーム６１の各々は、第１接続部６３と、露出部６８と、第２接続部６４と、端子６２と、引き出し部６９とを備える。

第１接続部６３は、図３のように、中間部材４内にある部分であって、Ｘ軸方向と交差すると共に、Ｙ軸方向と交差する。

第１接続部６３が中間部材４内に複数ある状態で、隣り合う第１接続部６３同士間の寸法は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の各々において、中間部材４の外周縁に近い程、大きくなっている。本実施形態では、中間部材４の外周縁は矩形であるため、中間部材４の角を挟んで隣り合う第１接続部６３同士間の寸法は、中間部材４の外周縁に近い程、小さくなっている。

露出部６８は、第１接続部６３と第２接続部６４との間を接続する部分であって、枠体５と中間部材４との間で露出している。露出部６８は、本実施形態では、枠体５と中間部材４との間に接続し、Ｚ軸方向に基板７から離れた位置で中間部材４を支持している（図２参照）。露出部６８が枠体５と中間部材４との間で露出することで、固定部７１に加わる振動の周波数が後述の固有周波数ｆ１よりも高い場合に、露出部６８が有するバネ性により、中間部材４の振動を減衰できる。本実施形態では、複数の露出部６８は、中間部材４の外側面から突出するようして露出し、かつ基板７から離れた位置で中間部材４を支持している。このため、複数の露出部６８は、固定部７１に加わる振動の周波数が後述の固有周波数ｆ１よりも高い場合に、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の各々における中間部材４の振動を減衰できる。図２の例では、露出部６８は直線状である。

第２接続部６４は、図２のように、露出部６８と引き出し部６９との間を接続する部分であって、枠体５内にある。このような第２接続部６４は、中間部材４がＺ軸方向に基板７から離れる位置に設けられている。第２接続部６４は、Ｚ軸方向における断面が直線状の構造を有する。枠体５が後述の液晶ポリマーからなる場合、枠体５は柔軟性を有することができる。枠体５が柔軟性を有する場合、第２接続部６４は中間部材４の振動減衰に寄与してもよい。

引き出し部６９は、リードフレーム６１を枠体５の外側面に引き出すようにして形成された部分であって、枠体５の外側面と接する。このような引き出し部６９は、加速度センサ素子２と中間部材４とがこの順で並ぶ方向に第２接続部６４の先端から突出している。引き出し部６９は露出している（図１及び図２参照）。

端子６２は、固定部７１に接する部分であって、引き出し部６９の先端からＺ軸方向と直交する方向に突出している。このような端子６２は、本実施形態では、固定部７１と枠体５との間に挟まっていて、固定部７１に固定されている。これにより、センサ装置１は基板７上で位置決めされる。端子６２を固定部７１に固定するにあたって、はんだ付け等の任意の固定方法を採用できる。

リードフレーム６１が引き出し部６９を備えることで、固定部７１とリードフレーム６１との接続を容易にできる。特に固定部７１とリードフレーム６１との接続にはんだ付けを採用する場合、端子６２を固定部７１に固定することが難しくても、引き出し部６９を固定部７１に固定することができるため、固定部７１とリードフレーム６１との接続を容易にできる。

中間部材４は、図３のように、Ｚ軸方向から見た平面視で矩形状である。図３の例では、中間部材４の外周縁の一辺に対して６本のリードフレームが設けられている。

中間部材４は、加速度センサ素子２と角速度センサ素子３とを搭載した状態で、加速度センサ素子２及び角速度センサ素子３の各々と固定部７１とを接続する電気経路の途中にある部材である。このような中間部材４は、インサート成形法により、リードフレーム６１と一体化されている。中間部材４は、インサート成形法に利用できる材料から構成されていれば、特に限定されない。中間部材４を構成する材料は、例えば、ポリアセタール樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、及び液晶ポリマー（具体的には、全芳香族系ポリエステル）等の樹脂材料が挙げられる。

中間部材４を構成する材料は、液晶ポリマーであってもよい。この場合、中間部材４に耐熱性と、振動吸収性とを付与できると共に、中間部材４に成形バリが生じにくくなる。中間部材４に成形バリが生じにくくなると、中間部材４の寸法精度を高めることができる。また中間部材４が振動吸収性を有すると、中間部材４の振動の減衰を容易に調整できるため、加速度センサ素子２で加速度を、角速度センサ素子３で角速度を容易に検出できる。中間部材４が耐熱性を有すると、加速度センサ素子２と角速度センサ素子３とを搭載する際にＰｂフリーはんだを用いたはんだ付けを採用しても、中間部材４は変形しにくい。

中間部材４は、有底の凹部４１を有する（図２参照）。この凹部４１も、Ｚ軸方向から見た平面視で矩形状である。そして、凹部４１内に、加速度センサ素子２と、角速度センサ素子３とが搭載されている。図１の例では、加速度センサ素子２及び角速度センサ素子３からなる合計４つのセンサ素子が凹部４１内に、搭載されている。

凹部４１の底面には、凹部４１の周縁の一辺に対して、複数（図３では３つ）の第１配線６６と、複数（図３では３つ）の第２配線６７とが設けられている。これらの第１配線６６は前記一辺に沿って等間隔に配置され、第２配線６７も前記一辺に沿って等間隔に配置されている。そして、凹部４１の角と第１配線６６との間の寸法は、隣り合う第１配線６６同士の間の寸法よりも大きい。また、凹部４１の角と第２配線６７との間の寸法は、隣り合う第２配線６７同士の間の寸法よりも大きい。

第１配線６６は、金属製である。このような第１配線６６は、本実施形態では、リードフレーム６１の一部であるが、リードフレーム６１と別体であってもよい。第１配線６６とリードフレーム６１とが別体である場合、スパッタ等の任意の薄膜形成方法を採用して凹部４１の底面に第１配線６６を形成でき、この第１配線６６はリードフレーム６１と電気的に接続する。

第２配線６７は、金属製である。このような第２配線６７は、本実施形態では、リードフレーム６１の一部であるが、リードフレーム６１と別体であってもよい。第２配線６７とリードフレーム６１とが別体である場合、スパッタ等の任意の薄膜形成方法を採用して凹部４１の底面に第２配線６７を形成でき、この第２配線６７はリードフレーム６１と電気的に接続する。

枠体５は、中間部材４の外周縁から離れた位置にある枠状の部材である。このような枠体５は、インサート成形法により、リードフレーム６１と一体化されている。枠体５が中間部材４と同じ材料から構成されている場合、枠体５と、中間部材４とを同時に形成できる。

枠体５は、インサート成形法に利用できる材料から構成されていれば、特に限定されない。枠体５を構成する材料は、例えば、ポリアセタール樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、及び液晶ポリマー（具体的には、全芳香族系ポリエステル）等の樹脂材料が挙げられる。

枠体５を構成する材料は、液晶ポリマーであってもよい。この場合、枠体５に耐熱性と、振動吸収性（上述の柔軟性）とを付与できると共に、枠体５に成形バリが生じにくくなる。枠体５が振動吸収性を有すると、中間部材４の振動を、枠体５でも減衰させることができる。特に中間部材４と加速度センサ素子２とが並ぶ方向と直交する方向に中間部材４が振動しても、この振動を枠体５でも減衰させることができる。枠体５に成形バリが生じにくくなると、枠体５の寸法精度を高めることができる。また枠体５が振動吸収性を有すると、中間部材４の振動の減衰を容易に調整できるため、加速度センサ素子２で加速度を、角速度センサ素子３で角速度を容易に検出できる。枠体５が耐熱性を有すると、第２配線６７と固定部７１とを接続する際にＰｂフリーはんだを用いたはんだ付けを採用しても、枠体５は変形しにくい。このため、センサ装置１を基板７に実装することが可能となる。

加速度センサ素子２は、センサ装置１に加わる加速度を検出する素子である。加速度センサ素子２は、図４Ａのように、ケース２３と、第１端子２１と、第２端子２２と、を備える。加速度センサ素子２は、図４Ｂのように、検出部２４を更に備える。ケース２３は、加速度センサ素子２の外殻を構成する。第１端子２１及び第２端子２２は、それぞれ、第１配線６６及び第２配線６７と電気的に接続するようにして、ケース２３の外側面に設けられている。検出部２４は、ケース２３内に収容された状態で、第１端子２１及び第２端子２２に電気的に接続している。そして、センサ装置１に加速度が加わると、検出部２４が変形するため、この変形により検出部２４の電気抵抗が変化する。この電気抵抗の変化による電流の変化量が加速度センサ素子２で検出された信号として後述の処理装置８に入力される。

角速度センサ素子３は、センサ装置１の角速度を検出する素子である。角速度センサ素子３は、図５Ａのように、ケース３３と、第１端子３１と、第２端子３２と、を備える。角速度センサ素子３は、図５Ｂのように、振動子３４を更に備える。ケース３３は、角速度センサ素子３の外殻を構成する。第１端子３１及び第２端子３２は、それぞれ、第１配線６６及び第２配線６７と電気的に接続するようにして、ケース３３の外側面に設けられている。振動子３４は、ケース３３内に収容された状態で、第１端子２１及び第２端子２２に電気的に接続している。振動子３４は、例えば、音叉形状の振動子である。

振動子３４は、一対のアームを有する。このアームが第１端子２１及び第２端子２２からの電力により固有の駆動周波数で屈曲することにより振動子３４は駆動する。そして、振動子３４が駆動している状態で、アームの長手方向（例えば、Ｚ軸方向）と平行な軸周りに回転すると、この回転の角速度に比例したコリオリ力が振動子３４のアームに働く。このコリオリ力により振動子３４で生じた電荷は、角速度センサ素子３で検出された信号として後述の処理装置８に入力される。コリオリ力は、振動子３４の駆動時にアームが屈曲する方向と直交する方向に作用する。このため、角速度センサ素子３による角速度の検出方向は、振動子３４の駆動方向と直交する。このような振動子３４は、固有の駆動周波数で屈曲し、かつ角速度を検出する任意の構造を採用できる。

センサ装置１によりＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の角速度を検出する場合、中間部材４に、例えばＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の各々がアームの長手方向と平行になるようにして３つの角速度センサ素子３を搭載してもよい。

固定部７１は、基板７にある回路に電気的に接続し、センサ装置１を固定する位置を定める部位である。固定部７１は金属製であり、センサ装置１の電極として機能する。このような固定部７１の数は、リードフレーム６１と同じであってもよい。すなわち、１つの固定部７１に１本のリードフレーム６１が接続していてもよい。また、固定部７１は、本実施形態では、基板７の一部であるが、基板７と別体であってもよい。固定部７１と基板７とが別体である場合、固定部７１を備える端子部材を基板７に実装することで、固定部７１と基板７の回路とを電気的に接続できる。基板７の一例はプリント配線板である。

また、センサ装置１は、図６のように、処理装置８に電気的に接続し、処理装置８は振動計９とに電気的に接続する。処理装置８は、センサ装置１と振動計９とに電気的に接続されていればよく、基板７に実装されていてもよく、基板７とは別の基板に実装されていてもよい。

図６の例では、振動計９は基板７に実装されている。この振動計９は、基板７が振動する際の周波数と、振動の振幅とを検出する装置である。振動計９としては、基板７に実装できれば、任意の振動計を用いることができる。

処理装置８は、加速度センサ素子２が検出した信号を加速度に処理し、角速度センサ素子３が検出した信号を角速度に処理する装置である。また、処理装置８は、振動計９が検出した振動周波数から、センサ装置１の固有周波数ｆ１（図７参照）に対応する周波数を判定する装置でもある。処理装置８は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、及びメモリを備える。この場合、ＣＰＵがメモリ内のプログラムを実行する。これにより、処理装置８は、固有周波数ｆ１よりも低い周波数における加速度センサ素子２の検出信号を加速度に処理し、固有周波数ｆ１よりも高い周波数における角速度センサ素子３の検出信号を角速度に処理できる。

基板７に振動が加わると、この振動が固定部７１及び弾性体６を介して中間部材４に伝達する。すなわち、中間部材４は、固定部７１に加わる振動を受けて振動する。中間部材４の振動は、図７のように、固有周波数ｆ１よりも周波数が高くなる程、振幅が小さくなって減衰し、固有周波数ｆ１よりも低い周波数ｆ２では減衰しない。

固有周波数ｆ１は、外部からの振動（外部振動）を受けて中間部材４が一旦振動し、その後、外部振動を受けずに中間部材４が振動する際に得られるセンサ装置１が有する固有の周波数である。

また、中間部材４が外部振動を受け続け、外部振動の位相と中間部材４の振動の位相とが一致すると、図７のように、固有周波数ｆ１で共振して中間部材４の振幅が大きくなる。

ここで、図７の縦軸に示す「ゲイン」は、外部振動（例えば、基板７に加わる振動）の振幅に対する中間部材４の振幅の比率の常用対数に比例する値である。外部振動の振幅及び周波数は、振動計９により検出される。なお、中間部材４が振動する際の振幅及び周波数は、任意の非接触型振動計で検出することができる。

中間部材４の振動は、上記の通り、固有周波数ｆ１より高い周波数において、減衰する。このため、角速度センサ素子３に加わる振動も減衰し、振動子３４の駆動及び検出が干渉されにくくなる。したがって、固有周波数ｆ１よりも高い周波数において、中間部材４の振動は、角速度センサ素子３による角速度の検出に干渉しにくくなる。中間部材４の振動が角速度の検出に干渉しなくなると、角速度センサ素子３における角速度の検出精度を高めることができる。

固有周波数ｆ１よりも高い周波数における中間部材４の振動は、好ましくは、下記式（１）の関係を満たす。

式（１）中、ω_ｇは加速度センサ素子３内にある振動子３４の駆動周波数を示し、ω_０は固有周波数ｆ１を示し、ζは減衰比を示す。減衰比ζは、中間部材４及び枠体５の各々を構成する材料の物性値である。この材料が液晶ポリマーである場合、減衰比ζは、例えば、０．００１以上０．０２以下である。さらに、式（１）のＡは、中間部材４の振動が減衰する比率である減衰率を示し、具体的には、外部振動の振幅に対する中間部材４の振幅の比率を示す。

また、振動子３４の駆動周波数ω_ｇは、図７のような固有周波数ｆ１よりも高い周波数ｆ３である。このような周波数ｆ３となる減衰率Ａは１０^{−０．７５}以下であることが好ましい。すなわち、ゲインは−１５ｄＢ以下であることが好ましい。この場合、振動子３４の駆動及び検出がより干渉されにくくなるため、角速度の検出精度を高めることができる。図７における矢印は、駆動周波数ω_ｇの好ましい下限値を示す。

中間部材４の振動が減衰すると、振動子３４は、角速度の検出方向（コリオリ力が働く方向）と直交する方向に駆動することが可能となる。この場合、振動子３４の駆動が中間部材４の振動に干渉されないため、角速度の検出する精度を高めることができる。

中間部材４は、上記の通り、複数のリードフレーム６１と一体となり、このリードフレーム６１の各々は、露出部６３を備える。このため、外部振動の周波数が固有周波数ｆ１よりも高い場合、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の各々において、中間部材４の振動は、複数の露出部６３が有するバネ性により緩和されて減衰する。これにより、中間部材４の振動は、角速度センサ素子による角速度の検出に干渉しにくくなる。すなわち、中間部材４の振動は、互いに直交する３軸の各々において、角速度センサ素子３による角速度の検出に干渉しにくくなる。したがって、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の各々の角速度を得ることができるため、角速度の検出精度を高めることができる。

Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の各々の角速度を検出するにあたって、周波数ｆ３は、３種の駆動周波数ω_ｇに区分されてもよい。すなわち、周波数ｆ３は、第１駆動周波数ω_ｇ１、第２駆動周波数ω_ｇ２、第３駆動周波数ω_ｇ３に区分されてもよい。第１駆動周波数ω_ｇ１は、Ｘ軸方向に振動子３４が屈曲して駆動する周波数であって、例えば２２Ｈｚ以上２４Ｈｚ以下である。第２駆動周波数ω_ｇ２は、Ｙ軸方向に振動子３４が屈曲して駆動する周波数であって、例えば２３Ｈｚ以上２６Ｈｚ以下である。第３駆動周波数ω_ｇ３は、Ｚ軸方向に振動子３４が屈曲して駆動する周波数であって、例えば２８Ｈｚ以上３２Ｈｚ以下である。

また、図７のような周波数ｆ２では、上記の通り、中間部材４の振動は減衰しない。これは、中間部材４の振動が周波数ｆ２の外部振動と共振するためである。中間部材４の振動が減衰しない場合、加速度センサ素子２に加わる振動も減衰しないため、検出部２４を変形させる力が振動により緩和されにくくなり、検出部２４による加速度の検出が干渉されにくくなる。したがって、周波数ｆ２において、中間部材４の振動は、加速度センサ素子２による加速度の検出に干渉しにくくなる。中間部材４の振動が加速度の検出に干渉しなくなると、加速度センサ素子２における加速度の検出精度を高めることができる。検出部２４は、例えばシート状である。また、検出部２４は、加速度を検出する任意の構造を採用できる。

周波数ｆ２における中間部材４の振動は、好ましくは、下記式（２）の関係を満たす。

式（２）中、ω_aは加速度センサ素子２内の応答周波数を示し、ω_０は固有周波数ｆ１を示し、ζは減衰比を示す。

ここで、応答周波数ω_aは、検出部２４が変形して応答する周波数である。この応答周波数は、周波数ｆ２である。このため、検出部２４を変形させる力が振動により緩和されにくくなり、加速度の検出精度を高めることができる。

また、周波数ｆ２では、中間部材４は、上記の通り、外部振動の位相に共振して振動する。このため、外部振動の周波数が周波数ｆ２である場合、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の各々において、中間部材４の振動は減衰しない。これにより、中間部材４の振動は、加速度センサ素子２による加速度の検出に干渉しにくくなる。すなわち、中間部材４の振動は、互いに直交する３軸の各々において、加速度センサ素子２による加速度の検出に干渉しにくくなる。したがって、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の各々の加速度を得ることができるため、加速度の検出精度を高めることができる。

Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の各々の加速度を検出するにあたって、加速度センサ素子２として任意の３軸加速度センサ素子を採用することができる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係るセンサ装置１を、図８及び図９を参照して説明する。本実施形態では、第１実施形態と共通する構成は図面に同じ符号を付すことで、この構成の詳細な説明を省略する。

センサ装置１は、図１のような枠体５を備えない（図８参照）。このため、弾性体６の一部、具体的には、露出部６８と、第２接続部６４と、端子６２とが露出している。また、弾性体６は、図１のような引き出し部６９を備えない。すなわち、リードフレーム６１は引き出し部６９を備えない（図９参照）。

第２接続部６４は、図９のように、露出部６８と端子６２との間を接続する部分である。このような第２接続部６４は、Ｙ軸方向にセンサ装置１を見た場合に、露出部６８と端子６２との間で傾斜している。そして、露出部６８と端子６２との間の距離は、中間部材４がＺ軸方向に基板７から離れるように設定されている。第２接続部６４は、Ｚ軸方向における断面が波状の構造を有する。

端子６２は、固定部７１に接する部分であって、第２接続部６４の先端からＺ軸方向と直交する方向に突出している。このような端子６２は、本実施形態では、固定部７１に固定されている。これにより、センサ装置１は基板７上で位置決めされる。端子６２を固定部７１に固定するにあたって、はんだ付け等の任意の固定方法を採用できる。

センサ装置１が枠体５を備えないことにより、図９のように、はんだ付け等で端子６２を固定部７１に固定しやすくなる。しかも枠体５に要するコスト（例えば、材料コスト）を軽減できる。したがって、センサ装置１の作製に要するコストを軽減できる。

本実施形態では、露出部６８と、第２接続部６４とが露出しているため、固有周波数ｆ１よりも高い周波数で中間部材４が振動する際、露出部６８と第２接続部６４との各々が有するバネ性により、中間部材４の振動を減衰できる。特に、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の各々における中間部材４の振動を減衰できる。

また、固有周波数ｆ１よりも低い周波数ｆ２では、中間部材４は外部振動と共振して振動するため、中間部材４の振動は減衰しない。

＜第３実施形態＞
次に、第３実施形態に係るセンサ装置１を、図１０〜図１３を参照して説明する。本実施形態では、第１実施形態と共通する構成は図面に同じ符号を付すことで、この構成の詳細な説明を省略する。

本実施形態に係るセンサ装置１は、図１０のように、加速度センサ素子２と、複数の角速度センサ素子３と、中間部材４と、枠体５と、弾性体６とを備える。

弾性体６は、複数のリードフレーム６１を備える。リードフレーム６１の各々は、第１接続部６３と、露出部６８と、端子６２と、引き出し部６９とを備える（図１０及び図１２参照）。また、リードフレーム６１は、第２接続部を更に備える。第２接続部は、引き出し部６９と露出部６８との間を接続することが好ましい。このような第２接続部は、任意の構造を有する。第２接続部は、例えば、Ｚ軸方向における断面が波状であってもよく、または直線状であってもよい。

枠体５は、複数（図１０では４つ）の凹部５１を備える。凹部５１の各々は、枠体５の外側面が中間部材４に向かって凹んだ形状を有する。そして、凹部５１内にある枠体５の外側面に複数の引き出し部６９が設けられている。引き出し部６９の各々は枠体５の外側面と接する。図１０の例では、１つの凹部５１に６つの引き出し部６９が設けられている。

露出部６８は、図１０のように、枠体５と中間部材４との間で露出している。露出部６８は第１接続部６３と第２接続部との間を接続することが好ましい。

露出部６８は、図１１のように、第１バネ部６ａと、第２バネ部６ｂと、第３バネ部６ｃとを備える。

第３バネ部６ｃは、中間部材４及び枠体５の間にあり、かつ中間部材４及び枠体５の両方から離れた位置にある。第３バネ部６ｃは、中間部材４と加速度センサ素子２とがこの順で並ぶ方向に沿って凸となる断面Ｕ字状の構造を有する（図１１参照）。このような第３バネ部６ｃのうち、第１バネ部６ａ及び第２バネ部６ｂからＺ軸方向に離れた部分を上端部とした場合、この上端部だけで、第１バネ部６ａと繋がる部分と、第２バネ部６ｂと繋がる部分とが一体となっている。このため、第３バネ部６ｃは、Ｚ軸方向と直交する方向に作用するバネ性を有する。第３バネ部６ｃは、第１端及び第２端を有する。この第１端は、Ｚ軸方向と直交する方向に第２端と離れている。

第１バネ部６ａは、第３バネ部６ｃの第１端からＺ軸方向と直交する方向（例えばＸ軸方向）に突出し、第２バネ部６ｂから更に離れるようにして第３バネ部６ｃの側方に突出している。このため、第１バネ部６ａは、Ｚ軸方向と直交する。

第２バネ部６ｂは、第３バネ部６ｃの第２端からＺ軸方向と直交する方向（例えばＸ軸方向）に突出し、第１バネ部６ａから更に離れるようにして第３バネ部６ｃの側方に突出している。このため、第２バネ部６ｂは、Ｚ軸方向と直交する。

第１バネ部６ａと第２バネ部６ｂとの両方は、Ｚ軸方向と直交するため、Ｚ軸方向に作用するバネ性を有する。

露出部６８が第１バネ部６ａと、第２バネ部６ｂと、第３バネ部６ｃとを備えることにより、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の各々における中間部材４の振動は、固有周波数ｆ１よりも低い周波数で共振し、固有周波数ｆ１よりも高い周波数で減衰できる。

露出部６８は、図１１のように幅Ｗ、奥行きＤ、及び高さＨを有する。図１１の例において、Ｚ軸方向と平行な方向を上下方向とし、第３バネ部６ｃの第１端から第１バネ部６ａが突出する方向を前方とした場合、奥行きＤは露出部６８の前端面と第３バネ部６ｃの後面との間の距離である。また、高さＨは露出部６８の下端面と第３バネ部６ｃの上端面との間の距離である。幅Ｗは、中間部材４と枠体５との間の距離と一致する。

本実施形態では、図１２のように、中間部材４の外側面から突出するようして複数（例えば１２個）の露出部６８が露出している。中間部材４の外周縁の一辺毎に、同数で、かつ複数の露出部６８が設けられている。具体的には、図１２の例では、中間部材４の外周縁の一辺に対して６つの露出部６８が設けられている。中間部材４の一辺毎に複数の露出部６８が設けられていることにより、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の各々における中間部材４の振動は、固有周波数ｆ１よりも低い周波数で共振し、固有周波数ｆ１よりも高い周波数で減衰できる（図１３参照）。

図１３に、本実施形態に係るセンサ装置１にＺ軸方向に周波数毎の外部振動を与えることで得られるシミュレーション結果を示す。このシミュレーション結果は、外部振動の周波数と、ゲイン（外部振動の振幅に対する中間部材４の振幅の比率の常用対数に比例する値）との関係を曲線で示している。ただし、図１３の結果は、本実施形態の一例に過ぎず、本開示を具体的に制限するものではない。

図１３の結果から、固有周波数ｆ１よりも大きい周波数ｆ３では、ゲインが好ましくは−１５ｄＢ未満、すなわち、中間部材４の振動が、好ましくは下記式（３）の関係を満たす。

中間部材４の振動が式（３）の関係を満たす場合、中間部材４の振動は周波数ｆ３で減衰するため、中間部材４の振動は、角速度センサ素子３による角速度の検出に干渉しにくくなる。このため、角速度の検出精度を高めることができる。

また、固有周波数ｆ１よりも小さい周波数ｆ２では、ゲインが好ましくは３ｄＢ以下、すなわち、中間部材４の振動が好ましくは、下記式（４）の関係を満たす。

中間部材４の振動が式（４）の関係を満たす場合、中間部材４の振動が周波数ｆ２で減衰しないため、中間部材４の振動は、加速度センサ素子２による加速度の検出に干渉しにくくなる。このため、加速度の検出精度を高めることができる。

なお、図１３に示すシミュレーション結果を得るにあたり、下記に示すパラメータが用いられた。
・枠体５の幅×奥行き＝９ｍｍ×９ｍｍ、
・枠体５の材質：液晶ポリマー、
・中間部材４の幅×奥行き＝５．９ｍｍ×５．９ｍｍ、
・中間部材４の材質：液晶ポリマー、
・露出部６８の厚み（第１バネ部６ａ、第２バネ部６ｂ、及び第３バネ部６ｃの各々の厚み）Ｔ＝０．０７ｍｍ、
・第１バネ部６ａ、第２バネ部６ｂ、及び第３バネ部６ｃの各々の幅Ｗ１＝０．１４ｍｍ、
・露出部６８の材質：ステンレス（ＳＵＳ３０４）、
・露出部６８の高さＨ＝０．６ｍｍ、
・露出部６８の奥行きＤ＝０．４ｍｍ。

（変形例）
上記実施形態では弾性体６は複数のリードフレーム６１のみからなるが、変形例では弾性体６は、リードフレーム６１以外に任意の形状を有するバネ部材を更に備えることができる。このバネ部材として、例えば、コイルバネが挙げられる。

上記実施形態では複数のリードフレーム６１のうち、一部のリードフレーム６１が加速度センサ素子２に電気的に接続し、残りのリードフレーム６１が加速度センサ素子３に電気的に接続している。しかし、変形例ではセンサ装置１は加速度センサ素子２及び加速度センサ素子３のどちらにも電気的に接続しないリードフレーム６１を更に備えてもよい。このため、角速度センサ素子３と、加速度センサ素子２とは、複数のリードフレーム６１のうち少なくとも一部に電気的に接続する。

上記実施形態では、中間部材４と加速度センサ素子２とが並ぶ方向から見た、中間部材４の平面形状は矩形であるが、変形例では中間部材４の平面形状は、楕円等の任意の形状であってもよい。

上記実施形態では中間部材４は加速度センサ素子２と角速度センサ素子３とからなる４つのセンサ素子を搭載しているが、変形例では中間部材４は５つ以上のセンサ素子を搭載してもよい。具体的には、中間部材４は３つの加速度センサ素子２と３つの角速度センサ素子３とからなる６つのセンサ素子を搭載してもよい。この３つの加速度センサ素子２は、Ｘ軸方向の加速度を検出する１軸加速度センサ素子と、Ｙ軸方向の加速度を検出する１軸加速度センサ素子、及びＺ軸方向の加速度を検出する１軸加速度センサ素子とにより構成される。また、３つの角速度センサ素子３は、Ｘ軸方向の角速度を検出する１軸角速度センサ素子と、Ｙ軸方向の角速度を検出する１軸角速度センサ素子と、Ｚ軸方向の角速度を検出する１軸角速度センサ素子とにより構成される。

上記第１実施形態では第２接続部６４は露出部６８と引き出し部６９との間を接続しているが、変形例では第２接続部６４は露出部６８と端子６２との間を接続してもよい。この変形例において、Ｙ軸方向にセンサ装置１を見た場合に、露出部６８と端子６２との間で第２接続部６４を傾斜させることが好ましい。また露出部６８と端子６２との間の距離は、中間部材４がＺ軸方向に基板７から離れるように設定されていることが好ましい。第２接続部６４は、Ｚ軸方向における断面が波状であってもよく、または直線状であってもよい。

（まとめ）
上記の通り、第１態様は、センサ装置（１）であって、角速度センサ素子（３）と、加速度センサ素子（２）と、中間部材（４）と、弾性体（６）とを備える。中間部材（４）は、角速度センサ素子（３）及び加速度センサ素子（２）の両方を搭載する。弾性体（６）は、中間部材（４）から離れた位置にある固定部（７１）と中間部材（４）とに接続する。中間部材（４）は、固定部（７１）に加わる振動を受けて振動する。

第１態様によれば、中間部材（４）が角速度センサ素子（３）及び加速度センサ素子（２）の両方を搭載するため、センサ装置（１）の構造を簡単にさせ、かつセンサ装置（１）のサイズを小さくできる。そして、センサ装置（１）の構造が簡単で、かつサイズが小さくても、センサ装置（１）は、角速度と加速度との両方を検出することができる。

第２態様は、第１態様のセンサ装置（１）であって、中間部材（４）の振動は、固有周波数（ｆ１）よりも高い周波数で角速度センサ素子（３）による角速度の検出に干渉しない。

第２態様によれば、角速度センサ素子（３）における角速度の検出精度を高めることができる。

第３態様は、第２態様のセンサ装置（１）であって、中間部材（４）の振動は、固有周波数（ｆ１）よりも高い周波数で減衰する。

第３態様によれば、中間部材（４）の振動が特定の周波数で減衰することで、角速度センサ素子（３）における角速度の検出が干渉されにくくなるため、角速度の検出精度を高めることができる。

第４態様は、第２又は第３態様のセンサ装置（１）であって、角速度センサ素子（３）は、振動子（３４）を備える。振動子（３４）は、固有周波数（ｆ１）よりも高い周波数で、前記角速度の検出方向と直交する方向に駆動する。

第４態様によれば、振動子（３４）の駆動が中間部材（４）の振動に干渉されないため、角速度の検出する精度を高めることができる。

第５態様は、第２〜第４態様のいずれか１つのセンサ装置（１）であって、中間部材（４）の振動は、下記式（１）の関係を満たす、

式（１）中、ω_ｇは加速度センサ素子（２）内の駆動周波数を示し、ω_０は固有周波数（ｆ１）を示し、ζは減衰比を示し、Ａは中間部材（４）の振動が減衰する比率である減衰率を示す。

第５態様によれば、センサ装置（１）の構造を簡単にさせ、かつセンサ装置（１）のサイズを小さくできる。そして、センサ装置（１）の構造が簡単で、かつサイズが小さくても、センサ装置（１）は、角速度と加速度との両方を検出することができる。

第６態様は、第２〜第５態様のいずれか１つのセンサ装置（１）であって、中間部材（４）の振動は、互いに直交する３軸の各々において、角速度センサ素子（３）による角速度の検出に干渉しない。

第６態様によれば、３軸の各々の角速度を得ることができるため、角速度の検出精度を高めることができる。

第７態様は、第１〜第６態様のいずれか１つのセンサ装置（１）であって、中間部材（４）の振動は、固有周波数（ｆ１）よりも低い周波数で加速度センサ素子（２）による加速度の検出に干渉しない。

第７態様によれば、加速度センサ素子（２）における加速度の検出精度を高めることができる。

第８態様は、第７態様のセンサ装置（１）であって、中間部材（４）の振動は、固有周波数（ｆ１）よりも低い周波数で減衰しない。

第８態様によれば、中間部材（４）の振動が特定の周波数で減衰しなくなることにより、加速度センサ素子（２）における加速度の検出が干渉されにくくなるため、加速度の検出精度を高めることができる。

第９態様は、第７又は第８態様のセンサ装置（１）であって、中間部材（４）の振動は、下記式（２）の関係を満たす、

式（２）中、ω_aは加速度センサ素子（２）内の応答周波数を示し、ω_０は固有周波数（ｆ１）を示し、ζは減衰比を示す。

第９態様によれば、センサ装置（１）の構造を簡単にさせ、かつセンサ装置（１）のサイズを小さくできる。そして、センサ装置（１）の構造が簡単で、かつサイズが小さくても、センサ装置（１）は、角速度と加速度との両方を検出することができる。

第１０態様は、第７〜第９態様のいずれか１つのセンサ装置（１）であって、中間部材（４）の振動は、互いに直交する３軸の各々において、加速度センサ素子（２）による加速度の検出に干渉しない。

第１０態様によれば、３軸の各々の加速度を得ることができるため、加速度の検出精度を高めることができる。

第１１態様は、第１〜第１０態様のいずれか１つのセンサ装置（１）であって、弾性体（６）は、複数のリードフレーム（６１）を備える。複数のリードフレーム（６１）は、固定部（７１）と中間部材（４）とに接続する。

第１１態様によれば、センサ装置（１）の構造を簡単にさせ、かつセンサ装置（１）のサイズを小さくできる。そして、センサ装置（１）の構造が簡単で、かつサイズが小さくても、センサ装置（１）は、角速度と加速度との両方を検出することができる。

第１２態様は、第１１態様のセンサ装置（１）であって、角速度センサ素子（３）と、加速度センサ素子（２）とは、複数のリードフレーム（６１）のうち少なくとも一部に電気的に接続する。

第１２態様によれば、センサ装置（１）の構造を簡単にさせ、かつセンサ装置（１）のサイズを小さくできる。そして、センサ装置（１）の構造が簡単で、かつサイズが小さくても、センサ装置（１）は、角速度と加速度との両方を検出することができる。

１ センサ装置
２ 加速度センサ素子
３ 角速度センサ素子
３４ 振動子
４ 中間部材
６ 弾性体
６１ リードフレーム
７１ 固定部
ｆ１ 固有周波数

Claims (12)

1. 角速度センサ素子と、
   加速度センサ素子と、
   前記角速度センサ素子及び前記加速度センサ素子の両方を搭載する中間部材と、
   前記中間部材から離れた位置にある固定部と前記中間部材とに接続する弾性体と、
   を備え、
   前記中間部材は、前記固定部に加わる振動を受けて振動する、
   センサ装置。
2. 前記中間部材の振動は、固有周波数よりも高い周波数で前記角速度センサ素子による角速度の検出に干渉しない、
   請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記中間部材の振動は、前記固有周波数よりも高い周波数で減衰する、
   請求項２に記載のセンサ装置。
4. 前記角速度センサ素子は、振動子を備え、
   前記振動子は、前記固有周波数よりも高い周波数で、前記角速度の検出方向と直交する方向に駆動する、
   請求項２又は３に記載のセンサ装置。
5. 前記中間部材の振動は、下記式（１）の関係を満たす、
   

   

   式（１）中、ω_ｇは前記加速度センサ素子内の駆動周波数を示し、ω_０は前記固有周波数を示し、ζは減衰比を示し、Ａは前記中間部材の振動が減衰する比率である減衰率を示す、
   請求項２〜４のいずれか１項に記載のセンサ装置。
6. 前記中間部材の振動は、互いに直交する３軸の各々において、前記角速度センサ素子による角速度の検出に干渉しない、
   請求項２〜５のいずれか１項に記載のセンサ装置。
7. 前記中間部材の振動は、固有周波数よりも低い周波数で前記加速度センサ素子による加速度の検出に干渉しない、
   請求項１〜６のいずれか１項に記載のセンサ装置。
8. 前記中間部材の振動は、前記固有周波数よりも低い周波数で減衰しない、
   請求項７に記載のセンサ装置。
9. 前記中間部材の振動は、下記式（２）の関係を満たす、
   

   

   式（２）中、ω_aは前記加速度センサ素子内の応答周波数を示し、ω_０は固有周波数を示し、ζは減衰比を示す、
   請求項７又は８に記載のセンサ装置。
10. 前記中間部材の振動は、互いに直交する３軸の各々において、前記加速度センサ素子による加速度の検出に干渉しない、
    請求項７〜９のいずれか１項に記載のセンサ装置。
11. 前記弾性体は、複数のリードフレームを備え、
    前記複数のリードフレームは、前記固定部と前記中間部材とに接続する、
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載のセンサ装置。
12. 前記角速度センサ素子と、前記加速度センサ素子とは、前記複数のリードフレームのうち少なくとも一部に電気的に接続する、
    請求項１１に記載のセンサ装置。

Images