JP2022044165A - 慣性センサー及び慣性計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部からの応力を低減し、検出精度を向上させた慣性センサー及び慣性計測装置を提供する。【解決手段】慣性センサー１は、基板２２と、Ｙ軸センサー素子２１ｙと、Ｙ軸センサー素子２１ｙを基板２２に固定する固定部２２ｙと、を有する慣性センサーチップ２０と、慣性センサーチップ２０が固定され、慣性センサーチップ２０を収納するパッケージ７と、を備え、固定部２２ｙは、パッケージ７の第１平面１７のＸ方向における第１中心線ＣＬ１上に配置する。【選択図】図４

Description

本発明は、慣性センサー及び慣性計測装置に関する。

近年、電子デバイスとして、シリコンＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いて製造された物理量センサー又は慣性センサーが開発されている。このような物理量センサーとして、例えば特許文献１には、櫛歯状をなして対向配置されている可動電極指及び固定電極指を有するセンサー部を有し、これら二つの電極間の静電容量に基づいて物理量を検出する静電容量型の物理量センサーが記載されている。また、この物理量センサーは、パッケージ内部にセンサー部を駆動するＩＣを積層したセンサー部を有するセンサー素子が樹脂等の接合材を介して実装されている。

特開２０１９－３９８８５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の物理量センサーでは、接合材を用いて回路基板等に実装した場合、外力等により物理量センサーのパッケージに反りが発生してしまう。このパッケージに生じる反りに起因して、内部に収納されているセンサー素子に応力が加わることによって、可動電極指及び固定電極指に歪が生じてしまい、電極間に発生する静電容量に変動を生じてしまい検出精度が劣化してしまう虞があった。

慣性センサーは、基板と、第１センサー素子と、前記第１センサー素子を前記基板に固定する第１固定部と、を有する慣性センサーチップと、前記慣性センサーチップが固定され、前記慣性センサーチップを収納するパッケージと、を備え、前記第１固定部は、前記パッケージの第１平面の第１方向における第１中心線上に配置する。

慣性計測装置は、上記に記載の慣性センサーと、前記慣性センサーから出力された検出信号に基づいて制御を行う制御部と、を備えている。

第１実施形態に係る慣性センサーの概略構成を示す平面図。 図１中のＡ－Ａ線断面図。 慣性センサーの機能ブロック図。 慣性センサーチップに用いられているセンサー素子の配置例を示す平面図。 図４中のＢ－Ｂ線断面図。 センサー素子の概略構成を示す平面図。 センサー素子の概略構成を示す平面図。 第２実施形態に係る慣性センサーの慣性センサーチップに用いられているセンサー素子の配置例を示す平面図。 第３実施形態に係る慣性センサーの慣性センサーチップに用いられているセンサー素子の配置例を示す平面図。 第４実施形態に係る慣性センサーの慣性センサーチップに用いられているセンサー素子の配置例を示す平面図。 センサー素子の概略構成を示す平面図。 センサー素子の概略構成を示す平面図。 第５実施形態に係る慣性センサーの概略構成を示す平面図。 図１３中のＣ－Ｃ線断面図。 第６実施形態に係る慣性センサーを備えた慣性計測装置の概略構成を示す分解斜視図。 図１５中の基板の斜視図。

１．第１実施形態
先ず、第１実施形態に係る慣性センサー１について、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸方向の加速度を検出する３軸加速度センサーを一例として挙げ、図１～図７を参照して説明する。
尚、図１において、慣性センサー１の内部の構成を説明する便宜上、蓋１５を取り外した状態を図示している。また、図１及び図２において、パッケージ７内部の配線の図示を省略している。また、図４において、慣性センサーチップ２０のセンサー素子の配置を説明する便宜上、キャップ２３を取り外した状態を図示している。また、図４及び図５において、基板２２上の配線の図示を省略している。

また、説明の便宜上、図３を除く各図には、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を図示している。また、Ｘ軸に沿った方向を「Ｘ方向」、Ｙ軸に沿った方向を「Ｙ方向」、Ｚ軸に沿った方向を「Ｚ方向」と言う。また、各軸方向の矢印先端側を「プラス側」、基端側を「マイナス側」、Ｚ方向プラス側を「上」、Ｚ方向マイナス側を「下」とも言う。また、Ｚ方向は、鉛直方向に沿い、ＸＹ平面は、水平面に沿っている。また、本実施形態における第１方向とは、Ｘ方向であり、第２方向とは、Ｙ方向である。

図１～図７に示す慣性センサー１は、３方向の加速度を独立して検知することのできる３軸加速度センサーとして利用可能である。このような慣性センサー１は、図１及び図２に示すように、パッケージ７と、パッケージ７内に収納された慣性センサーチップ２０及び慣性センサーチップ２０上に接着された半導体集積回路４０と、を含み、接合部材１８によって慣性センサーチップ２０の裏面２０ｒがパッケージ７の収納空間Ｓ１内に固定されている。つまり、慣性センサーチップ２０がパッケージ７の第１基板１１の上面となる第１平面１７上に取り付けられている。

パッケージ７は、第１基板１１、第２基板１２、及び第３基板１３で構成されているベース部１０と、封止部材１４を介して第３基板１３に接合されている蓋１５と、を含み構成されている。なお、第１基板１１、第２基板１２、及び第３基板１３は、この順で積層されてベース部１０が構成される。第１基板１１は、平板状であり、第２基板１２及び第３基板１３は、中央部が除去された環状体であり、第３基板１３の上面の周縁にシールリングや低融点ガラス等の封止部材１４が形成されている。

パッケージ７には、中央部が除去された環状体である第２基板１２及び第３基板１３により、慣性センサーチップ２０及び半導体集積回路４０を収納するキャビティーが形成されている。そして、パッケージ７のキャビティーの開口が蓋１５によって塞がれることによって密閉空間である収納空間Ｓ１が設けられ、この収納空間Ｓ１に慣性センサーチップ２０及び半導体集積回路４０を収納することができる。このように、ベース部１０と蓋１５との間に設けられている収納空間Ｓ１に、慣性センサーチップ２０及び半導体集積回路４０が収納されていることにより、コンパクトな慣性センサー１とすることができる。

第１基板１１、第２基板１２、及び第３基板１３の構成材料には、セラミックなどが好適に用いられる。なお、第１基板１１、第２基板１２、及び第３基板１３の構成材料は、セラミック以外に、ガラス、金属等を用いても良い。また、蓋１５の構成材料には、例えば、コバールなどの金属材料、ガラス材料、シリコン材料、セラミック材料などを用いることができる。

また、第２基板１２の上面には、複数の内部端子１９が配置されており、第１基板１１の下面であるパッケージ７の外底面１０ｒには、複数の外部端子１６が配置されている。各内部端子１９は、ベース部１０に形成された図示しない内部配線などを介して対応する外部端子１６と電気的に接続されている。また、内部端子１９及び外部端子１６は、例えばタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）等の金属配線材料を、所定の位置にスクリーン印刷して焼成し、その上にニッケル（Ｎｉ）、金（Ａｕ）等のめっきを施す方法などによって形成することができる。

また、第２基板１２の上面には、複数の第２アライメントマーク５２が配置されており、後述する慣性センサーチップ２０に設けられた第１アライメントマーク５１とアライメントすることで、慣性センサーチップ２０をパッケージ７の第１平面１７上に精度良く配置することができる。尚、第２アライメントマーク５２は、内部端子１９を形成する際に、内部端子１９と同層に、内部端子１９と同一の材料で形成することができる。また、第２アライメントマーク５２の配置位置は、特に限定されず、どこでも構わない。

慣性センサーチップ２０は、接合部材１８によって、ベース部１０を構成する第１基板１１の第１平面１７に裏面２０ｒが接着され、パッケージ７の収納空間Ｓ１に収納され、固定されている。パッケージ７の収納空間Ｓ１は、大気圧よりも低い減圧雰囲気、または窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性気体雰囲気に気密封止されている。

また、慣性センサーチップ２０の基板２２の上面には、第１アライメントマーク５１が配置されており、接続端子２９を形成する際に、接続端子２９と同層に、接続端子２９と同一の材料で形成することができる。尚、本実施形態では、第１アライメントマーク５１の形状が十字形状であるが、これに限定することはなく、矩形や円形等でも構わない。

半導体集積回路４０は、接合部材４１を介して慣性センサーチップ２０の上面に接着されている。半導体集積回路４０は、上面に複数の電極パッド４４，４５を有し、電極パッド４５がボンディングワイヤー４２を介して第２基板１２の上面に設けられた内部端子１９と電気的に接続され、電極パッド４４がボンディングワイヤー４３を介して慣性センサーチップ２０に設けられた接続端子２９と電気的に接続されている。これにより、慣性センサー１を制御することができる。

慣性センサー１の機能構成として、図３に示すように、慣性センサーチップ２０は、Ｘ方向、Ｙ方向、及Ｚ方向のそれぞれの加速度を独立して検知することのできるＸ軸センサー素子２１ｘと、Ｙ軸センサー素子２１ｙと、Ｚ軸センサー素子２１ｚと、を含む。
Ｘ軸センサー素子２１ｘ及びＹ軸センサー素子２１ｙは、Ｘ－Ｙ平面方向の２軸であるＸ方向及びＹ方向の加速度を検知し、Ｚ軸センサー素子２１ｚは、Ｘ－Ｙ平面に直交するＺ方向の加速度を検知し、静電容量の変化データを示す信号として半導体集積回路４０に送信する。
半導体集積回路４０は、信号処理部４６と、出力部４７とを含む。半導体集積回路４０は、慣性センサーチップ２０から送られた静電容量の変化を示す信号を、信号処理部４６によってユーザーの使い易い形式、例えばバイアス方式に変換処理し、出力部４７から加速度データとして出力する。

次に、慣性センサーチップ２０について、図４及び図５を参照して説明する。
尚、本実施形態におけるＹ軸センサー素子２１ｙは、第１センサー素子に相当し、Ｚ軸センサー素子２１ｚは、第２センサー素子に相当し、Ｘ軸センサー素子２１ｘは、第３センサー素子に相当する。また、固定部２２ｙは、第１固定部に相当し、固定部２２ｚは、第２固定部に相当し、固定部２２ｘは、第３固定部に相当する。

慣性センサーチップ２０は、図４及び図５に示すように、四角形状でキャップ２３と向き合う側に凹部２６が設けられている基板２２及び基板２２と向き合う側に凹部２８が設けられ、基板２２に接合されている四角形状のキャップ２３を有する容器２５と、容器２５の基板２２とキャップ２３とで構成される収納空間Ｓ２に収納されている３つのセンサー素子２１ｘ、２１ｙ、２１ｚと、を備えている。

基板２２の凹部２６は、その上方に配置されているＸ軸センサー素子２１ｘ、Ｙ軸センサー素子２１ｙ、及びＺ軸センサー素子２１ｚと基板２２との接触を防止するための逃げ部として機能する。

このような基板２２は、例えば、アルカリ金属イオン等の可動イオンを含むガラス材料、例えば、パイレックス（登録商標）ガラスのような硼珪酸ガラスから形成されている。また、Ｘ軸センサー素子２１ｘ、Ｙ軸センサー素子２１ｙ、及びＺ軸センサー素子２１ｚは、例えば、リン、ボロン等の不純物がドープされたシリコン基板から形成されている。そのため、Ｘ軸センサー素子２１ｘ、Ｙ軸センサー素子２１ｙ、及びＺ軸センサー素子２１ｚを基板２２に対して陽極接合により強固に接合することができる。

キャップ２３は、図５に示すように、凹部２８を有し、凹部２８が基板２２の凹部２６とで収納空間Ｓ２を形成するように基板２２に接合されている。このようなキャップ２３は、本実施形態ではシリコン基板で形成されている。キャップ２３と基板２２とは、ガラスフリット２４を用いて気密に接合されている。

Ｙ軸センサー素子２１ｙは、Ｙ方向の加速度を検出する素子である。このようなＹ軸センサー素子２１ｙは、Ｘ方向に並ぶ複数の固定部２２ｙを有し、Ｙ軸センサー素子２１ｙの固定部２２ｙが基板２２の内底面２７からキャップ２３側に突出する支持部１１ｙの上面に陽極接合され、固定されている。尚、複数の固定部２２ｙのうちの１つの固定部２２ｙは、パッケージ７の第１平面１７のＸ方向における第１中心線ＣＬ１上に配置されている。また、固定部２２ｙは、第１中心線ＣＬ１と交差する位置であって、Ｙ軸センサー素子２１ｙにおいて、第１中心線ＣＬ１と第２中心線ＣＬ２とが交差する側に位置する。つまり、固定部２２ｙは、Ｙ軸センサー素子２１ｙのＹ方向の中心よりも第２中心線ＣＬ２側に位置している。

また、本実施形態では、後述する可動電極６３又は固定電極６５と連結する固定部２２ｙにおいて、可動電極６３と連結する固定部２２ｙが第１中心線ＣＬ１上に配置されているが、これに限定されることはなく、固定電極６５と連結する固定部２２ｙが第１中心線ＣＬ１上に配置されていても構わない。

Ｚ軸センサー素子２１ｚは、Ｚ方向の加速度を検出する素子である。このようなＺ軸センサー素子２１ｚは、複数の固定部２２ｚを有し、Ｚ軸センサー素子２１ｚの固定部２２ｚが基板２２の内底面２７からキャップ２３側に突出する支持部１１ｚの上面に陽極接合され、固定されている。尚、複数の固定部２２ｚは、パッケージ７の第１平面１７のＸ方向における第１中心線ＣＬ１上に配置されている。また、固定部２２ｚは、Ｚ軸センサー素子２１ｚのＹ方向の中心よりも第２中心線ＣＬ２側に位置している。Ｚ軸センサー素子２１ｚは、複数の固定部２２ｚを有しているが、固定部２２ｚは、１つであってもよい。

Ｘ軸センサー素子２１ｘは、Ｘ方向の加速度を検出する素子である。このようなＸ軸センサー素子２１ｘは、Ｙ方向に並ぶ複数の固定部２２ｘを有し、Ｘ軸センサー素子２１ｘの固定部２２ｘが基板２２の内底面２７からキャップ２３側に突出する支持部１１ｘの上面に陽極接合され、固定されている。尚、複数の固定部２２ｘのうちの１つの固定部２２ｘは、パッケージ７の第１平面１７のＹ方向における第２中心線ＣＬ２上に配置されている。固定部２２ｘは、Ｘ軸センサー素子２１ｘのＸ方向の中心よりも第１中心線ＣＬ１側に位置している。また、本実施形態では、可動電極６３と連結する固定部２２ｘが第２中心線ＣＬ２上に配置されているが、これに限定されることはなく、固定電極６５と連結する固定部２２ｘが第２中心線ＣＬ２上に配置されていても構わない。

一般的に、慣性センサー１を回路基板等に実装した場合、外力等によるパッケージ７の反りは、パッケージ７の中心に近い方が小さい。そのため、センサー素子の固定部をパッケージ７の中心に近い位置に固定することで、パッケージ７の反りによる影響を低減することができる。

本実施形態では、Ｙ軸センサー素子２１ｙの固定部２２ｙと、Ｚ軸センサー素子２１ｚの固定部２２ｚと、をパッケージ７の第１中心線ＣＬ１上に固定し、Ｘ軸センサー素子２１ｘの固定部２２ｘをパッケージ７の第２中心線ＣＬ２上に固定することで、パッケージ７の反りによって、電極間に発生する静電容量の変動による検出精度の劣化を低減している。また、Ｙ軸センサー素子２１ｙとＺ軸センサー素子２１ｚの固定部２２ｙ，２２ｚは、Ｙ軸センサー素子２１ｙとＺ軸センサー素子２１ｚのＹ方向の中心よりも第２中心線ＣＬ２側に配置し、Ｘ軸センサー素子２１ｘの固定部２２ｘは、Ｘ軸センサー素子２１ｘのＸ方向の中心よりも第１中心線ＣＬ１側に配置することで、Ｙ軸センサー素子２１ｙとＺ軸センサー素子２１ｚとは、Ｙ方向の反りの影響を、Ｘ軸センサー素子２１ｘは、Ｘ方向の反りの影響を、極力小さくなるようにすることができる。

また、各センサー素子２１ｘ，２１ｙ，２１ｚの固定部２２ｘ，２２ｙ，２２ｚの位置が特定できる第１アライメントマーク５１が慣性センサーチップ２０に設けられており、パッケージ７の第１中心線ＣＬ１及び第２中心線ＣＬ２の位置が特定できる第２アライメントマーク５２がパッケージ７に設けられているので、第１アライメントマーク５１と第２アライメントマーク５２とをアライメントすることで、各センサー素子２１ｘ，２１ｙ，２１ｚの固定部２２ｘ，２２ｙ，２２ｚを第１中心線ＣＬ１上又は第２中心線ＣＬ２上に位置精度良く配置することができる。

次に、Ｙ軸センサー素子２１ｙ、Ｘ軸センサー素子２１ｘ、及びＺ軸センサー素子２１ｚの加速度を検出する原理について、図６及び図７を参照して説明する。

Ｙ軸センサー素子２１ｙは、図６に示すように、Ｘ方向に並ぶ３つの固定部２２ｙとＹ方向に並ぶ２つの連結部６１を有し、２つの連結部６１の間に３つの固定部２２ｙが配置され、中央の固定部２２ｙと連結部６１とが連結している。また、Ｙ方向プラス側に位置する連結部６１と固定部２２ｙとの間隔は、Ｙ方向マイナス側に位置する連結部６１と固定部２２ｙとの間隔より長い。

２つの連結部６１は、固定部２２ｙ側とは反対側で、２つの連結部６１と３つの固定部２２ｙとを囲む可動部６２に連結している。可動部６２は、Ｙ方向プラス側に位置する連結部６１と固定部２２ｙとの間にＸ方向プラス側及びマイナス側にそれぞれ延在する複数の可動電極６３を有している。尚、連結部６１は、バネのようにＹ方向に弾性変形可能であるため、可動部６２がＹ方向に変位可能となる。

中央の固定部２２ｙのＸ方向プラス側及びマイナス側に位置する２つの固定部２２ｙは、それぞれ、斜めＹ方向に延在する固定梁６４と、固定梁６４からＸ方向プラス側及びマイナス側にそれぞれ延在する複数の固定電極６５と、を有している。尚、複数の固定電極６５は、可動電極６３のＹ方向プラス側又はＹ方向マイナス側に配置され、対応する可動電極６３に対して間隔を隔てて噛み合う櫛歯状をなして並んでいる。

このようなＹ軸センサー素子２１ｙは、Ｙ方向の加速度が加わると、その加速度の大きさに基づいて、可動部６２が、Ｙ方向に変位する。当該変位に伴って、可動電極６３と固定電極６５との間の静電容量の大きさがそれぞれ変化するので、当該静電容量の変化に基づいて半導体集積回路４０にて加速度が求められる。

Ｘ軸センサー素子２１ｘは、Ｘ方向の加速度を検出する素子である。このようなＸ軸センサー素子２１ｘは、Ｙ軸センサー素子２１ｙに対して、平面視で９０°回転した状態で配置されている以外は、Ｙ軸センサー素子２１ｙと同様の構成である。このようなＸ軸センサー素子２１ｘは、Ｘ方向の加速度が加わると、その加速度の大きさに基づいて、可動部６２が、Ｘ方向に変位する。当該変位に伴って、可動電極６３と固定電極６５との間の静電容量の大きさがそれぞれ変化するので、当該静電容量の変化に基づいて半導体集積回路４０にてＸ方向の加速度が求められる。

固定部２２ｘに連結した連結部６１は、バネのようにＸ方向に弾性変形可能であるため、可動部６２がＸ方向に変位可能となる。そのため、Ｘ方向の加速度を検出することができる。

Ｚ軸センサー素子２１ｚは、図７に示すように、固定部２２ｚと、可動部７２と、可動部７２を固定部２２ｚに対して揺動可能に連結する一対の支持梁７１と、を有し、支持梁７１を軸Ｊ１として、可動部７２が固定部２２ｚに対してシーソー揺動する。このようなＺ軸センサー素子２１ｚは、例えば、リン、ボロン等の不純物がドープされたシリコン基板から形成されている。

固定部２２ｚは、基板２２の凹部２６の内底面２７から上方に突出する支持部１１ｚの上面に陽極接合されている。そして、固定部２２ｚのＹ方向プラス側及びＹ方向マイナス側に可動部７２が設けられている。可動部７２は、軸Ｊ１よりもＹ方向プラス側に位置する第１可動電極７３と、軸Ｊ１よりもＹ方向マイナス側に位置する、第２可動電極７４及び第３可動電極７５と、を有している。第１可動電極７３と第２可動電極７４は、Ｚ方向の加速度が加わったときの回転モーメントが異なっており、加速度に応じて可動部７２に所定の傾きが生じるように設計されている。これにより、Ｚ方向の加速度が生じると、可動部７２が軸Ｊ１まわりにシーソー揺動する。

また、凹部２６の内底面２７の第１可動電極７３と対向する位置には、第１検出電極７６が配置されており、第２可動電極７４と対向する位置には、第２検出電極７７が配置されており、第３可動電極７５と対向する位置には、ダミー電極７８が配置されている。そのため、第１可動電極７３と第１検出電極７６との間に静電容量が形成され、第２可動電極７４と第２検出電極７７との間に静電容量が形成される。尚、ダミー電極７８は、凹部２６の内底面２７に生じる帯電を抑制するために設けられている。

このようなＺ軸センサー素子２１ｚは、Ｚ方向の加速度が加わると、可動部７２は、軸Ｊ１まわりにシーソー揺動する。このような可動部７２のシーソー揺動によって、第１可動電極７３と第１検出電極７６との離間距離、及び第２可動電極７４と第２検出電極７７との離間距離が変化し、これに応じてこれらの間の静電容量が変化するので、当該静電容量の変化に基づいて半導体集積回路４０にて加速度が求められる。

上述したような慣性センサー１によれば、Ｙ軸センサー素子２１ｙの固定部２２ｙをパッケージ７の第１中心線ＣＬ１上となる慣性センサーチップ２０の基板２２の位置に固定し、Ｘ軸センサー素子２１ｘの固定部２２ｘをパッケージ７の第２中心線ＣＬ２上となる慣性センサーチップ２０の基板２２の位置に固定することで、パッケージ７の反りによって、可動電極６３及び固定電極６５に歪が生じ、電極間に発生する静電容量の変動による検出精度の劣化を低減することができる。
また、Ｚ軸センサー素子２１ｚの固定部２２ｚをパッケージ７の第１中心線ＣＬ１上となる慣性センサーチップ２０の基板２２の位置に固定することで、パッケージ７の反りによって、第１検出電極７６や第２検出電極７７等に歪が生じ、電極間に発生する静電容量の変動による検出精度の劣化を低減することができる。

２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る慣性センサー１ａの慣性センサーチップ２０ａについて、図８を参照して説明する。
尚、図８において、慣性センサーチップ２０ａのセンサー素子の配置を説明する便宜上、キャップ２３の図示を省略し、また、基板２２上の配線を省略している。

本実施形態の慣性センサーチップ２０ａは、第１実施形態の慣性センサーチップ２０に比べ、Ｚ軸センサー素子２１ｚとＸ軸センサー素子２１ｘとの配置位置が異なり、４番目のセンサー素子としてＺ軸センサー素子１２１ｚが配置されていること以外は、第１実施形態の慣性センサーチップ２０と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。また、図８では、前述した実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。

本実施形態の慣性センサーチップ２０ａは、図８に示すように、基板２２及びキャップ２３を有する容器２５と、容器２５内に収容され、支持部１１ｙに固定されたＹ軸センサー素子２１ｙと、支持部１１ｘに固定されたＸ軸センサー素子２１ｘと、支持部１１ｚに固定されたＺ軸センサー素子２１ｚと、支持部１１１ｚに固定されたＺ軸センサー素子１２１ｚと、を有している。

Ｙ軸センサー素子２１ｙは、固定部２２ｙがパッケージ７の第１中心線ＣＬ１上に配置されている。Ｘ軸センサー素子２１ｘは、Ｙ軸センサー素子２１ｙとＹ方向に沿って並び、素子の中心が第１中心線ＣＬ１上に配置されている。Ｚ軸センサー素子２１ｚは、Ｘ軸センサー素子２１ｘとＸ方向に沿って並び、固定部２２ｚが素子のＹ方向の中心よりパッケージ７の第２中心線ＣＬ２側に配置されている。Ｚ軸センサー素子１２１ｚは、Ｙ軸センサー素子２１ｙとＸ方向に沿って並び、固定部１２２ｚが素子のＹ方向の中心よりパッケージ７の第２中心線ＣＬ２側に配置されている。また、Ｚ軸センサー素子２１ｚとＺ軸センサー素子１２１ｚとは、第２中心線ＣＬ２に対して、対称に配置されている。つまり、第２中心線ＣＬ２を挟み線対称に配置されている。

このような構成とすることで、各センサー素子２１ｙ，２１ｘ，２１ｚ，１２１ｚのそれぞれの固定部２２ｙ，２２ｘ，２２ｚ，１２２ｚを第１中心線ＣＬ１上又は第１中心線ＣＬ１及び第２中心線ＣＬ２に近い位置に配置しているので、前述した第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、２つのＺ軸センサー素子２１ｚ，１２１ｚが配置されているので、Ｚ方向の加速度を高精度に検出することができる。

３．第３実施形態
次に、第３実施形態に係る慣性センサー１ｂの慣性センサーチップ２０ｂについて、図９を参照して説明する。
尚、図９において、慣性センサーチップ２０ｂのセンサー素子の配置を説明する便宜上、キャップ２３の図示を省略し、また、基板２２上の配線を省略している。
また、本実施形態におけるＺ軸センサー素子１２１ｚは、第１センサー素子に相当し、Ｚ軸センサー素子２１ｚは、第２センサー素子に相当する。また、固定部１２２ｚは、第１固定部に相当し、固定部２２ｚは、第２固定部に相当する。

本実施形態の慣性センサーチップ２０ｂは、第１実施形態の慣性センサーチップ２０に比べ、３つのセンサー素子２１ｙ，２１ｚ，２１ｘの配置位置が異なり、４番目のセンサー素子としてＺ軸センサー素子１２１ｚが配置されていること以外は、第１実施形態の慣性センサーチップ２０と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。また、図９では、前述した実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。

本実施形態の慣性センサーチップ２０ｂは、図９に示すように、基板２２及びキャップ２３を有する容器２５と、容器２５内に収容され、支持部１１１ｚに固定されたＺ軸センサー素子１２１ｚと、支持部１１ｚに固定されたＺ軸センサー素子２１ｚと、支持部１１ｙに固定されたＹ軸センサー素子２１ｙと、支持部１１ｘに固定されたＸ軸センサー素子２１ｘと、を有している。

Ｚ軸センサー素子１２１ｚは、固定部１２２ｚがパッケージ７の第１中心線ＣＬ１上に配置され、固定部１２２ｚが素子のＹ方向の中心よりパッケージ７の第２中心線ＣＬ２側に配置されている。Ｚ軸センサー素子２１ｚは、固定部２２ｚがパッケージ７の第１中心線ＣＬ１上に配置され、固定部２２ｚが素子のＹ方向の中心よりパッケージ７の第２中心線ＣＬ２側に配置されている。また、Ｚ軸センサー素子１２１ｚとＺ軸センサー素子２１ｚとは、第２中心線ＣＬ２に対して、対称に配置されている。
Ｙ軸センサー素子２１ｙは、Ｚ軸センサー素子１２１ｚとＸ方向に沿って並び、固定部２２ｙが素子のＹ方向の中心よりパッケージ７の第２中心線ＣＬ２側に配置されている。Ｘ軸センサー素子２１ｘは、Ｚ軸センサー素子２１ｚとＸ方向に沿って並び、固定部２２ｘが素子のＸ方向の中心よりパッケージ７の第１中心線ＣＬ１側に配置されている。

このような構成とすることで、各センサー素子２１ｙ，２１ｘ，２１ｚ，１２１ｚのそれぞれの固定部２２ｙ，２２ｘ，２２ｚ，１２２ｚを第１中心線ＣＬ１上又は第１中心線ＣＬ１及び第２中心線ＣＬ２に近い位置に配置しているので、前述した第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、２つのＺ軸センサー素子２１ｚ，１２１ｚが配置されているので、Ｚ方向の加速度を高精度に検出することができる。

４．第４実施形態
次に、第４実施形態に係る慣性センサー１ｃの慣性センサーチップ２０ｃについて、図１０、図１１、及び図１２を参照して説明する。
尚、図１０において、慣性センサーチップ２０ｃのセンサー素子の配置を説明する便宜上、キャップ２３の図示を省略し、また、基板２２上の配線を省略している。
また、本実施形態におけるＸＹ軸センサー素子２１ｘｙは、第１センサー素子に相当し、Ｚ軸センサー素子２２１ｚは、第２センサー素子に相当する。また、固定部８５は、第１固定部に相当し、固定部９０は、第２固定部に相当する。

本実施形態の慣性センサーチップ２０ｃは、第１実施形態の慣性センサーチップ２０に比べ、Ｙ軸センサー素子２１ｙとＸ軸センサー素子２１ｘとに代わりＸ軸とＹ軸の加速度を１素子で検出可能なＸＹ軸センサー素子２１ｘｙ、２２１ｘｙが２つ配置され、Ｚ軸センサー素子２１ｚと構造の異なるＺ軸センサー素子２２１ｚ，２２２ｚが２つ配置されていること以外は、第１実施形態の慣性センサーチップ２０と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。また、図１０では、前述した実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。

本実施形態の慣性センサーチップ２０ｃは、図１０に示すように、基板２２及びキャップ２３を有する容器２５と、容器２５内に収容され、支持部１１１ｘｙに固定部８５が固定されたＸＹ軸センサー素子２１ｘｙと、支持部２１１ｚに固定部９０が固定されたＺ軸センサー素子２２２ｚと、支持部２１１ｚに固定部９０が固定されたＺ軸センサー素子２２１ｚと、支持部１１１ｘｙに固定部８５が固定されたＸＹ軸センサー素子２２１ｘｙと、を有している。

ＸＹ軸センサー素子２１ｘｙとＸＹ軸センサー素子２２１ｘｙとは、パッケージ７の第２中心線ＣＬ２に対して、対称に配置され、それぞれの固定部８５がパッケージ７の第１中心線ＣＬ１上に配置されている。
Ｚ軸センサー素子２２１ｚとＺ軸センサー素子２２２ｚとは、ＸＹ軸センサー素子２１ｘｙとＸＹ軸センサー素子２２１ｘｙとの間に配置され、パッケージ７の第２中心線ＣＬ２に対して、対称に配置されている。また、Ｚ軸センサー素子２２１ｚとＺ軸センサー素子２２２ｚとは、それぞれの固定部９０がパッケージ７の第１中心線ＣＬ１上に配置されている。

このような構成とすることで、各センサー素子２１ｘｙ，２２１ｚ，２２２ｚ，２２１ｘｙのそれぞれの固定部８５，９０を第１中心線ＣＬ１上に配置しているので、前述した第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、２つのＸＹ軸センサー素子２１ｘｙ，２２１ｘｙと、２つのＺ軸センサー素子２２１ｚ，２２２ｚと、が配置されているので、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向の加速度を高精度に検出することができる。

次に、ＸＹ軸センサー素子２１ｘｙ，２２１ｘｙ及びＺ軸センサー素子２２１ｚ，２２２ｚの加速度を検出する原理について、図１１及び図１２を参照して説明する。

ＸＹ軸センサー素子２１ｘｙとＸＹ軸センサー素子２２１ｘｙとは、同じ構造なので、ＸＹ軸センサー素子２１ｘｙについて説明する。
ＸＹ軸センサー素子２１ｘｙは、図１１に示すように、素子の中央に位置する四角形の基部８０と、基部８０の四隅から斜め上方又は斜め下方に延在する４つの固定部８１と、４つの固定部８１のそれぞれの先端部に連結した４つの連結部８２と、基部８０の四辺に沿って配置され、Ｘ方向プラス側及びマイナス側、Ｙ方向プラス側及びマイナス側にそれぞれ延在する複数の固定電極８６を固定する４つの固定部８５と、４つの連結部８２に連結し、基部８０と４つの固定部８５とを囲む可動部８３と、を有している。尚、連結部８２は、バネのようにＸ方向又はＹ方向に弾性変形可能であるため、可動部８３がＸ方向又はＹ方向に変位可能となる。

可動部８３は、４つの固定部８５に対向し、Ｘ方向プラス側及びマイナス側、Ｙ方向プラス側及びマイナス側にそれぞれ延在する複数の可動電極８４を有している。尚、複数の可動電極８４は、固定電極８６のＸ方向プラス側又はＸ方向マイナス側、Ｙ方向プラス側又はＹ方向マイナス側に配置され、対応する固定電極８６に対して間隔を隔てて配置されている。すなわち、複数の可動電極８４は、対応する固定電極８６に対して間隔を隔てて噛み合う櫛歯状をなして並んでいる。

このようなＸＹ軸センサー素子２１ｘｙは、Ｘ方向の加速度が加わると、その加速度の大きさに基づいて、可動部８３が、Ｘ方向に変位し、Ｙ方向の加速度が加わると、その加速度の大きさに基づいて、可動部８３が、Ｙ方向に変位する。当該変位に伴って、可動電極８４と固定電極８６との間の静電容量の大きさがそれぞれ変化するので、当該静電容量の変化に基づいて半導体集積回路４０にて加速度が求められる。

Ｚ軸センサー素子２２１ｚとＺ軸センサー素子２２２ｚとは、同じ構造で、平面視で１８０°回転した状態で配置されているので、Ｚ軸センサー素子２２１ｚについて説明する。
Ｚ軸センサー素子２２１ｚは、図１２に示すように、固定部９０と、可動部９２と、可動部９２を固定部９０に対して揺動可能に連結する一対の支持梁９１と、を有し、支持梁９１を軸Ｊ２として、可動部９２が固定部９０に対してシーソー揺動する。

固定部９０は、基板２２の凹部２６の内底面２７から上方に突出する支持部２１１ｚの上面に陽極接合されている。可動部９２は、軸Ｊ２よりもＸ方向プラス側に位置する第１可動電極９３と、軸Ｊ２よりもＸ方向マイナス側に位置する、第２可動電極９４及び第３可動電極９５と、を有している。第１可動電極９３と第２可動電極９４は、Ｚ方向の加速度が加わったときの回転モーメントが異なっており、Ｚ方向の加速度が生じると、可動部９２が軸Ｊ２まわりにシーソー揺動する。

また、凹部２６の内底面２７の第１可動電極９３と対向する位置には、第１検出電極９６が配置されており、第２可動電極９４と対向する位置には、第２検出電極９７が配置されており、第３可動電極９５と対向する位置には、ダミー電極９８が配置されている。そのため、第１可動電極９３と第１検出電極９６との間に静電容量が形成され、第２可動電極９４と第２検出電極９７との間に静電容量が形成される。尚、ダミー電極９８は、凹部２６の内底面２７に生じる帯電を抑制するために設けられている。

このようなＺ軸センサー素子２２１ｚは、Ｚ方向の加速度が加わると、可動部９２は、軸Ｊ２まわりにシーソー揺動する。このような可動部９２のシーソー揺動によって、第１可動電極９３と第１検出電極９６との離間距離、及び第２可動電極９４と第２検出電極９７との離間距離が変化し、これに応じてこれらの間の静電容量が変化するので、当該静電容量の変化に基づいて半導体集積回路４０にて加速度が求められる。

５．第５実施形態
次に、第５実施形態に係る慣性センサー１ｄについて、図１３及び図１４を参照して説明する。
尚、図１３において、慣性センサー１ｄの内部の構成を説明する便宜上、蓋１５を取り外した状態を図示し、また、図１３及び図１４において、パッケージ７内部の配線の図示を省略している。

本実施形態の慣性センサー１ｄは、第１実施形態の慣性センサー１に比べ、慣性センサーチップ２０と半導体集積回路４０ｄとの積層順番が異なること以外は、第１実施形態の慣性センサー１と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。また、図１３及び図１４では、前述した実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。

本実施形態の慣性センサー１ｄは、慣性センサーチップ２０とパッケージ７との間に半導体集積回路４０ｄが配置されている。つまり、パッケージ７の第１基板１１上に接合部材４１を介して半導体集積回路４０ｄが固定され、半導体集積回路４０ｄ上に接合部材１８を介して慣性センサーチップ２０が固定されている。そのため、半導体集積回路４０ｄのサイズを大きくすることができ、温度補正回路やノイズ補正回路等の補正回路を組み込むことができるので、慣性センサー１の高精度化を図ることができる。このように、慣性センサーチップ２０とパッケージ７との間に、他の部品を配置してもよい。慣性センサーチップ２０としては、上記実施形態で説明した慣性センサーチップ２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃを適用できる。

６．第６実施形態
次に、第６実施形態に係る慣性センサー１～１ｄを備えている慣性計測装置２０００について、図１５及び図１６を参照して説明する。尚、以下の説明では、慣性センサー１を適用した構成を例示して説明する。

図１５に示す慣性計測装置２０００（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）は、自動車や、ロボットなどの運動体の姿勢や、挙動などの慣性運動量を検出する装置である。慣性計測装置２０００は、３軸に沿った方向の加速度Ａｘ，Ａｙ，Ａｚを検出する加速度センサーと、３軸周りの角速度ωｘ，ωｙ，ωｚを検出する角速度センサーと、を備えた、いわゆる６軸モーションセンサーとして機能する。

慣性計測装置２０００は、平面形状が略正方形の直方体である。また、正方形の対角線方向に位置する２ヶ所の頂点近傍に、固定部としてのネジ穴２１１０が形成されている。この２ヶ所のネジ穴２１１０に２本のネジを通して、自動車などの被装着体の被装着面に慣性計測装置２０００を固定することができる。尚、部品の選定や設計変更により、例えば、スマートフォンやデジタルカメラに搭載可能なサイズに小型化することも可能である。

慣性計測装置２０００は、アウターケース２１００と、接合部材２２００と、センサーモジュール２３００と、を有し、アウターケース２１００の内部に、接合部材２２００を介在させて、センサーモジュール２３００を挿入した構成となっている。また、センサーモジュール２３００は、インナーケース２３１０と、基板２３２０と、を有している。

アウターケース２１００の外形は、慣性計測装置２０００の全体形状と同様に、平面形状が略正方形の直方体であり、正方形の対角線方向に位置する２ヶ所の頂点近傍に、それぞれネジ穴２１１０が形成されている。また、アウターケース２１００は、箱状であり、その内部にセンサーモジュール２３００が収納されている。

インナーケース２３１０は、基板２３２０を支持する部材であり、アウターケース２１００の内部に収まる形状となっている。また、インナーケース２３１０には、基板２３２０との接触を防止するための凹部２３１１や後述するコネクター２３３０を露出させるための開口２３１２が形成されている。このようなインナーケース２３１０は、接合部材２２００を介してアウターケース２１００に接合されている。また、インナーケース２３１０の下面には接着剤を介して基板２３２０が接合されている。

図１６に示すように、基板２３２０の上面には、コネクター２３３０、Ｚ軸周りの角速度を検出す角速度センサー２３４０ｚ、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸の各軸方向の加速度を検出する加速度センサーユニット２３５０などが実装されている。また、基板２３２０の側面には、Ｘ軸周りの角速度を検出する角速度センサー２３４０ｘ及びＹ軸周りの角速度を検出する角速度センサー２３４０ｙが実装されている。

加速度センサーユニット２３５０は、前述したＺ方向の加速度を測定するための慣性センサー１を少なくとも含み、必要に応じて、一軸方向の加速度を検出したり、二軸方向や三軸方向の加速度を検出したりすることができる。尚、角速度センサー２３４０ｘ、２３４０ｙ、２３４０ｚとしては、特に限定されず、例えば、コリオリの力を利用した振動ジャイロセンサーを用いることができる。

また、基板２３２０の下面には、制御ＩＣ２３６０が実装されている。慣性センサー１から出力された検出信号に基づいて制御を行う制御部としての制御ＩＣ２３６０は、ＭＣＵ（Micro Controller Unit）であり、不揮発性メモリーを含む記憶部や、Ａ／Ｄコンバーターなどを内蔵しており、慣性計測装置２０００の各部を制御する。記憶部には、加速度、および角速度を検出するための順序と内容を規定したプログラムや、検出データをデジタル化してパケットデータに組込むプログラム、付随するデータなどが記憶されている。尚、基板２３２０には、その他にも複数の電子部品が実装されている。

このような慣性計測装置２０００は、慣性センサー１を含む加速度センサーユニット２３５０を用いているため、耐衝撃性に優れ、信頼性の高い慣性計測装置２０００が得られる。

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ…慣性センサー、７…パッケージ、１０…ベース部、１０ｒ…外底面、１１…第１基板、１１ｘ，１１ｙ，１１ｚ…支持部、１２…第２基板、１３…第３基板、１４…封止部材、１５…蓋、１６…外部端子、１７…第１平面、１８…接合部材、１９…内部端子、２０…慣性センサーチップ、２０ｒ…裏面、２１ｘ…Ｘ軸センサー素子、２１ｘｙ…ＸＹ軸センサー素子、２１ｙ…Ｙ軸センサー素子、２１ｚ…Ｚ軸センサー素子、２２ｘ，２２ｙ，２２ｚ…固定部、４０…半導体集積回路、４１…接合部材、４２，４３…ボンディングワイヤー、４４，４５…電極パッド、４６…信号処理部、４７…出力部、５１…第１アライメントマーク、５２…第２アライメントマーク、２０００…慣性計測装置、ＣＬ１…第１中心線、ＣＬ２…第２中心線、Ｊ１，Ｊ２…軸、Ｓ１，Ｓ２…収納空間。

Claims (9)

1. 基板と、第１センサー素子と、前記第１センサー素子を前記基板に固定する第１固定部と、を有する慣性センサーチップと、
   前記慣性センサーチップが固定され、前記慣性センサーチップを収納するパッケージと、
   を備え、
   前記第１固定部は、前記パッケージの第１平面の第１方向における第１中心線上に配置する、
   慣性センサー。
2. 前記慣性センサーチップは、第２センサー素子と、前記第２センサー素子を前記基板に固定する第２固定部と、を有し、
   前記第２固定部は、前記第１中心線上に配置する、
   請求項１に記載の慣性センサー。
3. 前記第１固定部及び前記第２固定部は、前記パッケージの前記第１平面の前記第１方向と直交する第２方向の第２中心線に対し、対称に配置する、
   請求項２に記載の慣性センサー。
4. 前記慣性センサーチップは、第３センサー素子と、前記第３センサー素子を前記基板に固定する第３固定部と、を有し、
   前記第３固定部は、前記パッケージの前記第１平面の前記第１方向と直交する第２方向の第２中心線上に配置する、
   請求項１又は請求項２に記載の慣性センサー。
5. 前記第１固定部は、前記第１中心線と交差する位置であって、前記第１センサー素子において、前記第１中心線と前記第２中心線とが交差する側に位置する、
   請求項３又は請求項４に記載の慣性センサー。
6. 前記慣性センサーチップには、第１アライメントマークが設けられ、
   前記パッケージには、第２アライメントマークが設けられる、
   請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の慣性センサー。
7. 前記慣性センサーチップの前記基板には、接続端子が設けられ、
   前記パッケージには、内部端子が設けられ、
   前記第１アライメントマークは、前記接続端子と同層に設けられ、
   前記第２アライメントマークは、前記内部端子と同層に設けられる、
   請求項６に記載の慣性センサー。
8. 前記慣性センサーチップと前記パッケージとの間に半導体集積回路を備える、
   請求項１乃至請求項７の何れか一項に記載の慣性センサー。
9. 請求項１乃至請求項８の何れか一項に記載の慣性センサーと、
   前記慣性センサーから出力された検出信号に基づいて制御を行う制御部と、
   を備えている、
   慣性計測装置。

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