JP2023064878A

JP2023064878A - 慣性計測装置

Info

Publication number: JP2023064878A
Application number: JP2021175304A
Authority: JP
Inventors: 真次西尾; Shinji Nishio
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2021-10-27
Filing date: 2021-10-27
Publication date: 2023-05-12
Also published as: US20230125187A1

Abstract

【課題】優れた検出精度を有する慣性計測装置を提供する。【解決手段】慣性計測装置１は、第１慣性センサー１００を有し、外形が第１樹脂９により成型された慣性センサーモジュール４と、構成部品６と、慣性センサーモジュール４及び構成部品６をモールドする第２樹脂８と、慣性センサーモジュール４の第１樹脂９と第２樹脂８との間に設けられた金属５と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、慣性計測装置に関する。

近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造された慣性センサーが開発されている。このような慣性センサーを用いたセンサーユニットとして、例えば特許文献１には、封止樹脂により樹脂封止された慣性センサーと慣性センサーに接続され封止樹脂の外面に配置されている電極とを備えたセンサーデバイスと、センサーデバイスが接合された基板と、センサーデバイスを収容するケース部材と、センサーデバイスとケース部材とを接続するように設けられた接着部材と、を備えるセンサーユニットが開示されている。

特開２０１７－４９１２２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された慣性センサーは、封止樹脂により樹脂封止され、この外側に接着部材が配置されているので、接着部材の水分が、センサーデバイスの計測に影響を及ぼす虞があった。

慣性計測装置は、第１慣性センサーを有し、外形が第１樹脂により成型された慣性センサーモジュールと、構成部品と、前記慣性センサーモジュール及び前記構成部品をモールドする第２樹脂と、前記慣性センサーモジュールの前記第１樹脂と前記第２樹脂との間に設けられた金属と、を有する。

第１実施形態に係る慣性計測装置の概略構造を示す平面図。図１の慣性計測装置の側面図。図１中の慣性センサーモジュールの概略構造を示す平面図。図３中のＡ－Ａ線における断面図。図３中のＢ－Ｂ線における断面図。図１中の第２慣性センサーの概略構造を示す平面図。図６中のＣ－Ｃ線における断面図。第２実施形態に係る慣性計測装置の概略構造を示す平面図。図８の慣性計測装置の側面図。

１．第１実施形態
先ず、第１実施形態に係る慣性計測装置１について、図１及び図２を参照して説明する。

尚、説明の便宜上、図１及び図２では、ベース基板２に形成されている半導体素子５０とリード端子３とを電気的に接続する配線及び半導体素子５０と慣性センサーモジュール４や各構成部品６とを電気的に接続する配線の図示を省略している。

また、以降の平面図、側面図、及び断面図には、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。本明細書では、第１軸がＸ軸であり、第２軸がＹ軸であり、第３軸がＺ軸である。また、Ｘ軸に沿う方向を「Ｘ方向」、Ｙ軸に沿う方向を「Ｙ方向」、Ｚ軸に沿う方向を「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、本明細書では、プラス方向とマイナス方向とを合わせてＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向と呼ぶ。

本実施形態に係る慣性計測装置１は、図１及び図２に示すように、複数のリード端子３を備えたベース基板２、外形が第１樹脂９により成型され慣性センサーモジュール４、慣性センサーモジュール４の上面４ａに配置された金属５、第２慣性センサー２００や発振器７や半導体素子５０等の構成部品６、及びベース基板２や慣性センサーモジュール４や金属５や構成部品６等をモールドする第２樹脂８を有する。つまり、慣性計測装置１は、外形が第２樹脂８により成型されており、第２樹脂８による樹脂パッケージで構成されている。尚、リード端子３は、ベース基板２とは反対側の端部が第２樹脂８から露出している。

ベース基板２は、平板であり、上面２ａに慣性センサーモジュール４と第２慣性センサー２００と発振器７とが配置され、下面２ｂに半導体素子５０とベース基板２の外縁からベース基板２の外側に延在する複数のリード端子３とが配置されている。

慣性センサーモジュール４について、図３～図５を参照して詳細に説明する。
尚、説明の便宜上、図３～図５では、各センサー素子１０１，１０２，１０３，３０１，３０２，３０３と、ベース基板４１の下面４１ａに形成された実装端子４２と、を電気的に接続する配線の図示を省略している。また、図３～図５では、第１ジャイロセンサー素子１０１、第２ジャイロセンサー素子１０２、第３ジャイロセンサー素子１０３、第１加速度センサー素子３０１、第２加速度センサー素子３０２、及び第３加速度センサー素子３０３を簡略化して図示している。

慣性センサーモジュール４は、図３～図５に示すように、第１慣性センサー１００、第３慣性センサー３００、第１慣性センサー１００と第３慣性センサー３００とを配置するベース基板４１、及び第１慣性センサー１００と第３慣性センサー３００とをモールドする第１樹脂９を有する。つまり、慣性センサーモジュール４は、外形が第１樹脂９により成型されており、第１樹脂９による樹脂パッケージで構成されている。また、ベース基板４１の下面４１ａには、複数の実装端子４２が形成されている。

第１慣性センサー１００は、３軸の物理量センサーである。物理量とは、例えば角速度であるが、加速度であってもよく、他の物理量であってもよい。例えば、物理量が角速度である場合、第１慣性センサー１００は、３軸の角速度センサーであり、例えば、物理量が加速度である場合、第１慣性センサー１００は、３軸の加速度センサーである。
本実施形態の第１慣性センサー１００は、第１ジャイロセンサー素子１０１と、第２ジャイロセンサー素子１０２と、第３ジャイロセンサー素子１０３と、を備え、第１軸となるＸ軸まわり、第２軸となるＹ軸まわり、及び第３軸となるＺ軸まわりのそれぞれの検出軸の角速度を測定することのできる３軸ジャイロセンサーである。尚、第１ジャイロセンサー素子１０１、第２ジャイロセンサー素子１０２、及び第３ジャイロセンサー素子１０３は、ＭＥＭＳ技術を用いてシリコン基板を加工し製造されたジャイロセンサー素子であり、可動電極と固定電極との間の容量変化に基づいて、角速度を検出している。

第１慣性センサー１００は、図３及び図４に示すように、基板１０と、蓋体１０ａと、第１ジャイロセンサー素子１０１と、第２ジャイロセンサー素子１０２と、第３ジャイロセンサー素子１０３と、を有する。尚、第１ジャイロセンサー素子１０１、第２ジャイロセンサー素子１０２、及び第３ジャイロセンサー素子１０３は、基板１０と蓋体１０ａとで構成される内部空間Ｓ１に収容されている。また、内部空間Ｓ１は、気密空間であり、減圧状態、好ましくはより真空に近い状態となっている。

第１慣性センサー１００において、第１ジャイロセンサー素子１０１は、Ｘ軸まわりの角速度を検出し、第２ジャイロセンサー素子１０２は、Ｙ軸まわりの角速度を検出し、第３ジャイロセンサー素子１０３は、Ｚ軸まわりの角速度を検出する。

基板１０は、下方に窪む３つの凹部１１，１２，１３が形成されており、第１ジャイロセンサー素子１０１、第２ジャイロセンサー素子１０２、及び第３ジャイロセンサー素子１０３が、それぞれ、凹部１１、凹部１２、及び凹部１３に対応するように基板１０上に配置されている。凹部１１，１２，１３は、それぞれ、ジャイロセンサー素子１０１，１０２，１０３と基板１０との接触を防止するための逃げ部として機能する。

尚、基板１０は、アルカリ金属イオンを含むガラス材料、例えば、パイレックス（登録商標）ガラスを主材料として形成されている。これにより、シリコン基板から形成されているジャイロセンサー素子１０１，１０２，１０３と基板１０とを陽極接合によって強固に接合することができる。

蓋体１０ａは、上方に窪む凹部１１ａが形成されており、基板１０に接合することで、内部空間Ｓ１が形成され、第１ジャイロセンサー素子１０１、第２ジャイロセンサー素子１０２、及び第３ジャイロセンサー素子１０３を収容することができる。
尚、蓋体１０ａは、本実施形態では、シリコン基板で形成されている。これにより、蓋体１０ａと基板１０とを陽極接合によって強固に接合することができる。

第３慣性センサー３００は、第１加速度センサー素子３０１と、第２加速度センサー素子３０２と、第３加速度センサー素子３０３と、を備え、第１軸となるＸ方向、第２軸となるＹ方向、及び第３軸となるＺ方向のそれぞれの検出軸の加速度を測定することのできる３軸加速度センサーである。尚、第１加速度センサー素子３０１、第２加速度センサー素子３０２、及び第３加速度センサー素子３０３は、ＭＥＭＳ技術を用いて製造された加速度センサー素子であり、可動電極と固定電極との間の容量変化に基づいて、加速度を検出している。

第３慣性センサー３００は、図３及び図５に示すように、基板３０と、蓋体３０ａと、第１加速度センサー素子３０１と、第２加速度センサー素子３０２と、第３加速度センサー素子３０３と、を有する。尚、第１加速度センサー素子３０１、第２加速度センサー素子３０２、及び第３加速度センサー素子３０３は、基板３０と蓋体３０ａとで構成される内部空間Ｓ３に収容されている。また、内部空間Ｓ３は、気密空間であり、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが封入され、使用温度が－４０℃～１２５℃程度で、ほぼ大気圧となっていることが好ましい。ただし、内部空間Ｓ３の雰囲気は、特に限定されず、例えば、減圧状態であってもよいし、加圧状態であってもよい。

第３慣性センサー３００において、第１加速度センサー素子３０１は、Ｘ方向の加速度を検出し、第２加速度センサー素子３０２は、Ｙ方向の加速度を検出し、第３加速度センサー素子３０３は、Ｚ方向の加速度を検出する。

基板３０は、下方に窪む３つの凹部３１，３２，３３が形成されており、第１加速度センサー素子３０１、第２加速度センサー素子３０２、及び第３加速度センサー素子３０３が、それぞれ、凹部３１、凹部３２、及び凹部３３に対応するように基板３０上に配置されている。凹部３１，３２，３３は、それぞれ、加速度センサー素子３０１，３０２，３０３と基板３０との接触を防止するための逃げ部として機能する。

尚、基板３０は、アルカリ金属イオンを含むガラス材料、例えば、パイレックス（登録商標）ガラスを主材料として形成されている。これにより、シリコン基板から形成されている加速度センサー素子３０１，３０２，３０３と基板３０とを陽極接合によって強固に接合することができる。

蓋体３０ａは、上方に窪む凹部３１ａが形成されており、基板３０に接合することで、内部空間Ｓ３が形成され、第１加速度センサー素子３０１、第２加速度センサー素子３０２、及び第３加速度センサー素子３０３を収容することができる。
尚、蓋体３０ａは、本実施形態では、シリコン基板で形成されている。これにより、蓋体３０ａと基板３０とを陽極接合によって強固に接合することができる。

従って、慣性センサーモジュール４は、３軸ジャイロセンサーと３軸加速度センサーとを備える６軸コンボセンサーである。

尚、本実施形態では、慣性センサーモジュール４として、３軸ジャイロセンサーの第１慣性センサー１００と３軸加速度センサーの第３慣性センサー３００の２つを搭載しているが、これに限定する必要はなく、第１慣性センサー１００又は第３慣性センサー３００のどちらか１つでも構わない。

金属５は、図１及び図２に示すように、平板であり、慣性センサーモジュール４の上面４ａに配置され、平面視で、上面４ａと重なり、上面４ａを覆うように配置されている。また、金属５は、慣性センサーモジュール４の第１樹脂９と第２樹脂８との間に設けられている。そのため、ベース基板２に実装された慣性センサーモジュール４を第２樹脂８で樹脂封止する際に、第２樹脂８に含まれる水分が慣性センサーモジュール４の第１樹脂９に浸透するのを防止することができ、慣性センサーモジュール４の計測に影響を及ぼすのを低減することができる。

第２慣性センサー２００について、図６及び図７を参照して詳細に説明する。
尚、説明の便宜上、図６は、リッド２０７の図示を省略している。また、図６及び図７では、振動ジャイロセンサー素子２０１とベース２０２に形成された実装端子２０５とを電気的に接続する配線及び振動ジャイロセンサー素子２０１に形成された駆動電極や検出電極の図示を省略している。

第２慣性センサー２００は、構成部品６の１つであり、振動ジャイロセンサー素子２０１を備え、第３軸となるＺ軸まわりの検出軸の角速度を測定することのできる１軸ジャイロセンサーである。尚、振動ジャイロセンサー素子２０１は、フォトリソグラフィー技術を用いて水晶基板を加工し製造されたジャイロセンサー素子であり、検出振動腕の振動を電気信号に変換し、角速度を検出している。また、水晶を基材としているので温度特性に優れている。そのため、ＭＥＭＳ技術を用いて製造したジャイロセンサー素子に比べ、外部からのノイズや温度の影響を受け難く、検出精度が高い。つまり、第２慣性センサー２００の検出精度は、第１慣性センサー１００の検出精度よりも高い。

第２慣性センサー２００は、図６及び図７に示すように、振動ジャイロセンサー素子２０１と、振動ジャイロセンサー素子２０１を収容するセラミック等からなるベース２０２と、ガラス、セラミック、又は金属等からなるリッド２０７と、を有する。

ベース２０２は、板状の第１基板２０３と枠状の第２基板２０４とを積層して形成されている。また、ベース２０２は、上方に開放する内部空間Ｓ２を有している。尚、振動ジャイロセンサー素子２０１を収容する内部空間Ｓ２は、リッド２０７をシールリング等の接合部材２０６により接合することで、減圧状態、好ましくはより真空に近い状態に気密封止されている。

ベース２０２の第１基板２０３の上面２０３ａには、上方へ突出する凸部２１が形成されており、凸部２１の上面２１ａに金属バンプ９０等を介して振動ジャイロセンサー素子２０１が電気的及び機械的に固定されている。そのため、振動ジャイロセンサー素子２０１と第１基板２０３との接触を防止することができる。

ベース２０２の第１基板２０３の下面２０３ｂには、複数の実装端子２０５が設けられている。実装端子２０５は、図示しない配線を介して、振動ジャイロセンサー素子２０１と電気的に接続されている。

振動ジャイロセンサー素子２０１は、中心部分に位置する基部２２と、基部２２からＹ方向に延出された一対の検出用振動腕２３と、検出用振動腕２３と直交するように、基部２２からＸ方向に延出された一対の連結腕２４と、検出用振動腕２３と平行になるように、各連結腕２４の先端側からＹ方向に延出された各一対の駆動用振動腕２５，２６と、を有する。振動ジャイロセンサー素子２０１は、基部２２において、金属バンプ９０等を介してベース２０２に設けられた凸部２１の上面２１ａに電気的及び機械的に固定されている。

振動ジャイロセンサー素子２０１は、駆動用振動腕２５，２６が互いに逆相でＸ方向に屈曲振動をしている状態において、Ｚ軸まわりの角速度ωｚが加わると、駆動用振動腕２５，２６及び連結腕２４に、Ｙ方向のコリオリ力が働き、Ｙ方向に振動する。この振動により検出用振動腕２３がＸ方向に屈曲振動する。そのため、検出用振動腕２３に形成された検出電極が、振動により発生した水晶の歪を電気信号として検出することで角速度ωｚが求められる。

尚、本実施形態では、第２慣性センサー２００として、第３軸となるＺ軸まわりの角速度を測定することのできる１軸ジャイロセンサーであるが、これに限定する必要はなく、第１軸となるＸ軸まわりの角速度や第２軸となるＹ軸まわりの角速度を測定することのできる１軸ジャイロセンサーでも構わない。また、第２慣性センサー２００は、第３慣性センサー３００よりも検出精度が高く、第１軸となるＸ方向の加速度又は第２軸となるＹ方向の加速度又は第３軸となるＺ方向の加速度を測定することのできる１軸加速度センサーでも構わない。また、第２慣性センサー２００は、水晶を基材とするセンサー素子を用いているが、これに限定する必要はなく、第１慣性センサー１００や第３慣性センサー３００よりも検出精度が高ければ、どのようなセンサーでも構わない。

発振器７は、構成部品６の１つであり、図１に示すように、ベース基板２の上面２ａに配置されている。発振器７は、半導体素子５０に対して、クロック信号を出力し、半導体素子５０は、そのクロック信号に基づいて各センサー１００，２００，３００で検出する角速度や加速度の検出タイミングや検出時間を制御している。

半導体素子５０は、構成部品６の１つであり、図２に示すように、ベース基板２の下面２ｂに配置されている。半導体素子５０は、各センサー１００，２００，３００を駆動する駆動回路や、各センサー１００，２００，３００からの信号に基づいて３軸まわりの角速度や３軸方向の加速度を検出する検出回路や、検出回路からの信号を所定の信号に変換して出力する出力回路等を含む。

第２樹脂８は、ベース基板２、慣性センサーモジュール４、金属５、構成部品６、及びリード端子３の一部をモールドする。つまり、慣性計測装置１は、外形が第２樹脂８により成型され、第２樹脂８による樹脂パッケージで構成されている。

以上述べたように、本実施形態の慣性計測装置１は、慣性センサーモジュール４のパッケージを構成する第１樹脂９と、慣性計測装置１のパッケージを構成する第２樹脂８と、の間に金属５が設けられているので、ベース基板２に実装された慣性センサーモジュール４を第２樹脂８でモールドする際に、第２樹脂８に含まれる水分が慣性センサーモジュール４の第１樹脂９に浸透するのを防止することができ、慣性センサーモジュール４の計測に影響を及ぼすのを低減することができる。従って、優れた検出精度を有する慣性計測装置１を得ることができる。

また、本実施形態の慣性計測装置１は、第１慣性センサー１００の検出精度よりも高く、第３軸となるＺ軸まわりを検出軸とする第２慣性センサー２００を備えているので、より優れた検出精度を有する慣性計測装置１を得ることができる。

２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る慣性計測装置１ａについて、図８及び図９を参照して説明する。尚、説明の便宜上、図８及び図９では、ベース基板２に形成されている半導体素子５０とリード端子３とを電気的に接続する配線及び半導体素子５０と慣性センサーモジュール４や各構成部品６とを電気的に接続する配線の図示を省略している。

本実施形態の慣性計測装置１ａは、第１実施形態の慣性計測装置１に比べ、慣性センサーモジュール４の上面４ａに配置された金属５ａの形状が異なること以外は、第１実施形態の慣性計測装置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。

慣性計測装置１ａは、図８及び図９に示すように、慣性センサーモジュール４の上面４ａに配置された金属５ａが慣性センサーモジュール４の上面４ａと、慣性センサーモジュール４の４つの側面４ｂと、を覆っている。そのため、慣性センサーモジュール４の上面４ａだけでなく、４つの側面４ｂからの第２樹脂８の水分の浸透も防止することができる。

このような構成とすることで、第１実施形態の慣性計測装置１と同等の効果を得ることができる。

１，１ａ…慣性計測装置、２…ベース基板、２ａ…上面、２ｂ…下面、３…リード端子、４…慣性センサーモジュール、４ａ…上面、５…金属、６…構成部品、７…発振器、８…第２樹脂、９…第１樹脂、１０…基板、１０ａ…蓋体、１１，１１ａ，１２，１３…凹部、２１…凸部、２１ａ…上面、２２…基部、２３…検出用振動腕、２４…連結腕、２５…駆動用振動腕、２６…駆動用振動腕、３０…基板、３０ａ…蓋体、３１，３１ａ，３２，３３…凹部、４１…ベース基板、４１ａ…下面、４２…実装端子、５０…半導体素子、９０…金属バンプ、１００…第１慣性センサー、１０１…第１ジャイロセンサー素子、１０２…第２ジャイロセンサー素子、１０３…第３ジャイロセンサー素子、２００…第２慣性センサー、２０１…振動ジャイロセンサー素子、２０２…ベース、２０３…第１基板、２０４…第２基板、２０５…実装端子、２０６…接合部材、２０７…リッド、３００…第３慣性センサー、３０１…第１加速度センサー素子、３０２…第２加速度センサー素子、３０３…第３加速度センサー素子、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３…内部空間。

Claims

第１慣性センサーを有し、外形が第１樹脂により成型された慣性センサーモジュールと、
構成部品と、
前記慣性センサーモジュール及び前記構成部品をモールドする第２樹脂と、
前記慣性センサーモジュールの前記第１樹脂と前記第２樹脂との間に設けられた金属と、を有する、
慣性計測装置。
前記金属は、前記慣性センサーモジュールの上面及び側面を覆う、
請求項１に記載の慣性計測装置。
前記第１慣性センサーは、互いに直交する第１軸、第２軸、及び第３軸をそれぞれ検出軸とする、
請求項１又は請求項２に記載の慣性計測装置。
前記構成部品は、前記第１慣性センサーの検出精度よりも高く、前記第３軸を検出軸とする第２慣性センサーを含む、
請求項３に記載の慣性計測装置。
前記構成部品は、前記第１慣性センサーを制御する半導体素子を含む、
請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の慣性計測装置。