JP2023124099A - 慣性計測システムの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた検出精度を有する慣性計測システムの製造方法を提供する。【解決手段】慣性計測システム１の製造方法は、ＩＭＵを構成する個々のセンサー素子２１～２４又は個々のＩＭＵ１１，１２，１３の温度特性を予め取得する工程と、温度特性を相殺できるように、センサー素子２１～２４又はＩＭＵ１１，１２，１３を選択して慣性計測システム１を組み立てる工程と、を有する。【選択図】図１０

Description

本発明は、慣性計測システムの製造方法に関する。

例えば、特許文献１には、複数のセンサーのそれぞれの特性としてアラン分散を計算し、複数のセンサーの観測値を合成する際の条件としてアラン分散の時間窓長を指定し、指定した時間窓長のアラン分散の和が最小となるようにセンサー毎の重みを計算し、複数のセンサーのそれぞれの観測値と、計算されたセンサー毎の重みとの積和により、複数のセンサーの観測値を合成することで、検出精度を高めたマルチＩＭＵ（Inertial Measurement Unit）が記載されている。

国際公開第２０２０／０４５０９９号

しかしながら、特許文献１に記載のマルチＩＭＵは、合成処理によりノイズ成分を低減できるが、いずれかのセンサーの温度特性が悪いものが含まれる場合には、加算処理後の信号にその温度特性が現れ、検出精度が劣化する虞があった。

慣性計測システムの製造方法は、ＩＭＵを構成する個々のセンサー素子又は個々のＩＭＵの温度特性を予め取得する工程と、前記温度特性を相殺できるように、センサー素子又はＩＭＵを選択して慣性計測システムを組み立てる工程と、を有する。

第１実施形態に係る慣性計測システムの概略構成を示すブロック図。 慣性計測システムの備えるＩＭＵの概略構造を示す斜視図。 慣性計測システムの備えるＩＭＵの内部構造を示す斜視図。 第１ＩＭＵの第１センサー素子の温度特性を示す図。 第２ＩＭＵの第１センサー素子の温度特性を示す図。 第３ＩＭＵの第１センサー素子の温度特性を示す図。 ３つのＩＭＵの出力を平均化した温度特性を示す図。 ＩＭＵが備えるセンサー素子の概略構造を示す平面図。 図８中のＡ－Ａ線における断面図。 第１実施形態に係る慣性計測システムの製造方法を示すフローチャート図。 第２実施形態に係る慣性計測システムの概略構成を示す平面図。 第１ＩＭＵの第１センサー素子の温度特性を示す図。 第２ＩＭＵの第２センサー素子の温度特性を示す図。 ２つのＩＭＵの出力を平均化した温度特性を示す図。 第３実施形態に係る慣性計測システムの概略構成を示すブロック図。

１．第１実施形態
１．１．慣性計測システム
先ず、第１実施形態に係る慣性計測システム１について、図１を参照して説明する。
尚、本実施形態では、高精度化を図るために３つのＩＭＵを備えた慣性計測システム１を一例として挙げ説明する。

本実施形態の慣性計測システム１は、図１に示すように、演算部２と、出力部３と、第１ＩＭＵ１１と、第２ＩＭＵ１２と、第３ＩＭＵ１３と、を備えている。

演算部２は、３つのＩＭＵ１１，１２，１３から出力された各検出信号を平均化し、検出信号を算出する。
出力部３は、演算部２で算出された検出信号を外部に出力する。

３つのＩＭＵ１１，１２，１３は、それぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸まわりの角速度を検出するジィロセンサーと３軸方向の加速度を検出する加速度センサーとを、備え、３軸まわりの角速度と３軸方向の加速度とを検出し、検出信号を出力する。

次に、慣性計測システム１が備えるＩＭＵ１１，１２，１３について、図２及び図３を参照して詳細に説明する。

尚、第１ＩＭＵ１１、第２ＩＭＵ１２、第３ＩＭＵ１３は、全て同じ構造なので、第１ＩＭＵ１１を一例として挙げ説明する。また、説明の便宜上、図３では、金属キャップ７を取り外した状態を図示し、回路基板８上に設けられた抵抗やコンデンサー等の回路部品及び配線の図示を省略している。

また、以降の斜視図、平面図、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。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」と言い、各軸の矢印側を「プラス」、矢印と反対側を「マイナス」と言う。

第１ＩＭＵ１１は、図２及び図３に示すように、複数のリードフレーム６を備え、モールド樹脂で構成されたベース部５、ベース部５内に配置された回路基板８、回路基板８を覆いベース部５に接合された金属キャップ７、回路基板８上に実装された４つのセンサー素子２１，２２，２３，２４、及び回路基板８の裏面に実装された回路素子２５を有する。

回路素子２５は、センサー素子２１，２２，２３，２４を駆動する駆動回路や加わった角速度や加速度を検出する検出回路が含まれている。

第１センサー素子２１は、Ｘ軸まわりの角速度を検出するジャイロセンサーであり、第２センサー素子２２は、Ｙ軸まわりの角速度を検出するジャイロセンサーであり、第３センサー素子２３は、Ｚ軸まわりの角速度を検出するジャイロセンサーである。また、第４センサー素子２４は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の加速度を検出する３軸加速度センサーである。

第１センサー素子２１、第２センサー素子２２、及び第３センサー素子２３は、全て同じ構造であり、検出軸まわりの角速度を検出することのできる１軸ジャイロセンサーである。
第３センサー素子２３のように、回路基板８に平面実装することで、Ｚ軸まわりの角速度を検出することができる。また、第１センサー素子２１や第２センサー素子２２のように、回路基板８に縦実装することで、Ｘ軸まわりやＹ軸まわりの角速度を検出することができる。

ここで、演算部２で行われる検出信号を平均化する方法について、詳細に説明する。
第１ＩＭＵ１１、第２ＩＭＵ１２、及び第３ＩＭＵ１３から出力された、例えば、３つＸ軸まわりの角速度の検出信号を加算し、３で割ることにより平均化した検出信号を算出する。同様に、Ｙ軸まわりの角速度やＺ軸まわりの角速度についても平均化して検出信号を算出する。また、３軸方向の加速度についても同様に平均化して３軸の検出信号を算出する。これにより、ＩＭＵが１個のみの場合に比べ、検出精度の高精度化を図ることができる。

また、例えば、第１ＩＭＵ１１の第１センサー素子２１の温度特性が図４に示す特性であり、第２ＩＭＵ１２の第１センサー素子２１の温度特性が図５に示す特性であり、第３ＩＭＵ１３の第１センサー素子２１の温度特性が図６に示す特性であった場合、それぞれ、４０℃付近の同じ位置に温度特性のピークが生じており、図４に示す温度特性は、下方が凸となるピークを有し、図５及び図６に示す温度特性は、上方が凸となるピークを有している。また、図４に示す温度特性のピークの大きさは、図５及び図６に示す温度特性のピークの大きさに比べ、約２倍の大きさがある。そのため、第１ＩＭＵ１１の第１センサー素子２１の検出信号と第２ＩＭＵ１２の第１センサー素子２１の検出信号と第３ＩＭＵ１３の第１センサー素子２１の検出信号とを加算すると、４０℃付近に生じる温度特性のピークを相殺し、図７に示すような、安定した温度特性とすることができる。

次に、第１ＩＭＵ１１の備えるセンサー素子２１，２２，２３について、図８及び図９を参照して説明する。
尚、３つのセンサー素子２１，２２，２３は、全て同じ構造なので、第３センサー素子２３を一例として挙げ説明する。また、説明の便宜上、図８は、リッド４７の図示を省略している。また、図８及び図９では、パッケージ４０内の配線及び振動素子５０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３センサー素子２３は、Ｚ軸まわりの角速度を検出することのできる１軸ジャイロセンサーである。尚、振動素子５０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水晶ジャイロセンサー素子であり、検出用の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。

第３センサー素子２３は、図８及び図９に示すように、振動素子５０と、振動素子５０を収容するセラミック等からなるパッケージ４０と、ガラス、セラミック、又は金属等からなるリッド４７と、を有する。

パッケージ４０は、板状の第１基板４４、枠状の第２基板４５、及び枠状の第３基板４６を積層して形成されている。また、パッケージ４０は、上方に開放する内部空間Ｓを有している。尚、振動素子５０を収容する内部空間Ｓは、リッド４７を低融点ガラス等の接合部材４８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。

パッケージ４０の内底面４１には、上方へ突出する凸部４２が形成されており、凸部４２の上面４３に金属バンプ４９等を介して振動素子５０が電気的及び機械的に固定されている。そのため、振動素子５０と第１基板４４との接触を防止することができる。

振動素子５０は、中心部分に位置する基部５１と、基部５１からＸ方向に延出された一対の検出用振動腕５２と、検出用振動腕５２と直交するように、基部５１からＹ方向に延出された一対の連結腕５３と、検出用振動腕５２と平行になるように、各連結腕５３の先端側からＸ方向に延出された各一対の駆動用振動腕５４，５５と、を有する。振動素子５０は、基部５１において、金属バンプ４９等を介してパッケージ４０に設けられた凸部４２の上面４３に電気的及び機械的に固定されている。

振動素子５０は、駆動用振動腕５４，５５が互いに逆相でＹ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５４，５５及び連結腕５３に、Ｘ方向のコリオリ力が働き、Ｘ方向に振動する。この振動により検出用振動腕５２がＹ方向に屈曲振動する。そのため、検出用振動腕５２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、センサー素子２１，２２，２３として水晶ジャイロセンサーを一例として挙げ説明したが、これに限定することはなく、ＭＥＭＳ技術を用いて製造したシリコンジャイロセンサーでも構わない。

１．２．慣性計測システムの製造方法
次に、第１実施形態に係る慣性計測システム１の製造方法について、図１０を参照して説明する。
本実施形態の慣性計測システム１の製造方法は、図１０に示すように、センサー素子又はＩＭＵ準備工程、温度特性測定工程、組み合わせ工程、組み立て工程、及び検査工程を含む。

１．２．１．センサー素子又はＩＭＵ準備工程
先ず、ステップＳ１において、複数のセンサー素子又は複数のＩＭＵを準備する。尚、本実施形態では、複数のセンサー素子２１～２４が既に組み込まれたＩＭＵを用いているので、複数のＩＭＵを準備する。

１．２．２．温度特性測定工程
ステップＳ２において、個々のＩＭＵの無負荷時の温度特性を測定する。尚、温度特性とは、個々のＩＭＵが備える第１センサー素子２１、第２センサー素子２２、第３センサー素子２３、第４センサー素子２４の無負荷時の温度特性であり、つまり、Ｘ軸まわり、Ｙ軸まわり、及びＺ軸まわりの角速度とＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向の加速度を検出するセンサー素子の無負荷時の温度特性である。

１．２．３．組み合わせ工程
ステップＳ３において、既に温度特性を測定した各ＩＭＵの中から第１センサー素子２１の温度特性のピーク位置が同じもので、反対の傾向のものを組み合わせる。尚、組み合わせる場合には、温度特性のピークの大きさが相殺して小さくなるように組み合わせる。そうすることで、安定な温度特性を有する検出信号が得られる。

１．２．４．組み立て工程
ステップＳ４において、温度特性が最小となるように組み合わされた３つのＩＭＵを実装し慣性計測システム１を組み立てる。

１．２．５．検査工程
ステップＳ５において、組み立てられた慣性計測システム１の温度特性を含む各種特性検査を行う。

以上述べたように本実施形態の慣性計測システム１の製造方法は、個々のＩＭＵの温度特性を予め取得し、温度特性を相殺できるように、ＩＭＵを選択して慣性計測システム１を組み立てている。そのため、温度特性による検出誤差が低減され、検出精度の劣化を抑制することができ、高い検出精度を有する慣性計測システム１が得られる。

２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る慣性計測システム１ａについて、図１１～図１４を参照して説明する。

本実施形態の慣性計測システム１ａは、第１実施形態の慣性計測システム１に比べ、ＩＭＵの数量、演算部２における検出信号を平均化する方法、及び組み合わせ方法が異なること以外は、第１実施形態の慣性計測システム１と同様である。なお、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。

慣性計測システム１ａは、図１１に示すように、第１ＩＭＵ１１と第２ＩＭＵ１２の２つのＩＭＵが実装基板９に配置されている。また、第２ＩＭＵ１２は、第１ＩＭＵ１１を時計回りに９０度回転して配置されている。そのため、演算部２で行われる検出信号を平均化する方法は、第１ＩＭＵ１１の第１センサー素子２１の検出信号、つまり、Ｘ軸まわりの角速度の検出信号から第２ＩＭＵ１２の第２センサー素子２２の検出信号、つまり、－Ｙ軸まわりの角速度の検出信号を－Ｘ軸まわりの角速度の検出信号として減算し、２で割ることにより平均化した検出信号を算出する。

また、例えば、第１ＩＭＵ１１の第１センサー素子２１の温度特性が図１２に示す特性であり、第２ＩＭＵ１２の第２センサー素子２２の温度特性が図１３に示す特性であった場合、それぞれ、４０℃付近の同じ位置に上方が凸となる温度特性のピークが生じており、図１２に示す温度特性のピークの大きさと図１３に示す温度特性のピークの大きさが略同じである。そのため、第１ＩＭＵ１１の第１センサー素子２１の検出信号から第２ＩＭＵ１２の第２センサー素子２２の検出信号を減算すると、４０℃付近に生じる温度特性のピークが相殺され、図１４に示すような、安定した温度特性とすることができる。

このように、個々のＩＭＵの温度特性を予め取得し、温度特性を相殺できるように、個々のＩＭＵの温度特性のピーク位置が同じもので、同じ傾向のものを組み合わせて組み立てる製造方法や個々のＩＭＵの温度特性のピーク位置が一緒になるように、個々のＩＭＵを回転させて組み合わせて組み立てる製造方法によっても良好な温度特性を有する検出信号が得られる。

このような構成とすることで、本実施形態の慣性計測システム１ａは、第１実施形態の慣性計測システム１と同等の効果が得られる。尚、本実施形態では、第２ＩＭＵ１２を第１ＩＭＵ１１に対して、時計回りに９０度回転して配置されているが、第２ＩＭＵ１２を第１ＩＭＵ１１に対して、反時計回りに９０度回転して配置してもよく、第２ＩＭＵ１２を第１ＩＭＵ１１が実装された実装基板９の裏面に配置してもよい。また、本実施形態では、２個のＩＭＵ１１，１２を用いているが、ＩＭＵの数量は、３個以上でも構わない。

３．第３実施形態
次に、第３実施形態に係る慣性計測システム１ｂについて、図１５を参照して説明する。

本実施形態の慣性計測システム１ｂは、第１実施形態の慣性計測システム１に比べ、ＩＭＵの数量、及びセンサー素子の数量が異なること以外は、第１実施形態の慣性計測システム１と同様である。なお、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。

慣性計測システム１ｂは、図１５に示すように、演算部２と、出力部３と、第４ＩＭＵ１４と、を備えている。

演算部２は、第４ＩＭＵ１４から出力された検出軸ごとの検出信号を平均化し、検出信号を算出する。
出力部３は、演算部２で算出された検出信号を外部に出力する。

第４ＩＭＵ１４は、８個のセンサー素子３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８と、回路素子３９とを備えている。
回路素子３９は、センサー素子３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８を駆動する駆動回路や加わった角速度や加速度を検出する検出回路が含まれている。

第１センサー素子３１及び第２センサー素子３２は、Ｘ軸まわりの角速度を検出するジャイロセンサーであり、第３センサー素子３３及び第４センサー素子３４は、Ｙ軸まわりの角速度を検出するジャイロセンサーであり、第５センサー素子３５及び第６センサー素子３６は、Ｚ軸まわりの角速度を検出するジャイロセンサーである。また、第７センサー素子３７及び第８センサー素子３８は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の加速度を検出する３軸加速度センサーである。

８個のセンサー素子３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８は、予め温度特性を取得し、第４ＩＭＵ１４として組み立てられる前に、無負荷時の温度特性が測定され、検出軸ごとに温度特性のピーク位置が同じもので、反対の傾向のものを組み合わせ、且つ、温度特性のピークの大きさが相殺して小さくなるように組み合わせてある。そのため、個々の温度特性を予め取得し、センサー素子の検出軸ごとに温度特性が相殺できるように、組み合わせた後に、第４ＩＭＵ１４を組み立てる製造方法によっても、検出軸ごとに良好な温度特性を有する検出信号が得られる。

このような構成とすることで、本実施形態の慣性計測システム１ｂは、第１実施形態の慣性計測システム１と同等の効果が得られる。尚、本実施形態では、検出軸ごとに２個のセンサー素子を用いているが、検出軸ごとのセンサー素子の数量は、３個以上でも構わない。

１，１ａ，１ｂ…慣性計測システム、２…演算部、３…出力部、５…ベース部、６…リードフレーム、７…金属キャップ、８…回路基板、９…実装基板、１１…第１ＩＭＵ、１２…第２ＩＭＵ、１３…第３ＩＭＵ、２１…第１センサー素子、２２…第２センサー素子、２３…第３センサー素子、２４…第４センサー素子、２５…回路素子、４０…パッケージ、４１…内底面、４２…凸部、４３…上面、４４…第１基板、４５…第２基板、４６…第３基板、４７…リッド、４８…接合部材、４９…金属バンプ、５０…振動素子、５１…基部、５２…検出用振動腕、５３…連結腕、５４，５５…駆動用振動腕。

Claims (4)

1. ＩＭＵを構成する個々のセンサー素子又は個々のＩＭＵの温度特性を予め取得する工程と、
   前記温度特性を相殺できるように、センサー素子又はＩＭＵを選択して慣性計測システムを組み立てる工程と、を有する、
   慣性計測システムの製造方法。
2. 前記個々のセンサー素子又は前記個々のＩＭＵの前記温度特性のピーク位置が同じもので、反対の傾向のものを組み合わせる、
   請求項１に記載の慣性計測システムの製造方法。
3. 前記個々のセンサー素子又は前記個々のＩＭＵの前記温度特性のピーク位置が同じもので、同じ傾向のものを組み合わせる、
   請求項１に記載の慣性計測システムの製造方法。
4. 前記ピーク位置が一緒になるように、前記個々のセンサー素子又は前記個々のＩＭＵを回転させて組み合わせる、
   請求項２又は請求項３に記載の慣性計測システムの製造方法。

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