JP2024017550A - 慣性計測装置、慣性計測装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水分の影響を低減し、優れた検出精度を有する慣性計測装置を提供すること。
【解決手段】慣性計測装置は、接合領域を有する基板と、キャップと、樹脂製パッケージに収納され、前記基板と前記キャップとの間の内部空間において前記基板上の実装領域に配置されるセンサーデバイスと、前記基板の前記接合領域において、前記キャップを前記基板に接合する接合材及び封止材と、を備え、前記接合材は、前記実装領域を囲むとともに前記内部空間と外部とを連通する連通孔を有するように形成され、前記封止材は、前記連通孔をふさぐ。
【選択図】図１

Description

本発明は、慣性計測装置、およびその製造方法に関する。

加速度センサーや角速度センサーなどの慣性センサーを有する慣性センサーモジュールを備えた慣性計測装置が知られている。慣性計測装置は、様々な電子機器や機械に組み込まれ、または自動車などの移動体に搭載され、加速度や角速度などの慣性量のモニタリングを行うことに用いられる。

例えば、特許文献１では、封止樹脂により樹脂封止された慣性センサーを備えたセンサーデバイスを有するセンサーユニットが記載されている。

特開２０１７－４９１２２号公報

上記のような封止樹脂に外部から水分が侵入すると封止樹脂の応力が変動する場合がある。封止樹脂の応力が変動すると、慣性センサーが変形し、センサーデバイスの計測に影響を及ぼす虞があった。つまり、水分の影響を低減し、優れた検出精度を有する慣性計測装置、およびその製造方法が求められていた。

本願に係る一態様の慣性計測装置は、接合領域を有する基板と、キャップと、樹脂製パッケージに収納され、前記基板と前記キャップとの間の内部空間において前記基板上の実装領域に配置されるセンサーデバイスと、前記基板の前記接合領域において、前記キャップを前記基板に接合する接合材及び封止材と、を備え、前記接合材は、前記実装領域を囲むとともに前記内部空間と外部とを連通する連通孔を有するように形成され、前記封止材は、前記連通孔をふさぐ。

本願に係る一態様の慣性計測装置の製造方法は、基板の実装領域、および、前記実装領域を囲う接合領域において連通孔となる凹部を有する接合ランドにハンダクリームを塗布する工程と、前記実装領域にセンサーデバイスを載置する工程と、前記接合領域にキャップを載置する工程と、前記基板をリフローする工程と、前記連通孔をハンダ付けにより封止する工程と、を含む。

実施形態１に係る慣性計測装置の平面図。 図１のｂ－ｂ断面における断面図。 図１のＰ視における斜視図。 慣性計測装置の製造方法の流れを示すフローチャート図。 製造過程における基板の一態様を示す平面図。 製造過程における基板の一態様を示す断面図。 センサーデバイスの概要を示す透過平面図。 図７のｆ－ｆ断面における断面図。 図７のｇ－ｇ断面における断面図。 封止材の有無による出力変動の変化を示すグラフ図。 実装形態２に係る慣性計測装置の連通孔周辺の部分平面図。 連通孔周辺の拡大斜視図。 実装形態３に係る慣性計測装置の連通孔周辺の部分平面図。 連通孔周辺の拡大斜視図。 実装形態４に係る慣性計測装置の平面図。 異なる態様の慣性計測装置の平面図。 実装形態５に係る慣性計測装置の平面図。 実装形態６に係る慣性計測ユニットを示す分解斜視図。 基板の斜視図。 角速度センサーの透過平面図。 図２０のｊ－ｊ断面における断面図。

実施形態１
＊＊＊慣性計測装置の概略構成＊＊＊
図１は、慣性計測装置の概略構成を示す平面図である。図２は、図１のｂ－ｂ断面における断面図である。
まず、図１、図２を用いて、本実施形態の慣性計測装置１００の概略構成について説明する。なお、各図面では、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。本実施形態では、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、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方向ともいう。

本実施形態の慣性計測装置１００は、センサーデバイス５０、基板５、キャップ８などから構成される。
センサーデバイス５０は、例えば、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。各軸のセンサー素子は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いてシリコン基板を加工し製造されたセンサー素子を用いている。センサーデバイス５０は、平たい直方体をなしており、その下面には、複数の電極端子１ａが設けられている。なお、詳細は後述するが、センサーデバイス５０の外装は、樹脂モールドされている。

基板５は、平面的に略矩形をなした基板である。好適例では、複数枚のセラミック基板を積層して構成されたセラミック基板を用いる。基板５は、その上面５ａが実装面となっている。上面５ａの反対側の面である下面５ｂ（図２）には、複数の実装用端子７１が配置されている。複数の実装用端子７１は、不図示の配線やビアホールを介して、センサーデバイス５０の対応する電極端子１ａと電気的に接続している。慣性計測装置１００は、複数の実装用端子７１により、後述の慣性計測ユニットなど上位装置の基板に実装される。なお、基板５は、セラミック基板に限定するものではなく、気密性を有するリジット基板であれば良く、例えば、ガラスエポキシ基板や、ガラスコンポジット基板などを用いても良い。

図２に示すように、基板５の上面５ａには、センサーデバイス５０と、キャップ８とが実装されている。詳しくは、センサーデバイス５０は上面５ａの略中央の実装領域６に配置され、キャップ８は実装領域６を囲う接合領域７に配置される。
センサーデバイス５０の電極端子１ａは、実装領域６に設けられた実装用のパターンである第１ランド１ｂに対して、接合材９ａにより接合される。接合材９ａは、ハンダである。換言すれば、実装領域６には、センサーデバイス５０を実装するための第１ランド１ｂが設けられている。

キャップ８は、キャビティ８ａを備えた金属製の蓋部材である。キャップ８は、バスタブ状の形状をなしており、キャビティ８ａによる凹部の周囲を、フランジ部８ｂで囲んだ構成となっている。好適例において、キャップ８は、真鍮の板部材をプレス加工した部材を用いており、表面に錫メッキを施している。なお、キャップ８の材質は、真鍮に限定するものではなく、例えば、コバールなどの他の金属を用いても良い。換言すれば、キャップ８は、金属キャップであることが好ましい。または、キャップ８をセラミック材料で形成しても良く、この場合は、フランジ部８ｂの全面に金属パターンを設けてハンダ付け可能な構成とする。
フランジ部８ｂは、基板５の接合領域７に設けられた実装用のパターンである第２ランド２に対して、接合材９ａにより接合される。接合材９ａは、ハンダである。センサーデバイス５０は、キャップ８のキャビティ８ａによる内部空間ＳＰ内に収納される。内部空間ＳＰは、センサーデバイス５０の収容部に相当する。

図１に示すように、接合領域７は、基板５の上面５ａにおいて、キャップ８のフランジ部８ｂが載置される部分であり、実装領域６を囲う環状の略矩形のエリアである。
第２ランド２は、接合領域７の上に設けられるが、１ヶ所の頂点部分が切り欠かれている。換言すれば、第２ランド２は、頂点部分で分断している。切り欠かれた部分は、周囲の第２ランド２よりも低い凹部２ｂとなっている。第２ランド２の上にキャップ８をセットし、接合材９ａ（図２）で接合すると、フランジ部８ｂと凹部２ｂとの間に連通孔４が形成される。凹部２ｂの高さは第２ランド２の厚さであり、例えば、３０μｍ～５０μｍ程度であるが、これに限定するものではなく、空気孔として機能する高さであれば良い。換言すれば、第２ランド２の切欠き部には、連通孔４となる凹部２ｂが形成される。また、接合領域７は、頂点を含む屈曲部を有し、連通孔４は屈曲部に設けられることが好ましい。
連通孔４は、キャップ８の内部空間ＳＰと外部とを連通する空気孔として機能する。

連通孔４の外側には、第３ランド３が設けられている。第３ランド３は、基板５の一つの頂点部分にＬ字状に設けられており、連通孔４に向い合っている。第３ランド３の連通孔４に面した辺は、連通孔４の開口部に沿った曲線となっている。
ここで、第２ランド２における連通孔４に対応する切欠き部である凹部２ｂの幅を幅ｄとし、第３ランド３の連通孔４に対向する部分の長さを長さＬとしたとき、長さＬは幅ｄの１．５倍以上５倍以下に設定されている。これは、第２ランド２から第３ランド３に亘って封止材９ｂを配置して連通孔４をふさぐ際に適した寸法設定とするためである。

＊＊＊連通孔の封止態様＊＊＊
図３は、図１のＰ視における拡大斜視図である。
図３は、連通孔４を中心とした周辺部の拡大斜視図である。
図３に示すように、連通孔４は、第２ランド２の切欠き部である凹部２ｂと、キャップ８のフランジ部８ｂとの間に形成される。第２ランド２とフランジ部８ｂとの間は、接合材９ａで接合される。接合材９ａは、ハンダである。

図３に示すように、連通孔４は、封止材９ｂにより気密封止される。詳しくは、第２ランド２から第３ランド３に亘ってハンダ付けすることにより、封止材９ｂが設けられる。実際には、ハンダの濡れ広がりがあるため、封止材９ｂは、キャップ８のフランジ部８ｂにも延在する。また、図３では、各構成部位を明確にするために、接合材９ａを実線で、封止材９ｂを点線で示しているが、実際には、接合材９ａ、封止材９ｂは一体となって、フランジ部８ｂ、第２ランド２および第３ランド３を覆い、連通孔４を封止する。換言すれば、接合領域７において、キャップ８を基板５に接合する接合材９ａ、および、封止材９ｂを備える。そして、封止材９ｂは、連通孔４をふさぐ。
キャップ８の内部空間ＳＰ（図２）は、不活性ガスにより充填された状態で、封止材９ｂにより気密封止される。好適例では、窒素ガスが充填された状態で気密封止される。

＊＊＊慣性計測装置の製造方法＊＊＊
図４は、慣性計測装置の製造方法の流れを示すフローチャート図である。図５は、製造過程における基板の一態様を示す平面図である。図６は、図５のｃ－ｃ断面における基板の断面図であり、図２に対応している。
ここでは、慣性計測装置１００の製造方法について説明する。

ステップＳ１０では、基板５をセットする。図５に示すように、初期状態の基板５には、第１ランド１ｂ、第２ランド２、第３ランド３が配置されている。好適例では、各ランドは、銅およびニッケル下地の上に金メッキを施した配線パターンを用いるが、これに限定するものではなく、ハンダ付け可能な配線パターンであれば良い。換言すれば、実装領域６には、センサーデバイス５０を実装するための第１ランド１ｂが設けられ、接合領域７には、接合材９ａ（図３）に対応する第２ランド２が設けられている。好適例では、基板５が複数個面付けされた大判基板の状態で、専用治具にセットされる。

ステップＳ１１では、基板５の実装領域６の第１ランド１ｂ、および、接合領域７の第２ランド２にハンダクリーム９が塗布される。詳しくは、図６に示すように、第１ランド１ｂ、および、接合ランドとしての第２ランド２の上に、ハンダクリーム９が塗布される。ハンダクリーム９の塗布は、好適例では、第１ランド１ｂ、第２ランド２に当接する部分が開口したマスクを用いてスクリーン印刷により塗布される。この際、第３ランド３には、ハンダクリームは塗布されない。なお、ディスペンサーを用いて塗布しても良い。換言すれば、ハンダクリーム９の塗布工程では、基板５の実装領域６、および、実装領域６を囲う接合領域７において連通孔４となる凹部２ｂを有する接合ランドとしての第２ランド２にハンダクリームを塗布する。

ステップＳ１２では、基板５にセンサーデバイス５０を載置する。詳しくは、図６に示すように、センサーデバイス５０の電極端子１ａ側の面を下にして、基板５の上面５ａにおける略中央に載置する。基板５にセンサーデバイス５０をフェイスダウン実装する。換言すれば、この工程では、実装領域６にセンサーデバイス５０を載置する。
ステップＳ１３では、基板５にキャップ８を載置する。詳しくは、図２に示すように、第２ランド２の上にフランジ部８ｂの位置を合せて、キャップ８を載置する。換言すれば、この工程では、接合領域７にキャップ８を載置する。

ステップＳ１４では、センサーデバイス５０とキャップ８とが載置された状態の基板５をリフロー処理する。好適例では、基板５が複数個面付けされた大判基板の状態で、所定の温度に設定されたリフロー炉に通す。なお、リフロー後の態様は、図１に示すように、接合材９ａが、実装領域６を囲むとともに内部空間ＳＰと外部とを連通する連通孔４を有するように形成される。
ここで、仮に連通孔４が設けられていない場合、キャップ８の内部空間ＳＰの空気が高温により膨張した際の逃げ場がないため、キャップ８が浮き上がってしまい、気密封止は困難であった。これに対して、慣性計測装置１００によれば、連通孔４から膨張した空気を逃がすことができるため、キャップ８の浮きは生じない。

ステップＳ１５では、連通孔４を封止材９ｂにより封止する。詳しくは、図３に示すように、連通孔４を覆うように、第２ランド２から第３ランド３に亘ってハンダ付けにより封止材９で連通孔４を封止する。好適例では、窒素ガスで満たされたチャンバー内において、大判基板の状態で１つずつの基板５に対してハンダ付けする。換言すれば、この工程では、連通孔４をハンダ付けにより封止する。そして、封止工程終了後、大判基板をチャンバーから取出し、１個ずつの小片に切り分けることにより、慣性計測装置１００が完成する。

＊＊＊センサーデバイスの概要＊＊＊
図７は、センサーデバイスの概要を示す透過平面図である。図８は、図７のｆ－ｆ断面における断面図である。図９は、図７のｇ－ｇ断面における断面図である。

図７は、センサーデバイス５０をＺプラス側から観察した透過平面図である。図７に示すように、センサーデバイス５０は、台座板４１上に配置された第１慣性センサー４５、第２慣性センサー４６などから構成される。台座板４１は、２つのセンサーを載置する基板である。

図８に示すように、第１慣性センサー４５は、基材１０と、蓋体１８と、第１ジャイロセンサー素子２５と、第２ジャイロセンサー素子２６と、第３ジャイロセンサー素子２７とを有する。なお、第１ジャイロセンサー素子２５、第２ジャイロセンサー素子２６、及び第３ジャイロセンサー素子２７は、基材１０と蓋体１８とで構成される収容空間Ｓ１に収容されている。また、収容空間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４５において、第１ジャイロセンサー素子２５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２６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２７は、Ｚ軸まわりの角速度を検出する。なお、第１ジャイロセンサー素子２５、第２ジャイロセンサー素子２６、及び第３ジャイロセンサー素子２７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、角速度を検出する。

基材１０には、３つの凹部２１，２２，２３が形成されており、第１ジャイロセンサー素子２５、第２ジャイロセンサー素子２６、及び第３ジャイロセンサー素子２７が、それぞれ、凹部２１、凹部２２、及び凹部２３に対応するように基材１０上に配置される。凹部２１，２２，２３は、それぞれ、第１ジャイロセンサー素子２５、第２ジャイロセンサー素子２６、第３ジャイロセンサー素子２７と、基材１０との接触を防止するための逃げ部として機能する。

なお、基材１０は、シリコン基板である。基材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た基板であっても良い。シリコン半導体プロセスに準拠した工程により、基材１０上にポリシリコンなどの材料によりセンサー構造体が形成される。本実施形態におけるセンサー構造体は、第１ジャイロセンサー素子２５、第２ジャイロセンサー素子２６、第３ジャイロセンサー素子２７である。

蓋体１８には、凹部１８ａが形成されており、基材１０に接合することで、収容空間Ｓ１が形成され、第１ジャイロセンサー素子２５、第２ジャイロセンサー素子２６、及び第３ジャイロセンサー素子２７を収容する。凹部１８ａは、基材１０の３つの凹部２１，２２，２３と向かい合って形成されている。なお、蓋体１８は、本実施形態では、シリコン基板で形成されている。基材１０と蓋体１８との接合にはガラスフリット等が使用され、センサー構造体は最終的に外気に対して気密封止された構造となる。以上のセンサーデバイスの構成は一例であり、その他の例であっても構わない。例えば、ジャイロセンサーに関しては、駆動部が共通であり、検出部のみ軸別に分かれている構造などでも良い。更に第１ジャイロセンサー素子２５、第２ジャイロセンサー素子２６、及び第３ジャイロセンサー素子２７の制御・検出を実現する集積回路が、第１ジャイロセンサー素子２５、第２ジャイロセンサー素子２６、及び第３ジャイロセンサー素子２７に接続されてもよいし、第１ジャイロセンサー素子２５、第２ジャイロセンサー素子２６、及び第３ジャイロセンサー素子２７にスタックされてもよい。

図７に戻る。
第２慣性センサー４６は、第１加速度センサー素子３５と、第２加速度センサー素子３６と、第３加速度センサー素子３７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。なお、第１加速度センサー素子３５、第２加速度センサー素子３６、及び第３加速度センサー素子３７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、加速度を検出する。換言すれば、センサーデバイス５０は、第１慣性センサー４５が検出する物理量とは異なる物理量を検出する第２慣性センサー４６を備える。

図９に示すように、第２慣性センサー４６は、基材３０と、蓋体３８と、第１加速度センサー素子３５と、第２加速度センサー素子３６と、第３加速度センサー素子３７と、を有する。なお、第１加速度センサー素子３５、第２加速度センサー素子３６、及び第３加速度センサー素子３７は、基材３０と蓋体３８とで構成される収容空間Ｓ３に収容されている。また、収容空間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、収容空間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良い。基材１０は基材３０と別体であるが、一体としてもよい。すなわち、一つの基材、例えば基材１０の上に、第１ジャイロセンサー素子２５、第２ジャイロセンサー素子２６、第３ジャイロセンサー素子２７、第１加速度センサー素子３５、第２加速度センサー素子３６、及び第３加速度センサー素子３７が形成されても良い。

第２慣性センサー４６において、第１加速度センサー素子３５は、Ｘ方向の加速度を検出し、第２加速度センサー素子３６は、Ｙ方向の加速度を検出し、第３加速度センサー素子３７は、Ｚ方向の加速度を検出する。

基材３０には、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３５、第２加速度センサー素子３６、及び第３加速度センサー素子３７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材３０上に配置されている。凹部３１，３２，３３は、それぞれ、第１加速度センサー素子３５、第２加速度センサー素子３６、第３加速度センサー素子３７と、基材３０との接触を防止するための逃げ部として機能する。

なお、基材３０は、シリコン基板である。基材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た基板であっても良い。シリコン半導体プロセスに準拠した工程により、基材３０上にポリシリコンなどの材料によりセンサー構造体が形成される。本実施形態におけるセンサー構造体は、第１加速度センサー素子３５、第２加速度センサー素子３６、第３加速度センサー素子３７である。

蓋体３８には、凹部３８ａが形成されており、基材３０に接合することで、収容空間Ｓ３が形成され、第１加速度センサー素子３５、第２加速度センサー素子３６、及び第３加速度センサー素子３７を収容する。凹部３８ａは、基材３０の３つの凹部３１，３２，３３と向かい合って形成されている。なお、蓋体３８は、本実施形態では、シリコン基板で形成される。これにより、蓋体３８と基材３０とを陽極接合によって強固に接合することができる。基材３０と蓋体３８との接合にはガラスフリット等が使用され、センサー構造体は最終的に外気に対して気密封止された構造となる。以上のセンサーデバイスの構成は一例であり、その他の例であっても構わない。更に第１加速度センサー素子３５、第２加速度センサー素子３６、及び第３加速度センサー素子３７の制御・検出を実現する集積回路が、第１加速度センサー素子３５、第２加速度センサー素子３６、及び第３加速度センサー素子３７に接続されてもよいし、第１加速度センサー素子３５、第２加速度センサー素子３６、及び第３加速度センサー素子３７にスタックされてもよい。

図７に戻る。
このようなセンサーデバイス５０は、３軸ジャイロセンサーである第１慣性センサー４５と、３軸加速度センサーである第２慣性センサー４６とを備える６軸コンボセンサーであり、その周囲は、樹脂製パッケージである樹脂１１によって覆われている。樹脂１１は、例えば、エポキシ樹脂であり、センサーデバイス５０の外装は、樹脂１１により樹脂モールドされている。換言すれば、センサーデバイス５０は、第１パッケージとしての樹脂１１により樹脂モールドされている。第２慣性センサー４６は、第１慣性センサー４５と共に、第１パッケージに収納されている。
ここで、発明者等の検証によれば、センサーデバイス５０をそのままの状態で使用した際に、例えば、使用環境の湿度が変動すると、変動した湿度に応じた量の水分が樹脂モールド内に吸着されてしまい、樹脂１１の内部における残留応力が変化することが確認されている。この応力変化は、センサー素子に対して定常的に印加される応力の変動を引き起こし、センサー特性を変動させてしまうという課題があった。

なお、上記では、センサーデバイス５０は６つのセンサー素子を備えるものとして説明したが、これに限定するものではなく、少なくとも加速度３軸、角速度３軸の検出ができれば良く、例えば、センサー素子が３素子であっても良い。この場合、例えば、２つの加速度センサー素子と、１つの角速度センサー素子とによる３つのセンサー素子構成とする。この３素子は、検出軸の共通化などの複合化設計により、加速度３軸、角速度３軸の検出が可能なセンサー素子となっている。

＊＊＊耐湿特性の検証結果＊＊＊
図１０は、封止材の有無による出力変動の変化を示すグラフ図であり、横軸には時間（ｈｏｕｒ）を、縦軸には、出力変動（ｍＧ）を取っている。
図１０に示すグラフ５５は、本実施形態の慣性計測装置１００による実験環境下での時間経過にともなう出力変動を示すグラフである。グラフ５６は、比較例の慣性計測装置による実験環境下での時間経過にともなう出力変動を示すグラフであり、比較例の慣性計測装置では封止材９ｂが設けられていない。換言すれば、比較例の慣性計測装置では連通孔４が開口しており、内部空間ＳＰと外部とが連通した状態となっている。
実験環境は、常温常湿よりも高湿度の環境下に、本実施形態の慣性計測装置１００と、比較例の慣性計測装置とを一緒に、同じ姿勢でセットして行った。

比較例のグラフ５６では、時間経過にともない出力変動が比例的に大きく増加していることが解る。このバイアス変動は、外部の水分が連通孔４を通って浸入し、センサーデバイス５０の樹脂１１の樹脂モールド内に吸着されて、樹脂１１の内部における残留応力が変化したことにより生じたものと推測される。
これに対して、本実施形態の慣性計測装置１００によれば、グラフ５５に示すように、時間が経過しても出力変動は、約１ｍＧで一定であり安定している。換言すれば、バイアス変動が少なく耐湿特性が安定していることが解る。

以上、述べた通り、本実施形態の慣性計測装置１００、および、その製造方法によれば、以下の効果を得ることができる。
慣性計測装置１００は、接合領域７を有する基板５と、キャップ８と、樹脂製パッケージに収納され、基板５とキャップ８との間の内部空間ＳＰにおいて基板５上の実装領域６に配置されるセンサーデバイス５０と、基板５の接合領域７において、キャップ８を基板５に接合する接合材９ａ及び封止材９ｂと、を備え、接合材９ａは、実装領域６を囲むとともに内部空間ＳＰと外部とを連通する連通孔４を有するように形成され、封止材９ｂは、連通孔４をふさぐ。

これによれば、センサーデバイス５０が収納された内部空間ＳＰは、封止材９ｂにより気密状態で封止される。よって、センサーデバイス５０への外部からの水分浸入を防ぐことができる。
従って、水分の影響を低減し、優れた検出精度を有する慣性計測装置１００を提供することができる。換言すれば、耐湿性に優れ、信頼性の高い慣性計測装置１００を提供することができる。

また、実装領域６には、センサーデバイス５０を実装する第１ランド１ｂが設けられ、接合領域７には、接合材９ａに対応する第２ランド２が設けられ、連通孔４の外側には、第３ランド３が設けられ、封止材９ｂは、第２ランド２から第３ランド３に亘って配置される。

これによれば、リフロー処理の後に、ハンダ付けにより第２ランド２から第３ランド３に亘って封止材９ｂを設けることができるため、連通孔４を封止することができる。

また、第２ランド２における連通孔４に対応する切欠き部である凹部２ｂの幅を幅ｄとし、第３ランド３の連通孔４に対向する部分の長さを長さＬとしたとき、長さＬは、幅ｄの１．５倍以上５倍以下である。
これによれば、第２ランド２から第３ランド３に亘って封止材９ｂを配置する際に、確実に連通孔４をふさぐことができ、かつ、効率良くハンダ付けを行うことができる。

また、キャップ８は金属キャップであり、接合材９ａ及び封止材９ｂはハンダである。
これによれば、ハンダ付けにより効率的に連通孔４をふさぐことができる。

また、第２ランド２の切欠き部には、連通孔４となる凹部２ｂが形成される。
これによれば、第２ランド２の上にキャップ８を実装することにより、フランジ部８ｂと凹部２ｂとの間に、連通孔４が形成される。

実施形態２
＊＊＊慣性計測装置の異なる態様－１＊＊＊
図１１は、実装形態２の慣性計測装置の連通孔周辺の部分平面図であり、図１に対応している。図１２は、連通孔周辺の拡大斜視図であり、図３に対応している。

上記実施形態では、第２ランド２は、環状の一部に分断部分を有するものとして説明したが、この構成に限定するものではなく、分断部分がなくても、連通孔が形成される構成であれば良い。例えば、第２ランド１２の凹部１２ｂにおける外周縁が、接続部１２ｃで連結していても良い。以下、上記実施形態と同じ部位には、同じ付番を付し、重複する説明は省略する。

図１１に示すように、本実施形態の慣性計測装置１１０では、第２ランド１２が角部で分断されておらず、その外周縁が接続部１２ｃにより連結している。接続部１２ｃは、キャップ８のフランジ部８ｂよりも外側に設けられており、平面的に、フランジ部８ｂと接続部１２ｃとの間に隙間が設けられている。
図１２に示すように、第２ランド１２の上にキャップ８を載置した際、この隙間が連通孔４４の開口部となる。これにより、連通孔４４は、外部と内部空間ＳＰとの間を連通する空気孔として機能する。その他の構成は、実施形態１での説明と同様である。

なお、慣性計測装置１１０においても、リフロー後の態様は、図１２に示すように、接合材９ａが、実装領域６（図１１）を囲むとともに内部空間ＳＰと外部とを連通する連通孔４４を有するように形成される。
そして、ハンダ付けにより連通孔４４を封止する際には、連通孔４４の開口部の前面に接続部１２ｃがあるため、接続部１２ｃがない場合よりも連通孔４４を封止し易くなる。
また、上記では、接続部１２ｃがフランジ部８ｂよりも外側に設けられているものとして説明したが、この構成に限定するものではなく、例えば、接続部１２ｃがフランジ部８ｂの内側に設けられることでも良い。この場合も、平面的に、フランジ部８ｂと接続部１２ｃとの間に隙間が設けられるように設定する。

以上、述べた通り、本実施形態の慣性計測装置１１０によれば、上記実施形態での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
慣性計測装置１１０によれば、センサーデバイス５０が収納された内部空間ＳＰは、封止材９ｂにより気密状態で封止される。よって、センサーデバイス５０への外部からの水分浸入を防ぐことができる。
従って、水分の影響を低減し、優れた検出精度を有する慣性計測装置１１０を提供することができる。

実施形態３
＊＊＊慣性計測装置の異なる態様－２＊＊＊
図１３は、実装形態３の慣性計測装置の連通孔周辺の部分平面図であり、図１に対応している。図１４は、連通孔周辺の拡大斜視図であり、図３に対応している。

上記実施形態では、第２ランド２の凹部２ｂとキャップ８との間に連通孔４が設けられるものとして説明したが、この構成に限定するものではなく、連通孔がキャップに形成される構成であっても良い。例えば、本実施形態の慣性計測装置１２０では、キャップ８１に連通孔８１ｃが設けられる。以下、上記実施形態と同じ部位には、同じ付番を付し、重複する説明は省略する。

図１３に示すように、本実施形態の慣性計測装置１２０では、キャップ８１の角部にスリット状の連通孔８１ｃが設けられている。なお、キャップ８１は、連通孔８１ｃを有すること以外は、実施形態１のキャップ８と同じ構成である。また、本実施形態の第２ランド１３には切り欠き部がなく、角部も直線部分と同じ幅で環状に閉じた接合ランドとなっている。図１４に示すように、連通孔８１ｃは、フランジ部８１ｂの端部からフランジ部８１ｂを横断し、キャップ８１本体の側壁の一部まで形成されている。換言すれば、キャップ８１の第３ランド３に対応する位置には、スリット状の凹部からなる連通孔８１ｃが形成される。

慣性計測装置１２０においても、リフロー後の態様は、図１４に示すように、接合材９ａが、実装領域６（図１３）を囲むとともに内部空間ＳＰと外部とを連通する連通孔８１ｃを有するように形成される。
そして、ハンダ付けにより連通孔８１ｃを封止する際には、キャップ８１本体の側壁の一部を含む連通孔８１ｃを覆うように、封止材９ｂを設ける。

以上、述べた通り、本実施形態の慣性計測装置１２０によれば、上記実施形態での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
慣性計測装置１２０によれば、センサーデバイス５０が収納された内部空間ＳＰは、封止材９ｂにより気密状態で封止される。よって、センサーデバイス５０への外部からの水分浸入を防ぐことができる。
従って、水分の影響を低減し、優れた検出精度を有する慣性計測装置１２０を提供することができる。

実施形態４
＊＊＊慣性計測装置の異なる態様－３＊＊＊
図１５は、実装形態４の慣性計測装置の平面図であり、図１に対応している。図１６は、異なる態様の慣性計測装置の平面図であり、図１に対応している。

上記実施形態では、連通孔４を１つ設けるものとして説明したが、この構成に限定するものではなく、連通孔４が複数設けられる構成であっても良い。また、連通孔４は、角部に設けることに限定されない。以下、上記実施形態と同じ部位には、同じ付番を付し、重複する説明は省略する。

図１５に示すように、本実施形態の慣性計測装置１３０では、対角方向に連通孔４が２つ設けられている。詳しくは、Ｘプラス方向かつＹプラス方向の角部に設けられた連通孔４に加えて、Ｘマイナス方向かつＹマイナス方向の角部にも、連通孔４が設けられている。換言すれば、連通孔４は、接合領域７に複数設けられる。また、複数の連通孔４は、実装領域６を挟み対向配置される。これ以外の構成は、実施形態１の慣性計測装置１００と同じである。

また、図１６に示す慣性計測装置１４０では、第２ランド２ｆの辺に沿って連通孔４が４つ設けられている。詳しくは、Ｙプラス方向の第２ランド２ｆの一辺に沿って２つの連通孔４が並んで設けられている。そして、Ｙマイナス方向の第２ランド２ｆの一辺に沿って２つの連通孔４が並んで設けられている。このように、連通孔４を直線部分に設けても良い。換言すれば、連通孔４は、接合領域７に複数設けられる。また、複数の連通孔４は、実装領域６を挟み対向配置される。その他の構成は、実施形態１の慣性計測装置１００と同じである。

以上、述べた通り、本実施形態の慣性計測装置１３０，１４０によれば、上記実施形態での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
慣性計測装置１３０，１４０によれば、センサーデバイス５０が収納された内部空間ＳＰは、封止材９ｂにより気密状態で封止される。よって、センサーデバイス５０への外部からの水分浸入を防ぐことができる。
従って、水分の影響を低減し、優れた検出精度を有する慣性計測装置１３０，１４０を提供することができる。

実施形態５
＊＊＊慣性計測装置の異なる態様－４＊＊＊
図１７は、実装形態５の慣性計測装置の平面図であり、図１に対応している。

上記実施形態では、内部空間ＳＰ内に１つのセンサーデバイス５０を収納するものとして説明したが、この構成に限定するものではなく、内部空間ＳＰ内に複数のセンサーデバイス５０を収納する構成であっても良い。以下、上記実施形態と同じ部位には、同じ付番を付し、重複する説明は省略する。

図１７に示すように、本実施形態の慣性計測装置１５０では、内部空間ＳＰ内に２つのセンサーデバイス５０が収納されている。詳しくは、基板５およびキャップ８がＸ方向に長い長方形状に設けられており、内部空間ＳＰも横長の長方形状となっており、その中に、センサーデバイス５０が２つ並んで配置されている。なお、２つに限定するものではなく、センサーデバイス５０の数は、複数であれば良い。連通孔４は、Ｘプラス方向かつＹプラス方向の角部に１ヶ所設けられている。実施形態４のように、複数の連通孔４を備えていても良い。その他の構成は、実施形態１の慣性計測装置１００と同じである。
また、上記では、内部空間ＳＰ内に２つのセンサーデバイス５０を収納するものとして説明したが、これに限定するものではなく、樹脂モールドされたデバイスであれば良い。例えば、１つのデバイスとして樹脂モールドされた３軸の角速度センサーである第１慣性センサー４５と、１つのデバイスとして樹脂モールドされた３軸の加速度センサーである第２慣性センサー４６とを、内部空間ＳＰ内に並べて配置することでも良い。

以上、述べた通り、本実施形態の慣性計測装置１５０によれば、上記実施形態での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
慣性計測装置１５０によれば、複数のセンサーデバイス５０が収納された内部空間ＳＰは、封止材９ｂにより気密状態で封止される。よって、センサーデバイス５０への外部からの水分浸入を防ぐことができる。
従って、水分の影響を低減し、優れた検出精度を有する慣性計測装置１５０を提供することができる。

実施形態６
＊＊＊慣性計測ユニット＊＊＊
図１８は、慣性計測ユニットを示す分解斜視図である。図１９は、基板の斜視図である。
上記実施形態で説明した慣性計測装置１００を、高精度が求められる橋梁や、高架軌道などの建造物のモニタリングシステムに用いられる慣性計測ユニット３００に適用することができる。なお、上記実施形態と同じ部位には、同じ付番を付し、重複する説明は省略する。

図１８に示すように、本実施形態の慣性計測ユニット３００は、上位のモニタリングシステムにおける計測装置（図示省略）との接続を簡便に行うために、コネクター６２を備えている。慣性計測ユニット３００は、ケース７０、基板６１などから構成される。
ケース７０は、基板６１を覆い保護する筐体であり、その上面にはコネクター６２を露出するための開口部７２が形成されている。コネクター６２は、プラグ型（オス）のコネクターであり、２列の接続端子を備えている。
ケース７０の下面には、慣性計測装置１００などが実装された基板６１を収納するための凹部７０ｂが設けられている。
ケース７０の凹部７０ｂに基板６１を組み込んだ状態で、例えば、コネクター６２に対応するメス型のコネクターを、開口部７２から接続することができる。

図１９に示すように、基板６１は、例えば、ガラスエポキシ基板などのリジット基板である。基板６１は、平面的に略八角形をなしており、その一辺に沿ってコネクター６２が設けられている。
基板６１には、慣性計測装置１００、コネクター６２、制御ＩＣ６５、角速度センサー２００ｚ、角速度センサー２００ｘ、角速度センサー２００ｙ、チップ抵抗や、チップコンデンサーなどを含む複数の電子部品が実装されている。なお、制御ＩＣ６５は、基板６１の裏面に実装されている。なお、基板６１は、基板５と共通であってもよい。この場合、基板６１にセンサーデバイス５０及びキャップ８が実装されてもよいし、第１ランド１ｂ、第２ランド２、及び第３ランド３が基板６１に形成されてもよい。
制御ＩＣ６５は、ＭＣＵ（Micro Controller Unit）であり、慣性計測ユニット３００の各部を制御する。制御ＩＣ６５が備える記憶部には、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、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。

角速度センサー２００ｚは、基板６１の表面（ケース７０側の面）に実装されている。角速度センサー２００ｚは、Ｚ軸方向における１軸の角速度を検出するジャイロセンサーである。好適例として、水晶を振動子として用い、振動する物体に加わるコリオリの力から角速度を検出する振動ジャイロセンサーを用いている。なお、振動ジャイロセンサーに限定するものではなく、角速度を検出可能なセンサーで有れば良い。例えば、振動子としてセラミックや、シリコンを用いたセンサーを用いても良い。
角速度センサー２００ｘは、Ｘ軸方向における１軸の角速度を検出するジャイロセンサーであり、基板６１のＸ軸方向の側面において、実装面がＸ軸と直交するように配置されている。角速度センサー２００ｙは、Ｙ軸方向における１軸の角速度を検出するジャイロセンサーであり、基板６１のＹ軸方向の側面において、実装面がＹ軸と直交するように配置されている。

図２０は、角速度センサーの透過平面図である。図２１は、図２０のｊ－ｊ断面における断面図である。
次に、角速度センサー２００ｚの構成について説明する。なお、角速度センサー２００ｘ、角速度センサー２００ｙも角速度センサー２００ｚと同じ構成である。

図２０に示す、角速度センサー２００ｚは、振動ジャイロセンサー素子２０１を備えている。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、角速度を検出する。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。

図２０、図２１に示すように角速度センサー２００ｚは、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、上方に開放する収容空間Ｓ２を有している。なお、振動ジャイロセンサー素子２０１を収容する収容空間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７７が形成されており、凸部７７の上面７７ａに金属バンプ９７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９２と、基部９２からＹ方向に延出された一対の検出用振動腕９３と、検出用振動腕９３と直交するように、基部９２からＸ方向に延出された一対の連結腕９４と、検出用振動腕９３と平行になるように、各連結腕９４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９５，９６と、を有する。振動ジャイロセンサー素子２０１は、基部９２において、金属バンプ９７等を介してベース２０２に設けられた凸部７７の上面７７ａ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９５，９６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９５，９６及び連結腕９４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９３がＸ方向に屈曲振動する。そのため、検出用振動腕９３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。

以上、述べた通り、本実施形態の慣性計測ユニット３００によれば、上記実施形態での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。
慣性計測ユニット３００は、耐湿性が高く信頼性に優れた慣性計測装置１００に加えて、水晶を振動子として用いた高精度の角速度センサー２００ｘ、角速度センサー２００ｙ、角速度センサー２００ｚを備えている。
従って、信頼性に優れ高精度の慣性計測ユニット３００を提供することができる。

１ａ…電極端子、１ｂ…第１ランド、２，２ｆ…第２ランド、２ｂ…凹部、３…第３ランド、４…連通孔、５…基板、５ａ…上面、５ｂ…下面、６…実装領域、７…接合領域、８…キャップ、８ａ…キャビティ、８ｂ…フランジ部、９…ハンダクリーム、９ａ…接合材、９ｂ…封止材、１０…基材、１１…樹脂、１２，１３…第２ランド、１２ｂ…凹部、１２ｃ…接続部、１８…蓋体、１８ａ…凹部、２０…基材、２１，２２，２３…凹部、２５…第１ジャイロセンサー素子、２６…第２ジャイロセンサー素子、２７…第３ジャイロセンサー素子、３０…基材、３１，３２，３３…凹部、３５…第１加速度センサー素子、３６…第２加速度センサー素子、３７…第３加速度センサー素子、３８…蓋体、３８ａ…凹部、４１…台座板、４４…連通孔、４５…第１慣性センサー、４６…第２慣性センサー、５０…センサーデバイス、６１…基板、６２…コネクター、７０…ケース、７０ｂ…凹部、７１…実装用端子、７２…開口部、７７…凸部、７７ａ…上面、８１…キャップ、８１ｂ…フランジ部、８１ｃ…連通孔、９２…基部、９３…検出用振動腕、９４…連結腕、９５，９６…駆動用振動腕、９７…金属バンプ、１００，１１０，１２０，１３０，１４０，１５０…慣性計測装置、２００ｘ，２００ｙ，２００ｚ…角速度センサー、２０１…振動ジャイロセンサー素子、２０２…ベース、２０３…第１基板、２０３ａ…上面、２０３ｂ…下面、２０４…第２基板、２０５…実装端子、２０６…接合部材、２０７…リッド、３００…慣性計測ユニット、ＩＣ６５…制御、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３…収容空間、ＳＰ…内部空間。

Claims (10)

1. 接合領域を有する基板と、
   キャップと、
   樹脂製パッケージに収納され、前記基板と前記キャップとの間の内部空間において前記基板上の実装領域に配置されるセンサーデバイスと、
   前記基板の前記接合領域において、前記キャップを前記基板に接合する接合材及び封止材と、を備え、
   前記接合材は、前記実装領域を囲むとともに前記内部空間と外部とを連通する連通孔を有するように形成され、
   前記封止材は、前記連通孔をふさぐ、
   慣性計測装置。
2. 前記実装領域には、前記センサーデバイスを実装する第１ランドが設けられ、
   前記接合領域には、前記接合材に対応する第２ランドが設けられ、
   前記連通孔の外側には、第３ランドが設けられ、
   前記封止材は、前記第２ランドから前記第３ランドに亘って配置される、
   請求項１に記載の慣性計測装置。
3. 前記第２ランドにおける前記連通孔に対応する切欠き部の幅を幅ｄとし、
   前記第３ランドの前記連通孔に対向する部分の長さを長さＬとしたとき、
   前記長さＬは、前記幅ｄの１．５倍以上５倍以下である、
   請求項２に記載の慣性計測装置。
4. 前記キャップは金属キャップであり、前記接合材及び前記封止材はハンダである、
   請求項３に記載の慣性計測装置。
5. 前記第２ランドの前記切欠き部には、前記連通孔となる凹部が形成される、
   請求項３に記載の慣性計測装置。
6. 前記キャップの前記第３ランドに対応する位置には、前記連通孔となる凹部が形成される、
   請求項２に記載の慣性計測装置。
7. 前記接合領域は、屈曲部を有し、
   前記連通孔は、前記屈曲部に設けられる、
   請求項２に記載の慣性計測装置。
8. 前記連通孔は、前記接合領域に複数設けられる、
   請求項２に記載の慣性計測装置。
9. 複数の前記連通孔は、前記実装領域を挟み対向配置される、
   請求項８に記載の慣性計測装置。
10. 基板の実装領域、および、前記実装領域を囲う接合領域において連通孔となる凹部を有する接合ランドにハンダクリームを塗布する工程と、
    前記実装領域にセンサーデバイスを載置する工程と、
    前記接合領域にキャップを載置する工程と、
    前記基板をリフローする工程と、
    前記連通孔をハンダ付けにより封止する工程と、を含む、
    慣性計測装置の製造方法。

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