JP5617912B2 - 慣性力センサ - Google Patents

Description

本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等、各種電子機器に用いられる慣性力センサに関するものである。

以下、従来の慣性力センサの一つである角速度センサについて説明する。

図９は従来の角速度センサの分解斜視図、図１０は同角速度センサの断面図である。

図９、図１０において、従来の角速度センサは、音叉形状の振動子からなる振動型の角速度検出素子２と、この角速度検出素子２から出力される出力信号を処理するＩＣ４と、信号処理用のコンデンサ６とを備えている。

上記した角速度検出素子２とＩＣ４およびコンデンサ６は、互いに並べてケース８に実装するとともに蓋１０をし、そしてこの蓋１０をしたケース８をパッケージ１２に収納してカバー１４をしている。

また、前記パッケージ１２の内部にはケース８を載置する載置部１６を形成しており、かつこの載置部１６はＳ字状の屈曲部を有する端子１８を介してパッケージ１２に接続されている。

そしてまた、前記ケース８に配置した電極パッド２０を介して、Ｓ字状の屈曲部を有する端子１８と角速度検出素子２およびＩＣ４を互いに電気的に接続しており、そして前記端子１８を介して信号の入出力を行っている。

このような角速度センサを検出したい検出軸に対応させて、車両等の移動体の姿勢制御装置やナビゲーション装置等に用いている。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

国際公開第０３／０４６４７９号パンフレット

上記した従来の構成では、ケース８を載置する載置部１６がＳ字状の屈曲部を有する端子１８を介してパッケージ１２に接続されているため、このＳ字状の屈曲部を有する端子１８によって、衝撃等に起因した角速度センサへの外乱振動を抑制することができる。しかしながら、ケース８に配置される角速度検出素子２とＩＣ４は互いに並べて配置されるため、ケース８内の実装面積が大きくなってケース８の小型化が図れないという問題点を有していた。また、角速度検出素子２と端子１８およびＩＣ４と端子１８は、ケース８の電極パッド２０を介して電気的な接続を行っているため、ケース８の電極パッド２０の配置数も多くなってケース８の小型化が図れないという問題点を有していた。

本発明は上記従来の問題点を解決するもので、外乱振動を抑制しつつ、角速度検出素子とＩＣとの実装面積を低減させることができ、かつ信号の入出力のための電極パッドの配置数も低減して小型化が図れる慣性力センサを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために本発明は、角速度検出素子と、この角速度検出素子を上面に中空保持する載置部とこの載置部に配線パターンを介して接続された外方部とからなるともに、配線パターンを絶縁フィルムに接着配置して形成された防振手段と、からなる防振手段と、前記角速度検出素子からの出力信号を処理するＩＣと、前記角速度検出素子、防振手段およびＩＣを収納するパッケージとを備え、前記防振手段における載置部の下面に加速度検出手段を設けたものである。

上記構成によれば、載置部を中空保持しつつ配線パターンを介して接続された外方部によってパッケージに取り付けているため、慣性力センサの小型化が図れるとともに、配線パターンが防振機能の役割を果たし、そしてこの配線パターンによって外乱振動を吸収することができる。特に、防振手段における載置部の下面に加速度検出手段を設けた場合は、防振手段における載置部の上面側に設けた角速度検出素子の質量を、載置部の下面に設けた加速度検出手段の質量と略同一とすることにより、角速度検出素子、載置部および加速度検出手段を合わせた重心のずれに起因して角速度検出素子に測定する角速度以外の角速度が発生したり、また加速度検出手段に測定する加速度以外の加速度が発生したりすることはなくなるため、角速度および加速度の検出信号の精度が向上するという効果が得られるものである。

本発明の実施の形態１における角速度センサの分解斜視図 同角速度センサの防振手段の上面図 同角速度センサの防振手段の下面図 パッケージに収納する前の同角速度センサの斜視図 振動伝達率と振動周波数の関係を示す減衰特性図 本発明の実施の形態１における他の角速度センサの例を示す分解斜視図 本発明の実施の形態２における角速度センサの側断面図 本発明の実施の形態２における他の角速度センサの側断面図 従来の角速度センサの分解斜視図 従来の角速度センサの一部透視断面図

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
以下、実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１および請求項２に記載の発明について説明する。

図１は本発明の実施の形態１における慣性力センサの一つである角速度センサの分解斜視図、図２は同角速度センサの防振手段の上面図、図３は同角速度センサの防振手段の下面図、図４はパッケージに収納する前の同角速度センサの斜視図である。

図１〜図４において、本発明の実施の形態１における角速度センサは、音叉形状等の振動子からなる振動型の角速度検出素子３２と、加速度センサからなる加速度検出手段３３と、前記角速度検出素子３２および加速度検出手段３３から出力される出力信号を処理するＩＣ３４と、信号処理用のコンデンサ３６と、前記角速度検出素子３２、加速度検出手段３３、ＩＣ３４およびコンデンサ３６を収納するパッケージ３８と、蓋３９とを備えている。

前記角速度検出素子３２およびＩＣ３４は防振手段を介してパッケージ３８に収納されるもので、前記防振手段は、角速度検出素子３２を積層したＩＣ３４を載置する載置部４０と、この載置部４０の外方に分離して配置されるとともに配線パターン４２を介して接続された外方部４４とを有するＴＡＢテープ４６により構成され、そして、このとき、角速度検出素子３２の重心と、ＩＣ３４の重心と、載置部４０の重心とが互いに同一軸上に配置されるように、載置部４０の上に角速度検出素子３２とＩＣ３４とを載置しているものである。

また、前記ＴＡＢテープ４６は、載置部４０および外方部４４を絶縁フィルムで形成しており、そして載置部４０の中心に対して点対称な形状および配置となるように配線パターン４２を絶縁フィルムに接着配置して形成している。そしてまた、パッケージ３８の底面部に設けた段差部４７にＴＡＢテープ４６の外方部４４を載置して取り付けることにより、前記載置部４０を中空保持しつつ、この空間を利用して、パッケージ３８の底面に段差部４７の高さ以下のコンデンサ３６を配置している。

さらに、前記角速度検出素子３２は入出力信号用の素子用電極パッド４８を有し、かつＩＣ３４は入出力信号用のＩＣ用電極パッド５０を有し、そしてパッケージ３８は前記素子用電極パッド４８またはＩＣ用電極パッド５０との接続用電極パッド５２を有している。また、前記ＩＣ用電極パッド５０は角速度検出素子３２の外方に配置して、素子用電極パッド４８またはＩＣ用電極パッド５０と配線パターン４２とを電気的に接続するとともに、素子用電極パッド４８、ＩＣ用電極パッド５０または配線パターン４２と接続用電極パッド５２とをボンディングワイヤー５４等によって電気的に接続している。そしてまた、前記配線パターン４２を介して信号の入出力を行っているものである。

そして、上記したような角速度センサを検出したい検出軸に対応させて、車両等の移動体の姿勢制御装置やナビゲーション装置等に用いているものである。

上記構成によれば、角速度検出素子３２をＩＣ３４に積層しているため、載置部４０に対する実装面積を低減させることができ、これにより、小型化が図れるとともに、載置部４０を中空保持しつつ配線パターン４２を介して接続された外方部４４によってパッケージ３８に取り付けているため、配線パターン４２が防振機能の役割を果たし、そしてこの配線パターン４２によって外乱振動を吸収することができる。このように本発明の実施の形態１においては、外乱振動を抑制しながら検出精度を損なわずに小型化を図ることができるものである。

ここで、防振機能の減衰特性について、図５を用いて説明する。図５は、外乱振動の振動周波数と振動伝達率の関係を示す減衰特性図である。特性波Ａを基準の減衰特性波とすると、この特性波Ａでは外乱振動の振動周波数が２０００Ｈｚ近傍にて振動伝達率が最大であり、高域側に推移するにつれて振動伝達率は小さくなる。また、特性波Ｂでは特性波Ａよりも低域側にて振動伝達率が最大であり、特性波Ｃでは特性波Ａよりも高域側にて振動伝達率が最大であり、特性波Ｂも特性波Ｃも高域側に推移するにつれて振動伝達率は小さくなる。特性波Ａと特性波Ｂとを比較すると、特性波Ａの振動伝達率が最大を示す外乱振動の振動周波数値よりも高域側の帯域では特性波Ｂの方が減衰率は大きく、特性波Ａと特性波Ｃとを比較すると、特性波Ｃの振動伝達率が最大を示す外乱振動の振動周波数値よりも高域側の帯域では特性波Ａの方が減衰率は大きい。この振動周波数は、次式で表される。

ここで、ｆは振動伝達率が最大となる共振振動周波数、αは係数、ｋは配線パターン４２によるバネ定数、ｍは配線パターン４２を介して外方部４４に支持されている物体の合計の質量であり、本発明の実施の形態１では、主として載置部４０、角速度検出素子３２およびＩＣ３４の合計質量である。

本発明の実施の形態１では、角速度検出素子３２の振動周波数を約２２０００Ｈｚ程度としており、高域側での減衰特性が良い特性波Ｂのような波形を得るために、ｋの剛性を加え、ｍを大きくしている。すなわち、本発明の実施の形態１では、角速度検出素子３２をＩＣ３４に積層することにより、配線パターン４２を介して外方部４４に支持されている物体の合計の質量（ｍ）を大きくして、より高帯域側における外乱振動の吸収率を向上させている。これにより、角速度検出素子３２が約２２０００Ｈｚ程度で振動している際に、この振動周波数に近似した周波数の外乱振動が加わっても、この外乱振動を効率よく減衰させることができるため、角速度検出素子３２の振動に悪影響が生じるのを抑制できるものである。

この場合、本発明の実施の形態１においては、角速度検出素子３２の重心と、ＩＣ３４の重心と、載置部４０の重心とを互いに同一軸上に配置しているため、載置部４０の重心を中心にして、配線パターン４２には均等に質量がかかることになり、これにより、角速度検出素子３２を安定した状態で載置部４０に載置することができるため、角速度検出素子３２の感度劣化を抑制できるものである。載置部４０の重心とＩＣ３４の重心とが同一軸上からずれたり、載置部４０の重心と角速度検出素子３２の重心とが同一軸上からずれたりした場合には、例えば、センサに外力が働くと、重心のずれに起因して載置部４０にモーメントが働いて角速度検出素子３２が安定して載置されないため、角速度検出素子３２の感度に悪影響を与えるおそれがある。上記説明において、角速度検出素子３２の重心と、ＩＣ３４の重心と、載置部４０の重心とを互いに同一軸上に配置するとは、略同一軸上も含むものである。

また、角速度検出素子３２をＩＣ３４に積層しているため、角速度検出素子３２の小型化が図られたとしてもＩＣ３４上に安定した状態で実装することができる。振動型の角速度検出素子３２は、振動用の振動部位と実装固定用の固定部位とを有するが、振動しない固定部位の面積は角速度検出素子３２の全体の面積に比べて小さくなるため、ＩＣ３４の上に角速度検出素子３２の固定部位を配置して角速度検出素子３２を取り付けることにより、安定度が高くなって特性劣化を抑制できるものである。

そしてまた、角速度検出素子３２と配線パターン４２およびＩＣ３４と配線パターン４２をボンディングワイヤー５４等によって電気的に接続しているため、パッケージ３８における電気的な接続箇所を低減することができ、これにより、小型化が図れるものである。

さらに、安定度の向上のためにＩＣ３４の上に角速度検出素子３２を載置し、かつＩＣ用電極パッド５０は角速度検出素子３２の外方に配置しているため、素子用電極パッド４８とＩＣ用電極パッド５０とを必要に応じて電気的に接続することができ、これにより、素子用電極パッド４８またはＩＣ用電極パッド５０の全てをパッケージ３８に配置した接続用電極パッド５２と電気的に接続する必要がなくなる。また、防振手段を構成する載置部４０の上にＩＣ３４を載置し、かつ配線パターン４２はＩＣ３４の外方に配置しているため、素子用電極パッド４８またはＩＣ用電極パッド５０と配線パターン４２とを必要に応じて電気的に接続することができ、これにより、素子用電極パッド４８またはＩＣ用電極パッド５０の全てをパッケージ３８に配置した接続用電極パッド５２と電気的に接続する必要がなくなる。すなわち、パッケージ３８に配置する接続用電極パッド５２の数を少なくしても、素子用電極パッド４８、ＩＣ用電極パッド５０または配線パターン４２と接続用電極パッド５２とを電気的に接続することができ、これにより、信号の入出力のための電極パッドの配置数を低減させることができるため、小型化が図れるものである。

さらにまた、防振手段は、載置部４０および外方部４４を絶縁フィルムで形成し、かつこの絶縁フィルムに配線パターン４２を接着配置したＴＡＢテープ４６を用いて構成しているため、簡単に防振手段を形成することができるものである。

また、配線パターン４２は載置部４０の中心に対して点対称な形状や、中心を通る中心線に対して線対称な形状とすれば、外乱振動の特定方向に対する吸収率が劣化することもない。この対称な形状は、配線パターン４２の少なくとも載置部４０と外方部４４との間に対応する部分が対称であれば、効果を有するものである。

なお、上記本発明の実施の形態１においては、角速度検出素子３２の振動子は音叉型の形状としているが、振動型の振動子であれば、それ以外の形状のものでも良いものである。

また、上記本発明の実施の形態１における慣性力センサにおいては、パッケージ３８の内底面に加速度検出手段３３を設けた構成としているが、図６に示すように、防振手段における載置部４０の下面に加速度検出手段５５を設けても良いもので、このような構成にした場合は、防振手段における載置部４０の上面側に設けた角速度検出素子３２とＩＣ３４との質量合計を、載置部４０の下面に設けた加速度検出手段５５の質量と略同一とすることにより、角速度検出素子３２、ＩＣ３４、載置部４０および加速度検出手段５５を合わせた重心のずれに起因して角速度検出素子３２に測定する角速度以外の角速度が発生したり、また加速度検出手段５５に測定する加速度以外の加速度が発生したりすることはなくなるため、角速度および加速度の検出信号の精度が向上するという効果が得られるものである。

（実施の形態２）
以下、実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項１および請求項２に記載の発明について説明する。

図７は本発明の実施の形態２における慣性力センサの一つである角速度センサの側断面図である。

図７において、６１は角速度検出素子である。６２は防振手段で、この防振手段６２は、載置部６３と、この載置部６３に配線パターン６４により接続された外方部６５とにより構成されており、そして前記載置部６３の上面に前記角速度検出素子６１を中空保持するように設けている。６６は加速度センサからなる加速度検出手段で、この加速度検出手段６６は前記防振手段６２における外方部６５の下面に設けている。６７はＩＣで、このＩＣ６７は前記角速度検出素子６１および加速度検出手段６６からの出力信号を処理している。６８はパッケージで、このパッケージ６８は、段差部６９を設けており、この段差部６９に前記防振手段６２における外方部６５を固着している。また、前記パッケージ６８の内底面にはＩＣ６７を設けている。７０は蓋で、この蓋７０は前記パッケージ６８を閉塞するものである。

そして、前記防振手段６２における載置部６３を中空保持しつつ、配線パターン６４を介して接続した外方部６５によりパッケージ６８に取り付けているため、配線パターン６４が防振機能の役割を果たすことになり、そしてこの配線パターン６４によって外乱振動を吸収することができるという効果が得られるものである。

なお、上記本発明の実施の形態２における慣性力センサにおいては、防振手段６２における外方部６５の下面に加速度検出手段６６を設けた構成としているが、図８に示すように、パッケージ６８の内底面に加速度検出手段７１を設けた場合でも、上記と同様の効果が得られるものである。

本発明に係る慣性力センサは、外乱振動を抑制しつつ小型化が図れるという効果を有するものであり、特に各種電子機器に適用して有用となるものである。

３２，６１ 角速度検出素子
３３，５５，６６，７１ 加速度検出手段
３４，６７ ＩＣ
３６ コンデンサ
３８，６８ パッケージ
４０，６３ 載置部
４２，６４ 配線パターン
４４，６５ 外方部
４６ ＴＡＢテープ
４７ 段差部
４８ 素子用電極パッド
５０ ＩＣ用電極パッド
５２ 接続用電極パッド
５４ ボンディングワイヤー
６２ 防振手段

Claims (2)

1. 角速度検出素子と、この角速度検出素子を上面に中空保持する載置部とこの載置部に配線パターンを介して接続された外方部とからなるとともに、配線パターンを絶縁フィルムに接着配置して形成された防振手段と、前記角速度検出素子からの出力信号を処理するＩＣと、前記角速度検出素子、防振手段およびＩＣを収納するパッケージとを備え、前記防振手段における載置部の下面に加速度検出手段を設けた慣性力センサ。
2. 角速度検出素子と、この角速度検出素子を上面に中空保持する載置部とこの載置部に配線パターンを介して接続された外方部とからなるともに、配線パターンを絶縁フィルムに接着配置して形成された防振手段と、前記角速度検出素子からの出力信号を処理するＩＣと、前記角速度検出素子、防振手段およびＩＣを収納するパッケージとを備え、前記防振手段の下面に加速度検出手段を設けた慣性力センサ。

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