JP7191118B2 - 多軸角速度センサ - Google Patents
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Description
図1は、多軸角速度センサ1(以下、単に「センサ1」ということがある。)の構成を示す分解斜視図である。図2は、図1のII-II線における断面図である。ただし、図2は、図解を容易にするために、同一平面に位置していない断面も示している。
パッケージ本体3は、絶縁基体13と、絶縁基体13の表面および/または内部に位置している種々の導体とを有している。種々の導体は、例えば、センサ素子5を実装するための複数の1対の素子パッド15、IC7を実装するための複数のICパッド17(図2)、およびセンサ1を不図示の回路基板に実装するための複数の外部端子19(図2)、これらを互いに接続している複数の配線導体(ここでは不図示)である。
絶縁基体13は、図2に特に示すように、基板部21と、基板部21の上面21aに位置している第1枠部23と、基板部21の下面21bに位置している第2枠部25とを有している。基板部21の上面21aと第1枠部23の内周面によって第1凹部27が形成されている。基板部21の下面と第2枠部25との内周面によって第2凹部29が形成されている。第1凹部27は蓋体9によって気密封止されている。
複数の素子パッド15は、基板部21の上面21aに位置している導体層によって構成されている。導体層の材料および厚さは適宜に設定されてよい。素子パッド15の数および上面21aにおける位置は、センサ素子5の構成および配置等に応じて適宜に設定されてよい。素子パッド15の平面形状は適宜な形状とされてよく、例えば、矩形状である。素子パッド15は、基本的に、上面21aのうち第1枠部23によって囲まれている領域に位置している。ただし、一部が第1枠部23に重なっていても構わない。
ICパッド17は、基板部21の下面21bに位置している導体層によって構成されている。導体層の材料および厚さは適宜に設定されてよい。ICパッド17の数および下面21bにおける位置は、IC7の構成および配置等に応じて適宜に設定されてよい。ICパッド17の平面形状は適宜な形状とされてよく、例えば、矩形状である。
外部端子19は、第2枠部25の下面に位置している導体層によって構成されている。導体層の材料および厚さは適宜に設定されてよい。複数の外部端子19の数は、IC7の構成等に応じて適宜に設定されてよい。複数の外部端子19の第2枠部25の下面における位置は、適宜に設定されてよい。例えば、複数の外部端子19は、第2枠部25の下面の縁部に沿って適宜な間隔で配列されていてよい。外部端子19の平面形状は、適宜な形状とされてよい。
蓋体9は、例えば、金属からなる。金属の種類は、適宜なものとされてよく、例えば、鉄、ニッケルまたはコバルトの少なくともいずれかを含む合金が用いられてよい。蓋体9の外周部は、その全周に亘って第1枠部23の上面と接合されている。これにより、第1凹部27は密閉されている。第1凹部27は、気体が封入されていてもよいし、真空状態とされていてもよい。気体は、例えば、窒素等の不活性ガスとされてよい。真空は、現実には、大気圧よりも減圧された状態である。
IC7は、例えば、概略直方体状に形成されており、第2凹部29に収容され、基板部21の下面21bに対向配置される。IC7は、下面21bに対向する面に複数のIC端子33を有している。IC端子33は、ICパッド17と導電性の接合材35を介して接合されている。これにより、IC7は、パッケージ本体3に実装されている。IC端子33の数および配置は適宜に設定されてよい。接合材35は、例えば、半田または導電性接着剤によって構成されている。半田は、鉛フリー半田であってもよい。導電性接合材は、例えば、金属からなるフィラーを含んだ熱硬化性樹脂によって構成されている。
センサ素子5は、第1凹部27に収容され、基板部21の上面21aに対向配置される。センサ素子5は、上面21aに対向する面に複数の素子端子39(図2)を有している。素子端子39は、素子パッド15と導電性の接合材41を介して接合されている。これにより、センサ素子5は、パッケージ本体3に実装されている。接合材41は、例えば、半田または導電性接着剤によって構成されている。半田および導電性接合材については、接合材35の説明で述べたとおりである。
互いに異なる3軸の角速度を検出する3つのセンサ素子5は、例えば、互いに構成が異なる3種類の素子によって構成することができる。また、互いに同一の種類の2つのセンサ素子を互いに向きを異ならせれば、この2つのセンサ素子によって2軸の角速度を検出することができる。従って、3つのセンサ素子5は、1種類の2つのセンサ素子と、他の1種類の1つのセンサ素子とによって構成することもできる。以下では、まず、3種類のセンサ素子について説明し、その後、その組み合わせ方について説明する。
図3は、y軸回りの回転を検出するセンサ素子5の一例であるy軸素子5Yの要部構成を示す斜視図である。図4は、y軸素子5Yの要部構成を示す平面図(底面図)である。上記のように、センサ素子5は、+z方向が+D3方向に一致するように実装されるから、図4は、センサ素子5の下面(基板部21の上面21aに対向する面)を示している。
圧電体51は、その全体が一体的に形成されている。圧電体51は、単結晶であってもよいし、多結晶であってもよい。また、圧電体51の材料は適宜に選択されてよく、例えば、水晶(SiO2)、LiTaO3、LiNbO3、PZTである。
基部61は、例えば、概略、一定の幅でx方向に直線状に延びる直方体状に形成されている。
支持部67は、例えば、基部61から延びている保持部69と、保持部69の基部61とは反対側の端部に接続されている枠部71とを有している。枠部71が基板部21の上面21aに固定されることにより、基部61は、枠部71および保持部69を介して基板部21に支持される。基部61は、その両端が枠部71に支持されるのではなく、保持部69を介して枠部71に支持されていることから、例えば、枠部71と基板部21との熱膨張差等によって枠部71に応力が生じても、当該応力は、基部61に伝わりにくい。
素子端子39の数は、y軸素子5Yの構成に応じて適宜に設定されよい。本実施形態では、複数の励振電極53に接続されている2つの素子端子39と、検出電極55に接続されている2つの素子端子39と、基準電位パターン57に接続されている2つの素子端子39との合計で6つの素子端子39が設けられている場合を例示している。
図5(a)は、図4のVa-Va線における断面図である。x軸の方向から理解されるように、図4と図5(a)とでは、x軸の正負と紙面左右方向との関係が逆である。
図5(b)は、図4のVb-Vb線における断面図である。x軸の方向から理解されるように、図4と図5(b)とでは、x軸の正負と紙面左右方向との関係が逆である。
基準電位パターン57は、例えば、主として、圧電体51のうち、駆動腕63および検出腕65以外の部分(基部61および/または支持部67)に位置している。そして、基準電位パターン57は、例えば、励振電極53に接続されている配線59と、検出電極55に接続されている配線59との間など、電位が互いに異なる配線間に位置している。これにより、配線同士のアイソレーションが向上する。基準電位パターン57の具体的な形状は、例えば、配線状とされてよい。基準電位パターン(基準電位配線)に関して、特開2015-141183号公報の内容は、参照による援用(Incorporation by Reference)がなされてよい。
複数の配線59は、上述したように励振電極53および検出電極55を接続している。また、複数の配線59は、電位の観点から2組に分けられた励振電極53と、電位の観点から2組に分けられた検出電極55との合計4組の電極と、4つの素子端子39(図4)とをそれぞれ接続している。基準電位パターン57は、配線状部分を有しており、残りの2つの素子端子39に接続されている。基準電位パターン57の一部は配線59と捉えられても構わない。
図5(a)および図5(b)に示すように、励振電極53には、2つの素子端子39を介して、励振電極53に電圧を印加する(駆動信号を入力する)駆動回路103Yが接続される。また、検出電極55には、他の2つの素子端子39を介して、検出電極55からの電気信号(検出信号)を検出する検出回路105Yが接続される。駆動回路103Yおよび検出回路105Yは、本実施形態では、IC7内に構成されている。特に図示しないが、基準電位パターン57には、残りの2つの素子端子39を介してIC7から基準電位が付与される。
上述のように、第1駆動腕63Aおよび第2駆動腕63Bのグループと、第3駆動腕63Cおよび第4駆動腕63Dのグループとは、励振方向(x方向)において互いに逆側へ変形するように互いに逆の位相(180°ずれた位相)で励振される。
図6は、x軸回りの回転を検出するセンサ素子5の一例であるx軸素子5Xの要部構成を示す平面図である。ただし、この図では、x軸素子5Xの表面に設けられる導電層の図示は基本的に省略されている。
x軸素子5Xの圧電体151の材料、および圧電体151における分極軸と直交座標系xyzとの相対関係については、y軸素子5Yの圧電体51の説明を援用してよい。ただし、同一のパッケージ本体3に共に実装されるy軸素子5Yとx軸素子5Xとで、圧電体の材料および分極軸の方向等が同一である必要は無い。また、圧電体151は、圧電体51と同様に、全体として厚さ(z軸方向)が一定にされてよい。
図7は、図6のVII-VII線における断面図である。この図では、ユニット152Aの断面図を示しているが、ユニット152Bの断面図も同様である。
各ユニット152において、複数の駆動腕163の励振は、y軸素子5Yの複数の駆動腕63と同様である。すなわち、検出腕165を挟んで両側の駆動腕163は、励振電極53に交流電圧が印加されることによってx軸方向において互いに逆向きに変形するように互いに逆の位相で励振される。
図6は、括弧内に5Zの符号を付すように、z軸回りの回転を検出するセンサ素子5の一例であるz軸素子5Zを示す平面図と捉えられてもよい。
z軸素子5Zの励振状態は、x軸素子5Xの励振状態と同様である。この励振状態でz軸素子5Zがz軸回りに回転されると、検出腕165は、y軸方向に振動(変位)していることから、x方向において振動する。この変形によって生じる信号(例えば電圧)は、検出電極255によって取り出される。また、2つの検出腕165は、y軸方向において互いに逆側に変位する位相で振動しているから、x軸方向において互いに逆側へ曲がるように振動する。そして、2つの検出腕165間においては、第1検出電極255Aと第2検出電極255Bとが接続されているから、2つの検出腕165において生じた信号は加算される。
各センサ素子5の各種の寸法は、各センサ素子5に設定される周波数等に応じて適宜に設定されてよい。ただし、各センサ素子5の全体の大きさは、3つのセンサ素子5同士で大きく乖離しないように設定される。
センサ1において、3つのセンサ素子5は、互いに分離されていてもよいし、2つ以上が結合(一体化)されていてもよい。
図10は、実施形態に係る3つのセンサ素子5の種類および配置の組み合わせの例の一覧を示す図である。
既に述べたように、センサ素子5は、直交座標系xyzのz軸がD3軸に一致するように基板部21に実装される。そして、いずれの態様においても、D3軸回りの角速度の検出は、z軸素子5Zが設けられることによって実現される。
図示された9つの態様は、3つのセンサ素子5の配置の観点からは、「XYZ」の列に示された3つの態様と、他の列に示された6つの態様とに分類することができる。以下では、便宜上、長辺71a同士が互いに平行になるように配置されている2以上のセンサ素子5について、単に、互いに平行なセンサ素子5等と表現することがある。また、長辺71a同士が直交するように配置されている2以上のセンサ素子について、単に互いに直交するセンサ素子5等と表現することがある。
「1」の行に示す1つの態様では、3つのセンサ素子5が一体化されている。別の観点では、一体化された2以上のセンサ素子5を1つの素子としてみなすならば、基板部21には、1つの素子のみが実装されている。
「XYZ」の列に示す態様においては、例えば、D2方向に見て、3つのセンサ素子5のうち最も長辺71aが長いものの配置範囲(D1方向)に他の2つのセンサ素子5の配置範囲(D1方向)の全部が収まる(一致する場合を含む)ように3つのセンサ素子5が配置される。最も長い長辺71aの長さは、例えば、既述のように、最も短い長辺71aの長さに対して、1.5倍以下または1.1倍以下とされてよい。また、最も短い長辺71aと、パッケージ11の第1枠部23の内縁の長辺間の距離(D1方向)とを比較したとき、例えば、後者は、前者に対して、1.6倍以下または1.2倍以下とされてよい。
図11および図12を参照して、基板部21における導体(素子パッド15等)の配置の一例について説明する。ここでは、3つのセンサ素子5の配置の態様が「X/XZ」、「Y/YZ」および「Z/XY」の列に示された6つの態様のいずれかである場合を例に取る。
Claims (8)
- 基板部を有しており、前記基板部が、互いに直交する第1軸、第2軸および第3軸のうちの前記第3軸に直交する第1面を有しており、当該第1面の外縁が、前記第2軸に平行な1対の長辺と、前記第1軸に平行な1対の短辺とを有しているパッケージと、
前記第1面に実装されている、前記第1軸回りの角速度を検出する第1軸素子と、
前記第1面に実装されている、前記第2軸回りの角速度を検出する第2軸素子と、
前記第1面に実装されている、前記第3軸回りの角速度を検出する第3軸素子と、
を有しており、
前記第1軸素子、前記第2軸素子および前記第3軸素子それぞれは、
前記第1面の平面視で所定の延在方向に延びている複数の腕を有しており、前記延在方向を長手方向としている圧電体と、
前記複数の腕の一部に位置している励振電極と、
前記複数の腕の他の一部に位置している検出電極と、を有しており、
前記第1軸素子、前記第2軸素子および前記第3軸素子のうち2つの素子は、前記延在方向が前記長辺に平行になる向きで、前記短辺に沿う方向に並んでおり、残りの1つの素子は、前記延在方向が前記短辺に平行になる向きで、前記2つの素子に対して前記長辺に沿う方向に並んでおり、
前記パッケージは、前記第1軸素子、前記第2軸素子および前記第3軸素子のそれぞれに対して、
前記複数の励振電極と電気的に接続されている1対の駆動パッドと、
前記複数の検出電極と電気的に接続されている1対の検出パッドと、を前記第1面に有しており、
前記短辺に沿う方向に並んでいる前記2つの素子のうち、一方の前記長辺側に位置している素子に関して、前記1対の検出パッドは、少なくとも1つの前記駆動パッドよりも前記一方の長辺側に位置して前記一方の長辺に沿って配列されており、
前記短辺に沿う方向に並んでいる前記2つの素子のうち、他方の前記長辺側に位置している素子に関して、前記1対の検出パッドは、少なくとも1つの前記駆動パッドよりも前記他方の長辺側に位置して前記他方の長辺に沿って配列されており、
前記2つの素子に対して一方の前記短辺側に位置している前記残りの1つの素子に関して、前記1対の検出パッドは、少なくとも1つの前記駆動パッドよりも前記一方の短辺側に位置して前記一方の短辺に沿って配列されている
多軸角速度センサ - 前記第1軸素子、前記第2軸素子および前記第3軸素子のそれぞれにおいて、
前記圧電体は、前記第1面の平面視において前記複数の腕を囲んでいる枠部を有しており、
前記枠部は、前記延在方向を長手方向とする長方形状である
請求項1に記載の多軸角速度センサ。 - 前記2つの素子の一方および前記残りの1つの素子は、いずれも前記延在方向に平行な軸の回りの角速度を検出するもの、またはいずれも前記延在方向に直交する軸の回りの角速度を検出するものである
請求項1又は2に記載の多軸角速度センサ。 - 前記第1軸素子、前記第2軸素子および前記第3軸素子の圧電体は、互いに分離している
請求項1~3のいずれか1項に記載の多軸角速度センサ。 - 前記第1軸素子、前記第2軸素子および前記第3軸素子のうち前記延在方向が互いに平行な2つの素子の圧電体は一体的である
請求項1~3のいずれか1項に記載の多軸角速度センサ。 - 前記パッケージは、前記基板部の内部に前記第1面に平行な導体層を有しており、
前記導体層は、前記第1軸素子、前記第2軸素子および前記第3軸素子のそれぞれに対して、
前記1対の駆動パッドに電気的に接続されている1対の駆動配線と、
前記1対の検出パッドに電気的に接続されている1対の検出配線と、を有しており、
前記導体層は、前記第1軸素子、前記第2軸素子および前記第3軸素子のそれぞれの、前記1対の駆動配線のうちの前記少なくとも1つの駆動パッドに接続されている前記駆動配線と、前記1対の検出配線との間に位置している基準電位パターンを更に有している
請求項1~5のいずれか1項に記載の多軸角速度センサ。 - 前記1対の検出配線は、前記1対の検出パッドの直下の位置にて前記1対の検出パッドに電気的に接続されており、前記直下の位置から前記基板部の外縁に向かって延びている
請求項6に記載の多軸角速度センサ。 - 前記第1面の背面である第2面に実装されており、前記第1軸素子、前記第2軸素子および前記第3軸素子と電気的に接続されている集積回路素子を更に有している
請求項1~7のいずれか1項に記載の多軸角速度センサ。
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