KR20070027450A - 각속도 센서 - Google Patents

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KR20070027450A
KR20070027450A KR1020060084909A KR20060084909A KR20070027450A KR 20070027450 A KR20070027450 A KR 20070027450A KR 1020060084909 A KR1020060084909 A KR 1020060084909A KR 20060084909 A KR20060084909 A KR 20060084909A KR 20070027450 A KR20070027450 A KR 20070027450A
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tuning fork
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가즈히로 오오따
도시노부 호소까와
히로시 다나까
마사노리 야찌
쯔또무 미야시따
히로시 이시까와
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후지쓰 메디아 데바이스 가부시키가이샤
후지쯔 가부시끼가이샤
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Abstract

본 발명의 과제는 소형이면서 진동 누설의 영향을 가급적으로 저감시킬 수 있고, 높은 검출 정밀도를 얻을 수 있는 각속도 센서를 제공하는 것이다.
각속도를 검출하는 음차형 진동자(10)와, 음차형 진동자(10)를 실장하는 패키지(30)를 갖고, 음차형 진동자(10)의 폭 방향이 패키지(30)의 긴 변 방향이 되도록 음차형 진동자(10)를 패키지(30)에 배치하고 있다. 따라서, 음차형 진동자(10)를 패키지(30)에 보유 지지하였을 때의 관성을 크게 할 수 있어, 음차형 진동자(10)의 진동을 외부로 누설하기 어렵게 할 수 있다.
각속도 센서, 음차형 진동자, 패키지, 베이스, 아암

Description

각속도 센서 {ANGULAR VELOCITY SENSOR}
도1은 종래의 각속도 센서를 도시하는 도면.
도2는 본 발명의 각속도 센서의 구성을 도시하는 도면.
도3은 지지 프레임의 구성을 도시하는 도면으로, 도3a는 전개도, 도3b는 상면도, 도3c는 정면도, 도3d는 음차형 진동자를 지지하여 패키지에 탑재한 모습을 도시하는 도면.
도4는 패키지 폭과, 음차형 진동자의 진동 누설과의 관계를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면.
도5는 패키지의 구성을 도시하는 사시도.
도6a는 음차형 진동자를 패키지에 θ1 경사지게 하여 탑재한 모습을 도시하고, 도6b는 음차형 진동자를 패키지에 θ2 경사지게 하여 탑재한 모습을 도시하는 도면.
도7a 및 도 7b는 음차형 진동자의 전극 패턴을 나타내는 도면.
도8은 음차형 진동자를 탑재한 패키지를 캡으로 밀봉한 상태를 도시하는 도면.
도9는 음차형 진동자를 탑재한 패키지의 기판으로의 탑재예를 나타내는 도면.
도10a 내지 도10c는 음차형 진동자를 탑재한 패키지의 기판으로의 탑재예를 나타내는 도면.
도11은 음차형 진동자를 탑재한 패키지의 기판으로의 탑재예를 나타내는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 음차형 진동자
11, 12 : 아암
13 : 베이스
20 : 지지 프레임
21 : 평탄부
22 : 아암부
33 : 다리부
24 : 절첩부
30 : 패키지
31 : 패드
32 : 뱅크
33 : 전자 부품
34 : 접속 전극
35, 36 : 와이어
50 : 회로 기판
51 : 지지 기판
52 : 회로 부품
60 : 캡
61 : 추
70 : 기판
71 : 외부 단자
72 : 리드
100 : 각속도 센서
[문헌 1] 일본 특허 공개 평11-230758호 공보
본 발명은 각속도 센서에 관한 것으로, 보다 상세에는 음차형 진동자를 이용한 각속도 센서에 관한 것이다.
각속도 센서는 회전 시의 각속도를 검지하는 센서이고, 카메라의 손 떨림 방지나 카 내비게이션 등의 시스템, 자동차나 로봇의 자세 제어 시스템 등에 이용되고 있다.
이 각속도 센서의 각속도를 검출하는 소자로서, 형상이 간소하고 제조가 용이한 것 등의 이유로부터 음차형 진동자를 이용한 것이 알려져 있다. 음차형 진동 자는, 예를 들어 특허문헌 1과 같이 한 쌍의 아암(2)과 이를 일단부측에서 연결하는 베이스(3)를 갖는 구성의 음차형 진동자(1)를 소자로서 이용하여, 상기 아암(2)의 일단부를 자유 단부로 하는 동시에 베이스(3)의 하방을 고정 단부로 하여 패키지(4)에 설치된 전극 패드(5)에 도전 접합재에 의해 전기적, 기계적으로 접속하고 있다(도1 참조).
[특허문헌 1] 일본 특허 공개 평11-230758호 공보
음차형 진동자는 어떠한 부재를 거쳐서 패키지에 설치되거나, 패키지에 직접 설치되게 되지만, 진동자의 진동이 패키지로 전달되어, 소위 외부로의 진동 누설이 생길 우려가 있다. 특히, 패키지 재료에 세라믹 등의 경량의 것을 사용하면, 진동 누설에 의해 음차형 진동자의 특성이 안정되지 않는다는 문제가 생긴다. 즉, 각속도의 검출치에 오차가 생긴다. 특허문헌 1에도 진동 누설에 대해서는 전혀 고려하고 있지 않다.
본 발명은 상기 사정에 비추어 이루어진 것으로, 소형이면서 진동 누설의 영향을 가급적으로 저감시킬 수 있고, 높은 검출 정밀도를 얻을 수 있는 각속도 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 각속도 센서는 각속도를 검출하는 진동자와, 상기 진동자를 실장하는 패키지를 갖고, 상기 진동자의 폭 방향이 상기 패키지의 긴 변 방향이 되도록 상기 진동자를 상기 패키지에 배치한 구성을 구비하 고 있다. 따라서, 진동자를 패키지에 보유 지지하였을 때의 관성을 크게 할 수 있어, 진동자의 진동을 외부로 누설하기 어렵게 할 수 있다.
상기 각속도 센서에 있어서, 상기 패키지 내에서 상기 진동자가 수직 방향에 대해 소정 각도 경사지도록 상기 진동자를 상기 패키지에 설치하면 된다. 따라서, 각속도 센서를 경사지게 하여 설치할 때에 진동자를 경사지도록 하였으므로, 각속도 센서 자체의 높이가 높아지지 않아, 장치를 소형화할 수 있다.
상기 각속도 센서에 있어서, 상기 패키지는 상기 진동자가 상기 패키지 내에서 상기 소정 각도 경사지도록 위치 결정하는 위치 결정 부재를 구비하고 있으면 된다. 또한, 이 위치 결정 부재는 상기 진동자를 상기 패키지 내에서 복수의 경사 각도로 설정하면 된다.
상기 각속도 센서에 있어서, 중앙 부분의 두께가 두껍게 형성된, 상기 진동자를 상기 패키지 내에 밀봉하는 덮개 부재를 갖고 있어도 좋고, 상기 패키지의 주변부에 추를 접착해도 좋다. 이와 같은 구성이라도 진동자를 패키지에 보유 지지하였을 때의 관성을 크게 할 수 있어, 진동자의 진동을 외부로 누설하기 어렵게 할 수 있다.
상기 각속도 센서에 있어서, 상기 패키지를 지지하는 회로 기판과, 상기 각속도 센서의 실장면에 대해 상기 회로 기판을 수직으로 지지하는 지지 기판을 갖고 있으면 된다. 또한, 상기 회로 기판 상에 실장된 칩 부품을 갖고, 상기 패키지는 상기 칩 부품을 덮도록 상기 회로 기판에 설치되어 있어도 좋다. 또한, 상기 각속도 센서는 상기 회로 기판 상에 실장된 칩 부품을 갖고, 상기 패키지는 상기 칩 부 품을 설치한 상기 회로 기판의 면과는 반대측의 면에 설치되어 있어도 좋다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 최량의 실시예를 상세하게 설명한다.
(제1 실시예)
도2에 각속도 센서의 실시예의 구성을 도시한다. 도2에 도시하는 각속도 센서(100)는 음차형 진동자(10)와, 진동자를 지지하는 지지 프레임(20)과, 세라믹스로 형성된 패키지(30)를 갖고 있다.
음차형 진동자(10)는, 도2에 도시한 바와 같이 베이스(13)와, 베이스(13)로부터 동일 방향으로 연신되는, 이격 배치된 2개의 아암(11, 12)을 갖고 있다.
지지 프레임(20)은, 도2에 도시한 바와 같이 음차형 진동자(10)의 베이스(13)를 지지하여, 음차형 진동자(10)를 패키지(30)에 고정한다. 지지 프레임(20)의 전개도를 도3a에 도시하고, 상면도를 도3b에 도시하고, 정면도를 도3c에 도시하고, 지지 프레임(20)에 의해 음차형 진동자(10)를 지지하여 패키지(30)에 탑재한 모습을 도3d에 도시한다.
지지 프레임(20)은, 도3a에 도시한 바와 같이 음차형 진동자(10)의 적재면이 되는 평탄부(21)와, 음차형 진동자(10)를 적재한 평탄부(21)를 지지하는 아암부(22)와, 평탄부(21) 및 아암부(22)를 패키지(30)에 안정적으로 고정하는 다리부(23)를 갖고 있다.
평탄부(21)와 베이스(13)는, 예를 들어 에폭시계 수지의 접착제로 고정된다. 이 고정은 높은 생산성을 갖고 행할 수 있다. 아암부(22)는, 도3c에 도시한 바와 같이 아치형으로 절곡되어 있다. 아암부(22)가 휨으로써 음차형 진동자(10)를 탄성적으로 보유 지지하고 있다. 또한, 다리부(23)는 음차형 진동자를 안정적으로 지지할 수 있도록 패키지(30)와 접하는 접촉면의 면적을 크게 취하고 있다.
또한, 지지 프레임(20)에는 음차형 진동자(10)의 베이스(13)를 지지하는 평탄면(21)에 L자형의 절첩부(24)를 설치하고 있다. L자형의 절첩부(24)를 설치함으로써 베이스(13)를 지시하는 지지 프레임(20)의 지지 면적이 증가하여 접착 강도가 향상된다. 도3d는 도2에 도시하는 AA'선으로 절단한 단면의 형상을 도시하고, 지지 프레임(20)에 의해 음차형 진동자(10)가 지지된 상태를 도시하고 있다.
패키지(30)는 세라믹으로 형성되어 있다. 패키지(30) 내에는, 도2에 도시한 바와 같이 음차형 진동자(10)와의 전기적인 접속을 취하기 위한 패드(31)를 상면에 설치한 뱅크(위치 결정 부재)(32)와, 전자 부품(IC 칩)(33)의 탑재 영역이 마련되어 있다.
본 실시예에서는, 음차형 진동자(10)의 폭 방향(짧은 방향)이 패키지의 긴 변 방향이 되도록 음차형 진동자(10)를 패키지(30)에 배치하고 있다. 즉, 도2에 도시하는 패키지(30)의 폭을 W, 길이를 L이라 하면, 음차형 진동자(10)의 긴 방향에 평행하는 패키지의 길이(L)보다도, 폭 방향의 폭(W)의 쪽이 커지도록 패키지(30)를 설치하고 있다. 이와 같이, 패키지(30)의 폭을 넓힘으로써 음차형 진동자(10)를 패키지(30)로 보유 지지하였을 때에 관성을 크게 할 수 있고, 음차형 진동자(10)의 진동을 외부로 누설하기 어렵게 할 수 있다.
도4에는, 패키지의 폭 방향의 폭과, 음차형 진동자(10)의 진동 누설과의 관 계를 나타내는 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 그래프의 종축은 패키지(30)로 음차형 진동자(10)를 보유 지지하였을 때와 보유 지지하고 있지 않을 때의 음차형 진동자(10)의 공진 주파수의 차(Δfy)[㎐]를 나타내고 있다. 패키지의 길이(L)를 5 [㎜]로 고정하여 패키지의 폭을 변경해 갔을 때의 공진 주파수의 차를 플롯하고 있다. 도4로부터 알 수 있는 바와 같이, 패키지 폭(W)을 패키지 길이(L)보다도 크게 해 감에 따라서, 공진 주파수의 차(Δfy)도 작아지는 것을 알 수 있다. 이 공진 주파수의 차(Δfy)가 작을수록 진동 누설이 작다.
다음에, 음차형 진동자(10)의 패키지(30) 내에서의 배치에 대해 설명한다.
각속도 센서(100)를 카 내비게이션 장치에 탑재하여 차에 설치하는 경우, 예를 들어 차 데쉬 보드가 경사져 있으면 각속도 센서(100)의 검출축이 경사져, 각속도 검출 오차가 커진다. 그래서, 음차형 진동자(10)를 패키지(30)에 미리 결정된 소정 각도만큼 경사지게 한 상태에서 간단하게 설치되도록 함으로써, 각속도를 정밀도 좋게 검출할 수 있다.
본 실시예에서는 패키지(30) 내의 뱅크(32)에 의해 음차형 진동자(10)의 위치 결정을 행한다. 뱅크(32)는, 도2에 도시한 바와 같이 음차형 진동자(10)의 좌우 양측에 설치되어 있지만, 좌측과 우측의 뱅크(32)에서, 도5에 도시한 바와 같이 음차형 진동자(10)와 마주 보는 면의 각도가 다르도록 설치되어 있다. 즉, 도6에 도시한 바와 같이 패키지(30)의 짧은 변 방향에 대한 면의 경사가 좌우 뱅크(32)에서 다르다. 이 뱅크(32)를 이용하여 음차형 진동자(10)를 패키지에 위치 결정한다. 예를 들어, 도6a에 도시한 바와 같이 우측의 뱅크(32)의 면에 평행하도록 지 지 프레임(20)을 위치 맞춤함으로써, 음차형 진동자(10)가 패키지의 짧은 변 방향에 대해 θ1만큼 경사진다. 또한, 도6b에 도시한 바와 같이 좌측 뱅크(32)의 면에 평행하도록 지지 프레임(20)을 위치 맞춤함으로써, 음차형 진동자(10)가 패키지(30)의 짧은 변 방향에 대해 θ2만큼 경사진다. 이와 같이 하여, 간단하게 음차형 진동자(10)를 소정 각도만큼 경사지게 하여 패키지(30)에 탑재할 수 있다. 또한, 음차형 진동자(10)를 경사지게 할 때에 패키지(30)를 경사지게 하는 것은 아니고, 음차형 진동자(10) 자체를 경사지게 하므로, 각속도 센서(100) 자체의 높이가 높아지지 않아, 장치를 소형화할 수 있다. 또한, 본 실시예는 패키지(30)의 폭(W)을 긴 방향보다도 길게 하고 있으므로, 패키지(30) 내에서 음차형 진동자(10)를 회전시킬 수 있다.
여기서, 음차형 진동자(10)와 패키지(30)의 전기적인 접속에 대해 상세하게 설명한다. 음차형 진동자(10)에는, 도7에 도시하는 전극이 형성되어 있다. 도7a는 음차형 진동자(10)의 표면측을 도시하고, 도7b는 이면측을 도시한다. 아암(11)에는 검출 전극(11a, 11b, 11c)이 설치되어 있다. 검출 전극(11a와 11b)은 전극(11d)으로 접속되어 있다. 검출 전극(11a)에는 인출 전극(11f)이 설치되어 있다. 전극(11c)은 인출 전극(11e)에 접속되어 있다. 마찬가지로, 아암(12)에는 검출 전극(12a, 12b, 12c)이 설치되어 있다. 검출 전극(12a와 12b)은 전극(12d)으로 접속되어 있다. 검출 전극(12a)에는 인출 전극(12f)이 설치되어 있다. 검출 전극(12c)은 인출 전극(12e)에 접속되어 있다. 음차형 진동자(10)의 표면에는 구동 전극(14a)이 설치되어 인출 전극(14b)에 접속되어 있다. 마찬가지로, 이면에는 구 동 전극(15a)이 설치되어 인출 전극(15b)에 접속되어 있다.
도7에 도시하는 인출 전극은, 예를 들어, 도2에 도시한 바와 같이 와이어(36)를 이용하여 패키지(30)에 설치된 패드(31)에 본딩된다. 패드(31)는 뱅크(32) 상에 형성되어 있고, 패키지(30)에 설치된 배선에 접속되어 있다.
패키지(30) 상의 탑재 영역에는 전자 부품(예를 들어, IC 칩)(33)이 탑재되어 있다. 패키지(30) 상에는 전자 부품(33)과의 접속 전극(34)이 설치되고, 접속 전극(34)과 전자 부품(33)은 와이어(35)에 의해 접속된다. 또한, 도2에는 전자 부품(33)과 패키지(30)를 와이어 본딩으로 접속한 예를 나타냈지만, 플립 칩 본딩에 의해 이들의 전기적인 접속을 취해도 좋다.
또한, 패키지(30)의 표면측에는 금속제의 캡(덮개 부재)(60)을 설치하여 음차형 진동자(10)를 밀봉하고 있다. 캡(60)은, 도8에 도시한 바와 같이 2단계 구조로 되어 있다. 캡(60)을 패키지(30) 상에 적재하였을 때에 패키지(30)와 접촉하는 부분보다도 그 내측 부분의 두께가 두껍게 되어 있고, 패키지(30) 내에 인입하도록 되어 있다. 이와 같이, 캡(60)에 두께를 갖게 함으로써 캡(60)을 무겁게 하여 관성을 크게 할 수 있다. 또한, 캡(60)과 접촉하는 패키지(30)의 모서리 주위에도 코바르 등의 금속의 추(61)를 접착함으로써 패키지 자체의 무게를 무겁게 할 수 있다. 따라서, 패키지(30)의 무게를 무겁게 할 수 있고, 관성을 크게 하여 진동이 외부로 누설되기 어렵게 할 수 있다.
음차형 진동자(10)를 탑재한 패키지(30)는, 도9에 도시한 바와 같이 회로 기판(50)과 접착되고, 회로 기판(50)은 지지 기판(51)에 수직 설치한 상태로 지지된 다. 패키지(30)를 탑재한 회로 기판(50)의 반대측의 면에는 회로 부품(52)이 탑재된다. 한편, 패키지(30)의 회로 기판(50)으로의 탑재예는 도9에 나타내는 것뿐만 아니라, 도10a, 도10c에 나타내는 등의 다양한 예를 들 수 있다. 도10a, 도10b는 회로 기판(50) 자체가 패키지(30)의 덮개가 되도록 접착한 것이고, 도10a는 회로 기판(50)측에 전자 부품(33)으로서의 IC 칩을 탑재한 예를 나타내고, 도10b는 패키지(30)측에 IC 칩을 탑재한 예를 나타낸다. 또한, 도10c는 캡(60)을 설치하여 패키지(30)에 덮개를 덮고 있지만, IC 칩을 패키지(30) 내부가 아닌, 회로 기판(50)의 패키지(30)와는 반대측의 면에 설치하고 있다.
또한, 도11에 도시하는 구성은 회로 기판(50)에 탑재한 패키지(30)를 몰드 성형한 기판(70) 상에 배치하고 있다. 회로 기판(50)은 리드(72)에 의해 기판(70) 상에 지지되어 있다. 또한, 기판(70)에는 외부의 장치와 전기적인 접속을 취하기 위한 외부 단자(71)가 설치되어 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태를 설명하였다. 본 발명은 상기 실시 형태로 한정되는 것은 아니고, 이들 실시 형태를 변형한 구성이나 다른 실시 형태를 포함하는 것이다. 예를 들어, 음차형 진동자는 2개 내지 4개의 아암을 갖는 구성이라도 좋다.
본 발명은 전체가 소형이면서 진동 누설의 영향을 가급적으로 저감시킬 수 있어, 높은 검출 정밀도를 얻을 수 있다.

Claims (9)

  1. 각속도를 검출하는 진동자와,
    상기 진동자를 실장하는 패키지를 갖고,
    상기 진동자의 폭 방향이 상기 패키지의 긴 변 방향이 되도록 상기 진동자를 상기 패키지에 배치한 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 패키지 내에서 상기 진동자가 수직 방향에 대해 소정 각도 경사지도록 상기 진동자를 상기 패키지에 설치하는 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 패키지는 상기 진동자가 상기 패키지 내에서 상기 소정 각도 경사지도록 위치 결정하는 위치 결정 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  4. 제3항에 있어서, 상기 위치 결정 부재는 상기 진동자를 상기 패키지 내에서 복수의 경사 각도로 설정하는 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 중앙 부분의 두께가 두껍게 형성된, 상기 진동자를 상기 패키지 내에 밀봉하는 덮개 부재를 갖는 것을 특징으로 하 는 각속도 센서.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 패키지의 주변부에 추를 접착한 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각속도 센서는 상기 패키지를 지지하는 회로 기판과, 상기 각속도 센서의 실장면에 대해 상기 회로 기판을 수직으로 지지하는 지지 기판을 갖는 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  8. 제7항에 있어서, 상기 각속도 센서는 상기 회로 기판 상에 실장된 칩 부품을 갖고, 상기 패키지는 상기 칩 부품을 덮도록 상기 회로 기판에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
  9. 제7항에 있어서, 상기 각속도 센서는 상기 회로 기판 상에 실장된 칩 부품을 갖고, 상기 패키지는 상기 칩 부품을 설치한 상기 회로 기판의 면과는 반대측의 면에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 각속도 센서.
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