JP2007316090A - 慣性センサ - Google Patents

Abstract

【課題】検知素子の漏れ振動抑制効果および外部衝撃振動に対する耐衝撃性を確保した小型化可能な慣性センサを提供することを目的とする。
【解決手段】検知素子８の取付部７１にバネ部７２を介して対峙するとともに取付部７１に対し所定の段差７３を持つように配設した基板基部７４を有する可撓性樹脂基板７の固有周波数が、検知素子８の駆動方向の固有周波数と検知方向の固有周波数の周波数差より大きく、かつ、外部からの振動により検知素子８に励起される最低周波数より小さい範囲となるように構成したものである。
【選択図】図３

Description

本発明は、面実装型慣性センサに関するものである。

近年、車両の角速度などの慣性量を検知して自動車の安全制御やナビゲーションを行うシステムが普及してきている。

このようなシステムに用いられる慣性センサの角速度を検知する音叉型あるいは柱状型の振動子からなる検知素子は、例えば弾性を有する材料を介して支持されることにより振動の外部への漏れ出しを抑制している。

このような従来の検知素子を図８に示す。検知素子は円柱状の圧電セラミックス体１からなり、圧電セラミックス体１の一部に凹部１ａが２ヶ所に設けられている。凹部１ａにはリング状の支持具２が配されている。ここで、支持具２は弾性体からなるので、凹部１ａに嵌合させることができる。この支持具２をケース（図示せず）に固定することにより圧電セラミックス体１が支持されている。

このような構成により、圧電セラミックス体１の振動の外部への漏れ出しが支持具２で吸収されるため、漏れ振動が外部の構造（例えば基板、ケースの継ぎ目）などの機械的伝達関数に影響した結果生じる「はね返り」によるオフセットドリフトや伝達関数の温度変化による温度ドリフト、部材の劣化、変質にともなう経時変化を改善している。

さらに、自動車の走行に伴う慣性センサ外部からの衝撃振動が弾性材料により吸収され、耐衝撃性の確保も可能となる。

なお、本出願に関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。
実開平５−７３５１８号公報

しかしながら、慣性センサとして今後ますますの小型化に対するニーズを鑑みると、前記従来の構成では、検知素子を小型化しつつ漏れ振動抑制効果および耐衝撃性を確保することが難しくなる。

これは、両者が相反する性能（例えば漏れ振動抑制のために検知素子の支持部剛性を低くすると衝撃印加時における支持部の強度が低下してしまう）であり、これらの両立点を見出しながら支持部の小型化も図らなければならないためである。

具体的には、慣性センサをニーズの高い実装面積数ｍｍ角程度の面実装型にまで小型化するには、検知素子も数ｍｍ程度の大きさが要求される。このような超小型の検知素子に適用でき、漏れ振動抑制効果および耐衝撃性を確保した従来の構成のような弾性体の支持具を設計すること、および、それを用いて歩留まりよく慣性センサを製造することは現実的に極めて困難となる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、漏れ振動抑制効果および耐衝撃性を確保した小型化可能な慣性センサを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の慣性センサは、駆動振動し慣性量を検知する検知素子と、前記検知素子を支持する可撓性樹脂基板と、前記基板が内部に取り付けられた外容器とを備え、前記基板が可撓性樹脂基板であり、前記可撓性樹脂基板が前記外容器に片持ち梁状に固定されたものである。

本構成によって、検知素子が可撓性樹脂基板のバネ部により実質弾性的に支持されることになる。その結果、前記目的を達成することができる。

本発明の慣性センサによれば、検出素子の漏れ振動は支持部材である可撓性樹脂基板のバネ部の介在により減衰される結果、検知素子からの漏れ振動による影響を低減でき、また外部衝撃等が可撓性樹脂基板により減衰されるため、漏れ振動抑制効果および耐衝撃性を確保しつつ小型化することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における慣性センサの内部を示し、（ａ）は平面図を、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図をそれぞれ示す。図２は本発明の実施の形態１における慣性センサの可撓性樹脂基板の平面図である。図３は本発明の実施の形態１における慣性センサの検知素子を支持した可撓性樹脂基板を示し、（ａ）は上面図を、（ｂ）は側面図をそれぞれ示す。図４は本発明の実施の形態１における慣性センサの検知素子を示し、（ａ）は停止時の、（ｂ）は駆動時の、（ｃ）は検知時の斜視図をそれぞれ示す。図５は本発明の実施の形態１における慣性センサの外部衝撃振動印加時の断面図を示し、（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図を、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面図をそれぞれ示す。図６は本発明の実施の形態１における慣性センサに外部衝撃を与えた時の出力経時特性図を示し、（ａ）は外部衝撃波形図を、（ｂ）はバネ部を設けない場合のセンサ出力波形図を、（ｃ）はバネ部を設けた場合のセンサ出力波形図をそれぞれ示す。図７は本発明の実施の形態１における慣性センサの変形例を示す断面図である。

図１（ａ）において、外容器３はセラミックパッケージからなり、その内壁には互いに高さの異なる台３ａ、３ｂが設けられている。台３ａ、３ｂの上面にはそれぞれ外容器３に内蔵されるように一体形成した複数の配線導体３０の端子３ｃ、３ｄが形成されている。全ての端子３ｃは端子３ｄの一部と配線導体３０により１対１に電気的に接続されている。残りの端子３ｄは電源供給やセンサ出力、およびデジタルキャリブレーションに使用されるように外容器３の裏面に設けた外部端子（図示せず）に接続されている。

外容器３の底面には回路ＩＣ６がダイボンドにより固定されている。回路ＩＣ６には複数のパッド６ａが設けられている。パッド６ａと端子３ｄの間にはワイヤ６ｂがワイヤボンディングにより接続されている。これにより、回路ＩＣ６は配線導体３０と電気的に接続される。

回路ＩＣ６の上部には、回路ＩＣ６と接しないように、短冊状の可撓性樹脂基板７の一部に設けた取付部７１に検知素子８が支持されている。

取付部７１に対してはバネ部７２を介して対峙するとともに取付部７１と所定の段差７３を持つように配設した基板基部７４が配されている。段差７３は可撓性樹脂基板７をクランク状に折り曲げることで形成されている。

ここで、検知素子８は基板基部７４に対向するように取付部７１に支持されているので、取付部７１と重なる部分を除いて中空懸架されることになる。

また、可撓性樹脂基板７に設けた複数の配線パターン７ａの端子７ｂは基板基部７４のひとつの端部にのみ集めて配してある。

この端子７ｂは台３ａ上に設けた端子３ｃと導電性ペースト９で電気的かつ機械的に接続固定されている。これにより、可撓性樹脂基板７は片持ち梁状に固定されることになる。この際、図１（ｂ）に示すように台３ａと３ｂは前者の方が高くなるように形成されているため、可撓性樹脂基板７および検知素子８が回路ＩＣ６と互いに干渉することはない。

従って、検知素子８を駆動振動させても他の部材と衝突することなく慣性量を検知できる。

バネ部７２は可撓性樹脂基板７のうち基板基部７４および取付部７１、段差７３のいずれをも除いた一部分を切り欠くことにより形成した。バネ部７２は図１に示すようにつづら折れ状とした。

これにより、後述するように漏れ振動が抑制できるとともに外部からの衝撃を有効に吸収することができる。

外容器３の最上端である開口部３ｅには図示しない金属製の蓋が、開口部３ｅにロウ付けされたコバールリング（図示せず）を介してシーム溶接されている。これにより外容器３の内部は気密が保たれた状態で検知素子８と回路ＩＣ６を内蔵している。

ここで、検知素子８を実装した可撓性樹脂基板７について詳細を説明する。

可撓性樹脂基板７はポリイミドを図２に示すような形状に加工して形成されている。すなわち、可撓性樹脂基板７には取付部７１、およびバネ部７２が設けられており、取付部７１は折り曲げ加工により段差７３を形成することで構成される。

また、可撓性樹脂基板７には複数の配線パターン７ａが設けられており、その一方の端子７ｂは台３ａ上に設けた端子３ｃと接続され、他方の端子７ｃは検知素子８に設けた図示しない端子と以下に述べる手法にて接続される。

可撓性樹脂基板７の取付部７１に検知素子８を実装した状態を図３に示す。検知素子８は図２の端子７ｃに対向するように検知素子８の端子を重ねて実装されている。具体的には、図３（ｂ）に示すように検知素子８の複数の端子と可撓性樹脂基板７の端子７ｃ（図中、太線で示した）との間にバンプ１０を設けることによりフェイスダウンボンディング手法にて電気的に接続されている。なお、図３（ｂ）の可撓性樹脂基板７やバンプ１０の厚みなどはわかりやすくするために実際より誇張して示した。

ここで、前記したように慣性センサの小型化ニーズに対応するためには検知素子８も小型化しなければならないが、それに伴って端子も微小化される。しかし、検知素子８は後述するように駆動振動するため、検知素子８に設けた端子と端子７ｃとの電気的接続だけで両者を固定したのでは接続部分の面積が微小なことにより機械強度不足となり振動に対して十分耐えられない可能性がある。

そこで、図３（ｂ）において、検知素子８と取付部７１の隙間でバンプ１０以外の部分に熱硬化型一液性の接着剤１１を充填してある。これにより、検知素子８と可撓性樹脂基板７は電気的かつ機械的に強固に固定される。

このような構成とすることにより、従来のような支持具２が不要となるため、容易に製造することができる。

次に動作について説明する。

図４（ａ）において、検知素子８はシリコンを素体とし、その表面に図示しない圧電薄膜と電極が形成された音叉形状を呈している。これら圧電薄膜と電極により検知部、駆動部および端子が構成される。また、音叉は２本のアーム８ａ、８ｂ、および端子を有する素子基部８ｃから構成されている。

回路ＩＣ６に内蔵された駆動回路からワイヤ６ｂ、配線導体３０、および配線パターン７ａを経て、検知素子８を駆動制御する電圧が駆動部に印加されると、図４の下部に定義した座標系におけるＸ方向に速度Ｖｘにてアーム８ａ、８ｂが駆動振動する。この時の検知素子８の様子を図４（ｂ）に示す。

この状態でＺ軸方向に回転ωが印加されると、Ｙ方向にｍ・Ｖｘ×ω（ｍ：検知素子８の質量）なる力が作用してアーム８ａ、８ｂはＹ方向の振動成分を発生する。この時の検知素子８の様子を図４（ｃ）に示す。図４（ｂ）より、アーム８ａ、８ｂの駆動振動方向を互いに逆にしているので、図４（ｃ）に示すようにＹ方向の振動成分は大きさが等しく方向が逆になる。

このアーム８ａ、８ｂの撓みを検知素子８に設けた検知部により電荷に変換し、素子基部８ｃに設けた端子より撓みに応じた信号を得ているのであるが、アーム８ａ、８ｂの信号は大きさが等しく符号が逆なので、両者の差を取ることで感度が２倍となる。

この信号は配線パターン７ａ、配線導体３０、およびワイヤ６ｂを経て回路ＩＣ６の出力回路に入力される。出力回路では入力された信号を処理し、最終的に回転ωによる慣性量に応じた信号に調整して出力する。

なお、図４（ｂ）、（ｃ）に示したアーム８ａ、８ｂの振幅や撓み量は実際には微小であるが、わかりやすくするために誇張して示した。

ここで、印加される回転に応じた電荷信号を効率よく得るために、駆動方向（Ｘ方向）の固有周波数ωｄと検知方向（Ｙ方向）の固有周波数ωｓは互いに適度に近づけた方がよい。そこで、本実施の形態１においてはωｄ＝２２ｋＨｚ、ωｓ＝２１．３ｋＨｚと設定している。なお、ωｄとωｓの周波数差を離調周波数Δｆと呼び、本実施の形態１ではΔｆ＝０．７ｋＨｚとなる。

このようにして駆動される慣性センサは検知素子８が可撓性樹脂基板７により外容器３の内空間で中空懸架されているため、検出素子８の駆動振動は可撓性樹脂基板７にのみ伝達される。可撓性樹脂基板７はバネ部７２を有するので、可撓性樹脂基板７の持つ弾性に加えバネ部７２の弾性により検知素子８の振動を吸収し、外部への漏れ振動を抑制することができる。

また、外部からの衝撃振動に対するセンサ出力への影響も検討した。

可撓性樹脂基板７やバネ部７２を介さず強固に検知素子８を固定した場合、前記駆動条件下で様々な外部衝撃振動を与えると、検知素子８にその振動が励起され、駆動振動が大きく影響を受ける場合があった。これにより、センサ出力に誤差が重畳されてしまう。

そこで、センサ出力信号に影響を与える衝撃振動の周波数を調べた結果、前記駆動条件においては励起により１１ｋＨｚから１３５ｋＨｚの範囲における複数の周波数で影響することがわかった。従って、その最低周波数である１１ｋＨｚまでの周波数を伝達しないように、すなわち、それより小さい固有周波数を有するようにバネ部７２の形状を設定することで、外部からの衝撃振動を吸収することができる。

以上の結果から、可撓性樹脂基板７の固有周波数の上限を１０ｋＨｚとした。

一方、可撓性樹脂基板７の固有周波数が離調周波数Δｆと近接すると、その周波数の外部衝撃振動が加わった時に検知素子８に増幅されて重畳してしまうので、センサ出力精度が悪くなる。従って、この影響を避けるため、可撓性樹脂基板７の固有周波数はΔｆより大きくしておかなければならない。

本実施の形態１ではΔｆ＝０．７ｋＨｚであるので、可撓性樹脂基板７の固有周波数の下限は０．７ｋＨｚより大きくすればよいが、Δｆ近傍では外部衝撃振動の影響が十分低減されないので、Δｆよりある程度離しておく必要がある。

そこで、様々な可撓性樹脂基板７の固有周波数を変えた時のセンサ出力への影響、およびΔｆのバラツキを調べた結果、２ｋＨｚ以上であれば大きく影響しないことがわかった。従って、可撓性樹脂基板７の固有周波数の下限はバラツキマージンを含め２ｋＨｚとした。

以上より、可撓性樹脂基板７の固有周波数の範囲は２ｋＨｚから１０ｋＨｚとなる。この範囲になるように可撓性樹脂基板７のバネ部７２の形状を設定することで、外部からの衝撃振動も有効に吸収することができる。

ここで、バネ部７２の形状は可撓性樹脂基板７のうち配線パターン７ａの端子７ｂおよび取付部７１、段差７３のいずれをも除く一部分を切り欠くことにより形成しているが、これはどのような切り欠き形状でもよいわけではない。そこで、その最適形状を以下のようにして決定した。

まず、バネ部７２を設けない可撓性樹脂基板７に検知素子８を実装した慣性センサに外部から様々な方向に衝撃振動を加えた時の検知素子８の様子を図５に示す。なお、図５（ａ）は図１のＡ−Ａ断面図を、図５（ｂ）は図１のＢ−Ｂ断面図をそれぞれ示す。また、いずれの図も可撓性樹脂基板７の厚みや変動は実際には微小であるが、わかりやすくするためにいずれも誇張して示した。

図５（ａ）は慣性センサに矢印で示した上下方向（Ｙ方向）の衝撃振動が加わった場合である。この場合は検知素子８の全体がＹ方向に同時に移動するため、アーム８ａ、８ｂは同じ方向に撓む。従って、両者の検知部に発生する信号は大きさ、符号とも同じになる。

ここで、前記したようにアーム８ａ、８ｂの信号は両者の差を取る構成としていることから、図５（ａ）の衝撃振動による信号は０になり、出力への影響はキャンセルされる。よって、図５（ａ）の衝撃振動に対しては特に問題とならない。

一方、図５（ｂ）の矢印で示したように慣性センサのＸＹ面内回転方向の衝撃振動が加わった場合、検知素子８も同図に点線で示したようにＸＹ面内回転方向に振動する。これにより、アーム８ａ、８ｂは図４（ｃ）と同様の撓みを生じる。従って、衝撃振動による信号が重畳されてしまい、センサ出力に誤差が生じてしまう。

このことから、検知素子８が図５（ｂ）のような動きを吸収し、図５（ａ）の動きのみにするようにバネ部７２を構成する必要がある。

そこで、様々な形状のバネ部７２を作製し、図５（ｂ）の衝撃振動によるセンサ出力への影響を調べた結果、外容器３が図５（ｂ）のＸＹ面内回転方向に動いても検知素子８が動かないようにするためにはバネ部７２がよじれるようにすればよいことがわかった。その一例が図２に示したバネ部７２の形状である。

バネ部７２はつづら折れ部分を有するように構成されている。これにより、外容器３が図５（ｂ）のＸＹ面内回転方向に動いても、つづら折れ部分がよじれることでＸＹ面内回転方向の振動が検知素子８に伝達されず、センサ信号の誤差を低減することができる。

このようにして最適な固有周波数が得られ、かつ、つづら折れ部分を有するバネ部７２を形成した可撓性樹脂基板７の形状を決定した。なお、図３に示すように可撓性樹脂基板７の取付部７１に検知素子８を支持した状態における固有周波数は約３ｋＨｚであった。

以上の構成による面実装型の小型慣性センサを実際に作製し評価した結果、検知素子８の駆動振動が外部に漏れることによる「はね返り」に起因した出力への影響が低減されることを確認した。

また、外部からの衝撃振動に対する出力への影響を調べた結果を図６に示す。図６（ａ）において、横軸は時間、縦軸は慣性センサに印加した衝撃振動強さを示す。図６（ｂ）および（ｃ）において、横軸は時間、縦軸はセンサ出力を示す。

慣性センサに図６（ａ）の衝撃振動を与えると、検知素子８に可撓性樹脂基板７を介さず強固に固定した場合には図６（ｂ）に示すようにセンサ出力に衝撃振動が重畳され誤差が大きくなり、しかも減衰するまでに長時間を要することがわかった。

一方、本実施の形態１の可撓性樹脂基板７に検知素子８を支持した場合は図６（ｃ）に示すように衝撃振動のセンサ出力への影響は極めて小さく、減衰までの時間も短いことがわかった。

以上のことから、外部からの衝撃振動に対してもセンサ出力への影響が十分低減されることを確認した。

なお、本実施の形態１では外容器３をセラミック製のパッケージとしたが、これはプラスチック製としてもよい。これにより、セラミック製パッケージより安価に外容器３を形成できるため、使用温度範囲が狭いものの低コストが要求される民生用の慣性センサにも本実施の形態１の構成を適用できる。

また、本実施の形態１の可撓性樹脂基板７に設けた取付部７１の検知素子８が実装される裏面に錘を設ける構成としてもよい。この際の慣性センサの断面図を図７に示す。錘１２は取付部７１の裏面に接着されている。なお、図７の可撓性樹脂基板７の厚みはわかりやすくするために実際より誇張して示した。

図７のように構成することで、錘１２の慣性により図５（ｂ）に示したＸＹ面内回転方向の振動をさらに低減することができ、より高精度な慣性センサを実現できる。

さらに、本構成により錘１２の重さを変えることで可撓性樹脂基板７の固有周波数が変わるため、容易に固有周波数を設定することができる。

以上の構成、動作により漏れ振動抑制効果および耐衝撃性を確保しつつ小型化が可能な慣性センサを実現することができる。

本発明にかかる慣性センサは、漏れ振動抑制効果および耐衝撃性を確保しつつ小型化できるので、面実装型慣性センサ等として有用である。

（ａ）本発明の実施の形態１における慣性センサの内部を示す平面図、（ｂ）同図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面図 本発明の実施の形態１における慣性センサの可撓性樹脂基板の平面図 （ａ）本発明の実施の形態１における慣性センサの検知素子を支持した可撓性樹脂基板の上面図、（ｂ）同側面図 （ａ）本発明の実施の形態１における慣性センサの検知素子の停止時の斜視図、（ｂ）同駆動時の斜視図、（ｃ）同検知時の斜視図 （ａ）本発明の実施の形態１における慣性センサの外部衝撃振動印加時の図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面図、（ｂ）同Ｂ−Ｂ断面図 （ａ）本発明の実施の形態１における慣性センサに外部衝撃を与えた時の外部衝撃波形図、（ｂ）バネ部を設けない場合の同センサ出力波形図、（ｃ）バネ部を設けた場合の同センサ出力波形図 本発明の実施の形態１における慣性センサの錘付き構成の断面図 従来の慣性センサの検知素子部分の一部断面図

符号の説明

３ 外容器
３ａ、３ｂ 台
３ｃ、３ｄ、７ｂ、７ｃ 端子
３ｅ 開口部
６ 回路ＩＣ
６ａ パッド
６ｂ ワイヤ
７ 可撓性樹脂基板
７ａ 配線パターン
８ 検知素子
８ａ、８ｂ アーム
８ｃ 素子基部
９ 導電性ペースト
１０ バンプ
１１ 接着剤
１２ 錘
３０ 配線導体
７１ 取付部
７２ バネ部
７３ 段差
７４ 基板基部

Claims (7)

1. 駆動振動し慣性量を検知する検知素子と、
   前記検知素子を支持する可撓性樹脂基板と、
   前記基板が内部に取り付けられた外容器とを備え、
   前記基板が可撓性樹脂基板であり、
   前記可撓性樹脂基板が前記外容器に片持ち梁状に固定された
   慣性センサ。
2. 前記検知素子を駆動制御する駆動回路および前記検知素子からの信号を処理し慣性量に応じた信号に調整し出力する出力回路を含む回路ＩＣを有し、
   前記可撓性樹脂基板には前記検知素子を前記回路ＩＣに電気的に接続するための配線パターンを形成した
   請求項１に記載の慣性センサ。
3. 前記回路ＩＣは前記外容器に内蔵させた
   請求項２に記載の慣性センサ。
4. 前記可撓性樹脂基板は、
   前記検知素子を支持する取付部と、
   この取付部に対峙するように配設された基板基部とを有し、
   前記検知素子が前記基板基部と対向するように前記取付部に支持された
   請求項１に記載の慣性センサ。
5. 前記配線パターンの端子を
   前記基板基部のひとつの端部にのみ集めて配置した
   請求項１に記載の慣性センサ。
6. 前記検知素子を支持した状態の前記可撓性樹脂基板の固有周波数が、
   前記検出素子の駆動方向の固有周波数と検知方向の固有周波数の周波数差より大きく、かつ、外部からの振動により前記検知素子に励起される最低固有周波数より小さい範囲とした
   請求項１に記載の慣性センサ。
7. 前記可撓性樹脂基板が前記検知素子を弾性的に支持する
   請求項１に記載の慣性センサ。

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