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JP2019035589A - 物理量センサー、慣性計測ユニット、電子機器、および移動体 - Google Patents

物理量センサー、慣性計測ユニット、電子機器、および移動体 Download PDF

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良直 柳澤
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Abstract

【課題】物理量の温度ヒステリシスなどを低減し、検出精度を向上させた物理量センサーを提供する。【解決手段】物理量センサー1は、センサー素子(加速度センサー素子20)と、センサー素子が取り付けられている内底面11hを含む収容部(凹陥部17a)を含む容器(パッケージ7)と、センサー素子の内底面11h側とは反対側の面に取り付けられ、センサー素子と電気的に接続されている回路素子(IC40)と、容器の内底面11hを含む底板(第1の基材11)に設けられているGNDパターン30と、を含み、GNDパターン30は、内底面11hから離間して設けられている。【選択図】図2

Description

本発明は、物理量センサー、慣性計測ユニット、電子機器、および移動体に関する。
近年、電子デバイスとして、シリコンMEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を用いて製造された物理量センサーが開発されている。このような物理量センサーとして、例えば特許文献1には、櫛歯状をなして互いに対向するように配置されている可動電極および固定電極を有する素子を含み、これら二つの電極間で生じる静電容量に基づいて物理量を検出する静電容量型の物理量センサー(力学量センサー)が記載されている。
また、センサーをパッケージに実装する方法として、例えば特許文献2には、半導体チップ(マイクロフォンチップ)を、半導体パッケージの凹部の底面(内底面)に実装した構造が記載されている。
しかし、このような構成では、パッケージ周囲からの輻射ノイズの影響を受け、特性が劣化してしまう虞があった。
電子デバイスにおいて、輻射ノイズの影響を低減させるため、例えば特許文献3には、容器上面を覆う金属製のカバーと、容器内の底面(内底面)に配置された金属製のGNDプレーンと、を電気的に接続することにより、輻射ノイズを遮断できることが記載されている。
これら特許文献に記載されている技術思想を用いて、シリコンMEMS技術を用いて製造された物理量センサー素子をパッケージに実装し、輻射ノイズの低減を図ろうとすると、パッケージの底板の内底面に金属等をメタライズしてGNDパターンを形成し、GNDパターン上に物理量センサー素子を実装した構造が想定できる。
特開2007−139505号公報 特開2008−288492号公報 特開2013−063712号公報
しかしながら、想定した構造とすることにより、パッケージ外部からの輻射ノイズを低減することは可能となるが、パッケージの内底面に形成されたGNDパターンと底板との線膨張係数の違いに起因して生じた残留応力によって生じるGNDパターン表面の凹凸や歪みが、物理量センサー素子に伝播することにより、物理量センサー素子に歪みが生じて、温度特性が劣化してしまい、温度ヒステリシスという新たな課題が生じてしまうことが実験によって明らかとなった。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
[適用例1]本適用例に係る物理量センサーは、センサー素子と、前記センサー素子が取り付けられている内底面を含む収容部を含む容器と、前記センサー素子の前記内底面側とは反対側の面に取り付けられ、前記センサー素子と電気的に接続されている回路素子と、前記容器の前記内底面を含む底板に設けられているGNDパターンと、を含み、前記GNDパターンは、前記内底面から離間して設けられている、ことを特徴とする。
本適用例に係る物理量センサーによれば、GNDパターンが内底面から離間して設けられているので、GNDパターンと底板との線膨張係数の違いに起因して生じる残留応力によるGNDパターン表面の凹凸や歪みが、GNDパターンと内底面との間に存在する底板の一部によって緩和されるため、センサー素子に伝播し難くなり、残留応力に起因して生じる温度ヒステリシスを低減させることができる。
[適用例2]上記適用例に記載の物理量センサーにおいて、前記GNDパターンは、前記センサー素子と前記容器とが重なる方向からの平面視で、前記センサー素子と重なるように配置されていることが好ましい。
本適用例によれば、GNDパターンが平面視でセンサー素子と重なるように配置されているので、底板側からセンサー素子に影響する容器外部からの輻射ノイズを、GNDパターンで遮断することができるので、輻射ノイズの影響を低減することができる。
[適用例3]上記適用例に記載の物理量センサーにおいて、前記底板は、複数の基板が積層されている積層基板であることが好ましい。
本適用例によれば、GNDパターンと内底面との間に、複数の基板を設けることができるため、残留応力によるGNDパターン表面の凹凸や歪みが、より緩和されセンサー素子により伝播し難くなり、温度ヒステリシスを低減させることができる。また、積層される基板と基板との間に、配線(メタライズ)の引き回しパターンを設けることができるため、平面視における容器サイズを大きくせずに複雑な配線パターンを配置することができる。
[適用例4]上記適用例に記載の物理量センサーにおいて、前記積層基板の積層数は、三層であることが好ましい。
本適用例によれば、二つの基板と基板との間を有するため、より複雑な配線パターンを配置することができる。
[適用例5]上記適用例に記載の物理量センサーにおいて、前記容器は、前記底板と、前記底板に積層されている環状の基板と、前記底板と前記環状の基板で構成される凹陥部が閉空間となるように、前記凹陥部の開口部を封止している導電性を有する蓋体と、を含み、前記凹陥部の内部が前記収容部となることが好ましい。
本適用例によれば、平板の底板、環状の基板、および蓋体との間に設けられている密閉空間に、センサー素子を収容することにより容器の外側の雰囲気から遮断でき、高性能な物理量センサーを提供することができる。
[適用例6]上記適用例に記載の物理量センサーにおいて、前記蓋体と、前記GNDパターンと、は、前記容器の側面に設けられているキャスタレーションに形成されている導電層、或いは、前記環状の基板を貫通する孔の中に充填されている導電体、を介して電気的に接続されていることが好ましい。
本適用例によれば、導電性を有する蓋体とGNDパターンとが、導電層又は導電体で電気的に接続されているので、容器の蓋体側や底板側からセンサー素子に影響する容器外部からの輻射ノイズを、蓋体とGNDパターンとで遮断することができるので、輻射ノイズの影響をより低減することができる。
[適用例7]上記適用例に記載の物理量センサーにおいて、前記GNDパターンは、前記積層基板の何れかの層間に設けられていることが好ましい。
本適用例によれば、GNDパターンが積層基板の何れかの層間に設けられているため、GNDパターンと内底面との間に、少なくとも一層の基板が介在するので、残留応力によるGNDパターン表面の凹凸や歪みが緩和され、センサー素子に伝播し難くなり、温度ヒステリシスを低減させることができる。
[適用例8]上記適用例に記載の物理量センサーにおいて、前記GNDパターンは、前記底板の前記内底面の側とは反対側の外側の面に設けられていることが好ましい。
本適用例によれば、GNDパターンが底板の内底面の側とは反対側の外側の面に設けられているので、GNDパターンと内底面との間に、少なくとも一層の基板が介在するので、残留応力によるGNDパターン表面の凹凸や歪みが緩和され、センサー素子に伝播し難くなり、温度ヒステリシスを低減させることができる。
[適用例9]上記適用例に記載の物理量センサーにおいて、前記容器は、凹陥部を有している蓋体と、前記凹陥部が閉空間となるように、前記凹陥部の開口部を封止している前記底板と、を含み、前記凹陥部の内部が前記収容部となることが好ましい。
本適用例によれば、容器が凹陥部を有している蓋体と、凹陥部の開口部を封止している底板と、により構成されているので、凹陥部の内部を収容部とすることができるので、センサー素子を収容することができる。
[適用例10]上記適用例に記載の物理量センサーにおいて、前記底板は、前記平面視で、前記GNDパターンと重なる位置に、前記底板を貫通する貫通孔に充填されている導電体を含み、前記蓋体と、前記GNDパターンと、は、前記導電体により電気的に接続されていることが好ましい。
本適用例によれば、蓋体とGNDパターンとが、底板を貫通する貫通孔に充填されている導電体により電気的に接続されているため、蓋体側と底板側からの輻射ノイズの影響を低減することができる。
[適用例11]上記適用例に記載の物理量センサーにおいて、前記センサー素子は、接着材を用いて前記内底面に接着され、前記平面視で、前記センサー素子が前記接着材により前記内底面に接着されている接着領域と重なる領域において、前記GNDパターンは、前記内底面から離間して設けられていることが好ましい。
本適用例によれば、GNDパターンがセンサー素子の内底面に接着されている接着領域と重なる領域に、内底面から離間して設けられているため、残留応力によるGNDパターン表面の凹凸や歪みが緩和され、センサー素子に伝播し難くなり、温度ヒステリシスを低減させることができる。
[適用例12]上記適用例に記載の物理量センサーにおいて、前記容器内に形成されている複数の配線のうち、アナログ用配線の幅は、信号用配線の幅よりも大きいことが好ましい。
本適用例によれば、アナログ用配線の幅を信号用配線の幅より、大きくすることで、アナログ用配線のインピーダンスを下げ、容器外部からの輻射ノイズの影響を低減することができる。
[適用例13]上記適用例に記載の物理量センサーにおいて、前記アナログ用配線の幅をL1、前記信号用配線の幅をL2、としたとき、L1/L2≧2、を満たしていることが好ましい。
本適用例によれば、アナログ用配線の幅を信号用配線の幅の2倍以上とすることで、容器外部からの輻射ノイズの影響をより低減することができる。
[適用例14]上記適用例に記載の物理量センサーにおいて、前記センサー素子は、加速度センサー素子であることが好ましい。
本適用例によれば、GNDパターンと底板との残留応力に起因して生じる、温度ヒステリシスを低減させることができるので、高精度な加速度信号を取得することができる。
[適用例15]上記適用例に記載の物理量センサーにおいて、前記容器の中に搭載されている角速度センサー素子を含むことが好ましい。
本適用例によれば、複合センサーを容易に構成することができるので、加速度データに加えて、角速度データを取得することができる。
[適用例16]本適用例に係る慣性計測ユニットは、上記適用例のいずれか一例に記載の物理量センサーと、角速度センサーと、前記物理量センサーおよび前記角速度センサーを制御する制御部と、を備えている。
本適用例によれば、GNDパターンと底板との残留応力に起因して生じる、温度ヒステリシスを減少させた物理量センサーにより、さらに高信頼性の慣性計測ユニットを提供することができる。
[適用例17]本適用例に係る電子機器は、上記適用例のいずれか一例に記載の物理量センサーと、前記物理量センサー出力された検出信号に基づいて制御を行う制御部と、前記検出信号を補正する補正部と、を備えている。
本適用例によれば、GNDパターンと底板との残留応力に起因して生じる、温度ヒステリシスを減少させた物理量センサーにより、さらに制御の信頼性を高めた高信頼性の電子機器を提供することができる。
[適用例18]本適用例に係る移動体は、上記適用例のいずれか一例に記載の物理量センサーと、前記物理量センサーから出力された検出信号に基づいて姿勢制御を行う姿勢制御部と、を備えている。
本適用例によれば、GNDパターンと底板との残留応力に起因して生じる、温度ヒステリシスを減少させた物理量センサーから出力された高精度な信号に基づいて、姿勢制御を行うので、姿勢制御が高精度な移動体を提供することができる。
第1実施形態に係る物理量センサーの概略構成を示す斜視図。 物理量センサーの概略構成を示す図1のA−A断面図。 基板に設けられたGNDパターンの概略構成を示す平面図。 基板に設けられたアナログ用配線および信号用配線の概略構成を示す平面図。 物理量センサーの機能ブロック図。 物理量センサーに用いられているセンサー素子の配置例を示す平面図。 センサー素子の概略構成を示す断面図。 センサー素子のセンサー部(X軸方向検出)の概略構成を示す斜視図。 センサー素子のセンサー部(Y軸方向検出)の概略構成を示す斜視図。 センサー素子のセンサー部(Z軸方向検出)の概略構成を示す斜視図。 物理量センサーの温度ヒステリシスを測定するための温度プロファイルを示すグラフ。 従来構造の物理量センサーの温度ヒステリシス測定結果を示すグラフ。 本発明に係る物理量センサーの温度ヒステリシス測定結果を示すグラフ。 加速度センサー素子の応用例1の概略構成を示す平面図。 加速度センサー素子の応用例2の概略構成を示す平面図。 第2実施形態に係る物理量センサーの概略構成を示す平面図。 第3実施形態に係る物理量センサーの概略構成を示す斜視図。 第4実施形態に係る物理量センサーの概略構成を示す断面図。 第5実施形態に係る物理量センサーの概略構成を示す平面図。 角速度センサー素子の一例を示す平面図。 角速度センサー素子の一例を示す図17Aの断面図。 第6実施形態に係る物理量センサーの概略構成を示す平面図。 第7実施形態に係る物理量センサーの概略構成を示す断面図。 慣性計測ユニットの概略構成を示す分解斜視図。 慣性計測ユニットの慣性センサー素子の配置例を示す斜視図。 電子機器の一例であるモバイル型のパーソナルコンピューターの構成を模式的に示す斜視図。 電子機器の一例であるスマートフォン(携帯型電話機)の構成を模式的に示す斜視図。 電子機器の一例であるディジタルスチールカメラの構成を示す斜視図。 電子機器の一例である活動計の構成を示す平面図。 電子機器の一例である活動計の機能を説明する機能ブロック図。 移動体の一例である自動車の構成を示す斜視図。
以下、本発明に係る物理量センサー、慣性計測ユニット、電子機器、および移動体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。なお、以下で説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。
<第1実施形態>
先ず、第1実施形態に係る物理量センサーについて、図1、図2、図3、および図4を参照して説明する。図1は、第1実施形態に係る物理量センサーの概略構成を示す斜視図であり、図2は、物理量センサーの概略構成を示す図1のA−A断面図である。図3は、基板に設けられたGNDパターンの概略構成を示す平面図であり、図4は、基板に設けられたアナログ用配線および信号用配線の概略構成を示す平面図である。
なお、以下では、以降で説明する図6〜図8C、図11〜図20も含め、各図面に記載されているように、互いに直交する三つの軸をX軸、Y軸、およびZ軸として説明する。また、X軸に平行な方向を「X軸方向」、Y軸に平行な方向を「Y軸方向」、Z軸に平行な方向を「Z軸方向」とも言う。また、三つのセンサー部が配置される方向に沿ったX軸とY軸とを含む面を「XY面」とも言う。また、Z軸方向は、パッケージを構成するベース基板と蓋部の積層(配置)方向に沿った方向、換言すればセンサー素子とベース基板との取り付け方向に沿った方向をZ軸方向とする。さらに、説明の便宜上、Z軸方向から視たときの平面視において、蓋部側である+Z軸方向側の面を上面、これと反対側となる−Z軸方向側の面を下面として説明することがある。
図1および図2に示す物理量センサー1は、X軸方向、Y軸方向およびZ軸方向のそれぞれの加速度を独立して検知することのできる3軸加速度センサーとして利用可能である。このような物理量センサー1は、パッケージ7と、パッケージ7内に収容された構造体5と、を有している。なお、構造体5は、センサー素子としての加速度センサー素子20と、加速度センサー素子20上に配置された回路素子としてのIC(Integrated Circuit)40と、を含み、樹脂接着材18によって、加速度センサー素子20の下面20rがパッケージ7の内底面11hに取り付けられて、接着(接合)されている。なお、IC40は、加速度センサー素子20上、換言すれば、加速度センサー素子20の内底面11h側とは反対側の面に接着材41を介して取り付けられ、ボンディングワイヤー43により加速度センサー素子20と電気的に接続されている。また、IC40は、ボンディングワイヤー42によりパッケージ7内に設けられた内部端子19と電気的に接続されている。
[パッケージ7]
図1および図2に示すように、構造体5を収容する容器としてのパッケージ7は、加速度センサー素子20とパッケージ7とが重なる方向(+Z軸方向)からの平面視で外縁が四角形状であり、第1の基材11、第2の基材12、および第3の基材13で構成されているベース部10と、封止部材14を介して第3の基材13に接続されている導電性を有する蓋体としての蓋部15と、を含み構成されている。なお、第1の基材11、第2の基材12、および第3の基材13は、この順で積層されてベース部10が構成される。
第1の基材11は、平板状であり、第2の基材12および第3の基材13は、中央部が除去された環状の基板であり、第3の基材13の上面の周縁にシールリングや導電性の低融点ガラス等の封止部材14が形成されている。なお、第1の基材11が、底板に相当する。
第2の基材12の上面には、複数の内部端子19が配置されており、第1の基材11の下面であるパッケージ7の外底面11rには、複数の外部端子16が配置されている。また、各内部端子19は、ベース部10に形成された図示しない内部配線などを介して対応する外部端子16に電気的に接続されている。また、パッケージ7の側面には、複数のキャスタレーション28が形成されている。
第1の基材11は、図2に示すように、複数の基板、本形態では三つの基板11a,11b,11cが積層されている積層数が三層の積層基板である。また、積層されている基板11aと基板11bとの間で、基板11aの上面11jには、メタライズされたGNDパターン30が設けられている。換言すれば、GNDパターン30は、パッケージ7の内底面11hを含む第1の基材11に設けられ、内底面11hから離間して設けられている。GNDパターン30が内底面11hから基板11b,11cを挟み、離間して設けられているので、GNDパターン30の表面が加速度センサー素子20に触れない。そのため、GNDパターン30と第1の基材11との線膨張係数の違いに起因して生じる残留応力によるGNDパターン30表面の凹凸や歪みが、内底面11h上に配置された加速度センサー素子20に伝播し難くすることができる。
なお、本実施形態では、GNDパターン30を基板11aと基板11bとの間に配設しているが、これに限定されることはなく、基板11bと基板11cの間でも構わない。つまり、GNDパターン30が積層基板の何れかの層間に配設することで、GNDパターン30と内底面11hとの間に、少なくとも一層の基板11a,11b,11cが介在することとなり、残留応力によるGNDパターン30表面の凹凸や歪みが、緩和され加速度センサー素子20に伝播し難くなる。
また、基板11bと基板11cとの間および基板11cと第2の基材12との間には、引き回しパターンとなる配線(不図示)が設けれている。このように、三層の基板11a,11b,11cが積層され、それぞれの基板11a,11b,11c間にGNDパターン30や配線(引き回しパターン)を設けることにより、+Z軸方向からの平面視におけるパッケージ7のサイズを大きくせずに複雑な配線パターンを配置することができる。また、三層の基板11a,11b,11cが積層されることにより基板間が二つとなるため、より複雑な配線パターンを配置することができる。
基板11aの上面11jに設けられたGNDパターン30は、図3に示すように、加速度センサー素子20とパッケージ7とが重なる方向(+Z軸方向)からの平面視で、加速度センサー素子20と重なるように配置されている。そのため、パッケージ7の第1の基材11側から加速度センサー素子20に影響するパッケージ7の外部からの輻射ノイズ(電磁波等の放射ノイズ)を遮断し、加速度センサー素子20に対する輻射ノイズの影響を低減することができる。
GNDパターン30は、後述する基板11aに設けられた貫通孔に充填した導電体32と電気的に接続されており、また、パッケージ7の外底面11rでキャスタレーション28g、28kに接して設けられた外部端子16と電気的に接続されている。
基板11cの上面(内底面11h)には、図4に示すように、複数のアナログ用配線34aと複数の信号用配線34bとが設けられている。アナログ用配線34aの幅L1は、信号用配線34bの幅L2に比べ、大きくなっている。信号用配線34bの幅L2に比べアナログ用配線34aの幅L1を大きくすることで、VDD配線を含むアナログ用配線34aのインピーダンスを下げ、パッケージ7の外部からの輻射ノイズの影響を低減することができる。また、ディジタル回路などで発生した動作ノイズが、基板11a,11b,11cなどを通じてアナログ回路に影響を及ばさないようにすることもできる。
アナログ用配線34aおよび信号用配線34bは、基板11cに設けられた複数の貫通孔36の内壁に形成された電極層(不図示)を介して、第2の基材12の上面に設けられた複数の内部端子19や基板11cの下面の基板11bに設けられた複数の配線に電気的に接続されている。また、アナログ用配線34aは、キャスタレーション28h,28iの側面に形成された電極層(不図示)を介して、それぞれのキャスタレーション28h,28iに接して設けられている外部端子16に電気的に接続されている。信号用配線34bは、キャスタレーション28a,28c,28lの側面に形成された電極層(不図示)を介して、それぞれのキャスタレーション28a,28c,28lに接して設けられている外部端子16に電気的に接続されている。
なお、アナログ用配線34aの幅L1は、信号用配線34bの幅L2に対して、L1/L2≧2であることがより好ましい。配線幅の比を2倍以上にすることで、インピーダンスをより下げて、パッケージ7の外部からの輻射ノイズの影響をより低減することができる。
図2に戻り、パッケージ7は、第1の基材11と第2の基材12と第3の基材13とが重なる領域に、第1の基材11を貫通する貫通孔11gと、第2の基材12を貫通し貫通孔11gと連通する貫通孔12gと、第3の基材13を貫通し貫通孔12gと連通する貫通孔13gと、が複数設けられている。貫通孔11g、貫通孔12g、および貫通孔13g内には、銅や半田などの導電体32が充填されて、貫通電極が形成されている。そのため、蓋部15とGNDパターン30とを導電体32を介して、電気的に接続することができる。従って、パッケージ7の蓋部15側や第1の基材11側から加速度センサー素子20に影響するパッケージ7の外部からの輻射ノイズを、蓋部15とGNDパターン30とで遮断することができるので、輻射ノイズの影響をより低減することができる。
パッケージ7は、中央部が除去された環状の第2の基材12と第3の基材13とにより、構造体5を収容する収容部としての凹陥部17aが形成される。そして、パッケージ7は、この凹陥部17aの開口部17bが蓋体としての蓋部15によって塞がれる、換言すれば封止されることによって閉空間(密閉空間)である収容空間(内部空間)17が設けられ、この収容空間17に構造体5を収容することができる。このように、パッケージ7と蓋部15との間に設けられている収容空間17に、加速度センサー素子20およびIC40で構成される構造体5が収容されていることにより、構造体5をパッケージ7の外側の雰囲気から遮断でき、コンパクトで高性能な物理量センサー1とすることができる。なお、第1の基材11や第2の基材12を含むベース部10に形成された配線パターンや電極パッド(端子電極)の一部は図示を省略してある。
第1の基材11、第2の基材12、および第3の基材13の構成材料には、セラミックなどが好適に用いられる。なお、第1の基材11、第2の基材12、および第3の基材13の構成材料は、セラミック以外に、ガラス、樹脂、金属等を用いてもよい。また、蓋部15の構成材料には、導通性を有するものであれば良く、例えば、コバールなどの金属材料やガラス材料、シリコン材料、セラミック材料などに金属をメタライズしたものを用いることができる。
GNDパターン30、アナログ用配線34a、信号用配線34b、内部端子19、および外部端子16は、例えばタングステン(W)、モリブデン(Mo)等の金属配線材料を、所定の位置にスクリーン印刷して焼成し、その上にニッケル(Ni)、金(Au)等のめっきを施す方法などによって形成することができる。
[構造体5]
構造体5は、加速度センサー素子20と、加速度センサー素子20と電気的に接続され、接着材41によって加速度センサー素子20上に接着されている回路素子としてのIC40を含む。換言すれば、IC40は、加速度センサー素子20のパッケージ7を構成する第1の基材11側の面である下面20rと反対側の面に取り付けられている。このように、パッケージ7と加速度センサー素子20とIC40とを積層することにより、平面方向の配置効率を高め、物理量センサー1の平面視における面積を小さくすることができる。
構造体5は、図2に示すように、樹脂接着材18によって、底板としてのベース部10を構成する第1の基材11の上面である内底面11hに、加速度センサー素子20の下面20rが接合され、パッケージ7の収容空間17に収容されている。パッケージ7の収容空間17は、大気圧よりも低い減圧雰囲気、または窒素、アルゴン、ヘリウム等の不活性気体雰囲気に気密封止されている。
次に、物理量センサーの機能構成について、図5を参照し説明する。図5は、物理量センサーの機能ブロック図である。
物理量センサー1の機能構成として、図5に示すように、加速度センサー素子20は、X軸方向、Y軸方向およびZ軸方向のそれぞれの加速度を独立して検知することのできるX軸センサー部21xと、Y軸センサー部21yと、Z軸センサー部21zと、を含む。X軸センサー部21xおよびY軸センサー部21yは、X−Y平面方向の2軸(X軸方向およびY軸方向)の加速度を検知し、Z軸センサー部21zは、X−Y平面に直交するZ軸方向の加速度を検知し、静電容量の変化データを示す信号としてIC40に送信する。IC40は、信号処理部45と、出力部46とを含む。IC40は、加速度センサー素子20から送られた静電容量の変化を示す信号を、信号処理部45によってユーザーの使い易い形式、例えばバイアス方式に変換処理し、出力部46から加速度データとして出力する。
構造体5を構成する加速度センサー素子20およびIC40は、ボンディングワイヤー43によって電気的に接続されている。また、IC40は、ボンディングワイヤー42によってパッケージ7(第2の基材12の上面)に設けられている内部端子19に電気的に接続されている。
[加速度センサー素子20]
次に、物理量センサーに用いられているセンサー素子について、図6および図7を参照し説明する。図6は、物理量センサーに用いられているセンサー素子の配置例を示す平面図であり、図7は、センサー素子の概略構成を示す断面図である。
センサー素子としての加速度センサー素子20は、図6および図7に示すように、ベース基板22およびキャップ部23を有する容器25と、容器25内に収容された三つのセンサー部であるX軸センサー部21x、Y軸センサー部21y、およびZ軸センサー部21zを有している。なお、説明の便宜上、図7には、Z軸センサー部21zのみを示している。
ベース基板22には上側に開口する凹部211,212,213が形成されている。これらのうち、凹部211は、その上方に配置されているX軸センサー部21xとベース基板22との接触を防止するための逃げ部として機能する。同様に、凹部212は、その上方に配置されているY軸センサー部21yとベース基板22との接触を防止するための逃げ部として機能する。また、凹部213は、その上方に配置されているZ軸センサー部21zとベース基板22との接触を防止するための逃げ部として機能する。
また、ベース基板22には上面に開口する凹部211a,211b,211c、凹部212a,212b,212c、および凹部213a,213b,213cが形成されている。これらのうち、凹部211a,211b,211cは、凹部211の周囲に配置されており、これら凹部211a,211b,211c内にはX軸センサー部21x用の配線271,272,273が配置されている。また、凹部212a,212b,212cは、凹部212の周囲に配置されており、凹部212a,212b,212c内にはY軸センサー部21y用の配線281,282,283が配置されている。また、凹部213a,213b,213cは、凹部213の周囲に配置されており、凹部213a,213b,213c内にはZ軸センサー部21z用の配線291,292,293が配置されている。また、これら各配線271,272,273,281,282,283,291,292,293の端部は、容器25の外部に露出しており、露出した部分が接続端子29となっている。そして、この各接続端子29がボンディングワイヤー43を介してIC40の電極パッド(不図示)と電気的に接続されている。
このようなベース基板22は、例えば、アルカリ金属イオン(可動イオン)を含むガラス材料(例えば、パイレックス(登録商標)ガラスのような硼珪酸ガラス)から形成されている。これにより、シリコン基板から形成されているX軸センサー部21x、Y軸センサー部21y、およびZ軸センサー部21zをベース基板22に対して陽極接合により強固に接合することができる。また、ベース基板22に光透過性を付与することができるため、ベース基板22を介して容器25の内部を観察することができる。ただし、ベース基板22の構成材料としては、ガラス材料に限定されず、例えば、高抵抗なシリコン材料を用いることができる。この場合、X軸センサー部21x、Y軸センサー部21y、およびZ軸センサー部21zとの接合は、例えば、樹脂系接着材、ガラスペースト、金属層等を介して行うことができる。
次に、センサー素子のセンサー部について、図8A、図8B、および図8Cを参照して詳細に説明する。図8Aは、センサー素子のセンサー部(X軸方向検出)の概略構成を示す斜視図であり、図8Bは、センサー素子のセンサー部(Y軸方向検出)の概略構成を示す斜視図であり、図8Cは、センサー素子のセンサー部(Z軸方向検出)の概略構成を示す斜視図である。
センサー部の一つであるX軸センサー部21xは、X軸方向の加速度を検出する部分である。このようなX軸センサー部21xは、図8Aに示すように、支持部611,612と、可動部62と、連結部631,632と、複数の第1固定電極指64と、複数の第2固定電極指65と、を有している。また、可動部62は、基部621と、基部621からY軸方向両側に突出している複数の可動電極指622と、を有している。このようなX軸センサー部21xは、例えば、リン、ボロン等の不純物がドープされたシリコン基板から形成されており、シリコン基板は導電性を有している。
支持部611,612は、ベース基板22の上面22fに陽極接合され、支持部611が導電性バンプ(不図示)を介して配線271と電気的に接続されている。そして、これら支持部611,612の間に可動部62が設けられている。可動部62は、連結部631,632を介して支持部611,612に連結されている。連結部631,632は、バネのようにX軸方向に弾性変形可能であるため、可動部62が支持部611,612に対して矢印aで示すようにX軸方向に変位可能となる。
複数の第1固定電極指64は、可動電極指622のX軸方向一方側に配置され、対応する可動電極指622に対して間隔を隔てて噛み合う櫛歯状をなして並んでいる。このような複数の第1固定電極指64は、その基端部にてベース基板22の凹部211の上面に陽極接合され、導電性バンプB12を介して配線272に電気的に接続されている。
これに対して、複数の第2固定電極指65は、可動電極指622のX軸方向他方側に配置され、対応する可動電極指622に対して間隔を隔てて噛み合う櫛歯状をなして並んでいる。このような複数の第2固定電極指65は、その基端部にて、ベース基板22の上面22fに陽極接合され、導電性バンプB13を介して配線273に電気的に接続されている。
このようなX軸センサー部21xを用いて、次のようにしてX軸方向の加速度を検知する。すなわち、X軸方向の加速度が加わると、その加速度の大きさに基づいて、可動部62が、連結部631,632を弾性変形させながら、X軸方向に変位する。当該変位に伴って、可動電極指622と第1固定電極指64との間の静電容量および可動電極指622と第2固定電極指65との間の静電容量の大きさがそれぞれ変化する。そして、当該静電容量の変化に基づいてIC40にて加速度が求められる。
センサー部の一つであるY軸センサー部21yは、Y軸方向の加速度を検出する部分である。このようなY軸センサー部21yは、平面視で90°回転した状態で配置されている以外は、X軸センサー部21xと同様の構成である。Y軸センサー部21yは、図8Bに示すように、支持部711,712と、可動部72と、連結部731,732と、複数の第1固定電極指74と、複数の第2固定電極指75と、を有している。また、可動部72は、基部721と、基部721からX軸方向両側に突出している複数の可動電極指722と、を有している。
支持部711,712は、ベース基板22の上面22fに陽極接合され、支持部711が導電性バンプ(不図示)を介して配線281と電気的に接続されている。そして、これら支持部711,712の間に可動部72が設けられている。可動部72は、連結部731,732を介して支持部711,712に連結されている。連結部731,732は、バネのようにY軸方向に弾性変形可能であるため、可動部72が支持部711,712に対して矢印bで示すようにY軸方向に変位可能となる。
複数の第1固定電極指74は、可動電極指722のY軸方向一方側に配置され、対応する可動電極指722に対して間隔を隔てて噛み合う櫛歯状をなして並んでいる。このような複数の第1固定電極指74は、その基端部にてベース基板22の凹部212の上面に陽極接合され、導電性バンプB22を介して配線282に電気的に接続されている。
これに対して、複数の第2固定電極指75は、可動電極指722のY軸方向他方側に配置され、対応する可動電極指722に対して間隔を隔てて噛み合う櫛歯状をなして並んでいる。このような複数の第2固定電極指75は、その基端部にて、ベース基板22の上面22fに陽極接合され、導電性バンプB23を介して配線283に電気的に接続されている。
このようなY軸センサー部21yを用いて、次のようにしてY軸方向の加速度を検知する。すなわち、Y軸方向の加速度が加わると、その加速度の大きさに基づいて、可動部72が、連結部731,732を弾性変形させながら、Y軸方向に変位する。当該変位に伴って、可動電極指722と第1固定電極指74との間の静電容量および可動電極指722と第2固定電極指75との間の静電容量の大きさがそれぞれ変化する。そして、当該静電容量の変化に基づいてIC40にて加速度が求められる。
センサー部の一つであるZ軸センサー部21zは、Z軸方向(鉛直方向)の加速度を検出する部分である。このようなZ軸センサー部21zは、図8Cに示すように、支持部811と、可動部82と、可動部82を支持部811に対して揺動可能に連結する一対の連結部831,832と、を有し、連結部831,832を軸Jとして、可動部82が支持部811に対してシーソー揺動する。このようなZ軸センサー部21zは、例えば、リン、ボロン等の不純物がドープされたシリコン基板から形成されており、シリコン基板は導電性を有している。
支持部811は、ベース基板22の上面22fに陽極接合され、支持部811が導電性バンプ(不図示)を介して配線291と電気的に接続されている。そして、支持部811のY軸方向の両側に可動部82が設けられている。可動部82は、軸Jよりも+Y方向側に位置する第1可動部821と、軸Jよりも−Y方向側に位置し、第1可動部821よりも大きい第2可動部822とを有している。第1可動部821および第2可動部822は、鉛直方向(Z軸方向)の加速度が加わったときの回転モーメントが異なっており、加速度に応じて可動部82に所定の傾きが生じるように設計されている。これにより、Z軸方向の加速度が生じると、可動部82が軸Jまわりにシーソー揺動する。
また、凹部213の底面の第1可動部821と対向する位置には配線292に電気的に接続された第1検出電極211gが配置されており、第2可動部822と対向する位置には配線293に電気的に接続された第2検出電極211hが配置されている。そのため、第1可動部821と第1検出電極211gとの間に静電容量が形成され、第2可動部822と第2検出電極211hとの間に静電容量が形成されている。なお、第2可動部822と対向する位置にあって、第2検出電極211hよりも−Y軸側には、ダミー電極211iを設けることができる。なお、第1検出電極211g、第2検出電極211h、およびダミー電極211iは、例えば、ITO等の透明な導電性材料で構成されていることが好ましい。
このようなZ軸センサー部21zを用いて、次のようにしてZ軸方向の加速度を検出する。すなわち、Z軸方向の加速度が加わると、可動部82は、軸Jまわりにシーソー揺動する。このような可動部82のシーソー揺動によって、第1可動部821と第1検出電極211gとの離間距離、および第2可動部822と第2検出電極221hとの離間距離が変化し、これに応じてこれらの間の静電容量が変化する。そして、当該静電容量の変化に基づいてIC40にて加速度が求められる。
キャップ部23は、図7に示すように、下面に開口する凹部223を有し、凹部223が凹部211,212,213とで内部空間を形成するようにベース基板22に接合されている。このようなキャップ部23は、本実施形態ではシリコン基板で形成されている。キャップ部23とベース基板22とはガラスフリット24を用いて気密に接合されている。また、キャップ部23には、凹部223から外部に貫通する段付きの封止孔27が設けられている。封止孔27は、内部空間S2を窒素(N2)雰囲気とした状態で、溶融金属26、例えば溶融させた金ゲルマニウム合金(AuGe)を用いて封止されている。
[IC40]
図2に示すように、IC40は、接着材41を介して加速度センサー素子20の上面に配置されている。なお、接着材41としては、加速度センサー素子20上にIC40を固定することができれば、特に限定されず、例えば、半田、銀ペースト、樹脂系接着材(ダイアタッチ材)等を用いることができる。
IC40には、例えば、加速度センサー素子20を駆動する駆動回路や、加速度センサー素子20からの信号に基づいてX軸、Y軸およびZ軸の各軸方向の加速度を検出する検出回路(信号処理部45)や、検出回路からの信号を所定の信号に変換して出力する出力回路(出力部46)等が含まれている。また、IC40は、上面に複数の電極パッド(不図示)を有し、各電極パッドがボンディングワイヤー42を介して第2の基材12の内部端子19に電気的に接続され、各電極パッドがボンディングワイヤー43を介して加速度センサー素子20の接続端子29に電気的に接続されている。これにより、加速度センサー素子20を制御することができる。
次に、上述した第1実施形態に係る物理量センサー1の温度ヒステリシスとノイズ特性について、図9A、図9B、および図9Cを参照して説明する。図9Aは、物理量センサーの温度ヒステリシスを測定するための温度プロファイルを示すグラフであり、図9Bは、従来構造の物理量センサーの温度ヒステリシス測定結果を示すグラフであり、図9Cは、本発明に係る物理量センサーの温度ヒステリシス測定結果を示すグラフである。
[温度ヒステリシス]
本実施形態の物理量センサー1の昇温時と降温時との各温度における出力値(無負荷時のゼロ点出力値)の復元性(同温度におけるゼロ点出力値の差の有無)を示す、所謂温度ヒステリシスは、図9Aに示す温度プロファイルにより測定した。恒温槽内にセットされた物理量センサー1を、先ず、30℃から約−40℃付近まで降温し、その後、約90℃付近まで昇温し、再び、30℃まで降温し、各温度における出力値を測定した結果を図9Bおよび図9Cに示す。図9Bは、加速度センサー素子20が樹脂接着材18を介して対向する内底面11hにGNDパターン30を配置した従来構造の温度ヒステリシスであり、図9Cは、本実施形態の物理量センサー1(GNDパターン30が内底面11hと離間している構造)の温度ヒステリシスである。
従来構造の温度ヒステリシス(図9B)は、30℃付近から90℃付近への昇温時と90℃付近から30℃付近への降温時との出力値の差が大きい。これに対して、本実施形態に係る構造の物理量センサー1の温度ヒステリシス(図9C)は、30℃付近と90℃付近との間における昇温時と降温時の出力値の差が小さくなり、温度ヒステリシスが低減されている。従って、GNDパターン30がパッケージ7の内底面11hと離間している構造とすることで、GNDパターン30と第1の基材11との線膨張係数の違いに起因して生じる残留応力によるGNDパターン30表面の凹凸や歪みが、内底面11h上に配置された加速度センサー素子20に伝播し難くすることができ、温度ヒステリシスの小さい物理量センサー1を得ることができる。
[ノイズ特性]
本実施形態の物理量センサー1を、検査用ソケットに装着して測定したノイズ特性について、20Hz〜50Hzの平均値30[ug/√Hz]が、検査用ソケットに装着して測定した値と、回路基板(基板315)に実装して測定した値と、において同等となり、ノイズの劣化はないことが判明した。つまり、回路基板(基板315)から発生する輻射ノイズの影響を受けていないことであり、GNDパターン30が平面視で加速度センサー素子20と重なるように配置されているので、第1の基材11側から加速度センサー素子20に影響する輻射ノイズを、GNDパターン30で遮断することができると言える。従って、パッケージ7の外部からの輻射ノイズの影響を低減することができる物理量センサー1を得ることができる。
以上説明した第1実施形態に係る物理量センサー1によれば、GNDパターン30が内底面11hから基板11b,11cを挟み、離間して設けられているので、GNDパターン30の表面が加速度センサー素子20に触れない。そのため、GNDパターン30と第1の基材11との線膨張係数の違いに起因して生じる残留応力によるGNDパターン30表面の凹凸や歪みが、内底面11h上に配置された加速度センサー素子20に伝播し難くすることができ、物理量センサー1の温度ヒステリシスを低減させることができる。
また、GNDパターン30が平面視で加速度センサー素子20と重なるように配置されているので、第1の基材11側から加速度センサー素子20に影響するパッケージ7の外部からの輻射ノイズを、GNDパターン30で遮断することができるので、輻射ノイズの影響を低減することができる。
導電性を有する蓋部15とGNDパターン30とが、第1の基材11、第2の基材12、および第3の基材13に設けられ、それぞれが連通する貫通孔11g,12g,13gに充填された導電体32で電気的に接続されている。そのため、パッケージ7の蓋部15側や第1の基材11側から加速度センサー素子20に影響するパッケージ7の外部からの輻射ノイズを、蓋部15とGNDパターン30とで遮断することができるので、輻射ノイズの影響をより低減することができる。
パッケージ7内に形成されているアナログ用配線34aの幅L1を信号用配線34bの幅L2より大きく、又は、アナログ用配線34aの幅L1を信号用配線34bの幅L2の2倍以上とすることで、アナログ用配線34aのインピーダンスを下げ、パッケージ7の外部からの輻射ノイズの影響を低減することができる。
なお、上述した第1実施形態では、センサー素子としての加速度センサー素子20において、容器25内に三つのセンサー部であるX軸センサー部21x、Y軸センサー部21y、およびZ軸センサー部21zを収容した構成を一例に説明したが、加速度センサー素子は、必ずしも三つのセンサー部が収容されなくてもよく、用途に応じて必要な1軸、もしくは2軸を検出可能な加速度センサー素子とすることができる。以下、図10および図11を参照して、加速度センサー素子の応用例1および応用例2として説明する。
<応用例1>
先ず、図10を参照して、加速度センサー素子の応用例1を説明する。図10は、センサー素子の応用例1を示す平面図である。
応用例1に係る加速度センサー素子201は、図10に示すように、一つのセンサー部2xを有している。センサー部2xは、一つの軸方向の加速度を検出する部分である。このようなセンサー部2xは、図6および図8Aを示して説明したX軸センサー部21xの構成と同様の構成をなしている。したがって詳細な説明は省略する。そして、センサー部2xは、第1実施形態と同様な、ベース基板221およびキャップ部231を有する容器251に気密に収容されている。このような加速度センサー素子201では、一つの軸方向の加速度を検出することができる。
なお、加速度センサー素子201では、X軸センサー部21xと同様な構成のセンサー部2xを用いて説明したが、Y軸センサー部21y、もしくはZ軸センサー部21zと同様なセンサー部のいずれかが、容器251に気密に収容されている構成であってもよい。
<応用例2>
次に、図11を参照して、加速度センサー素子の応用例2を説明する。図11は、センサー素子の応用例2を示す平面図である。
応用例2に係る加速度センサー素子202は、図11に示すように、二つのセンサー部2x,2yを有している。センサー部2xは、一つの軸方向(本例ではX軸方向)の加速度を検出する部分である。このようなセンサー部2xは、図6および図8Aを示して説明したX軸センサー部21xの構成と同様の構成をなしている。また、センサー部2yは、一つの軸方向(本例ではY軸方向)の加速度を検出する部分である。このようなセンサー部2yは、図6および図8Bを示して説明したY軸センサー部21yの構成と同様の構成をなしている。したがって詳細な説明は省略する。そして、センサー部2xおよびセンサー部2yは、第1実施形態と同様な構成の、ベース基板222およびキャップ部232を有する容器252に気密に収容されている。このような加速度センサー素子202では、二つの軸方向(本例では、X軸方向およびY軸方向)の加速度を検出することができる。
なお、応用例2では、X軸方向およびY軸方向の2軸方向を検出可能な例を示したが、これに限らず、図6および図8Cを示して説明した構成のZ軸センサー部21zと同様なセンサー部と組み合わせた構成とすることができる。例えば、X軸方向とZ軸方向、もしくはY軸方向とZ軸方向の検出が可能な構成とすることができる。
また、応用例1および応用例2で示したような、1軸を検出可能な加速度センサー素子201、もしくは2軸を検出可能な加速度センサー素子202を収容した物理量センサーとすることができる。
<第2実施形態>
次に、第2実施形態に係る物理量センサーを、図12を参照して説明する。図12は、第2実施形態に係る物理量センサーの概略構成を示す平面図である。なお、図12は、外底面側から見た平面図であり、パッケージの裏面に相当する。また、以下の説明では、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
第2実施形態に係る物理量センサー1aは、第1実施形態に係る物理量センサー1に比べ、GNDパターン30aの配設位置が異なる。第1実施形態に係る物理量センサー1のGNDパターン30が基板11aの上面11jに設けられているのに対して、第2実施形態に係る物理量センサー1aのGNDパターン30aは、基板11aの外底面11rに設けられている。
本実施形態の物理量センサー1aは、図12に示すように、GNDパターン30aが基板11aの外底面11rに設けられ、平面視で加速度センサー素子20と重なる位置に配置されている。また、GNDパターン30aは、接続部31により、キャスタレーション28g,28kに接する外部端子16と電気的に接続されている。
以上説明した第2実施形態に係る物理量センサー1aによれば、第1実施形態と同様に、GNDパターン30aが基板11a,11b,11cを挟み、パッケージ7の内底面11hと離間して設けられている。そのため、GNDパターン30aと底板である第1の基材11との線膨張係数の違いに起因して生じる残留応力によるGNDパターン30a表面の凹凸や歪みが、加速度センサー素子20に伝播し難くなり、残留応力に起因して生じる温度ヒステリシスを低減させることができる。また、GNDパターン30aが平面視で加速度センサー素子20と重なる位置に配置されているので、パッケージ7の外部からの輻射ノイズの影響を低減することができ、高精度な加速度データを取得することができる。
<第3実施形態>
次に、第3実施形態に係る物理量センサーを、図13を参照して説明する。図13は、第3実施形態に係る物理量センサーの概略構成を示す斜視図である。なお、以下の説明では、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
第3実施形態に係る物理量センサー1bは、第1実施形態に係る物理量センサー1に比べ、蓋部15とGNDパターン30との電気的な接続方法が異なる。第1実施形態に係る物理量センサー1の蓋部15とGNDパターン30とが、第1の基材11、第2の基材12、および第3の基材13に設けられ、それぞれが連通する貫通孔11g,12g,13gに充填された導電体32で電気的に接続されている。これに対して、第3実施形態に係る物理量センサー1bの蓋部15とGNDパターン30とは、パッケージ7bの側面に設けられているキャスタレーション28kに金属材料などをメタライズして形成されている導電層32bを介して電気的に接続されている。
本実施形態の物理量センサー1bは、図13に示すように、蓋部15とGNDパターン30との電気的な接続するために、パッケージ7bの側面に設けられているキャスタレーション28kに金属材料などをメタライズして形成されている導電層32bが設けられている。従って、蓋部15とGNDパターン30とを同電位とすることができ、蓋部15とGNDパターン30とによって、蓋部15側と第1の基材11側とからの輻射ノイズの影響を低減することができる。
以上説明した第3実施形態に係る物理量センサー1bによれば、第1実施形態と同様に、GNDパターン30がパッケージ7の内底面11hと離間して設けられているため、残留応力に起因して生じる温度ヒステリシスを低減させることができる。また、蓋部15とGNDパターン30とがキャスタレーション28kに形成されている導電層32bを介して、電気的に接続されているため、パッケージ7の外部からの輻射ノイズの影響を低減することができる。
<第4実施形態>
次に、第4実施形態に係る物理量センサーを、図14を参照して説明する。図14は、第4実施形態に係る物理量センサーの概略構成を示す断面図である。なお、以下の説明では、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
第4実施形態に係る物理量センサー1cは、第1実施形態に係る物理量センサー1に比べ、パッケージ7cの構造が異なる。第1実施形態に係る物理量センサー1のパッケージ7が収容空間17を有するベース部10と平板な蓋部15とで構成されているのに対して、第4実施形態に係る物理量センサー1cのパッケージ7cは、平板な第1の基材11と収容空間17cを有する蓋部15cとで構成されている。
本実施形態の物理量センサー1cは、図14に示すように、基板11aと基板11bとの間にGNDパターン30が配設され、基板11cの上面(内底面11h)に樹脂接着材18を介して構造体5を構成する加速度センサー素子20が接合されている。また、加速度センサー素子20の上面には、接着材41を介してIC40が接合されている。IC40の電極パッド(不図示)と第1の基材11に設けられている台座12cの上面に配置されている内部端子19とがボンディングワイヤー42を介して電気的に接続されている。
蓋部15cは、金属などの導電性を有する材料で構成され、第1の基材11側に収容部となる収容空間17cを構成する凹陥部を有し、収容空間17cに構造体5が収容されている。第1の基材11と蓋部15cとは、それぞれの外縁に接する領域において、半田や導電性接着材などの接合部材(不図示)によって接合されている。そのため、構造体5をパッケージ7cの外側の雰囲気から遮断でき、コンパクトで高性能な物理量センサー1cとすることができる。なお、第1の基材11には、平面視でGNDパターン30と重なる位置に、基板11a,11b,11cを貫通する貫通孔11gが設けられ、貫通孔11g内に導電体32が充填されている。蓋部15cと基板11aの上面11jに設けられたGNDパターン30とは、導電体32により電気的に接続されている。そのため、蓋部15cとGNDパターン30とを同電位とすることができ、パッケージ7c外部からの輻射ノイズの影響を低減することができる。
以上説明した第4実施形態に係る物理量センサー1cによれば、第1実施形態と同様に、GNDパターン30が第1の基材11の基板11cの上面(内底面11h)と離間して設けられているため、残留応力に起因して生じる温度ヒステリシスを低減させることができる。また、蓋部15cとGNDパターン30とが貫通孔11gに充填されている導電体32を介して、電気的に接続されているため、パッケージ7c外部からの輻射ノイズの影響を低減することができる。
<第5実施形態>
次に、第5実施形態に係る物理量センサーを、図15を参照して説明する。図15は、第5実施形態に係る物理量センサーの概略構成を示す平面図である。なお、説明の便宜上、図15では蓋部を省略している。また、以下の説明では、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
第5実施形態に係る物理量センサー1dは、第1実施形態に係る物理量センサー1に比べ、パッケージ7の収容空間17に収容されるセンサー素子の構成が異なる。第1実施形態に係る物理量センサー1のパッケージ7の収容空間17には、3軸を検出可能な加速度センサー素子20とIC40とが収容されている。それに対し第5実施形態に係る物理量センサー1dは、第1実施形態と同様のパッケージ7の収容空間17に、前述した応用例1に係る1軸(X軸)を検出可能な加速度センサー素子201と、加速度センサー素子201を制御するIC40と、後述する1軸(Z軸)を検出可能な角速度センサー素子300と、角速度センサー素子300を制御するIC40aと、が収容されている。
本実施形態の物理量センサー1dは、図15に示すように、パッケージ7の収容空間17に、1軸を検出可能な加速度センサー素子201と1軸を検出可能な角速度センサー素子300とを収容しており、1軸の加速度を検出可能な加速度センサーと1軸の角速度を検出可能な角速度センサーとを備えている複合センサーとして利用可能である。
物理量センサー1dは、パッケージ7内に、加速度センサー素子201と、加速度センサー素子201上に配置されているIC40と、角速度センサー素子300と、角速度センサー素子300上に配置されているIC40aと、を備えている。加速度センサー素子201を制御するIC40は、IC40の上面に設けられている電極パッド41bが、ボンディングワイヤー42を介してパッケージ7に設けられている内部端子19と電気的に接続され、ボンディングワイヤー43を介して加速度センサー素子201に設けられている接続端子29と電気的に接続されている。また、角速度センサー素子300を制御するIC40aは、IC40aの上面に設けられている電極パッド41aが、ボンディングワイヤー42を介してパッケージ7に設けられている内部端子19と電気的に接続され、ボンディングワイヤー43を介して角速度センサー素子300に設けられている接続端子380と電気的に接続されている。よって、X軸の加速度とZ軸の角速度を検出することが可能となる。
なお、本実施形態では、X軸の1軸を検出する加速度センサー素子201とZ軸の1軸を検出する角速度センサー素子300とを備えた物理量センサー1dを一例として挙げ説明したが、これ限定することはなく、検出軸をX軸、Y軸、Z軸のいずれか1軸を検出する1軸の加速度センサー素子と、検出軸をX軸、Y軸、Z軸のいずれか1軸を検出する1軸の角速度センサー素子との組み合わせでも構わない。
以上説明した第5実施形態に係る物理量センサー1dによれば、第1実施形態と同様のパッケージ7に、加速度センサー素子201と角速度センサー素子300とを備えているため、残留応力に起因して生じる温度ヒステリシスやパッケージ7の外部からの輻射ノイズの影響を低減することができ、1軸の加速度と1軸の角速度とを検出可能な複合センサーとしての物理量センサー1dを得ることができる。
[角速度センサー素子300]
ここで、図16Aおよび図16Bを参照して、角速度センサー素子の一例を説明する。図16Aは、物理量センサーに用いられる角速度センサー素子の一例を示す平面図である。なお、説明の便宜上、図16Aでは蓋部を省略している。図16Bは、角速度センサー素子の一例を示す図16Aの断面図である。
図16Aおよび図16Bに示す角速度センサー素子300は、ジャイロ素子342と、ジャイロ素子342を収容するパッケージ349とを有している。以下、ジャイロ素子342およびパッケージ349について順次詳細に説明する。
図16Aは、上側(蓋部343側)から見たジャイロ素子342を示している。なお、ジャイロ素子342には、検出信号電極、検出信号配線、検出信号端子、検出接地電極、検出接地配線、検出接地端子、駆動信号電極、駆動信号配線、駆動信号端子、駆動接地電極、駆動接地配線および駆動接地端子などが設けられているが、同図においては省略している。
ジャイロ素子342は、Z軸まわりの角速度を検出する「面外検出型」のセンサーであって、図示しないが、基材と、基材の表面に設けられている複数の電極、配線および端子とで構成されている。ジャイロ素子342は、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの圧電材料で構成することができるが、これらの中でも、水晶で構成するのが好ましい。これにより、優れた振動特性(周波数特性)を発揮することのできるジャイロ素子342が得られる。
このようなジャイロ素子342は、いわゆるダブルT型をなす振動体344と、振動体344を支持する支持部としての第1支持部351および第2支持部352と、振動体344と第1支持部351とを連結する第1連結梁371および第2連結梁372と、振動体344と第2支持部352とを連結する第3連結梁373および第4連結梁374とを有している。
振動体344は、XY平面に拡がりを有し、Z軸方向に厚みを有している。このような振動体344は、中央に位置する基部410と、基部410からY軸方向に沿って両側に延出している第1検出振動腕421、第2検出振動腕422と、基部410からX軸方向に沿って両側に延出している第1連結腕431、第2連結腕432と、第1連結腕431の先端部からY軸方向に沿って両側に延出している第1駆動振動腕441、および第3駆動振動腕442と、第2連結腕432の先端部からY軸方向に沿って両側に延出している第2駆動振動腕443、および第4駆動振動腕444とを有している。
なお、第1駆動振動腕441、第3駆動振動腕442は、第1連結腕431の延在方向の途中から延出してもよく、同様に、第2駆動振動腕443、第4駆動振動腕444は、第2連結腕432の延在方向の途中から延出してもよい。また、本形態では、基部410から延出している第1連結腕431、第2連結腕432から第1駆動振動腕441、第3駆動振動腕442、第2駆動振動腕443、および第4駆動振動腕444が延出している構成で説明したが、基部410と第1連結腕431と第2連結腕432とを含めて基部とすることも可能である。即ち、基部から第1駆動振動腕、第2駆動振動腕、第3駆動振動腕、および第4駆動振動腕が延出している構成も可能である。
上述のような構成のジャイロ素子342は、次のようにしてZ軸まわりの角速度ωを検出する。ジャイロ素子342は、角速度ωが加わらない状態において、駆動信号電極(図示せず)および駆動接地電極(図示せず)の間に電界が生じると、各駆動振動腕441,443,442,444がX軸方向に屈曲振動を行う。この駆動振動を行っている状態にて、ジャイロ素子342にZ軸まわりに角速度が加わると、Y軸方向の振動が発生する。即ち、駆動振動腕441,443,442,444および連結腕431,432にY軸方向のコリオリの力が働き、この振動に呼応して、検出振動腕421,422のX軸方向の検出振動が励起される。そして、この振動により発生した検出振動腕421,422の歪みを検出信号電極(図示せず)および検出接地電極(図示せず)が検出して角速度を求めることができる。
ジャイロ素子342を収容しているパッケージ349について説明する。パッケージ349は、ジャイロ素子342を収容するものである。なお、パッケージ349には、ジャイロ素子342の他に、ジャイロ素子342の駆動等を行うICチップ等が収容されていてもよい。このようなパッケージ349は、その平面視(XY平面視)にて、略矩形状をなしている。
パッケージ349は、上面に開放する凹部を有するベース341と、凹部の開口を塞ぐようにベースに接合されている蓋部343とを有している。また、ベース341は、板状の底板361と、底板361の上面周縁部に設けられている枠状の側壁362とを有している。このようなパッケージ349は、その内側に収容空間を有しており、この収容空間内に、ジャイロ素子342が気密的に収容、設置されている。
ジャイロ素子342は、第1支持部351、第2支持部352にて、半田、導電性接着材(樹脂材料中に例えば銀の金属粒子などの導電性フィラーを分散させた接着材)などの導電性固定部材358を介して底板361の上面に固定されている。第1支持部351、第2支持部352は、ジャイロ素子342のY軸方向の両端部に位置するため、このような部分を底板361に固定することにより、ジャイロ素子342の振動体344が両持ち支持され、ジャイロ素子342を底板361に対して安定的に固定することができる。
また、導電性固定部材358は、第1支持部351、第2支持部352に設けられている2つの検出信号端子364、二つの検出接地端子354、駆動信号端子384および駆動接地端子394に対応(接触)して、かつ互いに離間して六つ設けられている。また、底板361の上面には、二つの検出信号端子364、二つの検出接地端子354、駆動信号端子384および駆動接地端子394に対応する六つの接続パッド350が設けられており、導電性固定部材358を介して、これら各接続パッド350とそれと対応するいずれかの端子とが電気的に接続されている。また、接続パッド350は、図示しない内部配線や貫通電極などを介して接続端子380に電気的に接続されている。
このような構成の角速度センサー素子300によれば、必要とする1軸方向の角速度を効率よく且つ高精度に検出することができる。
<第6実施形態>
次に、第6実施形態に係る物理量センサーを、図17を参照して説明する。図17は、第6実施形態に係る物理量センサーの概略構成を示す平面図である。なお、説明の便宜上、図17では蓋部を省略している。また、以下の説明では、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
第6実施形態に係る物理量センサー1eは、第1実施形態に係る物理量センサー1に比べ、パッケージ7の収容空間17に収容されるセンサー素子の構成が異なる。第1実施形態に係る物理量センサー1のパッケージ7の収容空間17には、3軸を検出可能な加速度センサー素子20とIC40とが収容されている。それに対し第6実施形態に係る物理量センサー1eは、第1実施形態と同様のパッケージ7の収容空間17に、前述した応用例2に係る2軸(X軸とY軸)を検出可能な加速度センサー素子202と、加速度センサー素子202を制御するIC40と、前述した1軸(Z軸)を検出可能な角速度センサー素子300と、角速度センサー素子300を制御するIC40aと、が収容されている。
本実施形態の物理量センサー1eは、図17に示すように、パッケージ7の収容空間17に、2軸を検出可能な加速度センサー素子202と、1軸を検出可能な角速度センサー素子300と、を収容しており、2軸の加速度を検出可能な加速度センサーと1軸の角速度を検出可能な角速度センサーとを備えている複合センサーとして利用可能である。
物理量センサー1eは、パッケージ7内に、加速度センサー素子202と、加速度センサー素子202上に配置されているIC40と、角速度センサー素子300と、角速度センサー素子300上に配置されているIC40aと、を備えている。加速度センサー素子202を制御するIC40は、IC40の上面に設けられている電極パッド41bが、ボンディングワイヤー42を介してパッケージ7に設けられている内部端子19と電気的に接続され、ボンディングワイヤー43を介して加速度センサー素子202に設けられている接続端子29と電気的に接続されている。また、角速度センサー素子300を制御するIC40aは、IC40aの上面に設けられている電極パッド41aが、ボンディングワイヤー42を介してパッケージ7に設けられている内部端子19と電気的に接続され、ボンディングワイヤー43を介して角速度センサー素子300に設けられている接続端子380と電気的に接続されている。よって、X軸とY軸の加速度とZ軸の角速度を検出することが可能となる。
なお、本実施形態では、X軸とY軸の2軸を検出する加速度センサー素子202とZ軸の1軸を検出する角速度センサー素子300とを備えた物理量センサー1eを一例として挙げ説明したが、これ限定することはなく、検出軸をX軸、Y軸、Z軸のいずれか2軸を検出する2軸の加速度センサー素子と、検出軸をX軸、Y軸、Z軸のいずれか1軸を検出する1軸の角速度センサー素子との組み合わせでも構わない。
以上説明した第6実施形態に係る物理量センサー1eによれば、第1実施形態と同様のパッケージ7に、加速度センサー素子202と角速度センサー素子300とを備えているため、残留応力に起因して生じる温度ヒステリシスやパッケージ7の外部からの輻射ノイズの影響を低減することができ、2軸の加速度と1軸の角速度とを検出可能な複合センサーとしての物理量センサー1eを得ることができる。
なお、上述した実施形態では、物理量センサーの一例である複合センサーとして、1軸(X軸)の加速度を検出可能な加速度センサー素子201と1軸(Z軸)の角速度を検出可能な角速度センサー素子300とを備えた物理量センサー1d(第5実施形態)や2軸(X軸、Y軸)の加速度を検出可能な加速度センサー素子202と1軸(Z軸)の角速度を検出可能な角速度センサー素子300とを備えた物理量センサー1e(第6実施形態)について説明した。この他にも、検出軸をX軸、Y軸、Z軸のいずれか1軸を検出する1軸の加速度センサー素子と、検出軸をX軸、Y軸、Z軸のいずれか2軸を検出する2軸の角速度センサー素子やX軸、Y軸、Z軸の3軸を検出する3軸の角速度センサー素子との組み合わせの複合センサーでも構わない。検出軸をX軸、Y軸、Z軸のいずれか2軸を検出する2軸の加速度センサー素子と、検出軸をX軸、Y軸、Z軸のいずれか2軸を検出する2軸の角速度センサー素子やX軸、Y軸、Z軸の3軸を検出する3軸の角速度センサー素子との組み合わせの複合センサーでも構わない。検出軸をX軸、Y軸、Z軸の3軸を検出する3軸の加速度センサー素子と、検出軸をX軸、Y軸、Z軸のいずれか1軸を検出する1軸の角速度センサー素子と、検出軸をX軸、Y軸、Z軸のいずれか2軸を検出する2軸の角速度センサー素子やX軸、Y軸、Z軸の3軸を検出する3軸の角速度センサー素子との組み合わせの複合センサーでも構わない。
<第7実施形態>
次に、第7実施形態に係る物理量センサーを、図18を参照して説明する。図18は、第7実施形態に係る物理量センサーの概略構成を示す断面図である。なお、以下の説明では、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
第7実施形態に係る物理量センサー1fは、第1実施形態に係る物理量センサー1に比べ、GNDパターン30fの構成が異なる。第1実施形態に係る物理量センサー1のGNDパターン30は、基板11aと基板11bとの間に設けられている。それに対し第7実施形態に係る物理量センサー1fのGNDパターン30fは、基板11aと基板11bとの間と、基板11cの上面である内底面11hと、に設けられている。
本実施形態の物理量センサー1fは、図18に示すように、構造体5が接続端子29側から構造体5の中央部までを樹脂接着材18によりパッケージ7の内底面11hに接着(接合)されている。
GNDパターン30fは、加速度センサー素子20とパッケージ7とが重なる方向からの平面視で、内底面11hに接着されている樹脂接着材18の接着領域と重なる領域で、基板11aと基板11bとの間に設けられているGNDパターン30f1と、内底面11hに接着されている樹脂接着材18の接着領域と重ならない領域で、基板11cの上面である内底面11hに設けられているGNDパターン30f2とで構成されている。
また、GNDパターン30f1とGNDパターン30f2とは、基板11b,11cに設けられた貫通孔11fに充填した導電体32fにより電気的に接続されている。
従って、樹脂接着材18の接着領域と重なる領域は、GNDパターン30f1が内底面11hから離間して設けられているので、GNDパターン30f1と底板11との線膨張係数の違いに起因して生じる残留応力によるGNDパターン30f1表面の凹凸や歪みが、内底面11h上に配置された加速度センサー素子20に伝播し難くすることができ、物理量センサー1fの温度ヒステリシスを低減させることができる。
また、樹脂接着材18の接着領域と重ならない領域は、GNDパターン30f2が設けられているので、パッケージ7の外部からの輻射ノイズを、GNDパターン30f1とGNDパターン30f2とで遮断することができ、輻射ノイズの影響を低減することができる。
以上説明した第7実施形態に係る物理量センサー1fによれば、第1実施形態と同様に、GNDパターン30fがパッケージ7の内底面11hと離間して設けられているため、残留応力によるGNDパターン30f表面の凹凸や歪みが、加速度センサー素子20に伝播し難くなり、残留応力に起因して生じる温度ヒステリシスを低減させることができる。また、GNDパターン30fが平面視で加速度センサー素子20と重なる位置に配置されているので、パッケージ7の外部からの輻射ノイズの影響を低減することができ、高精度な加速度データを取得することができる。
[慣性計測ユニット]
次に、図19および図20を参照して、慣性計測ユニット(IMU:Inertial Measurement Unit)について説明する。図19は、慣性計測ユニットの概略構成を示す分解斜視図であり、図20は、慣性計測ユニットの慣性センサー素子の配置例を示す斜視図である。
図19に示すように、慣性計測ユニット3000は、アウターケース301、接合部材310、慣性センサー素子を含むセンサーモジュール325などから構成されている。換言すれば、アウターケース301の内部303に、接合部材310を介在させて、センサーモジュール325を篏合(挿入)した構成となっている。センサーモジュール325は、インナーケース320と、基板315とから構成されている。なお、説明を解り易くするために、部位名をアウターケース、インナーケースとしているが、第1ケース、第2ケースと呼び換えても良い。
アウターケース301は、アルミニウムを箱状に削り出した台座である。材質は、アルミニウムに限定するものではなく、亜鉛やステンレスなど他の金属や、樹脂、または、金属と樹脂の複合材などを用いても良い。アウターケース301の外形は、前述した慣性計測ユニット3000の全体形状と同様に、平面形状が略正方形の直方体であり、正方形の対角線方向に位置する2ヶ所の頂点近傍に、それぞれネジ穴302が形成されている。なお、ネジ穴302に限定するものではなく、例えば、ネジによりネジ止めすることが可能な切り欠き(ネジ穴302の位置するアウターケース301のコーナー部に切り欠きを形成する構造)を形成してネジ止めする構成としてもよいし、あるいは、アウターケース301の側面にフランジ(耳)を形成して、フランジ部分をネジ止めする構成としても良い。ただし、前者の切り欠き穴を固定部としてネジ止めする場合に、切り欠き穴の切り欠きがネジ径よりも広く開いていると、ネジ止めする際にネジが切り欠きからずれ出して斜めになってしまい、ネジ止めの固定が外れやすくなったり、ずれたネジによってアウターケースの切り欠き穴部分が変形してしまったり削れたりする虞がある。このため、固定部として切り欠き穴を設ける場合には、切り欠き穴の切り欠きをネジの径よりも小さく設けることが好ましい。
アウターケース301は、外形が直方体で蓋のない箱状であり、その内部303(内側)は、底壁305と側壁304とで囲まれた内部空間(容器)となっている。換言すれば、アウターケース301は、底壁305と対向する一面を開口面とする箱状をなしており、その開口面の開口部のほとんどを覆うように(開口部を塞ぐように)センサーモジュール325が収容され、センサーモジュール325が開口部から露出した状態となる(不図示)。ここで、底壁305と対向する開口面とは、アウターケース301の上面307と同一面である。また、アウターケース301の内部303の平面形状は、正方形の二つの頂点部分の角を面取りした六角形であり、面取りされた二つの頂点部分はネジ穴302の位置に対応している。また、内部303の断面形状(厚み方向)において、底壁305には、内部303、即ち内部空間における周縁部に中央部よりも一段高い底壁としての第1接合面306が形成されている。即ち、第1接合面306は、底壁305の一部であり、平面的に底壁305の中央部を囲ってリング状に形成された一段の階段状の部位であり、底壁305よりも開口面(上面307と同一面)からの距離が小さい面である。
なお、アウターケース301の外形が、平面形状が略正方形の直方体で蓋のない箱状である一例について説明したが、これに限らず、アウターケース301の外形の平面形状は、例えば六角形や八角形などの多角形であってもよいし、その多角形の頂点部分の角が面取りされていたり、各辺が曲線である平面形状であったりしてもよい。また、アウターケース301の内部303(内側)の平面形状も、上述した六角形に限らず、正方形などの方形(四角形)や、八角形などの他の多角形状であってもよい。また、アウターケース301の外形と内部303の平面形状とは相似形であってもよいし、相似形でなくてもよい。
インナーケース320は、基板315を支持する部材であり、アウターケース301の内部303に収まる形状となっている。詳しくは、平面的には、正方形の二つの頂点部分の角を面取りした六角形であり、その中に長方形の貫通穴である開口部321と、基板315を支持する側の面に設けられた凹部331とが形成されている。面取りされた二つの頂点部分はアウターケース301のネジ穴302の位置に対応している。厚み方向(Z軸方向)の高さは、アウターケース301の上面307から第1接合面306までの高さよりも、低くなっている。好適例では、インナーケース320もアルミニウムを削り出して形成しているが、アウターケース301と同様に他の材質を用いても良い。
インナーケース320の裏面(アウターケース301側の面)には、基板315を位置決めするための案内ピンや、支持面(いずれも図示せず)が形成されている。基板315は、当該案内ピンや、支持面にセット(位置決め搭載)されてインナーケース320の裏面に接着される。なお、基板315の詳細については後述する。インナーケース320の裏面の周縁部は、リング状の平面からなる第2接合面322となっている。第2接合面322は、平面的にアウターケース301の第1接合面306と略同様な形状であり、インナーケース320をアウターケース301にセットした際には、接合部材310を挟持した状態で二つの面が向い合うことになる。なお、アウターケース301およびインナーケース320の構造については、一実施例であり、この構造に限定されるものではない。
図20を参照して、慣性センサーが実装された基板315の構成について説明する。図20に示すように、基板315は、複数のスルーホールが形成された多層基板であり、ガラスエポキシ基板(ガラエポ基板)を用いている。なお、ガラエポ基板に限定するものではなく、複数の慣性センサーや、電子部品、コネクターなどを実装可能なリジット基板であれば良い。例えば、コンポジット基板や、セラミック基板を用いても良い。
基板315の表面(インナーケース320側の面)には、コネクター316、角速度センサー317z、加速度センサーとしての物理量センサー1などが実装されている。コネクター316は、プラグ型(オス)のコネクターであり、X軸方向に等ピッチで配置された二列の接続端子を備えている。好適には、一列10ピンで合計20ピンの接続端子としているが、端子数は、設計仕様に応じて適宜変更しても良い。
慣性センサーとしての角速度センサー317z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。
また、基板315のX軸方向の側面には、実装面(搭載面)がX軸と直交するように、X軸方向における1軸の角速度を検出する角速度センサー317xが実装されている。同様に、基板315のY軸方向の側面には、実装面(搭載面)がY軸と直交するように、Y軸方向における1軸の角速度を検出する角速度センサー317yが実装されている。
なお、角速度センサー317x,317y,317zは、前述にて図16Aおよび図16Bを参照して説明した角速度センサー素子300を用いることができる。また、軸ごとの三つの角速度センサーを用いる構成に限定するものではなく、3軸の角速度が検出可能なセンサーであれば良く、例えば、後述する物理量センサー1のように、一つのデバイス(パッケージ)で3軸の角速度が検出(検知)可能なセンサーデバイスを用いても良い。
第1実施形態で説明したと同様な物理量センサー1は、一つのデバイスでX軸、Y軸、Z軸の三方向(3軸)の加速度を検出(検知)可能な、例えばシリコン基板をMEMS技術で加工した静電容量型の加速度センサー素子20(例えば図5参照)を用い、樹脂接着材18(図2参照)を用いてパッケージ7(図2参照)に接合された構成を有している。なお、必要に応じて、X軸、Y軸の2軸方向の加速度を検出可能な加速度センサー素子202、もしくは1軸方向の加速度を検出可能な加速度センサー素子201を適用した物理量センサーとすることができる。
基板315の裏面(アウターケース301側の面)には、物理量センサー1および三つの角速度センサー317x,317y,317zを制御する制御部としての制御IC319が実装されている。制御IC319は、MCU(Micro Controller Unit)であり、不揮発性メモリーを含む記憶部や、A/Dコンバーターなどを内蔵しており、慣性計測ユニット3000の各部を制御する。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や、検出データをディ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。なお、基板315には、その他にも複数の電子部品が実装されている。
このような慣性計測ユニット3000によれば、加速度センサー素子20がパッケージ7(図2参照)に実装されている第1実施形態の物理量センサー1を用いているため、慣性計測ユニット3000を実装する場合などの熱処理に起因して生じる、加速度データの出力における温度ヒステリシスを減少させることができる。したがって、信頼性を高めた慣性計測ユニット3000を提供することができる。
[電子機器]
次に、物理量センサー1,1a,1b,1c,1d,1e、1fを用いた電子機器について、図21〜図24Bに基づき、詳細に説明する。なお、以下では、物理量センサー1を用いた例を示して説明する。
先ず、図21を参照して、電子機器の一例であるモバイル型のパーソナルコンピューターについて説明する。図21は、電子機器の一例であるモバイル型のパーソナルコンピューターの構成を模式的に示す斜視図である。
この図において、パーソナルコンピューター1100は、キーボード1102を備えた本体部1104と、表示部1108を備えた表示ユニット1106とにより構成され、表示ユニット1106は、本体部1104に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。このようなパーソナルコンピューター1100には、加速度センサーとして機能する物理量センサー1が内蔵されており、物理量センサー1の検出データに基づいて制御部1110が、例えば姿勢制御などの制御を行なうことができる。また、このようなパーソナルコンピューター1100には、温度センサー(不図示)と、物理量センサー1によって検出された検出信号を温度補正する補正部(不図示)と、が備えられているので、より高精度に姿勢制御などの制御を行なうことができる。
次に、図22を参照して、電子機器の一例であるスマートフォン(携帯型電話機)について説明する。図22は、電子機器の一例であるスマートフォン(携帯型電話機)の構成を模式的に示す斜視図である。
この図において、スマートフォン1200は、上述した物理量センサー1が組込まれている。物理量センサー1によって検出された検出信号(加速度データ)は、スマートフォン1200の制御部1201に送信される。制御部1201は、CPU(Central Processing Unit)を含んで構成されており、受信した検出信号からスマートフォン1200の姿勢や、挙動を認識して、表示部1208に表示されている表示画像を変化させたり、警告音や、効果音を鳴らしたり、振動モーターを駆動して本体を振動させることができる。換言すれば、スマートフォン1200のモーションセンシングを行い、計測された姿勢や、挙動から、表示内容を変えたり、音や、振動などを発生させたりすることができる。特に、ゲームのアプリケーションを実行する場合には、現実に近い臨場感を味わうことができる。また、このようなスマートフォン1200には、温度センサー(不図示)と、物理量センサー1によって検出された検出信号を温度補正する補正部(不図示)と、が備えられているので、より高精度に姿勢制御などの制御を行なうことができる。
次に、図23を参照して、電子機器の一例であるディジタルスチールカメラについて説明する。図23は、電子機器の一例であるディジタルスチールカメラの構成を示す斜視図である。なお、この図には、外部機器との接続についても簡易的に示されている。
ディジタルスチールカメラ1300のケース(ボディー)1302の背面には、表示部1310が設けられ、CCDによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部1310は、被写体を電子画像として表示するファインダーとしても機能する。また、ケース1302の正面側(図中裏面側)には、光学レンズ(撮像光学系)やCCDなどを含む受光ユニット1304が設けられている。
撮影者が表示部1310に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン1306を押下すると、その時点におけるCCDの撮像信号が、メモリー1308に転送・格納される。また、このディジタルスチールカメラ1300では、ケース1302の側面に、ビデオ信号出力端子1312と、データ通信用の入出力端子1314とが設けられている。そして、図示されるように、ビデオ信号出力端子1312にはテレビモニター1430が、データ通信用の入出力端子1314にはパーソナルコンピューター1440が、それぞれ必要に応じて接続される。さらに、所定の操作により、メモリー1308に格納された撮像信号が、テレビモニター1430や、パーソナルコンピューター1440に出力される構成になっている。このようなディジタルスチールカメラ1300には、加速度センサーとして機能する物理量センサー1が内蔵されており、物理量センサー1の検出データに基づいて制御部1316が、例えば手振れ補正などの制御を行なうことができる。また、このようなディジタルスチールカメラ1300には、温度センサー(不図示)と、物理量センサー1によって検出された検出信号を温度補正する補正部(不図示)と、が備えられているので、より高精度に姿勢制御などの制御を行なうことができる。
このような電子機器は、物理量センサー1、制御部1110,1201,1316、および補正部(不図示)を備えているので、優れた信頼性を有している。
なお、物理量センサー1を備える電子機器は、図21のパーソナルコンピューター、図22のスマートフォン(携帯電話機)、図23のディジタルスチールカメラの他にも、例えば、タブレット端末、時計、インクジェット式吐出装置(例えばインクジェットプリンター)、ラップトップ型パーソナルコンピューター、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳(通信機能付も含む)、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、POS端末、医療機器(例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡)、魚群探知機、各種測定機器、計器類(例えば、車両、航空機、船舶の計器類)、フライトシミュレーター、地震計、歩数計、傾斜計、ハードディスクの振動を計測する振動計、ロボットやドローンなど飛行体の姿勢制御装置、自動車の自動運転用慣性航法に使用される制御機器等に適用することができる。
更に、図24Aおよび図24Bを参照して、電子機器の一例として腕時計型の活動計(アクティブトラッカー)について説明する。図24Aは、電子機器の一例である活動計の構成を示す平面図であり、図24Bは、電子機器の一例である活動計の機能を説明する機能ブロック図である。
バンド等によって手首等の部位(被検体)に装着され、ディジタル表示の表示部を備え無線通信が可能である。上述した本発明に係る物理量センサー1は、加速度センサーや角速度センサーとして腕時計型の活動計1400に組込まれている。
表示部を構成する液晶ディスプレイ(LCD)では、種々の検出モードに応じて、例えば、GPSや地磁気センサーを用いた位置情報、移動量や加速度センサーや角速度センサーなどを用いた運動量などの運動情報、脈波センサーなどを用いた脈拍数などの生体情報、もしくは現在時刻などの時刻情報などが表示される。
活動計1400は、ランニングウォッチ、ランナーズウォッチ、デュアスロンやトライアスロン等マルチスポーツ対応のランナーズウォッチ、アウトドアウォッチ、及び衛星測位システム、例えば、GPSを搭載したGPSウォッチ、等に広く適用できる。
活動計1400は、ユーザー(装着者)の所与の部位(例えば、手首)に装着され、ユーザーの位置情報や運動情報などを検出することができる。活動計1400は、図24Aに示すように、ユーザーに装着されて位置情報や運動情報などを検出する機器本体1410と、機器本体1410に取り付けられ機器本体1410をユーザーに装着するための第1のバンド部1412および第2のバンド部1414と、を有する。なお、活動計1400には、ユーザーの位置情報や運動情報に加えて、例えば脈波情報などの生体情報を検出する機能や時刻情報などを取得する機能を設けることができる。
次に、活動計1400の機能について、図24Bを参照して説明する。
図24Bに示すように、処理部1450(プロセッサー)は、例えば、MPU(Micro Processing Unit)、DSP(Digital Signal Processor)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)等により構成される。処理部1450は、記憶部1474に格納されたプログラムと、操作部1470から入力された信号とに基づき、各種の処理を実行する。処理部1450による処理には、GPSセンサー1460、地磁気センサー1461、圧力センサー1462、加速度センサー1463、角速度センサー1464、脈拍センサー1465、温度センサー1466、計時部1472の各出力信号に対するデータ処理、表示部1476に画像を表示させる表示処理、音出力部1478に音を出力させる音出力処理、通信部1480を介してユーザー端末1490と通信を行う通信処理、バッテリー1482からの電力を各部へ供給する電力制御処理などが含まれる。
なお、通信部1480は、例えば、Bluetooth(登録商標)(BTLE:Bluetooth Low Energyを含む)、Wi−Fi(登録商標)(Wireless Fidelity)、Zigbee(登録商標)、NFC(Near field communication)、ANT+(登録商標)等の近距離無線通信規格に対応した送受信機や通信部1480はUSB(Universal Serial Bus)等の通信バス規格に対応したコネクターを含んで構成される。
本発明に係る物理量センサー1としての加速度センサー1463は、互いに交差する(理想的には直交する)3軸方向の各々の加速度を検出し、検出した3軸加速度の大きさ及び向きに応じた信号(加速度信号)を出力する。
本発明に係る物理量センサー1としての角速度センサー1464は、互いに交差する(理想的には直交する)3軸方向の各々の角速度を検出し、検出した3軸角速度の大きさ及び向きに応じた信号(角速度信号)を出力する。
腕時計型の活動計1400は以下の機能を有している。
距離:高精度のGPS機能により計測開始からの合計距離を計測する。
ペース:ペース距離計測から、現在の走行ペースを表示する。
平均スピード:平均スピード走行開始から現在までの平均スピードを算出し表示する。
標高:GPS機能により、標高を計測し表示する。
ストライド:GPS電波が届かないトンネル内などでも歩幅を計測し表示する。
ピッチ:1分あたりの歩数を計測し表示する。
心拍数:脈拍センサーにより心拍数を計測し表示する。
勾配:山間部でのトレーニングやトレイルランにおいて、地面の勾配を計測し表示する。
オートラップ:事前に設定した一定距離や一定時間を走った時に、自動でラップ計測を行う。
運動消費カロリー:消費カロリーを表示する。
歩数:運動開始からの歩数の合計を表示する。
衛星測位システムとしてGPS(Global Positioning System)を用いて説明したが、他の全地球航法衛星システム(GNSS:Global Navigation Satellite System)を利用してもよい。例えば、EGNOS(European Geostationary-Satellite Navigation Overlay Service)、QZSS(Quasi Zenith Satellite System)、GLONASS(GLObal NAvigation Satellite System)、GALILEO、BeiDou(BeiDou Navigation Satellite System)、等の衛星測位システムのうち1又は2以上を利用してもよい。また、衛星測位システムの少なくとも1つにWAAS(Wide Area Augmentation System)、EGNOS(European Geostationary Satellite Navigation Overlay Service)等の静止衛星型衛星航法補強システム(SBAS:Satellite based Augmentation System)を利用してもよい。
[移動体]
次に、物理量センサー1,1a,1b,1c,1d,1e、1fを用いた移動体について、代表例として物理量センサー1を用いた例を図25に示し、詳細に説明する。図25は、移動体の一例である自動車の構成を示す斜視図である。
図25に示すように、自動車1500には物理量センサー1が内蔵されており、例えば、物理量センサー1によって車体1501の姿勢を検出することができる。物理量センサー1の検出信号は、姿勢制御部としての車体姿勢制御装置1502に供給され、車体姿勢制御装置1502は、その信号に基づいて車体1501の姿勢を検出し、検出結果に応じてサスペンションの硬軟を制御したり、個々の車輪1503のブレーキを制御したりすることができる。また、物理量センサー1は、他にもキーレスエントリー、イモビライザー、カーナビゲーションシステム、カーエアコン、アンチロック・ブレーキ・システム(ABS:Antilock Brake System)、エアバック、タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム(TPMS:Tire Pressure Monitoring System)、エンジンコントロール、自動運転用慣性航法の制御機器、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池モニター等の電子制御ユニット(ECU:Electronic Control Unit)に広く適用できる。
また、移動体に適用される物理量センサー1は、上記の例示の他にも、例えば、二足歩行ロボットや電車などの姿勢制御、ラジコン飛行機、ラジコンヘリコプター、およびドローンなどの遠隔操縦あるいは自律式の飛行体の姿勢制御、農業機械(農機)、もしくは建設機械(建機)などの姿勢制御において利用することができる。以上のように、各種移動体の姿勢制御の実現にあたって、物理量センサー1、および姿勢制御部(不図示)が組み込まれる。
このような移動体は、物理量センサー1、および姿勢制御部(不図示)を備えているので、優れた信頼性を有している。
以上、物理量センサー1,1a,1b,1c,1d,1e,1f、慣性計測システム(3000)、電子機器(1100,1200,1300,1400)、および移動体(1500)を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。
また、前述した実施形態では、加速度センサー素子が三つのセンサー部を有している構成について説明したが、センサー部の数としては、これに限定されず、一つまたは二つであってもよいし、四つ以上であってもよい。また、前述した実施形態では、物理量センサーのセンサー素子として加速度センサー素子を用いているが、物理量センサーのセンサー素子としては、加速度センサー素子に限定されず、例えば、圧力センサー素子であってもよいし、角速度センサー素子であってもよい。また、例えば、加速度および角速度等の異なる物理量を同時に検出することのできる複合センサーであってもよい。
1,1a,1b,1c,1d,1e,1f…物理量センサー、5…構造体、7…容器としてのパッケージ、10…ベース部、11…底板としての第1の基材、11a,11b,11c…基板、11g…貫通孔、11h…内底面、11j…上面、11r…外底面、12…第2の基材、12g…貫通孔、13…第3の基材、13g…貫通孔、14…封止部材、15…蓋体としての蓋部、16…外部端子、17…収容空間、17a…収容部としての凹陥部、17b…開口部、18…樹脂接着材、19…内部端子、20…センサー素子としての加速度センサー素子、20r…下面、21x…X軸センサー部、21y…Y軸センサー部、21z…Z軸センサー部、22…ベース基板、28…キャスタレーション、29…接続端子、30…GNDパターン、32…導電体、34a…アナログ用配線、34b…信号用配線、36…貫通孔、40…回路素子としてのIC、41…接着材、42,43…ボンディングワイヤー、45…信号処理部、46…出力部、300…角速度センサー素子、1100…パーソナルコンピューター、1200…スマートフォン(携帯電話機)、1300…ディジタルスチールカメラ、1400…活動計、1500…自動車、3000…慣性計測ユニット。

Claims (18)

  1. センサー素子と、
    前記センサー素子が取り付けられている内底面を含む収容部を含む容器と、
    前記センサー素子の前記内底面側とは反対側の面に取り付けられ、前記センサー素子と電気的に接続されている回路素子と、
    前記容器の前記内底面を含む底板に設けられているGNDパターンと、
    を含み、
    前記GNDパターンは、前記内底面から離間して設けられている、物理量センサー。
  2. 請求項1において、
    前記GNDパターンは、前記センサー素子と前記容器とが重なる方向からの平面視で、前記センサー素子と重なるように配置されている、物理量センサー。
  3. 請求項1又は請求項2において、
    前記底板は、複数の基板が積層されている積層基板である、物理量センサー。
  4. 請求項3において、
    前記積層基板の積層数は、三層である、物理量センサー。
  5. 請求項1乃至請求項4のいずれか一項において、
    前記容器は、
    前記底板と、
    前記底板に積層されている環状の基板と、
    前記底板と前記環状の基板で構成される凹陥部が閉空間となるように、前記凹陥部の開口部を封止している導電性を有する蓋体と、を含み、
    前記凹陥部の内部が前記収容部となる、物理量センサー。
  6. 請求項5において、
    前記蓋体と、前記GNDパターンと、は、
    前記容器の側面に設けられているキャスタレーションに形成されている導電層、或いは、前記環状の基板を貫通する孔の中に充填されている導電体、を介して電気的に接続されている、物理量センサー。
  7. 請求項4乃至請求項6のいずれか一項において、
    前記GNDパターンは、前記積層基板の何れかの層間に設けられている、物理量センサー。
  8. 請求項1乃至請求項6のいずれか一項において、
    前記GNDパターンは、前記底板の前記内底面の側とは反対側の外側の面に設けられている、物理量センサー。
  9. 請求項1乃至請求項4のいずれか一項において、
    前記容器は、
    凹陥部を有している蓋体と、
    前記凹陥部が閉空間となるように、前記凹陥部の開口部を封止している前記底板と、
    を含み、
    前記凹陥部の内部が前記収容部となる、物理量センサー。
  10. 請求項9において、
    前記底板は、前記平面視で、前記GNDパターンと重なる位置に、前記底板を貫通する貫通孔に充填されている導電体を含み、
    前記蓋体と、前記GNDパターンと、は、前記導電体により電気的に接続されている、物理量センサー。
  11. 請求項1乃至請求項10のいずれか一項において、
    前記センサー素子は、接着材を用いて前記内底面に接着され、
    前記平面視で、前記センサー素子が前記接着材により前記内底面に接着されている接着領域と重なる領域において、
    前記GNDパターンは、前記内底面から離間して設けられている、物理量センサー。
  12. 請求項1乃至請求項11のいずれか一項において、
    前記容器内に形成されている複数の配線のうち、アナログ用配線の幅は、信号用配線の幅よりも大きい、物理量センサー。
  13. 請求項12において、
    前記アナログ用配線の幅をL1、
    前記信号用配線の幅をL2、としたとき、
    L1/L2≧2、
    を満している、物理量センサー。
  14. 請求項1乃至請求項13のいずれか一項において、
    前記センサー素子は、加速度センサー素子である、物理量センサー。
  15. 請求項1乃至請求項14のいずれか一項において、
    前記容器の中に搭載されている角速度センサー素子を含む、物理量センサー。
  16. 請求項1乃至請求項14のいずれか一項に記載の物理量センサーと、
    角速度センサーと、
    前記物理量センサーおよび前記角速度センサーを制御する制御部と、
    を備えている、慣性計測ユニット。
  17. 請求項1乃至請求項15のいずれか一項に記載の物理量センサーと、
    前記物理量センサーから出力された検出信号に基づいて制御を行う制御部と、
    前記検出信号を補正する補正部と、
    を備えている、電子機器。
  18. 請求項1乃至請求項15のいずれか一項に記載の物理量センサーと、
    前記物理量センサーから出力された検出信号に基づいて姿勢制御を行う姿勢制御部と、
    を備えている、移動体。
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