JP2008058144A

JP2008058144A - 慣性センサ、及び慣性センサの製造方法

Info

Publication number: JP2008058144A
Application number: JP2006235131A
Authority: JP
Inventors: Kenji Sato; 健二佐藤
Original assignee: Epson Toyocom Corp
Current assignee: Miyazaki Epson Corp
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2008-03-13

Abstract

【課題】検出素子の検出性能を悪化させることなく、検出素子の検出軸の角度調整を精度
良く行うことができる慣性センサを提供する。
【解決手段】所定の検出軸方向の物理量の大きさを検出する水晶振動素子１１と、水晶振
動素子１１を支持する支持基板１２と、支持基板１２を収納するセラミックパッケージ１
７と、支持基板１２とセラミックパッケージ１７の内底面との間に接続され、水晶振動素
子１１の検出軸Ｇを検出すべき正規方向から所定角度傾斜させる金属球２とを備えるよう
にした。
【選択図】図１

Description

本発明は、加速度センサやジャイロセンサ等の慣性センサ、及び慣性センサの製造方法
に関わり、特に車載用のナビゲーション装置等に好適なものである。

カーナビゲーション装置が広く普及している。このようなカーナビゲーション装置にお
いて、自動車等の車両の現在位置を検出する際には、所謂ＧＰＳ(Global Positioning Sy
stem)を用いて測位する方法と、車両の移動方向、及び移動距離を自立的に測位する方法
とが併用されている。このため、カーナビゲーション装置においては、車両の移動方向、
及び移動距離を自立的に測位するために車両に加わる加速度や角速度等を検出するジャイ
ロセンサ（角速度センサ）や加速度センサ等の慣性センサが搭載されている。
このような慣性センサにより角速度や加速度等を検出する場合は、検出すべき方向に検
出軸を向ける必要があり、例えば、ジャイロセンサであれば、検出軸が鉛直上方を向くよ
うに設置する必要があった。

ところで、近年、カーナビゲーション装置は、小型化が進み、従来、座席の下やトラン
クルーム内等に配置されていた装置本体（以下、「ナビゲーション本体」と称する）を運
転席と助手席との間に位置するセンターコンソールに設置するタイプのものが開発されて
いる。
図５は、センターコンソールに設置されたナビゲーション本体を示した図であり、（ａ
）はその全体斜視図、（ｂ）はカーナビゲーション本体に実装されているジャイロセンサ
を示した図である。

図５（ａ）に示すように、センターコンソール１０２にナビゲーション本体１００を設
置する場合、ナビゲーション本体１００に取り付けられている表示装置１０１の視認性や
、図示しない操作パネルの操作性の観点から表示装置１０１、及び操作パネルの盤面を運
転者の目線方向に向けることが好ましい。つまり、ナビゲーション本体１００を水平方向
から斜め上方に傾斜させてセンターコンソール１０２内に設置することが好ましい。しか
しながら、ナビゲーション本体１００を斜め上方に傾斜させてセンターコンソール１０２
に設置した場合は、図５（ｂ）に示すようにナビゲーション本体１００内のプリント基板
１０３に実装されているジャイロセンサ１０４の検出軸Ｇが、本来向けられるべき方向で
ある鉛直方向Ｖからナビゲーション本体１００の取り付け角度（傾き角）θだけ傾いてし
まうため、ジャイロセンサ１０４において検出される角速度に誤差が生じる。

通常のカーナビゲーション装置では、ナビゲーション本体１００の取り付け角度により
発生するジャイロセンサ１０４等の検出誤差を補正するため、ソフトウェアの演算処理に
より検出結果の補正が行われているが、このようなソフトウェアによる補正処理には限界
があり、例えば、ナビゲーション本体１００の傾き角θが３０°以上になるとソフトウェ
アの演算処理では補正しきれないのが現状であった。
このため、カーナビゲーション装置では、斜めに傾けて搭載した場合でも正確に検出を
行うことができる慣性センサが求められ、そのようなセンサが各種提案されている。
例えば、特許文献１には、センサ内部の角速度検出素子を保持部材により傾けることで
、センサの形状やセンサの実装方法を変えずに検出軸を傾けるようにした角速度センサが
開示されている。

また特許文献２には、一定の方向性を有する物理量の当該方向及び大きさを検出する検
出素子と、検出素子を固定支持する取付部と、を備えるセンサ装置において、検出素子が
方向及び大きさを検出する基準である検出軸の方向と、当該検出する際に実際に検出素子
に加わる物理量の方向と、の差として予測される角度差を減少させる減少方向に予め設定
された減少角度だけ傾斜して取付部に固定するようにしたセンサ装置が開示されている。
また特許文献３には、振動子を支持基板に接続する脚部、及びその支持基板とパッケー
ジ用基板とを接続する接着剤によって、パッケージ内の振動子の角度を設定し、振動子の
検出軸を所望方向に配向させるようにした振動子の支持構造が開示されている。
ＷＯ０３／１００３５０特開２００３−２２７８４４公報特開２００５−２４９４２８公報

しかしながら、上記特許文献１では、基台上に振動子を保持する保持部材は、弾性変形
が可能であり、このような弾性変形部材を弾性変形させることで振動子の検出軸の角度を
調整しているため、検出軸の調整精度が悪いという欠点があった。
また特許文献２は、接着剤により検出素子を取付部に固着して振動子の検出軸の角度調
整を行っているため、やはり検出軸の調整精度が悪いという欠点があった。
さらに、特許文献３では、未硬化接着剤の量を変化させた後、未硬化接着剤を硬化させ
ることによって振動子の検出軸を設定しているため、上記同様、検出軸の角度調整の精度
が悪いという欠点があった。

さらにまた、特許文献１、２に開示されているセンサでは、検出素子を取付部に取り付
ける角度自体を調整しているため、取付部が検出素子からの振動漏れや不要振動モード等
の発生原因となり、検出性能を悪化させる虞もあった。
本発明は上記した点を鑑みてなされたものであり、検出素子の検出性能を悪化させるこ
となく、検出素子の検出軸の角度調整を精度良く行うことができる慣性センサと、その製
造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の慣性センサは、所定の検出軸方向の物理量の大きさ
を検出する検出素子と、検出素子を支持する支持基板と、支持基板を収納するパッケージ
用基板と、支持基板とパッケージ用基板の内底面との間に接続され、支持基板に支持され
た検出素子の検出軸を検出すべき正規方向から所定角度傾斜させる傾斜部材と、を備える
ようにした。
このように、本発明では、検出素子自体を傾斜させて固定することなく、検出軸を検出
すべき検出方向から所定角度傾斜させることができるため、検出素子からの振動漏れや不
要振動モード等が発生するのを抑制することができ、検出素子の検出性能が悪化するのを
防止することができる。
また支持基板とパッケージ用基板の内底面との間に傾斜部材を配置して検出素子の検出
軸を所定角度傾斜させるようにしているので検出軸の傾斜角度の精度を高めることができ
る。

また、本発明の慣性センサでは傾斜部材に金属球を用いるようにした。
金属球は加工精度が高いため、支持基板とパッケージ用基板の内底面との間に金属球を
配置して検出素子の検出軸を所定角度傾斜させるようにすると、検出軸の傾斜角度の精度
をより高めることができる。
また、傾斜部材に金属球を用いると、その直径に依存する検出軸の傾き角のバラツキを
抑えることができる。また傾斜部材に金属球を用いるとセルフアライメント作用によって
金属球を内部パッドの重心位置に接続することができるため、金属球の接続位置に依存す
る検出軸の傾き角のバラツキを抑えることができる。さらに金属球は導電性を有するため
、支持基板とパッケージ用基板との間を導通させる部材として利用することができる。
また、本発明の慣性センサでは、傾斜部材として径の異なる２種類の金属球を用いて検
出軸を検出すべき検出方向から所定角度傾斜させるようにすると、検出軸の角度調整を容
易に行うことができる。

また本発明の慣性センサの製造方法は、本発明の慣性センサの製造方法であって、パッ
ケージ用基板の内部底面に半導体集積回路を実装する工程と、パッケージ用基板に形成し
た内部パッドに傾斜部材を実装する工程と、傾斜部材を含む内部パッド上に支持基板を実
装する工程と、パッケージ用基板の支持基板を含む空間を真空封止する工程とを含むよう
にしている。
このようにすれば、本発明の慣性センサを作製することができる。また、従来のように
検出素子に対してスリット加工などを施す必要がないため、検出素子の加工コストを削減
することができるため、コストダウンを図ることができる。

以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
本実施形態では本発明の慣性センサの一例としてジャイロセンサを例に挙げて説明する
。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るジャイロセンサの構成を示した図であり、（ａ
）は全体斜視図、（ｂ）は内部の構造を模式的に示した図である。なお、（ａ）において
は蓋体１６の図示は省略している。
この図１（ａ）（ｂ）に示すジャイロセンサ１０は、検出素子として水晶振動素子１１
を有する。水晶振動素子１１は、脚部１３によって支持基板１２に機械的、電気的に接続
されている。

セラミック等の絶縁部材から成るセラミックパッケージ１７の内部底面には、発振回路
を含む半導体集積回路（以下、「ＩＣ回路」という）１５が接続されている。
またセラミックパッケージ１７の内部底面には段差部が形成されており、この段差部の
上面に支持基板１２を固定するための内部パッド１４が形成されている。
そして、本実施形態のジャイロセンサ１０においては、この内部パッド１４に対して支
持基板１２を固定する際に、セラミックパッケージ１７の一辺側に形成されている内部パ
ッド１４に傾斜部材である金属球２を半田３により接続するようにしている。これにより
、検出素子である水晶振動素子１１の検出軸Ｇを本来の検出すべき検出方向（鉛直方向）
Ｖから所定角度θだけ傾けるようにしている。

ここで、傾斜部材である金属球２は例えばＣｕ、樹脂、或いはガラスなどをコア部材と
し、その表面に半田コーティングを施した半田ボールなどとされる。
またセラミックパッケージ１７の上面には、金属からなる蓋体１６が低融点金属等の封
止部材１９によって接合されている。これにより、セラミックパッケージ１７の内部を真
空封止するようにしている。なお、蓋体１６としてガラス蓋を用いることも可能であり、
この場合は封止部材１９として低融点ガラス等が用いられる。
また、セラミックパッケージ１７の外部底面から側面にかけて実装電極１８が形成され
ている。実装電極１８は、セラミックパッケージ１７に形成されている図示しない内部導
体を介してＩＣ回路１５に接続されている。

水晶振動素子１１の励振電極（ここでは図示しない）とＩＣ回路１５とは、パッケージ
内部配線を介して接続されている。例えば、水晶振動子１１の後述する励振電極３６は基
部３１の裏面から、水晶振動素子１１を支持するワイヤボンディングまたはリードによっ
て支持基板１２に接続される。支持基板１２からパッケージ内部配線を介してフェースダ
ウンまたはワイヤボンディングよりＩＣ回路に電気的に接続されている。なお、本実施形
態では、傾斜部材として金属球２を用いていることから、セラミックパッケージ１７の内
部パッド１４を内部配線によりＩＣ回路１５と接続し、前記内部パッド１４と接続される
支持基板１２の部分（図示しない）と水晶振動素子１１の励振電極とを接続しておけば、
金属球２を介して水晶振動素子１１とＩＣ回路１５とを接続することも可能である。

図４（ａ）は、本発明の一実施形態に係る水晶振動素子１１を概略的に示す平面図であ
る。図４（ｂ）は、水晶振動素子１１の検出振動モードの振動を示す平面図である。本例
の水晶振動素子１１は、基部３１と、基部３１から突出する一対の検出振動片３２ａ、３
２ｂ、基部３１から突出する一対の接続部３３と、各接続部３３の先端に設けられている
各駆動振動片３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄとを備えている。各駆動振動片３４ａ、３
４ｂ、３４ｃ、３４ｄの各主面には、それぞれ細長い溝が形成されており、各駆動振動片
３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄの横断面形状は略Ｈ字形状となっている。また、溝内に
励振電極（駆動電極、以下同じ）３６が形成されている。各駆動振動片３４ａ、３４ｂ、
３４ｃ、３４ｄの各先端にはそれぞれ幅広部または重量部３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８
ｄが設けられている。各検出振動片３２ａ、３２ｂの各主面には、それぞれ細長い溝が形
成されており、各検出振動片３２ａ、３２ｂの横断面形状は略Ｈ字形状となっている。ま
た、溝内に検出電極３７が形成されている。各検出振動片３２ａ、３２ｂの各先端にはそ
れぞれ幅広部または重量部３５ａ、３５ｂが設けられている。

図４（ａ）は駆動モードの振動を示す。駆動時には、各駆動振動片３４ａ、３４ｂ、３
４ｃ、３４ｄが、それぞれ、接続部３３への付け根３９を中心として矢印Ａのように屈曲
振動する。この状態で水晶振動素子１１を、水晶振動素子１１に略垂直な回転軸Ｇの周り
に角速度ωで回転させる。すると、図４（ｂ）に示すように、重量部３８ａ、３８ｂ、３
８ｃ、３８ｄに、屈曲振動の方向Ａおよび回転軸Ｇの両方に垂直な方向にコリオリ力Ｆが
加わる。その結果、接続部３３が基部３１への付け根３３ａを中心として、矢印Ｂのよう
に屈曲振動する。各検出振動片３２ａ、３２ｂが、それぞれ、その反作用によって、基部
３１の付け根４０を中心として、矢印Ｃのように屈曲振動する。矢印Ｃの屈曲振動によっ
て圧電現象が生じ、検出電極３７の電位が変化する。この電位の変化をＩＣ回路１５内に
ある検出回路によって検出することで、回転軸Ｇ回りの角速度ωを求める。ここで、水晶
振動素子１１の＋Ｘ軸／−Ｘ軸の結晶軸方向を矢印Ａの方向となるようにし、水晶振動素
子１１のＺ軸の結晶軸方向を回転軸Ｇと揃えると検出効率が高い。

ここで、本実施形態のジャイロセンサ１０では、セラミックパッケージ１７の一辺側に
形成されている内部パッド１４と支持基板１２との間に金属球２を介在させることで、水
晶振動素子１１の検出軸Ｇを本来の検出すべき検出方向（鉛直方向）Ｖから所定角度θだ
け傾けるようにしている。このようにすれば、検出素子である水晶振動素子１１自体を傾
斜させて固定することなく、検出軸Ｇを検出すべき方向から所定角度傾斜させることがで
きるため、従来のように水晶振動素子１１からの振動漏れや不要振動モード等が発生する
のを抑制することができ、検出素子の検出性能が悪化するのを防止することができる。
ジャイロセンサ１０の傾き角θは、支持基板１２を傾けたときに支点となる基板端縁か
ら金属球２の接触点までの長さＬと金属球２の直径φとによって決定されるが、上記のよ
うに構成される金属球２は加工精度が極めて高いため、傾斜部材として金属球２を用いる
と、金属球２の直径φのバラツキにより発生する検出軸Ｇの傾き角のバラツキを抑制する
ことができる。

また金属球２は導電性を有することから、金属球２を支持基板１２とセラミックパッケ
ージ１７との間を導通させる部材として利用することができる。従って、セラミックパッ
ケージ１７の内部パッド１４を内部配線によりＩＣ回路１５と接続し、前記内部パッド１
４と接続される支持基板１２の部分（図示しない）と水晶振動素子１１の励振電極とを接
続しておけば、金属球２を介して水晶振動素子１１とＩＣ回路１５を電気的に接続するこ
とができる。

さらに傾斜部材として金属球２を用いた場合は、内部パッド１４に金属球２を接続する
ための銀ペースト（半田）３が溶融したときの表面張力によって金属球２を内部パッド１
４の重心位置に配置することができる。つまり、傾斜部材として金属球２を用いるように
すると金属球２のセルフアライメント作用によって金属球２を内部パッド１４の重心位置
に配置することができる。この結果、支持基板１２の端縁から金属球２の接触点までの長
さＬの精度を高めることが可能になるので、支点となる支持基板１２の端縁から金属球２
までの長さＬのバラツキにより発生する検出軸Ｇの傾き角のバラツキを抑制することがで
きる。
さらに傾斜部材として金属球２を用いた場合は、半田３により金属球２を内部パッド１
４に接続したときの半田フィレットの形状が安定したものとなり、接続強度を高めること
ができるという利点もある。
なお、本実施形態では内部パッド１４の形状が矩形状である場合を例に挙げて説明した
が、これはあくまでも一例であり、内部パッド１４の形状は円形状であっても良い。

図２は本発明の第２の実施形態に係るジャイロセンサの構成を模式的に示した図である
。なお、図１と同一部位には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
この図２に示すジャイロセンサ２０においては、支持基板１２をセラミックパッケージ
１７内の内部パッド１４に接続する際に、一辺側の内部パッド１４に対して金属球２ａを
接続し、他辺側の内部パッド１４に対して金属球２ａより径が小さい金属球２ｂを接続す
ることで、金属球２ａと金属球２ｂとの径の違いによって検出軸Ｇを本来検出すべき検出
方向（鉛直方向Ｖ）から角度θだけ傾けるようにしている。
このように構成した場合も、上記第１の実施形態と同様、水晶振動素子１１自体を傾斜
させて取付部に固定する必要がないので、従来のように水晶振動素子１１から振動漏れや
不要振動モード等が発生するのを防止することができる。
また、この場合も傾斜部材として使用する金属球２ａ、２ｂの加工精度が極めて高いた
め、金属球２ａ、２ｂの直径のバラツキにより発生する検出軸Ｇの傾き角のバラツキを抑
制することができる。

さらに金属球２ａ、２ｂは導電性を有することから、金属球２ａ、２ｂを内部パッド１
４に接続すれば、内部パッド１４と支持基板１２とを金属球２ａ又は２ｂを介して接続す
ることができる。さらに先に説明した金属球のセルフアライメント作用によって、金属球
２ａ、２ｂを内部パッド１４の重心位置に配置することができるため、支点となる金属球
２ａから金属球２ｂまでの長さＬのバラツキにより発生する検出軸Ｇの傾き角のバラツキ
を抑制することができる。またこの場合も金属球２ａ、２ｂを支持基板１２とセラミック
パッケージ１７との間を導通させる部材として利用することができる。
なお、本実施形態では内部パッド１４の形状が矩形状である場合を例に挙げて説明した
が、これはあくまでも一例であり、内部パッド１４の形状は円形状であっても良い。

次に、上記したような本実施形態のジャイロセンサの製造方法について説明する。
図３は、本実施形態のジャイロセンサの製造手順の一例を示した図である。
本実施形態のジャイロセンサを製造するには、先ず、ＩＣ回路実装工程Ｓ１として、内
部パッド１４や実装電極１８、図示しない内部導体等を形成したセラミックパッケージ１
７の内部底面に、例えばフェイスダウンボンディングによりＩＣ回路１５を実装する。
次に、金属球実装工程Ｓ２として、金属球２を配置する内部パッド１４に銀ペーストを
塗布した後、金属球２を配置してリフローを行うことにより、内部パッド１４に金属球２
を実装する。

次に、支持基板実装工程Ｓ３として、内部パッド１４の両側に銀ペーストを塗布する。
このとき、内部パッド１４上に金属球２が接続されている場合は、その金属球２上に銀ペ
ーストを塗布すればよい。この後、検出素子である水晶振動素子１１を搭載した支持基板
１２を内部パッド上に載置してリフローを行うことにより、金属球２を挟んで内部パッ１
４ド上に支持基板１２を実装する。
この後、真空封止工程（Ｓ４）として、セラミックパッケージ１７内を真空状態で封止
する。これにより、図１、図２に示した本実施形態のジャイロセンサ１０（２０）を作製
することができる。また、従来のように検出素子である水晶振動素子１１に対してスリッ
ト加工などを施す必要がないため、水晶振動素子１１の加工コストを削減することができ
る。

なお、本実施形態では、本発明の慣性センサの一例としてジャイロセンサを例に挙げて
説明したが、あくまでも一例であり、検出素子により検出軸方向の物理量の大きさを検出
するセンサであれば、例えば加速度センサなどにも適用可能である。
また、本実施形態では、慣性センサとしてジャイロセンサを例に挙げているため、検出
すべき正規方向を鉛直方向Ｖとしているが、慣性センサが加速度センサである場合は、検
出すべき正規方向は進行方向（水平方向）となるのはいうまでもない。
また、これまで説明した本実施形態では、傾斜部材を用いてジャイロセンサの検出軸Ｇ
を特定方向（本実施形態では紙面の右側方向）に所定角度傾斜させる場合を例に挙げて説
明したが、例えば内部パッド１４において金属球２を接続する位置を変えることで、検出
軸Ｇの傾斜角度に加えて傾斜方向を調整することも可能である。

（ａ）（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係るジャイロセンサの構成を示した図である。本発明の第２の実施形態に係るジャイロセンサの構成を示した図である。本実施形態のジャイロセンサの製造手順の一例を示した図である。（ａ）（ｂ）は本発明の水晶振動素子の構成を示した図である。（ａ）はセンターコンソールに設置されたカーナビゲーション本体を示した図、（ｂ）はカーナビゲーション本体に実装されているジャイロセンサを示した図である。

符号の説明

１０、２０…ジャイロセンサ、２、２ａ、２ｂ…金属球、３…銀ペースト（半田）、１
１…水晶振動素子、１２…支持基板、１３…脚部、１４…内部パッド、１５…半導体集積
回路、１６…蓋体、１７…セラミックパッケージ、１８…実装電極、１９…封止部材

Claims

所定の検出軸方向の物理量の大きさを検出する検出素子と、
前記検出素子を支持する支持基板と、
前記支持基板を収納するパッケージ用基板と、
前記支持基板と前記パッケージ用基板の内底面との間に配置され、前記支持基板に支持
された前記検出素子の検出軸を検出すべき正規方向から所定角度傾斜させる傾斜部材と、
を備えたことを特徴とする慣性センサ。
前記傾斜部材は金属球であることを特徴とする請求項１に記載の慣性センサ。
前記傾斜部材として径の異なる２種類の金属球を用いて前記検出軸を前記正規方向から
所定角度傾斜させることを特徴とする請求項１に記載の慣性センサ。
請求項１乃至３の何れか一項に記載の慣性センサの製造方法であって、
前記パッケージ用基板の内部底面に半導体集積回路を実装する工程と、
前記パッケージ用基板に形成した内部パッドに前記傾斜部材を実装する工程と、
前記傾斜部材を含む前記内部パッド上に前記支持基板を実装する工程と、
前記パッケージ用基板の前記支持基板を含む空間を真空封止する工程と、
を含むことを特徴とする慣性センサの製造方法。