(57)【要約】【課題】本発明は、リード端子に残留応力が発生することにより、外部からの振動に対する減衰特性が劣化してしまうということのない出力信号の安定したセンサを提供することを目的とするものである。【解決手段】本発明のセンサは、枠体３０とセンサ素子部８との間に空隙３１を設けるとともに、枠体３０にセンサ素子部８に向かって突出する凸部３４を設け、センサ素子部８とリード端子２７とを互いに半田付けする際に、リード端子２７をセンサ素子部８側に押圧する押圧力が過大になったとしても、凸部３４により位置を規制することにより、リード端子２７の塑性変形を抑制する構成としたものである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ素子部と、前記センサ素子部を内部空間に収容するケースと、一端側が前記ケースに接合され他端側が前記センサ素子部に接続される複数のリード端子と、前記ケースと前記センサ素子部との間において前記複数のリード端子を所定の間隔で整列させる枠体とを備え、前記枠体と前記センサ素子部との間に空隙を設けるとともに、枠体にセンサ素子部に向かって突出する凸部を設けたセンサ。
【請求項２】
枠体に少なくとも３つの凸部を設けた請求項１記載のセンサ。
【請求項３】
枠体の全周にわたって、環状の凸部を設けた請求項１記載のセンサ。
【請求項４】
凸部を、リード端子の他端側とセンサ素子部との接続箇所より枠体の外周側に位置して設けた請求項１記載のセンサ。
【請求項５】
凸部の上面に平面部を設けた請求項１記載のセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動型のセンサ素子を用いるセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
以下に従来のセンサの一例である角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。
【０００３】
図１０は従来のセンサの側断面図である。
【０００４】
図１０において、５１はセンサ素子部で、このセンサ素子部５１は、段差部５３に設けた角速度センサ素子５４と、前記センサ素子部５１の内底面に設けたＩＣ５５と、前記センサ素子部５１の上部開口を閉塞するリッド５６とにより構成されている。５７は樹脂製のケースで、このケース５７は前記センサ素子部５１を内部空間に収容している。５８は複数の金属製のリード端子で、このリード端子５８は一端側が前記ケース５７に接合されるとともに、他端側が前記センサ素子部５１に接続されている。そして、前記リード端子５８には、複数のリード端子５８を互いに所定の間隔で整列させるように一体成形された樹脂製の枠体５９を設けており、この枠体５９と前記センサ素子部５１との間に空隙を設けている。６０は金属製のカバーで、このカバー６０は前記ケース５７の上面開口を覆うように閉塞している。
【０００５】
以上のように構成された従来のセンサについて、次に、その組立方法を説明する。
【０００６】
まず、角速度センサ素子５４をセンサ素子部５１における段差部５３に載置した後、センサ素子部５１の内底面にＩＣ５５を載置する。
【０００７】
次に、センサ素子部５１の開口をリッド５６により、窒素雰囲気中で、シーム溶接して封止する。
【０００８】
次に、複数のリード端子５８を金型（図示せず）に設置して、射出成形することにより、枠体５９およびケース５７とリード端子５８とを一体に成形する。
【０００９】
次に、センサ素子部５１の外底面に向かって前記複数のリード端子５８の一端側を押圧した状態で、半田付けをすることにより、センサ素子部５１とリード端子５８とを互いに電気的かつ機械的に接続する。
【００１０】
そして、この押圧力により、リード端子５８とセンサ素子部５１とが互いに密着し、半田付け時のフィレット高さを確保できる。そのため、リード端子５８とセンサ素子部５１との機械的な接続強度を確保することができるものである。
【００１１】
最後に、前記ケース５７の上面開口部をカバー６０で覆い、このカバー６０の先端をケース５７にかしめることにより、固定する。
【００１２】
以上のように構成かつ組み立られた従来のセンサについて、次にその動作を説明する。
【００１３】
まず、前記角速度センサ素子５４にＩＣ５５により電圧を印加して、角速度センサ素子５４を振動駆動させる。
【００１４】
そして、角速度センサ素子５４が固有振動数で屈曲運動している状態において、角速度センサ素子５４が長手方向の中心軸（検知軸）周りに角速度ωで回転すると、角速度センサ素子５４にＦ＝２ｍＶ×ωのコリオリ力が発生する。このコリオリ力により、角速度センサ素子５４から発生する電荷からなる出力信号をＩＣ５５に入力し、波形処理をした後、リード端子５８を介して、相手側のコンピューター（図示せず）に入力することにより、角速度を検出するものであった。
【００１５】
なお、この出願の発明に関連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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２０１０−１８５８１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、上記従来の構成においては、センサ素子部５１の外底面に向かって前記複数のリード端子５８の一端側を押圧した状態で、半田付けをすることにより、センサ素子部５１とリード端子５８とを互いに電気的かつ機械的に確実に接続することが出来る反面、押圧力が過大になった場合に、リード端子５８が塑性変形することとなる。これにより、リード端子５８に残留応力が発生するから、リード端子の固有振動数が変動することとなる。その結果、角速度センサ素子の外部からの振動に対する減衰特性が劣化してしまうという課題を有していた。
【００１８】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、リード端子に残留応力が発生することにより、外部からの振動に対する減衰特性が劣化してしまうということのない出力信号の安定したセンサを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。
【００２０】
本発明の請求項１に記載の発明は、センサ素子部と、前記センサ素子部を内部空間に収容するケースと、一端側が前記ケースに接合され他端側が前記センサ素子部に接続される複数のリード端子と、前記ケースと前記センサ素子部との間において前記複数のリード端子を所定の間隔で整列させる枠体とを備え、前記枠体と前記センサ素子部との間に空隙を設けるとともに、枠体にセンサ素子部に向かって突出する凸部を設けたものである。この構成によれば、枠体と前記センサ素子部との間に空隙を設けたため、枠体からケースまでの領域と枠体からセンサ素子部までの領域とで、異なる２つの振動モードにより、外部からの侵入しようとする外乱振動を減衰させることができる。また、枠体にセンサ素子部に向かって突出する凸部を設けたため、センサ素子部とリード端子とを互いに半田付けする際に、リード端子をセンサ素子部側に押圧する押圧力が過大になったとしても、ストッパとして機能する凸部により位置を規制することが出来る。その結果、リード端子の塑性変形を抑制するから、センサの外部からの振動に対する減衰特性が劣化することを防止することができるという作用効果を有するものである。
【００２１】
また、本発明の請求項２に記載の発明は、特に、枠体に少なくとも３つの凸部を設けたもので、この構成によれば、センサ素子部とリード端子とを互いに半田付けする際に、枠体における少なくとも３つの凸部で規定される平面と、センサ素子部における外底面で規定される平面とが当接することにより、互いの平面の平行度を確保することができる。そのため、複数のリード端子の全てについて塑性変形を抑制することができることとなる。その結果、さらに、減衰特性の劣化を抑制することができるという作用効果を有するものである。
【００２２】
本発明の請求項３に記載の発明は、特に、枠体の全周にわたって、環状の凸部を設けたもので、この構成によれば、センサ素子部の外底面に凹凸がある場合においても、環状の凸部のいずれかの部分がセンサ素子部の外底面に当接することとなる。その結果、センサ素子部の外底面に凹凸がある場合であっても、複数のリード端子の全てについて塑性変形を抑制することができるという作用効果を有するものである。
【００２３】
また、本発明の請求項４に記載の発明は、凸部を、リード端子の他端側とセンサ素子部との接続箇所より枠体の外周側に位置して設けたもので、この構成によれば、枠体における凸部の高さにバラツキが生じても、内周側のリード端子の他端側とセンサ素子部との接続箇所では、高さ方向の寸法バラツキが落ち着くこととなる。その結果、リード端子の全てについての塑性変形を確実に抑制できるという作用効果を有するものである。
【００２４】
本発明の請求項５に記載の発明は、特に、凸部の上面に平面部を設けたもので、この構成によれば、凸部の上面に平面部を設けたため、凸部の上面の平面部で、センサ素子部における外底面と当接することとなり、その結果、センサ素子部の外底面に凹部がある場合に、その凹部に枠体における凸部が入りこむということがなくなる。これにより、センサ素子部とリード端子とを半田付けする際の平行度を確保することができるから、その結果、リード端子の全てについての塑性変形を確実に抑制できるという作用効果を有するものである。
【発明の効果】
【００２５】
本発明のセンサは、センサ素子部と、前記センサ素子部を内部空間に収容するケースと、一端側が前記ケースに接合され他端側が前記センサ素子部に接続される複数のリード端子と、前記ケースと前記センサ素子部との間において前記複数のリード端子を所定の間隔で整列させる枠体とを備え、前記枠体と前記センサ素子部との間に空隙を設けるとともに、枠体にセンサ素子部に向かって突出する凸部を設けたものである。この構成によれば、枠体と前記センサ素子部との間に空隙を設けため、枠体からケースまでの領域と枠体からセンサ素子部までの領域とで、異なる２つの振動モードにより、外部からの侵入しようとする外乱振動を減衰させることができる。また、枠体にセンサ素子部に向かって突出する凸部を設けたため、センサ素子部とリード端子とを互いに半田付けする際に、リード端子をセンサ素子部側に押圧する押圧力が過大になったとしても、ストッパー機能を有する凸部により位置を規制することが出来ることとなる。その結果、リード端子の塑性変形を抑制するから、外部からの振動に対する減衰特性が劣化することを防止することが可能なセンサを提供することができるという効果を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態におけるセンサの分解斜視図
【図２】同センサの側断面図
【図３】同センサにおける角速度センサ素子の上面図
【図４】同センサにおける枠体とケースとをリード端子で一体成形した状態を示す上面図
【図５】同センサにおける枠体の近傍を示す側断面図
【図６】同角速度センサ素子に設けられる電極の側断面図
【図７】同センサの動作状態を示す側断面図
【図８】同なお書き記載のセンサにおける枠体とケースとをリード端子で一体成形した状態を示す上面図
【図９】同なお書き記載のセンサにおける枠体とケースとをリード端子で一体成形した状態を示す上面図
【図１０】従来のセンサの側断面図
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の一実施の形態におけるセンサについて、図面を参照しながら説明する。
【００２８】
図１は本発明の一実施形態におけるセンサの分解斜視図、図２は同センサの側断面図、図３は同センサにおける角速度センサ素子の上面図、図４は同センサにおける枠体とケースとをリード端子で一体成形した状態を示す上面図、図５は同センサにおける枠体の近傍を示す側断面図、図６は同センサにおける角速度センサ素子の側断面図、図６は同角速度センサ素子に設けられる電極の側断面図である。
【００２９】
図１〜図６において、角速度センサ素子７は、図３に示されるごとく音叉型に形成されたシリコン基板１２の駆動部１３にそれぞれ駆動電極１４、センス電極１５およびモニタ電極１６を設けた構成である。各電極の構造は図６に示すようにＡｕからなる上部電極１７とＰｔからなる下部電極１８と、これらの間に配置されたＰＺＴからなる圧電体層１９により形成され、下部電極１８をグランド接続した状態で上部電極１７に正電圧を印加すると電極の積層方向に対して圧縮力が働き、この圧縮力により電極パターンが延びる方向に応力が発生する。これとは逆に負電圧を印加すると電極に引張力が働き、この引張力により電極パターンが縮む方向に応力が発生するものである。また、駆動部１３の撓みにより電極が縮めば負電圧を発生し、電極が延びれば正電圧を発生させるものである。なお、電極の結露防止のためセンサ素子部８の開口部をリッド２０により封口し、内部にＨｅとＯ2の混合ガスを充填することで還元雰囲気に保っている。
【００３０】
また、センサ素子部８の内部には角速度センサ素子７の駆動制御および検出信号の処理を行うＩＣ２１が設けられており、ＩＣ２１から駆動電極１４に駆動信号を印加することにより駆動部１３が側方に振動する。この振動状態において検出軸２２回りに角速度が加わることでコリオリ力が働き駆動部１３が図における前後方向に撓み振動が生じ、この撓み振動によりセンス電極１５からセンス信号をＩＣ２１に出力し所定の信号処理を経て角速度信号を形成する。なお、モニタ電極１６は駆動部１３の駆動状態を出力し、ＩＣ２１で形成する駆動信号の出力レベルを制御するために用いられている。
【００３１】
また、角速度センサ素子７は駆動部１３が自由に振動可能な状態で支持しなければならず、この角速度センサ素子７を実装するセンサ素子部８の内部空間１０においては、ＩＣ２１を実装する内部底面２３と、この内部底面２３の外周部分に一段高くなった段差面２４を設け、この段差面２４に角速度センサ素子７の基部２５を実装することで駆動部１３をＩＣ２１の上方に浮かせて振動可能な状態で支持している。なお、ＩＣ２１や角速度センサ素子７に対する信号経路は特に図示していないがセンサ素子部８に設けられた配線電極やビアホールなどを介してセンサ素子部８の下面に設けられた接続電極２６に接続されている。
【００３２】
また、このセンサ素子部８を収納するケース９には、図４に示すように複数のＳＵＳ３０４からなるリード端子２７が配置されており、それぞれのリード端子２７は図５に示すように一端側がケース９の側壁部分を貫通し外面に導出され実装面側に回り込ませることで外部接続端子２８を形成し、他端側が接続電極２６に接続されセンサ素子部８を支持した構造となっている。なお、角速度センサ素子７を包含したセンサ素子部８をさらにリード端子２７を介して樹脂ケースに挿入する理由は、落下衝撃などの不要振動から角速度センサ素子７を保護するためリード端子２７のバネ性によるダンパー効果を得るためである。
【００３３】
また、各リード端子２７はセンサ素子部８の下面に設けられた複数の接続電極２６に適宜接続されるものであり、その接続部分２９が各接続電極２６に応じた配置とする必要があるため、複数のリード端子２７を樹脂製の枠体３０で所定位置に整列固定させる。
【００３４】
そして、このセンサにおいては、図５に示すように枠体３０とセンサ素子部８の下面の間に空隙３１を介在させ非接続固定構造としたことにより、センサの温度変化に伴う不要信号出力を抑制している。
【００３５】
すなわち、図７に示すように枠体３０とセンサ素子部８を分離したことにより、リード端子２７におけるバネ性を得る領域が従来からの枠体３０からケース９までの領域３２に加え枠体３０からセンサ素子部８までの領域３３が活用できるようになる。すなわち、単一のリード端子２７に対してバネ性を確保する領域が２つとなり、それぞれのバネ性に応じた振動モードを有することになるため、この異なる振動モードの存在によりケース９の内部に動吸振器を形成することが可能となるのである。
【００３６】
つまり、ケース９の持つ固有振動周波数が温度変化に伴いセンサ素子７の駆動周波数と一致する程度に変動し、駆動信号によりケース９自身が共振したとしても、この共振に伴うケース９の振動をリード端子２７の持つ異なる二つの振動モードによりキャンセルすることが出来るので、温度変化に伴うセンサからの不要信号の出力を抑制できるのである。
【００３７】
また、リード端子２７におけるバネ性を活用できる領域が増えることで、リード端子２７によるより大きなダンパー効果を得ることも出来るのである。
【００３８】
さらに、前記枠体３０には、図４に示すように、センサ素子部５１に向かって突出する２つの凸部３４を設けており、この凸部３４の上面には平面部３５を設けている。
【００３９】
そして、この凸部３４の平面部３５とセンサ素子部８の外底面との距離は（数１）の式で算出する値になるように設定されている。
【００４０】
【数１】
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【００４１】
具体的には、リード端子２７の長さ方向の寸法をａ＝０．３［ｍｍ］ｃ＝０．６［ｍｍ］ｄ＝０．５［ｍｍ］、幅ｂ＝０．２［ｍｍ］、厚みｔ＝０．０７［ｍｍ］リード端子２７の材料であるＳＵＳ３０４の縦弾性係数Ｅ＝１９３０００［Ｎ／ｍｍ2］０．２％耐力Ｐ＝２５５［Ｎ／ｍｍ2］が設計値である。そして、算出されたδ＝０．００８［ｍｍ］以下に、凸部３４の平面部３５とセンサ素子部８の外底面との距離を設定することにより、リード端子２７に０．２％歪に相当する永久歪が発生しないように設計されている。
【００４２】
また、凸部３４の上面に平面部３５を設けたため、凸部３４の上面の平面部３５で、センサ素子部８における外底面と当接することとなり、その結果、枠体３０の外底面に凹部（図示せず）がある場合に、その凹部（図示せず）に枠体３０における凸部３４が入りこむということがなくなる。これにより、センサ素子部８とリード端子２７とを半田付けする際の平行度を確保することができるから、その結果、リード端子２７の全てについての塑性変形を確実に抑制できるという作用効果を有するものである。
そして、この枠体３０における凸部３４を、リード端子２７の他端側とセンサ素子部８との接続箇所３６より枠体３０の外周側に位置して設けている。そのため、枠体３０における凸部３４の高さにバラツキが生じても、内周側のリード端子２７の他端側とセンサ素子部８との接続箇所３６では、高さ方向の寸法バラツキが落ち着くこととなり、その結果、リード端子２７の全てについての塑性変形を確実に抑制できるという作用効果を有するものである。
【００４３】
以上のように構成された本発明の一実施の形態におけるセンサについて、次に、その組立方法を説明する。
【００４４】
まず、予め準備したシリコン基板１２の上面に図６に示すように、ＰｔとＴｉの合金薄膜からなる下部電極１８を蒸着により形成し、その後、下部電極１８の上面にＰＺＴ薄膜からなる圧電体層１９を蒸着により形成する。
【００４５】
次に、圧電体層１９の上面に上部電極１７を蒸着し、駆動電極１４、センス電極１５およびモニタ電極１６を形成する。
【００４６】
次に、下部電極１８側に電圧を印加するとともに、駆動電極１４、センス電極１５、モニタ電極１６を接地することにより、圧電体層１９を分極し、角速度センサ素子７を形成する。
【００４７】
次ぎに、角速度センサ素子７をセンサ素子部８における段差部２４に載置した後、センサ素子部８の内底面にＩＣ２１を載置する。
【００４８】
次に、センサ素子部センサ素子部８の開口をリッド２０により、窒素雰囲気中で、シーム溶接してセンサ素子部８を形成する。
【００４９】
次に、複数のリード端子２７を金型（図示せず）に設置して、射出成形することにより、枠体３０およびケース９とリード端子２７とを一体に成形する。
【００５０】
次に、センサ素子部８の外底面に向かって前記複数のリード端子２７の一端側を押圧した状態で、半田付けをすることにより、センサ素子部８とリード端子２７とを互いに電気的かつ機械的に接続する。
【００５１】
そして、この押圧力により、リード端子２７とセンサ素子部８とが互いに密着し、半田付け時のフィレット高さを確保できるため、リード端子２７とセンサ素子部８との機械的な接続強度を確保することができるものである。
【００５２】
このとき、枠体３０に設けた２つの凸部３４により、リード端子２７が塑性変形するまで、センサ素子部８に近接することがなくなる。
【００５３】
すなわち、本発明の一実施の形態におけるセンサにおいては、枠体３０にセンサ素子部８に向かって突出する凸部３４を設けたため、センサ素子部８とリード端子２７とを互いに半田付けする際に、リード端子２７をセンサ素子部８側に押圧する押圧力が過大になったとしても、ストッパーとして機能する凸部３４により位置を規制することが出来ることとなる。その結果、リード端子２７の塑性変形を抑制するから、角速度センサの外部からの振動に対する減衰特性が劣化することを抑制することができるという作用効果を有するものである。
【００５４】
最後に、前記ケース９の上面開口部をカバー１１で覆い、先端をケース９にかしめることにより、固定する。
以上のように構成かつ組立られた従来のセンサについて、次にその動作を説明する。
【００５５】
まず、前記角速度センサ素子７にＩＣ２１により電圧を印加して、角速度センサ素子７を振動駆動させる。
【００５６】
そして、角速度センサ素子７が固有振動数で屈曲運動している状態において、角速度センサ素子７が長手方向の中心軸（検知軸）周りに角速度ωで回転すると、角速度センサ素子７にＦ＝２ｍＶ×ωのコリオリ力が発生する。このコリオリ力により、角速度センサ素子７から発生する電荷からなる出力信号をＩＣ２１に入力し、波形処理をした後、リード端子２７を介して、相手側のコンピューター（図示せず）に入力することにより、角速度を検出するものであった。
【００５７】
なお、本発明の一実施の形態におけるセンサにおいては、枠体３０に２つの凸部３４を設ける構成としたが、図８に示すように、枠体３０に３つの凸部４１を設けている。そのため、センサ素子部８とリード端子２７とを互いに半田付けする際に、枠体３０における少なくとも３つの凸部４１で規定される平面と、センサ素子部８における外底面で規定される平面とが当接することにより、互いの平面の平行度を確保することができるから、複数のリード端子２７の全てについて塑性変形を抑制することができることとなる。その結果、さらに、減衰特性の劣化を抑制することができるという作用効果を有するものである。
【００５８】
さらに、図９に示すように、枠体３０の全周にわたって、環状の凸部４２を設けてもよいもので、この構成によれば、センサ素子部８の外底面に凹凸がある場合においても、環状の凸部４２のいずれかの部分がセンサ素子部８の外底面に当接することとなり、その結果、センサ素子部８の外底面に凹凸がある場合であっても、複数のリード端子２７の全てについて塑性変形を抑制することができるという作用効果を有するものである。
【００５９】
なお、本発明の一実施の形態におけるセンサにおいては、センサの例として、角速度センサについて、説明したが、振動型の加速度センサや圧力センサ等、他のセンサにも適用できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明のセンサは、リード端子に残留応力が発生することにより、外部からの振動に対する減衰特性が劣化してしまうということのない出力信号が安定するという効果を有するものであり、特に、振動型のセンサ素子を用いるセンサとして有用なものである。
【符号の説明】
【００６１】
８  センサ素子部
９  ケース
１０  内部空間
２７  リード端子
３０  枠体
３１  空隙
３４、４１、４２  凸部
３５  平面部
３６  接続箇所
【図１】
2015200556.tif 000004
【図２】
2015200556.tif 000005
【図３】
2015200556.tif 000006
【図４】
2015200556.tif 000007
【図５】
2015200556.tif 000008
【図６】
2015200556.tif 000009
【図７】
2015200556.tif 000010
【図８】
2015200556.tif 000011
【図９】
2015200556.tif 000012
【図１０】
2015200556.tif 000013