(57)【要約】【課題】所定の検出軸に対応する物理量を測定するのに用いる複数の振動子を実装する実装構造において、複数個の振動子を同一の基板上に、検出軸Ａをアライメントした状態で容易に実装可能な実装構造を提供する。【解決手段】所定の検出軸Ａに対応する物理量ωを測定するのに用いる複数の振動子を実装する実装構造であって、振動子の少なくとも一部が所定面に沿って形成されており、複数の振動子が所定面に対して略垂直な方向Ｄへと向かって積層されている。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の検出軸に対応する物理量を測定するのに用いる複数の振動子を実装する実装構造であって、
前記振動子の少なくとも一部が所定面に沿って形成されており、複数の前記振動子が前記所定面に対して略垂直な方向へと向かって積層されていることを特徴とする、振動子の実装構造。
【請求項２】
前記振動子が支持基板上に実装されていることを特徴とする、請求項１記載の実装構造。
【請求項３】
前記支持基板に電子部品が実装されていることを特徴とする、請求項２記載の実装構造。
【請求項４】
前記振動子の前記検出軸が前記所定面に対して略垂直であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載の実装構造。
【請求項５】
パッケージ内に収容されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の実装構造。
【請求項６】
前記振動子が、前記検出軸の周りの回転角速度を測定するための振動子であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載の実装構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の検出軸に対応する物理量を測定するのに用いる複数の振動子を実装する実装構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車の車体回転速度フィードバック式の車両制御方法に用いる回転速度センサーに、振動型ジャイロスコープを使用することが検討されている。こうしたシステムにおいては、操舵輪の方向自身は、ハンドルの回転角度によって検出する。これと同時に、実際に車体が回転している回転速度を振動ジャイロスコープによって検出する。そして、操舵輪の方向と実際の車体の回転速度を比較して差を求め、この差に基づいて車輪トルク、操舵角に補正を加えることによって、安定した車体制御を実現する。
【０００３】
操舵輪の方向を制御するために振動型ジャイロスコープを用いる技術においては、振動型ジャイロスコープの誤動作や誤差によって操舵輪の制御角度が狂うことを防止する必要かある。このため、特許文献１においては、それぞれが異なる方式で前輪操舵角を検出する３個以上の前輪操舵角検出手段を用い、前輪操舵角検出手段のいずれかが検出する前輪操舵角を検出出力とし、３個以上の前輪操舵角検出手段がそれぞれ検出した前輪操舵角同士を比較して、各前輪操舵角の一致関係を判定する。この際には、前輪操舵角出力手段による検出出力とされている前輪操舵角検出手段の検出結果が他の前輪操舵角検出手段のいずれの検出結果とも一致しないと判定する場合には、この検出出力を与えている操舵角検出手段に異常があると判定する。
【特許文献１】特許第３０１８７４９号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者は、振動型ジャイロスコープを複数個、回路基板上に実装することによって、各振動型ジャイロスコープからの回転角速度の検出値を得、複数の検出値の中から、他の検出値から大きく離れた検出値を除去し、残った検出値を測定値として使用することを検討した。これによって、一つの振動型ジャイロスコープないし振動子の測定誤差が大きくなったり、破損したときに、その振動型ジャイロスコープからの検出値を測定結果から除くことができる。
【０００５】
しかし、このように複数個の振動子を回路基板上に実装するプロセスは、比較的に難しいことが判明してきた。例えば平面的な振動子を複数個、回路基板上に実装する際には、各振動子の検出軸をアライメントした状態で実装する必要がある。なぜなら、回路基板上で各振動子の検出軸が互いにずれると、同じ回転角速度が加わったときに各振動子からの検出値が異なるからである。しかし、振動子は微小な電子部品であり、特に携帯電話用途においては振動子の寸法はきわめて小さい。従って、振動子を回路基板上に実装する工程は、かなり困難かつ煩雑な工程である。このとき、複数個の振動子を同一の回路基板上に、検出軸を精密にアライメントした状態で実装することは困難である。
【０００６】
本発明の課題は、所定の検出軸に対応する物理量を測定するのに用いる複数の振動子を実装する実装構造において、複数個の振動子を同一の基板上に、検出軸をアライメントした状態で容易に実装可能な構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、所定検出軸に対応する物理量を測定するのに用いる複数の振動子を実装する実装構造であって、振動子の少なくとも一部が所定面に沿って形成されており、複数の振動子が所定面に対して略垂直な方向へと向かって積層されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、複数の振動子を所定面に対して略垂直な方向へと向かって積層し、複数の振動子を含む実装構造を得る。この実装構造においては、複数の振動子の配列方向が幾何学的に定まっているので、結果的に各振動子の検出軸の方向も互いに同じになるようにアライメントされる。このようにして得られた実装構造を、目的とする回路基板上に取り付けることによって、この回路基板上に複数の振動子が、各検出軸がアライメントされた状態で実装されることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
好適な実施形態においては、各振動子が支持基板上に実装されている。この場合には、各支持基板を、その主面と略垂直な方向に向かって積層することによって、各振動子の検出軸を幾何学的にアライメントさせることが容易である。
【００１０】
この実施形態においては、複数の支持基板を互いに直接接合し、一体化することができる。この場合の接合方法は特に限定されず、紫外線硬化型接着剤、熱硬化型接着剤、機械的固定など種々の方法であってよい。あるいは、各支持基板をそれぞれ別体の小型パッケージ内に収容し、複数個の小型パッケージを互いに接合し、一体化することができる。この場合の接合方法は特に限定されず、紫外線硬化型接着剤、熱硬化型接着剤、機械的固定など種々の方法であってよい。
【００１１】
好適な実施形態においては、支持基板に電子部品が実装されている。しかし、各支持基板に電子部品を実装することは必須ではなく、複数個の振動子の駆動および出力信号の処理を行うための電子部品を一つにまとめることもできる。
【００１２】
振動子の検出軸は、実装方向と等しくてもよいが、実装方向と異なっていても良い。好適な実施形態においては、振動子の検出軸が所定面に対して略垂直である。また、他の好適な実施形態においては、振動子の検出軸が所定面と略平行である。
【００１３】
好適な実施形態においては、本発明の実装構造をパッケージ内に収容する。この場合には、パッケージを回路基板上に実装することによって、複数個の振動子が検出軸をアライメントした状態で回路基板上に実装される。
【００１４】
本発明においては、振動子の少なくとも一部が所定面に沿って形成されているが、振動子の全体が所定面に沿って形成されていてもよい。また、所定面と振動子の積層方向とがなす角度は略垂直である。これは幾何学的に厳密な意味での垂直だけでなく、実装技術において通常の程度の誤差は許容される意図であり、一例としては例えば幾何学的垂直から３°ずれていても良い。
【００１５】
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態において使用する振動子収容パッケージ１１Ａ（１１Ｂ、１１Ｃ）を概略的に示す模式図であり、図２は、図１のパッケージ内における振動子の実装状態を模式的に示す断面図であり、図３（ａ）は、図２のパッケージ内部の平面図であり、図３（ｂ）は、図１のパッケージの底面図である。
【００１７】
本例では、各振動子４の実装構造１Ａ（１Ｂ、１Ｃ）がパッケージ容器８内に収容されている。振動子４は所定面Ｘに沿って形成されている。支持基板３２は平板状であり、一方の対向面３２ａおよび他方の対向面３２ｂを有する。一方の対向面３２ａ上には、更に別体の枠体１３がボンディングワイヤ１４によって設置されており、枠体１３上にボンディングワイヤ５によって振動子４の下面が支持されている。ボンディングワイヤ５、１４は、振動子４上の図示しない電極に対して電気的に接続されている。他方の対向面３２ｂ上には、バンプ７によって電子部品６が支持されている。振動子４上の電極端子、電子部品６の端子は、それぞれボンディングワイヤを介して、基板３２上の電極に接続されている。
【００１８】
本例では、振動子４と電子部品６とが、基板３２の厚さ方向に投影したときに互いにほぼ重複しない位置に設置されている。この実装構造１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、パッケージ容器８内に収容され、パッケージ1Ａ(１Ｂ、１Ｃ）を構成している。  本例に限らず、パッケージ容器８には空気孔（図示せず）を設け、パッケージ内を真空にして振動子を動作させることも好適に行われる。
【００１９】
このパッケージ１１Ａ（１１Ｂ、１１Ｃ）を、図１に示すように、各基板２Ａ（２Ｂ、２Ｃ）上に固定する。この際、各振動子の検出軸Ａは、各振動子４が形成されている所定面に対して略垂直であり、また各基板２Ａ、２Ｂ、２Ｃに対して略垂直である。本例では、各振動子４を用いて、それぞれ、検出軸Ａの周りの回転角速度ωを検出する。
【００２０】
次いで、各パッケージ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃおよび支持基板２Ａ、２Ｂ、２Ｃを、図４に示すように、矢印Ｄの方向へと向かって積層し、一体化することによって、複数の振動子４を含む実装構造３を得る。この場合の接合方法は特に限定されず、紫外線硬化型接着剤、熱硬化型接着剤、機械的固定など種々の方法であってよい。本例では、積層方向Ｄが検出軸Ａと同じである。
【００２１】
次いで、所定個数のリード１０を矢印Ｂのように基板１１Ａに取り付け、図５に示すパッケージ１６内に実装構造３を収容する。パッケージの底面に、所定の端子が設けられており、このパッケージ１６を所定の回路基板上に実装する。
【００２２】
また、図６、図７に示すような実装構造を採用することもできる。図６に示す実装構造３Ａにおいては、フレキシブル基板１２によって例えば３個のパッケージ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを一体化している。本例では、フレキシブル基板１２は折り曲げられており、パッケージ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを固定する平板実装部１２ａ、１２ｂ、１２ｃと、各実装部を連結する折り曲げ部１２ｄ、１２ｅを備えている。本例では、実装構造１１Ａは実装部１２ａと１２ｂとの間にはさまれており、実装構造１１Ｂは実装部１２ｂと１２ｃとの間にはさまれている。
【００２３】
図７に示す実装構造３Ｂにおいては、パッケージ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを固定する平板実装部２Ａ、２Ｂ、２Ｃと、各実装部を連結する配線２０とを備えている。本例では、パッケージ１１Ａは実装部２Ａと２Ｂとの間にはさまれており、パッケージ１１Ｂは実装部２Ｂと２Ｃとの間にはさまれている。
【００２４】
振動子の寸法は限定されない。しかし、振動子の重量や寸法が大きいと、ボンディングワイヤに加わる重力が大きくなり、長期間経過時にボンディングワイヤが変形する可能性がある。このため、ボンディングワイヤの変形による振動への影響を抑制するという観点からは、振動子の幅を１０ｍｍ以下とすることが好ましく、５ｍｍ以下とすることがさらに好ましい。また、同様の観点からは、振動子の重量を５ｍｇ以下とすることが好ましく、１ｍｇ以下とすることが一層好ましい。また、振動子の厚さを０．３ｍｍ以下とすることが好ましく、０．２ｍｍ以下とすることが更に好ましい。
【００２５】
好ましくは、振動片が圧電性単結晶からなる。圧電性単結晶としては、水晶、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体（Ｌｉ（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ３）単結晶、ホウ酸リチウム単結晶、ランガサイト単結晶を例示できる。
【００２６】
振動子における駆動手段、検出手段は、振動型ジャイロスコープ分野において通常のいずれの手段も採用できる。振動子を圧電性材料によって形成した場合には、この振動子に駆動手段、検出手段として駆動電極および検出電極を設ける。圧電性材料としては、圧電単結晶の他に、ＰＺＴ等の圧電セラミックスがある。また、振動子を恒弾性金属によって形成した場合には、駆動手段、検出手段として、圧電性セラミックスを振動子上に貼りつけることができる。
【００２７】
基板の材質は特に限定されず、いわゆるパッケージ用途に用いられている絶縁性材料、例えばセラミックス、ガラス、樹脂を使用できる。
【００２８】
図６に示すように基板を折り曲げる実施形態においては、フレキシブル基板を使用する。これは、柔らかく薄いフィルム状の回路基板であり、一般的にはポリイミドのフィルム上に銅配線を施した基板が多く用いられている。設計の自由度の高さから、最近は小型・精密化の進むエレクトロニクス製品の多くに採用されている。
【００２９】
図７に示すように、平板状の実装部を配線２０によって連結する場合には、この配線は、例えば各実装部上の電極パターンを構成する各配線に連続し、電気的に導通していてよい。このように、基板の配線を連結部として利用することによって、フレキシブル基板を折り曲げることが不要となるので、作製が一層容易となる。配線２０の種類は特に限定されないが、銅箔、金めっき付銅箔、アルミ箔、ニッケル箔が好ましい。
【００３０】
ボンディングワイヤは、支持基板の実装面に直接に支持されていてもよいが、支持基板上の枠体上に支持されていてもよい。また、ボンディングワイヤの振動子への接合方法は限定されないが、超音波ボンディング、スポット溶接、導電性接着剤、半田付けが好ましい。
【００３１】
ボンディングワイヤは、振動子の端子部に対して電気的に接続できる。また、ボンディングワイヤの材質は特に限定されないが、導電性材料である必要があり，また柔軟性ないし可撓性を有する材料であることが好ましい。この観点からは、金めっき付銅、金めっき付ニッケル、ニッケル、アルミニウムが好ましい。
【００３２】
ボンディングワイヤによって振動子の上面を支持することができ、あるいは、ボンディングワイヤによって振動子の下面を支持することができる。
【００３３】
本発明において測定されるべき物理量は、特に限定はされない。振動子に駆動振動を励振し、駆動振動中の振動子に対する物理量の影響によって振動子の振動状態に変化が生じたときに、この振動状態の変化から検出回路を通して検出可能な物理量を対象とする。こうした物理量としては、振動子に印加される加速度、角速度、角加速度が特に好ましい。また、測定装置としては慣性センサーが好ましい。
【００３４】
本発明においては、パッケージ１６または実装構造３、３Ａ、３Ｂを所定の回路基板に対して固定する。この固定方法は限定されず、紫外線硬化型接着剤、熱硬化型接着剤、機械的固定、リード１０の半田付けなど種々の方法であってよい。
【００３５】
支持基板に搭載される電子部品の種類は特に限定されないが、抵抗抗器、コンデンサ、半導体集積回路チップを例示できる。チップの種類は特に限定されないが、角速度センサの出力信号を処理する半導体集積回路であることが好ましく、たとえばフィルタを構成するオペアンプやアナログ出力をデジタル化するアナログ／デジタル変換器や、デジタル化した信号を外部にシリアル通信で出力するシリアル通信ドライバが好ましい。角速度センサ外部から振動子に直接接続できる端子がある場合は、振動子の駆動信号および検出信号を制御する半導体集積回路チップであることが好ましく、例えばＡＳＩＣ（Application Specified Integrated Circuit：特定用途向け集積回路）が好ましい。
【００３６】
振動子のパッケージへの封止方法は限定されず、例えば以下の方法がある。
（１）封止手段が半導体チップ用パッケージである。このようなパッケージとしては、ＱＦＰ(Quad Flat Package)
パッケージ、ＱＦＮ(Quad Flat No −lead)パッケージを例示できる。
（２）封止手段が樹脂モールド材である。樹脂モールド材としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂、ウレタン樹脂を例示できる。
（３）封止手段が、セラミックパッケージである。カバーは、シーム溶接されているか、あるいは半田溶接または金ロウ溶接されていることが好ましい。
（４）封止手段が金属パッケージである。材料としては、コバールが例示できる。
（５）封止手段が金属折り曲げ筐体である。気密封止にはなっていないが、電磁気シールドとしての効果はある。材料としては亜鉛メッキ鋼板、ステンレスを例示できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態で用いる振動子収容パッケージ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃと、これを固定する基板２Ａ、２Ｂ、２Ｃとを示す斜視図である。
【図２】パッケージ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを概略的に示す断面図である。
【図３】（ａ）はパッケージ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃの内部を示す平面図であり、（ｂ）はパッケージの底面図である。
【図４】パッケージ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃおよび基板２Ａ、２Ｂ、２Ｃを積層することによって得られた実装構造３を示す斜視図である。
【図５】実装構造を収容するパッケージ１６の斜視図である。
【図６】フレキシブル基板１２上およびこれを用いて積層されたパッケージ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを備える実装構造３Ａを示す斜視図である。
【図７】基板２Ａ、２Ｂ、２Ｃを配線２０によって結合してなる実装構造３Ｂを示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３８】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ  パッケージ内の振動子の実装構造          ２Ａ，２Ｂ、２Ｃ  基板          ３，３Ａ，３Ｂ  実装構造          ４  振動子          ５  ボンディングワイヤ          ８  パッケージ容器          １０  リード          １１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ  振動子を収容するパッケージ          １６  パッケージ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃを収容するパッケージ          １２  フレキシブル基板          ２０  配線          Ａ  検出軸          Ｄ  所定面Ｘに対して略垂直な方向          Ｘ  所定面          ω  回転角速度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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