(57)【要約】【課題】本発明の角速度センサは、角速度センサ素子の駆動振動によって、ケースが振動し、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の回転運動となって伝達され、角速度検出信号とは別の不要信号が発生するということのない、出力信号の精度が向上した角速度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】ケース載置部材４１とリードフレーム３９を介して一体に成型されるとともに外面に外部接続端子４３を設けた樹脂製のベース４２とを備え、ケース載置部材４１とベース４２とで両端を支持されたリードフレーム３９の固有振動数と角速度センサ素子２１の駆動周波数とが互いに略一致するようにし、不要信号が発生しない構成とした。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
角速度センサ素子と、前記角速度センサ素子を内部空間に収容するとともに外面にケース接続電極を設けたケースと、前記ケースにおけるケース接続電極と電気的に接続されるリードフレーム接続電極を設けかつケースを載置する樹脂製のケース載置部材と、前記ケース載置部材とリードフレームを介して一体に成型されるとともに外面に外部接続端子を設けた樹脂製のベースとを備え、前記ケース載置部材とベースとで両端を支持されたリードフレームの固有振動数と角速度センサ素子の駆動周波数とが互いに略一致するようにした角速度センサ。
【請求項２】
前記ケース載置部材と前記ベースとを同一の材料で構成した請求項１記載の角速度センサ。
【請求項３】
前記リードフレームの略中央部にケース載置部材および前記ベースと同一材料からなる樹脂製の質量体を連結するように設けた請求項２記載の角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、各種電子機器に用いられる角速度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
以下に従来の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は従来の角速度センサの正断面図、図１１は同上面図、図１２，図１３は同側断面図である。
【０００４】
図１０〜図１３において、１は角速度センサ素子部で、この角速度センサ素子部１は、ケース２の段差部３に設けた角速度センサ素子４と、前記ケース２の内底面に設けたＩＣ５と、前記ケース２の上部開口を閉塞するリッド６とにより構成されている。７は金属製のリード端子であり、このリード端子７は前記角速度センサ素子部１と接続されている。８は樹脂製の枠体である。９はベースで、このベース９は前記枠体８と同一材料の樹脂で成型されている。
【０００５】
そして、前記枠体８は、前記角速度センサ素子部１と前記ベース９を接続する前記リード端子７を支持する構造となっている。また、前記リード端子７は、前記ベース９の下部まで延長して配置され、外部用接続端子１０を形成している。１１は金属製のキャップで、このキャップ１１は、前記角速度センサ素子部１、前記枠体８、前記ベース９を覆い、このキャップ１１の先端部（図示せず）を前記ベース９にかしめることにより固定する。
【０００６】
以上のように構成された従来の角速度センサについて、次に、その組立方法を説明する。
【０００７】
まず、ケース２の内底面にＩＣ５を載置した後、角速度センサ素子４をケース２における段差部３に載置する。
【０００８】
次に、ケース２の開口をリッド６により封止する。
【０００９】
次に、複数のリード端子７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８、ベース９と外部用接続端子１０を一体に成形する。
【００１０】
次に、角速度センサ素子部１の外底面にチップ部品（コンデンサ）１２と前記複数のリード端子７の自由端側を半田付けすることにより、角速度センサ素子部１とリード端子７とを互いに電気的かつ機械的に接続する。
最後に、前記角速度センサ素子部１、枠体８、ベース９をキャップ１１で覆い、このキャップ１１の先端をベース９にかしめることにより、固定する。
【００１１】
以上のように構成かつ組み立てられた従来の角速度センサについて、次にその動作を説明する。
【００１２】
まず、前記角速度センサ素子４にＩＣ５により電圧を印加して、角速度センサ素子４を振動駆動させる。
【００１３】
そして、角速度センサ素子４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４が検知軸周りに角速度ωで回転すると、角速度センサ素子４にＦ＝２ｍＶ×ωのコリオリ力が発生する。このコリオリ力によって角速度センサ素子４に発生する電荷からなる出力信号をＩＣ５に入力して、波形処理をすることで角速度を検出することができる。そして、リード端子７および外部接続用端子１０を介して、角速度信号を相手側のコンピューターに入力する。
【００１４】
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】
【００１５】
【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】
【００１６】
しかしながら、上記従来の構成においては、ケース２の外底面を前記複数のリード端子７の自由端側で接続した場合、ケース２内部に搭載した角速度センサ素子４の駆動振動によって、角速度センサ素子４とともにケース２も振動する。この角速度センサ素子４からの振動は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の振動、及び各軸の回転運動となって伝達され、角速度センサ出力に角速度検出信号とは別の不要信号を生じてしまうという課題を有していた。
【００１７】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、角速度センサ素子の駆動振動によって、ケースが振動し、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の回転運動となって伝達され、角速度検出信号とは別の不要信号が発生するということのない、出力信号の精度が向上した角速度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】
【００１８】
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。
【００１９】
本発明の請求項１に記載の発明は、角速度センサ素子と、前記角速度センサ素子を内部空間に収容するとともに外面にケース接続電極を設けたケースと、前記ケースにおけるケース接続電極と電気的に接続されるリードフレーム接続電極を設けかつケースを載置する樹脂製のケース載置部材と、前記ケース載置部材とリードフレームを介して一体に成型されるとともに外面に外部接続端子を設けた樹脂製のベースとを備え、前記ケース載置部材とベースとで両端を支持されたリードフレームの固有振動数と角速度センサ素子の駆動周波数とが互いに略一致するようにしたものである。この構成によれば、ケース載置部材とベースとで両端を支持されたリードフレームの固有振動数と角速度センサ素子の駆動周波数とが互いに略一致するようにしたため、角速度センサ素子からケースを介して伝達される強制振動エネルギーをリードフレームの自由振動エネルギーに効率良く変換することが出来ることとなり、ケースの振動によって角速度センサ出力に含まれる不要信号を低減することができるという作用効果を有するものである。
【００２０】
本発明の請求項２に記載の発明は、特に、ケース載置部材とベースとを同一の材料としたもので、この構成によれば、外部の環境温度変化があっても、ケース載置部材とベースとのヤング率が同様に変化することとなり、これにより、ケース載置部材とベースとを両端支持の節部とすることができるから、角速度センサ出力に含まれる不要信号を、さらに低減させることができるという作用効果を有するものである。
【００２１】
本発明の請求項３に記載の発明は、特に、前記リードフレームの略中央部にケース載置部材および前記ベースと同一材料からなる樹脂製の質量体を連結するように設けたもので、この構成によれば、質量体の質量を微調整することにより、
容易に、リードフレームの固有振動数と角速度センサ素子の駆動周波数とを互いに一致させることができるという作用効果を有するものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の角速度センサは、角速度センサ素子と、前記角速度センサ素子を内部空間に収容するとともに外面にケース接続電極を設けたケースと、前記ケースにおけるケース接続電極と電気的に接続されるリードフレーム接続電極を設けかつケースを載置する樹脂製のケース載置部材と、前記ケース載置部材とリードフレームを介して一体に成型されるとともに外面に外部接続端子を設けた樹脂製のベースとを備え、前記ケース載置部材とベースとで両端を支持されたリードフレームの固有振動数と角速度センサ素子の駆動周波数とが互いに略一致するようにしたものである。この構成によれば、ケース載置部材とベースとで両端を支持されたリードフレームの固有振動数と角速度センサ素子の駆動周波数とが互いに略一致するようにしたため、角速度センサ素子からケースを介して伝達される強制振動エネルギーをリードフレームの自由振動エネルギーに効率良く変換することが出来ることとなり、ケースの振動によって角速度センサ出力に含まれる不要信号を低減する角速度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】
【００２３】
【図１】本発明の一実施の形態における角速度センサの正断面図
【図２】同角速度センサの上断面図
【図３】同角速度センサの側断面図
【図４】同角速度センサの側断面図
【図５】同角速度センサにおける角速度センサ素子の上面図
【図６】同角速度センサ素子の側断面図
【図７】同角速度センサにおけるケース載置部材とベースで両端支持されたリードフレームの図
【図８】本発明の一実施の形態におけるなお書き記載の角速度センサの正断面図
【図９】同なお書き記載の角速度センサにおけるケース載置部材とベースで両端支持された質量体を有するリードフレームの側面図
【図１０】従来の角速度センサの正断面図
【図１１】同角速度センサの上断面図
【図１２】同角速度センサの側断面図
【図１３】同角速度センサの側断面図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の一実施の形態における角速度センサについて、図面を参照しながら説明する。
【００２５】
図１は本発明の一実施形態における角速度センサの正断面図、図２は同角速度センサの上断面図、図３は同角速度センサの側面図、図４は同角速度センサの側断面図、同角速度センサにおける角速度センサ素子の上面図、図６は同角速度センサにおける角速度センサ素子の側断面図、図７は同角速度センサにおけるケース載置部材とベースで両端支持されたリードフレームの図である。
【００２６】
図１〜図７において、角速度センサ素子２１は、図５に示されるごとく音叉型に形成されたシリコン基板２２の駆動部２３ａにそれぞれ駆動電極２４、センス電極２５およびモニタ電極２６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２７とＰｔからなる下部電極２８と、これらの間に配置されたＰＺＴからなる圧電体層２９により形成され、下部電極２８をグランド接続した状態で上部電極２７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く。
【００２７】
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２３ａ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ケース３０ａの開口部をリッド３０ｂにより封口し、内部にドライエアーを充填している。
【００２８】
また、ケース３０ａの内部には角速度センサ素子２１の駆動制御および検出信号の処理を行うＩＣ３１が設けられており、ＩＣ３１から駆動電極２４に駆動信号を印加することにより駆動部２３ａが側方に振動する。
【００２９】
この振動状態において検出軸回りに角速度が加わることで、コリオリ力が働き駆動部２３ａ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２５からセンス信号をＩＣ３１に出力し所定の信号処理を経て角速度信号を出力する。なお、モニタ電極２６は駆動部２３ａの駆動状態を出力し、ＩＣ３１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。
【００３０】
また、角速度センサ素子２１は駆動部２３ａを自由に振動可能な状態で支持されなければならず、この角速度センサ素子２１を実装するケース３０ａの内部空間１０においては、ＩＣ３１を実装する内部底面３４と、この内部底面３４の外周部分に一段高くなった段差面３５を設け、この段差面３５に角速度センサ素子２１の基部２３ｂを実装することで駆動部２３ａをＩＣ３１の上方に浮かせて振動可能な状態で支持している。なお、ＩＣ３１や角速度センサ素子２１に対する信号経路は特に図示していないがケース３０ａに設けられた配線電極（図示せず）やビアホール（図示せず）などを介してケース３０ａの下面に設けられたケース接続電極３６に接続されている。
【００３１】
また、図１〜図４に示すように、このケース３０ａは樹脂材料から形成されるケース載置部材４１上で支持され、ケース３０ａの外底面のケース接続電極３６は、ケース載置部材４１の側壁部３８から挿入した複数の金属材料からなるリードフレーム３９の先端部によって形成されるリードフレーム接続電極４０と電気的かつ機械的に接合される。
【００３２】
リードフレーム３９のもう一端側は、ケース載置部材４１と一体成形されるベース４２の側壁部分を貫通して外面に導出され、実装面側に回り込ませることで外部接続端子４３を形成した構造となっている。
【００３３】
また、各リードフレーム接続電極４０は、ケース３０ａの下面に設けられた複数のケース接続電極３６に適宜接続されるものであり、そのリードフレーム接続電極４０が各ケース接続電極３６に応じた配置とする必要があるため、複数のリードフレーム接続電極４０を樹脂製のケース載置部材４１で所定位置に整列固定させる。
【００３４】
そして、この角速度センサにおいては、図７に示すように複数のリードフレーム３９は、樹脂成型で一体化されたケース載置部材４１とベース４２で両端支持固定されている。この構造により、角速度センサ素子２１の駆動発振によってケース載置部材４１に伝達される強制振動のエネルギーは、複数のリードフレーム３９の自由振動エネルギーに変換することができる。ケース３０ａに内蔵された角速度センサ素子２１の駆動発振によってケース載置部材４１に伝達される強制振動の振動数と複数のリードフレーム３９のそれぞれの固有振動数が異なる場合は、ケース載置部材４１から伝達される強制振動はリードフレーム３９に反発される。そのため、ケース載置部材４１とリードフレーム３９との間でエネルギーの注入と押戻しが繰り返されるが、ケース載置部材４１から伝達される強制振動とリードフレーム３９のそれぞれの固有振動数を一致させれば、効率良くケース載置部材４１の強制振動エネルギーをリードフレーム３９の自由振動エネルギーに変換することができる。
【００３５】
すなわち、図７に示すように複数のリードフレーム３９を、樹脂成型で一体化されたケース載置部材４１とベース４２とで両端支持固定とする。さらに角速度センサ素子２１の駆動周波数と、両端支持固定されたリードフレーム３９の固有振動数を一致させれば、角速度センサ素子２１の発振駆動によるケース３０ａの振動量を抑制することができ、ケース３０ａの振動外乱によって生じる角速度センサ素子２１の不要信号出力の低減化を図ることが可能となる。
【００３６】
また、外部環境温度の変化によって、ケース３０ａを支持するケース載置部材４１、リードフレーム３９、ベース４２のうち、特に樹脂材から成形されるケース載置部材４１、ベース４２のヤング率が変化したとしても、ケース載置部材４１とベース４２はリードフレーム３９の自由振動を両端支持する振動の節部となることに変わりはない。
【００３７】
したがって、図７に示すように複数のリードフレーム３９を、樹脂成型で一体化されたケース載置部材４１とベース４２とで両端支持固定とし、さらに角速度センサ素子２１の駆動周波数と、両端支持固定されたリードフレーム３９の固有振動数を一致させれば、角速度センサ素子２１の発振駆動によるケース３０ａの振動量を抑制することができ、さらに外部環境温度が変化によってケース支持部材の材料特性、特にヤング率が変化しても、ケース３０ａの振動外乱によって生じる角速度センサ素子２１の不要信号出力の変化を抑制することが可能となる。
【００３８】
そして、この両端支持固定された個々のリードフレーム３９の１次固有角振動数ω１は、ベルヌーイ・オイラー理論によれば（数１）の式で算出することができる。
【００３９】
【数１】
2016176740.tif 000003
【００４０】
両端支持固定されたリードフレーム３９の１次固有振動モードにおける固有振動数Ｆ１は、（数２）で与えられる。この固有振動数が、角速度センサ素子２１の駆動周波数と一致するように設定されている。
【００４１】
【数２】
2016176740.tif 000004
【００４２】
例えば、リードフレーム材料をＳＵＳ３０４（ヤング率１９３ＧＰａ、密度７．９３ｇ／ｃｍ３）とし、リードフレームの長さＬ＝６ｍｍ、幅ｂ＝０．２ｍｍ、  厚みｈ＝０．０５０５ｍｍを設計値とした場合、両端支持されたリードフレーム３９の固有振動数は６９．５ｋＨｚとなる。
【００４３】
したがって、６９．５ｋＨｚで発振駆動する角速度センサ素子２１の強制振動エネルギーを効率良く自由振動エネルギーに変換することができる。
【００４４】
また、リードフレーム材料をＳＵＳ３０４（ヤング率  １９３ＧＰａ、密度７．９３ｇ／ｃｍ３）とし、リードフレームの長さＬ＝６ｍｍ、幅ｂ＝０．２ｍｍ、  厚みｈ＝０．０３ｍｍを設計値とした場合、両端支持されたリードフレームの固有振動数は４１．７ｋＨｚとなる。
【００４５】
したがって、上記と同様に、４２ｋＨｚで発振駆動する角速度センサ素子２１の強制振動エネルギーを効率良く自由振動エネルギーに変換することができる。
【００４６】
４５はキャップで、このキャップ４５は前記ケース載置部材４１、ケース３０ａおよびベース４２を覆っている。
【００４７】
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角速度センサについて、次に、その組立方法を説明する。
【００４８】
まず、予め準備したシリコン基板２２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２８を蒸着により形成し、その後、下部電極２８の上面にＰＺＴ薄膜からなる圧電体層２９を蒸着により形成する。
【００４９】
次に、圧電体層２９の上面に上部電極２７を蒸着し、駆動電極２４、センス電極２５およびモニタ電極２６を形成する。
【００５０】
次に、下部電極２８側に電圧を印加するとともに、駆動電極２４、センス電極２５、モニタ電極２６を接地することにより、圧電体層２９を分極し、角速度センサ素子２１を形成する。
【００５１】
次に、ケース３０ａの内底面にＩＣ３１を載置した後、角速度センサ素子２１をケース３０ａにおける段差部３５に載置する。
【００５２】
次に、ケース３０ａの開口をリッド３０ｂによって封止する。
【００５３】
次に、複数のリードフレーム３９を金型（図示せず）に設置して、射出成型することにより、ケース載置部材４１およびベース４２とリードフレーム３９とを一体に成形する。
【００５４】
次に、ケース３０ａの外底面のケース接続電極３６とケース載置部材４１の側壁部から挿入した複数のリードフレーム先端部によって形成されるリードフレーム接続電極４０とを半田付けをすることによって電気的かつ機械的に接合する。
【００５５】
最後に、前記ケース載置部材４１及びケース３０ａと、ベース４２をキャップ４５で覆い、先端をベース４２にかしめることにより、固定する。
【００５６】
以上のように構成かつ組立てられた従来の角速度センサについて、次にその動作を説明する。
【００５７】
まず、前記角速度センサ素子２１にＩＣ３１により電圧を印加して、角速度センサ素子２１を振動駆動させる。
【００５８】
そして、角速度センサ素子２１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２１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２１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２１から発生する電荷からなる出力信号がＩＣ３１に入力され、この出力信号を波形処理することで角速度を検出する。角速度センサの出力信号は、外部接続端子４３を介して、相手側のコンピューター（図示せず）に出力される。
【００５９】
なお、本発明の一実施の形態における角速度センサにおいては、樹脂成型で一体化されたケース載置部材４１とベース４２で、リードフレーム３９のみが両端支持固定される構成としたが、図８および図９に示すように、ケース載置部材４１で一端を、ベース４２で他端をそれぞれ連結する複数のリードフレーム３９の中央に、ケース載置部材４１およびベース４２と同一材料から成形される質量体４４を設けても良いものである。
【００６０】
これにより、ケース載置部材４１とベース４２とに、各々両端支持された複数のリードフレーム３９の全てを同位相で安定して自由振動させることができ、個々のリードフレーム３９の形状誤差による固有振動数のばらつきを抑制することができる。また、角速度センサ素子２１の駆動周波数に比べてリードフレーム３９のみを両端支持固定した系の固有振動数が大きい場合、リードフレーム３９部に質量体４４を有することで、両端支持固定されるリードフレーム３９と質量体４４とでの固有振動数を小さくすることができる。そのため、リードフレーム３９に成形される質量体４４は、角速度センサ素子２１の駆動周波数と両端支持されるリードフレーム３９の固有振動数の差を一致させるための調整機能を有する。
【００６１】
この両端支持固定された個々のリードフレーム３９の中央部に質量体を有した場合の１次固有角振動数ω１を、レイリーのエネルギー法から算出すれば（数３）の式で導出することができ、両端支持固定されたリードフレーム３９の１次固有振動モードにおける固有振動数Ｆ１は、（数４）で与えられる。この固有振動数が、角速度センサ素子２１の駆動周波数と一致するように設定されている。
【００６２】
【数３】
2016176740.tif 000005
【００６３】
【数４】
2016176740.tif 000006
【００６４】
例えば、リードフレーム材料をＳＵＳ３０４（ヤング率  １９３ＧＰａ、密度７．９３ｇ／ｃｍ３）とし、リードフレームの長さＬ＝３ｍｍ、幅ｂ＝０．２ｍｍ、  厚みｈ＝０．０５ｍｍ、各リードフレーム３９の中央部において、質量  １．４×１０−３ｇ（質量体の幅ＭＢ、厚みＭＨ、長さＭＬ、密度ρＭをそれぞれＭＢ＝１．２ｍｍ、ＭＨ＝１．２ｍｍ、ＭＬ＝０．６ｍｍ、ρＭ＝１．６１ｇ／ｃｍ３）に相当する質量体Ｍを設けた場合、両端支持されて中央部で質量体４４を有するリードフレーム３９の１次固有振動数は６９．１ｋＨｚとなる。したがって、６９．１ｋＨｚで発振駆動する角速度センサ素子２１の強制振動エネルギーを効率良く自由振動エネルギーに変換することができる。質量体４４が無い場合は、上記条件のリードフレームの長さがＬ＝６ｍｍのとき、１次固有振動が６９．５ｋＨｚであった。
【００６５】
このことから、角速度センサ素子２１の任意の駆動周波数にリードフレーム３３の固有振動数を一致させる際、リードフレーム３９の中央部に質量体４４を設けることでリードフレーム３９の長さを短くすることもでき、角速度センサの小型化にも寄与することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明の角速度センサは、角速度センサ素子の駆動振動によって、ケースが振動し、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の回転運動となって伝達され、角速度検出信号とは別の不要信号が発生するということのない、出力信号の精度が向上するという効果を有するもので、特に、各種電子機器に用いられる角速度センサとして有用なものである。
【符号の説明】
【００６７】
２１  角速度センサ素子
３０  ケース載置部材
３０ａ  ケース
３３  内部空間
３６  ケース接続電極
３９  リードフレーム
４０  リードフレーム接続電極
４１  ケース載置部材
４２  ベース
４３  外部接続端子
４４  質量体
【図１】
2016176740.tif 000007
【図２】
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【図３】
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【図４】
2016176740.tif 000010
【図５】
2016176740.tif 000011
【図６】
2016176740.tif 000012
【図７】
2016176740.tif 000013
【図８】
2016176740.tif 000014
【図９】
2016176740.tif 000015
【図１０】
2016176740.tif 000016
【図１１】
2016176740.tif 000017
【図１２】
2016176740.tif 000018
【図１３】
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