CN117907627A - 惯性传感器单元 - Google Patents

Abstract

惯性传感器单元。惯性传感器单元具有：第1基板，其搭载有多个惯性传感器模块；以及第2基板，其搭载有对来自多个惯性传感器模块的信号进行处理的处理电路。

Description

惯性传感器单元

技术领域

本发明涉及惯性传感器单元。

背景技术

专利文献1公开了一种具有多个惯性传感器模块(例如IMU：InertialMeasurement Unit)和微型计算机等处理电路搭载在同一基板上的传感器器件。

专利文献1：日本特开2018-9908号公报

但是，在专利文献1记载的技术中，将惯性传感器模块和处理电路搭载在同一基板上，因此存在平面尺寸变大的问题。尤其是，在使用多个惯性传感器模块的多IMU中，IMU的个数越增加，则特性越稳定，因此，优选尽可能地增多IMU的个数。由此，存在搭载IMU的基板变大、需要很多信号处理而处理电路也大型化的问题。

发明内容

惯性传感器单元具有：第1基板，其搭载有多个惯性传感器模块；以及第2基板，其搭载有对来自多个惯性传感器模块的信号进行处理的处理电路。

附图说明

图1是示出收纳传感器模块的惯性传感器单元的结构的立体图。

图2是示出惯性传感器单元的结构的俯视图。

图3是示出传感器模块的结构的立体图。

图4是示出传感器模块的结构的分解立体图。

图5是示出第1基板和第2基板的导通部的结构的立体图。

图6是示出惯性传感器单元的结构的框图。

图7是示出惯性传感器模块的结构的分解立体图。

图8是示出电路基板的结构的俯视图。

图9是示出电路基板的结构的俯视图。

图10是示出变形例的惯性传感器单元的结构的剖视图。

图11是示出变形例的惯性传感器单元的结构的剖视图。

图12是示出变形例的惯性传感器单元的结构的剖视图。

图13是示出变形例的惯性传感器单元的结构的立体图。

标号说明

1惯性传感器单元；2惯性传感器模块；2A第1惯性传感器模块；2B第2惯性传感器模块；2C第3惯性传感器模块；9作为壳体的容器；9a底部；9b上部；11第1基板；12第2基板；21外壳；22内壳；23接合材料；24电路基板；25模块连接器；26、27惯性传感器器件；26、26a、26b、26c角速度传感器；27加速度传感器；27A第1加速度传感器；27B第2加速度传感器；27C第3加速度传感器；90通信电路；91基座；92盖；93连接器；100处理电路；111第1连接器；112第2连接器；113第3连接器；121间隔件；126、127惯性传感器器件；211、212螺纹孔；221开口；241上表面；301防振材料；302隔热材料；400金属壳体；911凹部；931基板；1000、1000A、1000B、1000C、1000D传感器单元；1011第1基板；1012第2基板；Q1第1象限；Q2第2象限；Q3第3象限；Q4第4象限。

具体实施方式

在以下的各图中，将相互正交的3个轴作为X轴、Y轴以及Z轴进行说明。将沿着X轴的方向设为“X方向”，将沿着Y轴的方向设为“Y方向”，将沿着Z轴的方向设为“Z方向”，箭头的方向为+方向，与+方向相反的方向为-方向。另外，有时也将+Z方向称为“上”或“上方”，将-Z方向称为“下”或“下方”，也将从+Z方向以及-Z方向观察称为俯视或平面观察。另外，将Z方向+侧的面设为上表面，将与其相反的一侧的Z方向-侧的面设为下表面进行说明。

首先，参照图1以及图2对惯性传感器单元1的结构进行说明。

如图1所示，惯性传感器单元1例如为对汽车、农业机械、建筑机械、机器人以及无人机等移动体的姿态或行为进行检测的惯性计测装置。惯性传感器单元1是具备后述的检测3轴的角速度的角速度传感器26以及检测3轴的加速度的加速度传感器27的复合传感器单元。由此，成为便利性较高的惯性传感器单元1。

如图1以及图2所示，惯性传感器单元1具备作为壳体的容器9和收纳于容器9中的传感器单元1000。传感器单元1000具有第1基板11、搭载于第1基板11的第1惯性传感器模块2A、第2惯性传感器模块2B、第3惯性传感器模块2C以及配置为在俯视时与第1基板11重叠的第2基板12。这样，在本实施方式中，具备3个传感器模块，但也可以是2个，也可以是4个以上。

容器9具有：具备在上表面开口的凹部911的基座91和以堵塞凹部911的开口的方式固定于基座91的盖92。在这样的容器9的内部形成有收纳空间S。3个惯性传感器模块2A、2B、2C以搭载于第1基板11的状态收纳于收纳空间S。由此，能够保护这些惯性传感器模块2A、2B、2C免受尘埃、湿气、紫外线、冲击等的影响。

基座91及盖92例如由铝(Al)构成。由此，成为足够硬质的容器9。但是，作为基座91和盖92的构成材料，不限于铝，例如也可以使用铝合金、锌、不锈钢等金属材料、各种陶瓷、各种树脂材料、金属材料与树脂材料的复合材料等。另外，也可以使基座91和盖92的构成材料不同。

在基座91的侧壁安装有连接器93。连接器93具有进行容器9的内部与外部的电连接的功能。如图2所示，惯性传感器单元1具有基板931，基板931与连接器93电连接并具备接口电路。

接下来，参照图3～图5对传感器单元1000的结构进行具体说明。

如图3所示，传感器单元1000具备第1基板11和以重叠在第1基板11之上的方式隔开规定间隔而配置的第2基板12。第1基板11和第2基板12是电路基板，虽未图示，但形成有规定的电路、布线。

第1基板11也作为支承基板发挥功能，支承第1惯性传感器模块2A、第2惯性传感器模块2B、第3惯性传感器模块2C以及第2基板12等各部分。第1基板11例如通过螺纹紧固而固定于基座91。但是，第1基板11向容器9的固定方法没有特别限定。

在第1基板11的下表面，沿着X轴方向排列配置有第1惯性传感器模块2A和第2惯性传感器模块2B。在第1基板11的上表面，以俯视时与第1惯性传感器模块2A重叠的方式配置有第3惯性传感器模块2C。另外，在第1基板11配置有与上述基板931电连接的第1连接器111。

另外，第2惯性传感器模块2B以及第3惯性传感器模块2C是与第1惯性传感器模块2A相同的结构，因此，以下作为惯性传感器模块2进行说明。但不限于此，惯性传感器模块2A、2B、2C中的至少1个也可以是与其他惯性传感器模块不同的结构。

惯性传感器模块2具备惯性传感器器件26、27和对惯性传感器器件26、27进行封装的金属壳体400。

惯性传感器器件26、27例如为后述的角速度传感器26或加速度传感器27。角速度传感器26能够检测3轴的角速度，加速度传感器27能够检测3轴的加速度。因此，惯性传感器模块2检测3轴的角速度以及3轴的加速度。

金属壳体400例如由铝(Al)构成。由此，成为足够硬质的金属壳体400。但是，金属壳体400的构成材料不限于铝，例如也可以使用铝合金、锌、不锈钢等金属材料、各种陶瓷、各种树脂材料，金属材料与树脂材料的复合材料等。

这样，惯性传感器器件26、27被封装在金属壳体400中，因此例如惯性传感器器件26、27不易受到来自外部的冲击或电磁波的影响。另外，由于封装在金属壳体400中，所以，不易受到轻微振动的影响。

第2基板12以俯视时与第2惯性传感器模块2B重叠的方式配置在第1基板11上。第2基板12例如通过使用间隔件121而与第1基板11隔开规定的间隔地配置。在第2基板12上配置有处理电路100和用于动作检查等的第2连接器112。

处理电路100对来自惯性传感器模块2的信号进行处理。此外，处理电路100对惯性传感器单元1的各部特别是第1惯性传感器模块2A、第2惯性传感器模块2B以及第3惯性传感器模块2C的驱动进行控制。此外，处理电路100与第1连接器111电连接。第1连接器111经由未图示的布线与基板931的接口电路电连接。处理电路100例如为MCU(Micro ControllerUnit)，内置有包括非易失性存储器的存储部、A/D转换器等，对惯性传感器单元1的各部进行控制。处理电路100具备使用惯性传感器模块2的各计测值进行运算的运算部。

这样，通过配置第1基板11和第2基板12，能够不浪费地有效利用第1基板11的上表面和下表面的空间。由此，能够实现第1基板11以及第2基板12的小型化、与此相伴的惯性传感器单元1的小型化。

另外，如图5所示，在第1基板11以及第2基板12上配置有用于在第1基板11与第2基板12之间收发数据的第3连接器113。

接下来，参照图6对传感器单元1000的结构进行说明。

如图6所示，传感器单元1000具备第1惯性传感器模块2A、第2惯性传感器模块2B、第3惯性传感器模块2C、处理电路100以及通信电路90。通信电路90例如安装于基板931。基板931例如将在处理电路100中运算出的惯性数据向其他装置输出。

处理电路100基于从第1惯性传感器模块2A、第2惯性传感器模块2B、第3惯性传感器模块2C得到的各测量值，生成合成后的惯性数据。通过使用多个惯性传感器模块2A、2B、2C，能够减小传感器的噪声，能够得到稳定的输出。例如，处理电路100运算从第1惯性传感器模块2A、第2惯性传感器模块2B、第3惯性传感器模块2C得到的作为各计测值的惯性数据的平均值。所运算的惯性数据可以是角速度或加速度。处理电路100也可以使用运算出的加速度以及角速度来运算其他的惯性数据。其他惯性数据例如是物体的姿态、朝向、振动、运动、冲击等的大小。

如上所述，在第1基板11上搭载多个惯性传感器器件26、27，在第2基板12上搭载处理电路100，重叠配置第1基板11和第2基板12，因此，与在同一基板上搭载多个惯性传感器器件26、27以及处理电路100的情况相比，能够实现小型化。而且，由于分为第1基板11和第2基板12，因此，例如能够抑制处理电路100的热、振动对惯性传感器器件26、27造成影响。

接下来，参照图7对惯性传感器模块2A、2B、2C的结构进行说明。此外，惯性传感器模块2A、2B、2C为相同的结构，因此，以下作为惯性传感器模块2进行说明。

在说明惯性传感器模块2时，在图7～图9中图示了a轴、b轴以及c轴。另外，将沿着a轴的方向也称为a轴方向，将沿着b轴的方向也称为b轴方向，将沿着c轴的方向也称为c轴方向。另外，将各轴的箭头侧也称为“正侧”，将相反侧也称为“负侧]。此外，a轴、b轴以及c轴是针对惯性传感器模块2设定的轴，是与针对惯性传感器单元1设定的轴即X轴、Y轴以及Z轴不同的轴。

如图7所示，惯性传感器模块2具有外壳体21和内壳体22。惯性传感器模块2构成为在外壳体21的内部***内壳体22，并通过接合部件23将它们接合。

惯性传感器模块2的外形即外壳体21在从c轴方向俯视时为大致矩形，特别是正方形。另外，在外壳体21的位于对角的一对角部的一方设有螺纹孔211，在另一方设有螺纹孔212。惯性传感器模块2通过利用螺纹孔211、212螺纹紧固于第1基板11而被固定。但是，惯性传感器模块2的外形、螺纹孔211、212的配置以及数量没有特别限定。另外，对于惯性传感器模块2的固定方法也没有特别限定。

此外，惯性传感器模块2具有收纳在外壳体21与内壳体22之间的电路基板24。电路基板24被内壳体22支承。

在电路基板24上安装有与第1基板11进行电连接的模块连接器25、检测绕a轴的角速度ωa的角速度传感器26a、检测绕b轴的角速度ωb的角速度传感器26b、检测绕c轴的角速度ωc的角速度传感器26c、检测a轴、b轴以及c轴的各轴方向的加速度的加速度传感器27(参照图7、图8)。另外，一般而言，由惯性传感器器件26、27输出的信号具有因组装时的偏差等而导致的相对于多个检测轴的偏差。因此，惯性传感器模块2也可以对惯性传感器器件26、27的信号执行应用预先决定的旋转矩阵等校正系数的偏差校正。此时，也可以将作为检测轴的a轴，b轴，c轴的信号变换为相互正交的3轴的信号。在此，相互正交的3个轴也可以相对于惯性传感器单元1的外形而设定。

此外，如图4所示，角速度传感器26对于作为对惯性传感器单元1设定的轴的X轴、Y轴以及Z轴，也称为检测绕X轴的角速度ωx的X轴角速度传感器、检测绕Y轴的角速度ωy的Y轴角速度传感器、检测绕Z轴的角速度ωz的Z轴角速度传感器。

角速度传感器26a、26b、26c以及加速度传感器27分别与模块连接器25电连接。模块连接器25从设置于内壳体22的开口221露出，能够与第1基板11电连接。

另外，在第1基板11的配置有第1惯性传感器模块2A的部分，配置与第1惯性传感器模块2A具有的模块连接器25连接的未图示的连接器。未图示的连接器经由使第1基板11与第2基板12导通的作为导通部的第3连接器113(参照图5)，与配置于第2基板12的处理电路100电连接。这样，各惯性传感器模块2A、2B、2C与配置于第2基板12的处理电路100电连接。

接着，参照图8及图9说明电路基板24的结构。以下，将在从c轴方向俯视时由与惯性传感器模块2的中心O相交并沿a轴方向延伸的假想线La和与惯性传感器模块2的中心O相交并沿b轴方向延伸的假想线Lb划分的4个象限设为第1象限Q1、第2象限Q2、第3象限Q3以及第4象限Q4。

第1象限Q1相对于中心O位于a轴方向正侧以及b轴方向正侧。第2象限Q2相对于中心O位于a轴方向负侧以及b轴方向正侧。第3象限Q3相对于中心O位于a轴方向负侧以及b轴方向负侧。第4象限Q4相对于中心O位于a轴方向正侧及b轴方向负侧。

模块连接器25配置在电路基板24的上表面241，位于第2象限Q2和第3象限Q3中。并且，角速度传感器26a配置在电路基板24的侧面，位于第4象限Q4。并且，角速度传感器26b配置在电路基板24的侧面，位于第1象限Q1。并且，角速度传感器26c配置在电路基板24的上表面241，位于第4象限Q4。

并且，加速度传感器27配置在电路基板24的上表面241，位于第1象限Q1。并且，螺纹孔211位于第2象限Q2。并且，螺纹孔212位于第4象限Q4。

接下来，返回图4，对这些第1惯性传感器模块2A、第2惯性传感器模块2B以及第3惯性传感器模块2C的配置进行说明。以下，为了便于说明，将第1惯性传感器模块2A具有的加速度传感器27也称为第1加速度传感器27A，将第2惯性传感器模块2B具有的加速度传感器27也称为第2加速度传感器27B，将第3惯性传感器模块2C具有的加速度传感器27也称为第3加速度传感器27C。

第1惯性传感器模块2A以a轴与Y轴一致、b轴与X轴一致、c轴与Z轴一致的方式配置，a轴方向正侧朝向Y轴方向负侧，b轴方向正侧朝向X轴方向正侧，c轴方向正侧朝向Z轴方向正侧。

第2惯性传感器模块2B以a轴与X轴一致、b轴与Y轴一致、c轴与Z轴一致的方式配置，a轴方向正侧朝向X轴方向负侧，b轴方向正侧朝向Y轴方向负侧，c轴方向正侧朝向Z轴方向正侧。即，第2惯性传感器模块2B成为相对于第1惯性传感器模块2A绕Z轴旋转90°的姿态。

第3惯性传感器模块2C以a轴与X轴一致、b轴与Y轴一致、c轴与Z轴一致的方式配置，a轴方向正侧朝向X轴方向正侧，b轴方向正侧朝向Y轴方向负侧，c轴方向正侧朝向Z轴方向负侧。即，第3惯性传感器模块2C成为相对于第1惯性传感器模块2A绕X轴旋转180°进而绕Z轴旋转90°的姿态。

即，在图4所示的例子中，第1惯性传感器模块2A的第1加速度传感器27A和第3惯性传感器模块2C的第3加速度传感器27C配置为从沿着Z轴的方向观察时相互重叠。第1惯性传感器模块2A的第1加速度传感器27A和第2惯性传感器模块2B的第2加速度传感器27B配置为从沿着X轴的方向观察时相互重叠。由此，能够将第1加速度传感器27A、第2加速度传感器27B以及第3加速度传感器27C各自受到的加速度的差异抑制得较小。

此外，来自第1惯性传感器模块2A的信号是针对规定的坐标轴的信号，但也可以对来自第1惯性传感器模块2A的信号进行转换，以使其与其他惯性传感器模块2的坐标轴一致。此外，信号的转换也可以对第1惯性传感器模块2A、第2惯性传感器模块2B、第3惯性传感器模块2C的全部执行，也可以对一部分执行。

如上所述，本实施方式的惯性传感器单元1具备搭载有多个惯性传感器模块2的第1基板11和搭载有对来自多个惯性传感器模块2的信号进行处理的处理电路100的第2基板12。

根据该结构，在第1基板11上搭载多个惯性传感器模块2，在第2基板12上搭载处理电路100，因此，与在同一基板上搭载多个惯性传感器模块2以及处理电路100的情况相比，能够根据基板的配置而实现小型化。而且，由于分为第1基板11和第2基板12，因此，例如能够抑制处理电路100的热、振动对惯性传感器器件26、27造成影响。

此外，在本实施方式的惯性传感器单元1中，优选为，第1基板11和第2基板12被配置为相互重叠。根据该结构，第1基板11与第2基板12重叠地配置，所以与将第1基板11与第2基板12在平面上并排配置的情况相比，能够减小平面尺寸。

此外，优选为，本实施方式的惯性传感器单元1在第1基板11与第2基板12之间具备间隔件121。根据该结构，在第1基板11和第2基板12之间具有间隔件121，所以，通过调整间隔件121的厚度，能够使第1基板11和第2基板12的间隙成为期望的间隙。因此，能够抑制配置于基板11、12的部件发生干扰。

另外，在本实施方式的惯性传感器单元1中，优选多个惯性传感器模块2分别被金属壳体400封装。根据该结构，惯性传感器器件26、27被封装在金属壳体400中，因此，例如惯性传感器器件26、27不易受到来自外部的冲击或电磁波的影响。另外，由于封装在金属壳体400中，所以，不易受到轻微振动的影响。

此外，在本实施方式的惯性传感器单元1中，优选为，多个惯性传感器模块2具有X轴角速度传感器、Y轴角速度传感器、Z轴角速度传感器。根据该结构，由于具有各轴的角速度传感器26，所以，能够检测3轴的角速度。由此，惯性传感器单元1除了角速度以外，还能够对物体的姿态或朝向、运动等的大小进行运算并输出。

此外，在本实施方式的惯性传感器单元1中，优选为，多个惯性传感器模块2具有加速度传感器27。根据该结构，具有加速度传感器27，因此，能够检测加速度。由此，惯性传感器单元1除了加速度以外，还能够对重力、移动、振动、冲击等的大小进行运算并输出。

以下，说明上述实施方式的变形例。

如上所述，惯性传感器单元1具有传感器单元1000，但不限于此，例如，也可以采用图10所示的结构。图10是示出变形例的传感器单元1000A的结构的剖视图。

如图10所示，传感器单元1000A在第1基板11与第2基板12之间配置有能够使振动难以传递的防振材料301。具体而言，在第1基板11和第2基板12之间的固定第1基板11和第2基板12的螺钉213、214的周围配置有防振材料301。另外，不限于防振材料301，也可以使用凝胶。

这样，变形例的传感器单元1000A优选在第1基板11与第2基板12之间具备防振材料301或凝胶。根据该结构，具备防振材料301或凝胶，因此，例如能够抑制第2基板12侧的振动传递至第1基板11，从而能够抑制传感器特性劣化。

此外，如上所述，惯性传感器单元1具有传感器单元1000，但不限于此，例如，也可以采用图11所示的结构。图11是示出变形例的传感器单元1000B的结构的剖视图。

如图11所示，传感器单元1000B在第1基板11与第2基板12之间配置有使热难以传递的隔热材料302。具体而言，在第1基板11和第2基板12之间的固定第1基板11和第2基板12的螺钉213、214的周围配置有隔热材料302。另外，不限于螺钉213、214的周围，也可以配置在第1基板11和第2基板12连接的部分。

这样，变形例的传感器单元1000B优选在第1基板11与第2基板12之间具备隔热材料302。根据该结构，具备隔热材料302，因此，例如能够抑制在第2基板12侧产生的热传递至第1基板11，从而能够抑制传感器特性劣化。

此外，如上所述，惯性传感器单元1具有传感器单元1000，但不限于此结构，例如，也可以采用图12所示的结构。图12是示出变形例的传感器单元1000C的结构的剖视图。

如图12所示，传感器单元1000C的第1基板11使用螺钉213a、214a固定于作为壳体的容器9的第1面即底部9a。另一方面，第2基板12使用螺钉213b、214b固定于作为容器9的第2面的上部9b。

这样，优选为，变形例的传感器单元1000C具备作为对第1基板11以及第2基板12进行收纳的外壳的容器9，第1基板11配置在容器9的底部9a，第2基板12配置在与底部9a相对的上部9b。根据该结构，第1基板11和第2基板12分离，因此，例如能够抑制第2基板12产生的热和振动对惯性传感器器件26、27造成影响。

另外，如图13所示，传感器单元1000D也可以在第1基板1011之上配置多个惯性传感器器件126、127，在第2基板1012之上配置处理电路100。具体而言，如上所述，第1基板1011和第2基板1012通过螺纹固定件(未图示)隔开规定的间隔而固定于容器9。第1基板1011和第2基板1012使用上述连接器或柔性基板等进行电连接。

Claims (9)

1.一种惯性传感器单元，其具有：

第1基板，其搭载有多个惯性传感器模块；以及

第2基板，其搭载有对来自多个惯性传感器模块的信号进行处理的处理电路。

2.根据权利要求1所述的惯性传感器单元，其中，

所述第1基板和所述第2基板以相互重叠的方式配置。

3.根据权利要求1所述的传感器单元，其中，

在所述第1基板与所述第2基板之间具有间隔件。

4.根据权利要求1所述的惯性传感器单元，其中，

在所述第1基板与所述第2基板之间具有防振材料或凝胶。

5.根据权利要求1所述的惯性传感器单元，其中，

在所述第1基板和所述第2基板之间具有隔热材料。

6.根据权利要求1所述的惯性传感器单元，其中，

所述惯性传感器单元具备收纳所述第1基板及所述第2基板的壳体，

所述第1基板配置在所述壳体的第1面，

所述第2基板配置在与所述第1面相对的第2面。

7.根据权利要求6所述的惯性传感器单元，其中，

所述多个惯性传感器模块分别由金属壳体封装。

8.根据权利要求1所述的惯性传感器单元，其特征在于，

所述多个惯性传感器模块具有X轴角速度传感器、Y轴角速度传感器、Z轴角速度传感器。

9.根据权利要求1所述的惯性传感器单元，其中，

所述多个惯性传感器模块具有加速度传感器。