JP5481634B2 - 慣性センサを収容するモールド構造およびそれを用いたセンサシステム - Google Patents

Description

本発明は、慣性センサを収容するモールド構造およびそれを用いたセンサシステムに関するものである。

加速度センサや角速度センサに代表される慣性センサは、物体の回転速度や傾斜角を測定するためのセンサであり、カーナビゲーション装置や車両，航空機および船舶のように３次元で運動する移動体、ロボットの姿勢制御、管路計測、カメラの手ぶれ補正等に広く用いられている。

例えば、ロボット等の移動体の姿勢制御に加速度センサや角速度センサが用いられている。直交する３軸をＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸とすると、各軸方向の加速度を３個の加速度センサで検出し、各軸回りの角速度を３個の角速度センサで検出する。そして、軸回りの角度、あるいは姿勢角は、角速度センサの出力を時間積分して得られ、ピッチ角、ロール角、ヨー角が算出される。

近年、これらの慣性センサは、低コスト化が進み用途が拡大し、市場の拡大とともに多軸化やピッチ角、ロール角、ヨー角を算出するセンサシステムの要求が増えてきている。しかし、このセンサシステムを実現する場合、これらのセンサは１軸当たり１枚の基板を必要とするため、１枚の基板に３軸分のセンサを集約することは困難であった（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−３００１６３号公報

センサシステムにおいて、１枚の基板に同一構造の慣性センサをセンサシステムの各検出軸に対応して配置するためには、個々の慣性センサの検出軸を基板面と平行になるように実装したり（横に寝かす，横置きする）、検出軸を基板面と直交するように実装する（立てる，縦置きする）必要がある。また、カーナビゲーション装置においては、従来の据え置き（基板を横置きする）タイプとＰＮＤ（Portable Navigation Device：ポータブルナビ）のような薄型（基板を縦置きする）タイプがあり、双方のタイプの基板および部品を共通化するための検討が行われている。この場合、上記と同様に、同一構造の慣性センサを基板面と平行または直交するよう実装する必要がある。

このような場合、慣性センサの基板上の投影面積（投影形状，端子配置）が異なると、基板上の配線パターンを慣性センサの実装形態によらず同一とすることができないという問題が生ずる。

上記問題を背景として、本発明の課題は、慣性センサの実装形態や実装基板の設置方向によらず、同一構造の慣性センサが使用できるよう、基板上の配線パターンを共通化とすることができる慣性センサを収容するモールド構造およびそれを用いたセンサシステムを提供することにある。

課題を解決するための手段および発明の効果

上記課題を解決するための慣性センサを収容するモールド構造（以下、「モールド構造」と略称することもある）は、
センサ素子とその周辺回路とが収納されて所定方向の慣性力を検出する慣性センサがパッケージとして構成され、パッケージは、底面に電極を備え、樹脂製のモールドに収容された状態で、モールドが基板に実装されており、
モールドは、パッケージの底面が基板の表面と対向するように、該パッケージを収容する第１モールドと、パッケージの側面が基板の表面と対向するように、該パッケージを収容する第２モールドと、が選択的に用いられ、
第１モールドおよび第２モールドは、一端に電極と接続する接続部を形成し、他の一端に基板と接続する端子を形成するリードフレームを含み、
端子は、第１モールドおよび第２モールドのそれぞれの、基板の表面との対向面として定められた一面に配置され、
第１モールドおよび第２モールドのそれぞれの端子の配置が、これら２つのモールドにおいて同一形状となることを特徴とする。

上記構成によって、慣性センサの実装形態や実装基板の設置方向によらず、同一構造の慣性センサが使用できるよう、基板上の配線パターンを共通化とすることができる。

また、本発明のモールド構造における第１モールドおよび第２モールドは、これら２つのモールドを形成する樹脂がリードフレームを包みこむようにインサート成型される。

上記構成によって、リードフレームが必要以上に露出して他の部品と接触することを防止できる。また、インサート成型を行うことにより、複数の工程で行っていたものを１つにすることで工程の短縮化が見込まれ、製品の精度の向上、コスト削減にもつながる。

また、本発明のモールド構造における第２モールドは、慣性センサを保持するための保持部を形成する。

上記構成によって、慣性センサを縦置き状態としても安定性を確保でき、外部の振動の影響を受けずに精度よく慣性力を検出することができる。

また、上記課題を解決するためのセンサシステムは、
上述の慣性センサを収容するモールド構造を用いたセンサシステムであって、
同一の基板上には、慣性センサが複数実装され、その複数の慣性センサのうちの少なくとも１つは第２モールドに収容されている。

従来は、同一の慣性センサであっても、横置き形状で基板に実装する場合と、縦置き形状で基板に実装する場合とでは、別々の基板に実装する必要があったが、上記構成によって、慣性センサの実装形態や実装基板の設置方向によらず、同一構造の慣性センサが使用でき、同一の基板に実装することが可能となる。

また、本発明のセンサシステムにおける慣性センサは、振動型角速度センサである。

振動型角速度センサは、棒やリングの振動子を用い、振動子に加わるコリオリの力を検出することにより角速度を得る方式である。振動型角速度センサの代表的なものとして、振動子が音叉形状となっている音叉型角速度センサがある。振動型角速度センサは、回転型ジャイロのようなモーターやベアリングなどの複数の部品を必要としないため、非常に小型で安価な角速度センサ（すなわち慣性センサ）が実現されており、カメラの手ぶれ検出、カーナビゲーション装置などに用いられている。最近ではＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems：微小電気機械システム）技術を用いて、超小型の角速度センサが開発・量産されている。上記構成によって、実装形態によらず複数の角速度センサを同一の基板に実装できるとともに、角速度センサの小型化により、センサシステムも小型化，軽量化でき、センサシステムの用途が広がり、設置・搭載の自由度も高くなる。

また、本発明のセンサシステムにおける振動型角速度センサは、基板の表面の法線方向をＺ軸とするＸＹＺ三次元直交座標空間において、角速度の検出軸方向がＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸と一致するように同一の基板上に実装されている。

上記構成によって、いわゆる３軸角速度計において、本発明の構成を適用することで、３つの角速度センサを同一の基板に実装することができる。

また、本発明のセンサシステムにおける慣性センサは、加速度センサである。

上記構成によって、実装形態（横置き，縦置き）によらず複数の加速度センサを同一の基板に実装できるとともに、センサシステムも小型化，軽量化でき、センサシステムの用途が広がり、設置・搭載の自由度も高くなる。

また、本発明のセンサシステムにおける加速度センサは、基板の表面の法線方向をＺ軸とするＸＹＺ三次元直交座標空間において、加速度の検出軸方向がＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸と一致するように同一の基板上に実装されている。

上記構成によって、いわゆる３軸加速度計において、本発明の構成を適用することで、３つの加速度センサを同一の基板に実装することができる。

また、本発明のセンサシステムにおける基板は表面実装基板であり、リードフレームの端子は、該基板の表面に実装可能に構成されている。

基板の小型化，集積化、また部品実装の自動化に伴い、抵抗，コンデンサ，トランジスタ，ＩＣ等の殆どの部品が表面実装対応となっている。上記構成によって、慣性センサのパッケージをモールドに収容した状態で、基板に自動実装することができ、基板実装時間の短縮、基板製造コストの低減につながる。

本発明のセンサシステムの模式図。 第１モールドおよびリードフレームの構成を示す図。 第１モールドに角速度センサを収容した状態を示す図。 第２モールドおよびリードフレームの構成を示す図。 第２モールドに角速度センサを収容した状態を示す図。 基板上の配線パターンを示す図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１に、センサシステム１の模式図（斜視図）を示す。なお、センサシステム１は、一般的に図示しないケースに収納されるが、図１では説明のためにケースの上部を取り除き、ケースの底板６のみを残した状態を示している。

センサシステム１は、周知のプリント基板（以下、「基板」と略称する）５を備え、基板５の所定位置（図１の例では、概ね四隅）の表面および裏面に、例えばシリコンを原料とする衝撃吸収ゲル素材であるアルファゲル等の緩衝材２，３が取り付けられている。これら緩衝材２，３は、ケースの底板６あるいは上板（図示せず）に所定の押圧力を加えられて接触しており、基板５に実装される、複数の慣性センサである角速度センサ１１〜１３および加速度センサ２１〜２３に対する衝撃や振動の影響を低減する効果を有する。

また、基板５は、その上に実装される角速度センサ１１〜１３および加速度センサ２１〜２３の取付基準面を提供している。また、基板５には、各センサが出力する信号を処理するための、周知のＡ／Ｄ変換器，増幅器等を含む信号処理回路、他のユニットとの間で信号や情報の遣り取りを行う入出力回路、センサシステム１の全体制御を行う制御回路等が実装されているが、図１においては、これらの回路は省略してある。

角速度センサ１１〜１３は、全て同一構造のもので、センサ素子とその周辺回路とが収納された例えばセラミック製のパッケージとして構成されている（図３参照）。また、パッケージは、基板５の表面に直接実装する、いわゆる表面実装用部品として構成される。角速度センサ１１〜１３は、パッケージの底面と平行な方向に角速度の検出軸方向が定められている。

角速度センサ１１〜１３として、例えば、振動子が振動しながら回転したときに発生するコリオリ力を利用して回転角速度を検出する振動型角速度センサを用いる。より具体的には、振動子（センサ素子）として音叉型振動子を用いた音叉型角速度センサを用いる。無論、機械式，光学式，流体式等の他の方式を用いた角速度センサを使用してもよい。

角速度センサ１１〜１３は、基板５の表面に平行な方向をＸ軸，物体（すなわちセンサシステム１）の主たる移動方向をＹ軸，基板５の表面の法線方向をＺ軸とするＸＹＺ三次元直交座標空間において、角速度の検出軸方向がＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸と一致するように基板５に実装されている。図１の例では、角速度センサ１１の検出軸がＸ軸と一致してピッチ（Pitch）を検出し、角速度センサ１２の検出軸がＹ軸と一致してロール（Roll）を検出し、角速度センサ１３の検出軸がＺ軸と一致してヨー（Yaw）を検出している。

角速度センサ１１の底面には、電極１１ａ〜１１ｄ（図３参照）が備えられている。これら電極は、例えば凸形状の面電極として構成される。また、電極の形状に制約はなく、半球状，ピン形状等でもよい。角速度センサ１２，１３についても同様である。

加速度センサ２１〜２３は、全て同一の構造のもので、センサ素子とその周辺回路とが収納された例えばセラミック製のパッケージとして構成され、上述のＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のそれぞれの方向の加速度を検出するもので、それぞれの加速度センサの加速度の検出方向が、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸と一致するように基板５に実装されている。加速度センサ２１〜２３は、例えば、慣性力を受けると電荷を生じる圧電素子を用いた周知の圧電型加速度センサを使用する。また、加速度センサ２１〜２３は、パッケージの底面と平行な方向に加速度の方向が定められている。

また、加速度センサ２１〜２３のパッケージは、基板５の表面に直接実装する、いわゆる表面実装用部品として構成される。加速度センサ２１〜２３の底面には、角速度センサ１１〜１３と同様の電極（図示せず）が備えられている。これら電極は、例えば凸形状の面電極として構成される。また、電極の形状に制約はなく、半球状，ピン形状等でもよい。

以降、本発明の慣性センサを収容するモールド構造を、角速度センサ１１〜１３に適用した例について説明する。図１の例では、加速度センサ２１〜２３は全て横置き形状であるが、そのうちの少なくとも１個を縦置き形状とする場合にも、本発明のモールド構造を適用できる。

図２，図３を用いて、角速度センサ１１の底面が基板５の表面と対向するように（いわゆる横置き）、パッケージを収容する第１モールドと、その第１モールドに含まれるリードフレームの構成について説明する。図２に、第１モールド３１とリードフレームの構成（上面図，端子３３，３４から見た側面図，底面図）を示す。また、図３に、第１モールド３１に角速度センサ１１を収容したときの状態（上面図，端子３３，３４から見た側面図，底面図）を示す。なお、角速度センサ１２を収容するモールドについても同様の構成をとる。

図２のように、樹脂製の第１モールド３１は、４本のリードフレーム３６〜３９を含んでインサート成型されている。各リードフレーム３６〜３９の一端は、角速度センサ１１の底面に備えられた電極１１ａ〜１１ｄ（図３参照）と接続するための接続部３６ａ〜３９ａを形成している。

また、各リードフレーム３６〜３９の他の一端は、基板５に形成された配線パターン（図６参照）と接続するための端子３２〜３５を形成し、第１モールド３１の底面に配置されている。ここで、端子３２は角速度センサ１１の内部のどこにも接続されていない端子（ＮＣ）、端子３３は基板５上の電源供給線に接続される端子（Ｖｃｃ）、端子３４はセンサ基板５上の出力信号線に接続される端子（ＳＯＵＴ）、端子３５は基板５上のグランド線に接続される端子（ＧＮＤ）となっている。

第１モールド３１には、切り欠き部３６ｂ，３７ｂ，３９ｂが設けられ、これら切り欠き部において、各リードフレーム３６〜３９が第１モールド３１から露出し、角速度センサ１１に向かって（すなわち上方向に）延び、第１モールド３１の上面とほぼ同一平面に、例えば面形状のような、電極１１ａ〜１１ｄの形状に合わせた形状をとる接続部３６ａ〜３９ａを形成している。なお、接続部の形状に特に制約はなく、角速度センサ１１に向かって例えば半球状の凸形状としてもよく、また、図２の３７ａ１のように、リードフレーム（３７）の先端部を角速度センサ１１に向かって、リードフレーム本体部と所定の角度θを有するように折り返して、所定の付勢力を以って角速度センサ１１に接するようにしてもよい（第１モールドの他の接続部および第２モールドの接続部も同様）。

図３のように、角速度センサ１１は、そのパッケージの底面が第１モールド３１の上面に接するように載置され、第１モールド３１の各リードフレーム３６〜３９の接続部３６ａ〜３９ａと、角速度センサ１１の電極１１ａ〜１１ｄとが、半田付け，溶接，銀ロウ付け等により接続される。図３のように、角速度センサ１１の検出軸は基板５の表面と平行となり、図１のＸ軸方向と一致するように実装される。

また、角速度センサ１１の第１モールド３１への取り付け時の安定性を向上するために、第１モールド３１の周縁部の少なくとも一部を上方に壁状に突出させ、角速度センサ１１を保持する保持部３１ａ（図３参照，一部のみ表記）を設けてもよい。

図４，図５を用いて、角速度センサ１３の側面が基板５の表面と対向するように（いわゆる縦置き）、パッケージを収容する第２モールドと、その第２モールドに含まれるリードフレームの構成について説明する。図４に、第２モールド４１とリードフレームの構成（正面図，端子４４，４５から見た側面図，底面図）を示す。また、図５に、第２モールド４１に角速度センサ１３を収容したときの状態（正面図，端子４４，４５から見た側面図，底面図）を示す。

図４のように、樹脂製の第２モールド４１は、４本のリードフレーム４６〜４９を含んでインサート成型されている。各リードフレーム４６〜４９の一端は、角速度センサ１１と同様に、角速度センサ１３の底面に備えられた電極１３ａ〜１３ｄ（図５参照，１３ｄは図示略）と接続するための接続部４６ａ〜４９ａを形成している。

また、各リードフレーム４６〜４９の他の一端は、基板５に形成された配線パターン（図６参照）と接続するための端子４２〜４５を形成し、第２モールド４１の底面に配置されている。ここで、第１モールド３１と同様に、端子４２は角速度センサ１３の内部のどこにも接続されていない端子（ＮＣ）、端子４３は基板５上の電源供給線に接続される端子（Ｖｃｃ）、端子４４は基板５上のセンサ出力信号線に接続される端子（ＳＯＵＴ）、端子４５は基板５上のグランド線に接続される端子（ＧＮＤ）となっている。

第２モールド４１には、切り欠き部４６ｂ，４７ｂ，４９ｂが設けられ、これら切り欠き部において、各リードフレーム４６〜４９が第２モールド４１から露出し、角速度センサ１３の各電極に向かって延び、第２モールド４１の角速度センサ１３との対向面とほぼ同一平面に、例えば面形状のような、電極１３ａ〜１３ｄの形状に合わせた形状をとる接続部４６ａ〜４９ａを形成している。

図５のように、角速度センサ１３は、そのパッケージの側面が第２モールド４１の基部４１ｃに接するように載置され、第２モールド４１の各リードフレーム４６〜４９の接続部４６ａ〜４９ａと、角速度センサ１３の電極１３ａ〜１３ｄとが、半田付け，溶接，銀ロウ付け等により接続される。図５のように、角速度センサ１３の検出軸は基板５の表面の法線方向と一致しており、図１のＺ軸方向と一致するように実装される。

また、第２モールド４１は、角速度センサ１３を縦置き状態としたときに、そのパッケージの上方に位置する側面に接してパッケージを保持する上面保持部４１ａと、パッケージの側方に位置する側面に接してパッケージを保持する側面保持部４１ｂとを備えている。これら保持部（４１ａ，４１ｂ）により、縦置き状態となる角速度センサ１３の安定性が増し、外部からの振動等が及ぼす影響を最小限とすることができる。

図６に、第１モールド３１および第２モールド４１を実装するために、基板５上に形成された配線パターンを示す。図５の例では、基板５はいわゆる面実装基板として構成されている。第１モールド３１の端子３２はランド５２（ＮＣ）に、端子３３はランド５３（Ｖｃｃ）に、端子３４はランド５４（ＳＯＵＴ）に、端子３５はランド５５（ＧＮＤ）に、それぞれ接続される。また、第２モールド４１の端子４２はランド５２に、端子４３はランド５３に、端子４４はランド５４に、端子４５はランド５５に、それぞれ接続される。このように、第１モールド３１および第２モールド４１とにおいて、各端子の寸法を各ランド５２〜５５の寸法（Ｌ１×Ｌ２）に合わせ、各端子の間の距離を基板５上の各ランド間の距離Ｌ３，Ｌ４と同一とすれば、２つのモールドの配線パターンを同一とすることができる。

上述のように、第１モールド３１と第２モールド４１とで、配線パターンを同一とすることにより、慣性センサの配置の自由度を高くすることができる。例えば、角速度センサ１１〜１３を基板５上に実装する場合、本センサシステム１の格納場所の高さの制約により、基板５上の角速度センサ１３の実装箇所で、角速度センサ１３を縦置きにするための高さを確保できないとき、他の２個の角速度センサ（１１，１２）の実装箇所のいずれかで縦置きにするための高さを確保できれば、その実装箇所の角速度センサを縦置きとし、角速度センサ１３を横置きとすることで、ケースの形状によらず同じ基板を用いることができ、センサシステムで基板を共通化でき、製造コストを低減できる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、これらはあくまで例示にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づく種々の変更が可能である。

１ センサシステム
２，３ 緩衝材
５ プリント基板（基板）
１１〜１３ 角速度センサ（慣性センサ）
１１ａ〜１１ｄ 電極
１３ａ〜１３ｄ 電極
２１〜２３ 加速度センサ（慣性センサ）
３１ 第１モールド
３２〜３５ 端子
３６〜３９ リードフレーム
３６ａ〜３９ａ 接続部
４１ 第２モールド
４１ａ 上面保持部（保持部）
４１ｂ 側面保持部（保持部）
４２〜４５ 端子
４６〜４９ リードフレーム
４６ａ〜４９ａ 接続部
５２〜５５ ランド

Claims (9)

1. センサ素子とその周辺回路とが収納されて所定方向の慣性力を検出する慣性センサがパッケージとして構成され、
   前記パッケージは、底面に電極を備え、樹脂製のモールドに収容された状態で、前記モールドが基板に実装されており、
   前記モールドは、
   前記パッケージの底面が前記基板の表面と対向するように、該パッケージを収容する第１モールドと、
   前記パッケージの側面が前記基板の表面と対向するように、該パッケージを収容する第２モールドと、
   が選択的に用いられ、
   前記第１モールドおよび前記第２モールドは、一端に前記電極と接続する接続部を形成し、他の一端に前記基板と接続する端子を形成するリードフレームを含み、
   前記端子は、前記第１モールドおよび前記第２モールドのそれぞれの、前記基板の表面との対向面として定められた一つの面に配置され、
   前記第１モールドおよび前記第２モールドのそれぞれの前記端子の配置が、これら２つのモールドにおいて同一形状となることを特徴とする慣性センサを収容するモールド構造。
2. 前記第１モールドおよび前記第２モールドは、これら２つのモールドを形成する樹脂が前記リードフレームを包みこむようにインサート成型される請求項１に記載の慣性センサを収容するモールド構造。
3. 前記第２モールドは、前記慣性センサを保持するための保持部を形成する請求項１または請求項２に記載の慣性センサを収容するモールド構造。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の慣性センサを収容するモールド構造を用いたセンサシステムであって、
   同一の前記基板上には、前記慣性センサが複数実装され、その複数の慣性センサのうちの少なくとも１つは前記第２モールドに収容されているセンサシステム。
5. 前記慣性センサは、振動型角速度センサである請求項４に記載のセンサシステム。
6. 前記振動型角速度センサは、前記基板の表面の法線方向をＺ軸とするＸＹＺ三次元直交座標空間において、角速度の検出軸方向がＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸と一致するように同一の前記基板上に実装されている請求項５に記載のセンサシステム。
7. 前記慣性センサは、加速度センサである請求項４ないし請求項６のいずれか１項に記載のセンサシステム。
8. 前記加速度センサは、前記基板の表面の法線方向をＺ軸とするＸＹＺ三次元直交座標空間において、加速度の検出軸方向がＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸と一致するように同一の前記基板上に実装されている請求項７に記載のセンサシステム。
9. 前記基板は表面実装基板であり、前記リードフレームの端子は、該基板の表面に実装可能に構成されている請求項４ないし請求項８のいずれか１項に記載のセンサシステム。