特開 2024-166613 慣性センサーモジュール及び慣性センサーモジュールの製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024166613

(43)【公開日】2024-11-29

(54)【発明の名称】慣性センサーモジュール及び慣性センサーモジュールの製造方法

(51)【国際特許分類】

   G01P 15/08 20060101AFI20241122BHJP

【ＦＩ】

G01P15/08 102Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023082818

(22)【出願日】2023-05-19

(71)【出願人】

【識別番号】000002369

【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100179475

【弁理士】

【氏名又は名称】仲井 智至

(74)【代理人】

【識別番号】100216253

【弁理士】

【氏名又は名称】松岡 宏紀

(74)【代理人】

【識別番号】100225901

【弁理士】

【氏名又は名称】今村 真之

(72)【発明者】

【氏名】西尾 真次

(72)【発明者】

【氏名】小木曽 弘幸

(57)【要約】

【課題】耐環境性に優れた慣性センサーモジュール及び慣性センサーモジュールの製造方法を提供する。
【解決手段】慣性センサーモジュール１は、慣性センサー１１，１２と、慣性センサー１１，１２を覆う応力緩和用樹脂２１と、応力緩和用樹脂２１を覆うエンジニアリングプラスチック層２２と、を有する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

慣性センサーと、
前記慣性センサーを覆う応力緩和用樹脂と、
前記応力緩和用樹脂を覆うエンジニアリングプラスチック層と、を有する、
慣性センサーモジュール。

【請求項2】

前記エンジニアリングプラスチック層は、液晶ポリマーからなる、
請求項１に記載の慣性センサーモジュール。

【請求項3】

前記エンジニアリングプラスチック層は、ポリエーテルサルフォンからなる、
請求項１に記載の慣性センサーモジュール。

【請求項4】

外部接続部と、前記慣性センサーを搭載する基板と、を有し、
前記慣性センサー及び前記基板は、前記応力緩和用樹脂及び前記エンジニアリングプラスチック層により覆われ、
前記外部接続部は、前記応力緩和用樹脂及び前記エンジニアリングプラスチック層から露出する、
請求項１に記載の慣性センサーモジュール。

【請求項5】

慣性センサーを覆う応力緩和用樹脂で低圧成型する工程と、
前記応力緩和用樹脂を覆うエンジニアリングプラスチック層で高圧成型する工程と、を含む、
慣性センサーモジュールの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、慣性センサーモジュール及び慣性センサーモジュールの製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

慣性センサーとして加速度センサーや角速度センサーを備え、移動体等の姿勢制御に用いられる慣性センサーモジュールが知られている。
例えば特許文献１では、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向の加速度をそれぞれ検出する１個の加速度センサーとＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸回りの角速度を検出する３個の角速度センサーとが搭載された基板を、ケースに収容した慣性センサーモジュールとしてのセンサーユニットが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１７－２０８２９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載の慣性センサーモジュールは、加速度センサーや角速度センサー等の慣性センサーが搭載された基板とケースとの間に充填部材が配置されているため、充填部材が吸湿することで慣性センサーに加わる応力が変化し、検出精度が劣化するという課題があった。

【課題を解決するための手段】

【0005】

慣性センサーモジュールは、慣性センサーと、前記慣性センサーを覆う応力緩和用樹脂と、前記応力緩和用樹脂を覆うエンジニアリングプラスチック層と、を有する。

【0006】

慣性センサーモジュールの製造方法は、慣性センサーを覆う応力緩和用樹脂で低圧成型する工程と、前記応力緩和用樹脂を覆うエンジニアリングプラスチック層で高圧成型する工程と、を含む。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第１実施形態に係る慣性センサーモジュールの概略構造を示す平面図。

【図2】図１のＡ－Ａ線での断面図。

【図3】第１実施形態に係る慣性センサーモジュールの製造方法を示すフローチャート図。

【図4】第２実施形態に係る慣性センサーモジュールの概略構造を示す平面図。

【図5】図４のＢ－Ｂ線での断面図。

【図6】第３実施形態に係る慣性センサーモジュールの概略構造を示す平面図。

【図7】図６のＣ－Ｃ線での断面図。

【発明を実施するための形態】

【0008】

１．第１実施形態
１．１．慣性センサーモジュール
先ず、第１実施形態に係る慣性センサーモジュール１について、図１及び図２を参照して説明する。
尚、説明の便宜上、図３を除く以降の各図には、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を図示している。また、Ｘ軸に沿った方向を「Ｘ方向」、Ｙ軸に沿った方向を「Ｙ方向」、Ｚ軸に沿った方向を「Ｚ方向」と言う。また、各軸方向の矢印先端側を「プラス側」、基端側を「マイナス側」、Ｚ方向プラス側を「上」、Ｚ方向マイナス側を「下」とも言う。

【0009】

慣性センサーモジュール１は、慣性センサーとしての６ＤｏＦセンサー１１や慣性センサーとしての水晶角速度センサー１２と、６ＤｏＦセンサー１１や水晶角速度センサー１２を搭載した基板１０と、６ＤｏＦセンサー１１や水晶角速度センサー１２等の慣性センサーと基板１０とを覆う応力緩和用樹脂２１と、応力緩和用樹脂２１を覆うエンジニアリングプラスチック層２２と、を有する。尚、ＤＯＦは、Degrees Of Freedomの略であり、３次元において剛体が取り得る動きの自由度のことである。そして、６ＤｏＦセンサー１１は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向の加速度をそれぞれ検出する３軸加速度センサーとＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸回りの角速度を検出する３軸角速度センサーとが一体化された慣性センサーである。また、本実施形態では、基板１０の上下面に設けられた配線や基板１０を貫通する貫通電極等の図示を省略している。尚、本実施形態において、慣性センサーモジュール１は、慣性センサーとして２個の６ＤｏＦセンサー１１と水晶角速度センサー１２、即ち３個の慣性センサーを有している。しかし、これに限られず、慣性センサーモジュール１は、１個の慣性センサーを有してもよいし、２個の慣性センサーを有してもよいし、４個以上の慣性センサーを有してもよい。即ち、慣性センサーモジュール１は、少なくとも１個の慣性センサーを有していればよい。少なくとも１個の慣性センサーは、６ＤｏＦセンサー１１又は水晶角速度センサー１２であってもよいし、他の慣性センサーであってもよい。

【0010】

基板１０の上面には、図１に示すように、６ＤｏＦセンサー１１、水晶角速度センサー１２、及び発振器１３が実装されている。尚、発振器１３は、ＳＰＸＯであってもよいし、ＴＣＸＯであってもよい。ＳＰＸＯは、Simple packaged crystal oscillatorの略である。ＴＣＸＯは、Temperature compensated crystal oscillatorの略であり、温度補償型水晶発振器である。

【0011】

６ＤｏＦセンサー１１は、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の各軸方向の加速度とＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の各軸回りの角速度とを検出する。尚、６ＤｏＦセンサー１１は、シリコンをＭＥＭＳ技術で加工した慣性センサーであり、検出精度を高めるために２個実装されている。尚、ＭＥＭＳは、Micro Electro Mechanical Systemsの略である。

【0012】

水晶角速度センサー１２は、Ｚ軸回りの角速度を検出する。水晶角速度センサー１２は、水晶を振動素子として用い、振動する振動素子に加わるコリオリの力から角速度を検出し、シリコンを用いたものに比べ、ノイズレベルが低く温度特性が安定しているため、検出精度が高い。尚、検出精度をより高めるために２個実装されている。２個の水晶角速度センサー１２のＺ軸回りの角速度信号は、平均化処理などの演算が施される。本実施形態において、Ｚ方向は、基板１０における６ＤｏＦセンサー１１や水晶角速度センサー１２が実装された面に垂直な方向である。

【0013】

発振器１３は、検出時間や検出間隔等を制御するための基準信号となる基準発振周波数を出力する。

【0014】

また、基板１０の下面には、図２に示すように、処理装置１４とコネクター１５とが実装されている。
処理装置１４は、例えばＭＣＵであり、１チップのＩＣとして構成されている。ＭＣＵは、Micro Controller Unitの略であり、ＩＣは、Integrated Circuitの略である。６ＤｏＦセンサー１１や水晶角速度センサー１２などの慣性センサーからの検出信号を処理して、外部に出力する検出データを生成する。処理装置１４は、慣性センサーモジュール１の各部を制御してもよい。処理装置１４の記憶部には、加速度及び角速度を検出するための順序と内容を規定したプログラムや、検出データをデジタル化してパケットデータに組込むプログラム、付随するデータなどが記憶されている。

【0015】

コネクター１５は、検出データを外部に出力し、外部接続部１６を有している。ここで、複数の外部接続部１７は複数の金属ピンであり、例えば、複数の金属ピンは、２列で配置されている。尚、外部接続部１６は、応力緩和用樹脂２１及びエンジニアリングプラスチック層２２から露出している。また、基板１０には、その他にも複数の電子部品が実装されているが図示を省略している。

【0016】

応力緩和用樹脂２１は、慣性センサーとしての６ＤｏＦセンサー１１や水晶角速度センサー１２を覆っている。応力緩和用樹脂２１は、処理装置１４や部品が実装された基板１０を覆ってもよい。また、コネクター１５の少なくとも一部及び外部接続部１６は、応力緩和用樹脂２１により覆われていない。射出成型により、応力緩和用樹脂２１の外形を成型してもよい。応力緩和用樹脂２１の構成材料は、低圧力で成型可能なエポキシ樹脂である。応力緩和用樹脂２１は、６ＤｏＦセンサー１１や水晶角速度センサー１２などの慣性センサーとエンジニアリングプラスチック層２２との間に介在し、これらの間で応力を緩和する。

【0017】

エンジニアリングプラスチック層２２は、応力緩和用樹脂２１を覆っている。また、外部接続部１６は、エンジニアリングプラスチック層２２により覆われていない。よって、外部接続部１６は、外部と電気的に接続可能である。エンジニアリングプラスチック層２２の吸水率は、０．１％以下であり、好ましくは、０．０１％以下である。このように、エンジニアリングプラスチック層２２で応力緩和用樹脂２１の全体を覆うことで、応力緩和用樹脂２１の吸湿を防止することができる。エンジニアリングプラスチックは、機械的強度や耐熱性を向上させたプラスチックであり、例えば、１００℃以上の耐熱性を有している。また、エンジニアリングプラスチックは、通常のプラスチックと比して引張強度や曲げ強度などの機械的特性において優れている。また、エンジニアリングプラスチックは、金属と比較して低コストかつ軽量である。エンジニアリングプラスチック層２２の構成材料は、液晶ポリマー又はポリエーテルサルフォンが好ましく、特に、液晶ポリマーが好ましい。エンジニアリングプラスチック層２２の構成材料は、これらに限られず、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアセタール、などであってもよい。ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、ポリテトラフルオロエチレンは、吸水率が低いので好ましい。エンジニアリングプラスチック層２２は、ガラスフィラーを含有してもよい。エンジニアリングプラスチック層２２の厚さは、０．３ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましい。射出成型によりエンジニアリングプラスチック層２２の外形を成型してもよい。高圧力における射出成型でエンジニアリングプラスチック層２２を形成した場合、気密性に優れているので好ましい。

【0018】

上述したように、本実施形態の慣性センサーモジュール１は、６ＤｏＦセンサー１１や水晶角速度センサー１２を覆っている吸湿性を有する応力緩和用樹脂２１を吸湿性の低いエンジニアリングプラスチック層２２で気密に覆っている。そのため、応力緩和用樹脂２１の吸湿を防止でき、６ＤｏＦセンサー１１や水晶角速度センサー１２に加わる応力が変化しないので、６ＤｏＦセンサー１１や水晶角速度センサー１２の検出精度の劣化を抑制することができる。よって、耐環境性に優れた慣性センサーモジュール１を得ることができる。

【0019】

１．２．慣性センサーモジュールの製造方法
次に、慣性センサーモジュール１の製造方法について、図３を参照して説明する。
本実施形態の慣性センサーモジュール１の製造方法は、図３に示すように、部品実装工程、低圧成型工程、及び高圧成型工程を含む。

【0020】

１．２．１．部品実装工程
ステップＳ１において、基板１０に、６ＤｏＦセンサー１１や水晶角速度センサー１２等の部品を実装する。

【0021】

１．２．２．低圧成型工程
ステップＳ２において、応力緩和用樹脂２１を成型するための金型内に部品が実装された基板１０をセットし、１５ＭＰａ以下、好ましくは５ＭＰａ以下の低圧力で応力緩和用樹脂２１を注入し、その後冷却・固化することによって、部品が実装された基板１０を覆う応力緩和用樹脂２１を成型する。

【0022】

１．２．３．高圧成型工程
ステップＳ３において、エンジニアリングプラスチック層２２を成型するための金型内に部品が実装された基板１０を覆った応力緩和用樹脂２１をセットし、６０ＭＰａから１００ＭＰａの高圧力でエンジニアリングプラスチック層２２を注入し、その後冷却・固化することによって、部品が実装された基板１０を覆った応力緩和用樹脂２１を覆うエンジニアリングプラスチック層２２を成型する。

【0023】

本実施形態の慣性センサーモジュール１の製造方法は、基板１０に実装された６ＤｏＦセンサー１１や水晶角速度センサー１２を覆う応力緩和用樹脂２１を低圧で成型する低圧成型工程と、応力緩和用樹脂２１を覆うエンジニアリングプラスチック層２２を高圧で成型する高圧成型工程と、を含んでいる。そのため、吸湿性の高い応力緩和用樹脂２１を吸湿性の低いエンジニアリングプラスチック層２２で気密に覆うことができるので、応力緩和用樹脂２１の吸湿を防止でき、６ＤｏＦセンサー１１や水晶角速度センサー１２に加わる応力が変化しないので、６ＤｏＦセンサー１１や水晶角速度センサー１２の検出精度の劣化を抑制することができる。よって、耐環境性に優れた慣性センサーモジュール１を製造することができる。

【0024】

２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る慣性センサーモジュール１ａについて、図４及び図５を参照して説明する。

【0025】

本実施形態の慣性センサーモジュール１ａは、第１実施形態の慣性センサーモジュール１に比べ、慣性センサーモジュール１を覆うケース３１が設けられていること以外は第１実施形態の慣性センサーモジュール１と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

【0026】

慣性センサーモジュール１ａは、第１実施形態と同様の慣性センサーモジュール１と、ケース３１と、を有する。

【0027】

ケース３１は、図４及び図５に示すように、下方に開口する凹部３３が設けられており、凹部３３内に慣性センサーモジュール１が接着剤等で固定されている。また、凹部３３の底面には、リング状の溝部３４が設けられており、溝部３４内にリング状のスペーサー３５が配置されている。ケース３１と慣性センサーモジュール１との間にスペーサー３５が配置されているため、ケース３１を介して外部の振動や衝撃等が慣性センサーモジュール１に伝わるのを低減することができる。ケース３１は、外形が直方体をなした箱状の筐体であり、慣性センサーモジュール１のＺ方向プラス側に設けられている。また、ケース３１は、慣性センサーモジュール１を挟んでＸ方向両側に設けられ、慣性センサーモジュール１を挟んでＹ方向両側に設けられている。即ち、Ｚ方向からの平面視において、ケース３１は、慣性センサーモジュール１の四方を囲んでいる。ケース３１の材質は、例えば、アルミニウムであるが、他の金属やセラミックであってもよい。ケース３１が金属製であれば、静電気の影響を抑制できる。

【0028】

また、ケース３１は、平面視で、４隅に取付用孔３２が設けられており、移動体等にねじ止めすることができる。ケース３１に設けられる取付用孔３２は、４個に限られず、２個又は３個であってもよい。

【0029】

本実施形態の慣性センサーモジュール１ａは、慣性センサーモジュール１を収容しているケース３１に取付用孔３２が設けられているので、移動体等に安定して確実に固定することができる。また、６ＤｏＦセンサー１１や水晶角速度センサー１２を覆った応力緩和用樹脂２１を吸湿性の低いエンジニアリングプラスチック層２２で覆っているため、第１実施形態と同等の効果を得ることができる。

【0030】

３．第３実施形態
次に、第３実施形態に係る慣性センサーモジュール１ｂについて、図６及び図７を参照して説明する。

【0031】

本実施形態の慣性センサーモジュール１ｂは、第１実施形態の慣性センサーモジュール１に比べ、外部接続部１７の形状が異なること以外は第１実施形態の慣性センサーモジュール１と同様である。尚、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項はその説明を省略する。

【0032】

慣性センサーモジュール１ｂは、第１実施形態の慣性センサーモジュール１と同様に、慣性センサーとしての６ＤｏＦセンサー１１や慣性センサーとしての水晶角速度センサー１２と、６ＤｏＦセンサー１１や水晶角速度センサー１２を搭載した基板１０と、６ＤｏＦセンサー１１や水晶角速度センサー１２と基板１０とを覆う応力緩和用樹脂２１と、応力緩和用樹脂２１を覆うエンジニアリングプラスチック層２２と、を有する。尚、本実施形態において、慣性センサーモジュール１は、慣性センサーとして６ＤｏＦセンサー１１と水晶角速度センサー１２を有しているが、これに限られず、慣性センサーモジュール１は、少なくとも１つの慣性センサーを有していればよい。

【0033】

慣性センサーモジュール１ｂは、図６に示すように、平面視で、基板１０の４辺に沿って、外部接続部１７が複数配置されている。ここで、複数の外部接続部１７は、リード端子である。リード端子は、リードフレームにおいてエンジニアリングプラスチック層２２から露出する部分ある。よって、外部接続部１７は、外部と電気的に接続可能である。リードフレームは、半導体パッケージに使われる導体素材であり、基板１０を支持固定し外部配線と接続する。本実施形態において、外部接続部１７は、基板１０の４辺に沿って配置されていたが、これに限られず、基板１０の２辺に沿って配置されてもよい。

【0034】

基板１０のＸ方向の両端に配置された外部接続部１７は、図７に示すように、一方の端部が基板１０に接続され、他方の端部がＸ方向に延在した後に下方へ折り曲げられ延在し、更に、水平となるように曲げられＸ方向に延在している。尚、外部接続部１７は、下方へ折り曲げられた部分から先端部にかけて応力緩和用樹脂２１及びエンジニアリングプラスチック層２２から露出している。

【0035】

基板１０のＹ方向の両端に配置された外部接続部１７は、一方の端部が基板１０に接続され、他方の端部がＹ方向に延在した後に下方へ折り曲げられ延在し、更に、水平となるように曲げられＹ方向に延在している。

【0036】

本実施形態の慣性センサーモジュール１ｂは、基板１０の４辺に沿って複数の外部接続部１７が設けられているため、固定箇所が多くなり実装信頼性を高めることができる。また、６ＤｏＦセンサー１１や水晶角速度センサー１２を覆った応力緩和用樹脂２１を吸湿性の低いエンジニアリングプラスチック層２２で覆っているため、第１実施形態と同等の効果を得ることができる。

【符号の説明】

【0037】

１，１ａ，１ｂ…慣性センサーモジュール、１０…基板、１１…６ＤｏＦセンサー、１２…水晶角速度センサー、１３…発振器、１４…処理装置、１５…コネクター、１６，１７…外部接続部、２１…応力緩和用樹脂、２２…エンジニアリングプラスチック層、３１…ケース、３２…取付用孔、３３…凹部、３４…溝部、３５…スペーサー。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】