本发明涉及物理量传感器，尤其涉及用于诸如飞行器、车辆等移动物体的姿态控制、导航系统等的物理量传感器。
背景技术
常规上已知的这种物理量传感器包括陀螺仪等。常规物理量传感器具有如图13和图14所示的构造，用于抑制由于应力大约在壳体的外表面的中心部分处集中所导致的破裂。
图13示出了常规物理量传感器的横截面侧表面。图14以俯视图示出了常规物理量传感器的盖子。
如图13和图14所示，常规物理量传感器包括集成电路(ic)1以及壳体2。在ic1中，设置有诸如压电振动器的检测元件(未示出)。ic1处理来自检测元件的输出信号。壳体2例如由玻璃陶瓷制成并容纳ic1。
壳体2在外底表面上包括电源电极3、输出电极4和接地(gnd)电极(未示出)。电源电极3、输出电极4和gnd电极(未示出)经由布线导体5和引线6电连接到ic1和检测元件(未示出)。另外，金属化层7设置在壳体2的上表面上。
金属框架8设置在金属化层7上。金属框架8例如由fe、ni和co的合金制成并且被钎焊至金属化层7。盖子9设置在金属框架8上。盖子9例如由fe、ni和co的合金制成并且例如通过钎焊而接合至金属框架8。如图14中所示，盖子9在俯视图中呈正方体的形状。
弯曲部10形成于盖子9中。弯曲部10具有弯曲为向下突出的形状，并且弯曲部10在盖子9上形成于比金属框架8和盖子9之间的接合部11更内部位置处并沿着接合部11以在盖子9的整个周向上延伸。
下文特别描述将盖子9附接至如上所述构造的常规物理量传感器的壳体2的方法。
首先，通过经由金属框架8将电流供应至设置在壳体2的开口中的盖子9而生成焦耳热，并且盖子9的由fe、ni和co的合金所制成的连接部被加热到1449摄氏度的熔点以熔化。接下来，将盖子9朝壳体2按压，以使壳体2和盖子9彼此连接。此时，盖子9的温度整体上升高到平均约700摄氏度。
随后，当物理量传感器的温度降低到室温时，盖子9收缩。此时，存在由于盖子9的收缩而施加到壳体2的外表面的拉伸应力所导致的在壳体2的外表面中出现破裂的情况。
因此，常规物理量传感器在盖子9中具有弯曲部10。以这种方式，即使盖子9收缩，弯曲部10也会弯曲以减小施加到壳体2的外表面的拉伸应力，并因此可以抑制壳体2的外表面中的破裂。
如上所述，弯曲部10在盖子9上形成于比金属框架8和盖子9之间的接合部11更内部位置处并且沿着接合部11形成为在盖子9的整个周向上延伸。因此，在俯视图中呈正方形形状的盖子9中，可以均匀地减小在盖子9的四个侧面中所生成的拉伸应力。
例如，专利文献(ptl)1已知为有关于与本申请的公开内容相关的背景技术文献的信息。
引用列表
专利文献
[ptl1]日本未审查专利申请公开no.2006-332599
技术实现要素：
技术问题
然而，在上述常规物理量传感器的盖子9在俯视图中呈矩形形状的情况下，当弯曲部10在盖子9上形成于比金属框架8和盖子9之间的接合部11更内部位置处并且沿着接合部11形成为在盖子9的整个周向上延伸时，施加至盖子9的短边区域的拉伸应力由于形成在盖子9的短边区域中的弯曲部10而显著减小。结果，由标量值表示的冯米塞斯应力增加。因此，应力大约集中在壳体2的外表面的与盖子9的纵向边区域对应的纵向边区域的中心部分处，从而产生难以抑制壳体2的外表面中的破裂的问题。
本公开提供了一种对上述问题的解决方案。一个非限制性且说明性实施例提供了一种物理量传感器，即使盖子在俯视图中呈矩形形状，该物理量传感器也能够抑制壳体的外表面中的破裂。
问题的解决方案
为了实现上述目的，本公开具有如下所述的构造。
根据本公开的物理量传感器的一个方面，物理量传感器包括：检测元件，其包括驱动电极以及检测电极；集成电路(ic)，其处理由检测电极所提供的输出信号；壳体，其具有开口并容纳检测元件和ic；盖子，其呈长方体形状并且闭塞壳体的开口；电源电极、接地(gnd)电极和输出电极，这三个电极设置在壳体的外底表面上；以及金属框架，其设置在壳体的上表面上。盖子接合至金属框架并且包括在盖子上形成于比在俯视图中仅与盖子的接合至金属框架的边侧中的纵向边对应的接合部更内部位置处并沿着仅对应于该纵向边的接合部的弯曲部。
根据这种构造，盖子包括弯曲部，该弯曲部在盖子上形成于比仅与盖子的接合至金属框架的边侧中的纵向边对应的接合部更内部位置处并且沿着仅对应于该纵向边的接合部，从而防止施加到盖子的短边区域的拉伸应力的显著降低。结果，由标量值表示的冯米塞斯应力未增加，并因此可以抑制应力大约集中在经由金属框架接合至盖子的壳体的外表面的纵向边区域的中心部分处。
另外，根据本公开的物理量传感器的一个方面，弯曲部可以通过拉延形成。
根据该构造，可以容易地形成弯曲部。
另外，根据本公开的物理量传感器的一个方面，金属框架和盖子可以通过缝焊接合。
根据该构造，可以容易地组装物理量传感器。
发明的有益效果
根据本公开，即使盖子在俯视图中呈矩形形状，也可以抑制壳体的外表面中的破裂。
附图说明
图1是根据本公开的一实施例的物理量传感器的分解透视图。
图2是示出了根据该实施例的处于盖子被移除状态下的物理量传感器的俯视图。
图3是根据本公开的该实施例的物理量传感器的仰视图。
图4是包括于根据本公开的该实施例的物理量传感器中的检测元件的透视图。
图5示出了包括于根据本公开的该实施例的物理量传感器中的检测元件的横截面侧表面。
图6是示出了检测元件和端子固定到包括于根据本公开的该实施例的物理量传感器中的安装部件的状态的透视图。
图7是以仰视图示出了根据本公开的该实施例的物理量传感器的盖子的透视图。
图8是以俯视图示出了根据本公开的该实施例的物理量传感器的盖子。
图9示出了包括于根据本公开的该实施例的物理量传感器中的盖子的横截面侧表面。
图10示出了用于说明制造包括于根据本公开的该实施例的物理量传感器中的检测元件的方法的过程图。
图11是俯视图中包括于比较示例中的物理量传感器中的盖子的透视图。
图12以俯视图示出了根据本公开的修改示例的物理量传感器的盖子。
图13示出了常规物理量传感器的横截面侧表面。
图14以俯视图示出了常规物理量传感器的盖子。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本公开的实施例。应该注意到，随后描述的实施例示出了本公开的具体示例。因此，以下实施例中所描述的数值、形状、材料、结构部件、结构部件的设置和连接等仅仅是示例，并不旨在限制本公开。此外，在以下实施例中的结构部件中，未在表示本公开的最宽泛概念的独立权利要求中记载的部件被描述为任意结构部件。
另外，图中的每一个均是模式图并因此不一定严格示出。在图中的每一个中，基本相同的结构部件被赋予相同的附图标记，并且将省略或简化冗余描述。此外，轴线x、轴线y和轴线z表示本申请的说明书和附图中的三维正交坐标系的三个轴。
(实施例)
首先，将参考图1至图9描述根据本公开的该实施例的物理量传感器100的构造。
图1是根据本公开的该实施例的物理量传感器100的分解透视图。图2是示出了处于盖子89被移除的状态下的物理量传感器100的俯视图。图3是物理量传感器100的仰视图。图4是包括于物理量传感器100中的检测元件61的透视图。图5是包括于物理量传感器100中的检测元件61的横截面侧表面。图6是示出了检测元件61和端子81固定到包括于物理量传感器100中的安装部件80的状态的透视图。图7是仰视图中包括于物理量传感器100中的盖子89的透视图。图8以俯视图示出了包括于物理量传感器100中的盖子89。图9示出了包括于物理量传感器100中的盖子89的横截面侧表面。
如图1中所示，物理量传感器100包括检测元件61、集成电路(ic)88，壳体70以及盖子89。
如图1、图2和图4中所示，检测元件61是具有音叉形状的检测元件。如图4所示，检测元件61包括第一臂61a、第二臂61b以及支撑部61c，该支撑部61c连接第一臂61a的一个端部和第二臂61b的一个端部。
另外，如图5所示，检测元件61包括：基部62，其由si制成；公共gnd电极63，其设置在基部62的上表面上以在基部62的上表面的整个表面上延伸并且由pt和ti的合金薄膜制成；压电层64，其由pzt薄膜制成。
此外，如图4所示，检测元件61包括一对第一驱动电极65、一对第二驱动电极66、一对检测电极67、监测电极68以及接地(gnd)电极69。
一对第一驱动电极65位于检测元件61的上表面的大约中心的内部位置中并且如图5所示设置在压电层64的上表面上。一对第二驱动电极66位于检测元件61的上表面的大约中心的外部位置中并且如图5所示设置在压电层64的上表面上。一对检测电极67位于检测元件61的上表面的前端侧并且设置在压电层64的上表面上。监测电极68定位为比第一驱动电极65更靠近检测元件61的上表面的根侧并且设置在压电层64的上表面上。gnd电极69位于检测元件61的支撑部61c的表面处并且设置在压电层64的表面上。
壳体70是由陶瓷制成的壳体本体并且容纳检测元件61和ic88。壳体70呈大体长方体形状并且具有大体矩形形状的开口。在俯视图中，壳体70呈大体矩形形状。壳体70具有内底表面、内侧表面和外底表面，这些表面具有包括陶瓷和布线导体的分层结构。如图1中所示，壳体70包括具有布线图案(未示出)的多层电路板72。另外，如图1和图2所示，台阶部分74形成在壳体70的侧壁73的内侧表面中，并且端子电极75设置在台阶部分74上。此外，如图3所示，电源电极76、gnd电极77和输出电极78设置在壳体70的外底表面上。设置在壳体70的内侧表面上的端子电极75通过布线图案(未示出)电连接至设置于壳体70的外底表面上的电源电极76、gnd电极77和输出电极78。
如图1所示，由柯伐合金制成的金属框架79设置在壳体70的侧壁43的上表面上。金属框架79是呈大体矩形形状的框架本体、设置在壳体70的开口的框架形边缘部上并且固定到壳体70的开口。金属框架79具有接合部79a。接合部79a是金属框架79的上表面中用于接合至盖子89的部分。
如图1所示，物理量传感器100还包括由树脂制成的安装部件80。如图6所示，安装部件80支撑检测元件61的支撑部61c并且由八个端子81从外部支撑，这八个端子81各自具有电连接到壳体70的端子电极75的一个端部。八个端子81中的每一个包括y轴方向突出部82、z轴方向突出部83以及x轴方向突出部84。在八个端子81中，设置在外侧的四个端子81各自具有朝向前侧突出的x轴方向突出部84，而设置在内侧的四个端子81各自具有朝向后侧突出的x轴方向突出部84。换句话说，安装部件80的重心基本上匹配八个端子81的组合的重心。
如图2所示，检测元件61的第一驱动电极65、第二驱动电极66、检测电极67和gnd电极69中的每一个经由线缆85电连接到端子81中的相应一个端子。
如图2和图6所示，物理量传感器100还包括由树脂制成的加强构件86。如图2所示，加强构件86设置成覆盖端子81和壳体70的端子电极75之间的连接部。以这种方式，通过所设置的加强构件86，端子81埋入壳体70中。
如图1所示，物理量传感器100还包括加速度传感器元件87。加速度传感器元件87设置在壳体70的内底表面上。加速度传感器元件87和端子电极75中的每一个经由配线85彼此电连接。
图1中所示的ic88处理由检测元件61的检测电极67所提供的输出信号。更具体地，ic88与壳体70的内底表面中的加速度传感器元件87并行设置并处理由检测元件61所提供的输出信号以及由加速度传感器元件87所提供的输出信号。
盖子89是由柯伐合金制成的盖子构件。盖子89闭塞壳体70的开口。如图7和图8所示，盖子89呈板状长方体形状并且在平面图中呈大体矩形。盖子89接合至金属框架79。如图7所示，盖子89包括接合部90。接合部90是盖子89的表面用于接合至金属框架79的一部分，并且盖子89接合于金属框架79的接合部79a处。根据本实施例，盖子89的接合部90和金属框架79的接合部79a相匹配。盖子89和金属框架79可以例如通过焊接(例如缝焊)而接合。可以通过使用缝焊将盖子89和金属框架79接合而容易地组装物理量传感器100。
如图7至图9所示，盖子89包括弯曲部91。如图7所示，在俯视图中，弯曲部91在盖子89上形成于比仅与盖子89的接合至金属框架79的边侧中的纵向边(沿着纵向方向的边侧)对应的接合部90更内部位置处，并且沿着仅对应于该纵向边的接合部90。换句话说，如图7和图8所示，弯曲部91在盖子89上形成于比沿盖子89的该纵向边线性延伸的接合部90更内部位置处。另外，如图9所示，弯曲部91通过将盖子89的一部分的形状改变为突出而形成。弯曲部91可以例如通过压力加工(诸如拉延)而形成。可以通过借助拉延形成弯曲部91而容易地形成弯曲部91。
下文使用图10描述构造为如参照图1所述的物理量传感器100的组装方法。图10示出了用于说明制造包括于物理量传感器100中的检测元件61的方法的过程图。
首先，如图10(a)所示，预先制备由si制成的基部62，并且如图10(b)所示，由pt和ti的合金薄膜制成的公共gnd电极63通过气相沉积形成于基部62的上表面上。随后，如图10(c)所示，由pzt薄膜制成的压电层64通过气相沉积形成在公共gnd电极63的上表面上。
然后，如图10(d)所示，由ti和au的合金薄膜制成的中间层位电极65a通过气相沉积形成于压电层64的上表面上。随后，如图10(e)所示，从公共gnd电极63、压电层64和中间层位电极65a移除不需要的部分，以获得预定的形状，从而在压电层64的上表面上形成第一驱动电极65、第二驱动电极66、检测电极67、监测电极68以及gnd电极69。
接下来，尽管未示出，但是将电压施加到公共gnd电极63，并且第一驱动电极65、第二驱动电极66、检测电极67、监测电极68以及gnd电极69接地，从而使压电层64极化。
接下来，从基部材料62移除不需要的部分，从而如图10(f)所示地形成单独检测元件61。
接下来，如图1所示，由陶瓷制成的侧壁73和台阶部分74形成为在多层电路板72的上表面的周向上延伸，该多层电路板72包括由陶瓷制成的预先制备的绝缘体(未示出)以及布线导体(未示出)。随后，由au制成的端子电极75设置在壳体70的台阶部分74的上表面上，并且此外，由科伐合金制成的金属框架79固定至侧壁73的上表面。
接下来，各自由ag制成的电源电极76、gnd电极77和输出电极78设置在多层电路板72的底表面上。
接下来，ic88安装在壳体70的多层电路板72的上表面上，并且然后ic88和多层电路板72彼此电连接。
接下来，加速度传感器元件87安装在壳体70的多层电路板72的上表面上以与ic88并行，并且然后加速度传感器元件87和包括于壳体70中的端子电极75中的每一个经由铝制成的配线85通过彼此引线接合而电连接。
接下来，在预先通过嵌件成型将八个端子81安装在安装部件80上之后，将包括于检测元件61中的支撑部61c的底表面固定至安装部件80。然后，设置在检测元件61的上表面上的第一驱动电极65、第二驱动电极66、检测电极67、监测电极68和gnd电极69各自经由铝制成的配线通过引线接合至端子81中的对应一个端子而电连接。
接下来，在将八个端子81焊接到包括于壳体70中的端子电极75之后，通过借助由树脂制成的加强构件86来覆盖端子81而将端子81埋入壳体70中。
接下来，弯曲部92通过深度拉延而在盖子89上形成于比接合部90更内部位置处，该接合部90仅对应于预先制备的由金属制成的盖子89的纵向边。
最后，包括于壳体70中的金属框架79和盖子89通过在氮气气氛中借助缝焊将盖子89接合至壳体70的开口来固定。
下文描述了在俯视图中如本实施例那样呈矩形形状的盖子89由于此时的缝焊而收缩的状态。
当盖子89和金属框架79通过缝焊而接合时，通过向盖子89供应电流生成焦耳热，并且由fe、ni和co的合金制成的盖子89和金属框架79的连接部被加热至1449摄氏度熔点以熔化。在连接部熔化的同时将盖子89朝壳体70按压，从而使壳体70和盖子89彼此连接。以这种方式，可以组装物理量传感器100。此时，盖子89的温度整体上增加至平均大约700摄氏度。
随后，当物理量传感器100的温度降低到室温时，盖子89收缩。此时，由于拉伸应力通过盖子89施加至壳体70的外表面，因此除非弯曲部92形成在仅对应于盖子89的纵向边的位置中，否则存在壳体70的外表面破裂的可能性。
这里，当如图7所示，施加到盖子89的纵向边区域的拉伸应力是σ1并且施加到盖子89的短边区域的拉伸应力是σ2时，在弯曲部92未形成于盖子89中的情况下，通过模拟计算σ1和σ2得到σ1＝4.90×108[pa]且σ2＝4.58×108[pa]。
因此，在未形成弯曲部92的情况下，由以下表达式表示的冯米塞斯应力σe为σe＝4.75×108[pa]。
[数学表达式1]
其中
σe：施加至盖子的纵向边的冯米塞斯应力(mpa)
σ1：施加至盖子的纵向边的拉伸应力(mpa)
σ2：施加至盖子的短边的拉伸应力(mpa)
鉴于上述，如图11所示，在盖子89x中形成呈框架形状的弯曲部92的情况被认为是减轻盖子89中生成的拉伸应力的方法。更具体地，如图11所示，弯曲部92具有包括从盖子89x向下突出的曲线的形状，并且在盖子89x上形成于比盖子89x的用于接合至金属框架79的接合部90更内部位置处以在接合部90的整个周向上延伸并沿着盖子89x的接合部90。
当在图11中所示的盖子89x中生成的σ1和σ2以与上述相同的方式计算时，计算结果为σ1＝5.30×108[pa]并且σ2＝3.81×108[pa]。换句话说，在弯曲部92的内部位置所生成的拉伸应力σ2通过形成于弯曲部92的短边区域中的短边弯曲部93而显著减小。在这种情况下，由上述表达式所表示的冯米塞斯应力σe为σe＝5.18×108[pa]。
更具体地，当盖子89x在俯视图中呈矩形形状时，由标量值所表示的冯米塞斯应力σe由于形成框架形状的弯曲部92以在接合部90的整个周向上延伸而增加，从而导致对减轻应力产生不利影响。
上述冯米塞斯应力σe作为剪切力作用于壳体70的侧壁73。此时，作为通过模拟计算施加到壳体70的侧壁73的拉伸应力的结果，拉伸应力为7.55×107[pa]。
相反，在根据如图7所示的实施例的物理量传感器100中，弯曲部91在盖子89上形成于比仅与盖子89的接合至金属框架79的边侧中的纵向边对应的接合部90更内部位置处并且沿着仅对应于该纵向边的接合部90。
这里，以与上述相同的方式，当如图7所示，施加到盖子89的纵向边区域的拉伸应力为σ1并且施加到盖子89的短边区域的拉伸应力为σ2时，在弯曲部91如实施例中所述地在盖子89上形成于比仅与盖子89的纵向边对应的接合部90更内部位置处的情况下，通过模拟计算σ1和σ2得到σ1＝4.74×108[pa]且σ2＝4.80×108[pa]。
这意味着，由于与图11所示的盖子89x的弯曲部92不同，根据该实施例的盖子89的弯曲部91不包括短边弯曲部93，因此根据该实施例的盖子中施加至短边区域的拉伸应力(σ2)没有显著减小。
因此，如本实施例，在对于仅对应于纵向边的接合部90形成弯曲部91的情况下，由上述表达式所表示的冯米塞斯应力σe为σe＝4.77×108[pa]。因此，与弯曲部92形成为在整个周向上延伸的情况相比，冯米塞斯应力显著减小。
如上所述，盖子89中所生成的冯米塞斯应力σe作为剪切力作用于壳体70的侧壁73。此时，作为通过模拟计算拉伸应力的结果，施加至壳体70的侧壁73的拉伸应力为7.09×107[pa]。因此，与弯曲部92形成为在整个周向上延伸的情况相比，拉伸应力显著减小。
换句话说，在根据该实施例的物理量传感器100中，弯曲部91在盖子89上形成于比在俯视图中仅与盖子89的接合至金属框架79的边侧中的纵向边对应的接合部90更内部位置处并且沿着仅对应于纵向边的接合部90。因此，施加到盖子89的短边区域的拉伸应力σ2没有显著减小。
结果，由标量值所表示的冯米塞斯应力不会增加，并且因此可以抑制应力集中于经由金属框架79接合至盖子89的壳体70的外表面的纵向边区域的中心部分处和周围。
下文描述根据本实施例的如上所述构造的物理量传感器100的操作。
首先，将正电压施加到呈音叉形状的检测元件61的第一臂61a以及设置在第一臂61a上的第一驱动电极65，并且将负电压施加到第二驱动电极66。这导致第一驱动电极65下方的压电层64延展，而第二驱动电极66下方的压电层64收缩。以这种方式，检测元件61的第一臂61a和第二臂61b彼此远离地向外移动。
接下来，将负电压施加到呈音叉形状的检测元件61的第一臂61a以及设置在第一臂61a上的第一驱动电极65，并且将正电压施加到第二驱动电极66。这导致第一驱动电极65下方的压电层64收缩，并且第二驱动电极66下方的压电层64延展。以这种方式，检测元件61的第一臂61a和第二臂61b彼此靠近地向内移动。
更具体地，当将ac电压施加到呈音叉形状的检测元件61的第一驱动电极65和第二驱动电极66时，检测元件61的第一臂61a和第二臂61b以固有频率按速度v沿着平面内方向进行弯曲移动。在检测元件61的弯曲移动期间，调节施加到第一驱动电极65和第二驱动电极66的电压，以便使从监测电极68生成的输出信号保持恒定，从而控制弯曲振动的幅度。
在检测元件61的第一臂61a和第二臂61b以固有频率进行弯曲移动的状态下，当检测元件61以角速度ω围绕纵向方向的中心轴线(检测轴线)旋转时，f＝2mv×ω的科里奥利力在检测元件61的第一臂61a和第二臂61b中产生。科里奥利力使得对应于在检测电极67下方的压电层64中生成的电荷的输出信号经由检测电极67、线缆85、端子电极75和壳体70的布线图案(未示出)输入到ic88。输出信号经过波形处理，然后从壳体70的输出电极78输出到外部，作为角速度的输出信号。
尽管已经基于上述实施例描述了根据本公开的物理量传感器，但是本公开不限于上述实施例。
例如，尽管在根据上述实施例的物理量传感器100中的盖子89中形成呈线性形状的弯曲部91，但是弯曲部的形状不限于该示例。例如，如图12所示，包括在俯视图中呈偏菱形形状的弯曲部94的盖子89a也能够产生相同的有利效果。
工业实用性
根据本公开的物理量传感器产生的有益效果是，即使盖子在俯视图中呈矩形形状，也可以抑制壳体的纵向边区域中的外表面中的破裂，并且特别有用的是用作用于飞行器、车辆等移动物体的姿态控制、导航系统等的物理量传感器。
附图标记列表
61检测元件
65,66驱动电极
67检测电极
70壳体
76电源电极
77gnd电极
78输出电极
79金属框架
88ic
89,89a盖子
90接合部
91,94弯曲部
100物理量传感器
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种物理量传感器，包括：
检测元件，其包括驱动电极以及检测电极；
集成电路(ic)，其处理由所述检测电极提供的输出信号；
壳体，其具有开口并容纳所述检测元件和所述ic；
盖子，其具有长方体形状并且闭塞所述壳体的所述开口；
电源电极、接地(gnd)电极和输出电极，其均设置在所述壳体的外底表面上；以及
金属框架，其设置在所述壳体的上表面上，
其中，所述盖子接合至所述金属框架，并且
所述盖子包括两个弯曲部，所述两个弯曲部在所述盖子上形成于在俯视图中比仅与所述盖子的接合至所述金属框架的边中的纵向边对应的接合部更内部的位置处，并且所述两个弯曲部沿着仅与所述纵向边对应的所述接合部形成。
2.根据权利要求1所述的物理量传感器，
其中，所述两个弯曲部通过拉延形成。
3.根据权利要求1所述的物理量传感器，
其中，所述金属框架和所述盖子通过缝焊接合。