CN101135562A - 振动传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种振动传感器。该振动传感器包括：具有基座和从该基座延伸的臂的音叉式振动器；用于安装所述音叉式振动器的安装部；以及用于将所述音叉式振动器安装在所述安装部上的多个支撑件。

Description

振动传感器

技术领域

本发明涉及振动传感器，更具体地涉及一种带有音叉式振动器的振动传感器。

背景技术

诸如带有音叉式振动器的加速度传感器的和角速度传感器的振动传感器感测振动器的振动，由此来检测加速度和角速度。例如，角速度传感器用于汽车导航系统和数字相机中的图像稳定化。日本专利申请公报No.2005-49306(文献1)公开了一种将由结晶石英制成的音叉式振动器安装在诸如基板或外壳(package)的安装件上的支撑件。该支撑件可以是突块(bump)。

将音叉式振动器安装在安装元件上的方式是提高振动传感器的灵敏度的要点。文献1公开了通过利用导电胶或突块将音叉式振动器安装在安装元件上的方式。但是，发明人发现文献1中公开的安装方式在提高灵敏度方面有困难。

发明内容

本发明是考虑到上述情况而做出的，因此提供了一种灵敏度得到提高的振动传感器。

本发明的一方面提供了一种振动传感器，该振动传感器包括：具有基座和从该基座延伸的臂的音叉式振动器；用于安装所述音叉式振动器的安装部；以及将所述音叉式振动器安装在所述安装部上的多个支撑件。

附图说明

下面基于以下附图来详细描述本发明的实施方式，附图中：

图1是根据第一实施方式的振动传感器的立体图；

图2是音叉式振动器的立体图；

图3A和3B示出了音叉式振动器的电极图案；

图4A和4B示出了音叉式振动器的振动模式；

图5示出了音叉式振动器的节点线；

图6A是安装部的平面图；

图6B是其上安装了音叉式振动器的安装部的平面图；

图6C是沿图6B中示出的线A-A的剖面图；

图7A是提供了树脂的安装部的顶视图；

图7B是沿图6B中示出的线B-B的剖面图；

图7C示出了施加过量树脂的情况；

图8A至8E示出了音叉式振动器的示范性后部；

图9是驱动电极和感测电极的阻抗作为支撑件(突块)数量的函数的曲线图；

图10A至10E示出了音叉式振动器的其他示范性后部；

图11A至11E示出了音叉式振动器的另一些示范性后部；

图12A至12C示出了音叉式振动器的又一些示范性后部；

图13A至13E是根据第二实施方式在其中安装了音叉式振动器的安装部的示范性布置的平面图；而

图14A和14B是其上安装了音叉式振动器的安装部的剖面图。

具体实施方式

下面将参照附图给出对本发明实施方式的描述。

[第一实施方式]

本发明的第一实施方式是其中在外壳上安装有两个音叉式振动器的角速度传感器。图1是第一实施方式的角速度传感器的立体图，图2是音叉式振动器10的立体图。参照图1，本实施方式的角速度传感器有两个音叉式振动器10a和10b，每一个都对应于图2中所示的音叉式振动器10。振动器10a和10b分别安装并固定在空腔型的外壳30的安装部20a和20b上。安装部20a和20b上分别设置有焊盘22a和22b。图1中省略了振动器10a和10b的电极以及用于在这些电极与焊盘22a和22b之间进行电连接的键合线。振动器10a和10b被布置为形成直角，并且具有以各自的轴向运行的感测轴1和2。传感器能够感测相对于振动器10a和10b的感测轴1和2的角速度。外壳30上安装有控制电路42，在控制电路42上，电路板上安装有电子部。控制电路42对振动器10a和10b进行控制。更具体来说，控制电路42向振动器10a和10b提供驱动信号，并从其接收感测信号。外壳30覆盖有罩(未示出)，从而被密封。

参照图2，音叉式振动器10由基座13和从基座13平行延伸的多个(该图中为2个)臂11和12构成。音叉式振动器10由LiNbO3(铌酸锂：LN)或LiTaO3(钽酸锂：LT)制成。当使用LN或LT时，可使用130°到140°Y切割板来获得高的k23机电耦合系数。通过由金、铝或铜制成的金属膜在音叉式振动器10的表面上形成有电极图案。

图3A示出了音叉式振动器10的前侧，图3B示出了其后侧。臂11设置有感测电极11a、11b和11c。感测电极11a和11b通过电极11d相连。感测电极11a中设置有引出电极11f。电极11c与引出电极11e相连。类似的是，臂12设置有感测电极12a、12b和12c。感测电极12a和12b通过电极12d相连。电极12a中设置有引出电极12f。电极12c与引出电极12e相连。驱动电极14a设置在音叉式振动器10的前侧上，并与引出电极14b相连。类似的是，驱动电极15a设置在音叉式振动器10的后侧上，并与引出电极15b相连。

图4A和4B分别示出了驱动模式和感测模式。参照图4A，在驱动电极14a和15a之间施加驱动信号，以引发一种其中臂11和12依次彼此靠近和远离的振动模式。图4A中所示的振动与包括臂11和12的平面平行。这被称作面内振动模式。施加在感测轴上的角速度产生科里奥利(Coriolis)力，并引发图4B中所示的其中臂11和12前后移动的另一种振动模式。该振动是与臂进行振动的平面垂直的扭转振动。这被称作面-垂直振动模式。感测电极11a、11b和11c以及12a、12b和12c感测这种面-垂直振动模式，从而可检测到相对于感测轴1和2的角速度。驱动模式是一种用于驱动的振动模式，而感测模式是一种用于感测的振动模式。节点被定义为在驱动模式和感测模式下均不振动的部分。在图3A中，音叉式振动器10的对称面是节点A，音叉式振动器10的中心轴是节点B。

图5示出了音叉式振动器的后侧。基座13的节点线R1是通过将节点A和节点B的共同节点(即，节点B)投影到表面S1(其上形成有支撑部，后文将描述)上来定义的。

图6A是音叉式振动器10的平面图，图6B是其上安装有音叉式振动器10的安装部20的顶视图，而图6C是沿图6B中所示的线A-A的剖面图。参照图6A，安装部20可由陶瓷制成，并包括导线焊盘部28、振动器支撑部27和主体部26。导线焊盘部28具有键合焊盘22，来自音叉式振动器10的键合线34与键合焊盘22相连。振动器支撑部27中设置有焊盘25。金突块(充当支撑件32)用于将音叉式振动器10连接到焊盘25。焊盘25设置在音叉式振动器10的紧下方并向外延伸，以横向超出振动器10。焊盘25具有凹部24，其中暴露出安装部20。焊盘22和25可由金镀层制成。

参照图6B，键合线34在引出电极11e、11f、12e、12f、14b和15b与键合焊盘22之间进行连接。键合焊盘22与控制电路42相连。为方便起见，引出电极14b和15b的图案与图3A和3B中所示的图案部分不同。参照图6C，导线焊盘部28的上表面近似与音叉式振动器10一样高，以使得可以容易地进行来自音叉式振动器10的键合。主体部26的上表面比振动器支撑部27的上表面低了高度h。音叉式振动器10是通过利用支撑件32(其可以是金突块)倒装安装在焊盘25上的。设置树脂部36来覆盖支撑件32，以对通过支撑件32的安装进行加固。树脂部36可以是硅树脂或环氧树脂的粘合剂。

图7A是安装音叉式振动器10的方式的平面图。在安装部20上的焊盘25和凹部24上提供粘合剂37(可由硅树脂或环氧树脂制成)。将具有支撑件32的振动器10倒装安装在粘合剂37上。然后，朝向支撑件32按压粘合剂37，以使支撑件32可电连接到焊盘25。凹部24被设置为从安装部20中的支撑件32所处区域延伸到安装部20中的超出音叉式振动器10的外部区域。因此，朝向音叉式振动器10的下表面按压的粘合剂37通过凹部24被引导，并超出音叉式振动器10之外。此外，如图7C所示，振动器支撑部27的上表面(即，安装部20中的其上安装有支撑件32的区域)高于主体部26的上表面(即，安装部20中的用于音叉式振动器10的臂11和12的另一区域)。这使得过量的粘合剂37流到主体部26的上表面。因此，可以防止粘合剂37粘结到不需要的部分，如主体部26上方的音叉式振动器10的后部和振动器支撑部分27中的音叉式振动器10的上表面。

优选的是，设置树脂部36是为了提高抗震性。但是，可省略树脂部36。支撑件32连接到焊盘25，以对音叉式振动器10和安装部20进行电连接。因此，可以减少键合线的数量。可对支撑件32进行改动，使得目的是只进行机械连接，而不进行电连接。

图8A至8E分别示出了具有不同数量的支撑件32的音叉式振动器10的后表面。在图8A至8E示出的音叉式振动器10的节点线R1上分别设置有一到五个支撑件32。图9示出了安装在安装部20上的音叉式振动器10的驱动电极和感测电极的阻抗Z，其中阻抗Z是在谐振频率下测量的。驱动电极和感测电极的阻抗Z是经由键合线来测量的，而不是经由金突块(支撑件32)来测量的。图9示出了，驱动电极的阻抗并不随着突块数量的增加而显著降低。相反，图9示出了，具有二到五个支撑件32的音叉式振动器10的感测电极的阻抗大约是只具有一个支撑件32的音叉式振动器10的感测电极的阻抗的一半。

振动传感器的灵敏度随着谐振锐度Q的增加而增大，其中Q的定义如下：

Q＝1/4(4πZC(fa-fr))。

其中Z是谐振频率下的阻抗，C是串联电容，fa是反谐振频率，fr是谐振频率。从上述表达式可看出，随着Z减小，Q增加，并且增大了灵敏度。这样，当使用两个或更多个支撑件32时，可以显著地提高感测电极的灵敏度。

音叉式振动器10由压电材料制成，并且是电介质体。因而，音叉式振动器10的阻抗大，并在音叉式振动器10振动的谐振频率下阻抗降低。然而，当音叉式振动器10的振动被抑制时，音叉式振动器10的阻抗较大。回到图4A，面内振动模式(第一实施方式中的驱动模式)主要包括臂11和12的振动，并且基座1 3中的振动比面-垂直振动模式(第一实施方式中的感测模式)中的振动要小。因此，阻抗不因基座13的安装方式而明显变化。相反，臂11和12具有扭转振动，使得基座13具有扭转振动。因此，支撑基座13的方式明显地改变了阻抗。

如图8A所示，当音叉式振动器10仅由设置在节点线R1上的一个支撑件32支撑时，节点B可以容易地以支撑件32作为支撑点在上下方向振动。这可以认为是阻抗的增大。当节点线R上的两个支撑件32支撑音叉式振动器10时(如图8B所示)，节点B在上下方向振动可能会有困难。这可以认为是阻抗的减小。

如上所述，为了降低面-垂直振动模式中的阻抗，优选地使用两个或更多个支撑件32来支撑音叉式振动器10。如图8B至8E所示，优选地在节点线R1上设置多个支撑件32。利用这些结构，可以限制节点B的上下运动，而不影响面-垂直振动模式中的扭转振动。如图10A所示，可以缩短支撑件32的距离。但是，优选的是，支撑件32以相对长的间隔来布置，如图8B所示。

图10B至12C分别示出了其中在不在节点线R1上的位置处设置一些支撑件32以提高抗震性的示范性结构。为了保证音叉式振动器10的振动的对称性，关于节点线R1对称地设置支撑件32，如图10B至12C所示。为了限制节点B的上下运动，优选的是，在节点线R1的方向上的不同位置处设置一些支撑件32。

如图10B至10E所示，可以在节点线R1上设置一些支撑件32，还可以在不在节点线R1上的一些位置处设置另外的支撑件32。为了防止面-垂直振动模式中的扭转振动受到影响，如图10B所示，优选地在基座13的与设置有两个臂11和12的前侧相对的后侧上设置一些支撑件32。如图10D、10E、11A和11B所示，支撑件32可以设置在引出电极11f、12f和15b上。利用这些结构，可以使用数量减少的键合线34。如图10D、10E和11B所示，可以使用形成在音叉式振动器10的后表面上的电极来处理提供到支撑件32和从支撑件32提供的电信号，并且可以使用其前表面上的电极来处理提供到键合线34和从键合线34提供的电信号。因此可以实现音叉式振动器10的前、后表面上的电极之间的连接，而不使用其侧面。不需要在音叉式振动器10的侧面上形成电极，因此可以使用数量减少的制造步骤来制造振动传感器。

如图11C、11D、11E和12A所示，引出电极11e、12e和14b向上延伸到音叉式振动器10的后表面，使得所有引出电极11e、11f、12e、12f、14b和15b都连接到支撑件32。该结构避免了使用来自音叉式振动器10的前表面的键合线34，并实现了制造步骤数量的减少和小型化。如图12B和12C所示，引出电极11e、11f、12e、12f和15b可以处理提供到支撑件32和从支撑件32提供的电信号，引出电极14b可以处理提供到键合线34和从键合线34提供的电信号。如图11C、11E和12A所示，支撑件32可以不设置在节点线R1上。

[第二实施方式]

本发明的第二实施方式具有这样的结构：树脂部36关于节点B对称地设置。图13A至13E是根据第二实施方式的安装部20和音叉式振动器10的平面图。示出树脂部36b和节点线R1从而可以看穿音叉式振动器10。为了简明，没有示出导线焊盘部、焊盘和键合线。图13A示出，树脂部36设置在音叉式振动器10的基座13的后侧。图13B示出，树脂部36另外设置在音叉式振动器10与安装部20的振动器支撑部27之间，如虚线的阴影所示。图13C示出，树脂部36设置在音叉式振动器10的基座13的相对侧面上。图13D示出，树脂部36单独地设置在音叉式振动器10的基座13的后侧和相对侧面上。图13E示出，树脂部36一体地设置在音叉式振动器10的基座13的后侧和相对侧面上。

如果树脂部36没有关于节点线R1对称地设置，则树脂部36非对称地支承着音叉式振动器10。这造成音叉式振动器10的转动惯量不平衡，并增加了从音叉式振动器10向安装部20的振动泄露。根据第二实施方式，如图13A至13E所示，树脂部36关于节点线R1对称地设置。可以限制从音叉式振动器10向安装部20的振动的泄露，并提高对外部震动的抵抗性。

树脂部36b可以设置在音叉式振动器10与安装部20之间，如图13B所示，或者如图13A以及13C至13E所示被省略。如已参照图7A所描述的，通过向安装部20提供粘合剂37，然后安装音叉式振动器10，将树脂部36b设置在音叉式振动器10与安装部20之间。树脂部36b可以通过另外的方法来形成。当使用支撑件32将音叉式振动器10安装在安装部20上并随后在基座13的侧表面上提供树脂时，通过适当选择涉及的因素，树脂由于毛细现象而进入振动器10与安装部20之间的间隙，涉及的因素可包括树脂的黏性、振动器10的表面与安装部20的表面之间的吸引力，以及与树脂混合的填充物。优选的是，树脂部36b可以关于节点线R1对称地设置。

图14A是沿图13E中示出的线C-C剖取的剖面图。图14A中示出的剖面垂直于节点B。与音叉式振动器10的节点B垂直的树脂部36的剖面形状近似关于平面F对称，平面F包括节点B并且垂直于振动器10的面内振动面。图14B示出了将树脂部36b添加到图14A所示结构的变型例。如图14A和14B所示，关于面F对称的树脂部36的剖面形状用于限制从振动器10向安装部20的振动泄漏，并提高对外部震动的抵抗性。

第一和第二实施方式采用了具有两个臂11和12的音叉式振动器10。本发明并不限于两个臂，而是可以采用具有多个臂的任何音叉式振动器。前面的描述参照了节点B，节点B对于面内振动模式和面-垂直振动模式是公共的。但是，公共节点B不是必需的，获得多种振动模式的节点的至少一个就足够了。使用公共节点B是更优选的。在第一和第二实施方式中，安装部20是应该安装音叉式振动器10的外壳30的一部分。但是，安装部20并不限于上述结构，重要的是具有安装音叉式振动器10的功能。安装部20可以是应该安装音叉式振动器10的安装板的一部分，或者可以是除外壳30和安装板之外的部件。支撑件32并不限于金突块，而可以是具有支撑安装部20上的音叉式振动器10的功能的另外部件。树脂部36并不限于上述粘合剂，而可以是具有加固音叉式振动器10的功能的另外材料。支撑件32具有支承音叉式振动器10的功能，树脂部36具有确保抗震性的功能。因此，优选的是，树脂部36比支撑件32要软。第一和第二实施方式是振动传感器，均具有两个音叉式振动器10。本发明可包括任意数量的音叉式振动器10。本发明不仅包括角速度传感器，而且包括加速度传感器。

本发明不限于具体公开的实施方式，而是可以在不脱离权利要求所限定的本发明的范围的情况下做出其他实施方式和变型例。

本申请基于2006年8月30日提交的日本专利申请No.2006-233434，这里通过引用将其公开内容并入。

Claims (11)

1.一种振动传感器，该振动传感器包括：

音叉式振动器，其具有基座和从所述基座延伸的臂；

安装部，用于安装所述音叉式振动器；以及

多个支撑件，用于将所述音叉式振动器安装在所述安装部上。

2.根据权利要求1所述的振动传感器，其中，所述多个支撑件是突块。

3.根据权利要求1所述的振动传感器，其中，所述多个支撑件使所述音叉式振动器与所述安装部电连接。

4.根据权利要求1所述的振动传感器，其中，所述多个支撑件设置在节点线上，所述节点线是通过将节点投影到设置了所述多个支撑件的表面上而限定的。

5.根据权利要求1所述的振动传感器，其中，所述多个支撑件关于节点线对称地设置，所述节点线是通过将节点投影到设置了所述多个支撑件的表面上而限定的。

6.根据权利要求1所述的振动传感器，该振动传感器还包括树脂部，该树脂部用于加固安装在所述安装部上的所述音叉式振动器。

7.根据权利要求6所述的振动传感器，其中，所述树脂部关于节点线对称地设置，所述节点线是通过将节点投影到设置了所述多个支撑件的表面而限定的。

8.根据权利要求6所述的振动传感器，其中，所述树脂部的与所述音叉式振动器的所述节点垂直的剖面形状关于一平面对称，该平面包括所述节点，并与所述音叉式振动器的面内振动面垂直。

9.根据权利要求6所述的振动传感器，其中，所述树脂部均匀地设置在所述音叉式振动器与所述安装部之间。

10.根据权利要求6所述的振动传感器，该振动传感器还包括设置在所述安装部上的焊盘，所述焊盘具有凹部，该凹部向外延伸超出所述音叉式振动器的所述基座。

11.根据权利要求6所述的振动传感器，其中，所述安装部具有第一上表面和第二上表面，所述支撑件设置在所述第一上表面上，所述臂位于所述第二上表面的上方，且所述第一上表面高于所述第二上表面。

Images