JP2004226181A - 振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

【課題】高精度・小型化に対応した振動ジャイロを提供する。
【解決手段】水晶振動子１の略中央に備える平板状の胴体部４と、左端から延在する一対の駆動側アーム２と、右端から延在する一対の検出側アーム２と、を水晶にて一体的に形成したものである。水晶からなる支持体６は、基板７の上面の略中央部に接着剤１２によって固定されている。さらに支持体６の上面に接着剤１３にて水晶振動子１の胴体部４を胴体部４の略中央下面に有する固定支点５において固定した。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電振動素子を運動体の角速度検出等に用いる振動ジャイロに関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、様々な分野で高度情報化が進んでおり、その１つとして、最先端の情報通信技術を利用し、「人」、「道路」、「車両」を一体のシステムとして構築する高度道路交通システム（ＩＴＳ）がある。このようなＩＴＳには、車両の状態を把握するために様々な角度センサが用いられ、高精度化・小型化が図られている。
【０００３】図７（ａ）は特開平１０−１７０２７２号公報に開示された振動ジャイロの斜視図、図７（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図であって、図中右端の軸方向は振動ジャイロの動作原理を説明するためのものである。
同図において符号７１は圧電振動素子であり、該圧電振動素子の略中央に備える平板状の胴体部７４から図中の左右方向に夫々３本のアームが延在する。該圧電振動素子７１は上方を開口とする凹陥を備えたパッケージ７５に収納され、前記開口は蓋７６にて封止されている。該圧電振動素子７１の図中右側アームのうち両端に位置する長尺のアーム７２には駆動用の、反対側のアーム７３には検出用の電極（図示せず）が夫々形成されている。
【０００４】以下、従来例に基づいて振動ジャイロの動作原理について説明する。
図示しない外部装置からの交流電圧を前記圧電振動素子７１のアーム７２に形成された駆動電極に印加し圧電現象によるＸ方向の振動を生じさせ、この状態において振動ジャイロをＹ軸まわりに回転させると、角速度ωに応じて振動方向と直角の方向、即ちＺ方向にコリオリの力Ｆが働き、該Ｚ方向の振動をアーム７３に形成された検出電極を介して検出する。
【０００５】特開平１０−１７０２７２号公報に開示された振動ジャイロにおいては圧電振動素子７１の材料として水晶が用いられており、水晶は温度安定性に優れ、また圧電特性の劣化およびエネルギー損失が少なく、安定した振動が得られ、且つリソグラフィとエッチングで小型・高精度に製造できる特徴があるので、慣性力を利用する振動ジャイロには好適である。
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１７０２７２号公報。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従来の振動ジャイロはパッケージ７５内に圧電振動素子７１を実装する際、該パッケージ７５の内底面に突設する複数の台座７５ａ、７５ｂの上面に接着剤等を塗布する構造を採用していた。この構造では実装時または実装後の温度変化による歪みが生じるため、歪みがアーム７２、７３に伝搬しないよう工夫する必要があり、そのため圧電振動素子７１の形状が複雑かつ大型となり電極形成が困難になるという問題点があった。
【０００８】一方、図８（ａ）、（ｂ）に示すような単純なＨ型の水晶振動子８１を用い、胴体部８２をパッケージの内底面に突設する１個の台座８３上に固定した振動ジャイロも検討されている。図７に示す従来例の振動ジャイロと比較して、一点支持であるため台座８３の熱歪みが水晶振動子８１に応力として加わりにくくエージング特性が改善されるものの、振動ジャイロの小型化が進むに連れ水晶振動子８１の支持の影響を軽減すべく台座８３の寸法を小さくする必要がある。しかしながら台座８３の寸法を小さくすると上述した熱歪みによる水晶振動子８１への影響はさらに少なくなるものの位置合わせ精度が低くなり、電気特性のばらつきが多いという問題点があった。
【０００９】本発明は、単純構造のＨ型水晶振動子を用い、且つ高精度な位置決め精度を維持することができる、高精度・小型化に対応した振動ジャイロを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】平板状の胴体部と該胴体部から延在する一対の第一の振動アームと該胴体部から一対の第一の振動アームとは逆方向に延在する第二の振動アームとを圧電材料にて一体的に形成した圧電振動素子と、
該圧電振動素子と同一の材料にて形成した支持体と、を備え、
前記支持体に前記圧電振動素子の胴体部を接合固定したことを特徴とする。
【００１１】請求項２記載の発明は、請求項１において、前記圧電振動素子の胴体部に第一の接合部認識手段を、前記支持体に第二の接合部認識手段を夫々備えているを特徴とする。
【００１２】請求項３記載の発明は、請求項２において、前記第一の接合部認識手段は前記胴体部の表面に、前記第二の接合部認識手段は前記支持体の表面に形成した金属薄膜であることを特徴とする。
【００１３】請求項４記載の発明は、請求項３において、前記第一の接合部認識手段は前記圧電振動素子を駆動するための電極と同一のプロセスにて形成してものであることを特徴とする。
【００１４】請求項５記載の発明は、請求項２において、前記第一の接合部認識手段が前記圧電振動素子の胴体部に形成された貫通穴であり、前記第二の接合部認識手段は前記支持体の表面に形成された突起体であることを特徴とする。
【００１５】請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記圧電振動素子と前記支持体とは水晶で形成されていることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、図示した本発明の実施の形態に基づいて、本発明を詳細に説明する。
【００１７】図１（ａ）は本発明の実施の形態の振動ジャイロを示す平面図、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図であって、図中左端の軸方向は前述の振動ジャイロの動作原理についての説明に対応させるためのものである。
同図において、符号１は圧電振動素子であるＨ型の水晶振動子であって、該水晶振動子１の略中央に備える平板状の胴体部４と、該胴体部４の図中左端から延在する一対の駆動側アーム２と、該胴体部４の図中右端から延在する一対の検出側アーム２と、を水晶にて一体的に形成したものである。
符号６は水晶からなる支持体であり、基板７の上面の略中央部に接着剤１２によって固定されている。
さらに支持体６の上面に接着剤１３にて水晶振動子１の胴体部４を該胴体部４の略中央下面に有する固定支点５において固定したものである。
符号１０は金属蓋、符号１１は外部電極端子である。
【００１８】符号８は水晶振動子１の固定支点５を包囲するように設けられた第一の接合部認識手段としてのＬ字型マークであり、符号９は支持体６に設けられた第二の接合部認識手段としての矩形マークである。
水晶振動子１の胴体部４に備える４個のＬ字型マーク８は金属薄膜パターンにて形成されており、各Ｌ字型マークのＬ型を構成する各辺の内側のラインが支持体６の４隅の角部と略一致するように設けられている。一方、基板７に固定される支持体６の上面四隅には矩形マーク９が金属薄膜パターンにて形成されている。従って、Ｌ字型マーク８の各辺の内側と支持体６の四隅に設けられた矩形マーク９の外周辺とが一致するように接着剤１２を用いて水晶振動子１の略中央、即ち固定支点５で正確に支持、固定することができる。
【００１９】水晶振動子１はその材料の特性から透明度を有しているので、水晶振動子１の下面に設けられたＬ字型マーク８および支持体６の上面四隅に設けられた矩形マーク９を該水晶振動子１の上方から視認することができ、例えばマウンター等の部品搭載機を用いた場合、Ｌ字型マーク８の内辺と矩形マーク９の外辺とを一致するよう制御し、Ｈ型水晶振動子１を載置することにより、高精度に位置決めを行うことができる。なお、Ｈ型水晶振動子１の上方からＬ字型マーク８および矩形マーク９を視認可能なように、Ｈ型水晶振動子１と支持体６との間の接着剤１２は該支持体６の上面中央部であって、矩形マーク９を全て覆わないように塗布しておけばよい。
【００２０】このように、水晶振動子１および支持体６に接合部認識手段としてのマークを設けたので、Ｌ字型マーク８の内辺と矩形マーク９の外辺とを一致させるよう水晶振動子１を搭載すれば、高精度な位置合わせが可能となると共に、支持体６に水晶振動子１と同一材料である水晶片を用いたので、支持体６の熱歪み等による応力が水晶振動子１に加わらず、良好なエージング特性を得ることができる。
【００２１】図２は水晶振動子１および支持体６を形成する水晶ウェハ２１の方位を示すための図であって、本発明に係る水晶振動子１および支持体６の製造工程は、まず人工水晶原石をブロック状に切断し該ブロックを所定の厚さのウェハ状、即ち水晶ウェハ２１に加工する。
【００２２】前記水晶ウェハ２１は、水晶が有する結晶軸の１つであるＸ軸のみを反時計回りに約１度乃至５度、最適は２度傾けた面から切断したもの、所謂Ｚカットを用いる。ちなみに水晶には結晶軸としてＺ軸およびＸ軸を有し、結晶学的にはＹ軸をもたない結晶だが、幾何学的にＺ軸およびＸ軸に直交する軸をＹ軸と呼び、人工水晶の場合、方位をＸ、Ｙ、Ｚで表す。
【００２３】図３（ａ）〜（ｂ）は水晶振動子１と支持体６との外形形成工程を示すための図であって、水晶ウェハ２１上に１個または複数の所望する振動子の外形であるＨ型パターンを、余剰部分に支持体６となる１個または複数の矩形パターンをフォトマスク３１により形成し、エッチング加工により１個または複数のＨ型の水晶振動子１および１個または複数の支持体６の外形形状が形成される。
図３（ｃ）〜（ｄ）は水晶振動子１の上下面電極形成および該水晶振動子１と支持体６との接合部認識手段としてのマーク形成工程を示すための図であって、水晶振動子１上下面の駆動電極２ａおよび検出電極（図示せず）の形成と共に支持体６の少なくとも一方の面、例えば上面に矩形マーク９も形成する。
形成方法は、エッチング加工が終了した水晶ウェハ２１上に金属マスク３２を被覆し水晶振動子１上面の駆動電極２ａおよび検出電極を形成すると同時に該水晶振動子１のＬ字型マーク８及び支持体６の上面に矩形マーク９をも形成させる。
図３（ｅ）は、図３（ａ）〜（ｄ）の断面矢視方向を説明するための図である。
【００２４】図４は水晶振動子１の検出電極３ａを形成するための斜め蒸着を説明するための図であり、同図においては検出側アーム３の１つのみを取り出し、その断面を示している。
まず図３（ｃ）、（ｄ）にて説明したように、前記水晶ウェハ２１の上下面に電極３ａ′を形成した後、該電極３ａ′にマスク４１を被覆し、さらにマスク４１ｂを用いて紫外線光（矢印にて表示）による露光により検出側アーム３の側面部分の検出電極３ａ″を形成する。
【００２５】図５は水晶振動子１および支持体６の完成図であって、水晶振動子１の駆動側アーム２に駆動電極２ａが且つ検出側アーム３に検出電極３ａが且つ胴体部４にＬ字型マーク８が形成された１個または複数の水晶振動子１と、矩形マーク９を形成した１個または複数の支持体６と、が該水晶ウェハ２１から形成される。
【００２６】以後の工程を図１（ａ），（ｂ）で説明する。１個または複数を積層した支持体６の下面を基板７上面の略中央に接着後、水晶振動子１のＬ字型マーク８および矩形マーク９を視認し、該水晶振動子１の下面を支持体６の上面に接着する。
【００２７】基板７の外部電極端子１１と電気的接続されている配線パターンと駆動電極２および検出電極３ａ夫々から引き出された電極パッドをワイヤボンディングにより接続する。また前記電極パッド間をワイヤボンディングすることにより図６に示す回路を構成する。
【００２８】基板７の外部電極端子１１より水晶振動子１に電圧を印加し、駆動電極２ａおよび検出電極３ａの共振周波数を測定し駆動電極側の周波数と検出電極側の周波数との差、即ち離調周波数を目標値まで調整するため、駆動電極２または検出電極３の先端の蒸着量やスパッタリング量を調整する手段またはレーザーによりトリミングする手段により周波数離調する。離調後、基板７を窒素雰囲気または真空雰囲気の中で金属蓋１０を抵抗溶接等により封止する。
【００２９】ちなみに平板状の基板７とその断面がコ字形の金属蓋１０に代えて、凹陥部を備える基板に水晶振動子１を収容し、該凹陥部開口部に平板状の金属蓋１０をシーム溶接等により封止するものも同様な振動ジャイロが得られる。また後付け部品点数の削減のためオフセット調整回路やゲイン調整回路等をワンチップＩＣ化し、図９に示すように凹陥部を形成した基板７の裏面に第二の凹陥部を設けて調整用ＩＣ１３を実装させることも可能である。
【００３０】なお本実施例においては、第一の接合部認識手段としてＬ字型マークを又第二の接合部認識手段として矩形マークを用いたが、これに限定されるものでない。例えば、図１０（ａ）に示すように支持体６上の略中央に楕円形マーク１４を用い、また図１０（ｂ）に示すように水晶振動子１の固定支点５に前記楕円形マーク１４の外形に一致する辺を有する認識マーク１５を設けても構わない。
さらに前述の図３（ａ）、（ｂ）で示した水晶振動子１と支持体６との外形形成工程において、図１１（ｂ）に示すように支持体６上の略中央に略矩形状の突起体９２を形成し図１１（ａ）に示すように水晶振動子１の固定支点５に該突起体９２と形状が略一致する貫通穴９１を形成し用いても構わない。
【００３１】以上では水晶を用いて本発明を説明したが、本発明は水晶のみに限定するものではなくタンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電材料に適用できることは云うまでもない。
【００３２】このように構成することにより、単純構造のＨ型を有する圧電振動素子を用い且つ高精度な位置決め精度を維持することができる、高精度・小型化に対応した振動ジャイロが得られる。
【００３３】
【発明の効果】請求項１の発明によれば、圧電振動素子と同一材料からなる支持体に圧電振動素子が支持かつ固定されていることにより、温度変化による伸縮量のちがいによる圧電振動素子の歪みが発生せず歪みによる誤出力を抑止することが可能になる。
【００３４】請求項２又は５記載の発明によれば、前記圧電振動素子および前記支持体夫々に接合部認識手段を備えることで該圧電振動素子の高精度な位置合わせが可能になるだけでなく、前記接合部認識手段を用いて実装の自動化が可能になる。
【００３５】請求項３乃至４記載の発明によれば、前記接合部認識手段を前記圧電振動素子の電極形成工程である蒸着等で形成させることで製造装置の共有化、工程の簡略化が可能になる。
【００３６】請求項６記載の発明によれば、水晶は温度安定性に優れ、その圧電特性の劣化が少ない。またエネルギー損失が少なく、安定した振動が得られ、且つリソグラフィとエッチングで小型・高精度に製造が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の振動ジャイロ構造図。
（ａ）金属蓋を省略した状態の上面図。
（ｂ）縦断面図。図１（ａ）のＡ−Ａ線断面を示す。
【図２】本発明の実施の形態における水晶ウェハ方位説明図。
【図３】本発明の実施の形態における水晶振動子及び支持体の製造工程説明断面図。
（ａ）露光工程説明縦断面図。図３（ｅ）のＡ−Ａ線断面を示す。
（ｂ）エッチング工程説明縦断面図。図３（ｅ）のＡ−Ａ線断面を示す。
（ｃ）金属マスク位置決め工程説明縦断面図。図３（ｅ）のＡ−Ａ線断面を示す。
（ｄ）蒸着工程説明縦断面図。図３（ｅ）のＡ−Ａ線断面を示す。
（ｅ）断面矢視方向説明図。
【図４】本発明の実施の形態における水晶振動子端面電極作製図。
【図５】本発明の実施の形態における水晶振動子および支持体斜視図。
【図６】本発明の実施の形態における電極配線図。
（ａ）駆動電極配線図。
（ｂ）検出電極配線図。
【図７】第一の従来の振動ジャイロ構造図。
（ａ）斜視図。
（ｂ）縦断面図。図７（ａ）のＡ−Ａ線断面を示す。
【図８】第二の従来の振動ジャイロ構造図。
（ａ）金属蓋を省略した状態の上面図。
（ｂ）縦断面図。図８（ａ）のＡ−Ａ線断面を示す。
【図９】本発明の実施の第二の形態の振動ジャイロ縦断面構成図。
【図１０】本発明の実施の形態における接合部認識手段の第一の変形図。
（ａ）第二の接合部認識手段の平面図。
（ｂ）第一の接合部認識手段の平面図。
【図１１】本発明の実施の形態における接合部認識手段の第二の変形図。
（ａ）第一の接合部認識手段の斜視図。
（ｂ）第二の接合部認識手段の斜視図。
【符号の説明】
１．水晶振動子 ２．駆動側アーム ２ａ．駆動電極
３．検出側アーム ３ａ、３ａ′、３ａ″．検出電極
４．胴体部 ５．固定支点 ６．支持体 ７．基板
８．Ｌ字型マーク ９．矩形マーク
１０．金属蓋 １１．外部電極端子 １２、１３．接着剤
１４．楕円形マーク １５．認識マーク ２１．水晶ウェハ
３１．フォトマスク ３２．金属マスク ４１．マスク
７１．圧電振動素子 ７２．駆動電極 ７３．検出電極
７４．胴体部 ７５．パッケージ ７５ａ、７５ｂ．台座 ７６．蓋
８１．水晶振動子 ８２．胴体部 ８３．台座
９１．貫通穴 ９２．突起体

Claims (6)

1. 平板状の胴体部と該胴体部から延在する一対の第一の振動アームと該胴体部から一対の第一の振動アームとは逆方向に延在する第二の振動アームとを圧電材料にて一体的に形成した圧電振動素子と、
   該圧電振動素子と同一の材料にて形成した支持体と、を備え、
   前記支持体に前記圧電振動素子の胴体部を接合固定したことを特徴とする振動ジャイロ。
2. 前記圧電振動素子の胴体部に第一の接合部認識手段を、前記支持体に第二の接合部認識手段を夫々備えているを特徴とする請求項１記載の振動ジャイロ。
3. 前記第一の接合部認識手段は前記胴体部の表面に、前記第二の接合部認識手段は前記支持体の表面に形成した金属薄膜であることを特徴とする請求項２記載の振動ジャイロ。
4. 前記第一の接合部認識手段は前記圧電振動素子を駆動するための電極と同一のプロセスにて形成してものであることを特徴とする請求項３記載の振動ジャイロ。
5. 前記第一の接合部認識手段が前記圧電振動素子の胴体部に形成された貫通穴であり、前記第二の接合部認識手段は前記支持体の表面に形成された突起体であることを特徴とする請求項２記載の振動ジャイロ。
6. 前記圧電振動素子と前記支持体とは水晶で形成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の振動ジャイロ。

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