JP2005106481A - 圧電振動ジャイロ素子及び圧電振動ジャイロセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 スプリアス振動の影響を排除してＣＩ値の低い圧電振動ジャイロ素子、及びそれを用いた角速度検出感度及び精度の高い圧電振動ジャイロセンサを提供する。
【解決手段】 中央基部27から両側へ延出し、ＸＹ平面内で屈曲振動する１対の検出用振動アーム28a，28bと、中央基部からそれと直交して両側へ延出する１対の連結アーム29a，29bと、各連結アーム先端に結合された基部30a，30bからそれと直交して両側へ検出用振動アームと平行に延出し、ＸＹ平面内で屈曲振動する２対の駆動用振動アーム31a，31b，32a，32bとを備える横置き型の圧電振動ジャイロ素子は、中央基部の中央に設けた開口33内に、ＸＹ平面内で撓曲可能な複数のブリッジ35で一体に結合された取付支持部34を有する。圧電振動ジャイロ素子は、駆動制御用のＩＣチップ23の上面に取付支持部を直接接着することにより、圧電振動ジャイロセンサのパッケージ21内に固定支持される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、駆動用振動腕と検出用振動腕とを有する圧電振動ジャイロ素子及びこれを用いた圧電振動ジャイロセンサに関する。

従来より、船舶・航空機・自動車等の姿勢制御やナビゲーションシステム、ビデオカメラ等の手振れ防止及び検出等における回転角速度センサとして、また３次元立体マウス等の回転方向センサなどに圧電振動ジャイロが広く利用されている。圧電振動ジャイロは、様々な構造のものが開発・提案されている（例えば、特許文献１、２を参照。）。

特許文献１に記載される両側音叉型の回転速度センサは、センサハウジング側に固定される中央の取付基部と、該取付基部にサスペンション装置を介して結合されたフレームから一方の側に延出する１対の駆動用励振枝と、その反対側に延出する１対の検出用ピックアップ枝とを有する。サスペンション装置は、両側音叉を形成する圧電材料とハウジング材料との熱膨張率の不一致が使用温度の変化により音叉に与える歪みを解消している。使用時に、ＸＹ平面内即ちその主面内で振動する励振枝がＹ軸周りの回転を受けると、コリオリ力の作用で励振枝に垂直方向の振動が起こり、これが捻れとなってフレームを介して伝達され、これに共振するピックアップ枝の主面に垂直な方向の振動を、該ピックアップ枝表面のピックアップ高電極で検出することによって、Ｙ軸周りの回転及び角速度等が求められる。

本願出願人による特許文献２には、所謂横置き型の圧電振動型ジャイロスコープが記載されており、振動子即ちジャイロ素子が回転軸に対して略水平な所定の平面内に延在し、駆動振動アーム及び検出振動アームとの両方が所定平面に沿って屈曲振動する。図８は、この横置き型の圧電振動ジャイロ素子を備えた従来の圧電振動ジャイロセンサの一例を示している。圧電振動ジャイロセンサは、図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、パッケージ１の中に圧電振動ジャイロ素子２とこれを駆動制御するＩＣチップ３とが実装されている。パッケージ１は、複数のセラミック薄板を積層した矩形箱型構造をなしかつその中に画定される空所の底部にＩＣチップ３を固定したべース４と、その上端にシールリング５を介して気密に接合された金属製の蓋６とを有する。

圧電振動ジャイロ素子２は、図８（Ａ）に良く示すように、中央基部７から図中上下両側へ延出する１対の検出用振動アーム８ａ，８ｂと、中央基部７から検出用振動アームと直交して図中左右両側へ延出する１対の連結アーム９ａ，９ｂと、それぞれ各連結アームの先端に結合された基部１０ａ，１０ｂから、それと直交して検出用振動アームと平行に図中上下両側へ延出する左右各１対の駆動用振動アーム１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂとを有する。前記各検出用振動アーム及び駆動用振動アームには、その上下主面及び側面に検出電極及び駆動電極（図示せず）がそれぞれ形成されている。

圧電振動ジャイロ素子２は、例えばポリイミド樹脂基板１３の上方に金属タブテープ１４で水平に保持されている。図８（Ｃ）に示すように、タブテープ１４は、一端がポリイミド樹脂基板１３上に接着固定され、かつ折曲されて斜め上方へ圧電振動ジャイロ素子２の中央基部７に向けて延長し、他端が中央基部７の下面と平行に折曲されている。中央基部７の金属膜１５を被着した下面にバンプ１６が設けられ、これをタブテープ１４の前記他端に溶着させて、圧電振動ジャイロ素子２を接続支持している。タブテープ１４は、例えば各検出用振動アーム８ａ，８ｂに沿ってその下側に各２本、及び各連結アーム９ａ，９ｂに沿ってその下側に各１本設けられる。ポリイミド樹脂基板１３は、ＩＣチップ３の上方に水平に配置して、べース４内に固定される。中央基部７の上面には、前記検出電極及び駆動電極に接続するための及び接地用の電極パッド１７が形成され、ポリイミド樹脂基板１３の中央に設けた大きな開口１８を通して、それぞれボンディングワイヤ１９でＩＣチップ３上面の電極パッド２０と電気的に接続されている。

前記駆動電極に交流電極を印加すると、駆動用振動アーム１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂは、その主面を含むＸＹ平面内で矢印で示すように屈曲振動し、この状態で圧電振動ジャイロ素子がＸＹ平面内で即ちＺ軸周りに回転すると、駆動用振動アームの長手方向に沿ってコリオリ力が交互に左右逆向きに発生し、その作用によって連結アーム９ａ，９ｂが同じくＸＹ平面内で屈曲振動し、これが中央基部７を介して伝達されて、検出用振動アーム８ａ，８ｂを同じくＸＹ平面内で屈曲振動させる。検出用振動アームの屈曲振動による圧電材料の歪みを前記検出電極が検出して信号を発生し、これをＩＣチップ３が処理することによって、Ｚ軸周りの面内での回転及び角速度等が求められる。

特開平７−５５４７９号公報 特開２００３−１６６８２８号公報

しかしながら、図８に例示する従来の圧電振動ジャイロ素子は、中央基部７が金属タブテープでパッケージ側に直接固定・支持されているので、連結アームの振動による歪みが検出用振動アームに有効に又は効率良く伝達されない虞がある。そのため、圧電振動ジャイロ素子の固有振動に悪影響を与え、不必要なスプリアス振動が発生したり、検出用振動アームの振動に損失を生じて、ＣＩ値が高くなり、圧電振動ジャイロセンサの角速度検出感度及び精度を低下させるという問題が生じる。また、圧電振動ジャイロ素子を形成する圧電材料と、これを搭載するパッケージ側との熱膨張率の差による歪みが中央基部に発生し、圧電振動ジャイロ素子の温度特性に悪影響を及ぼす虞がある。

そこで本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、図８及び特許文献２に関連して上述した構造を有し、その面内で回転及び角速度等を検出する圧電振動ジャイロ素子において、これをパッケージ側に固定する際に、それにより中央基部の拘束をできる限り緩和し、連結アームの歪みが効率よくかつ損失無く検出用振動アームに伝達され、それによりスプリアス振動の影響を排除し、より低いＣＩ値を実現することにある。

更に本発明の目的は、ＣＩ値が低く、それにより角速度検出感度が高く、精度の良い圧電振動ジャイロセンサを提供することにある。

本発明によれば、上記目的を達成するために、中央基部から両側へ延出し、所定平面内で屈曲振動する１対の検出用振動アームと、該検出用振動アームの中央基部からそれと直交して両側へ延出する１対の連結アームと、それぞれ各連結アームの先端に結合された基部からそれと直交して両側へ検出用振動アームと平行に延出し、前記所定平面内で屈曲振動する２対の駆動用振動アームとを備え、検出用振動アームの中央基部が、その中央の設けられる開口と、前記開口内に配置されかつ前記所定平面内で撓曲可能な複数のブリッジで一体に結合された取付支持部とを有することを特徴とする圧電振動ジャイロ素子が提供される。

本発明の圧電振動ジャイロ素子は、その取付支持部を例えばパッケージなどの所定位置に固定することによって実装することができ、該取付支持部と撓曲可能なブリッジで結合された検出用振動アームの中央の基部は、取付支持部に関して前記所定平面内で回転方向に相対的に変位可能で、従来のように圧電振動ジャイロ素子の動作を大きく拘束することは無い。従って、各駆動用振動アームを振動させたとき、それにより発生する連結アームの歪みは、中央の基部を介して効率良く検出用振動アームに伝達される。その結果、圧電振動ジャイロ素子の検出モードにおいて主振動から不必要なスプリアス振動を分離させ、ＣＩ値への影響を解消してこれを低下させることができるので、その角速度検出感度及び精度が向上する。

本発明の別の側面によれば、上述したようにＣＩ値の低い本発明の圧電振動ジャイロ素子と、該圧電振動ジャイロ素子を駆動・制御する半導体集積回路素子と、これらを収容するパッケージとを備えることにより、高い角速度検出感度及び精度の圧電振動ジャイロセンサが提供される。

或る実施例では、圧電振動ジャイロ素子が、その取付支持部を半導体集積回路素子の上に直接接合することによりマウントされる。圧電振動ジャイロ素子の振動は、上述したように取付支持部からの拘束が緩和されているので、半導体集積回路素子に直接マウントしても、その接合強度及び半導体集積回路素子の動作に実質的に影響を与えない。

また、或る実施例では、圧電振動ジャイロ素子はその取付支持部に、半導体集積回路素子と接続するための電極を設けることができる。取付支持部は、圧電振動ジャイロ素子からの振動が緩和されるので、それが電極と半導体集積回路素子からの配線との接続部に及ぼす影響を未然に防止することができる。

以下に、本発明による圧電振動ジャイロセンサの好適実施例について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。この圧電振動ジャイロセンサは、圧電振動ジャイロ素子が回転軸に対して略水平な所定の平面内に延在し、駆動用及び検出用振動アーム双方が所定の平面に沿って屈曲振動する、所謂横置き型のものである。

図１は、本発明の第１実施例による圧電振動ジャイロセンサを示している。圧電振動ジャイロセンサは、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、パッケージ２１の中に圧電振動ジャイロ素子２２とこれを駆動制御するＩＣチップ２３とが実装されている。パッケージ２１は、複数のセラミック薄板を積層した矩形箱型構造をなしかつその中に画定される空所の底部にＩＣチップ２３を固定したべース２４と、その上端にシールリング２５を介して気密に接合された金属製の蓋２６とを有する。

圧電振動ジャイロ素子２２は、図２に示すように、中央基部２７から図中上下両側へ延出する１対の検出用振動アーム２８ａ，２８ｂと、中央基部２７から検出用振動アームと直交して図中左右両側へ延出する１対の連結アーム２９ａ，２９ｂと、それぞれ各連結アームの先端に結合された基部３０ａ，３０ｂから、それと直交して検出用振動アームと平行に図中上下両側へ延出する左右各１対の駆動用振動アーム３１ａ，３１ｂ，１２ａ，１２ｂとを有する。また、圧電振動ジャイロ素子２２は、検出用振動アームの中心を通るＹ方向の軸線、及び連結アームの中心を通るＸ方向の軸線に関して対称に構成されている。

前記各検出用振動アーム及び駆動用振動アームには、その上下主面及び側面に検出電極及び駆動電極（図示せず）がそれぞれ形成されている。また、本実施例の圧電振動ジャイロ素子２２は、駆動側において電界効率を大幅に向上させ、ＣＩ値を低く抑制するため、及び検出側において振動をより高精度かつ確実に検出するために、各検出用振動アーム及び駆動用振動アームの上下主面にそれぞれ長手方向の溝が形成され、その内面に主面側の電極が形成されている。

中央基部２７の中央には、図３に良く示すように、大きい開口３３が設けられている。開口３３の中央には、矩形の取付支持部３４が配置されている。取付支持部３４は、その対向する上下各辺から前記検出用振動アームと平行に延長する各２本のブリッジ３５によって、中央基部２７と隣接する前記開口の内縁で一体に結合している。中央基部２７の外形、開口３３、取付支持部３４及びブリッジ３５は、同様に検出用振動アームの中心を通るＹ方向の軸線、及び連結アームの中心を通るＸ方向の軸線に関して対称に構成されている。

ブリッジ３５は、図１（Ｃ）及び図３に示すように、その幅がその長さ及び厚さよりも十分に小さい。その結果、ブリッジ３５は、圧電振動ジャイロ素子２２の主面を含む平面内において撓曲可能で、それにより中央基部２７と取付支持部３４とは前記平面内で相対的に変位可能となっている。

本実施例において、圧電振動ジャイロ素子２２は、図１（Ｃ）に示すように、取付支持部３４の下面全面を、絶縁性を有する例えばエボキシ系樹脂接着剤３６でＩＣチップ２３の上面に直接接着することにより固定される。従って、圧電振動ジャイロ素子２２は、パッケージ２１に関して前記平面内で変位可能で、従来構造のようにその動作が大きく拘束されることは無い。また、圧電振動ジャイロ素子２２をＩＣチップ２３上面に直接固定することによって、圧電振動ジャイロセンサの高さを低くすることができる。

また、取付支持部２９の上面には、駆動信号用、検出信号用及び接地用の電極パッド３７ａ〜３７ｆが設けられている。これら電極パッドは、ブリッジ３０の側面及び中央基部２７の表面に形成された配線によって前記検出電極及び駆動電極に接続されている。ＩＣチップ２３の上面には、対応する電極パッド３８が設けられており、それぞれボンディングワイヤ３９で電気的に接続されている。

本実施例の圧電振動ジャイロ素子２２は、フォトリソグラフィ技術を用いて水晶ウエハから一体に形成される。しかし、圧電振動ジャイロ素子は水晶に限定されるものでなく、例えばニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体、ほう酸リチウム、ランガサイト等、従来から知られた様々な圧電材料で形成することができる。

駆動用振動アーム３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂは、その駆動電極に所定の交流電極を印加すると、図２に矢印で示すように、その主面を含むＸＹ平面内で屈曲振動する。この状態で圧電振動ジャイロ素子２２がＸＹ平面内で即ちＺ軸周りに回転すると、各駆動用振動アームの長手方向に沿ってコリオリ力ｆが交互に左右逆向きに発生する。その作用によって、連結アーム２９ａ，２９ｂは同じくＸＹ平面内で屈曲振動し、これが中央基部２７を介して伝達されて、検出用振動アーム２８ａ，２８ｂを同じくＸＹ平面内で屈曲振動させる。検出用振動アームの屈曲振動は、その圧電材料の歪みを前記検出電極が検出して信号を発生し、これをＩＣチップ２３が処理することによって、Ｚ軸周りの前記平面内での回転及び角速度等が求められる。

図４は、動作中の圧電振動ジャイロ素子２２に発生する歪みの分布をシミュレーションした解析結果を模式的に表したものである。図中、濃いグレーの影を付した部分が、大きい歪みの発生を示している。同図から、中央基部２７は、ブリッジ３０が撓曲することによって、パッケージ２１に固定された取付支持部３４に関してＸＹ平面内で回転方向に僅かに変位すること、及びそれによって連結アーム２９ａ，２９ｂの歪みが、連結アーム及び検出用振動アーム２８ａ，２８ｂの振動の向きによって中央基部２７のいずれかの外側周縁領域を通り、対応する検出用振動アームに効率良く伝達されることを確認できた。また、圧電振動ジャイロ素子２２の振動は、ブリッジ３０の撓曲によって取付支持部３４とＩＣチップ２３との接合部、ボンディングワイヤ３９の接合部及びＩＣチップ２３に直接伝達されないから、それらの接合状態やＩＣチップ２３の動作に実質的な影響を与える虞は無い。

また、図５は、本発明による図２の圧電振動ジャイロ素子２２及び比較例として従来技術による図８の圧電振動ジャイロ素子２について、それぞれ次の５つの振動モードＡ〜Ｅで動作させた場合に得られた周波数の測定結果を示している。駆動周波数は約４３ｋＨｚである。
振動モードＡ：駆動用及び検出用振動アームが共に同相で振動。
振動モードＢ：駆動用振動アームが同相で、検出用振動アームが逆相で振動。
振動モードＣ：駆動用振動アームのみが逆相で振動。
振動モードＤ：検出用振動アームのみが逆相で振動。
振動モードＥ：連結アームが同相で振動。
特に振動モードＥにおいて、本発明による圧電振動ジャイロ素子は従来例の圧電振動ジャイロ素子に比して周波数が大きく離れている。これは、本発明ではスプリアス振動が分離していることを示している。従って、本発明による圧電振動ジャイロ素子は、スプリアス振動の結合によるＣＩ値への影響が解消され、低いＣＩ値が得られる。

圧電振動ジャイロ素子２２の中央基部２７及び取付支持部３４は、ＸＹ平面内において撓曲可能なブリッジで一体に結合され、かつそれにより両者が該ＸＹ平面内で相対的に変位可能な限り、様々な形態に構成することができる。図６（Ａ）〜（Ｅ）は、このような中央基部２７及び取付支持部３４の変形例をそれぞれ示している。図６（Ａ）は、ブリッジ３５の厚さを薄くした点において、第１実施例と異なる。図６（Ｂ）では、図６（Ａ）と同様に厚さを薄くした２本のブリッジ３５が開口３３を図中上下方向に横断するように設けられ、その中間位置に取付支持部３４が左右両側の延長部３４ａによって結合されている。図６（Ｃ）では、図６（Ｂ）と同様に厚さを薄くした２本のブリッジ３５が開口３３を図中上下方向に横断するように設けられ、その中間位置に取付支持部３４が直接結合されている。図６（Ｄ）は、円形の取付支持部３４が、ブリッジ３５の厚さを薄くした３本のブリッジ３５で結合されている。図６（Ｅ）では、開口３３を図中左右方向に横断する左右各２本のブリッジ３５で、取付支持部３４が固定されている。

図７は、本発明による圧電振動ジャイロセンサの第２実施例を概略的に示している。この第２実施例は、圧電振動ジャイロ素子２２が、図８に関連して上述した従来の圧電振動ジャイロセンサと同様に、ＩＣチップ２３の上方に配置した基板の上方に金属タブテープで水平に固定支持されている点において、第１実施例と異なる。圧電振動ジャイロ素子２２は、第１実施例と同一の構成を有するので、説明を省略する。

第２実施例において、圧電振動ジャイロ素子２２は、ポリイミド樹脂基板４０の上方に金属タブテープ４１で水平に保持されている。図７（Ｃ）に示すように、タブテープ４１は、一端がポリイミド樹脂基板４０上に接着固定され、かつ折曲されて斜め上方へ圧電振動ジャイロ素子２２の取付支持部３４に向けて延長し、他端が該取付支持部の下面と平行に折曲されている。取付支持部３４の金属膜４２を被着した下面にはバンプ４３が設けられ、これをタブテープ４１の前記他端に溶着させて、圧電振動ジャイロ素子２２を接続支持している。タブテープ４１は、例えば各検出用振動アーム２８ａ，２８ｂに沿ってその下側に各２本、及び各連結アーム２９ａ，２９ｂに沿ってその下側に各１本設けられている。ポリイミド樹脂基板４０は、べース２４内にＩＣチップ２３の上方に水平に配置固定される。取付支持部３４の上面に形成された前記各電極パッドは、ポリイミド樹脂基板４０の中央に設けられた大きな開口４４を通して、それぞれボンディングワイヤ３９でＩＣチップ２３上面の電極パッド３８と電気的に接続されている。

以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明はその技術的範囲において上記実施例に様々な変形・変更を加えて実施することができる。例えば、図６の変形例は単なる例示であって、中央基部２７と取付支持部３４とがＸＹ平面内において撓曲可能なブリッジで一体に結合され、かつそれにより両者が該ＸＹ平面内で相対的に変位可能で、連結アームの歪みが効率良く検出用振動アームに伝達される限り、中央基部２７及び開口３３の形状を含めて、様々な形態を用いることができる。

（Ａ）図は本発明による圧電振動ジャイロセンサの第１実施例を示す平面図、（Ｂ）図はその縦断面図、（Ｃ）図は圧電振動ジャイロ素子のマウント構造を示す（Ｂ）図の部分拡大図である。 図１の圧電振動ジャイロ素子の平面図である。 図２の圧電振動ジャイロ素子の中央基部を示す部分拡大平面図である。 動作中の圧電振動ジャイロ素子に生じる歪みの分布を例示する図である。 各振動モードにおける圧電振動ジャイロ素子の周波数の変化を示す線図である。 （Ａ）〜（Ｅ）図はそれぞれ圧電振動ジャイロ素子の取付支持部の異なる形態を示す部分拡大平面図である。 （Ａ）図は本発明による圧電振動ジャイロセンサの第２実施例を示す平面図、（Ｂ）図はその縦断面図、（Ｃ）図は圧電振動ジャイロ素子のマウント構造を示す（Ｂ）図の部分拡大図である。 （Ａ）図は従来技術による圧電振動ジャイロセンサを示す平面図、（Ｂ）図はその縦断面図、（Ｃ）図は圧電振動ジャイロ素子のマウント構造を示す（Ｂ）図の部分拡大図である。

符号の説明

１，２１…パッケージ、２，２２…圧電振動ジャイロ素子、３，２３…ＩＣチップ、４，２４…べース、５，２５…シールリング、６，２６…蓋、７，２７…中央基部、８ａ，８ｂ，２８ａ，２８ｂ…検出用振動アーム、９ａ，９ｂ，２９ａ，２９ｂ…連結アーム、１０ａ，１０ｂ，３０ａ，３０ｂ…基部、１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ…駆動用振動アーム、１３，４０…ポリイミド樹脂基板、１４，４１…タブテープ、１５，４２…金属膜、１６，４３…バンプ、１７，２０…電極パッド、１８，４４…開口、１９，３９…ボンディングワイヤ、３３…開口、３４…取付支持部、３４ａ…延長部、３５…ブリッジ、３６…接着剤、３７ａ〜３７ｆ，３８…電極パッド。

Claims (4)

1. 中央基部から両側へ延出し、所定平面内で屈曲振動する１対の検出用振動アームと、
   前記検出用振動アームの前記中央基部からそれと直交して両側へ延出する１対の連結アームと、
   それぞれ前記各連結アームの先端に結合された基部からそれと直交して両側へ前記検出用振動アームと平行に延出し、前記所定平面内で屈曲振動する２対の駆動用振動アームとを備え、
   前記中央基部が、その中央の設けられる開口と、前記開口内に配置されかつ前記所定平面内で撓曲可能な複数のブリッジで一体に結合された取付支持部とを有することを特徴とする圧電振動ジャイロ素子。
2. 請求項１に記載の圧電振動ジャイロ素子と、前記圧電振動ジャイロ素子を駆動・制御する半導体集積回路素子と、これらを収容するパッケージとを備えることを特徴とする圧電振動ジャイロセンサ。
3. 前記圧電振動ジャイロ素子が、その前記取付支持部を前記半導体集積回路素子の上に直接接合することによりマウントされていることを特徴とする請求項２に記載の圧電振動ジャイロセンサ。
4. 前記圧電振動ジャイロ素子が、その前記取付支持部に前記半導体集積回路素子と接続するための電極を有することを特徴とする請求項２または３に記載の圧電振動ジャイロセンサ。

Images