JP2005221437A - 振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

【課題】 振動子の振動が回路基板に漏れて回路基板が共振したり、あるいは外部からの振動が回路基板を介して振動子に簡単に伝わったりするのを有効に抑制することができ、コリオリ力に対して高い検出感度が得られる振動ジャイロを提供する。
【解決手段】 振動子２と、振動子２の駆動検出用の回路部品３，４，５と、振動子２および回路部品３，４，５を搭載する回路基板１２とを備え、回路基板１２には、振動子２が搭載される表面と反対側の裏面に凹部２５が形成され、この凹部２５内に回路部品の一部を構成する集積回路部品５が配置されるとともに、凹部２５が集積回路部品５と共に回路基板１２よりも剛性の高い合成樹脂２６により封止されている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、例えば角速度を検出する場合に使用される振動ジャイロに関する。

近年、車両の姿勢検知、ナビゲーション装置の進行方向検知、カメラの手振れ補正、仮想現実操作などには角速度の大きさやその方向を検出するために振動ジャイロが使用されている。従来、このような振動ジャイロとして、例えば音片形の振動子を検出素子として使用したものがある（特許文献１参照）。

すなわち、この種の振動ジャイロの中には、図５（ａ）に示すように、両端開放屈曲振動をする四角柱状をした音片形の振動子２を備え、この振動子２が４つの支持部材８，９，１０，１１を介して回路基板１２の表面に搭載されているものがある。この場合の振動子２は、その厚み方向において分極方向が互いに逆になるよう２枚の圧電体１６，１７を接合したバイモルフ構造のものであり、その長手方向が回路基板１２の表面と平行になるように、ノード部付近が各支持部材８，９，１０，１１によって固定支持されている。なお、各支持部材８，９，１０，１１は振動子２を回路基板１２に電気的に接続するリード線の役目も果たしている。

また、回路基板１２の表面には、上記の振動子２や支持部材８，９，１０，１１と共に、振動子２を励振して屈曲振動させる駆動回路や、振動子２のコリオリ力による屈曲振動を検出する角速度検出回路などを構成するための複数の回路部品３，４，５が搭載されている。

このような構成において、駆動回路によって振動子２を励振すると、振動子２がその厚み方向に屈曲振動する。この状態で振動子２の長手方向を回転軸とする角速度が加わると、これに伴って生じたコリオリ力によって振動子２が幅方向に振動する。そして、この幅方向の振動の大きさに応じて振動子２に生じる出力を、リード線として働く支持部材８，９，１０，１１を介して電気的に取り出して角速度検出回路により角速度を検出する。

特開２００１−２２７９５３号公報

ところで、上記構成の振動ジャイロにおいて、振動子２が屈曲振動をする際、その振動が支持部材８〜１１を介して回路基板１２に伝搬する。すなわち、支持部材８〜１１には振動子２の接触側端部から回路基板１２の接触側端部に至るまでの途中にクッションの役割を果たすための屈曲部分が形成されているものの、振動子２の振動を十分に吸収することは難しく、振動が支持部材８〜１１を介して回路基板１２に伝搬して、図５（ｂ）に示すように、回路基板１２自身が振動子２と共振して屈曲振動することが起こる。

つまり、振動子２の振動が回路基板１２に漏れると、回路基板１２も同時に振動して振動子２の振動が不安定になり、そのためコリオリ力の検出感度が低下する。また、逆に外部からの振動が回路基板１２、支持部材８〜１１を介して振動子２に簡単に伝わることにもなるので、この点でもコリオリ力の検出精度の低下をもたらすことになる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、振動子の振動が回路基板に漏れて回路基板が共振したり、あるいは外部からの振動が回路基板を介して振動子に簡単に伝わったりするのを有効に抑制することができ、コリオリ力に対する高い検出感度が得られる振動ジャイロを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、振動子と、この振動子に対する駆動検出用の回路部品と、前記振動子および回路部品を搭載する回路基板とを備えた振動ジャイロにおいて、次の構成を採用している。

すなわち、請求項１記載の発明では、前記回路基板には、前記振動子が搭載される表面と反対側の裏面に凹部が形成され、この凹部内に前記回路部品の一部を構成する集積回路部品が配置されるとともに、前記凹部が前記集積回路部品と共に回路基板よりも剛性の高い合成樹脂により封止されていることを特徴とする。

請求項２記載の発明では、請求項１記載の発明の構成において、前記合成樹脂は、遮光性を有することを特徴とする。

請求項３記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の発明の構成において、前記回路基板の裏面側には、前記凹部と共に外部接続用のランドが形成されていることを特徴とする。

請求項４記載の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発明の構成において、前記集積回路部品はベアチップＩＣであり、このベアチップＩＣがフリップチップ実装されていることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、凹部内を封止する合成樹脂によって、回路基板単体の場合よりも剛性が高まるので、振動子の振動が回路基板に漏れて振動子と回路基板とが共振するのを抑制することができる。また、逆に外部からの振動が回路基板を介して振動子に簡単に伝わるのを抑制することができる。このため、振動子の振動が安定化してコリオリ力の検出感度が低下することを有効に防止できるとともに、外部からの振動の影響が低減されるので、コリオリ力に対する高い検出感度を得ることが可能になる。

しかも、集積回路部品を回路部品の裏面側の凹部内に実装することにより、表面側の実装面積は小さくても他の回路部品を十分に搭載できるようになる。このため、回路基板全体の寸法を小さくでき、ひいては装置の小型化が可能になる。さらに、基板の裏面側に集積回路部品が隠れるため、振動子は集積回路部品からの発熱の影響を受け難くなり、振動子の温度特性が改善される。

請求項２記載の発明によれば、合成樹脂は遮光性を有するため、凹部内に配置された集積回路部品には外光が入射しなくなり、集積回路部品が外光によって誤動作するなどの不具合発生を確実に防止することができる。

請求項３記載の発明によれば、回路基板の裏面側には凹部と共に外部接続用のランドが形成されているので、この振動ジャイロ実装用のプリント配線基板に搭載するだけで、振動ジャイロの回路基板とプリント配線基板との電気的な接続が可能になり、振動ジャイロの実装作業を容易に行うことができる。

請求項４記載の発明によれば、回路基板の凹部に設けられる集積回路部品はベアチップＩＣであり、このベアチップＩＣがフリップチップ実装されるので、ワイヤボンディングなどが不要で、集積回路部品の実装を極めて容易に行える。

図１は本発明の実施の形態における振動ジャイロの全体を示す分解斜視図、図２は振動ジャイロを構成する振動子、支持部材、および回路基板を示す分解斜視図、図３は回路基板を裏面側から見た斜視図、図４は振動ジャイロを構成する振動子、支持部材、および回路基板を一部切欠して示す側面図である。なお、図５に示した従来技術と対応する構成部分には同一の符号を付している。

この実施の形態における振動ジャイロ１は、角速度検出素子としての振動子２、この振動子２に対する駆動検出用の回路部品３，４，５、振動子２を支持する支持部材８，９，１０，１１、およびこれらを搭載する回路基板１２、およびカバー１３を備えている。

振動子２は、それぞれ厚み方向に分極された四角柱状の２つの圧電体１６，１７を備え、一方の圧電体１６の一方主表面には幅方向に２分割された駆動兼検出用の電極１８ａ，１８ｂが形成され、また、他方の圧電体１７の一方主表面には全面に電極１９が形成されており、さらに、両圧電体１６，１７の他方の主表面同士が電極２０を介して接合されてバイモルフ構造に構成されている。この場合、両圧電体１６，１７の分極方向は、接合状態において互いに厚み方向で逆になっている。

そして、この振動子２は、電極１８ａ，１８ｂに印加された駆動信号によって厚み方向に両端開放屈曲振動を行って数ＫＨｚ〜数十Ｈｚで振動する。この場合、振動子２の両端からそれぞれ振動子２の長さの約０．２２４倍の位置でかつ厚み方向の中央において幅方向に貫く２つの軸がノード軸となり、その近傍がノード部となる。また、振動子２の左右のノード軸で挟まれる長手方向中央部が屈曲振動の腹となる。

各支持部材８〜１１は、例えばＦｅ−Ｎｉ合金やりん青銅などの金属からなる導電性の板材を成形加工したもので、振動子２を支持するのと同時にリード線として作用する。すなわち、２つの支持部材８，９は、振動子２の幅方向を横切る部分が一方の圧電体１６のノード部に半田や導電性接着剤によって電極１８ａ，１８ｂと電気的に接続されており、また、その下端部が回路基板１２に電気的かつ機械的に固定されている。また、残り２つの支持部材１０，１１は、振動子２の幅方向を横切る部分が他方の圧電体１７のノード部に半田や導電性接着剤によって電極１９と電気的に接続されており、また、その下端部が回路基板１２に電気的かつ機械的に固定されている。これにより、振動子２全体が回路基板１２の表面に対して平行に支持されている。また、各支持部材８〜１１は下端部に至るまでの途中が屈曲形成されており、これによって振動子２で生じる振動が回路基板１２に伝わるのを途中で吸収するクッションの役割を果たしている。

回路基板１２は、例えば絶縁性のガラスエポキシ樹脂やセラミックなどでできており、その表面には上記の各支持部材８〜１１の下端を固定するランド部２２が形成されるとともに、所定の箇所に積層チップコンデンサやチップ抵抗などの個別チップ部品３，４が半田や導電性接着剤などを介して固定されている。また、回路基板１２の裏面には、その周縁の上下左右の４箇所に振動ジャイロ１を実装するプリント配線基板２３と電気的に接続するためのランド２４が形成されるとともに、各ランド２４よりもさらに内側の略中央部には、平面視長方形の凹部２５が形成されている。そして、この凹部２５内に能動素子などが集積された集積回路部品としてのベアチップＩＣ５がＡｕバンプ等によりフリップチップ実装されている。そして、上記の個別チップ部品３，４やベアチップＩＣ５などの回路部品によって、振動子２を励振して屈曲振動させる駆動回路や、振動子２のコリオリ力による屈曲振動を検出する角速度検出回路などが構成されている。

しかも、この実施の形態では、ベアチップＩＣ５が取り付けられた凹部２５内には回路基板１２よりも剛性の高い、例えばガラスエポキシ樹脂などの合成樹脂２６が充填されることにより凹部２５内が封止されている。この場合の合成樹脂２６は、遮光性の顔料等を含漬させることにより、ベアチップＩＣ５に対して外光が入射しないようにしている。合成樹脂２６に含漬させる顔料としては、例えば濃い色、できれば黒色であることが望ましい。なお、ここでは凹部２５にベアチップＩＣ５を実装しているが、パッケージ化されたＩＣを搭載することも可能である。

上記構成を有する振動ジャイロ１において、振動子２が駆動信号によって励振されると、これに応じて振動子２がその厚み方向に屈曲振動する。この状態で振動子２の長手方向を回転軸とする角速度が加わると、これに伴って生じたコリオリ力によって振動子２が幅方向に振動する。そして、この幅方向の振動の大きさに応じて振動子２に生じる出力が支持部材８，９から回路基板１２の配線を介してベアチップＩＣ５等に入力されることより角速度が検出される。

上述のように振動子２が厚み方向あるいは幅方形に振動すると、その振動は支持部材８〜１１によって大部分が吸収されるものの、その一部は回路基板１２に伝搬する。しかし、回路基板１２は、凹部２５内に充填された合成樹脂２６によって、回路基板１２単体の場合よりも剛性が高められているので、振動子２の振動に伴って回路基板１２が共振するのが抑制される。このことは、逆に外部からの振動が回路基板１２を介して振動子２に伝わることも抑制される。その結果、振動子２の振動が安定化してコリオリ力の検出感度が低下するのを防止できるともに、外部からの振動の影響が低減されるので、コリオリ力に対する高い検出感度を得ることが可能になる。

また、回路部品の一部であるベアチップＩＣ５を回路基板１２の裏面側の凹部２５内に実装することにより、回路基板１２の表面側の実装面積は小さくても他の回路部品３，４を十分に搭載できるようになる。その結果として、回路基板１２全体の寸法を小さくでき、ひいては装置の小型化が可能になる。さらに、回路基板１２の裏面側にベアチップＩＣ５が隠れるため、振動子２はこのベアチップＩＣ５からの発熱の影響を受け難くなり、振動子２の温度特性が改善される。

しかも、従来の場合、個別チップ部品３，４やベアチップＩＣ５などの回路部品は回路基板１２の同じ表面側に搭載される構成なので、半田ペースト等を印刷してからでないとこれらの各部品３，４，５を搭載できないが、そうすると、半田やフラックスの飛散によりベアチップＩＣ５を実装するためのフリップチップ用のランド面が汚染されてベアチップＩＣ５との接合強度が劣化する恐れがある。

これに対して、この実施の形態では、個別チップ部品３，４を実装する側とベアチップＩＣ５を実装する側とは回路基板１２の表裏に分離されているので、凹部２５内の図示しないフリップチップランド面が清浄な状態で先にベアチップＩＣ５をフリップチップ実装し、その後、回路基板１２の表面側に半田ペーストを印刷して個別チップ部品３，４を搭載することが可能となる。このため、フリップチップ実装されるベアチップＩＣ５の接合強度が劣化するなどの問題が起こらない。また、ベアチップＩＣ５を他の回路部品よりも先に回路基板１２に実装できるので、ベアチップＩＣ５の性能チェックを事前に行うことができ、ゲイン等の調整が容易になる。

また、この実施の形態では、凹部２５に充填される合成樹脂２６は、遮光性を有するので、外部から光が照射されても、フリップチップ実装されているベアチップＩＣ５に光が到達して起電力が発生することで誤動作するなどの問題が生じるのを確実に防止することができる。

さらに、この実施の形態では、回路基板１２の裏面側には外部接続用のランド２４が形成されているので、この振動ジャイロ１をプリント配線基板２３に搭載するだけで、振動ジャイロ１の回路基板１２とプリント配線基板２３との電気的な接続が可能になり、振動ジャイロ１の実装作業を容易に行うことができる。

上記の実施の形態では、回路基板１２に両端開放屈曲振動を行う音片形の振動子２を搭載する場合を例にとって説明したが、本発明はこのような音片形の振動子２に限らず、音叉形やカスケード形の振動子を回路基板１２に搭載する場合についても適用することが可能である。

本発明の実施の形態における振動ジャイロの全体を示す分解斜視図である。 振動ジャイロを構成する振動子、支持部材、および回路基板を示す分解斜視図である。 回路基板を裏面側から見た斜視図である。 振動ジャイロを構成する振動子、支持部材、および回路基板を一部切欠して示す側面図である。 振動ジャイロの振動子および回路基板の屈曲状態を示す側面図である。

符号の説明

１ 振動ジャイロ
２ 振動子
３，４ 個別チップ部品（回路部品）
５ ベアチップＩＣ（集積回路部品）
１２ 回路基板
２４ ランド
２５ 凹部
２６ 合成樹脂

Claims (4)

1. 振動子と、この振動子に対する駆動検出用の回路部品と、前記振動子および回路部品を搭載する回路基板とを備えた振動ジャイロにおいて、
   前記回路基板には、前記振動子が搭載される表面と反対側の裏面に凹部が形成され、この凹部内に前記回路部品の一部を構成する集積回路部品が配置されるとともに、前記凹部が前記集積回路部品と共に回路基板よりも剛性の高い合成樹脂により封止されていることを特徴とする振動ジャイロ。
2. 前記合成樹脂は、遮光性を有することを特徴とする請求項１記載の振動ジャイロ。
3. 前記回路基板の裏面側には、前記凹部と共に外部接続用のランドが形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動ジャイロ。
4. 前記集積回路部品はベアチップＩＣであり、このベアチップＩＣがフリップチップ実装されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の振動ジャイロ。
   

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