JP2006090737A - 角速度センサの実装構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 振動型の角速度センサの実装構造において、角速度の検出軸が水平面と平行な場合であっても、振動子の駆動振動を極力安定化する。
【解決手段】 振動子２０をｘ方向へ駆動振動させ、この駆動振動のもと角速度Ωが印加されたときにｘ方向と直交するｙ方向への振動子２０の振動に基づいて角速度Ωを検出するようにした角速度センサ１００を、基材である実装基板２００に実装してなる実装構造において、角速度の回転軸であってｘ方向およびｙ方向と直交する検出軸ｚは、水平面であるｘｚ平面と平行であり、振動子２０が駆動振動するｘ方向は、水平面であるｘｚ平面と平行であって且つ検出軸ｚと直交する方向となっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、振動子を駆動振動させ、角速度が印加されたときに該駆動振動方向と直交する方向への振動子の振動に基づいて角速度を検出するようにした振動型の角速度センサを、基材に実装してなる角速度センサの実装構造に関する。

この種の振動型の角速度センサとしては、一般に、ＭＥＭＳ（マイクロエレクトロメカニカルシステム）ジャイロが知られている。

このものは、半導体基板などからなる基部と、この基部に連結された振動子と、この振動子を第１の方向へ駆動振動させるための加振手段と、振動子の駆動振動のもと角速度が印加されたときに第１の方向と直交する第２の方向への振動子の振動に基づいて角速度を検出する検出手段とを備えて構成されるのが、一般的である。

このような振動型の角速度センサは、たとえばＶＳＣやナビゲーションなどのシステムにおけるヨーレート検出を行うためのヨーレートセンサとして用いられ、基材としてたとえばＥＣＵの実装基板などに実装された状態で車両に搭載される。

そして、この場合、角速度センサは、角速度の回転軸である検出軸が車両の上下方向すなわち鉛直（天地）方向になるように実装される。図４は、このような角速度センサ１００の実装状態を模式的に示す図である。なお、図４では基材は省略してある。

このセンサ１００には、２個の振動子２０が設けられており、各振動子２０は、第１の方向であるｘ方向に駆動振動するとともに、角速度Ωが印加されたときにコリオリ力によって第２の方向であるｙ方向に検出振動する。

ここで、ｘｙ平面が水平面であり、角速度Ωの検出軸ｚは、車両の上下方向すなわち鉛直（天地）方向である。そして、振動子２０の検出振動に基づいて、たとえば静電容量式の検出方法により角速度検出が行われる。

このような角速度センサにおいて、振動子２０の駆動振動は、車両上下振動の方向（図４中の矢印Ｙ１）あるいは重力加速度の方向（図４中の矢印Ｙ２）に対し、鉛直方向をなすため、その影響は少ない。

しかしながら、この角速度センサを、ヨーレート以外、たとえば車両前後方向軸回りの角速度すなわちロールレートや、車両左右方向軸回りの角速度すなわちピッチレートを検出するために用いる場合には、角速度の検出軸が水平面と平行になるように実装することになる。

すると、角速度センサにおいては、振動子の駆動振動の方向により、当該駆動振動に対して上記した車両上下振動や重力加速度の影響が懸念される。つまり、駆動振動方向において、上記車両上下振動や重力加速度が振動子に対して加わると、駆動振動の振動状態が不均一になる。

本来、振動型の角速度センサにおいては、振動子の駆動振動をいかに安定させるかが重要であり、この駆動振動の状態変化により振動の漏れが生じたり、駆動振動の電気的な回り込みが検出信号に重畳されたりして、センサ出力の精度が悪化することになる。

本発明は、上記したような問題に鑑みてなされたものであり、振動型の角速度センサの実装構造において、角速度の検出軸が水平面と平行な場合であっても、振動子の駆動振動を極力安定化することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、振動子（２０）を第１の方向（ｘ）へ駆動振動させ、この駆動振動のもと角速度が印加されたときに第１の方向（ｘ）と直交する第２の方向（ｙ）への振動子（２０）の振動に基づいて角速度を検出するようにした角速度センサ（１００）を、基材（２００）に実装する実装構造において、角速度の回転軸であって第１の方向（ｘ）および第２の方向（ｙ）と直交する検出軸（ｚ）は、水平面と平行であり、振動子（２０）が駆動振動する第１の方向（ｘ）は、水平面と平行であって且つ検出軸（ｚ）と直交する方向であることを特徴としている。

それによれば、振動子（２０）の駆動振動の方向は、車両等の上下振動や重力加速度の方向とは直交する方向となるため、当該駆動振動に対する車両等の上下振動や重力加速度の影響は極力少なくすることができる。

したがって、本発明によれば、振動型の角速度センサの実装構造において、角速度の検出軸（ｚ）が水平面と平行な場合であっても、振動子（２０）の駆動振動を極力安定化することができる。

ここで、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の角速度センサの実装構造において、角速度センサ（１００）は基材（２００）とともに車両に搭載されるものであることを特徴としている。

また、請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の角速度センサの実装構造において、検出軸（ｚ）は、車両の前後方向に沿って延びる軸であることを特徴としている。それによれば、車両のロールレートを検出することのできる角速度センサの実装構造が提供される。

また、請求項４に記載の発明では、請求項２に記載の角速度センサの実装構造において、検出軸（ｚ）は、車両の左右方向に沿って延びる軸であることを特徴としている。それによれば、車両のピッチレートを検出することのできる角速度センサの実装構造が提供される。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各図相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

図１は、本発明の実施形態に係る角速度センサ１００の実装基板（基材）２００への実装構造の概略構成を示す斜視図である。また、図２は、図１に示される角速度センサ１００の概略平面構成を示す図であり、同センサ１００を構成する基板１０の上面からみた概略平面図である。

本実施形態では、角速度センサ１００は、車両に搭載され、車両前後方向軸回りの角速度すなわちロールレートを検出するセンサとして実装基板２００に実装されている。

つまり、図１において、角速度Ωの検出軸ｚは、車両前後方向に沿って延びる軸であり、振動子２０の駆動振動方向は、車両左右方向に沿って延びるｘ方向であり、振動子２０の検出振動方向は、車両上下方向すなわち重力加速度方向に沿って延びるｙ方向である。さらに言うならば、ｘｚ平面が水平面であり、ｙ方向はこのｘｚ平面と垂直な鉛直方向である。

角速度センサ１００は、半導体基板などからなる基板１０を有し、この基板１０に対して周知のマイクロマシン加工を施すことにより、振動子２０を形成してなるものである。ここでは、振動子２０は２個形成されている。

また、基材としての実装基板２００は、車両のＥＣＵの回路基板などからなる。そして、角速度センサ１００は、その基板１０を実装基板２００に接着することなどにより、当該実装基板２００に搭載され固定されている。なお、角速度センサ１００は、たとえば図示しないもう一つの回路基板に積層された状態で、実装基板２００に搭載されていてもよい。

まず、角速度センサ１００について、主として図２を参照して説明する。なお、本例では、上記図１に示したように、角速度センサ１００は、駆動振動方向であるｘ方向に沿って互いに同じ構成を有する２個の振動子２０が配置されているものであるが、重複を避けるために、図２では、そのうちの一方の振動子２０の部分を示してある。

この角速度センサ１００を構成する基板１０としては、たとえば、第１の半導体層としての第１シリコン層上に絶縁層としての酸化膜を介して第２の半導体層としての第２シリコン層を貼り合わせてなる矩形状のＳＯＩ（シリコン−オン−インシュレータ）基板を採用することができる。

そして、この基板１０の表層、たとえばＳＯＩ基板における第２シリコン層に対して、トレンチエッチングおよびリリースエッチングなどを施すことにより、図２に示されるように、溝で区画された梁構造体２０〜６０が形成されている。

この梁構造体２０〜６０は、大きくは、振動体２０と各梁部２３、４０と各電極５０、６０とから構成されている。

振動体２０は、基板１０と水平な面内すなわち図２中の紙面内にて振動可能なように基板１０の中央部に形成されている。本例では、振動体２０は、中央部に位置する略矩形状の第１の振動部２１と、この第１の振動部２１の外周に位置する矩形枠状の第２の振動部２２と、これら第１および第２の振動部２１、２２を連結する駆動梁部２３とから構成されている。

この振動体２０は、基板１０の周辺部に設けられたアンカー部３０に対して検出梁部４０を介して連結されている。

ここで、アンカー部３０は、基板１０のうち当該梁構造体２０が形成されている表層の下に位置する部分すなわち支持基板部に固定され支持されているものであり、振動体２０は、アンカー部３０に連結された状態で当該支持基板部から浮遊している。

ここで、図２に示されるように、駆動梁部２３は、たとえばｙ方向に延びる形状をなすものとすることで実質的に第１の方向としてのｘ方向のみに弾性変形可能なものであり、検出梁部４０は、たとえばｘ方向に延びる形状をなすものとすることで実質的に第２の方向としてのｙ方向のみに弾性変形可能なものである。

そして、駆動梁２３によって振動体２０のうち第１の振動部２１が、基板１０と水平面内においてｘ方向（駆動振動方向）へ振動可能となっている。一方、検出梁部４０によって振動体２０全体が、基板１０と水平面内においてｙ方向（検出振動方向）へ振動可能となっている。

また、第１の振動部２１と第２の振動部２２との間には、第１の振動部２１をｘ方向に駆動振動させるための駆動電極５０が設けられている。

この駆動電極５０は、アンカー部３０と同様に上記支持基板部に固定されている。そして、駆動電極５０は、第１の振動部２１から突出する櫛歯部（駆動用櫛歯部）２１ａに対し、互いの櫛歯が噛み合うように対向して配置されている。

また、第２の振動部２２の外周には、角速度検出用の電極として検出電極６０が設けられている。

この検出電極６０は、振動体２０の振動に基づいて基板１０と垂直なｚ軸回りの角速度を検出するためのもので、アンカー部３０と同様に上記支持基板部に固定されている。そして、検出電極６０は、第２の振動部２２から突出する櫛歯部（検出用櫛歯部）２２ａに対し、互いの櫛歯が噛み合うように対向して配置されている。

また、本角速度センサ１００においては、基板１０の適所に、上記振動体２０、駆動電極５０および検出電極６０などに電圧を印加したり、信号を取り出したりするための図示しないパッドが設けられている。

たとえば、このパッドは基板１０の周辺部に設けられており、そして、このパッドには、Ａｕ（金）やＡｌ（アルミニウム）などの図示しないボンディングワイヤが接続されるようになっている。それにより、角速度センサ１００と実装基板２００とが当該ボンディングワイヤなどを介して電気的に接続されるようになっている。

かかる角速度センサ１００においては、実装基板２００などから駆動電極５０に駆動信号（正弦波電圧等）を印加して、上記第１の振動部２１の櫛歯部２１ａと駆動電極５０との間に静電気力を発生させる。それにより、駆動梁部２３の弾性力によって第１の振動部２１がｘ方向へ駆動振動する。

この第１の振動部２１の駆動振動のもと、検出軸であるｚ軸回りにロールレートである角速度Ωが印加されると、第１の振動部２１にはｙ方向にコリオリ力が印加され、振動体２０全体が、検出梁４０の弾性力によってｙ方向へ検出振動する。

すると、この検出振動によって、検出電極６０と検出用櫛歯部２２ａの櫛歯間の容量が変化するため、この容量変化を検出することにより、ｚ軸回りの角速度Ωの大きさすなわち車両のロールレートを求めることができる。

具体的には、図２において、振動体２０がｙ軸方向に沿って一方向へ変位したとき、図２における左右の検出電極６０において、左側の検出電極６０と右側の検出電極６０とでは、容量変化は互いに逆になるようになっている。そのため、左右の検出電極６０におけるそれぞれの容量変化を電圧に変換し、両電圧値を差動・増幅して出力することで、ロールレートとしての角速度Ωが求められる。

なお、上述したように、本実施形態では、角速度センサ１００は、同構成の２個の振動子２０を有する。つまり、図２に示される構成を有する梁構造体２０〜６０を、基板１０において駆動振動方向であるｘ方向に沿って２個形成してなるものが、本実施形態の角速度センサ１００である。

この場合、２個の振動子２０は互いに逆相にて駆動振動を行う。そして、２個の振動子２０から出力される出力信号の差動を採るなどにより、ｘ方向に発生する加速度成分をキャンセルすることができ、角速度センサ１００としては、当該加速度成分を含まない精度のよい角速度検出が可能になっている。もちろん、角速度センサ１００においては、振動子２０は１個であってもよい。

このように、本実施形態においては、振動子２０をｘ方向へ駆動振動させ、この駆動振動のもと角速度Ωが印加されたときにｘ方向と直交するｙ方向への振動子２０の振動（検出振動）に基づいて角速度Ωを検出するようにした角速度センサ１００を、基材である実装基板２００に実装してなる実装構造が提供される。

そして、図１に示されるように、本実施形態独自の構成として、このような角速度センサの実装構造において、角速度の回転軸であってｘ方向およびｙ方向と直交する検出軸ｚは、水平面であるｘｚ平面と平行である。つまり、角速度Ωの検出軸ｚは、鉛直面であるｘｙ平面と直交する軸となっている。

さらに、図１に示されるように、本実施形態独自の構成として、振動子２０が駆動振動するｘ方向は、水平面であるｘｚ平面と平行であって且つ検出軸ｚと直交する方向となっている。

このような独自の構成を有する本実施形態の角速度センサの実装構造によれば、振動子２０の駆動振動の方向ｘは、図１に示されるように、車両の上下振動の方向Ｙ１や重力加速度の方向Ｙ２とは直交する方向となる。そのため、当該駆動振動に対する車両の上下振動や重力加速度の影響は極力少なくすることができる。

したがって、本実施形態によれば、振動型の角速度センサ１００の実装構造において、角速度の検出軸ｚが水平面と平行な場合であっても、振動子２０の駆動振動を極力安定化することができる。

ちなみに、図３は、比較例としての角速度センサ１００の実装構造を示す概略斜視図である。

この場合は、振動子２０の駆動振動方向であるｘ方向が、車両の上下振動の方向Ｙ１あるいは重力加速度方向Ｙ２に一致することになり、振動子２０の駆動振動にアンバランスが生じる。つまり、振動子２０が上向きに変位するときと下向きに変位するときでは、車両の上下振動あるいは重力加速度の影響により、振動子２０の変位が対称的な変位にならない。

その点、上述したように、本実施形態の実装構造によれば、振動子２０の駆動振動方向であるｘ方向は、車両等の上下振動や重力加速度の方向Ｙ１、Ｙ２とは直交する方向となるため、当該駆動振動に対する車両等の上下振動や重力加速度の影響は極力少なくすることができ、角速度の検出軸ｚが水平面と平行な場合であっても、振動子２０の駆動振動を極力安定化することができる。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、角速度の検出軸ｚは、車両の前後方向に沿って延びる軸であり、ロールレートを検出する角速度センサ１００として適用されたものであった。

ここにおいて、図示しないが、角速度の検出軸ｚは、車両の左右方向に沿って延びる軸であってもよい。すなわち、本発明の実装構造は、角速度センサとしてピッチレートを検出するものに適用できることは言うまでもない。

また、基材としては、上記実装基板２００でなくてもよい。また、上記実施形態では、角速度センサ１００は基材である実装基板２００とともに車両に搭載されるものであったが、車両に搭載されないものであっても、本発明の実装構造が適用可能であることは言うまでもない。

要するに、本発明は、振動子を第１の方向へ駆動振動させ、この駆動振動のもと角速度が印加されたときに第１の方向と直交する第２の方向への振動子の振動に基づいて角速度を検出するようにした角速度センサを、基材に実装する実装構造において、角速度の回転軸であって第１の方向および第２の方向と直交する検出軸は、水平面と平行であり、振動子が駆動振動する第１の方向は、水平面と平行であって且つ検出軸と直交する方向であることを主たる特徴とするものであり、細部については適宜設計変更が可能である。

本発明の実施形態に係る角速度センサの実装基板への実装構造の概略構成を示す斜視図である。 図１に示される角速度センサの概略平面構成を示す図である。 比較例としての角速度センサの実装構造を示す概略斜視図である。 従来の振動型の角速度センサの実装状態を模式的に示す図である。

符号の説明

１０…基板、２０…振動子、１００…角速度センサ、
２００…基材としての実装基板、ｘ…第１の方向としての駆動振動方向、
ｙ…第２の方向としての検出振動方向、ｚ…検出軸、
Ｙ１…車両の上下振動の方向、Ｙ２…重力加速度方向。

Claims (4)

1. 振動子（２０）を第１の方向（ｘ）へ駆動振動させ、この駆動振動のもと角速度が印加されたときに前記第１の方向（ｘ）と直交する第２の方向（ｙ）への前記振動子（２０）の振動に基づいて前記角速度を検出するようにした角速度センサ（１００）を、基材（２００）に実装する実装構造において、
   前記角速度の回転軸であって前記第１の方向（ｘ）および前記第２の方向（ｙ）と直交する検出軸（ｚ）は、水平面と平行であり、
   前記振動子（２０）が駆動振動する前記第１の方向（ｘ）は、水平面と平行であって且つ前記検出軸（ｚ）と直交する方向であることを特徴とする角速度センサの実装構造。
2. 前記角速度センサ（１００）は前記基材（２００）とともに車両に搭載されるものであることを特徴とする請求項１に記載の角速度センサの実装構造。
3. 前記検出軸（ｚ）は、前記車両の前後方向に沿って延びる軸であることを特徴とする請求項２に記載の角速度センサの実装構造。
4. 前記検出軸（ｚ）は、前記車両の左右方向に沿って延びる軸であることを特徴とする請求項２に記載の角速度センサの実装構造。
   

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