JP2006194681A - 角速度センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 振動体を有する角速度検出用の角速度検出素子をパッケージに支持するように実装してなる角速度センサ装置において、角速度検出素子に加わる外部振動を適切な形で十分に減衰させる。
【解決手段】 振動体２０を有する角速度検出用の角速度検出素子１００をパッケージ４００に支持するように実装してなる角速度センサ装置Ｓ１において、角速度検出素子１００とパッケージ４００とは、配線部材としてのスプリング５００を介して電気的に接続されるとともに、スプリング５００を介して角速度検出素子１００はパッケージ４００に支持されており、スプリング５００は弾性を有するものであり、このスプリング５００の弾性力によりパッケージ４００から角速度検出素子１００へ伝わる振動が減衰されるようになっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、振動体を有する角速度検出用の角速度検出素子をパッケージに支持するように実装してなる角速度センサ装置に関する。

従来より、振動体を有する角速度検出用の角速度検出素子をパッケージに接着剤を介して支持するように実装してなる角速度センサ装置が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

図５は、上記特許文献１に代表される従来の角速度センサ装置の一般的な概略断面構成を示す図である。

図５に示される角速度センサ装置においては、角速度検出素子１００は、半導体基板などの基板１０を有し、この基板１０に当該基板１０と水平な面内にて振動可能な振動体２０を形成してなる。

そして、振動体２０は、当該水平面内にて第１の方向に駆動振動し、この駆動振動のもと角速度が加わったときにコリオリ力によって該水平面内にて第１の方向と直交する第２の方向へ振動する。そして、この第２の方向への振動体２０の振動状態を検出することにより、基板と垂直な軸回りの角速度を検出することができるようになっている。

ここでは、角速度検出素子１００は、角速度検出素子１００からの信号を処理するなどの機能を有する回路基板２００上に接着剤３００を介して積層されて搭載されており、さらに、この積層体は、パッケージ４００上に接着剤３００を介して搭載され固定されている。

ここで、パッケージ４００には図示しない配線が形成されている。そして、角速度検出素子１００、回路基板２００、パッケージ４００の間は、図示しないボンディングワイヤなどにより電気的に接続されている。

このような角速度検出素子１００においては、外部からの振動の印加によって角速度の検出精度が低下してしまっては問題である。具体的には、外部振動が振動体２０の振動に重畳されると、たとえば、本来、角速度が０であるにもかかわらず、この印加された外部振動が角速度として検出されてしまう。

そこで、図５に示されるような従来の角速度センサ装置では、パッケージ４００上に角速度検出素子１００を支持するための接着剤３００を低弾性率化されたものとすることにより、パッケージ４００上の角速度検出素子１００に加わる外部振動を低減するようにしている。それにより、角速度センサ装置の防振性の向上をねらっている。
特開２００３−２８６６４号公報

しかしながら、接着剤３００を低弾性率化したとしても、それによる外部振動の低減効果には限界があり、従来のままでは、パッケージ４００からの振動が角速度検出素子１００に伝わってしまい、角速度の検出精度を低下させてしまう。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、振動体を有する角速度検出用の角速度検出素子をパッケージに支持するように実装してなる角速度センサ装置において、角速度検出素子に加わる外部振動を適切な形で十分に減衰させ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、振動体（２０）を有する角速度検出用の角速度検出素子（１００）をパッケージ（４００）に支持するように実装してなる角速度センサ装置において、角速度検出素子（１００）とパッケージ（４００）とは、配線部材（５００、５０１、５０２）を介して電気的に接続されるとともに、配線部材（５００〜５０２）を介して角速度検出素子（１００）はパッケージ（４００）に支持されており、配線部材（５００〜５０２）は弾性を有するものであり、この配線部材（５００〜５０２）の弾性力によりパッケージ（４００）から角速度検出素子（１００）へ伝わる振動が減衰されるようになっていることを特徴としている。

本発明によれば、弾性を有する配線部材（５００〜５０２）の弾性力によって、パッケージ（４００）から角速度検出素子（１００）へ伝わる振動が、減衰されるようになっているため、角速度検出素子（１００）に伝わる外部振動を、十分に減衰させることができる。

また、このような振動減衰手段が、角速度検出素子（１００）とパッケージ（４００）と電気的に接続する配線部材（５００〜５０２）を兼用しているため、部品数の削減を図ることができ、好ましい。

よって、本発明によれば、振動体（２０）を有する角速度検出用の角速度検出素子（１００）をパッケージ（４００）に支持するように実装してなる角速度センサ装置において、角速度検出素子（１００）に加わる外部振動を適切な形で十分に減衰させることができる。

ここで、請求項２に記載の発明のように、配線部材は、巻きバネ形状を有するスプリング（５００）とすることができる。

また、請求項３に記載の発明のように、配線部材は、フレキシブルプリント基板（５０１）とすることができる。

また、請求項４に記載の発明のように、配線部材は、ボンディングワイヤ（５０２）とすることができる。

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、以下の各実施形態相互において、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。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る角速度センサ装置Ｓ１の全体概略断面構成を示す図である。また、図２は、図１に示される角速度センサ装置Ｓ１における角速度検出素子１００の概略平面構成を示す図であり、同素子１００を構成する基板１０の上面からみた概略平面図である。

［構成等］
本実施形態の角速度センサ装置Ｓ１は、大きくは、図１に示されるように、角速度検出素子１００と回路基板２００とが接着剤３００を介して積層された積層体と、この積層体を収納するパッケージ４００と、この積層体をパッケージ４００に支持する配線部材５００とを備えて構成されている。

まず、角速度検出素子１００について、主として図２を参照して説明する。角速度検出素子１００は、半導体基板などの基板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形成される。

たとえば、基板１０としては、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４０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部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、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の振動体部が、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、角速度検出を行うための検出電極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、本角速度検出素子１００においては、基板１０の上面の適所に、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。

具体的には、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、図示しない金やアルミニウムなどからなるボンディングワイヤや、バンプなどが接続されるようになっている。

それにより、図１に示されるように、角速度検出素子１００は、回路基板２００に積層され、角速度検出素子１００と回路基板２００とは、上記した図示しないボンディングワイヤやバンプなどを介して接合され電気的に接続されている。

この回路基板２００は、たとえばシリコン基板等に対してＭＯＳトランジスタやバイポーラトランジスタ等が、周知の半導体プロセスを用いて形成されているもので、角速度検出素子１００へ電圧を送ったり、角速度検出素子１００からの電気信号を処理して外部へ出力する等の機能を有するものにできる。

図１に示されるように、この回路基板２００は、パッケージ４００に対して配線部材５００を介して連結され支持されている。それにより、角速度検出素子１００と回路基板２００との積層体が、配線部材５００によってパッケージ４００から吊り下げられた形となっている。

この配線部材５００は、弾性を有するものであり、この配線部材５００の弾性力によりパッケージ４００から角速度検出素子１００へ伝わる振動が減衰されるようになっている。本実施形態では、配線部材５００は、たとえば金属のワイヤなどからなり、巻きバネ形状をなすスプリング５００である。

ここで、本実施形態のパッケージ４００は、内部もしくは表面などに図示しない配線を有するものであり、特に限定するものではないが、セラミックや樹脂などからなるものにできる。

そして、図１に示されるように、回路基板２００の図示しない配線とパッケージ４００の上記配線とが、上記スプリング５００により結線され電気的に接続されている。ここで、スプリング５００と、回路基板２００およびパッケージ４００における配線との接続は、特に限定するものではないが、はんだ付け、ロウ付け、および溶接などにより行うことができる。

つまり、本実施形態の角速度センサ装置Ｓ１においては、角速度検出素子１００とパッケージ４００とは、回路基板２００を介在させてはいるが、スプリング５００を介して電気的・機械的に接続されている。

そして、角速度検出素子１００および回路基板２００と外部とは、上記スプリング５００、図示しないボンディングワイヤやバンプ、パッケージ４００の配線を介して電気的に接続されている。そして、たとえば、回路基板２００からの出力信号は、スプリング５００を介してパッケージ４００の配線から外部へ送られるようになっている。

なお、より具体的には、このパッケージ４００は、たとえばアルミナなどのセラミック層が複数積層された積層基板として構成することができる。このような積層基板は、各層の間に上記配線が形成され、スルーホールなどにより各配線が導通されているものとすることができる。

また、図示しないが、パッケージ４００の開口部には蓋（リッド）を取り付け、この蓋によってパッケージ４００の内部を不活性ガスとしての窒素ガスなどにより封止するようにしてもよい。

［製造方法等］
次に、本実施形態の角速度センサ装置Ｓ１の製造方法について、図１を参照して説明する。

まず、角速度検出素子１００を、接着剤３００を介して回路基板２００に積層し、角速度検出素子１００と回路基板２００とを接合する。また、角速度検出素子１００と回路基板２００とを上記ボンディングワイヤやバンプなどにより電気的に接続する。

そして、この回路基板２００と接合された角速度検出素子１００を、回路基板２００の部分にてスプリング５００を介してパッケージ４００に連結する。

それにより、角速度検出素子１００および回路基板２００は、スプリング５００を介してパッケージ４００に電気的に接続されるとともに、角速度検出素子１００は回路基板２００およびスプリング５００を介してパッケージ４００に支持される。こうして、上記図１に示される角速度センサ装置Ｓ１ができあがる。

なお、かかる角速度センサ装置Ｓ１の基本的な検出動作は、図１、図２を参照して述べると、次の通りである。

回路基板２００から角速度検出素子１００における駆動電極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、ｚ軸回りに角速度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、角速度Ωの大きさ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、角速度が求められる。

［効果等］
ところで、上記したような角速度センサ装置Ｓ１の作動においては、上記図２において、外部からｙ軸方向の振動が印加されると、振動体２０はｙ軸方向に変位し、検出電極６０により、角速度として検出されてしまう。よって外部からの振動に対しての防振性が必要である。

そのような問題に対して、本実施形態によれば、振動体２０を有する角速度検出用の角速度検出素子１００をパッケージ４００に支持するように実装してなる角速度センサ装置において、角速度検出素子１００とパッケージ４００とは、配線部材としてのスプリング５００を介して電気的に接続されるとともに、このスプリング５００を介して角速度検出素子１００はパッケージ４００に支持されており、スプリング５００は弾性を有するものであり、このスプリング５００の弾性力によりパッケージ４００から角速度検出素子１００へ伝わる振動が減衰されるようになっていることを特徴とする角速度センサ装置Ｓ１が提供される。

それによれば、弾性を有する配線部材としてのスプリング５００の弾性力によって、パッケージ４００から角速度検出素子１００へ伝わる振動が、減衰されるようになっているため、角速度検出素子１００に伝わる外部振動を、十分に減衰させることができる。

また、このような振動減衰手段としてのスプリング５００が、角速度検出素子１００とパッケージ４００と電気的に接続する配線部材を兼用しているため、部品数の削減を図ることができ、好ましい。

よって、本実施形態によれば、振動体２０を有する角速度検出用の角速度検出素子１００をパッケージ４００に支持するように実装してなる角速度センサ装置Ｓ１において、角速度検出素子１００に加わる外部振動を適切な形で十分に減衰させることができる。

また、本実施形態の角速度センサ装置Ｓ１では、上述したように、配線部材５００は、巻きバネ形状を有するスプリング５００としていることも特徴のひとつである。このスプリング５００のバネ特性、減衰特性を最適化することで、角速度検出素子１００に伝わる外部振動を最小限にすることができる。

（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態に係る角速度センサ装置Ｓ２の全体概略断面構成を示す図である。

本実施形態の角速度センサ装置Ｓ２も、振動体２０を有する角速度検出用の角速度検出素子１００をパッケージ４００に支持するように実装してなる角速度センサ装置において、角速度検出素子１００とパッケージ４００とは、配線部材５０１を介して電気的に接続されるとともに、この配線部材５０１を介して角速度検出素子１００はパッケージ４００に支持されており、配線部材５０１は弾性を有するものであり、この配線部材５０１の弾性力によりパッケージ４００から角速度検出素子１００へ伝わる振動が減衰されるようになっていることを特徴とすることは、上記実施形態と同様である。

ここにおいて、図３に示されるように、本実施形態の角速度センサ装置Ｓ２においては、配線部材５０１をフレキシブルプリント基板５０１としたことが、特徴点であり、上記実施形態と相違するところである。

本実施形態では、このフレキシブルプリント基板５０１によって、角速度検出素子１００と回路基板２００との積層体がパッケージ４００に吊り下げられた形となっており、角速度検出素子１００を含む積層体は、フレキシブルプリント基板５０１を介してパッケージ４０に電気的・機械的に接続されて支持されている。

フレキシブルプリント基板５０１は、周知の通りポリイミドなどの樹脂をベースとし、これに、銅箔などの導体パターンを形成してなるものである。ここで、回路基板２００の上記配線とパッケージ４００の上記配線とが、フレキシブルプリント基板５０１を介して電気的に接続されている。

フレキシブルプリント基板５０１と回路基板２００およびパッケージ４００における配線との接続は、特に限定するものではないが、はんだ付けや導電性接着剤などにより行うことができる。

このように配線部材としてフレキシブルプリント基板５０１を採用した本実施形態の角速度センサ装置Ｓ２によっても、振動減衰手段と配線部材との兼用が図れ、フレキシブルプリント基板５０１のたわみ特性を活かして、角速度検出素子１００に加わる外部振動を適切な形で十分に減衰させることができる。

（第３実施形態）
図４は、本発明の第３実施形態に係る角速度センサ装置Ｓ３の全体概略断面構成を示す図である。

本実施形態の角速度センサ装置Ｓ３も、振動体２０を有する角速度検出用の角速度検出素子１００をパッケージ４００に支持するように実装してなる角速度センサ装置において、角速度検出素子１００とパッケージ４００とは、配線部材５０２を介して電気的に接続されるとともに、この配線部材５０２を介して角速度検出素子１００はパッケージ４００に支持されており、配線部材５０２は弾性を有するものであり、この配線部材５０２の弾性力によりパッケージ４００から角速度検出素子１００へ伝わる振動が減衰されるようになっていることを特徴とすることは、上記実施形態と同様である。

ここにおいて、図４に示されるように、本実施形態の角速度センサ装置Ｓ３においては、配線部材５０２をボンディングワイヤ５０２としたことが、特徴点であり、上記実施形態と相違するところである。

本実施形態では、このボンディングワイヤ５０２によって、角速度検出素子１００と回路基板２００との積層体がパッケージ４００に吊られた形となっており、角速度検出素子１００を含む積層体は、このボンディングワイヤ５０２を介してパッケージ４０に電気的・機械的に接続されて支持されている。

このボンディングワイヤ５０２は、上記積層体を図示しない台座などで支持した状態で、角速度検出素子１００におけるパッドや回路基板２００における配線と、パッケージ４００の配線とを、通常のワイヤボンディング手法を用いて、金やアルミニウムなどのワイヤで電気的・機械的に結線することにより形成できる。

このように配線部材としてボンディングワイヤ５０２を採用した本実施形態の角速度センサ装置Ｓ３によっても、振動減衰手段と配線部材との兼用が図れ、ボンディングワイヤ５０２のたわみ特性を活かして、角速度検出素子１００に加わる外部振動を適切な形で十分に減衰させることができる。

（他の実施形態）
なお、上記した図２に示される角速度検出素子１００の構成は、本発明に適用することのできる角速度検出素子の一実施形態を示したものであり、これに限定されるものではない。

また、配線部材として上記スプリング５００やボンディングワイヤ５０２を用いた構成においては、これらスプリング５００やボンディングワイヤ５０２は、角速度検出素子１００や回路基板２００とパッケージ４００との間で、電気的・機械的な接続を行うもの以外にも、機械的接続のみを行うものを併用してもよい。

また、上記実施形態では、角速度検出素子１００は回路基板２００に積層固定され、この回路基板２００を介して配線部材５００〜５０２によってパッケージ４００に支持されていた。

それに対して、回路基板２００を省略し、角速度検出素子１００とパッケージ４００とを直接、上記配線部材５００〜５０２を介して連結するようにしてもよい。それにより、角速度検出素子１００をパッケージ４００に支持させるとともに電気的に接続をするようにしてもよい。

要するに、本発明は、振動体を有する角速度検出用の角速度検出素子をパッケージに支持するように実装してなる角速度センサ装置において、角速度検出素子とパッケージとを、弾性を有する配線部材を介して電気的・機械的に接続し、配線部材を介して角速度検出素子をパッケージに支持することにより、配線部材の弾性力によりパッケージから角速度検出素子へ伝わる振動を減衰するようにしたことを要部とするものであり、その他の部分については適宜設計変更が可能である。

本発明の第１実施形態に係る角速度センサ装置の全体概略断面図である。 図１に示される角速度センサ装置における角速度検出素子の概略平面構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る角速度センサ装置の全体概略断面図である。 本発明の第３実施形態に係る角速度センサ装置の全体概略断面図である。 従来の角速度センサ装置の一般的な概略断面図である。

符号の説明

２０…振動体、１００…角速度検出素子、２００…回路基板、４００…パッケージ、
５００…配線部材としてのスプリング、
５０１…配線部材としてのフレキシブルプリント基板、
５０２…配線部材としてのボンディングワイヤ。

Claims (4)

1. 振動体（２０）を有する角速度検出用の角速度検出素子（１００）をパッケージ（４００）に支持するように実装してなる角速度センサ装置において、
   前記角速度検出素子（１００）と前記パッケージ（４００）とは、配線部材（５００、５０１、５０２）を介して電気的に接続されるとともに、前記配線部材（５００〜５０２）を介して前記角速度検出素子（１００）は前記パッケージ（４００）に支持されており、
   前記配線部材（５００〜５０２）は弾性を有するものであり、この配線部材（５００〜５０２）の弾性力により前記パッケージ（４００）から前記角速度検出素子（１００）へ伝わる振動が減衰されるようになっていることを特徴とする角速度センサ装置。
2. 前記配線部材は、巻きバネ形状を有するスプリング（５００）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装置。
3. 前記配線部材は、フレキシブルプリント基板（５０１）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装置。
4. 前記配線部材は、ボンディングワイヤ（５０２）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装置。
   

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