JP2009150677A - 振動ジャイロ - Google Patents

Abstract

【課題】検出信号の０点温度ドリフトを低減し、精度の優れた振動ジャイロを提供する。
【解決手段】基部２から延びる検出腕３Ａ，３Ｂ、駆動腕４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ、連結腕１２Ａ，１２Ｂを有するジャイロ素子１と、ジャイロ素子１の基部２に接続される複数のリード５５と、リード５５を保持し固定される平面部５３とを有する支持基板５０と、支持基板５０の平面部５３が載置され固定される固定基板としてのセラミックパッケージ２０と、を備え、セラミックパッケージ２０と支持基板５０の平面部５３の間にエポキシ系導電性接着剤４０と、シリコーン系導電性接着剤４１が配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、角速度の検出を行なう振動ジャイロに関する。

カーナビゲーションシステムなどにおいて、振動ジャイロにて検出した角速度を利用して、車体の進行方向を判断している。
振動ジャイロには様々な形態のものが利用されており、例えば特許文献１には、ジャイロ素子（振動子）がリード（ボンディングワイヤ）によって基板に接触しない状態で支持された振動ジャイロが開示されている。
このような振動ジャイロでは、一定の周期で振動するジャイロ素子に回転角速度が加わった際に、その振動と直角方向にコリオリ力が生ずる。このコリオリ力によってジャイロ素子に振動が励起され、発生した電気信号を検出することで回転角速度を検出している。

特開２００３−２９４４５０号公報

しかしながら、上記のような構造の振動ジャイロでは、ジャイロ素子が常時振動をしていることから、ジャイロ素子の振動における高調波成分（基本波周波数以外に低次周波数、高次周波数）とジャイロ素子を支持するリードの共振周波数とが一致することがある。
この場合、静止時（回転角速度が加わらない時）の出力電圧に変化が生ずる、いわゆる０点温度ドリフトという現象が観測される。つまり、ジャイロ素子の出力電圧にリードの共振による影響が加わることになる。このことから、振動ジャイロをカーナビゲーションシステムに採用した場合、正確な角速度の検出ができず、車体の進行方向に誤差を生ずるという課題がある。

本発明は上記課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例にかかる振動ジャイロは、基部と、該基部から延びる振動腕とを有するジャイロ素子と、前記ジャイロ素子の基部に接続される複数のリードと、該リードを保持する平面部とを有する支持基板と、前記支持基板の平面部が載置され固定される固定基板と、を備え、前記固定基板と前記支持基板の平面部との間にエポキシ系導電性接着剤またはポリイミド系導電性接着剤と、シリコーン系接着剤が配置されたことを特徴とする。

この構成によれば、エポキシ系導電性接着剤またはポリイミド系導電性接着剤にて、リードに接続される端子と電気的な導通が図られ、シリコーン系接着剤にてジャイロ素子が駆動振動している際のリードの共振を吸収できる構造となっている。
つまり、電気的な導通の信頼性の高いエポキシ系導電性接着剤またはポリイミド系導電性接着剤が主たる電気的接続に用いられ、弾性のあるシリコーン系接着剤にてリードの共振および固定基板の振動を吸収する緩衝材として用いられる。
このことから、支持基板のリードの共振を抑制し、振動ジャイロの０点温度ドリフトを減少させることができる。

［適用例２］上記適用例にかかる振動ジャイロにおいて、前記シリコーン系接着剤の配置は前記支持基板の前記リードに近い位置に配置されていることが望ましい。

この構成によれば、支持基板のリードに近い位置にシリコーン系接着剤が配置されている。特にリードの付け根は共振振動の節にあたり、この部分にシリコーン系接着剤を配置することで、リードの共振を効率よくシリコーン系接着剤で吸収できる。このことから、支持基板のリードの共振を抑制し、振動ジャイロの０点温度ドリフトを減少させることができる。

［適用例３］上記適用例にかかる振動ジャイロにおいて、前記シリコーン系接着剤が導電性の接着剤であることが望ましい。

この構成によれば、エポキシ系導電性接着剤またはポリイミド系導電性接着剤とシリコーン系接着剤にてリードに接続される端子と電気的な導通が図られることから、導通を確実にし、かつ弾性のあるシリコーン系接着剤でリードの共振を抑制することができる。

［適用例４］上記適用例にかかる振動ジャイロにおいて、前記シリコーン系接着剤が非導電性の接着剤であることが望ましい。

この構成によれば、シリコーン系接着剤が非導電性の接着剤であることから、各リードに接続される接続端子間のショートを防止でき、接続端子を横断してシリコーン系接着剤を塗布することができる。このことから、シリコーン系接着剤の塗布量を多くすることができ、支持基板と固定基板の接着強度を向上させ柔軟に支持基板を保持させることが可能である。

［適用例５］上記適用例にかかる振動ジャイロにおいて、前記ジャイロ素子がＷＴ型のジャイロ素子であることが望ましい。

この構成によれば、ジャイロ素子がＷＴ型のジャイロ素子であることから、角速度の検出感度が良好で、小型化された振動ジャイロを提供できる。

以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。
（実施形態）

図１は振動ジャイロの構成を示す説明図であり、図１（ａ）は概略平面図、図１（ｂ）は同図（ａ）のＥ−Ｅ断線に沿う概略断面図である。なお、図１（ａ）は、説明のために蓋体を省略して示している。

振動ジャイロ６０は、ジャイロ素子１と、ジャイロ素子１を支持する支持基板５０と、支持基板５０を固定する固定基板としてのセラミックパッケージ２０と、ＩＣチップ３０と、セラミックパッケージ２０内を気密に封止する蓋体２８とを備えている。
セラミックパッケージ２０は、セラミックシートが積層されて凹部が形成され、その底部のダイパッド２１にＩＣチップ３０がダイアタッチされている。ＩＣチップ３０のＩＣパッドとセラミックパッケージ２０のボンディングパッド２５とは金線などの金属ワイヤ３２にて接続されている。なお、ＩＣチップ３０には、ジャイロ素子１を励振させる発振回路、角速度を検出する検出回路などが含まれている。

また、セラミックパッケージ２０における凹部の中間には棚部２６が形成され、その面に接続端子２２が形成されている。棚部２６には、支持基板５０が接着固定されている。この接着固定にはエポキシ系導電性接着剤４０とシリコーン系導電性接着剤４１が用いられている。なお、セラミックパッケージ２０の外周部には外部接続端子２３が形成され、接続端子２２、ボンディングパッド２５の一部と導通する構成となっている。
支持基板５０にはリード５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄ，５５ｅ，５５ｆ（以下総称してリード５５と記すこともある）が設けられ、この一部が折り曲げられている。そして、リード５５の先端とジャイロ素子１の基部に形成された電極パッド１５に接合され、ジャイロ素子１が他と接触しないように空中に支持されている。
セラミックパッケージ２０の凹部周囲にはシームリング２４が固着され、シームリング２４に蓋体２８をシーム溶接することで、セラミックパッケージ２０内が気密に封止されている。

以下、本実施形態のジャイロ素子１と支持基板５０について詳しく説明する。
図１に示すように、ジャイロ素子１は、水晶などの圧電材料で形成され、基部２から延出する振動腕を有している。基部２から両側に検出腕３Ａ，３Ｂが延出され、その各先端部には重量部６Ａ，６Ｂが形成されている。また、基部２から検出腕３Ａ，３Ｂに直交する方向に連結腕１２Ａ，１２Ｂが延出され、その各先端部には検出腕３Ａ，３Ｂに平行な駆動腕４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄが形成されている。さらに、駆動腕４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄの先端部には重量部５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄが形成されている。このような形状のジャイロ素子１はＷＴ型のジャイロ素子と呼ばれ、角速度の検出感度の高く小型化が可能なジャイロ素子として知られている。
なお、駆動腕４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄおよび検出腕３Ａ，３Ｂには電極（図示せず）が形成され、それぞれの電極は基部２の電極パッド１５に接続されている。

このジャイロ素子１は、常時の振動モードである駆動モードと、角速度が加わったときの振動モードである検出モードの振動とを励起できるように構成されている。
図２はジャイロ素子の振動モードを説明する模式図であり、図２（ａ）は駆動モードの説明図、図２（ｂ）は検出モードの説明図である。
図２（ａ）に示すように、ジャイロ素子１の駆動モードでは、駆動腕４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄが連結腕１２Ａ，１２Ｂの先端部を中心に矢印Ａ方向に屈曲振動する。この状態でジャイロ素子１にＺ軸回りの回転角速度ωが加わると、図２（ｂ）に示すように、連結腕１２Ａ，１２Ｂが基部２の付け根を中心として矢印Ｂ方向に屈曲振動する。そして、検出腕３Ａ，３Ｂが、それぞれ、その反作用によって基部２の付け根を中心として、矢印Ｃ方向に屈曲振動する。この屈曲振動によって検出腕３Ａ，３Ｂに発生した電気信号を用いて、Ｚ軸回りの回転角速度を算出する。

次に支持基板５０について詳しく説明する。
図３は支持基板の構成を示す平面図である。支持基板５０は、ＴＡＢ（Tape Automated Bonding）実装用の基板を用いている。支持基板５０は、ポリイミドフィルムなどの基材５１に銅箔などの金属箔が接着剤で張り合わされた基板から、金属箔をエッチングして導体パターンが形成されている。基材５１の中央部には開口部５２が形成され、この開口部５２には導体パターンであるリード５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄ，５５ｅ，５５ｆが延び出している。各リード５５はその一部において折り曲げられ、リード５５の先端が基材５１から離れた場所に位置している。また、各リード５５は平面部５３において端子５７ａ，５７ｂ，５７ｃ，５７ｄ，５７ｅ，５７ｆに接続されている。そして、端子５７ａ，５７ｂ，５７ｃ，５７ｄ，５７ｅ，５７ｆは、セラミックパッケージの接続端子に対応する位置に配置されている。

次に、本実施形態の振動ジャイロの製造手順について説明する。
図４はセラミックパッケージにＩＣチップを実装した状態を示す平面図である。図５は支持基板を固定するための接着剤の塗布位置を示す説明図であり、図５（ａ）はセラミックパッケージにおける接着剤塗布位置を示す平面図、図５（ｂ）は接着剤塗布位置に対応する支持基板における接着位置を示す平面図である。
まず、図４に示すように、セラミックパッケージ２０の凹部底面のダイパッド２１にＩＣチップ３０をダイアタッチして固定する。そして、ＩＣチップ３０のＩＣパッド３１とセラミックパッケージ２０のボンディングパッド２５とを金属ワイヤ３２で接続する。

その後、図５（ａ）に示すように、セラミックパッケージ２０の棚部２６の接続端子２２にエポキシ系導電性接着剤４０とシリコーン系導電性接着剤４１を塗布する。セラミックパッケージ２０の外周に近い部分にはエポキシ系導電性接着剤４０を塗布し、セラミックパッケージ２０のＩＣチップ３０の近い部分にシリコーン系導電性接着剤４１を塗布する。
そして、あらかじめジャイロ素子１を接合した支持基板５０を接着剤の上に載置して軽く押圧する。続いて、所定温度の加熱を行ない、エポキシ系導電性接着剤４０とシリコーン系導電性接着剤４１を硬化する。
このとき、支持基板５０の導体パターンが形成された側の平面部５３における接着位置は図５（ｂ）に示す位置になる。支持基板５０の外周側にはエポキシ系導電性接着剤４０が配置され、支持基板５０の開口部５２に近い側（リード５５に近い側）にシリコーン系導電性接着剤４１が配置されることになる。なお、エポキシ系導電性接着剤の代わりにポリイミド系導電性接着剤を用いても良い。

そして、蓋体２８をセラミックパッケージ２０に固着されたシームリングにシーム溶接して、内部を気密に封止する。このようにして、図１に示した振動ジャイロ６０が製造される。

以上、本実施形態の振動ジャイロでは、ジャイロ素子１が接合された支持基板５０と、セラミックパッケージ２０の棚部２６との接着固定において、支持基板５０の外周側にはエポキシ系導電性接着剤４０が配置され、支持基板５０の開口部５２に近い側にシリコーン系導電性接着剤４１が配置されている。
このことから、エポキシ系導電性接着剤にて、リードに接続される端子と確実な電気的導通が図られ、シリコーン系導電性接着剤にてジャイロ素子１が駆動振動している際のリードの共振を吸収できる構造となっている。つまり、電気的な導通の信頼性の高いエポキシ系導電性接着剤４０が主たる電気的接続に用いられ、弾性のあるシリコーン系導電性接着剤４１にて電気的接続およびリード５５の共振および支持基板５０の振動を吸収する緩衝材として用いられている。

本実施形態の振動ジャイロ６０における、支持基板５０のリード５５の共振に起因する振動ジャイロの０点温度ドリフトは、以下のように改善される。
図６は、比較例として支持基板５０の接着にシリコーン系導電性接着剤４１を用いない場合の静止時出力電圧と温度の関係である、０点温度ドリフト特性を示すグラフである。図７は支持基板５０の接着にシリコーン系導電性接着剤４１を用いた場合の０点温度ドリフト特性を示すグラフである。
図６に示すように、支持基板５０の接着にシリコーン系導電性接着剤４１を用いない場合、静止時の出力電圧においてリード５５の共振が原因であるピーク状の０点温度ドリフトが検出された。
これに対して、図７に示すように、支持基板５０の接着にシリコーン系導電性接着剤４１を用いた場合、静止時の出力電圧の変動は減少し、０点温度ドリフトが減少していることが分かる。
このように、本実施形態の振動ジャイロ６０は、支持基板５０のリード５５の共振に起因する振動ジャイロの０点温度ドリフトを減少させることが可能である。
さらに、セラミックパッケージ２０と支持基板５０との接着にシリコーン系接着剤を用いていることから、振動ジャイロの落下衝撃に対して強くなるという効果もある。
（変形例１）

次に本実施形態の変形例について説明する。本変形例は、上記実施形態とセラミックパッケージの棚部と支持基板との接着固定における接着剤の塗布位置が異なる。このため、上記実施形態と同様の構成要素については同符号を付し、説明を省略する。また、本変形例では接着剤の塗布位置についての説明のみ行なう。
図８は、変形例１における支持基板を固定するための接着剤の塗布位置を示す説明図であり、図８（ａ）はセラミックパッケージにおける接着剤塗布位置を示す平面図、図８（ｂ）は接着剤塗布位置に対応する支持基板における位置を示す平面図である。

図８（ａ）に示すように、セラミックパッケージ２０の棚部２６の接続端子２２にエポキシ系導電性接着剤４０が塗布され、中央の接続端子２２とその両側にシリコーン系非導電性接着剤４２が塗布されている。また、中央の接続端子２２において、セラミックパッケージ２０の外周に近い部分にはエポキシ系導電性接着剤４０が塗布され、その内側にシリコーン系非導電性接着剤４２が塗布されている。
このとき、支持基板５０の導体パターンが形成された側の平面部５３における接着位置は図８（ｂ）に示す位置になる。支持基板５０の外周側にはエポキシ系導電性接着剤４０が配置され、支持基板５０の各リード５５に対応し、その各リード５５の近い側にシリコーン系非導電性接着剤４２が配置されている。

以上、本変形例１では、シリコーン系非導電性接着剤４２が支持基板５０のリード５５の近傍に配置されている。リード５５の付け根は振動の節にあたり、この部分にシリコーン系非導電性接着剤４２を配置することでリード５５の共振振動を効率よく吸収することができる。そして、上記実施形態と同様な効果を得ることができる。
また、シリコーン系の接着剤として非導電性の接着剤を使用していることから、間隔の狭いリード５５近傍に接着剤を塗布して、接着剤どうしが繋がっても、リード５５間が短絡することがない。このため、接着剤の塗布量を多くすることができ、支持基板５０を柔軟に保持することができる。
（変形例２）

次に本実施形態の他の変形例について説明する。本変形例は変形例１と同様に、上記実施形態とセラミックパッケージの棚部と支持基板との接着固定における接着剤の塗布位置が異なる。このため、上記実施形態と同様の構成要素については同符号を付し、説明を省略する。また、本変形例では接着剤の塗布位置についての説明のみ行なう。
図９は、変形例１における支持基板を固定するための接着剤の塗布位置を示す説明図であり、図９（ａ）はセラミックパッケージにおける接着剤塗布位置を示す平面図、図９（ｂ）は接着剤塗布位置に対応する支持基板における位置を示す平面図である。

図９（ａ）に示すように、セラミックパッケージ２０の棚部２６の接続端子２２にエポキシ系導電性接着剤４０が塗布され、接続端子２２を横断してつなぐようにシリコーン系非導電性接着剤４２が塗布されている。接着剤は、セラミックパッケージ２０の外周に近い部分にはエポキシ系導電性接着剤４０が塗布され、その内側にシリコーン系非導電性接着剤４２が塗布されている。
このとき、支持基板５０の導体パターンが形成された側の平面部５３における接着位置は図９（ｂ）に示す位置になる。支持基板５０の外周側にはエポキシ系導電性接着剤４０が配置され、支持基板５０のリード５５に近い側にシリコーン系非導電性接着剤４２が配置されている。

以上、本変形例２では、シリコーン系非導電性接着剤４２が支持基板５０のリード５５の近傍に配置されている。リード５５の付け根は振動の節にあたり、この部分にシリコーン系非導電性接着剤４２を配置することでリード５５の共振振動を効率よく吸収することができる。そして、上記実施形態と同様な効果を得ることができる。
また、シリコーン系の接着剤として非導電性の接着剤を使用していることから、接続端子２２を横断して広い範囲に、しかも塗布量を多くすることができるため、支持基板５０の接着強度を向上させ、かつ柔軟に保持することができる。

本実施形態の振動ジャイロの構成を示す説明図であり、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は同図（ａ）のＥ−Ｅ断線に沿う概略断面図。 本実施形態におけるジャイロ素子の振動モードを説明する模式図であり、（ａ）は駆動モードの説明図、（ｂ）は検出モードの説明図。 本実施形態における支持基板の構成を示す平面図。 本実施形態におけるセラミックパッケージにＩＣチップを実装した状態を示す平面図。 本実施形態における支持基板を固定するための接着剤の塗布位置を示す説明図であり、（ａ）はセラミックパッケージにおける接着剤塗布位置を示す平面図、（ｂ）は接着剤塗布位置に対応する支持基板における位置を示す平面図。 比較例における静止時の出力電圧を示すグラフ。 本実施形態における静止時の出力電圧を示すグラフ。 変形例における支持基板を固定するための接着剤の塗布位置を示す説明図であり、（ａ）はセラミックパッケージにおける接着剤塗布位置を示す平面図、（ｂ）は接着剤塗布位置に対応する支持基板における位置を示す平面図。 他の変形例における支持基板を固定するための接着剤の塗布位置を示す説明図であり、（ａ）はセラミックパッケージにおける接着剤塗布位置を示す平面図、（ｂ）は接着剤塗布位置に対応する支持基板における位置を示す平面図。

符号の説明

１…ジャイロ素子、２…基部、３Ａ，３Ｂ…検出腕、４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ…駆動腕、５Ａ，５Ｂ，５Ｃ，５Ｄ…重量部、６Ａ，６Ｂ…重量部、１２Ａ，１２Ｂ…連結腕、１５…電極パッド、２０…固定基板としてのセラミックパッケージ、２１…ダイパッド、２２…接続端子、２３…外部接続端子、２４…シームリング、２５…ボンディングパッド、２８…蓋体、３０…ＩＣチップ、３１…ＩＣパッド、３２…金属ワイヤ、４０…エポキシ系導電性接着剤、４１…シリコーン系導電性接着剤、４２…シリコーン系非導電性接着剤、５０…支持基板、５１…基材、５２…開口部、５３…平面部、５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄ，５５ｅ，５５ｆ（５５）…リード、５７ａ，５７ｂ，５７ｃ，５７ｄ，５７ｅ，５７ｆ…端子、６０…振動ジャイロ。

Claims (5)

1. 基部と、該基部から延びる振動腕とを有するジャイロ素子と、
   前記ジャイロ素子の基部に接続される複数のリードと、該リードを保持する平面部とを有する支持基板と、
   前記支持基板の平面部が載置され固定される固定基板と、を備え、
   前記固定基板と前記支持基板の平面部との間にエポキシ系導電性接着剤またはポリイミド系導電性接着剤と、シリコーン系接着剤が配置されたことを特徴とする振動ジャイロ。
2. 請求項１に記載の振動ジャイロにおいて、
   前記シリコーン系接着剤の配置は前記支持基板の前記リードに近い位置に配置されていることを特徴とする振動ジャイロ。
3. 請求項１または２に記載の振動ジャイロにおいて、
   前記シリコーン系接着剤が導電性の接着剤であることを特徴とする振動ジャイロ。
4. 請求項１または２に記載の振動ジャイロにおいて、
   前記シリコーン系接着剤が非導電性の接着剤であることを特徴とする振動ジャイロ。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の振動ジャイロにおいて、
   前記ジャイロ素子がＷＴ型のジャイロ素子であることを特徴とする振動ジャイロ。

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