JP2012037304A - 慣性力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、振動子を用いた慣性力センサに関し、検出精度に対する長期信頼性を高めることを目的とする。
【解決手段】この目的を達成するために、振動子１と、振動子１を振動可能に支持する台座７と、振動子１を制御するＩＣ２と、これら振動子１、台座７、ＩＣ２を収容するパッケージ３とを備えた慣性力センサにおいて、振動子１は振動部４とこれを支持する支持部６からなり、台座７は底部１６とこの底部１６外周に設けた側壁部１７からなり、支持部６の一部を側壁部１７の上面に接着固定し、この接着領域における支持部６の側面に側壁部１７に至る切欠き部１８を設けた構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動子を用いた慣性力センサに関する。

振動子を用いて角速度や加速度などの慣性力を検出する慣性力センサは、図１に示すように角速度を検出する振動子１および制御用のＩＣ２をパッケージ３の内部に収容した構造であり、慣性力センサの低背化のため、振動子１を構成する振動部４をＸ軸方向に基本振動させ、検出軸（Ｚ軸）回りに角速度が印加されることで振動子１にコリオリ力が働きＹ軸方向の検出振動が励起されるというように、基本振動と検出振動が同一平面内（ＸＹ平面内）となる構造が検討されている。

そして、このような振動子１は実装されるＩＣ２の上面に対して振動可能に支持する必要があり、振動子１は振動部４の振動中心５から支持部６を導出し、この支持部６を台座７に接着固定し振動部４を振動可能に支持した状態でＩＣ２の上面に実装する構造としている。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開２０１０−９１３６４号公報

しかしながら、振動子１の検出振動はＹ軸方向の振動で、振動子１と台座７の接合方向（Ｚ軸方向）に対して直交する向きであり、これらの接着強度を劣化させる方向に働くこととなる。そして、この接着強度が劣化した場合には、振動子１と台座７の一体性が弱くなり接着部分自体に振動の緩衝作用が生じてしまうことから、結果的に振動子１の駆動振動や検出振動に少なからず影響を及ぼす可能性があり、慣性力センサの検出精度を長期において高精度に維持するためには、振動子１と台座７との一体性を高めることが重要となってくる。

そこで、本発明はこのような問題を解決し、慣性力センサにおける検出精度の長期信頼性を高めることを目的とする。

そして、この目的を達成するために本発明は、振動子と、振動子を振動可能に支持する台座と、振動子を制御するＩＣと、これら振動子、台座、ＩＣを収容するパッケージとを備えた慣性力センサにおいて、振動子は振動部とこれを支持する支持部からなり、台座は底部と、この底部の外周に設けた側壁部からなり、支持部の一部を側壁部の上面に接着固定し、この接着領域における支持部の側面に側壁部に至る切欠き部を設けた構成としたのである。

この構造により本発明は、慣性力センサにおける検出精度の長期信頼性を高めることが出来るのである。

本発明に係る慣性力センサの分解斜視図 同慣性力センサを構成する振動子の上面図 同振動子に設ける電極の動作原理を示す模式図 同振動子の基本振動状態を示す模式図 同振動子の検出振動状態を示す模式図 同振動子と台座の分解斜視図 同振動子の切欠き部近傍を示す部分断面図 同振動子と台座の接合方法を示す模式図 他の実施の形態における振動子の上面図

以下、本発明の慣性力センサについて図を用いて説明する。なお、上述した従来の技術と同様の構成については同じ符号を付して説明する。

図１は慣性力の一種である角速度を検出する慣性力センサを示したものであり、その基本的な構造はセラミクスからなる一端開口のパッケージ３の内部に角速度を検出する振動子１と、この振動子１に駆動信号を印加する駆動制御回路および振動子１から出力された検出信号を処理する検出回路を包含するＩＣ２を配置し、パッケージ３の開口を上蓋８で封口する構造となっている。なお、振動子１は台座７を介してＩＣ２の上面に実装することで振動子１の振動空間を確保している。

また、振動子１は図２に示すように、Ｔ字状の支持部６における支持辺６ａを対称軸とし錘部９を対称配置するとともに、それぞれの錘部９を一対の蛇行状の振動部４で接合辺６ｂに接続したジャバラ型構造であり、振動部４の上面には後述する駆動電極１０や検知電極１１を設けている。なお、振動子１の振動バランスを確保するため、各錘部９に接続される一対の振動部４は振動中心５を通るＸ軸に対しても対称構造としている。

また、駆動電極１０や検知電極１１の電極構造は、図３に示すようにＡｕからなる上部電極１２とＰｔからなる下部電極１３と、これらの間に配置されたＰＺＴからなる圧電体層１４からなる積層電極構造であり、下部電極１３をグランド接続した状態で上部電極１２に正電圧を印加すると電極の積層方向に対して圧縮力が働き、この圧縮力により電極パターンが伸びる方向に応力が発生し、これとは逆に負電圧を印加すると電極に引張力が働き、この引張力により電極パターンが縮む方向に応力が発生するものである。また、これとは逆に電極が撓み圧縮応力を受けることで負電圧を発生し、電極が延び引張応力を受けることで正電圧を発生させるものである。

そして、この振動子１を用いた角速度の検出にあたっては、駆動電極１０にＩＣ２から駆動信号を印加することで図４に示すように振動部４を支持辺６ａの先端部分を振動中心５としてＸ軸方向に基本振動させ、この振動状態において振動平面（ＸＹ平面）に直交するＺ軸方向の検出軸回りに角速度が加わることでコリオリ力により図５に示すように振動部４にＹ軸方向の検出振動が生じ、この検出振動を検知電極１１により電気信号に変換しＩＣ２に出力するのである。なお、図２に示す振動部４の振動中心５の近傍に設けられたモニタ電極１５は振動部４の基本振動の振動状態を検出しＩＣ２での駆動信号の生成にフィードバックするための電極である。

そして、振動子１を振動可能に支持する台座７は、図６に示すように矩形状の底部１６においてＹ軸方向の対向側面に側壁部１７を設けＸ軸方向の対向側面領域を開口した形状とし、側壁部１７の上面には、図２に示す振動子１の支持辺６ａの根元部分に設けられたＸ軸方向に延びる接合辺６ｂを接着剤１９を用いて固定し振動部４を振動可能となるよう中空支持した構造としている。

そして、この慣性力センサにおいては、接合辺６ｂの側面に側壁部１７の上面に至る切欠き部１８を設けたことで検出精度の長期信頼性を高めているのである。

すなわち、この接合辺６ｂは台座７の側壁部１７の上面に接着固定される部分であり、この部分において接合辺６ｂの側面に側壁部１７に至る切欠き部１８を設けることで、図７に示すように接合辺６ｂを側壁部１７に圧接する際に余分な接着剤１９が切欠き部１８に回り込みフィレット１９ａを形成することとなる。そして、このフィレット１９ａが振動部４の振動平面（ＸＹ平面）、に対して直交する方向（Ｚ軸方向）となるので、フィレット１９ａが振動平面（ＸＹ平面）の面内方向に加わる応力に対して支柱として作用するため、接合辺６ｂと側壁部１７との接着面に対する振動部４からの振動の伝達を抑制し、振動子１の振動による接着層への影響を低減でき、結果として慣性力センサにおける検出精度の長期信頼性を高めることが出来るのである。

なお、接着剤１９が振動子１の側面に回り込むことから接着面積が増え台座７と振動子１との接着力をより向上出来るとともに、この回り込み量により振動子１と台座７との接着状態を目視により確認することができる。

また、振動部４の振動は支持辺６ａを介して接合辺６ｂに伝達されることから、切欠き部１８は接合辺６ｂにおける支持辺６ａの導出部分の近傍に設けることが望ましく、この一実施形態においては振動子１が対称構造であることを考慮し、切欠き部１８を支持辺６ａの導出部分を中心として左右の近傍領域に対称配置させている。

さらに、この切欠き部１８を接合辺６ｂの上面つまり振動子１の上面にまで形成することで上述した接着剤１９の回り込みの確認における視認性を高めることが出来るのである。

なお、このような振動子１や台座７は図８に示すように、それぞれ一枚のウエハ２０，２１で多数個成形パターンを形成し貼り合わせるものであり、複数の振動子１を形成するウエハ２０にはエッチングやスパッタリングにより素子形状や電極を形成し、複数の台座７を形成するウエハ２１にはエッチングなどにより底部１６や側壁部１７を形成する。次いで複数の側壁部１７の上面にそれぞれ接着剤１９を塗布しウエハ２０，２１を貼り合わせた後にダイシングライン２２に沿って個片分轄するのであるが、この個片分割の際ダイシングライン２２に接着剤１９が存在するとダイシングブレードの負荷抵抗となり切断精度に影響するのでこのダイシングライン２２の近傍領域には接着剤１９の非形成領域とするため、図６に示すように接着剤１９の塗布量域を接合片６ｂ或いは側壁部１７の外周端より若干のオフセットを設けている。

なお、このように接着剤１９の塗布を切断領域よりオフセットした場合においても図９に示すように接合辺６ｂに設ける切欠き部１８を接合辺６ｂの内側と外側つまり対向側面の両側に設けることで、振動子１と台座７の接合ズレを確認することが出来るのである。

本発明は、振動子を用いた慣性力センサの検出精度を高めるという効果を有し、特にカーナビゲーションシステムなどの小型で高感度な特性を要求する電子機器に用いる角速度センサにおいて有用となる。

１ 振動子
２ ＩＣ
３ パッケージ
４ 振動部
６ 支持部
６ａ 支持辺
６ｂ 接合辺
７ 台座
１６ 底部
１７ 側壁部
１８ 切欠き部

Claims (4)

1. 振動子と、この振動子を振動可能に支持する台座と、前記振動子の制御回路を構成するＩＣと、これら振動子、台座、ＩＣを収容するパッケージとを備え、前記振動子は振動部とこれを支持する支持部からなり、前記台座は底部とこの底部外周に設けた側壁部からなり、前記支持部の一部は前記側壁部の上面に接着固定され、この接着領域における前記支持部の側面に前記側壁部に至る切欠き部を設けたことを特徴とする慣性力センサ。
2. 切欠き部を支持部の上面まで設けたことを特徴とする請求項１に記載の慣性力センサ。
3. 支持部は側壁部と接着される接合辺と、この接合辺の中央部分から導出され前記駆動部を支持する支持辺とからなり、切欠き部は前記接合辺における前記支持辺の導出部分の近傍に設けたことを特徴とする請求項１に記載の慣性力センサ。
4. 切欠き部を接合辺の内側と外側に設けたことを特徴とする請求項３に記載の慣性力センサ。

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