JP2012037304A - 慣性力センサ - Google Patents

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Hidenori Nishiwaki
英謙 西脇
Keiichi Tabata
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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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