JP2016206048A - 物理量センサー用回路、物理量センサー、及び物理量センサーの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1に記載の振動ジャイロでは、ジャイロ素子とする圧電素子と、圧電素子の駆動端に駆動信号をフィードバックして圧電素子を励振駆動する発振回路と、発振回路の駆動信号の外部への出力を制御する駆動信号スイッチ回路と、を備え、駆動信号スイッチ回路から発振回路の駆動信号の駆動電流又は駆動電圧を、圧電素子の等価定数の直列抵抗値を算出する信号として出力する。これにより、圧電素子の駆動部の直列抵抗値を測定し、外部に接続する測定装置を用いることなく圧電素子のドライブレベル検査を行っていた。
<物理量センサーの概略構成>
図1は、実施形態1に係る物理量センサーの概略図である。
まず、実施形態1に係る物理量センサーとしての角速度センサー1の概略構成について説明する。角速度センサー1は、回転が生じると、与えられた角速度に応じた角速度信号を出力するセンサーである。
また、角速度センサー1の検査時において、駆動回路20によって生成した検査用駆動信号によって駆動部11及び検出部12を振動させる。これにより、駆動部11及び検出部12を検査する。その際、検査用駆動信号を駆動部11に印加するか、検出部12に印加するかを切り替え回路40によって切り替える。
駆動回路20は、励振電流入力電極201、駆動電圧出力電極202、基準電圧入力電極203、検波クロック出力電極204、IVO電極205、電流電圧変換回路21、AGC回路22、及び第2コンパレーター23などによって構成されている。
第1スイッチ回路41は、第1−1端子411、第1−2端子412、及び第1−3端子413を備えている。第2スイッチ回路42は、第2−1端子421、第2−2端子422、及び第2−3端子423を備えている。第3スイッチ回路43は、第3−1端子431、第3−2端子432、及び第3−3端子433を備えている。第4スイッチ回路44は、第4−1端子441、第4−2端子442、及び第4−3端子443を備えている。
図2は、駆動回路20の詳細な構成を示す回路図である。
駆動回路20は、電流電圧変換回路21、AGC回路22、及び第2コンパレーター23などによって構成されており、AGC回路22は、ハイパスフィルター24、全波整流回路25、比較判定回路26、及び駆動信号生成回路27などによって構成されている。
すなわち、切り替え回路40により、検出部12と駆動回路20とが導通している状態と、検出部12と駆動回路20とが非導通の状態と、を切り替えることができるため、駆動回路20の信号を検出部12に印加することができる。従って、検出部12も検査することができる。
特に、角速度検出素子10のように、駆動部11が振動している状態でも検出部12がほぼ静止しているような構造である場合、駆動部11と一体となって検出部12が動くような物理量検出素子と比べて検出部12の振動状態を検査することが困難だったが、本実施形態に係る角速度センサー用回路2によれば、検出部12も駆動部11と同様に振動させることができ、精度が高い検査を行うことができる。
図3は、本実施形態に係る物理量センサーとしての角速度センサー1の検査工程を表す工程図である。
ステップS01では、第1スイッチ回路41〜第4スイッチ回路44を制御し、駆動部11と駆動回路20とが導通しており、検出部12と駆動回路20とが非導通の状態とする。
検査用駆動信号は、制御回路50から基準電圧入力電極203に入力する基準電圧を変化させることで生成する。
例えば、物理量を検出する定常動作時より高い基準電圧を入力することにより、定常動作時の駆動信号より高い電圧レベルの検査用駆動信号を生成することができる。これにより、高い励振レベルで数十時間振動させ続け、検査前後で電気特性の変化を調べて不良品を排除する、いわゆるバーンイン検査を行うことができる。このバーンイン検査は高温下で行っても良く、高温下で行う場合はより高精度で不良品を発見することができる。
ステップS04では、第1スイッチ回路41〜第4スイッチ回路44を制御し、検出部12と駆動回路20とが導通しており、駆動部11と駆動回路20とが非導通の状態とする。
ステップS06では、これらの検査に基づいて、検出部12に異常が有るか無いかを判断する。異常が有る場合(S06:yes)には不良品と判定して検査を終了する。異常が無い場合(S06:no)には良品と判定して検査を終了する。
駆動部11の検査について、以下に詳細に説明する。
図4は、駆動部11を検査するときの角速度センサー用回路2の動作を表す概略図である。
駆動部11を検査するとき、第1スイッチ回路41の第1−1端子411と第1−2端子412とを導通させ、第2スイッチ回路42の第2−1端子421と第2−2端子422とを導通させ、第3スイッチ回路43の第3−1端子431と第3−2端子432とを導通させ、第4スイッチ回路44の第4−1端子441と第4−2端子442とを導通させる。これにより、検出部12と駆動回路20とが非導通であり、駆動部11と駆動回路20とが導通している状態とする。これにより、太い矢印で示したように、駆動部11と駆動回路20とで発振ループが形成される。
角速度検出素子10は、回転に伴って発生するコリオリ力に応じて検出振動し、この検出振動に応じた電気信号を出力する。好適例では、角速度検出素子10は、いわゆるダブルT型と呼ばれる振動子であり、基部101、駆動部11、検出部12、第1連結腕131、及び第2連結腕132などによって構成されている。また、角速度検出素子10は、水晶(SiO2結晶)を材料として形成されている。
駆動部11は、第1駆動腕111、第2駆動腕112、第3駆動腕113、及び第4駆動腕114を備えている。第1駆動腕111及び第2駆動腕112は、第1検出腕121及び第2検出腕122が延出している方向に沿って、第1連結腕131から互いに逆向きに延出している。第3駆動腕113及び第4駆動腕114は、第1検出腕121及び第2検出腕122が延出している方向に沿って、第2連結腕132から互いに逆向きに延出している。
また、第1連結腕131及び第2連結腕132は、基部101から、第1検出腕121及び第2検出腕122が延出している方向と交差する方向に沿って、互いに逆向きに延出している。
例えば、駆動部11に欠陥があるものに対してバーンイン検査を行った場合、欠陥が拡大することにより、バーンイン後のCI値はバーンイン前に比べて大きくなる。異物の付着があるものの場合も、バーンインによって異物の状態が変化し、CI値が変化する。
従って、バーンイン前後でのCI値の変化を調べ、変化が許容範囲を超えている場合には異常有りと判断し、許容範囲内にある場合には異常無しと判断することができる。
次に、検出部12の検査について、詳細に説明する。
図6は、検出部12を検査するときの角速度センサー用回路2の動作を表す概略図である。
検出部12を検査するとき、第1スイッチ回路41の第1−2端子412と第1−3端子413とを導通させ、第2スイッチ回路42の第2−2端子422と第2−3端子423とを導通させ、第3スイッチ回路43の第3−1端子431と第3−3端子433とを導通させ、第4スイッチ回路44の第4−1端子441と第4−3端子443とを導通させる。これにより、検出部12と駆動回路20とが導通しており、駆動部11と駆動回路20とが非導通の状態に切り替える。これにより、図6に太い矢印で示したように、検出部12と駆動回路20とで発振ループが形成される。
検出部12を検査するとき、検出部12が備える検出電極(図示せず)を介して、第1検出腕121及び第2検出腕122に検出部検査信号が印加される。すると、第1検出腕121と第2検出腕122とが、c方向及びd方向で示したように、互いに逆向きに振動する。
検出部12の場合も、この振動が良品と不良品とで異なる挙動を示すため、上述の検査によって不良品を検出することができる。
図8は、駆動部11のDLD検査で得られたデータを表す図である。横軸は駆動信号の電圧レベルVinを表しており、縦軸は駆動部11のCI値を表している。
凡例で“OK”と示しているのが良品のデータであり、“NG”と示しているのが不良品のデータである。良品の場合、CI値は駆動信号の電圧レベルVinの変化に対して、概ねグラフが下に凸になるように変化する。一方、不良品の場合、電圧レベルVinの増加に伴ってCI値が一旦急増した後、緩やかに増加する。すなわち、不良品のCI値のグラフには、上に凸な状態と下に凸な状態とが含まれる。
以上、駆動部11についての検査で得られたデータについて説明したが、検出部12についても同様である。
すなわち、切り替え回路40により、駆動回路20からの信号を検出部12に印加して検査を行うことができるため、特別な外部装置を用いることなく、簡単な構成で検出部12も検査することができる。特に、駆動回路20からの信号が検出部12に印加される状態と駆動部11に印加される状態とを切り替えるため、簡単な構成で検出部12及び駆動部11の検査を行うことができる。
図9は、本実施形態に係る物理量センサーとしての角速度センサー1の製造工程を表す工程図である。
ステップS1は、物理量検出素子としての角速度検出素子10やICチップを収容するためのパッケージを用意する工程である。パッケージは略直方体形状であり、セラミック材料で形成された本体部及び蓋部などによって構成されている。本体部には角速度検出素子10やICチップを収容するための凹部が設けられており、蓋部は本体部を封止するためのロウ材などを備えている。
ステップS2は、ICチップを用意する工程である。ICチップはシリコン等の半導体基板から形成されており、物理量センサー用回路としての角速度センサー用回路2を備えている。
ステップS4はICチップを実装する工程である。ICチップは、パッケージの本体部に載置され、好適例ではワイヤボンディングによって本体部に設けられた電極と電気的に接続される。
ステップS5は、角速度検出素子10を実装する工程である。角速度検出素子10は、ICチップの上方に配置されたタブテープの上に配置され、タブテープによって支持されるとともにICチップと電気的に接続される。
ステップS7は封止工程であり、パッケージの本体部が蓋部によって封止される。
ステップS8は検査工程であり、上述の検査方法によって駆動部11及び検出部12に異常が有るか無いかを判断し、不良品と判定されたものを除外する。
すなわち、駆動回路20からの信号を検出部12に印加して検査を行うことができるため、特別な外部装置を用いることなく、簡単な構成で検出部12も検査することができる。従って、簡単な構成で角速度センサー1を製造することができる。
図10は、実施形態2に係る物理量センサーとしての角速度センサー1aの概略図である。
本実施形態に係る物理量センサーについて、これらの図を参照して説明する。なお、実施形態1と同一の構成部位については、同一の番号を使用し、重複する説明は省略する。
第3スイッチ回路43aは、第3−1端子431、及び第3−2端子432を備えている。第4スイッチ回路44aは、第4−1端子441及び第4−2端子442を備えている。第1スイッチ回路41及び第2スイッチ回路42の構成は実施形態1と同様である。
また、角速度センサー1aは基準電圧入力電極203と電気的に接続された外部端子VRを備えており、基準電圧を外部の装置から入力できる構成となっている。このため、駆動信号の電圧レベルVinを必要に応じて自由に変えることができる。
駆動部11を検査するとき、第1スイッチ回路41の第1−1端子411と第1−2端子412とを導通させ、第2スイッチ回路42の第2−1端子421と第2−2端子422とを導通させる。これにより、検出部12と駆動回路20とが非導通であり、駆動部11と駆動回路20とが導通している状態とする。これにより、太い矢印で示したように、駆動部11と駆動回路20とで発振ループが形成され、駆動部11の検査を行うことができる。
なお、このとき、第3スイッチ回路43a及び第4スイッチ回路44aは、オン状態またはオフ状態のいずれでも構わない。
検出部12を検査するとき、第1スイッチ回路41の第1−2端子412と第1−3端子413とを導通させ、第2スイッチ回路42の第2−2端子422と第2−3端子423とを導通させる。また、第3スイッチ回路43a及び第4スイッチ回路44aは、いずれもオフ状態とする。これにより、検出部12と駆動回路20とが導通しており、駆動部11と駆動回路20とが非導通の状態とする。また、検出部12と検出回路30とが非導通の状態とする。これにより、太い矢印で示したように、検出部12と駆動回路20とで発振ループが形成され、検出部12の検査を行うことが可能となる。
すなわち、第3スイッチ回路43a及び第4スイッチ回路44aが備える端子がそれぞれ二つであるため、駆動部11に駆動回路20からの信号が印加される状態と、検出部12に駆動回路20からの信号が印加される状態とをより簡単な構成によって切り替えることができる。また、基準電圧を入力する外部端子VRを備えているため、検査の種類や角速度検出素子10の種類に応じて、自由に駆動信号の電圧レベルを変更することができる。
実施形態1では、第1スイッチ回路41及び第2スイッチ回路42が、それぞれ端子を三つ備えている構成としたが、それぞれ端子を二つ備えている構成であってもよい。この場合、例えば以下のような構成とすることにより、駆動回路20からの信号が検出部12に印加される状態と、駆動部11に印加される状態と、を切り替えることができる。
また、第2スイッチ回路42の一端が駆動部11の他端と電気的に接続されており、他端が駆動回路20の駆動電圧出力電極202と電気的に接続されている構成とする。
また、第3スイッチ回路43の第3−1端子431が検出部12の一端と電気的に接続されており、第3−2端子432が検出回路30の入力部の一端と電気的に接続されており、第3−3端子433が第2スイッチ回路42の他端及び駆動回路20の駆動電圧出力電極202と電気的に接続されている構成とする。
また、第4スイッチ回路44の第4−1端子441は検出部12の他端と電気的に接続されており、第4−2端子442は検出回路30の入力部の他端と電気的に接続されており、第4−3端子443は第1スイッチ回路41の他端及び駆動回路20の励振電流入力電極201と電気的に接続されている構成とする。
駆動部11の検査を行うときは、第1スイッチ回路41及び第2スイッチ回路42を共にオン状態とし、第3スイッチ回路43の第3−1端子431と第3−2端子432とを導通させ、第4スイッチ回路44の第4−1端子441と第4−2端子442とを導通させる。これにより、駆動部11と駆動回路20とが導通しており、検出部12と駆動回路20とが非導通の状態とする。
実施形態1及び2では、切り替え回路40(40a)によって、検出部12と駆動回路20とが導通しており、駆動部11と駆動回路20とが非導通の状態と、検出部12と駆動回路20とが非導通であり、駆動部11と駆動回路20とが導通している状態と、を切り替える構成として説明したが、本発明に係る物理量センサー用回路及び物理量センサーはこれに限定されない。
例えば、駆動回路20が発振回路を二つ備えており、駆動部11と発振回路の一方とが常に導通している構成であっても良い。この場合、検出部12と発振回路の他方とが導通している状態と、非導通の状態とを切り替え回路40(40a)によって切り替える構成とすれば、駆動回路20からの信号によって検出部12を検査することができる。
この構成によれば、駆動部11と駆動回路20の間にスイッチ回路を設ける必要がないため、スイッチ回路の数を減らすことができる。
実施形態1及び2では、切り替え回路40(40a)によって、検出部12と駆動回路20とが導通している状態と非導通の状態とを切り替えるとして説明したが、本発明に係る物理量センサーの検査方法及び製造方法はこれに限定されない。例えば、検出部12と駆動回路20とを導通させる配線を設けておき、検出部12を検査した後に、この配線をレーザー照射などによって断線させることによって、検出部12と駆動回路20とが導通している状態と非導通の状態とを切り替えても良い。
例えば、本発明に係る物理量センサーの形状はいわゆるダブルT型に限定されず、基部から並行して延出している二本の駆動腕と、駆動腕と逆向きに基部から並行して延出している二本の検出腕と、を備えた、いわゆるH型のセンサーであってもよい。
また、基部から並行して延出している二本の振動腕を備えた音叉型のセンサーであってもよい。音叉型のセンサーの場合、検出信号を出力する検出電極と駆動回路20が導通している状態と、定常動作時に駆動信号が印加される駆動電極と駆動回路20が導通している状態と、を切り替えることにより、駆動振動の方向と検出振動の方向のそれぞれについて振動腕の振動状態を検査することができる。
また、MEMS加工により形成された櫛歯型のセンサーであってもよい。
また、本発明に係る物理量センサーは角速度センサーに限定されず、駆動部11と検出部12を備える振動型のセンサーであればよい。
これらの電子機器は、本発明に係る物理量センサーを備えることにより、不良の発生をより低減することができる。
これらの移動体は、本発明に係る物理量センサーを備えることにより、不良の発生をより低減することができる。
Claims (10)
- 駆動部を駆動振動させる駆動回路と、
物理量に応じて検出信号を出力する検出部と前記駆動回路とが導通している状態または非導通の状態を切り替える切り替え回路と、
を備えることを特徴とする物理量センサー用回路。 - 前記検出部と前記駆動回路とが導通している状態において、前記駆動部と前記駆動回路とが非導通であり、
前記検出部と前記駆動回路とが非導通の状態において、前記駆動部と前記駆動回路とが導通していることを特徴とする請求項1に記載の物理量センサー用回路。 - 前記駆動回路が、
入力された電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、
前記電圧信号と基準電圧との比較に基づいた信号を出力する比較判定回路と、
前記比較判定回路の出力に基づく電圧レベルの信号を出力する駆動信号生成回路と、を備え、
前記基準電圧が、複数の電圧値のいずれかから選択されることを特徴とする請求項1または2に記載の物理量センサー用回路。 - 駆動信号に応じて駆動振動する駆動部と、
物理量に応じて検出信号を出力する検出部と、
前記駆動信号を生成する駆動回路と、
前記検出部と前記駆動回路とが導通している状態または非導通の状態を切り替える切り替え回路と、
を備えることを特徴とする物理量センサー。 - 前記検出部と前記駆動回路とが導通している状態において、前記駆動部と前記駆動回路とが非導通であり、
前記検出部と前記駆動回路とが非導通の状態において、前記駆動部と前記駆動回路とを導通させることを特徴とする請求項4に記載の物理量センサー。 - 前記駆動回路が、
入力された電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、
前記電圧信号と基準電圧との比較に基づいた信号を出力する比較判定回路と、
前記比較判定回路の出力に基づく電圧レベルの信号を出力する駆動信号生成回路と、を備え、
前記基準電圧が、複数の電圧値のいずれかから選択されることを特徴とする請求項4または5に記載の物理量センサー。 - 駆動部を駆動振動させる駆動回路によって、検査用駆動信号を生成し、
切り替え回路によって、物理量に応じて検出信号を出力する検出部と前記駆動回路とが導通している状態または非導通の状態を切り替えて、前記検出部を検査することを特徴とする物理量センサーの製造方法。 - 前記検出部と前記駆動回路とが導通している状態において、前記駆動部と前記駆動回路とを非導通とし、
前記検出部と前記駆動回路とが非導通の状態において、前記駆動部と前記駆動回路とを導通させることを特徴とする請求項7に記載の物理量センサーの製造方法。 - 前記駆動回路が、
入力された電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、
前記電圧信号と基準電圧との比較に基づいた信号を出力する比較判定回路と、
前記比較判定回路の出力に基づく電圧レベルの前記検査用駆動信号を出力する駆動信号生成回路と、を備え、
前記基準電圧が、複数の電圧値のいずれかから選択され、
前記検査用駆動信号の電圧レベルが、前記物理量を検出するときに前記駆動回路が生成する信号の電圧レベルより高いことを特徴とする請求項7または8に記載の物理量センサーの製造方法。 - 前記駆動回路が、
入力された電流信号を電圧信号に変換する電流電圧変換回路と、
前記電圧信号と基準電圧との比較に基づいた信号を出力する比較判定回路と、
前記比較判定回路の出力に基づく電圧レベルの前記検査用駆動信号を出力する駆動信号生成回路と、を備え、
前記基準電圧が、複数の電圧値のいずれかから選択され、
複数の前記基準電圧に対して測定した、前記電流電圧変換回路の出力電圧レベル及び前記駆動信号生成回路の出力電圧レベルに基づいて、前記検出部及び前記駆動部の少なくとも一方を検査することを特徴とする請求項7または8に記載の物理量センサーの製造方法。
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