JP4428309B2 - 振動型ジャイロスコープ - Google Patents

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Description

本発明は、振動型ジャイロスコープに関するものである。
車体制御システムにおいては、振動型ジャイロスコープおよびその振動子は、幅広い環境温度、即ち高温と低温にさらされる。このような使用温度範囲は、通常は−40℃−+85℃の範囲にわたっており、一層厳しい仕様では更に広い温度範囲にわたる場合もある。特に、振動子を圧電性単結晶によって形成した場合には、圧電性単結晶の有する温度特性の影響がある。
特許文献1には、振動型ジャイロスコープ用の振動子を支持部材によって支持するのに際して、支持部材を細長い棒状物とし、支持部材を複雑に曲折させ、振動子を支持している。支持部材を振動子上の電極に対して電気的に接続することも記載されている。
特開2003−28648号公報
また、本出願人は、特許文献2において、パッケージ基板上に振動子をボンディングワイヤによって浮上状態で支持することを開示した。このボンディングワイヤは、振動子表面の電極に対して接合されている。
特開2003−294450号公報
しかし、これらの支持方法によっても、特定温度領域において、かなり大きい温度ドリフトが発生することがあった。例えば、図3に示すように、室温付近において0点ジャイロ信号がピーク状に変化することがあった。このような発振状態の異常が発生する振動子を、振動型ジャイロスコープに使用した場合には、検出信号の0点温度ドリフトが大きくなり、最悪の場合にはセンサとして動作しなくなる。
本発明の課題は、振動子を用いる物理量測定装置において、検出信号の0点温度ドリフトを低減できるような支持構造を提供することである。
本発明は、
振動子、
下地基板、
一対の相対向する固定部および一対の相対向する非固定部を備えており、固定部および非固定部によって貫通孔が形成されており、各固定部が下地基板に接合および固定されており、各非固定部が下地基板に固定されていない支持基板、および
支持基板に取り付けられているボンディングワイヤを備えている振動型ジャイロスコープに係る。
そして、振動子が、基部、この基部から突出する接続部、この接続部から突出する駆動振動片、および基部から突出する検出振動片を備えており、駆動振動において駆動振動片が接続部への付け根を中心として振動子平面内で屈曲振動し、振動子の平面に対して垂直な回転軸を中心とする回転角速度に対応する検出振動において、前記検出振動片の先端部が前記固定部に向かうように、検出振動片が基部への付け根を中心として振動子平面内で屈曲振動し、振動子の基部が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ており、ボンディングワイヤが、固定部に対して取り付けられており、非固定部に対して取り付けられていないことを特徴とする。
本発明者は、たとえば図3に示すようなピーク状温度ドリフトの発生原因について検討し、次の知見を得た。すなわち、振動子におけるスプリアスモードの振動や、ボンディングワイヤの振動の検出信号への悪影響をほぼ抑制することに成功した後であっても、図3に示すような0点温度ドリフトが観測される原因について検討した。この結果、従来は着目されていなかった、振動子を支持するための支持基板の振動モードの影響によって、検出信号に0点温度ドリフトが生ずることを発見した。
本発明者は、更にこの知見に基づき、ボンディングワイヤと基板との設計について検討した。支持基板には、ボンディングワイヤを挿通するための貫通孔を形成しており、この貫通孔を挟むように、相対向する一対の固定部と一対の非固定部とが設けられている。振動子支持基板の固定部は更にパッケージ基板に接合固定されており、非固定部は2つの固定部の間に設けられている。ここで、本発明者は、ボンディングワイヤを固定部に対して結合して取り付け、非固定部からは突出させないことを想到した。この結果、駆動振動の共振周波数fdに近い固有振動数を有する支持基板の振動モードから検出信号への影響を抑制し、0点温度ドリフトを防止できることを確認し、本発明に到達した。
本発明においては、振動子が、駆動手段が設けられた駆動振動片、検出手段が設けられた検出振動片、および駆動振動片と検出振動片との間に設けられた基部を備えている。好ましくは、この基部と駆動振動片とを接続する細長い接続部を備えている。
図1は、本発明の一実施形態に係る振動子1(駆動振動モード)を概略的に示す平面図である。図2は、振動子1の検出振動モードの振動を示す平面図である。
本例の振動子1は、基部2と、基部2から突出する一対の検出振動片3A、3Bと、基部2から突出する一対の接続部10と、各接続部10の先端に設けられている各駆動振動片4A、4B、4C、4Dとを備えている。各駆動振動片4A〜4Dの各主面には、それぞれ細長い溝が形成されており、各駆動振動片4A〜4Dの横断面形状は略H字形状となっている。溝内に駆動電極9が形成されている。各駆動振動片4A〜4Dの各先端にはそれぞれ幅広部または重量部5A、5B、5C、5Dが設けられており、各幅広部にはそれぞれ貫通孔7が形成されている。
各検出振動片3A、3Bの各主面には、それぞれ細長い溝が形成されており、各検出振動片3A、3Bの横断面形状は略H字形状となっている。溝内に検出電極30が形成されている。各検出振動片3A、3Bの各先端にはそれぞれ幅広部または重量部6A、6Bが設けられており、各幅広部にはそれぞれ貫通孔8が形成されている。
図1には駆動モードの振動を示す。駆動時には、各駆動振動片4A〜4Dが、それぞれ、接続部10への付け根11を中心として矢印Aのように屈曲振動する。この状態で振動子1を、振動子1に略垂直に延びる回転軸Zの周りに回転させる。すると、図2に示すように、接続部10が固定部2への付け根2aを中心として、矢印Bのように屈曲振動する。各検出振動片3A,3Bが、それぞれ、その反作用によって、固定部2への付け根を中心として、矢印Cのように屈曲振動する。各検出振動片3A、3Bにおいて発生した電気信号に基づいて、Z軸を中心とする回転角速度を算出する。
図5(a)は、本発明で利用可能な振動子の支持構造を概略的に示す平面図であり、図5(b)は、図5(a)の支持構造の正面図である。
基板12には中央貫通孔13Aが設けられている。本例においては、貫通孔13Aは細長い形状、たとえば長方形をしている。貫通孔13Aを挟むように、相対向する一対の固定部12aと、相対向する一対の非固定部12bとが設けられており、固定部12aおよび非固定部12bによって貫通孔13Aが成形されている。本例では、固定部12aは相対的に幅が広く、非固定部12bは相対的に幅が狭い。固定部12aは、パッケージ用基板等の下地基板に対して固定されている。
基板12の主として貫通孔13Aの直上に振動子1が支持されている。本例では、4本のボンディングワイヤ14Aと2本のボンディングワイヤ14Bとによって振動子を支持する。各ボンディングワイヤは、基板12の固定部12aに対して接合され、固定されており、固定部12a側の対向辺13aから基部2に向かって突出している。
ここで、各対向辺13aの端から突出する各ボンディングワイヤ14Aは、平面的に見て略L字形状に曲折している。すなわち、ボンディングワイヤ14Aは、貫通孔13に面する対向辺13bと略平行に伸びる幅広部14a、相対的に幅の狭い部分14bおよび対向辺13aと略平行に延びる曲折部14cを備えている。曲折部14cの先端が基部2中の電極に対して接合されている。
また、各対向辺13aの中央から突出する2本のボンディングワイヤ14Bは、幅広部14aと幅狭部14bとからなり、幅狭部14bの先端が固定部2に接合されている。本例では、ボンディングワイヤ14A、14Bが、相対的に幅の広い部分14aと、相対的に幅の狭い部分14bとを備えており、これによってボンディングワイヤ全体の振動の固有振動数を調整することができる。このようなボンディングワイヤの幅の変更は、たとえばボンディングワイヤをエッチングによって成形する際のマスクパターンにおいてマスク幅を変更することによって、容易に実施可能である。
本発明においては、基板の非固定部12bとボンディングワイヤの固定部12aへの付け根30との間隔T(図5(a)参照)は、0点温度ドリフトの低減という観点からは、0.1mm以上が好ましく、0.2mm以上が更に好ましい。
また、本発明においては、固定部12aを通過する基板12の中心軸Xに対して、ボンディングワイヤの固定部への付け根が近い位置に設けられていることが、0点温度ドリフトを低減するという観点からは好ましい。中心軸Xとボンディングワイヤ14Aの固定部12aへの付け根との間隔Mは、0.5mm以下とすることが好ましく、0.3mm以下とすることが更に好ましい
図6の例では、貫通孔13Bの幅を、図5の貫通孔13Aに比べて狭くしており、この結果、各ボンディングワイヤの長さが小さくなっている。このようにボンディングワイヤの長さを変更することによって、ボンディングワイヤの振動の固有振動数を変化させることができる。
本例では、基板12の幅広部12a側の対向辺13aからそれぞれ2つのボンディングワイヤ15が基部2へと向かって突出している。各ボンディングワイヤ15は、対向辺13bに略平行に延びる部分15aと、固定部2へと向かって折れ曲がった曲折部15bとを備えており、曲折部15bの先端が固定部2の電極に接合されている。ここで、15aと15bとがなす角θは、図5におけるように直角にすることもできるが、図6に示すように鋭角とすることもできる。
図7の例では、図5に示した各構成部分には同じ符号をつけ、その説明は省略する。振動子の支持基板12が、何らかの下地基板に対して所定箇所16、たとえば6箇所で接合され、固定されている。この固定箇所16と各ボンディングワイヤの基板12への接触箇所30とを接近させることによって、基板12の振動モードの検出電圧への影響を抑制することができる。
この観点からは、基板12の下地基板への固定箇所16と各ボンディングワイヤの基板12への接触箇所30との間隔Lは、0.6mm以下とすることが好ましく、0.4mm以下とすることがさらに好ましい。
図8は、更に他の実施形態に係る支持構造を概略的に示す平面図である。
本例では、ボンディングワイヤ16を折曲片16a、16bによって形成するとともに、16bの固定部への根元30を、相対的に幅の小さい非固定部分12bから遠ざけ、基板12の中心軸であるX軸に対して接近させる。基板12が振動する場合には、特に非固定部分12bの振幅が大きくなる。しかし、ボンディングワイヤ16の基板12からの突出部分30を非固定部12bから離してX軸に接近させることによって、基板12の振動モードの検出値への影響を効果的に防止できる。
図9の例においては、基板12のうち固定部12aの両末端が固定部16によって固定されている。この固定方式は特に限定されず、導電性接着剤による接着、溶接等任意の方法を利用できる。好ましくは、図10に模式的に示すように、パッケージ19内に振動子1、基板12およびボンディングワイヤ14A(14B)を収容し、さらに台座17およびIC18をマウントする。そして、台座17上に導電性接着剤16を介して基板12を設置し、導電性接着剤16を加熱し、基板12を台座17上に接着して固定する。
このような導電性接着剤の種類は特に限定されないが、銅ペースト、銀ペースト、金ペースト等の貴金属ペーストを例示できる。
図11の例においては、各ボンディングワイヤ22A、22Bは、図5に示すボンディングワイヤとほぼ同じ形を有している。しかし,本例では、図5とは異なり、基板12の中央貫通孔13Bの幅が狭く、正方形に近い形状となっている。
図12の例においては、たとえば合計6本の直線状に延びるボンディングワイヤ23が、それぞれ固定部12a側の対向辺13aから貫通孔13Aに突出している。各ボンディングワイヤ23は、基板12に接触する幅広部23aと、基部2に接合されている幅狭部23bとを備えている。
図13に示す支持構造は、基本的に図11に示す支持構造と同様のものである。ただし、本例においては、中央貫通孔13Cの形態が矩形ではなく、四隅に湾曲部分13cが設けられている。このように基板貫通孔の形態を変更することによって、ボンディングワイヤの長さを変え、その固有振動数を変更することができる。
図14の例においては、各固定部12aの貫通孔13Aに面する一対の対向辺13aから、それぞれ、3本ずつボンディングワイヤ26が突出している。ボンディングワイヤはまっすぐで幅がほぼ一定のものであり、その先端が振動子1の基部2の所定箇所に接合されている。
図15の例においては、基板12に中央貫通孔13Aが設けられている。貫通孔13Aは細長い形状、たとえば長方形をしている。貫通孔13Aを挟むように、相対向する一対の固定部12aと、相対向する一対の非固定部12bとが設けられており、固定部12aおよび非固定部12bによって貫通孔13Aが成形されている。
本例では、4本のボンディングワイヤ25Aと2本のボンディングワイヤ25Bとによって振動子を支持する。各ボンディングワイヤは、基板12の固定部12aに対して接合され、固定されており、固定部12a側の対向辺13aから基部2に向かって突出している。
各対向辺13aの端から突出する各ボンディングワイヤ25Aは、平面的に見て略L字形状に曲折している。すなわち、ボンディングワイヤ25Aは、貫通孔13に面する対向辺13bと略平行に伸びる幅広部25a、相対的に幅の狭い部分25bおよび対向辺13aと略平行に延びる曲折部25cを備えている。曲折部25cの先端が基部2中の電極に対して接合されている。
また、各対向辺13aの中央から突出する2本のボンディングワイヤ25Bは、幅広部25aと幅狭部25bとからなり、幅狭部25bの先端が固定部2に接合されている。本例では、ボンディングワイヤ25A、25Bが、相対的に幅の広い部分25aと、相対的に幅の狭い部分25bとを備えている。ただし、本例では幅広部25aの長さが、図5の例に比べて短い。
好適な実施形態においては、ボンディングワイヤに、固定部から貫通孔へと突出する突出部と、突出部と振動子への接合部位との間に設けられた互いに長手方向の異なる複数の曲折部とを設けることができる。
たとえば図16の例においては、図5に示したL字形状のワイヤ14Aの代りに、クランク形状のワイヤ24を使用したものである。ワイヤ24は、幅広部24a、幅狭部24b、幅狭部24bから内側への屈曲部24cおよび更なる屈曲部24dを備えている。屈曲部を増やすことで、ワイヤの固有振動数を変更することができる。
図17の例においては、中央貫通孔13Cの形態が矩形ではなく、四隅に湾曲部分13cが設けられている。また、短辺13a及び13dを設けることによって、ボンディングワイヤ24の長さを若干短くし、ボンディングワイヤ30の長さを若干長くしている。短辺13aから突出する4片のボンディングワイヤ24はクランク形状であり、幅広部24a、幅狭部24b、幅狭部24bから内側への屈曲部24cおよび更なる屈曲部24dを備えている。短辺13dから突出する各ボンディングワイヤ30は直線形状であり、幅広部30a、幅狭部30bを備えている。
図18は、図17に示す6本のボンディングワイヤによって振動子の基部を支持している状態を示す平面図である。
各ボンディングワイヤの端部は、振動子の下側面の端子部に対して接合でき、あるいは、振動子の上側面の端子部に対して接合することもできる。
振動子の寸法は限定されない。しかし、振動子の重量や寸法が大きいと、ボンディングワイヤに加わる重力が大きくなり、長期間経過時にボンディングワイヤが変形する可能性がある。このため、ボンディングワイヤの変形による振動への影響を抑制するという観点からは、振動子の幅を10mm以下とすることが好ましく、5mm以下とすることがさらに好ましい。また、同様の観点からは、振動子の重量を5mg以下とすることが好ましく、1mg以下とすることが一層好ましい。また、振動子の厚さを0.3mm以下とすることが好ましく、0.2mm以下とすることが更に好ましい。
基板12の材質は特に限定されず、いわゆるパッケージ用途に用いられている絶縁性材料、例えばセラミックス、ガラス、樹脂を使用できる。
ボンディングワイヤの振動子への接合方法は限定されないが、加熱圧着、超音波ボンディング、スポット溶接、導電性接着剤、半田付けが好ましい。
振動子は、基板に直接接触しない状態で支持する必要があり、これによって振動子の振動の阻害を防止する。好適な実施形態においては、振動子と基板との間隔は、0.1mm以上であり、更に好ましくは0.2mm以上である。
ボンディングワイヤの材質も限定されず、金属、樹脂、接着剤、金属−樹脂複合材料であってよいが、金属が特に好ましい。特に好ましい材質は以下のものである。
銅、金、アルミ、銀、タングステン、ステンレス、鉄、ニッケル、錫、真鍮またはそれらの合金。これらの金属、合金にはメッキ等が施されていてもよい、例えば金メッキが施された銅箔が特に好ましい。
振動子の材質は限定されないが、圧電単結晶が好ましく、水晶、ニオブ酸リチウム単結晶、タンタル酸リチウム単結晶、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体単結晶、ホウ酸リチウム単結晶、ランガサイト単結晶が特に好ましい。
本発明は振動型ジャイロスコープである
(比較例1)
図1、図2に示す振動子1Aを使用した。具体的には、厚さ0.1mmの水晶のZ板のウエハーに、スパッタ法によって、所定位置に、厚さ100オングストロームのクロム膜と、厚さ1500オングストロームの金膜とを形成した。ウエハーの両面にレジストをコーティングした。
このウエハーを、ヨウ素とヨウ化カリウムとの水溶液に浸漬し、余分な金膜をエッチングによって除去し、更に硝酸セリウムアンモニウムと過塩素酸との水溶液にウエハーを浸漬し、余分なクロム膜をエッチングして除去した。温度80℃の重フッ化アンモニウムに20時間ウエハーを浸漬し、ウエハーをエッチングし、振動子1の外形を形成した。メタルマスクを使用して、厚さ100オングストロームのクロム膜上に厚さ2000オングストロームの金膜を電極膜として形成した。振動子1の寸法は、縦2.0mm、横2.2mm、厚さ0.1mmであり、重量は約0.3mgであった。
振動子1を図10のようにパッケージに実装した。基板12は中央に貫通孔を持つポリイミドフィルムと銅箔の接合体によって形成され、銅箔をエッチングすることによってボンディングワイヤと基板12上に配線,接点パッドが形成されている。枠体はアルミナセラミックスによって形成した。銅箔表面は、金メッキを施してあり、ボンディングワイヤを金バンプ25を介して振動子1の基部2に対して加熱圧着によって接合した。
このとき、ボンディングワイヤの形状は、太さ0.03mmの直線状に成形した。6本のボンディングワイヤによって振動子を支持した。このうち2本のボンディングワイヤは固定部12aに取り付け、4本のボンディングワイヤは非固定部12bに取り付けた。
得られた振動型ジャイロスコープを温度試験槽に入れ、雰囲気温度を、−40℃から+85℃の間で変化させた。そして、自励発振回路を用いて駆動振動を生じさせた。駆動振動モードの共振周波数fdは45000Hzとした。
得られた検出信号から0点ジャイロ信号成分を取り出したところ、図3に示すように、室温付近でピーク状の0点温度ドリフトが検出された。0点温度ドリフトの大きさは56dpsである。
ただし、0点温度ドリフトの算出の際には、ピークを除いて、−40℃から+85℃までの間でゼロ点ジャイロ成分のデータを直線近似する。次いで、ピークがこの直線から突出している突出高さを計算し、これを0点温度ドリフトとした。
(実施例1)
比較例1と同様にして振動子1を基板上に支持した。ただし、図16に示すような支持構造を採用した。この結果、0点ジャイロ成分の温度変化は、図4に示すようになった。0点温度ドリフトの大きさは2.5dpsである。
すなわち、−40℃から+85℃までの間、0点ジャイロ成分が一次関数的にゆるやかに低下していき、0点温度ドリフトはほとんど見られなかった。
(実施例2)
比較例1と同様にして振動子1を基板上に支持した。ただし、図12に示すような支持構造を採用した。この結果、離調の温度変化は、図19に示すようになった。すなわち、−40℃から+85℃までの間、離調は一次関数的に低下した。0点温度ドリフトの大きさは7dpsである。
(実施例3)
比較例1と同様にして振動子1を基板上に支持した。ただし、図5に示すような支持構造を採用した。この結果、離調の温度変化は、図20に示すようになった。すなわち、−40℃から+85℃までの間、離調は一次関数的にゆるやかに低下した。0点温度ドリフトの大きさは5dpsである。
(実施例4)
比較例1と同様にして振動子1を基板上に支持した。ただし、図6に示すような支持構造を採用した。0点温度ドリフトの大きさは6dpsである。
(実施例5)
比較例1と同様にして振動子1を基板上に支持した。ただし、図8に示すような支持構造を採用した。0点温度ドリフトの大きさは6dpsである。
本発明で使用可能な振動子1の駆動振動モードを示す平面図である。 振動子1の検出振動モードを示す平面図である。 比較例における0点ジャイロ成分と温度との関係を示すグラフである。 本発明の実施例における0点ジャイロ成分と温度との関係を示すグラフである。 (a)は、本発明の一実施形態に係る支持構造を概略的に示す平面図であり、(b)は、(a)の支持構造の正面図である。 他の実施形態に係る支持構造を概略的に示す平面図である。 本発明で利用可能なさらに他の支持構造の平面図である。 本発明で利用可能なさらに他の支持構造の平面図である。 本発明で利用可能なさらに他の支持構造の平面図である。 図9における支持構造の模式的断面図である。 本発明で利用可能なさらに他の支持構造の平面図である。 本発明で利用可能なさらに他の支持構造の平面図である。 本発明で利用可能なさらに他の支持構造の平面図である。 本発明で利用可能なさらに他の支持構造の平面図である。 本発明で利用可能なさらに他の支持構造の平面図である。 本発明で利用可能なさらに他の支持構造の平面図である。 本発明で利用可能なボンディングワイヤおよび基板の形態を示す平面図である。 図17の基板上に振動子を支持した状態を示す平面図である。 本発明の実施例における離調の温度変化を示すグラフである。 本発明の実施例における離調の温度変化を示すグラフである。
符号の説明
1 振動子 2 基部 12 基板 12a 基板12の固定部 12b 基板12の非固定部 13A、13B 基板の中央貫通孔 14A、14B、15、16、22A、22B、23、24、25A、25B ボンディングワイヤ 18 IC

Claims (4)

  1. 振動子、
    下地基板、
    一対の相対向する固定部および一対の相対向する非固定部を備えており、前記固定部および非固定部によって貫通孔が形成されており、前記各固定部が前記下地基板に接合および固定されており、前記各非固定部が前記下地基板に固定されていない支持基板、および
    前記支持基板に取り付けられているボンディングワイヤを備えている振動型ジャイロスコープであって、
    前記振動子が、基部、この基部から突出する接続部、この接続部から突出する駆動振動片、および前記基部から突出する検出振動片を備えており、前記駆動振動において前記駆動振動片が前記接続部への付け根を中心として振動子平面内で屈曲振動し、前記振動子平面に対して垂直な回転軸を中心とする回転角速度に対応する検出振動において、前記検出振動片の先端部が前記固定部に向かうように、前記検出振動片が前記基部への付け根を中心として前記振動子平面内で屈曲振動し、前記振動子の前記基部が前記ボンディングワイヤによって前記基板に接触しない状態で支持されており、前記ボンディングワイヤが、前記固定部に対して取り付けられており、前記非固定部に対して取り付けられていないことを特徴とする、振動型ジャイロスコープ。
  2. 前記固定部が前記下地基板に対して複数箇所で導電性接合材によって接合されていることを特徴とする、請求項1記載の振動型ジャイロスコープ。
  3. 前記ボンディングワイヤが、前記固定部から前記貫通孔へと突出する突出部と、この突出部から前記振動子への接合部位へと向かって曲がる曲折部とを備えていることを特徴とする、請求項1または2記載の振動型ジャイロスコープ。
  4. 前記ボンディングワイヤが、前記固定部から前記貫通孔へと突出する突出部と、この突出部と前記振動子への接合部位との間に設けられた互いに長手方向の異なる複数の曲折部とを備えていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一つの請求項に記載の振動型ジャイロスコープ。
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