JP4569209B2 - 双音さ型振動ジャイロセンサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、振動ジャイロセンサに関し、特に回転各速度の検出精度の向上を図った水平横置き型双音さ型振動ジャイロセンサの構造に関する。

近年、物体の回転を検出するセンサとして、コリオリ力を応用した音さ型振動ジャイロセンサが広く使われている。特に、水平横置き型と呼ばれる音さ型振動ジャイロセンサは薄型化及び小型化しやすいため、カメラの手振れ防止用やカーナビゲーションシステム用等に広く用いられている。
その中でも、一対の短冊状のアーム部とアーム部の両端を支持する双音さ支持部と双音さ支持部につながる支持固定部とからなり、前記各部の表面に所定の電極が形成されているものであって、前記２箇所の支持固定部をセンサのパッケージの台座等に固着することによって耐振動衝撃性の向上を図った構造の双音さ型振動ジャイロセンサが、本発明の出願人等による特願２００２−２６４８７２に示されている。

図３は、前記特願２００２−２６４８７２に示されている双音さ型振動ジヤイロセンサの水晶振動子の外観図であって、この水晶振動子の構造は次のとおりである。
同図に示すように、水晶振動子３０は、基板主面の法線方向が結晶Ｚ軸方向となるようにカットしたＺ板水晶薄片を双音さ形状に加工し、その表面に所定の電極を形成したものであって、駆動部３１と、第１の双音さ支持部３２と、第２の双音さ支持部３３と、第１の検出部３４と、第２の検出部３５と、第１の支持固定部３６と、第２の支持固定部３７とを備えている。

前記駆動部３１は、一対の短冊状のアーム部３１ａ、３１ｂと該アーム部３１ａ、３１ｂの表面に形成された駆動電極３１ｃ、３１ｄとを有し、前記第１、第２の双音さ支持部３２、３３は駆動部３１の両端を支持すると共に、駆動電極３１ｃ、３１ｄに外部から駆動信号を供給するためのリード電極３２ａ、３３ａを備えている。
前記第１の検出部３４は第１の検出電極３４ａ、３４ｂを有し、前記第１の双音さ支持部３２を介してアーム部３１ａ、３１ｂの振動を検出し、前記第２の検出部３５は第２の検出電極３５ａ、３５ｂを有し前記第２の双音さ支持部３３を介してアーム部３１ａ、３１ｂの振動を検出する。

また、前記第１の支持固定部３６は、前記第１の検出部３４の一端を支持すると共に第１の検出電極３４ａ、３４ｂに接続する一対の引き出し電極３６ａ、３６ｂを有し、前記第２の支持固定部３７は、前記第２の検出部３５の一端を支持すると共に第２の検出電極３５ａ、３５ｂに接続する一対の引き出し電極３７ａ、３７ｂとを有する。
これらの引き出し電極３６ａ、３６ｂ、３７ａ、３７ｂを介して外部へ検出信号が供給される。
ここで、同図に示した駆動電極と第１、第２の検出電極と引き出し電極の各電極パターンは裏面にも同様な電趣パターンが形成され、側面のパターンを介して接続されている。

本水晶振動子３０による回転の検出動作は、前記特願２００２−２６４８７２に詳述されているので細部説明は省略するが、概略は次のとおりである。
まず、水晶振動子３０の非回転時の状態においては、駆動用電極３１ｃ、３１ｄ間に駆動信号を与えると、アーム部３１ａ、３１ｂには面内対称屈曲１次振動モードと呼ばれる屈曲振動（駆動モード）が発生する。
この駆動モードで振動している水晶振動子３０に結晶Ｚ軸周りの角速度（回転）を与えると、アーム部３１ａ、３１ｂにコリオリ力が働いて面内非対称屈曲２次モードと呼ばれる屈曲振動（検出モード）が発生する。

このとき第１、第２の双音さ支持部３２、３３にはそれぞれモーメントが発生するので第１、第２の検出部３４、３５はこれに対応してＸ方向に振動して、第１の検出電極３４ａ、３４ｂ間及び第２の検出電極３５ａ、３５ｂ間にはそれぞれ極性が互いに反転する二つの検出電圧が発生する。
この第１、第２の検出部３４、３５から出力する前記２つの検出電圧の差動成分を検出信号とすれば、回転角速度に比例した電圧を検出信号として得ることができる。

図４は、図３の水晶振動子３０を用いた双音さ型振動ジャイロセンサの構造例を示す図で、（ａ）は上蓋を省略した状態の上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ'縦断面図である。（特願２００３−２７９９３７参照）
同図（ａ）に示されるように、本双音さ型振動ジャイロセンサ（以下、振動ジャイロセンサという）は、双音さ形状の水晶振動子３０と、水晶材からなる台座４０と、台座４０を搭載するベース材４１と、複数のリード端子４２を備えたパッケージ基部４３と、下方に開口する凹部を備えた金属蓋４４とを備えている。

前記水晶振動子３０は、台座４０によってベース材４１上の水晶振動子３０の第１、第２の支持固定部３６、３７に対応する位置に図示しない接着材によって接合固定される。リード端子４２と該リード端子４２に対応する電極は、それぞれワイヤボンディング４５によって接続される。そして、所定の調整作業の後、金属蓋４４により水晶振動子３０を気密封止する。
特願２００２−２６４８７２ 特願２００３−２７９９３７

図３に示す従来の双音さ型振動ジャイロセンサにおいては、第１、第２の支持固定部３６、３７それぞれに設けられた１対の検出部出力の引き出し電極は各支持固定部上のアーム部３１の縦長方向に対して左右端に配置されている。
そのため、双音さ支持部３２、３３上に設けられた駆動信号用のリード電極３２ａ、３３ａのいずれか一方を基準電位（接地電位）として他方をＨＯＴ電位側リード電極とした場合、このＨＯＴ電位側リード電極は、前記引き出し電極のＨＯＴ電位側電極３６ａ、３７ｂのいずれかと隣接することになる。

そのため、ＨＯＴ電位側リード電極と隣接する一方の出力のＨＯＴ電位側引き出し電極のみが、駆動信号回路からの漏洩電界の影響を受けることになる。そのため、２つの引き出し電極３６ａ、３７ｂから出力されて差動増幅回路に入力する信号にアンバランスが生じるという問題があった。
また、本双音さ型振動ジャイロセンサでは、２つの引き出し電極のそれぞれのＨＯＴ電位側の電極が支持固定部上の図中左右の位置に配置されているので、検出信号処理回路の差動増幅器までの電気線路長に差異が生じる。そのため回路インピダンスが異なってノイズの影響に差が出てしまい、２つの検出電圧の差動分から得られる検出信号に誤差が生じるという問題があった。

また、図４（ｂ）に示されるように、本双音さ型振動ジャイロセンサは、水晶振動子３０は第１、第２の支持固定部３６、３７において台座４０を介して、例えば熱硬化型接着剤で振動ジャイロセンサのベース材４１に接着固定され、その後、金属蓋４４で密封して使用される。
しかしながら、２点を接着剤で固定した後、金属蓋４４でパッケージ基部４３を例えば溶接によって封止する際に、溶接の熱によって水晶振動子３０に応力が加わり、特性の劣化を招くという問題があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、動作時の電極間の影響を少なくして性能の劣化を防止し、精度の高い双音さ型振動ジャイロセンサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の双音さ型振動ジャイロセンサにおいては、表面に駆動用電極を備えた２本のアーム部と、前記アーム部の両端を支持し、それぞれ前記駆動用電極へ駆動信号を供給するリード電極を備えた第１、第２の双音さ支持部と、前記第１、第２の双音さ支持部にそれぞれ接続し第１、第２の検出電極を備えた第１、第２の検出部と、前記第１、第２の検出部のそれぞれの一端を支持し、前記第１、第２の検出電極の検出信号を出力するそれぞれ１対の引き出し電極を備えた第１、第２の支持固定部とが一体となった圧電振動子の前記第１、第２の支持固定部を、パッケージ基部に接着によって固定し、金属蓋で密封する構造の双音さ型振動ジャイロセンサであって、前記第１、第２の支持固定部の１対の引き出し電極のそれぞれのＨＯＴ電位側の電極を、前記第１、第２の支持固定部上の一方のアーム部側端に備えると共に、前記第１、第２の双音さ支持部のリード電極のＨＯＴ電位側の電極を前記第１、第２の支持固定部上の他方のアーム部側端に備えることを特徴とする。

本発明の双音さ型振動ジャイロセンサにおいては、表面に駆動用電極を備えた２本のアーム部と、前記アーム部の両端を支持し、それぞれ前記駆動用電極へ駆動信号を供給するリード電極を備えた第１、第２の双音さ支持部と、前記第１、第２の双音さ支持部にそれぞれ接続し第１、第２の検出電極を備えた第１、第２の検出部と、前記第１、第２の検出部のそれぞれの一端を支持し、前記第１、第２の検出電極の検出信号を出力するそれぞれ１対の引き出し電極を備えた第１、第２の支持固定部とが一体となった圧電振動子の前記第１、第２の支持固定部を、パッケージ基部に接着によって固定し、金属蓋で密封する構造の双音さ型振動ジャイロセンサであって、前記第１、第２の支持固定部のいずれか一方は紫外線硬化型接着剤を塗布硬化させてパッケージ基部に固着し、他方の支持固定部は熱硬化方接着剤を塗布硬化させて固着するものであって、前記熱硬化方接着剤の硬化は、水晶振動子を金属蓋で密封した後に加熱して硬化させるようにしたことを特徴とする。

本発明においては、双音さ型振動ジャイロセンサの電極構成を、双音さ支持部に設けられている駆動信号用のリード電極についてはそのＨＯＴ電位側の電極を双音さ支持部上の一方のアーム部側に配置すると共に、支持固定部に設けられている検出部出力引き出し電極についてはそのＨＯＴ電位側の電極を支持固定部上の他方のアーム部側に配置するようにした。
その結果、駆動信号用のＨＯＴ電位側のリード電極が、検出部出力の引き出し電極のいずれのＨＯＴ電位側の電極にも隣接することがないので、引き出し電極の検出部出力信号は、駆動信号回路からの漏洩電界の影響をうけることはない。さらに、前記のように検出部出力信号の引き出し電極を配置することによって、検出信号処理回路の差動増幅器までの電気線路長を容易に同じにすることができるので、差動増幅器の入力回路インピダンスのバランスをとることができ、検出誤差を小さくすることができる。

また、水晶振動子の２箇所の支持固定部を振動ジャイロセンサのパッケージ基部に固着するにあたって、一方の支持固定部は紫外線硬化型接着剤を塗布し、他方の支持固定部は熱硬化型接着剤を塗布して水晶振動子をパッケージ基部に載置し、先ず紫外線硬化型接着剤を硬化させて固着し、次に金属蓋で水晶振動子を密封した後、熱硬化型接着剤を加熱して硬化させるようにしたので、水晶振動子の熱による応力歪の発生を抑えて特性の劣化を防止することができる。
したがって本発明の双音さ型振動ジャイロセンサによれば、精度の高い双音さ型振動ジャイロセンサを提供する上で顕著な効果を有する。

本発明を図面に示した実施の形態に基づいて説明する。図１は、本発明に係わる双音さ型振動ジャイロセンサの構造の一形態例を示す図で、上蓋を省略した状態の上面図である。なお、本双音さ型振動ジャイロセンサは、水晶振動子の電極構成と該水晶振動子の固着方法とを除いて、図４に示された従来の双音さ振動ジャイロセンサの構造と同一であり、また、回転検出の原理は図３における説明と同じであるので、同一部分の詳細な説明は省略する。
図１に示されるように、本双音さ振動ジャイロセンサ（以下単に、振動ジャイロセンサという）１は、双音さ形状の水晶振動子１０と、水晶からなる台座２と、台座２を搭載するベース材３と、複数のリード端子４を備えたパッケージ基部５と、図示しない金属蓋とを備えている。

図２は、前記水晶振動子１０の外観図であって、その構造は次のとおりである。
同図に示すように、水晶振動子１０は、水晶薄片を双音さ形状に加工し、その表面に所定の電極を形成したものであって、駆動部１１と、第１の双音さ支持部１２と、第２の双音さ支持部１３と、第１の検出部１４と、第２の検出部１５と、第１の支持固定部１６と、第２の支持固定部１７とを備えている。

前記駆動部１１は、一対の短冊状のアーム部１１ａ、１１ｂと該アーム部１１ａ、１１ｂの表面に駆動電極１１ｃ、１１ｄとを有し、前記第１、第２の双音さ支持部１２、１３は駆動部１１の両端を支持すると共に、駆動電極１１ｃ、１１ｄに外部から駆動信号を供給するためのリード電極１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ（１２ａ、１３ｂは、裏面に設けられた駆動電極用のリード電極）を備えている。
前記第１の検出部１４は第１の検出電極１４ａ、１４ｂを有し、第１の双音さ支持部１２を介してアーム部１１ａ、１１ｂの振動を検出し、前記第２の検出部１５は第２の検出電極１５ａ、１５ｂを有し第２の双音さ支持部１３を介してアーム部１１ａ、１１ｂの振動を検出する。

また、前記第１の支持固定部１６は、第１の検出部１４の一端を支持すると共に第１の検出電極１４ａ、１４ｂに接続する一対の引き出し電極１６ａ、１６ｂを有し、前記第２の支持固定部１７は、第２の検出部１５の一端を支持すると共に第２の検出電極１５ａ、１５ｂに接続する一対の引き出し電極１７ａ、１７ｂとを有する。
ここで、同図に図示した前記駆動電極と第１、第２の検出電極と引き出し電極の電極パターンは裏面にも同様な電極パターンが形成され、側面のパターンを介して接続されている。

本水晶振動子１０の特徴は、前記第１、第２の支持固定部１６、１７にそれぞれ設けられた一対の引き出し電極１６ａ−１６ｂ、１７ａ−１７ｂのそれぞれのＨＯＴ電位側の電極（本例では１６ｂ、１７ｂ）が、共にそれぞれの支持固定部上の一方のアーム部（図中、アーム部１１ｂ）側に配置され、前記第１、第２の双音さ支持部１２、１３にそれぞれ設けられたリード電極１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂのそれぞれのＨＯＴ電位側の電極（本例では１２ａ、１３ａ）が、共にそれぞれの双音さ支持部上の他方のアーム部（図中、アーム部１１ａ）側に配置されている点である。

上記のように各電極を配置することによって、第１、第２の支持固定部１６、１７上の検出部出力のＨＯＴ電位側引き出し電極１６ａ、１７ｂは、第１、第２の双音さ支持部１２、１３上の基準電位（接地電位）側のリード電極１２ｂ、１３ｂと隣接することになるので、駆動信号回路からの漏洩電界の影響を受けることはない。
また、ＨＯＴ電位側引き出し電極１６ａ、１７ｂは、それぞれの支持固定部１６、１７上の一方のアーム部側端に配置されているので、検出信号処理回路の差動増幅器までの電気線路長を容易に同じにすることができるので、差動増幅器の入力回路インピダンスを揃えることができる。

図１において、水晶振動子１０を振動ジャイロセンサ１のパッケージ基部５に装着する方法は、次の手順による。
水晶振動子１０の第１、第２の支持固定部１６、１７のそれぞれに台座２を固着する。
第１、第２の支持固定部１６、１７に固着された台座２のベース材３との接合面に、一方の台座２には紫外線硬化型接着剤を、他方の台座２には熱硬化型接着剤を、それぞれ塗布して所定の位置に載置する。
紫外線を照射して一方の台座２の紫外線硬化型接着剤を硬化させてベース材３に固着させる。
図示しない金属蓋をパッケージ基部５に溶接して、水晶振動子１０を封止する。
加熱処理して他方の台座２の熱硬化型接着剤を硬化させ、ベース材３に固着させる。
上記方法で水晶振動子１０をパッケージ基部５に装着することによって、金属蓋を溶接する際の熱によって振動子に応力が加わることを防止できる。また、手順（５）の加熱処理は、熱硬化型接着剤の硬化と同時に、振動ジャイロセンサのパッケージに加わった残留応力を取り除くためアニーリングを兼ねて行われるので、組立て作業時間の短縮が可能となる。

本発明に係わる双音さ型振動ジャイロセンサの構造の一形態例を示す図で、上蓋を省略した状態の上面図。 本発明に係わる水晶振動子の外観図。 特願２００２−２６４８７２に示されている双音さ型振動ジヤイロセンサの水晶振動子の外観図。 図３の水晶振動子３０を用いた双音さ型振動ジャイロセンサの構造例を示す図で、（ａ）は上蓋を省略した状態の上面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ'縦断面図。

符号の説明

１・・双音さ振動ジャイロセンサ、 ２・・台座、 ３・・ベース材、
４・・リード端子、 ５・・パッケージ基部、 １０・・水晶振動子、 １１・・駆動部、
１１ａ、１１ｂ・・アーム部、１１ｃ、１１ｄ・・駆動電極、１２・・第１の双音さ支持部、
１２ａ、１２ｂ、・・リード電極、 １３・・第２の双音さ支持部、
１３ａ、１３ｂ・・リード電極、１４・・第１の検出部、１４ａ、１４ｂ・・第１の検出電極、
１５・・第２の検出部、１５ａ、１５ｂ・・第２の検出電極、１６・・第１の支持固定部、
１６ａ、１６ｂ・・引き出し電極、 １７・・第２の支持固定部、
１７ａ、１７ｂ・・引き出し電極、
３０・・水晶振動子、３１・・駆動部、３１ａ、３１ｂ・・アーム部、
３１ｃ、３１ｄ・・駆動電極、３２・・第１の双音さ支持部、３２ａ、３３ａ・・リード電極、
３３・・第２の双音さ支持部、３２ａ、３３ａ・・リード電極３４・・第１の検出部、
３４ａ、３４ｂ・・第１の検出電極、３５・・第２の検出部、
３５ａ、３５ｂ・・第２の検出電極、３６・・第１の支持固定部、
３６ａ、３６ｂ・・引き出し電極、 ３７・・第２の支持固定部、
３７ａ、３７ｂ・・引き出し電極、４０・・台座、４１・・ベース材、４２・・リード端子、
４３・・パッケージ基部、４４・・金属蓋

Claims (2)

1. 表面に駆動用電極を備えた２本のアーム部と、前記アーム部の両端を支持し、それぞれ前記駆動用電極へ駆動信号を供給するリード電極を備えた第１、第２の双音さ支持部と、前記第１、第２の双音さ支持部にそれぞれ接続し第１、第２の検出電極を備えた第１、第２の検出部と、前記第１、第２の検出部のそれぞれの一端を支持し、前記第１、第２の検出電極の検出信号を出力するそれぞれ１対の引き出し電極を備えた第１、第２の支持固定部とが一体となった圧電振動子の前記第１、第２の支持固定部を、パッケージ基部に接着によって固定し、金属蓋で密封する構造の双音さ型振動ジャイロセンサであって、
   前記第１、第２の支持固定部のいずれか一方は紫外線硬化型接着剤を塗布硬化させてパッケージ基部に固着し、他方の支持固定部は熱硬化方接着剤を塗布硬化させて固着するものであって、前記熱硬化方接着剤の硬化は、水晶振動子を金属蓋で密封した後に加熱して硬化させるようにしたことを特徴とする双音さ型振動ジャイロセンサ。
2. 表面に駆動用電極を備えた２本のアーム部と、前記アーム部の両端を支持し、それぞれ前記駆動用電極へ駆動信号を供給するリード電極を備えた第１、第２の双音さ支持部と、前記第１、第２の双音さ支持部にそれぞれ接続し第１、第２の検出電極を備えた第１、第２の検出部と、前記第１、第２の検出部のそれぞれの一端を支持し、前記第１、第２の検出電極の検出信号を出力するそれぞれ１対の引き出し電極を備えた第１、第２の支持固定部とが一体となった圧電振動子の前記第１、第２の支持固定部を、パッケージ基部に接着によって固定し、金属蓋で密封する構造の双音さ型振動ジャイロセンサの製造方法であって、
   前記第１、第２の支持固定部のいずれか一方は紫外線硬化型接着剤を塗布硬化させてパッケージ基部に固着し、他方の支持固定部は熱硬化方接着剤を塗布硬化させて固着するものであって、前記熱硬化型接着剤の硬化は、水晶振動子を金属蓋で密封した後に加熱して硬化させるようにしたことを特徴とする双音さ型振動ジャイロセンサの製造方法。

Images