JP4775502B2

JP4775502B2 - 角速度センサ素子

Info

Publication number: JP4775502B2
Application number: JP2010241628A
Authority: JP
Inventors: 英謙西脇; 信和林
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2010-10-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2025-07-21
Also published as: JP2011059125A

Description

本発明は、航空機、車両など移動体の姿勢制御やナビゲーションシステムおよびカメラ等の民生用機器の手ぶれ補正等に用いられる角速度センサ素子に関するものである。

一般に、航空機、車両など移動体の姿勢制御やナビゲーションシステムおよびカメラ等の民生用機器の手ぶれ補正等に用いられる角速度センサ素子には、柱状の形状のものと音叉形状のもの、さらにはアルファベットの「Ｈ」形状のものなどがある。ここでは、音叉形状のものを例にして説明する。角速度センサ素子は固着部と一対の柱状の振動部とにより構成され、それぞれの振動部の上面には２つの駆動電極と１つの検出電極およびモニタ電極が同一面上に形成されている。固着部の上面には外部への出力取り出し用の電極部が設けられており、そしてこの出力取り出し用の電極部は、駆動電極、検出電極およびモニタ電極のそれぞれと同一面上に形成された配線パターンにより接続されている。角速度センサ素子は台座等に実装された後、ワイヤーボンディング等により外部回路と接続され、処理回路であるＩＣとともにパッケージされて、角速度センサとなる。

角速度センサ素子の各振動部の２つの駆動電極に交流電圧を印加することにより固有振動数で屈曲運動させることができる。このとき、ある瞬間に振動部のある部分が速度Ｖで運動しているとする。角速度センサ素子が振動部の長手方向と平行な軸周りに角速度ωで回転すると、振動部にＦ＝２ｍＶ・ωのコリオリ力が発生する。このコリオリ力により検出電極に電荷が発生し、これを外部の処理回路で増幅し処理することにより角速度を検出する。

角速度センサ素子を作製する場合、角速度センサ素子の耐久信頼性向上や、電極間への異物の付着によるショート防止等のために、角速度センサ素子の表面に保護膜を設ける場合がある。

なお、この出願の発明に関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。

特開平１１−１４５７５８号公報

しかしながら、上記従来の角速度センサ素子は、振動部の全面にわたって浸漬と熱処理によって保護膜を形成するため、この保護膜の膜厚が均一でないと、振動部が振動した際に振動方向以外にも振動し、これにより、角速度が加わっていなくても検出電極に電荷が発生し、誤検出をしてしまうという課題を有していた。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、誤検出を低減させることができるとともに、角速度センサ素子の耐久信頼性を向上させることができる角速度センサ素子を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有するものである。

本発明の請求項１に記載の発明は、振動部と、この振動部を支持する固着部と、前記振動部の一面に形成され、かつこの振動部を励振させる駆動電極と、前記振動部における前記駆動電極と同一方向の面に形成され、かつ前記振動部が回転運動をすることにより励振方向の垂直方向に生じる振動を検知する検出電極とを備え、前記振動部における前記駆動電極および前記検出電極が形成された面に前記駆動電極および前記検出電極を覆う保護膜を設けたもので、この構成によれば、前記振動部における前記駆動電極および前記検出電極が形成された面に前記駆動電極および前記検出電極を覆う保護膜を設けているため、角速度センサ素子の耐久信頼性を向上させることができ、また、保護膜を振動部と固着部との境界部にも形成し、かつこの境界部に位置する保護膜に溝を設けたため、振動部において振動した際の歪が最も大きい部分である振動部と固着部との境界部に位置する保護膜に溝を設けることとなり、効率よく角速度を検知することができ、さらに、振動部と固着部との境界部における角速度センサ素子の保護を図ることができるという作用効果を有するものである。

本発明の請求項２に記載の発明は、特に、振動部における保護膜に振動部の長手方向と直角の方向に１または２以上の溝を形成したもので、この構成によれば、振動部において保護膜を形成したことによる曲げ剛性の上昇を低下させることができるため、駆動効率の低下を減少させることができるという作用効果を有するものである。

以上のように本発明の角速度センサ素子は、振動部と、この振動部を支持する固着部と、前記振動部の一面に形成され、かつこの振動部を励振させる駆動電極と、前記振動部における前記駆動電極と同一方向の面に形成され、かつ前記振動部が回転運動をすることにより励振方向の垂直方向に生じる振動を検知する検出電極とを備え、前記振動部における前記駆動電極および前記検出電極が形成された面に前記駆動電極および前記検出電極を覆う保護膜を設けたもので、この構成によれば、前記振動部における前記駆動電極および前記検出電極が形成された面に前記駆動電極および前記検出電極を覆う保護膜を設けているため、角速度センサ素子の耐久信頼性を向上させることができ、また、保護膜を振動部と固着部との境界部にも形成し、かつこの境界部に位置する保護膜に溝を設けたため、振動部において振動した際の歪が最も大きい部分である振動部と固着部との境界部に位置する保護膜に溝を設けることとなり、効率よく角速度を検知することができ、さらに、振動部と固着部との境界部における角速度センサ素子の保護を図ることができるという優れた効果を奏するものである。

本発明の実施の形態１における角速度センサ素子の上面図図１のＡ−Ａ線断面図本発明の実施の形態１における角速度センサ素子の製造中の部分拡大図本発明の実施の形態２における角速度センサ素子の断面図本発明の実施の形態３における角速度センサ素子の断面図本発明の実施の形態４における角速度センサ素子の側面図同角速度センサ素子の第１のバリエーションの側面図同角速度センサ素子の第２のバリエーションの側面図

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における角速度センサ素子について、図面を参照しながら説明する。

ここで、図１は本発明の実施の形態１における角速度センサ素子の上面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図、図３は本発明の実施の形態１における角速度センサ素子の製造中の部分拡大図である。

図１〜図３において、１はＳｉからなる基板で、この基板１は略音叉形状を有している。２は音叉形状の基板１において振動可能な振動部で、この振動部２は直方体形状であって、略平行に２本並んで配置されている。３は振動部２を支持している固着部である。４は前記振動部２上に形成された下部電極で、この下部電極４はそれぞれの振動部２の長手方向に略平行に３本ずつ形成されている。５はそれぞれの下部電極４上に形成された圧電体で、この圧電体５はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）薄膜により構成されている。６は３本の圧電体５のうち、両側に位置する圧電体５上に形成された駆動電極であり、７は３本の圧電体５のうち、中央に位置する圧電体５上に形成された検出電極である。８は前記振動部２における駆動電極６および検出電極７が形成された面に、この駆動電極６および検出電極７を覆うように形成された保護膜である。９は前記駆動電極６または検出電極７と電気的に接続されると共に、外部の電気回路（図示せず）と接続するための導線等と物理的に接続するための接続電極である。この接続電極９と外部の電気回路との接続方法としては、例えばワイヤーボンディングで接続する方法があるが、はんだ付けでリード線を接続してもよい。また、外部の電気回路の基板上にランドを形成しておき、そのランドと直接接触させて接続させるフェイスダウン法によって接続してもよい。

次に、本発明の実施の形態１における角速度センサ素子の製造方法について説明する。

まず、Ｓｉからなる円盤状のウェハである基板１上に、スパッタまたは蒸着により下部電極４となるＰｔとＴｉを約０．４μｍの膜厚となるように成膜し、引き続き圧電体５となる膜厚約２．５μｍのＰＺＴを成膜する。この上に駆動電極６または検出電極７となるＡｕとＴｉを約０．３μｍの膜厚となるように成膜する。その後、上記のように積層された薄膜をフォトリソグラフィー、エッチングにより所定のパターン形状に加工する。次に駆動電極６と下部電極４間、および検出電極７と下部電極４間に電圧を印加することにより圧電体５の分極ベクトル方向を一定方向に揃える。この後、スピンコートにより保護膜８となるポリイミドを塗布、乾燥させる。この状態が図３である。そして、保護膜８をフォトリソグラフィーおよびウェット処理により所定の形状にパターニングする。この時、接続電極９や素子分割時にダイシングを行う箇所には保護膜８を形成しないようにしておく。その後、２５０〜３００℃でポリイミドの硬化のための熱処理を行うが、この熱処理により圧電体５の安定化の効果も同時に得ることができる。保護膜８を形成した後、エッチングおよびダイシングを行うことにより、各素子の形状形成と分割を行い、角速度センサ素子を得る。

次に、以上のようにして製造された角速度センサ素子の動作について説明する。

圧電体５は圧電特性を有するものであり、電圧を印加すると歪みを生じ、また機械的に歪みを生じさせると電位を生じるものである。この性質を利用して角速度センサ素子の振動部２を励振させる。具体的には、駆動電極６とこれと対向する下部電極４間に交流電圧を印加する際に、１本の振動部２における２本の駆動電極６への電圧印加の位相を１８０°ずらす等の工夫をすることによって、振動部２を図１における紙面左右方向へ励振させることができる。他方の振動部２における駆動電極６についても同様に電圧を印加する。このとき、２本の振動部２を略平行な状態に振動させるのではなく閉じたり開いたりするように振動させる。すなわち、図１において、右側の振動部２が右に傾いているときには、左側の振動部２を左側へ傾け、一方、右側の振動部２が左に傾いているときには、左側の振動部２を右側へ傾けるような振動の状態にする。

このような振動を行っているときに、角速度センサ素子を振動部２の長手方向に平行な軸周りに角速度運動をさせると、コリオリの力により振動部２が図１における紙面手前側または紙面奥側へ歪まされ、これにより検出電極７に接している圧電体５中に電位が生じる。この電位を知ることによって、角速度センサ素子に与えられた角速度を検出することができる。

上記した本発明の実施の形態１における角速度センサ素子は、振動部２における駆動電極６および検出電極７が形成された面のみに、駆動電極６および検出電極７を覆うように保護膜８を形成し、そして駆動電極６および検出電極７が形成されない振動部２の側面および裏面には保護膜８を形成していないため、保護膜８を形成する面積を小さくできる。すなわち、必要な部分のみに保護膜８を形成することにより、保護膜８の厚みのばらつきに起因する誤検出を極力低減させることができ、かつ角速度センサ素子の耐久信頼性も向上させることができる。

また、保護膜８を振動部２の熱膨張係数と等しい熱膨張係数の材料で構成すれば、使用温度が変化しても検出電極７の近傍においては、実質的に熱応力が発生せず、これにより、使用温度によらず精度の高い角速度の検出ができる。

そしてまた、保護膜８は樹脂系の材料で構成しているため、振動部２の動作を阻害することはなく、かつ機械的強度にも優れた保護膜８が得られる。

さらに、保護膜８の厚みを０．１μｍ〜５μｍの範囲の厚みに設定すれば、振動部２の動作を阻害することはなく、保護膜８としての効果が得られる。

さらにまた、保護膜８をスピンコートまたはディップにより形成すれば、安定して安価な方法で優れた保護膜８を得ることができる。

また、圧電体５の分極を行う工程の後に保護膜８を形成する工程を設けているため、保護膜８が分極時の熱によりダメージを受けることもないという効果が得られるものである。

（実施の形態２）
以下、実施の形態２に記載の発明について説明する。

図４は本発明の実施の形態２における角速度センサ素子の断面図を示したもので、この図４においては、上記した本発明の実施の形態１の構成と同様の構成を有するものについては、同一番号を付しており、その説明は省略する。

この図４に示すように、本発明の実施の形態２が上記した実施の形態１と相違する点は、角速度センサ素子をパッケージ１２で囲んだ点である。

図４において、１０は上パッケージ、１１は下パッケージで、この下パッケージ１１と前記上パッケージ１０とによりパッケージ１２を構成している。そして、このパッケージ１２の内部には角速度センサ素子が配置されている。また、パッケージ１２を構成する材料としては、金属や、セラミックなどが考えられるが、パッケージ１２を封止するために上パッケージ１０と下パッケージ１１の溶接を行うためには、少なくとも上パッケージ１０と下パッケージ１１との接合部は金属である必要がある。このようにパッケージ１２の内部に角速度センサ素子を配置することにより、外部からの機械的衝撃から角速度センサ素子を保護することができる。また、パッケージ１２を真空状態にしたり、あるいは窒素を充填し、酸素を排除することにより、角速度センサ素子の酸化防止も図ることができるため、角速度センサ素子の耐久信頼性も向上させることができる。なお、この場合、保護膜８を形成することにより、下部電極４、圧電体５、駆動電極６および検出電極７は保護膜８で覆われるため、これらの電極等の耐久信頼性の向上も図ることができ、さらには、パッケージ１２による保護との相乗効果によって、角速度センサ素子の保護をより一層強固に行うことができる。

また、この場合には、パッケージ１２が密封状態となるように上パッケージ１０と下パッケージ１１とを封止するように接合する必要がある。この接合方法として溶接を用いることができるが、この溶接時にはパッケージ１２を構成する金属がパッケージ１２から剥がれて、パッケージ１２内に混入するおそれがある。このような場合であっても、保護膜８が下部電極４、駆動電極６および検出電極７を覆っているため、これらの間のショートを防止することができる。

上記したように本発明の実施の形態２における角速度センサ素子は、角速度センサ素子をパッケージ１２で囲んでいるため、機械的衝撃に対しては主としてパッケージ１２によって角速度センサ素子を保護することができ、また、耐久信頼性の向上はパッケージ１２と保護膜８により行い、さらに、電極間のショート防止に対しては主として保護膜８により行うようにしているため、角速度センサ素子の保護をより適切に行うことができるものである。

また、溶接でパッケージ１２を封止する場合には、溶接時に金属片が飛び散ることがあるが、この場合も、保護膜８で覆っているため、下部電極４、駆動電極６、検出電極７間のショートを防止することができるものである。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３における角速度センサ素子について、図面を参照しながら説明する。

図５は本発明の実施の形態３における角速度センサ素子の断面図を示したものであり、この図５においては、上記した本発明の実施の形態１の構成と同様の構成を有するものについては、同一番号を付しており、その説明は省略する。

この図５に示すように、本発明の実施の形態３が上記した実施の形態１と相違する点は、保護膜８を、振動部２における駆動電極６等が形成された面と、この面と対向する面の両方に形成した点である。

図５において、８は保護膜で、この保護膜８は振動部２における駆動電極６および検出電極７が形成された面だけでなく、この面と対向する面にも形成されているものである。

この角速度センサ素子の製造方法は、上記した本発明の実施の形態１における角速度センサ素子の製造方法と同様にして行うことができるもので、振動部２における駆動電極６および検出電極７が形成された面に保護膜８を形成する工程の前後、または同時にこの面と対向する面に保護膜８を形成すればよい。

このように、振動部２の上下面に均等に保護膜８を形成することにより、振動時に上下方向の不要信号が発生しないという効果を得ることができるものである。

なお、本発明の実施の形態３における角速度センサ素子についても、上記本発明の実施の形態２で説明したように、角速度センサ素子の周囲をパッケージ１２で囲む構成にすることができるもので、この場合にも、上記本発明の実施の形態２と同様の効果を得ることができるものである。

（実施の形態４）
以下、本発明の実施の形態４における角速度センサ素子について、図面を参照しながら説明する。

図６は本発明の実施の形態４における角速度センサ素子の側面図を示したもので、この図６においては、上記した本発明の実施の形態１の構成と同様の構成を有するものについては、同一番号を付しており、その説明は省略する。

この図６に示すように、本発明の実施の形態４が上記した本発明の実施の形態１と相違する点は、保護膜８の形状を変えている点である。

この図６に示す角速度センサ素子は、保護膜８と振動部２と固着部３にそれぞれ形成し、そして、振動部２と固着部３との境界部には保護膜８を形成せずに、欠落部を設けたものである。この製造方法としては、振動部２と固着部３との境界部をマスクした状態で保護膜８を形成しても良いし、一方、保護膜８を図６における振動部２の上面全体に形成した後にエッチング等により欠落部を形成してもよいものである。

この構成によれば、振動部２において振動した際の歪が最も大きい部分である振動部２と固着部３との境界の保護膜８を欠落させているため、効率よく角速度を検知することができるものである。

上記本発明の実施の形態４における角速度センサ素子の構成は上記構成に限定されることはなく、様々なバリエーションをとり得るもので、これらについて、図７、図８を用いて説明をする。

図７は本発明の実施の形態４における角速度センサ素子の第１のバリエーションの側面図を示したもので、この図７に示す角速度センサ素子は、保護膜８を振動部２と固着部３との境界部にも形成し、かつこの境界部に位置する保護膜８を他の部分より薄く形成したものである。言い換えると、振動部２と固着部３との境界部に位置する保護膜８に溝を形成したものである。このようにすれば、振動部２と固着部３との境界部における角速度センサ素子の保護を図ることができるとともに、効率よく角速度を検知することができるものである。

図８は本発明の実施の形態４における角速度センサ素子の第２のバリエーションの側面図を示したもので、この図８に示す角速度センサ素子は、保護膜８に振動部２の長手方向と直角の方向に１または２以上の溝を形成したものである。この構成によれば、振動部２に保護膜８を形成したことによる曲げ剛性の上昇を低下させることができるため、効率よく角速度を検知することができるものである。

なお、図６〜図８に記載のいずれの角速度センサ素子も、本発明の実施の形態２のようにパッケージ１２の中に配置させることができるとともに、図５に示す本発明の実施の形態３のように振動部２の上下に保護膜８を形成することもできるものである。さらに、本発明の実施の形態２と実施の形態３の両方を適用すれば、パッケージ１２の中に配置させることができるとともに、振動部２の上下に保護膜８を形成することもできるものである。

本発明にかかる角速度センサ素子は、誤検出を低減させることができるとともに、角速度センサ素子の耐久信頼性も向上させることができるもので、航空機、車両など移動体の姿勢制御やナビゲーションシステムの他、カメラ等の民生用機器の手ぶれ補正等のセンサ等として有用である。

１基板
２振動部
３固着部
４下部電極
５圧電体
６駆動電極
７検出電極
８保護膜
９接続電極
１０上パッケージ
１１下パッケージ
１２パッケージ

Claims

振動部と、この振動部を支持する固着部と、前記振動部の一面に形成され、かつこの振動部を励振させる駆動電極と、前記振動部における前記駆動電極と同一方向の面に形成され、かつ前記振動部が回転運動をすることにより励振方向の垂直方向に生じる振動を検知する検出電極とを備え、前記振動部における前記駆動電極および前記検出電極が形成された面に前記駆動電極および前記検出電極を覆う保護膜を設けるとともに、保護膜を振動部と固着部との境界部にも形成し、さらにこの境界部に位置する保護膜に溝を設けた角速度センサ素子。
振動部における保護膜に振動部の長手方向と直角の方向に１または２以上の溝を形成した請求項１記載の角速度センサ素子。