JP4915483B2 - 振動ジャイロの製造方法 - Google Patents

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本発明は、角速度に対応した信号を高精度に出力する振動ジャイロの製造方法に関するものである。
この種の振動ジャイロの従来例としては、図6に示すような構成のものがある。
図6の従来構成において、まず振動子10は支持基板30に取り付けられる際、振動子10の感度軸方向の基準となる位置決めが設けられていないため、例えば画像処理等で支持基板30上にある何らかの部品の一部を基準に合わせ込みを行い、振動子10が支持基板30に取り付けられていた。そのため、画像処理の精度や基準となる部品の加工精度によっては、振動子10の感度軸は目的とする所定の基準軸に対して回転した状態で取り付けられる場合があった。この時の感度軸誤差(以降、他軸感度と呼ぶ)による影響としては(式1)で表される。
S=(1−COSθ)×100% (式1)
ここで、Sは他軸感度、θは回転角度誤差を表す。
例えば、回転角度誤差が3度の場合、他軸感度は約0.14%となり、ユーザーの所定感度(100%)に対して約0.14%の影響が発生することになる。またこの影響を除去するため、製造工程にて他軸感度を確認し、不良品を選別するための工程が設けられる場合もあった。
さらには、図6のように振動子10の上には蓋体50が被せられた状態でユーザーに納められるため、この振動ジャイロ1を各ユーザーで電子制御装置の基板に実装する際、振動子10の状態や画像処理で基準としていた部品は蓋体50によって把握することができない状態となるため、ユーザー側での実装精度によっては、さらに目的とする所定の感度軸がずれる場合が考えられた。
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2001−227953号公報
前記従来の構成では、振動ジャイロ1の出力が(式1)で表されるように最終製品で必要とする角速度感度軸に対して100%の制御ができず、さらには本来発生しない角速度感度軸に他軸感度分の角速度出力が発生しこれらがノイズ成分となり、目的とする角速度信号の制御ができなくなるという課題を有していた。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、支持基板に振動子の所定の感度軸方向を定める位置決めを形成し、この位置決めを基準にユーザー側で電子制御装置に実装することによって、他軸感度を発生させない高精度な振動ジャイロを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は振動ジャイロの支持基板に振動子を所定の感度軸方向に支持するための位置決めと、支持基板の裏面に上下左右対称のセルフアライメントを設け、位置決めを基準にして前記セルフアライメントを前記支持基板の裏面に設ける工程を有することにより、所定の角速度感度軸に対して他軸感度による影響を受けることなく正確で高精度な角速度信号を検出するようにしたものである。
また、2軸の角速度を検知する振動ジャイロが必要な場合、本発明の振動ジャイロでは、位置決めを基準にして支持基板上に2つの振動子を正確にそれぞれ垂直に配置して1個の振動ジャイロを構成しているので、位置決めを基準に実装するだけで、正確で高精度な角速度信号を検出することが可能であり、さらには小型化ができるためユーザーの実装面積を最小化できるものである。
本発明の振動ジャイロによれば、振動子を所定の感度軸方向に支持するための位置決めと、支持基板の裏面に上下左右対称のセルフアライメントを設け、位置決めを基準にして前記セルフアライメントを前記支持基板の裏面に設ける工程を有することにより、所定の角速度感度軸に対して他軸感度による影響を受けることなく正確で高精度な角速度信号を検出することができる。
また、位置決めを基準にして支持基板上に2つの振動子を正確にそれぞれ垂直に配置することにより、小型で高精度な角速度信号を検出することができる。
本発明の実施の形態における振動ジャイロの全体を示す斜視図 同実施の形態における振動ジャイロの検出原理を示すブロック図 同実施の形態における振動ジャイロの位置決めの位置および形状を示す図 (a)同実施の形態における振動ジャイロのユーザー基板への位置決めの形状を示す図、(b)同実施の形態における振動ジャイロのユーザー基板へのもう一つの位置決めの形状を示す図 同実施の形態における振動ジャイロの支持基板裏面のセルフアライメントを示す図 従来の振動ジャイロを示す斜視図
図1に本発明の実施の形態における一実施例として、2軸の角速度信号を検出する振動ジャイロ1の構成を示す斜視図を、図2に本発明の実施の形態における一実施例として、1軸の角速度検出制御原理について、振動子11と半導体部品20および回路部品40のそれぞれの関係を表した回路ブロック図を示す。
図1において、振動ジャイロ1は2つの振動子11,12とこの振動子11,12を制御する半導体部品20と前記振動子11,12を支持しこの振動子11,12と前記半導体部品20を電気的に接続する回路部品40を含む支持基板30と、この支持基板30上に設けられた前記振動子11,12、半導体部品20および回路部品40を覆う蓋体50で構成したものであって、前記支持基板30には前記振動子11,12を所定の感度軸方向に支持するための位置決め301,302が設けられている。
支持基板30は積層されたセラミックあるいは樹脂材料からなり、その表面にはニッケルや金などで回路パターンが形成されている。振動子11,12が振動する部分および半導体部品20が実装される部分にはキャビティ部(凹部)が設けられ、それ以外の部分は平面部になっており、振動子11,12の基部部分と回路部品40および蓋体50がその平面部に実装されるようになっている。支持基板30の裏面部分には、角速度信号を得るために必要な電源端子やGND端子および角速度出力等のセルフアライメント電極が形成され、ユーザー基板とはリフロー実装が可能な構成となっている。
半導体部品20は振動子11,12の駆動や角速度の検出制御を行うものであり、支持基板30のキャビティ部にフェースダウンやワイヤーボンディング等により実装され電気的に接続される。またこの時、半導体部品20には結露、湿度の影響を受けないようにするために、電気的に接続される部分にアンダーフィル等に用いられるシール用の樹脂材料が注入される。
回路部品40は固定抵抗やコンデンサあるいはトリミング抵抗体等の部品であり、半導体部品20の感度や応答性などの調整に必要な部品である。これらの部品は、支持基板30の平面部に実装後銀ペースト等の導電性樹脂が塗布され、その後熱処理されて電気的に接続されるようになっており、トリミング抵抗体においては実装後レーザービーム等によりトリミングされ抵抗値が調整されるようになっている。
振動子11,12は音叉型のシリコンベースにPZT等の圧電体が形成されたもので、この圧電体に電気信号を加えると、それぞれ振動子11,12は支持基板30と水平に音叉振動するようになっている。また音叉振動している状態において振動子11,12にそれぞれ振動軸に対して回転角速度が加わると、振動している方向に対して垂直な方向にコリオリ力が発生して振動子11,12の各アームが交互にたわみ、このたわみによって圧電体には回転角速度に応じた電荷がそれぞれ発生するようになっている。
さらに詳しい説明をすると、図1のY軸に水平に実装された振動子11は、X軸方向に振動し、この状態においてY軸に対して回転角速度ωYが加わった場合、振動子11の各アームにはコリオリ力により電荷が発生し、垂直に配置された振動子12には電荷は発生しないようになっている。逆に図1のX軸に水平に実装された振動子12は、Y軸方向に振動し、この状態においてX軸に対して回転角速度ωXが加わった場合、振動子12の各アームにはコリオリ力により電荷が発生し、垂直に配置された振動子11には電荷は発生しないようになっている。そして、これらは基部部分が接着剤で支持基板30の平面部に固定され、その後ワイヤーボンディング等で支持基板30と電気的に接続されるようになっており、上記で説明した駆動、検出するために必要なアーム部分には支持基板30と接触しないようにキャビティ部が設けられる。
そして最後に、蓋体50は基本的に振動子11,12、半導体部品20あるいは回路部品40を覆い、湿度や水滴等の影響を防ぎ、外部との接触による影響をなくすように設けられている。
次に、本発明の振動ジャイロ1の駆動、検出原理について、図2を用いて説明する。
図2は振動子11を音叉アームの真上から見た図を示すもので、まず音叉型シリコンベース110の表面にクロムやニッケルおよび白金等の導電性の金属材料でセンサのGNDとなる中間電極120の膜が形成される。次にその上にはPZT系材料等の圧電膜が形成され、さらにその圧電膜上には金などの導電性電極が形成され、駆動電極101a,101b,102a,102b、駆動制御のモニタ電極103a,103bおよび検出電極105a,105bがそれぞれ図のように配置され形成されている。また、回路部は図に示すように半導体部品20がAGC回路、反転回路、差動回路、位相シフト回路、同期検波回路、平滑回路、増幅回路からなり、前記平滑回路、増幅回路においては調整機能として回路部品40が含まれる構成になっている。
まず駆動手段であるが、振動子11の駆動電極101a,101bに正弦波が印加されると、駆動電極102a,102bには前記正弦波が反転回路を介して入力されるので、前記正弦波と逆位相の正弦波が印加される。そしてこれらの正弦波形信号が繰り返し交互に与えられることによって、振動子11のアームは図のX軸方向に音叉駆動して振動する。この時、モニタ電極103a,103bには、音叉アームがX軸方向にたわむことによって電荷が発生する。そしてこの電荷を一定にするようにAGC回路は制御するようになっており、AGC回路はモニタ電極103a,103bに発生する電荷が一定になるように駆動電極101a,101bおよび102a,102bに与える信号レベルを制御するようになっている。つまり、音叉の振幅量が一定になるように制御される。
次に、検出制御手段について説明する。前記の駆動回路手段により音叉振動子11がX軸方向に音叉駆動している状態において、回転角速度が加わると振動子11の検出電極105a,105bの圧電体にはコリオリ力が発生し、この力によって振動子11の各アームが互いに図1のX軸およびY軸と直交するZ軸方向にたわむ。そして各検出電極105a,105bには駆動信号と90度ずれた正弦波の電荷がそれぞれ発生する。この時検出電極105aに発生する電荷と検出電極105bに発生する電荷は逆位相の関係となっていて、これらの検出電極105a,105bに発生した電荷はまず差動回路で加算され、次に位相シフト回路を通って位相が90度進んだ信号となる。そして次に、これらの信号は同期検波回路により前記モニタ電極103a,103bに発生する信号で同期検波され、平滑回路、増幅回路にて応答性や感度を調整した後、最終的にユーザーが要求する角速度に応じた信号が出力されるようになっている。実施例としては1軸用の角速度検出原理について説明を行ったが、これが2軸、3軸の角速度検出であっても基本的には角速度検出原理は同じなので2軸以上の角速度検出についての原理説明は省略する。
このような構成を有する振動ジャイロ1は、図1において振動子11,12を支持基板30に固定する際、位置決め301,302が設けられることによって、この位置決め301,302を基準に2つの振動子11,12はそれぞれ支持基板30に固定できるので、所定の角速度検出軸に対して他軸感度による影響を受けることなく、正確で高精度な角速度信号を検出することができる。さらに、この位置決め301,302は、蓋体50が振動子11,12、半導体部品20および回路部品40を覆い支持基板30に固定されても確認することができるようになっているので、これによって最終ユーザーにおいてもこの位置決め301,302を基準に振動ジャイロ1を正確に取り付けることが可能となり、本発明の振動ジャイロ1は所定の角速度検出軸に対して他軸感度による影響を受けることなく、正確で高精度な角速度信号を検出することができるのである。またこれらは振動子が複数であっても同じことが言える。
次に、この位置決め301,302について図3〜図6を用いて詳細な説明をする。
まず、図3は本発明の実施の形態における一実施例として、位置決め301,302のアライメントマークの位置と形状を示すものである。図3において、位置決め301,302の位置としては、支持基板30の対角線上あるいはコーナー部に設けられる。この位置決め301,302の配置位置は基本的に支持基板30の外周辺のいずれか一辺あるいは2辺を基準に決められたものである。また、この位置決め301,302の数量においては、支持基板30の対角線上であるコーナー部の2つだけでもよいが、その他の対角線上のコーナー部あるいは支持基板30の中心線上などに位置決め301〜308を図のような位置に配置することにより、さらに位置決め精度を上げて他軸感度の影響をなくすことができる。また、これら位置決め301〜308のアライメントマークの形においては、『、』、○、◎および◇、◆等の形にすることでより画像認識しやすい形が好ましい。
次に図4(a)、図4(b)は本発明の実施の形態における一実施例として、位置決め301,302の形を示すもので、その形としては例えば突起形状のものや孔状のものがある。これらの機能としては上記のアライメントマークと同様で、突起形状の場合は支持基板30のコーナー部に設けられた位置決め301,302のアライメントマークを基準にして支持基板30の裏面に設けられ、これらの突起は角速度感度軸を考慮して設けられたユーザー基板500の孔部501,502にそれぞれ挿入され固定される。一方、孔状形状の場合は、逆にユーザー基板500の突部503,504が位置決め301,302の孔部に挿入され固定されるか、あるいはユーザー基板500にも前記の孔部501,502が設けられ、その孔部と位置決め301,302の孔部の中心にリベット等を貫通させて固定する場合もある。これにより、所定の各角速度感度軸に対して他軸感度による影響を受けることなく、正確で高精度な角速度信号を検出することができるのである。また、前記で述べたようにこの支持基板30の裏面に設けられた位置決め301,302の形状的な突起あるいは孔状のものは、支持基板30表面のコーナー部に設けられた位置決め301,302のアライメントマークを基準に設けられたものなので、ユーザー基板500に実装する際は支持基板30表面の位置決め301,302を基準にしても同等な効果が得られるようになっている。
次に、図5は本発明の実施の形態における一実施例として、支持基板30の裏面に設けたセルフアライメントの配置を示す図である。
図5において、セルフアライメント200は支持基板30の表面の位置決め301,302を基準に支持基板30の裏面に上下左右対称に配置されており、これらによってユーザー基板にリフロー実装される際、半田と裏面のセルフアライメント200は互いに表面張力によって引き合い回転することなく正確に実装することができる。また、これらはセルフアライメント200の数が多くなるほど効果が高い。さらに、前述したようにこの支持基板30の裏面に設けたセルフアライメント200は、支持基板30表面のコーナー部に設けられた位置決め301,302のアライメントマークを基準に設けられたものなので、ユーザー基板に実装する際は支持基板30表面の位置決め301,302を基準にしても同等な効果が得られるようになっている。
本発明の振動ジャイロは、支持基板に振動子を所定の感度軸方向に支持するための位置決めを備えることにより、所定の角速度感度軸に対して他軸感度による影響を受けることなく、正確で高精度な角速度信号を検出することができるので、特にデジタルカメラ、ビデオカメラ、カーナビゲーション、車載制御などの電子制御装置への用途に有用である。
1 振動ジャイロ
11,12 振動子
20 半導体部品
30 支持基板
40 回路部品
50 蓋体
101a,101b,102a,102b 駆動電極
103a,103b モニタ電極
105a,105b 検出電極
200 セルフアライメント
301,302 位置決め
500 ユーザー基板
501,502 孔部
503,504 突部

Claims (7)

  1. 基部および振動部分を有する第1の振動子および第2の振動子と、この第1の振動子および第2の振動子を制御する半導体部品と、回路部品と、支持基板と、この支持基板上に設けた前記第1の振動子、第2の振動子、半導体部品および回路部品を覆う蓋体と、前記支持基板の表面に設けられた前記第1の振動子および第2の振動子を所定の感度軸方向に支持するための位置決めと、前記支持基板の裏面に設けられた上下左右対称のセルフアライメントと、を備えた振動ジャイロの製造方法であって、前記位置決めを基準にして前記セルフアライメントを前記支持基板の裏面に設ける工程と、前記半導体部品及び回路部品を前記支持基板の表面に実装する工程と、前記位置決めを基準にして前記第1の振動子及び第2の振動子を前記支持基板の表面に実装する工程と、を有する振動ジャイロの製造方法。
  2. 位置決めを基準として第1の振動子と第2の振動子とが垂直となるように配置した請求項1記載の振動ジャイロの製造方法。
  3. 位置決めを支持基板のコーナー部付近に少なくとも2つ以上設けた請求項1記載の振動ジャイロの製造方法。
  4. 位置決めを支持基板の対角線上に設けた請求項1記載の振動ジャイロの製造方法。
  5. 位置決めの形状をアライメントマークとした請求項1記載の振動ジャイロの製造方法。
  6. 位置決めを突起状あるいは孔状の形状とした請求項1記載の振動ジャイロの製造方法。
  7. 位置決めを支持基板の外周辺のいずれか一辺あるいは2辺を基準として設けた請求項1記載の振動ジャイロの製造方法。
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