JP5040196B2 - 角速度センサ素子及びこれを利用した角速度センサ - Google Patents
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Description
図10は、従来の角速度センサ素子1の斜視図である(例えば、特許文献1参照)。
この図の角速度センサ素子1は、互いに平行な一対の振動腕2,3と、この一対の振動腕2,3を支持する基部4とを有する所謂音叉型圧電振動片である。
このような駆動振動の状態で角速度センサ素子1が回転すると、コリオリ力の作用により、振動腕2と振動腕3とが、互いに接近・離間する方向と直行する方向に互いに逆相に振動する(以下、「ウォーク振動」という)。
そして、このウォーク振動により生じた電荷を、他方の振動腕3に設けられた複数の検出用電極5が検出して、回転角速度を測定するようになっている。
このため、検出用電極5から出力される電荷はとても小さく、回転角速度の測定の困難さを招いていた。また、検出用電極5から出力される電荷が小さいために、角速度センサは、回転角速度の測定に特殊な電荷電圧(Q−V)変換アンプなどを必要としていた。また、角速度センサ素子1を小型化すると励振効率はさらに悪くなるため、小型化の限界をきたしていた。
ここで、この厚み方向に振動する基部の主面には圧電薄膜が設けられているため、基部の厚み方向の振動によって圧電薄膜に十分な電荷が生じ、この電荷を検出用電極で取り出して、回転角速度を容易に測ることができる。
そして、このように、一対の振動腕双方の励振電極によって励振効率が向上すると共に、圧電薄膜によって検出効率も向上するため、角速度センサ素子を小型化することも容易となる。
かくして、本発明によれば、回転角速度の測定を容易にし、小型化を図ることができる角速度センサ素子を提供することができる。
第2の発明の構成によれば、圧電薄膜は、少なくとも音叉型圧電振動片よりも電気機械結合係数が高いため、音叉型圧電振動片の基部の厚み方向の振動によって圧電薄膜に生じる電荷の検出がより容易になる。
第3の発明の構成によれば、圧電薄膜は、基部の振動腕の付け根付近に配置されている。この点、基部の振動腕の付け根付近は、基部のうち最も振動腕の振動が衰退せず、振動が大きく伝達される箇所である。したがって、第1または第2の発明と同様の作用効果を発揮し、さらに、圧電薄膜に第1または第2の発明より大きな電荷が生じて、回転角速度の測定がより容易に行える。
第4の発明の構成によれば、圧電薄膜は、一対の振動腕のそれぞれの付け根付近に配置されている。この点、互いに接近・離間するように振動している一対の振動腕は、回転角速度が加えられると、上面側と下面側に互い違いに振動する。このため、一方の振動腕の付け根付近の圧電薄膜が正の電荷の時は、他方の振動腕の付け根付近の圧電薄膜は負の電荷となる。したがって、圧電薄膜を基部に設けるための電極について、一方の振動腕の付け根付近の電極と、他方の振動腕の付け根付近の電極とを、基部上で容易に配線することができる。
かくして、本発明によれば、回転角速度の測定を容易にし、小型化を図ることができる角速度センサを提供することができる。
第6の発明の構成によれば、圧電薄膜は、導電性部材を介在するようにして、基部と被接合体に挟まれている。したがって、基部と被接合体との間が離れていても、その間に導電性部材が介在して、圧電薄膜を押圧することができる。また、圧電薄膜が押圧されて生じた電荷は導電性部材を通じて取り出すことができる。
第7の発明の構成によれば、圧電薄膜は、検出用電極を構成する第1および第2の電極の間に挟まれている。このため、例えば、第1の電極を基部に接続して圧電薄膜と基部とを電気的に接続したり、或いは、第2の電極に導電性部材を接続して、圧電薄膜と導電性部材とを電気的に接続したりできる。そして、この第1の電極または第2の電極のいずれか一方は、露出しないように絶縁膜で覆われているため、導電性部材を介して第1の電極と第2の電極とが短絡することを防止できる。
第8の発明の構成によれば、圧電薄膜は、基部の振動腕の付け根付近に配置されているため、第2の発明と同様に、圧電薄膜に大きな電荷が生じて、回転角速度の測定がより容易に行なえる。
第9の発明の構成によれば、圧電薄膜は、一対の振動腕のそれぞれの付け根付近に配置されているため、第4の発明と同様に、一方の振動腕の付け根付近の圧電薄膜が正の電荷の時は、他方の振動腕の付け根付近の圧電薄膜は負の電荷となる。したがって、圧電薄膜を基部に設けるための電極について、一方の振動腕の付け根付近の電極と、他方の振動腕の付け根付近の電極とを、基部上で容易に配線することができる。
なお、図3(a)は角速度センサ素子の上面側、図3(b)は角速度センサ素子の下面側を図示している。また、図1ないし図5の平行斜線で示す部分は理解の便宜のために図示したもので、断面を表すものではない。また、図1ないし図5では、図面が複雑になることを避けるため、後述する励振電極や引出し電極を全て図示していない。
この被接合体であるパッケージ30は、例えば、絶縁材料として、酸化アルミニウム質のセラミックグリーンシートを成型して形成される複数の基板を積層した後に、焼結して形成されている。すなわち、この実施形態のパッケージ30は、図2に示すように、下から第1の基板30a、第2の基板30b、第3の基板30cを重ねて形成されている。
この上向きの段部22には、図1および図2に示すように、半導体チップ40を介して実装端子部43,43と電気的に接続されたマウント電極42,42が設けられている。
マウント電極42,42は、図1における右端部付近であって、角速度センサ10の幅方向の両端に、例えば、金または金合金により形成され、このマウント電極42,42の上には、導電性接着剤46,46が塗布されている。
なお、導電性接着剤46には、エポキシ系またはポリイミド系、またはシリコーン系等の接着剤を用いることができるが、本実施形態では、エポキシ系の導電性接着剤等よりも柔軟性を有し、乾燥によって収縮して角速度センサ素子32に反りを生じさせることの少ないシリコーン系の導電性接着剤を使用している。
また、第3の基板30cの上端面、すなわちパッケージ30の上方に開放された開放端面には、例えば、低融点ガラス等のロウ材44を介して、蓋体46が接合されることにより、内部空間Sが封止されている。
この角速度センサ素子32は、水晶、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム等の圧電材料を利用することができ、X軸が電気軸、Y軸が機械軸、Z軸が光学軸となるように水晶の単結晶から所定の角度をもって切り出された基板を加工することにより形成されている。具体的には、角速度センサ素子32は、X軸、Y軸、Z軸からなる直交座標系において、Z軸を中心に時計回りに0度ないし5度の範囲で回転して切り出した水晶Z板を所定の厚みに切断研磨して得られるものを用いている。
なお、励振電極33,34には、例えばクロムメッキによる下地層の上に金メッキを被覆した構成が適している。
これにより、各腕内の電界効率は高まって、振動腕35,36の励振効率はさらに高められ、励振電極33,34に駆動電圧を印加すると、振動腕35と振動腕36とは、図1の矢印Eで示すように、互いに接近・離間するようにして大きく振動することになる。
そして、半導体チップ40は、角速度センサ素子32へ駆動電圧を印加する駆動電圧印加回路と、後述する角速度センサ素子32の検出用電極20の出力を検出する検出回路とを備えている。
この圧電薄膜60は、角速度センサ素子32に回転が加えられた場合に電荷を発生させる圧電体であって、同じ圧電体である水晶等からなる音叉型圧電振動片とは別に、基部51の主面に付加されている。
なお、圧電薄膜60は、音叉型圧電振動片を形成する後に、その基部51の裏面(パッケージに接続される側の面)に、例えばスパッタリング法で形成され、本実施形態の場合は、酸化亜鉛(ZnO)が用いられている。
具体的には、図3(b)に示すように、少なくとも、基部51の引出電極54,55よりも一対の振動腕35,36よりであって、幅方向を2分する中心線CLよりも振動腕36側に一方の圧電薄膜60aを、中心線CLよりも振動腕35側に他方の圧電薄膜60bを、それぞれ配置するようにしている。
そして、圧電薄膜60aと圧電薄膜60bとは、中心線CLを中心に略対称になっており、両者の質量・形状・極性方向も略同様となっている。
具体的には、検出用電極20は、図2に示すように、一方の圧電薄膜60a側について述べれば、第1および第2の電極20a,20bからなっており、第1の電極20aと第2の電極20bとで圧電薄膜60aを挟むようにしている。また、他方の圧電薄膜60b側の検出用電極20も第1および第2の電極20c,20dを有し、図5に示すように、第1の電極20cと第2の電極20dとで他方の圧電薄膜60bを挟むようにしている。
なお、一方の圧電薄膜60a側と他方の圧電薄膜60b側とは、略同様の構成であるため、以下、特別な言及がない限り、一方の圧電薄膜60a側についてのみ説明する。
また、図3および図5に示すように、一方の圧電薄膜60a側の第1の電極20aと、他方の圧電薄膜60b側の第1の電極20cとは、基部51の表面上に一体に形成され、両者は電気的に接続された状態になっている。
第2の電極20bは、例えば、第1の電極20aと同じ金属材料で形成され、図2に示すように、圧電薄膜60aの下面に設けられて、圧電薄膜60aで生じた電荷を取り出せるようにしている。
また、基部51と上向きの段部22との距離が離れていても、圧電薄膜60aは、導電性部材64が介在するようにして、基部51と被接合体であるパッケージ30に挟まれ、後述するように回転が加わると基部51に押圧されることになる。
また、図2に示すように、パッケージ30(上向きの段部22)には、半導体チップ40と導通し、マウント電極42と同様の材料で形成された電極パターン28が設けられており、この電極パターン28の上に導電性部材64が設けられている。
このため、振動腕35,36は、駆動電圧を印加されると、互いに接近・離間する方向に大きく振動する。そして、この状態で、図2のY軸周りに回転が加わると、角速度センサ素子32の回転を受けた振動状態を表す図6に示すように、回転速度に比例したコリオリ力が振動腕35,36に対して互いに逆向きに働き、振動腕35,36は、その厚み方向に互いに違いに交差するように大きく屈曲振動(以下「ウォーク振動」という)する。そうすると、振動腕35,36の厚みの方向の振動は基部51に伝達し、基部51も、図3の中心線CLを中心に、一方の振動腕35側と、他方の振動腕36側とで、厚み方向に互いに違いに振動することになる。
ここで、この厚み方向に振動する基部51の主面には圧電薄膜60が設けられており、この圧電薄膜60は、少なくとも音叉型圧電振動片よりも電気機械結合係数が高いものを用いるようにしている。したがって、圧電薄膜60は、基部51の厚み方向の振動によって十分な電荷が生じ、この電荷を検出用電極20で取り出して、回転角速度を容易に測ることができる。
そして、このように、一対の振動腕35,36の夫々の励振電極33,34によって励振効率を向上させると共に、圧電薄膜60によって検出も容易となるため、角速度センサ素子32を小型化することが容易となる。
また、圧電薄膜60は、振動腕35,36のX方向の成分がほとんどキャンセルされる基部51に設けられているため、ウォーク振動を検出し易い。
しかも、圧電薄膜60は、一対の振動腕35,36のそれぞれの付け根付近に配置されているため、図5に示すように、一方の圧電薄膜60aが押圧された時は、他方の圧電薄膜60bは引っ張られた状態になり、また、一方の圧電薄膜60aが引っ張られた時は、他方の圧電薄膜60bは押圧された状態となる。したがって、いずれか一方の圧電薄膜が正の電荷の時は、他方の圧電薄膜は負の電荷となり、圧電薄膜60を基部51に設けるための電極20aと電極20cとを基部51上で配線すれば、回転角速度に比例した電荷を検出信号として半導体チップ40に出力することができる。すなわち、図5の電気信号の流れを表す点線のように、基部51の表面に設けられた電極20aと電極20cとを一体的に形成して、図5の左右それぞれの電極パターン28から検出した電荷を信号として半導体チップ40に出力すればよい。このため、図5の電極20aと電極20dとを接続するような困難な配線をしなくてもよく、配線パターンの形成が容易となる。
また、本実施形態では、角速度センサ素子32が接合される被接合体はパッケージ30であるが、これに限られず、被接合体は半導体チップ40或いはその他の部品等であっても勿論よい。
これらの図において、上述した角速度センサ10の説明で用いた符号と同一の符号を付した箇所は共通する構成であるから、重複した説明は省略し、以下、相違点を中心に説明する。
なお、図8及び図9の角速度センサ素子32の中心線CLを中心にして左右それぞれの圧電薄膜60および検出用電極20からなる積層体は、同様の構成であるから、以下、図8及び図9の左側の積層体についてのみ説明する。
そして、第1の電極20aまたは第2の電極20bのいずれか一方は、露出しないように絶縁膜70で覆われている。
なお、絶縁膜70は、例えば、シリコン酸化膜から形成されている。
Claims (6)
- 一対の振動腕と、前記一対の振動腕を支持する基部と、を備えた音叉型圧電振動片を備え、
前記一対の振動腕のそれぞれに励振電極が設けられており、
前記基部の主面に前記音叉型圧電振動片よりも電気機械結合係数が高い圧電薄膜が設けられており、
前記圧電薄膜に検出用電極が設けられており、
コリオリ力を受けることで生ずる電荷を前記検出用電極により検出する
ことを特徴とする角速度センサ素子。 - 前記圧電薄膜は、前記基部の前記振動腕の付け根付近に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の角速度センサ素子。
- 前記圧電薄膜は、前記一対の振動腕のそれぞれの付け根付近に配置されていることを特徴とする請求項2に記載の角速度センサ素子。
- 請求項1ないし3のいずれか一項に記載の角速度センサ素子と、
前記基部が接合される被接合体と、を備え、
前記基部と前記被接合体に挟まれるようにして、前記圧電薄膜が配置されている
ことを特徴とする角速度センサ。 - 前記圧電薄膜は、導電性部材を介在するようにして、前記基部と前記被接合体に挟まれていることを特徴とする請求項4に記載の角速度センサ。
- 前記圧電薄膜は、前記検出用電極を構成する第1および第2の電極の間に挟まれるようになっており、
前記第1の電極または第2の電極のいずれか一方は、露出しないように絶縁膜で覆われている
ことを特徴とする請求項5に記載の角速度センサ。
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