JP5208373B2 - 慣性力センサ - Google Patents

Description

本発明は、航空機、自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等、各種電子機器に用いる慣性力を検出する慣性力センサに関するものである。

以下、従来の慣性力センサについて図面を参照しながら説明する。

図５は従来の慣性力センサに用いる振動子の斜視図である。

図５において、従来の慣性力センサは圧電振動式の慣性力センサであって、振動子１とこの振動子１に基づき慣性力を検出する回路を有する。この振動子１は、互いに対向する２つの音叉アーム２、３と、この２つの音叉アーム２、３を連結する基部４とを有する。この振動子１は、図５に示すように、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸において、Ｘ−Ｙ平面上に配置している。音叉アーム２、３はＸ軸方向に振動させるが、理想的な振動（Ｘ軸方向への振動）をさせるためには、各音叉アーム２、３の断面形状がＸ軸、Ｚ軸に対して対称となるような略長方形が好ましい。しかし、振動子１の製造において、加工ばらつきが生じるため、略長方形となるように加工することは極めて困難であり、Ｘ軸方向への振動に対して不要信号が重畳する。

そこで、振動子１の加工後に、２つの音叉アーム２、３の角部７にレーザを照射して角部７をトリミングしトリミング部８を形成する。これにより、振動子１の質量バランスを調整し、適切にＸ軸方向へ振動させている。

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２００４−９３１５８号公報

上記構成では、音叉アーム２、３のトリミング時には、高精度に加工するためにレーザを用いている。この際、音叉アーム２、３のトリミング部８の近傍には加工熱に起因して加工変質層ができるため母材の強度が低下し、音叉アーム２、３が破損したり不要振動を発生したりする恐れがあるという問題点を有していた。

本発明は上記問題点を解決するものであり、トリミングに起因した音叉アームの破損を抑制した慣性力センサを提供することを目的としている。

本発明は上記問題点を解決し、少なくとも２つのアームと、前記アームを連結する基部とを有した振動子を備え、前記アームの一方の面は電極を形成した電極面とし、他方の面はトリミング部を形成したトリミング面とし、前記振動子はシリコンから形成され、前記電極は圧電薄膜の上下に上部電極および下部電極を設けてなり、前記２つのアームの幅は同じであり、前記トリミング部は２つのアームのそれぞれのトリミング面に角部から前記アームの幅方向に向かって１／２０以上離して形成するとともに、前記２つのアームの幅方向と平行な軸をＸ軸とすると、Ｘ軸の正側の角部からの距離／アーム幅は前記２つのアームにおいて同じとした構成である。

上記構成により、トリミング部の近傍にトリミングの加工熱に起因した加工変質層ができ母材の強度が低下したとしても、アーム強度の低下および不要振動の発生を抑制可能である。

以下、本発明の一実施の形態の慣性力センサについて図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の一実施の形態における慣性力センサに用いる振動子の斜視図、図２は同振動子のアームのＡ−Ａ断面図、図３はトリミング部の形成位置に対するアーム幅とアーム強度の関係を示す特性図、図４はトリミング部の形成位置に対するアーム幅と不要振動量の関係を示す特性図である。

図１、図２において、本発明の一実施の形態における慣性力センサは、慣性力を検出する音叉型の振動子１０と処理回路（図示せず）とを備えている。振動子１０は、２つの音叉アーム１２、１３と、これらを連結する基部１４とを有する。音叉アーム１２、１３の一方の面は電極１５を形成した電極面１６とし、他方の面はトリミング部１７を形成したトリミング面１８としている。

振動子１０はシリコン（Ｓｉ）から形成され、アーム１２、１３上の電極１５は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電薄膜の上下にＡｕ／Ｔｉ、Ｐｔ／Ｔｉ等を設けてなる。

２つの電極１５に各々互いに逆位相となるような交流信号を与えると、振動子１０は音叉アーム１２、１３の幅方向（Ｘ軸方向）に駆動振動する。この時、音叉アーム１２、１３の断面形状がＸ軸に対称かつＺ軸に対称であれば、音叉アーム１２、１３はＺ軸に撓むことなくＸ軸方向に駆動振動するが、対称性が崩れていると、Ｘ軸方向の駆動振動に合わせてＺ軸方向にも撓んでしまう（不要振動）。

Ｚ軸方向に振動子１０が撓むと、角速度検出電極（図示せず）に電荷（不要信号）が発生してしまうが、この不要信号は、角速度が入力された場合に発生する電荷とは位相が９０°ずれているため、処理回路にて同期検波処理を行うことで除去可能な信号となる。ただし、同期検波時の基準信号と不要信号の位相が少しでもずれていると、角速度信号として出力されてしまう。

それ故、振動子１０としては、不要信号が発生しないものが望ましいが、前述のように、音叉アーム１２、１３の断面形状を、Ｘ軸方向、Ｚ軸方向に対称になるように加工することは非常に困難度が高い。そこで、通常は、振動子１０の加工後に不要信号が最小となるように機械的に音叉アーム１２、１３をトリミングすることで、質量バランスを確保し、音叉駆動信号を安定化させている。

トリミングするにあたり、最も効率の良い部位は、音叉アーム１２、１３の根元（基部１４近傍）の角部１９になるが、この部位を加工してしまうと、図３に示すように音叉アーム１２、１３の強度が低下する。

ただし、図３に示すように、音叉アーム１２、１３の幅方向に向かって角部１９から音叉アーム１２、１３の幅に対して１／２０以上の間隔（音叉アーム１２、１３の幅に対する角部１９からの距離が５％以上の間隔）をあけてトリミング部１７を形成すれば、駆動振動方向の音叉アーム１２、１３の強度はトリミング部１７を形成していない場合と同等の強度を維持できる。

すなわち、音叉アーム１２、１３には角部１９を除いた部分にトリミング部１７を形成しているので、トリミング部１７の近傍にトリミングの加工熱に起因した加工変質層ができ母材の強度が低下したとしても、アームの強度低下を抑制できる。

また、図４に示すように、音叉アーム１２、１３の長手方向のトリミング長さと幅方向のトリミング長さを固定した場合、幅方向に対するトリミング部１７の形成位置と、不要信号の変化量には線形の相関がある。よって、不要信号の大きさに応じてトリミング部１７の形成位置を音叉アーム１２、１３の幅方向で調整でき、容易に調整可能である。

また、トリミングを施す加工面としては、電極１５を形成しない音叉アーム１２、１３の面を用いるのがよい。なぜなら、電極１５を形成した電極面１６を加工するとなると、加工位置が電極１５の形成パターンに制約されるため、任意の位置を加工することができなかったり、レーザによる熱の影響で、電極１５を構成するＰＺＴの特性が変化したりする可能性があるからである。

さらに、トリミング時にレーザを用いるのは、加工精度が高いことと、加工による屑の発生を低減できるからである。具体的には、３５５ｎｍの波長を用いることで、レーザ照射による溶融屑の発生を抑えることができる。もちろん、波長をさらに短くすることで溶融屑をさらに少なくすることも可能であるが、装置コスト、安定性を考えると３５５ｎｍが現実的である。

また、トリミング部１７を形成する位置は、全ての音叉アーム１２、１３の同じ箇所に行うことが望ましい。例えば、２つの音叉アーム１２、１３の内、一方のみをトリミングして、音叉不要信号を低減することも可能であるが、このような加工を行うと、トリミング量（質量変化）が多い場合、音叉左右アームの質量がアンバランスになり、初期特性としては音叉不要信号を低減することができたとしても、温度特性を考慮すると、出力変動が大きくなる可能性があるからである。よって、全てのアームで均等に行うことが望ましい。

なお、本発明の一実施の形態では、振動子１０に対して個別にトリミングを行う形態について説明したが、ウエハ状態で個々の振動子１０の不要信号レベルを計測し、その不要信号レベルに応じてトリミング部１７の位置を決定し、ウエハ状態でレーザによるトリミングを行ってもよい。ウエハ状態でトリミングを行うことにより、トリミング後の洗浄が容易にできるため、トリミング時に発生した加工屑を容易に除去することができる。また、センサとして振動子、ＩＣを組み込んだ後にトリミングする場合には、トリミングによる加工屑がパッケージ内に入り込んだりする可能性があるが、ウエハ状態でのトリミングであれば、そのような不具合も発生しない。

また、本発明の一実施の形態では、機械的に強度が大であることや半導体プロセス技術により高精度な加工が容易であるという点から振動子１０の構造体にシリコン（Ｓｉ）を用いた例について説明したが、非圧電材料であれば、例えば、Ｓｉ表面を酸化させたもの、ダイヤモンド、溶融石英、アルミナ、ＧａＡｓ等を用いることも可能である。

本発明に係る慣性力センサは、トリミングに起因した音叉アームの破損を抑制でき、各種電子機器に適用できるものである。

本発明の一実施の形態における慣性力センサに用いる振動子の斜視図 同振動子のアームのＡ−Ａ断面図 トリミング部の形成位置に対するアーム幅とアーム強度の関係を示す特性図 トリミング部の形成位置に対するアーム幅と不要振動量の関係を示す特性図 従来の慣性力センサに用いる振動子の斜視図

１０ 振動子
１２ 音叉アーム
１３ 音叉アーム
１４ 基部
１５ 電極
１６ 電極面
１７ トリミング部
１８ トリミング面
１９ 角部

Claims (4)

1. 少なくとも２つのアームと、前記２つのアームを連結する基部とを有したシリコンからなる振動子を備え、
   前記２つのアームは一方の面は電極を形成した電極面とし、他方の面はトリミング部を形成したトリミング面とし、前記電極は圧電薄膜の上下に上部電極および下部電極を設けてなり、
   前記２つのアームの幅は同じであり、
   前記トリミング部は２つのアームのそれぞれのトリミング面に角部から前記アームの幅方向に向かって１／２０以上離して形成するとともに、前記２つのアームの幅方向と平行な軸をＸ軸とすると、Ｘ軸の正側の角部からの距離／アーム幅は前記２つのアームにおいて同じである慣性力センサ。
2. 全てのアームの質量を互いに同等とした請求項１に記載の慣性力センサ。
3. 前記トリミング部はレーザによって形成した請求項１に記載の慣性力センサ。
4. 前記レーザの波長は３５５ｎｍよりも短くした請求項３に記載の慣性力センサ。

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