JP5209076B2 - Inertial force sensor - Google Patents
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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。 The present invention relates to an inertial force sensor that detects an inertial force used in various electronic devices such as attitude control and navigation of a moving body such as an aircraft, an automobile, a robot, a ship, and a vehicle.
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。 Hereinafter, a conventional inertial force sensor will be described with reference to the drawings.
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。 FIG. 5 is a perspective view of a vibrator used in a conventional inertial force sensor.
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。
In FIG. 5, the conventional inertial force sensor is a piezoelectric vibration type inertial force sensor, and includes a vibrator 1 and a circuit that detects the inertial force based on the vibrator 1. The vibrator 1 includes two
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。
Therefore, after processing the vibrator 1, the corner portions 7 of the two
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。 As prior art document information related to the invention of this application, for example, Patent Document 1 is known.
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。
In the above-described configuration, a laser is used to process the
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。 The present invention solves the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an inertial force sensor that suppresses breakage of the tuning fork arm caused by trimming.
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2つのアームを連結する基部とを有した振動子を備え、前記2つのアームの幅は同じであり、前記2つのアームにはそれぞれ同じ側の角部から幅方向に向かって1/20以上離した部分にトリミング部を形成するとともに、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。 The present invention solves the above-described problems, and includes a vibrator having at least two arms and a base portion that connects the two arms, and the two arms have the same width. A trimming portion is formed at a portion separated from the corner on the same side by 1/20 or more in the width direction, and an axis parallel to the width direction of the two arms is an X axis. The distance from the corner / the arm width is the same in the two arms .
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。また、振動子の質量バランスを調整し、適切にX軸方向へ振動させることができる。 With the above configuration, even if a work-affected layer is generated near the trimming portion due to the heat of trimming, the strength of the base material is reduced, and the reduction in arm strength and the occurrence of unnecessary vibration can be suppressed. Further, the mass balance of the vibrator can be adjusted, and the vibrator can be appropriately vibrated in the X-axis direction.
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。 Hereinafter, an inertial force sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
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。 FIG. 1 is a perspective view of a vibrator used in an inertial force sensor according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of the arm of the vibrator, and FIG. FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the arm width and the amount of unnecessary vibration with respect to the formation position of the trimming portion.
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。
1 and 2, the inertial force sensor according to the embodiment of the present invention includes a tuning
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。
The
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)。
When alternating signals having opposite phases are applied to the two
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。
When the
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。
Therefore, it is desirable that the
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。
In trimming, the most efficient portion is the
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。
However, as shown in FIG. 3, an interval of 1/20 or more with respect to the width of the
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。
That is, since the
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。
In addition, as shown in FIG. 4, when the trimming length in the longitudinal direction and the trimming length in the width direction of the
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。
Further, as the processed surface to be trimmed, it is preferable to use the surfaces of the
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。 Furthermore, the reason for using a laser at the time of trimming is that the processing accuracy is high and the generation of scraps due to processing can be reduced. Specifically, by using a wavelength of 355 nm, generation of molten waste due to laser irradiation can be suppressed. Of course, it is possible to further reduce the melting waste by further shortening the wavelength, but 355 nm is realistic considering the apparatus cost and stability.
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。
Further, it is desirable that the
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。
In the embodiment of the present invention, the form in which trimming is individually performed on the
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。
Further, in one embodiment of the present invention, silicon (Si) is used for the structure of the
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。 The inertial force sensor according to the present invention can suppress damage to the tuning fork arm caused by trimming, and can be applied to various electronic devices.
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
10
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