JP5306570B2 - 振動ジャイロ - Google Patents

Description

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を設けることにより、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を設けることにより、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。

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ω _Y 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ω _X 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のセルフアライメント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のセルフアライメントの形においては、『、』、○、◎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セルフアライメントと同様で、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のセルフアライメント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のセルフアライメント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のセルフアライメント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。

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

符号の説明

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 (6)

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、
   キャビティ部および平面部を有する支持基板と、
   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から構成した振動ジャイロであって、
   前記半導体部品はキャビティ部に実装され、
   前記第１の振動子および第２の振動子の基部はそれぞれ、振動部分が前記キャビティ部の上方に位置するように前記平面部に実装され、
   前記平面部に第１の振動子および前記第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が複数のアライメントマークとして設けられ、
   前記支持基板と平行に音叉振動する前記第２の振動子の振動部分の先端部が前記支持基板と平行に音叉振動する前記第１の振動子の振動部分の先端部よりも基部寄りの側面に対向するように配置されたことを特徴とする
   振動ジャイロ。
2. 前記位置決めを基準として前記第１の振動子と前記第２の振動子とが垂直となるように配置したことを特徴とする請求項１記載の振動ジャイロ。
3. 前記位置決めを前記支持基板のコーナー部付近に少なくとも２つ以上設けたことを特徴とする請求項１記載の振動ジャイロ。
4. 前記位置決めを前記支持基板の対角線上に設けたことを特徴とする請求項１記載の振動ジャイロ。
5. 前記位置決めをアライメントマークとし、前記支持基板の前記平面部に複数の異なる形の前記アライメントマークを設けた請求項１記載の振動ジャイロ。
6. 前記位置決めを基準に前記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たことを特徴とする請求項１記載の振動ジャイロ。

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