WO2015151951A1 - 角速度センサ - Google Patents

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WO2015151951A1
WO2015151951A1 PCT/JP2015/059072 JP2015059072W WO2015151951A1 WO 2015151951 A1 WO2015151951 A1 WO 2015151951A1 JP 2015059072 W JP2015059072 W JP 2015059072W WO 2015151951 A1 WO2015151951 A1 WO 2015151951A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
vibration
angular velocity
velocity sensor
peripheral support
vibrating body
Prior art date
Application number
PCT/JP2015/059072
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
中野　貴之
翔平 新川
秀和 矢野
徹治 今村
修 川崎
Original Assignee
北陸電気工業株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 北陸電気工業株式会社 filed Critical 北陸電気工業株式会社
Priority to JP2016511577A priority Critical patent/JP6533518B2/ja
Publication of WO2015151951A1 publication Critical patent/WO2015151951A1/ja

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5783—Mountings or housings not specific to any of the devices covered by groups G01C19/5607 - G01C19/5719

Definitions

  • the present invention relates to an angular velocity sensor that excites piezoelectric vibration and measures angular velocity.
  • FIG. 1 of Japanese Patent Laid-Open No. 2007-93329 Patent Document 1
  • the angular velocity detecting element 20, the circuit board 30, the pedestal 60, and the package mounting surface 13 arranged in the stacking direction are joined together with an adhesive
  • the package A vibration type angular velocity sensor in which the wall surface 14 and the pedestal 60 are joined with an adhesive is disclosed.
  • the vibration-type angular velocity sensor shown in Patent Document 1 the angular velocity acting on the angular velocity sensor is measured by measuring the change in the output of the angular velocity detecting element 20 that changes according to the operation of the vibrating body with respect to the support portion that supports the vibrating body. Detected.
  • angular velocity sensor that uses the Coriolis force measures the angular velocity by detecting the Coriolis force generated when a vibrating body is vibrated and the angular velocity is felt.
  • the weight ratio between the vibrating body of the angular velocity sensor and the supporting portion that supports and fixes the vibrating body is reduced, and the supporting portion that must be stationary by vibration of the vibrating body.
  • vibration loss is caused by the vibration energy of the vibrating body being transmitted to the support portion, the mechanical Q value with respect to the vibration of the vibrating body is lowered, the sensor sensitivity of the angular velocity sensor is reduced, and the temperature characteristics are deteriorated. A serious problem has occurred.
  • the pedestal 60 is joined with a low elastic modulus adhesive in order to increase the weight of the entire angular velocity sensor device.
  • the pedestal 60 since the pedestal 60 is provided to widen the frequency range of external vibrations absorbed by the angular velocity sensor, the pedestal 60 does not have a weight sufficient to suppress the movement of the support portion due to vibrations of the vibrating body. The body cannot vibrate accurately.
  • An object of the present invention is to reduce the mechanical Q value (hereinafter sometimes simply referred to as the Q value) even if it is miniaturized, and therefore, the angular velocity for measuring the angular velocity with high sensitivity and low sensitivity temperature characteristics. It is to provide a sensor.
  • Another object of the present invention is to provide an angular velocity sensor that can accurately measure the angular velocity by obtaining a stable and accurate vibration that can suppress the movement of the support portion due to the vibration of the vibrating body even if the size is reduced. It is in.
  • the present invention relates to a diaphragm-shaped vibration excitation unit, a vibrating body that is formed at the center of the vibration excitation unit, and vibrates in at least one of the X direction, the Y direction, or the Z direction, and a peripheral support that supports the periphery of the vibration excitation unit
  • An angular velocity sensor composed of a part is an object of improvement.
  • the “diaphragm-shaped vibration excitation portion” means a vibration excitation layer such as a piezoelectric vibration film formed on the diaphragm.
  • the “center portion of the vibration excitation portion” includes not only the central portion of the excitation vibration portion but also an error range centered on the central portion.
  • the angular velocity sensor of the present invention further includes a vibration stabilizing portion joined to the peripheral support portion.
  • the contour shape of the outer peripheral portion of the peripheral support portion has a rectangular shape
  • the contour shape of the outer shape of the vibration excitation portion has an octagonal shape
  • the vibrating body has a cylindrical tube shape.
  • the term “rectangular shape” refers to a shape such as a square or a rectangle, and not only a rectangle whose four corners are completely 90 degrees, but also a corner that falls within an error range of 90 degrees, This includes a part having a small radius (curvature) in a part and a pair of opposing sides that do not have the same size but fall within an error range.
  • the “octagonal shape” means that the inner angle of the eight corners is within an error range of 45 degrees, the corner has a small radius, and the pair of opposite sides are not exactly the same size. Includes those that fall within the error range. Furthermore, the “cylindrical shape” includes not only those whose cross section is a perfect circle but also those whose cross section falls within the error range of a perfect circle.
  • the vibration stabilizing portion is joined to the peripheral support portion by an adhesive having such a property that it is soft when the vibration frequency is low and hard when the vibration frequency is high.
  • the thickness of the adhesive after curing is 10 to 50 ⁇ m.
  • the vibration stabilizing part in the angular velocity sensor of the present invention may be composed of a single substance, or may be a composite formed by combining a plurality of substances or materials.
  • the vibration stabilization part has the weight whose total weight with a periphery support part becomes 20 times or more of the weight of a vibrating body.
  • the peripheral support portion vibrates due to the vibration of the vibrating body.
  • the weight of the peripheral support part is larger than the weight of the vibrating body, the peripheral support that supports the diaphragm-type vibration excitation part in which the outer peripheral contour shape is rectangular and the outer contour shape is octagonal.
  • the part vibrates with a vibration amplitude smaller than that of the vibrating body.
  • the adhesive layer between the peripheral support portion and the vibration stabilizing portion is soft when the frequency is low and is hard when the frequency is high such as the vibration of the vibrating body, a temperature change is caused. Displacement or vibration, displacement from outside or vibration such as vibration or low frequency is absorbed by the soft adhesive. Further, the vibration of the cylindrical vibration body having a high frequency excited by the vibration excitation portion is not absorbed by the hard adhesive layer.
  • the thickness of the cured adhesive is 10 to 50 ⁇ m. This is because when the thickness of the adhesive after curing exceeds 50 ⁇ m, the peripheral support part and the vibration stabilizing part are not sufficiently integrated, and the support part easily vibrates independently, so that vibration of the vibrating body leaks to the support body.
  • the thickness is preferably 50 ⁇ m or less.
  • the thickness of the adhesive after curing is desirably 10 ⁇ m or more.
  • the peripheral support portion and the vibration stabilization portion are integrated so that the total weight of the peripheral support portion and the vibration stabilization portion is 20 times or more of the weight of the vibrating body.
  • the vibration stabilization part a composite structure such as a laminated structure in which a plurality of materials are laminated, the mechanical Q value of the vibration stabilization part can be set low, so that temperature changes and vibrations from the surroundings can be further attenuated. As a result, it is possible to further reduce the influence of temperature change and ambient vibration.
  • the weight difference between the weight of the columnar vibrating body and the total weight of the peripheral supporting portion and the vibration stabilizing portion having a rectangular outer peripheral shape is increased, and the surrounding vibration is caused by the vibration of the vibrating body. It can suppress that a support part moves, ie, the vibration of a vibrating body leaks to a peripheral support body. Therefore, it is possible to accurately vibrate the vibrating body with respect to the peripheral support portion that supports the vibration excitation portion whose contour shape has an octagonal shape. In addition, since the peripheral support part that supports the vibration excitation part having the octagonal shape moves, it is possible to suppress the leakage of vibration from the angular velocity sensor to the outside, so that the vibration energy of the vibrating body is lost.
  • the Q value of the vibrating body does not decrease. From the above, according to the present invention, even if the size is reduced, the Q value does not decrease, so that the sensor sensitivity can be increased, the temperature change of the sensor output does not increase, and the vibrating body is vibrated accurately. Thus, an angular velocity sensor capable of accurately detecting the angular velocity can be obtained.
  • the contour shape of the outer periphery of the peripheral support portion has a rectangular shape
  • the contour shape of the outer shape of the vibration excitation portion has an octagonal shape
  • the vibrating body has a cylindrical shape. Since each shape is different, the vibration of the columnar vibrator is not easily transmitted to the octagonal vibration excitation part, and the vibration of the octagonal vibration excitation part is transmitted to the peripheral support part whose outer peripheral contour shape is rectangular. Hateful. It has the feature that it is difficult to transmit the reverse of the vibration propagation direction.
  • the vibration of the vibrating body is accurately performed, the weight difference between the weight of the vibrating body described above and the total weight of the peripheral support portion and the vibration stabilizing portion is large, and the adhesive is soft when the frequency is low and hard when the frequency is high Combined with the effect of the agent, even if the size is reduced, the Q value does not decrease, so the sensor sensitivity can be increased, the temperature change of the sensor output does not increase, and the vibrating body is vibrated accurately to accurately measure the angular velocity.
  • An angular velocity sensor can be provided.
  • the adhesive used for bonding the vibrating body and the peripheral support portion is a silicon-based adhesive.
  • the cured silicone adhesive is particularly prominent in that it is soft when the frequency of the vibrator is low and hard when the frequency of the vibrator is high. Further, in order to control the thickness of the adhesive, it is effective to mix predetermined particles or fibers into the adhesive.
  • the vibration stabilizing portion may include a package on which the angular velocity sensor is fixed and mounted.
  • the vibration stabilizing unit may include, for example, a metal material having a large specific gravity.
  • a material composed of tungsten (thermal expansion coefficient 4.5 ppm) or molybdenum (thermal expansion coefficient 4.8 ppm) having a thermal expansion coefficient close to that of silicon (2.6 ppm) of silicon having a small thermal expansion coefficient is used as the vibration stable portion.
  • the vibration stabilizing part is a combination of two or more materials selected from various materials such as metal materials such as tungsten and molybdenum, materials such as ceramics, silicon substrates, organic materials such as rubber, epoxy resins, and silicon resins.
  • a composite material formed by stacking may be included.
  • the mechanical Q value is low, that is, external vibration can be reduced, and a vibration stabilizing part having a large weight can be formed.
  • the vibration stabilizing part is configured including such a material, the vibration stabilizing part can be made small, and the downsizing of the angular velocity sensor is not hindered.
  • the vibration stabilizing portion since the coefficient of thermal expansion can be adjusted by selecting the material, even when the coefficient of thermal expansion of the circuit board on which the angular velocity sensor is mounted is large, the vibration stabilizing portion functions as a buffer layer, and the influence of the thermal expansion of the circuit board, etc. Can be reduced.
  • the vibration stabilizing portion may be configured from a silicon substrate on which the angular velocity sensor is mounted or a combination of a silicon substrate and a package.
  • the peripheral support portion and the vibration stabilizing portion can be joined by an adhesive at, for example, four positions where a pair of virtual orthogonal planes passing through the center of the vibrating body pass.
  • the vibrating body is configured to vibrate along a virtual orthogonal plane. If comprised in this way, since an adhesive agent exists in the direction in which a peripheral support part moves by the vibration of a vibrating body, the movement of a peripheral support part can be reliably suppressed with an adhesive agent, and the vibration of a vibrating body leaks outside. This can be surely prevented.
  • the peripheral support portion and the vibration stabilization portion may be joined at a larger number of locations including the above four locations, or the peripheral support portion may be joined to the vibration stabilization portion all around.
  • the angular velocity sensor will not operate correctly.
  • the contour shape of the outer periphery of the peripheral support portion is formed in a rectangular shape, the peripheral support portion and the vibration stabilization portion are bonded to the adhesive at four positions through which the virtual diagonal surface of the peripheral support portion passes. It is preferable to join by.
  • the position through which the virtual diagonal surface of the peripheral support portion passes can be wider than the other portions of the peripheral support portion, so that the adhesive can be easily applied. .
  • the weight of the vibration stabilizing portion needs to be 20 times or more the weight of the vibrating body, and more preferably 40 times or more. . If comprised in this way, regardless of the weight of a periphery support part, a vibrating body can be vibrated more correctly with respect to a periphery support part.
  • the peripheral support part may support the outer peripheral part of the two vibration excitation parts.
  • An angular velocity in a direction perpendicular to the vibration excitation unit is detected by the vibration body formed in the central region of one vibration excitation unit, and the vibration excitation unit is detected by the vibration member formed in the central region of the other vibration excitation unit.
  • the present invention can be applied not only to an angular velocity sensor but also to other devices having a vibration part and a support part, such as a MEMS mirror and an acceleration sensor.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the imaginary plane CL1-CL1 of FIG. 2 is a graph showing the results of an experiment in which the Q value was measured when the total weight of a peripheral support portion and a vibration stabilization portion was changed in the angular velocity sensor of FIG. 1.
  • 2 is a graph showing the results of an experiment in which the Q value and the output temperature change were measured when the thickness of the adhesive between the peripheral support portion and the vibration stabilizing portion was changed in the angular velocity sensor of FIG. 1.
  • FIG. 7A is a bottom view of the angular velocity sensor according to the third embodiment of the present invention in a state where a vibration stabilizing portion is removed
  • FIG. 7B is a view taken along the line VII- of FIG. It is a figure which shows typically a VII line cross section.
  • FIG. 1A is a plan view of an example of an angular velocity sensor 1 as a first embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a state in which a silicon plate 19 that constitutes a vibration stabilizing portion described later is removed.
  • FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line CL1-CL1 in FIG. 1 (A) showing a state where the angular velocity sensor 1 is attached to the package.
  • CL1-CL1 in FIG. 1 (A) showing a state where the angular velocity sensor 1 is attached to the package.
  • the angular velocity sensor 1 includes a flat plate-like diaphragm 3 having an octagonal outer periphery, a weight 5 as a columnar vibrator disposed in the center of the back surface of the diaphragm 3, and an outer peripheral portion of the diaphragm 3.
  • a peripheral supporting portion 7 having a rectangular outer periphery to be supported, a lower electrode 11 formed on the surface of the diaphragm 3 via an insulating film 9, a piezoelectric thin film 13 formed on the lower electrode 11, and a piezoelectric thin film 13 And four vibration excitation electrodes 15 and four angular velocity detection electrodes 17 formed thereon.
  • the diaphragm 3 and the piezoelectric thin film 13 constitute a film-like vibration excitation part.
  • the diaphragm 3, the weight 5, and the peripheral support portion 7 have shapes corresponding to the end surface of the weight 5 and the end surface of the peripheral support portion 7 on one surface of the semiconductor silicon substrate having a crystal orientation (100).
  • the mask is disposed in one piece, and dry etching is performed from the mask side so as to be integrally formed.
  • a part or all of the weight 5 can be made of another material such as tungsten or molybdenum.
  • the piezoelectric thin film 13 is expanded and contracted by applying drive electric signals to the four vibration excitation electrodes 15, and vibration having a motion component in the direction of a predetermined vibration axis is applied to the weight 5. Induce. Further, the angular velocity detection electrode 17 detects the displacement in the direction of the displacement axis generated in the weight 5 based on the Coriolis force.
  • the contour shape of the outer peripheral portion of the diaphragm 3 has a substantially octagonal shape having straight portions C1 to C4 at the four corners of the sides S1 to S4 having a side length of about 0.4 mm.
  • the thickness of the diaphragm 3 is about 0.009 mm.
  • the diaphragm 3 is configured such that the lengths of the straight portions C1 to C4 are longer than the lengths of the sides S1 to S4.
  • small round portions are formed at the intersections between the square sides S1 to S4 and the straight portions C1 to C4. Even if this round portion is not present, there is no problem in operation.
  • the weight 5 has a cylindrical shape. The diameter of the weight 5 is 0.4 mm.
  • the peripheral support part 7 is configured in a cylindrical shape.
  • the contour shape of the outer peripheral portion of the peripheral support portion 7 has a rectangular shape and is substantially square in this embodiment, but may be rectangular.
  • the length of one side is about 1.1 mm, and the length dimension (thickness) from the surface on which the diaphragm 3 is provided to the tip to which the silicon plate 19 is joined is about 0.408 mm.
  • the inner peripheral portion of the peripheral support portion 7 includes surfaces F1 to F4 that are continuous with the sides S1 to S4 of the diaphragm 3, and four surfaces FC1 to FC4 that are respectively continuous with the straight portions C1 to C4 at the four corners of the diaphragm 3.
  • the contour shape of the inner peripheral portion of the peripheral support portion 7 is the same as the contour shape of the outer peripheral portion of the diaphragm 3.
  • a square silicon plate 19 is bonded to the peripheral support portion 7 by an adhesive 21 on an end surface 7 a in a direction away from the diaphragm 3.
  • the outline shape of the outer peripheral part of the diaphragm 3 is made into the shape which becomes line symmetrical with respect to the 1st virtual line L1 or the 2nd virtual line L2.
  • the four vibration excitation electrodes 15 and the four angular velocity detection electrodes 17 are respectively formed in four regions partitioned by the first and second virtual diagonal surfaces CL1 and CL2. .
  • the first imaginary line L1 and the second imaginary line L2 coincide with the X-axis axis and the Y-axis axis, respectively.
  • the contour shapes of the four vibration excitation electrodes 15 are an outer side 15A located on the outer side in the radial direction of the weight 5, an inner side 15B that faces the outer side 15A in the radial direction, an outer side 12A, and an inner side 12B. And a pair of connecting sides 15C and 15D.
  • the shape of the outer side 15 ⁇ / b> A is similar to the shape of a part of the outer peripheral part of the diaphragm 3 (a part extending between a part of two adjacent sides and a straight part).
  • the shape of the inner side 15B of the contour shape of the vibration excitation electrode 15 is similar to the shape of the outer side. If the four vibration excitation electrodes 15 have such a shape, vibration can be generated efficiently.
  • the vibration excitation electrode 15 may be arcuate.
  • the contour shapes of the four angular velocity detection electrodes 17 are as follows: an outer side 17A located on the radially outer side of the weight 5, an inner side 17B that faces the outer side 17A in the radial direction, an outer side 17A, and an inner side 17B. And a pair of connecting sides 17C and 17D.
  • the outer side 17A and the inner side 17B each have a concentric arc shape.
  • the angular velocity detection electrode 17 can also be shaped like the vibration excitation electrode 15.
  • the angular velocity detection electrode may be used as a vibration excitation electrode, and the vibration excitation electrode may be used as an angular velocity detection electrode.
  • the four vibration excitation electrodes 15 and the four angular velocity detection electrodes 17 are formed so as not to straddle the boundary between the diaphragm 3 and the weight 5 and the boundary between the diaphragm 3 and the peripheral support portion 7. Has been.
  • the four vibration excitation electrodes 15 and the four angular velocity detection electrodes 17 are formed in this way, the amplitude of the output signal from the four angular velocity detection electrodes 17 can be made larger.
  • the weight 5 In order to detect angular velocities around the X axis and the Y axis, the weight 5 is vibrated in the Z direction. Therefore, the vibration in the X-axis direction and the Y-axis direction necessary for detecting the angular velocity around the Z-axis becomes clear. Further, the vibration in the Z axis direction necessary for detecting the angular velocity around the X axis and the Y axis is not impaired. Therefore, the Coriolis force can be detected, and the angular velocity sensor can sufficiently vibrate the weight in the X axis direction or the Y axis direction in order to detect the angular velocity around the Z axis. Further, in order to detect the angular velocity around the Z axis, the weight 5 is vibrated in the X axis direction or the Y axis direction. In this embodiment, the weight is vibrated in the X-axis direction of FIG.
  • the silicon plate 19 is a silicon IC substrate having a thickness of about 0.1 mm (for example, it may have a function of detecting an angular velocity by generating an electrical signal for vibration excitation and detecting an electrical signal for detecting an angular velocity). And has a square outline with a side length of about 1.7 mm.
  • the silicon plate 19 is integrated with a package 23 made of FR4 by an epoxy adhesive 22.
  • the silicon plate 19, the epoxy adhesive 22 and the package 23 constitute the vibration stabilizing member 24 of the present invention.
  • the vibration stabilizing portion 24 composed of the silicon plate 19, the epoxy adhesive 22, and the package 23 of the present embodiment has a weight 40 times that of the weight 5 that is a vibrating body.
  • the peripheral support portion 7 and the silicon plate 19 are joined by an adhesive 21 applied to two regions through which the first virtual diagonal surface CL1 passes and two regions through which the second virtual diagonal surface CL2 passes. ing.
  • the adhesive 21 is applied at a distance from the surfaces FC1 to FC4 so that the adhesive 21 is not exposed on the surfaces FC1 to FC4 of the peripheral support portion 7.
  • a silicon-based conductive adhesive manufactured by Three Bond Co., Ltd. is used as the adhesive 21.
  • This adhesive has a property of being soft when the vibration frequency is low and becoming hard when the vibration frequency is high.
  • the cured adhesive 21 is formed to a thickness of 10 to 50 ⁇ m.
  • FIG. 3 is a graph showing the results of an experiment in which the Q value was measured when the weights of the peripheral support portion 7 and the vibration stabilizing portion 24 were changed in the angular velocity sensor 1 of the present embodiment.
  • the ratio (W1: W2) of the weight W1 of the weight 5 and the total weight W2 of the peripheral support portion 7 and the vibration stabilizing portion 24 is 1:10, 1:20, 1:30, 1:40.
  • the weight of the vibration stabilizing portion 24 was determined so as to be 1:80 and 1: 160, and the Q values when vibrating in the X-axis direction and the Z-axis direction of FIG. 1 were measured.
  • the Q value when vibrating in the X-axis direction increases as the weight ratio increases, and is saturated at about 600.
  • the usable weight ratio is a range from a saturated Q value of 600 to a difference of 10%, the usable weight ratio is 1:20 or more in vibration in the X-axis direction.
  • the Q value when vibrating in the Z-axis direction increases as the weight ratio increases, and saturates at 300.
  • the usable weight ratio is 1:10 in vibration in the Z-axis direction. Therefore, if the specific weight ratio between the weight of the weight 5 and the total weight of the peripheral support portion 7 and the vibration stabilizing portion 24 is 1:20 or more, a good Q value can be obtained in both the X-axis direction and the Z-axis direction. In other words, as a result of many studies, it has been found that a practical angular velocity sensor having high sensitivity and stability can be obtained.
  • the specific weight ratio of the weight of the weight 5 and the total weight of the peripheral support portion 7 and the vibration stabilizing portion 24 is 1:40 or more, a saturated Q value is obtained in both the X-axis direction and the Z-axis direction. That is, in the angular velocity sensor 1, when the temperature is constant and the disturbance such as vibration can be ignored from the outside, the specific weight ratio of the weight 5 to the total weight of the peripheral support portion 7 and the vibration stabilization portion 24 is 1:20. As a result of many studies, it has been found for the first time that stable operation can be realized when the ratio is preferably 1:40 or more.
  • FIG. 4 is a graph showing the results of an experiment in which the Q value and the temperature change of the output were measured when the thickness of the adhesive 21 was changed in the angular velocity sensor 1 of the present embodiment.
  • the thickness of the adhesive 21 was changed between 5 ⁇ m and 60 ⁇ m.
  • the temperature of the angular velocity sensor was changed between ⁇ 40 ° C. and 85 ° C.
  • the Q value of the vibration in the X-axis direction is 600 or more, but between ⁇ 40 ° C. and 85 ° C.
  • the rate of change in sensor output when the temperature is changed exceeds 50%. This is because if the thickness of the adhesive is thin, the difference in dimensional change of each member due to the difference in coefficient of thermal expansion cannot be absorbed by the adhesive layer, and the mutual influence cannot be suppressed.
  • the rate of change in temperature when the temperature is changed between ⁇ 40 ° C. and 85 ° C. is within 45%.
  • the influence of the difference of the dimensional change of each member resulting from the difference can be suppressed.
  • the Q value of the vibration in the X-axis direction decreased, and the saturation value 600 was 10% or more.
  • the thickness of the adhesive 21 is 10 ⁇ m to 50 ⁇ m
  • the ratio of the temperature change of the output when the temperature is changed between ⁇ 40 ° C. and 85 ° C. is within 45%
  • the Q value is Were stable, and all were within the range of a difference of 10 to 10% from the saturated Q value. That is, when the thickness of the adhesive 21 is 10 ⁇ m to 50 ⁇ m, the temperature characteristics of the Q value and sensor output are good.
  • the same can be said for the vibration in the Z-axis direction, although the absolute value of the Q value is different.
  • the characteristics shown here are merely examples, but similar results were obtained even when the sensor size was about 0.5 to 3 times.
  • the peripheral support portion is caused by the vibration of the weight 5.
  • the weight 5 can be vibrated accurately with respect to the peripheral support portion 7 by suppressing the movement of the peripheral support portion 7. Further, the leakage of vibration from the angular velocity sensor 1 to the outside due to the movement of the peripheral support portion 7 is suppressed, and the Q value of the vibration of the weight 5 can be prevented from being lowered.
  • the thickness of the silicon-based adhesive is 10 to 50 ⁇ m and the peripheral support portion 7 and the vibration stabilizing portion 24 are joined, the vibration of the peripheral support portion 7 having a low frequency is absorbed by the soft adhesive.
  • the vibration of the peripheral support portion 7 having a high frequency is not absorbed by the hardened adhesive, and the vibration energy of the vibrating body is lost, so that the Q value of the weight 5 is lowered. There is no. Therefore, according to the present invention, even if the size is reduced, the Q value does not decrease, the temperature change of the output does not increase, and the vibrating body can be vibrated accurately. Can be obtained.
  • the vibration stabilizing unit 24 is composed of a plurality of parts such as the silicon plate 19, the epoxy adhesive 22, and the package 23, it can take a composite structure such as lamination or column. Therefore, the above embodiment has excellent features that the Q value for vibration can be lowered, the weight for the vibrating body can be increased, and the thermal expansion coefficient can be easily controlled. Since Q with respect to vibration is low, unnecessary vibration from outside can be reduced. If the weight of the vibrating body is increased, a stable vibration of the vibrating body can be obtained, so that a high Q value can be obtained for the vibration of the vibrating body. The temperature characteristic of sensitivity can be reduced by easily controlling the thermal expansion coefficient.
  • the Q value of the angular velocity sensor does not decrease, the temperature change of the output does not increase, and the vibrating body can be vibrated accurately. Therefore, it is possible to obtain an angular velocity sensor that is stable and accurate and that provides high sensitivity.
  • the outer peripheral contour shape of the peripheral support portion 7 has a rectangular shape
  • the outer contour shape of the diaphragm 3 has an octagonal shape
  • the vibrating body 5 has a cylindrical shape
  • the vibration of the vibrating body is accurately performed, the weight ratio of the weight of the vibrating body to the total weight of the peripheral support portion and the vibration stabilizing portion is as large as 1:20 or more, and is soft when the frequency is low and hard when the frequency is high. Combined with the effect of the adhesive, even if the size is reduced, the Q value does not decrease, so the sensor sensitivity can be increased, the temperature change of the sensor output does not increase, and the vibrating body is vibrated accurately.
  • An angular velocity sensor that can detect the angular velocity can be provided.
  • FIG. 5A is a plan view of the angular velocity sensor according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 5B is a bottom view of the state where the silicon plate is removed.
  • the same members as those in the embodiment of FIGS. 1 and 2 are described with the reference numerals obtained by adding 100 to the reference numerals attached to FIGS. 1 and 2. Omitted.
  • vibration excitation electrodes 115 are respectively formed in four regions partitioned by the first virtual line L1 and the second virtual line L2.
  • the four angular velocity detection electrodes 117 are also formed in the four regions partitioned by the first virtual line L1 and the second virtual line L2, respectively.
  • the first virtual diagonal plane CL1 and the second virtual diagonal plane CL2 coincide with the X-axis axis and the Y-axis axis, respectively.
  • the diaphragm 103 is configured such that the lengths of the sides S1 to S4 are longer than the lengths of the straight portions C1 to C4.
  • the peripheral support 107 and the silicon substrate 119 are bonded to each other with the adhesive 121 on the first virtual diagonal surface CL1 and the second virtual diagonal surface CL2.
  • the weight 105 vibrates along the second virtual diagonal plane CL2.
  • the width of the peripheral support 107 in the vibration direction of the weight 105 that is, along the first virtual diagonal surface CL1 and the second virtual diagonal surface CL2, is larger than that of the angular velocity sensor of the first embodiment. Therefore, since the adhesive 121 exists in the direction in which the peripheral support 107 moves due to the vibration of the weight 105, the movement of the support 107 is surely suppressed by the adhesive 121 to prevent leakage of vibration to the outside. Yes.
  • FIGS. 6A and 6B show the angular velocity sensor according to the embodiment of FIGS. 1 and 5 when a drive signal is given to the vibration excitation electrode 115 so as to vibrate the weight in the X-axis direction. It is a figure which shows a part of output in the predetermined
  • the embodiment of FIG. 5 has the frequency of the vibration peak in the X-axis direction and the vibration in the Y-axis direction compared to the embodiment of FIG. The peak frequency is clearly separated. Therefore, as shown in FIG.
  • FIG. 7A is a bottom view of the angular velocity sensor 201 according to the third embodiment of the present invention with the silicon substrate 219 removed, and FIG. 7B shows the state of being attached to the package 223. It is a figure which shows typically the VIIB-VIIB line
  • the same reference numerals as those in the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2 are added with the reference numeral added to the reference numerals shown in FIGS. Therefore, the description is omitted.
  • the angular velocity sensor 201 includes two diaphragms 203A and 203B, and cylindrical weights 205A and 205B are arranged at the center of the rear surfaces of the diaphragms 203A and 203B.
  • the peripheral support portion 207 is bonded to the silicon substrate 219 with an adhesive 221.
  • the silicon substrate 219 is bonded to the package 223 with an epoxy adhesive 222.
  • the outline shape of the outer peripheral portions of the diaphragms 203A and 203B has a substantially octagonal shape having straight portions C1 to C4 at four corners of a side having a side length of about 0.95 mm.
  • the weights of the diaphragms 203A and 203B are 0.0896 mg each.
  • the peripheral support portion 207 has a weight of 1.4662 mg, and a total of six corners of the peripheral support portion 207 and the middle in the longitudinal direction of the peripheral support portion 207 are bonded to the silicon substrate 219.
  • the silicon substrate 219 has a rectangular shape with a contour shape of 2.2 mm ⁇ 2.3 mm and a thickness of about 0.1 mm, and an integrated circuit (not shown) is formed.
  • the silicon substrate 219 has a rectangular shape of 2.2 mm ⁇ 2.3 mm.
  • the silicon substrate 219 and the package 223 constitute a vibration stabilizing member.
  • the total weight of the silicon substrate 2019 and the package 223 is 5 mg.
  • the angular velocity around the X axis (or around the Y axis) is detected by vibrating the weight 205A in the Z axis direction. Further, the angular velocity around the Z-axis is detected by vibrating the weight 205A in the X-axis direction (or Y-axis direction). Therefore, in the angular velocity sensor according to the present embodiment, it is not necessary to switch the vibration direction of the weight, so that the response performance of the angular velocity sensor can be improved.
  • the peripheral shape of the outer periphery supporting the diaphragm-shaped vibration excitation unit having the cylindrical vibration body at the center and the outer shape of the octagonal shape is rectangular. Since the vibration stabilizing portion is joined to the support portion with an adhesive having a property of being soft when the vibration frequency is low and hard when the vibration frequency is high, the vibration of the peripheral support portion having a low frequency is in a soft state. The vibration of the peripheral support portion having a high frequency that is absorbed by the adhesive is not absorbed by the hardened adhesive.
  • the thickness of the cured adhesive layer is set to 10 to 50 ⁇ m, the peripheral support portion and the vibration stabilizing portion are integrated, the Q value is not lowered, and the difference is in the coefficient of thermal expansion. The influence of the change of the dimension between members can be suppressed, and the temperature change of the output of an angular velocity sensor does not become large. Furthermore, since the peripheral support part whose total weight with the vibration stabilization part is 20 times or more is integrated with the vibration stabilization part, the weight ratio between the vibration body and the peripheral support part is increased, and the periphery of the vibration support part is increased by the vibration of the vibration body. It can suppress that a support part moves. Therefore, the vibrating body can be vibrated accurately with respect to the peripheral support portion.
  • the vibration can be prevented from leaking to the outside from the angular velocity sensor due to the movement of the peripheral support portion, a loss is not caused in the vibration energy of the vibrating body, and the Q value of the vibrating body is not lowered. Therefore, according to the present invention, even if the device is downsized, the Q value does not decrease, the temperature change of the output does not increase, and the highly stable and highly sensitive angular velocity can vibrate the vibrating body accurately. A sensor can be obtained.

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Abstract

　小型化しても、振動体の振動により支持部が動くことを抑制でき、Ｑ値の低下を抑制できる角速度センサを提供する。中央部に円柱形状の振動体５を有し且つ外形の輪郭形状が八角形状を有するダイアフラム形の振動励起部（３，１３）を支持する外周部の輪郭形状が矩形状を有する周辺支持部７との合計重量が重錘５の２０倍以上となるシリコン板１９等の振動安定部２４をシリコン系接着剤２１により周辺支持部７に接合する。シリコン板１９及び周辺支持部７は、振動の周波数が低いときには軟らかく、振動の周波数が高いときには固くなる性質を備えた厚み１０乃至５０μｍの接着剤により接合する。

Description

角速度センサ
　本発明は、圧電振動を励起して角速度を計測する角速度センサに関するものである。
　特開２００７－９３３２９号公報（特許文献１）の図１には、積層方向に並ぶ角速度検出素子２０、回路基板３０、台座６０及びパッケージの搭載面１３を、それぞれ接着剤で接合するととともに、パッケージの壁面１４と台座６０とを接着剤で接合した振動型の角速度センサが開示されている。特許文献１に示す振動型の角速度センサでは、振動体を支持する支持部に対する振動体の動作に応じて変化する角速度検出素子２０の出力の変化を測定することにより、角速度センサに作用する角速度を検出している。
特開２００７－９３３２９号公報
　近年、角速度センサが実装されるモバイル機器等の電子機器の小型化が促進されている。これにより、角速度センサの小型化が一層進められている。コレオリ力を利用する角速度センサは、振動体を振動させておいて、角速度を感じた時に生じるコレオリ力を検出して角速度を測定するものである。しかしながら、角速度センサの小型化により、角速度センサの振動体と、振動体を支持固定する支持部との重量比が小さくなってしまい、振動体の振動により本来ならば静止していなければならない支持部が振動して、支持部に対して振動体を正確に振動させることができないため角速度の検出精度が劣化するという問題が生じている。また振動体の振動エネルギーが支持部に伝達してしまうことにより振動損失が生じて、振動体の振動に対する機械的Ｑ値が低くなり、角速度センサのセンサ感度が小さくなる、温度特性が劣化するなどの重大な問題が生じている。
　特許文献１の角速度センサでは、角速度センサ装置全体の重量を大きくするために台座６０を低弾性率の接着剤により接合している。しかしながら台座６０は、角速度センサが吸収する外部振動の周波数範囲を広げるために設けられたものであるので、振動体の振動により支持部が動くことを抑制するだけの重量を備えておらず、振動体を精確に振動させることができない。
　本発明の目的は、小型化しても、機械的Ｑ値（以後、単にＱ値と言う場合もある）の低下を抑制でき、従って感度が大きく、感度の温度特性を小さくする角速度を計測する角速度センサを提供することにある。
　本発明の他の目的は、小型化しても、振動体の振動により支持部が動くことを抑制できる、すなわち安定で正確な振動を得ることにより、正確に角速度を計測する角速度センサを提供することにある。
　本発明はダイアフラム形の振動励起部と、振動励起部の中央部に形成され、Ｘ方向あるいはＹ方向あるいはＺ方向の少なくとも一方向に振動する振動体と、振動励起部の周辺を支持する周辺支持部とからなる角速度センサを改良の対象とする。なお本願明細書において、「ダイアフラム形の振動励起部」とは、ダイアフラムの上に圧電振動膜などの振動励起層が形成されたものを意味する。また「振動励起部の中央部」とは、励起振動部の中心部だけでなく、中心部を中心とする誤差範囲まで含むものである。本発明の角速度センサは、周辺支持部と接合される振動安定部をさらに備えている。そして周辺支持部の外周部の輪郭形状は矩形状を有しており、振動励起部の外形の輪郭形状は八角形状を有しており、振動体は円柱筒形状を有している。なお本願明細書において、「矩形状」とは、正方形や長方形などの形状であり、四隅の角度が完全に９０度の矩形だけでなく、四隅の角度が９０度の誤差範囲に入るもの、角部に小さいアール（湾曲）が付いているもの、また対向する一対の辺が完全に同じ寸法にはならないが、誤差範囲に入るものも含むものである。また「八角形状」とは、八箇所の角部の内角が４５度の誤差範囲に入るもの、角部に小さいアールが付いているもの、また対向する一対の辺が完全に同じ寸法にはならないが、誤差範囲に入るものを含むものである。さらに「円柱形状」とは、横断面が真円になるものだけでなく、横断面が真円の誤差範囲に入るものを含むものである。
　本発明では、振動安定部が、振動の周波数が低いときには軟らかく、振動の周波数が高いときには固くなる性質を備えた接着剤により周辺支持部と接合されている。硬化後のこの接着剤の厚みは、１０乃至５０μｍである。そして本発明の角速度センサでの振動安定部は、単体の物質から構成されたものでよく、また複数の物質または材料が組み合わされてなる複合体でもよい。そして振動安定部は、周辺支持部との重量合計が振動体の重量の２０倍以上となる重量を有している。
　上記の構成にすると、円柱形状の振動体が振動すると、振動体の振動により周辺支持部が振動する。この時、周辺支持部の重量が振動体の重量よりも大きくなると、外周の輪郭形状が矩形状を有していて外形の輪郭形状が八角形状を有するダイアフラム型の振動励起部を支持する周辺支持部は、振動体の振動よりも小さな振動振幅で振動することとなる。
　本発明では、周辺支持部と振動安定部との接着を、周波数が低いときには軟らかく、振動体の振動のような周波数が高いときには固くなる接着剤の層を使用しているので、温度変化がもたらす変位あるいは振動や外部からの変位あるいは振動のような変位あるいは周波数の低い振動は、軟らかい状態の接着剤により吸収される。また、振動励起部より励起される周波数の高い円柱形状の振動体の振動は、固い状態の接着剤の層により吸収されることがない。また本発明では、硬化後の接着剤の厚みを１０乃至５０μｍとしている。これは硬化後の接着剤の厚みが５０μｍより厚くなると、周辺支持部と振動安定部との一体化が不十分となり、支持部が独立に振動しやすくなるので振動体の振動が支持体に漏れ、機械的Ｑ値が低くなるので、５０μｍ以下の厚みにすることが望ましい。また、硬化後の接着剤の厚みが１０μｍより薄くなる場合には、外周の輪郭形状が矩形状を有して輪郭形状が八角形状を有している振動励起部を支持する周辺支持部と円柱形状の振動体の熱膨張率の差に起因する部材間の寸法の変化や外部からの振動の影響を抑制できずに、角速度センサの出力の温度変化や外部振動の影響が大きくなる。そのため硬化後の接着剤の厚みは、１０μｍ以上にすることが望ましい。さらに本発明では、周辺支持部と振動安定部とを一体化して、周辺支持部及び振動安定部の合計重量が振動体の重量の２０倍以上となるように構成している。また、振動安定部を複数の材料を積層した積層構造などの複合構造とすることによって、振動安定部の機械的Ｑ値を低く設定できるので温度変化や周囲からの振動を一層減衰することができ、その結果として温度変化や周囲からの振動の影響などを一層低減できる。
　そのため本発明では、円柱形状の振動体の重量と、外周の輪郭形状が矩形状を有している周辺支持部及び振動安定部の合計重量との重量差が大きくなり、振動体の振動により周辺支持部が動くこと、つまり振動体の振動が周辺支持体に漏れるのを抑制することができる。よって、輪郭形状が八角形状を有している振動励起部を支持する周辺支持部に対して正確に振動体を振動させることができる。また、輪郭形状が八角形状を有している振動励起部を支持する周辺支持部が動くことにより角速度センサから外部に振動が漏れることを抑制することができるので、振動体の振動エネルギーに損失が生じて、振動体のＱ値が低くなることがない。以上のことから、本発明によれば、小型化しても、Ｑ値が低下することがないのでセンサ感度を高くでき、センサ出力の温度変化が大きくなることがなく、しかも振動体を正確に振動させて正確に角速度を検出することができる角速度センサを得ることができる。
　また、本発明によれば、周辺支持部の外周の輪郭形状は矩形状を有しており、振動励起部の外形の輪郭形状は八角形状を有しており、振動体は円柱形状を有しており、それぞれの形状が異なっているので、円柱形状振動体の振動は八角形状の振動励起部に伝わりにくく、八角形状の振動励起部の振動は外周輪郭形状が矩形状の周辺支持部に伝わりにくい。振動の伝播方向の逆も伝わりにくいという特長を持つ。故に、振動体の振動が正確に行われ、上記に記載した振動体の重量と周辺支持部及び振動安定部の合計重量との重量差が大きく、周波数が低いときには軟らかく周波数が高いときには固くなる接着剤の効果と相まって、小型化しても、Ｑ値が低下することがないのでセンサ感度を高くでき、センサ出力の温度変化が大きくなることがなく、しかも振動体を正確に振動させて正確に角速度を検出することができる角速度センサを提供することができる。
　振動体と周辺支持部との接着に用いる接着剤は、シリコン系接着剤であることが好ましい。硬化後のシリコン系接着剤では、振動体の周波数が低いときには軟らかく、振動体の周波数が高いときには固くなる性質が特に顕著である。また、接着剤の厚みを制御するためには接着剤に所定の粒子やファイバを混入させれば効果的である。
　振動安定部には、角速度センサが固定され、実装されるパッケージが含まれていてもよいのは勿論である。振動安定部が、例えば比重の大きい金属材料を含んでいてもよい。特に熱膨張率が小さいシリコンの熱膨張係数（２．６ｐｐｍ）に近い熱膨張係数を有するタングステン（熱膨張係数４．５ｐｐｍ）またはモリブデン（熱膨張係数４．８ｐｐｍ）からなる材料を振動安定部に含めることが好ましい。また、振動安定部には、タングステン、モリブデン等の金属材料や、セラミックなどの材料、シリコン基板、ゴムやエポキシ樹脂、シリコン樹脂等の有機材料等の各種の材料から選択した２以上の材料を組み合わせたり、積層して構成した複合材料を含めてもよい。選択する材料の組み合わせによって機械的Ｑ値が低い、つまり外部振動を低減でき、しかも重量の大きい振動安定部を形成できる。このような材料を含めて振動安定部を構成すれば、振動安定部を小さくでき、角速度センサの小型化を阻害することがない。また、材料の選択により熱膨張率を調整できるので、角速度センサが実装される回路基板等の熱膨張率が大きい場合でも、振動安定部が緩衝層として機能し、回路基板等の熱膨張による影響を小さくすることができる。なお角速度センサの高さ寸法を小さくする必要がある場合には、振動安定部を、角速度センサが実装されるシリコン基板、またはシリコン基板とパッケージの組み合わせから構成すればよい。
　例えば、周辺支持部と振動安定部とは、例えば振動体の中心を通る一対の仮想直交面が通過する４ヶ所の位置で接着剤により接合することができる。この場合には振動体を、仮想直交面に沿って振動するように構成する。このように構成すると、振動体の振動により周辺支持部が動く方向に接着剤が存在するので、周辺支持部の動きを接着剤で確実に抑制することができ、外部に振動体の振動が漏れることを確実に防止することができる。もちろん、上記の４ヶ所を含む更に多数箇所で周辺支持部と振動安定部とを接合しても良いし、周辺支持部を全周で振動安定部に接合してもよい。
　周辺支持部の内周に接着剤がはみ出して、振動励起部に付着してしまうと角速度センサが正しく作動しなくなる。特に角速度センサが小型化すると、接着剤の塗布に高い精度が要求される。そこで、周辺支持部の外周の輪郭形状が矩形状に形成されている場合には、周辺支持部の仮想対角面が通過する４ヶ所の位置で、周辺支持部と振動安定部とを接着剤により接合することが好ましい。周辺支持部の仮想対角面が通過する位置は、周辺支持部の他の部分よりも、外周と内周との間隔が広くとることができるため、接着剤の塗布を簡単に行うことができる。
　振動安定部の重量は、多くの研究の結果、周辺支持部との重量合計が振動体の重量の２０倍以上であることが必要であることが見いだされ、さらに４０倍以上であることが好ましい。このように構成すると、周辺支持部の重量に拘わらず、周辺支持部に対してより正確に振動体を振動させることができる。
　周辺支持部に２つの振動励起部の外周部を支持させてもよい。そして、一方の振動励起部の中央領域に形成された振動体により、振動励起部に垂直な方向の角速度を検出し、他方の振動励起部の中央領域に形成された振動体により、振動励起部と平行な方向の角速度を検出するように構成する。このようにすると、振動励起部に垂直な方向の角速度及び振動励起部と平行な方向の角速度を、２つの振動体により分離して検出することができる。そのため、振動体の振動方向を切り替える必要がないため、角速度センサの応答性能を高めることができる。
　本発明は角速度センサだけでなく、振動部と支持部を持つその他のデバイス、例えばＭＥＭＳミラー、加速度センサなどにも適用することもできる。
（Ａ）は本発明の第１の実施形態としての角速度センサにおける電極構造の一例を示す平面図であり、（Ｂ）は振動安定部を取り除いた状態の底面図である。 パッケージに取り付けた状態を示す図１（Ａ）の仮想面ＣＬ１－ＣＬ１線の断面図である。 図１の角速度センサにおいて、周辺支持部と振動安定部の合計重量を変更した場合におけるＱ値の値を測定した実験の結果を示すグラフである。 図１の角速度センサにおいて、周辺支持部と振動安定部との接着剤の厚みを変更した場合におけるＱ値の値と出力の温度変化を測定した実験の結果を示すグラフである。 （Ａ）は本発明の第２の実施の形態としての角速度センサの平面図であり、（Ｂ）は振動安定部を取り除いた状態の底面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ、図１及び図５の実施の形態の角速度センサを、重錘をＸ軸方向に振動させるように振動励起用電極を駆動したときに得られる４つの角速度検出用電極から得られる所定の周波数範囲における出力の一部を示す図である。 （Ａ）は本発明の第３の実施の形態としての角速度センサの振動安定部を取り除いた状態の底面図であり、（Ｂ）はパッケージに取り付けた状態を示す図７（Ａ）のＶＩＩ－ＶＩＩ線断面を模式的に示す図である。
　以下、図面を参照して本発明の角速度センサの実施の形態について説明する。
　図１（Ａ）は、本発明の第１の実施形態としての角速度センサ１の一例の平面図であり、図１（Ｂ）は、後述する振動安定部を構成するシリコン板１９を取り除いた状態の底面図である。図２は、角速度センサ１をパッケージに取り付けた状態を示す図１（Ａ）のＣＬ１－ＣＬ１線の断面図である。なお、本明細書においては、理解を容易にするために、一部の部品の寸法を誇張して描いている。
　本実施の形態の角速度センサ１は、外周が八角形状の平板状のダイアフラム３と、ダイアフラム３の裏面中央部に配置された円柱形状の振動体としての重錘５と、ダイアフラム３の外周部を支持する外周部が矩形形状の周辺支持部７と、ダイアフラム３の表面に絶縁膜９を介して形成された下部電極１１と、下部電極１１の上に形成された圧電薄膜１３と、圧電薄膜１３の上に形成された４つの振動励起用電極１５及び４つの角速度検出用電極１７とを備えている。本実施の形態では、ダイアフラム３と圧電薄膜１３が膜状の振動励起部を構成している。そしてダイアフラム３と、重錘５と、周辺支持部７とは、結晶方位が（１００）の半導体シリコン基板の一方の面上に重錘５の端面と周辺支持部７の端面に対応する形状を有するマスクを配置し、このマスク側からドライエッチングを施すことにより、一体に形成されている。重錘５はその一部または全部をタングステンやモリブデンなどの他の材料で構成することもできる。本実施の形態では、４つの振動励起用電極１５に駆動電気信号を与えることにより圧電薄膜１３を伸縮させて、重錘５に対して、所定の振動軸の方向の運動成分をもった振動を誘起する。また角速度検出用電極１７により、コリオリ力に基づいて重錘５に生じる変位軸の方向の変位を検出する。
　ダイアフラム３の外周部の輪郭形状は、一辺の長さが約０．４ｍｍの辺Ｓ１乃至Ｓ４の四隅に直線部Ｃ１乃至Ｃ４を有する略八角形形状を有している。ダイアフラム３の厚みは約０．００９ｍｍである。本実施の形態では、直線部Ｃ１～Ｃ４の長さが、辺Ｓ１～Ｓ４の長さよりも長くなるようにダイアフラム３が構成されている。本実施の形態では、正方形の各辺Ｓ１～Ｓ４と直線部Ｃ１～Ｃ４との交点部には、小さいアール部が形成されている。なおこのアール部は無くても動作上の問題はない。そして重錘５は、円柱形状を呈している。重錘５の直径は０．４ｍｍである。
　周辺支持部７は、筒状に構成されている。周辺支持部７の外周部の輪郭形状は、矩形状を有しており、本実施の形態ではほぼ正方形形状であるが、長方形状とすることもできる。一辺の長さは約１．１ｍｍであり、ダイアフラム３が設けられた面からシリコン板１９が接合される先端までの長さ寸法（厚み）は約０．４０８ｍｍである。また周辺支持部７の内周部は、ダイアフラム３の辺Ｓ１乃至Ｓ４とそれぞれ連続する面Ｆ１乃至Ｆ４と、ダイアフラム３の四隅の直線部Ｃ１乃至Ｃ４とそれぞれ連続する４つの面ＦＣ１乃至ＦＣ４とから構成されており、周辺支持部７の内周部の輪郭形状は、ダイアフラム３の外周部の輪郭形状と同じである。周辺支持部７には、ダイアフラム３と離れる方向の端面７ａに、正方形形状のシリコン板１９が接着剤２１により接合されている。
　本実施の形態では、ダイアフラム３の中心位置に原点Ｏをもち、ダイアフラム３の表面がＸＹ平面に含まれるようなＸＹＺ三次元直交座標系を定義したときに、図１（Ａ）に示すようにＸ軸とＹ軸とを定義している。ダイアフラム３の対向する２辺Ｓ１及びＳ３と直交し且つ該２辺Ｓ１及びＳ３を二分する第１の仮想線Ｌ１と、ダイアフラム３の対向する残りの２辺Ｓ２及びＳ４と直交し且つ該２辺を二分する第２の仮想線Ｌ２と、ダイアフラム３の対向する２つの直線部Ｃ１及びＣ３の中心を通る第１の仮想対角面ＣＬ１と、ダイアフラム３の対向する残りの２つの直線部Ｃ２及びＣ４の中心を通る第２の仮想対角面ＣＬ２とを仮定する。そしてダイアフラム３の外周部の輪郭形状を、第１の仮想線Ｌ１または第２の仮想線Ｌ２に対して線対称となる形状とする。本実施の形態では、４つの振動励起用電極１５及び４つの角速度検出用電極１７を、第１及び第２の仮想対角面ＣＬ１及びＣＬ２によって仕切られた４つの領域内にそれぞれ形成している。本実施の形態では、第１の仮想線Ｌ１及び第２の仮想線Ｌ２がＸ軸の軸線及びＹ軸の軸線とそれぞれ一致している。
　４つの振動励起用電極１５の輪郭形状は、重錘５の径方向外側に位置する外辺１５Ａと、この外辺１５Ａと径方向に対向する内辺１５Ｂと、外辺１２Ａと内辺１２Ｂとを連結する一対の連結辺１５Ｃ及び１５Ｄとからなる。外辺１５Ａの形状は、ダイアフラム３の外周部の一部（隣合う２つの辺の一部と直線部に亘る部分）の形状と相似形になっている。また振動励起用電極１５の輪郭形状の内辺１５Ｂの形状も外辺の形状の相似形となっている。４つの振動励起用電極１５をこのような形状にすると効率良く振動を生じさせることができる。振動励起用電極１５を円弧形状にすることもできる。
　また４つの角速度検出用電極１７の輪郭形状は、重錘５の径方向外側に位置する外辺１７Ａと、外辺１７Ａと径方向に対向する内辺１７Ｂと、外辺１７Ａと内辺１７Ｂとを連結する一対の連結辺１７Ｃ及び１７Ｄとからなる。本実施の形態では、外辺１７Ａ及び内辺１７Ｂはそれぞれ同心の円弧形状を有している。角速度検出用電極１７を振動励起用電極１５のような輪郭形状にすることもできる。ここで、角速度検出用電極を振動励起用電極として、振動励起用電極を角速度検出用電極として用いることもできる。
　本実施の形態では、４つの振動励起用電極１５及び４つの角速度検出用電極１７は、ダイアフラム３と重錘５との境界及びダイアフラム３と周辺支持部７との境界に跨がらないように形成されている。このように４つの振動励起用電極１５及び４つの角速度検出用電極１７を形成すると、４つの角速度検出用電極１７からの出力信号の振幅をより大きなものとすることができる。
　円柱形状の振動体としての重錘５に対して、所定の振動軸の方向の運動成分をもった振動を誘起するためには、４つの振動励起用電極１５に駆動信号を与える。そしてコリオリ力に基づいて重錘５に生じる変位軸の方向の変位を４つの角速度検出用電極１７から検出して、角速度を求める。この角速度センサでは、Ｘ軸及びＺ軸のうちの一方を振動軸、直交する他方を変位軸とし、変位検出部を構成する角速度検出用電極１７からの検出値に基づいてＹ軸まわりの角速度を検出する。またＸ軸周り及びＹ軸周りの角速度を検出するためには、重錘５をＺ方向に振動させることになる。よって、Ｚ軸周りの角速度検出に必要なＸ軸方向及びＹ軸方向の振動が明確になる。またＸ軸回り及びＹ軸回りの角速度検出に必要なＺ軸向の振動も損なわれない。したがってコリオリ力の検出ができて、しかもＺ軸周りの角速度を検出するためにＸ軸方向またはＹ軸方向に重錘を十分に振動させることができる角速度センサとなっている。また、Ｚ軸周りの角速度を検出するためには、重錘５をＸ軸方向またはＹ軸方向に振動させることになる。本実施の形態では、図１（Ａ）のＸ軸方向に重錘を振動させている。
　シリコン板１９は、厚さ約０．１ｍｍのシリコンＩＣ基板（例えば振動励起用電気信号を発生させ、角速度検出用電気信号を検出して、角速度を検出する機能を有するものとすることもできる）により構成されており、一辺の長さが約１．７ｍｍの正方形形状の輪郭を有している。シリコン板１９はエポキシ系接着剤２２によりＦＲ４からなるパッケージ２３と一体化されている。本実施の形態では、シリコン板１９とエポキシ系接着剤２２とパッケージ２３とが本発明の振動安定部材２４を構成している。本実施の形態のシリコン板１９とエポキシ系接着剤２２とパッケージ２３とから成る振動安定部２４は、振動体である重錘５の４０倍の重量を有している。
　周辺支持部７とシリコン板１９とは、第１の仮想対角面ＣＬ１が通過する２つの領域並びに第２の仮想対角面ＣＬ２が通過する２つの領域に塗布された接着剤２１により接合されている。本実施の形態では特に、周辺支持部７の面ＦＣ１乃至ＦＣ４に接着剤２１が露出しないように、面ＦＣ１乃至ＦＣ４と間隔を空けて接着剤２１が塗布されている。
　本実施の形態では、株式会社スリーボンド製のシリコン系導電接着剤を接着剤２１として用いている。この接着剤は、振動周波数が低いときには軟らかく、振動周波数が高いときには固くなる性質を有している。硬化後の接着剤２１は、１０乃至５０μｍの厚みに形成されている。
　上記実施の形態のように構成した角速度センサ１について、重錘５の重量と、周辺支持部７及び振動安定部２４の合計重量との比と、Ｑ値との関係について確認する実験を行った。図３は、本実施の形態の角速度センサ１において、周辺支持部７と振動安定部２４の重量を変更した場合におけるＱ値の値を測定した実験の結果を示すグラフである。この実験は、重錘５の重量Ｗ１と、周辺支持部７及び振動安定部２４の合計重量Ｗ２との比（Ｗ１：Ｗ２）が、１：１０、１：２０、１：３０、１：４０、１：８０及び１：１６０となるように振動安定部２４の重量を定めて、図１のＸ軸方向及びＺ軸方向に振動させた際のＱ値をそれぞれ測定した。Ｘ軸方向に振動させた際のＱ値は、重量比を大きくしていくと大きくなり約６００で飽和している。飽和したＱ値６００から１０％の差までの範囲を使用可能な重量比とした場合には、Ｘ軸方向の振動では、使用可能な重量比は、１：２０以上となる。Ｚ軸方向に振動させた際のＱ値は、重量比を大きくと同様に大きくなり３００で飽和している。飽和したＱ値３００から１０％の差までの範囲を使用可能な重量比とした場合には、Ｚ軸方向の振動では、使用可能な重量比は、１：１０である。そのため、重錘５の重量と周辺支持部７及び振動安定部２４の合計重量との比重量比が１：２０以上であれば、Ｘ軸方向及びＺ軸方向ともに良好なＱ値が得られる、つまり感度が高くて安定な実用的な角速度センサとすることができることを多くの研究の結果、見出した。また、重錘５の重量と周辺支持部７及び振動安定部２４の合計重量との比重量比が１：４０以上であれば、Ｘ軸方向及びＺ軸方向ともに飽和したＱ値が得られる。つまり、角速度センサ１では、温度一定で外部から振動などの擾乱が無視できる場合には、重錘５の重量と周辺支持部７及び振動安定部２４の合計重量との比重量比が１：２０以上、好ましくは１：４０以上あれば安定な動作が実現できることを、多くの研究の結果、初めて見出した。
　次に、上記実施の形態のように構成した角速度センサ１について、温度や振動などの外部擾乱が加わったことを考慮した動作の安定化について説明する。角速度センサ１について、接着剤２１の厚みを変更した場合におけるＱ値の値と出力の温度変化を測定する実験を行った。図４は、本実施の形態の角速度センサ１において、接着剤２１の厚みを変更した場合におけるＱ値の値と出力の温度変化を測定した実験の結果を示すグラフである。この実験では、接着剤２１の厚みを５μｍ～６０μｍの間で変更した。また、角速度センサの温度は、－４０℃～８５℃の間で変更した。代表例としてＸ軸方向の振動について調べた結果、接着剤２１の厚みが１０μｍより薄い場合には、Ｘ軸方向の振動のＱ値は６００以上であるものの、－４０℃～８５℃の間で温度を変化させた場合のセンサ出力の変化の割合が５０％を超えてしまう。これは接着剤の厚みが薄いと、熱膨張率の差に起因する各部材の寸法の変化の差が接着層で吸収できず、互いの影響を抑制できていないためである。接着剤２１の厚みが５０μｍより厚くなる場合には、－４０℃～８５℃の間で温度を変化させた場合の出力の温度変化の割合が４５％以内に収まっているため、熱膨張率の差に起因する各部材の寸法の変化の差の影響を抑制できている。しかしながら、Ｘ軸方向の振動のＱ値が低下し、飽和値６００と１０％以上の差となった。接着剤２１の厚みが１０μｍ乃至５０μｍの場合には、－４０℃～８５℃の間で温度を変化させた場合の出力の温度変化の割合が４５％以内に収まっており、しかもＱ値の値も安定しており、いずれも飽和したＱ値６００から１０％の差の範囲内にあった。つまり、接着剤２１の厚みが１０μｍ～５０μｍの場合には、Ｑ値とセンサ出力の温度特性が良好である。Ｚ軸方向の振動についても、Ｑ値の絶対値は異なるが同様なことが言える。なお、ここで示した特性は一例であるが、センサ寸法を約０．５～３倍にしても同様な結果が得られた。
　上記実施の形態では、振動体としての重錘５の重量と、周辺支持部７及び振動安定部２４の合計重量との比を１：２０以上としているので、重錘５の振動により周辺支持部が動くことを抑制して、周辺支持部７に対して精確に重錘５を振動させることができる。また、周辺支持部７が動くことにより角速度センサ１から外部に振動が漏れることが抑制されており、重錘５の振動のＱ値が低くなることを防止できている。また、シリコン系接着剤の厚みを１０乃至５０μｍにして、周辺支持部７と振動安定部２４とを接合しているので、周波数の低い周辺支持部７の振動は、軟らかい状態の接着剤により吸収され、周波数の高い周辺支持部７の振動は、固くなった状態の接着剤により吸収されることがなく、しかも振動体の振動エネルギーに損失が生じて、重錘５のＱ値が低くなることがない。そのため、本発明によれば、小型化しても、Ｑ値が低下することなく、出力の温度変化が大きくなることがなく、しかも振動体を精確に振動させることができるので、安定して高感度が得られる角速度センサを得ることができる。
　また、振動安定部２４はシリコン板１９とエポキシ系接着剤２２とパッケージ２３などの複数部品から構成されているので、積層、縦列などの複合体構造を採ることができる。従って、上記実施の形態は、振動に対するＱ値が低くできる、振動体に対する重量を大きくできる、熱膨張係数を容易に制御できるという優れた特長を有する。振動に対するＱが低いことにより、外部からの不要振動を低減できる。振動体に対する重量を大きくすれば、安定した振動体の振動が得られるので、振動体の振動は高いＱ値が得られる。熱膨張係数の制御が容易なことにより、感度の温度特性を小さくできる。従って、上記実施の形態によれば、デバイスを小型化しても、角速度センサのＱ値が低下することなく、出力の温度変化が大きくなることがなく、しかも振動体を精確に振動させることができるので、安定して正確な、しかも高感度が得られる角速度センサを得ることができる。
　また、周辺支持部７の外周の輪郭形状は矩形状を有しており、ダイアフラム３の外形の輪郭形状は八角形状を有しており、振動体５は円柱形状を有しており、それぞれの形状が異なっているので、円柱形状振動体５の振動は八角形状のダイアフラム３に伝わりにくく、八角形状のダイアフラム３の振動は外周輪郭形状が矩形状の周辺支持部７に伝わりにくい。逆の伝播方向の振動も伝わりにくいという特長を持つ。故に、振動体の振動が正確に行われ、振動体の重量と周辺支持部及び振動安定部の合計重量との重量比が１：２０以上と大きく、周波数が低いときには軟らかく周波数が高いときには固くなる接着剤の効果と相まって、小型化しても、Ｑ値が低下することがないのでセンサ感度を高くでき、センサ出力の温度変化が大きくなることがなく、しかも振動体を正確に振動させて正確に角速度を検出することができる角速度センサを提供することができる。
　図５（Ａ）は本発明の第２の実施の形態の角速度センサの平面図であり、（Ｂ）はシリコン板を取り除いた状態の底面図である。なお、図５に示す実施の形態においては、図１及び図２の実施の形態と同様の部材に、図１乃至図２に付した符号に１００の数を加えた符号を付して説明を省略する。
　この例では、４つの振動励起用電極１１５を、第１の仮想線Ｌ１と第２の仮想線Ｌ２によって仕切られた４つの領域内にそれぞれ形成している。そして４つの角速度検出用電極１１７も、第１の仮想線Ｌ１と第２の仮想線Ｌ２によって仕切られた４つの領域内にそれぞれ形成されている。実施の形態では、第１の仮想対角面ＣＬ１及び第２の仮想対角面ＣＬ２がＸ軸の軸線及びＹ軸の軸線とそれぞれ一致している。本実施の形態では、辺Ｓ１～Ｓ４の長さが、直線部Ｃ１～Ｃ４の長さよりも長くなるようにダイアフラム１０３が構成されている。そして周辺支持部１０７とシリコン基板１１９とは第１の仮想対角面ＣＬ１及び第２の仮想対角面ＣＬ２上で接着剤１２１により接着されている。本実施の形態では、重錘１０５は、第２の仮想対角面ＣＬ２に沿って振動する。重錘１０５の振動方向の、すなわち第１の仮想対角面ＣＬ１及び第２の仮想対角面ＣＬ２に沿う周辺支持部１０７の幅が第１の実施の形態の角速度センサに比べて大きい。そのため、重錘１０５の振動により周辺支持部１０７が動く方向に接着剤１２１が存在するので、支持部１０７の動きを接着剤１２１で確実に抑制して、外部に振動が漏れることを防止している。
　図６（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ、図１及び図５の実施の形態の角速度センサを、重錘をＸ軸方向に振動させるように振動励起用電極１１５に駆動信号を与えたときに得られる４つの角速度検出用電極から得られる所定の周波数範囲における出力の一部を示す図である。図６（Ａ）及び（Ｂ）からわかるように、図５の実施の形態の方が、図１の実施の形態に比べて、Ｘ軸方向の振動のピークの周波数とＹ軸方向の振動のピークの周波数がはっきりと区分できている。そのため、図５のように、４つの振動励起用電極１１５と４つの角速度検出用電極１１７の位置関係を定めると、Ｘ軸方向の振動とＹ軸方向の振動の区分が明確にできる信号を４つの角速度検出用電極１１７から確実に得ることができる。
　図７（Ａ）は本発明の第３の実施の形態の角速度センサ２０１のシリコン基板２１９を取り除いた状態の底面図であり、（Ｂ）はパッケージ２２３に取り付けた状態を示す図７（Ａ）のＶＩＩＢ－ＶＩＩＢ線断面を模式的に示す図である。なお、図７に示す実施の形態においては、図１及び図２に示す第一の実施の形態と同様の部材に、図１乃至図２に付した符号に２００の数を加えた符号を付して説明を省略する。本実施の形態の角速度センサ２０１は、２つのダイアフラム２０３Ａ及び２０３Ｂを備えており、ダイアフラム２０３Ａ及び２０３Ｂの裏面中央部には、円柱形状の重錘２０５Ａ及び２０５Ｂが配置されている。また周辺支持部２０７は、接着剤２２１によりシリコン基板２１９に接合されている。そしてシリコン基板２１９は、エポキシ系の接着剤２２２によりパッケージ２２３に接合されている。
　ダイアフラム２０３Ａ及び２０３Ｂの外周部の輪郭形状は、一辺の長さが約０．９５ｍｍの辺の四隅に直線部Ｃ１乃至Ｃ４を有する略八角形形状を有している。ダイアフラム２０３Ａ及び２０３Ｂの重量は、それぞれ０．０８９６ｍｇである。周辺支持部２０７は、１．４６６２ｍｇの重量を有しており、周辺支持部２０７の四隅及び周辺支持部２０７の長手方向の中間の合計６ヶ所がシリコン基板２１９に接着されている。
　シリコン基板２１９は、輪郭形状が２．２ｍｍ×２．３ｍｍの矩形形状を有しており、約０．１ｍｍの厚みを有しており、図示しない集積回路が形成されている。シリコン基板２１９は、２．２ｍｍ×２．３ｍｍの矩形形状を有している。本実施の形態では、シリコン基板２１９及びパッケージ２２３が振動安定部材を構成している。シリコン基板２０１９及びパッケージ２２３全体の重量は、５ｍｇである。
　本実施の形態では、重錘２０５ＡをＺ軸方向に振動させることによりＸ軸周り（またはＹ軸周り）の角速度を検出する。また、重錘２０５ＡをＸ軸方向（またはＹ軸方向）に振動させることによりＺ軸周りの角速度を検出する。そのため、本実施の形態の角速度センサでは、重錘の振動方向を切り替える必要がないため、角速度センサの応答性能を高めることができる。
　また本発明は、上記の実施の形態における各層の寸法や、材料などに限定されるものではないのは勿論である。
　本発明の角速度センサによれば、中央部に円柱形状の振動体を有し且つ外形の輪郭形状が八角形状を有するダイアフラム形の振動励起部を支持する外周部の輪郭形状が矩形状を有する周辺支持部に、振動の周波数が低いときには軟らかく、振動の周波数が高いときには固くなる性質を備えた接着剤により振動安定部を接合しているので、周波数の低い周辺支持部の振動は、軟らかい状態の接着剤により吸収され、周波数の高い周辺支持部の振動は、固くなった状態の接着剤により吸収されることがない。また硬化した接着剤の層の厚みを１０乃至５０μｍとしているので、周辺支持部と振動安定部とが一体化され、Ｑ値の値が低くなることがなく、しかも熱膨張率の差に起因する部材間の寸法の変化の影響を抑制でき、角速度センサの出力の温度変化が大きくなることがない。さらに、振動安定部との合計重量が２０倍以上となる周辺支持部が振動安定部と一体化されるので、振動体と周辺支持部との重量比を大きくして、振動体の振動により周辺支持部が動くことを抑制することができる。そのため、周辺支持部に対して正確に振動体を振動させることができる。また、周辺支持部が動くことにより角速度センサから外部に振動が漏れることを抑制することができるので、振動体の振動エネルギーに損失が生じて、振動体のＱ値が低くなることがない。そのため、本発明によれば、小型化しても、Ｑ値が低下することなく、出力の温度変化が大きくなることがなく、しかも振動体を正確に振動させることができる高安定、高感度な角速度センサを得ることができる。
　１　角速度センサ
　３　ダイアフラム
　５　重錘（振動体）
　７　周辺支持部
　９　絶縁膜
　１１　下部電極
　１３　圧電薄膜
　１５　振動励起用電極
　１７　角速度検出用電極
　１９　シリコン基板
　２１　接着剤
　２２　接着剤
　２３　パッケージ
　２４　振動安定部

Claims (10)

  1. 　ダイアフラム形の振動励起部と、前記振動励起部の中央部に形成され、Ｘ方向あるいはＹ方向あるいはＺ方向の少なくとも一方向に振動する振動体と、前記振動励起部の周辺を支持する周辺支持部とからなる角速度センサであって、
    　前記周辺支持部と接合される振動安定部をさらに備え、
    　前記振動安定部は、振動の周波数が低いときには軟らかく、振動の周波数が高いときには固くなる性質を備えた接着剤により前記周辺支持部と接合されており、
    　前記周辺支持部の外周部の輪郭形状は矩形状を有しており、前記振動励起部の外形の輪郭形状は八角形状を有しており、前記振動体は円柱形状を有しており、
    　硬化後の前記接着剤の厚みは、１０乃至５０μｍであり、
    　前記振動安定部は、前記周辺支持部との重量合計が前記振動体の重量の２０倍以上となる重量を有していることを特徴とする角速度センサ。
  2. 　前記接着剤は、シリコン系接着剤である請求項１に記載の角速度センサ。
  3. 　前記振動安定部は、シリコン基板を含んで構成されている請求項１または２に記載の角速度センサ。
  4. 　前記振動安定部に、角速度センサが固定されるパッケージが含まれている請求項３に記載の角速度センサ。
  5. 　前記振動安定部は、タングステンまたはモリブデンにより構成された金属板を含んでいる請求項１または２に記載の角速度センサ。
  6. 　前記振動安定部は、タングステン、モリブデン等の金属材料、シリコン基板、有機系材料から選択された２以上の材料を組み合わせるかまたは積層してなる複合材料を含んでいる請求項１または２に記載の角速度センサ。
  7. 　前記振動体の中心を通る一対の仮想直交面が少なくとも通過する４ヶ所の位置で前記周辺支持部と前記振動安定部とが前記接着剤により接合されており、
    　前記振動体は、前記仮想直交面に沿って振動する請求項１乃至６のいずれか１項に記載の角速度センサ。
  8. 　前記周辺支持部の外周の輪郭形状は矩形状を有しており、
    　前記周辺支持部の仮想対角面が少なくとも通過する４ヶ所の位置で前記周辺支持部と前記振動安定部とが前記接着剤により接合されている請求項１乃至７のいずれか１項に記載の角速度センサ。
  9. 　前記振動安定部の重量が、前記振動体の重量の４０倍以上である請求項１乃至８のいずれか１項に記載の角速度センサ。
  10. 　前記周辺支持部は、２つの前記振動励起部の外周部を支持しており、
    　一方の振動励起部の中央領域に形成された前記振動体は、前記振動励起部に垂直な方向の角速度を検出し、
    　他方の振動励起部の中央領域に形成された前記振動体は、前記振動励起部と平行な方向の角速度を検出する請求項１乃至９のいずれか１項に記載の角速度センサ。
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