JP2010266320A

JP2010266320A - 角速度センサ装置およびその製造方法

Info

Publication number: JP2010266320A
Application number: JP2009117472A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Mitani; 朋弘三谷
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-05-14
Filing date: 2009-05-14
Publication date: 2010-11-25

Abstract

【課題】本発明は、各種電子機器に用いられる角速度センサ装置およびその製造方法に関し、角速度センサ装置の構造を簡素化することを目的とする。
【解決手段】本発明はパッケージ６の実装面に対して非平行に角速度センサ素子を実装する角速度センサ装置において前記角速度センサ素子は一端が固定部１０に支持された駆動アーム１２を振動させ角速度を検出する振動型素子とし、駆動アーム１２を固定部１０に対して対称配置した構造とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、各種電子機器に用いられる角速度センサ装置およびその製造方法に関する。

この種の角速度センサ装置は図９に示すようなパッケージ１の内部に角速度センサ素子２およびこの角速度センサ素子２を制御するＩＣ３を配置する構造が一般的であり、昨今、角速度センサ素子２をパッケージ１の実装面１ａに対して傾斜させて配置する構造が検討されている。

そして、角速度センサ素子２は図１０に示されるように、検出軸２ａに平行な一対の駆動アーム２ｂの一端を固定部２ｃで接続した音叉構造の素子が用いられ、駆動アーム２ｂに圧電体からなる駆動電極２ｄと検出電極２ｅを設け、駆動電極２ｄに駆動信号を印加することで駆動アーム２ｂを並設方向に振動させ、この状態で受けた角速度に生じるコリオリ力に伴い駆動アーム２ｂが駆動振動と直交する方向に撓み振動が生じ、この撓み振動を検出電極２ｅにより電気信号に変換して出力する振動型の角速度センサ素子２である。

また、このような角速度センサ素子２を取り付けるにあたっては、角速度センサ素子２の取り付け部となる固定部２ｃと取り付け部との間にスペーサ４を介在させ駆動アーム２ｂを浮かせた構造としている。

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２００５−３３１４４９号公報

しかしながら、この角速度センサ素子２のように振動する駆動アーム２ｂの一端を固定部２ｃで支持する、いわゆる片持ち梁構造で有れば、振動する駆動アーム２ｂが固定部２ｃに対して片側だけに存在するため駆動振動が固定部２ｃを介してパッケージ１に伝達され、このパッケージ１に伝達された振動による影響を角速度センサ素子２が検出してしまうという問題が生じるため、角速度センサ素子２をＴＡＢテープなどの弾性部材５の上に配置し、角速度センサ素子２を弾性部材５に実装した状態でパッケージ１に取り付けなければならず、角速度センサ装置の組み立てが煩雑になってしまうという問題があった。

そこで、本発明は角速度センサ装置の生産性を高めることを目的とする。

この目的を達成するために本発明はパッケージの実装面に対して非平行に角速度センサ素子を実装する角速度センサ装置において前記角速度センサ素子は一端が固定部に支持された駆動アームを振動させ角速度を検出する振動型素子とし、駆動アームを固定部に対して対称配置した構造としたのである。

この構成により本発明は角速度センサ装置の生産性を高めることが出来るのである。

本発明の一実施形態の角速度センサ装置の分解斜視図同角速度センサ装置の断面図同角速度センサ装置を構成する角速度センサ素子の上面図同角速度センサ素子の電極構造を示す断面図同角速度センサ素子の駆動振動状態を示す模式図同角速度センサ素子の検出振動状態を示す模式図同角速度センサ装置の製造方法を示す模式図同角速度センサ装置を構成する他の角速度センサ素子の上面図従来の角速度センサ装置の断面図同角速度センサ装置を構成する角速度センサ素子の上面図

以下、本発明の一実施形態について図を用いて説明する。

図１、図２は本発明の一例である角速度センサ装置を示したものであり、その基本構造は積層セラミクスからなるパッケージ６の内部空間に角速度センサ素子７と、この角速度センサ素子７に駆動信号を印加する駆動制御回路および角速度センサ素子７から出力された検出信号を処理する検出回路を包含するＩＣ８を配置し、パッケージ６の開口をリッド９で封口した構造となっている。

また、角速度センサ素子７は図３に示すように、固定部１０と、この固定部１０を挟む両側に錘部１１を対称配置し、それぞれの錘部１１を一対の駆動アーム１２で接続した形状となっており、駆動アーム１２上には後述する駆動電極１３、検出電極１４及びモニタ電極１５が配置されている。

なお、角速度センサ素子７はＳｉからなる基板上に駆動電極１３、検出電極１４、モニタ電極１５が設けられた構造であり、各電極構造は図４に示すようにＡｕからなる上部電極１６とＰｔからなる下部電極１７と、これらの間に配置されたＰＺＴからなる圧電体層１８により形成され、下部電極１７をグランド接続した状態で上部電極１６に正電圧を印加すると電極の積層方向に対して圧縮力が働き、この圧縮力により電極パターンが延びる方向に応力が発生し、これとは逆に負電圧を印加すると電極に引張力が働き、この引張力により電極パターンが縮む方向に応力が発生するものである。また、これとは逆に駆動アーム１２の撓みにより電極が縮むことで負電圧を発生し、電極が延びることで正電圧を発生させるものである。なお、上部電極１６と圧電体層１８の間や下部電極１７と圧電体層１８との間には特に図示していないが層間の密着力を高めるためＴｉからなる密着層を介在させている。

そして、角速度の検出については、駆動アーム１２に設けられた駆動電極１３にＩＣ８から駆動信号を印加することで、駆動アーム１２が図５に示すように錘部１１を固定部１０と錘部１１を結ぶ方向（Ｘ軸方向）に対して対称に伸縮するように駆動振動し、この駆動振動の状態において角速度センサ素子７の振動平面（ＸＹ平面）に垂直な方向（Ｚ軸方向）を検出軸としてこの検出軸回りに角速度を受けることでコリオリ力が生じ、このコリオリ力により駆動アーム１２が図６に示すように駆動振動と直交する方向（Ｙ軸方向）に振動するようになり、この検出振動による駆動アーム１２の変形を検出電極１４で検知し電気信号としてＩＣ８に出力する振動型素子構造となっている。なお、モニタ電極１５は駆動アーム１２の振幅や駆動周期を検出してその情報をＩＣ８にフィードバックさせ駆動制御や検出信号処理の情報として付加するために設けている。

つまり、この振動型の角速度センサ素子７は従来の音叉型素子とは異なり駆動アーム１２が固定部１０に対して対称配置された構造で駆動アーム１２の駆動振動の方向も対称となることから、駆動振動時における重心位置の変動が少なく、固定部１０に伝達される両駆動アーム１２からの駆動振動が逆向きとなることから、固定部１０を介してパッケージ６へ伝達される駆動アーム１２からの漏れ振動を十分に低減でき、従来固定部１０とパッケージ６の間に介在させていた防振構造を排除することが可能となり、結果として角速度センサ装置の組み立てを容易なものと出来るのである。

なお、このような角速度センサ素子７に対する電気配線については、角速度センサ素子７の固定部１０に接続されたＴ字状の外部接続部１９に配置された素子電極２０と、パッケージ６の内部に設けられたパッケージ電極２１を図２に示すようにボンディングワイヤ２２で接続するのであるが、通常、このようなボンディング箇所は一次側と二次側のボンディング面が平行面となるのであるが、この実施形態においては角速度センサ素子７がパッケージ６に対して傾斜しているため一次側と二次側のボンディング面が非平行面となりボンディングによる接続強度が弱くなるので、この接続強度が弱くなる二次側のボンディング箇所となるパッケージ電極２１に金属バンプ２３を接合し、この金属バンプ２３にボンディングワイヤ２２を接続する構成としている。また、パッケージ電極２１はダングステンメタライズ層上にニッケルメッキを施した下地電極にさらに金メッキを施したもので、金属バンプ２３およびボンディングワイヤ２２も金で形成したものを用いている。

具体的な角速度センサ装置の組み立ては図７に示すように、先ずパッケージ６の内部底面にＩＣ８をフリップチップ実装し、このＩＣ８の上面に台座２４を実装する。なお、この台座２４は角速度センサ素子７をパッケージ６の実装面に対して傾斜させるための台座面を形成するものである。

次いで台座２４の上面に角速度センサ素子７を配置する。なお、角速度センサ素子７は台座２４上で駆動アーム１２が振動可能にするため図９で説明した従来の角速度センサ素子２の取り付け構造と同様に外部接続部１９と台座２４の間にスペーサ（特に図示せず）を介在させている。

次いで、角速度センサ素子７が取り付けられたパッケージ６のパッケージ電極２１の上に金属バンプ２３を形成し、角速度センサ素子７の基板面が水平となるようパッケージ６を傾斜させ、この状態で素子電極２０を一次ボンディング電極としボンディングワイヤ２２を接続し、パッケージ電極２１に設けられた金属バンプ２３を二次ボンディング電極として、この金属バンプ２３にボンディングワイヤ２２を接続するのである。

この構成によれば、ボンディング時に傾斜面となるパッケージ電極２１にボンディングワイヤ２２との接合性によい金属バンプ２３が予め設けられているため、傾斜面に対するボンディングワイヤ２２の接続強度を確保することが出来るとともに、強度的にやわらかい金で形成した金属バンプ２３を用いることで、傾斜面に対するボンディングワイヤ２２の接合時においても、金属バンプ２３が容易に変形接合され、接合強度をさらに確保することが出来るのである。

なお、上述した一実施形態においてはパッケージ６内に配置する角速度センサ素子７の一例として固定部１０から対称方向に伸縮振動する角速度センサ素子７を挙げて説明したが、本発明はこの一実施形態に限定されるものではなく、駆動アーム１２が固定部１０に対して対称配置した振動型の角速度センサ素子であればよく、例えば、図８に示すように固定部２４の両外側に位置する駆動アーム２５の先端を矢印で示すようにＸ軸方向に振動させ、Ｚ軸回りの角速度に対するコリオリ力によって生じる振動モードを検出アーム２６で検出し電気信号に変換し出力するようなものでも同様の作用効果を得ることが出来る。

本発明は、角速度センサ素子の生産性を高めることが出来るという効果を有し、特にナビゲーションシステムなどの小型、低背化が進められる電子機器に用いられる角速度センサ装置において有用である。

６パッケージ
７角速度センサ素子
１０固定部
１２駆動アーム
２０素子電極
２１パッケージ電極
２２ボンディングワイヤ
２３金属バンプ

Claims

パッケージと、前記パッケージの実装面と非平行となるように前記パッケージの内部に実装される角速度センサ素子を有し、前記角速度センサ素子は一端が固定部に支持された駆動アームを振動させ角速度を検出する振動型素子とし、前記駆動アームを前記固定部に対して対称配置したことを特徴とする角速度センサ装置。
パッケージの内部に設けたパッケージ電極と、角速度センサ素子に設けた素子電極と、前記素子電極と前記パッケージ電極とを接続するボンディングワイヤを有し、前記パッケージ電極と前記ボンディングワイヤの接続部分に金属バンプを介在させたことを特徴とする請求項１に記載の角速度センサ装置。
パッケージと、前記パッケージの実装面と非平行となるように前記パッケージの内部に実装される角速度センサ素子と、前記角速度センサ素子に設けた素子電極と、前記パッケージの内部に設けられたパッケージ電極と、前記素子電極と前記パッケージ電極を接続するボンディングワイヤを備えた角速度センサ装置の製造方法において、前記パッケージ電極上に金属バンプを設け、この金属バンプ上に前記ボンディングワイヤを接続することを特徴とした角速度センサ装置の製造方法。