JP4859347B2 - Vibrating gyroscope - Google Patents
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Description
本発明は、振動型ジャイロスコープに関するものである。
The present invention relates to a vibratory gyroscope .
最近、自動車の車体回転速度フィードバック式の車両制御方法に用いる回転速度センサーに、振動型ジャイロスコープを使用することが検討されている。こうしたシステムにおいては、操舵輪の方向自身は、ハンドルの回転角度によって検出する。これと同時に、実際に車体が回転している回転速度を振動ジャイロスコープによって検出する。そして、操舵輪の方向と実際の車体の回転速度を比較して差を求め、この差に基づいて車輪トルク、操舵角に補正を加えることによって、安定した車体制御を実現する。 Recently, it has been studied to use a vibration gyroscope as a rotation speed sensor used in a vehicle control method of a vehicle body rotation speed feedback type. In such a system, the direction of the steering wheel itself is detected by the rotation angle of the steering wheel. At the same time, the rotational speed at which the vehicle body is actually rotating is detected by the vibration gyroscope. Then, the direction of the steering wheel is compared with the actual rotational speed of the vehicle body to obtain a difference, and based on this difference, correction is made to the wheel torque and the steering angle, thereby realizing stable vehicle body control.
こうした振動子は、セラミックパッケージなどの収容部材に収容し、これを回路基板に実装し、さらに所定の筐体内に収容し、筐体を車体へと取り付け可能とする必要がある。
例えば振動型ジャイロスコープ用途の圧電性材料製振動子においては、振動子表面に電極を設け、回転角速度に対応する電気信号を発生させ、これを回路基板の電極へと伝送する必要がある。
本出願人は、特許文献１において、支持基板表面に支持ピンを設け、支持ピン上に振動子を接着すると共に、振動子の表面の電極端子からボンディングワイヤを延ばし、ボンディングワイヤを支持基板表面の電極に接続することを開示した。また、ボンディングワイヤの好適な形状を検討し、開示した。
For example, in a vibrator made of a piezoelectric material for use in a vibratory gyroscope, it is necessary to provide an electrode on the vibrator surface, generate an electrical signal corresponding to the rotational angular velocity, and transmit this to the electrode on the circuit board.
In the patent document 1, the present applicant provides a support pin on the surface of the support substrate, adheres the vibrator on the support pin, extends the bonding wire from the electrode terminal on the surface of the vibrator, and attaches the bonding wire to the surface of the support substrate. Disclosed to connect to electrodes. Moreover, the suitable shape of the bonding wire was examined and disclosed.
また、シリコン振動子を曲折したシリコンアームで支持することは特許文献２に記載されている。また、一体の水晶板から水晶振動子と振動子の支持部とを形成することは特許文献３に記載されている。
しかし、振動子側電極を基板側電極に接続するためのボンディングワイヤが、ゼロ点温度ドリフトの原因となる場合があることが分かった。このようなゼロ点温度ドリフトは、ボンディングワイヤが振動子の振動の周波数に近い帯域に共振周波数を有していることに起因していると考えられる。 However, it has been found that the bonding wire for connecting the vibrator side electrode to the substrate side electrode may cause a zero point temperature drift. Such a zero point temperature drift is considered to be caused by the fact that the bonding wire has a resonance frequency in a band close to the vibration frequency of the vibrator.
ボンディングワイヤが張りつめている状態での共振周波数は、ボンディングワイヤの張力、材質、直径などによって定まる。しかし、振動子に接続されているボンディングワイヤは、耐衝撃特性などの理由から張りつめた状態になっていない。このようなボンディングワイヤは微妙なループ形状の違い、接合部強度の差違により、複雑な振動を起こすので、共振周波数を検出するのは困難である。 The resonance frequency when the bonding wire is tight is determined by the tension, material, diameter, etc. of the bonding wire. However, the bonding wire connected to the vibrator is not taut for reasons such as impact resistance. Such bonding wires cause complicated vibrations due to subtle differences in loop shape and differences in joint strength, making it difficult to detect the resonance frequency.
本発明の課題は、圧電性材料からなる振動子を支持基板上に支持する構造において、振動状態を安定化し、振動感度を向上させ得るようにすることである。 An object of the present invention is to stabilize a vibration state and improve vibration sensitivity in a structure in which a vibrator made of a piezoelectric material is supported on a support substrate.
本発明は、振動子部品および支持基板を備える振動型ジャイロスコープを提供する。
The present invention provides a vibrating gyroscope including a vibrator component and a support substrate .
そして、振動子部品が、圧電性材料からなり、基部、屈曲振動する駆動振動片、基部への付け根を中心として屈曲振動する検出振動片、駆動振動片に設けられている駆動電極、検出振動片に設けられている検出電極、基部と一体に形成された支持アーム、支持アームと一体に形成された枠部、および枠部の前記支持基板側への対向面に設けられている振動子側端子を備えており、
支持基板が支持基板側端子を備え、振動子側端子が導電性接合材を介して支持基板側端子に接続され、支持アームが複数の片からなる曲折部を有しており、支持アームが片間のコーナー部に片より厚い幅広部を有しており、片の厚さが基部の厚さよりも小さい。
The vibrator component is made of a piezoelectric material, and includes a base, a drive vibration piece that bends and vibrates, a detection vibration piece that flexes and vibrates around the root of the base, a drive electrode provided on the drive vibration piece, and a detection vibration piece A detection arm provided on the base , a support arm formed integrally with the base , a frame formed integrally with the support arm, and a vibrator-side terminal provided on a surface of the frame facing the support substrate With
The support substrate includes a support substrate side terminal, the vibrator side terminal is connected to the support substrate side terminal via a conductive bonding material, the support arm has a bent portion composed of a plurality of pieces, and the support arm is a piece. and have a thicker wider portion than piece a corner portion between the thickness of the strip is smaller than the thickness of the base.
本発明によれば、圧電性材料からなる振動子を、その支持アームおよび枠部と一体に成形し、この枠部上の端子を支持基板側の端子に対して接続する。この結果、振動子側電極を基板側電極へと電気的に接続するボンディングワイヤを特に必要とせず、このためにボンディングワイヤの共振に起因する振動子の振動の変動を防止でき、例えばこれによるゼロ点温度ドリフトを防止できる。これと共に、圧電性材料からなるアームと枠部とを振動子本体部分と一体化することによって、振動部の振動の束縛を少なくし、振動感度を向上させることができる。 According to the present invention, the vibrator made of the piezoelectric material is formed integrally with the support arm and the frame portion, and the terminal on the frame portion is connected to the terminal on the support substrate side. As a result, a bonding wire for electrically connecting the vibrator-side electrode to the substrate-side electrode is not particularly required. For this reason, fluctuations in the vibration of the vibrator due to the resonance of the bonding wire can be prevented. Point temperature drift can be prevented. At the same time, by integrating the arm made of the piezoelectric material and the frame part with the vibrator main body part, the vibration restraint of the vibration part can be reduced and the vibration sensitivity can be improved.
更に、振動子を銅箔によって支持し、銅箔を基板側端子に接合する方法も考えられる。しかし、この場合には、銅箔を基板側端子に対して接合する際に、基板側端子の振動子に対する相対位置が少しずれると、銅箔が微細に変形する。この結果、その振動子の振動状態が、温度変化の影響を受けて変化しやすくなり、温度ドリフトが増大する。これに対して、本発明によれば、枠部の振動子側端子を基板側の端子に対して電気的に接続しており、振動子を支持するための別体の銅箔は不要となっている。これによって上述の温度ドリフトを避けることができる。 Furthermore, a method in which the vibrator is supported by a copper foil and the copper foil is bonded to the substrate side terminal is also conceivable. However, in this case, when the copper foil is bonded to the substrate side terminal, if the relative position of the substrate side terminal with respect to the vibrator is slightly shifted, the copper foil is finely deformed. As a result, the vibration state of the vibrator is easily changed under the influence of the temperature change, and the temperature drift increases. On the other hand, according to the present invention, the vibrator side terminal of the frame portion is electrically connected to the terminal on the substrate side, and a separate copper foil for supporting the vibrator becomes unnecessary. ing. As a result, the above-mentioned temperature drift can be avoided.
図１は、本発明の一実施形態において使用する振動部１および支持アーム８を示す拡大斜視図であり、図２は、振動部１、支持アーム８および枠部１０を備える圧電性材料製の振動子支持構造体３０を示す斜視図である。
FIG. 1 is an enlarged perspective view showing a vibration part 1 and a
最初に振動部１の概略を説明する。振動部１の基部２は、本例では略正方形状をしている。基部２に振動部１の全体の重心Ｇ（振動子が振動していないときの重心）が存在する。基部２は、重心Ｇを中心として四回対称の形状をなしている。基部２の周縁部の対向辺から、径方向（重心Ｇから遠ざかる方向）に、細長い一対の連結部３がそれぞれ突出している。各連結部３の先端からは、連結部３の長手方向に直交する方向に向かって延びる各一対の駆動振動片４が設けられている。各駆動振動片４の各先端に幅広部５が設けられている。各検出振動片７は、それぞれ、基部２の対向辺から径方向に（重心Ｇから遠ざかる方向へと）突出する。各検出振動片７の先端には幅広部６が設けられている。
First, an outline of the vibration unit 1 will be described. The
駆動電極３１に交流電圧を印加することによって、各駆動振動片４を、それぞれ矢印Ａのように屈曲振動させる。この状態で振動子をＺ軸の周りに回転させると、各連結部３が、それぞれ、基部２への付け根を中心として、矢印Ｂのように屈曲振動する。連結部３の屈曲振動Ｂに対応して、各検出振動片７が、その基部２への付け根を中心として矢印Ｃのように屈曲振動する。この検出振動による変位によって検出電極３２に生ずる信号を検出する。
By applying an AC voltage to the
例えば図１、図２の例のように支持アーム８を曲折させることによって、振動部１における振動感度を一層向上させることができる。
For example, the vibration sensitivity in the vibration part 1 can be further improved by bending the
図２に示すように、枠部１０の内部空間９に、振動部１および支持アーム８が形成されている。振動部の基部２は、例えば４箇所で支持アーム８に連結されている。この支持アーム８は３箇所で折れ曲がっており、各片８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄからなっている。片８ａは基部２に連続しており、片８ｄは枠１０に連続している。枠部１０には所定箇所に振動子側端子１１が形成されている。
As shown in FIG. 2, the vibrating portion 1 and the
図３は、本例の支持基板１５を概略的に示す斜視図であり、図４は、支持基板１５に振動子支持構造体３０を固定して形成したパッケージを概略的に示す断面図である。支持基板１５は底板部１５ａ、側壁部１５ｂおよび突出部２１からなり、突出部２１内にビア導体２０が形成されている。ビア導体２０は、底板部１５ａの図示しない導体を通して外部に接続されている。また底板部１５ａ上にはチップＩＣ１８が金バンプ２５を介して設置されている。ビア導体２０上には導電性接合剤１６を介して振動子側端子１１が接合されている。側壁部１５ｂ上には例えばコバールリングを介して蓋２３が固定されている。本例では導電性接合材１６が基板側端子として作用する。
FIG. 3 is a perspective view schematically showing the
振動子を構成する圧電性材料は特に限定されず、ＰＺＴ等の圧電セラミックスを例示できるが、圧電性単結晶が特に好ましい。圧電性単結晶としては、水晶、ＬｉＮｂＯ3、ＬｉＴａＯ3、ニオブ酸リチウム−タンタル酸リチウム固溶体（Ｌｉ（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ3）単結晶、ホウ酸リチウム単結晶、ランガサイト単結晶を例示できる。 The piezoelectric material constituting the vibrator is not particularly limited, and examples thereof include piezoelectric ceramics such as PZT, but a piezoelectric single crystal is particularly preferable. Examples of the piezoelectric single crystal include quartz, LiNbO 3 , LiTaO 3 , lithium niobate-lithium tantalate solid solution (Li (Nb, Ta) O 3 ) single crystal, lithium borate single crystal, and langasite single crystal.
支持基板の種類は特に限定されないが、パッケージ用基板であることが好ましく、あるいは、半導体集積回路チップを支持した回路基板であることが好ましい。後者の場合には、ＡＳＩＣ（Application Specified
Integrated Circuit：特定用途向け集積回路）が特に好ましい。
The type of the support substrate is not particularly limited, but is preferably a package substrate or a circuit substrate supporting a semiconductor integrated circuit chip. In the latter case, ASIC (Application Specified
Integrated Circuit: an application specific integrated circuit) is particularly preferred.
支持基板の材質は特に限定されず、いわゆるパッケージ用途に用いられている絶縁性材料、例えばセラミックス、ガラス、樹脂を使用できる。支持基板を更に別体の固定用基板上に固定し、支持することが可能である。この場合には、固定用基板の種類は限定されないが、例えばパッケージ用基板であることが好ましい。 The material of the support substrate is not particularly limited, and insulating materials used for so-called package applications such as ceramics, glass, and resin can be used. The support substrate can be further fixed and supported on a separate fixing substrate. In this case, the type of the fixing substrate is not limited, but for example, a package substrate is preferable.
導電性接合材の材質としては、以下が好ましい。
（１）導電性樹脂：例えばＡｇペースト、Ａｕペースト
（２）金属：例えば、金、ニッケル、アルミニウム
（３）半田
（４）複合材料：例えば絶縁性樹脂の表面を導電性物質によって被覆した導電性接合材。このような絶縁性樹脂としては、シリコーン、ポリイミド、エポキシ、ウレタン、アクリルを例示でき、導電性物質としては、金、銀、ニッケル、カーボンを例示できる。
（５）異方導電性接合材。異方導電性材料は、通常は、樹脂フィルム中に導電性粒子を分散させて製造する。
As the material of the conductive bonding material, the following is preferable.
(1) Conductive resin: for example Ag paste, Au paste (2) Metal: for example, gold, nickel, aluminum (3) Solder (4) Composite material: for example, conductive with the surface of an insulating resin covered with a conductive substance Bonding material. Examples of such an insulating resin include silicone, polyimide, epoxy, urethane, and acrylic, and examples of the conductive substance include gold, silver, nickel, and carbon.
(5) An anisotropic conductive bonding material. An anisotropic conductive material is usually produced by dispersing conductive particles in a resin film.
図５は参考例である。このように振動子部品と支持アームとの厚さを等しくすることによって、振動部および支持アームの成形が容易になる。
FIG. 5 is a reference example. Thus, by making the thickness of the vibrator component and the support arm equal, it becomes easy to form the vibration part and the support arm.
支持アームの厚さが基部の厚さよりも小さいことによって振動子の振動に対する支持アームからの束縛を一層少なくでき、振動感度を向上させることができる。例えば、図６に示す参考例では、支持アーム２８の厚さが基部２の厚さよりも小さい。なお２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄの平面形状は、図１に示した支持アーム８と同じである。
The thickness of the support arm can be further reduced binding of the support arm relative to the vibration of the vibrator by less than the thickness of the base, it is possible to improve the vibration sensitivity. For example, in the reference example shown in FIG. 6, the thickness of the
本発明においては、支持アームの曲折部分に幅広部が設けられている。これによって、振動子の振動に対する支持アームからの束縛を一層少なくでき、振動感度を向上させることができる。図７に示す参考例では、支持アーム８Ａの片８ｃと８ｄとの間のコーナーに幅広部８ｅが設けられている。
In this invention, the wide part is provided in the bending part of the support arm. Thereby, the restraint from the support arm with respect to the vibration of the vibrator can be further reduced, and the vibration sensitivity can be improved. In the reference example shown in FIG. 7, a
また、図８に示す例では、支持アーム２８の厚さが基部２の厚さよりも小さくなっており、また、支持アーム２８Ａの片２８ｃと２８ｄとの間のコーナーに幅広部２８ｅが設けられている。
Further, in the example shown in FIG. 8, the thickness of the
本発明は振動型ジャイロスコープに関する。 The present invention relates to a vibration gyroscope.
（参考例１）
図１〜図５に示す形態の支持構造を作製した。具体的には、まず図１、図２、図５に示す振動子支持構造体３０を使用した。厚さ０．１ｍｍの水晶のＺ板のウエハーに、スパッタ法によって、所定位置に、厚さ１００オングストロームのクロム膜と、厚さ１５００オングストロームの金膜とを形成した。ウエハーの両面にレジストをコーティングした。
( Reference Example 1)
The support structure shown in FIGS. 1 to 5 was produced. Specifically, first, the
このウエハーを、ヨウ素とヨウ化カリウムとの水溶液に浸漬し、余分な金膜をエッチングによって除去し、更に硝酸セリウムアンモニウムと過塩素酸との水溶液にウエハーを浸漬し、余分なクロム膜をエッチングして除去した。温度８０℃の重フッ化アンモニウムに２０時間ウエハーを浸漬し、ウエハーをエッチングし、振動子支持構造体３０の外形を形成した。メタルマスクを使用して、厚さ１００オングストロームのクロム膜上に厚さ２０００オングストロームの金膜を電極膜として形成した。ここで、図２において、Ｗ１は０．６ｍｍであり、Ｗ２は１．０ｍｍであり、Ｗ３は１５μｍであり、Ｗ４は０．１ｍｍであり、Ｗ５は３０μｍである。振動子側端子１１は金めっきによって形成した。
This wafer is immersed in an aqueous solution of iodine and potassium iodide, and the excess gold film is removed by etching. Further, the wafer is immersed in an aqueous solution of cerium ammonium nitrate and perchloric acid, and the excess chromium film is etched. Removed. The wafer was immersed in ammonium bifluoride at a temperature of 80 ° C. for 20 hours, and the wafer was etched to form the outer shape of the
振動子支持構造体３０を、図４に示すようにパッケージ内に実装した。ただし、支持基板１５はセラミック基板によって形成し、導電性接合材１６として銀ペーストを使用し、銀ペーストの加熱温度は１５０℃とし、保持時間は１時間とした。コバールリング２２によってコバール蓋２３を固定した。ＩＣチップ１８は金バンプ２５によって支持基板上に固定した。蓋の厚さａは０．０８ｍｍであり、コバールリング２２の厚さｂは０．１１ｍｍであり、支持基板１５の高さｃは０．４ｍｍであり、幅は１．５ｍｍであり、長さは２．５ｍｍであった。
The
得られた振動型ジャイロスコープについて、Ｚ軸の周りの回転角速度に対する振動感度を測定したところ、０．１゜／秒／Ｇであった。また、この振動型ジャイロスコープについて、パッケージを静止させたときの振動子からの出力電圧を測定した。あらかじめ回転角速度に対するジャイロ感度を測定し、検量線を準備しておいた。そして、出力電圧を、予め測定しておいたジャイロ感度を用いて回転角速度に換算した。この結果、−４０℃〜＋８５℃における温度ドリフトは約５ｄｐｓであった。 With respect to the obtained vibration type gyroscope, the vibration sensitivity with respect to the rotational angular velocity around the Z axis was measured, and found to be 0.1 ° / second / G. Further, with respect to this vibratory gyroscope, the output voltage from the vibrator when the package was stationary was measured. A calibration curve was prepared in advance by measuring the gyro sensitivity with respect to the rotational angular velocity. Then, the output voltage was converted into a rotational angular velocity using a gyro sensitivity measured in advance. As a result, the temperature drift at −40 ° C. to + 85 ° C. was about 5 dps.
（参考例２）
実施例１と同様にして振動子の支持構造を作製した。ただし、導電性接合材１６として金バンプを使用した。得られた振動型ジャイロスコープについて、Ｚ軸の周りの回転角速度に対する振動感度を測定したところ、０．２゜／秒／Ｇであった。また、実施例１と同様にして−４０℃〜＋８５℃における温度ドリフトを測定したところ、約７ｄｐｓであった。
( Reference Example 2)
A support structure for the vibrator was produced in the same manner as in Example 1. However, gold bumps were used as the
１ 振動部 ２ 基部 ４ 駆動振動片 ５ 検出振動片 ８、２８ 支持アーム １０ 枠部 １１ 振動子側端子 １５ 支持基板 １６ 基板側端子 １７ キャビティ １８ ＩＣチップ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (2)
前記振動子部品が、圧電性材料からなり、基部、屈曲振動する駆動振動片、前記基部への付け根を中心として屈曲振動する検出振動片、前記駆動振動片に設けられている駆動電極、前記検出振動片に設けられている検出電極、前記基部と一体に形成された支持アーム、前記支持アームと一体に形成された枠部、および前記枠部の前記支持基板側への対向面に設けられている振動子側端子を備えており、
前記支持基板が支持基板側端子を備え、前記振動子側端子が導電性接合材を介して前記支持基板側端子に接続され、前記支持アームが複数の片からなる曲折部を有しており、前記支持アームが前記片間のコーナー部に前記片より厚い幅広部を有しており、前記片の厚さが前記基部の厚さよりも小さいことを特徴とする、振動型ジャイロスコープ。 A vibratory gyroscope comprising a vibrator component and a support substrate,
The vibrator component is made of a piezoelectric material, and includes a base, a drive vibration piece that bends and vibrates, a detection vibration piece that bends and vibrates around a base to the base, a drive electrode provided on the drive vibration piece, and the detection A detection electrode provided on a vibrating piece, a support arm formed integrally with the base , a frame formed integrally with the support arm, and a surface of the frame facing the support substrate Equipped with a transducer-side terminal
The support substrate includes a support substrate side terminal, the vibrator side terminal is connected to the support substrate side terminal via a conductive bonding material, and the support arm has a bent portion composed of a plurality of pieces, said support arm has closed the thicker wider section than piece a corner portion of said pieces, wherein the thickness of said strip is less than the thickness of said base portion, a vibratory gyroscope.
The vibrating gyroscope according to claim 1, wherein the support substrate is a semiconductor circuit substrate or a package substrate.
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