JP6533518B2 - Angular velocity sensor - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to an angular velocity sensor which excites piezoelectric vibration and measures an angular velocity.
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。 In FIG. 1 of JP 2007-93329 A (Patent Document 1), the angular velocity detection element 20 aligned in the stacking direction, the circuit board 30, the pedestal 60, and the mounting surface 13 of the package are respectively joined with an adhesive. A vibration type angular velocity sensor is disclosed in which the wall surface 14 and the pedestal 60 are bonded with an adhesive. In 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 of the output of the angular velocity detecting element 20 which changes according to the operation of the vibrating body relative to the support portion supporting the vibrating body. It is detected.
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。 BACKGROUND In recent years, miniaturization of electronic devices such as mobile devices in which angular velocity sensors are mounted has been promoted. Thereby, the miniaturization of the angular velocity sensor is further advanced. The angular velocity sensor utilizing the coleoli force is to vibrate the vibrator and detect the coleoli force generated when the user feels the angular velocity to measure the angular velocity. However, due to the miniaturization of the angular velocity sensor, the weight ratio between the vibrating body of the angular velocity sensor and the supporting portion for supporting and fixing the vibrating body becomes small, and the supporting portion must be essentially stationary due to the vibration of the vibrating body Is vibrating, and the vibrating body can not be vibrated accurately with respect to the support portion, which causes a problem that the detection accuracy of the angular velocity is deteriorated. In addition, the vibration energy of the vibrator is transmitted to the support portion to cause vibration loss, which lowers the mechanical Q value for the vibration of the vibrator, reduces the sensor sensitivity of the angular velocity sensor, degrades the temperature characteristics, etc. Serious problems of
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。 In the angular velocity sensor of Patent Document 1, in order to increase the weight of the entire angular velocity sensor device, the pedestal 60 is joined by an adhesive with a low elastic modulus. However, the pedestal 60 is provided to widen the frequency range of the external vibration absorbed by the angular velocity sensor, and therefore, the pedestal 60 does not have a weight sufficient to suppress movement of the support portion due to the vibration of the vibrator. I can not vibrate my body precisely.
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。 The object of the present invention is to reduce the mechanical Q value (hereinafter sometimes referred to simply as the Q value) even if it is downsized, and therefore to measure the angular velocity at which the sensitivity is large and the temperature characteristic of sensitivity is reduced. It is in providing a sensor.
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。 Another object of the present invention is to provide an angular velocity sensor that can accurately measure the angular velocity by suppressing movement of the support portion due to the vibration of the vibrator even if it is miniaturized, that is, obtaining stable and accurate vibration. It is in.
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。 According to the present invention, a diaphragm-shaped vibration excitation unit, a vibrator formed at the center of the vibration excitation unit, which vibrates in at least one direction of X direction, Y direction or Z direction, and peripheral support for supporting the periphery of the vibration excitation unit An angular velocity sensor consisting of In the specification of the present application, the “diaphragm type vibration excitation portion” means one in which a vibration excitation layer such as a piezoelectric vibration film is formed on the diaphragm. The “central part of the vibration excitation part” includes not only the central part of the excitation vibration part but also an error range centered on the central part. The angular velocity sensor of the present invention further includes a vibration stabilizing portion joined to the peripheral support portion. The contour of the outer peripheral portion of the peripheral support portion has a rectangular shape, the contour of the outer shape of the vibration excitation portion has an octagonal shape, and the vibrator has a cylindrical cylindrical shape. In the specification of the present application, “rectangular” is a shape such as a square or a rectangle, and the angle of the four corners is not only completely 90 degrees, but also the angle of the four corners is within the error range of 90 degrees. It has a small radius (curvature) in the part, and also includes one in which the pair of opposite sides do not have exactly the same size but fall within the error range. In addition, “an octagonal shape” means that the inner angle of the eight corner parts falls within the error range of 45 degrees, the one with small rounded corners, and the opposite pair of sides do not have exactly the same size Are those that fall within the error range. Furthermore, the term “cylindrical shape” includes not only those whose cross section becomes a perfect circle, but also those whose cross section falls within the error range of a true circle.
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。 In the present invention, the vibration stabilizing portion is joined to the peripheral support portion by the adhesive having the property of being soft when the frequency of vibration is low and rigid when the frequency of vibration is high. The thickness of this adhesive after curing is 10 to 50 μm. The vibration stabilizing portion in the angular velocity sensor of the present invention may be composed of a single substance, or may be a composite in which a plurality of substances or materials are combined. The vibration stabilizing portion has a weight such that the total weight with the peripheral support portion is at least 20 times the weight of the vibrating body.
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。 According to the above configuration, when the cylindrical vibrating body vibrates, the peripheral support portion vibrates due to the vibration of the vibrating body. At this time, if the weight of the peripheral support portion is larger than the weight of the vibrator, the peripheral support supporting the diaphragm-type vibration excitation portion having an outer peripheral contour having a rectangular shape and an outer contour having an octagonal shape. The part vibrates at a vibration amplitude smaller than that of the vibrator.
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。 In the present invention, the adhesion between the peripheral support portion and the vibration stable portion is softened at low frequencies, and uses a layer of adhesive that hardens at high frequencies such as the vibration of the vibrator, so a temperature change results. Vibrations with low displacement or low frequency, such as displacement or vibration or external displacement or vibration, are absorbed by the soft adhesive. In addition, the vibration of the columnar vibration body having a high frequency excited by the vibration excitation unit is not absorbed by the hard adhesive layer. In the present invention, the thickness of the adhesive after curing is 10 to 50 μm. This is because when the thickness of the adhesive after curing is greater than 50 μm, the peripheral support portion and the vibration stable portion are not sufficiently integrated, and the support portion easily vibrates independently, so the vibration of the vibrating body leaks to the support Since the mechanical Q value is low, it is desirable to make the thickness 50 μm or less. In addition, when the thickness of the adhesive after curing becomes smaller than 10 μm, the peripheral support portion and the cylinder supporting the vibration excitation portion having a rectangular outer peripheral contour shape and an octagonal outer contour shape The influence of the temperature change of the output of the angular velocity sensor and the external vibration becomes large without being able to suppress the influence of the change of the dimension between the members due to the difference of the thermal expansion coefficient of the vibrating body of the shape and the external vibration. Therefore, the thickness of the adhesive after curing is preferably 10 μm or more. Furthermore, in the present invention, the peripheral support portion and the vibration stabilization portion are integrated, and the total weight of the peripheral support portion and the vibration stabilization portion is configured to be 20 times or more of the weight of the vibrator. In addition, by setting the vibration stabilizing portion to a composite structure such as a laminated structure in which a plurality of materials are stacked, the mechanical Q value of the vibration stabilizing portion can be set low, so that temperature changes and vibrations from the surroundings can be attenuated further. As a result, it is possible to further reduce the influence of temperature changes and vibrations from the surroundings.
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。 Therefore, in the present invention, the weight difference between the weight of the cylindrical vibrating body and the total weight of the peripheral support portion and the vibration stabilizing portion whose outer peripheral contour has a rectangular shape becomes large, and the vibration of the vibrating body causes peripheral It is possible to suppress movement of the support, that is, vibration of the vibrating body from leaking to the peripheral support. Therefore, the vibrating body can be vibrated accurately with respect to the peripheral support portion that supports the vibration excitation portion having an octagonal contour shape. In addition, movement of the peripheral support portion supporting the vibration excitation portion having an octagonal contour shape can suppress leakage of vibration from the angular velocity sensor to the outside, so that loss is caused to vibration energy of the vibrator. As a result, the Q value of the vibrator does not decrease. From the above, according to the present invention, even if the sensor is miniaturized, the Q value does not decrease, so the sensor sensitivity can be increased, the temperature change of the sensor output does not become large, and the vibrator accurately vibrates. It is possible to obtain an angular velocity sensor that can accurately detect the angular velocity.
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。 Further, according to the present invention, the contour of the outer periphery of the peripheral support portion has a rectangular shape, the contour of the outer shape of the vibration excitation portion has an octagon shape, and the vibrator has a cylindrical shape. The vibration of the cylindrical vibration member is difficult to be transmitted to the octagonal vibration excitation portion, and the vibration of the octagonal vibration excitation portion is transmitted to the peripheral support portion whose outer peripheral contour is rectangular. Hateful. It also has the feature that it is difficult to transmit the reverse of the vibration propagation direction. Therefore, the vibration of the vibrator is accurately performed, and the weight difference between the weight of the vibrator and the total weight of the peripheral support portion and the vibration stabilizing portion described above is large, and it is soft when the frequency is low and hard when the frequency is high. Even if it is miniaturized, combined with the effect of the agent, the Q value does not decrease, so the sensor sensitivity can be increased, the temperature change of the sensor output does not become large, and the vibrating body is vibrated accurately and the angular velocity accurately. It is possible to provide an angular velocity sensor capable of detecting
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。 The adhesive used to bond the vibrator and the peripheral support is preferably a silicone adhesive. In the case of the silicone adhesive after curing, the property of being soft when the frequency of the vibrator is low and being hard when the frequency of the vibrator is high is particularly remarkable. Further, in order to control the thickness of the adhesive, it is effective to mix predetermined particles or fibers in the adhesive.
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。 Of course, the vibration stabilizing unit may include a package on which the angular velocity sensor is fixed and mounted. The vibration stabilizing portion may include, for example, a metal material having a large specific gravity. In particular, materials made of tungsten (with a thermal expansion coefficient of 4.5 ppm) or molybdenum (with a thermal expansion coefficient of 4.8 ppm) having a thermal expansion coefficient close to the thermal expansion coefficient (2.6 ppm) of silicon with a low thermal expansion coefficient It is preferred to include. In the vibration-stable portion, two or more materials selected from various materials such as metal materials such as tungsten and molybdenum, materials such as ceramic, silicon substrates, organic materials such as rubber, epoxy resin and silicon resin are combined. Alternatively, a composite material formed by laminating may be included. Depending on the combination of materials selected, the mechanical Q value is low, that is, external vibration can be reduced, and a heavy weight vibration stable portion can be formed. If the vibration stabilization portion is configured to include such a material, the vibration stabilization portion can be made smaller, and the miniaturization of the angular velocity sensor is not hindered. In addition, since the thermal expansion coefficient can be adjusted by selecting the material, even when the thermal expansion coefficient of the circuit board or the like 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 substrate or the like Can be made smaller. When it is necessary to reduce the height dimension of the angular velocity sensor, the vibration stabilizing unit may be formed of a silicon substrate on which the angular velocity sensor is mounted, or a combination of a silicon substrate and a package.
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。 For example, the peripheral support portion and the vibration stabilizing portion can be joined by an adhesive at four positions through which a pair of virtual orthogonal planes passing through the center of the vibrator, for example, pass. In this case, the vibrator is configured to vibrate along the virtual orthogonal plane. According to this structure, since the adhesive is present in the direction in which the peripheral support moves by the vibration of the vibrator, the movement of the peripheral support can be reliably suppressed by the adhesive, and the vibration of the vibrator leaks to the outside. Can be reliably prevented. Of course, the peripheral support portion and the vibration stabilizing portion may be joined at more points including the above four places, or the peripheral support portion may be joined to the vibration stabilizing portion all around.
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。 If the adhesive sticks out to the inner periphery of the peripheral support portion and adheres to the vibration excitation portion, the angular velocity sensor does not operate properly. In particular, when the angular velocity sensor is miniaturized, high accuracy is required for applying the adhesive. Therefore, when the contour shape of the outer periphery of the peripheral support portion is formed in a rectangular shape, the adhesive of the peripheral support portion and the vibration stabilizing portion at four positions through which the virtual diagonal surface of the peripheral support portion passes. It is preferable to join by Since the gap between the outer periphery and the inner periphery can be wider at the position where the virtual diagonal surface of the peripheral support portion passes, the application of the adhesive can be easily performed. .
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。 As a result of many studies, it has been found that the weight of the vibration stabilizing portion needs to be at least 20 times the weight of the vibrating body, and preferably at least 40 times as large as the weight of the vibrating body. . According to this structure, the vibrator can vibrate more accurately with respect to the peripheral support portion regardless of the weight of the peripheral support portion.
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。 The peripheral support portion may support the outer peripheral portions of the two vibration excitation portions. Then, the vibration body formed in the central region of one vibration excitation portion detects an angular velocity in the direction perpendicular to the vibration excitation portion, and the vibration body formed in the central region of the other vibration excitation portion To detect an angular velocity in a direction parallel to In this case, the angular velocity in the direction perpendicular to the vibration excitation unit and the angular velocity in the direction parallel to the vibration excitation unit can be separately detected by the two vibrators. Therefore, since it is not necessary to switch the vibration direction of the vibrator, the response performance of the angular velocity sensor can be enhanced.
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。 The present invention can be applied not only to angular velocity sensors but also to other devices having a vibrating portion and a supporting portion, such as MEMS mirrors and acceleration sensors.
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。 Hereinafter, embodiments of the angular velocity sensor of the present invention will be described with reference to the drawings.
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。 FIG. 1A is a plan view of an example of the angular velocity sensor 1 according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a state in which a silicon plate 19 constituting a vibration stabilizing portion described later is removed. Bottom view of FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line CL1-CL1 of FIG. 1 (A) showing a state in which the angular velocity sensor 1 is attached to a package. Note that in the present specification, the dimensions of some of the parts are exaggerated for ease of understanding.
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。 The angular velocity sensor 1 according to the present embodiment includes a flat diaphragm 3 having an octagonal outer periphery, a weight 5 as a cylindrical vibrator disposed at the center of the back surface of the diaphragm 3, and an outer peripheral portion of the diaphragm 3. A peripheral support 7 having a rectangular outer peripheral portion to be supported, a lower electrode 11 formed on the surface of the diaphragm 3 with an insulating film 9 interposed therebetween, a piezoelectric thin film 13 formed on the lower electrode 11, and a piezoelectric thin film 13 The four vibration excitation electrodes 15 and the four angular velocity detection electrodes 17 formed on top of each other. In the present embodiment, the diaphragm 3 and the piezoelectric thin film 13 constitute a film-like vibration excitation portion. The diaphragm 3, the weight 5, and the peripheral support 7 have shapes corresponding to the end face of the weight 5 and the end of the peripheral support 7 on one surface of the semiconductor silicon substrate having a crystal orientation of (100). It is integrally formed by disposing a mask having the same and performing dry etching from this mask side. The weight 5 can also be configured partially or entirely of other materials such as tungsten and molybdenum. In the present embodiment, the piezoelectric thin film 13 is expanded and contracted by giving drive electric signals to the four vibration excitation electrodes 15 to cause the weight 5 to vibrate with a motion component in the direction of a predetermined vibration axis. To induce. 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.
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。 The outline of the outer peripheral portion of the diaphragm 3 has a substantially octagonal shape having straight portions C1 to C4 at four corners of sides S1 to S4 each having a side length of about 0.4 mm. The thickness of the diaphragm 3 is about 0.009 mm. In the present embodiment, the diaphragm 3 is configured such that the lengths of the linear portions C1 to C4 are longer than the lengths of the sides S1 to S4. In the present embodiment, small rounded portions are formed at the intersections of the square sides S1 to S4 and the straight portions C1 to C4. There is no problem in operation even if there is no radius part. And the weight 5 has a cylindrical shape. The diameter of the weight 5 is 0.4 mm.
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。 The peripheral support portion 7 is formed in a tubular shape. The outline shape of the outer peripheral portion of the peripheral support portion 7 has a rectangular shape, and in the present embodiment, it has a substantially square shape, but may have a rectangular shape. 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 bonded is about 0.408 mm. Further, the inner peripheral portion of the peripheral support portion 7 is composed of surfaces F1 to F4 continuous with the sides S1 to S4 of the diaphragm 3 and four surfaces FC1 to FC4 continuous to linear portions C1 to C4 at four corners of the diaphragm 3, respectively. 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. In the peripheral support portion 7, a square silicon plate 19 is bonded by an adhesive 21 to the end face 7 a in the direction away from the diaphragm 3.
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。 In this embodiment, as shown in FIG. 1A, when an XYZ three-dimensional orthogonal coordinate system is defined in which the origin O is at the center position of the diaphragm 3 and the surface of the diaphragm 3 is included in the XY plane. The X axis and the Y axis are defined. A first imaginary line L1 orthogonal to the two opposing sides S1 and S3 of the diaphragm 3 and bisecting the two sides S1 and S3 and two other sides orthogonal to the remaining two opposing sides S2 and S4 of the diaphragm 3 A first imaginary diagonal plane CL1 passing through the centers of the two opposing straight portions C1 and C3 of the diaphragm 3, and the other two remaining straight portions C2 of the diaphragm 3 opposite to each other. Assume a second virtual diagonal plane CL2 passing through the center of C4. Then, the outline shape of the outer peripheral portion of the diaphragm 3 is made to be a line symmetrical with respect to the first imaginary line L1 or the second imaginary line L2. In the present embodiment, four vibration excitation electrodes 15 and four angular velocity detection electrodes 17 are respectively formed in four regions partitioned by first and second virtual diagonal surfaces CL1 and CL2. . In the present embodiment, the first virtual line L1 and the second virtual line L2 respectively coincide with the axis of the X axis and the axis of the Y axis.
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。 The contours of the four vibration excitation electrodes 15 are: an outer side 15A located radially outward of the weight 5, an inner side 15B radially opposite the outer side 15A, an outer side 12A, and an inner side 12B And a pair of connecting sides 15C and 15D. The shape of the outer side 15A 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 linear part). Further, the shape of the inner side 15B of the contour of the vibration excitation electrode 15 is also similar to the shape of the outer side. When the four vibration excitation electrodes 15 have such a shape, vibration can be generated efficiently. The vibration excitation electrode 15 can also be formed into an arc shape.
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。 The contours of the four angular velocity detection electrodes 17 are: an outer side 17A located radially outward of the weight 5, an inner side 17B radially opposite the outer side 17A, an outer side 17A, and an inner side 17B And a pair of connecting sides 17C and 17D. In the present embodiment, the outer side 17A and the inner side 17B each have a concentric arc shape. The angular velocity detection electrode 17 can also be contoured like the vibration excitation electrode 15. Here, 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.
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。 In the present embodiment, the four vibration excitation electrodes 15 and the four angular velocity detection electrodes 17 are formed so as not to cross the boundary between the diaphragm 3 and the weight 5 and the boundary between the diaphragm 3 and the peripheral support portion 7. It is done. When the four vibration excitation electrodes 15 and the four angular velocity detection electrodes 17 are formed as described above, the amplitudes of output signals from the four angular velocity detection electrodes 17 can be made larger.
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。 In order to induce a vibration having a motion component in the direction of a predetermined vibration axis with respect to a weight 5 as a cylindrical vibration body, drive signals are applied to four vibration excitation electrodes 15. Then, based on the Coriolis force, the displacement in the direction of the displacement axis generated in the weight 5 is detected from the four electrodes 17 for detecting angular velocity to obtain the angular velocity. In this angular velocity sensor, one of the X axis and the Z axis is the vibration axis, and the other orthogonal axis is the displacement axis, and the angular velocity around the Y axis is detected based on the detection value from the angular velocity detection electrode 17 constituting the displacement detection unit. To detect. In order to detect the angular velocity around the X axis and around 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. In addition, 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 angular velocity sensor can detect the Coriolis force, and can sufficiently vibrate the weight in the X axis direction or the Y axis direction to detect the angular velocity around the Z axis. Further, in order to detect an angular velocity around the Z axis, the weight 5 is vibrated in the X axis direction or the Y axis direction. In the present embodiment, the weight is vibrated in the X-axis direction of FIG.
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。 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 generating an electrical signal for vibration excitation, detecting an electrical signal for detecting an angular velocity, and detecting an angular velocity) It has a square-shaped outline with a side length of about 1.7 mm. The silicon plate 19 is integrated with the package 23 made of FR 4 by an epoxy adhesive 22. In the present embodiment, 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 of the present embodiment, the epoxy adhesive 22 and the package 23 has 40 times the weight of the weight 5 which is a vibrating body.
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。 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 to two regions through which the second virtual diagonal surface CL2 passes. ing. In the present embodiment, in particular, the adhesive 21 is applied to the surfaces FC1 to FC4 of the peripheral support portion 7 at intervals from the surfaces FC1 to FC4 so that the adhesive 21 is not exposed.
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。 In the present embodiment, a silicon-based conductive adhesive manufactured by Three Bond Co., Ltd. is used as the adhesive 21. This adhesive has the property of being soft when the vibration frequency is low and stiffening when the vibration frequency is high. The adhesive 21 after curing is formed to a thickness of 10 to 50 μm.
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。 For the angular velocity sensor 1 configured as in the above embodiment, an experiment was conducted to confirm the relationship between the ratio of the weight of the weight 5, the total weight of the peripheral support 7 and the vibration stabilizing unit 24, and the Q value. . FIG. 3 is a graph showing the results of experiments in which the value of 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 according to the present embodiment. In this experiment, the ratio (W1: W2) of the weight W1 of the weight 5 to 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 value when vibrating in the X axis direction and the Z axis direction in FIG. 1 was measured. The Q value when vibrating in the X-axis direction increases as the weight ratio increases, and is saturated at about 600. When the range from the saturated Q value of 600 to the difference of 10% is a usable weight ratio, the usable weight ratio is 1:20 or more in the vibration in the X-axis direction. The Q value when vibrating in the Z-axis direction is as large as the weight ratio is large, and is saturated at 300. When the range from the saturated Q value of 300 to the difference of 10% is taken as the usable weight ratio, the usable weight ratio is 1:10 in the vibration in the Z-axis direction. Therefore, if the specific weight ratio of the weight of the weight 5 to the total weight of the peripheral support portion 7 and the vibration stabilizing portion 24 is 1:20 or more, good Q values can be obtained in both the X axis direction and the Z axis direction. That is, as a result of many studies, it has been found that a practical and practical angular velocity sensor having high sensitivity and stability can be obtained. If the specific weight ratio of the weight 5 to the total weight of the peripheral support 7 and the vibration stabilizing unit 24 is 1:40 or more, a Q value saturated in both the X-axis direction and the Z-axis direction can be obtained. That is, in the angular velocity sensor 1, when the temperature is constant and external disturbance such as vibration can be ignored, the specific weight ratio of the weight of the weight 5 to the total weight of the peripheral support portion 7 and the vibration stabilizing 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 if the above, preferably 1:40 or more.
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。 Next, regarding the angular velocity sensor 1 configured as in the above-described embodiment, the stabilization of the operation in consideration of the addition of external disturbances such as temperature and vibration will be described. With respect to the angular velocity sensor 1, an experiment was performed to measure the temperature change of the Q value and the output when the thickness of the adhesive 21 is changed. FIG. 4 is a graph showing the results of experiments in which the temperature change of the Q value and the output was measured when the thickness of the adhesive 21 was changed in the angular velocity sensor 1 of the present embodiment. In this experiment, the thickness of the adhesive 21 was varied between 5 μm and 60 μm. Moreover, the temperature of the angular velocity sensor was changed between -40 ° C and 85 ° C. As a representative example, as a result of investigating the vibration in the X-axis direction, when the thickness of the adhesive 21 is thinner than 10 μm, the Q value of the vibration in the X-axis direction is 600 or more, but between -40 ° C and 85 ° C. When the temperature is changed, the rate of change in sensor output exceeds 50%. This is because when the thickness of the adhesive is small, the difference in the dimensional change of each member due to the difference in the coefficient of thermal expansion can not be absorbed by the adhesive layer, and the mutual influence can not be suppressed. When the thickness of the adhesive 21 is greater than 50 μm, the rate of temperature change of the output when changing the temperature between -40 ° C. and 85 ° C. is within 45%, so the coefficient of thermal expansion is The influence of the difference in the change in dimension of each member due to the difference can be suppressed. However, the Q value of the vibration in the X-axis direction decreases, and the difference between the saturation value 600 and 10% or more. When the thickness of the adhesive 21 is 10 μm to 50 μm, the ratio of the temperature change of the output when changing the temperature between -40 ° C. and 85 ° C. is within 45%, and the value of Q value Both were stable, and both were in the range of a saturated Q value of 600 to 10% difference. That is, when the thickness of the adhesive 21 is 10 μm to 50 μm, the temperature characteristics of the Q value and the sensor output are good. The same applies to the vibration in the Z-axis direction, although the absolute value of the Q value is different. The characteristics shown here are one example, but similar results were obtained even if the sensor size is approximately 0.5 to 3 times.
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。 In the above embodiment, since the ratio of the weight of the weight 5 as a vibrator to the total weight of the peripheral support portion 7 and the vibration stabilizing portion 24 is 1:20 or more, the peripheral support portion is vibrated by the vibration of the weight 5. Can be controlled to vibrate the weight 5 with respect to the peripheral support 7 precisely. Further, the movement of the peripheral support portion 7 suppresses the leakage of the vibration from the angular velocity sensor 1 to the outside, thereby preventing the Q value of the vibration of the weight 5 from being lowered. In addition, since the thickness of the silicon adhesive is 10 to 50 μm, and the peripheral support 7 and the vibration stabilizing unit 24 are joined, the vibration of the peripheral support 7 with low frequency is absorbed by the soft adhesive. Vibration of the peripheral support 7 with high frequency is not absorbed by the hardened adhesive, and loss of vibration energy of the vibrator causes the Q value of the weight 5 to be lowered. There is no Therefore, according to the present invention, even when the size is reduced, the Q value does not decrease and the temperature change of the output does not become large, and furthermore, the vibrator can be vibrated accurately, so that high sensitivity is stably achieved. Can be obtained.
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。 In addition, since the vibration stabilizing portion 24 is composed of a plurality of parts such as the silicon plate 19, the epoxy adhesive 22, and the package 23, a composite structure such as lamination and columns can be adopted. Therefore, the above embodiment has an excellent feature that the Q value to the vibration can be lowered, the weight to the vibrator can be increased, and the thermal expansion coefficient can be easily controlled. Unwanted external vibration can be reduced by the low Q to the vibration. Since a stable vibration of the vibrating body can be obtained by increasing the weight of the vibrating body, a high Q value can be obtained for the vibration of the vibrating body. The easy control of the thermal expansion coefficient can reduce the temperature characteristic of sensitivity. Therefore, according to the above embodiment, even if the device is miniaturized, the Q value of the angular velocity sensor does not decrease, and the temperature change of the output does not become large, and the vibrating body can be vibrated accurately. Therefore, it is possible to obtain an angular velocity sensor which is stable, accurate and high in sensitivity.
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。 Further, the contour of the outer periphery of the peripheral support portion 7 has a rectangular shape, the contour of the outer shape of the diaphragm 3 has an octagon shape, and the vibrating body 5 has a cylindrical shape. Since the shape is different, the vibration of the cylindrical vibrating body 5 is hard to be transmitted to the octagonal diaphragm 3, and the vibration of the octagonal diaphragm 3 is hard to be transmitted to the peripheral supporting portion 7 whose outer peripheral contour is rectangular. Vibration in the opposite direction of propagation is also less likely to be transmitted. Therefore, 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, soft when the frequency is low and hard when the frequency is high Combined with the effect of the adhesive, even if it is miniaturized, the Q value does not decrease, so the sensor sensitivity can be increased, the temperature change of the sensor output does not become large, and the vibrating body is vibrated accurately to be accurate. An angular velocity sensor capable of detecting an angular velocity can be provided.
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。 FIG. 5A is a plan view of an angular velocity sensor according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 5B is a bottom view of a state in which a silicon plate is removed. In the embodiment shown in FIG. 5, the same members as those in the embodiment in FIGS. 1 and 2 are given the same reference numerals as those in FIGS. I omit it.
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。 In this example, four vibration excitation electrodes 115 are respectively formed in the 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 divided by the first virtual line L1 and the second virtual line L2, respectively. In the embodiment, the first virtual diagonal surface CL1 and the second virtual diagonal surface CL2 coincide with the X axis axis and the Y axis axis, respectively. In the present embodiment, 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 portion 107 and the silicon substrate 119 are bonded by an adhesive 121 on the first virtual diagonal surface CL1 and the second virtual diagonal surface CL2. In the present embodiment, the weight 105 vibrates along the second virtual diagonal surface CL2. The width of the peripheral support portion 107 along 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 according to the first embodiment. Therefore, since the adhesive 121 is present in the direction in which the peripheral support portion 107 moves due to the vibration of the weight 105, the movement of the support portion 107 is reliably suppressed by the adhesive 121 to prevent the vibration from leaking outside. There is.
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。 6A and 6B show the angular velocity sensor of the embodiment of FIGS. 1 and 5, respectively, when a drive signal is applied 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 | prescribed frequency range obtained from four electrodes for angular velocity detection obtained. As can be seen from FIGS. 6A and 6B, in the embodiment of FIG. 5, compared with the embodiment of FIG. 1, the peak frequency of the vibration in the X-axis direction and the vibration in the Y-axis direction The peak frequencies are clearly separated. Therefore, as shown in FIG. 5, when the positional relationship between the four vibration excitation electrodes 115 and the four angular velocity detection electrodes 117 is determined, a signal that can clearly distinguish the vibration in the X axis direction and the vibration in the Y axis direction is selected. It can be reliably obtained from two angular velocity detection electrodes 117.
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。 FIG. 7A is a bottom view of the state where the silicon substrate 219 of the angular velocity sensor 201 according to the third embodiment of the present invention is removed, and FIG. 7B shows a state where it is attached to the package 223. It is a figure which shows typically the VIIB-VIIB line cross section of FIG. In the embodiment shown in FIG. 7, the same members as in the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2 are given the same reference numerals as those in FIGS. And the explanation is omitted. The angular velocity sensor 201 according to the present embodiment includes two diaphragms 203A and 203B, and cylindrical weights 205A and 205B are disposed at the center of the back surface of the diaphragms 203A and 203B. The peripheral support portion 207 is bonded to the silicon substrate 219 by an adhesive 221. The silicon substrate 219 is bonded to the package 223 by an epoxy adhesive 222.
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。 The contours of the outer peripheral portions of the diaphragms 203A and 203B have 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 each 0.0896 mg. The peripheral support portion 207 has a weight of 1.4662 mg, and a total of six places of the four 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.
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。 The silicon substrate 219 has a rectangular shape with an outline shape of 2.2 mm × 2.3 mm, 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. In the present embodiment, the silicon substrate 219 and the package 223 constitute a vibration stabilization member. The total weight of the silicon substrate 2019 and the package 223 is 5 mg.
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。 In the present embodiment, 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, since it is not necessary to switch the vibration direction of the weight, the response performance of the angular velocity sensor can be enhanced.
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。 The present invention is, of course, not limited to the dimensions, materials, and the like of each layer in the above-described embodiment.
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。 According to the angular velocity sensor of the present invention, the periphery of the outer peripheral portion supporting the diaphragm-type vibration excitation portion having the cylindrical vibrating body in the center and the outline of the outer shape having the octagonal shape has the rectangular shape. The vibration-stable portion is joined to the support with an adhesive that has the property of being soft when the frequency of vibration is low and stiff when the frequency of vibration is high, so that the vibration of the peripheral support with low frequency is soft. Vibrations of the high frequency peripheral support absorbed by the adhesive are not absorbed by the hardened adhesive. Further, since the thickness of the cured adhesive layer is 10 to 50 μm, the peripheral support portion and the vibration stable portion are integrated, the Q value does not decrease, and the difference is caused by the thermal expansion coefficient. The influence of the dimensional change between the members can be suppressed, and the temperature change of the output of the angular velocity sensor does not become large. Furthermore, since the peripheral support portion with a total weight with the vibration stable portion of 20 times or more is integrated with the vibration stable portion, the weight ratio between the vibrating body and the peripheral support portion is increased, and the vibration is caused by the vibration of the vibrating body. The movement of the support can be suppressed. Therefore, the vibrator can be vibrated accurately with respect to the peripheral support portion. Further, since movement of the peripheral support portion can suppress leakage of vibration from the angular velocity sensor to the outside, a loss occurs 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, the high stability and high sensitivity angular velocity can be made to vibrate the vibrator accurately without the temperature change of the output becoming large without lowering the Q value even if it is miniaturized. A sensor can be obtained.
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1 angular velocity sensor 3 diaphragm 5 weight (oscillator)
Reference Signs List 7 peripheral support portion 9 insulating film 11 lower electrode 13 piezoelectric thin film 15 vibration excitation electrode 17 angular velocity detection electrode 19 silicon substrate 21 adhesive 22 adhesive 23 package 24 vibration stabilization portion
Claims (9)
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シリコン系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、
硬化後の前記シリコン系接着剤の厚みは、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。 A diaphragm-type vibration excitation unit, a vibrator formed at the center of the vibration excitation unit, which vibrates in at least one of the X direction, Y direction or Z direction, and a peripheral support unit for supporting the periphery of the vibration excitation unit An angular velocity sensor consisting of
It further comprises a vibration stabilization unit joined to the peripheral support unit,
The vibration stabilizing portion is joined to the peripheral support portion by a silicon-based adhesive having a property of being soft when the frequency of vibration is low and rigid when the frequency of vibration is high,
The contour of the outer peripheral portion of the peripheral support portion has a rectangular shape, the contour of the outer shape of the vibration excitation portion has an octagon shape, and the vibrator has a cylindrical shape.
The thickness of the silicone adhesive after curing is 10 to 50 μm,
The angular velocity sensor according to claim 1, wherein the vibration stabilizing portion has a weight such that a total weight thereof with the peripheral support portion is at least 20 times a weight of the vibrator.
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5のいずれか1項に記載の角速度センサ。 The peripheral support portion and the vibration stabilizing portion are joined by the adhesive at four positions through which at least a pair of virtual orthogonal planes passing through the center of the vibrating body pass;
The angular velocity sensor according to any one of claims 1 to 5 , wherein the vibrator vibrates along the virtual orthogonal plane.
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6のいずれか1項に記載の角速度センサ。 The contour of the outer periphery of the peripheral support portion has a rectangular shape,
According to any one of the peripheral supporting portion of the virtual diagonal plane to claim 1 and said peripheral supporting portion at the position of the four points at least passing the vibration stabilization part is bonded by the adhesive 6 Angular velocity sensor.
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8のいずれか1項に記載の角速度センサ。
The peripheral support portion supports outer peripheral portions of the two vibration excitation portions,
The vibrator formed in the central region of one vibration excitation unit detects an angular velocity in a direction perpendicular to the vibration excitation unit;
The angular velocity sensor according to any one of claims 1 to 8 , wherein the vibrator formed in the central region of the other vibration excitation unit detects an angular velocity in a direction parallel to the vibration excitation unit.
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