(57)【要約】【課題】ゼロ点出力の急峻な温度変動を低減し、低温から高温まで幅広い環境下において高精度で小型化に適した振動ジャイロセンサを提供する。【解決手段】容器の内部に振動体を配置し、平板状の蓋体で気密封止して構成する振動体パッケージにおいて、蓋体の厚さ分布を不均一にする。蓋体は中央部が凸形状、中央部が凹形状、容器と接している部分以外に一つ以上の突起物がある形状、容器と接している部分以外に一つ以上の溝がある形状などを取る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器の内部に振動体を配置し、蓋体で気密封止して構成する振動体パッケージにおいて、
前記蓋体は、外側表面を平坦でなくすることにより厚さ分布を不均一にしたことを特徴とする振動体パッケージ。
【請求項２】
請求項１に記載の振動体パッケージにおいて、
前記蓋体は、中央部が凸形状であることを特徴とする振動体パッケージ。
【請求項３】
請求項１に記載の振動体パッケージにおいて、
前記蓋体は、中央部が凹形状であることを特徴とする振動体パッケージ。
【請求項４】
請求項１に記載の振動体パッケージにおいて、
前記蓋体は、前記容器と接している部分以外に一つ以上の突起物を形成してあることを特徴とする振動体パッケージ。
【請求項５】
請求項１に記載の振動体パッケージにおいて、
前記蓋体は、前記容器と接している部分以外に一つ以上の溝を形成してあることを特徴とする振動体パッケージ。  
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一つに記載の振動体パッケージを用いて、外部から印加された角速度を検出することを特徴とする振動ジャイロセンサ。
【請求項７】
請求項６に記載の振動ジャイロセンサにおいて、
前記蓋体の共振周波数と、前記振動体の共振周波数が−４０℃から８５℃の温度範囲で振動結合しないことを特徴とする振動ジャイロセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水晶などの圧電体からなる振動体を、セラミックス等の基板からなる容器内に配置し、蓋体で気密封止して構成されるパッケージに収納した振動ジャイロセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ジャイロセンサは車載用カーナビゲーションシステムやロボット、航空機、自動車などの姿勢制御、あるいはカメラの手ぶれ補正などの目的で回転角速度を検出するために用いられる。振動ジャイロは、光の干渉を利用したリングレートジャイロや光ファイバジャイロに比べて感度や分解能は劣るものの、中精度の性能を持ち、構造が簡素で、部品点数が少なく、安価であり、自動車のナビゲーション用の回転角速度センサやハンディカメラ、スチルカメラ、デジタルカメラの手振れ検出などの民生用として市場を拡大している。
【０００３】
振動ジャイロセンサの原理は以下の通りである。一般的に、単一振動をしている質点が回転するときに発生するコリオリ力Ｆｃは、次のような式で示される。
Ｆｃ＝２ｍｖΩ  
ここで、ｍは振動ジャイロの質量、ｖは振動ジャイロの振動速度、Ωは振動ジャイロのＺ軸回りの角速度である。そして、前記質量ｍ、振動速度ｖが既知であれば、コリオリ力の作用を観測することにより角速度Ωを導出することが可能となる。振動ジャイロでは、コリオリ力による振動体の変位を、発生する電荷で検出している。
【０００４】
図８（ａ）は、従来の振動体パッケージ１０１の上面図で、蓋体１０２の上面を示している。蓋体１０２は平板形状である。図８（ｂ）は図８（ａ）のＢ−Ｂ断面図で、従来の振動体パッケージ１０１の構造を示す。振動体パッケージ１０１は、セラミックス、シリコン、ガラス等の基板からなる容器１０３を、金属、シリコン、ガラスからなる蓋体１０２で気密封止して構成される。気密封止は金スズ、はんだを用いた加熱封止や陽極接合、表面活性化接合などにより行う。振動体１０４は容器１０３内に接着剤で固定する。容器１０３内には振動体１０４と電気的に接続するために多数の電極パッドが配置されており、振動体１０４を、それぞれの電極パッドにワイヤーボンディングやＧＧＩなどにより接続する。電極パッドは容器１０３内から容器１０３外のパッドと電気的に接続されている。
【０００５】
図８の振動体１０４の具体例が図９に斜視図を示す振動体１であって、特許文献１に見られるものである。その構造を以下に説明する。振動体１は、例えば直方体状の基部２と２本の腕部３ａ、３ｂとからなる音叉型である。水晶、ランガサイト系圧電体などの圧電単結晶材料を用い、機械加工やウェットエッチングプロセスやドライエッチングプロセスによって形成される。
【０００６】
腕部３ａ、３ｂの表面に駆動用電極４ａ、４ｂを配置し、基部２上にＶＤＤ電極パッド５ａとＶＳＳ電極パッド５ｂとを形成してある。これらのパッドはＡｕ（金）やＡｌ（アルミニウム）などのワイヤにより、容器内に形成された多数の電極パッドに接続される。さらに、容器外に形成され、容器内の電極パッドと電気的に導通している電極パッドが、電源、発振回路などの集積回路に接続される。駆動用電極４ａ、４ｂに異なる電圧を与えることによって、振動体１の内部に電界を生じさせる。振動体１は圧電材料なので、内部に生じる電界の方向に応じて伸縮し、この伸縮運動によって腕部３ａ、３ｂが屈曲振動す
る。これにより腕部３ａ、３ｂは、Ｙ軸方向に開閉するよう励振される。
【０００７】
腕部３ｂ上に検出用電極６ａ、６ｂを配置し、それぞれ基部２上の検出用電極パッド７ａ、７ｂに接続してある。振動体１に、腕部３ａ、３ｂと平行なＺ軸を中心として角速度Ωが加わると、コリオリ力Ｆｃによって腕部３ａ、３ｂの振動方向が変化し、Ｘ軸方向へ屈曲振動する。腕部３ａ、３ｂの振動方向の変化に対応した信号が、検出用電極６ａ、６ｂから出力される。これらの信号を測定することにより、角速度Ωに対応した信号を得ることができる。
【０００８】
移動通信用機器、ポータブル機器の発展に伴い、小型化、高精度化、構成部品の低価格化が要求されている。その中でも近年、低温から高温まで幅広い環境下で、角速度Ωを検出する用途が拡大している。よって振動ジャイロセンサは幅広い温度環境下で高精度にセンシングするために、ゼロ点出力の温度安定性の要求が高まっている。ゼロ点出力とは、Ｚ軸方向に角速度Ωが印加されていないときに、振動ジャイロセンサから出力される信号のことである。ゼロ点出力の温度変動が不安定であると、実際は角速度Ωが印加されていないにもかかわらずゼロ点出力が変化し、角速度Ωを誤認識する。
【０００９】
ゼロ点出力の温度変動を改善する方法として、振動体から出力される信号を外部の補正回路により改善する方法（ 例えば、特許文献２参照）、振動体と電極端子を接続するワイヤの形状により改善する方法（ 例えば、特許文献３参照）が提案されている。  
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−１７７３６４号
【特許文献２】特開２００６−１８９３５３号
【特許文献３】特開２００３−３１５０４７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ゼロ点出力の温度変動を改善するための上記既存の各方法において、振動体から出力される信号を外部の補正回路により改善する方法は、補正回路を形成するために多数の回路素子が必要になり、大規模な実装面積が必要になる。よって小型化に適さない。また多種多様で急峻なゼロ点出力の温度変動に対して、一種類の補正回路では補正範囲が制限され、十分なゼロ点出力の温度変動の補正を行うことは困難である。また、ゼロ点出力の急峻な温度変動発生の原因を根絶していないため、恒久的な改善方法に適さない。
【００１２】
振動体と電極端子を接続するワイヤ形状により改善する方法は、本来なら短距離で接続するための空間があるだけでよいのに、ワイヤを所望の形状にするために容器内に余分の空間を必要とする。よって小型化に適さない。また振動体の周波数のばらつきやワイヤ形状のばらつきにより、ゼロ点出力の急峻な温度変動が発生する可能性がある。しかし容器を蓋体で気密封止後に急峻な変動が発生しても、ワイヤ形状を変えることができず改善することは困難である。
【００１３】
本発明の目的は、ゼロ点出力の急峻な温度変動を低減し、低温から高温まで幅広い環境下において高精度で小型化に適した振動ジャイロセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本願発明は、容器の内部に振動体を配置し、蓋体で気密封止して構成される振動体パッケージにおいて、蓋体は、外側表面を平坦でなくすることにより厚さ分布が不均一であることを特徴としている。
【００１５】
また、蓋体の形状は、中央部が凸形状、中央部が凹形状、容器と接している部分以外に
一つ以上の突起物がある形状、容器と接している部分以外に一つ以上の溝があることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、−４０から８５℃の温度範囲で、ゼロ点出力の急峻な温度変動の原因である蓋体との振動結合を抑制する振動体パッケージを提供できる。
【００１７】
また、低温から高温まで、幅広い環境下において高精度で小型化に適した振動ジャイロセンサを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態の振動体パッケージ８の上面図で、蓋体９の上面を示している。蓋体９は中央部が凸形状である。図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ断面図で、振動体パッケージ８の構造を示す。振動体パッケージ８は、セラミックス基板からなる容器１０を、金属からなる蓋体９で気密封止して構成される。気密封止は金スズ加熱封止により行う。振動体１１は容器内に接着剤で固定する。容器１０内には多数の電極パッドが配置され、それぞれの電極パッドは振動体１１と電気的に接続している。電極パッドは集積回路と接続され振動ジャイロセンサを構成する。
【００１９】
振動体１１の製造方法には、一般的にＺ板と呼ばれている水晶基板を用いる。Ｚ板は水晶の結晶方向のＺ軸に対してほぼ垂直、すなわち上下面がＺ軸に対して８５度から９５度の角度をなす基板である。なお、ここでいう結晶学上のＺ軸は、振動体１１の形状に関連して定めた座標系のＺ軸とは別物である。
【００２０】
水晶基板に金属膜を形成し、フォトリソグラフィーとエッチングにより振動体１１の外形を形成する。金属膜をエッチング法によって除去した後、電極膜を形成する。本実施形態では水晶基板上に０．１５μｍ厚のＡｕ膜（上層）と０．０３μｍ厚のＣｒ膜（下層）をスパッタ法により成膜して、その膜にフォトリソグラフィー法を施して駆動用電極、検出用電極を形成する。
【００２１】
振動体の材料は水晶に限定されるものでなく、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウムなどの圧電単結晶を用いることができる。またウェットエッチングだけではなくドライエッチングや機械加工により形成することができる。
【００２２】
振動体パッケージ８と集積回路を電気的に接続し振動ジャイロセンサを構成する。図２に、振動ジャイロセンサの回路構成の模式図を示す。振動体１１は、例えば図９に斜視図を示した振動体１である。ＶＤＤ電極パッド５ａとＶＳＳ電極パッド間５ｂに、発振回路１２を接続する。これにより、振動体１の腕部３ａ、３ｂが開閉するように屈曲振動する。
【００２３】
一方、検出用電極パッド７ａ、７ｂは、差動回路１３に接続される。差動回路１３は、オペアンプや抵抗などによって構成される。さらに、差動回路１３の出力端は、同期検波回路１４に接続される。同期検波回路１４では、発振回路１２の信号に同期して、差動回路１３の出力信号が検波される。同期検波回路１４の出力信号は、積分回路１５で直流信号に変換される。さらに、積分回路１５の出力信号は、直流増幅回路で増幅される。
【００２４】
回転角速度Ωが振動ジャイロセンサに印加されていないとき、振動体１の２本の腕部３ａ、３ｂは、分極方向に対して同じ状態で振動するため、検出用電極パッド７ａ、７ｂか
ら出力される信号は同じである。そのため、出力信号が生じない。
【００２５】
回転角速度Ωが加わると、Ｙ軸に直交するＸ軸方向にコリオリ力Ｆｃが働く。したがって、腕部３ａ、３ｂは、開閉する向きに加わる駆動力とコリオリ力Ｆｃとが合成された向きに振動し、回転時には、一方の検出用電極６ａからの出力が増加したとき、他方の検出用電極６ｂからの出力が減少するか、または、その逆の動作が生じる。したがって、差動回路１３で検出用電極パッド７ａ、７ｂの出力信号の差をとれば、コリオリ力に対応した信号を得ることができる。差動回路１３の出力信号は、同期検波回路１４で検波され、直流増幅回路１６で増幅される。
【００２６】
検出用電極パッド７ａ、７ｂからの出力信号のレベルは、振動体１の腕部３ａ、３ｂの変位の大きさによって決まるため、大きいコリオリ力Ｆｃが働くと、出力信号のレベルは大きくなる。したがって、直流増幅回路１６の出力信号のレベルから、回転角速度Ωの大きさを検出できる。
【００２７】
振動ジャイロセンサの集積回路は、振動体と電気的に接続されているならば、振動パッケージ８の外部に構成するのでなく、振動パッケージ８内部や容器１０内部などに埋め込みで構成することができる。
【００２８】
図３は、図８の従来の振動体パッケージ１０１を用いたゼロ点出力の温度変動の一例を示すもので、１０℃−２０℃近辺に急峻な温度変動を生じている。一方、図４は、本第１の実施形態の、蓋体９を凸形状に加工した振動体パッケージ８を用いたゼロ点出力の温度変動の一例を示す。温度範囲は−４０℃から８５℃である。
【００２９】
蓋体９の中央部を凸形状に加工することにより、蓋体９の１次モードの共振周波数が高くなり、振動体１１（図２）の共振周波数との振動結合が抑制される。よって図４に見るように、ゼロ点出力の急峻な温度変動が改善されてほぼ消滅し、低温から高温まで幅広い環境下において高精度で小型化に適した振動ジャイロを提供できる。
【００３０】
蓋体９の中央部の凸形状加工は、銀を用いて局所堆積技術により行った。
【００３１】
凸形状に加工する方法は局所堆積技術に限定されるものでなく、接着剤塗布や半田塗布、スパッタ法や蒸着法などの各種成膜方法を適用することができる。
【００３２】
凸形状を形成する材料は銀に限定されるものではなく、蓋体９と密着性が良く、質量の大きい金属や絶縁体が好ましい。  
【００３３】
（第２の実施形態）
図５（ａ）は、本発明の第２の実施形態の振動体パッケージ１７の上面図で、蓋体１８の上面を示している。蓋体１８は中央部が凹形状である。図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ断面図で、振動体パッケージ１７の構造を示す。振動体パッケージ１７は、セラミックス基板からなる容器１９を、金属からなる蓋体１８で気密封止して構成される。気密封止は金スズ加熱封止により行う。振動体２０は容器１９内に接着剤で固定する。容器１９内には振動体２０と電気的に接続するために多数の電極パッドが配置され、それぞれの電極パッドは振動体２０と電気的に接続している。電極パッドは集積回路と接続され振動ジャイロセンサを構成する。
【００３４】
蓋体１８の中央部を凹形状に加工することにより、蓋体１８の１次モードの共振周波数が低くなって、振動体２０の共振周波数との振動結合が抑制される。よってゼロ点出力の急峻な温度変動が改善され、低温から高温まで幅広い環境下において高精度で小型化に適
した振動ジャイロを提供できる。
【００３５】
蓋体１８の中央部の凹形状加工は、サンドブラスト法を用いて行った。
【００３６】
凹形状に加工する方法はサンドブラスト法に限定されるものでなく、レーザーによる加工、機械加工、ケミカルエッチングなどを適用できる。
【００３７】
（第３の実施形態）
図６（ａ）は、本発明の第３の実施形態の振動体パッケージ２１の上面図で、蓋体２２の上面を示している。蓋体２２は、容器２３と接している部分以外に一つ以上の突起物２４を形成する。図６（ｂ）は図６（ａ）のＢ−Ｂ断面図で、振動体パッケージ２１の構造を示す。振動体パッケージ２１は、セラミックス基板からなる容器２３を、金属からなる蓋体２２で気密封止して構成される。気密封止は金スズ加熱封止により行う。振動体２５は容器２３内に接着剤で固定する。容器２３内には振動体２５と電気的に接続するために多数の電極パッドが配置され、それぞれの電極パッドは振動体２５と電気的に接続している。電極パッドは集積回路と接続され振動ジャイロセンサを構成する。
【００３８】
蓋体２２は容器２３と接している部分以外に一つ以上の突起物２４を形成することにより、蓋体２２の１次モードの共振周波数が高くなって、振動体２５の共振周波数との振動結合が抑制される。よってゼロ点出力の急峻な温度変動が改善され、低温から高温まで幅広い環境下において高精度で小型化に適した振動ジャイロを提供できる。
【００３９】
蓋体２２に容器２３と接している部分以外に一つ以上の突起物２４を形成する方法は、銀を用いて局所堆積技術により行った。
【００４０】
突起物２４を形成する方法は局所堆積技術に限定されるものでなく、接着剤塗布や半田塗布、スパッタ法や蒸着法などの各種成膜方法を適用することができる。
【００４１】
突起物２４を形成する材料は銀に限定されるものではなく、蓋体２２と密着性が良く、質量の大きい金属や絶縁体が好ましい。  
【００４２】
（第４の実施形態）
図７（ａ）は、本発明の第４の実施形態の振動体パッケージ２６の上面図で、蓋体２７の上面を示している。蓋体２７は容器２８と接している部分以外に一つ以上の溝２９を形成する。図７（ｂ）は図７（ａ）のＢ−Ｂ断面図で、振動体パッケージ２６の構造を示す。振動体パッケージ２６は、セラミックス基板からなる容器２８を、金属からなる蓋体２７で気密封止して構成される。気密封止は金スズ加熱封止により行う。振動体３０は容器２８内に接着剤で固定する。容器２８内には振動体３０と電気的に接続するために多数の電極パッドが配置され、それぞれの電極パッドは振動体３０と電気的に接続している。電極パッドは集積回路と接続され振動ジャイロセンサを構成する。
【００４３】
蓋体２７は容器２８と接している部分以外に一つ以上の溝２９を形成することにより、蓋体２７の１次モードの共振周波数が低くなって、振動体３０の共振周波数との振動結合が抑制される。また溝２９の形成位置により、蓋体２７の２次、３次の高次モードの周波数との振動結合を抑制できる。よってゼロ点出力の急峻な温度変動が改善され、低温から高温まで幅広い環境下において、高精度で小型化に適した振動ジャイロを提供できる。
【００４４】
蓋体２７に容器２８と接している部分以外に一つ以上の溝２９を形成する方法は、サンドブラスト法により行った。
【００４５】
溝２９を加工する方法はサンドブラスト法に限定されるものでなく、レーザーによる加工、機械加工、ケミカルエッチングなど適用することができる。
【００４６】
本発明は上記の構成に限定されず、請求の範囲を逸脱しない範囲で様々な変更を行うことができる。例えば図６の第３の実施形態では、蓋体２２に３本の平衡突起物２４を設けてあるが、蓋体２２の外形にほぼ相似の長方形の連続した枠状の突起物を、蓋体２２が容器２３に接する箇所である外周部より内側に設けるのもよい。図７の第４の実施形態における溝２９についても同様である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の振動体パッケージの第１の実施形態で、(ａ) は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図２】本発明の振動ジャイロセンサの回路構成を示す模式図である。
【図３】従来の振動体パッケージを用いた振動ジャイロセンサの、ゼロ点出力の温度変動の一例を示す図である。
【図４】本発明の振動体パッケージを用いた振動ジャイロセンサの、ゼロ点出力の温度変動の一例を示す図である。
【図５】本発明の振動体パッケージの第２の実施形態で、(ａ) は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図６】本発明の振動体パッケージの第３の実施形態で、(ａ) は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図７】本発明の振動体パッケージの第４の実施形態で、(ａ) は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図８】従来の振動体パッケージで、(ａ)は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図９】振動ジャイロセンサに用いる振動体の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４８】
１、１１、２０、２５、３０、１０４  振動体
２  基部
３ａ、３ｂ  腕部
４ａ、４ｂ  駆動用電極
５ａ  ＶＤＤ電極パッド
５ｂ  ＶＳＳ電極パッド
６ａ、６ｂ  検出用電極
７ａ、７ｂ  検出用電極パッド
８、１７、２１、２６、１０１  振動体パッケージ
９、１８、２２、２７、１０２  蓋体  
１０、１９、２３、２８、１０３  容器
１２  発振回路
１３  差動回路
１４  同期検波回路
１５  積分回路
１６  直流増幅回路
２４  突起物
２９  溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2010101727.tif 000008
【図７】
2010101727.tif 000009
【図８】
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【図９】
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