(57)【要約】【課題】本発明は、角速度、加速度等の物理量を検出する検出素子に外部から伝搬する振動等の影響を排除して、角速度、加速度等の物理量を高精度にて検出できる物理量センサを提供することを目的とするものである。【解決手段】本発明は角速度、加速度等の物理量を検出する検出素子２１を、前記検出素子の特性を測定するためのケースに電気的に接続するためのワイヤ６３の剛性のみで空間に保持し、接着剤による接着応力などの影響を除去したものである。【選択図】図２
2011242143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入出力電極を有し角速度、加速度等の物理量を検出する検出素子と、入出力端子を有し前記検出素子の特性を測定するためのケースとを備え、前記入出力電極と入出力端子とをワイヤで電気的、機械的に接続するとともに前記検出素子は前記ワイヤのみと機械的接触を持つようにした物理量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角速度、加速度などを検知する物理量センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図５（ａ）は従来の物理量センサの一つである角速度センサの検出素子の上面図、図５（ｂ）は図５（ａ）の検出素子をＸ軸に沿って切った断面図を示す（特許文献１参照）。
【０００３】
図５（ａ）（ｂ）において、１はＸＹ平面に平行に配置されたシリコン等からなる基板であり、該基板１の底面側をエッチング処理して薄肉の円環状の可撓部２を形成することにより、前記薄肉の円環状の可撓部２に囲まれた質量部３と、前記薄肉の円環状の可撓部２を取り囲むように配置した固定部４とが形成されている。また前記基板１の表面側には下部電極５、圧電膜６を形成するとともに、該圧電膜６上には上部電極７Ａ,７Ｂ,７Ｃ,７Ｄ,７Ｅを形成している。前記上部電極７Ａ,７Ｂ,７Ｃ,７ＤはＸＹＺ座標系の原点Ｏを中心とした円弧に沿った帯状をしており、Ｘ軸あるいはＹ軸に関して線対称な形状をしている。また、前記上部電極７Ｅは原点Ｏを中心とした円環状をしている。
【０００４】
前記上部電極７Ｅと下部電極５間に交流信号を印加すると、圧電効果により質量部３はＺ方向に単振動する。この状態で、検出素子がＸ軸の周りに回転するとＹ軸方向にコリオリ力が働き前記質量部３はＹ軸方向に振り子振動し、前記薄肉の円環状の可撓部２が歪む。この歪により上部電極７Ｃ,７Ｄに発生する電荷からＸ軸周りの角速度が検出できる。同様にして、質量部３をＺ軸方向に単振動させた状態で角速度センサがＹ軸の周りに回転すると、Ｘ軸方向にコリオリ力が働き前記質量部３はＸ軸方向に振り子振動し、前記薄肉の円環状の可撓部２が歪む。この歪により上部電極７Ａ,７Ｂに発生する電荷からＹ軸周りの角速度が検出できるものである。
【０００５】
図６は図５に示した角速度センサ等の検出素子をケース８に実装した状態を示す断面図である。図６において、９は検出素子の固定部をケース８に固定するための接着剤である。また検出素子の下部電極５および上部電極７Ａ,７Ｂ,７Ｃ,７Ｄ,７Ｅは前記ケース８の入出力端子１０とワイヤ１１にて電気的及び機械的に接続する。なお、図６では煩雑さを避けるために上部電極７Ａ,７Ｂのみを入出力端子１０にワイヤ１１にて接続している。
【０００６】
なお、この出願の発明に関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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平８−９４６６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の物理量センサにおいては、検出素子の固定部４をケース８に接着剤９で接着固定を行なっているため、質量部３の振動が接着剤９、ケース８を介して外部に漏れたり、外部からの振動がケース８、接着剤９を介して質量部３に伝搬したりすることにより、あるいは接着剤９の硬化収縮時に発生する応力が検出素子に作用することにより、検出素子の特性に影響を与えてしまう場合がある。これにより、物体に働く物理量を高精度で測定することができないという課題を有していた。
【０００９】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、角速度センサ等の検出素子とケース間を機械的に絶縁することにより、物体に働く物理量を高精度で測定できる物理量センサを提供するためのものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。
【００１１】
請求項１に記載の発明は、入出力電極を有し角速度または加速度を検出する検出素子と、入出力端子を有し前記検出素子の特性を測定するためのケースとを備え、前記入出力電極と入出力端子とをワイヤで電気的、機械的に接続するとともに前記検出素子は前記ワイヤのみと機械的接触を持つようにしたもので、この構成によれば、検出素子はワイヤのみで電気的、機械的接続を行なうため、検出素子とケースとを機械的に絶縁でき、これにより、前記検出素子の振動がケースを介して外部に漏れることがないとともに、外部からの振動が検出素子に伝搬することがなく、また検出素子に接着剤の接着応力等が加わることもないため、角速度、加速度等の物理量を高精度にて検出できるという作用効果を有するものである。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように本発明の物理量センサは、入出力電極を有し角速度または加速度を検出する検出素子と、入出力端子を有し前記検出素子の特性を測定するためのケースとを備え、前記入出力電極と入出力端子とをワイヤで電気的、機械的に接続するとともに前記検出素子は前記ワイヤのみと機械的接触を持つようにしているため、検出素子とケース間を機械的に絶縁することができ、これにより、角速度、加速度等の物理量を高精度にて検出できるという優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】（ａ）（ｂ）本発明の実施の形態における検出素子の上面図および、同検出素子の断面図
【図２】同検出素子をケースに実装した状態を示す断面図
【図３】同検出素子をケースに実装した状態における同検出素子の駆動電圧の雰囲気温度に対する変動を示す図
【図４】（ａ）（ｂ）同検出素子をケースに実装するための方法を示す断面図
【図５】（ａ）（ｂ）従来の物理量センサの検出素子の上面図および、同検出素子の断面図
【図６】従来の物理量センサの検出素子をケースに実装した状態を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１（ａ）は本発明の実施の形態における検出素子２１の上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の検出素子をＸ軸に沿ったＡ−Ａ線で切った断面図を示す。この図１において、２２はＸＹ平面に平行に配置されたシリコン等の半導体ウェハからなる基板であり、該基板２２にはエッチング処理して薄肉の円筒状に形成された固定部２３と、該固定部２３の内側に配され、環状の薄肉部２４によって振動可能とされた円柱状の質量部２５、とが一体的に形成されている。前記検出素子２１の外形寸法は大略直径２ｍｍ、厚み０．４ｍｍであり、前記環状の薄肉部２４の厚さは約５μｍとしている。
【００１５】
前記基板２２の表面側で環状の薄肉部２４上には中心側に圧電／電歪素子からなる円弧状の第１、第２、第３、第４の検出部３１,３２,３３,３４が、外周側には圧電／電歪素子からなる円弧状の第１、第２、第３、第４の駆動部３５,３６,３７,３８が、Ｚ軸の周りにほぼ９０゜間隔で形成されている。また、前記基板２２の表面側で環状の薄肉部２４上には、前記第１、第２、第３、第４の駆動部３５,３６,３７,３８と隣接して振動モニター部（図示せず）がＺ軸の周りにほぼ９０゜間隔で形成されている。さらに、前記基板２２の表面側で前記固定部２３に対応する位置には、前記第１、第２、第３、第４の駆動部３５,３６,３７,３８および、第１、第２、第３、第４の検出部３１,３２,３３,３４と信号ライン（図示せず）で接続された入出力電極４５,４６,４７,４８,４９,５０,５１,５２が形成されている。
【００１６】
図２は前記検出素子２１をケース６１に実装した状態を示す断面図である。図２において、前記検出素子２１の入出力電極４５,４６,４７,４８,４９,５０,５１,５２は前記ケース６１の入出力端子６２とワイヤ６３にて電気的及び機械的に接続するとともに、ワイヤ６３の剛性を用いて前記検出素子２１はケース６１と接触せず前記ワイヤ６３のみと機械的接触を持つように構成している。なお、図２では煩雑さを避けるために入出力電極４７,５０のみを入出力端子６２にワイヤ６３にて接続している。
【００１７】
前記第１、第２、第３、第４の駆動部３５,３６,３７,３８に正弦波駆動電圧を印加すると、第１、第２、第３、第４の駆動部３５,３６,３７,３８が面内方向に伸縮することにより、質量部２５はＺ軸方向に上下運動を行なう。すなわち、前記第１、第２、第３、第４の駆動部３５,３６,３７,３８がともに面内方向に伸びると環状の薄肉部２４が撓むために、質量部２５はＺ軸の正方向に移動する。次に前記第１、第２、第３、第４の駆動部３５,３６,３７,３８がともに面内方向に縮むと環状の薄肉部２４が前と逆方向に撓むために、質量部２５はＺ軸の負方向に移動する。こうして質量部２５はＺ軸方向に上下振動を行なう。ここで環状の薄肉部２４に発生する歪は前記振動モニター部において電気信号に変換され、ＡＧＣ回路にて基準電圧と比較された後、駆動回路を経て前記第１、第２、第３、第４の駆動部３５,３６,３７,３８にフィードバックされる。これにより、環状の薄肉部２４に発生する歪を一定の値に維持することで、質量部２５の振動振幅を一定にしている。
【００１８】
この時、前記検出素子２１にＹ軸周りの角速度ωyが加えられると、質量部２５はＺ軸方向に振動しているため、質量部２５の質量をｍ、Ｚ軸方向の速度をＶzとするとＸ軸方向のコリオリ力Ｒx＝−２ｍωyＶzが発生して質量部２５はＸ軸方向に振動する。このように質量部２５がＸ軸方向に振動することにより環状の薄肉部２４に発生する歪を前記検出部３１,３３で電気信号に変換する。この検出信号から前記第１、第２、第３、第４の駆動部３５,３６,３７,３８に加える駆動信号を分離することでＹ軸周りの角速度が検出できる。
【００１９】
また、前記検出素子２１にＸ軸周りの角速度ωxが加えられると、質量部２５はＺ軸方向に振動しているため、Ｙ軸方向のコリオリ力ＲYが発生して質量部２５はＹ軸方向に振動する。質量部２５がＹ軸方向に振動することにより前記検出部３２,３４には検出信号が発生する。この検出信号から前記第１、第２、第３、第４の駆動部３５,３６,３７,３８に加える駆動信号を分離することでＸ軸周りの角速度が検出できる。こうして前記検出素子２１はＸ軸、Ｙ軸の周りの角速度を検出することができるものである。
【００２０】
図３は検出素子２１を図２に示したようにケース６１に実装した状態で、検出素子２１の駆動電圧が雰囲気温度に対してどのように変動するかを示す図である。なお、図３には比較のために、検出素子２１の固定部２３をケース６１に種々の接着剤を用いて接着固定した場合に、検出素子２１の駆動電圧が雰囲気温度に対してどのように変動するかを併せて示している。この図３において、Ａは本発明の検出素子２１を図２に示したようにケース６１に実装した場合に、検出素子２１の駆動電圧の雰囲気温度に対する変動を示すデータであり、雰囲気温度に関わらず検出素子２１の質量部２５の振動振幅を一定に維持するために第１、第２、第３、第４の駆動部３５,３６,３７,３８に印加される駆動電圧はほぼ０．２５Ｖｒｍｓの低い値に留まっている。一方、図３において、Ｂは検出素子２１の固定部２３をケース６１にせん断弾性率の大きいエポキシ樹脂（常温でのせん断弾性率：約３ＧＰａ）で接着固定した場合に、検出素子２１の駆動電圧の雰囲気温度に対する変動を示すデータである。この時、検出素子２１の質量部２５の振動振幅を一定に維持するために第１、第２、第３、第４の駆動部３５,３６,３７,３８に印加される駆動電圧は−４０℃〜８５℃の範囲で大きく変動することはないものの、ほぼ０．７５〜１Ｖｒｍｓという、Ａの場合に比較して大きな値を示す。これはエポキシ系接着剤の硬化収縮時の応力が検出素子２１に加わるとともに、硬化後の接着剤硬度が大きいため検出素子２１の質量部２５の振動が外部に漏れるためと考えられる。また、図３において、Ｃは検出素子２１の固定部２３をケース６１にせん断弾性率の小さいシリコ−ン樹脂（常温でのせん断弾性率：約０．０１ＧＰａ）で接着固定した場合に、検出素子２１の駆動電圧の雰囲気温度に対する変動を示すデータであり、雰囲気温度が低下するにつれて検出素子２１の質量部２５の振動振幅を一定に維持するために第１、第２、第３、第４の駆動部３５,３６,３７,３８に印加される駆動電圧が急速に上昇していることが分かる。これは検出素子２１の質量部２５の振動がシリコ−ン樹脂に吸収、ダンピングされる程度が温度低下とともに増大するためと考えられる。
【００２１】
図３のデータから明らかなように、検出素子２１を図２に示したようにケース６１に実装した場合には、検出素子２１の振動がケース６１を介して外部に漏れることがないとともに、外部からの振動が検出素子２１に伝搬することがなく、また検出素子２１に接着剤の接着応力等が加わることもないため、角速度、加速度等の物理量を高精度に検出することができるものである。
【００２２】
図４（ａ）（ｂ）は本発明の実施の形態における検出素子２１をケース６１に実装するための方法を示す断面図である。最初に図４（ａ）に示すように、検出素子２１の固定部２３をケース６１にワックス６４にて接着固定する。
【００２３】
次に、前記検出素子２１の入出力電極４５,４６,４７,４８,４９,５０,５１,５２と、前記ケース６１の入出力端子６２とをワイヤ６３にて電気的及び機械的に接続する。なお、図４（ａ）では煩雑さを避けるために入出力電極４７,５０のみを入出力端子６２にワイヤ６３にて接続している。
【００２４】
次に、前記検出素子２１を加熱雰囲気中に置いてワックス６４を蒸散させ、ケース６１から剥離させるとともに、ワイヤ６３の剛性を用いて前記検出素子２１を空間に保持することにより図４（ｂ）に示す物理量センサを得ることができる。
【００２５】
なお、前記ワックス６４に代えて、検出素子２１の固定部２３をケース６１にシリコーン系またはシアノアクリレート系の接着剤にて接着固定することもできる。この時、シリコーン系接着剤を用いる場合には、接着力が小さいため前記検出素子２１をケース６１から容易に剥離することができる。また、シアノアクリレート系接着剤を用いる場合には、ホットプレートなどで１００℃程度の熱を加えて接着剤を熱劣化させれば前記検出素子２１をケース６１から容易に剥離することができる。これにより、前記入出力電極と入出力端子とをワイヤで電気的、機械的に接続するとともに前記検出素子は前記ワイヤのみと機械的接触を持つようにしているため、検出素子とケース間を機械的に絶縁することができ、これにより、角速度、加速度等の物理量を高精度に検出できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明に係る物理量センサの特性評価方法は、入出力電極を有し角速度または加速度を検出する検出素子と、入出力端子を有し前記検出素子の特性を測定するためのケースとを備え、前記入出力電極と入出力端子とをワイヤで電気的、機械的に接続するとともに前記検出素子は前記ワイヤのみと機械的接触を持つようにしているため、検出素子とケース間を機械的に絶縁することができ、これにより、角速度、加速度等の物理量を高精度に検出できるという効果を有するものであり、ために、特に、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲーション等、各種電子機器に用いてこれらの機器に働く加速度や角速度を検出する物理量センサとして有用なものである。
【符号の説明】
【００２７】
２１  検出素子
４７,５０  入出力電極
６１  ケース
６２  入出力端子
６３  ワイヤ
【図１】
2011242143.tif 000003
【図２】
2011242143.tif 000004
【図３】
2011242143.tif 000005
【図４】
2011242143.tif 000006
【図５】
2011242143.tif 000007
【図６】
2011242143.tif 000008