(57)【要約】【課題】本発明はボンディングワイヤを備えている振動子において、電気的接続構造の共振に起因する振動子のゼロ点ドリフトを低減する。【解決手段】パッケージ１２０内のマウント部に振動子片の支持部１１４が固定されているとともに、振動子片の支持部１１４に形成された第１の電極１１２とパッケージ内に形成された第２の電極１２２とをボンディングワイヤ１３０で接続してなる振動子１１０において、振動子片の支持部１１４に錘１３１を付加する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パッケージ内のマウント部に振動子片の支持部が固定されているとともに、前記振動子片の支持部に形成された第１の電極と前記パッケージ内に形成された第２の電極とをボンディングワイヤで接続してなる振動子において、前記振動片の支持部に錘を付加することを特徴とする振動子。
【請求項２】
前記錘が前記第１の電極における前記ボンディングワイヤの接続部の近傍に付加されていることを特徴とする請求項１に記載の振動子。
【請求項３】
前記錘が前記支持部の両側端部に付加されていることを特徴とする請求項１に記載の振動子。
【請求項４】
前記錘が金等の金属材料からなることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の振動子。
【請求項５】
前記錘が前記支持部の表面の少なくとも一部に塗布された樹脂材料であることを特徴とする請求項１に記載の振動子。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の振動子を用いたことを特徴とする振動型ジャイロスコープ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動子のおよびこの振動子を用いた振動型ジャイロスコープに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、振動型ジャイロスコープを自動車に搭載し、自動車の車体の方向の制御に使用することが検討されている。例えば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ときには、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。
【０００３】
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。
【０００４】
また、車載用途においては、振動型ジャイロスコープの使用温度範囲がきわめて広く、例えば、−４０℃から＋８５℃の温度範囲において安定に動作することが要求される。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と推測される。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。
【０００５】
そこで、ボンディングワイヤを用いる振動子からの電気的出力信号のゼロ点温度ドリフトを低減するために振動子の表面からボンディングワイヤの湾曲部まで高さを規定することによって、振動型ジャイロスコープの使用温度範囲において、ボンディングワイヤとの共振に起因すると推測されるゼロ点温度ドリフトのピークを低減した振動子の電気的接続構造が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３１５０４７（第３−５頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来技術における振動子の電気的接続構造の場合、ゼロ点温度ドリフトは、有る程度低減されるが、ボンディングワイヤの製造品質のばらつきにより、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するおそれがあり、ゼロ点温度ドリフトの発生を確実に防止することは困難である。
また、従来技術における振動子の電気的接続構造の場合は、振動子の表面からボンディングワイヤの湾曲部まで高さに制限があるため、小型化が困難である。
【０００８】
本発明の目的は、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する場合においても振動子からの電気的出力信号のゼロ点温度ドリフトを低減することができるとともに小型化が可能な振動子およびこの振動子を用いた振動型ジャイロスコープを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前述した目的を達成するために、本発明は、パッケージ内のマウント部に振動子片の支持部が固定されているとともに、振動子片の支持部に形成された第１の電極とパッケージ内に形成された第２の電極とをボンディングワイヤで接続してなる振動子において、振動子片の支持部に錘を付加することを特徴とする。
【００１０】
さらに錘が第１の電極におけるボンディングワイヤの接続部近傍に付加されていることが望ましい。
【００１１】
さらに錘が前記支持部の両側端部に付加されていることが望ましい。
【００１２】
さらに、錘が金等の金属材料からなることが望ましい。
【００１３】
さらに、錘が支持部の表面の少なくとも一部に塗布された樹脂材料であることを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明の振動型ジャイロスコープは、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の振動子を用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
以上のように本発明によれば、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する場合においても振動子からの電気的出力信号のゼロ点温度ドリフトを低減することができるとともに小型化が可能な振動子およびこの振動子を用いた振動型ジャイロスコープを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本実施形態における振動子およびこの振動子を用いた振動型ジャイロスコープは、パッケージ内のマウント部に振動子片の支持部を固定し、振動子片の支持部に形成された第１の電極と、パッケージ内に形成された第２の電極とをボンディングワイヤで接続した構造で、振動片の支持部に錘を付加することによって、振動子からの電気的出力信号のゼロ点温度ドリフトを低減したものである。
【００１７】
図１、図２は実施例１における振動子を示し、図５は実施例２における振動子、図６は実施例３における振動子を示す。なお、各実施例において同様な構成要素については、同一番号を付与し説明は省略する。以下、本実施形態における振動子の具体的実施例について図１から図６に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１は振動型ジャイロスコープを示し、図１（ａ）は振動型ジャイロスコープの要部を模式的に示す平面図であり、図１（ｂ）は水晶の方位を示す図である。図２は図１のＡ−Ａ’で切断したときの断面図、図３は従来の回転角速度の温度変化の測定結果を示す特性図、図４は本発明の回転角速度の温度変化の測定結果を示す特性図である。図１、図２に示すように、本実施例の振動型ジャイロスコープ１００は、振動子１１０をパッケージ１２０の内部空間Ｓに収容し、内部空間Ｓを真空雰囲気にするため透明なガラス材料、セラミック材料、もしくは金属材料で形成された蓋体１２４をロウ材１２５により封止した構造をしている。振動子１１０はＹ軸方向に脚が伸びた音叉型に切り出された振動子片の表面に図１（ａ）では図示されていない金属電極を形成している。パッケージ１２０は略長方形形状をしたセラミック材料で形成されている。パッケージ１２０には台座１２１が備え付けられており、振動子１１０の支持部１１４はパッケージの台座１２１に絶縁性接着
層１４０によって接合されている。
【００１９】
ボンディングワイヤ１３０は振動子１１０の支持部１１４の表面に形成された第１の電極である励振電極１１２から第２の電極であるパッケージ側電極１２２へと延びており、励振電極１１２とパッケージ側電極１２２とを電気的に接続している。このパッケージ側電極１２２は外部端子１２３へと接続されている。そして外部端子１２３は図示しない配線を介して半導体部品へと電気的に接続されている。励振電極１１２は、支持部１１４における振動子１１０の短手方向の両端付近にそれぞれ２個づつ配置されている。
【００２０】
前述の励振電極１１２におけるボンディングワイヤ１３０の接続部の近傍に金の錘１３１を付加した。付加した金の錘１３１の重量は約５μｇで全ての励振電極１１２に付加した。この金の錘１３１の重量は特に限定されるものではなく、必要に応じて錘を付加すればよい。また、錘の材料については、金の他の金属材料を使用することも出来るが耐食性に優れている点、比重が大きく錘の体積を小さく出来る点を考慮すると金が好ましい。また、振動子の振動の周波数に近い帯域に共振周波数を有するボンディングワイヤが特定できる場合は、そのボンディングワイヤの近傍に金の錘を部分的に付加しても良い。
【００２１】
また振動子１１０の脚部側に配置されている２個の励振電極１１２、１１２の中間に浮き電極１１３が配置されている。この浮き電極１１３は、支持部１１４内の電極面積を増やすために配置している。前述の励振電極１１２の面積が狭く金の錘を付加できない場合に浮き電極１１３を支持部１１４内に設けて浮き電極１１３に錘を付加しても良い。
【００２２】
この振動型ジャイロスコープに対して、−４０℃から８５℃において回転角速度の値を測定した。振動子の駆動モードにおいては、振動子１１０の脚が付け根を中心として矢印ＤのようにＸ方向に屈曲振動する。検出モードにおいてはＹ軸回りに回転運動ωが印可されると振動子１１０の脚が付け根を中心として矢印Ｓ１のようにＺ方向に屈曲振動する。また他の検出モードとしては矢印Ｓ２のように支持部を中心とした捻り振動がある。これらの検出振動を測定する事によって回転角速度を測定する。本実施例では出力を大きく取りＳＮを向上させるため、屈曲振動と捻り振動の両方の振動を測定している。
【００２３】
次に図１、図２に示す構造の振動型ジャイロスコープの製造方法について説明する。厚さ０．１ｍｍの水晶のＺ板のウェ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１５００オングストロームの金膜を形成した。さらにウェハーの両面にレジストをコーティングした。
【００２４】
このウェハーを、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ェハーを浸漬し、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時間ウェハーを浸漬し、ウェハーをエッチングし、振動子１１０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１に示した振動子１１０の寸法は縦５．２ｍｍ、横１．６ｍｍ、厚さ０．１ｍｍであり、重量は１．５ｍｇであった。
【００２５】
振動子１１０は図２に示すようにパッケージ内に実装した。但し、パッケージ１２０はセラミック基板によって形成し、振動子の支持部１１４をパッケージのマウント部に絶縁性接着剤１４０としてエポキシ樹脂接着剤を使用し、エポキシ樹脂の加熱温度は１５０℃とし、加熱時間は１時間とした。
【００２６】
ボンディングワイヤは金ワイヤを使用した。ワイヤ径はφ２５μｍを使用した。ボンディングワイヤをパッケージ表面のパッケージ側電極１２２と振動子１１０に対して共に超
音波ボンディングによって接合した。パッケージ内の空間Ｓを真空状態に保つためにロウ材１２５によってコバール蓋１２４を固定した。本実施例では金線でボールを作り、励振電極１１２に超音波ボンディングよって結合し先端部を切断して形成したスタッドバンプ法により金の錘を付加したが、金ボールを圧着させる、もしくはマスクを設けて励振電極１１２に金メッキにより金の錘を付加しても良い。
【００２７】
図３は従来の回転角速度の温度変化の測定結果、図４は本発明の回転角速度の温度変化の測定結果を示す。図３および図４に示すグラフの横軸は温度を示しており、縦軸は回転角速度の値を示している。横軸はピークが観測された温度を中心に拡大した。図３に示すように従来ではボンディングワイヤの共振に起因するとされるゼロ点温度ドリフトが６０℃付近で観測された。図４に示すように支持部１１４に形成された励振電極１１２に金の錘１３１を付加した時には、このピークが観測されなかった。金の錘の重さは５μｇで全ての励振電極に付加することが好ましいが、振動子の振動の周波数に近い帯域に共振周波数を有するボンディングワイヤが特定できる場合は、そのボンディングワイヤの近傍に金の錘を部分的に付加しても良い。
【００２８】
このように振動子１１０の支持部１１４の励振電極１１２におけるボンディングワイヤ１３０の接続部の近傍に金の錘１３１を付加することによって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する場合においても振動子からの電気的出力信号のゼロ点温度ドリフトを低減することができる。
【実施例２】
【００２９】
実施例２における振動型ジャイロスコープは、金の錘１３１の付加する位置を振動子１１０の支持部１１４の両端とした点が実施例１と異なっており、その他は実施例１と同様である。図５に示すように本実施例における振動型ジャイロスコープは、金の錘１３１の付加する位置を振動子１１０の短手方向における支持部１１４の両端に付加した例である。金の錘１３１の付加方法は実施例と同じくスタッドバンプ法で励振電極１１２上に付加したものである。これにより、支持部１１４の慣性モーメントが大きくなり、捻り振動によるエネルギーの漏れを少なくし、ワイヤの共振を低減することができた。本実施例で得られた振動型ジャイロスコープについて実施例１と同様に−４０℃から８５℃において回転角速度の値を測定したところ、ゼロ点温度ドリフトが観測されなかった。
【００３０】
このように本実施例における振動型ジャイロスコープは、振動子の支持部の両端に錘を付加することによってゼロ点温度ドリフトを低減することができる。
【実施例３】
【００３１】
実施例３における振動型ジャイロスコープは、錘として樹脂材料を振動子の支持部の表面に塗布した点が実施例１と異なっており、その他は実施例１と同様である。図６に示すように本実施例における振動型ジャイロスコープは、振動子１１０における支持部１１４の表面の全面に樹脂材料を塗布し錘１４１を形成したものである。樹脂材料は取扱いが容易で硬化後のアウトガス性が優れているエポキシ樹脂を塗布した。エポキシ樹脂の加熱温度は１５０℃とし、加熱時間は１時間とした。
【００３２】
錘１４１として塗布したエポキシ樹脂の厚さは特に限定されるものではなく、錘としての効果を考慮して適宜設定することが出来るが、実施例１と同様の重さを支持部に付加することを考え、本実施例においては厚さを約１０μｍとした。また、錘１４１としてのエポキシ樹脂は支持部１１４の表面の全面または一部に塗布することができ、錘としての効果を考慮して塗布する領域は適宜設定することが出来る。なお、本実施例においては支持部１１４表面の全面に錘１４１を形成した。本実施例で得られた振動型ジャイロスコープについて実施例１と同様に−４０℃から８５℃において回転角速度の値を測定したところ
、ゼロ点温度ドリフトが観測されなかった。
【００３３】
このように本実施例における振動型ジャイロスコープは、振動子１１０の支持部１１４に樹脂材料を振動子１１０の支持部１１４に塗布して錘１４１を形成することによってゼロ点温度ドリフトを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施例１における振動型ジャイロスコープを模式的に示す平面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ’断面を模式的に示す断面図である。
【図３】従来技術における振動子の回転角速度を示すグラフである。
【図４】本発明の実施例１における振動子の回転角速度を示すグラフである。
【図５】本発明の実施例２における振動型ジャイロスコープを模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の実施例３における振動型ジャイロスコープを模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１００  振動型ジャイロスコープ
１１０  振動子
１１２  励振電極
１１３  浮き電極
１１４  支持部
１２０  パッケージ
１２１  パッケージの台座
１２２  パッケージ側電極
１２３  外部端子
１２４  蓋体
１２５  ロウ材
１３０  ボンディングワイヤ
１３１、１４１  錘
１４０  絶縁性接着層
Ｓ      内部空間
【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】
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