(57)【要約】【課題】本発明は、振動型センサ素子をパッケージ内に配置した振動型センサ装置に関し、振動型センサ装置の小型低背化に伴う検出精度の劣化を抑制することを目的とする。【解決手段】この目的を達成するために、パッケージ１の開口部１ａに振動型センサ素子２及びこれを制御する制御回路素子３を配置して上蓋４で封口する振動型センサ装置において、上蓋４を金属で成形し、この上蓋４に自己共振周波数を調節する自己共振周波数調整手段１２を設けた。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部を有するパッケージと、前記開口部の内部に配置された制御回路素子と、前記開口部の内部に配置されるとともに前記制御回路素子により制御される振動型センサ素子と、前記開口部を封口する上蓋を備え、前記上蓋は金属からなるとともに前記上蓋にその自己共振周波数を調節する自己共振周波数調整手段を設けたことを特徴とする振動型センサ装置。
【請求項２】
上蓋の自己共振周波数と振動型センサ素子の振動周波数の差を５ｋＨｚ以上としたことを特徴とする請求項１に記載の振動型センサ装置。
【請求項３】
上蓋に多段の段差構造を設け、この段差構造を自己共振周波数調整手段としたことを特徴とする請求項２に記載の振動型センサ装置。
【請求項４】
段差構造を上蓋の外周端に沿って設けたことを特徴とする請求項３に記載の振動型センサ装置。
【請求項５】
段差構造の曲げ部分の曲げ半径を０．０５ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下としたことを特徴とする請求項３に記載の振動型センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動型センサ素子をパッケージの内部に配置した振動型センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の振動型センサ装置は、セラミクスからなるパッケージの内部に、加速度や角速度といった物理量を検出する振動型センサ素子や、この振動型センサ素子を制御する制御回路素子を収容し、パッケージの開口部を上蓋で封口する構造が知られている。
【０００３】
なお、この出願の発明に関連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】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２６６３２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そして、昨今の部品小型低背化に伴い、振動型センサ素子とパッケージの内周面や周辺部品と密接するようになり、また、上蓋もセラミクス製の厚みが厚いものから、薄くても強度が確保できる金属製のものへと変化してきている。
【０００６】
しかしながら、金属製の上蓋を用いて振動型センサ装置を小型化していく場合、パッケージ内に収容された各部品が密接し、この結果、振動型センサ素子の振動が金属製の上蓋に伝達し易くなる。また、上蓋はパッケージの開口寸法や材料となる金属板の厚みにより、上蓋の自己共振周波数が決定される。
【０００７】
そして、この上蓋の自己共振周波数と振動型センサ素子の振動周波数が近接するような場合、これらが共鳴して振動型センサ素子の振動状態が変動するという問題が生じる。具体的には、振動型センサ素子が角速度や加速度といった物理量が印加されていない初期状態において、本来であれば２．５ボルトの電圧が出力されるものが、上蓋との共鳴により振動型センサ素子の振幅が変化し初期の出力電圧とは異なる２．６ボルトの電圧が出力されてしまうというように、振動型センサ装置の検出精度を劣化させてしまうことになる。
【０００８】
そこで、本発明はこのような問題を解決し、小型低背化に伴う振動型センサ装置の検出精度の劣化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そして、この目的を達成するために本発明は、パッケージの開口部に振動型センサ素子及びこれを制御する制御回路素子を配置し、開口部を上蓋で封口する振動型センサ装置において、上蓋を金属で成形し、この上蓋に自己共振周波数を調節する自己共振周波数調整手段を設けた構造としたのである。
【発明の効果】
【００１０】
この構造により本発明は、振動型センサ装置の小型低背化に伴う検出精度の劣化を抑制することが出来るのである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る慣性力センサの分解斜視図
【図２】同慣性力センサを構成する振動型センサ素子の上面図
【図３】同振動型センサ装置の断面図
【図４】同振動型センサ装置の比較例を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施の形態における振動型センサ装置について図を用いて説明する。
【００１３】
図１に示す振動型センサ装置は、コリオリ力を利用した角速度を検出するものであり、その基本的な構造は、セラミクスからなる一端開口のパッケージ１の内部に角速度を検出する振動型センサ素子２と、この振動型センサ素子２を制御する制御回路素子３を配置し、パッケージ１の開口部１ａを上蓋４で封口する構造となっている。なお、振動型センサ素子２は制御回路素子３の上面に支持台（特に図示せず）を介在させることで、振動型センサ素子２を振動可能に支持する構成としている。
【００１４】
また、振動型センサ素子２は、図２に示すように、振動型センサ素子２の外周部分に設けられた外部接続用の固定部５と、固定部５の対向する辺に支持された「日」の字形の梁部６と、この梁部６の中央部６ａから対称に延びる「の」の字形の４つの振動腕７と、各振動腕７の先端に設けられた錘部８を備え、各振動腕７には、駆動電極９、検出電極１０ａ，１０ｂ，１０ｃ、電極パッド１１や、それらを適宜接続する配線電極（特に図示せず）が設けられている。
【００１５】
なお、駆動電極９や検出電極１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、特に図示していないが、ＰＺＴからなる圧電体層をＡｕからなる上部電極とＰｔからなる下部電極で挟んだ積層電極構造であり、制御電圧を印加することで電極が伸縮し、コリオリ力により振動腕７が撓むことで電極が伸縮しこれにより検出信号を生成する。
【００１６】
なお、この振動型センサ素子２による角速度の検出については、振動腕７に設けられた駆動電極９に制御回路素子３から所定の周波数、ここでは４０ｋＨｚの制御信号を印加することで、各駆動電極９の伸縮作用により振動腕７の先端に設けられた錘部８を矢印で示すように斜め方向に振動させる。この状態においてＸ軸周りに角速度が印加された場合は、錘部８がＺ軸方向に振動し、このＺ軸方向の振動に伴い検出電極１０ａに生じる信号を制御回路素子３に出力し検出信号を形成する。また、Ｙ軸周りに角速度が印加された場合は、錘部８がＺ軸方向に振動し、このＺ軸方向の振動に伴い検出電極１０ｂに生じる信号を制御回路素子３に出力し検出信号を形成する。また、Ｚ軸周りに角速度が印加された場合は、錘部８がＹ軸方向に振動し、このＹ軸方向の振動に伴い検出電極１０ｃに生じる信号を制御回路素子３に３軸に対する検出信号に分離し出力する。つまり、この角速度センサは一つの振動型センサ素子２で３軸の角速度を検出することが出来るのである。
【００１７】
そして、振動型センサ装置の構造設計を行う場合、上述したように、要望仕様を満足するようにパッケージ１の外形を決定し、開口部１ａは、その内部に収容する制御回路素子３や振動型センサ素子２の組み付け寸法に基づいて設計する。ここでは、パッケージ１の外形を縦横が４ｍｍ、高さが０．０５３５ｍｍで、開口部１ａは縦横が３．３ｍｍとしている。また、この開口部１ａの形状寸法に合わせて上蓋４も設計される。なお、上蓋４は、通常、一般に販売されている規格厚みの金属板を購入し、抜き加工で外形形状を整えて絞り加工にて段差成形するので、金属板の材質、規格厚みおよび上蓋４の形状によりその自己共振周波数が決定されるため、上蓋４の自己共振周波数が振動型センサ素子２の振動数に近接していた場合には、上述したように上蓋４と振動型センサ素子２とが共鳴し、振動型センサ装置の検出精度を劣化させる要因となっていた。
【００１８】
そこで、この一実施の形態においては、パッケージ１の開口部１ａを覆う上蓋４に、上蓋４の自己共振周波数を調節する自己共振周波数調整手段１２を設け、厚みや材料が限られた設計自由度の範囲内において上蓋４の持つ自己共振周波数を調節し、設計段階において上蓋４の自己共振周波数が振動型センサ素子２の振動数に近接しないように設計している。
【００１９】
具体的には、この振動型センサ装置は、図３に示すように、パッケージ１の開口部１ａの底面に制御回路素子３を実装し、その上面に振動型センサ素子２を実装した構造であり、各部品の電気的接続は、振動型センサ素子２の外周部分に設けられた電極パッド１１とパッケージ１の上端面に設けられた電極パッド１３をボンディングワイヤ１４で接続したり、パッケージ１の内部に設けられたビアホール（特に図示せず）で接続している。なお、ボンディングワイヤ１４が接続される電極パッド１３をパッケージ１の上端面に設けたことで、部品の小型低背化に応じてパッケージ１の壁面の厚みを確保した構造としている。
【００２０】
そして、この電極パッド１３をパッケージ１の上端面に設けたことにより、上蓋４の外周部分はボンディングワイヤ１４との接触を避けるために段差構造１５を設けており、この段差構造１５の段差を２段構造としたことで、上蓋４の自己共振周波数を調整する自己共振周波数調整手段１２としての機能をもたせている。
【００２１】
すなわち、上蓋４におけるボンディングワイヤ１４との接触回避であれば、図４に示すように段差構造１５を１段構造として十分な逃がしを確保すればよいが、これを２段もしくはそれ以上の多段構造とすることで、上蓋４の上段面４ａの外周端が内側にオフセットされるので、上段面４ａの一辺の長さが１段構造のものに比べて短くなる。また、段差構造１５における上段面４ａの外側に位置する立ち上げ側面４ｂは、上段面４ａの振動を阻害する向きとなることから、この立ち上げ側面４ｂより外側部分が上段面４ａの振動に寄与しない部分となる。従って、上蓋４に多段の段差構造１５として上段面４ａの大きさを調整することで、上蓋４とボンディングワイヤ１４の当接を回避するとともに、上蓋４の自己共振周波数を高い側に調整することができる。
【００２２】
例えば、パッケージ１を板厚０．０４５ｍｍのステンレス板を用いて、縦横が３．７９ｍｍ、高さが０．３４ｍｍの上蓋４を、図３に示す２段構造の上蓋４と、図４に示す１段構造の上蓋１６を比較した場合、１段構造の上蓋１６における上段面１６ａの縦横が３．２４ｍｍとなり自己共振周波数は４０．５ｋＨｚとなるが、２段構造の上蓋４における上段面４ａの縦横が２．６３ｍｍとなり自己共振周波数は５５．８５ｋＨｚというように自己共振周波数が変化する。
【００２３】
そして、この振動型センサ装置を構成する振動型センサ素子２の振動周波数が４０ｋＨｚであることを考慮した場合、図４に示す１段構造の上蓋１６の自己共振周波数は４０．５ｋＨｚとなり振動型センサ素子２の振動周波数に近接して、その振動状態に影響を及ぼす結果となるのに対して、図３に示す２段構造の上蓋４の自己共振周波数は５５．８５ｋＨｚとなり振動型センサ素子２の振動周波数と十分に離れて振動型センサの振動状態に影響を与えない結果が得られた。
【００２４】
なお、上蓋４の自己共振周波数調整手段１２としては、上蓋４の材料変更や厚み変更によっても実現できるが、材料変更であれば加工性や信頼性の確認など確認事項が多く、一旦設計した後に材料変更を検討すると大幅な設計遅延につながり、厚み変更であれば上蓋４を構成する金属板の規格厚み以外の物を用いると材料価格が高くなってしまうため選択肢が少なく好ましくない。しかし、自己共振周波数調整手段１２としてパッケージ１に多段の段差構造１５を設けることは、規格外厚みの材料や特殊な工法を用いずとも上蓋４の固有振動周波数を調整することができるので、物作りの観点からも有効な手段である。
【００２５】
また、上蓋４の自己共振周波数と振動型センサ素子２の振動周波数との関係を見ると、これらの周波数の差が５ｋＨｚ以上あれば互いの振動の干渉が問題とならないことが確認できた。
【００２６】
なお、多段の段差構造１５を設けるにあたっては、段差構造１５を上蓋４の外周端に沿って形成することで、ボンディングワイヤ１４との接触を避けるために必要な高さを複数段に分割できるので、段差構造１５を形成するにあたり不要な高さ方向の増加を抑制でき、振動型センサ装置の小型低背化に寄与できる。
【００２７】
また、このような上蓋４はパッケージ１の開口側の面には、ボンディングワイヤ１４などの電気経路との短絡を防止するため絶縁膜（特に図示せず）が設けられている。そして、段差構造１５を形成する段差の曲げ部分の曲げ半径が小さすぎると、段差構造１５を形成する際の絞り加工において絶縁膜が破断し、上蓋４の金属材料が露出してしまう恐れがあり、また、曲げ半径が大きすぎると一つ一つの段差が大きくなってしまい部品の大型化につながってしまうので、曲げ半径は０．０５ｍｍ以上かつ０．１５ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００２８】
なお、この一実施の形態においては、自己共振周波数調整手段１２として上蓋４に２段の段差構造１５を設けたものを例に挙げて説明したが、多段の段差構造１５は２段以上の段差であれば同様の効果を奏する。
【００２９】
また、振動型センサ装置の検出対象についても、コリオリ力を利用した角速度を対象としたが、加速度など振動型センサ素子２の振動をもとに検出可能なものであれば、検出軸の数によらず同様の効果を得ることが出来る。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、振動型センサ素子を用いた振動型センサ装置の検出精度を高めるという効果を有し、特にデジタルカメラや、カーナビゲーションシステムなどの小型で高精度な特性を要求する電子機器に用いる振動型センサ装置において有用となる。
【符号の説明】
【００３１】
１  パッケージ
１ａ  開口部
２  振動型センサ素子
３  制御回路素子
１２  自己共振周波数調整手段
１５  段差構造
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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