(57)【要約】      （修正有）【課題】外部からの外乱振動の影響を抑制し、かつ外乱振動によって生じる不要な回転力に起因するオフセットドリフトを低減する角速度センサを提供する。【解決手段】角速度検出素子１１を収納するパッケージ１０と、パッケージ１０に接続されたリード端子１７と、を有し、リード端子１７は、パッケージ１０に接続された第１の端部と、外部と接続するための第２の端部１３を有し、第１の端部と第２の端部１３の間に、所定の延在方向に伸びる延在面を有する板状の延長部１６を有し、リード端子１７の延在面は、第１の軸を含み、且つ、基部に対して直交する面に対して、直交している。【選択図】図１
2013113776.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
角速度検出素子を収納するパッケージと、前記パッケージに接続されたリード端子と、を有する角速度センサであって、
前記角速度検出素子は、基部と駆動腕と検出腕を有し、
前記駆動腕または前記検出腕は、前記基部から、第１の軸に沿って延在しており、
前記リード端子は、前記パッケージに接続された第１の端部と、外部と接続するための第２の端部を有し、前記第１の端部と第２の端部の間に、所定の延在方向に伸びる延在面を有する板状の延長部を有し、
前記リード端子の延在面は、前記第１の軸を含み、且つ、前記基部に対して直交する面に対して、直交していることを特徴とする角速度センサ
【請求項２】
前記角速度検出素子の前記基部に対して前記駆動腕と前記検出腕が反対側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載された角速度センサ。
【請求項３】
前記駆動腕と前記検出腕はそれぞれ２本であることを特徴とする請求項１から２のいずれかに記載の角速度センサ。
【請求項４】
前記第１の端部は、前記延長部の延在方向に対して折り曲げられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の角速度センサ。
【請求項５】
前記第１の端部および前記第２の端部は、前記延長部の延在方向に対して折り曲げられており、前記第２の端部は、前記パッケージに対して外側に向かって折り曲げられていることを特徴とする請求項４に記載の角速度センサ。
【請求項６】
前記第１の端部は、前記延長部の延在方向に対してほぼ９０°折り曲げられており、前記第２の端部は、前記パッケージに対して内側に向かって湾曲されていることを特徴とすることを特徴とする請求項４に記載の角速度センサ
【請求項７】
前記角速度検出素子を収納する前記パッケージと、前記パッケージに接続されたリード端子、そして、リード端子を固定する基板によって構成される振動系の共振モードのうち、前記リード端子の第１の端部と第２の端部が折り曲げられていることによる共振モードの共振周波数は素子の駆動周波数に比べて４０％以上離れていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の角速度センサ
【請求項８】
前記第２の端部は、基板に接続されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の角速度センサ
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動型角速度検出素子をパッケージに収納することによって形成される角速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
この角速度センサは、たとえば自動車に搭載されて自動車に印加される角速度を検出するものとして適用されている。この角速度センサの構成として、パッケージ内にて接着剤を介して回路基板、角速度検出素子が搭載され、各部の電気的接続がボンディングワイヤにて行われるとともに、角速度検出素子と電気的に接続されたリード端子を有してなる。パッケージは、角速度検出素子および回路基板を収納するものであって、角速度センサの本体を形成する基部となる。
【０００３】
また、自動車の他、航空機や船などの自動航行システムにおいても、車体制御を行う上での機体の角速度を測定をするために用いられる。またゲームや携帯電話においても、機器の動きを信号に変換することによって行われる入力方式において、機器の動きを感知するためのセンサとして用いられる。
【０００４】
この種の角速度センサは、発振回路により振動体である駆動部位を振動させ、センサに外部から回転力が加わると、センサ内の振動する部位とは垂直方向にコリオリの力と呼ばれる力が発生する。コリオリの力を振動体である検出部位の変位として検出し、回路基板によって検出した出力信号を増幅して出力波形を補正処理され、角速度として出力される。またこの角速度センサは外部との電気的な接続を行うリード端子を備える。
【０００５】
従来では、特許文献１のように、このような角速度センサについて、リード端子を介して基板に実装するような取付構造が提案されている。このリード端子は、パッケージの外周を取り囲むように取付部材が配置されており、パッケージの外周端部とその周囲や下部に位置する取付基板との間をリード端子によって電気的・機械的に接続したものである。
【０００６】
特許文献１では、角速度センサと外部とを電気接続するためのリード端子があり、その中間部に延長部がある。リード端子のバネ性によって、この延長部が伸びる方向と直交する方向に振動可能なものであり、この振動方向は、パッケージ内にある振動体の検出振動の方向に沿った方向、すなわち、延長部は実質的に振動体の検出振動と同一方向に振動する。
【０００７】
特許文献１では、角速度センサにとって耐ノイズ性／耐振動性は、誤作動無く角速度を検出するために非常に重要な要因となっている。例えば、従来の角速度センサの構造では、角速度センサと外部とを電気接続するためのリード端子があり、その中間部に延長部がある。リード端子のバネ性によって、この延長部が伸びる方向と直交する方向に振動可能なものであり、この振動方向は、パッケージ内にある角速度検出素子の検出振動の方向に沿った方向、すなわち、延長部は実質的に角速度検出素子の検出振動と同一方向に振動する。リード端子は、延長部が伸びる方向と直交する方向におけるリード端子の弾性によって振動可能なものであり、この延長部の振動方向は角速度検出素子の検出振動の方向に沿った方向となっており、リード端子の延長部の振動により、外乱振動を減衰させることにより、角速度検出素子の防振がなされている。
【０００８】
一般的に、外乱振動すなわち、外部からの好ましくない振動の周波数と、素子とパッケージからなる系の共振周波数が一致した場合、素子は外乱振動の影響を受けてしまい、駆動振動の振幅変動によって感度が変化したり、駆動共振以外の振動モードが発生したりしてしまう。その結果として、回転軸を軸とした回転が発生していないにもかかわらず回転しているかのような誤差を持った出力に起因して、その誤差出力がずれるといった、大きなオフセットドリフトが発生してしまう。
【０００９】
特許文献２では、角速度センサにおいて、内装パッケージと外装パッケージを連結する連結部材を有している。この連結部材は、最も外乱が伝播しやすい部位を弾性的に支持し、外乱振動を吸収する役割を果たしている。
【００１０】
特許文献３では、音叉型角速度センサにおいて、検出振動方向と駆動振動方向を有しており、台座にこの音叉型角速度センサが支持具で固定されている。これにより、角速度センサの加工性や組み付け性が向上している。この支持具は防振ではなく固定を目的としている。
【００１１】
図９と図１０は、特許文献１に示す従来構造を、従来例として示す、角速度センサの断面図と斜視図である。従来の角速度センサにとって耐ノイズ性や耐振動性は、誤作動無く角速度を検出するために非常に重要な要因となっている。例えば、図９、図１０に示す、従来の角速度センサ１００の構造では、角速度センサ１００と外部とを電気接続するためのリード端子１７０があり、その中間部に延長部１６０がある。
【００１２】
リード端子１７０のバネ性によって、この延長部１６０が伸びる方向と直交する方向に振動可能なものであり、この振動方向は、パッケージ１内にある角速度検出素子１１０の検出振動の方向に沿った方向、すなわち、延長部１６０は実質的に角速度検出素子１１０の検出振動と同一方向、つまり、図９、１０ではＹ軸方向に振動する。リード端子１７０は、延長部１６０が伸びる方向と直交する方向におけるリード端子１７０の弾性によって振動可能なものであり、この延長部１６０の振動方向であるＹ軸方向は角速度検出素子１１０の検出振動の方向であるＹ軸方向に沿った方向となっており、図１０に示すようにリード端子１７０の延長部１６０の振動により、高周波共振周波数の外乱振動を減衰させることにより、角速度検出素子１１０の防振がなされている。
【００１３】
一般的に、外乱振動すなわち、外部からの好ましくない振動の周波数と、素子とパッケージからなる系の共振周波数が一致した場合、素子は外乱振動の影響を受けてしまい、駆動振動の振幅変動によって感度が変化したり、駆動共振以外の振動モードが発生したりしてしまう。その結果として、回転軸を軸とした回転が発生していないにもかかわらず回転しているかのような誤差を持った出力に起因して、その誤差出力がずれるといった、大きなオフセットドリフトが発生してしまう。
【００１４】
先ほどの従来例で、例えば、図９、１０のように、角速度検出素子１１０の振動方向と検出軸が同じ方向、すなわち図９、１０の例ではＹ軸の方向の場合、はんだ量のばらつきや素子実装ばらつきなどによる外乱振動によって、回転軸すなわち図９、１０の例ではＺ軸が伸びる方向の軸に不要な回転力が発生する。特にパッケージ１を構成する部材、たとえばリード端子１７０やパッケージ筐体１によって発生する共振周波数においては振動振幅も大きいため、発生する回転力も大きい。その結果、回転軸方向に関するモーメントが発生し、ヨー回転すなわち、Ｚ軸を軸とした、つまりＺ軸方向の回転が発生していないにもかかわらず回転しているかのような誤差を持った出力に起因して、その誤差出力がずれるといったオフセットドリフトが発生してしまう。
【００１５】
従来例、例えば図９、１０の場合では、角速度検出素子１１０のリード端子１７０の所定の延在方向に伸びる板状の延長部１６０の振動方向と検出軸であるＹ軸が同じ方向の場合、外乱振動によってリード端子１７０の延長部１６０が振動し、回転軸に対し、本来生じている回転と別の回転成分が発生する。その結果、不要なコリオリ力が発生し、その正常な出力値に対して出力ずれが発生するというオフセットドリフトが発生してしまい、回転が発生していないにもかかわらず回転しているかのような出力を発生するという問題がある。
【００１６】
図９、図１０の従来例の構造では、リード端子１７０の板状の延長部１６０の延在方向に伸びる方向と直交する方向に振動する、リード端子１７０の延長部１６０の振動方向と、検出軸であるＹ軸が同じ方向である場合、はんだ量のばらつきや素子実装ばらつきなどによって、検出軸方向すなわち、Ｙ軸方向の外乱振動による不要な振動とリード端子の共振によって、パッケージ全体がＹ軸方向に併進運動するので検出軸方向であるＹ軸と、リード端子１７０の延長部１６０の振動方向は一致しないほうが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００７−０６４７５３号公報
【特許文献２】ＷＯ２００６／１３２２７７号公報
【特許文献３】特開平８−１１４４５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
角速度検出素子のリード端子の所定の延在方向に伸びる板状の延長部の振動方向と検出軸が同じ方向の場合、外乱振動によって前記リード端子が振動し、回転軸に対し、本来生じている回転と別の回転成分が発生する。その結果、不要なコリオリ力が発生し、その正常な出力値に対して出力ずれが発生するというオフセットドリフトが発生してしまい、回転が発生していないにもかかわらず回転しているかのような出力を発生するという問題がある。
【００１９】
本発明は、以上の点を考慮してなされたもので、外部からの外乱振動によって生じる不要な回転力に起因するオフセットドリフトを低減する角速度センサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は、角速度検出素子を収納するパッケージと、前記パッケージに接続されたリード端子と、を有する角速度センサであって、前記角速度検出素子は、基部と駆動腕と検出腕を有し、前記駆動腕または前記検出腕は、前記基部から、第１の軸に沿って延在しており、前記リード端子は、前記パッケージに接続された第１の端部と、外部と接続するための第２の端部を有し、前記第１の端部と第２の端部の間に、所定の延在方向に伸びる延在面を有する板状の延長部を有し、前記リード端子の延在面は、前記第１の軸を含み、且つ、前記基部に対して直交する面に対して、直交していることを特徴とする角速度センサである。
【００２１】
すなわち、検出振動方向の外乱振動の影響を受けないように、外乱振動の影響を受けない回転軸方向、と交差するパッケージの側面に相当する面の近傍に、板状の延在面を有する延長部を有するリード端子を配置した。板状の延在面が外乱振動の影響を受けないような方向に配置されたため、外乱振動の影響を抑制し、それによって生じる不要な回転力に起因するオフセットドリフトを低減することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によって、外部からの外乱振動によって生じる不要な回転力に起因するオフセットドリフトを低減する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施形態１における角速度センサの斜視図である。
【図２】実施形態１における角度検出素子の斜視図である。
【図３】実施形態１における角速度センサの断面図である。
【図４】実施形態１における実装状態の図である。
【図５ａ】リード端子が無い角速度センサのオフセットドリフト特性グラフである。
【図５ｂ】従来構造における角速度センサのオフセットドリフト特性グラフである。
【図５ｃ】実施形態１における角速度センサオフセットドリフト特性グラフである。
【図６】実施形態２における角速度センサの断面図である。
【図７】実施形態３における角速度センサの断面図である。
【図８】実施形態４における角速度センサの断面図である。
【図９】従来構造の角速度センサの断面図である。
【図１０】従来構造の角速度センサの斜視図である。
【図１１】実施形態１における振動伝達率の共振周波数依存性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。
【００２５】
（実施形態１）
図２は実施形態１の角速度センサ１０１の角速度検出素子１１の斜視図である。まず、角速度の検出原理について説明する。駆動腕２１がＸ軸方向に駆動振動しているときにＺ軸回りの角速度Ωが印加されると、Ｘ軸と直交する検出方向であるＹ軸の方向へ角速度の大きさに比例したコリオリ力により検出腕２２が検出振動するようになっている。そして、検出腕２２上には検出用電極が設けられ、検出腕２２の検出振動によって発生した圧電薄膜２５の歪を検出することにより、角速度Ωの検出が可能となっている。
【００２６】
図１は実施形態１における角速度センサ１０１の斜視図を示している。実施形態１においては、外部からの信号に基づく共振現象によって角速度の検出を行う角速度検出素子１１と、角速度検出素子１１を収納するパッケージ１０と、角速度検出素子１１に電気的に接続されたリード端子１７とを備える角速度センサ１０１において、角速度センサ１０１のリード端子１７の端部は、前記パッケージ１０に接続されつつ、リード端子１７の延長部１６の持つ弾性によって振動可能なものである。
【００２７】
このリード端子１７は、パッケージ１０に接続された第１の端部１２と、外部と接続するための第２の端部１３を有し、前記第１の端部１２と第２の端部１３の間に、所定の延在方向に延びる延在面を有する板状の延長部１６を有し、リード端子１７の延在面は、第１の軸を含み、且つ、基部２３に対して直交する面に対して、直交している。
【００２８】
図１を用いて実施形態１における角速度センサ１０１全体の構成を説明する。角速度センサ１０１は、パッケージ１０と角速度検出素子１１や回路基板１９やリード端子１７から構成されている。パッケージ１０は開口部を有し、この開口部内の底面上に角速度検出素子１１や回路基板１９が収納されている。パッケージの底面は各積層膜の積層方向にほぼ平行な面であり、角速度検出素子１１や回路基板１９とほぼ平行に配置される。また、パッケージの底面は、基板１４ともほぼ平行に配置される。
【００２９】
一方、パッケージ１０の外側にはリード端子１７が取り付けられている。パッケージ内配線およびボンディングワイヤ１５を介して、角速度検出素子１１や回路基板１９とリード端子１７とが電気的に接続されている。
【００３０】
次に以下構成部材について説明する。パッケージ１０は、たとえばアルミナなどのセラミック層が複数積層されており、パッケージ１０の内部または表面に配線が形成されたものである。焼成温度は１５００〜１６００℃であり、焼成後に個片化や端子付けを行う。そして、このパッケージ１０上の配線は、角速度検出素子１１とリード端子１７が接続されたものであり、パッケージ１０上の配線の一部は、パッケージ１０の開口部およびパッケージ表面に露出しており、開口部に露出する上記配線は、ボンディングワイヤ１５と接続され、他面に露出する配線は、リード端子１７の端部とはんだなどを介して電気的・機械的に接続されている。リード端子１７とパッケージ１０のパッケージ表面に露出する配線との接続は、銀（Ａｇ）と銅（Ｃｕ）との合金などからなる銀ろう材や、融点が３００℃以上の高温はんだによりろう付けするものにできる。
【００３１】
図２を用いて実施形態１における角度検出素子１１について説明する。図２は角度検出素子１１の斜視図である。角速度検出素子１１は、たとえば厚み２００〜５００μｍ程度のシリコン（Ｓｉ）基板などの半導体基板に対して周知の微細加工を施すことにより形成されたものである。つまり、角速度検出素子１１は、Ｓｉからなり、一般に知られている梁状構造体をなしている。角速度検出素子１１は、駆動腕２１と検出腕２２と基部２３からなる。
【００３２】
図２で、駆動腕２１または検出腕２２は、基部２３から、第１の軸方向すなわち、長手方向に相当するＺ軸方向に沿って延在して伸びている。つまり、駆動腕２１または検出腕２２は、Ｚ軸方向に沿って延在して伸びている。本実施形態での、回転軸はＺ軸方向に沿って延在している軸である。
【００３３】
図２で、角速度検出素子１１は、第１の軸に沿って延在して伸びる軸すなわち、Ｚ軸に沿って延在している軸に対して線対称な形状である。
【００３４】
図１と図３に示す、リード端子１７は、パッケージ１０に接続された第１の端部１２と、外部と接続するための第２の端部１３を有し、前記第１の端部１２と第２の端部１３の間に、所定の延在方向に伸びる延在面を有する板状の延長部１６を有し、リード端子１７の延在面は、第１の軸を含み、且つ、基部２３に対して直交する面に対して、直交している。
【００３５】
実施形態１では、リード端子１７は、図１のように配置される。第１の端部１２は、パッケージ１０の底面または側面に金属ろうによって接続されている。リード端子１７は、回転軸すなわちＺ軸が伸びる方向の軸と交差するパッケージ１０の側面に相当する面、すなわち、Ｚ軸が延びる方向の軸とほぼ直交しているパッケージ１０の側面に相当する面、の近傍である底面に接続されている。パッケージ１０の側面は、必ずパッケージ１０の底面に対し直角であるとは限らないが、概ね直角である。すなわち、交差するとは、概ね、直交するということである。
【００３６】
実施形態１のパッケージ１０のリード端子１７は、回転軸が伸びる方向と交差するパッケージ１０の側面に相当する面の近傍に接続されているが、過度な耐熱性や気密性を必要としない場合は、プラスチックモールドパッケージを用いても同様の性能は得られる。この場合製造コストを下げることが可能となる。リード端子１７はＣｕや４２アロイなどの導電性材料からなる一般的なものであり、複数本設けられている。そして、個々のリード端子１７は、細長板状のものを折り曲げ加工したものである。
【００３７】
そして角速度検出素子１１を振動させるため、駆動腕２１と検出腕２２と基部２３上には、それぞれ、駆動用圧電薄膜４１、検出用圧電薄膜４２、基部用電極４３が同じ構成、材料で形成されており、具体的には、図２の角速度検出素子１１の所定位置の表面に、図３で示すように、第１の電極膜２４、圧電薄膜２５、第２の電極膜２６がこの順で、スパッタもしくは蒸着により数千オングストローム程度の厚みに成膜されている。なお、図３は、図２のＡ−Ａ断面図であり、角速度検出素子１１の断面部分は基部２３に相当している。
【００３８】
図３は、図１のＡ−Ａ断面図であり、角速度検出素子１１の断面部分は基部２３に相当している。図３で、角速度検出素子１１の駆動腕２１の表面の第１の電極膜２４の材料としては、白金（Ｐｔ）−チタン（Ｔｉ）またはＰｔ−クロム（Ｃｒ）などである。さらに第１の電極膜２４の上にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電薄膜２５が数ミクロン（μｍ）程度の厚みに成膜される。成膜方法についてはスパッタリング法、溶液法など、各種の成膜方法を用いることができる。さらにこの圧電薄膜２５の上に金（Ａｕ）、Ｃｒ、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、Ｔｉ、Ｐｔなどの材料からなる第２の電極膜２６がスパッタあるいは蒸着により数千オングストローム程度の厚みに成膜される。なお、第１の電極膜は、密着層であるＴｉと金属薄膜Ｐｔをこの順で成膜したものである。
【００３９】
角速度検出素子１１は、駆動腕２１上に駆動振動を発生させるための駆動電極部（図示せず）、そして検出腕２２上にはコリオリ力を検知するための検出電極部（図示せず）、さらにフィードバック検出用のモニタ電極部（図示せず）が一括形成される。電極を形成するためにはフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いている。エッチング方法はドライエッチング、ウェットエッチング、リフトオフ法などがあるが、これらは薄膜材料によって適宜選択される。
【００４０】
図２に示された実施形態１の、角速度検出素子１１は、検出振動方向であるＹ軸方向に基づいて、回転軸すなわち、Ｚ軸方向に伸びる軸回りの方向に対する角速度Ωを検出するものである。ここで、この種の振動型の角速度センサにおいては、駆動振動および検出振動の周波数は特に決められているわけではないが、通常は、たとえば数千Ｈｚ程度である。
【００４１】
角速度の検出原理であるが、駆動腕２１がＸ軸方向に駆動振動しているときに回転軸すなわちＺ軸方向に伸びる軸回りの角速度Ωが印加されると、Ｘ軸と直交する検出方向であるＹ軸の方向へ角速度の大きさに比例したコリオリ力により検出腕２２が検出振動するようになっている。そして、検出腕２２上には検出用電極が設けられ、検出腕２２の検出振動によって発生した圧電薄膜２５の歪を検出することにより、角速度Ωの検出が可能となっている。
【００４２】
基板１４は、パッケージ１０を固定し、他の部品との信号のやり取りをするために接続するための配線基板である。基板１４は、ガラスエポキシ材やセラミック材などが用いられることが一般的であるが、これらに限ったものではない。さらに基板１４の表面や内部にはＣｕを材料とした信号用配線が形成されている。
【００４３】
図３は、実施形態１における角速度センサ１の断面図である。なお、図３は、図１のＡ−Ａ断面図であり、角速度検出素子１１の断面部分は基部２３に相当している。
【００４４】
実施形態１では、従来例で示した図９や図１０のような、検出振動方向の外乱振動の影響を受けないように、図１のような、外乱振動の影響を受けない回転軸方向、と交差するパッケージ１０の側面に相当する面の近傍に、板状の延在面を有する延長部１６を有し、パッケージの外側に９０°折れ曲がった第２の端部１３を有するリード端子１７を配置した。このような配置をすることにより、外乱振動を抑制し、外乱振動によって生じる不要な回転力に起因するオフセットドリフトを低減した。
【００４５】
実施形態１においては、リード端子１７の第１の端部１２の他端であるもう片方の、第２の端部１３は、ガラスエポキシやセラミックを材料とする基板１４に表面接続されるため、板状の延長部１６の延在面に対して、Ｚ軸方向外側、つまり、パッケージ１０の外側に向かって折れ曲がっている。また、基板実装面つまり、ＸＺ平面と、リードの延在方向つまりＹ軸方向はほぼ９０°である。
【００４６】
特に、実施形態１として、図３では、パッケージ１０のリード端子１７の延長部１６の延在方向に伸びる方向と直交する方向に振動する振動方向は、回転軸方向すなわち、図１ではＺ軸方向、とほぼ一致させるように形成している。
【００４７】
一般的に、外乱振動すなわち、外部からの好ましくない振動の周波数と、素子とパッケージからなる系の共振周波数が一致した場合、素子は外乱振動の影響を受けてしまい、駆動振動の振幅変動によって感度が変化したり、駆動共振以外の振動モードが発生したりしてしまう。その結果として、大きなオフセットドリフトが発生してしまう。
【００４８】
そこで、実施形態１では、角速度検出素子１１を収納するパッケージ１０と、パッケージ１０に接続されたリード端子１７、そして、リード端子１７を固定する基板１４によって構成される振動系の振動現象について考える。ωｐをリード端子での振動によるパッケージ共振周波数、ωを駆動振動の周波数、ξを減衰率とすると振動伝達率Ｔは数１の式で記述できる。
【数１】
2013113776.tif 000003
【００４９】
減衰率ξを０．３、すなわち、ここで、ξは材料定数であるので、ξを０．３とした場合の、振動伝達率Ｔの周波数依存性のグラフを図１１に示す。縦軸は、振動伝達率Ｔ[ｄＢ]であり、単位は、発生した振動エネルギーと減衰された後の振動エネルギー比についてｌｏｇをとってある。横軸は周波数の比ω／ωｐであるが、前記パッケージ１０に接続されたリード端子１７とリード端子１７を固定する基板１４によって構成される振動系の共振周波数で規格化されている。図１１で、ω／ωｐが１のときに振動伝達率Ｔがピークをもつのは、ωとωｐが近づいてしまって共振してしまい、減衰効果が無く成るということを意味している。
【００５０】
図１１の結果より、周波数ω／ωｐが、破線で示した１．４より小さい場合は、振動伝達率Ｔが１を超えてしまい、振動を増幅してしまうという結果が得られた。その結果、リード端子１７の第１の端部１２と第２の端部１３が折り曲げられていることによる駆動周波数ωは、共振モードの共振周波数ωｐに比べて４０％以上離すことにより、このような不具合を防止することができた。
【００５１】
図４は、実施形態１に関わる実装状態を示すものであり、これを用いて、実施形態１の角速度センサ１の製造方法について説明する。
【００５２】
図４に示すように、角速度検出素子１１はセラミックパッケージ１０にダイボンディングつまり、角速度検出素子はパッケージ１０に樹脂３２で接着される。ダイボンド用樹脂３２はエポキシ系、アクリル系などの樹脂が用いられる。樹脂塗布装置としてディスペンサーを用いた。このときの塗布条件は５０ｋＰａ、０．２ｓｅｃであり、塗布量は１μｇ程度である。さらに素子実装においてはダイボンダを使用した。チップ搭載圧力は３Ｎであり、圧力印加時間は３ｓｅｃである。この後、オーブン、ホットプレートなどによる加熱によって樹脂を硬化させた。
【００５３】
次に、図４に示すように、角速度検出素子１１上の電極パッド（図示せず）とセラミックパッケージ１０のパッド（図示せず）間のワイヤボンディングを実施し、パッケージ１０との電気的接続を行った。ワイヤ１５の材料としてはＡｕが一般的であるが、Ｃｕ、Ａｌなど、電気的接続を容易に確保できる材料であれば限定されるものではない。Ａｕ線の太さは２５μｍ、超音波の強さは１ｋＷ程度、ボンド加重は３０ｇ程度である。
【００５４】
ワイヤボンディングによって外部との電気的結線を得た後、外部雰囲気からの影響を低減するために図４ｃに示すような封止を行う。封止用リッド３４は、ＦｅとＮｉとＣｏの合金からなるコバールなどの材料が一般的であり、封止手段としてはシーム溶接法すなわち、電流を流しながら溶接する方法を用いた。５ｍｓｅｃのパルス電流を用い、電流値は１ｋＡであった。封止雰囲気は窒素で行った。また素子に十分な耐熱性がある場合、ＡｕＳｎはんだによる加熱接合を用いることも可能である。
【００５５】
実施形態１では、角速度検出素子１１やパッケージ１０の他に回路基板や接着剤を使用しているので、回路基板や接着剤について説明する。回路基板１９は角速度検出素子１１へ駆動や検出用の信号を送り、角速度検出素子１１からの電気信号を処理して外部へ出力する等の機能を有する信号処理チップとして構成されたものである。このような回路基板１９は、たとえばＳｉ基板等に対してＭＯＳトランジスタやバイポーラトランジスタ等が、周知の半導体プロセスを用いて形成されているＩＣチップなどにより構成されたものである。
【００５６】
角速度検出素子１１、回路基板１９およびパッケージ１０の各部間はボンディングワイヤ１５を介して電気的に接続されている。こうして、角速度検出素子１１からの電気信号は回路基板１９へ送られて、電圧信号に変換されて角速度信号として出力されるようになっている。上記角速度信号は、リード端子１７を介して、外部へ出力される。リード端子１７の一端部は、パッケージ１０に固定されて取り付け部材に電気的に接続されている。この取り付け部材は、プリント基板、セラミック基板などの配線基板、あるいはコネクタ部材などを採用できるが、実施形態１ではプリント基板としている。そのため、角速度センサ１０１の角速度信号は、リード端子１７を介してプリント基板としての取り付け部材に出力される。
【００５７】
一方パッケージ１０の開口部の底部には、回路基板１９、角速度検出素子１１のそれぞれが樹脂接着剤３２を介して、順次搭載され固定されている。この樹脂接着剤３２は、一般的な接着剤を採用することができ、たとえば、シリコーンゲルなどの樹脂接着剤やシリコン系、エポキシ系、ポリイミド系、アクリル系などの接着フィルムが用いられる。
【００５８】
（実施形態２）
図６は実施形態２における角速度センサ１０２の断面図である。図６は特に、実施形態２のリード端子１７２の形状を示す。
【００５９】
実施形態２に示すリード端子１７２の第２の端部１３２はパッケージ１０の断面から見て内側に向かって湾曲しており、湾曲部断面はほぼ一定の曲率半径をもっている。これによって、実施形態１よりも小さい占有面積での表面実装が可能となる。またこのリード端子１７２の形状は振動の節が発生しにくいことから、つまり、振動の節ができると高次のパッケージ振動が発生してしまい、駆動振動と近くなってしまうから、安定した振動を得ることができる。
【００６０】
リード端子１７２の第１の端部１２はパッケージ１０の底面に金属ろうによって接続されつつ、リード端子１７２は検出軸方向であるＹ軸方向に伸びており、リードのもう片方の第２の端部１３２はガラスエポキシやセラミックを材料とした基板１４に表面接続される。
【００６１】
リード端子１７２の第２の端部１３２はパッケージ１０の断面方向から見て内側に湾曲しており、湾曲部断面はほぼ一定の曲率半径を維持している形状となっている。このリード端子１７２の延長部１６の延在方向に伸びる方向と直交する方向に振動する振動方向は、角速度検出素子１１の回転軸方向すなわち、概ねＺ軸方向に延在する軸に沿った方向となっているので、ヨー回転によるモーメントの発生を抑えることができ、実施形態１の場合と同様のオフセットドリフト低減効果が得られる。
【００６２】
実施形態２でも、実施形態１と同様に、従来例で示した図９や図１０のような検出振動方向の外乱振動の影響を受けないように、図６のような、外乱振動の影響を受けない回転軸方向に交差するパッケージ１０の側面に相当する面の近傍に、板状の延長部１６を有し湾曲部を有する第２の端部１３２を有するリード端子１７２を配置した。このような配置をすることにより、外乱振動を抑制し、外乱振動によって生じる不要な回転力に起因するオフセットドリフトを低減した。
【００６３】
（実施形態３）
図７は実施形態３における角速度センサ１０３の断面図である。図７は特に、実施形態３のリード端子１７３の形状を示す。
【００６４】
リード端子１７３の第１の端部１２はパッケージ１０の底面に金属ろうによって固定されつつ、リード端子１７３は検出軸方向すなわち、Ｙ軸方向に伸びており、リードのもう片方の第２の端部１３はガラスエポキシやセラミックを材料とした基板１４に表面実装されている。
【００６５】
実施形態３におけるリード端子１７３の延長部１６３の延在方向は、概ね検出軸すなわち、図７のように、Ｙ軸方向に伸びつつ若干パッケージの外側へ向かっている。すなわち、リード端子１７３はななめに伸びていることになる。
【００６６】
これにより、リード端子１７３の延長部１６３の延在方向は斜めになっているため、角速度検出素子１１の回転軸方向すなわち、Ｚ軸方向へのパッケージ共振周波数が若干上昇してしまうので、抑制効果はやや損なわれてしまうものの、リード加工がしやすいので加工ばらつきが発生しにくいという利点がある。リード端子１７３の延長部１６３の延在方向に伸びる方向と直交する方向に振動する振動方向は、角速度検出素子１１の回転軸方向すなわち、概ねＺ軸方向に延在する軸に沿った方向となっている角速度センサとなっていることから、ヨー回転によるモーメントの発生を抑えることができ、実施形態１の場合と同様のオフセットドリフト低減効果が得られる。
【００６７】
実施形態３でも、実施形態１と同様に、従来例で示した図９や図１０のような検出振動方向の外乱振動の影響を受けないように、図７のような、外乱振動の影響を受けない回転軸方向に交差するパッケージ１０の側面に相当する面の近傍に、パッケージの外側にななめに延びる板状の延長部１６３を有するリード端子１７３を配置した。このような配置をすることにより、外乱振動を抑制し、外乱振動によって生じる不要な回転力に起因するオフセットドリフトを低減した。
【００６８】
（実施形態４）
図８は実施形態４における角速度センサ１０４の断面図である。図８は特に、実施形態４のリード端子１７４の形状を示す。
【００６９】
リード端子１７４の第１の端部１２はパッケージ１０の底面に金属ろうによって接続されつつ、リード端子１７４は検出軸方向すなわち、Ｙ軸方向に伸びており、リード端子１７４のもう片方の第２の端部１３４はガラスエポキシやセラミックを材料とした基板１４に接続されている。
【００７０】
実施形態４におけるリード端子１７４の第２の端部１３４は、ガラスエポキシ基板やセラミック基板にＤＩＰ（Ｄｕａｌ  Ｉｎ−ｌｉｎｅ  Ｐａｃｋａｇｅ）実装されるため、リード端子１７４の延長部１６と第２の端部１３４は真直ぐに伸びており、基板１４を貫通するため、裏側からはんだづけするため、第２の端部１３４を折り曲げ加工する必要がない。このリード端子１７４の延長部１６の延在方向に伸びる方向と直交する方向に振動する振動方向は、角速度検出素子１１の回転軸方向すなわち、Ｚ軸方向に延在する軸に沿った方向となっている角速度センサなので、ヨー回転によるモーメントの発生を抑えることができ、実施形態１の場合と同様のオフセットドリフト低減効果が得られる。
【００７１】
実施形態４でも、実施形態１と同様に、従来例で示した図９や図１０のような検出振動方向の外乱振動の影響を受けないように、図８のような、外乱振動の影響を受けない回転軸方向に交差するパッケージ１０の側面に相当する面の近傍に、基板１４を真直ぐに貫通する板状の延長部１６を有するリード端子１７４を配置した。このような配置をすることにより、外乱振動を抑制し、外乱振動によって生じる不要な回転力に起因するオフセットドリフトを低減した。
【実施例】
【００７２】
実施形態１の素子特性すなわち、周波数に対するオフセットドリフトに対する効果を、図５ａから図５ｃを用いて説明する。実施形態１の効果を示すため、加振試験におけるオフセットドリフトの測定を行った。加振周波数は５０Ｈｚから２０ｋＨｚであり、加振の大きさは９８ｍ／ｓ２（１０Ｇ）である。
【００７３】
実施形態１の角速度検出素子１１を、リード端子１７が無く、パッケージ１０を直接基板１４に実装した場合の、耐振動特性結果を図５ａに示す。これによれば、加振周波数が５０００Ｈｚおよび１５０００Ｈｚ近傍において、リードが無いために角速度検出素子１１に外部振動がそのまま加わってしまうため、１５ｄｅｇ／ｓｅｃもの大きなオフセットドリフトが発生してしまう。
【００７４】
さらに特許文献１の従来例、すなわち図９、図１０に示したように、リード端子１３の延長部１６の延在方向に伸びる方向と直交する方向に振動する振動方向と、検出軸すなわちＹ軸方向が同じ方向、すなわち、Ｙ軸方向で実装した場合は、図５ｂに示す様に、１０００Ｈｚ近傍と３３００Ｈｚ近傍で、１０ｄｅｇ／ｓｅｃ、４ｄｅｇ／ｓｅｃものオフセットドリフトが発生するため、オフセットドリフト低減効果としては不十分である。
【００７５】
しかしながら、実施形態１のように実装した場合、図５ｃに示すように、オフセットドリフトは、ほぼゼロであり、ノイズレベル以下だった。これは検出軸方向の不要な回転動作が発生することによる不要な出力を十分に低減できたためと考えられる。実施形態１のように実装することによって、ヨー回転の不要な振動を抑制することができ、オフセットドリフトを低減することができる。
【００７６】
以上の評価結果から、実施形態１によって、従来例で示した図９や図１０のような検出振動方向の外乱振動の影響を受けないように、図１のような、外乱振動のない回転軸方向に交差するパッケージ１０の側面に相当する面の近傍に、板状の延長部１６を有するリード端子１７を配置したことにより、外乱振動を抑制し、外乱振動によって生じる不要な回転力に起因するオフセットドリフトを低減することが可能となることがわかった。
【表１】
2013113776.tif 000004
【００７７】
また、実施形態１以外にも、すなわち、実施形態２〜４までについても、前述の評価と同じ評価方法で、オフセットドリフトについて確認をおこなった。表１は、図９や図１０や図５ｂに示された従来例と、実施形態１〜４についての、オフセットドリフトの評価結果である。すでに図５ｂで示した従来例の評価結果ではオフセットドリフト量が１０ｄｅｇ／ｓｅｃであったが、実施形態１から４の場合はいずれも、従来例である図５ｂの評価結果以下であり、図５ｃの実施形態１の結果と同様に、ほぼゼロであって、ノイズレベル以下であった。したがって、実施形態１から４の場合はいずれも、従来例に比べて、オフセットドリフトの低減効果があることを確認できた。以上の結果からこのようなリード端子配置をすることによって外乱振動を抑制し、外乱振動によって生じる不要な回転力に起因するオフセットドリフトを低減することが可能であることがわかった。
【００７８】
以上の評価結果をまとめると、すなわち、本実施形態によれば、外部からの外乱振動の影響を抑制し、かつ外乱振動によって生じる不要な回転力に起因するオフセットドリフトを低減することが可能であるということを示すことができた。
【符号の説明】
【００７９】
１、１０  パッケージ
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５  角速度センサ
１１、１１０  角速度検出素子
１２  第１の端部
１３、１３２、１３４  第２の端部
１４  基板
１５  ボンディングワイヤ
１６、１６３  リード端子の延長部
１７、１７０、１７２、１７３、１７４、１７５  リード端子
１９  回路基板
２１  駆動腕
２２  検出腕
２３  基部
２４  第１の電極膜
２５  圧電薄膜
２６  第２の電極膜
３２  樹脂接着剤
３４  リッド
４１  駆動用圧電薄膜
４２  検出用圧電薄膜
４３  基部用電極
【図１】
2013113776.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
2013113776.tif 000010
【図５ｃ】
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【図６】
2013113776.tif 000012
【図７】
2013113776.tif 000013
【図８】
2013113776.tif 000014
【図９】
2013113776.tif 000015
【図１０】
2013113776.tif 000016
【図１１】
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