(57)【要約】【課題】本発明は、互いに直交する３つの軸を検出軸とする３軸角速度センサの調整方法に関し、振動バランスの調整を容易に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、センサ素子２と制御回路素子３をパッケージ１に収納した３軸角速度センサにおいて、センサ素子２は、基部８を中心として対称配置された４つの振動片９ａ〜９ｄを備え、検出軸に応じて出力される検出信号が同位相となる検出電極の撓みを励起する振動片を組として、一方の組の振動片に対してトリミングし各検出軸に対する質量バランスの調整を行う。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を検出軸として、前記検出軸周りに印加される角速度によって生じるコリオリ力による撓み成分を検出する３軸角速度センサの調整方法であって、前記３軸角速度センサは、センサ素子と、このセンサ素子を制御する制御回路素子と、これらを収納するパッケージとを備え、前記センサ素子は、基部と、この基部に対してＹ軸方向に並設された第１、第２の振動片と、前記基部に対して前記第１の振動片とＸ軸方向に対称配置された第３の振動片と、前記基部に対して前記第２の振動片とＸ軸方向に対称配置された第４の振動片とを備え、前記Ｘ軸を検出軸とした角速度に対する検出振動が、前記第１、第３の振動片と前記第２、第４の振動片がＺ軸方向において逆向きに振動し、前記Ｙ軸を検出軸とした角速度に対する検出振動が、前記第１、第２の振動片と前記第３、第４の振動片がＺ軸方向において逆向きに振動し、前記Ｚ軸を検出軸とした角速度に対する検出振動が、前記第１、第３の振動片と前記第２、第４の振動片が駆動振動の振動方向と直交する方向において逆向きに振動し、前記Ｘ軸を検出軸とした角速度に対する検出振動の調整を行うにあたり、前記第１の振動片と前記第３の振動片、あるいは前記第２の振動片と前記第４の振動片を組として、前記一方の組に対してトリミングすることで検出振動の振動バランスの調整を行い、前記Ｙ軸を検出軸とした角速度に対する検出振動の調整を行うにあたり、前記第１の振動片と前記第２の振動片、あるいは前記第３の振動片と前記第４の振動片を組として、前記一方の組に対してトリミングすることで検出振動の振動バランスの調整を行い、前記Ｚ軸を検出軸とした角速度に対する検出振動の調整を行うにあたり、前記第１の振動片と前記第４の振動片、あるいは前記第２の振動片と前記第３の振動片を組として、前記一方の組に対してトリミングすることで検出振動の振動バランスの調整を行うことを特徴とした３軸角速度センサの調整方法。
【請求項２】
振動バランスの調整は、検出振動における各振動片の最大変位部分をトリミングすることを特徴とした請求項１に記載の３軸角速度センサの調整方法。
【請求項３】
一回のトリミングにおける調整量を規格化し、振動バランスの調整量をトリミング回数により制御することを特徴とした請求項１に記載の３軸角速度センサの調整方法。
【請求項４】
各振動片の表面に駆動電極と検出電極を設け、前記振動片の裏面にトリミングすることを特徴とした請求項１に記載の３軸角速度センサの調整方法。
【請求項５】
各振動片の表面に駆動電極と検出電極を設け、前記振動片の表面にトリミングすることを特徴とした請求項１に記載の３軸角速度センサの調整方法。
【請求項６】
各振動片に予め調整領域を定め、この調整領域を非電極形成部としたことを特徴とする請求項５に記載の３軸角速度センサの調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに直交する３つの軸を検出軸とした３軸角速度センサの調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、コリオリ力を利用した角速度の検出は、例えば音叉型のセンサ素子を用いた場合であれば、センサ素子を構成する一対の振動片を含む振動平面内で対称方向に駆動振動させ、角速度の印加により振動平面と直交する方向に検出振動が生じ、この検出振動による撓み成分を電気信号に変換し角速度信号として出力するものが知られている。
【０００３】
そして、このようなセンサ素子を用いた角速度センサの検出精度を高めるためには、センサ素子の駆動振動における振動精度を高める必要がある。すなわち、コリオリ力を利用するためにセンサ素子を駆動振動させるのであるが、この駆動振動と検出振動の振動方向が直交するため、駆動振動を振動平面内で振動させなければ、角速度が印加されていない状態においても面内振動成分以外の振動成分が不要信号として出力されてしまう。
【０００４】
このため駆動振動の振動精度を高める手法として、一方の振動片を部分的にトリミングすることで他方の振動片との質量バランスを確保し振動精度が高められる方法が用いられている。
【０００５】
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】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２４３４５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、近年、互いに直交する３つの軸を検出軸とした３軸角速度センサの開発が進められており、多数の振動片を組み合わせその振動成分に対するコリオリ力の作用を検出するため、一つに検出軸に対する質量バランスを調整するために何れかの振動片をトリミングすれば、別の検出軸の質量バランスに影響してしまうため、このような３軸角速度センサの振動精度の調整は困難なものとなっていた。
【０００８】
そこで、本発明はこのような問題を解決し、３軸角速度センサにおける振動精度の調整を容易に行うことができる調整方法を提供するものである。
【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、センサ素子と制御回路素子を１つのパッケージに収納した３軸角速度センサにおいて、センサ素子は、基部を中心として対称配置された４つの振動片を備え、検出軸に応じた検出信号が同位相となる振動片を組として、一方の組に対してトリミングし各検出軸に対する質量バランスの調整を行うのである。
【発明の効果】
【００１０】
この調整方法を用いることにより、３軸角速度センサにおける振動精度の調整を容易に行うことができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る３軸角速度センサの分解斜視図
【図２】同３軸角速度センサを構成するセンサ素子の上面図
【図３】同センサ素子におけるＸ軸周りの角速度に対する検出原理を示す模式図
【図４】同センサ素子におけるＹ軸周りの角速度に対する検出原理を示す模式図
【図５】同センサ素子におけるＺ軸周りの角速度に対する検出原理を示す模式図
【図６】同センサ素子のトリミング部位を示す図
【図７】同センサ素子のトリミング方法を示す模式図
【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３軸角速度センサについて図を用いて説明する。
【００１３】
図１に示す３軸角速度センサは、コリオリ力を利用して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センサ素子２と、このセンサ素子２を制御する制御回路素子３を配置し、パッケージ１の開口部を上蓋４で封口する構造となっている。なお、センサ素子２は制御回路素子３の上面に下蓋５を介在させることで、センサ素子２を制御回路素子３の上部にて振動可能に支持する構成としている。
【００１４】
また、センサ素子２は、図２に示すように、センサ素子２の外周部分において対向する一対の辺を外部接続用の接続部６と、一対の接続部６の端部間で支持された一対の支持部７と、この支持部７の中点部分を接続する基部８と、基部８の中央部分から対称に延出した４つの振動片９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄが設けられている。
【００１５】
なお、振動片９ａは、基部８の中央部からＸ軸の正方向に導出され、１つ目の屈曲部分でＹ軸の負方向に導出され、２つ目の屈曲部分でＸ軸の負方向に導出され、３つ目の屈曲部分でＹ軸の正方向に導出されて幅広となった錘部１０ａを形成している。
【００１６】
振動片９ｂは、基部８の中央を通るＸ軸に平行なＣ軸を中心軸として振動片９ａと対称な構造であり、基部８の中央部からＸ軸の正方向に導出され、１つ目の屈曲部分でＹ軸の正方向に導出され、２つ目の屈曲部分でＸ軸の負方向に導出され、３つ目の屈曲部分でＹ軸の負の方向に導出されて幅広となった錘部１０ｂを形成している。
【００１７】
振動片９ｃは、基部８の中心を通るＹ軸に平行なＤ軸を中心軸として振動片９ａと対称な構造であり、基部８の中央部からＸ軸の負方向に導出され、１つ目の屈曲部分でＹ軸の負方向に導出され、２つ目の屈曲部分でＸ軸の正方向に導出され、３つ目の屈曲部分でＹ軸の正の方向に導出されて幅広となった錘部１０ｃを形成している。
【００１８】
振動片９ｄは、Ｃ軸を中心軸として振動片９ｃと対称な構造であるとともに、振動片９ｂともＤ軸を中心軸とした対称な構造であり、基部８の中央部からＸ軸の負方向に導出され、１つ目の屈曲部分でＹ軸の正方向に導出され、２つ目の屈曲部分でＸ軸の正方向に導出され、３つ目の屈曲部分でＹ軸の負の方向に導出されて幅広となった錘部１０ｄを形成している。
【００１９】
また、センサ素子２には、それぞれ振動片９ａ〜９ｄを駆動振動させる駆動電極１１や、コリオリ力により生じる撓みを検出する検出電極１２ａ〜１２ｊや、電極パッド１３、およびこれらを適宜接続する配線電極（特に図示せず）を設けている。なお、駆動電極１１や検出電極１２ａ〜１２ｊ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構造であり、制御回路素子３から制御電圧を印加することで電極が伸縮して駆動振動を励起させたり、コリオリ力に起因する検出振動により電極が撓むことで検出信号を励起する。
【００２０】
次に、このセンサ素子２による角速度の検出について説明する。先ず、振動片９ａ〜９ｄのそれぞれに設けられた一対の駆動電極１１に対して、制御回路素子３から振動片９ａ〜９ｄの固有振動周波数に一致した逆位相の制御信号を印加することで、一対の駆動電極１１に生じる逆向きの伸縮作用により、振動片９ａ〜９ｄの先端に設けられた錘部１０ａ〜１０ｄが矢印で示すように中心から広がる方向に駆動振動させる。
【００２１】
そして、この駆動振動の状態において、Ｘ軸周りに角速度が印加された場合は、図３に示すように、破線の矢印で示す駆動振動におけるＹ軸方向の振動成分に対してコリオリ力が働くため、錘部１０ａ、１０ｃと錘部１０ｂ、１０ｄがＺ軸方向に逆振動し、このＺ軸方向の検出振動に伴い基部８が、Ｄ軸での断面でＳ字状に撓み、この撓み量に応じて検出電極１２ａ、１２ｂから逆位相の検出信号を制御回路素子３に出力する。なお、検出電極１２ａと検出電極１２ｂから出力される検出信号が逆位相となるのは、検出電極１２ａの撓み方向が錘部１０ａ、１０ｃの振動に連動して、検出電極１２ｂの撓み方向が錘部１０ｂ、１０ｄの振動に連動するため、検出電極１２ａと検出電極１２ｂが逆方向に撓むためである。
【００２２】
Ｙ軸周りに角速度が印加された場合は、図４に示すように、破線の矢印で示す駆動振動におけるＸ軸方向の振動成分に対してコリオリ力が働くため錘部１０ａ、１０ｂと錘部１０ｃ、１０ｄがＺ軸方向に逆振動し、このＺ軸方向の検出振動に伴い支持部７がＣ軸に沿った断面でＳ字状に撓み、この撓み量に応じて検出電極１２ｃ、１２ｄと検出電極１２ｅ、１２ｆから逆位相の検出信号を制御回路素子３に出力する。なお、検出電極１２ｃ、１２ｄと検出電極１２ｅ、１２ｆから出力される検出信号が逆位相となるのは、検出電極１２ｃ、１２ｄの撓み方向が錘部１０ａ、１０ｂの振動に連動して、検出電極１２ｅ、１２ｆの撓み方向は錘部１０ｃ、１０ｄの振動に連動するため、検出電極１２ｃ、１２ｄと検出電極１２ｅ、１２ｆが逆方向に撓むためである。
【００２３】
Ｚ軸周りに角速度が印加された場合は、図５に示すように、破線の矢印で示す駆動振動に対してコリオリ力が働くため、錘部１０ａと錘部１０ｄが駆動振動の振動方向と直交する方向に逆振動し、錘部１０ｂと錘部１０ｃが駆動振動の振動方向と直交する方向に逆振動する。そして、この検出振動に伴い検出電極１２ｇ〜１２ｊが設けられた振動片９ａ〜９ｄの辺が円弧状に撓み、この撓み量に応じて検出電極１２ｇ、１２ｊと検出電極１２ｈ、１２ｉが逆位相の検出信号を制御回路素子３に出力する。なお、検出電極１２ｇ、１２ｊと検出電極１２ｈ、１２ｉの検出信号が逆位相となるのは、検出電極１２ｇ、１２ｊの撓み方向が錘部１０ａ、１０ｄが設けられた側となり、検出電極１２ｈ、１２ｉの撓み方向は錘部１０ｂ、１０ｃが設けられた側と反対側となり、検出電極１２ｇ、１２ｊと検出電極２ｈ、１２ｉが逆方向に撓むためである。なお、検出電極１２ｇ〜１２ｊは、それぞれ、駆動電極１１と同様に一対の電極で構成され、電極の並設方向の撓みに対して内側と外側の電極で伸縮状態が逆転し、これらに電極からの差分信号を検出信号としている。
【００２４】
次に、３軸角速度センサの製造方法について説明する。センサ素子２は、半導体の製造プロセスと同様にウエハレベルでの多数個一括成形により形成するもので、特に図示していないが、センサ素子２であれば、シリコンからなるセンサ素子用ウエハにスパッタリングにより所定の電極形成を実施するとともにドライエッチングにより所定の外形形状に加工する。また、下蓋５においてもシリコンからなる下蓋用ウエハをドライエッチングにより所定の形状に加工する。そして、下蓋用ウエハとセンサ素子用ウエハを接着固定し、その後、ダイシングにより個片分割し、下蓋５と一体化しセンサ素子２を個片状態で制御回路素子３の上面に実装するのである。
【００２５】
なお、センサ素子２を形成する際のドライエッチングにおいて、その加工精度でセンサ素子２の振動片９ａ〜９ｄに求められる振動精度を満たすだけの質量バランスを確保することは困難であり、この質量バランスが上述したように不要信号の出力に直結するので、ドライエッチングの後で質量バランスを調整し、振動片９ａ〜９ｄに対して求められる振動精度を確保することが重要となる。
【００２６】
そこで、この質量バランスの調整方法を以下に説明する。この３軸角速度センサを構成するセンサ素子２は、Ｘ軸周りの角速度を検出する場合には、図３で説明したように、検出振動の方向が一致する振動片９ａ、９ｃと振動片９ｂ、９ｄに組み分けし、不要信号の状態によって何れか一方の組の振動片をトリミングして他方の組の振動片との質量バランスを調整する。
【００２７】
Ｙ軸周りの角速度を検出する場合には、図４で説明したように、検出振動の方向が一致する振動片９ａ、９ｂと振動片９ｃ、９ｄに組み分けし、不要信号の状態によって何れか一方の組の振動片をトリミングして他方の組振動片との質量バランスを調整する。
【００２８】
Ｚ軸周りの角速度を検出する場合には、図５で説明したように、検出電極１２ｇ〜１２ｊにおいて検出振動での撓み方向が一致する振動片９ａ、９ｄと振動片９ｂ、９ｃに組み分けし、不要信号の状態によって何れか一方の組の振動片をトリミングして他方の組の振動片との質量バランスを調整する。
【００２９】
このように、４つの振動片９ａ〜９ｄを、調整する検出軸に応じて出力される検出信号が同位相となる検出電極の撓みを励起する振動片ごとに組み分けし、一方の組の振動片に対してトリミングを行うとしたことで、質量バランスの調整を容易に行うことができる。
【００３０】
また、トリミングする部位においても調整する検出軸に応じて異ならせることが好ましく、各検出軸に応じた検出振動における最大変位部分をトリミングすることが好ましい。
【００３１】
具体的には、Ｘ軸を検出軸とする場合の最大変位部分は、図６に示すように、錘部１０ａ、１０ｃと錘部１０ｂ、１０ｄがＺ軸方向に逆振動するため、錘部１０ａ〜１０ｄの付根部分でＹ軸方向において離間した破線で囲んだ領域１４となる。Ｙ軸を検出軸とする場合の最大変位部分は、錘部１０ａ、１０ｂと錘部１０ｃ、１０ｄがＺ軸方向に逆振動するため、錘部１０ａ〜１０ｄの付根部分でＸ軸方向において離間した破線で囲んだ領域１５となる。Ｚ軸を検出軸とする場合の最大変位部分は、錘部１０ａと錘部１０ｄ、錘部１０ｂと錘部１０ｃのそれぞれが駆動振動の振動方向で逆振動するため、錘部１０ａ〜１０ｄの付根部分で離間した破線で囲んだ領域１６となる。
【００３２】
このように、各検出軸に対する調整部位となる領域１４〜１６が異なることで、それぞれの調整領域内でのトリミングによる質量バランスの変化が他の検出軸に対する影響は小さいことを意味している。
【００３３】
また、トリミングによる質量バランスの調整は、一回のトリミングにおける調整量を規格化し、質量バランスの調整量をトリミング回数により制御すると、調整に掛かる時間を短縮することができる。これは、ウエハレベルで形成されたセンサ素子２はウエハ内での近傍領域の外形加工状態が類似することから、この近似領域における調整を共通仕様とすることが可能であり、個別に調整するよりも工数を削減できるからである。具体的には、Ｘ軸を検出軸とした場合のトリミング調整であれば、図７に示すように、領域１４を６分割し、調整の度合いに応じてトリミング回数を定め、同程度の調整範囲となるものを集め、これらに対して同回数のトリミングを行う調整を行えば、個々の質量バランスを確認しながらのトリミング調整を行う手間が省ける。
【００３４】
また、トリミングを行うにあたっては、センサ素子２をウエハから個片分割した後に行う場合、素子の質量バランスを確認するため、電極パッド１３が設けられたセンサ素子２の表面を測定治具（特に図示せず）の載置面に当接させるため、基板面が露出した裏面側をトリミングすることができる。
【００３５】
また、より完成品に近い状態でトリミングを行う場合、制御回路素子３の上面にセンサ素子２を実装した状態で、センサ素子２の駆動電極１１や検出電極１２ａ〜１２ｊが設けられた面をトリミングすることが好ましい。
【００３６】
なお、このようなトリミングは、通常、レーザートリミング機を用いることが一般的であるが、トリミングする面が、駆動電極１１や検出電極１２ａ〜１２ｊが設けられた面で、これらの電極がＡｕ、ＰＺＴ、Ｐｔからなる積層構造で各層に対するトリミング波長が異なることから、電極をトリミングするためには、各層のトリミング波長に応じたレーザートリミング機を準備しなければならず、非常に大掛かりな工程となってしまう。
【００３７】
従って、上述したようにトリミングに有効な領域が予め特定できるので、この部分を基板面が露出した非電極形成部とすることで、トリミング調整におけるトリミング波長を基板材料に設定するだけでよく、工程の簡略化ができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、３軸角速度センサにおける振動バランスの調整を容易に行うことができ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３軸角速度センサにおいて有用となる。
【符号の説明】
【００３９】
１  パッケージ
２  センサ素子
３  制御回路素子
８  基部
９ａ〜９ｄ  振動片
１１  駆動電極
１２ａ〜１２ｊ  検出電極
１４〜１６  調整領域
【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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【図７】
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