WO2007117008A1 - 慣性力センサ - Google Patents

Abstract

複数のアームと、前記アームを連結する基部とを有した振動子を備えた慣性力センサのアームの稜部を除いた部分にトリミング部を形成した構成で、トリミングに起因した音叉アームの破損を抑制した慣性力センサを提供する。

Description

明 細 書

慣性力センサ

技術分野

[0001] 本発明は、航空機、 自動車、ロボット、船舶、車両等の移動体の姿勢制御やナビゲ ーシヨン等、各種電子機器に用い、慣性力を検出する慣性力センサに関する。 背景技術

[0002] 以下、従来の 1貧性力センサについて図面を参照しながら説明する。

[0003] 図 8は従来の慣性力センサに用いる振動子の斜視図である。図 8において、従来の 慣性力センサは圧電振動式の慣性力センサであって、振動子 1とこの振動子 1に基 づき慣性力を検出する回路を有する。この振動子 1は、互いに対向する 2つの音叉ァ ーム 2及び 3と、この 2つの音叉アーム 2及び 3を連結する基部 4とを有する。説明の 便宜の為、図 8に互いに直交する X軸、 Y軸、 Z軸を示す。音叉アーム 2及び 3は X軸 方向に振動させるように設計されてレ、る。 X軸方向への理想的な振動をさせるために は、各音叉アーム 2及び 3の断面形状が X軸、 Z軸に対して精確に対称となるような長 方形が好ましい。しかし、振動子 1の製造において、加工ばらつきが生じるため、精 確な長方形となるように加工することは極めて困難である。この為、振動を与えると、 X軸方向への主振動に対して不要な信号が重畳する。

[0004] そこで、振動子 1の加工後に、 2つの音叉アーム 2及び 3の各々にレーザを照射して 振動子 1の一部分を溶融除去しトリミング部 8を形成する。このようにして、音叉アーム 2及び 3の質量バランスを調整することにより、適切に X軸方向へ振動させることが出 来るようになる。この場合、トリミング部は、溶融除去が容易な稜部 7に形成される。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。しかし、この従来の方法では、音叉アーム 2、 3のトリミング部 8の近傍 にはカ卩ェ熱に起因して加工変質層ができることがあるため母材の強度が低下し、音 叉アーム 2、 3が破損したり不要振動を発生したりするおそれがあるという問題点を有 していた。

特許文献 1 :特開 2004— 93158号公報 発明の開示

[0005] 本発明は上記問題点を解決するものであり、アームの稜部を除いた部分にトリミン グ部を形成した構成で、トリミングに起因した音叉アームの破損を起き難くした慣性力 センサを提供するものである。

図面の簡単な説明

[0006] [図 1]図 1は本発明の一実施の形態における慣性力センサに用いる振動子の斜視図 である。

[図 2]図 2は同振動子のアームの A— A線での断面図である。

[図 3]図 3はトリミング部の形成位置に対するアーム幅とアーム強度の関係を示す特 十生図である。

[図 4]図 4はトリミング部の形成位置と不要振動量の関係を示す特性図である。

[図 5]図 5はアーム幅の中心にトリミング部を形成した振動子の正面図である。

[図 6A]図 6Aはアーム幅の中心に対してトリミング部をずらして形成した振動子の正 面図である。

[図 6B]図 6Bはアーム幅の中心に対してトリミング部をずらして形成した振動子の正面 図である。

[図 7]図 7はトリミング部の形成位置と不要振動量の関係を示す特性図である。

[図 8]図 8は、従来の慣性力センサに用いる振動子の斜視図である。

符号の説明

[0007] 10 腿チ

12 音叉アーム

13 音叉アーム

14 基部

15 電極

16

17 トリミング部

18 トリミング面

19 稜部 発明を実施するための最良の形態

[0008] 以下、本発明の一実施の形態の 1貫性力センサについて図面を参照しながら説明 する。なお、以下の説明に用いる各図面で同じ構成要素は同じ符号で示す。

[0009] 図 1は本発明の一実施の形態における慣性力センサに用いる振動子の斜視図で ある。図 2は同振動子のアームの A—A線での断面図である。

[0010] 図 1、図 2において、本発明の一実施の形態における慣性力センサは、慣性カを検 出する音叉型の振動子 10と処理回路（図示せず）とを備えている。振動子 10は、 2つ の音叉アーム 12及び 13と、これらを連結する基部 14とを有する。音叉アーム 12及び 13の一方の面は電極 15を形成した電極面 16となっており、その裏側の他方の面は トリミング部 17を形成したトリミング面 18となっている。

[0011] 振動子 10の材質はシリコン（Si)である。アーム 12及び 13上の電極 15は、チタン酸 ジルコン酸鉛 (ρζτ)からなる圧電薄膜の上下に Au/Ti、 Pt/Ti等を設けてなる。

[0012] 2つの電極 15に各々互いに逆位相となるような交流信号を与えると、振動子 10は 音叉アーム 12及び 13の幅方向（図 1に示す X軸方向）に駆動振動する。この時、音 叉アーム 12及び 13の断面形状力 軸に対称かつ Z軸に対称であれば、音叉アーム 12及び 13は Z軸方向に橈むことなく X軸方向に駆動振動するが、対称性が崩れてい ると、 X軸方向の駆動振動に合わせて Z軸方向にも橈んでしまう（不要振動)。

[0013] Z軸方向に振動子 10が橈むと、角速度検出電極（図示せず）に電荷 (不要信号)が 発生してしまうが、この不要信号は、検出用の角速度が入力された場合に発生する 電荷と位相が 90° ずれていると、処理回路にて同期検波処理を行うことで除去可能 な信号となる。しかし、同期検波時の基準信号と不要信号の位相が少しでもずれて レ、ると、誤って角速度信号として出力されてしまう。それ故、振動子 10としては、不要 信号が発生しないものが望ましいが、背景技術の説明で述べたように、音叉アーム 1 2及び 13の断面形状を、 X軸方向、 Z軸方向に精確に対称になるように加工すること は非常に困難度が高い。そこで、振動子 10の形状形成後に不要信号が最小となる ように機械的に音叉アーム 12及び 13をトリミングすることで、質量バランスを確保し、 音叉駆動信号を安定化させることが必要となる。

[0014] トリミングするにあたり、最も効率の良い部位は、音叉アーム 12及び 13の根元（基 部 14近傍）の稜部 19になる力 稜部を加工してしまうと、音叉アーム 12及び 13の強 度が低下する。図 3はトリミング部の形成位置に対するアーム幅とアーム強度の関係 を示す特性図である。図 3において、稜部をトリミングした場合のアーム強度はアーム 幅に対する稜部からの距離が 0%の位置の点によって表されている。トリミング部 17 の近傍にトリミングの加工熱に起因した加工変質層ができ母材の強度が低下したと 考えられる。

[0015] ここで、トリミングする位置を稜部から離れた平面部上の箇所にすると、図 3上の点 で示すように、トリミング位置が音叉アームの稜部から離れてレ、くに従って、強度が上 がっていく。アーム幅に対するトリミング位置の稜部からの距離が 5%ぐらいまで強度 が単調増加する。アーム幅に対するトリミング位置の稜部からの距離が 5%より大きく なると、強度はほぼ一定の値となる。この一定の値はトリミング部 17を形成していない 場合とほぼ同等の強度である。即ち、稜部 19からの距離が 5%以上、即ちもう一方の 端に対しては 95%以下、の間隔をあけてトリミング部 17を形成すれば、駆動振動方 向の音叉アーム 12及び 13は強度を殆ど損なうことなくトリミングが出来る。

[0016] 図 4および図 7はトリミング部の形成位置と不要振動量の関係を示す特性図である。

図 4に示すように、音叉アーム 12及び 13の長手方向のトリミング長さと幅方向のトリミ ング長さを固定した場合、幅方向に対するトリミング部 17の形成位置と、不要信号の 変化量には線形の相関がある。図 4において、音叉アーム 12及び 13のアームの幅 に対して稜部からの距離が 50%のとき、即ち平面部の中央とした場合は、不要振動 が発生しない。図 5はアーム幅の中心の平面部にトリミング部を形成した振動子の正 面図である。図 5の位置のトリミングでは不要振動が発生しない。

[0017] 図 6A、図 6Bはアーム幅の中心に対してトリミング部をずらして形成した振動子の正 面図である。このようにトリミング部 17の形成位置が音叉アーム 12及び 13の平面部 のアームの幅の中心から稜部に向かってずれているときは、そのずれ量に応じて、図 7に示すように、線形に不要振動の振動量が変化する。すなわち、線形相関にある不 要信号の変化量に応じて、音叉アーム 12及び 13のアームの幅の中心を基準に、トリ ミング部 17の形成位置を決めることにより、質量バランスを確保して、不要信号の発 生を抑制できる。よって、不要信号の大きさに応じてトリミング部 17の形成位置を音 叉アーム 12及び 13の幅方向で調整することにより、容易に不要信号を除去すること が可能である。

[0018] また、トリミングを施す加工面としては、音叉アーム 12及び 13の電極 15を形成しな い裏側の他方の面を用いるのがよい。なぜなら、電極 15を形成した電極面 16を加工 するとなると、加工位置が電極 15の形成パターンに制約されるため、任意の位置を 加工することができなかったり、レーザによる熱の影響で、電極 15を構成する PZTの 特性が変化したりする可能性があるからである。

[0019] さらに、トリミング時にレーザを用いるのは、加工精度が高いことと、加工により溶融 除去された屑の発生を低減できるからである。具体的には、 355nmの波長を用いる ことで、レーザ照射による溶融屑の発生を抑えることができる。もちろん、波長をさらに 短くすることで溶融屑をさらに少なくすることも可能である。そして、もっと波長が短け れば短い程、精密な加工が出来る。しかし、短くするほど装置が高価になりコストも嵩 む。装置コストや安定性を考えると、現在時点では 355nmが好ましい。

[0020] また、トリミング部 17を形成する位置は、音叉アーム 12及び 13の同じ箇所に行うこ とが望ましい。 2つの音叉アーム 12及び 13の内、一方のみをトリミングして、音叉不 要信号を低減することも可能であるが、このような加工を行うと、トリミング量 (質量変 ィ匕）が多い場合、音叉左右アームの質量がアンバランスになり、初期特性としては音 叉不要信号を低減することができたとしても、温度特性を考慮すると、出力変動が大 きくなる可能性があるからである。よって、全てのアームで均等に行うことが望ましい。

[0021] なお、本発明の一実施の形態では、振動子 10に対して個別にトリミングを行う形態 について説明したが、ウェハ状態で個々の振動子 10の不要信号レベルを計測し、そ の不要信号レベルに応じてトリミング部 17の位置を決定し、ウェハ状態でレーザによ るトリミングを行ってもよい。ウェハ状態でトリミングを行うことにより、トリミング後の洗浄 が容易にできるため、トリミング時に発生した加工屑を容易に除去することができる。 また、センサとして振動子、 ICを組み込んだ後にトリミングする場合には、トリミングに よる加工屑がパッケージ内に入り込んだりする可能性があるが、ウェハ状態でのトリミ ングであれば、そのような不具合も発生しない。

[0022] また、本発明の一実施の形態では、機械的に強度が大であることや半導体プロセ ス技術により高精度な加工が容易であるという点から振動子 10の構造体にシリコン（ Si)を用いた例について説明した力 非圧電材料であれば、例えば、 Si表面を酸化さ せたもの、ダイヤモンド、溶融石英、アルミナ、 GaA等を用いることも可能である。 産業上の利用可能性

本発明に係る慣性力センサは、トリミングに起因した音叉アームの破損を防止する ことができ、各種電子機器に適用できる耐久性および精度の高いものである。

Claims

請求の範囲

複数のアームと、前記アームを連結する基部とを有した振動子を備え、前記アームに は平面部にトリミング部を形成したことを特徴とする慣性力センサ。

全てのアームの質量を互いに同等とした請求項 1に記載の慣性力センサ。

前記アームの一方の面に電極を形成し、前記アームの他方の面に前記トリミング部を 形成した請求項 1記載の 1貫性力センサ。

前記トリミング部がレーザでカ卩ェ形成された請求項 1記載の慣性力センサ。

前記レーザの波長は 355nm以下の請求項 4記載の慣性力センサ。

前記トリミング部は前記アームの稜部と平行に形成された請求項 1記載の慣性力セン サ。

前記トリミング部は前記アームの平面部の幅の 5%から 95%の間の部分に形成され た請求項 1記載の 1貧性力センサ。