JP2013167595A - Method of adjusting three-axis angular velocity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a method for adjusting a triaxial angular velocity sensor using three axes orthogonal to each other as detection axes.
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。 Normally, the angular velocity detection using the Coriolis force is, for example, when a tuning fork type sensor element is used, driven and vibrated in a symmetric direction within a vibration plane including a pair of vibrating pieces constituting the sensor element, and the angular velocity is detected. It is known that detection vibration is generated in a direction orthogonal to the vibration plane by application, and a deflection component due to the detection vibration is converted into an electric signal and output as an angular velocity signal.
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。 And in order to raise the detection accuracy of the angular velocity sensor using such a sensor element, it is necessary to raise the vibration precision in the drive vibration of a sensor element. That is, the sensor element is driven to vibrate in order to use the Coriolis force. However, since the vibration directions of the driving vibration and the detection vibration are orthogonal to each other, an angular velocity is applied unless the driving vibration is vibrated in the vibration plane. Even in the absence, vibration components other than the in-plane vibration component are output as unnecessary signals.
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。 For this reason, as a method for improving the vibration accuracy of the drive vibration, a method is used in which one vibration piece is partially trimmed to ensure a mass balance with the other vibration piece and to improve the vibration accuracy.
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。 As prior art document information related to the invention of this application, for example, Patent Document 1 is known.
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。 However, in recent years, the development of a three-axis angular velocity sensor with three axes orthogonal to each other as detection axes has been underway, and a single detection is performed to detect the effect of Coriolis force on the vibration components by combining a large number of vibration pieces. If any of the vibrating bars is trimmed to adjust the mass balance with respect to the shaft, the mass balance of another detection shaft will be affected. Therefore, it is difficult to adjust the vibration accuracy of such a three-axis angular velocity sensor. It was.
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。 Therefore, the present invention solves such a problem and provides an adjustment method capable of easily adjusting the vibration accuracy in the triaxial angular velocity sensor.
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。 In order to achieve this object, the present invention provides a three-axis angular velocity sensor in which a sensor element and a control circuit element are housed in one package. The sensor element includes four vibrating pieces arranged symmetrically about the base. Then, a pair of vibrating pieces whose detection signals corresponding to the detection axes have the same phase is trimmed with respect to one set to adjust the mass balance with respect to each detection axis.
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。 By using this adjustment method, it is possible to easily adjust the vibration accuracy in the triaxial angular velocity sensor.
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。 Hereinafter, a three-axis angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
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。
The triaxial angular velocity sensor shown in FIG. 1 detects angular velocity using Coriolis force, and the basic structure thereof is a
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。
Further, as shown in FIG. 2, the
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。
The vibrating
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。
The vibrating
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。
The
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。
The
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。
The
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。
Next, detection of angular velocity by the
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。
In this driving vibration state, when an angular velocity is applied around the X axis, as shown in FIG. 3, Coriolis force acts on the vibration component in the Y axis direction in the driving vibration indicated by the broken arrow. The
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。
When an angular velocity is applied around the Y axis, as shown in FIG. 4, Coriolis force acts on the vibration component in the X-axis direction in the drive vibration indicated by the dashed arrow, so that the
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。
When an angular velocity is applied around the Z axis, as shown in FIG. 5, Coriolis force acts on the drive vibration indicated by the dashed arrow, so that the
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。
Next, a method for manufacturing the triaxial angular velocity sensor will be described. The
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。
In dry etching when the
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。
Therefore, a method for adjusting the mass balance will be described below. When detecting the angular velocity around the X axis, the
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。
When detecting the angular velocity around the Y axis, as described with reference to FIG. 4, the
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。
When the angular velocity around the Z axis is detected, as described in FIG. 5, the
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。
As described above, the four vibrating
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。 Further, it is preferable that the portion to be trimmed differs depending on the detection axis to be adjusted, and it is preferable to trim the maximum displacement portion in the detection vibration corresponding to each detection axis.
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。
Specifically, when the X axis is the detection axis, the maximum displacement portion is, as shown in FIG. 6, the
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。
As described above, the
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。
Further, the adjustment of the mass balance by trimming can shorten the time required for the adjustment by standardizing the adjustment amount in one trimming and controlling the adjustment amount of the mass balance by the number of trimmings. This is because the
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。
Further, when trimming is performed after the
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。
When trimming is performed in a state closer to a finished product, the surface of the
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。
In general, a laser trimming machine is used for such trimming, but the surface to be trimmed is a surface on which the
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。 Therefore, as described above, an effective region for trimming can be specified in advance, and by setting this portion as a non-electrode forming portion where the substrate surface is exposed, it is only necessary to set the trimming wavelength in trimming adjustment to the substrate material. Can be simplified.
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。 The present invention has an effect that vibration balance can be easily adjusted in a triaxial angular velocity sensor, and is particularly used for electronic devices that require small and highly accurate characteristics such as digital cameras and car navigation systems. This is useful in an axial angular velocity sensor.
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
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Cited By (2)
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JP2016156775A (en) * | 2015-02-26 | 2016-09-01 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Angular velocity sensor element |
CN108020220A (en) * | 2017-12-07 | 2018-05-11 | 中国人民解放军国防科技大学 | Tangential driving double-differential butterfly wing type silicon micro gyroscope and application method thereof |
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- 2012-02-17 JP JP2012032322A patent/JP2013167595A/en active Pending
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