特開 2024-172913 慣性センサ、および共振器の位置調整方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024172913

(43)【公開日】2024-12-12

(54)【発明の名称】慣性センサ、および共振器の位置調整方法

(51)【国際特許分類】

   G01C 19/5691 20120101AFI20241205BHJP

【ＦＩ】

G01C19/5691

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023090968

(22)【出願日】2023-06-01

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】520124752

【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】110001128

【氏名又は名称】弁理士法人ゆうあい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 啓太郎

(72)【発明者】

【氏名】原田 翔太

(72)【発明者】

【氏名】後藤 勝昭

(72)【発明者】

【氏名】稲垣 優輝

(72)【発明者】

【氏名】西川 英昭

(72)【発明者】

【氏名】吉田 貴彦

(72)【発明者】

【氏名】川合 祐輔

【テーマコード（参考）】

2F105

【Ｆターム（参考）】

2F105AA02

2F105BB07

2F105BB09

2F105BB15

2F105CC04

2F105CD03

2F105CD05

2F105CD06

2F105CD07

(57)【要約】

【課題】共振器と実装基板との接合後に、共振器と実装基板の複数の電極とのギャップの変動を低減可能な慣性センサおよびその調整方法を提供する。
【解決手段】共振器２は、環状の三次元曲面を有する曲面部２１と、曲面部２１から延設される接続部２２とを備える。実装基板３は、互いに距離を隔てて共振器２を囲む複数の電極部５３と、接続部２２の直下領域に配置されるアクチュエータ５２とを備える。実装基板３のなす平面における一方向およびこれに直交する方向をｘ方向、ｙ方向として、アクチュエータ５２は、少なくともｘ方向およびｙ方向の二方向に変位可能であり、共振器２を移動させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

慣性センサであって、
環状の三次元曲面を有する曲面部（２１）と、前記曲面部から前記曲面部のなす半球形状の中心に向かって延設される接続部（２２）とを有する共振器（２）と、
互いに距離を隔てるとともに、距離を隔てて前記共振器を囲む複数の電極部（５３）を有する実装基板（３）と、
前記実装基板のなす平面における一方向をｘ方向とし、前記平面において前記一方向に直交する他方向をｙ方向として、前記実装基板のうち前記共振器の前記接続部が接続される部分の直下に位置する領域に配置され、少なくとも前記ｘ方向および前記ｙ方向の二方向に変位可能なアクチュエータ（５２）と、を備え、
前記共振器は、共振モードにおいて、第一駆動モードと、前記第一駆動モードとは異なる方向に沿った第二駆動モードとを有し、
前記アクチュエータは、前記二方向に変位することで、前記実装基板に対する前記アクチュエータの位置を変更する、慣性センサ。

【請求項2】

前記アクチュエータは、前記二方向に変位する部分を第一変位部（５２１）とし、前記平面に対して直交する方向をｚ方向として、前記ｚ方向に変位する複数の第二変位部（５２２）をさらに備える、請求項１に記載の慣性センサ。

【請求項3】

前記アクチュエータは、前記二方向に変位する部分を変位した位置に固定可能な固定部（５５）をさらに備える、請求項１または２に記載の慣性センサ。

【請求項4】

環状の三次元曲面を有する曲面部（２１）と、前記曲面部から前記曲面部のなす半球形状の中心に向かって延設される接続部（２２）とを有する共振器（２）が実装基板（３）に搭載されてなる慣性センサにおける前記共振器の位置調整方法であって、
前記実装基板のうち前記共振器の前記接続部が接続される部分の直下に位置する領域に配置されるアクチュエータ（５２）を駆動させ、前記実装基板に対する前記共振器の位置を変更すること、を含み、
前記共振器の位置を変更することにおいては、前記実装基板のなす平面に対する法線方向から見たときの前記共振器の中心を通り、前記法線方向に沿った仮想直線を軸とする径方向を基板径方向（Ｄ_Ａ）とし、前記実装基板のうち搭載された前記共振器を囲む複数の電極部（５３）と前記共振器との前記基板径方向における距離を電極間距離（Ｄ１、Ｄ２）として、前記電極間距離の最大値と最小値との差を最小となるように、前記アクチュエータを駆動する、位置調整方法。

【請求項5】

前記共振器の位置を変更することにおいては、複数の前記電極部のうち前記共振器を共振モードで振動させたときの第一駆動モードに沿った方向に位置する前記電極部を第一検出電極（５３Ａ）とし、前記第一駆動モードとは異なる方向の振動モードである第二駆動モードに沿った方向に位置する前記電極部を第二検出電極（５３Ｂ）として、前記共振器と前記第一検出電極との前記電極間距離と、前記共振器と前記第二検出電極との前記電極間距離とが等しくなるように、前記アクチュエータを駆動する、請求項４に記載の位置調整方法。

【請求項6】

環状の三次元曲面を有する曲面部（２１）と、前記曲面部から前記曲面部のなす半球形状の中心に向かって延設される接続部（２２）とを有する共振器（２）が実装基板（３）に搭載されてなる慣性センサにおける前記共振器の位置調整方法であって、
前記実装基板のうち前記共振器の前記接続部が接続される部分の直下に位置する領域に配置されるアクチュエータ（５２）を駆動させ、前記実装基板に対する前記共振器の位置を変更すること、を含み、
前記共振器の位置を変更することにおいては、前記共振器を囲む前記実装基板の複数の電極部（５３）のうち１つの前記電極部と前記共振器のうち前記１つの前記電極部と対向する部分との間における静電容量の最大値と最小値との差が最小となるように、前記アクチュエータを駆動する、位置調整方法。

【請求項7】

前記共振器の位置を変更することにおいては、複数の前記電極部のうち前記共振器を共振モードで振動させたときの第一駆動モードに沿った方向に位置する前記電極部を第一検出電極（５３Ａ）とし、前記第一駆動モードとは異なる方向の振動モードである第二駆動モードに沿った方向に位置する前記電極部を第二検出電極（５３Ｂ）として、前記共振器と前記第一検出電極との静電容量と、前記共振器と前記第二検出電極との静電容量とが等しくなるように、前記アクチュエータを駆動する、請求項６に記載の位置調整方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、三次元曲面形状を有する共振器を備える慣性センサ、および共振器を実装基板に接合した後における共振器の位置の調整方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、車両の自動運転のシステム開発が進められており、この種のシステムでは、高精度の自己位置の推定技術が必要である。例えば、いわゆるレベル３の自動運転向けに、ＧＮＳＳとＩＭＵとを備える自己位置推定システムの開発が進められている。ＧＮＳＳとは、Global Navigation Satellite Systemの略称である。ＩＭＵは、Inertial Measurement Unitの略称であり、例えば、３軸のジャイロセンサと３軸の加速度センサから構成される６軸の慣性力センサである。将来的に、いわゆるレベル４以上の自動運転を実現するためには、現状よりもさらに高精度のＩＭＵが求められる。

【0003】

このような高精度のＩＭＵを実現するためのジャイロセンサとしては、ＢＲＧが有力視されており、ワイングラスモードで振動する略半球形状の三次元曲面を有する共振器が実装基板に搭載されてなる。ＢＲＧとは、Bird-bath Resonator Gyroscopeの略称である。この共振器は、振動の状態を表すＱ値が１０^６以上に達するため、従来よりも高精度が見込まれる。この種の共振器を実装基板に搭載してなる慣性センサの製造方法としては、例えば特許文献１に記載のものが挙げられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】米国特許第１０６１２９２５号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載の慣性センサは、三次元曲面を有する共振器を実装基板に搭載した後、共振器とこれに対向する複数の対向電極との間にこれらを一時的に繋ぐ犠牲層を設け、犠牲層の一部をエッチングして分離する工程を経て得られる。このため、この慣性センサは、共振器と複数の対向電極とのギャップが均一となり、これらの間における静電容量のバラツキが低減され、センサ精度が向上する。しかしながら、この慣性センサは、製造時点においては共振器と複数の対向電極とのギャップが均一であるものの、その後の応力や温度変化、経年変化により当該ギャップに変化が生じた場合には対応することができない。

【0006】

本開示は、上記の点に鑑み、三次元曲面を有する共振器が実装基板に接合されてなり、共振器と実装基板との接合後に、共振器と実装基板の複数の電極とのギャップの変動を低減可能な慣性センサ、および共振器の位置調整方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の１つの観点による慣性センサは、環状の三次元曲面を有する曲面部（２１）と、曲面部から曲面部のなす半球形状の中心に向かって延設される接続部（２２）とを有する共振器（２）と、互いに距離を隔てるとともに、距離を隔てて共振器を囲む複数の電極部（５３）を有する実装基板（３）と、実装基板のなす平面における一方向をｘ方向とし、平面において一方向に直交する他方向をｙ方向として、実装基板のうち共振器の接続部が接続される部分の直下に位置する領域に配置され、少なくともｘ方向およびｙ方向の二方向に変位可能なアクチュエータ（５２）と、を備え、共振器は、共振モードにおいて、第一駆動モードと、第一駆動モードとは異なる方向に沿った第二駆動モードとを有し、アクチュエータは、二方向に変位することで、実装基板に対するアクチュエータの位置を変更する。

【0008】

この慣性センサは、三次元曲面形状の振動子である共振器が実装基板に接合されてなり、実装基板のうち共振器の接続部が接続される部分の直下に位置する領域にアクチュエータが配置されている。アクチュエータは、実装基板のなす平面におけるｘ方向およびｙ方向の少なくとも二方向に変位し、共振器の位置を変更する。このため、共振器と実装基板との接合後に、共振器と実装基板の複数の電極とのギャップの変動を低減可能な慣性センサとなる。

【0009】

本開示の１つの観点による位置調整方法は、環状の三次元曲面を有する曲面部（２１）と、曲面部から曲面部のなす半球形状の中心に向かって延設される接続部（２２）とを有する共振器（２）が実装基板（３）に搭載されてなる慣性センサにおける共振器の位置調整方法であって、実装基板のうち共振器の接続部が接続される部分の直下に位置する領域に配置されるアクチュエータ（５２）を駆動させ、実装基板に対する共振器の位置を変更すること、を含み、共振器の位置を変更することにおいては、実装基板のなす平面に対する法線方向から見たときの共振器の中心を通り、法線方向に沿った仮想直線を軸とする径方向を基板径方向（Ｄ１）とし、実装基板のうち搭載された共振器を囲む複数の電極部（５３）と共振器との基板径方向における距離を電極間距離（Ｄ１、Ｄ２）として、電極間距離の最大値と最小値との差を最小となるように、アクチュエータを駆動する。

【0010】

この位置調整方法は、三次元曲面形状の振動子である共振器が実装基板に接合された慣性センサにおいて、実装基板のうち共振器の接続部が接続される部分の直下に位置する領域に配置されたアクチュエータを駆動させ、共振器の位置を変更することを含む。実装基板のうち搭載された共振器を囲む複数の電極部の１つと共振器との距離である電極間距離の最大値と最小値との差を最小となるように、アクチュエータを駆動する。これにより、共振器と実装基板との接合後に、共振器と実装基板の複数の電極とのギャップの変動を低減することが可能な共振器の位置調整方法となる。

【0011】

本開示の別の１つの観点による位置調整方法は、環状の三次元曲面を有する曲面部（２１）と、曲面部から曲面部のなす半球形状の中心に向かって延設される接続部（２２）とを有する共振器（２）が実装基板（３）に搭載されてなる慣性センサにおける共振器の位置調整方法であって、実装基板のうち共振器の接続部が接続される部分の直下に位置する領域に配置されるアクチュエータ（５２）を駆動させ、実装基板に対する共振器の位置を変更すること、を含み、共振器の位置を変更することにおいては、複数の電極部のうち１つの電極部と共振器のうち１つの電極部と対向する部分との間における静電容量の最大値と最小値との差が最小となるように、アクチュエータを駆動する。

【0012】

この位置調整方法は、三次元曲面形状の振動子である共振器が実装基板に接合された慣性センサにおいて、実装基板のうち共振器の接続部が接続される部分の直下に位置する領域に配置されたアクチュエータを駆動させ、共振器の位置を変更することを含む。実装基板のうち搭載された共振器を囲む複数の電極部の１つと共振器との間の静電容量の最大値と最小値との差を最小となるように、アクチュエータを駆動する。これにより、共振器と実装基板との接合後に、共振器と実装基板の複数の電極とのギャップの変動を低減することが可能な共振器の位置調整方法となる。

【0013】

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】第１実施形態の慣性センサを示す断面図である。

【図2】図１の慣性センサのうちパッケージに収納される部分を示す斜視断面図である。

【図3】図１の慣性センサに搭載される共振器の一例を示す断面図である。

【図4】図１の慣性センサにおける共振器の振動モードおよび当該振動モードにおける２つの駆動モード、並びに検出電極の一例を示す図である。

【図5】アクチュエータの駆動による共振器の位置調整の第１の説明図である。

【図6】アクチュエータの駆動による共振器の位置調整の第２の説明図である。

【図7】第２実施形態の慣性センサを示す断面図である。

【図8】第２実施形態に係るアクチュエータを示す上面図である。

【図9】図８のＩＸ方向から見た矢視図である。

【図10】第２実施形態の慣性センサの変形例を示す断面図である。

【図11】第３実施形態の慣性センサに係るアクチュエータおよび固定部を示す拡大断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本開示の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

【0016】

（第１実施形態）
第１実施形態の慣性センサ１について、図１～図６を参照して説明する。

【0017】

図１では、慣性センサ１の構成を分かり易くするため、別断面に位置する後述の第１電極部５３および電極膜５３１の外郭を破線で示している。図２では、慣性センサ１の構成を分かり易くするため、慣性センサ１のうち後述する下部基板４、上部基板５および共振器２の一部を省略しつつ、共振器２の断面構成を部分的に示している。

【0018】

以下、説明の便宜上、図２に示すように、実装基板３のなす平面方向の一方向を「ｘ方向」と、同平面上において当該一方向に直交する他方向を「ｙ方向」と、ｘｙ平面に対する法線方向を「ｚ方向」と、それぞれ称する。図２以外の図中のｘ、ｙ、ｚ方向は、図２のｘ、ｙ、ｚ方向にそれぞれ対応するものである。また、本明細書における「上」とは、図中のｚ方向に沿った方向であって、矢印側を意味し、「下」とは上の反対側を意味する。さらに、本明細書では、ｚ方向上側から慣性センサ１、共振器２あるいは実装基板３を見た状態を「上面視」と称することがある。

【0019】

〔基本構成〕
本実施形態の慣性センサ１の基本構成について説明する。慣性センサ１は、例えば図１に示すように、共振器２と、実装基板３と、アクチュエータ５２と、筐体６と、蓋材７とを備え、共振器２、実装基板３、アクチュエータ５２が筐体６に収納され、蓋材７に覆われててなる。慣性センサ１は、例えば、後述する第一駆動モードおよび第二駆動モードで振動可能な薄肉の共振器２の一部と実装基板３のうち複数の第１電極部５３との間における静電容量の変化に基づいて、慣性センサ１に印加された角速度の検出が可能となっている。

【0020】

共振器２は、本実施形態では、例えば図３に示すように、略半球形状の三次元曲面の外形を含む曲面部２１と、曲面部２１のなす仮想半球の頂点側から当該半球の中心側に向かうように延設された接続部２２とを備える三次元対称構造の微小振動体である。共振器２は、例えば、曲面部２１が椀状の三次元曲面を有し、その振動のＱ値が１０^５以上となっている。

【0021】

共振器２は、本実施形態では、例えば、曲面部２１および接続部２２を有する基部が、石英ガラス、ホウケイ酸ガラスなどの添加物含有のガラス、金属ガラス、シリコン等によりなる熱可塑性を有するリフロー材料で構成される。なお、共振器２の基部は、三次元曲面形状とされた曲面部２１および接続部２２を形成でき、ワイングラスモードでの振動が可能なリフロー材料で構成されていればよく、前述の材料例に限定されない。共振器２は、例えば、後述する形成工程により、上記した材料で構成された薄肉基材を加工して形成されることで、曲面部２１および接続部２２の厚みが１０μｍ～１００μｍといった具合のマイクロメートルオーダーの薄肉部材とされる。共振器２は、例えば、実装基板３の厚み方向に沿った方向を高さ方向として、高さ方向の寸法が２．５ｍｍ、後述するリム２１１の表面２ａ側の外径が５ｍｍといったミリサイズのバードバス形状である。

【0022】

共振器２は、例えば、厚み１００μｍ以下の石英板を、凹部と凹部の中心にて石英板の加熱軟化時にその一部を支える支柱部とを備える図示しない型にセットし、火炎等の加熱手段により軟化させつつ、凹部内を真空引きすることで曲面部２１が形成される。例えば、この工程により、石英板のうち図示しない型の支柱部に支えられた部分が曲面部２１に対して有底筒状に凹んだ形状の接続部２２となり、凹部から外側にはみ出した部分については加工されずに残るが、後工程で除去される。そして、例えば、図示しない型の凹部を常圧に戻して、略半球形の曲面部２１が形成された石英板を型から取り外し、任意の硬化性樹脂材料によりなる封止材で石英板を封止する。その後、例えば、封止材ごとを加工後の石英板のうち不要な部分を研磨およびＣＭＰにより除去した後、加熱や薬液等の任意の方法により封止材をすべて除去し、石英板を取り出す。なお、ＣＭＰとは、Chemical Mechanical Polishingの略称である。共振器２の基部は、例えば、上記のような製造プロセスにより製造されるが、この製法例に限定されるものではなく、他の公知の方法を採用されても構わない。例えば、共振器２の基部は、曲面部２１および接続部２２が形成された石英板を封止せずに、曲面部２１よりも外側の不要部分をレーザ加工により除去されて形成されてもよい。その後、共振器２の基部に任意の成膜法によって表面電極２３を成膜することで、共振器２を製造することができる。

【0023】

曲面部２１のうち接続部２２とは反対側の端部をリム２１１として、リム２１１は、例えば、略円筒形状とされる。なお、ここでいう略円筒形状とは、リム２１１の外側面および内側面の上端から下端までの径が同一の円筒形状だけでなく、当該上端から下端までの径が変動する筒形状も含む。言い換えると、曲面部２１は、環状曲面形状の環状部とされたリム２１１を有する構成となっている。共振器２は、外径が大きいほうの面を表面２ａとし、その反対面を裏面２ｂとして、実装基板３に搭載された際に、リム２１１が、表面２ａ側が実装基板３のうち複数の第１電極部５３と距離を隔てて向き合っている。共振器２は、リム２１１と複数の第１電極部５３との間隔が等間隔となるように搭載される。共振器２は、実装基板３への実装時において、リム２１１を含む曲面部２１が他の部材とは接触しない中空状態になる部位である。共振器２は、本実施形態では、実装基板３に搭載されたとき、中空状態のリム２１１がワイングラスモードで振動可能な構造であり、振動子とも称されうる。

【0024】

接続部２２は、実装基板３等の他の部材との接続に用いられる部位であり、例えば、有底筒状の凹部となっているが、これに限定されず、略柱状であってもよい。接続部２２は、有底筒状の凹部とされる場合、表面２ａ側の凹部底面２２ａが、例えば、共振器２を実装基板３に搭載する際の吸着搬送に用いられる吸着面とされうる。接続部２２のうち凹部底面２２ａとは反対側、すなわち裏面２ｂ側の面は、実装基板３と向き合う実装面２２ｂとなっている。

【0025】

表面電極２３は、例えば、限定するものではないが、下地側からクロムあるいはチタンで形成される密着層と、金や白金等の任意の導電性材料で形成される導電層との積層膜で構成される。表面電極２３は、例えば、スパッタリング、蒸着、ＣＶＤやＡＬＤ等の任意の成膜法により共振器２の表面２ａおよび裏面２ｂに成膜される。ＣＶＤとは、Chemical Vapor Depositionの略称である。ＡＬＤとは、Atomic Layer Depositionの略称である。表面電極２３は、例えば、少なくとも実装面２２ｂおよびリム２１１の表面２ａに成膜され、これらの部位が電気的に接続される構成となっている。表面電極２３は、共振器２の表裏面の全域を覆うベタ形状であってもよいし、フォトリソグラフィーエッチング法などによりパターニングされ、表裏面の一部を覆うパターン形状であってもよい。共振器２は、例えば、表面電極２３のうち接続部２２の実装面２２ｂを覆う部分が、図示しない導電性材料によりなる接合材を用いた接合、あるいは金属接合などにより実装基板３のアクチュエータ５２に接続されている。

【0026】

実装基板３は、例えば図１に示すように、下部基板４と、上部基板５とを備え、これらが接合された構成となっている。例えば、実装基板３は、絶縁材料のホウケイ酸ガラスにより構成された下部基板４にエッチング加工および配線成膜を施した後、半導体材料のシリコンにより構成された上部基板５を下部基板４に陽極接合し、パターニングを行うことで得られる。実装基板３は、例えば、上部基板５の側に、複数の内枠部５１と、内枠部５１を囲むように互いに離れて配置された複数の第１電極部５３と、複数の第１電極部５３から離れてこれらを囲む第２電極部５４とを備える。また、実装基板３は、例えば、下部基板４側に、例えば、内枠部５１と複数の第１電極部５３とを隔てつつ、複数の内枠部５１を囲む円環形状の溝４１と、溝４１の内側と外側とを跨ぐ複数の配線４２とを備える。

【0027】

溝４１は、例えば、図２に示すように、内枠部５１と複数の第１電極部５３との間に設けられる溝であり、ウェットエッチングにより形成される。溝４１は、共振器２のリム２１１の外径に対応する寸法とされ、共振器２を実装基板３に実装したときに、リム２１１を実装基板３に接触させないために設けられる。

【0028】

配線４２は、例えばアルミニウム等の導電性材料により構成されるとともに、複数の第１電極部５３の間を通過する配置とされ、複数の第１電極部５３とは電気的に独立している。配線４２は、例えば、複数設けられるとともに、下部基板４において溝４１を跨ぎつつ、一端側が内枠部５１に、他端が第２電極部５４にそれぞれ接続されており、これらを電気的に接続している。これにより、実装基板３は、第２電極部５４、配線４２および内枠部５１を介して、共振器２の表面電極２３に電圧印加が可能となっている。

【0029】

内枠部５１は、例えば、下部基板４に陽極接合された上部基板５にＤＲＩＥなどのドライエッチングを行うことで、複数の第１電極部５３、第２電極部５４とともに形成される。ＤＲＩＥとは、Deep Reactive Ion Etchingの略称である。内枠部５１は、例えば、上面視にて円環形状とされ、その囲まれた領域内に共振器２の接続部２２を挿入が可能な構成とされる。言い換えると、内枠部５１は、実装基板３のうち共振器２の実装面２２ｂの直下に位置する領域を直下領域として、直下領域を囲む枠体形状となっている。内枠部５１に囲まれた領域には、アクチュエータ５２が配置されている。

【0030】

アクチュエータ５２は、本実施形態では、共振器２が接続されるとともに、共振器２が接続される部分がｘ方向およびｙ方向の二方向に変位する駆動装置である。アクチュエータ５２は、例えば、圧電型、静電型あるいは電磁型の公知の構成とされる。アクチュエータ５２は、例えば、実装基板３のうち内枠部５１に囲まれた領域内に、公知のアクチュエータの製造方法により、内枠部５１の内径より小さい直径サイズで直接製造される。アクチュエータ５２は、例えば、実装基板３に設けられた図示しない配線などに接続され、外部電源からの電圧印加によりｘ方向もしくはｙ方向あるいはこの二方向に変位することが可能となっている。アクチュエータ５２は、共振器２が接合される際または接合後の経時変化により、共振器２と実装基板３との位置ズレが生じた場合に、共振器２の位置を変更し、共振器２と複数の第１電極部５３との電極間距離を修正する役割を果たす。アクチュエータ５２を用いた共振器２の位置調整方法については後述する。

【0031】

なお、アクチュエータ５２は、例えば、限定するものではないが、実装基板３の平面サイズが５ｃｍ角以上などの所定以上の大きさである場合には、実装基板３とは別体として製造された後、図示しない導電性接着剤などにより実装基板３に接着されてもよい。また、アクチュエータ５２は、例えば、共振器２が接合される部位に、ｘｙ平面における変位機構に用いられる電極などとは電気的に独立した図示しない配線が形成されており、共振器２の表面電極２３に所定の電位を印加することが可能な構成となっている。

【0032】

複数の第１電極部５３は、互いに離れて配置されるとともに、例えば図１に示すように、それぞれ上面に電極膜５３１が形成されている。複数の第１電極部５３は、例えば、電極膜５３１に図示しないワイヤが接続され、図示しない外部の回路基板等と電気的に接続されることで、その電位の制御が可能となっている。複数の第１電極部５３は、例えば、上面視にて、共振器２のリム２１１を囲みつつ、ｘｙ平面上において１つの環を描くように等間隔で互いに離れて配置される。複数の第１電極部５３は、いずれも、共振器２が搭載されたとき、共振器２のリム２１１と所定の距離を隔てた状態となり、それぞれが共振器２とキャパシタを形成する。つまり、実装基板３は、複数の第１電極部５３を介して、共振器２との間の静電容量を検出することが可能となっている。複数の第１電極部５３は、一部が静電容量を検出する検出電極とされ、共振器２の第一駆動モードに対応する方向に位置するものが第一検出電極、第二駆動モードに対応する方向に位置するものが第二検出電極とされる。

【0033】

第２電極部５４は、例えば、上面視にて、内枠部５１およびこの周囲に配置された複数の第１電極部５３を囲む１つの枠体形状とされる。第２電極部５４は、例えば、上面にアルミニウム等によりなる電極膜５４１を少なくとも１つ備え、電極膜５４１に図示しないワイヤが接続される。第２電極部５４は、少なくとも配線４２を介して共振器２の表面電極２３に接続され、電圧を印加可能な構成であればよく、枠体形状以外の形状とされてもよいし、複数配置されてもよく、その形状や配置などについては適宜変更されうる。

【0034】

筐体６は、例えば、基部がセラミックなどの絶縁性材料によりなり、少なくとも共振器２および実装基板３が収納されるパッケージ部材である。筐体６は、例えば、図示しない電極パッドや内部配線や外部端子を有し、実装基板３の第１電極部５３、第２電極部５４およびアクチュエータ５２とワイヤあるいは配線などにより接続され、これらと外部電源とを電気的に繋ぐことが可能な構造となっている。

【0035】

蓋材７は、図示しない接着材により筐体６に取り付けられ、筐体６のうち共振器２および実装基板３の収納空間の開口部を覆う部材である。蓋材７は、例えば、筐体６と同じ絶縁性材料で構成されてもよいし、筐体６と異なる絶縁性材料で構成されてもよい。蓋材７は、本実施形態では、筐体６とともに、慣性センサ１のうち共振器２および実装基板３を内包するパッケージ材を構成している。

【0036】

以上が、慣性センサ１の基本的な構成である。なお、慣性センサ１は、上記の構成に限定されるものではなく、共振器２や実装基板３の一部の構成が変更されてもよい。例えば、共振器２は、リム２１１のうちｚ方向に面する下面と接続部２２の実装面２２ｂとが同一平面上に位置するものだけでなく、リム２１１が実装面２２ｂよりも突き出す、あるいは実装面２２ｂがリム２１１よりも突き出す構成であってもよい。例えば、共振器２がリム２１１よりも実装面２２ｂのほうが突き出た構成である場合、実装基板３は、溝４１を有しない構成であってもよい。

【0037】

〔共振器の位置調整〕
まず、共振器２の振動モードおよび検出電極の割り当ての一例について、図４を参照して説明する。

【0038】

図４では、見易くするため、後述する共振モードにおける共振器２のリム２１１の外郭であって、第一駆動モードのものを一点鎖線、第二駆動モードのものを二点鎖線、これらの中間の状態のものを破線で示している。また、図４では、後述する第１検出電極５３Ａおよび第２検出電極５３Ｂを分かり易くするため、断面を示すものではないが、検出電極５３Ａ、５３Ｂにハッチングを施している。これは、後述の図６についても同様である。

【0039】

共振器２は、例えば、複数の第１電極部５３の一部から静電気力が加えられることで、リム２１１がｘｙ平面方向に振動する。そして、共振器２は、所定の共振周波数で振動させられると、例えば図４に示すように、上面視にて、リム２１１の外郭の振動振幅における腹と節とが同じｎ（ｎ：２以上の整数）となる振動モードとなる。

【0040】

なお、図４に示す共振器２の振動モードは、ｎ＝２となる共振モードであり、本明細書では「ｎ＝２モード」と称することがある。以下、共振器２が慣性センサ１の動作時にｎ＝２モードとされる場合を代表例として説明するが、共振器２は、ｎ＝３以上の高次の共振モードとされてもよい。

【0041】

共振器２は、例えばｎ＝２モードでは、図４に示すように、実線の矢印で示す方向の第一駆動モードと、破線の矢印で示す方向の第二駆動モードとの２つの異なる振動モードが生じ、これらの振動モードが交互に繰り返される。第二駆動モードは、上面視にて、第一駆動モードの方向に対して所定角度で傾いた方向に生じる。例えば、第二駆動モードは、ｎ＝２モードの場合には４５°、ｎ＝３モードの場合には３０°、ｎ＝４モードの場合には２２．５°といった具合に、第一駆動モードに対して共振モードに応じた所定角度で傾いた方向に生じる。このとき、共振器２を共振モードにした際に、複数の第１電極部５３のうち第一駆動モードの方向に位置するものを第１検出電極５３Ａとして割り当て、第二駆動モードの方向に位置するものを第２検出電極５３Ｂとして割り当てる。これにより、慣性センサ１に外部からの回転が印加されたとき、検出電極５３Ａ、５３Ｂと共振器２との静電容量の変化に基づいて、角速度や回転角度の検出が可能となる。

【0042】

続いて、アクチュエータ５２を用いた共振器２の位置調整について、図５および図６を参照して説明する。

【0043】

図５、図６では、複数の第１電極部５３および共振器２を上面視したものを示すとともに、共振器２の位置を分かり易くするため、共振器２のうちリム２１１の外郭のみを実線および破線で示している。また、図５、図６では、アクチュエータ５２による位置調整前のリム２１１の外郭を破線で、共振器２の位置ズレが生じていない状態または位置調整後のリム２１１の外郭を実線で示している。

【0044】

共振器２は、例えば図５に実線で示すように、上面視にて、複数の第１電極部５３とリム２１１を覆う表面電極２３との距離、すなわち電極間距離が均等になるように配置されることが好ましい。この場合、共振器２のリム２１１と第１電極部５３との間の静電容量の方位誤差がなく、慣性センサ１のセンサ精度が向上する。しかしながら、共振器２は、例えば図５に破線で示すように、実装基板３に接合される際、あるいは実装基板３に接合された後の経時変化により、実装基板３に対する相対位置がずれることがある。このとき、例えば、共振器２は、電極間距離が均等になる位置に配置される中心をＣ０として、中心Ｃ１が中心Ｃ０とは異なる位置となる。

【0045】

以下、説明の簡便化のため、実装基板３に対する共振器２の相対位置のズレであって、実装基板３への接合時や実装基板３への接合後の経時変化に起因するものを単に「共振器２の相対位置ズレ」と称する。

【0046】

共振器２の相対位置ズレが生じると、複数の第１電極部５３と共振器２との距離が非対称な状態、すなわちバラツキが生じた状態となり、ひいては静電容量の方位誤差が生じるため、慣性センサ１のセンサ精度が低下してしまう。そこで、慣性センサ１は、共振器２が接続されたアクチュエータ５２を駆動させ、例えば、ｘｙ平面方向に変位させ、中心Ｃ１を中心Ｃ０の位置に移動させることで第１電極部５３と共振器２のリム２１１との距離を補正することが可能な構成となっている。共振器２は、例えば、次に説明する第１ないし第４の位置調整方法により実装基板３に対する位置の補正がなされる。

【0047】

第１の位置調整方法は、アクチュエータ５２の駆動により共振器２を移動させ、共振器２と第１電極部５３との電極間距離の最大値と最小値との差を最小とする方法である。

【0048】

以下、説明の便宜上、図６に示すように、上面視したときの共振器２の中心Ｃ０を通り、実装基板３の厚み方向であるｚ方向に沿った仮想直線を軸とする径方向を「基板径方向Ｄ_Ａ」と称する。図６では、見易くするため、基板径方向Ｄ_Ａのうち１つのみを示しているが、紙面平面において中心Ｃ０を起点として放射状に広がる３６０°の全方向が基板径方向Ｄ_Ａに相当する。調整前の共振器２の中心Ｃ１および調整後の共振器２の中心Ｃ０は、上面視したときの凹部底面２２ａまたは実装面２２ｂの中心位置に相当する。

【0049】

ここで、電極間距離とは、第１電極部５３とリム２１１のうち当該第１電極部５３と対向する部分を覆う表面電極２３との基板径方向Ｄ_Ａにおける距離である。電極間距離は、例えば、図示しないカメラなどの撮像装置により得られる画像を公知の画像認証技術で解析する方法や静電容量から距離を逆算するなどの方法により得られる。まず、共振器２を実装基板３に接合した直後、あるいは接合後に所定期間が経過した場合に、電極間距離を算出し、電極間距離にバラツキが生じているとき、アクチュエータ５２を駆動させて共振器２の位置調整を行う。例えば図６に示すように、各第１電極部５３のうち電極間距離が最大のものを最大距離Ｄ_ｍａｘとし、最小のものを最小距離Ｄ_ｍｉｎとして、アクチュエータ５２は、最大距離Ｄ_ｍａｘと最小距離Ｄ_ｍｉｎとの差が最小になるように、共振器２を移動させる。これにより、共振器２と複数の第１電極部５３との電極間距離のバラツキが低減され、慣性センサ１のセンサ精度を高く保つことが可能となる。

【0050】

共振器２は、第２の位置調整方法によって位置調整が行われてもよい。第２の位置調整方法は、共振器２と第１電極部５３との電極間距離が第一軸と第二軸で等しくなるように調整する方法である。ここでいう第一軸、および第二軸とは、それぞれ、共振モードにおける第一駆動モードに沿った方向、および第二駆動モードに沿った方向を意味する。つまり、第２の位置調整方法では、共振器２と第１検出電極５３Ａとの電極間距離を距離Ｄ１とし、共振器２と第２検出電極５３Ｂとの電極間距離を距離Ｄ２として、アクチュエータ５２を駆動させ、距離Ｄ１、Ｄ２が等しくなるように共振器２を移動させる。これにより、共振器２と複数の第１電極部５３のうち少なくとも検出電極５３Ａ、５３Ｂとの電極間距離のバラツキが低減され、慣性センサ１のセンサ精度を高く保つことが可能となる。

【0051】

共振器２は、第３の位置調整方法によって位置調整が行われてもよい。第３の位置調整方法は、共振器２と複数の第１電極部５３との静電容量の値の最大値と最小値との差が最小となるように調整する方法である。これにより、共振器２と複数の第１電極部５３との間における静電容量のバラツキ、すなわち電極間距離のバラツキが低減され、慣性センサ１のセンサ精度を高く保つことが可能となる。

【0052】

共振器２は、第４の位置調整方法によって位置調整が行われてもよい。第４の位置調整方法は、共振器２と第１電極部５３との静電容量が第一軸と第二軸で等しくなるように調整する方法である。これにより、共振器２と複数の第１電極部５３のうち少なくとも検出電極５３Ａ、５３Ｂとの静電容量におけるバラツキが低減され、慣性センサ１のセンサ精度を高く保つことが可能となる。

【0053】

本実施形態によれば、共振器２が実装基板３のアクチュエータ５２に接合され、アクチュエータ５２を駆動することにより、共振器２の位置を実装基板３との接合後に調整可能な慣性センサ１となる。このため、慣性センサ１は、共振器２の相対位置ズレが生じた場合であっても、上記した第１ないし第４の位置調整方法のいずれかにより、複数の第１電極部５３における静電容量の方位誤差が低減され、センサ精度を向上させることが可能となる。

【0054】

（第２実施形態）
第２実施形態の慣性センサ１について、図７を参照して説明する。

【0055】

本実施形態の慣性センサ１は、例えば図７に示すように、アクチュエータ５２の構成が一部変更されている点で上記第１実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。

【0056】

アクチュエータ５２は、本実施形態では、例えば図７に示すように、ｘｙ平面において変位する部位である第一変位部５２１と、ｚ方向に変位する複数の第二変位部５２２とを備える。アクチュエータ５２は、第一変位部５２１によりｘｙ平面上における共振器２の位置を変更可能であるとともに、第二変位部５２２により共振器２の傾きの制御が可能となっている。

【0057】

アクチュエータ５２は、例えば図８に示すように、３つの第二変位部５２２を有する。第二変位部５２２は、例えば、上面視にて、四角形の柱状とされるが、これに限定されるものではなく、その形状や寸法などについては適宜変更されうる。アクチュエータ５２は、例えば図９に示すように、第一変位部５２１上に３つの第二変位部５２２が形成され、略等間隔で３つの第二変位部５２２が配置された構成とされる。アクチュエータ５２は、３つの第二変位部５２２上に共振器２の接続部２２が接合されており、３つの第二変位部５２２を個別にｚ方向に変位させることで、共振器２の傾き調整に用いられる。第二変位部５２２は、第一変位部５２１の変位に伴ってｘｙ平面方向に移動するとともに、ｚ方向に変位する部位である。第二変位部５２２は、例えば、先端面にｚ方向における変位に用いられる電極とは独立した図示しない電極が形成されており、共振器２の表面電極２３の電位調整が可能となる構成とされる。

【0058】

なお、図７などでは、アクチュエータ５２が第二変位部５２２を３つ有する構成を示しているが、これに限定されるものではなく、第二変位部５２２の数や配置などについては適宜変更されてもよい。例えば、アクチュエータ５２は、２つの第二変位部５２２と、第二変位部５２２と同様の突起状であるが、変位しない１つの支持部とを有する構成であってもよいし、４つ以上の第二変位部５２２を有する構成であってもよい。

【0059】

本実施形態によれば、上記第１実施形態の効果に加えて、共振器２の傾き調整も可能な慣性センサ１となる。

【0060】

（第２実施形態の変形例）
慣性センサ１は、例えば図１０に示すように、複数の第１電極部５３がリム２１１と基板径方向Ｄ_Ａに沿って対向する位置でなく、リム２１１とｚ方向において対向する位置に形成された構成であってもよい。この場合、慣性センサ１は、ｚ方向におけるリム２１１の振動モードを生じさせ、その振動振幅を検出可能な構成となる。

【0061】

本変形例によっても、上記第２実施形態と同様の効果が得られる慣性センサ１となる。

【0062】

（第３実施形態）
第３実施形態の慣性センサ１について、図１１を参照して説明する。図１１では、見易くするため、慣性センサ１のうちアクチュエータ５２の一部および後述する固定部５５を含む領域を拡大して示すとともに、他の領域の部分については省略している。

【0063】

本実施形態の慣性センサ１は、例えば図１１に示すように、アクチュエータ５２が変位した状態で固定する固定部５５を実装基板３がさらに有する構成である点で上記第１実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。

【0064】

慣性センサ１は、本実施形態では、例えば図１１に示すように、アクチュエータ５２がｘｙ平面方向に変位したとき、アクチュエータ５２の一部と嵌合し、アクチュエータ５２を変位させた状態で固定する固定部５５をさらに有してなる。

【0065】

アクチュエータ５２は、本実施形態では、例えば図１１に示すように、ｘ方向あるいはｙ方向に変位する部分の一部に固定部５５と嵌合する嵌合部５２３が形成されている。嵌合部５２３は、例えば、三角形状の突起が繰り返し形成された鋸状や櫛歯状とされる。嵌合部５２３は、例えば、アクチュエータ５２が変位する際には固定部５５と嵌合せず、アクチュエータ５２がオフ状態とされ、変位させられた方向とは逆方向に戻ろうとしたときに固定部５５と嵌合する形状とされる。言い換えると、嵌合部５２３は、固定部５５と対をなすとともに、固定部５５とラチェット機構を構成する。

【0066】

固定部５５は、アクチュエータ５２の変位部分から独立するとともに、実装基板３に固定されて変位しない部位である。固定部５５は、例えば、第１電極部５３の基部と同様にシリコンなどの半導体材料、あるいは金属材料などの任意の材料で構成される。固定部５５は、例えば、アクチュエータ５２と同様に、実装基板３上に直接形成される。固定部５５は、例えば、突起部５５１を有し、アクチュエータ５２の変位部分と対向して配置され、突起部５５１がアクチュエータ５２の嵌合部５２３と接触している。固定部５５は、例えば、嵌合部５２３が複数の略直角三角形状の突起が連続して繰り返し配列されてなる構成である場合、突起部５５１が略直角三角形状とされる。この場合、固定部５５は、例えば、突起部５５１の傾斜面５５１ａが嵌合部５２３の傾斜面５２３ａと対向し、傾斜面５５１ａが傾斜面５２３ａと略平行に配置される。また、突起部５５１の傾斜面５５１ａおよび嵌合部５２３の傾斜面５２３ａは、アクチュエータ５２をオン状態にしたときの変位方向に対して傾いている。これにより、固定部５５は、アクチュエータ５２を変位させる場合には、嵌合部５２３と嵌合せず、アクチュエータ５２の変位の妨げとはならない。

【0067】

一方、突起部５５１のうち傾斜面５５１ａに隣接する隣接面５５１ｂは、例えば、アクチュエータ５２の変位方向に対して直交する方向に延設されている。また、嵌合部５２３の傾斜面５２３ａに隣接する隣接面５２３ｂは、隣接面５５１ｂと同様に、アクチュエータ５２の変位方向に対して直交する方向に延設され、隣接面５５１ｂと対向している。これにより、固定部５５は、突起部５５１の隣接面５５１ｂと嵌合部５２３の隣接面５２３ｂと嵌合し、アクチュエータ５２が変位方向とは逆方向に移動することを防ぐ役割を果たす。このため、固定部５５は、アクチュエータ５２を駆動させた後にオフ状態にした場合おいても、アクチュエータ５２を変位後の位置で固定し、共振器２が変位前の元の位置に戻ることを抑制するラチェット機構の一部を構成する。固定部５５の数や配置などについては、嵌合部５２３の形態に応じて適宜変更されうる。

【0068】

本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様の効果に加えて、固定部５５および嵌合部５２３を有することで、共振器２をアクチュエータ５２による調整後の位置に固定することが可能な効果も得られる慣性センサ１となる。

【0069】

（他の実施形態）
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらの一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

【0070】

なお、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

【符号の説明】

【0071】

２…共振器、２１…曲面部、２２…接続部、３…実装基板、５２…アクチュエータ
５２１…第１変位部、５２２…第２変位部、５３…第１電極部、５３Ａ…第１検出電極
５３Ｂ…第２検出電極、５５…固定部、Ｄ_Ａ…基板径方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】