▶ 株式会社デンソーの特許一覧 ▶ トヨタ自動車株式会社の特許一覧 ▶ 株式会社ミライズテクノロジーズの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-03-18
(45)【発行日】2024-03-27
(54)【発明の名称】慣性センサ
(51)【国際特許分類】
G01C 19/5691 20120101AFI20240319BHJP
【ＦＩ】
G01C19/5691
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2021057614
(22)【出願日】2021-03-30
(65)【公開番号】P2022154534
(43)【公開日】2022-10-13
【審査請求日】2023-07-11
(73)【特許権者】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(73)【特許権者】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(73)【特許権者】
【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】原田 翔太
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 啓太郎
(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】吉田 貴彦
(72)【発明者】
【氏名】川合 祐輔
(72)【発明者】
【氏名】明石 照久
(72)【発明者】
【氏名】船橋 博文
【審査官】櫻井 仁
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１２－０４２４５２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－３１６０３７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－１８８６５２（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１９／００９４０２４（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｃ １９／００－１９／７２
Ｈ０１Ｌ ２９／００
Ｂ８１Ｂ ３／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
慣性センサであって、外径が大きい側の面である表面（２ａ）と前記表面の反対面である裏面（２ｂ）とを有する薄肉部材であって、環状曲面を備える曲面部（２１）と、前記曲面部から前記裏面の側に凹んだ凹部（２２）と、前記凹部の前記裏面における底面（２２ｂ）から前記裏面の側に突出する底面凸部（２３）と、前記底面凸部に設けられ、前記表面と前記裏面とを繋ぐ貫通孔（２４）と、前記表面の少なくとも一部を覆う導電層（２５）と、を有する微小振動体（２）と、
前記微小振動体の前記底面凸部が挿入される位置決め凹部（４３）を有する下部基板（４）に、前記位置決め凹部を囲む枠体状の内枠部（５１）と、互いに距離を隔てつつ、前記内枠部を囲む配置とされる複数の電極部（５３）とを有してなる上部基板（５）が接合されてなる実装基板（３）と、
前記位置決め凹部に配置され、前記微小振動体の前記底面凸部と前記実装基板とを接合する接合部材（５２）と、を備え、
前記微小振動体は、前記曲面部が中空状態となっており、
前記底面は、前記実装基板のうち前記位置決め凹部の周囲の領域に当接しており、
前記底面凸部のうち前記底面とは反対側の先端における面を先端面（２３ｂ）として、前記位置決め凹部は、前記先端面とは距離を隔てており、
前記接合部材は、少なくとも一部が前記貫通孔に入り込むと共に、前記導電層と電気的に接続されている、慣性センサ。
【請求項2】
前記導電層は、前記貫通孔の内壁の少なくとも一部を覆うと共に、少なくとも一部が前記貫通孔の内壁のうち前記表面の側の上端と前記裏面の側の下端とを繋ぐように延設されている、請求項１に記載の慣性センサ。
【請求項3】
前記導電層は、前記微小振動体のうち少なくとも複数の前記電極部と向き合うリム（２１１）の前記表面を覆うと共に、前記表面の側のみを覆っている、請求項１または２に記載の慣性センサ。
【請求項4】
前記接合部材は、前記位置決め凹部を充填している、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の慣性センサ。
【請求項5】
前記底面凸部は、前記底面の側の端部よりも前記先端の外径が小さくなる、テーパー形状または湾曲形状である、請求項１ないし４のいずれか１つに記載の慣性センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、三次元曲面を有する微小振動体を備える慣性センサに関する。
【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（Global Navigation Satellite Systemの略）とＩＭＵ（Inertial Measurement Unitの略）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。ＩＭＵは、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（Bird-bath Resonator Gyroscopeの略）が有力視されている。ＢＲＧは、ワイングラスモードで振動する三次元曲面を有する微小振動体が実装基板に搭載されてなる（例えば特許文献１）。この微小振動体は、振動の状態を表すＱ値が１０６以上に達するため、従来よりも高精度が見込まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】米国特許出願公開第２０１９／００９４０２４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
この微小振動体を用いた慣性センサで高精度を実現するためには、微小振動体のＱ値の低下を抑制する必要がある。例えば、文献T.Nagourney,A dissertation in the Univ. of Michigan, 2018によれば、この微小振動体は、表面の電極膜の成膜状態、例えば電極膜によるベース基材の被覆面積が大きいこと等によりＱ値が減少することが判明している。また、この微小振動体は、ベースとなる薄肉基材（例えば数十μｍの厚みの石英等）やその表面に形成される電極膜に傷が付いたり、電極膜が剥がれたりすると、Ｑ値が低下してしまう。そのため、この微小振動体は、Ｑ値の低下を抑制するため、電極膜の成膜状態を良好にしつつも、実装基板への搭載において傷を付けない取り扱いが求められる。
【0006】
特許文献１に記載のＢＲＧは、実装基板の一部として微小振動体の位置決め用の可動治具が形成されており、微小振動体を実装基板に載置し、可動治具により微小振動体の位置調整を行った後に、微小振動体が接合部材で実装基板に接合されることで製造される。その後、実装基板のうち可動治具の部分は、エッチング等の処理により実装基板から解放され、除去される。
【0007】
しかし、この手法は、実装基板における微小振動体の位置決め精度を確保できるものの、プロセスが多く、製造コストが増大するおそれがある。また、このＢＲＧに用いられる微小振動体は、表裏面の全域に電極膜が形成されており、電極膜の成膜状態がＱ値の低下抑制の観点で好ましくない。
【0008】
本発明は、上記の点に鑑み、ワイングラスモードで振動可能な微小振動体の電極膜によるＱ値の低下を抑制しつつも、実装基板に対して簡便かつ高精度に微小振動体の位置決めが可能な構造の慣性センサ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】
【0009】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の慣性センサは、慣性センサであって、外径が大きい側の面である表面（２ａ）と表面の反対面である裏面（２ｂ）とを有する薄肉部材であって、環状曲面を備える曲面部（２１）と、曲面部から裏面の側に凹んだ凹部（２２）と、凹部の裏面における底面（２２ｂ）から裏面の側に突出する底面凸部（２３）と、底面凸部に設けられ、表面と裏面とを繋ぐ貫通孔（２４）と、表面の少なくとも一部を覆う導電層（２５）と、を有する微小振動体（２）と、微小振動体の底面凸部が挿入される位置決め凹部（４３）を有する下部基板（４）に、位置決め凹部を囲む枠体状の内枠部（５１）と、互いに距離を隔てつつ、内枠部を囲む配置とされる複数の電極部（５３）とを有してなる上部基板（５）が接合されてなる実装基板（３）と、位置決め凹部に配置され、微小振動体の底面凸部と実装基板とを接合する接合部材（５２）と、を備え、微小振動体は、曲面部が中空状態となっており、底面は、実装基板のうち位置決め凹部の周囲の領域に当接しており、底面凸部のうち底面とは反対側の先端における面を先端面（２３ｂ）として、位置決め凹部は、先端面とは距離を隔てており、接合部材は、少なくとも一部が貫通孔に入り込むと共に、導電層と電気的に接続されている。
【0010】
これによれば、三次元曲面、三次元曲面から凹んだ凹部および凹部底面から突出する底面凸部を有する微小振動体を備え、微小振動体のうち底面凸部が実装基板の位置決め凹部に挿入されてなる慣性センサとなる。この慣性センサは、微小振動体の底面凸部が実装基板の位置決め凹部に挿入されることで位置決めされるため、微小振動体の実装基板に対する位置決めが、簡便かつ高精度になされる構造である。
【0011】
また、この慣性センサでは、微小振動体は、底面凸部に貫通孔と、表面側を覆う導電層とを有し、接合部材の一部が貫通孔に入り込んで導電層と電気的に接続されている。そのため、微小振動体の裏面については電極膜が設けられる必要がなく、導電層による微小振動体の基材の被覆面積が減少することで、微小振動体のＱ値が向上する。
【0012】
よって、この慣性センサは、微小振動体の実装基板に対する位置決めが簡便かつ高精度になされると共に、振動のＱ値が高く、高精度な構造となっている。
【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】実施形態に係る慣性センサを示す上面レイアウト図である。
【図2】慣性センサに用いられる微小振動体を示す斜視図である。
【図4A】微小振動体の形成工程のうち部材の用意工程を示す図である。
【図4F】微小振動体の形成方法の他の一例を示す図であって、導電層の形成工程を示す図である。
【図11A】慣性センサの製造における微小振動体の搭載工程を示す図であって、部材の用意工程を示す図である。
【図12】微小振動体のうち実装基板との接合部分の他の形状例を示す断面図である。
【図13】微小振動体のうち実装基板との接合部分の別の形状例を示す断面図である。
【図14】微小振動体のうち実装基板との接合部分のさらに別の形状例を示す断面図である。
【図15】微小振動体における導電層の他の形成例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明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】
【0017】
【0018】
以下、説明の便宜上、図１に示すように、紙面における左右方向に沿った方向を「ｘ方向」と、同紙面上においてｘ方向に直交する方向を「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３以降の図中のｘ、ｙ、ｚ方向は、図１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、例えば図１等に示すように、ｚ方向上側から慣性センサ１または実装基板３を見た状態を「上面視」と称することがある。
【0019】
〔基本構成〕
慣性センサ１は、例えば、図１に示すように、微小振動体２と、実装基板３とを備え、微小振動体２の一部が実装基板３に接合されてなる。慣性センサ１は、ワイングラスモードで振動することが可能な薄肉の微小振動体２と実装基板３のうち後述する複数の電極部５３との間における静電容量の変化に基づき、慣性センサ１に印加された角速度を検出する構成となっている。慣性センサ１は、例えば、ＢＲＧ構造のジャイロセンサであって、自動車等の車両に搭載される用途に適用されると好適であるが、勿論、他の用途にも適用されうる。
慣性センサ１は、例えば、図１に示すように、微小振動体２と、実装基板３とを備え、微小振動体２の一部が実装基板３に接合されてなる。慣性センサ１は、ワイングラスモードで振動することが可能な薄肉の微小振動体２と実装基板３のうち後述する複数の電極部５３との間における静電容量の変化に基づき、慣性センサ１に印加された角速度を検出する構成となっている。慣性センサ１は、例えば、ＢＲＧ構造のジャイロセンサであって、自動車等の車両に搭載される用途に適用されると好適であるが、勿論、他の用途にも適用されうる。
【0020】
微小振動体２は、例えば図２に示すように、略半球形の三次元曲面の外形を有する曲面部２１と、略半球の曲面部２１の頂点側から当該半球の中心側に向かうように凹んだ凹部２２と、凹部２２からさらに当該中心側に凹むように突出する底面凸部２３とを備える。微小振動体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１０５以上となっている。曲面部２１のうち凹部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。微小振動体２は、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のうち後述する複数の電極部５３と向き合うと共に、複数の電極部５３の間隔が等間隔となるように搭載される。
【0021】
微小振動体２は、例えば図３に示すように、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、裏面２ｂ側において底面凸部２３が凹部２２の底面２２ｂから突出している。すなわち、微小振動体２は、裏面２ｂ側から見ると、凹部２２が曲面部２１から突出する第１凸部となっており、凹部２２の先端から突出する底面凸部２３が第２凸部となる形状である。微小振動体２は、底面凸部２３が凹部２２よりも裏面２ｂ側の外径が小さくなっている。微小振動体２は、底面凸部２３が実装基板３と接合される接合部位であり、実装基板３への搭載時において、リム２１１を含む曲面部２１が他の部材と接触しない中空状態となる部位である。微小振動体２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となっている。
【0022】
微小振動体２は、例えば、底面凸部２３のうち表面２ａから見た底部、すなわち裏面２ｂから見た先端部に、表面２ａと裏面２ｂとを繋ぐ貫通孔２４が設けられている。微小振動体２は、例えば、表面２ａの全域が導電層２５により覆われる一方で、裏面２ｂには導電層２５が形成されておらず、薄肉の基材が剥き出しの状態となっている。
【0023】
導電層２５は、例えば、限定するものではないが、下地側からＣｒ（クロム）あるいはＴｉ（チタン）と、Ａｕ（金）やＰｔ（白金）等の任意の導電性材料との積層膜で構成され、電極膜として機能する。導電層２５は、例えば、スパッタリングや蒸着等の真空成膜法により微小振動体２の表面２ａに成膜される一方で、裏面２ｂに成膜されていない。その結果、微小振動体２は、表裏面のいずれにも電極膜を形成する場合に比べて、振動Ｑ値の低下が抑制されている。導電層２５は、本実施形態では、貫通孔２４の内壁を含め、底面凸部２３の表面２ａ側の壁面全域を覆っており、接合部材５２が貫通孔２４に入り込んで固化したとき、接合部材５２と電気的に接続される構成となっている。
【0024】
底面凸部２３の裏面２ｂ側における突出寸法を「底面凸部２３の高さｈ１」として、高さｈ１は、底面凸部２３の先端面が実装基板３に当接しない寸法とされている。また、微小振動体２は、底面凸部２３が実装基板３の後述する位置決め凹部４３に挿入されることで、簡便かつ高精度に、実装基板３に対する位置決めが可能な構成となっている。微小振動体２のうち凹部２２の底面２２ｂは、実装基板３への搭載時に、実装基板３のうち位置決め凹部４３の周囲の領域に当接する突き当て部となっている。この詳細については、後述する。
【0025】
微小振動体２は、底面凸部２３の底部に貫通孔２４が形成されているため、実装基板３への搭載時に、例えば図８等に示すように、接合部材５２が貫通孔２４を介して底面凸部２３の裏面２ｂ側から表面２ａ側に流れ込むことが可能な形状である。これにより、微小振動体２は、裏面２ｂに導電層２５を有しなくても、貫通孔２４に流れ込んだ接合部材５２を介して、実装基板３と電気的に接続される構造となっている。
【0026】
微小振動体２は、例えば、石英、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、シリコンやセラミック等の材料で構成される。なお、微小振動体２は、三次元曲面形状とされた曲面部２１、凹部２２および底面凸部２３を形成でき、ワイングラスモードでの振動が可能なものであればよく、前述の材料に限定されない。微小振動体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、凹部２２、底面凸部２３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なっている。微小振動体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、リム２１１の表面２ａ側の外径が５ｍｍといったミリサイズの形状となっている。
【0027】
微小振動体２は、例えば、次のような工程により形成される。
【0028】
まず、例えば図４Ａに示すように、石英板２０、三次元曲面形状を形成するための型Ｍおよび型Ｍを冷却するための冷却体Ｃを用意する。型Ｍは、例えば、石英板２０に三次元曲面形状を形成する際のスペースとなる凹部Ｍ１と、凹部Ｍ１の中心において、凹部Ｍ１の深さ方向に沿って延設され、加工時に石英板２０の一部を支える支柱部Ｍ２とを備える。型Ｍは、凹部Ｍ１の底面に貫通孔Ｍ１１が形成されると共に、支柱部Ｍ２の先端面に突起部Ｍ２１が形成されている。冷却体Ｃは、型Ｍが嵌め込まれる嵌め込み部Ｃ１と、嵌め込み部Ｃ１の底面に排気用の排気口Ｃ１１とを備え、石英板２０を加工する際に型Ｍを冷却する役割を果たす。石英板２０は、型Ｍの凹部Ｍ１の全域を覆うように配置される。
【0029】
続けて、例えば図４Ｂに示すように、石英板２０に向けてトーチＴから火炎Ｆを吹きかけ、石英板２０を溶融させる。このとき、型Ｍの凹部Ｍ１は、図示しない真空機構により冷却体Ｃの排気口Ｃ１１を通じて真空引きされている。これにより、石英板２０のうち溶融した部分は、凹部Ｍ１の底面に向かって引き延ばされると共に、その中心周辺領域が支柱部Ｍ２により支えられた状態となる。その後、石英板２０の加熱をやめて冷却することで、石英板２０は、略半球形の三次元曲面形状とされた曲面部位２０１と、曲面部位２０１の中心近傍で凹むと共に、突起部Ｍ２１の外形に追従する凹部位２０２とが形成される。また、石英板２０は、凹部Ｍ１の外側に位置する部分が、曲面部位２０１の外周端に位置し、平坦形状とされた端部２０３となる。
【0030】
次いで、型Ｍの凹部Ｍ１を常圧に戻し、加工後の石英板２０を取り外し、例えば図４Ｃに示すように、任意の硬化性樹脂材料によりなる封止材Ｅで石英板２０を封止する。その後、例えば、図４Ｄに示すように、封止材Ｅを端部２０３側の面から研磨およびＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishingの略）を行い、封止材Ｅごと端部２０３および凹部位２０２の先端部分を除去する。これにより、石英板２０は、環状曲面を有する曲面部２１、曲面部２１の頂点から凹んだ凹部２２、底面凸部２３および貫通孔２４を有する形状となる。
【0031】
そして、加熱や薬液を用いた溶解等の任意の方法により、封止材Ｅをすべて除去し、石英板２０を取り出す。続いて、例えば、図４Ｅに示すように、石英板２０のうち底面凸部２３の外径に対応する内径の凹部Ｊ１を有する治具Ｊを用意し、封止材Ｅから取り出した石英板２０を治具Ｊにセットする。最後に、例えば、スパッタリング、蒸着等の成膜プロセスにより、上記した加工後の石英板２０の表面２０ａに導電層２５を形成する。これにより、石英板２０は、外径が大きい側の面である表面２０ａが導電層２５により覆われる一方で、その反対面である裏面２０ｂが剥き出しの状態となる。
【0032】
なお、微小振動体２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い。例えば、図４Ｂに示す石英板２０を溶融するための熱源は、トーチＴによる火炎Ｆに代わって、火炎Ｆを用いた場合と同等面積で石英板２０を加熱できるヒータであってもよい。また、微小振動体２は、例えば、図４Ｂに示す工程の後に、図４Ｆに示すように端部２０３が残った状態の石英板２０の外表面に導電層２５を成膜する工程を経て製造されてもよい。この場合、微小振動体２は、図４Ｇに示すように導電層２５を成膜した石英板２０を封止材Ｅで封止して、研磨およびＣＭＰにより端部２０３を除去した後、最後に封止材Ｅを除去する工程により得られる。この場合、治具Ｊを用いることなく、後ほど除去する端部２０３を用いて石英板２０を固定でき、導電層２５の真空成膜において石英板２０を回転させることで、導電層２５の成膜バラつきをより抑制することも可能となる。また、微小振動体２の貫通孔２４は、研磨以外の方法により形成されてもよい。例えば、微小振動体２は、図４Ａに示す工程で用意する平板状の石英板２０として、型Ｍの突起部Ｍ２１の先端上に位置する部分にあらかじめ貫通孔２４が形成されたものを用意し、図４Ｂ以降の工程を経ることで形成されてもよい。このように、微小振動体２の製造工程については、適宜変更されてもよく、他の公知の方法が採用されても構わない。
【0033】
また、微小振動体２は、Ｚ方向を回転軸として回転対称な略ハーフトロイダル形状とされるが、ワイングラスモードで振動可能な形状であればよく、図示したＢＲの形状にのみ限定されるものではない。
【0034】
実装基板３は、例えば図５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、半導体材料のＳｉ（シリコン）により構成された上部基板５を陽極接合することで得られる。実装基板３は、下部基板４のうち微小振動体２が搭載される位置決め凹部４３と、これを囲む内枠部５１と、内枠部５１を囲むように互いに離隔して配置された複数の電極部５３と、電極部５３を囲むように互いに離隔して配置された外枠部５４とを備える。
【0035】
内枠部５１は、上面視にて、例えば円環形状となっているが、位置決め凹部４３を囲む枠体状であればよく、この形状に限定されない。内枠部５１は、例えば図８や図９に示すように、その外径および内径が微小振動体２に当接しない寸法となっている。
【0036】
複数の電極部５３は、エッチング溝４１の外周側の位置において、内枠部５１を囲むように互いに離れて配置されている。複数の電極部５３は、例えば図５に示すように、上面視にて、内周側および外周側の辺がそれぞれ円弧状となっており、内周側および外周側の辺それぞれを繋げると、径の異なる断続的な円を描く状態となっている。言い換えると、複数の電極部５３は、内枠部５１を囲む円環を所定間隔で均等に分割した構成となっている。
【0037】
複数の電極部５３は、例えば図６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、電位の制御が可能となっている。複数の電極部５３は、いずれも、例えば図１や図８に示すように、微小振動体２が搭載されたとき、微小振動体２のリム２１１と所定の距離を隔てた状態となり、それぞれが微小振動体２とキャパシタを形成する。つまり、実装基板３は、複数の電極部５３を介して、微小振動体２との間の静電容量を検出したり、微小振動体２との間に静電引力を生じさせ、微小振動体２をワイングラスモードで振動させたりすることが可能となっている。
【0038】
なお、実装基板３の「内周側」とは、図５に示すような上面視において、内枠部５１に囲まれた内側領域の中心側を意味し、「外周側」とは、内周側とは反対に位置する側を意味する。また、図１等には、実装基板３に１６個の電極部５３が互いに離れて環を描くように均等配置された例を示しているが、これに限定されるものではなく、電極部５３の数や配置については微小振動体２の形状やサイズ等に応じて適宜変更されうる。
【0039】
外枠部５４は、上面視にて、内枠部５１を囲む１つの枠体形状とされ、例えば図５や図７に示すように、上面にＡｌ等によりなる電極膜５４１を備える。外枠部５４は、電極膜５４１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、図示しない外部の電源等により、外枠部５４の電位制御が可能となっている。
【0040】
実装基板３は、上面視にて、下部基板４のうち円環形状の内枠部５１よりも外周側の位置に、内枠部５１を囲む環状のエッチング溝４１が形成されている。これにより、微小振動体２が実装基板３に搭載されたとき、微小振動体２は、例えば図８や図９に示すように、リム２１１を含む曲面部２１が中空状態となる。また、実装基板３は、下部基板４のうち内枠部５１に囲まれた内側領域内に、微小振動体２との接合に用いられる位置決め凹部４３が形成されている。
【0041】
実装基板３は、下部基板４のエッチング溝４１を跨ぐと共に、位置決め凹部４３の内壁や底面の一部または全部を覆うブリッジ配線４２を備える。ブリッジ配線４２は、例えばＡｌ（アルミニウム）等の導電性材料により構成されると共に、複数の電極部５３の間を通過する配置とされ、複数の電極部５３とは電気的に独立している。ブリッジ配線４２は、例えば、位置決め凹部４３を中心として一部が外枠部５４に向かって延設されると共に、その延設端部が外枠部５４により覆われている。ブリッジ配線４２は、例えば図９に示すように、位置決め凹部４３を覆う部分が、接合部材５２を介して微小振動体２の導電層２５と電気的に接続されている。つまり、ブリッジ配線４２は、外枠部５４と微小振動体２の導電層２５とを電気的に接続し、これらを同電位とする役割を果たす。これにより、微小振動体２は、外枠部５４の電位調整により、その電位制御がなされる。
【0042】
なお、内枠部５１は、例えば図９に示すように、ブリッジ配線４２を覆い、ブリッジ配線４２および接合部材５２を介して導電層２５と同電位となっているが、少なくとも導電層２５と外枠部５４とが同電位になればよく、これに限定されるものではない。例えば、内枠部５１は、上面視にて、部分的に分断された断続的な枠体形状、かつブリッジ配線４２に当接しない配置とされ、ブリッジ配線４２および導電層２５とは異なる電位であってもよい。
【0043】
位置決め凹部４３は、例えば図８や図９に示すように、微小振動体２の底面凸部２３が挿入される有底溝である。位置決め凹部４３は、例えば、その内径が、微小振動体２の底面凸部２３の外形寸法よりもやや大きい寸法とされる。位置決め凹部４３は、例えば、その内壁および底面の一部または全部がブリッジ配線４２で覆われている。位置決め凹部４３は、微小振動体２の底面凸部２３が挿入されることで、微小振動体２の実装基板３に対する位置決めを簡便かつ高精度に行うことを可能とする。また、実装基板３は、微小振動体２の底面凸部２３が位置決め凹部４３に挿入されたとき、位置決め凹部４３の周囲の領域が底面２２ｂに当接することで、微小振動体２が傾くことを抑制する。
【0044】
位置決め凹部４３は、例えば図１０Ａに示すように、ｚ方向における寸法、すなわち深さが図３に示す底面凸部２３の高さよりも大きくなっている。つまり、位置決め凹部４３は、微小振動体２が接合されたとき、底面凸部２３の先端面２３ｂとは距離を隔てる寸法となっている。これにより、微小振動体２は、底面凸部２３の先端面２３ｂと位置決め凹部４３とが接触しないと共に、底面２２ｂが実装基板３のうち位置決め凹部４３の周囲の領域に当接し、微小振動体２が実装基板３に対して傾くことが抑制される。その結果、微小振動体２は、リム２１１と実装基板３の複数の電極部５３との距離バラつき、すなわち静電容量のバラつきが低減された搭載状態となる。位置決め凹部４３は、底面４３ａあるいはこれを覆うブリッジ配線４２と、底面凸部２３とが当接しなければよく、その深さについては底面凸部２３の高さｈ１に応じて適宜変更される。
【0045】
なお、接合部材５２は、位置決め凹部４３の一部を充填する構成に限定されるものではなく、微小振動体２と実装基板３との接合強度をさらに向上させる観点から、例えば図１０Ｂに示すように、位置決め凹部４３をすべて充填していてもよい。接合部材５２は、位置決め凹部４３から微小振動体２の貫通孔２４に流れ込み、導電層２５に接触するのに十分な量であればよく、その量については適宜変更されうる。
【0046】
実装基板３は、例えば、次のような工程により製造されうる。
【0047】
まず、例えば、ホウケイ酸ガラスによりなる下部基板４を用意し、バッファードフッ酸を用いたウエットエッチングにより円環状のエッチング溝４１と、エッチング溝４１に囲まれた領域内に位置決め凹部４３とを形成する。その後、エッチング溝４１を跨ぐと共に、位置決め凹部４３の内壁や底面を覆うブリッジ配線４２を、例えばＡｌのスパッタによる成膜を用いたリフトオフ法により形成する。なお、ブリッジ配線４２の厚みは、例えば、０．１μｍ程度とされる。
【0048】
続けて、例えば、ＳｉによりなるＳｉ基板（後の上部基板５）を用意し、ホウケイ酸ガラスの下部基板４と陽極接合する。次にＳｉ基板に後の内枠部５１、複数の電極部５３、外枠部５４となる領域に区画する溝を公知のエッチング方法により形成する。
【0049】
具体的には、例えば、ＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etchingの略）によりトレンチエッチングを行って、下部基板４を露出させ、内枠部５１、複数の電極部５３、外枠部５４の各領域を分離させる。これにより、Ｓｉ基板は、互いに離隔した内枠部５１、複数の電極部５３、および外枠部５４を備える上部基板５となる。また、下部基板４に形成されたエッチング溝４１および位置決め凹部４３は、このＳｉ基板の区画工程により、上部基板５から露出した状態となる。
【0050】
最後に、例えば、複数の電極部５３および外枠部５４の上面にスパッタ等により電極膜５３１、５４１を形成する。このような工程の結果、上述した構造の実装基板３が得られる。そして、実装基板３は、微小振動体２が搭載される際に、下部基板４の位置決め凹部４３内に、接合部材５２が配置される。接合部材５２は、例えば、ＡｕＳｎ（金錫）、Ａｇ（銀）、Ａｕなどの導電性材料を有してなるペースト状の導電材とされ、シリンジ等を用いて位置決め凹部４３内に塗布される。
【0051】
なお、図５等で示す１つの実装基板３は、例えば、ウエハに上記構造の複数の実装基板３となる領域を形成し、ダイシングカット等により個片化することにより得られる。言い換えると、実装基板３の製造については、ウエハレベルでの対応が可能である。
【0052】
以上が、慣性センサ１の基本的な構成である。慣性センサ１は、駆動時には、複数の電極部５３の一部と微小振動体２との間に静電引力を生じさせることで、微小振動体２をワイングラスモードで振動させる。慣性センサ１は、微小振動体２が振動状態のときに、外部からコリオリ力が印加されると、微小振動体２が変位してその振動モードの節の位置が変化する。慣性センサ１は、この振動モードの節の変化を微小振動体２と複数の電極部５３との静電容量で検出することで、慣性センサ１に働く角速度の検出が可能となっている。
【0053】
〔慣性センサの製造方法〕
次に、本実施形態の慣性センサ１の製造方法について図１１Ａ～図１１Ｅを参照して説明するが、微小振動体２および実装基板３自体の製造については上記したため、ここでは、微小振動体２を実装基板３に接合する工程について主に説明する。
次に、本実施形態の慣性センサ１の製造方法について図１１Ａ～図１１Ｅを参照して説明するが、微小振動体２および実装基板３自体の製造については上記したため、ここでは、微小振動体２を実装基板３に接合する工程について主に説明する。
【0054】
なお、図１１Ａ～図１１Ｅは、図８に示す断面図に相当するものである。また、図１１Ｃ～図１１Ｅでは、見易くするため、後述するピックアップ機構３００の一部のみを簡易的に示すと共に、コレット３０２の内部を破線で示している。
【0055】
まず、図１１Ａに示すように、例えば、上記の方法により製造した微小振動体２および実装基板３を用意する。その後、例えば、図１１Ｂに示すように、位置決め凹部４３内に接合部材５２を配置する。接合部材５２としては、例えば、ＡｕペーストやＡｇペースト等の導電性の接合材料が用いられ、シリンジ等を用いた塗布により配置される。
【0056】
そして、例えば、実装基板３を図示しないマウンタ装置の吸着面に載置し、真空吸着により実装基板３を固定する。なお、この図示しないマウンタ装置は、吸着面を加熱可能な加熱機構を備えた構成となっている。
【0057】
続いて、例えば図１１Ｃに示すように、微小振動体２のうち凹部２２のうち表面２ａ側の底部２２ａにピックアップ機構３００の一部を挿入し、真空吸着により微小振動体２を把持する。ピックアップ機構３００は、例えば、台座部３０１と、略円筒形状のコレット３０２とを備え、台座部３０１が図示しない搬送部および真空機構に接続されており、コレット３０２による真空吸着と、吸着した物体の搬送とが可能な構成となっている。ピックアップ機構３００は、例えば、コレット３０２の最大径が凹部２２の内径よりも小さくされ、コレット３０２の先端部の外径が他の部分よりも小さくなっている。また、ピックアップ機構３００は、コレット３０２の長さが微小振動体２の凹部２２の深さよりも大きく、コレット３０２を微小振動体２の凹部２２に挿入した際に、コレット３０２が微小振動体２の底部２２ａ以外に当接しない構成となっている。これにより、微小振動体２を搬送する際に、微小振動体２の導電層２５や基材に傷が生じることが抑止される。
【0058】
一方、図示しないマウンタ装置により実装基板３を吸着した状態で加熱し、接合部材５２を溶融もしくは軟化させておく。そして、例えば図１１Ｄに示すように、上記のピックアップ機構３００を用いて、微小振動体２の底部２２ａを真空吸着により把持しつつ、微小振動体２の底面凸部２３を実装基板３の位置決め凹部４３に挿入する。これにより、実装基板３に対する微小振動体２の位置決めが簡便かつ高精度になされると共に、その後の面内方向、すなわちｘｙ平面上における微小振動体２の位置ズレが抑制される効果が得られる。
【0059】
続けて、微小振動体２を実装基板３側に近づけていき、微小振動体２の先端面２３ｂを接合部材５２に接触させる。これにより、溶融した接合部材５２は、その一部が微小振動体２の貫通孔２４に入り込み、表面２ａ側を覆う導電層２５と接触した状態となる。また、微小振動体２は、底面凸部２３の先端面２３ｂが位置決め凹部４３に当接しないため、実装基板３に対して傾くことが抑制される。
【0060】
微小振動体２の実装基板３に対する位置合わせについては、例えば、微小振動体２および実装基板３を撮像し、公知の画像処理技術によりエッジ検出により特徴点を抽出することで、相対位置を調整するといった方法で行うことができる。
【0061】
また、位置決め凹部４３は、前述したように、微小振動体２の底面凸部２３の外径に対応した内径寸法とされている。そのため、画像処理技術による微小振動体２と実装基板３との相対位置調整に加え、位置決め凹部４３への微小振動体２の嵌め込みにより、簡便かつ高精度に、実装基板３に対する微小振動体２の位置合わせ精度を確保することが可能となっている。
【0062】
その後、図示しないマウンタ装置等の吸着面の温度を下げ、溶融した接合部材５２を固化させることで微小振動体２と実装基板３とを接合する。そして、例えば図１１Ｅに示すように、コレット３０２の内部を常圧に戻して微小振動体２の真空吸着を解除し、ピックアップ機構３００を退避させ、コレット３０２を微小振動体２の凹部２２から抜き出す。
【0063】
続いて、図示しないマウンタ装置等による吸着を解除し、微小振動体２が接合された実装基板３を吸着面から取り外す。そして、実装基板３を図示しない回路基板等に搭載し、実装基板３の電極膜５３１、５４１にワイヤボンディングをし、回路基板等と実装基板３の電極部５３および外枠部５４とを電気的に接続する。最後に、例えば、実装基板３あるいは実装基板３が取り付けられる外部の部材に、図示しないキャップ材を真空環境で取り付け、微小振動体２を実装基板３と図示しないキャップ材とによりなる内部空間に気密封止する。このような工程により、実施形態に係る慣性センサ１を製造することができる。
【0064】
以上が、本実施形態の慣性センサ１の基本的な製造方法である。なお、ここでは、微小振動体２を把持する方法として凹部２２の底部２２ａを真空吸着する場合を代表例として説明したが、これに限定されるものではない。例えば、コレット３０２の構成を変更し、凹部２２の表面２ａ側の側壁を真空吸着することで把持してもよいし、機械的に当該側壁を２か所以上で押圧することで把持しても構わない。
【0065】
本実施形態によれば、曲面部２１、凹部２２、底面凸部２３および貫通孔２４を有し、表面２ａの側のみが導電層２５に覆われた微小振動体２が実装基板３に搭載された構成の慣性センサ１となる。この慣性センサ１は、表面２ａの側にのみ電極膜を有する構成であるため、表裏面の全域を電極膜で覆う構成に比べて、導電層２５による薄肉基材の被覆面積が小さく、微小振動体２のＱ値が向上する効果が得られる。また、実施形態に係る慣性センサ１は、実装基板３に位置決め凹部４３が設けられ、微小振動体２の底面凸部２３が挿入されることで、これらの相対位置が決める構造である。そのため、この慣性センサ１は、単に画像処理技術による位置合わせを行う場合よりも、簡便かつ高精度に、実装基板３に対する微小振動体２の位置決めが可能な構造となっている。
【0066】
したがって、実施形態に係る慣性センサ１は、微小振動体２の位置決めが簡便かつ高精度になされつつ、微小振動体２のＱ値が大きく、高精度が実現される構造である。
【0067】
（他の実施形態）
本発明は、実施例に準拠して記述されたが、本発明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。本発明は、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、本発明の範疇や思想範囲に入るものである。
本発明は、実施例に準拠して記述されたが、本発明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。本発明は、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、本発明の範疇や思想範囲に入るものである。
【0068】
（１）例えば、微小振動体２は、図１２に示すように、底面凸部２３が底面２２ｂ側の端部よりもその反対側の先端の外径が小さくなる傾斜面を有するテーパー形状であってもよい。例えば、図４Ａに示す型Ｍの突起部Ｍ２１の高さを大きくしつつ、その先端が根本よりも細くなる形状とすることで、底面凸部２３をテーパー形状とすることができる。
【0069】
また、微小振動体２は、例えば図１３に示すように、底面凸部２３の裏面２ｂ側の外表面が、底面２２ｂから先端面２３ｂに向かって連続的に湾曲した湾曲形状とされることで、その先端の外径が小さくなる形状であってもよい。例えば、図４Ａに示す型Ｍの突起部Ｍ２１の高さを小さくしつつ、その先端が根本よりも細くなる形状とすることで、底面凸部２３を上記の湾曲形状とすることができる。
【0070】
上記のように底面凸部２３の外形がテーパー形状や湾曲形状である場合、寸法誤差などにより、底面凸部２３のうち底面２２ｂ側の外径が位置決め凹部４３の内径に対して多少大きいときであっても、底面凸部２３の挿入が容易となる。その結果、微小振動体２は、凹部２２の底面２２ｂが実装基板３と確実に当接し、実装基板３に対する位置決めがより安定する効果が得られる形状となる。なお、図１２、図１３は、微小振動体２のうち底面凸部２３を含む一領域を拡大して示す図であって、見易くするため、底面凸部２３およびその近傍の凹部２２の一部以外の構成については省略した拡大断面図である。これは、後述する図１４についても同様である。
【0071】
このように、微小振動体２は、位置決め凹部４３に挿入可能な底面凸部２３を有し、かつ、その先端面２３ｂが位置決め凹部４３に当接しない構成であればよく、底面凸部２３の形状については適宜変更されてもよい。例えば、底面凸部２３は、テーパー形状や湾曲形状等に限定されず、底面２２ｂに対する法線方向、すなわちｚ方向下側に沿って延設された略円筒形状であってもよい。
【0072】
（２）導電層２５は、例えば、図３や図１２に示すように、貫通孔２４の内壁の一部または全部を覆っていてもよいし、図１４に示すように、貫通孔２４の内壁を覆っていなくてもよい。前者の場合、導電層２５は、少なくとも一部が、貫通孔２４の内壁のうち表面２ａ側の上端と先端面２３ｂ側の下端とを繋ぐように延設されると、微小振動体２の接合時に接合部材５２とより確実に接触する。その結果、微小振動体２と実装基板３との電気的な接続がより安定する効果が得られる。
【0073】
また、導電層２５は、少なくとも、実装基板３の複数の電極部５３と向き合うリム２１１の表面２ａ、および底面凸部２３の内壁面を覆い、これらが電気的に接続されていればよく、必ずしも表面２ａの全域を覆っていなくてもよい。導電層２５は、例えば図１５に示すように、表面２ａの一部のみを覆うパターン形状であってもよい。例えば、導電層２５は、リム２１１を覆う部分と、凹部２２および底面凸部２３の内壁面を覆う部分とが幅狭部分で接続されたパターン形状とされうる。この場合、導電層２５による微小振動体２の基材の被覆面積がさらに小さくなり、Ｑ値の低下をより抑制される構成の微小振動体２となる。
【0074】
上記パターン形状の導電層２５を有する微小振動体２は、例えば、図４Ａに示す平板状の石英板２０として、凹部Ｍ１側にパターン形状の導電層２５が形成されたものを用意し、図４Ｂないし図４Ｅの工程を行うことで形成することができる。なお、図１５では、微小振動体２を構成する導電層２５のパターン形状の一例を分かり易くするため、微小振動体２のうち曲面部２１の一部を省略して示すと共に、図２と同様に、図１５で示す角度で見えない部分の外郭を破線で示している。
【符号の説明】
【0075】
２・・・微小振動体、２ａ・・・表面、２ｂ・・・裏面、２１・・・曲面部、
２２・・・凹部、２２ｂ・・・底面、２３・・・底面凸部、２３ｂ・・・先端面、
２４・・・貫通孔、２５・・・導電層、３・・・実装基板、４・・・下部基板、
４３・・・位置決め凹部、５・・・上部基板、５１・・・内枠部、５３・・・電極部
２２・・・凹部、２２ｂ・・・底面、２３・・・底面凸部、２３ｂ・・・先端面、
２４・・・貫通孔、２５・・・導電層、３・・・実装基板、４・・・下部基板、
４３・・・位置決め凹部、５・・・上部基板、５１・・・内枠部、５３・・・電極部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図4E】
【図4F】
【図4G】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図11D】
【図11E】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】