JP2006242590A - Oscillation gyroscope sensor - Google Patents
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Description
本発明は、片持ち梁の振動素子を備える振動型ジャイロセンサに関する。 The present invention relates to a vibration gyro sensor including a cantilever vibration element.
ジャイロセンサは、例えば高ズーム率化や小型化に伴って録画画像に手振れ現象が生じやすくなるようになったビデオカメラ等に搭載されてCCD(Charge-Coupled Device)等の撮像基板上の画像情報の取り込み位置を制御する制御信号を出力する手振れ補正機構に用いられる。また、ジャイロセンサは、バーチャルリアリティ装置に用いられて動作検知器を構成したり、カーナビゲーション装置に用いられて方向検知器を構成する。 The gyro sensor is mounted on a video camera or the like that is likely to cause a camera shake phenomenon in a recorded image due to, for example, high zoom ratio and miniaturization, and image information on an imaging substrate such as a CCD (Charge-Coupled Device). This is used in a camera shake correction mechanism that outputs a control signal for controlling the take-in position. Further, the gyro sensor is used in a virtual reality device to constitute a motion detector, and is used in a car navigation device to constitute a direction detector.
ビデオカメラの手振れ補正機構は、録画画像の時間軸での位置ズレ自体のマッチングを行って補正を行うように構成したものも提供されているが、一般的にビデオカメラの保持状態の回転角を検出して対応する角速度を出力するジャイロセンサを用いて実際の手振れ量を補正するように構成したものが用いられている。ジャイロセンサには、検出機構として回転体や光学手段が用いられたり、振動素子が用いられている。 A video camera shake correction mechanism is also provided that performs correction by matching the positional deviation itself on the time axis of the recorded image, but in general, the rotation angle of the holding state of the video camera is set. A configuration in which an actual camera shake amount is corrected using a gyro sensor that detects and outputs a corresponding angular velocity is used. In the gyro sensor, a rotating body or optical means is used as a detection mechanism, or a vibration element is used.
振動型ジャイロセンサは、シリコン材の主面上に圧電薄膜層を挟んで一対の電極層を積層形成した片持ち梁の振動子部を有する振動素子を備える(例えば、特許文献1参照)。振動型ジャイロセンサは、振動子部を所定の共振周波数で振動させておき、角速度の変化によって生じるコリオリ力を圧電素子と検出電極とによって検出することで振動等による角速度の変化を検出する。振動型ジャイロセンサは、簡易な構造や短時間で起動することによる高応答性或いは小型で安価である等の特徴を有している。 The vibration-type gyro sensor includes a vibration element having a cantilever vibrator portion in which a pair of electrode layers are stacked on a main surface of a silicon material with a piezoelectric thin film layer interposed therebetween (see, for example, Patent Document 1). The vibration-type gyro sensor detects a change in angular velocity due to vibration or the like by vibrating a vibrator unit at a predetermined resonance frequency and detecting a Coriolis force generated by a change in angular velocity with a piezoelectric element and a detection electrode. The vibration-type gyro sensor has features such as a simple structure, high responsiveness by being activated in a short time, small size, and low cost.
ところで、振動型ジャイロセンサにおいては、搭載機器の小型軽量化、多機能高性能化に伴って、さらなる小型化や高性能化が要求されている。振動型ジャイロセンサにおいては、例えば各種センサと組み合わせて多機能化が図られているが、各種センサとともに1個の支持基板に搭載することによって全体として小型化が図られている。しかしながら、振動型ジャイロセンサにおいては、振動素子の各電極と支持基板側の端子部とが一般にワイヤボンディング法によって接続されており、振動素子の周囲にワイヤを引き回すためのスペースが必要で、これが小型化の実現を阻害する大きな要因となっていた。 By the way, in the vibration type gyro sensor, further downsizing and high performance are demanded with the reduction in size and weight of the mounted device and the improvement in multifunctional performance. In the vibration type gyro sensor, for example, various functions are achieved in combination with various sensors. However, the vibration gyro sensor is reduced in size as a whole by being mounted on one support substrate together with the various sensors. However, in the vibration type gyro sensor, each electrode of the vibration element and the terminal portion on the support substrate side are generally connected by a wire bonding method, and a space for routing the wire around the vibration element is required, which is small. It was a major factor that hindered the realization of the system.
振動型ジャイロセンサにおいては、小型化に伴って外部の振動等の影響を大きく受けるようになり振動素子の支持構造等が複雑となるためにコストがアップするといった問題が生じる。振動型ジャイロセンサにおいては、設置の状態が機器の仕様によって決定されることから、あらゆる状態で用いられる場合でも所定の特性が安定して得られように構成されなければならない。 In the vibration-type gyro sensor, there is a problem that the cost is increased because the structure of the vibration element becomes complicated due to the influence of external vibration and the like as the size is reduced. In the vibration type gyro sensor, since the installation state is determined by the specifications of the device, it must be configured so that predetermined characteristics can be stably obtained even when used in any state.
振動型ジャイロセンサは、上述したようにシリコン材の主面上にチタン酸ジルコン酸鉛等の圧電薄膜層を挟んで一対の電極層を積層形成した片持ち梁の振動子部を有する振動素子が備えられる。振動型ジャイロセンサにおいては、圧電薄膜層が光の照射を受けると焦電効果による電圧を発生させる特性を有しており、この焦電圧(焦電気)がセンサ出力に影響を及ぼして検出特性を低下させるといった問題がある。 As described above, the vibration type gyro sensor includes a vibration element having a cantilever vibrator portion in which a pair of electrode layers are stacked on a main surface of a silicon material with a piezoelectric thin film layer such as lead zirconate titanate sandwiched therebetween. Provided. In the vibration type gyro sensor, the piezoelectric thin film layer has a characteristic of generating a voltage due to the pyroelectric effect when irradiated with light, and this pyroelectric voltage (pyroelectricity) affects the sensor output and has a detection characteristic. There is a problem of lowering.
半導体パッケージ等においては、PN接合部に光が当たることによって起電力が発生して特性が変化する等の問題があるために、黒色等に着色したエポキシ系樹脂等の遮光性樹脂によって素子が封止される。半導体パッケージ等においては、遮光性樹脂体により素子の機械的保護とともに遮光対応による特性の向上が図られるようにしている。 In a semiconductor package or the like, there is a problem that an electromotive force is generated when light hits the PN junction and the characteristics change. Therefore, the element is sealed with a light shielding resin such as an epoxy resin colored black. Stopped. In a semiconductor package or the like, the light-shielding resin body is designed to improve the characteristics by supporting the light shielding as well as mechanically protecting the element.
一方、振動型ジャイロセンサにおいては、可動部の振動子部を有していることから、上述した半導体パッケージのように振動素子を遮光樹脂体によって封止する構造を採用することができない。振動型ジャイロセンサにおいては、従来、例えば振動素子を適宜の遮光構造を介して支持基板に実装するといった対応が図られるが、構造が複雑になるとともに大型化してしまうといった問題があった。 On the other hand, since the vibration type gyro sensor has the vibrator portion of the movable portion, a structure in which the vibration element is sealed with a light shielding resin body as in the semiconductor package described above cannot be employed. Conventionally, in the vibration type gyro sensor, for example, the vibration element is mounted on the support substrate through an appropriate light shielding structure. However, there is a problem that the structure is complicated and the size is increased.
振動型ジャイロセンサにおいては、振動素子や電子部品等の実装部品を実装した支持基板に実装空間部を構成して遮光カバー部材を組み合わせるといった対応も図られる。しかしながら、振動型ジャイロセンサは、支持基板に対して各実装部品を表面実装法によって実装することで実装工程の効率化が図られるが、遮光カバー部材を別工程により組み立てるために組立の効率化が図れないといった問題があった。 In the vibration type gyro sensor, it is possible to cope with such a case that a mounting space portion is formed on a support substrate on which mounting parts such as vibration elements and electronic parts are mounted, and a light shielding cover member is combined. However, the vibration type gyro sensor can improve the efficiency of the mounting process by mounting each mounting component on the support substrate by the surface mounting method, but the assembly efficiency is improved because the light shielding cover member is assembled in a separate process. There was a problem of not being able to plan.
振動型ジャイロセンサは、例えば支持基板の主面上に、各実装部品を覆うようにして遮光カバー部材を載せ、その開口縁を全周に亘って接着樹脂等によって接合することで実装効率の向上が図られるようになる。しかしながら、振動型ジャイロセンサにおいては、接着樹脂が一般に光透過性を有していることから、外部光が接着樹脂層を透過して内部の振動素子に作用してしまうといった問題がある。振動型ジャイロセンサにおいては、外部光の透過を抑制するために接着樹脂層の厚みを大きくすることによって、接着樹脂の充填量管理が面倒ととなったり大型化するといった問題が生じてしまう。 The vibration type gyro sensor improves mounting efficiency by placing a light-shielding cover member on the main surface of the support substrate, for example, so as to cover each mounted component, and bonding the opening edge with adhesive resin or the like over the entire circumference. Comes to be planned. However, in the vibration type gyro sensor, since the adhesive resin generally has light transmittance, there is a problem that external light passes through the adhesive resin layer and acts on the internal vibration element. In the vibration type gyro sensor, by increasing the thickness of the adhesive resin layer in order to suppress the transmission of external light, there arises a problem that managing the filling amount of the adhesive resin becomes troublesome or large.
さらに、振動型ジャイロセンサにおいては、薄型化の要求に対して、カバー部材の小型化や薄厚化によって対応を図るようにしている。しかしながら、振動型ジャイロセンサにおいては、赤外波長の光に対して充分な遮光特性を保持することが困難となり、赤外波長の光によって圧電薄膜層に焦電効果が生じて検出特性が低下するといった問題があった。 Furthermore, in the vibration type gyro sensor, the demand for thinning is dealt with by reducing the size and thickness of the cover member. However, in the vibration type gyro sensor, it becomes difficult to maintain sufficient light shielding characteristics for infrared light, and the pyroelectric effect is generated in the piezoelectric thin film layer by the infrared light, and the detection characteristics are deteriorated. There was a problem.
したがって、本発明は、小型・薄型化を保持して外部光による圧電薄膜層の焦電効果の発生を抑制して特性向上を図る振動型ジャイロセンサを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a vibration type gyro sensor that is improved in characteristics while maintaining a small size and a thin shape and suppressing generation of a pyroelectric effect of a piezoelectric thin film layer by external light.
上述した目的を達成する本発明にかかる振動型ジャイロセンサは、主面上の部品実装領域に振動素子や回路素子或いは電子部品を実装するとともに部品実装領域を囲んで枠状の遮光段部が形成された支持基板と、部品実装領域を被覆する主面部の外周部に全周に亘って外周壁部が一体に形成された略箱状を呈して支持基板の主面上に各実装部品の実装空間部を構成して組み合わされるカバー部材とを備える。振動型ジャイロセンサは、カバー部材が、外周壁部の開口縁部を主面の遮光段部と外周縁との間に構成された枠状固定部に全周に亘って固定されることにより、支持基板に組み合わされる。 The vibration-type gyro sensor according to the present invention that achieves the above-described object mounts a vibration element, a circuit element, or an electronic component in a component mounting region on the main surface, and forms a frame-shaped light shielding step portion surrounding the component mounting region. Each mounted component is mounted on the main surface of the support substrate by presenting a substantially box shape in which the outer peripheral wall portion is integrally formed over the entire periphery on the outer peripheral portion of the main surface portion covering the component mounting area. And a cover member that forms a space portion and is combined. In the vibration type gyro sensor, the cover member is fixed to the frame-shaped fixing portion formed between the light shielding step portion of the main surface and the outer peripheral edge at the opening edge portion of the outer peripheral wall portion, Combined with the support substrate.
振動型ジャイロセンサにおいては、支持基板の主面上に組み合わせたカバー部材によって、各実装部品が機械的かつ電気的に保護される。振動型ジャイロセンサにおいては、カバー部材も振動素子や電子部品等と同様に、支持基板の主面上に表面側から組み合わせを行ういわゆる表面実装法によって組み立てが行われることで、全体の組立工程の効率化が図られるようになる。振動型ジャイロセンサにおいては、カバー部材が支持基板の主面上に接着樹脂によって固定される場合でも、この接着樹脂層を透過する外部光が遮蔽段部によって各実装部品の実装領域への進入を抑制されるようになる。振動型ジャイロセンサにおいては、カバー部材と支持基板との固定部位が薄型化されて全体が薄型化される。振動型ジャイロセンサにおいては、外部光による圧電薄膜層の焦電効果の発生を抑制して、検出特性の向上が図られる。 In the vibration type gyro sensor, each mounting component is mechanically and electrically protected by a cover member combined on the main surface of the support substrate. In the vibration type gyro sensor, the cover member is assembled by a so-called surface mounting method in which the cover member is combined from the surface side on the main surface of the support substrate in the same manner as the vibration element and the electronic component. Efficiency will be improved. In the vibration type gyro sensor, even when the cover member is fixed on the main surface of the support substrate with an adhesive resin, external light transmitted through the adhesive resin layer enters the mounting area of each mounting component by the shielding step. It will be suppressed. In the vibration type gyro sensor, the fixing portion between the cover member and the support substrate is thinned to make the whole thin. In the vibration type gyro sensor, generation of pyroelectric effect of the piezoelectric thin film layer due to external light is suppressed, and detection characteristics are improved.
本発明かかる振動型ジャイロセンサによれば、部品実装領域に実装した各実装部品を覆って支持基板に組み合わされるカバー部材が、部品実装領域を囲んで形成した遮光段部と外周縁との間の枠状固定部において外周壁部の開口縁部を全周に亘って固定するように構成したことから、遮光段部によって固定部位から部品実装領域への外部光の進入が抑制されて振動素子が安定かつ正確に動作されるようにする。したがって、本発明かかる振動型ジャイロセンサによれば、薄型化が図られるとともに高感度で安定した特性を得ることが可能となる。 According to the vibration type gyro sensor of the present invention, the cover member that covers each mounted component mounted in the component mounting region and is combined with the support substrate is between the light shielding step portion formed around the component mounting region and the outer peripheral edge. Since the opening edge portion of the outer peripheral wall portion is fixed over the entire circumference in the frame-shaped fixing portion, the entrance of external light from the fixing portion to the component mounting area is suppressed by the light shielding step portion, and the vibration element is Ensure stable and accurate operation. Therefore, according to the vibration-type gyro sensor of the present invention, it is possible to obtain a stable characteristic with high sensitivity while being thinned.
以下、本発明の実施の形態として図面に示した振動型ジャイロセンサ1について、詳細に説明する。振動型ジャイロセンサ1は、図1に示すように支持基板2と、この支持基板2の主面上に組み付けられて部品実装空間部3を構成するカバー部材40とにより外観部材を構成し、例えばビデオカメラに搭載されて手振れ補正機構を構成する。また、振動型ジャイロセンサ1は、例えばバーチャルリアリティ装置に用いられて動作検知器を構成したり、カーナビゲーション装置に用いられて方向検知器を構成する。
Hereinafter, the vibration
振動型ジャイロセンサ1は、支持基板2に例えばセラミック基板やガラス基板等が用いられ、主面上に詳細を省略するが多数個のランド4を有する所定の配線パターン5が形成されて部品実装領域16が構成される。支持基板2には、各ランド4に接続されて部品実装領域16上に詳細を後述する一対の振動素子20A、20B(以下、個別に説明する場合を除いて振動素子20と総称する。)と、IC回路素子6或いは外付け用の多数個のセラミックコンデンサや適宜の電子部品7が搭載されている。
In the vibration
支持基板2には、詳細を後述するように部品実装領域16を縁ち取るようにして外周部が全周に亘って主面から段落ちされており、この段落ち部位に形成される垂直壁部が後述するように部品実装領域16に対してカバー部材40の接合部から入射される外部光を遮光する遮光段部17を構成する。支持基板2は、遮光段部17に連続する枠状の薄肉部位がカバー部材40を接合固定するためのカバー部固定領域18を構成する。
As will be described in detail later, an outer peripheral portion of the
振動型ジャイロセンサ1は、振動素子20が、詳細を後述するようにシリコン単結晶基板21(以下、シリコン基板21と略称する。)をベースにして形成され、支持基板2の部品実装領域16上に互いに90°ずれた状態で搭載される。振動素子20は、詳細を後述するが、図2及び図3に示すようにやや厚みのある矩形状に形成された基部22と、この基部22の一側部から一体に突設された振動子部23とから構成される。
In the vibration
振動素子20は、後述するようにシリコン基板21の第2主面によって構成される基部22の第2主面が支持基板2に対する実装面を構成する。振動素子20には、基部22の第2主面上に第1端子部24A乃至第4端子部24D(以下、個別に説明する場合を除いて端子部24と総称する。)が形成されるとともに、これら端子部24上にそれぞれ第1金バンプ25A乃至第4金バンプ25D(以下、個別に説明する場合を除いて金バンプ25と総称する。)が形成されている。
In the
振動素子20は、端子部24がそれぞれ支持基板2側の配線パターン5に形成したランド4に対応して形成されており、詳細を後述するように相対する端子部24とランド4とを位置合わせして支持基板2に組み合わされる。振動素子20は、この状態で支持基板2に押し当てながら金バンプ25に超音波を印加して溶着処理を施すことによって、支持基板2上に実装される。振動素子20は、所定の高さを有する金バンプ25を介して実装することによって、振動子部23がその第2主面を支持基板2の主面に対して所定の高さ位置に保持される。
The
振動素子20は、振動子部23が、シリコン基板21の第2主面によって構成される第2主面を基部22の第2主面と同一面を構成し、一端部を基部22に一体化されて片持ち梁状に突設されている。振動素子20は、振動子部23が、第1主面側をシリコン基板21の第1主面によって構成される基部22の第1主面から段落ちされることによって所定の厚みとされる。振動素子20は、振動子部23が、所定の長さと断面積を有して基部22と一体に形成された矩形の片持ち梁によって構成される。
In the
振動子部23には、第2主面上に長さ方向の略全長に亘って基準電極層(第1電極層)26が形成されるとともに、この基準電極層26上にほぼ同長の圧電薄膜層27が積層形成されている。振動子部23には、圧電薄膜層27上にほぼ同長でかつ幅狭の駆動電極層(第2電極層)28が幅方向の中央部に位置して積層形成されるとともに、この駆動電極層28を挟んで圧電薄膜層27上に一対の検出電極29R、29L(以下、個別に説明する場合を除いて検出電極29と総称する。)が積層形成されている。
In the
振動素子20は、図3に示すように基準電極層26が、その基端部からリード26−1を基部22の第2主面上に延長して第2端子部24Bと一体化されている。振動素子20は、同様にして駆動電極層28が、リード28−1を介して第3端子部24Cと一体化されている。さらに、振動素子20は、同様にして第1検出電極29Rがリード29R−1を介して第1端子部24Aと一体化されるとともに、第2検出電極29Lがリード29L−1を介して第4端子部24Dと一体化されている。
As shown in FIG. 3, the
なお、振動素子20は、上述したように基部22の第2主面上に、ほぼ四隅に位置して第1端子部24A乃至第4端子部24Dを配置するようにしたが、かかる構成に限定されるものでは無い。振動素子20は、端子部24が、各電極層からのリードの引き回しや支持基板2に対する固定数或いは大きさ等によって適宜の位置や個数を以って基部22に形成される。振動素子20は、各端子部24に対してそれぞれ金バンプ25を形成したが、図3に鎖線で示すように基部22の第2主面上に電気的接続を行わないいわゆるダミーの第5金バンプ25Eを形成するようにしてもよい。勿論、支持基板2側には、この第5金バンプ25Eが溶着固定されるダミー端子部が形成される。
As described above, the
振動型ジャイロセンサ1は、上述したように支持基板2の部品実装領域16上に第1振動素子20Aと第2振動素子20Bとを実装する。振動型ジャイロセンサ1は、第1振動素子20Aが支持基板2に対して、図1に示すように支持基板2の一方コーナ部2C−1において基部22を固定するとともに振動子部23を長さ方向の一方側縁に沿って延在させて実装する。振動型ジャイロセンサ1は、第2振動素子20Bが支持基板2に対して、コーナ部2C−1と対角位置のコーナ部2C−2において基部22を固定するとともに振動子部23を幅方向の一方側縁に沿って延在させて実装する。
The vibration
振動型ジャイロセンサ1は、後述するように振動素子20によって検出したビデオカメラの手振れによる振動状態に基づく制御信号を出力して手振れ補正機構を構成する。振動型ジャイロセンサ1は、振動素子20と接続されたIC回路素子6や電子部品7等によって構成された例えば図4に示す駆動検出回路部8を備えている。振動型ジャイロセンサ1は、駆動検出回路部8が、インピーダンス変換回路9と、加算回路10と、発振回路11と、差動増幅回路12と、同期検波回路部13と、直流増幅回路14等を備えている。
As will be described later, the vibration
駆動検出回路部8は、図4に示すように、振動素子20の第1検出電極29Rに対してインピーダンス変換回路9と差動増幅回路12とが接続される。駆動検出回路部8は、インピーダンス変換回路9に加算回路10が接続され、この加算回路10に接続された発振回路11が第2検出電極29Lと接続される。駆動検出回路部8は、差動増幅回路12と発振回路11とに同期検波回路部13が接続され、この同期検波回路部13に直流増幅回路14が接続される。なお、振動素子20の基準電極層26は、支持基板2側の基準電位15と接続される。
As shown in FIG. 4, in the drive
駆動検出回路部8は、振動素子20とインピーダンス変換回路9と加算回路10と発振回路11とによって自励発振回路を構成し、発振回路11から振動子部23に対して所定周波数の発振出力Vg0を印加することによって固有振動を生じさせる。駆動検出回路部8は、振動素子20の第1検出電極29Rからの出力Vgrと第2検出電極29Lからの出力Vglとがインピーダンス変換回路9に供給され、これらの入力に基づいてインピーダンス変換回路9から加算回路10に対してそれぞれ出力VzrとVzlとを出力する。駆動検出回路部8は、これらの入力に基づいて加算回路10から発振回路11に対して加算出力Vsaが帰還される。
In the drive
駆動検出回路部8は、振動素子20の第1検出電極29Rからの出力Vgrと第2検出電極29Lからの出力Vglとが差動増幅回路12に供給される。駆動検出回路部8は、後述するように振動素子20が手振れを検出した状態でこれら出力Vgrと出力Vglとに差異が生じることから、差動増幅回路12によって所定の出力Vdaを得る。駆動検出回路部8は、差動増幅回路12からの出力Vdaが同期検波回路部13に供給される。駆動検出回路部8は、同期検波回路部13において出力Vdaを同期検波することで直流信号Vsdに変換して直流増幅器14に供給し、所定の直流増幅を行った直流信号Vsdを出力する。
In the drive
駆動検出回路部8は、同期検波回路部13が、差動増幅回路12の出力Vdaを、発振回路11が駆動信号に同期して出力するクロック信号Vckのタイミングで全波整流した後で積分して直流信号Vsdを得る。駆動検出回路部8は、上述したようにこの直流信号Vsdを直流増幅器14において増幅して、手振れにより生じる角速度変化を検出して検出信号を検出する。
The drive
駆動検出回路部8は、インピーダンス変換回路9がハイ・インピーダンス入力z2の状態でロー・インピーダンス出力z3を得るようになっており、第1検出電極29Rと第2検出電極29L間のインピーダンスz1と加算回路10の入力間のインピーダンスz4を分離する作用を奏する。駆動検出回路部8においては、インピーダンス変換回路9を設けることによってこれら第1検出電極29Rと第2検出電極29Lとから大きな出力差異を得ることが可能となる。
The drive
駆動検出回路部8においては、インピーダンス変換回路9が入力と出力とのインピーダンス変換機能を奏し信号の大きさに影響を与えることは無い。したがって、駆動検出回路部8においては、第1検知電極29Rからの出力Vgrとインピーダンス変換回路9の一方側の出力Vzr及び第2検知電極29Lからの出力Vglとインピーダンス変換回路9の他方側の出力Vzlとがそれぞれ同一の大きさである。駆動検出回路部8においては、振動素子20によって手振れ検出が行われて第1検知電極29Rからの出力Vgrと第2検知電極29Lからの出力Vglとに差があっても、加算回路10からの出力Vsaに保持される。駆動検出回路部8においては、例えばスイッチング動作等によってノイズが重畳されることがあっても、発振回路の出力Vgoに重畳されたノイズ成分が振動素子20におけるバンドフィルタと同等の働きによって共振周波数以外の成分が除去されることで差動増幅回路12からノイズ成分が除去された出力Vdaを得る。
In the drive
振動素子20は、例えば主面の方位面が(100)面、側面の方位面が(110)面となるように切り出されたシリコン基板21をベースにして多数個が一括して形成された後に、切断工程を経て1個ずつに切り分けられる。シリコン基板21には、熱酸化処理が施されて、表裏主面上にそれぞれシリコン酸化膜(SiO2膜)30A、30Bが全面に亘って形成されている。シリコン酸化膜30A、30Bは、シリコン基板21に結晶異方性エッチング処理を施す際に保護膜として機能する。
For example, after a large number of
振動素子製造工程は、詳細を省略するが、シリコン基板21の第1主面に形成したシリコン酸化膜30Aに対して、各振動素子20の形成領域に対応した振動素子形成部位を除去して開口部を形成する工程が施される。振動素子製造工程は、シリコン基板21のシリコン酸化膜30A上に例えば感光性フォトレジスト材によってフォトレジスト層を全面に亘って形成する。振動素子製造工程は、フォトレジスト層に対して各振動素子形成部位を開口部としたマスキングを行った状態で、フォトレジスト層に対して露光、現像処理を施す。振動素子製造工程は、これらの工程を経て、振動素子形成部位に対応したフォトレジスト層を除去してシリコン酸化膜30Aを外方に臨ませる開口部を形成する。
Although details of the vibration element manufacturing process are omitted, the vibration element forming portions corresponding to the formation regions of the
振動素子製造工程は、開口部に臨ませられたシリコン酸化膜30Aを除去する第1エッチング処理を施した後に、シリコン基板21に対して振動素子20の振動子部23に対応する部位を形成する第2エッチング処理が施される。第1エッチング処理は、シリコン基板21の界面の平滑性を保持するために、シリコン酸化膜30Aのみを除去する湿式エッチング法を採用するが、この方法に限定されるものでは無く例えばイオンエッチング法等の適宜のエッチング処理であってもよい。第1エッチング処理には、エッチング液として例えばフッ化アンモニウム溶液を用いて、フォトレジスト層の開口部に臨ませられたシリコン酸化膜30Aを除去して開口部を形成することによりシリコン基板21の第1主面を外方に臨ませる。
In the vibration element manufacturing process, a portion corresponding to the
第2エッチング処理は、シリコン酸化膜30Aの開口部から外方に臨ませられたシリコン基板21を振動子部23の厚みまでエッチングする工程であり、シリコン基板21の結晶方向にエッチング速度が依存する性質を利用した結晶異方性の湿式エッチングが施される。第2エッチング処理は、エッチング液として例えばTMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)やKOH(水酸化カリウム)或いはEDP(エチレンジアミン−ピロカテコール−水)溶液が用いられる。
The second etching process is a step of etching the
第2エッチング処理は、シリコン基板21が第1主面に対して側面の対エッチング性が小さい特性によって、(100)面に対して約55°の角度の面方位となる(110)面が出現し、シリコン基板21の第1主面所定の寸法形状を有する矩形凹部を形成する。振動素子製造工程は、第1主面に多数個の矩形凹部を形成した後に、シリコン基板21からエッチング処理が施されて残ったフォトレジスト層が除去される。
In the second etching process, the (110) plane having a surface orientation of an angle of about 55 ° with respect to the (100) plane appears due to the characteristic that the
振動素子製造工程は、上述した工程を経て、シリコン基板21に矩形凹部の底面と第2主面との間に所定の厚みを有して振動子部23を構成する矩形の振動子構成部位を形成する。振動素子製造工程は、振動子構成部位の第2主面側を加工面として電極形成工程が施される。電極形成工程は、例えばマグネトロンスパッタ装置によって、第2主面上に、シリコン酸化膜30Bを介して基準電極層26を構成する第1電極層と、圧電薄膜層27を構成する圧電膜層と、駆動電極層28及び検出電極29とを構成する第2電極層とを積層形成する。
In the vibration element manufacturing process, through the above-described steps, a rectangular vibrator constituent portion that has a predetermined thickness between the bottom surface of the rectangular recess and the second main surface of the
圧電膜層形成工程は、第1電極層上に全面に亘って、圧電材料、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)をスパッタリングして所定の厚みの圧電膜層を積層形成する。圧電膜層形成工程は、電気炉により圧電膜層を加熱することによって、結晶化熱処理を施す。第2電極層形成工程は、上述した圧電膜層37上に全面に亘って、プラチナをスパッタリングしてプラチナ層を形成することによって第2電極層を積層形成する。 In the piezoelectric film layer forming step, a piezoelectric material, for example, lead zirconate titanate (PZT) is sputtered over the entire surface of the first electrode layer to form a piezoelectric film layer having a predetermined thickness. In the piezoelectric film layer forming step, a crystallization heat treatment is performed by heating the piezoelectric film layer with an electric furnace. In the second electrode layer forming step, the second electrode layer is laminated and formed by sputtering platinum over the entire surface of the piezoelectric film layer 37 to form a platinum layer.
振動素子製造工程は、上述した工程を経て最上層に形成された第2電極層に対してパターニング処理を施す第2電極層パターニング工程によって、所定形状の駆動電極層28と一対の検出電極29とを形成する。駆動電極層28は、上述したように振動子部23を駆動させる所定の駆動電圧が印加される電極であり、振動子部23の幅方向の中央領域に所定の幅を以って長さ方向のほぼ全域に亘って形成される。検出電極29は、振動子部23に発生したコリオリ力を検出する電極であり、駆動電極層28の両側に位置して長さ方向のほぼ全域に亘って互いに絶縁を保持されて平行に形成される。
The vibration element manufacturing process includes a driving
第2電極層パターニング工程は、第2電極層に対してフォトリソグラフ処理を施して駆動電極層28と検出電極29との対応部位にレジスト層を形成し、不要な部位の第2電極層を例えばイオンエッチング法等によって除去した後にレジスト層を洗浄する等の工程を経て、圧電膜層上に駆動電極層28と検出電極29とを形成する。振動素子製造工程は、上述した工程に限定されず、半導体プロセスにおいて採用されている適宜の導電層形成工程を利用して駆動電極層28や検出電極29を形成するようにしてもよいことは勿論である。
In the second electrode layer patterning step, a photolithographic process is performed on the second electrode layer to form a resist layer at a corresponding portion of the
第2電極層パターニング工程においては、基部22の形成領域に第2電極層と一体に形成された導体層にも同様のパターニング処理を施すことによって、この基部22の形成部位上に第1検出電極29Rから所定の幅を以って一体に引き出されたリード29R−1とその先端部に一体化された第1端子部24Aを形成する。第2電極層パターニング工程においては、同様にして第2検出電極29Lから所定の幅を以って一体に引き出されたリード29L−1とその先端部に一体化された第4端子部24Dと、駆動電極層28から所定の幅を以って一体に引き出されたリード28−1とその先端部に一体化された第3端子部24Cとを形成する。
In the second electrode layer patterning step, a similar patterning process is performed on the conductor layer formed integrally with the second electrode layer in the formation region of the
振動素子製造工程は、圧電膜層に対して上述した駆動電極層28と検出電極29よりも大きな面積の部位を残してパターニング処理を施すことによって、圧電薄膜層27を形成する。圧電薄膜層27は、振動子部23に対して、その幅よりもやや小幅であり基端部から先端部の先端近傍位置に亘って形成される。圧電膜層パターニング工程は、圧電膜層に対してフォトリソグラフ処理を施して圧電薄膜層27の対応部位にレジスト層を形成し、不要な部位の圧電膜層を例えば湿式エッチング法等によって除去した後にレジスト層を洗浄する等の工程を経て、圧電薄膜層27を形成する。
In the vibration element manufacturing process, the piezoelectric
振動素子製造工程は、第1電極層に対してパターニング処理を施す第1電極層パターニング工程によって、基準電極層26を形成する。基準電極層26は、振動子部23の第2主面上において、その幅よりもやや小幅で圧電薄膜層27よりも大きな幅を以って形成される。第1電極層パターニング工程においては、圧電膜層パターニング工程で基部22の形成部位を被覆していた圧電膜層が除去されることによって露出された状態の第1電極層に対して同時にパターニング処理が施される。第1電極層パターニング工程は、基部22の形成部位上に基準電極層26から所定の幅を以って一体に引き出されたリード26−1とその先端部に一体化された第2端子部24Bを形成する。
In the vibration element manufacturing process, the
振動素子製造工程においては、上述したように振動素子20を支持基板2に表面実装することから、各端子部24上に金バンプ25が形成される。金バンプ形成工程は、上述した工程を経て端子部24が形成された基部22の第2主面上に全面に亘ってめっきレジスト層を形成し、このめっきレジスト層に対してフォトグラフ処理を施すことによって端子部24をそれぞれ外方に臨ませる開口部を形成する。
In the vibration element manufacturing process, since the
金バンプ形成工程は、開口部から臨ませられた端子部24を電極として金めっき処理を施すことによって、端子部24と一体化された金バンプ25を形成する。金めっき処理は、例えばめっきレジスト層から金めっき層を所定の高さまで成長させるリフトオフ法によって行うことで、所定の高さを有する金バンプ25が形成されるようにする。なお、金バンプ形成工程は、必要に応じて基部22上にいわゆるダミーバンプ25Eも同時に形成する。
In the gold bump forming step, the
振動素子製造工程においては、振動子部23の外周部が垂直面を構成するようにシリコン基板21に対して例えば反応性イオンエッチング法による溝切り工程が施される。溝切り工程は、誘導結合型プラズマ(ICP:Indactively Coupled Prasma)を備えたエッチング装置が用いられ、エッチング工程と、エッチングした箇所に外周壁を保護するための保護膜形成工程とを繰り返すBosch(Bosch社)プロセスによる反応性イオンエッチング法が採用される。
In the vibration element manufacturing process, a grooving process by, for example, a reactive ion etching method is performed on the
振動素子製造工程においては、上述した溝切り工程によってシリコン基板21を貫通するコ字状の溝が形成されることによって各振動素子20の振動子部23の外形が形ち作りされる。振動素子製造工程においては、例えばダイヤモンドカッタ等によって基部22の部位に切断加工を施されることによって各振動素子20の切り分けが行われる。切断工程については、ダイヤモンドカッタによって切断溝を形成した後に、シリコン基板21を折って切り分けが行われる。なお、切断工程は、砥石や研削によりシリコン基板21の面方位を利用して切断を行うようにしてもよい。
In the vibration element manufacturing process, the outer shape of the
以上の工程を経て製造された振動素子20は、基部22の第2主面を実装面として、支持基板2の部品実装領域16上に表面実装される。振動素子20は、各端子部24に設けられた金バンプ25を支持基板2側の相対するランド4に位置合わせされる。振動素子20は、支持基板2に押圧した状態で超音波が印加された各金バンプ25が相対するランド4に溶着されることで支持基板2の部品実装領域16上に実装される。
The
支持基板2には、部品実装領域16上に振動素子20とともにIC回路素子6や電子部品7を実装した後に、図1矢印で示すようにその上方から部品実装空間部3を構成してカバー部材40を組み付けて振動型ジャイロセンサ1を完成させる。カバー部材40は、振動素子20等の実装部品を外部からの機械的負荷から保護するとともに外部との絶縁を保持する。カバー部材40は、外部ノイズを遮断する機能も有することが好ましく、例えばSUS材やアルミ材等の金属薄板によって形成される。カバー部材40は、後述するように振動型ジャイロセンサ1に照射される外部光を遮蔽して、振動素子20の圧電薄膜層27に焦電効果が生じないようにする遮光機能も有している。
After mounting the IC circuit element 6 and the electronic component 7 together with the
カバー部材40は、図1に示すように支持基板2の部品実装領域16を被覆するに足る外形寸法を有する主面部41と、この主面部41の外周部に全周に亘って一体に折曲形成された外周壁部42とからなる全体箱状に形成されている。カバー部材40は、外周壁部42が部品実装空間部3において振動素子20の振動子部23が振動動作を可能とさせるに足る高さを以って形成される。カバー部材40には、外周壁部42の開口縁に全周に亘って水平方向に折曲された外周フランジ部43が一体に形成されている。外周フランジ部43は、幅寸法が支持基板2の外周部に形成したカバー部材固定領域18よりもやや小幅とされる。なお、カバー部材40には、図示しないが外周フランジ部43の一部にアース凸部を形成し、振動型ジャイロセンサ1が機器に搭載された状態でグランド接続される。
As shown in FIG. 1, the
ところで、カバー部材40は、上述したように金属薄板で形成することによって、振動型ジャイロセンサ1の薄型、軽量化を図っている。カバー部材40は、このために特に外部光の赤外波長の光成分に対する遮光性が低下して、上述した遮光機能が充分に奏し得ない虞もある。カバー部材40には、この対応として主面部41と外周壁部42の表面全体に、例えば赤外波長の光を吸収する周知の赤外線吸収塗料を塗布して遮光層44が形成されている。遮光層44は、カバー部材40を通して部品実装空間部3内への赤外線の放射を遮蔽して振動素子20が安定した検出動作が行われるようにする。
By the way, the
なお、カバー部材40は、主面部41と外周壁部42の表面に赤外線吸収塗料による遮光層44を形成したが、例えば赤外線吸収塗料中にディプすることによって表裏主面の全体に遮光層44が形成されるようにしてもよい。また、カバー部材40は、その素材に応じた適宜の表面処理を施すことによって遮光層44を形成するようにしてもよい。遮光層44は、例えば黒色クロムめっき処理や、鉄系素材に実施される黒染め処理或いはアルミ系素材に実施される黒色アルマイト(登録商標)処理等によって形成される。
In the
以上のように構成されたカバー部材40は、主面部41によって部品実装領域16上に実装された各実装部品を被覆し、外周壁部42に一体に形成された外周フランジ部43がカバー部材固定領域18上に全域に亘って重ね合わされて支持基板2に組み合わされる。カバー部材40は、図5に示すようにカバー部材固定領域18上に充填されて硬化処理が施された接着樹脂45によって、重ね合わされた外周フランジ部43がカバー部材固定領域18に全周に亘って固定される。
The
振動型ジャイロセンサ1は、支持基板2に対して上述したように遮光処理が施されたカバー部材40を組み合わせることによって、部品実装空間部3が遮光空間部として構成される。しかしながら、振動型ジャイロセンサ1は、支持基板2のカバー部材固定領域18上に接着樹脂45によってカバー部材40の外周フランジ部43を接合することから、外部光が接着樹脂45を透過して部品実装空間部3の内部へ進入する虞がある。振動型ジャイロセンサ1においては、接着樹脂45を透過する外部光を遮光段部17によって遮光する。
In the vibration
振動型ジャイロセンサ1は、上述したように支持基板2に、部品実装領域16を囲んでその外周部に段落ちされたカバー部材固定領域18を形成することによって略垂直壁からなる遮光段部17を構成し、この遮光段部17の外周側でカバー部材20を固定する。振動型ジャイロセンサ1においては、図5矢印で示すように側方からの外部光が、支持基板2のカバー部材固定領域18とカバー部材40の外周フランジ部43との間の隙間から接着樹脂45を透過して部品実装空間部3内へと進入しようとする。
As described above, the vibration-
振動型ジャイロセンサ1においては、カバー部材40を接合する接着樹脂45を透過した側方からの外部光が、遮光段部17にあたっることで部品実装空間部3への進入を阻止され、この部品実装空間部3が遮光空間部として保持される。したがって、振動型ジャイロセンサ1においては、光照射による振動素子20の圧電薄膜層27における焦電効果の発生を抑制して特性低下が防止され、安定した検出動作が行われるようになる。
In the vibration
振動型ジャイロセンサ1においては、支持基板2に対してカバー部材40が振動素子20等と同様にして表面側から組み付けられるようにすることで、組立工程の合理化が図られるようになる。振動型ジャイロセンサ1においては、支持基板2に対してカバー部材40が外周フランジ部43を主面から段落ちされた部位で固定されることから、薄型化が図られるようになる。振動型ジャイロセンサ1においては、遮光段部17によってカバー部材固定領域18に塗布した接着樹脂45の部品実装領域16への流れ込みが防止され、接着樹脂45の充填量管理も簡易になる。
In the vibration
第2の実施の形態として図6に示したカバー部材固定構造50は、支持基板2の部品実装領域16の外周部と外周縁との間に位置して部品実装領域16を全周に亘って囲む枠状のカバー嵌合溝51を形成した構成に特徴を有している。なお、カバー部材固定構造50は、その他の構成や作用を上述した第1のカバー部材固定構造と同等とすることから、説明を省略する。
The cover
第2のカバー部材固定構造50は、カバー嵌合溝51が、支持基板2の主面に開口しカバー部材40の外周壁部42の開口縁42−1の厚みよりもやや開口幅が大きな枠状溝からなる。カバー嵌合溝51は、支持基板2に対して開口縁42−1を嵌合してカバー部材40が組み合わされた状態で、その内周壁が遮光段部52を構成して内部への外部光の放射を防止する。
The second cover
すなわち、第2のカバー部材固定構造50においては、カバー部材40が支持基板2の表面側から主面部41によって部品実装領域16を被覆してその外周壁部42の開口縁42−1を全域に亘ってカバー嵌合溝51内に嵌合されて組み合わされる。第2のカバー部材固定構造50においては、カバー嵌合溝51内に充填して硬化させた接着樹脂45によって、カバー部材40の開口縁42−1を全周に亘ってカバー嵌合溝51内に固定する。 第2のカバー部材固定構造50においても、図6矢印で示すように側方からの外部光がカバー嵌合溝51の内壁とカバー部材40の開口縁42−1との間の隙間から接着樹脂45を透過して部品実装空間部3内へと進入しようとする。
That is, in the second cover
第2のカバー部材固定構造50においては、カバー部材40を接合する接着樹脂45を透過した側方からの外部光が、カバー嵌合溝51の内壁によって構成される遮光段部52にあたっることで部品実装空間部3への進入を阻止され、この部品実装空間部3が遮光空間部として保持される。したがって、第2のカバー部材固定構造50は、光照射による振動素子20の圧電薄膜層27における焦電効果の発生を抑制して特性低下を防止し、振動型ジャイロセンサ1が安定した検出動作を行うようにする。
In the second cover
第2のカバー部材固定構造50も、支持基板2に対してカバー部材40が振動素子20等と同様にして表面側から組み付けられるようにすることで、組立工程の合理化が図られるようにする。第2のカバー部材固定構造50は、支持基板2に対してカバー部材40が外周フランジ部43の開口縁42−1を主面に形成したカバー嵌合溝51内に嵌合して接着樹脂45により固定することから、薄型化が図られるようになる。なお、カバー部材40は、開口縁42−1に上述した外周フランジ部43を形成するようにしてもよく、この場合にカバー嵌合溝51が外周フランジ部43の幅よりもやや大きな溝幅に形成されるようにする。
The second cover
第3の実施の形態として図7に示したカバー部材固定構造60は、支持基板2の部品実装領域16の外周部と外周縁との間に位置して、主面上に部品実装領域16を全周に亘って囲む枠状の遮光凸部61を一体に形成した構成に特徴を有している。なお、カバー部材固定構造60は、その他の構成や作用を上述した第1のカバー部材固定構造や第2カバー部材固定構造と同等とすることから、説明を省略する。
The cover
第3のカバー部材固定構造60は、遮光凸部61が、その高さ寸法を支持基板2に実装される各実装部品の最大高さよりもやや小さくしたリブ状凸部からなり、外周側面が略垂直壁とされることによって遮光段部62を構成して内部への外部光の放射を防止する。第2のカバー部材固定構造60は、遮光凸部61と外周縁との間の枠状領域が、その主面上にカバー部材40の外周フランジ部43を接着樹脂45によって固定するカバー部材固定領域63を構成する。
In the third cover
第3のカバー部材固定構造60においても、側方からの外部光がカバー部材固定領域63とカバー部材40の外周フランジ部43との間の隙間から接着樹脂45を透過して部品実装空間部3内へと進入しようとする。第3のカバー部材固定構造60は、カバー部材40を接合する接着樹脂45を透過した側方からの外部光が、遮光段部62にあたっることで部品実装空間部3への進入を阻止し、この部品実装空間部3を遮光空間部として保持する。したがって、第3のカバー部材固定構造60は、光照射による振動素子20の圧電薄膜層27における焦電効果の発生を抑制して特性低下を防止し、振動型ジャイロセンサ1が安定した検出動作を行うようにする。
Also in the third cover
第3のカバー部材固定構造60も、支持基板2に対してカバー部材40が振動素子20等と同様にして表面側から組み付けられるようにすることで、組立工程の合理化が図られるようにする。第3のカバー部材固定構造60は、遮光凸部61によってカバー部材固定領域63に塗布した接着樹脂45の部品実装領域16への流れ込みを防止することで、接着樹脂45の充填量管理も簡易になる。
The third cover
1 振動型ジャイロセンサ、2 支持基板、3 部品実装空間部、4 端子部、5 配線パターン、6 IC回路素子、7 電子部品、16 部品実装領域、17 遮光段部、18 カバー部材固定領域、20 振動素子、21 シリコン基板、22 基部、23 振動子部、26 基準電極層、27 圧電薄膜層、28 駆動電極層、29 検出電極、40 カバー部材、41 主面部、42 外周壁部、43 外周フランジ部、44 遮光層、45 接着樹脂、50 カバー部材固定構造、51 カバー嵌合溝、52 遮光段部、60 カバー部材固定構造、61 遮光段部、63 カバー部材固定領域
DESCRIPTION OF
Claims (6)
上記実装領域を被覆する主面部の外周部に全周に亘って外周壁部が一体に形成された略箱状を呈し、上記支持基板の主面上に上記各実装部品の実装空間部を構成して組み合わされるカバー部材とを備え、
上記カバー部材が、上記外周壁部の開口縁部を上記主面の上記遮光段部と外周縁との間に構成された枠状固定部に全周に亘って固定されることにより、上記支持基板に組み合わされることを特徴とする振動型ジャイロセンサ。 Mounting a vibration element, a circuit element, or an electronic component in a component mounting region on the main surface, and a support substrate having a frame-shaped light shielding step portion formed around the component mounting region;
The outer peripheral portion of the main surface covering the mounting area has a substantially box shape with an outer peripheral wall formed integrally over the entire periphery, and the mounting space portion of each mounting component is configured on the main surface of the support substrate. And a cover member combined together,
The support member is fixed to the frame-shaped fixing portion formed between the light shielding step portion and the outer peripheral edge of the main surface at the opening edge portion of the outer peripheral wall portion, thereby supporting the support member. A vibration type gyro sensor characterized by being combined with a substrate.
上記段落ち部位の段差が上記遮光段部を構成することを特徴とする請求項1に記載の振動型ジャイロセンサ。 The fixing portion is constituted by a stepped portion formed on the main surface of the support substrate so as to surround the component mounting region,
2. The vibration type gyro sensor according to claim 1, wherein a step at the stepped portion constitutes the light shielding step.
上記嵌合溝の内周壁が上記遮光段部を構成することを特徴とする請求項1に記載の振動型ジャイロセンサ。 The fixing portion is formed on a main surface of the support substrate so as to surround the component mounting region, and is configured by a frame-like fitting groove that fits an opening edge of an outer peripheral wall portion of the cover member.
2. The vibration gyro sensor according to claim 1, wherein an inner peripheral wall of the fitting groove constitutes the light shielding step portion.
2. The vibration type gyro sensor according to claim 1, wherein the cover member has a light shielding layer formed at least over the entire surface.
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