JP2011133246A - 角速度センサ及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】センサの小型化あるいは薄型化を実現することができる角速度センサ及び電子機器を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態に係る角速度センサ１は、振動素子１０ｘ、１０ｙ、１０ｚ’と、これらを支持する支持基板２０とを具備する。振動素子１０ｘは、Ｘ軸に平行な軸回りの角速度を検出する。振動素子１０ｙは、Ｙ軸に平行な軸回りの角速度を検出する。振動素子１０ｚ’は、ＸＺ平面内においてＸ軸に対して斜めに交差するＺ’軸方向に平行な軸回りの角速度を検出し、Ｚ軸と平行な軸回りの角速度を検出するための信号を出力する。振動素子１０ｚ’が支持基板２０に対して斜めに実装されているので、センサの厚み寸法の低減を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、ビデオカメラの手振れ検知やバーチャルリアリティ装置における動作検知、カーナビゲーションシステムにおける方向検知などに用いられる角速度センサ及び電子機器に関する。

民生用の角速度センサとして、振動型のジャイロセンサが広く用いられている。振動型ジャイロセンサは、振動子を所定の周波数で振動させておき、振動子に生じるコリオリ力を圧電素子などで検出することによって角速度を検出する。上記ジャイロセンサは、例えば、ビデオカメラ、バーチャルリアリティ装置、カーナビゲーションシステムなどの電子機器に搭載され、それぞれ手振れ検知、動作検知、方向検知などのセンサとして活用されている。

この種のジャイロセンサを用いて空間内での姿勢変化を検出する場合、直交する２軸または３軸の方向に沿ってジャイロセンサを配置する構成が知られている。例えば特許文献１には、基台上に３個の三脚音叉振動子を３軸方向に互いに直交するように配置した三次元角速度センサが記載されている。

特開２０００−２８３７６５号公報（段落［００１９］、図８）

近年、電子機器の小型化に伴い、これに搭載される電子部品の小型化、薄型化が要求されている。しかしながら、特許文献１に記載の構成では、２軸方向の角速度を検出するためには、２つの振動子の長手方向を相互に直交して配置されていた。このため、これら振動子の実装面積が大きくなり、センサの小型化を図ることが困難である。また、３軸方向の角速度を検出するためには、３つの振動子を互いに直交する配置とし、そのうち１つはその長手方向を垂直方向（厚み方向）に向けて配置されていた。このため、センサの厚み寸法が大きくなり、薄型化を図ることが困難であるという問題があった。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、センサの小型化あるいは薄型化を実現することができる角速度センサ及び電子機器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る角速度センサは、第１の振動素子と、第２の振動素子と、支持基板とを具備する。
上記第１の振動素子は、第１の方向に平行な軸回りの第１の角速度を検出する。
上記第２の振動素子は、上記第１の方向に対して斜めに交差する第２の方向に平行な軸回りの角速度を検出する。上記第２の振動素子は、上記第１の方向と直交する第３の方向に平行な軸回りの第３の角速度に応じた出力信号を生成するためのものである。
上記支持基板は、上記第１及び第２の振動素子を支持する。

上記角速度センサにおいて、第３の角速度に応じた出力信号は、第１の振動素子による第１の角速度の検出信号と、第２の振動素子による第２の角速度の検出信号とに基づいて、三角関数を用いた簡単な計算で算出可能とされる。上記第３の方向は、上記第１及び第２の方向が属する第１の平面内において上記第１の方向と直交する方向でもよい。これにより、上記第１及び第２の方向が属する平面内において相互に直交する２軸方向の各々の角速度の検出に必要な支持基板上の振動素子の実装領域を狭くでき、角速度センサの小型化を図ることが可能となる。また、上記平面がセンサの厚み方向と平行な場合は、センサの薄型化を図ることが可能となる。

「上記第１の方向に対して斜めに交差する第２の方向」とは、上記第１の方向と上記第２の方向とが直交しないことを意味する。すなわち、第１の方向と第２の方向とのなす角をθとすると、θの範囲は、０＜θ＜９０度、または、９０度＜θ＜１８０度とされる。角度θは、要求されるセンサの大きさ、厚さ、センサの感度等に応じて、適宜設定することができる。

上記第１〜第３の振動素子の構成は特に限定されず、片持ち梁状の音叉型振動子を有する振動素子でもよいし、複数の節点を有する音片型振動子を有する振動素子でもよい。また、音叉型振動子の場合、梁の本数も特に限定されず、１本、２本または３本以上でもよい。梁の断面形状は音叉型、音片型何れの場合も多角形（四角柱状や三角柱状）や円(円柱状)とすることが可能である。更に、音叉型、音片型以外の振動素子にも適用可能で、この場合にも上述と同様の効果を得ることができる。

上記支持基板は、上記第１及び第２の振動素子が搭載される、上記第１の方向と平行な第１の表面を有してもよい。これにより、支持基板の第１の表面を基準とした実装が可能となるので、第１の振動素子の実装信頼性を高めることができる。

上記第１の表面は、上記第１の平面と直交する第２の平面上にあってもよい。これにより、各振動素子の検出軸を相互に直交する軸方向に配置する場合に比べて、支持基板の厚み方向の寸法を低減することができる。

この場合、上記角速度センサは、上記第１の平面と直交する第４の方向に平行な軸回りの第４の角速度を検出する第３の振動素子をさらに具備してもよい。これにより、相互に直交する３軸方向の各々角速度に応じた信号を出力することができる。

上記第３の振動素子は、上記支持基板の上記第１の表面に搭載されてもよい。これにより、第１、第２及び第３の振動素子が共通の支持基板上に実装された角速度センサの薄型化を図ることができる。

上述の構成において、上記支持基板は、上記第１の表面に、上記第２の振動素子を上記第２の方向に沿った検出軸に位置決めする固定部を有する。これにより、第２の振動素子を第１の表面上に安定して実装することができる。

本発明の一形態に係る電子機器は、第１の振動素子と、第２の振動素子と、支持基板と、信号処理回路とを具備する。
上記第１の振動素子は、第１の方向に平行な軸回りの第１の角速度を検出する。
上記第２の振動素子は、上記第１の方向に対して斜めに交差する第２の方向に平行な軸回りの第２の角速度を検出する。
上記支持基板は、上記第１及び第２の振動素子を支持する。
上記信号処理回路は、上記第１の振動素子により検出された前記第１の角速度に関する信号と上記第２の振動素子により検出された前記第２の角速度に関する信号とに基づいて、上記第１及び第２の方向が属する第１の平面内において上記第１の方向と直交する第３の方向に平行な軸回りの第３の角速度に応じた出力信号を生成する。

以上のように、本発明によれば、角速度センサの小型化あるいは薄型化を図ることが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る角速度センサの要部の概略平面図である。 図１の角速度センサの全体の側面図である。 図１の角速度センサに用いられる振動素子の平面図である。 図３におけるＡ−Ａ線方向断面図である。 図１の角速度センサにおけるＺ’軸方向の回りの角速度を検出する振動素子の側面図である。 図５の構成の変形例を示す振動素子の側面図である。 図１の角速度センサにおけるＺ軸回りの角速度の演算方法を説明する模式図である。 図１の角速度センサにおけるＺ軸回りの検出感度及び振動素子の実装低さに関する当該振動素子の実装角度依存性を示す図である。 図１の角速度センサの出力信号に基づいて角速度信号を生成する信号処理回路のブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る角速度センサの要部の概略平面図である。 図１０の角速度センサにおけるＺ’軸方向の回りの角速度を検出する振動素子の側面図である。 本発明の第３の実施形態に係る角速度センサの要部の概略平面図である。 図１２の角速度センサにおけるＺ’軸方向の回りの角速度を検出する振動素子の側面図である。 図１２の角速度センサにおける支持基板の要部平面図である。 図１３の振動素子と支持基板との間の電気的接続構造を示す要部断面図である。 図１２の角速度センサの一製造方法を説明する図である。 （Ａ）は本発明の第４の実施形態に係る角速度センサの要部の概略平面図であり、（Ｂ）は比較例として示す角速度センサの要部の概略平面図である。 本発明の第１の実施形態に係る角速度センサの変形例を示す概略構成図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。 本発明の第１の実施形態に係る角速度センサの他の変形例を示す概略構成図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。 本発明の第４の実施形態に係る角速度センサの変形例を示す概略構成図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は側面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

＜第１の実施形態＞
［全体構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る角速度センサを示す概略平面図である。図２は、キャップを備えた角速度センサの側面図である。図１に示すように相互に直交する３軸をそれぞれＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸としたとき、本実施形態の角速度センサ１は、Ｘ軸方向に横方向、Ｙ軸方向に縦方向、Ｚ軸方向（図１紙面の表裏方向）に厚み方向を有する。

角速度センサ１は、３つの振動素子１０ｘ、１０ｙ及び１０ｚ’と、支持基板２０とを有する。振動素子１０ｘは、Ｘ軸に平行な軸回りの回転角速度を検出し、振動素子１０ｙは、Ｙ軸方向に平行な軸回りの回転角速度を検出する。振動素子１０ｚ’は、ＹＺ平面内においてＹ軸に対して斜めに交差する方向（以下、Ｚ’軸という。）に平行な軸回りの回転角速度を検出する。支持基板２０は、これら振動素子１０ｘ、１０ｙ、１０ｚ’を共通に支持する。

支持基板２０の表面はＸ軸及びＹ軸が属するＸＹ平面と平行に形成される。支持基板２０は、プリント配線基板のように、絶縁層の表面に配線パターンが形成された回路基板で構成されている。支持基板２０の構成は特に限定されず、例えば、絶縁性セラミックス基材と、その表面及び裏面にそれぞれ形成された配線層と、これら配線層を層間で電気的に接続するビアとを有する多層配線基板で構成されている。

角速度センサ１は、振動素子１０ｘ、１０ｙ、１０ｚ’を駆動させる駆動回路を有する。上記駆動回路は、ＩＣチップ３１、チップコンデンサやチップ抵抗等の各種受動部品３２等で構成されており、これらの電子部品は、振動素子１０ｘ、１０ｙ、１０ｚ’とともに支持基板２０上に実装されている。

角速度センサ１は、さらに、キャップ４０を有する。キャップ４０は、支持基板２０の表面を被覆し、振動素子１０ｘ、１０ｙ、１０ｚ’等が実装される実装空間を外部から遮蔽する。キャップ４０は、例えば、アルミニウム等の金属材料で構成されている。

支持基板２０の裏面側には、支持基板２０の表面の配線層と電気的に接続される複数の外部接続端子５１が形成されている。角速度センサ１は、これら外部接続端子５１を介して電子機器の制御基板（図示略）上に実装される。電子機器としては、例えば、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラが該当し、この場合、角速度センサ１は、手振れ検知センサを構成する。

［振動素子］
各振動素子１０ｘ、１０ｙ、１０ｚ’は、それぞれ同様の構成を有している。図３は、振動素子１０ｘ、１０ｙ、１０ｚ’の平面図である。図４は、図３におけるＡ−Ａ線方向の拡大断面図である。以下、図３及び図４を参照して、振動素子１０ｘ、１０ｙ、１０ｚ’の構成について説明する。なお、以下の説明では、個別に説明する場合を除き、振動素子１０ｘ、１０ｙ、１０ｚ’を「振動素子１０」と総称する。また、図３及び図４において、振動素子１０の幅方向をａ軸方向、振動素子１０の長さ方向（検出軸方向）をｂ軸方向、振動素子１０の厚み方向をｃ軸方向とし、ａ軸、ｂ軸及びｃ軸はそれぞれ直交関係にあるものとする。なお本実施形態では、各振動素子が同様の構成を有するものとして説明しているが、異なる構成の振動素子が用いられてもよい。

振動素子１０は、支持基板２０の表面に固定される基部１１と、所定の共振周波数で振動する振動子部１２と、基部１１と振動子部１２との間を連結する連結部１３とを有する。これら基部１１、振動子部１２及び連結部１３は各々一体的に形成されており、例えば単結晶シリコン基板を所定形状に加工することで形成される。

振動子部１２は、３本の振動梁１２ａ、１２ｂ及び１２ｃを有する。各振動梁１２ａ〜１２ｃは連結部１３によって連結されている。各振動梁１２ａ〜１２ｃは、互いに一定の間隔をおいてａ軸方向に配列されており、その延在方向（ｂ軸方向）は、振動素子１０ｘに関してはＸ軸方向、振動素子１０ｙに関してはＹ軸方向、そして、振動素子１０ｚ’に関してはＺ’軸方向とされる。

連結部１３は、基部１１と同等の幅を有し、基部１１と同等の幅寸法内で各振動梁１２ａ〜１２ｃを支持している。連結部１３は、基部１１への振動梁１２ａ〜１２ｃの振動の伝播を抑制するためのくびれ部分１３ａを有してもよい。

振動素子１０の大きさは特に限定されない。本実施形態では、素子の全長は３ｍｍ、素子の全幅は５００μｍ、振動梁１２ａ〜１２ｃの厚みは１００μｍ、振動梁１２ａ〜１２ｃの長さは１．８〜１．９ｍｍ、振動梁１２ａ〜１２ｃの幅は１００μｍ、基部１１の厚みは４００μｍである。

振動素子１０は、支持基板２０に実装するための実装面１０ａを有している。基部１１、振動子部１２及び連結部１３は、実装面１０ａ側に連続な平坦面を形成している。実装面１０ａとは反対側の素子の非実装面は段部１０ｓを有し、この段部１０ｓを境として、基部１１側と振動子部１２側との厚みが異なっている。本実施形態では、基部１１の厚みは、連結部１３及び振動子部１２の厚みよりも大きく形成されているが、段差１０ｓなしに同じ厚みで形成されていてもよい。

振動素子１０の実装面１０ａには、振動子部１２を振動させる駆動電極と、振動子部１２に作用するコリオリ力に由来する振動成分を検出する検出電極と、これら駆動電極及び検出電極とを支持基板２０に電気的に接続するための複数の端子部がそれぞれ形成されている。

図４に示すように、各振動梁１２ａ〜１２ｃの実装面１０ａ側の表面には、電極層と圧電層との積層構造体が形成されている。すなわち、両側に位置する振動梁１２ａ及び振動梁１２ｃの各々の表面には、下部電極層６１ａ、６１ｃと、圧電体層６２ａ、６２ｃと、上部電極層６３ａ、６３ｃとがそれぞれ形成されている。上部電極層６３ａ、６３ｃはそれぞれ、振動梁１２ａ、１２ｃの軸線上の位置に所定の長さにわたって形成されている。下部電極層６１ａ、６１ｃは基準電位に接続され、上部電極層６３ａ、６３ｃは、駆動信号（交流電圧信号）を生成する発振回路の出力端子に接続されている。下部電極層６１ａ、圧電体層６２ａ及び上部電極層６３ａは、振動梁１２ａを垂直方向（ｃ軸方向）に振動させる第１の駆動電極６０ａを構成し、下部電極層６１ｃ、圧電体層６２ｃ及び上部電極層６３ｃは、振動梁１２ｃを垂直方向（ｃ軸方向）に振動させる第２の駆動電極６０ｃを構成する。

また、中央に位置する振動梁１２ｂの表面には、下部電極層６１ｂと、圧電体層６２ｂと、上部電極層６３ｂ１、６３ｂ２とがそれぞれ形成されている。上部電極層６３ｂ１、６３ｂ２は、それぞれ振動梁１２ｂの軸線に関して対称な位置に所定の長さにわたって形成されている。下部電極層６１ｂは基準電位に接続され、上部電極層６３ｂ１、６３ｂ２は、図示しない信号処理回路に接続されている。下部電極層６１ｂ、圧電体層６２ｂ及び上部電極層６３ｂ１は、ｂ軸回りの角速度を検出する第１の検出電極６０ｂ１を構成し、下部電極層６１ｂ、圧電体層６２ｂ及び上部電極層６３ｂ２は、ｂ軸回りの角速度を検出する第２の検出電極６０ｂ２を構成する。

本実施形態の振動素子１０は、第１及び第２の駆動電極６０ａ、６０ｃへ同位相の駆動信号が入力されることで、圧電体層６２ａ、６２ｃの圧電機能により振動梁１２ａ、１２ｃはそれぞれｃ軸方向に振動する。振動梁１２ａ、１２ｃの振動により、中央の振動梁１２ｂもまたｃ軸方向に振動する。このとき、振動梁１２ｂは、両側の振動梁１２ａ、１２ｃとは逆位相で振動する。なお、中央に位置する振動梁１２ｂの表面にも駆動電極を配置し、中央の振動梁１２ｂをより積極的に振動梁１２ａ、１２ｃと逆位相で振動させることも可能である。

第１及び第２の検出電極６０ｂ１、６０ｂ２は、振動梁１２ｂの変形に応じた電圧を発生する。検出電極６０ｂ１、６０ｂ２は、振動梁１２ｂのｃ軸方向への振動に起因する出力電圧を発生し、これを上記信号処理回路へ出力する。ここで、ｂ軸回りに回転角速度が生じると、その角速度の大きさに応じたコリオリ力が振動子部１２に作用する。このコリオリ力の向きは、ｃ軸方向に直交するａ軸方向であり、検出電極６０ｂ１、６０ｂ２は、振動梁１２ｂのａ軸方向に沿った振動成分を検出する。

上記信号処理回路は、検出電極６０ｂ１、６０ｂ２の出力の和信号で構成される参照信号を生成し、駆動信号を生成する発振回路へ上記参照信号をフィードバックする。また、角速度が生じたとき、検出電極６０ｂ１と検出電極６０ｂ２との検出電圧は逆相となる。上記信号処理回路は、両電極の差分信号を生成することで、ｂ軸回りの角速度の大きさ及び向きに関する情報を含む角速度信号を取得する。

なお、上記信号処理回路は、ＩＣチップ３１等で構成される支持基板２０上の駆動回路の中に含まれてもよいし、当該角速度センサ１が実装される電子機器の制御基板上に構成されていてもよい。

以上のように構成される振動素子１０（１０ｘ、１０ｙ、１０ｚ’）は、支持基板２０に対して図１に示したように実装される。振動素子１０ｘ、１０ｙ、１０ｚ’は、それらの振動子部１２の長手方向（検出軸）がそれぞれＸ軸、Ｙ軸及びＺ’軸に向けて支持基板２０上に配置される。ここで、振動素子１０ｘ、１０ｙは、それらの実装面１０ａが支持基板２０の表面と平行となるように配置される。これにより、支持基板２０の表面を基準とした実装が可能となるので、振動素子１０ｘ、１０ｙの実装信頼性を高めることができる。

以上、３本音叉型を例に詳細に説明したが、以上のような振動子の形状（音叉型、音片型など）、振動片の本数（１本〜多数本）、電極の構成、振動駆動方向や検出方向などは、これに限定されるものではない。
また、本実施形態において振動素子１０ｘ、１０ｙは、実装面１０ａを支持基板２０に対向させてフリップチップ方式で実装されるが、振動素子の実装の向きを上下逆にして、振動素子を支持基板に接着し、ワイヤボンディング方式で電気的接続をとるようにしてもよい。

一方、振動素子１０ｚ’は、振動子部１２の検出軸がＺ’軸に向くように、Ｙ軸方向に対して所定角度θだけ傾いた姿勢で固定され、角度θは、０＜θ＜９０度、または、９０度＜θ＜１８０度とされる。従って振動子部１２の検出軸は支持基板２０の表面に対してなす角θ’だけ上方に傾いた姿勢で固定され、角度θ’は、０＜θ’＜９０度とされる。Y軸方向とZ’軸方向とが属する平面は、支持基板２０の表面と平行な平面に対して直交する関係にある。図５は、支持基板２０上に実装された振動素子１０ｚ’の側断面図である。支持基板２０の表面には、振動素子１０Ｚ’方向に沿った検出軸に位置決めする凹部２５（固定部）が形成されている。

角度θ’は、要求されるセンサの大きさ、厚さ、センサの感度等に応じて、適宜設定することができる。本実施形態では、１５度以上４５度以下の角度にθ’が設定される。この場合、角度θは１５度以上４５度以下、または、１３５度以上１６５度以下となる。

本実施形態の支持基板２０は多層セラミックス基板で構成されており、凹部２５は、表層２０ａに形成された第１の凹部２５ａと、第１の凹部２５ａから露出する第２の層２０ｂに形成された第２の凹部２５ｂとを有する多段凹部で構成されている。振動素子１０ｚ’は、凹部２５に対して非導電性の接着剤２６を介して接合される。第１及び第２の凹部２５ａ、２５ｂの大きさ及び深さを適宜調整することによって、振動素子１０ｚ’の所望の姿勢で位置決めすることができる。また、振動素子１０ｚ’の基部１１に、第１及び第２の凹部２５ａ、２５ｂの段部と係合する溝部１０ｇをそれぞれ形成することによって、凹部２５に対する振動素子１０ｚ’の高精度な位置決めが可能となる。

振動素子１０ｚ’は、はんだ等の導電性接合材２８を介して、支持基板２０と電気的に接続される。この場合、振動素子１０ｚ’の基部１１の実装面側に形成された電極パッド１０ｐと、支持基板２０上のランド２０ｐとの間が、導電性接合材２８によって接合される。なお、振動素子の上下の向きを反対にして、はんだ付けに代えて、金線を用いたワイヤボンディング法が採用されてもよい。

振動素子１０ｚ’の検出軸をＺ’方向に位置決めする固定部は、図６に示すように、支持基板２０の表面に形成された凸部２９で構成されてもよい。図示の例では、凸部２９は、例えば支持基板２０の表面に対して角度θで傾斜する斜面２９ａを有する。この斜面２９ａ上には、支持基板２０の配線層に連絡する接続パッドが形成されており、複数のバンプ１０ｂを介して当該接続パッドへ振動素子１０ｚ’が実装される。

［Ｚ軸回りの角速度の検出方法］
次に、本実施形態の角速度センサ１による角速度の検出方法について説明する。

支持基板２０上の各振動素子１０ｘ、１０ｙ、１０ｚ’は、それぞれの駆動電極６０ａ、６０ｃ（図４）へ駆動信号が入力されることで、所定の共振周波数で振動する。共振周波数は、例えば、１ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下とされるが、音叉型振動素子では１０ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下としてもよい。共振周波数は角速度センサ１が用いられる電子機器内部で使用されている他の部品の周波数を避けて設定されるとともに、振動素子相互間の干渉（検出軸間のクロストーク）を抑えるために、各振動素子の共振周波数は最低１ｋＨｚ以上離されるが、２ｋＨｚ以上離されると更によい。
振動素子の共振周波数の高周波数化は梁部分の長さを短くすることでも実現できるので、斜めに配置する振動素子１０ｚ’の共振周波数が最も高くなるようにすれば、角速度センサ１の高さを低く抑えることができて有利である。

振動素子１０ｘは、Ｘ軸方向に平行な軸回りの角速度を検出する。振動素子１０ｙは、Ｙ軸方向に平行な軸回りの角速度を検出する。振動素子１０ｚ’は、Ｚ’軸に平行な軸回りの角速度を検出する。本実施形態の角速度センサ１は、振動素子１０ｙ及び振動素子１０ｚ’を用いて、Ｚ軸に平行な軸回りの角速度を出力する。

すなわち、角速度センサ１は、振動素子１０ｚ’の検出信号を利用してＺ軸回りの角速度を出力する。このとき、振動素子１０ｚ’の検出信号には、Ｚ軸と平行な軸回りの角速度に関する信号と、Ｙ軸と平行な軸回りの角速度に関する信号とを含む。そこで本実施形態では、振動素子１０ｙの検出信号を用いて振動素子１０ｚ’の検出信号を補正することで、Ｚ軸と平行な軸回りの角速度を出力する。

また、振動素子１０ｚ’の検出信号は、Ｚ軸から傾くほどＺ軸回りの角速度に対する検出感度が低くなり、その減少量は、ｓｉｎθの関数となる。例えば、Ｙ軸方向とＺ’軸方向とのなす角（θ’）が３０度の場合、Ｚ軸回りの角速度の検出感度は５０％に減少する。したがって、振動素子１０ｚ’に、他の振動素子１０ｘ、１０ｙよりも検出感度の高い（Ｓ／Ｎが高い）素子が用いられることで、Z軸回りの角速度を高感度に検出することが可能となる。

図７は、Ｚ軸回りの角速度の検出方法を説明する図である。ここでは、Ｚ軸回りの角速度をωｚ、Ｙ軸回りの角速度をωｙ、Ｚ’軸回りの角速度をωθ、振動素子１０ｙの感度をαｙ、振動素子１０ｙの出力をＶｙ、振動素子１０ｚ’の感度をαθ、振動素子１０ｚ’の出力をＶθ（Ｖｚ’）とする。

振動素子１０ｙ、１０ｚ’の出力Ｖｙ、Ｖθは、以下の式で表される。
Ｖｙ＝αｙ・ωｙ …（１）
Ｖθ＝αθ・ωθ …（２）
また、ωθは、ωｙ及びωｚを用いて以下のように表される。
ωθ＝ωｙ・cosθ＋ωｚ・sinθ …（３）
（２）式を用いて（３）式を表すと、
Ｖθ＝αθ（ωｙ・cosθ＋ωｚ・sinθ） …（４）
（４）式を整理すると、
Ｖθ−αθ・ωｙ・cosθ＝αθ・ωｚ・sinθ
（１）式を用いて、
Ｖθ−（αθ／αｙ）・Ｖｙ・cosθ＝αθ・ωｚ・sinθ
したがって、ωｚは以下のように表される。
ωｚ＝｛（Ｖθ／αθ）−（Ｖｙ／αｙ）・cosθ｝／sinθ …（５）
感度αθ、αｙが等しいとき、振動素子１０ｙの出力Ｖｙと振動素子１０ｚ’の出力Ｖθとに基づくＺ軸回りの角速度に応じた出力（Ｖｚ）は以下のようになる。
Ｖｚ＝（Ｖθ−Ｖｙ・cosθ）／sinθ …（５）’

図８は、ωｚの検出感度及び振動素子１０ｚ’の実装低さに関する振動素子１０ｚ’の実装角度（０≦θ’≦９０度）依存性を示す。縦軸の検出感度はθ’＝９０度のときの感度を１として規格化し、実装低さはθ’＝０度のときの低さを１として規格化した。図８に示すように、角度θ’が９０度に近づくほど（支持基板表面に対して垂直になるほど）検出感度は高くなるが、実装低さは低下する（すなわち高さ寸法が大きくなる）。θ’≦４５度にすることで、振動素子ｚ’を垂直方向に設置する場合に比べて３０％以上の低背化を図ることができる。また、θ’≦３０度にすることで、キャップ４０を含めたセンサの厚みを２ｍｍ以下の好ましい範囲に抑えることが可能となる。θ’＝３０±５度の場合、検出感度及び実装低さの双方を最大値の約半分とすることができる。実装角度θ’が小さいほど低背効果は高まるが、ノイズレベルが角度によらず一定であることを考慮すると、検出感度はその最大値の１／４を下回らない範囲に設定されるのが好ましく、このときのθの最小値は１５度である。

次に、図９は、角速度ωｘ、ωｙ及びωｚに応じた出力信号Ｖｘ、Ｖｙ及びＶｚをそれぞれ生成する信号処理回路の一例を示すブロック図である。振動素子１０ｘ、１０ｙ及び１０ｚ’は、駆動回路（発振回路）３１から駆動信号を受けて所定の周波数で駆動される。各振動素子１０ｘ、１０ｙ及び１０ｚ’の出力は、増幅器３３ｘ、３３ｙ及び３３ｚ’によってそれぞれ増幅された後、同期検波器３４ｘ、３４ｙ及び３４ｚ’にそれぞれ供給される。同期検波器３４ｘ、３４ｙ、３４ｚ’は、駆動回路３１からの駆動信号の出力に同期して上記増幅信号を全波整流し、角速度ωｘ、ωｙ、ωｚに対応した出力信号Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚを抽出する。

ここで、角速度出力信号Ｖｚは、（５）式又は（５）’式に示したように、振動素子１０ｚ’の出力が振動素子１０ｙの出力によって補正される。図８に示した回路例では、反転増幅器３５において増幅率Ａ１＝cosθで反転増幅された出力（−Ｖｙ・cosθ）が加算器３６に供給される。加算器３６は、上記出力と振動素子１０ｚ’の出力（Vｚ’＝Vθ）とを加算し、その出力信号（Ｖθ−Ｖｙ・cosθ）を増幅器３７へ出力する。増幅器３７は、上記出力を増幅率Ａ２（１／sinθ）で増幅することで、式（５）に示したＺ軸回りの角速度ωｚに応じた信号Ｖｚを出力する。

以上のように構成される本実施形態の角速度センサ１によれば、Ｚ軸に平行な軸回りの角速度を出力するための振動素子１０ｚ’の検出軸をＺ軸方向から傾斜した斜め方向に配置されている。このため、角速度センサ１のＺ軸方向に沿った厚み寸法の低減を図ることが可能となる。

また、本実施形態によれば、相互に直交するＸ、Ｙ及びＺ軸の各々の軸回りの角速度を検出可能な３軸角速度センサを構成することができる。これにより、角速度センサの多機能化を図ることができる。

さらに、本実施形態に係る角速度センサは、デジタルスチルカメラやビデオカメラ、バーチャルリアリティ装置、カーナビゲーションシステム等の電子機器に内蔵され、手振れ検知や動作検知、方向検知等のためのセンサ部品として広く用いられる。特に、本実施形態によれば、センサの小型化、薄型化を図ることができるため、電子機器の小型化、薄型化等に対する要求にも十分に応えることが可能である。

＜第２の実施形態＞
図１０及び図１１は、本発明の第２の実施形態に係る角速度センサを示す概略平面図及び要部の側面図である。図において、上述の第１の実施形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。

本実施形態の角速度センサ２は、Ｚ’軸と平行な軸回りの角速度を検出する振動素子１０ｚ’は、振動梁１２ａ〜１２ｃの配列方向が支持基板２０の表面と垂直な平面内に属するように支持基板２０上に実装されている。そして、支持基板２０へ実装された状態において振動梁１２ａ〜１２ｃの延在方向がＺ’軸と平行な軸方向に配向するように、振動素子１０ｚ’の基部１１に実装面１１ｍが形成されている。

実装面１１ｍは、基部１１の一側方に形成されている。実装面１１ｍは、振動梁１２ａ〜１２ｃに対して角度θで交差する方向に形成された平面形状を有しており、その側縁部には、支持基板２０上のランド部と電気的に接合される複数の端子部１１ｅが形成されている。上記ランド部と端支部１１ｅとの電気的接続には、はんだや金線等の導電性接合材を用いることができる。支持基板２０に対する実装面１１ｍの接合は、非導電性の接着剤を用いることができる。

以上のように構成される本実施形態の角速度センサ２においても、第１の実施形態と同様な作用効果を有する。特に、本実施形態によれば、支持基板２０に対する基部１１の接合幅が基部１１の厚み寸法に抑えられるため、第１の実施形態に比べて、振動素子１０ｚ’の実装領域の低減を図ることが可能となる。

＜第３の実施形態＞
図１２は、本発明の第３の実施形態に係る角速度センサを示す概略平面図である。図において、上述の第１の実施形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。

本実施形態の角速度センサ３においては、上述の第２の実施形態と同様に、振動梁１２ａ〜１２ｃの配列方向が支持基板の表面と垂直な平面内に属するように振動素子１０ｚ’が支持基板２０上に実装されている。本実施形態の角速度センサ３は、支持基板２０に対する振動素子１０ｚ’を固定する構造が上述の第２の実施形態と異なり、振動素子１０ｚ’と支持基板２０との間を接続する補助基板７０を有する。補助基板７０は、支持基板２０へ実装された状態において振動梁１２ａ〜１２ｃの延在方向がＺ’軸と平行な軸方向に配向するように振動素子１０ｚ’を支持する。

図１３は、補助基板７０を介して支持基板２０上に実装された振動素子１０ｚ’を示す角速度センサ３の要部側面図である。補助基板７０は、支持基板２０と同様なプリント配線基板で構成されており、振動素子１０ｚ’と電気的に接続される第１の端子７１と、支持基板２０と電気的に接続される第２の端子７２とを有する。補助基板７０は矩形状に形成されているが、形状はこれに限られない。

振動素子１０ｚ’は、補助基板７０に対してフリップチップ方式により実装され、バンプ１０ｂを介して第１の端子７１と接続されている。これに限られず、振動素子１０ｚ’はワイヤボンディング方式で補助基板７０に実装されてもよい。

補助基板７０は、その下縁部７０ａを接続端部として支持基板２０の表面に接続されている。図１４は、補助基板７０が接続される、支持基板２０の表面領域を示す平面図である。支持基板２０の表面には、補助基板７０の接続端部７０ａと嵌合する接続溝２０ｇが形成されており、接続溝２０ｇは、補助基板７０を支持基板２０の表面に対して垂直方向に支持する。接続溝２０ｇに対する接続端部７０ａの固定には、例えば、接着剤を用いることができる。

支持基板２０の表面には、接続溝２０ｇの形成領域の近傍に、補助基板７０と電気的に接続される複数のランド２０ｐが形成されている。また、図１３に示すように補助基板７０の接続時に振動素子１０ｚ’が支持基板２０の表面と干渉する場合には、接続溝２０ｇに隣接して、振動素子１０ｚ’の基部１１を収容する逃げ溝２０ｖが形成される。

図１５は、支持基板２０と補助基板７０との間の電気的接続構造を示す要部断面図である。補助基板７０の第２の端子７２は、補助基板７０が支持基板２０へ接合されたときに支持基板２０上のランド２０ｐの形成位置と対応する位置にそれぞれ形成されている。第２の端子７２とランド２０ｐとの間は、図１５に示すように、はんだ等の導電性接合材２８を用いて電気的に接続される。

以上のように構成される本実施形態の角速度センサ３においては、補助基板７０に振動素子１０ｚ’が実装された後、補助基板７０を介して振動素子１０ｚ’が支持基板２０上に搭載される。支持基板２０に対する補助基板７０の接続が完了した後、端子７２とランド２０ｐとの間が電気的に接続される。

本実施形態によれば、補助基板７０に対する振動素子１０ｚ’の実装を平面上で行うことができるため、振動素子１０ｚ’の実装信頼性を確保することができる。また、支持基板２０に対する所定の傾斜角θを安定して得ることができる。さらに、振動素子１０ｚ’と補助基板７０とを一体化したユニット基板として振動素子１０ｚ’を取り扱うことが可能となる。

図１６は、上記ユニット基板の製造方法の一例を示す平面図である。補助基板７０は、一枚のマザー基板７００から所定形状に切り出されて形成される。マザー基板７００は複数枚の補助基板７０を同時に形成できる大型基板で構成されている。

図１６に示すように、マザー基板７００の表面には、補助基板７０として切り出される領域（セル領域）に、第１の端子７１、第２の端子７２及びこれら接続する配線７３がそれぞれ形成されている。振動素子１０ｚ’は、各セル領域上の第１の端子７１に対して、図示しないマウンタを用いてフリップチップ実装される。このとき、マザー基板７００の幅方向をＹ軸方向に合わせておくことで、Ｙ軸から所定角度（θ）傾斜したＺ’軸方向に向けて振動素子１０ｚ’を実装することができる。マザー基板７００上の全てのセル領域に振動素子１０ｚ’を実装した後、マザー基板７００は、セル領域を単位として個片化され（切り出され）る。これにより、振動素子１０ｚ’と補助基板７０とを一体化したユニット基板が複数同時に形成される。

このように、大型のマザー基板７００を用いることで、個々の小片の補助基板７０に対して振動素子１０ｚ’を実装する場合と比較して、振動素子１０ｚ’の実装作業性を高めることができるとともに、ハンドリング性の向上を図ることが可能となる。また、マザー基板７００上ですべての振動素子１０ｚ’の最終検査を行うことができる。さらに、振動子にレーザ光を照射して振動素子の共振周波数や離調度（縦共振周波数と横共振周波数との差）を調整する工程が必要に応じて実施される。この場合、この工程をマザー基板７００上ですべての振動素子に対して個別に実施することが可能となるため、作業性の向上を図ることができる。

＜第４の実施形態＞
図１７（Ａ）は、本発明の第４の実施形態による角速度センサの概略平面図である。なお、図において上述の第１の実施形態と対応する部分については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略するものとする。

本実施形態の角速度センサ４は、Ｘ軸及びＹ軸の２軸方向の角速度を各々検出する２軸角速度センサとして構成されている。

角速度センサ４は、支持基板２０上に２つの振動素子１０ｘ’、１０ｙがそれぞれ実装されている。振動素子１０ｘ’は、ＸＹ平面内においてＹ軸に対して所定角度θ傾斜したＸ’軸方向に検出軸を有し、Ｘ’軸に平行な軸回りの回転角速度を検出する。一方、振動素子１０ｙは、Ｙ軸方向に検出軸を有し、Ｙ軸に平行な軸回りの回転角速度を検出する。角速度センサ４は、振動素子１０ｘ’の検出信号と振動素子１０ｙの検出信号とに基づいてＸ軸に平行な軸回りの回転角速度を検出する。

本実施形態では、Ｘ’軸とＹ軸とが属する平面が支持基板２０の表面と平行に形成されている。したがって、Ｘ軸方向の角速度ωｘは、（５）式と同様に、次式によって算出される。
ωｘ＝｛（Ｖθ／αθ）−（Ｖｙ／αｙ）・cosθ｝／sinθ …（６）
ここで、Ｖθ及びＶｙは、振動素子１０ｘ’及び１０ｙのそれぞれの出力、αθ及びαｙは、振動素子１０ｘ’及び１０ｙのそれぞれの検出感度を示している。

本実施形態によれば、Ｘ軸方向に検出軸を向けた振動素子を用いることなく、Ｘ軸方向に平行な軸回りの角速度を検出することができる。これにより、２軸方向の角速度の検出に必要な振動素子の実装面積を小さくすることができる。また、支持基板２０のＸ軸方向の幅寸法を小さくすることが可能となる。

比較として、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ振動素子を配置した角速度センサ５を図１７（Ｂ）に示す。本実施形態の角速度センサ４によれば、比較例に係る角速度センサ５と比較して、Ｘ軸方向の幅寸法をΔＷだけ小さくすることが可能となる。したがって本実施形態によれば、角速度センサの小型化を図ることが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることはなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば以上の実施形態では、３軸方向の角速度を検出する角速度センサとして、図１、図１０及び図１２に示したように各振動素子を支持基板上に配置したが、これらに限られず、図１８及び図１９に示すように各振動素子を配置してもよい。

図１８（Ａ）、（Ｂ）に示す配置例は、Ｘ軸方向に平行な軸回りの角速度を検出する振動素子Ｇ１と、Ｚ軸方向に平行な軸回りの角速度を出力するための信号を検出する振動素子Ｇ２と、Ｙ軸方向に平行な軸回りの角速度を検出する振動素子Ｇ３とを有する。振動素子Ｇ２の検出軸は、ＸＹ平面内においてＸ軸に対して第１の所定角度でＸ軸と交差し、ＸＺ平面内において第２の所定角度でＸ軸と交差する。このように、振動素子Ｇ２を配置することで、振動素子Ｇ２の搭載領域の一部にＩＣチップが搭載されている場合でも、ＩＣチップとの干渉を避けて振動素子Ｇ２を配置することが可能となる。これにより、Ｘ、Ｙ及びＺの３軸方向の角速度を検出する角速度センサの薄型化及び小型化を同時に図ることが可能となる。

図１９（Ａ）、（Ｂ）に示す配置例は、Ｘ軸方向に平行な軸回りの角速度を検出する振動素子Ｇ１と、Ｚ軸方向に平行な軸回りの角速度を出力するための信号を検出する振動素子Ｇ２と、Ｙ軸方向に平行な軸回りの角速度を出力するための信号を検出する振動素子Ｇ３とを有する。振動素子Ｇ２の検出軸は、ＸＺ平面内において第１の所定角度でＸ軸と交差し、振動素子Ｇ３の検出軸は、ＸＹ平面内において第２の所定角度でＸ軸と交差する。これにより、Ｘ、Ｙ及びＺの３軸方向の角速度を検出する角速度センサを構成することができる。

図１８及び図１９に示した振動素子の配置例では、Ｚ軸方向からみて各振動素子が相互に重なり合うように各素子を配置することで、支持基板２０の小型化を図るようにしている。勿論、各振動素子がＺ軸方向に重なり合わないように各素子を配置するようにしてもよい。

また、以上の実施形態では、２軸方向の角速度を検出する角速度センサとして、図１７（Ａ）に示したように各振動素子を支持基板上に配置したが、これに限られず、図２０に示すように各振動素子を配置してもよい。すなわち図２０（Ａ）、（Ｂ）に示す配置例は、Ｘ軸方向に平行な軸回りの角速度を検出する振動素子Ｇ１と、Ｚ軸方向に平行な軸回りの角速度を出力するための信号を検出する振動素子Ｇ２とを有する。振動素子Ｇ２の検出軸は、ＸＺ平面内において所定の角度でＸ軸と交差する。これにより、Ｘ及びＺの２軸方向の角速度を検出する角速度センサを構成することができる。

一方、以上の実施形態では、振動素子として、３本の梁を有する三音叉型の振動素子が採用されたが、これに代えて、１本あるいは２本等の梁を有する音叉型振動素子、音片型の振動素子などが用いられてもよい。

また、以上の第１の実施形態では、支持基板２０に実装される振動素子の実装面１０ａ側に駆動用及び検出用の圧電層が形成されたが、振動素子の非実装面側にこれら圧電層が形成されてもよい。

１、２、３、４…角速度センサ
１０、１０ｘ、１０ｘ’、１０ｙ、１０ｚ’…振動素子
１０ｇ…溝部
１１…基部
１２…振動子部
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ…振動子
２０…支持基板
２０ｇ…接続溝
２５…凹部
３１…駆動回路
４０…キャップ
５１…外部接続端子
６０ａ、６０ｃ…駆動電極
６０ｂ１、６０ｂ２…検出電極
７０…補助基板

Claims (16)

1. 第１の方向に平行な軸回りの第１の角速度を検出する第１の振動素子と、
   前記第１の方向に対して斜めに交差する第２の方向に平行な軸回りの第２の角速度を検出し、前記第１の方向と直交する第３の方向に平行な軸回りの第３の角速度に応じた出力信号を生成するための第２の振動素子と、
   前記第１及び第２の振動素子を支持する支持基板と
   を具備する角速度センサ。
2. 請求項１に記載の角速度センサであって、
   前記第３の方向は、前記第１及び第２の方向が属する第１の平面内において前記第１の方向と直交する
   角速度センサ。
3. 請求項２に記載の角速度センサであって、
   前記支持基板は、前記第１及び第２の振動素子が搭載される、前記第１の方向と平行な第１の表面を有する
   角速度センサ。
4. 請求項３に記載の角速度センサであって、
   前記第１の表面は、前記第１の平面と直交する第２の平面上にある
   角速度センサ。
5. 請求項４に記載の角速度センサであって、
   前記第１の平面と直交する第４の方向に平行な軸回りの第４の角速度を検出する第３の振動素子をさらに具備する
   角速度センサ。
6. 請求項５に記載の角速度センサであって、
   前記第３の振動素子は、前記支持基板の前記第１の表面に搭載される
   角速度センサ。
7. 請求項４に記載の角速度センサであって、
   前記支持基板は、前記第１の表面に、前記第２の振動素子を前記第２の方向に沿った検出軸に位置決めする固定部を有する
   角速度センサ。
8. 請求項７に記載の角速度センサであって、
   前記固定部は、前記第１の表面に形成された凹部であり、
   前記凹部は、前記振動素子を前記第２の方向に傾斜した状態で位置決めする
   角速度センサ。
9. 請求項７に記載の角速度センサであって、
   前記固定部は、前記第１の表面に形成された溝部と、
   前記溝部に嵌合する接続端部を有し、前記第２の振動素子を前記第２の方向に傾斜した状態で支持する補助基板とを有する
   角速度センサ。
10. 請求項１に記載の角速度センサであって、
    前記第１の平面と直交する第４の方向に平行な軸回りの第４の角速度を検出する第３の振動素子をさらに具備する
    角速度センサ。
11. 請求項１に記載の角速度センサであって、
    前記第１の方向と前記第２の方向とのなす角は、１５度以上４５度以下、もしくは１３５度以上１６５度以下である
    角速度センサ。
12. 請求項１に記載の角速度センサであって、
    前記第１の振動素子は、第１の検出感度を有し、
    前記第２の振動素子は、第１の検出感度よりも高い第２の検出感度を有する
    角速度センサ。
13. 請求項１に記載の角速度センサであって、
    前記支持基板は、外部の基板へ表面実装するための複数の外部接続端子が形成された、前記第１の表面とは反対側の第２の表面をさらに有する
    角速度センサ。
14. 請求項１に記載の角速度センサであって、
    前記第１及び第２の振動素子は、
    振動子と、
    前記支持基板に固定され前記振動子を支持する基部と、
    前記振動子の表面に形成され、前記振動子を振動させる駆動部と、
    前記振動子の表面に形成され、前記振動子に作用するコリオリ力に由来する振動成分を検出する検出部とを有する
    角速度センサ。
15. 請求項１に記載の角速度センサであって、
    前記第１の振動素子により検出された前記第１の角速度に関する信号と前記第２の振動素子により検出された前記第２の角速度に関する信号とに基づいて、前記第１及び第２の方向が属する第１の平面内において前記第１の方向と直交する第３の方向に平行な軸回りの第３の角速度に応じた出力信号を生成する信号処理回路をさらに具備する
    角速度センサ。
16. 第１の方向に平行な軸回りの第１の角速度を検出する第１の振動素子と、
    前記第１の方向に対して斜めに交差する第２の方向に平行な軸回りの第２の角速度を検出する第２の振動素子と、
    前記第１及び第２の振動素子を支持する支持基板と、
    前記第１の振動素子により検出された前記第１の角速度に関する信号と前記第２の振動素子により検出された前記第２の角速度に関する信号とに基づいて、前記第１の方向と直交する第３の方向に平行な軸回りの第３の角速度に応じた出力信号を生成する信号処理回路と
    を具備する電子機器。

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