JP5131491B2 - ジャイロモジュール - Google Patents

Description

本発明は、２軸ジャイロモジュールに関するものである。

従来のジャイロセンサでは、多軸の検出を行う場合、１つの検出軸を持つセンサ素子を組み合わせて形成していた。例えば、特許文献１に開示された多軸半導体センサは、１軸の検出ができる半導体センサ（角速度センサまたは加速度センサ）をセンサブロックに取り付けたものを３つ用意し、このセンサブロックを貼り合わせて固定することにより形成している。また特許文献２に開示された多軸検出型振動ジャイロは、振動ジャイロや信号処理回路を平面基板に配設したものを複数有し、複数の平面基板のうちの１つに対して他の平面基板を起立させて、四角柱や角柱の形状を取ることにより多軸方向の回転角速度の検出を行うものである。

特開２００３−２８６４６号公報 特開平７−３０６０４７号公報

前述した多軸検出を行うジャイロセンサでは、１軸の検出軸を有するセンサ素子を搭載しているので、例えば２軸検出を行う場合では、一方のセンサ素子に対して他方のセンサ素子を垂直に立たせて配置しなければならない。この場合では、ジャイロセンサが側面視して略Ｌ字型となるので低背化することができず、また１つのモジュールにすると無駄なスペースが生じてしまう。すなわち、２軸検出（Ｚ軸検出とＹ軸検出）を行うジャイロセンサでは、ジャイロセンサが必要とする検出軸とセンサ素子の検出軸を一致させなければならないので、Ｚ軸検出用のセンサ素子とＹ軸検出用のセンサ素子の各検出軸が直交した関係を必要とする。

このためジャイロセンサの高さは、立たせて配置してあるセンサ素子の主面の幅に関係するので、センサ素子に薄型のものを使用しても、ジャイロセンサを十分に小型化できるものでなかった。

また従来の多軸検出を行うジャイロセンサでは、これに搭載しているセンサ素子のうちの１つを１軸の検出に使用している。すなわち各検出軸における角速度の検出をそれぞれ１つのセンサ素子で行っている。このためジャイロセンサの出力では、１つの検出軸の出力が１つのセンサ素子の出力になる。そして、センサ素子が出力した信号にノイズが加わっても、そのまま後の処理に使われるので、信号レベルを大きくするとノイズも大きくなってしまう。またノイズを除去するためにフィルタ等を設けると、回路が大きくなってしまう。
本発明は、２軸の角速度検出を行えるジャイロモジュールを提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
第１の形態のジャイロモジュールは、第１検出軸と第２検出軸とを有するジャイロ素子片を２つ有し、一方の前記ジャイロ素子片と他方の前記ジャイロ素子片とを、前記各第１検出軸の検出感度極性を同じにするとともに、前記各第２検出軸の検出感度極性を反転させて配設し、前記各ジャイロ素子片から出力する信号を加算および減算し、これらの演算結果を出力する演算回路を備え、前記演算回路の後段に比較手段が接続されるとともに、警報発信号を入力することによって警報を発する警報手段が前記比較手段の後段に接続されており、前記比較手段は、前記各ジャイロ素子片から出力する信号を加算した結果と前記信号を減算した結果とを入力して各値を比較し、前記各値が同じになっている時間が予め設定した時間よりも長くなったときに、前記２つのジャイロ素子片の少なくともいずれか一方が故障したと判断し、前記警報手段に前記警報発信号を出力してなることを特徴とする。

これによりジャイロ素子片が出力する信号を、第１検出軸回りの角速度成分と、第２検出軸回りの角速度の成分に分離することができ、これらの２軸の出力を得ることができる。また、ジャイロ素子片が故障したとしても、故障が発生したことを知らせることができる。

［適用例１］第１検出軸の角速度の信号と第２検出軸の角速度の信号とを混合した信号を出力するジャイロ素子片を２つ有し、前記２つのジャイロ素子片は前記第１検出軸の検出感度極性が互いに同じであると共に、前記第２検出軸の検出感度極性が反転するよう配置し、前記２つのジャイロ素子片の前記信号を加算および減算する演算回路を備えた、ことを特徴とするジャイロモジュール。
これによりジャイロ素子片が出力する信号を、第１検出軸回りの角速度成分と、第２検出軸回りの角速度の成分に分離することができ、これらの２軸の出力を得ることができる。

また各ジャイロ素子片は２つの検出軸を有しているから、２軸の検出を行うために、従来のように２つあるジャイロ素子片のうちの一方を立てて配置する必要がない。すなわちジャイロモジュールは、２つの検出軸回りの角速度成分を分離するために２つのジャイロ素子片を用いているが、検出軸のうちの一方を一致させ、他方を反転させる構成であるから、ジャイロ素子片の主面は同一方向または反転した方向を向いていればよく、ジャイロ素子片を立設する必要がないのである。よってジャイロモジュールを低背化できる。

さらに各検出軸の角速度は、２つあるジャイロ素子片が出力する信号を足して得られるので、信号レベルを大きくできる。このためジャイロ素子片が出力する信号にノイズが載っていたとしても、各ジャイロ素子片が出力する信号を足して信号レベルを大きくすることにより、ノイズに比べて信号レベルを大きくすることができる。よってジャイロモジュールが出力する信号は、ノイズが小さくなるので高精度にすることができる。

［適用例２］前記ジャイロ素子片は、基部と、該基部を中心に該基部から対称方向に延びる２つの連結腕と、該連結腕を中心に該連結腕から対称方向に延びる駆動腕と、前記連結腕と直交する方向であり且つ前記基部を中心に該基部から対称方向に延びる２つの検出腕とを有し、前記検出腕に錘部を備えた構成であることを特徴とする適用例１に記載のジャイロモジュール。

これによりジャイロ素子片は、ダブルＴ型ジャイロセンサとなる。そしてダブルＴ型ジャイロセンサが出力する信号を、第１検出軸回りの角速度成分と、第２検出軸回りの角速度成分に分離することができ、これらの２軸の出力を得ることができる。

［適用例３］前記ジャイロ素子片は、基部と、該基部を中心に該基部から対称方向に延びる２つの連結腕と、該連結腕を中心に該連結腕から対称方向に延びる駆動腕と、前記連結腕と直交する方向であり且つ前記基部を中心に該基部から対称方向に延びる２つの検出腕とを有し、前記検出腕に該検出腕よりも幅広の構成を有する錘部を備えたものであることを特徴とする適用例１に記載のジャイロモジュール。

これによりジャイロ素子片は、ダブルＴ型ジャイロセンサとなる。ダブルＴ型ジャイロセンサを用いることにより、第１検出軸と第２検出軸との感度比は１：１となる。このため一方の検出軸の出力に対して他方の検出軸の出力が小さくなることがないので、ゲイン等を一方の検出軸の出力と他方の検出軸の出力とで変える必要がない。よって信号の処理を簡単にすることができる。

［適用例４］前記２つのジャイロ素子片のうち少なくとも一つは、双音叉振動ジャイロセンサであることを特徴とする適用例１に記載のジャイロモジュール。
これにより双音叉振動ジャイロセンサが出力する信号を、Ｙ軸回りの角速度成分と、Ｚ軸回りの角速度成分に分離することができ、これらの２軸の出力を得ることができる。

［適用例５］前記ジャイロ素子片は水晶基板から形成されたものであり、前記２つの検出軸が水晶結晶軸の光学軸と機械軸とであることを特徴とする適用例１乃至４のいずれかに記載のジャイロモジュール。
これによりジャイロ素子片が出力する信号を、光学軸回りの角速度成分と、機械軸回りの角速度成分に分離することができ、これらの２軸の出力を得ることができる。

［適用例６］前記ジャイロモジュールは、前記演算回路の加算結果と前記演算回路の減算結果との信号レベルを比較し、前記信号レベルが一致する時間を計る比較手段と、前記比較手段の出力信号を受けて警報を発生する警報手段を備えたことを特徴とする適用例１に記載のジャイロモジュール。
これによりジャイロ素子片が故障したとしても、故障が発生したことを知らせることができる。

ジャイロモジュールのブロック図である。 ジャイロ素子片の概略斜視図である。 他方のジャイロセンサ素子片を、一方のジャイロ素子片に対して平面方向に反転した状態を説明する概略底面図である。 他方のジャイロセンサ素子片を、一方のジャイロ素子片に対して上下方向に反転した状態を説明する概略斜視図である。 １つのパッケージで２軸ジャイロモジュールを構成したときの概略断面図である。 ジャイロ素子の概略斜視図である。 双音叉振動ジャイロセンサの概略平面図である。

以下に、本発明に係るジャイロモジュールの最良の実施形態について説明する。図１はジャイロモジュールのブロック図である。２軸のジャイロモジュール１０は、第１検出軸と第２検出軸を有するジャイロ素子片３０を２つ有している。そして一方のジャイロ素子片３０と他方のジャイロ素子片３０は、各第１検出軸回りの角速度に対する検出感度極性が同じになっており、各第２検出軸回りの角速度に対する検出感度極性が反転している。

このジャイロ素子片３０には、入力側に発振回路（図示せず）が接続しており、また出力側に演算回路２０が接続している。この発振回路は、ジャイロ素子片３０の駆動腕を励振させるものである。また演算回路２０は、加算回路２２および減算回路２４を備えており、加算回路２２が各ジャイロ素子片３０の出力側に接続するとともに、減算回路２４が各ジャイロ素子片３０の出力側に接続している。そして加算回路２２は、各ジャイロ素子片３０が検出した角速度に基づく信号を加算して出力している。また減算回路２４は、各ジャイロ素子片３０が検出した角速度に基づく信号を減算して出力している。そして加算回路２２の出力が第１検出軸の出力（第１検出軸出力）になり、減算回路２４の出力が第２検出軸の出力（第２検出軸出力）になっている。

また加算回路２２および減算回路２４の後段に比較手段２６が接続している。この比較手段２６は、加算回路２２の出力値と、減算回路２４の出力値とを比較している。比較手段２６の後段に警報手段２８が接続しており、比較手段２６から入力した警報発信号に基づいて警報を発するものである。

なお図１に示す回路図では、ジャイロ素子片と演算回路との接続構成を簡易的に記載したが、２軸ジャイロモジュール１０における各ジャイロ素子片の後段回路の具体的構成は、例えば、後述するジャイロ素子片３０の検出電極が検出した検出信号（電荷）を電圧信号に変換する為のチャージアンプ回路を１つの検出腕４０に対して１つずつ備えたものである（１つのジャイロ素子片３０に対して２つのチャージアンプ回路を備える）。

さらに２軸ジャイロモジュール１０は、前記２つのチャージアンプ回路からの出力信号を増幅する為の差動増幅回路と、差動増幅回路からの出力信号と発振器の出力信号とを同期検波する為の同期検波回路と、同期検波回路の出力から高周波信号を除去する為のローパスフィルタとを備える。
そしてローパスフィルタからの出力信号を加算回路２２、減算回路２４に供給する構成を有する。

またジャイロ素子片３０は次のようになっている。図２はジャイロ素子片の概略斜視図である。このジャイロ素子片３０は、いわゆるダブルＴ型ジャイロセンサとなっている。このジャイロ素子片３０は水晶を用いており、水晶結晶のＸ軸（電気軸）およびＹ軸（機械軸）で形成されるＸＹ平面で切り出されたＺカット水晶基板から形成されている。この水晶基板の主面が、ジャイロ素子片３０の主面になっている。なおＸＹ平面の垂直方向がＺ軸（光学軸）になっている。

そしてジャイロ素子片３０は、前記ＸＹ平面内において、矩形状の基部３２を有している。この基部３２には、ＸＹ平面内において、Ｙ軸に平行な各端辺の中央からＸ軸に平行な方向に延びた連結腕３４が存在する。すなわち基部３２には、基部３２と一体に形成した＋Ｘ方向（Ｘ軸矢印方向）に延びる連結腕３４と、これとは逆方向の−Ｘ方向に延びる連結腕３４とが存在する。また各連結腕３４の先端（Ｘ軸方向の先端）または中間（Ｘ軸方向の中間）には、ＸＹ平面内において、Ｙ軸に平行な方向に延びた駆動腕３６が存在する。すなわち各連結腕３４の先端または中間の位置には、連結腕３４と一体に形成した＋Ｙ方向（Ｙ軸矢印方向）に延びる駆動腕３６と、連結腕３４を中心にして＋Ｙ方向に延びる駆動腕３６と対称となるよう−Ｙ方向に延びる駆動腕３６が存在する。そして各駆動腕３６の先端には、この駆動腕３６よりもＸ軸方向の幅を広くした矩形状の錘部３８が駆動腕３６と一体に存在する。

また基部３２には、ＸＹ平面において、Ｘ軸に平行な各端辺の中央からＹ軸に平行な方向に延びた検出腕４０が存在する。すなわち基部３２には、基部３２と一体に形成した＋Ｙ方向に延びる検出腕４０と、−Ｙ方向に延びる検出腕４０とが存在する。そして各検出腕４０の先端には、この検出腕４０よりもＸ軸方向の幅を広くした矩形状の錘部４２が検出腕４０と一体に存在する。この検出腕４０の先端に設けた錘部４２のＸ軸方向の幅は、駆動腕３６の先端に設けた錘部３８のＸ軸方向の幅よりも大きくしてある。そして検出腕４０の先端に設けた錘部４２の幅をＤ、駆動腕３６の先端に設けた錘部３８の幅をｄとすると、５ｄ≦Ｄ≦１０ｄの関係を満たすようになっている。すなわち検出腕４０の先端に設けた錘部４２の幅Ｄは、駆動腕３６の先端に設けた錘部３８の幅ｄの５ないし１０倍となるように設計してある。このように検出腕４０の先端に設けた錘部４２の幅Ｄを設定するのは、Ｙ軸回転系の角速度検出において、検出腕４０の捩れ振動を効率よく得るためである。

また駆動腕３６および検出腕４０のＸＹ平面に平行する両面には、Ｘ軸方向のそれぞれの幅の中央に溝４４を設けている。この溝４４の内面全体に駆動電極または検出電極用の金属膜を設けることにより、駆動腕３６および検出腕４０のＺＹ平面に平行する面に形成した駆動電極または検出電極と溝４４に設けた電極との間に効率良く電界を発生させることができるので、ジャイロ素子片３０の小型化を可能にしている。なお各駆動腕３６に駆動電極（図示せず）が設けてあり、各検出腕４０には検出電極（図示せず）が設けてある。前記駆動電極および前記検出電極は、基部３２の裏面に設けた振動片側マウント電極４８（図３、４を参照）と１対１に接続している。この振動片側マウント電極４８は、ジャイロ素子片３０がパッケージに収容されたときに、パッケージ側の電極との接続する箇所になる。

そしてジャイロ素子片３０では、振動片側マウント電極４８を介して前記駆動電極に発振回路からの電気信号（ドライブ信号）が供給されると、駆動腕３６が対称的に屈曲振動（駆動振動）する。すなわち図２の左側に示す駆動腕３６と右側に示す駆動腕３６とが、ジャイロ素子片３０の重心Ｇを通るＹ軸に平行な線に対して線対称の振動をする。このような駆動振動をジャイロ素子片３０が行っているときに、Ｚ軸回りの角速度が加えられると駆動腕３６にはＹ軸方向のコリオリ力が働くことになる。そして、コリオリの影響を受けて検出腕４０がＸ軸方向に屈曲振動（検出振動）するので、電気信号が前記検出電極を介して振動片側マウント電極４８から出力する。また駆動振動をジャイロ素子片３０が行っているときに、Ｙ軸回りの角速度が加えられると検出腕４０が捩れ振動（検出振動）する。この捩れ振動は、コリオリ力によって生じた検出腕４０のＸ方向の屈曲振動と、Ｚ方向の屈曲振動とを合成した振動モードである。そしてこの捩れ振動により、電気信号が検出電極から出力する。なおＸ軸回りの回転の場合には、コリオリ力が発生しないので、ジャイロ素子片３０から電気信号を出力しない。

このようにジャイロ素子片３０を構成しているので、Ｚ軸回りの角速度を検出する感度と、Ｙ軸回りの角速度を検出する感度の比が１対１になる。
なおジャイロ素子片３０は、フォトリソグラフィ加工技術を用いて製造できるので、小型化することができる。また駆動腕３６や検出腕４０に錘部３８，４２や溝４４を設けることによっても小型化することができるとともに、感度を高くすることができる。

そして２軸ジャイロモジュール１０は、ジャイロ素子片３０の出力信号から各検出軸の成分を分離するために、一方のジャイロ素子片３０の第１検出軸と他方のジャイロ素子片３０の第１検出軸との検出感度極性を一致させ、一方のジャイロ素子片３０の第２検出軸と他方のジャイロ素子片３０の第２検出軸との検出感度極性を反転させている。

これは、図３に示すように、同一構成のジャイロ素子片３０を２つ用意し、他方のジャイロ素子片３０を、一方のジャイロ素子片３０に対してＺ軸回りに１８０°回転させて配設（対称配設）すればよい。すなわち図３の左側に示す一方のジャイロ素子片３０では、＋Ｙ方向が図面の上に向き、＋Ｚ方向が図面に対して垂直な手前側に向き、＋Ｘ方向が図面の右に向いている。これに対し、図３の右側に示す他方のジャイロ素子片３０は、一方のジャイロ素子片３０に対して平面方向に１８０°反転しているので、＋Ｙ方向が図面の下に向き、＋Ｚ方向が図面に対して垂直な手前側に向き、＋Ｘ方向が図面の左に向いている。このように各ジャイロ素子片３０を配置すると、第１検出軸がＺ軸になり、第２検出軸がＹ軸になる。

なお各ジャイロ素子片３０のＺ軸は完全に一致していてもよく、また２軸ジャイロモジュール１０に必要とされる検出精度に応じて略一致している状態であってもよい。これと同様に、各ジャイロ素子片３０のＹ軸の向きは、完全に１８０°反転した状態であってもよく、また２軸ジャイロモジュール１０に必要とされる検出精度に応じて略反転している状態であってもよい。
なおＺ軸を完全に一致させ、Ｙ軸を完全に１８０°反転させて構成すれば検出精度の高い２軸ジャイロモジュール１０となる。

そして図３では、振動片側マウント電極４８に接続する前記駆動電極および前記検出電極を図示していない。また図３では、駆動腕３６および検出腕４０に設けた溝４４を図示していない。

また各ジャイロ素子片３０の第１検出軸の検出感度極性を一致させるとともに、第２検出軸の検出感度極性を反転させるには、図４に示すように各ジャイロ素子片３０を配置することもできる。すなわち同一の構成のジャイロ素子片３０を２つ用意し、他方のジャイロ素子片３０を、一方のジャイロ素子片３０に対して上下方向に反転すればよい。そして図４の上側に示す一方のジャイロ素子片３０では、＋Ｙ方向が図面の右下に向き、＋Ｚ方向が図面の下に向き、＋Ｘ方向が図面の右上に向いている。これに対し、図４の下側に示す他方のジャイロ素子片３０は、一方のジャイロ素子片３０に対して上下方向に１８０°反転しているので、＋Ｙ方向が図面の右下に向き、＋Ｚ方向が図面の上に向き、＋Ｘ方向が図面の左下に向いている。このように各ジャイロ素子片３０を配置すると、第１検出軸がＹ軸になり、第２検出軸がＺ軸になる。

なお各ジャイロ素子片３０のＹ軸は完全に一致していてもよく、また２軸ジャイロモジュール１０に必要とされる検出精度に応じて略一致している状態であってもよい。これと同様に各ジャイロ素子片３０のＺ軸の向きは、完全に１８０°反転した状態であってもよく、また２軸ジャイロモジュール１０に必要とされる検出精度に応じて略反転している状態であってもよい。
なおＹ軸を完全に一致させ、Ｚ軸を完全に１８０°反転させて構成すれば検出精度の高い２軸ジャイロモジュール１０となる。

そして図４では、振動片側マウント電極４８に接続する前記駆動電極および前記検出電極の図示を省略する。また図４では、駆動腕３６および検出腕４０に設けた溝４４の図示を省略する。

そして２軸ジャイロモジュール１０は、１つのパッケージで構成することができる。図５は１つのパッケージで２軸ジャイロモジュールを構成したときの概略断面図である。すなわち２軸ジャイロモジュール１０はパッケージベース６２を有しており、上方および下方に向けて開口した凹陥部６４がパッケージベース６２に設けてある。各凹陥部６４の側面は階段状に形成してあり、この階段部６８の上面に該当する部分にジャイロ素子片３０を搭載するためのパッケージ側マウント電極６６が設けてある。また各凹陥部６４の底面は、集積回路（ＩＣ）チップ５８を固着する領域となっている。このような凹陥部６４には、ＩＣチップ５８とパッケージ側マウント電極６６とを導通するパターン（図示せず）が設けてある。またパッケージベース６２の裏面に外部端子７０が設けてあり、この外部端子７０とＩＣチップ５８とを導通するパターン（図示せず）が設けてある。

またジャイロ素子片３０は、中間基板５０の上方に配置してある。この中間基板５０はリード５２（リード電極）を備えており、このリード５２の先端部とジャイロ素子片３０の振動片側マウント電極４８（図５には図示せず）が接続している。またリード５２の基端部は、中間基板５０の縁部にまで引き回されており、パッケージ側マウント電極６６と接続するようになっている。

そしてＩＣチップ５８は各凹陥部６４の底面に固着しており、この内部または表面に前記発振回路を備えている。またＩＣチップ５８のうちの一方には、演算回路２０や比較手段２６等の発振回路の他の必要な回路が設けられている。なお２つ有るＩＣチップ５８は、１つにまとめた形態であってもよい。そして凹陥部６４に設けた階段部６８の上面に該当する部分に、ジャイロ素子片３０が接続している中間基板５０を配設する。これによりジャイロ素子片３０とＩＣチップ５８が導通するとともに、ＩＣチップ５８と外部端子７０が導通する。またジャイロ素子片３０は、上下方向に互いに反転した状態でパッケージベース６２に搭載されているので、第１検出軸がＹ軸となり、第２検出軸がＺ軸となっている。

また各凹陥部６４には、その開口している部分に蓋体７２を設けることにより、凹陥部６４を封止している。これによりジャイロ素子片３０等が真空封止される。このような構成にすることにより、２軸ジャイロモジュール１０を１つのパッケージ６０で構成することができる。
なお真空封止工程としては、２つの凹陥部６４を個別に真空封止しても良い。
また、一度の真空工程で２つの凹陥部６４内を真空状態にしても良い。

この工程を実現する為には、例えば、パッケージベース６２の内部（例えば、凹陥部の底面）に上下の凹陥部６４を連結する為の貫通孔を形成しておけばよい。これにより、一方の凹陥部６４の開口している部分を蓋体７２にて覆った後、他方の凹陥部６４を封止する前に真空処理することで、一方の凹陥部６４内の気体が貫通孔を介して排出されるので、一度の真空処理工程にて２つの凹陥部６４内を真空にすることが可能である。
したがって真空封止工程を簡素化することができる。

また上述した２つ有るＩＣチップ５８を１つにまとめた形態の場合、一方のジャイロ素子片３０を搭載した中間基板５０を凹陥部の底面に搭載することが可能である。

すなわちＩＣチップ５８が１つであれば、一方の凹陥部６４内にはジャイロ素子片３０のみを収納すればよいので、リード５２の基端部と接続する為のパッケージ側マウント電極６６を当該凹陥部６４の底面に配設することが可能である。

そしてこれに伴い、当該凹陥部６４内部には階段部６８が不要となるので２軸ジャイロモジュール１０の低背化に有効である。
さらには、Ｚ軸方向における２つのジャイロ素子片３０間の距離が短くなるので２つのジャイロ素子片３０のＹ軸回転に対する角速度の検知結果の差（絶対値）は小さいものとなる。

また２軸ジャイロモジュール１０は、１つのパッケージで構成する場合でも、次のようにすることもできる。すなわち中間基板５０の上方および下方（表裏面）に、リード５２を用いてジャイロ素子片３０を互いに対向するよう配設する。このとき中間基板５０の上方に配置するジャイロ素子片３０と下方に配置するジャイロ素子片３０の各第１検出軸を一致させるとともに、これらのジャイロ素子片３０の各第２検出軸を反転させておけばよい。そして上方に開口した凹陥部を１つ有するパッケージベースに、この２つのジャイロ素子片３０を備えた中間基板５０とＩＣチップ５８を搭載する（パッケージベース内にはパッケージ側マウント電極を有する階段部を有し、パッケージ側マウント電極とリードの基端部とを接続する）。さらにパッケージの上面に蓋体を接合して、ジャイロ素子片３０等を真空封止する。このような形態にすると、１つの凹陥部を備えたパッケージに２つのジャイロ素子片３０とＩＣチップ５８を収容することができる。

そしてこのような構成では、Ｚ軸方向における２つのジャイロ素子片３０間の距離が短くなるので２つのジャイロ素子片３０のＹ軸回転に対する角速度の検知結果の差（絶対値）は小さいものとなると共に、蓋体７２の封止工程（接続工程）が一度で足りるので生産効率の高い２軸ジャイロモジュール１０を得ることができる。

なおＩＣチップ５８とパッケージベース６２側の回路配線との接続にはワイヤボンディングを適用しても良いが、フリップチップボンディング工法などによりＩＣチップ５８をパッケージベース６２にフェイスダウンボンディングしても良い。

ＩＣチップ５８をフェイスダウンボンディングした場合、ワイヤボンディングの場合のようにＺ軸方向にはワイヤのループの高さ分のスペースを設ける必要がないので、階段部６８の高さをより低く構成することが可能である。

したがってＩＣチップ５８をワイヤボンディングした場合と比較してＺ軸方向における２つのジャイロ素子片３０間の距離を更に短くすることができるので、２つのジャイロ素子片３０のＹ軸回転に対する角速度の検知結果の差（絶対値）を小さくすることができる。

また２軸ジャイロモジュール１０は、１つのパッケージで構成する場合でも、パッケージベースに１つ設けた凹陥部に、１つのジャイロ素子片３０を備えた中間基板５０を２つ平面方向に並べて配設（図３に示す配設状態）するとともに、ＩＣチップ５８を配設し、パッケージベースの上面に蓋体を接合することもできる。
なお２つのジャイロ素子片３０を一枚の中間基板５０に平面方向に並べて配設した構成でもよい。

さらに２軸ジャイロモジュール１０は、各ジャイロ素子片３０をそれぞれ１つのパッケージに収容し、これを２つ組み合わせることにより形成してもよい。図６はジャイロ素子の概略斜視図である。なお図６では、蓋体、リード、パッケージ側マウント電極、外部端子およびＩＣチップの記載を省略している。

ジャイロ素子８０は、１つのパッケージ８２に１つのジャイロ素子片３０を収容したものである。そしてジャイロ素子片３０は、図５を用いて説明した形態と同様に、リードを用いて中間基板５０に固定されている。このジャイロ素子片３０を搭載するパッケージベース８４は、上方に向けて開口した凹陥部８６を有しており、その内部にパッケージ側マウント電極が設けてある。またパッケージベース８４の裏面に外部端子が設けてある。そして凹陥部８６の底面にＩＣチップが固着してあり、このＩＣチップと外部端子が導通している。またＩＣチップの上方には、ジャイロ素子片３０を上方に向けて中間基板５０が配設している。このとき中間基板５０に設けた前記リードと、前記パッケージ側マウント電極が接続するので、ジャイロ素子片３０とＩＣチップが導通することになる。そしてパッケージベース８４の上面に蓋体を接合して、ジャイロ素子片３０を真空封止することにより、ジャイロ素子８０を得る。

この後、２軸ジャイロモジュール１０を形成するために、図６に示すジャイロ素子８０を２つ組み合わせて配置する。なお、この組み合わせて配置する方法は、他方のジャイロ素子８０を、一方のジャイロ素子８０に対して平面方向に反転させて、配置すればよい。これにより各ジャイロ素子片３０は、図３に示す形態となる。また組み合わせて配置する方法は、他方のジャイロ素子８０を、一方のジャイロ素子８０に対して上下方向に反転させて、配置してもよい。これにより各ジャイロ素子片３０は、図４に示す形態となる。

このように各ジャイロ素子８０を配置した後は、これらの周囲を樹脂モールド材で覆うことにより、１つのパッケージにすることができる。なお、このように２つのジャイロ素子８０を用いて２軸ジャイロモジュール１０を形成する場合、各パッケージ８２に収容したＩＣチップのうちのいずれか一方に演算回路２０や比較手段２６等を設けておけばよい。

なお上述ではパッケージ６０内にＩＣチップ５８を収容した構成を説明したが、ＩＣチップ５８をパッケージ６０の外部に搭載しても構わない。
この場合、特に図５に示すように、２つのジャイロ素子片３０を重ねた構成においては、外部端子７０と検出電極とが導通した構成となり、また２つの中間基板５０を凹陥部の底面に搭載することができる。

したがって、Ｚ軸方向における２つのジャイロ素子片３０間の距離を更に短くすることができるので、２つのジャイロ素子片３０のＹ軸回転に対する角速度の検知結果の差（絶対値）を小さくすることができる。

このような２軸ジャイロモジュール１０の動作は、次のようになっている。まずジャイロ素子片３０は、前記発振回路から駆動電極に電気信号が供給されて、駆動腕３６が励振している。このとき第１検出軸回りの角速度および第２検出軸回りの角速度が各ジャイロ素子片３０に加わると、それぞれのジャイロ素子片３０が備えている検出腕４０が励振し、これを電気信号に変換して出力する。この信号は、加算回路２２および減算回路２４に入力する。そして加算回路２２は、一方のジャイロ素子片３０から入力した信号と、他方のジャイロ素子片３０から入力した信号とを加算する。加算回路２２は、この加算により、検出感度極性が反転している軸（第２検出軸）回りの角速度成分を取除いて、検出感度極性が一致している軸（第１検出軸）回りの角速度成分を得ている。そして加算回路２２は、各ジャイロ素子片３０における第１検出軸回りの角速度成分を加算したものを出力するので、この出力する信号のレベルが入力する信号に比べて２倍になっている。この加算回路２２の出力が、２軸ジャイロモジュール１０の第１検出軸出力となる。

他方、減算回路２４は、一方のジャイロ素子片３０から入力した信号と、他方のジャイロ素子片３０から入力した信号とを減算する。減算回路２４は、この減算により、検出感度極性が一致している軸（第１検出軸）回りの角速度成分を取除いて、検出感度極性が反転している軸（第２検出軸）回りの角速度成分を得ている。そして減算回路２４は、検出感度極性が反転している成分を減算するので、出力する信号のレベルが入力する信号に比べて２倍になっている。この減算回路２４の出力が、２軸ジャイロモジュール１０の第２検出軸出力となる。

すなわち２軸ジャイロモジュール１０の回転軸が、例えば、図３に示す左側に記載したＸＹＺ座標軸に於いてＹＺ平面内でＺ軸となす角方向に傾斜した軸である場合、２つのジャイロ素子片３０にはＺ軸回りの角速度とＹ軸回りの角速度が混合して発生する。

よって、ジャイロ素子片３０の検出電極からはＺ軸回りの角速度に対する検出信号成分とＹ軸回りの角速度に対する検出信号成分とが重畳し合った検出信号が出力される。

但しこの場合であっても、Ｙ軸回りの角速度の変化に対して、一方のジャイロ素子片３０の検出信号成分の変化と、他方のジャイロ素子片３０の検出信号成分の変化とでは極性が反転したものである。

したがって２つのジャイロ素子片３０の検出信号を加算回路２２にて加算すると、極性が等しいＺ軸回りの角速度に対する検出信号成分は加算されるが、極性が異なるＹ軸回りの角速度に対する検出信号成分は結果的に減算されることになる。
そしてこの結果、第１の検出軸出力としてはＺ軸回りの角速度に対する検出結果のみが得られる。

また２つのジャイロ素子片３０の検出信号を減算回路２４にて減算すると、極性が等しいＺ軸回りの角速度に対する検出信号成分は結果的に減算されるが、極性が異なるＹ軸回りの角速度に対する検出信号成分は結果的に加算されることになる。
そしてこの結果、第２の検出軸出力としてはＹ軸回りの角速度に対する検出結果のみが得られる。

したがって２軸ジャイロモジュール１０は、Ｚ軸回りの角速度の検出成分とＹ軸回りの角速度の検出成分とを分離して検知することが可能である。
なお一方のジャイロ素子片３０と他方のジャイロ素子片３０が、上下を反転して配置してあれば、第１検出軸はＹ軸となる。また一方のジャイロ素子片３０と他方のジャイロ素子片３０が、平面方向に反転して配置してあれば、第１検出軸はＺ軸となる。

そして第１検出軸回りの角速度のみが各ジャイロ素子片３０に加わった場合、加算回路２２は、各ジャイロ素子片３０が出力した信号を加算して、入力した信号のレベルを２倍にしたものを出力する。他方、減算回路２４は、各ジャイロ素子片３０が出力した信号を減算すると出力が零になる。また第２検出軸回りの角速度が各ジャイロ素子片３０に加わった場合、減算回路２４は、各ジャイロ素子が出力した信号を減算して、入力した信号のレベルを２倍にしたものを出力する。他方、加算回路２２は、各信号を加算すると出力が零になる。

また比較手段２６は、加算回路２２が出力した信号と減算回路２４が出力した信号とを入力し、各信号のレベルが同じになっているか否かを比較する。比較手段２６は、比較した結果、各信号のレベルが同じになっており、且つ、このレベルが同じになっている時間が予め設定した時間よりも長くなったときに、ジャイロ素子片３０の少なくともいずれか一方が故障したと判断する。そして比較手段２６は、警報手段２８に警報発信号を出力する。警報手段２８は、警報発信号を入力すると警報を発して、ジャイロ素子片３０に故障が発生したことを知らせる。なお警報手段２８は、２軸ジャイロモジュール１０が搭載される電子機器に設けてあってもよい。

このようになっている２軸ジャイロモジュール１０は、２つの検出軸を有するジャイロ素子片３０を２つ有し、各ジャイロ素子片３０の第１検出軸の検出感度極性を一致させ、第２検出軸の検出感度極性を反転しているので、各ジャイロ素子片３０の出力を加算または減算することにより、各検出軸の成分を分離することができる。すなわち２軸ジャイロモジュール１０は、ジャイロ素子片３０が出力する信号から、第１検出軸回りの角速度の成分と、第２検出軸回りの角速度の成分を分離することができ、これらの２軸の出力を得ることができる。

また２軸ジャイロモジュール１０は、ダブルＴ型の各ジャイロ素子片３０をパッケージに収容すると、各ジャイロ素子片３０の主面がパッケージの底面に沿うようにジャイロ素子片３０を配設しても主面に垂直方向を検出軸回りとした角速度を検出することができる。これにより２軸ジャイロモジュール１０は、従来のようにジャイロ素子片３０を垂直に立たせて配置する必要がないので、２つのジャイロ素子片３０を平面方向または積層方向に配置するいずれの場合であっても、低背化することができる。また２軸ジャイロモジュール１０は、各ジャイロ素子片３０の主面を平行に配置しても２軸の検出を行えるので、無駄な空間を生じることがない。よってジャイロ素子片３０の厚みサイズを２軸ジャイロモジュール１０の厚みサイズに反映させることができ、その結果、２軸ジャイロモジュール１０を小型化することができる。そして各ジャイロ素子片３０を平面方向に並べて配置した場合は、２軸ジャイロモジュール１０をより低背化することができる。また各ジャイロ素子片３０を上下方向に並べて配置した場合は、２軸ジャイロモジュール１０の平面サイズをより小型化することができる。

また２軸ジャイロモジュール１０は、１つの検出軸の出力が２つのジャイロ素子片３０の出力を足したものになっているので、信号レベルを従来に比べて２倍にすることができる。このためジャイロ素子片３０が出力した信号にノイズが加わったとしても、演算回路２０において信号レベルが大きくなるが、ノイズのレベルが変わることがない。よって２軸ジャイロモジュール１０は、信号レベルに比べてノイズを小さくできるので、高精度になる。また２軸ジャイロモジュール１０は、フィルタ等を設ける必要がないので、信号の処理工程が少なくて済み、回路が大きくなることもない。

また２軸ジャイロモジュール１０は、１つのパッケージに形成した１つの凹陥部内に２つのジャイロ素子片３０を平面方向に配設する構成とすれば、中間基板５０を配設する面を同一面内にすることができるので、各ジャイロ素子片３０を搭載する平面精度を優れたものにすることができる。そして仮に、中間基板５０を配設する面で構成する前記同一面が、水平方向に対して傾斜していても、２つのジャイロ素子片３０の傾斜確度は等しいので、この傾斜確度を調整する作業を簡易なものにすることができる。

また２軸ジャイロモジュール１０は、１つのパッケージに２つのジャイロ素子片３０を収容する構成や、２つのジャイロ素子８０を一体化した構成にすれば、２つのジャイロ素子片３０の向き、すなわち第１検出軸および第２検出軸の向きを調整してパッケージに搭載することができる。このため２軸ジャイロモジュール１０を実装基板に実装する場合でも、第１検出軸間にずれが生じることがなく、また第２検出軸間にずれが生じることもない。これに対し、１つのパッケージに１つのジャイロ素子片を収容したジャイロ素子を一体化することなく、個別に実装基板へ実装する場合では、ジャイロ素子を実装基板に載せて固定するまでの間にジャイロ素子が平面方向に回転してしまう等の不具合が発生することがある。この場合には、各検出軸間の向きを調整するのは困難であり、各検出軸の向きにバラツキが生じてしまう。よって２軸ジャイロモジュール１０は、２軸の角速度の検出を高精度に行うことができる。

また２軸ジャイロモジュール１０は、ジャイロ素子片３０に前述した構成のダブルＴ型ジャイロセンサを用いているので、Ｚ軸とＹ軸の検出感度を等しくすることができる。よってＺ軸の検出感度と、Ｙ軸の検出感度を等しくするための調整を必要としないので、演算回路２０で加算・減算を行う処理だけで済む。これに対し、第１検出軸と第２検出軸の検出感度が異なる場合は、第１検出軸の検出感度と、第２検出軸の検出感度を等しくする処理を必要とする。この場合には、演算回路２０で加算・減算を行う処理の他に、検出感度を等しくするための処理が必要になり、信号処理の工程が多くなってしまう。

なお前述した実施形態では、ジャイロ素子片３０にダブルＴ型ジャイロセンサを用いた構成を説明したが、本発明はこの形態に限定されることはない。すなわちジャイロ素子片３０は、双音叉振動ジャイロセンサを用いた構成であってもよい。図７は双音叉振動ジャイロセンサの概略平面図である。双音叉振動ジャイロセンサ９０は、Ｘ軸とＹ軸で形成されるＸＹ平面で切り出されたＺカット水晶基板から形成されている。この水晶基板の主面が、双音叉振動ジャイロセンサ９０の主面になっている。なおＸＹ平面の垂直方向がＺ軸になっている。

そして双音叉振動ジャイロセンサ９０は２本の振動腕９２を有しており、これらの振動腕９２の両端に双音叉支持部９４が設けてある。各双音叉支持部９４には、振動腕９２が接続している側に対して反対の方向に、検出部９６を介して支持固定部９８が接続している。振動腕９２は駆動部になっており、表面に駆動電極（図示せず）が設けてある。この駆動電極に電気信号を供給することにより、各振動腕９２が互いに近づいたり離れたりする屈曲振動を行う。また検出部９６の表面に検出電極（図示せず）が設けてある。そして双音叉振動ジャイロセンサ９０は、角速度が加わるとコリオリ力が働くので、これに応じた屈曲振動が発生する。この屈曲振動の時には検出部９６も振動をするので、前記検出電極で検出部９６の振動を電気信号に変えて出力する。このような双音叉振動ジャイロセンサ９０では、Ｙ軸回りの角速度と、Ｚ軸周りの角速度を検出することができる。したがって２軸ジャイロモジュール１０は、このような双音叉振動ジャイロセンサ９０をジャイロ素子片３０として用いることができる。

なお前述した２軸ジャイロモジュールは、ジャイロ素子片３０，８０に水晶を用いた形態であるが、本発明はこれに限定されることはない。すなわちジャイロ素子片は、水晶以外の他の圧電材料を用いて作製したものであってもよく、シリコンの微細加工技術を用いて作製したもの（ＭＥＭＳ：微小電気機械システム）であってもよい。

１０………ジャイロモジュール、２０………演算回路、２２………加算回路、２４………減算回路、２６………比較手段、２８………警報手段、３０………ジャイロ素子片、３２………基部、３６………駆動腕、３８………錘部、４０………検出腕、４２………錘部、５０………中間基板、６０………パッケージ、８０………ジャイロ素子、８２………パッケージ。

Claims (1)

1. 第１検出軸と第２検出軸とを有するジャイロ素子片を２つ有し、
   一方の前記ジャイロ素子片と他方の前記ジャイロ素子片とを、前記各第１検出軸の検出感度極性を同じにするとともに、前記各第２検出軸の検出感度極性を反転させて配設し、
   前記各ジャイロ素子片から出力する信号を加算および減算し、これらの演算結果を出力する演算回路を備え、
   前記演算回路の後段に比較手段が接続されるとともに、警報発信号を入力することによって警報を発する警報手段が前記比較手段の後段に接続されており、
   前記比較手段は、前記各ジャイロ素子片から出力する信号を加算した結果と前記信号を減算した結果とを入力して各値を比較し、前記各値が同じになっている時間が予め設定した時間よりも長くなったときに、前記２つのジャイロ素子片の少なくともいずれか一方が故障したと判断し、前記警報手段に前記警報発信号を出力してなることを特徴とするジャイロモジュール。

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