JP5266980B2

JP5266980B2 - 角速度センサ

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Publication number: JP5266980B2
Application number: JP2008224569A
Authority: JP
Inventors: 恒介渡辺; 雅人小池
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2008-09-02
Filing date: 2008-09-02
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2028-09-02
Also published as: JP2010060360A

Description

この発明は、回転角速度を検出する角速度センサに関し、特に例えば、カメラの手ぶれ検出装置やカーナビゲーションシステムなどに用いられる角速度センサに関する。

従来、かかる角速度センサとして、振動子と、振動子を駆動し、角速度信号を検出する内部回路を構成する半導体素子や受動部品を、回路基板に固定して相互接続し、内部回路により検出された角速度信号を出力信号として外部電極から取り出すようにしたものがあった。

このような角速度センサにおいては、回路基板に固定された振動子や内部回路を機械的・電気的に保護するために、これらを覆う器状のキャップを回路基板に搭載して封止することが行われる。この場合に、回路基板に対してキャップを封止した後にリフローなどによる熱が加わると、内部の空気が膨張してキャップが外れる等の不良が発生する恐れがある。
このため、従来の角速度センサにおいては、半導体装置等において用いられるような、キャップに防爆用の小さな貫通穴を設けるということが行われる（例えば、特許文献１参照）。

特開昭６３−１５０９４８号公報

しかしながら、角速度センサは内部回路として半導体素子を含むため、防爆用に設けられた貫通穴から混入した光が回路基板上の半導体素子に照射された場合に、出力特性が変動するという問題がある。このため、キャップの貫通穴は、キャップを回路基板に搭載したときに、キャップの貫通穴から混入した光が回路基板上の半導体素子に照射されない位置となるように設けられるが、隣り合う２辺の長さが異なる略長方形状の平面輪郭を有するキャップの場合には、通常の搭載方向の他に、１８０度回転させた方向でも回路基板に搭載可能であるため、キャップの搭載方向によって、キャップの貫通穴から混入した光が回路基板上の半導体素子に照射され、出力特性が変化する場合が生ずるという問題があった。

このような問題を避けるためには、キャップを回路基板に搭載する工程において、キャップの方向を認識し、貫通穴から入射した光が回路基板上の半導体素子に照射されない方向にキャップの方向合わせを行った上で回路基板に搭載するようにすれば解決されるが、このようなキャップの方向合わせの工程を設けることは生産性を低下させ、製造コストを上昇させる要因となる。

それ故に、本願発明の主たる目的は、振動子や内部回路を保護するためにキャップを回路基板に搭載する工程において、キャップの方向合わせを行うことなく、キャップに設けられた防爆用の貫通穴から混入した光による回路基板上の半導体素子の特性変化を常に防止できるようにし、信頼性の高い角速度センサを効率よく生産できるようにすることである。

上記課題を解決するために、この発明の角速度センサは、２つの振動子と、前記２つの振動子を駆動し、２つの角速度信号を検出する内部回路と、前記２つの振動子を互いに直交する方向に固定するとともに、前記内部回路を構成する半導体素子を含む部品を固定し、前記２つの振動子の各表面電極と前記内部回路を構成する部品を電気的に接続するとともに、２つの角速度検出信号を取り出すための外部電極を有し、前記内部回路の出力電極と前記外部電極とを電気的に接続するように形成された略長方形状の回路基板と、隣り合う２辺の長さが異なる略長方形状の平面輪郭を有し、前記回路基板に固定された前記２つの振動子と前記内部回路を覆うように前記回路基板に搭載されて封止されるキャップであって、防爆用の貫通穴を有するキャップと、を備えた角速度センサであって、前記内部回路を構成する半導体素子は、前記回路基板のいずれかの角部の近傍に配置され、前記２つの振動子は、前記半導体素子が配置された前記回路基板の角部に隣接する２つの角部の近傍にそれぞれの基台部が配置され、前記キャップの貫通穴は、前記半導体素子が配置された前記回路基板の角部と対応する前記キャップの角部に隣接する２つの角部のうちのいずれかの角部の近傍に配置され、前記キャップがいずれの回転方向で前記回路基板に搭載された場合であっても、前記キャップの貫通穴が前記回路基板に固定された２つの振動子のうちのいずれかの振動子の基台部の上に常に配備されるように、前記キャップの貫通穴の位置と前記回路基板上の２つの振動子の基台部の位置が設定されているものである。

この発明によれば、内部回路を構成する半導体素子は回路基板のいずれかの角部の近傍に配置され、２つの振動子は半導体素子が配置された回路基板の角部に隣接する２つの角部の近傍にそれぞれの基台部が配置され、キャップの貫通穴は半導体素子が配置された回路基板の角部と対応するキャップの角部に隣接する２つの角部のうちのいずれかの角部の近傍に配置され、キャップがいずれの回転方向で回路基板に搭載された場合であってもキャップの貫通穴が回路基板に固定された２つの振動子のうちのいずれかの振動子の基台部の上に常に配備されるように、キャップの貫通穴の位置と回路基板の２つの振動子の基台部の位置が設定されているので、キャップが回路基板に対して１８０度回転した方向に搭載されても、キャップの貫通穴と回路基板に固定された半導体素子との離隔距離が維持されるとともに、キャップの貫通穴の下に存在するいずれかの振動子の基台部によって光の侵入が遮断され、より確実に回路基板上の半導体素子の特性変化が常に防止される。

尚、この場合において、半導体素子は、回路基板のいずれかの角部に凹部を設けて凹部内に固定し、２つの振動子は、半導体素子が設置された回路基板の角部に隣接する２つの辺の近傍にそれぞれ配置し、それぞれの振動部が凹部上に配置されるようにしてもよい。これにより、振動子の振動部が半導体素子上に配備され、角速度センサをより小型化することができる。

本願発明によれば、振動子や内部回路を保護するためのキャップを回路基板に搭載する工程において、キャップの方向合わせを行うことなく、キャップに設けられた防爆用の貫通穴から入射した光による回路基板上の半導体素子の特性変化を常に防止でき、信頼性の高い角速度センサを効率よく生産できるという効果がある。

この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の発明を実施するための最良の形態の説明から一層明らかとなろう。

図１は本願発明の角速度センサの一例を示す内部透視斜視図であり、図２はその分解斜視図である。角速度センサ１０は、回路基板２０を含む。回路基板２０は、たとえば長方形板状などの形状に形成される。回路基板２０の一方面には、凹部２２が形成される。凹部２２は、たとえば、回路基板２０の１つの角部側に片寄るような位置に形成される。なお、図２においては、凹部２２は鉤形に形成されているが、後述のＩＣが実装されうる形状であればよく、たとえば四角形状などであってもよい。

回路基板２０の凹部２２内には、複数の電極２４が、たとえば四角形状に並ぶように形成される。また、回路基板２０の凹部２２の外側において、凹部２２に近接する短辺の近傍に、３つの長方形状の電極２６ａ，２６ｂ，２６ｃが並んで形成される。これらの電極２６ａ〜２６ｃは、その長手方向が凹部２２に近接する回路基板２０の短辺と同じ向きとなるように配置される。さらに、回路基板２０の凹部２２の外側において、凹部２２に近接する長辺の近傍に、３つの長方形状の電極２８ａ，２８ｂ，２８ｃが並んで形成される。これらの電極２８ａ〜２８ｃは、その長手方向が凹部２２に近接する回路基板２０の長辺と同じ向きとなるように配置される。

また、凹部２２と、凹部２２から離れた位置にある回路基板２０の短辺との間には、複数対の対向電極３０が形成される。それぞれの対向電極３０は、回路基板２０の長手方向において互いに対向するように形成される。そして、複数対の対向電極３０が、回路基板２０の短辺に沿って並ぶように配置される。さらに、これらの対向電極３０と回路基板２０の短辺との間に、複数の電極３２が形成される。また、凹部２２に近接する回路基板２０の短辺の近傍に形成された電極２６ａ〜２６ｃに隣接して、複数の電極３４が形成される。これらの電極３４は、凹部２２から離れた回路基板２０の長辺に沿って配置される。

回路基板２０の他方面には、図３に示すように、複数の外部電極４０および８つの検査用電極４２ａ〜４２ｈが形成される。外部電極４０は、回路基板２０の対向する長辺に沿って並んで形成される。また、検査用電極４２ａ〜４２ｈは、外部電極４０の内側に並んで形成される。４つの検査用電極４２ａ〜４２ｄおよび別の４つの検査用電極４２ｅ〜４２ｈは、回路基板２０の対向する長辺のそれぞれに沿って形成される。８つの検査用電極４２ａ〜４２ｈの中心点（重心位置）Ｃは、回路基板２０の他方面において、角速度センサ１０全体の重心に対応する位置Ｇに一致するように配置される。

回路基板２０は、たとえばアルミナなどで形成される。また、回路基板２０上に形成される電極２４，２６ａ〜２６ｃ，２８ａ〜２８ｃ，３０，３２，３４，４０，４２ａ〜４２ｈなどは、たとえば、タングステンで形成された電極上にニッケルおよび金を順次メッキすることにより形成される。なお、回路基板２０には、導電性を有する多数のビアホールやパターンなどの配線部材（図示せず）が形成されている。

回路基板２０の凹部２２には、ＩＣ５０が嵌め込まれる。ＩＣ５０は、後述の音叉型振動子を駆動し、音叉型振動子の出力信号を処理するために用いられる。ＩＣ５０には、複数の外部電極（図示せず）が形成され、このＩＣ５０の外部電極が凹部２２内の電極２４にそれぞれ接続される。このとき、たとえば、電極２４に金バンプ５２が形成され、この金バンプ５２によって電極２４とＩＣ５０の外部電極とが接続される。また、ＩＣ５０は、エポキシ系接着剤などからなるアンダーフィル５４によって、回路基板２０に固定される。

回路基板２０に形成された対向電極３０には、チップコンデンサ６０がそれぞれ接続される。チップコンデンサ６０としては、たとえば積層セラミックコンデンサなどが用いられ、その両端に形成された外部電極が、半田６２などによって対向電極３０に接続される。

さらに、凹部２２の外側に形成された電極２６ａ〜２６ｃ，２８ａ〜２８ｃには、それぞれ第１の音叉型振動子７０および第２の音叉型振動子７２が取り付けられる。第１の音叉型振動子７０および第２の音叉型振動子７２は、略長方形状の基台部７４を含み、その長手方向の一端から２つの脚部７６ａ，７６ｂが延びるように形成される。これらの脚部７６ａ，７６ｂは、基台部７４の幅方向の両端より内側において、互いに平行に延びるように形成される。

第１の音叉型振動子７０および第２の音叉型振動子７２は、それぞれ、図４に示すように、２つの音叉型の圧電体基板８０，８２を含み、これらの圧電体基板８０，８２の間に中間電極８４が挟まれた構成を有する。圧電体基板８０，８２は、たとえばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電体材料で形成され、たとえば互いに逆の厚み方向に分極される。

一方の圧電体基板８０の表面には、３つの表面電極８６，８８，９０が形成される。表面電極８６，８８は、一方の脚部７６ａの幅方向の中央部で互いに分割され、端部側の表面電極８６は、基台部７４から脚部７６ａに延びるように形成される。また、表面電極８８，９０は、他方の脚部７６ｂの幅方向の中央部で互いに分割され、端部側の表面電極９０は、基台部７４から脚部７６ｂに延びるように形成される。さらに、中央部の表面電極８８は、基台部７４から両方の脚部７６ａ，７６ｂに延びるように形成される。ここで、表面電極８６，８８，９０の間の分割幅は、基台部７４部分で広く、かつ脚部７６ａ，７６ｂ部分で狭くなるように形成される。また、他方の圧電体基板８２の表面には、全面電極９２が形成される。

第１の音叉型振動子７０と第２の音叉型振動子７２とは、回路基板２０の凹部２２の外側に形成された電極２６ａ〜２６ｃおよび電極２８ａ〜２８ｃに取り付けられる。このとき、接合材１００を用いて、２つの音叉型振動子７０，７２の表面電極８６，８８，９０が、それぞれ、電極２６ａ，２６ｂ，２６ｃおよび電極２８ａ，２８ｂ，２８ｃに接続される。接合材１００としては、たとえば異方導電性接着剤、導電性接着剤、樹脂−金属複合材料、金バンプなどが用いられる。表面電極８６，８８，９０の間においては絶縁性を確保する必要があるため、接合材１００として、異方導電性接着剤や樹脂−金属複合材料を用いる場合には、基台部７４において３つの電極８６，８８，９０側の表面の全面に接合材１００を付与することができるが、その他の材料を用いる場合には、それぞれの表面電極８６，８８，９０に分割して接合材１００を付与する必要がある。

第１の音叉型振動子７０および第２の音叉型振動子７２は、ほぼ直交する向きに配置されるが、それぞれの振動が他の振動子に影響を与えないように、異なる共振周波数を有するものが用いられる。第１の音叉型振動子７０の脚部７６ａ，７６ｂは、第２の音叉型振動子７２の脚部７６ａ，７６ｂより長く形成される。それにより、第１の音叉型振動子７０は、第２の音叉型振動子７２より低い共振周波数を有する。

低い共振周波数を有する第１の音叉型振動子７０は、回路基板２０の短辺の近傍に形成された電極２６ａ〜２６ｃに接続される。また、高い共振周波数を有する第２の音叉型振動子７２は、回路基板２０の長辺の近傍に形成された電極２８ａ〜２８ｃに接続される。これらの第１の音叉型振動子７０および第２の音叉型振動子７２の脚部７６ａ，７６ｂは、回路基板２０の短辺および長辺に沿って、凹部２２側に向かって延びるように配置される。

ＩＣ５０およびチップコンデンサ６０などで形成される回路の必要な部分が、電極２４、対向電極３０および配線部材（図示せず）を介して、回路基板２０の他方面に形成された外部電極４０に接続される。また、第１の音叉型振動子７０および第２の音叉型振動子７２の表面電極８６，８８，９０は、電極２６ａ〜２６ｃ、２８ａ〜２８ｃおよび配線部材（図示せず）を介して、ＩＣ５０の回路に接続されるとともに、回路基板２０の他方面に形成された検査用電極４２ａ〜４２ｈに接続される。このとき、第１の音叉型振動子７０および第２の音叉型振動子７２の表面電極８６，８８，９０は、それぞれ、２列に配置された４つの検査用電極４２ａ〜４２ｄおよび４つの検査用電極４２ｅ〜４２ｈに接続される。

ここで、４つ並んだ一方の検査用電極４２ａ〜４２ｄのうち、両外側の２つの検査用電極４２ａ，４２ｄに第１の音叉型振動子７０の中央部の表面電極８８が接続され、内側の２つの検査用電極４２ｂ，４２ｃに第１の音叉型振動子７０の両側の表面電極８６，９０が接続される。また、４つ並んだ他方の検査用電極４２ｅ〜４２ｈのうち、両外側の２つの検査用電極４２ｅ，４２ｈに第２の音叉型振動子７２の中央部の表面電極８８が接続され、内側の２つの検査用電極４２ｆ，４２ｇに第２の音叉型振動子７２の両側の表面電極８６，９０が接続される。

回路基板２０の一方面上には、ＩＣ５０、チップコンデンサ６０、第１の音叉型振動子７０および第２の音叉型振動子７２を覆うようにして、キャップ１１０が取り付けられる。キャップ１１０は、たとえばアルミナや洋白などの材料で、回路基板２０の外形に合わせた矩形の器状に形成される。

キャップ１１０を回路基板２０に取り付けるために、キャップ１１０の端部と回路基板２０との間にキャップ接着剤１１２が付与される。キャップ接着剤１１２としては、たとえばアルミナなどの絶縁性のキャップ１１０を取り付ける場合には、エポキシ系接着剤などが用いられ、洋白などの導電性のキャップ１１０を取り付ける場合には、エポキシ系接着剤およびエポキシ系導電性接着剤などが用いられる。

キャップ１１０には、防爆用の貫通孔１１４が形成される。貫通孔１１４は、第１の音叉型振動子７０の基台部７４に対応する位置において、キャップ１１０の角部の近傍に形成される。貫通孔１１４は、第２の音叉型振動子７２の基台部７４に対応する位置において、キャップ１１０の角部の近傍に形成されてもよい。つまり、貫通孔１１４は、キャップ１１０を１８０°回転させて回路基板２０に取り付けても、ＩＣ５０の上に配置されない位置に形成される。

次に、図５などを参照して、この角速度センサ１０の回路構成について説明する。ここでは、角速度センサ１０において、第１の音叉型振動子７０に関連する回路構成と第２の音叉型振動子７２に関連する回路構成とが同様の回路構成であるため、先に、第１の音叉型振動子７０に関連する回路構成について詳しく説明し、その後に、第２の音叉型振動子７２に関連する回路構成について簡単に説明する。

角速度センサ１０において、第１の音叉型振動子７０の表面電極８６，９０は、電極２４、２６ａ、２６ｃおよび配線部材（図示せず）を介して、ＩＣ５０に含まれる入力バッファ２００の２つの入力端に接続される。この入力バッファ２００は、一方の出力端および他方の２つの出力端を有し、一方の出力端は２つの入力端に入力されている信号の和の信号を出力するためのものであり、他方の２つの出力端は２つの入力端に入力されている信号を出力するためのものである。ＩＣ５０内において、入力バッファ２００の一方の出力端は、信号の振幅を制御するための振幅制御回路２０２の入力端に接続され、振幅制御回路２０２の出力端は、信号の位相を適正にするための移相回路２０４の入力端に接続される。ＩＣ５０内の移相回路２０４の出力端は、電極２４、２６ｂおよび配線部材（図示せず）を介して、第１の音叉型振動子７０の表面電極８８に接続される。このようにして、第１の音叉型振動子７０には、駆動用の帰還ループが形成される。なお、第１の音叉型振動子７０の表面電極８６，８８，９０は、上述のように、４つの検査用電極４２ａ〜４２ｄの所定のものにそれぞれ接続されている。

ＩＣ５０内において、入力バッファ２００の他方の２つの出力端は、差動増幅回路２０６の２つの入力端に接続され、差動増幅回路２０６の出力端は、振幅調整回路２０８を介して、同期検波回路２１０の一方の入力端に接続され、さらに、入力バッファ２００の一方の出力端は、検波クロック生成回路２１２を介して、同期検波回路２１０の他方の入力端に接続される。同期検波回路２１０は、その一方の入力端に入力されている信号を、その他方の入力端に入力されている信号（検波クロック）に同期して検波するためのものである。同期検波回路２１０の出力端は、ＩＣ５０の１つの外部電極（電極２４）に接続され、この外部電極と基準電圧が印加されるＩＣ５０の別の外部電極（別の電極２４、外部電極４０（ＲＥＦ））との間には、電極３０および配線部材（図示せず）を介して、コンデンサＣ１（チップコンデンサ６０）が接続される。

さらに、ＩＣ５０内において、同期検波回路２１０の出力端は、調整回路２１４の１つの入力端に接続される。この調整回路２１４は、同期検波回路２１０の出力信号を温度補償するためのものである。そのため、ＩＣ５０内には、シリアルインタフェース２１６、ロジック回路２１８、メモリ２２０および温度センサ２２２が設けられる。シリアルインタフェース２１６は、その３つの入力端がＩＣ５０の３つの外部電極（３つの電極２４）および３つの外部電極４０（ＡＣＳ、ＡＣＬＫおよびＡＳＤＩＯ）にそれぞれ接続され、その出力端がロジック回路２１８の入力端に接続される。また、ロジック回路２１８の入出力端がメモリ２２０の入出力端に接続される。さらに、メモリ２２０のＶＰＰ電圧端子は、ＩＣ５０の外部電極（電極２４）および外部電極４０（ＶＰＰ）に接続される。そのため、実際に測定された第１の音叉型振動子７０の温度変化に対するインピーダンス変化特性に関するデータなどのさまざまなデータを、外部電極４０から、シリアルインタフェース２１６およびロジック回路２１８を介して、メモリ２２０に記憶することができる。また、ロジック回路２１８の出力端が調整回路２１４の別の入力端に接続される。そのため、メモリ２２０に記憶されているデータを、ロジック回路２１８を介して、調整回路２１４に与えることができる。さらに、温度センサ２２２の出力端が、調整回路２１４のさらに別の入力端に接続される。したがって、調整回路２１４によって、その入力信号すなわち同期検波回路２１０の出力信号を、メモリ２２０に記憶されているデータおよび温度センサ２２２の出力信号に基づいて温度補償することができる。

なお、図示していないが、メモリ２２０は、上述の振幅調整回路２０８にも接続され、メモリ２２０に記憶されているゲインに関するデータに基づいて、振幅調整回路２０８によって差動増幅回路２０６の出力信号の振幅を調整することができる。

ＩＣ５０内において、調整回路２１４の出力端は、ローパスフィルタ２２４の入力端に接続される。ローパスフィルタ２２４は、角速度センサ１０で検出する角速度の周波数たとえば１０Ｈｚ〜５０Ｈｚを含む低周波帯域を通過するためのものである。ローパスフィルタ２２４の出力端は、ＩＣ５０の外部電極（電極２４）、電極３０および外部電極４０（ＯＵＴｘ）に接続される。なお、ローパスフィルタ２２４は、入力信号を通過して出力する別の出力端も有し、その別の出力端は、ＩＣ５０の別の外部電極（電極２４）および別の電極３０に接続される。そして、ローパスフィルタ２２４の出力端および別の出力端間（電極３０間）には、コンデンサＣ２（チップコンデンサ６０）が接続される。

ローパスフィルタ２２４の出力端すなわち外部電極４０（ＯＵＴｘ）は、外部に設けられるハイパスフィルタ２２６の入力端に接続される。ハイパスフィルタ２２６は、信号中の直流成分をカットするためのものである。ハイパスフィルタ２２６は、コンデンサＣ３および抵抗器Ｒ１を含み、その入力端と出力端との間にコンデンサＣ３が接続され、その出力端とＩＣ５０の基準電圧が印加される別の外部電極４０（ＲＥＦ）との間に抵抗器Ｒ１が接続される。

ハイパスフィルタ２２６の出力端すなわちコンデンサＣ３および抵抗器Ｒ１の接続点は、外部電極４０（ＡＩＮｘ）に接続される。この外部電極４０（ＡＩＮｘ）は、電極２４などを介して、ＩＣ５０内において後段アンプに用いられるオペアンプ２２８の正入力端に接続される。後段アンプは、外部電極４０（ＡＩＮｘ）に入力されている信号の振幅をたとえば５０倍程度増幅するためのものである。オペアンプ２２８は、その負入力端が電極２４などを介して外部電極４０（ＡＦＢｘ）に接続され、その出力端が別の電極２４などを介して別の外部電極４０（ＡＰＯｘ）に接続される。また、これらの外部電極４０（ＡＦＢｘ、ＡＰＯｘ）には、外部に設けられるローパスフィルタ２３０が接続される。ローパスフィルタ２３０は、抵抗器Ｒ２およびコンデンサＣ４を含み、抵抗器Ｒ２およびコンデンサＣ４は、外部電極４０（ＡＦＢｘ、ＡＰＯｘ）間に並列に接続される。また、外部電極４０（ＡＦＢｘ）と基準電圧が印加される別の外部電極４０（ＲＥＦ）との間には、抵抗器Ｒ３が接続される。そのため、オペアンプ２２８を含む後段アンプによって、外部電極４０（ＡＩＮｘ）に入力されている信号の振幅をたとえば５０倍程度増幅して、オペアオンプ２２８の出力端すなわち外部電極４０（ＡＰＯｘ）から出力することができる。

また、ＩＣ５０内には、スイッチＳＷが設けられる。スイッチＳＷは、外部電極４０（ＡＩＮｘ）に接続されるＩＣ５０の外部電極（電極２４）とＩＣ５０の基準電圧が印加される別の外部電極４０（ＲＥＦ）に接続されるＩＣ５０の別の外部電極（別の電極２４）との間に接続される。また、スイッチＳＷは、外部電極４０（ＳＣＴ）に接続されるＩＣ５０の外部電極（電極２４）に接続される。さらに、スイッチＳＷは、外部電極４０（ＳＣＴ）に入力される制御信号によって、オンまたはオフに切替えることができるように構成されている。このスイッチＳＷをたとえば０．２秒間オンにすることによってハイパスフィルタ２２６のコンデンサＣ３を充電すれば、ローパスフィルタ２２４の出力端すなわち外部電極４０（ＯＵＴｘ）の信号が短時間でオペアンプ２２８の正入力端に伝達され、オペアンプ２２８の出力端すなわち外部電極４０（ＡＰＯｘ）における出力信号の立上り時間を早めることができる。

なお、外部電極４０（ＶＣＣ）は、配線部材（図示せず）を介して、ＩＣ５０のＶＣＣおよびＶＤＤに接続される電極２４にそれぞれ接続され、外部電極４０（ＧＮＤ）は、配線部材（図示せず）を介して、ＩＣ５０のＧＮＤに接続される電極２４に接続される。また、外部電極４０（ＳＬＰ）は、配線部材（図示せず）を介して、ＩＣ５０のスリープ制御用端子に接続される電極２４に接続される。

角速度センサ１０において、第１の音叉型振動子７０と同様に、第２の音叉型振動子７２の表面電極８６，９０は、電極２４、２８ａ、２８ｃおよび配線部材（図示せず）を介して、ＩＣ５０に含まれる入力バッファ２００と同様の入力バッファ２００´の２つの入力端に接続される。入力バッファ２００´の一方の出力端は、振幅制御回路２０２と同様の振幅制御回路２０２´、移相回路２０４と同様の移相回路２０４´、電極２４、２８ｂおよび配線部材（図示せず）を介して、第２の音叉型振動子７２の表面電極８８に接続される。このようにして、第２の音叉型振動子７２にも、駆動用の帰還ループが形成される。ただし、駆動用の帰還ループは、第２の音叉型振動子７２における駆動周波数が、第１の音叉型振動子７０における駆動周波数より高くなるように形成される。

入力バッファ２００´の他方の２つの出力端も、差動増幅回路２０６および振幅調整回路２０８と同様の差動増幅回路２０６´および振幅調整回路２０８´を介して、同期検波回路２１０と同様の同期検波回路２１０´の一方の入力端に接続され、さらに、入力バッファ２００´の一方の出力端は、検波クロック生成回路２１２と同様の検波クロック生成回路２１２´を介して、同期検波回路２１０´の他方の入力端に接続される。図示していないが、調整回路２０８´にもメモリ２２０が接続され、メモリ２２０に記憶されているゲインに関するデータに基づいて、振幅調整回路２０８´によって差動増幅回路２０６´の出力信号の振幅を調整することができる。また、検波クロック生成回路２１２´は、検波クロック生成回路２１２と比べて、第２の音叉型振動子７２の高い駆動周波数に対応して周期の短い検波クロックを生成し、同期検波回路２１０´における検波の周期も、同期検波回路２１０における検波の周期と比べて短い。

同期検波回路２１０´の出力端は、ＩＣ５０の１つの外部電極（電極２４）および電極３０に接続され、この電極３０と基準電圧が印加されるＩＣ５０の別の外部電極（別の電極２４、外部電極４０（ＲＥＦ））との間には、コンデンサＣ５（チップコンデンサ６０）が接続される。

さらに、ＩＣ５０内において、同期検波回路２１０´の出力端は、調整回路２１４と同様の調整回路２１４´の１つの入力端に接続される。また、調整回路２１４´の別の入力端およびさらに別の入力端には、メモリ２２０および温度センサ２２２がそれぞれ接続される。そのため、メモリ２２０に記憶されているデータを、調整回路２１４´に与えることができる。さらに、調整回路２１４´によって、同期検波回路２１０´の出力信号を、メモリ２２０に記憶されている第２の音叉型振動子７２に関するデータおよび温度センサ２２２の出力信号に基づいて温度補償することができる。

ＩＣ５０内において、調整回路２１４´の出力端は、ローパスフィルタ２２４と同様のローパスフィルタ２２４´の入力端に接続される。ローパスフィルタ２２４´の出力端は、ＩＣ５０の外部電極（電極２４）、電極３０および外部電極４０（ＯＵＴｙ）に接続され、ローパスフィルタ２２４´の別の出力端は、ＩＣ５０の別の外部電極（電極２４）および別の電極３０に接続される。ローパスフィルタ２２４´の出力端および別の出力端間（電極３０間）には、コンデンサＣ６（チップコンデンサ６０）が接続される。

ローパスフィルタ２２４´の出力端すなわち外部電極４０（ＯＵＴｙ）は、ハイパスフィルタ２２６と同様の外部に設けられるハイパスフィルタ２２６´の入力端に接続される。ハイパスフィルタ２２６´は、その入力端と出力端との間にコンデンサＣ７が接続され、その出力端とＩＣ５０の基準電圧が印加される別の外部電極４０（ＲＥＦ）との間に抵抗器Ｒ４が接続される。

ハイパスフィルタ２２６´の出力端すなわちコンデンサＣ７および抵抗器Ｒ４の接続点は、外部電極４０（ＡＩＮｙ）に接続される。この外部電極４０（ＡＩＮｙ）は、電極２４などを介して、ＩＣ５０内において後段アンプと同様の別の後段アンプに用いられるオペアンプ２２８´の正入力端に接続される。この別の後段アンプは、外部電極４０（ＡＩＮｙ）に入力されている信号の振幅をたとえば５０倍程度増幅するためのものである。オペアンプ２２８´は、その負入力端が電極２４などを介して外部電極４０（ＡＦＢｙ）に接続され、その出力端が別の電極２４などを介して別の外部電極４０（ＡＰＯｙ）に接続される。また、これらの外部電極４０（ＡＦＢｙ、ＡＰＯｙ）には、ローパスフィルタ２３０と同様の外部に設けられるローパスフィルタ２３０´が接続される。ローパスフィルタ２３０´の抵抗器Ｒ５およびコンデンサＣ８が、外部電極４０（ＡＦＢｙ、ＡＰＯｙ）間に並列に接続される。また、外部電極４０（ＡＦＢｙ）と基準電圧が印加される別の外部電極４０（ＲＥＦ）との間には、抵抗器Ｒ６が接続される。そのため、オペアンプ２２８´を含む別の後段アンプによって、外部電極４０（ＡＩＮｙ）に入力されている信号の振幅をたとえば５０倍程度増幅して、オペアンプ２２８´の出力端すなわち外部電極４０（ＡＰＯｙ）から出力することができる。

また、ＩＣ５０内には、スイッチＳＷと同様のスイッチＳＷ´が設けられる。スイッチＳＷ´は、外部電極４０（ＡＩＮｙ）に接続されるＩＣ５０の外部電極（電極２４）とＩＣ５０の基準電圧が印加される別の外部電極４０（ＲＥＦ）に接続されるＩＣ５０の別の外部電極（別の電極２４）との間に接続される。また、スイッチＳＷ´も、ＩＣ５０の外部電極（電極２４）および外部電極４０（ＳＣＴ）に接続される。さらに、スイッチＳＷも、外部電極４０（ＳＣＴ）に入力される制御信号によって、オンまたはオフに切替えることができるように構成されている。そのため、このスイッチＳＷ´をたとえば０．２秒間オンにすることによってハイパスフィルタ２２６´のコンデンサＣ７を充電すれば、ローパスフィルタ２２４´の出力端すなわち外部電極４０（ＯＵＴｙ）の信号が短時間でオペアンプ２２８´の正入力端に伝達され、オペアンプ２２８´の出力端すなわち外部電極４０（ＡＰＯｙ）における出力信号の立上り時間を早めることができる。

次に、この角速度センサ１０の作動状態について説明する。この角速度センサ１０では、たとえば、第１の音叉型振動子７０が、回路基板２０の短辺に平行するＸ軸を中心として加わる回転角速度を検出するために用いられ、第２の音叉型振動子７２が、回路基板２０の長辺に平行するＹ軸を中心として加わる回転角速度を検出するために用いられる。

第１の音叉型振動子７０において、入力バッファ２００、振幅制御回路２０２および移相回路２０４からなる駆動用の帰還ループによって自励振駆動回路が形成され、脚部７６ａ，７６ｂは、たとえば図６に示すように、互いに開いたり閉じたりするように基本振動で振動する。脚部７６ａ，７６ｂが互いに開いている状態（図６に実線で示す状態）では、第１の音叉型振動子７０において、中央の表面電極８８を形成した部分が伸びて、両側の表面電極８６，９０を形成した部分が縮んでいる。逆に、脚部７６ａ，７６ｂが互いに閉じている状態では、第１の音叉型振動子７０において、中央の表面電極８８を形成した部分が縮んで、両側の表面電極８６，９０を形成した部分が伸びている。この基本振動のときに、２つの脚部７６ａ，７６ｂは、分極方向に対して同じ状態で対称的に振動するため、両側の表面電極８６，９０からは同じ信号が出力される。そのため、検出回路用の差動増幅回路２０６ひいては外部電極４０（ＡＰＯｘ）からは、「０」の信号が出力される。

この基本振動の状態で、第１の音叉型振動子７０にＸ軸を中心として回転角速度が加わると、脚部７６ａ，７６ｂには、基本振動の方向と直交する向きにコリオリ力が働く。脚部７６ａ，７６ｂに働くコリオリ力は互いに逆向きであるため、２つの脚部７６ａ，７６ｂは、たとえば図７に示すように、互いに逆方向に変位する。この変位によって、両側の表面電極８６，９０からは、逆位相の信号が出力され、差動増幅回路２０６からは、回転回速度に応じた大きい信号が出力される。このように出力される信号の大きさと極性とは、回転角速度の大きさと回転方向とにそれぞれ対応する。

差動増幅回路２０６の出力信号は、その振幅が、メモリ２２０に記憶されているデータに基づいて振幅調整回路２０８によって調整される。このように振幅が調整された信号は、同期検波回路２１０によって、検波クロック生成回路２１２の検波クロックに同期して検波される。検波された信号は、調整回路２１４などによって、温度補償される。温度補償された信号は、ローパスフィルタ２２４によって必要な低周波帯域が通過され、ハイパスフィルタ２２６によって直流成分がカットされる。そして、直流成分がカットされた信号は、オペアンプ２２８などからなる後段アンプで増幅され、オペアンプ２２８の出力端すなわち外部電極４０（ＡＰＯｘ）から出力される。したがって、外部電極４０（ＡＰＯｘ）からの出力信号の大きさと極性とによって、Ｘ軸を中心として加わった回転角速度の大きさと回転方向とを検出することができる。

第２の音叉型振動子７２においても、第１の音叉型振動子７０と同様に、脚部７６ａ，７６ｂが、入力バッファ２００´などからなる駆動用の帰還ループによって、基本振動で振動する。ただし、第２の音叉型振動子７２においては、Ｙ軸を中心として加わった回転角速度に応じて、脚部７６ａ，７６ｂの基本振動の向きが変位する。そのため、第２の音叉型振動子７２に関しては、差動増幅回路２０６´ひいては外部電極４０（ＡＰＯｙ）からの出力信号の大きさと極性とによって、Ｙ軸を中心として加わった回転角速度の大きさと回転方向とを検出することができる。

上述した本願発明の一実施形態にかかる角速度センサ１０のキャップ１１０に設けられた防爆用の貫通穴１１４と回路基板２０に固定されたＩＣ５０との位置関係を図８に示す。
角速度センサ１０は、略長方形状の回路基板２０に、隣り合う２辺の長さが異なる略長方形上の平面輪郭を有し、防爆用の貫通穴１１４を設けたキャップ１１０を搭載し、音叉型振動子と内部回路を構成する半導体素子たるＩＣ５０等の部品を封止するものである。従って、キャップ１１０は、回路基板２０に対して、図８（１）のような通常の搭載方向の他に、図８（２）のような１８０度回転した方向でも搭載することが可能である。
ここで、内部回路を構成する半導体部品たるＩＣ５０は、回路基板２０のいずれかの角部（図８の例では右上）の近傍に配置され、キャップの貫通穴１１４は、ＩＣ５０が配置された回路基板の角部に対応するキャップの角部と隣接する２つの角部のうちのいずれかの角部（図８（１）の例では右下）の近傍に配置されており、キャップの貫通穴１１４と回路基板のＩＣ５０との間で所定の離隔距離が確保されているので、キャップの貫通穴１１４から光が入射したとしてもＩＣ５０の出力特性に影響を与えることはない。
一方、キャップ１１０が回路基板２０に対して１８０度回転した方向に搭載された場合には、キャップの貫通穴１１４はＩＣ５０が配置された角部とは異なる角部（図８（２）の例では左上）の近傍にあり、やはりキャップの貫通穴１１４と回路基板のＩＣ５０との間で所定の離隔距離が確保されているので、キャップの貫通穴１１４から光が入射したとしてもＩＣ５０の出力特性に影響を与えることはない。
従って、振動子や内部回路を保護するためにキャップを回路基板に搭載する工程において、キャップの方向合わせを行うことなく、キャップに設けられた防爆用の貫通穴から入射した光による回路基板のＩＣの特性変化を常に防止できる。

この場合において、上記実施形態では、２つの音叉型振動子を用いた２軸の角速度センサの場合について説明したが、この発明はこれに限定されるものではなく、単一の振動子を用いた１軸の角速度センサでもよい。ただし、レイアウト上、ＩＣが回路基板の角部近傍に配置せざるを得なくなる２軸の角速度センサにおいて、本願発明は特に有用である。

また、上述した本願発明の一実施形態にかかる角速度センサ１０のキャップ１１０に設けられた防爆用の貫通穴１１４と回路基板２０に固定されたＩＣ５０および２つの音叉型振動子７０、７２との位置関係を図９に示す。
この場合においても、角速度センサ１０は、略長方形状の回路基板２０に、隣り合う２辺の長さが異なる略長方形上の平面輪郭を有し、防爆用の貫通穴１１４を設けたキャップ１１０を搭載し、２つの音叉型振動子７０、７２と内部回路を構成する半導体素子たるＩＣ５０等の部品を封止するものである。従って、キャップ１１０は、回路基板２０に対して、図９（１）のような通常の搭載方向の他に、図９（２）のような１８０度回転した方向でも搭載することが可能である。
ここで、内部回路を構成する半導体部品たるＩＣ５０は、回路基板２０のいずれかの角部（図９の例では右上）の近傍に配置され、キャップの貫通穴１１４は、ＩＣ５０が配置された回路基板の角部に対応するキャップの角部と隣接する２つの角部のうちのいずれかの角部（図９（１）の例では右下）の近傍であって、いずれか一方の音叉型振動子（図９の例では第１の音叉型振動子７０）の基台部の上となるように配置されている。
一方、キャップ１１０が回路基板２０に対して１８０度回転した方向に搭載された場合には、キャップの貫通穴１１４はＩＣ５０が配置された角部とは異なる角部（図９（２）の例では左上）の近傍にある他方の音叉型振動子（図９（２）の例では第２の音叉型振動子７２）の基台部の上となるように配置されている。
このように、キャップ１１０がいずれの回転方向で回路基板２０に搭載された場合であっても、キャップの貫通穴１１４は、ＩＣ５０が配置された角部とは異なる角部の近傍にあり、かつ回路基板に固定された２つの音叉型振動子のうちのいずれかの音叉型振動子の基台部の上に常に配備されるように、キャップの貫通穴１１４の位置と回路基板上の２つの音叉型振動子７０、７２の基台部の位置が設定されているので、キャップの貫通穴１１４と回路基板のＩＣ５０との間で所定の離隔距離が常に確保されるとともに、キャップの貫通穴１１４から光が入射したとしてもいずれかの音叉振動子の基台部によって遮断され、ＩＣ５０の出力特性に影響を与えることはない。
従って、振動子や内部回路を保護するためにキャップを回路基板に搭載する工程において、キャップの方向合わせを行うことなく、キャップに設けられた防爆用の貫通穴から入射した光による回路基板のＩＣの特性変化をより確実に常に防止できる。

この場合において、上記実施形態では、２つの音叉型振動子はＩＣが配置された回路基板の角部に隣接する２つの辺の近傍にそれぞれ配置し、それぞれの脚部がＩＣ上に配置されるものとして説明したが、この発明はこれに限定されるものではない。例えば、２つの音叉型振動子をＩＣが配置された回路基板の角部に隣接しない２つの辺の近傍にそれぞれ配置し、キャップがいずれの回転方向で回路基板に搭載された場合であっても、キャップの貫通穴が２つの音叉型振動子のうちのいずれかの音叉型振動子の基台部の上に常に配備されるように、キャップの貫通穴の位置と２つの音叉型振動子の基台部の位置が設定されるようにしてもよい。すなわち、例えば、図９のようにＩＣ５０が回路基板の右上に配置されている場合において、第１の音叉型振動子７０は、回路基板の下辺の近傍に配置されるものであって、基台部が通常のキャップ搭載方向における貫通穴１１４の位置に対応する回路基板の右下に配置され、脚部が回路基板の左下方向に向けて配置されるようにしたものであり、第２の音叉型振動子７２は、回路基板の左辺の近傍に配置されるものであって、基台部が１８０度回転したキャップ搭載方向における貫通穴１１４の位置に対応する回路基板の左上に配置され、脚部が回路基板の左下方向に向けて配置されるようにしたものでもよい。

上記実施形態では、振動子として音叉型振動子を用いた場合について説明したが、本願発明はこれに限定されるものではなく、振動子として音叉型振動子以外の振動子、例えば片持構造の音片型振動子を用いたものでもよく、本願発明の効果を奏する。

上記実施形態では、キャップは器状のものであるとして説明したが、本願発明はこれに限定されるものではない。例えば、器状に形成した回路基板に対して、平板状のキャップで蓋をするようにしたものでもよい。

以上述べたように、本願発明によれば、振動子や内部回路を保護するためにキャップを回路基板に搭載する工程において、キャップの方向合わせを行うことなく、キャップに設けられた防爆用の貫通穴から入射した光による回路基板上の半導体素子の特性変化を常に防止できるので、信頼性の高い角速度センサを効率よく生産することができる。
尚、本願発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、本願発明の効果を奏する限り、各実施形態で述べた構成要素を適宜入れ替えたり、新たな構成要素を追加したり、一部の構成要素を削除したりしてもよいことはいうまでもない。

本願発明の一実施形態にかかる角速度センサの概略構造図である。本願発明の一実施形態にかかる角速度センサの分解構造図である。本願発明の一実施形態にかかる角速度センサの回路基板の裏面の電極配置図である。本願発明の一実施形態にかかる角速度センサの音叉型振動子の概略構造図である。本願発明の一実施形態にかかる角速度センサの回路構成図である。本願発明の一実施形態にかかる角速度センサの音叉型振動子の駆動時の作動状態を示す図である。本願発明の一実施形態にかかる角速度センサの音叉型振動子の角速度検出時の作動状態を示す図である。本願発明の一実施形態にかかる角速度センサのキャップの貫通穴と回路基板上のＩＣとの位置関係の説明図である。本願発明の一実施形態にかかる角速度センサのキャップの貫通穴と回路基板上のＩＣおよび２つの音叉型振動子の基台部との位置関係の説明図である。

符号の説明

１０角速度センサ
２０回路基板
２２凹部
２４ＩＣ用電極
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ第１の音叉型振動子用電極
２８ａ、２８ｂ、２８ｃ第２の音叉型振動子用電極
３０チップコンデンサ用電極
４０外部電極
４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄ第１の音叉型振動子検査用電極
４２ｅ、４２ｆ、４２ｇ、４２ｈ第２の音叉型振動子検査用電極
５０ＩＣ
６０チップコンデンサ
７０第１の音叉型振動子
７２第２の音叉型振動子
７４音叉型振動子の基台部
７６ａ、７６ｂ音叉型振動子の脚部
８０、８２音叉型振動子の圧電体基板
８４音叉型振動子の中間電極
８６、８８，９０音叉型振動子の表面電極
９２音叉型振動子の全面電極
１００音叉型振動子の接合材
１１０キャップ
１１２キャップの接着剤
１１４貫通穴

Claims

２つの振動子と、
前記２つの振動子を駆動し、２つの角速度信号を検出する内部回路と、
前記２つの振動子を互いに直交する方向に固定するとともに、前記内部回路を構成する半導体素子を含む部品を固定し、前記２つの振動子の各表面電極と前記内部回路を構成する部品を電気的に接続するとともに、２つの角速度検出信号を取り出すための外部電極を有し、前記内部回路の出力電極と前記外部電極とを電気的に接続するように形成された略長方形状の回路基板と、
隣り合う２辺の長さが異なる略長方形状の平面輪郭を有し、前記回路基板に固定された前記２つの振動子と前記内部回路を覆うように前記回路基板に搭載されて封止されるキャップであって、防爆用の貫通穴を有するキャップと、
を備えた角速度センサであって、
前記内部回路を構成する半導体素子は、前記回路基板のいずれかの角部の近傍に配置され、
前記２つの振動子は、前記半導体素子が配置された前記回路基板の角部に隣接する２つの角部の近傍にそれぞれの基台部が配置され、
前記キャップの貫通穴は、前記半導体素子が配置された前記回路基板の角部と対応する前記キャップの角部に隣接する２つの角部のうちのいずれかの角部の近傍に配置され、
前記キャップがいずれの回転方向で前記回路基板に搭載された場合であっても、前記キャップの貫通穴が前記回路基板に固定された２つの振動子のうちのいずれかの振動子の基台部の上に常に配備されるように、前記キャップの貫通穴の位置と前記回路基板上の２つの振動子の基台部の位置が設定されていることを特徴とする、角速度センサ。
前記回路基板は、前記内部回路を構成する半導体素子が配置されるいずれかの角部に凹部を備え、前記半導体素子は、前記凹部内に固定され、前記２つの振動子は、前記半導体素子が配置された回路基板のいずれかの角部に隣接する２つの辺の近傍にそれぞれ配置され、それぞれの振動子の振動部が前記凹部上に配置されるように構成されたことを特徴とする、請求項１に記載の角速度センサ。