JP6433662B2 - 多軸角速度センサ - Google Patents

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Description

本発明は、多軸角速度センサ及び当該多軸角速度センサに好適に利用可能なセンサ素子に関する。
角速度センサとして、いわゆる圧電振動式のものが知られている（例えば特許文献１）。具体的には、角速度センサは圧電体を有し、当該圧電体は、基部と、当該基部から延びる１又は複数の腕とを有している。そして、圧電体の腕は、交流電圧が印加されて励振される。腕が励振されている圧電体が回転されると、回転速度（角速度）に応じた大きさで、励振方向と直交する方向にコリオリの力が生じ、このコリオリの力によっても圧電体の腕は振動する。そして、このコリオリの力に起因する腕の変形に応じて生じる電気信号を検出することにより、圧電体の角速度が検出される。
また、特許文献２では、複数の１軸用の角速度センサを互いに異なる向きで基板に装着することにより、多軸の角速度を検出可能とした圧電装置を開示している。この圧電装置において、基板に装着される１軸用の角速度センサそれぞれは、上述したような圧電体をパッケージングすることにより構成されている。
特開平１０−１９７２５３号公報 特開２００６−２２９１２１号公報
特許文献２の技術においては、複数のパッケージングされた角速度センサを互いに異なる向きで基板に装着することから、全体として装置が大きくなりがちである。特に、特許文献２の技術では、薄型直方体状にパッケージングされた角速度センサを基板に垂直に装着していることから、基板の厚み方向において大きなスペースが必要である。
従って、小型化が可能な多軸角速度センサ及びセンサ素子が提供されることが望まれる。
本発明の一態様に係る角速度センサは、第１基部及び前記第１基部から延びる第１腕を有する第１圧電体を含み、所定の第１軸回りの角速度に応じた電気信号を出力可能な圧電振動式の第１センサ素子と、第２基部及び前記第２基部から延びる第２腕を有する第２圧電体を含み、所定の第２軸回りの角速度に応じた電気信号を出力可能な圧電振動式の第２センサ素子と、を有し、前記第１基部及び前記第２基部は、前記第１軸と前記第２軸とが互いに異なる方向となる位置関係で互いに固定されている。
好適には、前記第１センサ素子は、所定の並び方向に並べられ、この並び方向に交差する延在方向の同一側へ延びる複数の前記第１腕を有し、前記第２センサ素子は、所定の並び方向に並べられ、この並び方向に交差する延在方向の同一側へ延びる複数の前記第２腕を有し、前記第１基部及び前記第２基部は、前記第１基部の、前記複数の第１腕の延在方向及び並び方向に沿う面と、前記第２基部の、前記複数の第２腕の延在方向及び並び方向に沿う面とが互いに対向する位置関係で互いに固定されている。
好適には、実装面を有する実装基体を更に有し、前記第１基部の、前記第２基部に対向する面とは反対側の面は、前記実装面に対向するとともに前記実装面に固定されている。
好適には、前記第１腕の延在方向と前記第２腕の延在方向とは互いに異なる。
好適には、前記第１基部は、前記第２基部側の面において、前記第１腕側の第１非重複領域に対して前記第１腕とは反対側の第１重複領域が低くされることにより、前記第１重複領域における厚みが前記第１非重複領域における厚みよりも薄くされており、前記第２基部は、前記第１基部側の面において、前記第２腕側の第２非重複領域に対して前記第２腕とは反対側の第２重複領域が低くされることにより、前記第２重複領域における厚みが前記第２非重複領域における厚みよりも薄くされており、前記第１重複領域と前記第２重複領域とが重ねられ、前記第１非重複領域と前記非重複領域とは重ねられていない。
好適には、前記実装面のうち前記第１腕と前記第２腕とに挟まれた領域に少なくとも一部が位置する集積回路素子を更に有する。
好適には、前記第１圧電体は、前記第１基部のうち前記第１腕が延びる側にのみ、前記第１腕を含む全ての腕を有し、前記第２圧電体は、前記第２基部のうち前記第２腕が延びる側にのみ、前記第２腕を含む全ての腕を有し、前記第１基部の前記第２基部側の第１面のうち前記第１腕とは反対側の領域と、前記第２基部の前記第１基部側の第２面のうち前記第２腕とは反対側の領域とが互いに固定され、前記第１面のうち前記第１腕側の領域と前記第２面のうち前記第２腕側の領域とは互いに固定されていない。
本発明の一態様に係るセンサ素子は、基部、並びに、前記基部から互いに並列に延び、その延在方向に交差する並び方向に並べられた複数の腕を有する圧電体を含む圧電振動式のセンサ素子であって、前記基部は、前記複数の腕の延在方向及び並び方向に沿う面において、前記複数の腕側の非重複領域に対して前記複数の腕とは反対側の重複領域が低くされることにより、前記重複領域における厚みが前記非重複領域における厚みよりも薄くされている。
上記の構成によれば、小型化しつつ多軸の角速度を検出できる。
本発明の第１の実施形態に係る角速度センサの構成を示す分解斜視図。 図２（ａ）は図１の角速度センサの一部を取り外して角速度センサの内部を示す平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のIIｂ−IIｂ線における断面図。 図３（ａ）は図１の角速度センサのセンサ素子を示す斜視図、図３（ｂ）は図３（ａ）のIIIｂ−IIIｂ線における断面図、図３（ｃ）はセンサ素子の駆動腕及び検出腕における電位等を説明する図。 図１の角速度センサの配線の一例を示す模式的な斜視図。 図５（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る角速度センサのセンサ素子を示す分解斜視図、図５（ｂ）は図５（ａ）のセンサ素子を固定した状態で示す斜視図。 図５（ａ）の角速度センサの断面図。 本発明の第３の実施形態に係る角速度センサの配線の一例を示す模式的な斜視図。 図７の角速度センサの断面図。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、以下の図面は、模式的なものである。従って、細部は省略されることがあり、また、寸法比率等は現実のものと必ずしも一致しない。
同一又は類似する構成については、「第１励振電極５Ａ」、「第２励振電極５Ｂ」のように、同一名称に対して互いに異なる番号及びアルファベットを付して呼称することがあり、また、この場合において、単に「励振電極５」といい、これらを区別しないことがある。
＜第１の実施形態＞
（角速度センサの概略構成）
図１は、本発明の実施形態に係る角速度センサ５１の構成を示す分解斜視図である。図２（ａ）は、角速度センサ５１の一部（蓋体５９）を取り外して角速度センサ５１の内部を示す平面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のIIｂ−IIｂ線における角速度センサ５１の断面図である。
これらの図においては、説明の便宜のために、角速度センサ５１に対して直交座標系ＸＹＺ（大文字）を定義している。なお、角速度センサ５１は、いずれの方向が上方又は下方とされて利用されてもよい。
角速度センサ５１は、多軸（本実施形態では２軸）の角速度を検出する多軸角速度センサとして構成されている。具体的には、角速度センサ５１は、Ｘ軸回りの角速度及びＹ軸回りの角速度を検出可能に構成されている。
角速度センサ５１は、Ｘ軸回りの角速度を検出するためのＸ軸センサ素子１Ｘと、Ｙ軸回りの角速度を検出するためのＹ軸センサ素子１Ｙと（以下、両者を区別せずに、単に「センサ素子１」ということがある。）、これらの制御を行うＩＣ５３（図１、図２（ａ））と、センサ素子１及びＩＣ５３を収容するパッケージ５５とを有している。パッケージ５５は、例えば、箱状の実装基体５７と、その上方開口を塞ぐ蓋体５９（図１、図２（ｂ））とを有している。
センサ素子１は、圧電体に電極を設けた構成である。ＩＣ５３は、センサ素子１に電圧を印加してセンサ素子１を励振する。その励振された状態でセンサ素子１（角速度センサ５１）がＸ軸回り又はＹ軸回りに回転されると、励振方向に交差する方向に角速度に応じた大きさのコリオリの力が生じ、センサ素子１の圧電体が変形する。ＩＣ５３は、この変形に基づく電気信号を検出して出力する。
実装基体５７は、例えば、箱状の絶縁基体６１と、絶縁基体６１の内部の底面（実装面５７ａ）に設けられた複数の基体パッド６３と、絶縁基体６１の外部の下面に設けられた複数の外部端子６５（図２（ｂ））と、複数の基体パッド６３及び複数の外部端子６５を接続する不図示の配線とを有している。
絶縁基体６１は、例えば、セラミック又は樹脂により構成されている。複数の基体パッド６３及び複数の外部端子６５は、例えば、Ｃｕ，Ａｌ等の金属により構成された層状導体からなる。不図示の配線は、例えば、絶縁基体６１の内面及び／又は内部に設けられた層状導体、並びに、絶縁基体６１の内部に設けられたビア導体により構成されている。
センサ素子１及びＩＣ５３は、例えば、バンプ７３（図２（ｂ））又はボンディングワイヤ７５（図２（ａ）及び図２（ｂ））によって基体パッド６３に接続されている。そして、センサ素子１とＩＣ５３とは、基体パッド６３同士を接続する実装基体５７の不図示の配線により接続されている。また、ＩＣ５３と外部端子６５とは、実装基体５７の不図示の配線により接続されている。
蓋体５９は、例えば、絶縁体又は金属により構成されている。蓋体５９は、例えば、実装基体５７の壁部上端に接着される。これにより、パッケージ５５の内部は密閉される。接着は、接着剤を用いたり、金属溶着を利用したりするなど、適宜な方法によりなされてよい。パッケージ５５の内部は、例えば、真空雰囲気又は窒素雰囲気である。
角速度センサ５１は、例えば、不図示の回路基板等に対して、パッケージ５５の下面を対向させて配置される。そして、外部端子６５と回路基板等のパッドとが不図示のバンプを介して接着されることにより、回路基板等に実装される。角速度センサ５１は、複数の外部端子６５のいずれかを介して電力等が供給され、また、検出した角速度に応じた電気信号を複数の外部端子６５のいずれかを介して出力する。
（センサ素子の構成及び動作）
図３（ａ）は、センサ素子１を示す斜視図である。なお、図３（ａ）においては、Ｘ軸センサ素子１ＸとＹ軸センサ素子１Ｙとの相違部分については省略し、両者の共通部分のみを図示している。
図３（ａ）においては、説明の便宜のために、センサ素子１に対して直交座標系ｘｙｚ（小文字）を付している。なお、直交座標系ｘｙｚは、センサ素子（圧電体）の形状に基づいて定義されている。すなわち、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸は、結晶の電気軸、機械軸及び光軸を示すとは限らない。
センサ素子１は、例えば、ｙ軸回りの角速度を検出するように構成されている。センサ素子１は、ｘ軸方向に励振され、ｚ軸方向にコリオリの力が生じるように構成されている。具体的には、以下のとおりである。
センサ素子１は、圧電体３と、圧電体３に電圧を印加するための第１励振電極５Ａ及び第２励振電極５Ｂと、圧電体３に生じた電気信号を取り出すための第１検出電極７Ａ及び第２検出電極７Ｂとを有している。
圧電体３は、その全体が一体的に形成されている。圧電体３は、単結晶であってもよし、多結晶であってもよい。また、圧電体３の材料は適宜に選択されてよく、例えば、水晶（ＳｉＯ２）、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＰＺＴである。
圧電体３において、電気軸乃至は分極軸（以下、両者を代表して分極軸のみに言及することがある。）は、ｘ軸に一致するように設定されている。なお、分極軸は、所定の範囲（例えば１５°以内）でｘ軸に対して傾斜していてもよい。また、圧電体３が単結晶である場合において、機械軸及び光軸は、適宜な方向とされてよいが、例えば、機械軸はｙ軸方向、光軸はｚ軸方向とされている。
圧電体３は、概略Ｕ字状に形成されている。すなわち、圧電体３は、基部９と、基部９からｙ軸方向に互いに並列に延びる駆動腕１１及び検出腕１３とを有している。
駆動腕１１は、電圧（電界）が印加されることによってｘ軸方向（以下、「励振方向」ということがある。）に励振される部分である。検出腕１３は、コリオリの力によってｚ軸方向（以下、「検出方向」ということがある。）に振動され、角速度に応じた電気信号を生成する部分である。基部９は、これら駆動腕１１及び検出腕１３を支持する部分である。これらの位置及び形状等は、例えば、以下のように設定されている。
圧電体３は、例えば、全体として厚さ（ｚ軸方向）が一定にされており、また、例えば、ｙ軸方向に延びる中心線ＣＬ０に対して線対称の形状に形成されている。
基部９は、例えば、概ね直方体状とされている。基部９の３軸方向の寸法比率は適宜に設定されてよい。例えば、基部９は、ｚ軸方向の大きさがｘ軸方向の大きさ及びｙ軸方向の大きさに比較して小さくされ、ひいては、概ね長方形の板状とされている。
駆動腕１１は、例えば、ｙ軸方向を長手方向とする直方体状とされている。なお、駆動腕１１は、先端の幅が大きくされたり（ハンマ形状にされたり）、ｚ軸方向の正側及び負側の面にｙ軸方向に延びる凹溝が形成されたりしてもよい。
駆動腕１１が励振方向（ｘ軸方向）に大きくなると励振方向における固有振動数は高くなり、駆動腕１１が延在方向（ｙ軸方向）に大きくなると励振方向における固有振動数は低くなる。従って、駆動腕１１の幅（ｘ軸方向）及び長さ（ｙ軸方向）の寸法比率は、励振させたい周波数に応じて設定される。なお、ｘｚ断面の形状及び寸法は、駆動腕１１のｘ軸方向の固有振動数とｚ軸方向の固有振動数とが等しくなるように設定されることが好ましい。
検出腕１３は、例えば、駆動腕１１と同様に、ｙ軸方向に長い直方体状とされている。なお、検出腕１３は、先端の幅が大きくされたり（ハンマ形状にされたり）、ｚ軸方向に貫通し、ｙ軸方向に延びる貫通溝が形成されたりしてもよい。検出腕１３のｘ軸方向及びｚ軸方向における固有振動数は、例えば、駆動腕１１と同等とされる。
図３（ｂ）は、図３（ａ）のIIIｂ−IIIｂ線における断面図である。
図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、励振電極５は、駆動腕１１の表面に形成された層状電極である。また、検出電極７は、検出腕１３の表面に形成された層状電極である。これらの電極は、例えば、Ｃｕ，Ａｌ等の適宜な金属によって形成されている。
図３（ｂ）に示すように、第１励振電極５Ａは、駆動腕１１のｚ軸方向の正側の面及びｚ軸方向の負側の面にそれぞれ設けられている。また、第２励振電極５Ｂは、駆動腕１１において、ｘ軸方向の正側の面及びｘ軸方向の負側の面にそれぞれ設けられている。
２つの第１励振電極５Ａ及び２つの第２励振電極５Ｂは、例えば、駆動腕１１の各面を概ね覆うように設けられている。ただし、第１励振電極５Ａ及び第２励振電極５Ｂは、互いに短絡しないように、少なくとも一方（本実施形態では第１励振電極５Ａ）が各面よりも幅方向において小さく形成されている。
２つの第１励振電極５Ａは、例えば互いに同電位とされる。例えば、２つの第１励振電極５Ａは、圧電体３上の配線等により互いに接続されている。また、２つの第２励振電極５Ｂは、例えば互いに同電位とされる。例えば、２つの第２励振電極５Ｂは、圧電体３上の配線等により互いに接続されている。
第１検出電極７Ａは、検出腕１３において、ｘ軸方向の負側の面のうちのｚ軸方向の正側の領域、及び、ｘ軸方向の正側の面のうちのｚ軸方向の負側の領域にそれぞれ設けられている。第２検出電極７Ｂは、検出腕１３において、ｘ軸方向の負側の面のうちのｚ軸方向の負側の領域、及び、ｘ軸方向の正側の面のうちのｚ軸方向の正側の領域にそれぞれ設けられている。第１検出電極７Ａ及び第２検出電極７Ｂは、互いに短絡しないように適宜な間隔を空けて、検出腕１３に沿って延びている。
２つの第１検出電極７Ａは、例えば、圧電体３上の配線等により互いに接続されている。同様に、２つの第２検出電極７Ｂは、例えば、圧電体３上の配線等により互いに接続されている。
ＩＣ５３は、例えば、励振電極５に電圧を印加する励振回路６７と、検出電極７からの電気信号を検出する検出回路６９とを有している。なお、励振回路６７及び検出回路６９は、制御回路７１を構成している。
励振回路６７は、例えば、発振回路や増幅器を含んで構成されており、所定の周波数の交流電圧を第１励振電極５Ａと第２励振電極５Ｂとの間に印加する。なお、周波数は、角速度センサ５１内にて予め定められていてもよいし、外部の機器等から指定されてもよい。
検出回路６９は、例えば、増幅器や検波回路を含んで構成されており、第１検出電極７Ａと第２検出電極７Ｂとの電位差を検出し、その検出結果に応じた電気信号を出力する。より具体的には、例えば、上記の電位差は、交流電圧として検出され、検出回路６９は、検出した交流電圧の振幅に応じた信号を出力する。この振幅に基づいてｙ軸回りの角速度が特定される。また、検出回路６９は、励振回路６７の印加電圧と検出した電気信号との位相差に応じた信号を出力する。この位相差に基づいてｙ軸回りの回転の向きが特定される。
図３（ｃ）は、駆動腕１１及び検出腕１３における電位等を説明する図であり、図３（ｂ）に対応する模式図である。
第１励振電極５Ａに正の電位が付与され、第２励振電極に負の電位（又は基準電位）が付与されると、同図において矢印で示すような電界が生じる。一方、分極軸は、ｘ軸方向に一致している。従って、電界のｘ軸方向の成分に着目すると、駆動腕１１のうちｘ軸方向の一方側部分においては電界の向きと分極軸の向きは一致し、他方側部分においては電界の向きと分極軸の向きは逆になる。
その結果、駆動腕１１のうちｘ軸方向の一方側部分はｙ軸方向において収縮し、他方側部分はｙ軸方向において伸長する。そして、駆動腕１１は、バイメタルのようにｘ軸方向の一方側へ湾曲する。第１励振電極５Ａ及び第２励振電極５Ｂに印加される電圧が逆にされると、駆動腕１１は逆方向に湾曲する。このような原理により、交流電圧が第１励振電極５Ａ及び第２励振電極５Ｂに印加されると、駆動腕１１はｘ軸方向において振動する。
駆動腕１１及び検出腕１３は基部９によって連結されているから、駆動腕１１がｘ軸方向に振動すると、その振動が基部９を介して検出腕１３に伝達され、検出腕１３もｘ軸方向において振動する。具体的には、検出腕１３は、駆動腕１１の湾曲する側とは反対側に湾曲するように、駆動腕１１とは逆の位相で振動する。
センサ素子１がＸ軸方向に延びる中心線ＣＬ０回りに回転されると、ｘ軸方向において振動している検出腕１３には、慣性力の一つである、その角速度に応じた大きさのコリオリの力が加わる。その結果、検出腕１３はｚ軸方向において振動する。なお、駆動腕１１もｚ軸方向において振動する。
検出腕１３がｚ軸方向に湾曲すると、図３（ｃ）において矢印で示すように、ｚ軸方向に平行な電界が生じる。電界の向きは、ｘ軸（電極軸）方向の正側部分と負側部分とで互いに逆である。また、電界の向きは、電極軸の向きと、湾曲の向き（ｚ軸方向の正側又は負側）とで決定される。この電圧（電界）が第１検出電極７Ａ及び第２検出電極７Ｂに出力される。検出腕１３がｚ軸方向に振動すると、電圧は交流電圧として検出される。
（センサ素子の実装構造）
図１、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、Ｘ軸センサ素子１Ｘ及びＹ軸センサ素子１Ｙは、互いに重ね合わされて実装面５７ａに支持（固定）されている。すなわち、これら２つのセンサ素子１は、個別には、実装基体５７の実装面５７ａに支持されない。従って、実装面５７ａの平面視において、２つのセンサ素子１全体としての面積は、重ね合わされた面積分で小さくされており、従来と比較して小型化することができる。具体的には、以下のとおりである。
Ｘ軸センサ素子１Ｘ及びＹ軸センサ素子１Ｙは、それぞれ、実装面５７ａに対して平行になるように配置されている。すなわち、各センサ素子１において、駆動腕１１及び検出腕１３は、実装面５７ａに沿って延びている。
Ｘ軸センサ素子１Ｘ及びＹ軸センサ素子１Ｙは、角速度が検出される回転軸（中心線ＣＬ０）が互いに異なるように（具体的には互いに直交するように）配置される。本実施形態では、これらのセンサ素子１は、いずれも、腕（１１及び１３）に平行な軸（中心線ＣＬ０）回りの回転を検出するものであるから、これら２つのセンサ素子１は、腕の延びる方向が互いに直交するように配置される。このため、これら２つのセンサ素子１でそれぞれ異なる方向の回転を検出することができ、２方向の角速度を検出することが可能となる。
そして、Ｘ軸センサ素子１Ｘは、実装面５７ａに直接固定され、Ｙ軸センサ素子１Ｙは、Ｘ軸センサ素子１Ｘの上面に固定され、これらセンサ素子１は重ね合わされる。なお、Ｘ軸センサ素子１Ｘ及びＹ軸センサ素子１Ｙの上下関係は逆であってもよい。
より具体的には、２つのセンサ素子１は、基部９同士が重ね合わされる。例えば、基部９は、平面視において、腕が延びる方向（図３のｘ軸方向）の長さが腕の並び方向（図３のｙ軸方向）よりも長い長方形とされている。そして、２つのセンサ素子１は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、基部９の主面のうち腕（１１及び１３）が配置される側とは反対側の領域（重複領域９ａ）同士が重ね合わされ、互いに固定される。一方、２つのセンサ素子１は、基部９の主面のうち腕が配置される側の領域（非重複領域９ｂ）については、互いに重なっておらず、また、固定されていない。
２つのセンサ素子１同士の固定は、適宜な方法によりなされてよい。例えば、２つのセンサ素子１同士は、接着されてもよいし、両者をＺ軸方向において挟持するような留め具によって固定されてもよい。接着がなされる場合、その方法も適宜なものとされてよい。例えば、接着は、接着剤によってなされてもよいし、両者に設けられた金属膜の溶着によってなされてもよい。接着剤は、有機系のものであってもよいし、無機系のもの（半田を含む）であってもよい。接着は、２つのセンサ素子１の互いに対向する面の全面に亘ってなされてもよいし、４隅等の一部についてなされてもよい。
Ｘ軸センサ素子１Ｘの実装面５７ａに対する固定は、例えば、バンプ７３（図２（ｂ））によってなされる。具体的には、図２（ｂ）に示すように、Ｘ軸センサ素子１Ｘは、基部９の実装面５７ａ側の面に複数の素子パッド１５を有している。複数の素子パッド１５は、圧電体３に設けられた配線（図２（ｂ）では不図示）を介して励振電極５及び検出電極７に接続されている。複数の素子パッド１５は、バンプ７３により実装面５７ａに設けられた基体パッド６３に接着されている。
これにより、Ｘ軸センサ素子１Ｘは、実装基体１０５に固定されるとともに、実装基体１０５と電気的に接続される。また、Ｘ軸センサ素子１Ｘの腕（１１及び１３）は、素子パッド１５、バンプ７３及び基体パッド６３の厚みで実装面５７ａから離間し、振動可能に基部９に支持される。
なお、バンプ７３は、半田（鉛フリー半田を含む）であってもよいし、導電性接着剤（導電粒子が混入された有機系接着剤）であってもよい。
Ｙ軸センサ素子１Ｙの実装基体５７との電気的な接続は、例えば、ボンディングワイヤ７５（図２（ａ）及び図２（ｂ））によってなされる。具体的には、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、Ｙ軸センサ素子１Ｙは、基部９のＸ軸センサ素子１Ｘとは反対側の面に複数の素子パッド１６を有している。複数の素子パッド１６は、圧電体３に設けられた配線（図２では不図示）を介して励振電極５及び検出電極７に接続されている。複数の素子パッド１６は、ボンディングワイヤ７５により実装面５７ａに設けられた基体パッド６３に接続されている。
２つのセンサ素子１が上記のように実装面５７ａ上に配置されると、２つのセンサ素子１においては、互いに重ねられた基部９から腕（１１及び１３）が互いに直交するように延びるから、２つのセンサ素子１全体としては実装面５７ａの平面視においてＬ字に配置される。そのＬ字の内側（２つのセンサ素子１の腕に挟まれた領域）は、ＩＣ５３の配置領域として利用可能である。なお、平面視において、ＩＣ５３は、２つのセンサ素子１により構成されるＬ字（の外側の線）を２辺とする矩形の範囲内にその全体が収まっていることが好ましい。
図４は、上記のような実装を実現する素子パッド１５及び１６の配置、並びに、これらパッドと励振電極５及び検出電極７とを接続する配線の一例を示す模式的な斜視図である。なお、この図では、電極や配線等を視認しやすいように、図１〜図３に比較して、電極及びパッドは小さく示されている。
この例のＸ軸センサ素子１Ｘにおいて、第１素子パッド１５Ａ及び第２素子パッド１５Ｂは、励振電極５に印加される電圧が入力されるパッドである。また、第３素子パッド１５Ｃ及び第４素子パッド１５Ｄは、検出電極７からの信号を出力するためのパッドである。これら素子パッド１５は、基部９の実装面５７ａ側の面において、適宜な位置に配置されてよい。例えば、これら素子パッド１５は、Ｘ軸センサ素子１Ｘの基部９のうちＹ軸センサ素子１Ｙの基部９と重なる領域（重複領域９ａ）の４隅側に配置されている。
Ｘ軸センサ素子１Ｘにおいて、第１素子パッド１５Ａからは、第１配線１７Ａが延びている。第１配線１７Ａは、第１励振電極５Ａに接続されている。第２素子パッド１５Ｂからは、第２配線１７Ｂが延びている。第２配線１７Ｂは、第２励振電極５Ｂに接続されている。第３素子パッド１５Ｃからは、第３配線１７Ｃが延びている。第３配線１７Ｃは、第１検出電極７Ａに接続されている。第４素子パッド１５Ｄからは、第４配線１７Ｄが延びている。第４配線１７Ｄは、第２検出電極７Ｂに接続されている。
また、この例のＹ軸センサ素子１Ｙにおいて、第１素子パッド１６Ａ及び第２素子パッド１６Ｂは、励振電極５に印加される電圧が入力されるパッドである。また、第３素子パッド１６Ｃ及び第４素子パッド１６Ｄは、検出電極７からの信号を出力するためのパッドである。これら素子パッド１６は、基部９のＸ軸センサ素子１Ｘとは反対側の面において、適宜な位置に配置されてよい。例えば、これら素子パッド１６は、Ｙ軸センサ素子１Ｙの基部９のうち、Ｘ軸センサ素子１Ｘ及びＹ軸センサ素子１Ｙの腕（１１及び１３）が延びる方向とは反対側の２辺に沿って配置されている。
Ｙ軸センサ素子１Ｙにおいて、第１素子パッド１６Ａ〜第４素子パッド１６Ｄからは、第１配線１７Ａ〜第４配線１７Ｄが延びている。この第１配線１７Ａ〜第４配線１７Ｄは、Ｘ軸センサ素子１Ｘの第１配線１７Ａ〜第４配線１７Ｄと同様に、第１励振電極５Ａ、第２励振電極５Ｂ、第１検出電極７Ａ及び第２検出電極７Ｂに接続されている。
各センサ素子１において、配線１７は、互いに交差しないように、基部９の主面及び側面、腕部の根元側部分及び先端側部分の４面等に適宜に配置され、また、適宜に分岐又は合流している。
なお、図４に示す配線は、あくまで一例であり、他の種々のパターンによって、動作説明において言及した電極の接続関係が実現されてよい。例えば、配線１７は、絶縁体を介して互いに立体交差するように設けられてもよい。また、図４の例では、配線１７は、パッド付近を除いて、２つのセンサ素子１間において概ね同一のパターンとされているが、２つのセンサ素子１間で全く異なるパターンとされてもよい。
以上のとおり、本実施形態では、Ｘ軸センサ素子１Ｘ及びＹ軸センサ素子１Ｙの基部９は、複数の腕（駆動腕１１及び検出腕１３）の延在方向及び並び方向に沿う面（ｚ（Ｚ）軸方向に面する面）同士が互いに対向し、且つ、Ｘ軸センサ素子１Ｘが角速度を検出する回転軸とＹ軸センサ素子１Ｙが角速度を検出する回転軸とが互いに異なる方向となる位置関係で互いに固定されている。
従って、例えば、既に述べたように、実装面５７ａの平面視における２つのセンサ素子１全体としての面積は、基部９が重複している面積分で小さくなる。その結果、角速度センサ５１も小型化が可能となる。
また、本実施形態では、Ｘ軸センサ素子１Ｘの基部９の、Ｙ軸センサ素子１Ｙの基部９に対向する面とは反対側の面は、実装面５７ａに対向するとともに実装面５７ａに固定されている。すなわち、２つのセンサ素子１は、駆動腕１１及び検出腕１３が実装面５７ａに沿って延びるように配置されている。従って、角速度センサ５１（パッケージ５５）を実装面５７ａに交差する方向において小型化（薄型化）することが容易である。
また、本実施形態では、２つのセンサ素子１間において、腕（１１及び１３）の延在方向は互いに異なっている。従って、例えば、各センサ素子１において基部９の厚みと腕の厚みとが同一であり、また、２つのセンサ素子１の基部９同士を当接させたとしても、２つのセンサ素子１の腕同士は当接しない。その結果、例えば、基部９同士を密着させることができる。密着により、例えば、互いの固定を強固にしたり、２つのセンサ素子１全体としての厚みを薄くしたりすることができる。
また、本実施形態では、角速度センサ５１は、実装面５７ａのうち２つのセンサ素子１の腕（１１及び１３）に挟まれた領域に少なくとも一部が位置するＩＣ５３を有している。従って、例えば、２つのセンサ素子１及びＩＣ５３全体としての配置領域を小さくすることができる。なお、２つのセンサ素子１の腕に挟まれた領域は、例えば、２つのセンサ素子の腕と、この腕の先端同士を結ぶ直線とに囲まれる領域である。
また、本実施形態では、各センサ素子１において、圧電体３は、基部９に対して一方側（ｙ軸方向の正側）にのみ、全ての腕（１１及び１３）を有している。また、２つのセンサ素子１は、基部の互いに対向する面のうち、腕とは反対側の重複領域９ａ同士が互いに固定され、腕側の非重複領域９ｂは互いに固定されていない。
従って、例えば、基部９の一部を互いに重複させて小型化を図ることができる。また、腕側の非重複領域９ｂが互いに固定されていないので、基部９の腕の近辺において、２つのセンサ素子１の基部９間の振動に関する相互影響を低減できる。その結果、２軸の角速度の検出精度が向上する。
なお、以上の第１の実施形態において、Ｘ軸センサ素子１Ｘ及びＹ軸センサ素子１Ｙは第１センサ素子及び第２センサ素子の一例であり、これら２つのセンサ素子１の圧電体３は第１圧電体及び第２圧電体の一例であり、これら２つのセンサ素子１の基部９は第１基部及び第２基部の一例であり、これら２つのセンサ素子１の駆動腕１１及び／又は検出腕は第１腕及び第２腕の一例であり、これら２つのセンサ素子１の中心線ＣＬ０は第１軸及び第２軸の一例であり、これらの２つのセンサ素子１の基部９の互いに対向する面は第１面及び第２面の一例であり、これら２つのセンサ素子１の重複領域９ａは第１重複領域及び第２重複領域の一例であり、これら２つのセンサ素子１の非重複領域９ｂは第１非重複領域及び第２非重複領域の一例であり、ＩＣ１０３は集積回路素子の一例である。
＜第２の実施形態＞
図５（ａ）、図５（ｂ）及び図６は、第２の実施形態に係る角速度センサ２５１の要部を示す図である。具体的には、図５（ａ）は、角速度センサ２５１のＸ軸センサ素子２０１Ｘ及びＹ軸センサ素子２０１Ｙ（以下、単に「センサ素子２０１」ということがある。）を示す分解斜視図である。図５（ｂ）は、２つのセンサ素子２０１を固定した状態で示す斜視図である。図６は、角速度センサ２５１の断面図（第１の実施形態の図２（ｂ）に相当）である。
第２の実施形態は、センサ素子２０１の基部２０９の形状が第１の実施形態のセンサ素子１の基部９の形状と異なる。また、当該形状の相違に応じて、第２の実施形態の実装基体２５７の壁部の高さ（Ｚ軸方向）は、第１の実施形態の実装基体５７の壁部の高さと異なる。それ以外は、第２の実施形態は、第１の実施形態と概ね同様である。
２つのセンサ素子２０１の基部２０９の互いに対向する面において、腕（１１及び１３）が延びる側の重複領域２０９ａが、腕とは反対側の非重複領域２０９ｂよりも低くされている。ひいては、２つのセンサ素子２０１の基部２０９は、重複領域２０９ａにおける厚みが非重複領域２０９ｂにおける厚みよりも薄くされている。
具体的には、例えば、重複領域２０９ａにおける厚みは、非重複領域２０９ｂにおける厚みの半分とされている。別の観点では、一方のセンサ素子２０１の、非重複領域２０９ｂにおける厚みと重複領域２０９ａにおける厚みとの差は、他方のセンサ素子２０１の重複領域２０９ａにおける厚みと等しい。
従って、２つのセンサ素子２０１が重複領域２０９ａにおいて互いに重ねられると、図５（ｂ）及び図６に示すように、互いに固定された２つのセンサ素子２０１全体の厚みは、第１の実施形態における、互いに固定された２つのセンサ素子１全体の厚みよりも薄くなる。具体的には、互いに固定された２つのセンサ素子２０１全体の厚みは、１つのセンサ素子２０１の厚みと同等になる。
その結果、例えば、図２（ｂ）及び図６の比較から理解されるように、第２の実施形態の実装基体２５７（パッケージ２５５）は、第１の実施形態の実装基体５７（パッケージ５５）に比較して、１つのセンサ素子２０１（センサ素子１）の厚み分で薄型化可能である。また、例えば、一方のセンサ素子２０１の基部２０９における重複領域２０９ａと非重複領域２０９ｂとの段差を、他方のセンサ素子２０１の基部２０９の側面に係合させることができる。従って、２つのセンサ素子２０１のＸＹ平面における位置決めが容易化される。
なお、以上の第２の実施形態において、Ｘ軸センサ素子２０１Ｘ及びＹ軸センサ素子２０１Ｙは、第１センサ素子及び第２センサ素子の一例である。
＜第３の実施形態＞
図７及び図８は、第３の実施形態に係る角速度センサ３５１の要部を示す図である。具体的には、図７は、角速度センサ３５１におけるパッド及び配線の一例を示す模式的な斜視図（第１の実施形態の図４に相当）である。図８は、角速度センサ３５１の断面図（第１の実施形態の図２（ｂ）に相当）である。
第１の実施形態では、Ｙ軸センサ素子１Ｙは、ボンディングワイヤ７５を介して実装基体５７と電気的に接続された。これに対して、第３の実施形態のＹ軸センサ素子３０１Ｙは、バンプ７３（図８）によりＸ軸センサ素子３０１Ｘに接続され、Ｘ軸センサ素子３０１Ｘに設けられた配線１７を介して実装基体５７と電気的に接続されている。それ以外は、第３の実施形態は、第１の実施形態と概ね同様である。
Ｘ軸センサ素子３０１Ｘは、基部９のＹ軸センサ素子３０１Ｙ側の面のうち、Ｙ軸センサ素子３０１Ｙに重ねられる重複領域９ａにおいて、複数の素子パッド３１５を有している。一方、Ｙ軸センサ素子３０１Ｙは、基部９のＸ軸センサ素子１Ｘ側の面のうち、Ｘ軸センサ素子３０１Ｘに重ねられる重複領域９ａにおいて、複数の素子パッド１５を有している。そして、これら素子パッド３１５と素子パッド１５とはバンプ７３により接着される。これにより、Ｙ軸センサ素子３０１Ｙは、Ｘ軸センサ素子３０１Ｘに対して固定されるとともに、Ｘ軸センサ素子３０１Ｘと電気的に接続される。
Ｘ軸センサ素子３０１Ｘの素子パッド３１５及びＹ軸センサ素子３０１Ｙの素子パッド１５は、重複領域９ａの適宜な位置に配置されてよい。図７の例では、これら素子パッド３１５及び１５は、重複領域９ａの４隅側に配置されている。
Ｙ軸センサ素子３０１Ｙの構成は、例えば、第１の実施形態のＸ軸センサ素子１Ｘの構成と同様とされてよく、説明は省略する。
Ｘ軸センサ素子３０１Ｘは、例えば、第１の実施形態のＸ軸センサ素子１Ｘに対して、上述の複数の素子パッド３１５と、Ｙ軸センサ素子３０１Ｙからの検出信号を実装基体５７（ＩＣ５３）に出力するための２つの素子パッド３１６と、素子パッド３１５と素子パッド３１６及びＸ軸センサ素子３０１Ｘの素子パッド１５とを接続するための配線３１７を追加した構成である。
Ｙ軸センサ素子３０１Ｙの電圧印加用の第１素子パッド１５Ａと接着されるＸ軸センサ素子３０１Ｘの第１素子パッド３１５Ａは、例えば、第１配線３１７Ａを介してＸ軸センサ素子３０１Ｘの第２素子パッド１５Ｂと接続されている。また、Ｙ軸センサ素子３０１Ｙの電圧印加用の第２素子パッド１５Ｂと接着されるＸ軸センサ素子３０１Ｘの第２素子パッド３１５Ｂは、例えば、第２配線３１７Ｂを介してＸ軸センサ素子３０１Ｘの第１素子パッド１５Ａと接続されている。
すなわち、Ｘ軸センサ素子３０１Ｘにおいて励振電極５に電圧を印加するための第１素子パッド１５Ａ及び第２素子パッド１５Ｂは、Ｙ軸センサ素子３０１Ｙの励振電極５に電圧を印加することにも利用される。このようにして、Ｙ軸センサ素子３０１Ｙの第１素子パッド１５Ａ及び第２素子パッド１５Ｂは、Ｘ軸センサ素子３０１Ｘを介して実装基体５７に電気的に接続される。なお、Ｙ軸センサ素子３０１Ｙの励振電極５にのみ電圧を印加するための素子パッドがＸ軸センサ素子３０１Ｘに設けられてもよい。
Ｙ軸センサ素子３０１Ｙの検出信号用の第３素子パッド１５Ｃと接着されるＸ軸センサ素子３０１Ｘの第３素子パッド３１５Ｃは、例えば、第３配線３１７Ｃを介してＸ軸センサ素子３０１Ｘの第１素子パッド３１６Ａと接続されている。また、Ｙ軸センサ素子３０１Ｙの検出信号用の第４素子パッド１５Ｄと接着されるＸ軸センサ素子３０１Ｘの第４素子パッド３１５Ｄは、例えば、第４配線３１７Ｄを介してＸ軸センサ素子３０１Ｘの第２素子パッド３１６Ｂと接続されている。
素子パッド３１６は、Ｘ軸センサ素子３０１Ｘの素子パッド１５と同様に、バンプ７３により実装基体５７の基体パッド６３に接着される。このようにして、Ｙ軸センサ素子３０１Ｙの第３素子パッド１５Ｃ及び第４素子パッド１５Ｄは、Ｘ軸センサ素子３０１Ｘを介して実装基体５７に電気的に接続される。
なお、以上の第３の実施形態において、Ｘ軸センサ素子３０１Ｘ及びＹ軸センサ素子３０１Ｙは、第１センサ素子及び第２センサ素子の一例である。
本発明は、以上の実施形態に限定されず、種々の態様で実施されてよい。
第３の実施形態では、第１の実施形態のように厚みが一定の圧電体を有するセンサ素子に対して、第２センサ素子を第１センサ素子を介して実装基体に電気的に接続する構成を適用した態様を示したが、第２の実施形態のように重複領域が薄くされた圧電体を有するセンサ素子に対して、第２センサ素子を第１センサ素子を介して実装基体に電気的に接続する構成が適用されてもよい。
角速度センサは、２軸の角速度を検出するものに限定されず、３軸以上の角速度を検出するものであってもよい。また、３つ以上のセンサ素子が互いに重ねられてもよい。なお、誤差を修正したり、予備の目的で、互いに平行な回転軸の角速度を検出する２つのセンサ素子が設けられてもよい。複数の回転軸は、一般には互いに直交するように設定されるが、直交しなくてもよい（互いに傾斜していてもよい。）。
重ねられるセンサ素子は、互いに異なる構成であってもよい。
例えば、腕の延在方向、腕の励振方向、及び、角速度が検出される回転軸の相対的な位置関係が互いに異なるものであってもよい。例えば、実施形態では、腕に平行な軸回りの回転を検出するセンサ素子を例示したが、複数の腕の並び方向に平行な軸回りの回転を検出する圧電振動式のセンサ素子、及び、腕の延在方向及び並び方向に直交する軸回りの回転を検出する圧電振動式のセンサ素子も公知である。このような腕と回転軸との位置関係が互いに異なるセンサ素子が互いに重ねられてもよい。
また、上記の位置関係が互いに同一のセンサ素子が用いられる場合においても、重ねられるセンサ素子は、互いに異なる構成であってもよい。例えば、重ねられるセンサ素子は、駆動腕の本数及び／又は検出腕の本数が互いに異なるものであってもよい。
角速度センサが取り付けられる機器によっては、想定される角速度の大きさが回転軸間で異なったり、要求される精度が回転軸間で異なったりする。このような場合において、互いに異なる構成のセンサを組み合わせることが好適な場合がある。また、例えば、本実施形態のような２つのセンサ素子と、腕の延在方向及び並び方向に直交する軸回りの回転を検出する圧電振動式のセンサ素子とを組み合わせ、これら３つのセンサ素子のうち少なくとも２つを重ねれば、実装面の面積を縮小するとともにパッケージを薄型化できる３軸用の角速度が実現される。
センサ素子は、全ての腕が並列に延びる（全ての腕が延在方向の同一側に延びる）ものに限定されず、延在方向の一方側に延びる腕と、延在方向の他方側に延びる腕とを有するものであってもよい。例えば、センサ素子は、基部の一方側に１又は複数の駆動腕が延び、それとは反対側に１又は複数の検出腕が延びるものであってもよい。なお、駆動腕と検出腕とが逆方向に延びる構成においては、駆動腕の振動が検出腕へ伝わりやすいように、第３の実施形態のように、重複領域のうち一部においてセンサ素子の基部同士を固定することが好ましい。
また、実施形態のように、全ての腕が基部に対して一方側へ延びる場合においても、その本数及び回転軸等は適宜に設定されてよい。例えば、駆動腕が２本又は４本配列され、その内側又は両側に検出腕が２本又は４本配列されてもよい。駆動腕と検出腕との本数が互いに異なっていてもよい。
また、センサ素子は、駆動腕と検出腕とを有するものに限定されず、一の腕が駆動腕と検出腕とを兼ねるものであってもよい。センサ素子は、一の腕のみを有するものであってもよい。センサ素子は、センサ素子単体で２軸以上の回転を検出可能なものであってもよい。
２つのセンサ素子は、その形状が、実施形態のように並列に延びる複数の腕を有することによって全体として薄型形状である場合、２つのセンサ素子の互いに重なる領域（重複領域）を大きくする観点から、実施形態のように、その厚み方向（腕の延在方向及び並び方向に交差する方向）において重ねられることが好ましい。ただし、２つのセンサ素子は、腕の並び方向において重ねられるなどしてもよい。この場合、重複領域が非重複領域よりも薄く（腕の並び方向において小さく）されている構成とされることが好ましい。
第２の実施形態のように、センサ素子の基部を重複領域において非重複領域よりも薄くする場合、２つのセンサ素子の重複領域における和が、１つのセンサ素子の非重複領域における厚みと同等にならなくてもよい。多少なりとも重複領域において基部が薄くされれば、２つのセンサ素子全体として薄型化される。また、２つのセンサ素子のうち、一方のみにおいて重複領域が薄くされてもよい。
重複領域は、基部のうち腕とは反対側の全領域でなくてもよい。例えば、基部に対して一方側に延びる腕と、基部に対して他方側に延びる腕とが設けられている場合において、基部の、腕の延びる方向の中央側の一部においてのみ、重複領域が設けられてよい。全ての腕が一方側にのみ延びる場合においても、基部の中央側の一部においてのみ重複領域が設けられてもよい。なお、重複領域及び非重複領域の大きさは適宜に設定されてよい。
２つのセンサ素子の基部は、互いに重複しない非重複領域を有している必要は無い。ただし、基部のうち腕側の領域は、腕が好適に振動するように互いに固定されていないことが好ましい。従って、例えば、２つの基部の全領域が互いに重なりつつ、２つの基部の固定は、腕とは反対側の領域においてのみ行われてもよい。
センサ素子の実装基体に対する固定は、バンプによるものに限定されない。例えば、センサ素子は、実装基体に設けられた弾性端子に固定されてもよい。また、当該固定は、一方のセンサ素子の、他方のセンサ素子に対向する面とは反対側の面が、実装面に平行に配置され、且つ、実装面に固定されるものに限定されない。例えば、センサ素子の基部の、腕が延びる側とは反対側の端部が実装基体に固定されてもよい。
実施形態において図示したパッケージは、一例に過ぎず、その形状及び材質等は適宜に変更されてよい。また、パッケージは、バンプを介して回路基板等に実装されるものに限定されず、ボンディングワイヤを利用する実装方法等の他の実装方法によって実装されるものであってもよい。
１Ｘ…Ｘ軸センサ素子（第１センサ素子）、１Ｙ…Ｙ軸センサ素子（第２センサ素子）、３…圧電体、９…基部、１１…駆動腕（第１腕、第２腕）、１３…検出腕（第１腕、第２腕）、５１…角速度センサ、５７…実装基体、５７ａ…実装面、ＣＬ０…中心線（第１軸、第２軸）。

Claims (3)

  1. 第１基部、及び所定の並び方向に並べられ、この並び方向に交差する延在方向の同一側へ前記第１基部から延びる複数の第１腕を有する第１圧電体を含み、所定の第１軸回りの角速度に応じた電気信号を出力可能な圧電振動式の第１センサ素子と、
    第２基部、及び所定の並び方向に並べられ、この並び方向に交差する延在方向の同一側へ前記第２基部から延びる複数の第２腕を有する第２圧電体を含み、所定の第２軸回りの角速度に応じた電気信号を出力可能な圧電振動式の第２センサ素子と、
    実装面を有する実装基体と、
    を有し、
    前記第１基部及び前記第２基部は、前記第１軸と前記第２軸とが互いに異なる方向となり、前記第１基部の、前記複数の第１腕の延在方向及び並び方向に沿う面と、前記第２基部の、前記複数の第２腕の延在方向及び並び方向に沿う面とが互いに対向し、かつ前記第１腕の延在方向と前記第２腕の延在方向とが互いに異なる方向となる位置関係で互いに固定されており、
    前記第１基部は、前記第２基部側の面において、前記第１腕側の第１非重複領域に対して前記第１腕とは反対側の第１重複領域が低くされることにより、前記第１重複領域における厚みが前記第１非重複領域における厚みよりも薄くされており、
    前記第２基部は、前記第１基部側の面において、前記第２腕側の第２非重複領域に対して前記第２腕とは反対側の第２重複領域が低くされることにより、前記第２重複領域における厚みが前記第２非重複領域における厚みよりも薄くされており、
    前記第１重複領域と前記第２重複領域とが重ねられ、前記第１非重複領域と前記第２非重複領域とは重ねられておらず、
    前記第１重複領域は、前記複数の第１腕の並び方向において前記複数の第１腕全体の両側外側の面間に亘る幅を有しており、
    前記第２重複領域は、前記複数の第２腕の並び方向において前記複数の第２腕全体の両側外側の面間に亘る幅を有しており、
    前記第１基部の、前記第２基部に対向する面とは反対側の面は、前記実装面に対向するとともに、平面透視において前記第１重複領域と重複する範囲において当該反対側の面と前記実装面との間に介在するバンプによって、前記実装面に固定されている
    多軸角速度センサ。
  2. 前記実装面のうち前記第１腕と前記第２腕とに挟まれた領域に少なくとも一部が位置する集積回路素子を更に有する
    請求項１に記載の多軸角速度センサ。
  3. 前記第１圧電体は、前記第１基部のうち前記第１腕が延びる側にのみ、前記第１腕を含む全ての腕を有し、
    前記第２圧電体は、前記第２基部のうち前記第２腕が延びる側にのみ、前記第２腕を含む全ての腕を有している
    請求項１又は２に記載の多軸角速度センサ。
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