JP6456066B2 - 圧電センサデバイス - Google Patents

Description

本発明は、電子機器等に用いられる角速度センサとして用いられている圧電センサデバイスに関するものである。

このような圧電センサデバイスは、基板と、基板の上面に実装された複数の圧電センサ素子と、基板の上面に実装された集積回路素子と、圧電センサ素子及び集積回路素子を被覆するように基板上面に接合された蓋体とを備えたものが知られている。（特許文献１参照）。このような圧電センサ素子は、角速度を検出する角速度センサとして用いられている。この角速度センサにおいては、圧電センサ素子に交流電圧が印加されることで、圧電センサ素子が励振される。この励振されている圧電センサ素子が回転されると、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センサ素子が振動する。そして、このコリオリの力に起因する圧電センサ素子の変形に応じて生じる電気信号を検出することにより、圧電センサ素子の角速度を検出することができる。

特開２０１１−１７４９４０号公報

上述した圧電センサデバイスでは、基板の同一平面上に圧電センサ素子及び集積回路素子が導電性接着剤を介して実装され、同一空間内に収容されているため、導電性接着剤から発生したガスが圧電センサ素子に付着しやすくなり、圧電センサ素子にガスが付着されることで、圧電センサ素子の屈曲振動が阻害されてしまう虞があった。また、このような圧電センサデバイスでは、圧電センサ素子の屈曲振動が阻害されることで、安定して角速度が検出できない虞があった。

本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、圧電センサ素子にガスが付着することを抑えつつ、安定して角速度を検出することが可能な圧電センサデバイスを提供することを課題とする。

本発明の一つの態様による圧電センサデバイスは、矩形状の基板と、基板の上面に設けられた第一枠体と、基板の下面に設けられた第二枠体と、第一枠体内で基板の上面に設けられた電極パッドと、第二枠体内で基板の下面に設けられた接続パッドと、基部と、基部から所定の延在方向の一方側へ延び、延在方向に交差する並び方向に並べられた複数の駆動腕と、基部から延在方向の他方側へ延び、並び方向に並べられた複数の検出腕と、複数の駆動腕に電圧を印加して複数の駆動腕を並び方向に励振する励振用電極と、を有し、電極パッドに実装された圧電センサ素子と、接続パッドに実装された集積回路素子と、第一枠体の上面に接合された蓋体と、を備えていることを特徴とするものである。

本発明の一つの態様による圧電センサデバイスは、矩形状の基板と、基板の上面に設けられた第一枠体と、基板の下面に設けられた第二枠体と、第一枠体内で基板の上面に設けられた電極パッドと、第二枠体内で基板の下面に設けられた接続パッドと、基部と、基部から所定の延在方向の一方側へ延び、延在方向に交差する並び方向に並べられた複数の駆動腕と、基部から延在方向の他方側へ延び、並び方向に並べられた複数の検出腕と、複数の駆動腕に電圧を印加して複数の駆動腕を並び方向に励振する励振用電極と、を有し、電極パッドに実装された圧電センサ素子と、接続パッドに実装された集積回路素子と、第一枠体の上面に接合された蓋体と、を備えているので、圧電センサ素子と集積回路素子が別々の空間に収容されているため、圧電センサ素子に導電性接着剤から発生したガスが付着されること抑え、圧電センサ素子の屈曲振動が阻害されることを低減することができる。また、このような圧電センサデバイスでは、圧電センサ素子の屈曲振動が阻害されることを低減することができるので、安定して角速度が検出することが可能となる。

本実施形態に係る圧電センサデバイスを示す分解斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 本実施形態に係る圧電センサデバイスを構成する第一圧電センサ素子を示す斜視図である。 本実施形態に係る圧電センサデバイスを構成する第二圧電センサ素子を示す斜視図である。 （ａ）は、本実施形態に係る圧電センサデバイスを構成するパッケージを上面からみた平面図であり、（ｂ）は、本実施形態に係る圧電センサデバイスを構成するパッケージを下面からみた平面透視図である。

本実施形態における圧電センサデバイスは、図１〜図５に示されているように、パッケージ１１０と、パッケージ１１０の上面に接合された第一圧電センサ素子１２０及び第二圧電センサ素子１３０と、パッケージ１１０の下面に接合された集積回路素子１５０とを含んでいる。パッケージ１１０は、基板１１０ａの上面と第一枠体１１０ｂの内側面によって囲まれた第一凹部Ｋ１が形成されている。また、基板１１０ａの下面と第二枠体１１０ｃの内側面によって囲まれた第二凹部Ｋ２が形成されている。このような圧電センサデバイスは、電子機器等で使用され、角速度を検出するのに用いられる。

基板１１０ａは、矩形状であり、上面に実装された第一圧電センサ素子１２０及び第二圧電センサ素子１３０と、下面に実装された集積回路素子１５０を実装するための実装部材として機能するものである。基板１１０ａには、上面に、第一圧電センサ素子１２０及び第二圧電センサ素子１３０を実装するための電極パッド１１１が設けられている。また、基板１１０ａは、下面に、集積回路素子１５０を実装するための接続パッド１１４が設けられている。

基板１１０ａは、例えばアルミナセラミックス又はガラス−セラミックス等のセラミック材料である絶縁層からなる。基板１１０ａは、絶縁層を一層用いたものであっても、絶縁層を複数層積層したものであってもよい。基板１１０ａの表面及び内部には、上面に設けられた電極パッド１１１と、基板１１０ａの下面に設けられた外部端子１１３とを電気的に接続するための配線パターン（図示せず）及びビア導体（図示せず）が設けられている。

第一枠体１１０ｂは、基板１１０ａの上面に配置され、基板１１０ａの上面に第一凹部Ｋ１を形成するためのものである。また、第二枠体１１０ｃは、基板１１０ａの下面に配置され、基板１１０ａの下面に第二凹部Ｋ２を形成するためのものである。第一枠体１１０ｂ及び第二枠体１１０ｃは、例えばアルミナセラミックス又はガラス−セラミックス等のセラミック材料からなり、基板１１０ａと一体的に形成されている。第二枠体１１０ｃの下面には、外部端子１１３が設けられている。

電極パッド１１１は、第一圧電センサ素子１２０及び第二圧電センサ素子１３０を実装するためのものである。電極パッド１１１は、八つ設けられており、その内の四つの電極パッド１１１は、第一圧電センサ素子１２０の引出電極１２５と電気的に接続されており、残りの四つの電極パッド１１１は、第二圧電センサ素子１３０の引出電極１３５と電気的に接続されている。第一圧電センサ素子１２０と電気的に接続されている二つの電極パッド１１１は、基板１１０ａの一辺に沿って設けられおり、残りの二つの電極パッド１１１は、基板１１０ａの中心付近に隣接するようにして設けられている。第二圧電センサ素子１３０と電気的に接続されている二つの電極パッド１１１は、第一圧電センサ素子１２０と電気的に接続されている電極パッド１１１が設けられている一辺と垂直に交わる一辺に沿って設けられており、残りの二つの電極パッド１１１は、電極パッド１１１が設けられている一辺と垂直に交わる一辺と対向する辺に沿って設けられている。このような電極パッド１１１は、基板１１０ａに設けられた配線パターン（図示せず）とビア導体（図示せず）を介して、基板１１０ａの下面に設けられた接続パッド１１４及び測定パッド１１５と電気的に接続されている。また、電極パッド１１１は、図１及び図５（ａ）に示すように、第一電極パッド１１１ａ、第二電極パッド１１１ｂ、第三電極パッド１１１ｃ、第四電極パッド１１１ｄ、第五電極パッド１１１ｅ、第六電極パッド１１１ｆ、第七電極パッド１１１ｇ及び第八電極パッド１１１ｈによって構成されている。

外部端子１１３は、電子機器等の実装基板（図示せず）と電気的に接合するために用いられる。外部端子１１３は、第二枠体１１０ｃの下面に設けられている。外部端子１１３は、基板１１０ａの下面に設けられた接続パッド１１４とそれぞれ電気的に接続されている。

接続パッド１１４は、後述する集積回路素子１５０を実装するために用いられている。接続パッド１１４は、基板１１０ａの下面に隣接するようにして設けられている。導電性接合材１７０は、接続パッド１１５の下面と集積回路素子１５０の接続端子１５１との間に設けられている。

測定パッド１１５は、矩形状であり、第一圧電センサ素子１２０又は第二圧電センサ素子１３０の駆動腕１２２、１３２に設けられた励振用電極１２６、１３６と電気的に接続されており、第一圧電センサ素子１２０又は第二圧電センサ素子１３０の発振周波数を測定するために用いられる。測定パッド１１５は、第一測定パッド１１５ａ、第二測定パッド１１５ｂ、第三測定パッド１１５ｃ及び第四測定パッド１１５ｄによって構成されている。第一測定パッド１１５ａは、第一電極パッド１１１ａと電気的に接続されており、第二測定パッド１１５ｂは、第三電極パッド１１１ｃと電気的に接続されている。また、第三測定パッド１１５ｃは、第五電極パッド１１１ｅと電気的に接続されており、第四測定パッド１１５ｄは、第七電極パッド１１１ｇと電気的に接続されている。このように測定パッド１１５を設けることにより、従来の圧電センサデバイスと比し、圧電センサ素子に集積回路素子が接続された状態で発振周波数及び周波数特性を測定するよりも、圧電センサ素子１２０、１３０単体での発振周波数及び周波数特性を測定することができるので、安定して測定することが可能となる。

また、測定パッド１１５は、基板１１０ａの下面に設けられており、後述する集積回路素子１５０と重なる位置に設けられている。このようにすることにより、電子機器等の実装基板上に本実施形態の圧電センサデバイスを実装した際に、実装基板上の配線（図示せず）と測定パッド１１５との間で浮遊容量が発生することを抑えることができる。よって、圧電センサ素子１２０、１３０に浮遊容量が付加された状態とならないため、圧電センサ素子１２０、１３０は、安定して発振周波数を出力することができる。

配線パターン１１６は、接続パッド１１４と外部端子１１３とを電気的に接続するためのものである。また、接続パターン１１７は、接続パッド１１４と測定パッド１１５とを電気的に接続するためのものである。

ここで基板１１０ａを平面視したときの長辺の寸法が、５．０ｍｍであり、短辺の寸法が、３．５ｍｍである場合を例にして、接続パッド１１４又は測定パッド１１５の大きさを説明する。接続パッド１１４の基板１１０ａの短辺と平行な辺の長さは、０．２５〜０．５５ｍｍであり、基板１１０ａの長辺と平行な辺の長さは、０．２５〜０．５５ｍｍとなっている。測定パッド１１６の基板１１０ａの短辺と平行な辺の長さは、０．５〜０．８ｍｍであり、基板１１０ａの長辺と平行な辺の長さは、０．５〜０．８ｍｍとなっている。

封止用導体パターン１１８は、蓋体１４０と封止部材１４１を介して接合する際に、封止部材１４１の濡れ性をよくする役割を果たしている。封止用導体パターン１１８は、第一枠体１１０ｂの上面を囲むようにして設けられている。封止用導体パターン１１８は、ビア導体（図示せず）を介して、外部端子１１３の内の一つと電気的に接続されている。封止用導体パターン１１８は、例えばタングステン又はモリブデン等から成る導体パターンの表面にニッケルメッキ及び金メッキを順次、第一枠体１１０ｂの上面を環状に囲む形態で施すことによって、例えば１０〜２５μｍの厚みに形成されている。

ここで、基板１１０ａの作製方法について説明する。基板１１０ａがアルミナセラミックスから成る場合、まず所定のセラミック材料粉末に適当な有機溶剤等を添加・混合して得た複数のセラミックグリーンシートを準備する。また、セラミックグリーンシートの表面或いはセラミックグリーンシートに打ち抜き等を施して予め穿設しておいた貫通孔内に、従来周知のスクリーン印刷等によって所定の導体ペーストを塗布する。さらに、これらのグリーンシートを積層してプレス成形したものを、高温で焼成する。最後に、導体パターンの所定部位、具体的には、電極パッド１１１、外部端子１１３、接続パッド１１４、測定パッド１１５、配線パターン１１６、接続パターン１１７及び封止用導体パターン１１８となる部位にニッケルメッキ又、金メッキ、銀パラジウム等を施すことにより作製される。また、導体ペーストは、例えばタングステン、モリブデン、銅、銀又は銀パラジウム等の金属粉末の焼結体等から構成されている。

第一圧電センサ素子１２０及び第二圧電センサ素子１３０は、角速度を測定するためのものである。第一圧電センサ素子１２０は、基板１１０ａ上の電極パッド１１１上に導電性接着剤１６０を介して実装されている。第二圧電センサ素子１３０は、基板１１０ａ上の電極パッド１１１上に導電性接着剤１６０を介して実装されている。

第一圧電センサ素子１２０又は第二圧電センサ素子１３０は、図３及び図４圧電素板１２１、１３１と、圧電素板１２１、１３１に電圧を印加するための第一励振用電極１２６ａ、１３６ａ及び第二励振用電極１２６ｂ、１３６ｂと、圧電素板１２１、１３１に生じた電気信号を取り出すための第一検出電極１２７ａ、１３７ａ及び第二検出電極１２７ｂ、１３７ｂとを有している。

圧電素板１２１、１３１は、その全体が一体的に形成されている。圧電素板１２１、１３１は、単結晶であってもよし、多結晶であってもよい。また、圧電素板１２１、１３１の材料は適宜に選択されてよく、例えば、水晶（ＳｉＯ_２）、ＬｉＴａＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３、ＰＺＴである。

圧電素板１２１、１３１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、圧電素板１２１、１３１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。

圧電素板１２１、１３１は、ｘ軸方向に延びる基部１２８、１３８と、基部１２８、１３８からｙ軸方向の正側へ延びる第一駆動腕１２２ａ、１３２ａ〜第四駆動腕１２２ｄ、１３２ｄと、基部１２８、１３８からｙ軸方向の負側へ延びる第一検出腕１２３ａ、１３３ａ及び第二検出腕１２３ｂ、１３３ｂとを有している。圧電素板１２１、１３１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（図３）に対して線対称の形状に形成されている。

駆動腕１２２、１３２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１２３、１３３は、コリオリの力によってｚ軸方向に振動され、角速度に応じた電気信号を生成する部分である。基部１２８、１３８は、これら駆動腕１２２、１３２及び検出腕１２３、１３３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。

基部１２８、１３８は、例えば、概ね直方体状とされている。基部１２８、１３８の三軸方向の寸法比率は適宜に設定されてよい。例えば、基部１２８、１３８は、ｘ軸方向の大きさ＞ｙ軸方向の大きさ＞ｚ軸方向の大きさに設定されている。すなわち、基部１２８、１３８は、ｘ軸方向を長手方向とし、ｚ軸方向を厚み方向とする概ね長方形の板状とされている。なお、例えば、ｘ軸方向の大きさ＞ｚ軸方向の大きさ≧ｙ軸方向の大きさとされても構わない。

四本の実装腕１２４、１３４は、基部１２８、１３８の両端から基部１２８、１３８のｙ軸方向の両側に向かって延びている。すなわち、四本の実装腕１２４、１３４は、全ての駆動腕１２２、１３２及び全ての検出腕１２３、１３３のｘ軸方向の外側に位置し、駆動腕１２２、１３２及び検出腕１２３、１３３に並列に延びている。そして、四本の実装腕１２４、１２３の先端は圧電素板１２１、１３１の４隅に位置している。

第一実装腕１２４ａ、１３４ａ及び第三実装腕１２４ｃ、１３４ｃは、例えば、中心線ＣＬ０を対称軸として、その配置及び形状が互いに線対称になるように形成されている。同様に、第二実装腕１２４ｂ、１３４ｂ及び第四実装腕１２４ｄ、１３４ｄは、例えば、中心線ＣＬ０を対称軸として、その配置及び形状が互いに線対称になるように形成されている。第一実装腕１２４ａ、１３４ａ及び第三実装腕１２４ｃ、１３４ｃと、第二実装腕１２４ｂ、１３４ｂ及び第四実装腕１２４ｄ、１３４ｄとは、例えば、基部１２８、１３８のｘ軸方向に延びる中心線（不図示）を対称軸として、その配置及び形状が互いに線対称になるように形成されている。

実装腕１２４、１３４の具体的形状等は適宜に設定されてよい。例えば、実装腕１２４、１３４は、ｘｚ断面の形状が長手方向に亘って一定とされ、また、当該ｘｚ断面は矩形である。また、例えば、実装腕１２４、１３４の幅（乃至は断面積）は、駆動腕１２２、１３２及び検出腕１２３、１３３の幅（乃至は断面積）以上とされている。また、例えば、実装腕１２４、１３４の長さは、駆動腕１２２、１３２及び検出腕１２３、１３３の長さと同等とされている。

実装腕１２４、１３４のｚ軸方向の正側又は負側（本実施形態では正側）には、励振用電極１２６、１３６及び検出電極１２７、１３７と接続された第一引出電極１２５ａ〜第四引出１２５ｄが設けられている。この引出電極１２５、１３５は、基板１１０ａに設けられた電極パッド１１１又は電極パッド１１１に対向し、引出電極１２５、１３５に対して導電性接着剤１６０により接着される。これにより、第一圧電センサ素子１２０又は第二圧電センサ素子１３０と基板１１０ａとの電気的な接続がなされ、また、第一圧電センサ素子１２０又は第二圧電センサ素子１３０は、駆動腕１２２、１３２及び検出腕１２３、１３３が振動可能な状態で支持される。なお、実装腕１２４、１３４の先端部の範囲は、例えば、実装腕１２４、１３４の先端面から実装腕１２４、１３４の長さの２／５まで又は１／３までの範囲である。

第一引出電極１２５ａ、１３５ａ及び第二引出電極１２５ｂ、１３５ｂは、複数の励振用電極１２６、１３６に印加される電圧が入力されるためのものである。また、第三引出電極１２５ｃ、１３５ｃ及び第四引出電極１２５ｄ、１３５ｄは、複数の検出電極１２７、１３７からの信号を出力するためものである。

第一引出電極１２５ａ、１３５ａからは、第一配線１２９ａ、１３９ａが延びている。第一配線１３９ａは、第二駆動腕１２２ａ、１３２ａ及び第二駆動腕１２２ｂ、１３２ｂの第一励振用電極１２６ａ、１３６ａ、並びに、第三駆動腕１２２ｃ、１３２ｃ及び第四駆動腕１２２ｄ、１３２ｄの第二励振用電極１２６ｂ、１３６ｂに接続されている。また、第二引出電極１２５ｂ、１３５ｂからは、第二配線（図示せず）が延びている。第二配線は、第一駆動腕１２２ａ、１３２ａ及び第二駆動腕１２２ｂ、１３２ｂの第二励振用電極１２６ｂ、１３６ｂ、並びに、第三駆動腕１２２ｃ、１３２ｃ及び第四駆動腕１２２ｄ、１３２ｄの第一励振用電極１２６ａ、１３６ａに接続されている。

第三引出電極１２５ｃ、１３５ｃからは、第三配線１２９ｃ、１３９ｃが延びている。第三配線１２９ｃ、１３９ｃは、第一検出腕１２３ａ、１３３ａの第一検出電極１２７ａ、１３７ａ及び第二検出腕１２３ｂ、１３３ｂの第二検出電極１２７ｂ、１３７ｂに接続されている。また、第四引出電極１２５ｄ、１３５ｄからは、第四配線（図示せず）が延びている。第四配線は、第一検出腕１２３ａの第二検出電極１２７ｂ、１３７ｂ及び第二検出腕１２３ｂ、１３３ｂの第一検出電極１２７ａ、１３７ａに接続されている。配線１２９、１３９は、互いに交差しないように、基部１２８、１３８の四面及び各種の腕部の根元側部分及び先端側部分の四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、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も構わない。また、配線１２９、１３９は、絶縁体を介して互いに立体交差するように設けられるようにしても構わない。

励振用電極１２６、１３６は、駆動腕１２２、１３２の表面に形成された層状電極である。励振用電極１２６、１３６は、例えば、Ｃｕ，Ａｌ等の適宜な金属によって形成されている。第一励振用電極１２６ａ、１３６ａは、各駆動腕１２２、１３２において、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。これらの面には、溝が形成されており、各面において、第一励振用電極１２６ａ、１３６ｂは、第一溝部Ｍ１の底面及び二つの内壁面を覆っている。また、第二励振用電極１２６ｂ、１３６ｂは、各駆動腕１２２、１３２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。

二つの第一励振用電極１２６ａ、１３６ａ及び二つの第二励振用電極１２６ｂ、１３６ｂは、例えば、駆動腕１２２、１３２の各面を概ね覆うように設けられている。ただし、第一励振用電極１２６ａ、１３６ａ及び第二励振用電極１２６ｂ、１３６ｂは、互いに短絡しないように、少なくとも一方が各面よりも幅方向において小さく形成されている。

各駆動腕１２２、１３２において、二つの第一励振用電極１２６ａ、１３６ａは、例えば互いに同電位とされる。例えば、二つの第一励振用電極１２６ａ、１３６ａは、圧電素板１２１、１３１上の配線１２９、１３９により互いに接続されている。また、各駆動腕１２２、１３２において、二つの第二励振用電極１２６ｂ、１３６ｂは、例えば互いに同電位とされる。例えば、二つの第二励振用電極１２６ｂ、１３６ｂは、圧電素板１２１上の配線等により互いに接続されている。

検出電極１２７、１３７は、検出腕１２３、１３３の表面に形成された層状電極である。検出電極１２７、１３７は、例えば、Ｃｕ，Ａｌ等の適宜な金属によって形成されている。検出電極７は、各分割腕１２３、１３３に設けられている。すなわち、検出電極１２７、１３７は、検出腕１２３、１３３のｘ軸方向の外側面だけでなく、複数の第二溝部Ｍ２の内壁面にも設けられている。

第一検出電極１２７ａ、１３７ａは、各検出腕１２３、１３３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。検出電極１２７ｂ、１３７ｂは、各検出腕１２３、１３３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。第一検出電極１２７ａ、１３７ａ及び第二検出電極１２７ｂ、１３７ｂは、互いに短絡しないように適宜な間隔を空けて、検出腕１２３、１３３に沿って延びている。

各検出腕１２３、１３３において、複数の第一検出電極１２７ａ、１３７ａは、例えば、圧電素板１２１、１３１上の配線１２９、１３９により接続されている。また、各検出腕１２３、１３３において、複数の第二検出電極１２７ｂ、１３７ｂは、例えば、圧電素板１２１、１３１上の配線１２９、１３９により接続されている。なお、励振用電極１２６、１３６と同様に、検出電極１２７、１３７の付加符号ａ、ｂは、直交座標系ｘｙｚに基づいて付されている。従って、例えば、後述するように、第一検出腕１２３ａ、１３３ａの第一検出電極１２７ａ、１３７ａと、第二検出腕１２３ｂ、１３３ｂの第一検出電極１２７ａ、１３７ａとは、接続されていない。

（動作説明）
第一励振用電極１２６ａ、１３６ａに正の電位が付与され、第二励振用電極１２６ｂ、１３６ｂに負の電位（又は基準電位）が付与されると、正の電位から負の電位に向かって電界が生じる。従って、電界のｘ軸方向の成分に着目すると、駆動腕１２２、１３２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１２２、１３２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１２２、１３２は、バイメタルのようにｘ軸方向の一方側へ湾曲する。第一励振用電極１２６ａ、１３６ａ及び第二励振用電極１２６ｂ、１３６ｂに印加される電圧が逆にされると、駆動腕１２２、１３２は逆方向に湾曲する。このような原理により、交流電圧が第一励振用電極１２６ａ、１３６ａ及び第二励振用電極１２６ｂ、１３６ｂに印加されると、駆動腕１２２、１３２はｘ軸方向において振動する。

ここで、上述のように、第一励振用電極１２６ａ、１３６ａが設けられる駆動腕１２２、１３２のｚ軸方向の正側及び負側の面には、凹部が形成されている。従って、第一励振用電極１２６ａ、１３６ａは、ｘ軸方向において第二励振用電極１２６ｂ、１３６ｂと対向する部分を有することになり、また、全体として面積が大きくなる。その結果、駆動腕１２２、１３２内におけるｘ軸方向の電界の強さを大きくし、効率的に駆動腕１２２、１３２を振動させることができる。

第一圧電センサ素子１２０及び第二圧電センサ素子１３０がｙ軸回りに回転されると、ｘ軸方向において振動している駆動腕１２２、１３２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、駆動腕１２２、１３２はｚ軸方向において振動する。駆動腕１２２、１３２及び検出腕１２３、１２３は基部１２８、１２９によって連結され、互いに力の相互作用を及ぼすから、検出腕１２３、１３３は、ｚ軸方向において、駆動腕１１とは逆位相で振動する。

検出腕１２３、１３３がｚ軸方向に湾曲すると、検出腕１２３、１３３のｚ軸方向の一方側部分は、ｙ軸方向において伸長され、ひいては、ｘ軸方向において収縮され、他方側部分は、ｙ軸方向において収縮され、ひいては、ｘ軸方向において伸長される。検出腕１３のｚ軸方向の一方側部分では分極軸の向きと同じ向きの電圧が発生し、他方側部分ではそれと逆向きの電圧が発生する。この電圧が第一検出電極１２７ａ、１３７ａ及び第二検出電極１２７ｂ、１３７ｂに出力される。検出腕１２３、１３３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。

また、検出腕１２３、１３３には複数の第二溝部Ｍ２が形成されており、検出電極１２７、１３７は、検出腕１２３、１３３のｘ軸方向の正側及び負側の面だけでなく、その第二溝部Ｍ２の内壁面にも設けられている。従って、検出電極１２７、１３７は、検出腕１２３、１３３のｘ軸方向の外側面だけに設けられている場合に比較して、全体としての面積が大きくなっている。その結果、検出腕１２３、１３３において生じる電荷を効率的に電気信号として取り出すことができる。

また、第一駆動腕１２２ａ、１３２ａ及び第二駆動腕１２２ｂ、１３２ｂは、励振方向（ｘ軸方向）において同一側へ共に変形するように互いに同一の位相で励振される。例えば、第一駆動腕１２１ａ、１３１ａの第一励振用電極１２６ａ、１３６ａと第二駆動腕１２２ｂ、１３２ｂの第二励振用電極１２６ｂ、１３６ｂとは接続され、第一駆動腕１２２ａ、１３２ａの第二励振用電極１２６ｂ、１３６ｂと第二駆動腕１２２ｂ、１３２ｂの第二励振用電極１２６ｂ、１３６ｂとは接続され、これらの第一励振用電極１２６ａ、１３６ａと、第二励振用電極１２６ｂ、１３６ｂとの間に交流電圧が印加される。

同様に、第三駆動腕１２２ｃ、１３２ｃ及び第四駆動腕１２２ｄ、１３２ｄは、励振方向において同一側へ共に変形するように互いに同一の位相で励振される。この励振も、上記と同様に、二本の駆動腕１２２、１３２間において、第一励振用電極１２６ａ、１３６ａ同士が接続され、第二励振用電極１２６ｂ、１３６ｂ同士が接続されることなどにより実現されても構わない。

第一駆動腕１２２ａ、１３２ａ及び第二駆動腕１２２ｂ、１３２ｂのグループと、第三駆動腕１２２ｃ、１３２ｃ及び第四駆動腕１２２ｄ、１３２ｄのグループとは、励振方向において互いに逆側へ変形するように互いに逆の位相（１８０°ずれた位相）で励振される。例えば、第一駆動腕１２２ａ、１３２ａ及び第二駆動腕１２２ｂ、１３２ｂの第一励振用電極１２６ａ、１３６ａと、第三駆動腕１２２ｃ、１３２ｃ及び第四駆動腕１２２ｄ、１３２ｄの第二励振用電極１２６ｂ、１３６ｂとが接続され（第一電極群）、第一駆動腕１２２ａ、１３２ａ及び第二駆動腕１２２ｂ、１３２ｂの第二励振用電極１２６ｂ、１３６ｂと、第三駆動腕１２２ｃ、１３２ｃ及び第四駆動腕１２２ｄ、１３２ｄの第一励振用電極１２６ａ、１３６ａとが接続され（第二電極群）、第一電極群と第二電極群との間に交流電圧が印加される。なお、第一駆動腕１２２ａ、１３２ａ及び第二駆動腕１２２ｂ、１３２ｂのグループと、第三駆動腕１２２ｃ、１３２ｃ及び第四駆動腕１２２ｄ、１３２ｄのグループとは、ｘ軸方向において逆位相で振動していることから、圧電素板１２１全体としては、これらグループのｘ軸方向の力は互いに打ち消し合うことになる。

第一駆動腕１２２ａ、１３２ａ及び第二駆動腕１２２ｂ、１３２ｂは、中心線ＣＬ０に対して、その半径方向（ｘ軸方向）の同一側に配置されている。また、両駆動腕１２２、１３２は、その半径方向（励振方向、ｘ軸方向）において共に外側又は内側へ湾曲するように励振される。従って、両駆動腕１２２、１３２においてコリオリの力の向きは互いに同一である。その結果、両駆動腕１２２、１３２はｚ軸方向において同一側へ共に湾曲するように振動する。同様に、第三駆動腕１２２ｃ、１３２ｃ及び第四駆動腕１２２ｄ、１３２ｄは、コリオリの力によって、ｚ軸方向において同一側へ共に湾曲するように振動する。

第一駆動腕１２２ａ、１３２ａ及び第二駆動腕１２２ｂ、１３２ｂのグループと、第３駆動腕１２２ｃ、１３２ｃ及び第四駆動腕１２２ｄ、１３２ｄのグループとは、中心線ＣＬ０に対して、その半径方向（ｘ軸方向）において互いに逆側に配置されており、ひいては、回転によるｚ軸方向の移動の向きは互いに逆である。また、一方のグループが半径方向において外側（又は内側）へ湾曲するとき、他方のグループも半径方向において外側（又は内側）へ湾曲するように、両グループは励振される。従って、両グループにおいてコリオリの力の向きは互いに逆となる。その結果、両グループはｚ軸方向において互いに逆側へ湾曲するように振動する。

駆動腕１２２、１３２及び検出腕１２３、１３３は、基部１２８、１３８によって連結されている。従って、駆動腕１２２、１３２の振動は、基部１２８、１３８を介して検出腕１２３、１３３に伝達され、検出腕１２３、１３３も振動する。具体的には、第一検出腕１２３ａ、１３３ａは、ｚ軸方向において第一駆動腕１２２ａ、１３２ａ及び第二駆動腕１２２ｂ、１３２ｂとは逆側へ湾曲するように振動する。また、第二検出腕１２３ｂ、１３３ｂは、ｚ軸方向において第三駆動腕１２２ｃ、１３２ｃ及び第四駆動腕１２２ｄ、１３２ｄとは逆側へ湾曲するように振動する。

第一検出腕１２３ａ、１３３ａ及び第二検出腕１２３ｂ、１３３ｃは、ｚ軸方向において互いに逆側に湾曲するように振動する。従って、両者は、ｚ軸方向の一方側部分（又は他方側部分）において生じる電圧がｘ軸方向において互いに逆向きである。従って、例えば、第一検出腕１２３ａ、１２３ｂの第一検出電極１２７ａ、１３７ａと第二検出腕１２３ｂ、１３３ｂの第二検出電極１２７ｂ、１３７ｂとが接続され、第１検出腕１２３ａ、１３３ａの第２検出電極１２７ｂ、１３７ｂと第２検出腕１２３ｂ、１３３ｂの第１検出電極１２７ａ、１３７ａとが接続されることにより、両検出腕１２３、１３３において生じた電気信号は加算される。

集積回路素子１５０は、圧電センサ素子１２０の励振用電極１２６、１３６を発振回路で自励振動させ、検出電極１２７、１３７から出力した信号を増幅し、角速度信号として出力させるためのものである。集積回路素子１５０は、発振回路、増幅回路及び検出回路によって構成されている。また、圧電センサ素子１２０、１３０の励振用電極１２６、１３６は、発振回路と接続されており、検出電極１２７、１３７は、検出回路と接続されている。

このような圧電センサデバイスでは、圧電センサ素子１２０の励振用電極１２６、１３６を発振回路で自励振動させている際に、圧電センサ素子１２０の長手方向に角速度が加えられることで振動方向に垂直な方向に発生するコリオリ力を、圧電センサ素子１２０、１３０で検出し、検出電極１２７、１３７から互いに逆極性の信号として出力し、検出回路に入力する。

検出回路は、差動増幅回路、同期検波回路、加算器及び平滑回路によって構成されている。検出電極１２７、１３７から出力された信号が、差動増幅回路に入力される。差動増幅回路にて増幅された出力は、同期検波回路に入力され、同期検波が行われる。このとき、同期検波回路には、同期検波を行うために、加算器からの出力が同期信号として供給される。そして、同期検波回路からの出力が、平滑回路を介して、圧電センサ素子１２０、１３０に生じたコリオリ力を検出することにより得られた直流信号である角速度信号として出力される。

以上のように、角速度センサでは、圧電センサ素子１２０、１３０を振動させるとともに、圧電センサ素子１２０、１３０に生じるコリオリ力を検出し、この圧電センサ素子１２０、１３０によって検出されたコリオリ力に基づいて角速度を検出することができる。このような集積回路素子１５０は、図２に示すように、基板１１０ａの下面に設けられた接続パッド１１４と接続端子１５１とを半田等の導電性接合材１７０を介して実装されている。また、四つの接続パッド１１４は、接続パターン１１７を介して、測定パッド１１５と電気的に接続されている。残りの接続パッド１１４は、配線パターン１１６及びビア導体（図示せず）を介して、外部端子１１３と電気的に接続されている。

導電性接着剤１６０は、シリコーン樹脂等のバインダーの中に導電フィラーとして導電性粉末が含有されているものであり、導電性粉末としては、アルミニウム、モリブデン、タングステン、白金、パラジウム、銀、チタン、ニッケル又はニッケル鉄のうちのいずれか、或いはこれらの組み合わせを含むものが用いられている。また、バインダーとしては、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂又はビスマレイミド樹脂が用いられる。

導電性接合材１７０は、例えば、銀ペースト又は鉛フリー半田により構成されている。また、導電性接合材には、塗布し易い粘度に調整するための添加した溶剤が含有されている。鉛フリー半田の成分比率は、錫が９５〜９７．５％、銀が２〜４％、銅が０．５〜１．０％のものが使用されている。

蓋体１４０は、例えば、鉄、ニッケル又はコバルトの少なくともいずれかを含む合金からなる。このような蓋体１４０は、真空状態にある第一凹部Ｋ１又は窒素ガスなどが充填された第一凹部Ｋ１を気密的に封止するためのものである。具体的には、蓋体１４０は、所定雰囲気で、パッケージ１１０の第一枠体１１０ｂ上に載置され、第一枠体１１０ｂの封止用導体パターン１１８と蓋体１４０の封止部材１４１とが溶接されるように所定電流を印加してシーム溶接を行うことにより、第一枠体１１０ｂに接合される。また、蓋体１４０は、封止用導体パターン１１８及びビア導体（図示せず）を介して基板１１０ａの下面の外部端子１１３の内の一つに電気的と接続されている。

封止部材１４１は、パッケージ１１０の枠体１１０ｂ上面に設けられた封止用導体パターン１１８に相対する蓋体１４０の箇所に設けられている。封止部材１４１は、例えば、銀ロウ又は金錫によって設けられている。銀ロウの場合は、その厚みは、１０〜２０μｍである。例えば、成分比率は、銀が７２〜８５％、銅が１５〜２８％のものが使用されている。金錫の場合は、その厚みは、１０〜４０μｍである。例えば、成分比率が、金が７８〜８２％、錫が１８〜２２％のものが使用されている。

本発明の実施形態における圧電センサデバイスは、矩形状の基板１１０ａと、基板１１０ａの上面に設けられた第一枠体１１０ｂと、基板１１０ａの下面に設けられた第二枠体１１０ｃと、第一枠体１１０ｂ内で基板１１０ａの上面に設けられた電極パッド１１１と、第二枠体内で基板の下面に設けられた接続パッド１１４と、基部１２８と、基部１２８から所定の延在方向の一方側へ延び、延在方向に交差する並び方向に並べられた複数の駆動腕１２２と、基部１２８から延在方向の他方側へ延び、並び方向に並べられた複数の検出腕１２３と、複数の駆動腕１２２に電圧を印加して複数の駆動腕１２２を並び方向に励振する励振用電極１２６と、を有し、電極パッド１１１に実装された圧電センサ素子１２０と、接続パッド１１５に実装された集積回路素子１５０と、第一枠体１１０ｂの上面に接合された蓋体１４０と、を備えているので、圧電センサ素子１２０と集積回路素子１５０が別々の空間に収容されているため、圧電センサ素子１２０に導電性接着剤１６０から発生したガスが付着されること抑え、圧電センサ素子１２０の屈曲振動が阻害されることを低減することができる。また、このような圧電センサデバイスでは、圧電センサ素子１２０の屈曲振動が阻害されることを低減することができるので、安定して角速度が検出することが可能となる。

また、本実施形態における圧電センサデバイスは、圧電センサ素子１２０、１３０は、複数実装されていることにより、一軸だけでなく、二軸でも対応可能となる。また、圧電センサ素子１２０、１３０の複数の駆動腕１２２、１３２が、四本以上の偶数本で、且つ、延在方向に延びる所定の対称軸に対して線対称に配置されており、複数の検出腕１２３、１３３が、二本以上の偶数本で、且つ、対称軸に対して線対称に配置されており、励振用電極１２６、１３６が、線対称の一方側の複数の駆動腕１２２、１３２が並び方向において互いに同一側へ共に変形するようにこれら駆動腕１２２、１３２を互いに同一の位相で励振し、線対称の他方側の複数の駆動腕１２２、１３２が並び方向において互いに同一側へ共に変形するようにこれら駆動腕１２２、１３２を互いに同一の位相で励振し、線対称の一方側の複数の駆動腕１２２、１３２と、線対称の他方側の複数の駆動腕１２２、１３２とが、並び方向において互いに逆側に変形するように、線対称の一方側の複数の駆動腕１２２、１３２と線対称の他方側の複数の駆動腕１２２、１３２とに互いに逆の位相で励振する。

このようにすることにより、例えば、圧電センサデバイスの起動時間が短くなる。この起動時間が短くなる理由としては、例えば、以下の事項が考えられる。駆動腕１２２、１３２の本数が比較的多くされ、ひいては、駆動腕１２２、１３２同士が比較的近くに配置されることから、複数の駆動腕１２２、１３２は振動に関して相互影響が比較的大きい（独立に振動し難い）。その結果、唸りが早期に収束する。また、並列に電圧印加がなされる駆動腕１２２、１３２の本数が比較的多くされることから、全体としての抵抗値（共振インピーダンス、Ｒ１、ＣＩ）が低下する。起動時間は抵抗値に依存するから、抵抗値の低下によって起動時間が短くなる。また、複数の駆動腕１２２、１３２は、線対称に配置され、線対称の一方側と他方側とで互いに逆方向に湾曲するように振動されるから、基部１２８、１３８の中央が振動の節となる。換言すれば、比較的多く設けられた駆動腕１２２、１３２に対して振動の節が共通化される。その結果、複数の駆動腕１２２、１３２が独立に振動することが抑制され、振動が早期に安定する。

また、本実施形態における圧電センサデバイスは、圧電センサ素子１２０、１３０と電気的に接続され、第二枠体１１０ｃ内で基板１１０ａの下面に設けられた測定パッド１１５を備えている。このようにすることにより、電子機器等の実装基板上に本実施形態の圧電センサデバイスを実装した際に、実装基板上の配線と、測定パッド１１５との間で浮遊容量が発生することを抑えることができる。よって、圧電センサ素子１２０、１３０に、浮遊容量が付加された状態とならないため、安定して発振周波数を出力することができる。

尚、本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。上記実施形態では、第一枠体１１０ｂが基板１１０ａと同様にセラミック材で一体的に形成した場合を説明したが、第一枠体１１０ｂが金属製であっても構わない。この場合、枠体は、銀−銅等のロウ材を介して基板の導体膜に接合されている。

１１０・・・パッケージ
１１０ａ・・・基板
１１０ｂ・・・第一枠体
１１０ｃ・・・第二枠体
１１１・・・電極パッド
１１３・・・外部端子
１１４・・・接続パッド
１１５・・・測定パッド
１１６・・・配線パターン
１１７・・・接続パターン
１１８・・・封止用導体パターン
１２０、１３０・・・圧電センサ素子
１２１、１３１・・・圧電素板
１２２、１３２・・・駆動腕
１２３、１３３・・・検出腕
１２４、１３４・・・実装腕
１２５、１３５・・・引出電極
１２６、１３６・・・励振用電極
１２７、１３７・・・検出電極
１２８、１３８・・・基部
１２９、１３９・・・配線
１４０・・・蓋体
１４１・・・封止部材
１５０・・・集積回路素子
１６０・・・導電性接着剤
１７０・・・導電性接合材
Ｋ１・・・第一凹部
Ｋ２・・・第二凹部

Claims (4)

1. 長方形状の基板と、
   前記基板の上面に設けられた第一枠体と、
   前記基板の下面に設けられた第二枠体と、
   前記第一枠体内で前記基板の上面に設けられた電極パッドと、
   前記第二枠体内で前記基板の下面に設けられた接続パッドと、
   基部と、前記基部から所定の延在方向の一方側へ延び、前記延在方向に交差する並び方向に並べられた複数の駆動腕と、前記基部から前記延在方向の他方側へ延び、前記並び方向に並べられた複数の検出腕と、前記複数の駆動腕に電圧を印加して前記複数の駆動腕を前記並び方向に励振する励振用電極と、を有し、前記電極パッドに実装された圧電センサ素子と、
   前記接続パッドに実装された集積回路素子と、
   前記第一枠体の上面に接合された蓋体と、
   前記圧電センサ素子と電気的に接続され、前記第二枠体内で前記基板の下面に設けられた測定パッドと、を備えており、
   複数の前記圧電センサ素子が前記基板の長手方向に並んでおり、
   複数の前記測定パッドが前記基板の長手方向に並んでおり、
   前記複数の圧電センサ素子のうちの１つの前記圧電センサ素子が実装される２つの前記電極パッドと、前記複数の測定パッドのうち２つの前記測定パッドとが接続されており、かつ前記２つの電極パッドの並び方向と前記２つの測定パッドの並び方向とは交差していることを特徴とする圧電センサデバイス。
2. 請求項１記載の圧電センサデバイスであって、
   前記複数の駆動腕が、四本以上の偶数本で、且つ、前記延在方向に延びる所定の対称軸に対して線対称に配置されており、
   前記複数の検出腕が、二本以上の偶数本で、且つ、前記対称軸に対して線対称に配置されており、
   前記励振用電極が、線対称の一方側の複数の駆動腕が前記並び方向において互いに同一側へ共に変形するようにこれら駆動腕を互いに同一の位相で励振し、線対称の他方側の複数の駆動腕が前記並び方向において互いに同一側へ共に変形するようにこれら駆動腕を互いに同一の位相で励振し、線対称の前記一方側の複数の駆動腕と、線対称の前記他方側の複数の駆動腕とが、前記並び方向において互いに逆側に変形するように、線対称の前記一方側の複数の駆動腕と線対称の前記他方側の複数の駆動腕とを互いに逆の位相で励振することを特徴とする圧電センサデバイス。
3. 請求項１又は２記載の圧電センサデバイスであって、
   前記測定パッドが前記集積回路素子と重なる位置に設けられていることを特徴とする圧電センサデバイス。
4. 請求項２に記載の圧電デバイスであって、
   前記複数の検出腕それぞれの幅が前記複数の駆動腕のそれぞれの幅よりも大きいことを特徴とする圧電センサデバイス。

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