WO2015075899A1 - 角速度センサ素子および角速度センサ - Google Patents

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WO2015075899A1
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angular velocity
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drive
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PCT/JP2014/005656
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小林 康展
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パナソニックIpマネジメント株式会社
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    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5705Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis
    • GPHYSICS
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    • G01C19/5705Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis
    • G01C19/5712Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using masses driven in reciprocating rotary motion about an axis the devices involving a micromechanical structure

Definitions

  • the present invention relates to an angular velocity sensor element and an angular velocity sensor.
  • FIG. 10 is a perspective view of a conventional angular velocity sensor element.
  • the angular velocity sensor element includes a fixed portion 1, four extending portions 2, and four vibrating bodies 3.
  • the shape of the fixed portion 1 is a square frame shape with a hollow inside.
  • Each extending portion 2 extends from the four apexes of the frame shape of the fixed portion 1 toward the approximate center of the fixed portion 1.
  • Each extending portion 2 intersects at the center of the fixed portion 1.
  • Each of the four vibrating bodies 3 is provided outward from the intersection of the extending portions 2.
  • a piezoelectric film is disposed on the vibrating body 3.
  • Patent Document 1 is known as prior literature information that approximates this prior art.
  • the angular velocity sensor element has a fixed portion, one end connected to the fixed portion, an extended portion extending in the direction of the first axis, and a second portion connected to the extended portion and orthogonal to the first axis.
  • a first driving vibration body extending in the direction of the axis, connected to the first driving vibration body, connected to the first detection vibration body extending in the direction of the first axis, and the first detection vibration body;
  • a second detection vibrating body extending in the direction of the second axis.
  • the first vibration driver is flexed and driven in the direction of the third axis orthogonal to the first axis and the second axis, and the angular velocity around the first axis is detected by the first detection vibrator.
  • the angular velocity around the second axis is detected by the second detection vibrating body.
  • the angular velocity sensor includes an angular velocity sensor element, a drive circuit, and a processing circuit.
  • the angular velocity sensor element has a fixed portion, one end connected to the fixed portion, an extended portion extending in the direction of the first axis, and a second portion connected to the extended portion and orthogonal to the first axis.
  • a first driving vibration body extending in the direction of the axis, connected to the first driving vibration body, connected to the first detection vibration body extending in the direction of the first axis, and the first detection vibration body;
  • a second detection vibrating body extending in the direction of the second axis.
  • the angular velocity sensor element is driven to bend and vibrate in the direction of the third axis orthogonal to the first axis and the second axis, and detects the angular velocity around the first axis with the first detection vibrating body, The angular velocity around the second axis is detected by the second detection vibrator.
  • the drive circuit outputs a drive signal for driving the angular velocity sensor element.
  • the processing circuit processes an output signal from the angular velocity sensor element.
  • the angular velocity sensor element and the angular velocity sensor of the present invention can be easily adjusted for driving.
  • FIG. 1 is a block diagram of an angular velocity sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view of the angular velocity sensor according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a top view of the angular velocity sensor element according to the embodiment of the present invention.
  • 4 is a cross-sectional view of the angular velocity sensor element shown in FIG. 3 taken along line IV-IV.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line VV of the angular velocity sensor element shown in FIG.
  • FIG. 6A is a manufacturing process diagram of an angular velocity sensor element according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 6B is a manufacturing process diagram of an angular velocity sensor element according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A is a manufacturing process diagram of an angular velocity sensor element according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 6B is a manufacturing process diagram of an angular velocity sensor element according to one embodiment of the present invention
  • FIG. 6C is a manufacturing process diagram of an angular velocity sensor element according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 6D is a manufacturing process diagram of an angular velocity sensor element according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 6E is a manufacturing process diagram of an angular velocity sensor element according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a state in which the angular velocity sensor element according to the embodiment of the present invention operates.
  • FIG. 8 is a diagram showing a state in which the angular velocity sensor element operates.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a state in which the angular velocity sensor element operates.
  • FIG. 10 is a perspective view showing a state in which a conventional angular velocity sensor element is torsionally driven in a torsional direction.
  • FIG. 11 is a perspective view showing a state in which a conventional angular velocity sensor element detects an angular velocity around the X axis.
  • FIG. 12 is a perspective view showing a state in which a conventional angular velocity sensor element detects an angular velocity around the Y axis.
  • the angular velocity sensor of this embodiment is used for various electronic devices such as vehicle control, car navigation, a digital still camera, and a portable information terminal.
  • FIG. 1 is a simple block diagram of an angular velocity sensor 200 of the present embodiment.
  • the angular velocity sensor 200 includes at least an angular velocity sensor element 10, a drive circuit 91, and a processing circuit 92.
  • the drive circuit 91 outputs a drive signal for driving the angular velocity sensor element 10.
  • the processing circuit 92 processes an output signal from the angular velocity sensor element 10.
  • the drive circuit 91 and the processing circuit 92 may be integrated in an integrated circuit (Integrated Circuit: IC90).
  • the angular velocity sensor element 10, the drive circuit 91, and the processing circuit 92 may be accommodated in the case 70.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view specifically showing the configuration of the angular velocity sensor 200 of the present embodiment.
  • the angular velocity sensor 200 further includes a placement member 80 and an acceleration sensor element 100.
  • the case 70 has a housing portion 71 and an upper lid 78.
  • the accommodating part 71 has a cavity inside, and one surface is an opening.
  • the upper lid 78 seals the opening of the accommodating portion 71.
  • the inner bottom surface, the inner side surface, and the outer bottom surface of the accommodating portion 71 have a layer structure of ceramic and a wiring conductor.
  • the bottom surface of the accommodating portion 71 is a multilayer circuit board 72.
  • the multilayer circuit board 72 has a wiring pattern.
  • a stepped portion 74 is provided on the inner side surface of the side wall 73 of the accommodating portion 71.
  • a terminal electrode 75 is formed on the stepped portion 74.
  • a power supply electrode 76, a ground electrode (hereinafter referred to as a GND electrode 77), and an output electrode are formed on the outer bottom surface of the housing portion 71.
  • the power supply electrode 76, the GND electrode 77, and the output electrode are electrically connected to the terminal electrode 75 through wiring patterns, respectively.
  • the power supply electrode 76, the GND electrode 77, and the output electrode are not necessarily provided on the outer bottom surface of the case 70, and may be provided on the other outer surface of the housing portion 71 and the outer surface of the upper lid 78.
  • a metal frame 79 is provided on the upper surface of the side wall 73 in the accommodating portion 71.
  • the material of the accommodating portion 71 is ceramic.
  • the material of the metal frame 79 is Kovar.
  • the material of the terminal electrode 75 is gold.
  • the material of the power supply electrode 76, the GND electrode 77, and the output electrode is silver.
  • the material of the upper lid 78 is Kovar. These materials are examples and can be changed as appropriate. If it is not necessary to seal the case 70, the upper lid 78 may be omitted.
  • the mounting member 80 is a member that houses the angular velocity sensor element 10.
  • the mounting member 80 supports a first fixing portion 21 and a second fixing portion 28 of the angular velocity sensor element 10 described later.
  • the mounting member 80 has eight terminals 81. These terminals 81 support the mounting member 80 from the periphery. Further, these terminals 81 are electrically connected to the electrode pads of the angular velocity sensor element 10 through wire wires. These terminals 81 are electrically connected to the terminal electrodes 75 of the case 70.
  • the material of the mounting member 80 is resin.
  • the material of the wire is a conductive material, such as aluminum.
  • the acceleration sensor element 100 is disposed on the inner bottom surface of the housing portion 71 of the case 70.
  • the acceleration sensor element 100 is electrically connected to the terminal electrode 75 of the case 70 by a wire line.
  • the material of the wire is a conductive material, such as aluminum.
  • the IC 90 is juxtaposed with the acceleration sensor element 100 on the inner bottom surface of the housing portion 71 of the case 70.
  • the processing circuit 92 integrated in the IC 90 processes the output signal from the acceleration sensor element 100 in addition to the output signal from the angular velocity sensor element 10.
  • FIG. 3 is a top view of the angular velocity sensor element 10.
  • the vertical direction is the X-axis direction
  • the horizontal direction is the Y-axis direction.
  • the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 3, that is, the thickness direction of the angular velocity sensor element 10 is defined as the Z-axis direction.
  • the X axis, Y axis, and Z axis are perpendicular to each other and perpendicular to each other.
  • the angular velocity sensor element 10 detects angular velocities around the X axis and around the Y axis.
  • the angular velocity sensor element 10 includes a first fixed portion 21, a second fixed portion 28, an extending portion 25, a first drive vibration body 31, a second drive vibration body 34, and a first detection.
  • a vibrating body 38, a second detecting vibrating body 40, a third detecting vibrating body 43, a fourth detecting vibrating body 45, a fifth detecting vibrating body 53, a sixth detecting vibrating body 55, A seventh detection vibrating body 48 and an eighth detection vibrating body 50 are provided.
  • the angular velocity sensor element 10 includes a first weight part 42, a second weight part 47, a third weight part 57, and a fourth weight part 52.
  • the first fixed portion 21 is disposed at the end of the angular velocity sensor element 10 in the X-axis direction.
  • the first fixing portion 21 fixes one end of the extending portion 25 in the X-axis direction.
  • the second fixed portion 28 is an end portion in the X-axis direction of the angular velocity sensor element 10 and is disposed at an end portion opposite to the end portion where the first fixed portion 21 is disposed.
  • the second fixing portion 28 is one end of the extending portion 25 in the X-axis direction, and fixes the end opposite to the one end fixed to the first fixing portion 21.
  • the shape of the extending portion 25 is a plate shape extending in the X-axis direction with the X-axis direction as the longitudinal direction.
  • the extending portion 25 has a pair of narrow portions 26 on the first fixed portion 21 side and the second fixed portion 28 side than the center portion.
  • the narrow portion 26 is narrower in the Y-axis direction than the end portion of the extending portion 25 connected to the first fixed portion 21 and the second fixed portion 28.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV of the angular velocity sensor element 10 shown in FIG. As shown in FIG. 4, a hole 27 penetrating in the Z-axis direction is provided in the central portion of the extending portion 25.
  • the shape of the first drive vibrator 31 is a plate shape whose longitudinal direction is the Y-axis direction. One end of the first drive vibrating body 31 in the Y-axis direction is connected to the central portion of the extending portion 25. The first drive vibrator 31 extends in the Y-axis direction. One first drive electrode 32 and one monitor electrode 33 are provided on the surface of the first drive vibrator 31. The width in the Y-axis direction of the first drive electrode 32 and the monitor electrode 33 is wider than the width in the X-axis direction and the Z-axis direction.
  • the shape of the second drive vibrator 34 is a plate shape whose longitudinal direction is the direction of the Y axis. One end of the second drive vibrating body 34 in the Y-axis direction is connected to the central portion of the extending portion 25.
  • the second drive vibrating body 34 extends from the extending portion 25 in the direction of the Y axis and in the opposite direction to the first drive vibrating body 31.
  • the second drive vibrating body 34 is provided at a position symmetrical to the first drive vibrating body 31 with respect to the extending portion 25. That is, the first drive vibrator 31 and the second drive vibrator 34 are in a line-symmetric relationship with respect to a straight line passing through the center of the angular velocity sensor element 10 and parallel to the X axis.
  • One second drive electrode 35 is provided on the surface of the second drive vibrator 34.
  • the width of the second drive electrode 35 in the Y-axis direction is wider than the width in the X-axis direction and the Z-axis direction.
  • the material of the second drive vibrator 34 is silicon.
  • the shape of the first detection vibrating body 38 is a plate shape whose longitudinal direction is the X-axis direction. One end of the first detection vibrating body 38 in the X-axis direction is connected to one end of the first drive vibrating body 31 in the Y-axis direction and opposite to one end connected to the extending portion 25. Has been.
  • the first detection vibrating body 38 extends in the X-axis direction from the first driving vibration body 31 toward the first fixed portion 21 side.
  • a pair of first detection electrodes 39 a and 39 b are provided on the surface of the first detection vibrating body 38.
  • the pair of first detection electrodes 39a and 39b are arranged in the Y-axis direction. One first detection electrode 39a is arranged outside, and the other first detection electrode 39b is arranged inside the first detection electrode 39a.
  • the shape of the second detection vibrating body 40 is a plate shape whose longitudinal direction is the Y-axis direction.
  • One end of the second detection vibrating body 40 in the Y-axis direction is one end of the first detection vibrating body 38 in the X-axis direction and is opposite to the one end connected to the first drive vibration body 31. Connected to the department.
  • the second detection vibrating body 40 extends in the Y-axis direction from the first detection vibrating body 38 toward the extending portion 25 side.
  • a pair of second detection electrodes 41 a and 41 b are provided on the surface of the second detection vibrating body 40.
  • the pair of second detection electrodes 41a and 41b are arranged in the X-axis direction.
  • One second detection electrode 41a is arranged outside, and the other second detection electrode 41b is arranged inside the second detection electrode 41a.
  • the shape of the third detection vibrating body 43 is a plate shape whose longitudinal direction is the X-axis direction. One end of the third detection vibrating body 43 in the X-axis direction is connected to one end of the second drive vibrating body 34 in the Y-axis direction, which is opposite to one end connected to the extending portion 25. Has been.
  • the third detection vibration body 43 extends in the X-axis direction from the second drive vibration body 34 toward the first fixed portion 21 side.
  • the third detection vibrating body 43 is provided at a position symmetrical to the first detection vibrating body 38 with respect to the extending portion 25.
  • the third detection vibrating body 43 is in a line-symmetric relationship with the first detection vibrating body 38 with respect to a straight line passing through the center of the angular velocity sensor element 10 and parallel to the X axis.
  • a pair of third detection electrodes 44 a and 44 b are provided on the surface of the third detection vibrating body 43.
  • the pair of third detection electrodes 44a and 44b are arranged in the Y-axis direction.
  • One third detection electrode 44a is arranged outside, and the other third detection electrode 44b is arranged inside the third detection electrode 44a.
  • the shape of the fourth detection vibrating body 45 is a plate shape extending in the Y-axis direction.
  • One end of the fourth detection vibrating body 45 in the Y-axis direction is one end of the third detection vibrating body 43 in the X-axis direction and is the opposite end to the one connected to the second drive vibrating body 34. Connected to the department.
  • the fourth detection vibrating body 45 extends in the Y-axis direction from the third detection vibrating body 43 toward the extending portion 25 side.
  • the fourth detection vibrating body 45 is provided at a position symmetrical to the second detection vibrating body 40 with respect to the extending portion 25.
  • the fourth detection vibrating body 45 is in a line-symmetric relationship with the second detection vibrating body 40 with respect to a straight line passing through the center of the angular velocity sensor element 10 and parallel to the X axis.
  • a pair of fourth detection electrodes 46 a and 46 b are provided on the surface of the fourth detection vibrating body 45.
  • the pair of fourth detection electrodes 46a and 46b are arranged in the X-axis direction.
  • One fourth detection electrode 46a is disposed on the outer side, and the other fourth detection electrode 46b is disposed on the inner side than the fourth detection electrode 46a.
  • the shape of the fifth detection vibrating body 53 is a plate shape whose longitudinal direction is the X-axis direction.
  • One end of the fifth detection vibrating body 53 in the X-axis direction is one end in the Y-axis direction of the first drive vibrating body 31 and is connected to the end opposite to the one end connected to the extending portion 25.
  • the fifth detection vibration body 53 extends from the first drive vibration body 31 in the direction of the X axis and in the opposite direction to the first detection vibration body 38.
  • the fifth detection vibration body 53 is provided at a position symmetrical to the first detection vibration body 38 with respect to the first drive vibration body 31.
  • the fifth detection vibrating body 53 is in a line-symmetric relationship with the first detection vibrating body 38 with respect to a straight line passing through the center of the angular velocity sensor element 10 and parallel to the Y axis.
  • a pair of fifth detection electrodes 54 a and 54 b are provided on the surface of the fifth detection vibrating body 53.
  • the pair of fifth detection electrodes 54a and 54b are arranged in the Y-axis direction.
  • One fifth detection electrode 54a is arranged outside, and the other fifth detection electrode 54b is arranged inside the fifth detection electrode 54a.
  • the shape of the sixth detection vibrating body 55 is a plate shape whose longitudinal direction is the Y-axis direction. One end in the Y-axis direction of the sixth detection vibrating body 55 is one end in the X-axis direction of the fifth detection vibrating body 53 and is the end opposite to the one end connected to the first drive vibrating body 31. Connected to the department.
  • the sixth detection vibrating body 55 extends in the Y-axis direction from the fifth detection vibrating body 53 toward the extending portion 25 side.
  • the sixth detection vibration body 55 is disposed at a position symmetrical to the second detection vibration body 40 with respect to the first drive vibration body 31.
  • the sixth detection vibrating body 55 is in a line-symmetric relationship with the second detection vibrating body 40 with respect to a straight line passing through the center of the angular velocity sensor element 10 and parallel to the Y axis.
  • a pair of sixth detection electrodes 56 a and 56 b is provided on the surface of the sixth detection vibrating body 55.
  • the pair of sixth detection electrodes 56a and 56b are arranged in the X-axis direction.
  • One sixth detection electrode 56a is disposed on the outer side, and the other sixth detection electrode 56b is disposed on the inner side with respect to the sixth detection electrode 56a.
  • the shape of the seventh detection vibrating body 48 is a plate shape whose longitudinal direction is the X-axis direction. One end of the seventh detection vibrating body 48 in the X-axis direction is connected to one end of the second drive vibrating body 34 in the Y-axis direction and opposite to the one end connected to the extending portion 25. Has been.
  • the seventh detection vibration body 48 extends from the second drive vibration body 34 in the direction of the X axis and in the direction opposite to the third detection vibration body 43.
  • the seventh detection vibration body 48 is provided at a position symmetrical to the third detection vibration body 43 with respect to the second drive vibration body 34.
  • the seventh detection vibrating body 48 is in a line-symmetric relationship with the third detection vibrating body 43 with respect to a straight line passing through the center of the angular velocity sensor element 10 and parallel to the Y axis.
  • the seventh detection vibrating body 48 is provided at a position symmetrical to the fifth detection vibrating body 53 with respect to the extending portion 25. That is, the seventh detection vibrating body 48 is in a line-symmetric relationship with the fifth detection vibrating body 53 with respect to a straight line passing through the center of the angular velocity sensor element 10 and parallel to the X axis.
  • a pair of seventh detection electrodes 49 a and 49 b are provided on the surface of the seventh detection vibrating body 48.
  • the pair of seventh detection electrodes 49a and 49b are arranged in the Y-axis direction.
  • One seventh detection electrode 49a is arranged outside, and the other seventh detection electrode 49b is arranged inside the seventh detection electrode 49a.
  • the shape of the eighth detection vibrator 50 is a plate shape whose longitudinal direction is the Y-axis direction.
  • One end of the eighth detection vibrating body 50 in the Y-axis direction is one end of the seventh detection vibrating body 48 in the X-axis direction and is opposite to the one end connected to the second drive vibrating body 34. Connected to the department.
  • the eighth detection vibrator 50 extends in the Y-axis direction from the seventh detection vibrator 48 toward the extending portion 25 side.
  • the eighth detection vibrator 50 is provided at a position symmetrical to the fourth detection vibrator 45 with respect to the second drive vibrator 34.
  • the eighth detection vibrating body 50 is in a line-symmetric relationship with the fourth detection vibrating body 45 with respect to a straight line passing through the center of the angular velocity sensor element 10 and parallel to the Y axis.
  • the eighth detection vibrating body 50 is provided at a position symmetrical to the sixth detection vibrating body 55 with respect to the extending portion 25. That is, the eighth detection vibrating body 50 is in a line-symmetric relationship with the sixth detection vibrating body 55 with respect to a straight line passing through the center of the angular velocity sensor element 10 and parallel to the X axis.
  • a pair of eighth detection electrodes 51 a and 51 b is provided on the surface of the eighth detection vibrating body 50.
  • the pair of eighth detection electrodes 51a and 51b are arranged in the X-axis direction.
  • One eighth detection electrode 51a is arranged outside, and the other eighth detection electrode 51b is arranged inside the eighth detection electrode 51a.
  • the shapes of the first weight part 42, the second weight part 47, the third weight part 57, and the fourth weight part 52 are each rectangular.
  • the corner portion of the first weight portion 42 is connected to one end of the second detection vibrating body 40 and the end opposite to the one end connected to the first detection vibrating body 38.
  • the first weight portion 42 is disposed in a space surrounded by three sides of all four sides by the first drive vibrator 31, the first detection vibrator 38, and the second detection vibrator 40. Has been.
  • the corner portion of the second weight portion 47 is connected to one end of the fourth detection vibrating body 45 and the end opposite to the one end connected to the third detection vibrating body 43.
  • the second weight portion 47 is arranged in a space surrounded by three sides of all four sides by the second drive vibrator 34, the third detection vibrator 43, and the fourth detection vibrator 45. Has been.
  • the corner portion of the third weight portion 57 is connected to one end of the sixth detection vibrating body 55 and the end opposite to the one end connected to the fifth detection vibrating body 53.
  • the third weight portion 57 is arranged in a space surrounded by three sides of all four sides by the first drive vibrator 31, the fifth detection vibrator 53, and the sixth detection vibrator 55. Has been.
  • the corner portion of the fourth weight portion 52 is connected to one end of the eighth detection vibrating body 50 and the end opposite to the one end connected to the seventh detection vibrating body 48.
  • the fourth weight portion 52 is arranged in a space surrounded by three sides of all four sides by the second drive vibrator 34, the seventh detection vibrator 48, and the eighth detection vibrator 50. Has been.
  • the material of 55, 48, 50 and the first to fourth weight portions 42, 47, 57, 52 is silicon.
  • each electrode of the angular velocity sensor element 10 will be described.
  • FIG. 5 shows a cross section of the second drive vibrator 34 shown in FIG. 3 as seen from the VV direction.
  • a common ground electrode 36 and a piezoelectric layer 37 are provided between the second drive electrode 35 and the second drive vibrating body 34.
  • the common ground electrode 36 is disposed on the second drive vibrating body 34.
  • the material of the common ground electrode 36 is an alloy of platinum and titanium.
  • the piezoelectric layer 37 is disposed on the common ground electrode 36.
  • the material of the piezoelectric layer 37 is lead zirconate titanate.
  • the electrical connection relationship between the electrode pads (the first detection electrode pad 22a, the second detection electrode pad 23a, and the monitor electrode pad 24) provided in the first fixing portion 21 and each electrode will be described.
  • the first detection electrode pad 22a is electrically connected to the first detection electrode 39a and the fifth detection electrode 54a through a wiring pattern that passes through the first drive vibrator 31.
  • the first detection electrode pad 22a is electrically connected to the third detection electrode 44a and the seventh detection electrode 49a via a wiring pattern that passes through the second drive vibrating body 34.
  • the second detection electrode pad 23a is electrically connected to the second detection electrode 41a and the sixth detection electrode 56b through a wiring pattern passing through the first drive vibrator 31.
  • the second detection electrode pad 23a is electrically connected to the fourth detection electrode 46b and the eighth detection electrode 51a via a wiring pattern that passes through the second drive vibrating body 34.
  • the monitor electrode pad 24 is electrically connected to the monitor electrode 33 through a wiring pattern.
  • the electrode pads (first drive electrode pad 29a, second drive electrode pad 29b, third detection electrode pad 22b, fourth detection electrode pad 23b) arranged on the second fixing portion 28 and each The electrical connection relationship with the electrode will be described.
  • the first drive electrode pad 29a is electrically connected to the first drive electrode 32 through a wiring pattern.
  • the second drive electrode pad 29b is electrically connected to the second drive electrode 35 through a wiring pattern.
  • the third detection electrode pad 22b is electrically connected to the first detection electrode 39b and the fifth detection electrode 54b through a wiring pattern passing through the first drive vibrator 31.
  • the third detection electrode pad 22b is electrically connected to the third detection electrode 44b and the seventh detection electrode 49b through a wiring pattern that passes through the second drive vibrating body 34.
  • the fourth detection electrode pad 23b is electrically connected to the second detection electrode 41b and the sixth detection electrode 56a via a wiring pattern passing through the first drive vibrator 31.
  • the fourth detection electrode pad 23b is electrically connected to the fourth detection electrode 46a and the eighth detection electrode 51b through a wiring pattern that passes through the second drive vibrating body 34.
  • 6A to 6F are manufacturing process diagrams of the angular velocity sensor element 10.
  • a wafer 69 made of silicon is prepared. On the surface of the wafer 69, a common ground electrode 36, a piezoelectric layer 37, a first drive electrode pad 29a, a second drive electrode pad 29b, a first detection electrode pad 22a, and a second Detection electrode pad 23a, third detection electrode pad 22b, fourth detection electrode pad 23b, monitor electrode pad 24, first drive electrode 32, second drive electrode 35, and first drive electrode 35 Detection electrodes 39a and 39b, second detection electrodes 41a and 41b, third detection electrodes 44a and 44b, fourth detection electrodes 46a and 46b, fifth detection electrodes 54a and 54b, and sixth detection electrodes
  • the detection electrodes 56a and 56b, the seventh detection electrodes 49a and 49b, the eighth detection electrodes 51a and 51b, the monitor electrode 33, and a wiring pattern are formed in advance.
  • a resist film 64 is formed on the surface of the wafer 69 by using a spin coat method.
  • the material of the resist film 64 is, for example, aluminum, titanium, silicon oxide, silicon nitride, or the like.
  • the resist film 64 is patterned into a predetermined shape by photolithography.
  • the wafer 69 is set in a dry etching apparatus. Then, a fluorine-based gas such as sulfur hexafluoride (SF 6 ) or carbon tetrafluoride (CF 4 ) is introduced. Then, as shown in FIG. 6C, the portion other than the portion where the resist film 64 of the wafer 69 is provided is etched, and a groove 65 is formed.
  • SF 6 sulfur hexafluoride
  • CF 4 carbon tetrafluoride
  • a film 66 provided with an adhesive layer is pasted on the surface of the resist film 64.
  • the thickness of the film 66 is 50 to 200 microns.
  • the film 66 has a function of protecting the surface of the wafer 69 during the back grinding process of FIG.
  • the film 69 provided on the wafer 69 is fixed to the chuck table by turning the wafer 69 upside down. Then, the back grind wheel 67 is rotated to grind the back surface of the wafer 69.
  • UV is irradiated to reduce the adhesive strength of the film 66, and the film 66 is peeled off from the surface of the resist film 64. Then, the resist film 64 is removed, and the individual angular velocity sensor elements 10 are taken out from the wafer 69.
  • the angular velocity sensor element 10 can be manufactured.
  • the multilayer circuit board 72 is prepared.
  • a side wall 73 and a stepped portion 74 are formed on the outer periphery of the upper surface of the multilayer circuit board 72.
  • a terminal electrode 75 is formed on the upper surface of the stepped portion 74.
  • a metal frame 79 is fixed to the upper surface of the side wall 73.
  • the power supply electrode 76, the GND electrode 77, and the output electrode are formed on the lower surface of the multilayer circuit board 72.
  • the IC 90 is mounted on the upper surface of the multilayer circuit board 72.
  • the IC 90 and the multilayer circuit board 72 are electrically connected.
  • the acceleration sensor element 100 is mounted on the upper surface of the multilayer circuit board 72 so as to be juxtaposed with the IC 90. And the acceleration sensor element 100 and the terminal electrode 75 in case 70 are electrically connected by wire bonding via a wire line.
  • terminals 81 are insert-molded on the mounting member 80. Then, the lower surfaces of the first fixed portion 21 and the second fixed portion 28 of the angular velocity sensor element 10 are fixed to the mounting member 80. Thereafter, the terminal 81 of the mounting member 80, the first and second drive electrode pads 29a, 29b, the first detection electrode pad 22a, and the second in the first fixing portion 21 and the second fixing portion 28, The detection electrode pad 23a, the third detection electrode pad 22b, the fourth detection electrode pad 23b, and the monitor electrode pad 24 are electrically connected to each other by wire bonding via wire lines.
  • the eight terminals 81 are soldered to the terminal electrodes 75 in the case 70. Then, the terminal 81 is embedded in the case 70.
  • the upper lid 78 is fixed to the opening of the accommodating portion 71 of the case 70 in a nitrogen atmosphere by seam welding.
  • the angular velocity sensor 200 is assembled.
  • the IC 90 to which the power supply voltage is input from the power supply electrode 76 outputs a drive signal that is an AC voltage from the drive circuit 91.
  • This drive signal is applied to the first drive electrode pad 29a and the second drive electrode pad 29b via the terminal electrode 75 and the terminal 81.
  • the direction of the applied AC voltage is the same as the direction of polarization of the first drive electrode 32 and the second drive electrode 35
  • tensile stress is applied to the first drive electrode 32 and the second drive electrode 35.
  • compressive stress is generated in the first drive electrode 32 and the second drive electrode 35. .
  • an AC voltage having an opposite phase is applied to the first drive electrode pad 29a and the second drive electrode pad 29b.
  • compressive stress is generated in one of the first drive electrode 32 and the second drive electrode 35, and tensile stress is generated in the other.
  • the first drive vibrating body 31 and the second drive vibrating body 34 bend and vibrate at a speed V in directions opposite to the Z-axis direction.
  • the bending drive vibration of the first drive vibrator 31 is transmitted to the first weight portion 42 via the first detection vibrator 38 and the second detection vibrator 40, and the fifth detection vibrator 53 and It is transmitted to the third weight part 57 via the sixth detection vibrator 55.
  • the flexural vibration of the second drive vibration body 34 is transmitted to the second weight 47 via the third detection vibration body 43 and the fourth detection vibration body 45, and the seventh detection vibration body 48 and the It is transmitted to the fourth weight 52 through the eight detection vibrators 50.
  • the first to fourth weight portions 42, 47, 57, 52 are driven to vibrate at a speed V in the direction of the Z-axis as shown in FIG.
  • the first to fourth weight portions 42, 47, 57, and 52 vibrate in the Y-axis direction due to the Coriolis force.
  • compressive stress acts on the first detection electrode 39a, the third detection electrode 44a, the fifth detection electrode 54a, and the seventh detection electrode 49a that are arranged on the outer sides.
  • tensile stress acts on the first detection electrode 39b, the third detection electrode 44b, the fifth detection electrode 54b, and the seventh detection electrode 49b, which are disposed on the inner side.
  • the angular velocity sensor element 10 warps so that the left and right sides protrude inward.
  • tensile stress acts on the first detection electrode 39a, the third detection electrode 44a, the fifth detection electrode 54a, and the seventh detection electrode 49a.
  • compressive stress acts on the first detection electrode 39b, the third detection electrode 44b, the fifth detection electrode 54b, and the seventh detection electrode 49b.
  • the angular velocity sensor element 10 warps so that the left and right sides protrude outward.
  • the first detection vibration body 38, the third detection vibration body 43, the fifth detection vibration body 53, and the seventh detection vibration body 48 are in the Y-axis direction by such tensile stress and compression stress.
  • the electric charge generated by the vibration is added to and input to the first detection electrode pad 22a and the third detection electrode pad 22b.
  • the charges generated in the first detection electrode pad 22a and the third detection electrode pad 22b are output to the terminal electrode 75 as an output signal. Then, it is processed by the processing circuit 92 and output from the output electrode provided in the case 70 to the outside. By detecting the signal output to the outside, the angular velocity around the X axis can be detected.
  • the first to fourth weight portions 42, 47, 57, 52 vibrate in the X-axis direction due to the Coriolis force.
  • compressive stress acts on the second detection electrode 41a, the fourth detection electrode 46b, the sixth detection electrode 56b, and the eighth detection electrode 51a.
  • tensile stress acts on the second detection electrode 41b, the fourth detection electrode 46a, the sixth detection electrode 56a, and the eighth detection electrode 51b.
  • the fourth detection vibration body 45 and the eighth detection vibration body 50 vibrate upward on the paper surface, and the second detection vibration body 40 and the sixth detection vibration body 40
  • the detection vibrator 55 vibrates downward.
  • tensile stress acts on the second detection electrode 41a, the fourth detection electrode 46b, the sixth detection electrode 56b, and the eighth detection electrode 51a.
  • compressive stress acts on the second detection electrode 41b, the fourth detection electrode 46a, the sixth detection electrode 56a, and the eighth detection electrode 51b.
  • the fourth detection vibration body 45 and the eighth detection vibration body 50 vibrate downward, and the second detection vibration body 40 and the sixth detection vibration body 55 vibrate upward.
  • the second detection vibration body 40, the fourth detection vibration body 45, the sixth detection vibration body 55, and the eighth detection vibration body 50 vibrate in the X-axis direction, Charges generated by vibration are added to the second detection electrode pad 23a and the fourth detection electrode pad 23b and input.
  • the charges generated in the second detection electrode pad 23a and the fourth detection electrode pad 23b are output to the terminal electrode 75 as an output signal. Then, it is processed by the processing circuit 92 and output from the output electrode provided in the case 70 to the outside. By detecting the signal output to the outside, the angular velocity around the Y axis can be detected.
  • the angular velocity sensor element 10 causes the first drive vibration body 31 to bend and vibrate in the Z-axis direction, that is, the thickness direction of the angular velocity sensor element 10. Therefore, the vibration is stabilized as compared with the case where the first drive vibrator 31 is torsionally vibrated. That is, since the cross section of the extension portion 25 is square, when the extension portion 25 is torsionally vibrated as in the conventional example of FIG. 10, the vibration is less likely to be stable than when the cylindrical object is torsionally vibrated. Become. On the other hand, in this embodiment, since the extension part 25 should just be vibrated in the thickness direction, a vibration is easy to be stabilized. In addition, when the first drive vibrator 31 is vibrated in the thickness direction, the vibration speed can be easily adjusted as compared with the case where the first drive vibrator 31 is torsionally vibrated. As a result, adjustment of driving becomes easy.
  • the second drive vibrating body 34 is also driven to bend and vibrate in the Z-axis direction, similarly to the first drive vibrating body 31. Therefore, the vibration is stabilized as compared with the case where the second drive vibrating body 34 is torsionally vibrated. Also, the vibration speed can be easily adjusted. As a result, adjustment of driving becomes easy.
  • the narrow portion 26 is provided in the extending portion 25, the cross-sectional secondary pole moment of the extending portion 25 is reduced. Therefore, the extension part 25 is easily twisted, and the displacement of the first drive vibrator 31 and the second drive vibrator 34 can be increased. As a result, the detection sensitivity of the angular velocity sensor 200 can be improved. If the detection sensitivity is sufficient, the narrow portion 26 may not be provided.
  • the number of narrow portions 26 is not limited to two, and may be one or more.
  • the position of the narrow portion 26 is not limited to the central portion of the extending portion 25, and a position where it is desired to be easily twisted may be selected as appropriate.
  • the extending portion 25 of this embodiment has a double-supported beam structure in which both ends are fixed to the first fixing portion 21 and the second fixing portion 28, respectively. Therefore, the extension part 25 is stably torsionally vibrated. Further, even when the displacement is increased by providing the narrow portion 26, the torsional vibration can be stably performed. As a result, the voltage applied to the first drive vibrator 31 and the second drive vibrator 34 can be increased, and the displacement amount of the first drive vibrator 31 and the second drive vibrator 34 can be further increased. As a result, the output signal detection sensitivity can be improved. In addition, when there is no 2nd fixing
  • the extension part 25 since the hole 27 is provided in the extension part 25, the extension part 25 becomes a structure divided
  • the third detection vibrating body 43 is provided at a position symmetrical to the first detection vibrating body 38 with respect to the extending portion 25, and the second detecting vibration body 38 is A fourth detection vibrating body 45 is provided at a position symmetrical to the detection vibrating body 40.
  • vibration propagating from the second detection vibrating body 40 to the first fixed portion 21 and the second fixed portion 28 via the first drive vibrating body 31 and the extending portion 25 is The directions are opposite to the vibrations from the four detection vibrating bodies 45 and cancel each other. Therefore, resonance of the mounting member 80 to which the first fixing portion 21 and the second fixing portion 28 are attached can be suppressed. As a result, the accuracy of the output signal of the angular velocity sensor element 10 is improved. Note that the angular velocity sensor element 10 is operable even when the third detection vibrating body 43 and the fourth detection vibrating body 45 are not provided.
  • the seventh detection vibrating body 48 is provided at a position symmetrical to the fifth detection vibrating body 53 with respect to the extending portion 25, and the An eighth detection vibrator 50 is provided at a position symmetrical to the six detection vibrators 55.
  • the vibration propagated from the fifth detection vibrating body 53 to the first fixed portion 21 and the second fixed portion 28 is transmitted from the seventh detection vibrating body 48 to the first fixed portion 21 and the second fixed portion.
  • the vibrations propagating from the sixth detection vibrating body 55 to the first fixed portion 21 and the second fixed portion 28 are in the opposite direction to the vibration from the eighth detection vibrating body 50 and cancel each other. Therefore, resonance of the mounting member 80 to which the first fixing portion 21 and the second fixing portion 28 are attached can be suppressed. As a result, the accuracy of the output signal of the angular velocity sensor element 10 is improved.
  • the fifth detection vibrating body 53 is provided at a position symmetrical to the first detection vibrating body 38 with respect to the first drive vibrating body 31, and A sixth detection vibrator 55 is provided at a position symmetrical to the second detection vibrator 40.
  • a seventh detection vibration body 48 is provided at a position symmetrical to the third detection vibration body 43 with respect to the second drive vibration body 34, and a fourth detection vibration is applied to the second drive vibration body 34.
  • An eighth detection vibrating body 50 is provided at a position symmetrical to the body 45.
  • the Coriolis force can be generated efficiently by providing the first to fourth weight portions 42, 47, 57, 52.
  • the first to fourth weight portions 42, 47, 57, 52 are not essential, and when the Coriolis force may be small, these first to fourth weight portions 42, 47, 57, 52 may not be provided.
  • the first weight portion 42 is disposed in a space surrounded on three sides by the first drive vibrator 31, the first detection vibrator 38, and the second detection vibrator 40. is doing. Thereby, space can be used effectively and the angular velocity sensor element 10 can be reduced in size.
  • the second to fourth weight portions 47, 57, and 52 are arranged as in the present embodiment, so that the space can be effectively used and the angular velocity sensor element 10 can be downsized.
  • first to fourth weight portions 42, 47, 57, 52 by making the first to fourth weight portions 42, 47, 57, 52 into a rectangular shape, it becomes a shape suitable for an empty space, and the space can be used effectively.
  • shape of the first to fourth weight portions 42, 47, 57, 52 is not limited to a rectangular shape.
  • the Coriolis force can be generated efficiently by connecting the first weight portion 42 to the end portion of the second detection vibrating body 40.
  • the Coriolis force may not be arranged at this position.
  • it may be connected to the central portion of the second detection vibrating body 40 or the first detection vibrating body 38.
  • the Coriolis force can be efficiently generated by arranging the second to fourth weight portions 47, 57, and 52 at the positions shown in the present embodiment, but the present invention is not limited to this arrangement position.
  • the angular velocity sensor element 10 of the present embodiment detects angular velocities around two axes, the X axis and the Y axis, but in combination with a structure that detects angular velocities around the Z axis, The angular velocity around may be detected.
  • the angular velocity sensor element 10 of the present embodiment drives the first and second driving vibrators 31 and 34 using the inverse piezoelectric effect
  • the driving method may be other than the piezoelectric method.
  • electrostatic force may be used.
  • a counter electrode facing each of the first drive electrode 32 and the second drive electrode 35 is provided, and static electricity between the first drive electrode 32 and the counter electrode and between the second drive electrode 35 and the counter electrode is provided.
  • the first drive vibrator 31 and the second drive vibrator 34 may be driven to vibrate by force.
  • the angular velocity sensor element 10 of the present embodiment detects vibration using the piezoelectric effect
  • the detection method may be other than the piezoelectric method.
  • the X axis, the Y axis, and the Z axis are names for convenience, and the names are interchangeable if they are perpendicular to each other.
  • the X-axis, Y-axis, and Z-axis are merely names, and the names can be replaced with any of the first axis, the second axis, and the third axis, respectively.
  • upper surface “lower surface”, and “side surface” are names for convenience when viewed from relative directions, and the names may be changed depending on the position of the angular velocity sensor element or the angular velocity sensor. .
  • the angular velocity sensor element according to the present invention can be easily adjusted in driving, and is useful as an angular velocity sensor element used in, for example, an angular velocity sensor used in various electronic devices.

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Abstract

角速度センサ素子は、固定部(21、28)と、固定部(21、28)に接続された一端を有し、第一の軸の方向に延びる延出部(25)と、延出部(25)と接続され、第一の軸と直交する第二の軸の方向に延びる第一の駆動振動体(31)と、第一の駆動振動体(31)に接続され、第一の軸の方向に延びる第一の検出振動体(38)と、第一の検出振動体(38)に接続され、第二の軸の方向に延びる第二の検出振動体(40)と、を備えている。角速度センサ素子(10)は、第一の軸と第二の軸とに直交する第三の軸の方向に第一の振動駆動体(31)を撓み振動駆動させ、第一の検出振動体(38)で第一の軸の周りの角速度を検出し、第二の検出振動体(40)で第二の軸の周りの角速度を検出する。

Description

角速度センサ素子および角速度センサ
 本発明は、角速度センサ素子および角速度センサに関するものである。
 図10は従来の角速度センサ素子の斜視図である。
 角速度センサ素子は、固定部1と、四つの延出部2と、四つの振動体3と、を備えている。固定部1の形状は、内部が空洞の、四角い枠形状である。それぞれの延出部2は、固定部1の枠形状の四つの頂点から固定部1の略中央に向って延びている。それぞれの延出部2は、固定部1の中央で交わる。四つの振動体3は、それぞれ、延出部2の交点から外方へ向って設けられている。振動体3には、圧電膜が配置されている。
 次に、従来の角速度センサ素子の動作を説明する。
 駆動回路から角速度センサ素子へ駆動信号を与えられると、図10に示すように、四つの振動体3が捩じり振動駆動する。このとき、Z軸に直交するX軸またはY軸の周りに角速度が加わると、それぞれの軸に垂直な平面内で、駆動振動方向に対して垂直方向にコリオリ力が働く。例えば、X軸の周りに角速度が加わった際には、図11に示すように、図中のY軸の方向にコリオリ力が働く。一方、Y軸の周りに角速度が加わった際には、図12に示すように、図中のX軸の方向にコリオリ力が働く。そして、振動体3にこのコリオリ力が働くと、圧電効果により振動体3に電荷が発生する。この電荷を電気信号として検出回路で検出すれば、角速度信号を得られる。
 この従来技術に近似する先行文献情報として、特許文献1が知られている。
特開2009-74996号公報
 角速度センサ素子は、固定部と、固定部に接続された一端を有し、第一の軸の方向に延びる延出部と、延出部と接続され、第一の軸と直交する第二の軸の方向に延びる第一の駆動振動体と、第一の駆動振動体に接続され、第一の軸の方向に延びる第一の検出振動体と、第一の検出振動体に接続され、第二の軸の方向に延びる第二の検出振動体と、を備えている。第一の軸と第二の軸とに直交する第三の軸の方向に第一の振動駆動体を撓み振動駆動させ、第一の検出振動体で第一の軸の周りの角速度を検出し、第二の検出振動体で第二の軸の周りの角速度を検出する。
 角速度センサは、角速度センサ素子と、駆動回路と、処理回路と、を備えている。角速度センサ素子は、固定部と、固定部に接続された一端を有し、第一の軸の方向に延びる延出部と、延出部と接続され、第一の軸に直交する第二の軸の方向に延びる第一の駆動振動体と、第一の駆動振動体に接続され、第一の軸の方向に延びる第一の検出振動体と、第一の検出振動体に接続され、第二の軸の方向に延びる第二の検出振動体と、を有する。角速度センサ素子は、第一の軸と第二の軸とに直交する第三の軸の方向に撓み振動駆動させ、第一の検出振動体で第一の軸の周りの角速度を検出し、第二の検出振動体で第二の軸の周りの角速度を検出する。駆動回路は、角速度センサ素子を駆動させる駆動信号を出力する。処理回路は、角速度センサ素子からの出力信号を処理する。
 本発明の角速度センサ素子および角速度センサは、駆動の調整が容易である。
図1は、本発明の一実施形態における角速度センサのブロック図である。 図2は、本発明の一実施形態における角速度センサの分解斜視図である。 図3は、本発明の一実施形態における角速度センサ素子の上面図である。 図4は、図3に示す角速度センサ素子の線IV-IVにおける断面図である。 図5は、図3に示す角速度センサ素子の線V-Vにおける断面図である。 図6Aは、本発明の一実施形態における角速度センサ素子の製造工程図である。 図6Bは、本発明の一実施形態における角速度センサ素子の製造工程図である。 図6Cは、本発明の一実施形態における角速度センサ素子の製造工程図である。 図6Dは、本発明の一実施形態における角速度センサ素子の製造工程図である。 図6Eは、本発明の一実施形態における角速度センサ素子の製造工程図である。 図7は、本発明の一実施形態における角速度センサ素子が動作する状態を示す図である。 図8は、同角速度センサ素子が動作する状態を示す図である。 図9は、同角速度センサ素子が動作する状態を示す図である。 図10は、従来の角速度センサ素子が捩じり方向に捩じり振動駆動する状態を示す斜視図である。 図11は、従来の角速度センサ素子がX軸の周りの角速度を検知する状態を示す斜視図である。 図12は、従来の角速度センサ素子がY軸の周りの角速度を検知する状態を示す斜視図である。
 以下に本発明の実施形態について、適宜図面を用いて説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の一例であり、本発明の範囲を限定するものではない。
 (1.実施形態)
 (1-1.角速度センサの構成)
 本実施形態の角速度センサは、車両制御やカーナビゲーション、デジタルスチルカメラ、携帯情報端末等の各種電子機器に用いられる。
 図1は、本実施形態の角速度センサ200の簡易なブロック図である。図1に示すように、角速度センサ200は、少なくとも、角速度センサ素子10と、駆動回路91と、処理回路92と、を備えている。駆動回路91は、角速度センサ素子10を駆動させる駆動信号を出力する。処理回路92は、角速度センサ素子10からの出力信号を処理する。駆動回路91と、処理回路92と、は、集積回路(Integrated Circuit:IC90)に集積されていてもよい。角速度センサ素子10と、駆動回路91と、処理回路92とは、ケース70に収容されていてもよい。
 図2は、本実施形態の角速度センサ200の構成を具体的に示す分解斜視図である。角速度センサ200は、角速度センサ素子10と、IC90と、ケース70と、に加えて、さらに載置部材80と、加速度センサ素子100と、を備えている。
 以下、それぞれの部材について、説明する。
 ケース70は、収容部71と、上蓋78と、を有する。収容部71は、内部に空洞を有し、一面が開口部となっている。上蓋78は、収容部71の開口部を封じる。収容部71の内底面と、内側面と、外底面と、は、セラミックと配線用導体の層構造からなる。収容部71の底面は、多層回路基板72である。多層回路基板72は、配線パターンを有する。また、収容部71の側壁73の内側面には、段差部74を有する。段差部74上には、端子電極75が形成されている。収容部71の外底面には、電源電極76、グランド電極(以下、GND電極77という)および出力電極が形成されている。電源電極76、GND電極77および出力電極は、それぞれ配線パターンにより端子電極75と電気的に接続されている。なお、電源電極76、GND電極77および出力電極は、必ずしもケース70の外底面に設ける必要はなく、収容部71のその他の外表面や上蓋78の外表面に設けられていてもよい。収容部71における側壁73の上面には、金属枠79が設けられている。収容部71の材料は、セラミックである。金属枠79の材料は、コバールである。端子電極75の材料は、金である。電源電極76と、GND電極77と、出力電極と、の材料は、銀である。上蓋78の材料は、コバールである。これらの材料は一例であり、適宜変更可能である。またケース70を密封する必要が無ければ、上蓋78は無くてもよい。
 載置部材80は、角速度センサ素子10を収容する部材である。載置部材80は、後述する角速度センサ素子10の第一の固定部21および第二の固定部28を支持する。また載置部材80は、八つの端子81を有する。これらの端子81は、載置部材80を周囲から支持する。またこれらの端子81は、角速度センサ素子10の電極パッドと、ワイヤー線を介して電気的に接続されている。そしてこれらの端子81は、ケース70の端子電極75と電気的に接続されている。載置部材80の材料は、樹脂である。ワイヤー線の材料は、導電性材料であり、例えばアルミニウムである。
 加速度センサ素子100は、ケース70の収容部71の内底面に配置されている。加速度センサ素子100は、ケース70の端子電極75とワイヤー線により電気的に接続されている。ワイヤー線の材料は、導電性材料であり、例えばアルミニウムである。
 IC90は、ケース70の収容部71の内底面に、加速度センサ素子100と並設されている。IC90に集積された処理回路92は、角速度センサ素子10からの出力信号以外にも、加速度センサ素子100からの出力信号も処理する。
 (1-2.角速度センサ素子の構成)
 以下、本実施形態の角速度センサ素子10の構成について説明する。
 図3は角速度センサ素子10の上面図である。図3の紙面上において、上下方向をX軸の方向とし、左右方向をY軸の方向とする。また図3の紙面に対し垂直な方向、すなわち角速度センサ素子10の厚み方向をZ軸の方向とする。X軸、Y軸、Z軸は、互いに直交して垂直な関係にある。この角速度センサ素子10は、X軸の周りと、Y軸の周りの角速度を検出する。
 角速度センサ素子10は、第一の固定部21と、第二の固定部28と、延出部25と、第一の駆動振動体31と、第二の駆動振動体34と、第一の検出振動体38と、第二の検出振動体40と、第三の検出振動体43と、第四の検出振動体45と、第五の検出振動体53と、第六の検出振動体55と、第七の検出振動体48と、第八の検出振動体50と、を備えている。
 また角速度センサ素子10は、第一の重り部42と、第二の重り部47と、第三の重り部57と、第四の重り部52と、を備えている。
 第一の固定部21は、角速度センサ素子10のX軸の方向の端部に配置されている。第一の固定部21は、延出部25のX軸の方向の一端を固定する。第一の固定部21の表面には、1つの第一の検出電極パッド22aと、第二の検出電極パッド23aと、モニター電極パッド24と、が設けられている。
 第二の固定部28は、角速度センサ素子10のX軸の方向の端部であって、第一の固定部21が配置された端部と反対側の端部に配置されている。第二の固定部28は、延出部25のX軸の方向の一端であって、第一の固定部21に固定された一端と反対側の端部を固定する。第二の固定部28の表面には、一つの第一の駆動電極パッド29aと、第二の駆動電極パッド29bと、第三の検出電極パッド22bと、第四の検出電極パッド23bと、が設けられている。
 延出部25の形状は、X軸の方向を長手方向とし、X軸の方向に延びる板状である。延出部25は、中央部分よりも第一の固定部21側および第二の固定部28側に、一対の幅狭部26を有する。幅狭部26は、第一の固定部21および第二の固定部28と接続される延出部25の端部よりも、Y軸の方向の幅が狭い。図4は、図3に示す角速度センサ素子10の線IV-IVにおける断面図であり、延出部25の中央部分を示す。図4に示すように、延出部25の中央部分には、Z軸の方向に貫通する孔27が設けられている。
 第一の駆動振動体31の形状は、Y軸の方向を長手方向とする板状である。第一の駆動振動体31のY軸の方向の一端は、延出部25の中央部分に接続されている。第一の駆動振動体31は、Y軸の方向に延びている。第一の駆動振動体31の表面には、第一の駆動電極32と、モニター電極33と、が一つずつ設けられている。第一の駆動電極32とモニター電極33におけるY軸の方向の幅は、X軸の方向とZ軸の方向とにおけるそれぞれの幅よりも広い。
 第二の駆動振動体34の形状は、Y軸の方向を長手方向とする板状である。第二の駆動振動体34は、Y軸の方向の一端が延出部25の中央部分に接続されている。第二の駆動振動体34は、延出部25から、Y軸の方向であって第一の駆動振動体31と逆方向へ延びている。第二の駆動振動体34は、延出部25に対して、第一の駆動振動体31と対称な位置に設けられている。すなわち第一の駆動振動体31と第二の駆動振動体34とは、角速度センサ素子10の中心を通りX軸に平行な直線に対し、線対称の関係にある。第二の駆動振動体34の表面には、第二の駆動電極35が一つ設けられている。第二の駆動電極35のY軸の方向における幅は、X軸の方向とZ軸の方向とにおけるそれぞれの幅よりも広い。第二の駆動振動体34の材料は、シリコンである。
 第一の検出振動体38の形状は、X軸の方向を長手方向とする板状である。第一の検出振動体38のX軸の方向の一端は、第一の駆動振動体31のY軸の方向の一端であって延出部25に接続された一端と反対側の端部に接続されている。第一の検出振動体38は、第一の駆動振動体31から、第一の固定部21側に向かってX軸の方向に延びている。第一の検出振動体38の表面には、一対の第一の検出電極39a、39bが設けられている。一対の第一の検出電極39a、39bは、Y軸の方向に配列されている。一方の第一の検出電極39aは外側に配置され、他方の第一の検出電極39bは第一の検出電極39aよりも内側に配置されている。
 第二の検出振動体40の形状は、Y軸の方向を長手方向とする板状である。第二の検出振動体40のY軸の方向の一端は、第一の検出振動体38のX軸の方向の一端であって第一の駆動振動体31と接続された一端と反対側の端部に接続されている。第二の検出振動体40は、第一の検出振動体38から、延出部25側に向かってY軸の方向に延びている。第二の検出振動体40の表面には、一対の第二の検出電極41a、41bが設けられている。一対の第二の検出電極41a、41bは、X軸の方向に配列されている。一方の第二の検出電極41aは外側に配置され、他方の第二の検出電極41bは第二の検出電極41aよりも内側に配置されている。
 第三の検出振動体43の形状は、X軸の方向を長手方向とする板状である。第三の検出振動体43のX軸の方向の一端は、第二の駆動振動体34のY軸の方向の一端であって延出部25に接続された一端と反対側の端部に接続されている。第三の検出振動体43は、第二の駆動振動体34から第一の固定部21側に向かって、X軸の方向に延びている。第三の検出振動体43は、延出部25に対して第一の検出振動体38と対称な位置に設けられている。すなわち第三の検出振動体43は、角速度センサ素子10の中心を通りX軸に平行な直線に対し、第一の検出振動体38と線対称の関係にある。第三の検出振動体43の表面には、一対の第三の検出電極44a、44bが設けられている。一対の第三の検出電極44a、44bは、Y軸の方向に配列されている。一方の第三の検出電極44aは外側に配置され、他方の第三の検出電極44bは第三の検出電極44aよりも内側に配置されている。
 第四の検出振動体45の形状は、Y軸の方向に延びる板状である。第四の検出振動体45のY軸の方向の一端は、第三の検出振動体43のX軸の方向の一端であって第二の駆動振動体34と接続された一端と反対側の端部に接続されている。第四の検出振動体45は、第三の検出振動体43から延出部25側に向かって、Y軸の方向に延びている。第四の検出振動体45は、延出部25に対して、第二の検出振動体40と対称な位置に設けられている。すなわち第四の検出振動体45は、角速度センサ素子10の中心を通りX軸に平行な直線に対し、第二の検出振動体40と線対称の関係にある。第四の検出振動体45の面には、一対の第四の検出電極46a、46bが設けられている。一対の第四の検出電極46a、46bは、X軸の方向に配列されている。一方の第四の検出電極46aは外側に配置され、他方の第四の検出電極46bは第四の検出電極46aよりも内側に配置されている。
 第五の検出振動体53の形状は、X軸の方向を長手方向とする板状である。第五の検出振動体53のX軸の方向の一端は、第一の駆動振動体31のY軸の方向の一端であって延出部25に接続された一端と反対側の端部に接続されている。第五の検出振動体53は、第一の駆動振動体31から、X軸の方向であって第一の検出振動体38と反対方向に延びている。第五の検出振動体53は、第一の駆動振動体31に対して、第一の検出振動体38と対称な位置に設けられている。すなわち第五の検出振動体53は、角速度センサ素子10の中心を通りY軸に平行な直線に対し、第一の検出振動体38と線対称の関係にある。第五の検出振動体53の表面には、一対の第五の検出電極54a、54bが設けられている。一対の第五の検出電極54a、54bは、Y軸の方向に配列されている。一方の第五の検出電極54aは外側に配置され、他方の第五の検出電極54bは第五の検出電極54aよりも内側に配置されている。
 第六の検出振動体55の形状は、Y軸の方向を長手方向とする板状である。第六の検出振動体55のY軸の方向の一端は、第五の検出振動体53のX軸の方向の一端であって第一の駆動振動体31と接続された一端と反対側の端部に接続されている。第六の検出振動体55は、第五の検出振動体53から延出部25側に向かって、Y軸の方向に延びている。第六の検出振動体55は、第一の駆動振動体31に対して、第二の検出振動体40と対称な位置に配置されている。すなわち第六の検出振動体55は、角速度センサ素子10の中心を通りY軸に平行な直線に対し、第二の検出振動体40と線対称の関係にある。第六の検出振動体55の表面には、一対の第六の検出電極56a、56bが設けられている。一対の第六の検出電極56a、56bは、X軸の方向に配列されている。一方の第六の検出電極56aは外側に配置され、他方の第六の検出電極56bは第六の検出電極56aよりも内側に配置されている。
 第七の検出振動体48の形状は、X軸の方向を長手方向とする板状である。第七の検出振動体48のX軸の方向の一端は、第二の駆動振動体34のY軸の方向の一端であって延出部25に接続された一端と反対側の端部に接続されている。第七の検出振動体48は、第二の駆動振動体34から、X軸の方向であって、第三の検出振動体43と反対方向に延びている。第七の検出振動体48は、第二の駆動振動体34に対して第三の検出振動体43と対称な位置に設けられている。すなわち第七の検出振動体48は、角速度センサ素子10の中心を通りY軸に平行な直線に対し、第三の検出振動体43と線対称の関係にある。また第七の検出振動体48は、延出部25に対して、第五の検出振動体53と対称な位置に設けられている。すなわち第七の検出振動体48は、角速度センサ素子10の中心を通りX軸に平行な直線に対し、第五の検出振動体53と線対称の関係にある。第七の検出振動体48の表面には、一対の第七の検出電極49a、49bが設けられている。一対の第七の検出電極49a、49bは、Y軸の方向に配列されている。一方の第七の検出電極49aは外側に配置され、他方の第七の検出電極49bは第七の検出電極49aよりも内側に配置されている。
 第八の検出振動体50の形状は、Y軸の方向を長手方向とする板状である。第八の検出振動体50のY軸の方向の一端は、第七の検出振動体48のX軸の方向の一端であって第二の駆動振動体34と接続された一端と反対側の端部に接続されている。第八の検出振動体50は、第七の検出振動体48から延出部25側に向かって、Y軸の方向に延びている。第八の検出振動体50は、第二の駆動振動体34に対して、第四の検出振動体45と対称な位置に設けられている。すなわち第八の検出振動体50は、角速度センサ素子10の中心を通りY軸に平行な直線に対し、第四の検出振動体45と線対称の関係にある。また第八の検出振動体50は、延出部25に対し、第六の検出振動体55と対称な位置に設けられている。すなわち第八の検出振動体50は、角速度センサ素子10の中心を通りX軸に平行な直線に対し、第六の検出振動体55と線対称の関係にある。第八の検出振動体50の表面には、一対の第八の検出電極51a、51bが設けられている。一対の第八の検出電極51a、51bは、X軸の方向に配列されている。一方の第八の検出電極51aは外側に配置され、他方の第八の検出電極51bは第八の検出電極51aよりも内側に配置されている。
 第一の重り部42、第二の重り部47、第三の重り部57、第四の重り部52、の形状は、それぞれ矩形状である。
 第一の重り部42の角部は、第二の検出振動体40の一端であって第一の検出振動体38と接続された一端と反対側の端部に接続されている。第一の重り部42は、第一の駆動振動体31と、第一の検出振動体38と、第二の検出振動体40と、で全四方のうちの三方を囲われた空間内に配置されている。
 第二の重り部47の角部は、第四の検出振動体45の一端であって第三の検出振動体43と接続された一端と反対側の端部に接続されている。第二の重り部47は、第二の駆動振動体34と、第三の検出振動体43と、第四の検出振動体45と、で全四方のうちの三方を囲われた空間内に配置されている。
 第三の重り部57の角部は、第六の検出振動体55の一端であって第五の検出振動体53と接続された一端と反対側の端部に接続されている。第三の重り部57は、第一の駆動振動体31と、第五の検出振動体53と、第六の検出振動体55と、で全四方のうちの三方を囲われた空間内に配置されている。
 第四の重り部52の角部は、第八の検出振動体50の一端であって第七の検出振動体48と接続された一端と反対側の端部に接続されている。第四の重り部52は、第二の駆動振動体34と、第七の検出振動体48と、第八の検出振動体50と、で全四方のうちの三方を囲われた空間内に配置されている。
 第一、第二の固定部28と、延出部25と、第一、第二の駆動振動体31、34と、第一~第八の検出振動体38、40、43、45、53、55、48、50と、第一~第四の重り部42、47、57、52と、の材料は、シリコンである。
 以下、角速度センサ素子10の各電極の構成について説明する。
 図5に、図3に示す第二の駆動振動体34をV-V方向から見た断面を示す。図5に示すように、第二の駆動電極35と第二の駆動振動体34の間には、共通グランド電極36と、圧電体層37と、が設けられている。共通グランド電極36は、第二の駆動振動体34上に配置されている。共通グランド電極36の材料は、白金とチタンの合金である。また圧電体層37は、共通グランド電極36上に配置されている。圧電体層37の材料は、チタン酸ジルコン酸鉛である。
 第一の駆動電極32と、モニター電極33と、第一の検出電極39a、39bと、第二の検出電極41a、41bと、第三の検出電極44a、44bと、第四の検出電極46a、47bと、第五の検出電極54a、54bと、第六の検出電極56a、56bと、第七の検出電極49a、49bと、第八の検出電極51a、51bと、の下方にも、第二の駆動電極35と同様に、共通グランド電極36と、圧電体層37と、が配置されている。
 以下、第一の固定部21に設けられた電極パッド(第一の検出電極パッド22a、第二の検出電極パッド23a、モニター電極パッド24)と各電極との電気的な接続関係について説明する。
 第一の検出電極パッド22aは、第一の駆動振動体31を通る配線パターンを介して、第一の検出電極39aおよび第五の検出電極54aに電気的に接続されている。また、第一の検出電極パッド22aは、第二の駆動振動体34を通る配線パターンを介して、第三の検出電極44aおよび第七の検出電極49aに電気的に接続されている。
 第二の検出電極パッド23aは、第一の駆動振動体31を通る配線パターンを介して、第二の検出電極41aおよび第六の検出電極56bに電気的に接続されている。また第二の検出電極パッド23aは、第二の駆動振動体34を通る配線パターンを介して、第四の検出電極46bおよび第八の検出電極51aに電気的に接続されている。
 モニター電極パッド24は、配線パターンを介してモニター電極33に電気的に接続されている。
 次に、第二の固定部28に配置された電極パッド(第一の駆動電極パッド29a、第二の駆動電極パッド29b、第三の検出電極パッド22b、第四の検出電極パッド23b)と各電極との電気的な接続関係について説明する。
 第一の駆動電極パッド29aは、配線パターンを介して第一の駆動電極32に電気的に接続されている。
 第二の駆動電極パッド29bは、配線パターンを介して第二の駆動電極35に電気的に接続されている。
 第三の検出電極パッド22bは、第一の駆動振動体31を通る配線パターンを介して、第一の検出電極39bおよび第五の検出電極54bに電気的に接続されている。また、第三の検出電極パッド22bは、第二の駆動振動体34を通る配線パターンを介して、第三の検出電極44bおよび第七の検出電極49bに電気的に接続されている。
 第四の検出電極パッド23bは、第一の駆動振動体31を通る配線パターンを介して、第二の検出電極41bおよび第六の検出電極56aに電気的に接続されている。また第四の検出電極パッド23bは、第二の駆動振動体34を通る配線パターンを介して、第四の検出電極46aおよび第八の検出電極51bに電気的に接続されている。
 (1-3.角速度センサ素子および角速度センサの製造方法)
 以下、本実施形態の角速度センサ素子10と角速度センサ200の製造方法を説明する。
 はじめに、角速度センサ素子10の製造方法について、説明する。図6Aから図6Fは、角速度センサ素子10の製造工程図である。
 まず、図6Aに示すように、シリコンからなるウェハ69を準備する。ウェハ69の表面には、予め、共通グランド電極36と、圧電体層37と、第一の駆動電極パッド29aと、第二の駆動電極パッド29bと、第一の検出電極パッド22aと、第二の検出電極パッド23aと、第三の検出電極パッド22bと、第四の検出電極パッド23bと、モニター電極パッド24と、第一の駆動電極32と、第二の駆動電極35と、第一の検出電極39a、39bと、第二の検出電極41a、41bと、第三の検出電極44a、44bと、第四の検出電極46a、46bと、第五の検出電極54a、54bと、第六の検出電極56a、56bと、第七の検出電極49a、49bと、第八の検出電極51a、51bと、モニター電極33と、配線パターンと、を形成しておく。
 次に、ウェハ69の表面に、スピンコート法を用いて、レジスト膜64を形成する。レジスト膜64の材料は、例えば、アルミニウム、チタン、酸化シリコン、窒化シリコン等である。そしてその後、図6Bに示すように、フォトリソグラフィーにより、レジスト膜64を所定形状にパターンニングする。
 次に、ウェハ69をドライエッチング装置にセットする。そして六フッ化硫黄(SF)あるいは四フッ化炭素(CF)等のフッ素系ガスを導入する。すると、図6Cに示すように、ウェハ69のレジスト膜64を設けた部分以外がエッチングされ、溝65が形成される。
 次に、図6Dに示すように、レジスト膜64の表面に、粘着剤層を設けたフィルム66を貼る。フィルム66の厚みは、50~200ミクロンである。フィルム66は、後述する図6Eのバックグラインド工程の時に、ウェハ69の表面を保護する機能を有する。
 その後、図6Eに示すように、ウェハ69の上下を逆さまにして、ウェハ69に設けたフィルム66をチャックテーブルに固定する。そしてバックグラインドホイール67を回転させて、ウェハ69の裏面を研削する。
 最後に、UVを照射してフィルム66の粘着力を低減させ、レジスト膜64の表面からフィルム66を剥離する。そしてレジスト膜64を除去し、ウェハ69から個片の角速度センサ素子10を取り出す。
 以上で、角速度センサ素子10を製造できる。
 次に、図2の角速度センサ200の製造方法について、説明する。
 まず、多層回路基板72を準備する。
 次に、多層回路基板72の上面の外周に、側壁73および段差部74を形成する。また段差部74の上面に、端子電極75を形成する。さらに側壁73の上面に、金属枠79を固着する。
 そして、多層回路基板72の下面に、電源電極76、GND電極77および出力電極を形成する。
 次に、多層回路基板72の上面に、IC90を実装する。そしてこのIC90と多層回路基板72とを電気的に接続する。
 そして、多層回路基板72の上面に、IC90と並設するように、加速度センサ素子100を実装する。そして加速度センサ素子100と、ケース70における端子電極75と、を、ワイヤー線を介してワイヤーボンディングにより電気的に接続する。
 一方、載置部材80に、八つの端子81をインサート成形する。そして載置部材80に角速度センサ素子10の第一の固定部21および第二の固定部28の下面を固着する。その後、載置部材80の端子81と、第一の固定部21および第二の固定部28における第一、第二の駆動電極パッド29a、29bと、第一の検出電極パッド22aと、第二の検出電極パッド23aと、第三の検出電極パッド22bと、第四の検出電極パッド23bと、モニター電極パッド24と、を、それぞれワイヤー線を介してワイヤーボンディングにより電気的に接続する。
 次に、八つの端子81を、ケース70における端子電極75に半田付する。そして端子81をケース70に埋設する。
 最後に、ケース70の収容部71の開口部に、シーム溶接により窒素雰囲気中で上蓋78を固着する。
 以上で、角速度センサ200が組み立てられる。
 (1-4.角速度センサ素子および角速度センサの動作)
 以下、本実施形態の角速度センサ素子10および角速度センサ200の動作について説明する。
 ケース70における電源電極76へ電源電圧を入力する。電源電極76から電源電圧を入力されたIC90は、駆動回路91から、交流電圧である駆動信号を出力する。この駆動信号は、端子電極75と、端子81と、を介して第一の駆動電極パッド29aおよび第二の駆動電極パッド29bに印加される。印加される交流電圧の方向が第一の駆動電極32および第二の駆動電極35の分極の方向と同じ方向の場合には、第一の駆動電極32および第二の駆動電極35に引張応力が発生する。そして流れる電流の方向が第一の駆動電極32および第二の駆動電極35の分極の方向と反対方向の場合には、第一の駆動電極32および第二の駆動電極35に圧縮応力が発生する。
 ここで、実施形態1では、第一の駆動電極パッド29aおよび第二の駆動電極パッド29bに逆位相の交流電圧を印加している。これにより第一の駆動電極32および第二の駆動電極35の一方に圧縮応力が発生し、他方に引っ張り応力が発生する。そうすると、交流電圧の位相に応じて、第一の駆動振動体31および第二の駆動振動体34が、互いにZ軸の方向の逆方向に速度Vで撓み駆動振動する。
 そして第一の駆動振動体31の撓み駆動振動は、第一の検出振動体38、第二の検出振動体40を介して第一の重り部42に伝わるとともに、第五の検出振動体53および第六の検出振動体55を介して第三の重り部57へ伝わる。また第二の駆動振動体34の撓み振動は、第三の検出振動体43、第四の検出振動体45を介して第二の重り部47に伝わるとともに、第七の検出振動体48、第八の検出振動体50を介して、第四の重り部52へ伝わる。すると、第一~第四の重り部42、47、57、52は、図7に示すように、Z軸の方向に速度Vで駆動振動する。
 ここで、まず、角速度センサ素子10にX軸の周りの角速度が発生する場合を考える。
 この場合、第一~第四の重り部42、47、57、52がコリオリ力により、Y軸の方向に振動する。すると、ある局面では、それぞれ外側に配置された第一の検出電極39aと、第三の検出電極44aと、第五の検出電極54aと、第七の検出電極49aと、に圧縮応力が働く。そしてそれぞれ内側に配置された第一の検出電極39bと、第三の検出電極44bと、第五の検出電極54bと、第七の検出電極49bと、に引張応力が働く。すると、角速度センサ素子10は、図8に示すように、左右が内側へ突出するように反る。そして次の局面では、第一の検出電極39aと、第三の検出電極44aと、第五の検出電極54aと、第七の検出電極49aと、に引張応力が働く。そして第一の検出電極39bと、第三の検出電極44bと、第五の検出電極54bと、第七の検出電極49bと、に圧縮応力が働く。すると、角速度センサ素子10は、左右が外側へ突出するように反る。このような引張応力および圧縮応力により第一の検出振動体38と、第三の検出振動体43と、第五の検出振動体53と、第七の検出振動体48と、がY軸の方向に振動すると、振動により発生する電荷が、第一の検出電極パッド22aおよび第三の検出電極パッド22bに加算されて入力される。第一の検出電極パッド22aおよび第三の検出電極パッド22bに発生する電荷は、出力信号として、端子電極75へ出力される。そして処理回路92で処理されて、ケース70に設けられた出力電極から外部へ出力される。この外部へ出力された信号を検出することで、X軸の周りの角速度を検出できる。
 次に、角速度センサ素子10にY軸の周りの角速度が発生する場合を考える。
 この場合、第一~第四の重り部42、47、57、52がコリオリ力により、X軸の方向に振動する。すると、ある局面では、第二の検出電極41aと、第四の検出電極46bと、第六の検出電極56bと、第八の検出電極51aと、に圧縮応力が働く。そして第二の検出電極41bと、第四の検出電極46aと、第六の検出電極56aと、第八の検出電極51bと、に引張応力が働く。すると、角速度センサ素子10は、図9に示すように、第四の検出振動体45および第八の検出振動体50が紙面上の上方向へ振動し、第二の検出振動体40および第六の検出振動体55が下方向へ振動する。そして、次の局面では、第二の検出電極41aと、第四の検出電極46bと、第六の検出電極56bと、第八の検出電極51aと、に引張応力が働く。そして第二の検出電極41bと、第四の検出電極46aと、第六の検出電極56aと、第八の検出電極51bと、に圧縮応力が働く。すると第四の検出振動体45および第八の検出振動体50が下方へ振動し、第二の検出振動体40および第六の検出振動体55が上方向へ振動する。このように、第二の検出振動体40と、第四の検出振動体45と、第六の検出振動体55と、第八の検出振動体50と、が、X軸の方向に振動すると、振動により発生する電荷が、第二の検出電極パッド23aおよび第四の検出電極パッド23bに加算されて入力される。第二の検出電極パッド23aおよび第四の検出電極パッド23bに発生する電荷は、出力信号として、端子電極75へ出力される。そして処理回路92で処理されて、ケース70に設けられた出力電極から外部へ出力される。この外部へ出力された信号を検出することで、Y軸の周りの角速度を検出できる。
 (1-5.効果等)
 以下、本実施形態の角速度センサ素子10および角速度センサ200の効果と変形例等について説明する。
 角速度センサ素子10は、第一の駆動振動体31を、Z軸の方向、すなわち角速度センサ素子10の厚み方向に撓み振動駆動させている。したがって、第一の駆動振動体31を捻じり振動させる場合と比べて振動が安定する。すなわち延出部25の断面は四角い為、図10の従来例のように延出部25を捻じり振動させようとすると、円柱状の物体を捻じり振動させる場合と比べて振動が安定しにくくなる。これに対し本実施形態では、延出部25を厚み方向に振動させればよいため、振動が安定しやすい。また第一の駆動振動体31を捩じれ振動させる場合と比べて、厚み方向に振動させる場合は、振動速度の調整も容易である。そしてその結果、駆動の調整が容易となる。
 また第二の駆動振動体34も、第一の駆動振動体31と同様に、Z軸の方向に撓み振動駆動させている。したがって、第二の駆動振動体34を捻じり振動させる場合と比べて振動が安定する。また振動速度の調整も容易である。そしてその結果、駆動の調整が容易となる。
 また本実施形態では、延出部25に幅狭部26を設けているため、延出部25の断面二次極モーメントが小さくなる。したがって、延出部25は捩れ易くなり、第一の駆動振動体31および第二の駆動振動体34の変位を大きく出来る。その結果、角速度センサ200の検出感度を向上できる。なお、検出感度が十分な場合は、幅狭部26を設けなくてもよい。また幅狭部26の数は、二つに限らず、一つでも二つ以上であってもよい。また幅狭部26の位置は、延出部25の中央部分に限らず、捩じれ易くしたい位置を適宜選択すればよい。
 また本実施形態の延出部25は、両端を第一の固定部21および第二の固定部28にそれぞれ固定された両持ち梁構造である。したがって、延出部25は、安定に捩れ振動する。また、幅狭部26を設けることで変位が大きくなった場合も、安定して捩じれ振動させることができる。その結果、第一の駆動振動体31および第二の駆動振動体34への印加電圧を増大でき、第一の駆動振動体31および第二の駆動振動体34の変位量をさらに増大できる。そしてその結果、出力信号の検出感度を向上できる。なお、第二の固定部28が無い場合、延出部25は片持ち梁構造となるが、角速度センサ素子10は動作可能である。
 さらに本実施形態では、延出部25に孔27を設けているため、延出部25は複数の梁に分割された構造となる。そしてこれらの梁のそれぞれの断面二次極モーメントを小さくでき、延出部25は捩れやすくなる。また梁の断面は小さくなるが、梁は複数本あるため、延出部25全体の機械的強度を向上できる。したがって、第一の駆動振動体31および第二の駆動振動体34の変位を大きく出来、角速度センサ200の検出感度を向上できる。なお、検出感度が十分な場合は、孔27は必須の構成ではない。
 また本実施形態では、延出部25に対して、第一の検出振動体38と対称な位置に第三の検出振動体43を設けているとともに、延出部25に対して、第二の検出振動体40と対称な位置に第四の検出振動体45を設けている。このような構造では、第一の検出振動体38から、第一の駆動振動体31と、延出部25と、を介して第一の固定部21および第二の固定部28へ伝播する振動が、第三の検出振動体43から、第二の駆動振動体34と、延出部25と、を介して第一の固定部21および第二の固定部28へ伝播する振動と逆方向となり、互いに打ち消し合う。同様に、第二の検出振動体40から、第一の駆動振動体31と、延出部25と、を介して第一の固定部21および第二の固定部28へ伝播する振動は、第四の検出振動体45からの振動と逆方向であり、互いに打ち消し合う。したがって、第一の固定部21及び第二の固定部28が取り付けられる載置部材80の共振を抑制できる。そしてその結果、角速度センサ素子10の出力信号の精度が向上する。なお、第三の検出振動体43および第四の検出振動体45が無い場合も、角速度センサ素子10は動作可能である。
 同様に、本実施形態では、延出部25に対して、第五の検出振動体53と対称な位置に第七の検出振動体48を設けているとともに、延出部25に対して、第六の検出振動体55と対称な位置に第八の検出振動体50を設けている。これにより、第五の検出振動体53から第一の固定部21および第二の固定部28へ伝播する振動は、第七の検出振動体48から第一の固定部21および第二の固定部28へ伝播する振動と逆方向となり、互いに打ち消し合う。そして、第六の検出振動体55から第一の固定部21および第二の固定部28へ伝播する振動は、第八の検出振動体50からの振動と逆方向となり、互いに打ち消し合う。したがって、第一の固定部21及び第二の固定部28が取り付けられる載置部材80の共振を抑制できる。そしてその結果、角速度センサ素子10の出力信号の精度が向上する。
 また本実施形態では、第一の駆動振動体31に対して第一の検出振動体38と対称な位置に第五の検出振動体53を設けるとともに、第一の駆動振動体31に対して第二の検出振動体40と対称な位置に第六の検出振動体55を設けている。これにより本実施形態では、第一の駆動振動体31に対して、重量バランスが均等となるため、第一の駆動振動体31の駆動振動が安定する。なお、第五の検出振動体53および第六の検出振動体55が無い場合も、角速度センサ素子10は動作可能である。
 さらに、第二の駆動振動体34に対して第三の検出振動体43と対称な位置に第七の検出振動体48を設けるとともに、第二の駆動振動体34に対して第四の検出振動体45と対称な位置に第八の検出振動体50を設けている。これにより本実施形態では、第二の駆動振動体34に対して、重量バランスが均等となるため、第二の駆動振動体34の駆動振動が安定する。なお、第七の検出振動体48および第八の検出振動体50が無い場合も、角速度センサ素子10は動作可能である。
 また本実施形態では、第一~第四の重り部42、47、57、52を設けることで、効率よくコリオリ力を発生できる。なお、第一~第四の重り部42、47、57、52は必須の構成ではなく、コリオリ力が小さくてもよい場合は、これらの第一~第四の重り部42、47、57、52を設けなくてもよい。
 さらに本実施形態では、第一の重り部42を、第一の駆動振動体31と第一の検出振動体38と、第二の検出振動体40と、で三方を囲われた空間内に配置している。これによりスペースを有効活用し、角速度センサ素子10を小型化できる。また、第二~第四の重り部47、57、52も同様に、本実施形態のような配置位置とすることで、スペースを有効活用し、角速度センサ素子10を小型化できる。
 また第一~第四の重り部42、47、57、52の形状を矩形状とすることで、空いているスペースに合った形状となり、スペースを有効活用できる。ただし、第一~第四の重り部42、47、57、52の形状は矩形状に制限されない。
 また第一の重り部42を、第二の検出振動体40の端部に接続することで、効率よくコリオリ力を発生できる。ただし、コリオリ力が小さくてもよい場合は、この位置に配置されていなくともよい。例えば第二の検出振動体40の中央部分や、第一の検出振動体38に接続されていてもよい。第二~第四の重り部47、57、52も同様に、本実施形態に示す位置に配置することで、効率よくコリオリ力を発生できるが、この配置位置に限定されるものではない。
 なお、本実施形態の角速度センサ素子10は、X軸とY軸の二つの軸の周りの角速度を検出するものであるが、Z軸の周りの角速度を検出する構造と組み合わせ、三つの軸の周りの角速度を検出するものであってもよい。
 さらに本実施形態の角速度センサ素子10は、逆圧電効果を用いて第一、第二の駆動振動体31、34を駆動したが、駆動する方式は圧電方式以外でもよい。例えば静電気力を用いてもよい。この場合は、第一の駆動電極32および第二の駆動電極35のそれぞれと対向する対向電極を設け、第一の駆動電極32と対向電極、ならびに第二の駆動電極35と対向電極との静電気力によって、第一の駆動振動体31および第二の駆動振動体34を駆動振動させればよい。
 また本実施形態の角速度センサ素子10は、圧電効果を用いて振動を検出したが、検出する方式は、圧電方式以外でもよい。
 なお、上記実施形態において、X軸、Y軸、Z軸とは便宜上の名称であり、互いに垂直な関係であれば名称は互換性を有する。またX軸、Y軸、Z軸とは、単なる名称であり、それぞれ第一の軸、第二の軸、第三の軸のいずれかと名称を置き換えることとできる。
 また、上記実施形態において、「垂直」とは実質的に垂直な関係を含み、「平行」とは実質的に平行な関係を含むものとする。
 また、上記実施形態において、「上面」、「下面」、「側面」とは、相対的な方向から見た便宜上の名称であり、角速度センサ素子や角速度センサの配置位置によって名称が置き換わってもよい。
 本発明に係る角速度センサ素子は、駆動の調整が容易であり、例えば各種電子機器に用いられる角速度センサに使用される角速度センサ素子として有用である。
 10 角速度センサ素子
 21 第一の固定部
 22a 第一の検出電極パッド
 22b 第三の検出電極パッド
 23a 第二の検出電極パッド
 23b 第四の検出電極パッド
 24 モニター電極パッド
 25 延出部
 26 幅狭部
 27 孔
 28 第二の固定部
 29a 第一の駆動電極パッド
 29b 第二の駆動電極パッド
 31 第一の駆動振動体
 32 第一の駆動電極
 33 モニター電極
 34 第二の駆動振動体
 35 第二の駆動電極
 36 共通グランド電極
 37 圧電体層
 38 第一の検出振動体
 39a,39b 第一の検出電極
 40 第二の検出振動体
 41a,41b 第二の検出電極
 42 第一の重り部
 43 第三の検出振動体
 44a,44b 第三の検出電極
 45 第四の検出振動体
 46a,46b 第四の検出電極
 47 第二の重り部
 48 第七の検出振動体
 49a,49b 第七の検出電極
 50 第八の検出振動体
 51a,51b 第八の検出電極
 52 第四の重り部
 53 第五の検出振動体
 54a,54b 第五の検出電極
 55 第六の検出振動体
 56a,56b 第六の検出電極
 57 第三の重り部
 70 ケース
 71 収容部
 72 多層回路基板
 73 側壁
 74 段差部
 75 端子電極
 76 電源電極
 77 GND電極
 78 上蓋
 79 金属枠
 80 載置部材
 81 端子
 90 IC
 91 駆動回路
 92 処理回路
 100 加速度センサ素子
 200 角速度センサ

Claims (8)

  1. 固定部と、
    前記固定部に接続された一端を有し、第一の軸の方向に延びる延出部と、
    前記延出部と接続され、前記第一の軸と直交する第二の軸の方向に延びる第一の駆動振動体と、
    前記第一の駆動振動体に接続され、前記第一の軸の方向に延びる第一の検出振動体と、
    前記第一の検出振動体に接続され、前記第二の軸の方向に延びる第二の検出振動体と、を備え、
    前記第一の軸と前記第二の軸とに直交する第三の軸の方向に前記第一の駆動振動体を撓み振動駆動させ、前記第一の検出振動体で前記第一の軸の周りの角速度を検出し、前記第二の検出振動体で前記第二の軸の周りの角速度を検出する角速度センサ素子。
  2. 前記延出部は、局部的に、前記第二の軸の方向に幅の狭い幅狭部を有する、請求項1に記載の角速度センサ素子。
  3. 前記延出部は、前記第三の軸の方向に貫通する孔を有する、請求項1に記載の角速度センサ素子。
  4. 前記延出部に対して前記第一の駆動振動体と対称な位置に設けられた第二の駆動振動体と、
    前記第二の駆動振動体に接続され、前記延出部に対して前記第一の検出振動体と対称な位置に設けられた第三の検出振動体と、
    前記第三の検出振動体に接続され、前記延出部に対して前記第二の検出振動体と対称な位置に設けられた第四の検出振動体と、をさらに備えた、請求項1に記載の角速度センサ素子。
  5. 前記第一の駆動振動体に対して前記第一の検出振動体と対称な位置に設けられた第五の検出振動体と、前記第一の駆動振動体に対して前記第二の検出振動体と対称な位置に設けられた第六の検出振動体と、をさらに備えた、請求項1に記載の角速度センサ素子。
  6. 固定部と、
    前記固定部に接続された一端を有し、第一の軸の方向に延びる延出部と、
    前記延出部と接続され、前記第一の軸と直交する前記第二の軸の方向に延びる第一の駆動振動体と、
    前記第一の駆動振動体に接続され、前記第一の軸の方向に延びる第一の検出振動体と、
    前記第一の検出振動体に接続され、前記第二の軸の方向に延びる第二の検出振動体と、を有し、
    前記第一の軸と前記第二の軸とに直交する第三の軸の方向に前記第一の振動駆動体を撓み振動駆動させ、前記第一の検出振動体で前記第一の軸の周りの角速度を検出し、前記第二の検出振動体で前記第二の軸の周りの角速度を検出する角速度センサ素子と、
    前記角速度センサ素子を駆動させる駆動信号を出力する駆動回路と、
    前記角速度センサ素子からの出力信号を処理する処理回路と、
    を備えた、角速度センサ。
  7. 前記駆動回路と、前記処理回路と、は集積回路に集積されている、請求項6に記載の角速度センサ。
  8. 前記角速度センサ素子と、前記駆動回路と、前記処理回路と、を収用するケースと、
    前記ケースの外表面に設けられて、前記駆動回路および前記処理回路と電気的に接続された電極と、をさらに備えた、請求項6に記載の角速度センサ。
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