(57)【要約】  平面視で、外縁の形状が多角形である筐体と、筐体に固定される平面基板と、筐体に囲まれ、平面基板上で平面基板に対し垂直な方向に延びて形成される振動錘と、振動錘を予め定められた方向に振動させる振動部とを備え、振動部は、平面視で、筐体の外縁と振動錘の重心との最短距離を結ぶ直線方向と異なる方向に振動錘を振動させる角速度センサを提供する。
2014178172.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面視で、外縁の形状が多角形である筐体と、
前記筐体に固定される平面基板と、
前記筐体に囲まれ、前記平面基板上で前記平面基板に対し垂直な方向に延びて形成される振動錘と、
前記振動錘を予め定められた方向に振動させる振動部と
を備え、
前記振動部は、平面視で、前記筐体の外縁と前記振動錘の重心との最短距離を結ぶ直線方向と異なる方向に前記振動錘を振動させる角速度センサ。
【請求項２】
前記振動部は、平面視で、前記振動錘の重心から前記筐体の外縁の辺に下した垂線方向と異なる方向に前記振動錘を振動させる請求項１に記載の角速度センサ。
【請求項３】
前記振動部は、平面視で、前記振動錘の重心から前記筐体の外縁の角に向かうように前記振動錘を振動させる請求項２に記載の角速度センサ。
【請求項４】
前記振動部は、
前記平面基板上に設けられた下部電極と、
前記下部電極上に設けられた圧電素子と、
前記圧電素子上に設けられ、前記振動錘に対し対称となる位置に配置される少なくとも１対の上部電極と
を含む請求項１から３のいずれか一項に記載の角速度センサ。
【請求項５】
前記１対の上部電極は、平面視で、前記筐体の外縁と前記振動錘の重心との最短距離を結ぶ直線と異なり、且つ前記振動錘の重心を通る直線上に配置されている請求項４に記載の角速度センサ。
【請求項６】
前記振動部は、前記上部電極を２対含み、
前記２対の上部電極のそれぞれは、平面視で、前記筐体の外縁と前記振動錘の重心との最短距離を結ぶ直線と異なり、且つ前記振動錘の重心を通る直線を挟み込むように配置されている請求項４に記載の角速度センサ。
【請求項７】
前記筐体の外縁の形状は、矩形である請求項１から６のいずれか一項に記載の角速度センサ。
【請求項８】
前記筐体の外縁の形状は、正方形である請求項７に記載の角速度センサ。
【請求項９】
平面視で、前記振動錘の重心と前記筐体の外縁の重心とは一致している請求項８に記載の角速度センサ。
【請求項１０】
前記振動部は、前記振動錘の重心から前記筐体の外縁に下した垂線に対して、０度より大きく９０度より小さい角度をなすように前記振動錘を振動させる請求項９に記載の角速度センサ。
【請求項１１】
前記振動部は、前記垂線に対し４５度の角度をなすように前記振動錘を振動させる請求項１０に記載の角速度センサ。
【請求項１２】
前記筐体は、前記平面基板と一体に形成される請求項１から１１のいずれか一項に記載の角速度センサ。
【請求項１３】
前記振動錘は、前記平面基板に接して、又は、前記平面基板と一体に形成される請求項１から１２のいずれか一項に記載の角速度センサ。
【請求項１４】
前記予め定められた方向に対し垂直な方向に発生する力を検出する第１の検出部と、
を備える請求項１から１３のいずれか一項に記載の角速度センサ。
【請求項１５】
前記予め定められた方向に発生する力を検出する第２の検出部と、
を備える請求項１４に記載の角速度センサ。
【請求項１６】
前記筐体は、前記平面基板の外周を支え、
前記平面基板は、平面視で、前記筐体の外縁の形状と同じ形状である請求項１から１５のいずれか一項に記載の角速度センサ。
【請求項１７】
前記第１の検出部と前記第２の検出部の出力に基づき、前記角速度センサの角速度を算出する角速度算出部を備える請求項１５に記載の角速度センサ。
【請求項１８】
前記角速度算出部は、前記平面基板の辺の方向を回転軸の方向としたときの、該回転軸周りの角速度を算出する請求項１７に記載の角速度センサ。
【請求項１９】
前記角速度算出部は、ピッチ及び／またはロールの角速度を算出する請求項１７に記載の角速度センサ。
【請求項２０】
前記角速度算出部は、前記平面基板と前記振動錘とをパッケージするパッケージ部材の辺の方向を回転軸の方向としたときの、該回転軸周りの角速度を算出する請求項１７に記載の角速度センサ。
【請求項２１】
前記第１の検出部と前記第２の検出部の出力を、前記角速度センサの角速度を算出する角速度算出部に出力する請求項１５に記載の角速度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動錘を振動させてコリオリ力を検出する角速度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、従来の角速度センサ５００の一例を示す図である。図１は、角速度センサ５００の上面図および側面の断面図を示す。従来の角速度センサ５００は、平面基板３４１、振動錘３４２および筐体３４３を備える。【０００３】
角速度センサ５００は、正方形の平面基板３４１の中央に、振動錘３４２を有する。筐体３４３は、振動錘３４２を囲うように、平面基板３４１の外周に形成される。従来の角速度センサ５００は、矢印で示す通り、振動錘３４２の振動方向であるｘ軸方向が平面基板３４１の辺の方向に平行となる。（例えば特許文献１参照）。
［特許文献１］  特開２０１０−１８５７３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、角速度センサ５００は、振動錘３４２を平面基板３４１の辺の方向に振動させるので、平面基板３４１および筐体３４３の領域３６０に応力が集中する。近年、角速度センサ５００の小型化に伴い、領域３６０に発生する応力が増加して、角速度センサ５００の強度が問題となっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様においては、平面視で、外縁の形状が多角形である筐体と、筐体に固定される平面基板と、筐体に囲まれ、平面基板上で平面基板に対し垂直な方向に延びて形成される振動錘と、振動錘を予め定められた方向に振動させる振動部とを備え、振動部は、平面視で、筐体の外縁と振動錘の重心との最短距離を結ぶ直線方向と異なる方向に振動錘を振動させる角速度センサを提供する。【０００６】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】従来の角速度センサ５００の一例を示す図である。
【図２】角速度センサ１００の側面の断面図を示す。
【図３】ＭＥＭＳ３４０の構成例を示す。
【図４】ＭＥＭＳ３４０の構成例を示す。
【図５】ＭＥＭＳ３４０の構成例を示す。
【図６】ＭＥＭＳ３４０に発生する応力の分布を示す。
【図７】ＭＥＭＳ３４０に発生する応力の分布を示す。
【図８】振動錘３４２の振動方向に応じた筐体３４３の変形量の違いを示す。
【図９】角速度センサ１００の上面の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００９】
図２は、角速度センサ１００の側面の断面図を示す。角速度センサ１００は、パッケージ基板３１０、ケース３２０、ＡＳＩＣ３３０、ＭＥＭＳ３４０および角速度算出部３５０を備える。
【００１０】
角速度センサ１００は、ＭＥＭＳ３４０の振動と角速度に応じて発生するコリオリ力に基づいて、角速度を検出する。コリオリ力とは、角速度を持つ角速度センサ１００において、ＭＥＭＳ３４０を振動させた場合に振動方向と垂直に発生する慣性力のことである。
【００１１】
パッケージ基板３１０の上面には、ＡＳＩＣ３３０およびＭＥＭＳ３４０が順に積層される。また、パッケージ基板３１０の上面には、角速度算出部３５０が形成される。ケース３２０は、ＡＳＩＣ３３０、ＭＥＭＳ３４０および角速度算出部３５０を完全に覆うようにパッケージ基板３１０上に配置される。
【００１２】
ＡＳＩＣ３３０は、ＭＥＭＳ３４０を振動させる駆動信号を出力する。ＭＥＭＳ３４０は、振動錘３４２、筐体３４３および振動部３４８を備える。振動部３４８は、平面基板３４１、下部電極３４４、圧電体３４５、駆動電極３４６および検出電極３４７を備える。振動部３４８は、振動錘３４２を予め定められた方向に振動させる。平面基板３４１の形状は、多角形や楕円形状であってよい。
【００１３】
ＭＥＭＳ３４０の振動錘３４２は、ＡＳＩＣ３３０からの駆動信号に応じて振動する。このとき、振動錘３４２には、角速度および振動錘３４２の振動方向に応じたコリオリ力が発生する。検出電極３４７は、発生したコリオリ力に対応した信号を出力する。
【００１４】
ＭＥＭＳ３４０は、例えばＳｉ−ＳｉＯ２−Ｓｉといった３層構造を持つＳＯＩ基板に半導体製造プロセスを施すことにより製造される。第１のＳｉ層で形成される平面基板３４１は、外周が固定され、駆動信号に応じて振動する。
【００１５】
振動錘３４２は、ＳＯＩ基板における第２のＳｉ層を深堀エッチングすることにより、平面基板３４１に対し垂直な方向に延びて形成される。本例の振動錘３４２は、平面基板３４１の下面中央から、ＡＳＩＣ３３０の上面に向かって延びて形成される。振動錘３４２は、例えば円柱、楕円柱等の形状を有する。振動錘３４２は、駆動信号に応じて、平面基板３４１と一体となって振動する。
【００１６】
筐体３４３は、ＳＯＩ基板における第２のＳｉ層を深堀エッチングすることにより、平面基板３４１の外周に、平面基板３４１と一体に形成される。また、筐体３４３は、振動錘３４２の形成と同時に形成されて、振動錘３４２を収容する。なお、筐体３４３は、平面基板３４１とは別個に形成され、接着等により平面基板３４１と固定されてもよい。
【００１７】
筐体３４３は、振動錘３４２が振動した場合に、平面基板３４１の外周を支える。筐体３４３は、振動錘３４２の振動に応じて変位しないことが好ましい。これにより、振動錘３４２は、安定して予め定められた回転軸方向に振動できる。筐体３４３が平面基板３４１の外周を支える場合、平面視で、筐体３４３の外縁の形状と平面基板３４１の形状とは、同じ形状となる。本明細書において、平面視とは、平面基板３４１の表面を真上から見た場合を指す。本例では、筐体３４３が平面基板３４１の外周を支えているが、平面基板３４１の内側を支えてもよい。この場合、平面視で、筐体３４３の外縁の形状が多角形、矩形、または正方形であってよい。ここで、多角形、矩形、及び正方形とは、角が取れて丸くなっている略多角形、略矩形、及び略正方形を含む。
【００１８】
平面基板３４１の上面には、下部電極３４４および圧電体３４５が積層して形成される。下部電極３４４および圧電体３４５は、平面基板３４１のうち、筐体３４３に固定されていない領域を覆うように形成される。また、駆動電極３４６および検出電極３４７は、圧電体３４５の上面でかつ、振動錘３４２に対し対称となる位置に、１対にそれぞれ配置される。
【００１９】
下部電極３４４は、電圧が一定となるように電圧が印加される。例えば、下部電極３４４は接地される。また、駆動電極３４６は、振動錘３４２を振動させる方向に応じた電圧が印加される。これにより、圧電体３４５は、駆動電極３４６に入力された駆動信号の電圧と下部電極３４４の電圧の差に応じて曲げられる。
【００２０】
駆動電極３４６は、振動錘３４２の外周に対応する位置の近辺に配置される。振動錘３４２の外周は、振動の固定端である筐体３４３の内周からの距離が最大となるので、振動錘３４２の外周付近の圧電体３４５には大きなモーメントが発生する。したがって、駆動電極３４６は、筐体３４３に近接して設けられる場合よりも、振動錘３４２を効率的に振動させることができる。
【００２１】
検出電極３４７は、筐体３４３の内周に対応する位置の近辺に配置される。圧電体３４５は、筐体３４３に近いほど振動時に加えられる応力が大きくなるので、筐体３４３の内周付近の圧電体３４５には、大きな電流が発生する。したがって、検出電極３４７は、振動錘３４２に近い位置に設けられるよりも、筐体３４３に近い位置に設けられた方が、より大きな信号を検出できる。
【００２２】
検出電極３４７が検出する信号は、振動錘３４２の振動方向およびＭＥＭＳ３４０の角速度に応じて発生するコリオリ力に基づく信号である。検出電極３４７は、検出した信号を角速度算出部３５０に出力する。
【００２３】
角速度算出部３５０は、検出電極３４７が検出した信号を処理することにより角速度センサ１００の角速度を算出する。角速度算出部３５０は、ＭＥＭＳ３４０の振動方向と垂直な方向に発生するコリオリ力を検出して、角速度を測定する。
【００２４】
角速度センサ１００は、振動錘３４２の振動方向を切り替えることにより、複数の回転軸の角速度を検出できる。角速度センサ１００は、振動錘３４２を間欠に振動させて、複数の振動方向を切り替える。これにより、角速度センサ１００は、任意の時間における各回転軸の角速度を測定する。
【００２５】
図３は、ＭＥＭＳ３４０の構成例を示す。ＭＥＭＳ３４０は、矩形の平面基板３４１、駆動電極３４６、検出電極３４７および電極パッド３４９を備える。図３は、ＭＥＭＳ３４０の上面を示し、平面基板３４１の面をｘｙ平面としている。本明細書において、ｘ軸は、平面基板３４１と平行な面における振動方向を示し、ｙ軸は、平面基板３４１と平行な面における振動方向と垂直な方向を示す。また、ｚ軸は、平面基板３４１と垂直な方向における信号方向を示す。
【００２６】
ＭＥＭＳ３４０は、平面基板３４１と平行な面において、平面基板３４１の辺と振動錘３４２との最短距離を結ぶ直線に対して、０度より大きく９０度より小さい角度をなすように、振動錘３４２を振動させる。本例の振動錘３４２は、平面基板３４１の辺と振動錘３４２との最短距離を結ぶ直線に対して、４５度となるｘ軸方向に振動される。ここで、平面基板３４１の形状が楕円形状の場合、平面基板３４１の辺は、楕円の曲線部分を示す。
【００２７】
本明細書では、ｘ軸およびｙ軸が、平面基板３４１の辺と振動錘３４２との最短距離を結ぶ直線に対して、４５度傾斜している場合を、４５度配置と呼ぶ。本明細書において、最短直線という語は、平面基板３４１の辺と振動錘３４２との最短距離を結ぶ直線のことを指す。なお、傾斜の角度は４５度に限定されるものではない。
【００２８】
ＭＥＭＳ３４０は、ｘ軸方向に振動錘３４２を振動させる場合、ｚ軸方向およびｙ軸方向の角速度を検出する。本明細書では、ｚ軸方向の角速度とは、ｚ軸を中心として回転する角速度のことを指す。ｘ軸方向およびｙ軸方向の角速度に関しても同様に定義する。
【００２９】
電極パッド３４９は、駆動電極３４６および検出電極３４７に接続される。電極パッド３４９は、駆動電極３４６に振動錘３４２を振動させる駆動信号を入力する。本例のＭＥＭＳ３４０は、ｘ軸方向に振動錘３４２を振動させるために、互いに逆位相である駆動信号を駆動電極３４６にそれぞれ入力する。
【００３０】
駆動電極３４６は、入力された駆動信号に応じて、振動錘３４２を振動させる。駆動電極３４６は、平面基板３４１と平行な面において、最短直線に対して０度より大きく９０度より小さい角度をなすように１対に配置される。
【００３１】
駆動電極３４６は、ｘ軸上に沿って配列され、振動錘３４２に対して対称となるように１対に設けられる。そのため、互いに逆位相である駆動信号が１対の駆動電極３４６に入力された場合、振動錘３４２は、ｘ軸方向に振動される。
【００３２】
検出電極３４７は、振動錘３４２の振動に応じて発生する信号を検出して、電極パッド３４９に出力する。検出電極３４７は、第１の検出部１２１および第２の検出部１２２を有する。第１の検出部１２１および第２の検出部１２２は、ｚ軸周りおよびｙ軸周りの角速度により発生する３軸方向のコリオリ力を検出する。
【００３３】
第１の検出部１２１は、ｙ軸上に沿って配列され、振動錘３４２に対して対称となるように１対に設けられる。第１の検出部１２１は、振動方向に対し垂直な方向に発生する力を検出する。具体的には、第１の検出部１２１は、ｙ軸方向のコリオリ力およびｚ軸方向のコリオリを検出する。
【００３４】
第２の検出部１２２は、ｘ軸上に沿って配列され、振動錘３４２に対して対称となるように１対に設けられる。第２の検出部１２２は、振動方向に発生する力を検出する。第２の検出部１２２は、ｘ軸方向のコリオリ力およびｚ軸方向のコリオリを検出する。
【００３５】
検出電極３４７は、第１の検出部１２１および第２の検出部１２２が検出したコリオリ力に基づいて変換した検出信号を電極パッド３４９に出力する。電極パッド３４９は、角速度算出部３５０に検出信号を出力する。角速度算出部３５０は、第１の検出部１２１および第２の検出部１２２の出力に基づき、角速度センサ１００の角速度を算出する。
【００３６】
本例の検出電極３４７は、ｘ軸を長軸として、ｙ軸を短軸とする楕円形状を有する。ｘ軸方向における平面基板３４１の辺と振動錘３４２との距離は、ｙ軸方向における平面基板３４１と振動錘３４２との距離よりも大きくなる。よって、ｘ軸方向の振動の共振周波数は、ｙ軸方向の振動の共振周波数よりも小さくなる。そのため、振動錘３４２のｘ軸方向の振動が、ｘ軸上からずれてｙ軸方向に漏れるのを防止できる。なお、平面基板３４１、振動錘３４２および駆動電極３４６の形状を楕円形状としても同様の効果が得られる。
【００３７】
角速度センサ１００は、振動部３４８が、平面視で、筐体３４３の外縁と振動錘３４２の重心との最短距離を結ぶ直線方向と異なる方向に振動錘３４２を振動させる。ここで、振動錘３４２の重心とは、振動錘３４２が振動されていない静止状態における、振動錘３４２の重心の位置を指す。角速度センサ１００は、筐体３４３の外縁の形状が多角形であるため、振動部３４８が、平面視で、振動錘３４２の重心から筐体３４３の外縁の辺に下した垂線方向と異なる方向に振動錘３４２を振動させる。
【００３８】
また、振動部３４８は、平面視で、振動錘３４２の重心から筐体３４３の外縁の角に向かうように振動錘３４２を振動させてよい。この構成にすることで、振動錘３４２の振動が筐体３４３により伝わりにくくなるため、振動錘３４２の振動に対して、筐体３４３の強度をさらに高くすることができる。
【００３９】
角速度センサ１００は、１対の上部電極が、平面視で、筐体３４３の外縁と振動錘３４２の重心との最短距離を結ぶ直線と異なり、且つ振動錘３４２の重心を通る直線上に配置されている。この構成により、上記異なる方向に振動錘３４２を振動させることができる。例えば、１対の上部電極は、駆動電極３４６である。
【００４０】
図４は、ＭＥＭＳ３４０の他の構成例を示す。図４に示すように、振動部３４８が上部電極を２対含んでよい。２対の上部電極のそれぞれは、平面視で、筐体３４３の外縁と振動錘３４２の重心との最短距離を結ぶ直線と異なり、且つ振動錘３４２の重心を通る直線を挟み込むように配置されていてよい。例えば、２対の上部電極は、第１の検出部１２１および第２の検出部１２２である。
【００４１】
本例のように、筐体３４３の外縁の形状が矩形である場合、角速度センサ１００は、平面視で、筐体３４３の外縁と振動錘３４２の重心との最短距離を結ぶ直線に対して、０度より大きく９０度より小さい角度をなすように振動錘３４２を振動させる。このため、振動方向における筐体３４３に発生する応力が低減される。そのため、本実施形態に係る角速度センサ１００は、振動錘３４２の振動に対する強度が高い。
【００４２】
筐体３４３の外縁の形状が正方形であり振動錘３４２の重心と筐体３４３の外縁の重心とが一致している場合、振動部３４８は、平面視で、筐体３４３の外縁と振動錘３４２の重心との最短距離を結ぶ直線に対して、４５度をなすように振動錘３４２を振動させてよい。この場合、平面視での筐体３４３の外縁と振動錘３４２の重心との距離が最大になる。これより、振動錘３４２の振動が筐体３４３により伝わりにくくなるため、振動錘３４２の振動に対する強度がさらに高くなる。なお、筐体３４３の外縁の形状が正八角形の場合、振動部３４８は、平面視で、筐体３４３の外縁と振動錘３４２の重心との最短距離を結ぶ直線に対して、０度より大きく４５度より小さい角度をなすように振動錘３４２を振動させればよい。
【００４３】
図５は、ＭＥＭＳ３４０の構成例を示す。ＭＥＭＳ３４０が、振動錘３４２をｚ軸方向に振動させる点で図３、４と異なる。ｚ軸は、平面基板３４１に対して垂直な方向である。
【００４４】
電極パッド３４９は、駆動電極３４６に振動錘３４２を振動させる駆動信号を出力する。本例の電極パッド３４９は、同一位相の駆動信号を１対の駆動電極３４６に入力する。
【００４５】
駆動電極３４６は、ｘ軸上に沿って配列され、振動錘３４２に対して対称となるように１対に設けられる。同一の駆動信号が１対の駆動電極３４６に入力された場合、振動錘３４２は、平面基板３４１に垂直なｚ軸方向に振動される。
【００４６】
検出電極３４７は、第１の検出部１２１および第２の検出部１２２が検出したコリオリ力に基づいて変換した検出信号を電極パッド３４９に出力する。ここで、検出信号とは、ｘ軸およびｙ軸方向の角速度により発生するコリオリ力を変換した信号である。
【００４７】
角速度センサ１００は、ｘ軸方向に振動錘３４２を振動させて、ｙ軸およびｚ軸方向の角速度を検出する。また、角速度センサ１００は、ｚ軸方向に振動錘３４２を振動させて、ｘ軸およびｙ軸方向の角速度を検出する。
【００４８】
角速度センサ１００は、振動錘３４２の振動をｘ軸方向およびｚ軸方向に切り替えて、３軸方向の角速度を測定できる。そのため、角速度センサ１００は、３軸方向の角速度を測定するために、振動錘３４２をｙ軸方向に振動しなくてもよい。
【００４９】
図６は、ＭＥＭＳ３４０に発生する応力の分布を示す。図６の上側の図は、ＭＥＭＳ３４０の上面図であり、筐体３４３の上面の応力分布を示す。図６の下側の図は、ＭＥＭＳ３４０のＡ−Ａ'断面図であり、筐体３４３の断面の応力分布を示す。応力分布は、振動錘３４２に１Ｎのエネルギーが加えられた場合の、変形量の分布を示す。なお、図中のパターンはそれぞれ、筐体３４３の変形量を示す。図中のパターンは、変形量の大小を等間隔に分割している。つまり、パターンの変化が多い領域ほど、筐体３４３の変形量が大きい。
【００５０】
ＭＥＭＳ３４０は、正方形の辺の方向がそれぞれ、ｘ軸およびｙ軸に対応する平面基板３４１を有する。チップサイズは、平面基板３４１の外周のサイズに対応する。ダイアフラムサイズは、筐体３４３の内周の径に対応する。錘サイズは、振動錘３４２の外周のサイズに対応する。なお、本例の振動錘３４２および筐体３４３の高さは等しい。
【００５１】
振動錘３４２は、ｘ軸方向に振動されるため、ｘ軸上の領域３６０に応力が集中し、変形量が最大となる。一方、ｙ軸上の領域３６０には、ほとんど応力が発生していない。つまり、筐体３４３には、振動錘３４２に加えられたエネルギーが、ｘｙ平面上に十分に分散されず、ｘ軸方向に集中した応力が発生している。
【００５２】
図７は、ＭＥＭＳ３４０に発生する応力の分布を示す図である。図７は、ｘ軸およびｙ軸が、平面基板３４１の辺に対して４５度傾斜している点で図６と異なる。
【００５３】
振動錘３４２の振動方向に領域３６０がないので、筐体３４３に発生する応力が低減される。また、筐体３４３は、振動錘３４２が平面基板３４１の辺に対して４５度傾斜して振動されるので、ｘ軸およびｙ軸上の領域３６０には均等な変形量が生じる。つまり、筐体３４３には、振動錘３４２に加えられたエネルギーが、ｘｙ平面上に分散されて、応力が発生している。
【００５４】
図６および図７において、筐体３４３の側面の断面図を比較すると、図６の方が、筐体３４３の表面付近の変形量が大きい。また、筐体３４３の内周付近において、筐体３４３に発生する応力の集中が顕著である。
【００５５】
図８は、振動錘３４２の振動方向に応じた筐体３４３の変形量の違いを示す。横軸は、直線に対する振動錘３４２の振動方向の角度［°］を示す。縦軸は、ｘ軸上およびｙ軸上の領域３６０における筐体３４３に発生するそれぞれの変形量を示す。振動錘３４２の振動方向は、１５度ずつ変化される。菱形のプロットは、ｘ軸上の領域３６０のデータであり、正方形のプロットは、ｙ軸上の領域３６０のデータを示す。
【００５６】
ｘ軸上の領域３６０における筐体３４３の変形量は、０度配置の場合に最も小さくなる。そして、振動方向の角度が大きくなるにつれて、変形量が増加する。一方、ｙ軸上の領域３６０における筐体３４３の変形量は、０度配置の場合に最も大きくなる。そして、振動方向の角度が大きくなるにつれて、変形量が減少する。
【００５７】
本実施例では、平面基板３４１の形状が正方形であるため、ｘ軸およびｙ軸に対する変形量が、面内で対称となる。そのため、４５度配置の場合、ｘ軸上およびｙ軸上の領域３６０における変形量が等しくなる。つまり、４５度配置の場合、ｘｙ平面上で応力が均等に分散されるので、角速度センサ１００の強度が最も大きくなる。
【００５８】
振動錘３４２は、最短直線に対し１５度以上７５度以下、もしくは、最短直線に対し３０度以上６０度以下の角度をなすように振動されてよい。振動錘３４２の振動方向は、平面基板３４１の形状や振動錘３４２の設置される位置に応じて決められる。振動錘３４２の振動方向は、振動錘３４２の振動により発生する応力が、領域３６０に集中しないように決定されてよい。
【００５９】
本実施形態では、平面基板３４１が正方形の例を上げた。しかし、平面基板３４１の形状は正方形に限られず、多角形や楕円形状、その他の形状でもよい。この場合、振動錘３４２は、平面基板３４１の辺と振動錘３４２との最短距離となる直線に対して、０度より大きく９０度より小さい角度をなすように振動される。また、振動錘３４２は、平面基板３４１の角の方向に振動されてよい。
【００６０】
４５度配置の変形量は、０度配置の変形量よりも小さい。また、チップサイズが小さくなるにつれて、４５度配置の変形量と０度配置の変形量の差が大きくなる。４５度配置の変形量の方が０度配置の変形量よりも小さくなる。４５度配置は、チップサイズが小さい場合に、筐体３４３の変形量を抑制する効果が高い。
【００６１】
０度配置の場合の筐体３４３の最大変形量および４５度配置の場合の筐体３４３の最大変形量の比は、いずれのチップサイズの場合にも、１．４１という一定の比となる。つまり、４５度配置は、チップサイズが大きい場合も例外なく、チップサイズにかかわらず一定の効果が得られる。
【００６２】
図９は、角速度センサ１００の上面の断面図を示す。角速度センサ１００は、パッケージ基板３１０、ＡＳＩＣ３３０、ＭＥＭＳ３４０、駆動電極３４６および検出電極３４７および電極パッド３４９を備える。パッケージ基板３１０上には、端子３１１および角速度算出部３５０が設けられる。なお、角速度算出部３５０は、角速度センサ１００の外部に設けられてもよい。また、角速度算出部３５０は、ＡＳＩＣ３３０の内部に設けられてもよい。
【００６３】
電極パッド３４９は、駆動電極３４６および検出電極３４７の各電極に接続される。電極パッド３４９は、駆動電極３４６に駆動信号を出力し、検出電極３４７から検出信号が入力される。電極パッド３４９は、配線を介して、検出信号を端子３１１に入力する。
【００６４】
端子３１１は、入力された検出信号を、パッケージ基板３１０を介して角速度算出部３５０に出力する。端子３１１は、使用する駆動電極３４６および検出電極３４７の個数に応じて設けられる。
【００６５】
角速度算出部３５０は、検出信号に基づいて角速度センサ１００の角速度を検出する。角速度算出部３５０は、振動方向に対応するｘｙｚ座標系の軸方向のコリオリ力を検出するので、ｘｙｚ座標系の軸周りの角速度を算出する。
【００６６】
しかし、角速度算出部３５０の算出する角速度は、ｘｙｚ座標系の軸周りの角速度に限られない。角速度算出部３５０は、入力された検出信号のデータを軸変換することにより、ｘｙｚ座標系と異なる座標系の角速度を算出する。
【００６７】
例えば、ｘｙ平面座標の軸変換において、軸変換前の座標をｘ、ｙ、軸変換後の座標をｘ´、ｙ´、反時計回りを正とする回転角度をαとすると、軸変換前後の関係は、次式で表記される。
【数１】
2014178172.tif 000003
すなわち、軸変換前の出力を得るには、各検出電極からの出力の差分に√２倍すればよい。上記は４５度配置を例にしたが、回転角度が４５度以外の場合にも式(１)を適用できる。
【００６８】
角速度算出部３５０は、平面基板３４１の辺の方向を回転軸としたときの、回転軸周りの角速度を算出してよい。つまり、角速度算出部３５０は、ピッチ（Ｐｉｔｃｈ）の角速度を算出してよい。また、角速度算出部３５０は、パッケージ基板３１０の辺の方向を回転軸としたときの、回転軸周りの角速度を算出してよい。つまり、角速度算出部３５０は、ロール（Ｒｏｌｌ）の角速度を算出してよい。同様に、角速度算出部３５０は、ヨー（Ｙａｗ）の角速度を算出してよい。角速度センサ１００は、ピッチ及び／またはロールの角速度を算出する角速度算出部３５０を備えることで、電子機器等への収納スペースが小さくて済む。
【００６９】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。
【００７０】
請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。
【符号の説明】
【００７１】
１００・・・角速度センサ、１２１・・・第１の検出部、１２２・・・第２の検出部、３１０・・・パッケージ基板、３１１・・・端子、３２０・・・ケース、３３０・・・ＡＳＩＣ、３４０・・・ＭＥＭＳ、３４１・・・平面基板、３４２・・・振動錘、３４３・・・筐体、３４４・・・下部電極、３４５・・・圧電体、３４６・・・駆動電極、３４７・・・検出電極、３４８・・・振動部、３４９・・・電極パッド、３５０・・・角速度算出部、３６０・・・領域、５００・・・角速度センサ
【図１】
2014178172.tif 000004
【図２】
2014178172.tif 000005
【図３】
2014178172.tif 000006
【図４】
2014178172.tif 000007
【図５】
2014178172.tif 000008
【図８】
2014178172.tif 000009
【図９】
2014178172.tif 000010
【図６】
2014178172.tif 000011
【図７】
2014178172.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成27年10月29日(2015.10.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面視で、外縁の形状が多角形である筐体と、
前記筐体に固定される平面基板と、
前記筐体に囲まれ、前記平面基板上で前記平面基板に対し垂直な方向に延びて形成される振動錘と、
前記振動錘を予め定められた方向に振動させる振動部と
を備え、
前記振動部は、平面視で、前記筐体の外縁と前記振動錘の重心との最短距離を結ぶ直線方向と異なる方向に前記振動錘を振動させ、
前記振動錘が前記異なる方向に振動する前記振動錘の共振周波数は、前記振動錘が前記異なる方向と直交する方向に振動する前記振動錘の共振周波数と異なる角速度センサ。
【請求項２】
前記平面基板の内側を支える前記筐体の形状が、楕円形である請求項１に記載の角速度センサ。
【請求項３】
前記振動錘の前記異なる方向は、前記平面基板の対角線と平行である請求項１または２に記載の角速度センサ。
【請求項４】
前記振動部は、平面視で、前記振動錘の重心から前記筐体の外縁の辺に下した垂線方向と異なる方向に前記振動錘を振動させる請求項１から３のいずれか一項に記載の角速度センサ。
【請求項５】
前記振動部は、平面視で、前記振動錘の重心から前記筐体の外縁の角に向かうように前記振動錘を振動させる請求項４に記載の角速度センサ。
【請求項６】
前記振動部は、
前記平面基板上に設けられた下部電極と、
前記下部電極上に設けられた圧電素子と、
前記圧電素子上に設けられ、前記振動錘に対し対称となる位置に配置される少なくとも１対の上部電極と
を含む請求項１から５のいずれか一項に記載の角速度センサ。
【請求項７】
前記１対の上部電極は、平面視で、前記筐体の外縁と前記振動錘の重心との最短距離を結ぶ直線と異なり、且つ前記振動錘の重心を通る直線上に配置されている請求項６に記載の角速度センサ。
【請求項８】
前記振動部は、前記上部電極を２対含み、
前記２対の上部電極のそれぞれは、平面視で、前記筐体の外縁と前記振動錘の重心との最短距離を結ぶ直線と異なり、且つ前記振動錘の重心を通る直線を挟み込むように配置されている請求項６に記載の角速度センサ。
【請求項９】
前記筐体の外縁の形状は、矩形である請求項１から８のいずれか一項に記載の角速度センサ。
【請求項１０】
前記筐体の外縁の形状は、正方形である請求項９に記載の角速度センサ。
【請求項１１】
平面視で、前記振動錘の重心と前記筐体の外縁の重心とは一致している請求項１０に記載の角速度センサ。
【請求項１２】
前記振動部は、前記振動錘の重心から前記筐体の外縁に下した垂線に対して、０度より大きく９０度より小さい角度をなすように前記振動錘を振動させる請求項１１に記載の角速度センサ。
【請求項１３】
前記振動部は、前記垂線に対し４５度の角度をなすように前記振動錘を振動させる請求項１２に記載の角速度センサ。
【請求項１４】
前記筐体は、前記平面基板と一体に形成される請求項１から１３のいずれか一項に記載の角速度センサ。
【請求項１５】
前記振動錘は、前記平面基板に接して、又は、前記平面基板と一体に形成される請求項１から１４のいずれか一項に記載の角速度センサ。
【請求項１６】
前記予め定められた方向に対し垂直な方向に発生する力を検出する第１の検出部と、
を備える請求項１から１５のいずれか一項に記載の角速度センサ。
【請求項１７】
前記予め定められた方向に発生する力を検出する第２の検出部と、
を備える請求項１６に記載の角速度センサ。
【請求項１８】
前記筐体は、前記平面基板の外周を支え、
前記平面基板は、平面視で、前記筐体の外縁の形状と同じ形状である請求項１から１７のいずれか一項に記載の角速度センサ。
【請求項１９】
前記第１の検出部と前記第２の検出部の出力に基づき、前記角速度センサの角速度を算出する角速度算出部を備える請求項１７に記載の角速度センサ。
【請求項２０】
前記角速度算出部は、前記平面基板の辺の方向を回転軸の方向としたときの、該回転軸周りの角速度を算出する請求項１９に記載の角速度センサ。
【請求項２１】
前記角速度算出部は、ピッチ及び／またはロールの角速度を算出する請求項１９に記載の角速度センサ。
【請求項２２】
前記角速度算出部は、前記平面基板と前記振動錘とをパッケージするパッケージ部材の辺の方向を回転軸の方向としたときの、該回転軸周りの角速度を算出する請求項１９に記載の角速度センサ。
【請求項２３】
前記第１の検出部と前記第２の検出部の出力を、前記角速度センサの角速度を算出する角速度算出部に出力する請求項１７に記載の角速度センサ。
【手続補正書】
【提出日】平成28年9月16日(2016.9.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面視で、内縁の形状が楕円形である筐体と、
前記筐体に固定される、平面視で矩形の平面基板と、
前記筐体に囲まれ、前記平面基板上で前記平面基板に対し垂直な方向に延びて形成される振動錘と、
前記振動錘を予め定められた方向に振動させる振動部と
を備え、
前記筐体は前記平面基板の内側を支え、
前記楕円形の長軸の方向は前記平面基板の対角線と平行であり、
前記振動部は、平面視で、前記筐体の外縁と前記振動錘の重心との最短距離を結ぶ直線方向と異なる方向に前記振動錘を振動させ、
前記振動錘が前記異なる方向に振動する前記振動錘の共振周波数は、前記振動錘が前記異なる方向と直交する方向に振動する前記振動錘の共振周波数と異なる角速度センサ。
【請求項２】
前記振動錘の前記異なる方向は、前記平面基板の対角線と平行である請求項１に記載の角速度センサ。
【請求項３】
前記振動部は、平面視で、前記振動錘の重心から前記筐体の外縁の辺に下した垂線方向と異なる方向に前記振動錘を振動させる請求項１又は２に記載の角速度センサ。
【請求項４】
前記振動部は、平面視で、前記振動錘の重心から前記筐体の外縁の角に向かうように前記振動錘を振動させる請求項３に記載の角速度センサ。
【請求項５】
前記振動部は、
前記平面基板上に設けられた下部電極と、
前記下部電極上に設けられた圧電素子と、
前記圧電素子上に設けられ、前記振動錘に対し対称となる位置に配置される少なくとも１対の上部電極と
を含む請求項１から４のいずれか一項に記載の角速度センサ。
【請求項６】
前記１対の上部電極は、平面視で、前記筐体の外縁と前記振動錘の重心との最短距離を結ぶ直線と異なり、且つ前記振動錘の重心を通る直線上に配置されている請求項５に記載の角速度センサ。
【請求項７】
前記振動部は、前記上部電極を２対含み、
前記２対の上部電極のそれぞれは、平面視で、前記筐体の外縁と前記振動錘の重心との最短距離を結ぶ直線と異なり、且つ前記振動錘の重心を通る直線を挟み込むように配置されている請求項５に記載の角速度センサ。
【請求項８】
前記筐体の外縁の形状は、矩形である請求項１から７のいずれか一項に記載の角速度センサ。
【請求項９】
前記筐体の外縁の形状は、正方形である請求項８に記載の角速度センサ。
【請求項１０】
平面視で、前記振動錘の重心と前記筐体の外縁の重心とは一致している請求項９に記載の角速度センサ。
【請求項１１】
前記振動部は、前記振動錘の重心から前記筐体の外縁に下した垂線に対して、０度より大きく９０度より小さい角度をなすように前記振動錘を振動させる請求項１０に記載の角速度センサ。
【請求項１２】
前記振動部は、前記垂線に対し４５度の角度をなすように前記振動錘を振動させる請求項１１に記載の角速度センサ。
【請求項１３】
前記筐体は、前記平面基板と一体に形成される請求項１から１２のいずれか一項に記載の角速度センサ。
【請求項１４】
前記振動錘は、前記平面基板に接して、又は、前記平面基板と一体に形成される請求項１から１３のいずれか一項に記載の角速度センサ。
【請求項１５】
前記予め定められた方向に対し垂直な方向に発生する力を検出する第１の検出部と、
を備える請求項１から１４のいずれか一項に記載の角速度センサ。
【請求項１６】
前記予め定められた方向に発生する力を検出する第２の検出部と、
を備える請求項１５に記載の角速度センサ。
【請求項１７】
前記第１の検出部および前記第２の検出部は、楕円形状を有する検出電極を構成する
請求項１６に記載の角速度センサ。
【請求項１８】
前記筐体は、前記平面基板の外周を支え、
前記平面基板は、平面視で、前記筐体の外縁の形状と同じ形状である請求項１から１７のいずれか一項に記載の角速度センサ。
【請求項１９】
前記第１の検出部と前記第２の検出部の出力に基づき、前記角速度センサの角速度を算出する角速度算出部を備える請求項１６又は１７に記載の角速度センサ。
【請求項２０】
前記角速度算出部は、前記平面基板の辺の方向を回転軸の方向としたときの、該回転軸周りの角速度を算出する請求項１９に記載の角速度センサ。
【請求項２１】
前記角速度算出部は、ピッチ及び／またはロールの角速度を算出する請求項１９に記載の角速度センサ。
【請求項２２】
前記角速度算出部は、前記平面基板と前記振動錘とをパッケージするパッケージ部材の辺の方向を回転軸の方向としたときの、該回転軸周りの角速度を算出する請求項１９に記載の角速度センサ。
【請求項２３】
前記第１の検出部と前記第２の検出部の出力を、前記角速度センサの角速度を算出する角速度算出部に出力する請求項１６又は１７に記載の角速度センサ。
【国際調査報告】
2014178172.tif 000013
2014178172.tif 000014
2014178172.tif 000015
2014178172.tif 000016