专利名称：角速度传感器和电子装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种例如用于检测摄像机的相机抖动、虚拟现实装置(virtual reality apparatus)的移动以及汽车导航系统的方向的角速度传感器和电子装置。
背景技术：
作为消费者使用的角速度传感器，振动陀螺仪被广泛使用。振动陀螺仪通过以预定频率使振动器振动并且使用压电元件等检测在振动器中所生成的科里奥利力(Coriolis force)来检测角速度。将以上陀螺仪结合在诸如摄像机、虚拟现实装置以及汽车导航系统的电子装置中，每种陀螺仪被用作用于检测相机抖动、移动、方向等的传感器。在将这种类型的陀螺仪用于检测空间姿势的改变的情况下，存在一种沿着彼此垂直的二轴或者三轴方向设置陀螺仪的已知结构。例如，日本专利申请公开第 2000-283765号(第W019]段，图8 ；下文中称作专利文件1)公开了一种三个三音叉振动器(tripod-tuning-fork vibrator)被设置在基底上以在三轴方向上彼此垂直的三维角速度传感器。
发明内容
近年来，随着电子装置的小型化，要求结合在电子装置中的电子部件的小型化和薄化。然而，在专利文件1的结构中，为了检测二轴方向上的角速度，将两个振动器设置为其纵向彼此垂直。鉴于此，使得用于这些振动器的安装区域更大，这难以达到传感器的小型化。此外，为了检测在三轴方向上的角速度，将三个振动器设置为彼此垂直，这三个振动器之一的纵向被设置为指向垂直方向(厚度方向)。因此，出现传感器的厚度尺寸增大，并且难以薄化的问题。鉴于以上所述的情况，期望提供能够实现传感器薄化或者小型化的角速度传感器和电子装置。根据本发明的实施方式，提供了包括第一振动元件、第二振动元件以及支撑基板的角速度传感器。第一振动元件检测围绕与第一方向平行的轴的第一角速度。第二振动元件检测围绕与斜交于第一方向的第二方向平行的轴的第二角速度。第二振动元件是为了生成对应于围绕与垂直于第一方向的第三方向平行的轴的第三角速度的输出信号。支撑基板支撑第一振动元件和第二振动元件。在角速度传感器中，可以基于由第一振动元件检测的第一角速度的检测信号和由第二振动元件检测的第二角速度的检测信号使用三角函数通过简单计算来计算与第三角速度相对应的输出信号。第三方向可以是在第一方向和第二方向所属的第一平面上与第一方向垂直的方向。通过这种结构，可以减小振动元件在支撑基板上的安装区域(这对于检测在第一方向和第二方向所属的平面上彼此垂直的二轴方向上的角速度是必要的)，结果，
4可以实现角速度传感器的小型化。此外，在该平面与传感器的厚度方向平行的情况下，可以实现传感器的薄化。术语“第二方向与第一方向斜交”表示第一方向和第二方向不相互垂直。具体地， 当通过θ来表示通过第一方向和第二方向所形成的角时，将θ角的范围设置为ο< θ <90度，或者90度< θ <180度。可以根据要求的传感器的尺寸、厚度、灵敏度等适当设置角度θ。没有具体限制第一振动元件 第三振动元件的结构，可以是包括悬臂式音叉型振动器的振动元件或者包括具有多个节点的声音片式振动器(sound piece-type vibrator) 的振动元件。此外，在声音片式振动器的情况下，也没有限制梁的数量而是可以为一个、两个、或者三个或更多。在音叉型振动器和声音片式振动器的任何情况下，梁的截面形状可以为多边形(四角柱形或者三角柱形)或者圆(圆柱形)。另外，还可将该结构应用于除音叉型振动元件和声音片式振动元件以外的振动元件。此外，在这种情况下，可以获得与以上描述等同的效果。支撑基板可以具有与第一方向平行的第一表面，在该第一表面上，安装有第一振动元件和第二振动元件。通过该结构，可以执行以支撑基板的第一表面作为基准的安装，结果，可以提高第一振动元件的安装的可靠性。第一表面可以在与第一平面垂直的第二平面上。通过这种结构，与振动元件的检测轴被设置在彼此垂直的轴方向上的情况相比较，可以减小厚度方向上的支撑基板的尺寸。在这种情况下，角速度传感器可以进一步包括检测围绕与垂直于第一平面的第四方向平行的轴的第四角速度的第三振动元件。通过这种结构，可以输出与彼此垂直的三轴方向的角速度相对应的信号。可以将第三振动元件安装在支撑基板的第一表面上。通过这种结构，可能实现其中第一振动元件、第二振动元件以及第三振动元件安装在共用基板上的角速度传感器的薄化。在以上结构中，支撑基板可以包括在第一平面中的固定部，固定部将第二振动元件定位在沿着第二方向的检测轴上。通过这种结构，可以将第二振动元件稳定地安装在第一表面上。根据本发明的另一实施方式，提供了包括第一振动元件、第二振动元件、支撑基板以及信号处理电路的电子装置。第一振动元件检测围绕与第一方向平行的轴的第一角速度。第二振动元件检测围绕与斜交于第一方向的第二方向平行的轴的第二角速度。支撑基板支撑第一振动元件和第二振动元件。信号处理电路基于与通过第一振动元件所检测到的第一角速度相关的信号和与通过第二振动元件所检测到的第二角速度相关的信号，生成对应于围绕与垂直于第一方向的第三方向平行的轴的第三角速度的输出信号。如上所述，根据本发明的实施方式，可以实现角速度传感器的薄化或者小型化。如在附图中所示的，根据下文中具体描述的其最佳实施方式，本发明的这些和其他目的、特性以及优点将更加显而易见。
图1为示出根据本发明的第一实施方式的角速度传感器的主要部分的示意性平面图；图2为图1的整个角速度传感器的侧视图；图3为用在图1的角速度传感器中的振动元件的平面图；图4为沿着图3的线A-A所获得的截面图；图5为在图1的角速度传感器中检测围绕Z'轴方向的角速度的振动元件的侧视图；图6为示出图5的结构的变形实例的振动元件的侧视图；图7为用于说明在图1的角速度传感器中的用于围绕Z轴的角速度的操作方法的示意图；图8为示出在图1的角速度传感器中关于振动元件低剖面安装的水平和围绕Z轴的检测灵敏度的振动元件的安装角依赖性的示图；图9为示出基于图1的角速度传感器的输出信号生成角速度信号的信号处理电路的框图；图10为示出根据本发明的第二实施方式的角速度传感器的主要部分的示意性平面图；图11为在图10的角速度传感器中检测围绕Z'轴方向的角速度的振动元件的侧视图；图12为示出根据本发明的第三实施方式的角速度传感器的主要部分的示意性平面图；图13为在图12的角速度传感器中检测围绕Z'轴方向的角速度的振动元件的侧视图；图14为示出在图12的角速度传感器中的支撑基板的主要部分的截面图；图15为示出在图13中所示的支撑基板和振动元件之间的电连接结构的主要部分的截面图；图16为用于说明制作图12的角速度传感器的方法的示图；图17A为示出根据本发明的第四实施方式的角速度传感器的主要部分的示意性平面图，图17B为示出作为比较实例示出的角速度传感器的主要部分的示意性平面图；图18为示出根据本发明的第一实施方式的角速度传感器的变形实例的示意性结构图，其中，图18A为平面图而图18B为侧视图；图19为示出根据本发明的第一实施方式的角速度传感器的另一变形实例的示意性结构图，其中，图19A为平面图而图19B为侧视图；以及图20为示出根据本发明的第四实施方式的角速度传感器的变形实例的示意性结构图，其中，图20A为平面图而图20B为侧视图。
具体实施例方式下文中，将参照附图描述本发明的实施方式。(第一实施方式)
[总体结构]图1为示出根据本发明的第一实施方式的角速度传感器的示意性平面图。图2为设置有盖的角速度传感器的侧视图。如图1所示，假设彼此垂直的三轴为X轴、Y轴以及Z 轴，该实施方式的角速度传感器1具有在X轴方向上的水平方向、在Y轴方向上的垂直方向以及在Z轴方向上的厚度方向(图1的平面的正面-背面方向)。角速度传感器1包括三个振动元件10x、10y以及IOz'和支撑基板20。振动元件 IOx检测围绕与X轴平行的轴的旋转角速度，振动元件IOy检测围绕与Y轴平行的轴的旋转角速度。振动元件IOz'检测围绕与斜交于在YZ平面上的Y轴的方向平行的轴(下文中， 称作Z'轴)的旋转角速度。支撑基板共同支撑这些振动元件10x、10y以及IOz'。支撑基板20的正面形成为平行于X轴和Y轴所属的XY平面。与印刷电路板的情况一样，支撑基板20由其中配线图案形成在绝缘层的表面上的电路基板构成。并不具体限制支撑基板20的结构。例如，支撑基板20由多层配线基板构成，所述多层配线基板包括绝缘陶瓷基底材料、形成在其正面和其背面上的配线层、以及电连接层之间的这些配线层的通孑L。角速度传感器1包括驱动振动元件10x、10y以及IOz'的驱动电路。驱动电路由 IC芯片31、诸如芯片电容器和芯片电阻器等的各种无源部件32构成，并且这些电子部件连同振动元件10x、10y以及IOz' —起安装在支撑基板20上。角速度传感器1进一步包括盖40。盖40覆盖支撑基板20的表面并且从外部遮盖用于振动元件10x、10y以及IOz'等的安装空间。例如，盖40由诸如铝的金属材料形成。在支撑基板20的背面侧上，形成的是电连接至在支撑基板20的正面上的配线层的多个外部连接端51。角速度传感器1经由这些外部连接端51被安装在电子装置的控制基板(未示出)上。作为电子装置，例如，对应于数码相机(digital still camera)或者数字摄像机。在这种情况下，角速度传感器1用作相机抖动检测传感器。[振动元件]振动元件10x、10y以及IOz'均具有相同的结构。图3为振动元件10x、IOy以及 IOz'的平面图。图4为沿着图3的线A-A所获得的放大截面图。下文中，将参照图3和图 4描述振动元件10x、10y以及IOz'的结构。应该注意，在以下描述中，除单独描述振动元件10x、10y以及IOz'的情况以外，将振动元件10x、10y以及IOz'统称为“振动元件10”。 另外，在图3和图4中，将振动元件10的宽度方向设置为a轴方向，将振动元件10的长度方向(检测轴方向)设置为b轴方向，并且将振动元件10的厚度方向设置为c轴方向，并且a轴、b轴以及c轴彼此垂直。应该注意，在该实施方式中，振动元件均具有相同的结构， 但也可以使用具有不同结构的振动元件。振动元件10包括固定至支撑基板20的正面的基底11、以预定谐振频率振动的振动器12以及耦接基底11和振动器12的连接部(coupling portion) 13。集成地形成这些基底11、振动器12以及连接部13，例如，通过将单晶硅基板处理成为预定形状来形成这些基底11、振动器12以及连接部13。振动器12具有三个振动梁12a、12b以及12c。振动梁12a 12c由连接部13耦接。将振动梁12a 12c以固定间距排列在a轴方向上，并且其延伸方向(b轴方向)对于振动元件IOx来说是X轴方向，对于振动元件IOy来说是Y轴方向，对于振动元件IOz'来说是Z'轴方向。连接部13具有与基底11相等的宽度，从而在与基底11相等的宽度尺寸内支撑振动梁12a 12c。连接部13可以具有用于抑制振动梁12a 12c的振动传播至基底11的颈缩部(constriction) 13a。并不具体限制振动元件10的尺寸。在该实施方式中，元件的总长度为3mm，其总宽度为500 μ m,振动梁12a 12c的厚度为100 μ m,振动梁12a 12c的长度为1. 8 1. 9mm, 振动梁12a 12c的宽度为100 μ m,并且基底11的厚度为400 μ m。振动元件10具有安装表面10a，通过安装表面将振动元件10安装在支撑基板20 上。基底11、振动器12以及连接部13在安装表面IOa侧上形成连续平面。在安装表面IOa 的相对侧上的元件的非安装表面具有台阶10s，以该台阶IOs作为边界，基底11侧的厚度和振动器12侧的厚度彼此不同。在该实施方式中，基底11的厚度被形成为大于连接部13和振动器12的厚度，但是可以形成为相同而不形成台阶10s。在振动元件10的安装表面IOa上，形成了使振动器12振动的驱动电极，检测源于作用在振动器12上的科里奥利力的振动分量的检测电极，以及用于将驱动电极和检测电极电连接至支撑基板20的多个端子。如图4所示，在安装表面IOa侧上的振动梁12a 12c的表面上，形成了电极层和压电层的层叠结构。换句话说，在位于两端侧上的振动梁12a和振动梁12c的表面上，形成了下部电极层61a和61c、压电层62a和62c、以及上部电极层63a和63c。分别以预定长度在振动梁12a和12c的轴线上的位置处形成上部电极层63a和63c。将下部电极层61a 和61c均连接至参考电位，并且将上部电极层63a和63c均连接至生成驱动信号(交流电压信号)的振荡电路的输出端。下部电极层61a、压电层62a以及上部电极层63a构成使振动梁12a在垂直方向(c轴方向)上振动的第一驱动电极60a，并且下部电极层61c、压电层62c以及上部电极层63c构成使振动梁12c在垂直方向(c轴方向)上振动的第二驱动电极60c。此外，在位于中间的振动梁12b的表面上，形成了下部电极层61b、压电层62b以及上部电极层63bl和63b2。以预定宽度在关于振动梁12b的轴线对称的位置处形成上部电极层63b 1和63b2。将下部电极层61b连接至参考电位，并且将上部电极层63b 1和63b2 均连接至信号处理电路(未示出)。下部电极层61b、压电层62b以及上部电极层63bl构成检测围绕b轴的角速度的第一检测电极60bl，而下部电极层61b、压电层62b以及上部电极层63b2构成检测围绕b轴的角速度的第二检测电极60b2。在该实施方式的振动元件10上，当将同相驱动信号输入至第一驱动电极60a和第二驱动电极60c时，由于压电层62a和62c的压电功能，振动梁12a和12c在c轴方向上振动。由于振动梁12a和12c的振动，处于中间的振动梁12b也在c轴方向上振动。此时，振动梁12b以与在两端侧上的振动梁12a和12c相反的相位振动。应该注意，也可以在位于中间的振动梁12b的表面上设置驱动电极，使得位于中间的振动梁12b必然地以与振动梁 12a和12c相反的相位振动。第一检测电极60bl和第二检测电极60b2生成与振动梁12b的变形相对应的电压。检测电极60bl和60b2生成源于c轴方向的振动梁12b的振动的输出电压，并且将该电压输出至上述信号处理电路。这里，当生成关于b轴的旋转角速度时，与角速度的大小相对应的科里奥利力作用在振动器12上。科里奥利力的方向为与c轴方向垂直的a轴方向， 并且检测电极60bl和60b2检测沿着振动梁12b的a轴方向的振动分量。上述信号处理电路生成由检测电极60bl和60b2的输出的信号之和所构成的参考信号，并将该参考信号反馈到生成驱动信号的振荡电路。此外，当生成角速度时，检测电极 60b 1和检测电极60b2的检测电压具有相反的相位。上述信号处理电路生成这两个电极的差分信号(differential signal)，从而获得包括围绕b轴的角速度的大小和方向的信息的角速度信号。应该注意，上述信号处理电路可以包含在支撑基板20上的由IC芯片31等构成的驱动电路中，或者可以配置在安装有角速度传感器1的电子装置的控制基板上。将如上所述所构成的振动元件10 (10x、10y、10z')安装在如图1所示的支撑基板 20上。将振动元件10x、10y以及IOz'设置在支撑基板20上以使分别将其振动器12的纵向(检测轴)设置为朝向X轴、Y轴以及Z'轴。这里，将振动元件IOX和IOY设置为使其安装表面IOa与支撑基板20的表面平行。通过这种结构，使得能够以支撑基板20的表面作为基准来安装振动元件，结果，可以提高安装振动元件IOx和IOy的可靠性。至此，已经作为实例详细描述了三音叉类型。然而，如上所述的振动器的形状(音叉型、声音片式等)、振动片的数量(一片 多片)、电极结构、振动驱动方向以及检测方向等不仅限于以上情况。此外，在该实施方式中，通过倒装法(flip chip method)来安装振动元件IOx和 10y，使得其安装表面IOa面向支撑部件20。然而，可以通过配线结合方法将振动元件结合至支撑基板(使得振动元件的安装方向被设置为上部朝下)，并进行电连接。另一方面，相对于Y轴方向以预定角θ倾斜固定振动元件IOz'以使振动器12的检测轴指向Z'轴的方向，并且将角θ设置为0< θ <90度或者90度< θ <180度。 因此，固定振动器12的检测轴以相对于支撑基板20的表面所形成的角θ ‘被向上倾斜固定，并且将角θ ‘设置为0< θ ‘ <90度。Y轴方向和Z'轴方向所属的平面具有与平行于支撑基板20的表面的平面垂直的关系。图5为安装在支撑基板20上的振动元件IOz' 的截面侧视图。在支撑基板20的表面上，形成的是用于在沿着振动元件IOz'的方向的检测轴上定位的凹进部(固定部)25。根据要求的传感器的尺寸、厚度、灵敏度等适当设置角Θ'。在该实施方式中，将角θ ‘设置为大于等于15度并且小于等于45度。在这种情况下，将角θ设置为大于等于 15度并且小于等于45度，或者大于等于135度并且小于等于165度。该实施方式的支撑基板20由多层陶瓷基板制成。凹进部25由包括形成在正面层 20a中的第一凹进部25a，和形成在从第一凹进部25a中露出的第二层20b中的第二凹进部25b的多级凹进部构成。振动元件IOz'经由非导电粘合剂26结合至凹进部25。当适当调节第一凹进部25a和第二凹进部25b的尺寸和深度时，可以以期望姿势安装振动元件 IOz'。另外，当在振动元件IOz'的基底11中形成将与第一凹进部25a和第二凹进部25b 啮合的凹槽IOg时，能够将振动元件IOz'高精度定位至凹进部25。振动元件IOz'经由诸如焊料的导电粘结材料28电连接至支撑基板20。在这种情况下，通过导电粘结材料将形成在振动元件IOz'的基底11的安装表面侧上的电极衬垫 IOp结合至形成在支撑基板20上的焊盘20p。应该注意，可以采用使振动元件上部朝下的配线结合方法(wire bonding method)，来替代焊接。如图6所示，可以通过形成在支撑基板20的表面上的凸出部29构造将振动元件 IOz'的检测轴定位至Z'轴方向的固定部。在图6所示的实例中，例如，凸出部29具有相对于支撑基板20的表面以角θ倾斜的倾斜表面29a。在倾斜表面29a上，形成了与支撑基板20的配线层通信的连接衬垫，振动元件IOz'经由多个凸台(bump) IOb被安装至连接衬垫。[检测关于Z轴的角速度的方法]接下来，将描述通过根据该实施方式的角速度传感器1检测角速度的方法。当将驱动信号输入到驱动电极60a和60c时(图4)时，支撑基板20上的振动元件10x、10y以及IOz'均以预定谐振频率振动。例如，将谐振频率设置为大于等于IkHz并且小于等于100kHz，但是在音叉型振动元件中，可以将谐振频率设置为大于等于IOkHz并且小于等于50kHz。将谐振频率设置为与其中使用角速度传感器1的电子装置中的其他部件的频率不同的频率。另外，为了抑制振动元件之间的干扰(检测轴之间的串扰)，将振动元件的谐振频率设置为彼此相差至少IkHz或以上，更期望地，相差2kHz或以上。还可以通过缩短梁部的长度将谐振元件的谐振频率设置得更高。因此，当将倾斜设置的振动元件IOz'的谐振频率设置为最高时，可以将角速度传感器1的高度抑制为较低，这是有利的。振动元件IOx检测围绕与X轴方向平行的轴的角速度。振动元件IOy检测围绕与 Y轴方向平行的轴的角速度。振动元件IOz'检测围绕与Z'轴平行的轴的角速度。该实施方式的角速度传感器1通过使用振动元件IOy和振动元件IOz'输出围绕与Z轴平行的轴的角速度。具体地，角速度传感器1使用振动元件IOz'的检测信号以输出围绕Z轴的角速度。此时，振动元件IOz'的检测信号包括与围绕平行于Z轴的轴的角速度相关的信号和与围绕平行于Y轴的轴的角速度相关的信号。在这点上，在该实施方式中，振动元件IOy的检测信号用于校正振动元件IOz'的检测信号，结果，输出围绕平行于Z轴的轴的角速度。此外，在振动元件IOz'的检测信号中，当从Z轴的倾斜变得更大时，关于围绕Z轴的角速度的检测灵敏度降低，并且降低量为sin θ的函数。例如，在由Y轴方向和Z'轴方向所形成的角(Θ ‘)为30度的情况下，围绕Z轴的角速度的检测灵敏度减小至50%。因此，当将比其他振动元件IOx和IOy具有更高检测灵敏度(更高S/N比)的元件用作振动元件IOz'时，可以以高灵敏度检测围绕Z轴的角速度。图7为用于说明检测围绕Z轴的角速度的方法的示图。这里，用ωζ表示围绕Z 轴的角速度，用《y表示围绕Y轴的角速度，用ω θ表示围绕Z'轴的角速度，用ay表示振动元件IOy的灵敏度，用Vy表示振动元件IOy的输出，用α θ表示振动元件IOz'的灵敏度，并且用νθ (Vz')表示振动元件IOz'的输出。在以下表达式中表示振动元件IOy和IOz'的输出Vy和V θ。Vy = ay. ω y ... (1)V θ = α θ · ω θ ... (2)此外，使用coy禾Π ωζ将ω θ表示如下。ω θ = ω y · cos θ + ω ζ · sin θ ... (3)
当使用表达式(2)表示表达式(3)时，得到以下表示。V θ = α θ ( ω y · cos θ + ω ζ · sin θ ). . . (4)当重新整理表达式(4)的各项时，得到以下表达式。V θ - α θ · ω y · cos θ = α θ · ω ζ · sin θ利用表达式(1)，得到以下表达式。V θ -( α θ / α y) · Vy · cos θ = α θ . ω ζ · sin θ因此，ω ζ表示为如下。
ωζ={(νθ/αθ·^(Vy/ay)-cos0}/sin0 ... (5)当灵敏度α θ和灵敏度ay彼此相等时，与围绕Z轴的角速度相对应的基于振动元件IOy的输出Vy和振动元件IOz'的输出V θ的输出(Vz)如下。Vz = (V θ -Vy · cos θ ) /sin θ . · · (5)‘图8示出了关于振动元件IOz'的低剖面安装的水平和ω ζ的检测灵敏度的振动元件IOz'的安装角θ ‘ <90度)依赖性。在纵轴的检测灵敏度中，将θ ‘ =90度的灵敏度标准化为1，在低剖面安装中，将以θ ‘ = 0度的低剖面安装的水平标准化为1。 如图8所示，当角Θ'变得更接近90度时(当角变得越垂直于支撑基板的表面时)，检测灵敏度变得更高，但是减小了低剖面安装的水平(即，高度尺寸变得更大)。在θ ‘ ^45 度时，与振动元件ζ'安装在垂直方向上的情况相比，可以将振动元件ζ'的剖面降低30% 或以上。此外，在θ ‘ <30度时，可以将包括盖40的传感器的厚度抑制为小于等于2mm的期望范围。在Θ' =30士5度的情况下，可以将检测灵敏度和低剖面安装的水平设置至约为最大值的一半。随着安装角θ ‘变小，改善了剖面减小的效果。然而，当考虑噪声等级为与角度无关的常数的事实时，期望将检测灵敏度设置为没有降低至其最大值的1/4以下的范围内，并且这时θ的最小值为15度。接下来，图9为示出用于生成分别与角速度ωχ、coy以及ω z相对应的输出信号 Vx、Vy以及Vz的信号处理电路的实例的框图。振动元件10x、10y以及IOz'的每个从驱动电路(振荡电路)31接收驱动信号并且以预定频率被驱动。振动元件10x、10y以及IOz' 的输出分别通过放大器33x、33y以及33z'被放大，然后，分别被提供给同步检测器34x、 34y以及34z'。同步检测器34x、34y以及34z‘与从驱动电路31输出的驱动信号同步地对该放大信号进行全波整流，并且选取分别与角速度ωχ、coy、ωζ相对应的输出信号Vx、 Vy以及Vz。这里，在角速度输出信号Vz中，如在表达式(5)或者(5)'中所表示的，振动元件IOz'的输出由振动元件IOy的输出来校正。在图9中所示的电路实例中，将以Al = cos θ的放大率在反向放大器35中被反向放大的输出》tVy_COS0)提供给加法器36。 加法器36将上述输出和振动元件IOz'的输出(Vz' =νθ)相加，并且将所得的输出信号 (V θ -Vy-cose)输出至放大器37。放大器37以A2(l/sin θ )的放大率放大该输出，从而输出与表达式(5)中所示的围绕Z轴的角速度ω ζ相对应的信号Vz。根据如上所述构成的该实施方式的角速度传感器1，将用于输出围绕与Z轴平行的轴的角速度的振动元件IOz'的检测轴设置在相对于Z轴方向倾斜的倾斜方向上。因此， 可以减小角速度传感器1沿着Z轴方向的厚度尺寸。
此外，根据该实施方式，可以构成能够检测围绕彼此垂直的X轴、Y轴以及Z轴的角速度的三轴角速度传感器。通过这种结构，可以得到多功能角速度传感器。另外，根据该实施方式的角速度传感器被结合在诸如数码相机、摄像机、虚拟现实装置以及汽车导航系统的电子装置中，并且被用作用于检测相机抖动、移动、方向等的传感器部件。具体地，根据该实施方式，可以将该传感器小型化和薄化，结果，还可以很好地满足电子装置的小型化、薄化等的要求。(第二实施方式)图10为示出根据本发明的第二实施方式的角速度传感器的示意性平面图，图11 为示出其主要部分的侧视图。在图10和图11中，用相同的参考标号来表示与第一实施方式相对应的部分，并且将省略其详细描述。在该实施方式的角速度传感器2中，将检测围绕与Z'轴平行的轴的角速度的振动元件IOz'安装在支撑基板20上以使其振动梁12a 12c的配置方向属于与支撑基板 20的表面垂直的平面。在振动元件IOz'的基底11上形成安装表面Ilm以使处于安装在支撑基板20上的状态下的振动梁12a 12c的延伸方向与平行于Z'轴的轴方向对准。安装表面Ilm形成在基底11的一侧上。安装表面Ilm具有在以角θ与振动梁 12a 12c相交的方向上所形成的平面形状，并且在其一边缘部处，形成了电结合至支撑基板20的焊盘部的多个端子lie。对于焊盘部和端子lie之间的电连接，可以使用诸如焊料和金属导线的电结合材料。可以使用非导电粘合剂将安装表面Ilm结合至支撑基板20。此外，在如上所述构成的该实施方式的角速度传感器2中，产生与第一实施方式相同的作用和效果。具体地，根据该实施方式，将基底11相对于支撑基板20的结合宽度抑制为基底11的厚度尺寸，结果，与第一实施方式相比，可以减小用于振动元件IOz'的安装区域。(第三实施方式)图12为根据本发明的第三实施方式的角速度传感器的示意性平面图。在图12中， 用相同的参考标号来与表示该实施方式的相对应的部分，并且将省略其详细描述。在该实施方式的角速度传感器3中，与在上述第二实施方式中一样，将振动元件 IOz'安装在支撑基板20上以使其振动梁12a 12c的配置方向属于与支撑基板20的表面垂直的平面。该实施方式的角速度传感器3与在将振动元件IOz'固定至支撑基板20的结构的上述第二实施例不同，具有连接振动元件IOz'和支撑基板20的辅助板70。辅助板 70支撑振动元件IOz'以使处于安装在支撑基板20上的状态下的振动梁12a 12c的延伸方向与平行于Z'轴的轴方向对准。图13为角速度传感器3的主要部分的侧视图，示出了经由辅助板70安装在支撑基板20上的振动元件IOz'。与支撑基板20类似地，辅助板70由印刷电路板构成。辅助板70包括电连接至振动元件IOz'的第一端子71和电连接至支撑基板20的第二端子72。 将辅助板70形成为矩形，但是该形状并不仅限于此。振动元件IOz'通过倒装法(flip chip method)被安装至辅助板70并且经由凸台IOb被连接至第一端子71。尽管没有限于此，但是可以通过配线结合方法将振动元件 IOz'安装在辅助板70上。辅助板70通过作为连接端部的其下边缘部70a被连接至支撑基板20的表面。图14为示出连接辅助板70的支撑基板20的表面区域的平面图。在支撑基板20的表面中，形成了将辅助板70的连接端部70a嵌合到其中的连接凹槽20g。连接凹槽20g在相对于支撑基板20的表面的垂直方向上支撑辅助板70。为了将连接端部70a固定至连接凹槽20g，例如，可以使用粘合剂。在支撑基板20的表面上，在形成连接凹槽20g的区域附近形成电连接至辅助板 70的多个焊盘20p。此外，如图13所示，在振动元件IOz'在连接辅助板70时妨碍支撑基板20的表面的情况下，相邻于连接凹槽20g形成容纳振动元件IOz'的基底11的间隙凹槽 20v。图15为示出支撑板20和辅助板70之间的电连接结构的主要部分的截面图。当将辅助板70连接至支撑基板20时，辅助板70的第二端子72形成在与在支撑基板20上形成焊盘20p的位置相对应的位置处。如图15所示，使用诸如焊料的导电结合材料28将第二端子72和焊盘20p彼此电连接。在如上所述所构成的根据该实施方式的角速度传感器3中，在将振动元件IOz' 安装至辅助板70以后，振动元件IOz'经由辅助板70被安装在支撑基板20上。在将辅助板70完全连接至支撑基板20以后，电连接第二端子72和焊盘20p。根据该实施方式，可以将振动元件IOz'安装至在平面上的辅助板70，结果，可以确保安装振动元件IOz'的可靠性。另外，可能稳定地获得相对于支撑基板20的预定倾斜角θ。此外，可以作为其中集成了振动元件IOz'和辅助板70的单元基板来处理振动元件 IOz'。图16为示出制作上述单元基板的方法的实例的平面图。通过从一母基板700剪切成为预定形状来形成辅助板70。母板700由可以同时形成多个辅助板70的大尺寸基板制成。如图16所示，在母板700的表面上，在剪切为辅助板70的每个区域(单元区域) 中形成第一端子71、第二端子72以及连接第一端子71和第二端子72的配线73。使用固定器(未示出)通过倒装方法将振动元件IOz'安装至每个单元区域中的第一端子71。此时，当将母板700的宽度方向设置为Y轴方向时，可以将振动元件IOz'安装为其方向指向相对于Y轴以预定角(Θ)倾斜的Z'轴方向。在将振动元件IOz'安装至母板700上的所有单元区域以后，以单元区域为单位将母板700划分(剪切)为独立部件。从而，同时形成了均集成了振动元件IOz'和辅助板70的多个单元基板。如上所述，使用大尺寸母板700，与将振动元件IOz'安装至每块辅助板70的情况相比较，可以提高安装振动元件IOz ‘的操作性能，并且还可以改善可操纵性能。此外，所有的振动元件IOz可以经受在母板700上的最后检查。另外，视需要执行利用激光照射振动体以调节谐振频率或者振动元件失谐电平(垂直谐振频率和水平谐振频率之间的偏差)的步骤。在这种情况下，可以在母板700上的所有振动元件IOz'上分别执行该步骤，结果，可以提高可操作性。(第四实施方式)图17Α为根据本发明的第四实施方式的角速度传感器的示意性平面图。应该注意，在图17Α中，用相同的参考标号来表示与第一实施方式相对应的部分，并且将省略其详细描述。
将该实施方式的角速度传感器4构成作为检测X轴和Y轴的双轴方向上的角速度的双轴角速度传感器。在角速度传感器4中，将两振动元件IOx'和IOy安装在支撑基板20上。振动元件IOx'具有在XY平面内相对于Y轴以预定角θ倾斜的X'轴方向上的检测轴，并且检测围绕与X'轴平行的轴的旋转角速度。另一方面，振动元件IOy具有在Y轴方向上的检测轴，并且检测围绕与Y轴平行的轴的旋转角速度。角速度传感器4基于振动元件IOx'的检测信号和振动元件IOy的检测信号检测围绕与X轴平行的轴的旋转角速度。在该实施方式中，将X'轴和Y轴所属的平面形成为平行于支撑基板20的表面。 因此，通过以下表达式(与在表达式(5)中一样)来计算X轴方向上的角速度ωχ。
ωχ={(νθ/αθ·^(Vy/ay)-cos0}/sin0 ... (6)这里，V θ和Vy分别表示振动元件IOx'的输出和振动元件IOy的输出，并且α θ 和a y分别表示振动元件IOx'的检测灵敏度和振动元件IOy的检测灵敏度。根据该实施方式，可以检测围绕与X轴方向平行的轴的角速度而无需使用其检测轴指向X轴方向的振动元件。因此，可以减小对于检测在双轴方向上的角速度有必要的振动元件的安装区域。另外，可以使在X轴方向上的支撑基板20的宽度尺寸变小。为了比较，在图17B中示出了其中将振动元件配置在X轴方向和Y轴方向上的角速度传感器5。根据该实施方式的角速度传感器4，与根据比较实例的角速度传感器5相比较，在X轴方向上的宽度尺寸可以减小AW。因此，根据该实施方式，可以实现角速度传感器的小型化。至此，已经描述了本发明的实施方式，但是当然，本发明不仅限于此，而是可以基于本发明的技术思想进行各种变形。在以上实施方式中，例如，作为检测三轴方向上的角速度的角速度传感器，如图1、 图10以及图12所示将振动元件设置在支撑基板上，但是角速度传感器不仅限于此。可以如图18和图19所示设置振动元件。在图18A和图18B所示的配置实例中，设置了检测围绕与X轴方向平行的轴的角速度的振动元件G1，检测用于输出围绕与Z轴方向平行的轴的角速度的信号的振动元件 G2，以及检测围绕与Y轴方向平行的轴的角速度的振动元件G3。振动元件G2的检测轴在XY 平面内相对于X轴以第一预定角与X轴相交，并且在XZ平面内以第二预定角与X轴相交。 通过这种方式，即使在设置了振动元件G2并且因此将IC芯片安装在用于振动元件G2的一部分安装区域上的情况下，也可以设置振动元件G2而同时避免干扰IC芯片。因此，可以同时实现检测X轴、Y轴以及Z轴的三轴方向上的角速度的角速度传感器的薄化和小型化。在图19A和图19B中所示的配置实例中，设置了检测围绕与X轴方向平行的轴的角速度的振动元件G1，检测用于输出围绕与Z轴方向平行的轴的角速度的信号的振动元件 G2，以及检测用于输出围绕与Y轴方向平行的轴的角速度的信号的振动元件G3。振动元件 G2的检测轴在XZ平面上以第一预定角与X轴相交，振动元件G3的检测轴在XY平面上以第二预定角与X轴相交。因此，可以构造检测在X轴、Y轴以及Z轴的三轴方向上的角速度的角速度传感器。在图18和图19中所示的振动元件的配置实例中，当从Z轴方向观看时，振动元件
14被设置为彼此重叠，结果，实现了支撑基板20的小型化。当然，也可以将振动元件设置为使振动元件在Z轴方向上彼此不重叠。此外，在上述实施方式中，作为检测双轴方向上的角速度的角速度传感器，如图 17A所示，将振动元件设置在支撑基板上，但是角速度传感器不仅限于此。可以如图20所示地设置振动元件。具体地，在20A和图20B中所示的配置实例中，设置了检测围绕与X轴方向平行的轴的角速度的振动元件Gl和检测用于输出围绕与Z轴方向平行的轴的角速度的信号的振动元件G2。振动元件G2的检测轴在)(Z平面上以预定角与X轴相交。因此，可以构造检测在X轴和Z轴的双轴方向上的角速度的角速度传感器。另一方面，在上述实施方式中，已经采用具有三个梁的三音叉型振动元件作为振动元件。然而，代替这种振动元件，可以使用具有一个或者两个梁或者多个梁的音叉型振动兀件，声音片式振动兀件(sound piece-type vibration element)等。另外，在上述第一实施方式中，用于驱动和检测的压电层形成在安装在支撑基板 20上的振动元件的安装表面IOa侧上，但是压电层也可以形成在振动元件的非安装表面侧上。本申请包含涉及于2009年12月22日向日本专利局提交的日本优先专利申请JP 2009-290504中所公开的主题，其全部内容结合于此作为参考。本领域的技术人员应该理解，根据设计要求和其它因素，可以进行各种变形、组合、再组合和修改，只要它们包含在本发明的权利要求或等同替换的范围之内。
权利要求
1.一种角速度传感器，包括第一振动元件，检测围绕与第一方向平行的轴的第一角速度； 第二振动元件，检测围绕与斜交于所述第一方向的第二方向平行的轴的第二角速度， 并且生成与围绕垂直于所述第一方向的第三方向平行的轴的第三角速度相对应的输出信号；以及支撑基板，支撑所述第一振动元件和所述第二振动元件。
2.根据权利要求1所述的角速度传感器，其中，所述第三方向在所述第一方向和所述第二方向所属的第一平面上与所述第一方向垂直。
3.根据权利要求2所述的角速度传感器，其中，所述支撑基板具有与所述第一方向平行的第一表面，所述第一振动元件和所述第二振动元件安装在所述第一表面上。
4.根据权利要求3所述的角速度传感器，其中，所述第一表面在与所述第一平面垂直的第二平面上。
5.根据权利要求4所述的角速度传感器，进一步包括第三振动元件，检测围绕与垂直于所述第一平面的第四方向平行的轴的第四角速度。
6.根据权利要求5所述的角速度传感器，其中，所述第三振动元件安装在所述支撑基板的所述第一表面上。
7.根据权利要求4所述的角速度传感器，其中，所述支撑基板包括在所述第一表面内的固定部，所述固定部将所述第二振动元件定位在沿着所述第二方向的检测轴上。
8.根据权利要求7所述的角速度传感器，其中，所述固定部为形成在所述第一表面中的凹进部，以及其中，将所述凹进部用于在所述第二振动元件关于所述第二方向倾斜的状态下定位所述第二振动元件。
9.根据权利要求7所述的角速度传感器， 其中，所述固定部包括凹槽，形成在所述第一表面中，以及辅助板，包括与所述凹槽嵌合的连接端部，所述辅助板在所述第二振动元件关于所述第二方向倾斜的状态下支撑所述第二振动元件。
10.根据权利要求1所述的角速度传感器，进一步包括第三振动元件，检测围绕与垂直于所述第一平面的第四方向平行的轴的第四角速度。
11.根据权利要求1所述的角速度传感器，其中，所述第一方向和所述第二方向形成大于等于15度并且小于等于45度的范围和大于等于135度并且小于等于165度的范围之一的范围内的角。
12.根据权利要求1所述的角速度传感器，其中，所述第一振动元件具有第一检测灵敏度，以及其中，所述第二振动元件具有高于所述第一检测灵敏度的第二检测灵敏度。
13.根据权利要求1所述的角速度传感器，其中，所述支撑基板进一步包括第二表面，在所述第二表面上，形成有用于安装至外部基板的表面的多个外部连接端，所述第二表面与所述第一表面相对。
14.根据权利要求1所述的角速度传感器，其中，所述第一振动元件和所述第二振动元件均包括振动器， 基底，固定至所述支撑基板并且支撑所述振动器， 驱动部，形成在所述振动器的表面上并且使所述振动器振动，以及检测部，形成在所述振动体的所述表面上并且检测源于作用在所述振动体上的科里奥利力的振动分量。
15.根据权利要求1所述的角速度传感器，进一步包括信号处理电路，基于与由所述第一振动元件所检测到的所述第一角速度相关的信号和与由所述第二振动元件所检测到的所述第二角速度相关的信号，生成与围绕平行于所述第三方向的所述轴的所述第三角速度相对应的输出信号，所述第三方向在所述第一方向和所述第二方向所属的第一平面上垂直于所述第一方向。
16.一种电子装置，包括第一振动元件，检测围绕与第一方向平行的轴的第一角速度； 第二振动元件，检测围绕与斜交于所述第一方向的第二方向平行的轴的第二角速度； 支撑基板，支撑所述第一振动元件和所述第二振动元件；以及信号处理电路，基于与由所述第一振动元件所检测到的所述第一角速度相关的信号和与由所述第二振动元件所检测到的所述第二角速度相关的信号，生成对应于围绕与垂直于所述第一方向的第三方向平行的轴的第三角速度的输出信号。
全文摘要
本发明涉及角速度传感器和电子装置。提供了包括第一振动元件、第二振动元件以及支撑基板的角速度传感器。第一振动元件检测围绕与第一方向平行的轴的第一角速度。第二振动元件检测围绕与斜交于第一方向的第二方向平行的轴的第二角速度，并且生成与围绕垂直于第一方向的第三方向平行的轴的第三角速度相对应的输出信号。支撑基板支撑第一振动元件和第二振动元件。
文档编号G01C19/56GK102168975SQ20101060158
公开日2011年8月31日 申请日期2010年12月22日 优先权日2009年12月22日
发明者大沼博, 日野幸喜, 本多顺一, 稻熊辉往, 青砥隆德, 高桥和夫 申请人:索尼公司