図1、図2は本発明の実施の形態における� �速度および加速度検出用複合センサの分解� �視図と斜視図である。図3はこの角速度およ� ��加速度検出用複合センサにおける角速度検� ��素子の斜視図である。図4はこの角速度検出 素子における第1の腕部の側断面図である。� �5はこの角速度および加速度検出用複合セン� ��のケースにおける角速度信号処理ICおよび� �速度信号処理ICの近傍の側断面図である。図 6はこのケースの下面図である。この複合セ� �サは角速度検出素子41と、加速度検出素子50� ��、角速度信号処理IC54と、加速度信号処理IC6 0と、ケース51と、コンデンサ66と、収納部67� �、載置部69と、カバー78とを有する。

 音叉形状の角速度検出素子41は図3に示す� ��うに、第1の腕部41Aと、第2の腕部41Bと、接� �部41Cにより構成されている。接続部41Cは第1� ��腕部41Aの一端と第2の腕部41Bの一端とを接続 している。また図3、図4に示すように、角速� ��検出素子41は基材42と、共通GND電極43と、圧� ��層44と、一対の第1の駆動電極45と、一対の� �2の駆動電極46とを有する。

 基材42はシリコン(Si)で構成されている。� ��通GND電極43は白金(Pt)とチタン(Ti)の合金薄膜 からなり、基材42の上面の全面にわたって設� ��られている。圧電層44はチタン酸ジルコン� �鉛(PZT)薄膜からなり、共通GND電極43の上面に� ��けられている。第1の駆動電極45は、角速度� ��出素子41の上面の略中央の内側に位置する� �うに、圧電層44の上面に設けられている。第 2の駆動電極46は角速度検出素子41の略中央で� ��1の駆動電極45より外側に位置して圧電層44� �上面に設けられている。

 さらに、角速度検出素子41の上面の、第1� ��駆動電極45より先端側には、圧電層44の上面 に一対の検出電極47が設けられている。一方� ��第1の駆動電極45より根元側は、圧電層44の� �面にモニター電極48が設けられている。さら に、接続部41Cにおいて圧電層44の表面にGND電� ��49が設けられている。

 加速度検出素子50は、印加された加速度� �電気信号に変換する。加速度検出素子50の一 例やその動作原理は例えば米国特許第6829937� �明細書に開示されている。

 ケース51は、図5に示すように、内底面か� ��外底面にわたってセラミックと配線用導体� ��層構造からなる多層回路基板で構成されて� ��る。ケース51は角速度検出素子41、加速度検 出素子50、角速度信号処理IC54および加速度信 号処理IC60を収納している。

 ケース51の最も低い内底面である載置面52 Lには、第1ケース接続電極である複数のケー� ��接続電極53Aが設けられている。また、載置� ��52Lより高い位置である配線面52Uには第2ケー ス接続電極であるケース接続電極53Bが設けら れている。なおケース51の内部における配線� ��省略している。

 図1に示すように、ケース51の内側には段� ��部53Cが設けられている。蓋51Aはケース51に� �ける開口部を閉塞している。角速度検出素� �41における接続部41Cの下面は段差部53Cの上面 に固着されている。なお図示しないが、ケー ス51の配線面52U上には後述するケース接続電� ��53Bと同様の電極が複数設けられている。第1 の駆動電極45、第2の駆動電極46、検出電極47� �モニター電極48およびGND電極49は、配線面52U� ��の電極とワイヤ65を介してワイヤボンディ� �グにより電気的に接続されている。

 角速度信号処理IC54の底面には機能部55が� ��けられ、機能部55にはケース接続電極53Aと� �向するように複数のIC電極56が設けられてい� ��。また、角速度信号処理IC54の上面には非機 能部57が設けられている。電極バンプ58は角� �度信号処理IC54におけるIC電極56と、ケース51� ��おけるケース接続電極53Aとを電気的に接続� ��ている。アンダーフィル59は角速度信号処� �IC54におけるIC電極56を除く全面にわたって設 けられている。アンダーフィル59は、角速度� ��号処理IC54をケース51の内底面(載置面52L)に� �着している。

 加速度信号処理IC60の下面には非機能部61� ��設けられている。非機能部61は、角速度信� �処理IC54における非機能部57と接着剤62により 接続されている。すなわち、角速度信号処理 IC54と加速度信号処理IC60はケース51内で積層� �れている。そのため、角速度および加速度� �出用複合センサが小型化できる。

 加速度信号処理IC60の上面には機能部63が� ��けられている。機能部63には加速度信号処� �IC60の上面と略同一面上に位置してIC電極64が 設けられている。IC電極64はケース51に設けら れたケース接続電極53Bとワイヤ65により電気� ��に接続されている。

 すなわち、角速度信号処理IC54と加速度信 号処理IC60は、互いに接合された面にそれぞ� �非機能部57、61を有する。また非機能部57、61 が設けられた面と対向する面側にそれぞれ機 能部55、63を有する。機能部55には外部接続用 の電極であるIC電極56が設けられ、機能部63に は外部接続用の電極であるIC電極64が設けら� �ている。したがって機能部55に設けられたIC� ��極56をケース接続電極53Aに直接に、あるい� �電極バンプ58を用いて必要最小限の距離で電 気的に接続することができる。その結果、角 速度および加速度検出用複合センサが小型化 できる。また電極バンプ58を用いることによ� ��、IC電極56とケース接続電極53Aとを容易に電 気的に接続することができる。

 そして角速度信号処理IC54の機能部55は、� ��ース51におけるケース接続電極53Aに直接に� �気的に接続されている。これにより、回路� �板が不要となるため、角速度および加速度� �出用複合センサを小型化することができる� �

 また加速度信号処理IC60の上面と略同一面 上に位置してケース51にケース接続電極53Bが� ��けられている。すなわち、配線面52Uは、載� ��面52Lで積層された角速度信号処理IC54と加速 度信号処理IC60の合計の高さと同等の高さに� �置する。そしてケース接続電極53Bは配線面52 Uに形成されている。IC電極64は加速度信号処� ��IC60の上面に設けられている。そしてケース 接続電極53BとIC電極64とがワイヤ65により電気 的に接続されている。この構造により、角速 度信号処理IC54に影響されずに、IC電極64をケ� ��ス接続電極53Bに電気的に接続することがで� ��る。

 また図6に示すように、ケース51の外底面� ��はケース電源電極52A、ケースGND電極52B、ケ� ��ス角速度出力電極52C、ケース加速度出力電� ��52D、およびコンデンサ電極52Eが一体に設け� ��れている。図示していないがケース51内に� �内層電極やスルーホール電極が形成されて� �る。これらにより配線面52U上に設けられた� �ース接続電極53Bやそれと同様の電極と、電� �52A~52Eとが接続されている。

 ケース51の内層の詳細な接続構造の説明� �省略する。この接続構造によってケース電� �電極52Aは角速度信号処理IC54を介して角速度� ��出素子41の第1の駆動電極45と第2の駆動電極4 6とに接続されている。またケース電源電極52 Aは加速度信号処理IC60を介して加速度検出素� ��50に電気的に接続されている。またケースGN D電極52Bは角速度信号処理IC54を介して角速度� ��出素子41のGND電極49に電気的に接続されてい る。ケース角速度出力電極52Cは角速度信号処 理IC54を介して角速度検出素子41の検出電極47� ��電気的に接続されている。ケース加速度出� ��電極52Dは加速度信号処理IC60を介して加速度 検出素子50に電気的に接続されている。すな� ��ち、ケース51は角速度検出素子41と角速度信 号処理IC54とを電気的に接続するとともに、� �速度検出素子50と加速度信号処理IC60とを電� �的に接続している。

 コンデンサ66はコンデンサ電極52Eに実装� �れている。コンデンサ66はノイズ除去のため に用いられる。樹脂製の収納部67は、垂直の� ��向が角速度の検知軸と平行になるように、� ��速度の被測定物である相手側基板(図示せず )に接合される。収納部67にはケース51が収納� ��れる。収納部67には、ケース51におけるケー ス電源電極52A、ケースGND電極52B、ケース角速 度出力電極52C、ケース加速度出力電極52Dと電 気的に接続される少なくとも4つの端子68が一 体に埋設されている。

 載置部69は収納部67の略中央に位置して前 述した角速度の検知軸と略平行に設けられ、 ケース51を載置している。載置部69には端子68 が埋設され、載置部69から端子68の先端部70が 露出している。載置部69にケース51を載置す� �ことにより、ケース51における電極52A~52Dが� �置部69における端子68の先端部70に電気的に� �続される。

 端子68の先端部70はケース51とも機械的に� ��続されている。具体的には電極52A~52Dとそれ ぞれの端子68はクリーム半田により接続され� ��。そのため、ケース51は収納部67に他端が一 体に埋設された端子68により周囲から支持さ� ��ている。また、収納部67の外底面には、図2� ��示すように、8つの電極用凹部71が設けられ� ��いる。収納部67に一体に埋設された端子68の 他端側の先端部は電極用凹部71に露出してい� ��。このようにして、電源電極72、GND電極73、 角速度出力電極74、加速度出力電極75が設け� �れている。またこれ以外に4つの固定用電極7 6が設けられていてもよい。さらに、収納部67 の外底面には3つの凹部77が設けられている。

 金属製のカバー78には、図1に示すように� ��開口部側に3つの係止爪79を有する。係止爪7 9を図2に示す収納部67における凹部77でかしめ 固定することにより、GND電位接続部81が収納� ��67の外底面に設けられている。

 以上のように構成された角速度および加� ��度検出用複合センサの組立方法を、図7A~図7 Fを参照して説明する。

 まず、図7Aに示すように、Siからなる基材 42を予め準備する。そして図7Bに示すように� �基材42の上面にPtとTiの合金薄膜からなる共� �GND電極43を蒸着により形成する。その後、図 7Cに示すように、共通GND電極43の上面にPZT薄� �からなる圧電層44を蒸着により形成する。

 次に、図7Dに示すように、圧電層44の上面 にTiとAuの合金薄膜からなる形成途上電極45A� �蒸着により形成する。その後、図7Eに示すよ うに、所定の形状になるように、共通GND電極 43、圧電層44および形成途上電極45Aの不要な� �所を除去する。これにより圧電層44の上面に 図3に示す第1の駆動電極45、第2の駆動電極46� �検出電極47、モニター電極48およびGND電極49� �形成する。

 次に、共通GND電極43に電圧を印加すると� �もに、第1の駆動電極45、第2の駆動電極46、� �出電極47、モニター電極48およびGND電極49を� �地することにより、圧電層44を分極する。次 に、基材42における不要な箇所を除去するこ� ��により、図7Fに示すように、個片の角速度� �出素子41を形成する。

 一方、セラミックからなる絶縁体(図示せ ず)と配線用導体(図示せず)とからなる多層回 路基板で構成したケース51を用意する。ケー� ��51の上面には、載置面52L、配線面52U、段差� �53Cを設けておく。また金(Au)からなるケース� ��続電極53A、ケース接続電極53Bをそれぞれ載� ��面52Lと配線面52Uに形成する。さらに、図6に 示すようにケース51の下面に銀(Ag)からなる電 極52A~52Eを形成する。

 次に、図1に示すように、ケース51の上面� ��外周にわたってセラミックからなる側壁52G� ��形成する。その後、側壁52Gの上面にコバー� ��からなる金属枠52Fを固着する。

 次に、ケース51におけるケース接続電極53 Aの上面に、電極バンプ58を載置する。その後 、電極バンプ58の上面に角速度信号処理IC54に おけるIC電極56が位置するように、角速度信� �処理IC54を載置面52L上に載置する。

 次に、図5に示すように、ケース51と角速� ��信号処理IC54との間に、アンダーフィル59を� ��入する。その後、約175℃にて約90分加熱し� �アンダーフィル59を硬化させて、ケース51の� ��面に、角速度信号処理IC54を圧接するように 固着する。

 このようにケース51の内底面(載置面52L)に 設けられたケース接続電極53Aと角速度信号処 理IC54の外底面に設けられたIC電極64とは、電� ��バンプ58により電気的に接続されている。� �のため、小型で、かつ容易に角速度信号処� �IC54をケース接続電極53Aに直接に電気的に接� ��することができる。

 次に、角速度信号処理IC54における非機能 部57の上面に接着剤62を塗布する。その後、� �機能部61が非機能部57に当接するように、加� ��度信号処理IC60を角速度信号処理IC54の上に� �置する。そして接着剤62を硬化させることに より、角速度信号処理IC54の上面に加速度信� �処理IC60を固着する。

 次に、ケース51におけるケース接続電極53 Bと、加速度信号処理IC60におけるIC電極64とを ワイヤ65を介して、ワイヤボンディングによ� ��電気的に接続する。次に、コンデンサ66を� �ース51におけるコンデンサ電極52Eにはんだ付 けする。

 次に、角速度検出素子41における接続部41 Cの下面をケース51の段差部53Cの上面に固着す る。その後、角速度検出素子41の上面に形成� ��れた第1の駆動電極45、第2の駆動電極46、検� ��電極47、モニター電極48およびGND電極49と、� ��ース51の配線面52U上に設けられた各電極と� �ワイヤボンディングにより電気的に接続す� �。次に、ケース51の開口部に、金属製の蓋51A をシーム溶接により窒素雰囲気中で固着する 。

 次に、予め折り曲げることにより屈曲部� ��設けた8つの端子68を成形金型(図示せず)に� �置する。その後、この成形金型に溶融して� �る樹脂を流し込み、端子68の一端側を埋設す る載置部69を形成する。この際、端子68の先� �部70が載置部69から露出するようにする。こ� ��状態の載置部69に対し、端子68の先端部70と� ��対側の他端が埋設するようにして収納部67� �形成する。この際、収納部67における外底面 には電極用凹部71および凹部77を形成する。� �た、電極用凹部71から端子68における他端側� ��先端部が露出するようにする。

 次に、載置部69にケース51を載置した後、 載置部69における裏面側から端子68の先端部70 と電極52A~52Dとをはんだ付けする。すなわち� �端子68と電極52A~52Dとを電気的に接続する。

 次に、電極用凹部71に位置している、端� �68における他端側の先端部を折り曲げて、図 2に示すように収納部67の外底面に電源電極72� ��GND電極73、角速度出力電極74、加速度出力電 極75および4つの固定用電極76を形成する。

 最後に、カバー78を収納部67にかぶせた後 、係止爪79を収納部67の外底面に設けられた� �部77にそれぞれ位置させてかしめ固定する。 このようにしてGND電位接続部81を収納部67の� �底面に形成する。

 以上のように構成された角速度および加� ��度検出用複合センサの動作を説明する。ま� ��、角速度検出素子41における第1の腕部41Aお� ��び第1の腕部41Aに設けられた第1の駆動電極45 に正電圧を印加する。一方、第2の駆動電極46 に負電圧を印加する。すると、第1の駆動電� �45の下側に位置する圧電層44が伸びるととも� ��、第2の駆動電極46の下側に位置する圧電層4 4が縮む。そのため、角速度検出素子41におけ る第1の腕部41Aおよび第2の腕部41Bが外側に向� ��って開く。

 次に、第1の駆動電極45に負電圧を印加す� ��とともに、第2の駆動電極46に正電圧を印加� ��る。すると、第1の駆動電極45の下側に位置� ��る圧電層44が縮むとともに、第2の駆動電極4 6の下側に位置する圧電層44が伸びる。そのた め、第1の腕部41Aおよび第2の腕部41Bが内側に� ��かって閉じる。

 すなわち、角速度検出素子41における第1� ��駆動電極45および第2の駆動電極46に交流電� �を印加すると、第1の腕部41Aおよび第2の腕部 41Bは面内方向の固有振動数で速度Vの屈曲運� �をする。なお角速度信号処理IC54は、モニタ� ��電極48から発生する出力信号が一定になる� �うに、第1の駆動電極45および第2の駆動電極4 6に印加する電圧を調整している。すなわち� �速度信号処理IC54は角速度検出素子41の屈曲� �動の振幅を制御している。

 次に第1の腕部41Aおよび第2の腕部41Bが固� �振動数で屈曲運動している状態において、� �速度検出素子41に角速度が作用する場合の動 作を説明する。この状態で角速度検出素子41� ��長手方向の中心軸(検知軸)周りに角速度ωで 回転すると、角速度検出素子41における第1の 腕部41Aおよび第2の腕部41BのアームにF=2mV×ω� �コリオリ力が発生する。ここでmは第1の腕部 41Aまたは第2の腕部41Bの質量である。

 このコリオリ力により、検出電極47の下� �に位置する圧電層44に電荷が発生する。この 電荷からなる出力信号は検出電極47、ケース5 1の内層電極等、ケース接続電極53A、電極バ� �プ58およびIC電極64を介して角速度信号処理IC 54に入力される。角速度信号処理IC54はこの信 号を波形処理する。処理後の信号は、ケース 接続電極53A、ケース51の内層電極等、ケース� ��速度出力電極52C、端子68、角速度出力電極74 を介して、外部のコンピュータ(図示せず)に� ��力される。コンピュータはこの信号を基に� ��速度を検出(算出)する。

 また、角速度および加速度検出用複合セ� ��サに加速度が加わると、加速度に応じて、� ��速度検出素子50に出力信号が発生する。こ� �出力信号はケース51の内層電極等、ケース接 続電極53B、ワイヤ65およびIC電極64を介して加 速度信号処理IC60に入力される。加速度信号� �理IC60はこの信号を処理した後、ワイヤ65、� �ース接続電極53B、ケース51の内層電極等、ケ ース加速度出力電極52D、端子68および加速度� ��力電極75を介して前述のコンピュータに入� �される。コンピュータはこの信号を基に加� �度を検出(算出)する。

 なお以上の説明では、ケース51の載置面52 Lに角速度信号処理IC54を載置し、その上に加� ��度信号処理IC60を載置している。しかしなが ら外部接続用の電極構成がこの2つのICで逆に なっていれば、加速度信号処理IC60が下に、� �速度信号処理IC54が上になるように積層して� ��よい。すなわち、角速度信号処理IC54と加速 度信号処理IC60のうち、下側に配置されたほ� �を第1IC、上側に配置されたほうを第2ICとす� �。このときケース51は、第1ICを載置する載置 面51Lと、載置面51Lに形成された第1ケース接� �電極であるケース接続電極53Aを有する。そ� �て、第1ICは機能部に設けられた外部接続用� �電極でケース接続電極53Aに電気的に接続さ� �ている。

 またケース51は、載置面51Lで積層された� �速度信号処理IC54および加速度信号処理IC60と 同等の高さの配線面51Uと、配線面51Uに形成さ れた第2ケース接続電極であるケース接続電� �53Bを有する。そして第2ICは機能部に設けら� �た外部接続用の電極でケース接続電極53に電 気的に接続されている。