JP2007271497A - 振動子及び角速度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】異なる成分の信号が容易に分離可能な状態で、３軸方向の角速度が検出可能な振動子において、より安定した振動特性が得られるようにする。
【解決手段】各脚部の外側部分に架設されている３つの梁部１３１，１３２，１３３を備え、梁部１３１は、梁要素１３１ａと梁要素１３１ｂから構成され、梁部１３２は、梁要素１３２ａと梁要素１３２ｂから構成され、梁部１３３は、梁要素１３３ａと梁要素１３３ｂから構成されているようにした。例えば、梁要素１３１ａ及び梁要素１３２ｂは、脚部１２３と同様に、ｙ１軸に沿って延在し、梁要素１３１ｂ及び梁要素１３３ａは、脚部１２２と同様に、ｙ３軸に沿って延在し、梁要素１３２ａ及び梁要素１３３ｂは、脚部１２１と同様に、ｙ２軸に沿って延在している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、航空機，船舶，自動車などの姿勢制御や位置検出などに利用される回転系内の回転角速度を検出するセンサに適用可能な振動子及び角速度センサに関する。

角速度センサには様々な種類があるが、組み込むために薄く小型にし、かつ軽量にするという要求を満たすものとして、振動型の角速度センサがある。従来よりある振動型の角速度センサは、四角柱に加工した振動子を振動させて回転に伴って働くコリオリ力を検出するものである。

このような従来の角速度センサとして、音叉型振動子を用いたものがある（特許文献１参照）。また、回転軸に対して交差する面内に延在する複数の振動系と、各振動系の先端に連結された複数の屈曲振動片とを備えた振動子も提案されている（特許文献２参照）。特許文献２の振動子によれば、上記面内の回転の回転速度が検出でき、ジャイロスコープの低背化を可能としている。

一方、検出すべき運動の自由度に多軸化が求められるようになり、直交する３軸の各成分（角速度）を検出する角速度センサが提案されている。例えば、振動子により３軸化を図ろうとする場合、角速度の検出原理であるコリオリ力を３軸のすべてについて発生させるため、素子は、駆動変位速度として少なくとも直交する２方向成分を有する必要がある。これを実現する技術として、１つの慣性体要素を、時間的にも直交した２相駆動により円運動させる方式が提案されている（非特許文献１参照）。

ところで、上述した角速度センサを用いて３軸の各成分検出使用とする場合、複数の振動子を組み合わせて用いることになるため、角速度センサの構成が複雑になる。また、１つの慣性体要素を時間的にも直交した２相駆動により円運動させる方式では、圧電振動材料の板（振動子）に均整な円運動を与えることが困難であり、他軸信号との直交性が乱れ、異なる成分の信号の分離が容易ではない。

これらの問題を解消する技術として、Ｚ軸（光軸）を法線とする同一の平面内で基部より互いに１２０°の角度をなす方向に各々延在する３つの脚部と、平面内で脚部の間に架設された３つの梁部とを備えた振動子を用い、各々の梁部の平面に直交する側面に励振電極を設け、各々の脚部の平面に平行な上面に検出電極を設けた角速度センサが提案されている（特許文献３参照）。この技術によれば、１つの振動子により、異なる成分の信号が容易に分離可能な状態で、３軸方向の角速度が検出可能となる。

特開２００２−３４０５５９号公報 特開平１１−２８１３７２号公報 特開２００６−０１７５３８号公報 田村英樹、市村敏也、富川義朗、「２相駆動による３軸角速度検出ジャイロセンサ」、超音波ＴＥＣＨＮＯ、２００２．１−２、ｐｐ．６−１３、（２００２−０１）

ところで、上述した振動子においては、例えばＸ軸に沿う振動要素（梁部）とＹ軸に沿う振動要素（脚部）とが混在する。このため、温度変化などによって振動特性が変化する際に、この変化量が梁部と脚部とにおいて異なることになる。このため、特許文献３による振動子では、安定した振動特性が容易には得られないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、異なる成分の信号が容易に分離可能な状態で、３軸方向の角速度が検出可能な振動子において、より安定した振動特性が得られるようにすることを目的とする。

本発明に係る振動子は、所定の軸を中心に少なくとも３回の対称性を有する圧電材料から構成された振動子であって、振動子の中央部に配置された基部と、上記軸を法線とする平面内で基部より互いに１２０°の角度をなす３つの方向に各々延在する３対の脚部と、平面内で脚部の間に架設されている３つの梁部とを少なくとも備え、梁部は、架設されている２つの脚部の延在する方向に各々延在する梁要素が、交互に連結されたものである。従って、梁部及び脚部を構成するすべての振動要素が、上記３つの方向のいずれかに平行となり、すべての振動要素が同一の結晶軸に平行となる。

上記振動子において、脚部は、中心脚とこの中心脚を挾むように線対称に配置された２つの側脚とから構成され、梁部は、隣り合う側脚の間に架設されているようにしてもよい。また、各々の梁部の中央部に設けられたおもり部を備えるようにしてもよい。なお、圧電材料は、水晶であり、所定の軸は、水晶の光軸であり、３つの方向は、水晶の機械軸の方向であればよい。

また、本発明に係る角速度センサは、所定の軸を中心に少なくとも３回の対称性を有する圧電材料よりなる振動子より構成された角速度センサであって、振動子の中央部に配置された基部と、軸を法線とする平面内で基部より互いに１２０°の角度をなす３つの方向に各々延在する３対の脚部と、平面内で脚部の間に架設されている３つの梁部と、各々の梁部に設けられた励振電極と、各々の脚部に設けられた検出電極とを少なくとも備え、梁部は、架設されている２つの脚部の延在する方向に各々延在する梁要素が、交互に連結されたものである。

上記脚部は、中心脚とこの中心脚を挾むように線対称に配置された２つの側脚とから構成され、梁部は、隣り合う側脚の間に架設され、検出電極は、中心脚に設けられているようにしてもよい。また、各々の梁部の中央部に設けられたおもり部を備えるようにしてもよい。なお、圧電材料は、水晶であり、所定の軸は、水晶の光軸であり、３つの方向は、水晶の機械軸の方向であればよい。

以上説明したように、本発明では、基部より互いに１２０°の角度をなす３つの方向に各々延在する３対の脚部を各々架設する梁部が、架設されている２つの脚部の延在する方向に各々延在する梁要素を、交互に配置して連結されたものとした。この結果、梁部及び脚部を構成するすべての振動要素が、上記３つの方向のいずれかに平行となり、すべての振動要素が同一の結晶軸に平行となるので、本発明によれば、より安定した振動特性が得られるようになるという優れた効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における振動子の構成例を示す平面図である。図１に示す振動子は、例えば水晶から構成され、まず、基部１０１より各々１２０°異なる方向に延在する３つの脚部１２１，１２２，１２３を備える。図１に示す振動子では、各脚部が、水晶の機械軸（Ｙ軸）に沿って各々延在している。

加えて、図１に示す振動子では、各脚部の外側部分に架設されている３つの梁部１３１，１３２，１３３を備え、梁部１３１は、梁要素１３１ａと梁要素１３１ｂから構成され、梁部１３２は、梁要素１３２ａと梁要素１３２ｂから構成され、梁部１３３は、梁要素１３３ａと梁要素１３３ｂから構成されているようにした。例えば、梁要素１３１ａ及び梁要素１３２ｂは、脚部１２３と同様に、ｙ１軸に沿って延在し、梁要素１３１ｂ及び梁要素１３３ａは、脚部１２２と同様に、ｙ３軸に沿って延在し、梁要素１３２ａ及び梁要素１３３ｂは、脚部１２１と同様に、ｙ２軸に沿って延在している。ｙ１軸，ｙ２軸，及びｙ３軸は、互いに１２０°の角度をなす水晶のＹ軸である。このように、各梁部は、架設されている２つの脚部の延在する方向に各々延在する梁要素が、交互に連結されたものである。図１に例示する振動子では、１つの梁部が２つの梁要素から構成されている。なお、連結部は、長さや面積（体積）が０ではなく、ある程度の長さや面積（体積）を有しているものである。

このように構成された図１に示す振動子によれば、各脚部に加え、梁部を構成する各梁要素が、３回対称でかつＹ軸に平行な状態となっている。言い換えると、すべての振動要素が、３回対称で、かつＹ軸に平行な状態となっている。図１に示す構成例では、梁要素１３１ａ，梁要素１３１ｂ，梁要素１３２ａ，梁要素１３２ｂ，梁要素１３３ａ，及び梁要素１３３ｂにより、正六角形が構成されている。なお、図１に例示する振動子では、基部１０１に、張り出し部１４１，１４２，１４３を備え、所定のパッケージの内部に設けた台座などに、張り出し部１４１，１４２，１４３を固定することができる。張り出し部１４１，１４２，１４３は、基部１０１より水晶のＹ軸の方向に突出した突出部であり、各々３回の対称性を有して形成されている。

ここで、以降に説明するように脚部に検出電極が設けられるが、このような脚部がＸ軸に沿っていると、ＸＹ平面に垂直な方向の振動の検出を可能とする電極構成が容易ではない。また、一部が振動するようなスプリアスモードとの分離が回避しにくくなる。このため、上述したように、梁部及び脚部のいずれの要素も、３回対称なＹ軸の方向に延在しているように配置した方がよい。このようにすることで、脚部がＸ軸に沿う状態がなくなるので、上記の問題が回避できる。

図１に示す振動子は、例えば板厚０．３５８ｍｍの水晶板（Ｚ板）を、例えば緩衝フッ酸水溶液や、フッ化アンモニウム水溶液を用いたウエットエッチングにより加工することで形成可能である。また、各脚部や各梁部は、幅０．２〜０．７ｍｍ程度に形成されていればよい。また、各脚部は、基部１０１と各々の梁部の接続部との間隔が１．５〜２ｍｍ程度に形成されていればよい。なお、各脚部は、すべて同一の長さに形成されている。

ところで、図１に示す振動子は、ＸＹ平面内で梁部１３１，１３２，１３３が屈曲振動する振動モードと、Ｚ軸を中心に回転する方向の振動モードと、Ｘ軸を中心に回転する方向の振動モードと、Ｙ軸を中心に回転する方向の振動モードとを有している。図１に示す振動子によれば、ＸＹ平面内で基部１０１を中心として放射状に、各梁部１３１，１３２，１３３を屈曲振動させるように駆動（励振）することで、上述した各軸を中心とした回転方向の角速度Ωｚ，Ωｙ，Ωｘの変位速度成分を同時に得ることができる。図１に示す振動子が駆動されている状態で、回転角速度Ωｚ，Ωｙ，Ωｘが印加されると、コリオリ力（Ｆ＝−２ｍΩ×ｖ）が各梁部に生じ、各々の振動変位成分が誘起されるので、各脚部に設けた検出電極により、上記振動変位成分を電気信号として得ることができる。なお、各振動モードの振動周波数はほぼ等しい状態とした方がよく、モードを近接させるためには、振動子の厚さ，梁部（梁要素）及び脚部の幅や長さを適宜設計すればよい。

図１に示す振動子は、３回対称性を有する結晶である水晶から構成されているので、基部１０１より各々１２０°異なる方向に延在する３つの脚部１２１，１２２，１２３は、振動特性が等しくなる。従って、単相駆動による励振が可能となる。また、３回の対称形状により、各脚部の検出振動特性が等しくなるため、検出時の信号処理が容易となる。加えて、図１に示す振動子によれば、３回対称でかつＹ軸に平行となる振動編要素のみから構成されているので、温度変化などによる振動特性の変動量が、各梁部や各脚部で等しくなり、より安定した動作が得られるようになる。

次に、上述した励振と検出を行うための電極配置例について説明する。図２は、図１に示した振動子を用いて角速度センサを構成するための電極の配置を示した斜視図（ａ），（ｂ）及び部分断面図（ｃ）である。図２に示すように、まず、検出脚１２２との接合部付近の梁要素１３１ａに励振電極２１１，２１２が配設され、検出脚１２３との接合部付近の梁要素１３１ｂに励振電極２１３，２１４が配設されている。また、検出脚１２３との接合部付近の梁要素１３２ａに励振電極２２１，２２２が配設され、検出脚１２１との接合部付近の梁要素１３２ｂに励振電極２２３，２２４が配設されている。また、検出脚１２１との接合部付近の梁要素１３３ａに励振電極２３１，２３２が配設され、検出脚１２２との接合部付近の梁要素１３３ｂに励振電極２３３，２３４が配設されている。

例えば、図２（ｃ）の断面図に示すように、励振電極２１１は、梁要素１２１ａのＸＹ平面に平行な両方の面に設けられ、励振電極２１２は、梁要素１２１ａのＸＹ平面に垂直な両方の面に設けられている。このように配設された励振電極２１１と励振電極２１２との間、及び励振電極２１３と励振電極２１４との間に交流電圧（励振信号）ＶDを印加することで、梁部１３１を、ＸＹ平面内で屈曲振動させることができる。これは、他の梁部１３２，梁部１３３においても同様である。これら、各梁部に屈曲振動を起こさせることで、図２に示す角速度センサを励振したことになる。

また、脚部１２１に検出電極２４１，２４２が配設され、脚部１２２に検出電極２５１，２５２が配設され、脚部１２３に検出電極２６１，２６２が配設されている。また、基部１０１より放射状に延在するように、各脚部上面の中央部に配設された接地電極２０１を備える。例えば、接地電極２０１の電位を基準とし、各検出電極に生じる電圧が検出される。各検出電極は、各脚部及び各梁部が配置されている平面に平行な上面に設けられている。なお、図２に示す角速度センサは、前述したように、張り出し部１４１，１４２，１４３において支持手段により支持されている。

次に、上述した各検出電極により、励振状態とした図２に示す角速度センサによる角速度の検出について説明する。各検出電極は、図３に示すように検出回路に接続すればよい。例えば、検出電極１４１，２４２は、差動増幅回路３０１の２つの入力端に接続される。差動増幅回路３０１は、例えばオペアンプを含み、このオペアンプの非反転入力端及び反転入力端に、検出電極２４１及び検出電極２４２が、各々接続される。差動増幅回路３０１により、検出電極２４１と検出電極２４２との出力差が検出される。

差動増幅回路３０１から出力された信号は、同期検波回路３１１の一方の入力端に入力される。同期検波回路３１１の他方の入力端には、位相回路３２１が接続される。同期検波回路３１１は、振動子を励振するために発振回路３３０から出力される励振信号に同期して、差動増幅回路３０１の出力を検波する。なお、図３において、便宜上、発振回路３３０を複数に示しているが、これらはすべて同一である。さらに、同期検波回路３１１から出力された信号は、整流増幅回路３４１により整流されて増幅される。

また、検出電極２５１，２５２は、差動増幅回路３０２の２つの入力端に接続され、検出電極２６１，２６２は、差動増幅回路３０３の２つの入力端に接続される。差動増幅回路３０２から出力された信号と差動増幅回路３０３から出力された信号とは、差動増幅回路３０４に入力し、差動増幅回路３０４から出力された信号は、同期検波回路３１２の一方の入力端に入力される。同期検波回路３１２他方の入力端には、位相回路３２２が接続される。同期検波回路３１２は、振動子を励振するために発振回路３３０から出力される励振信号に同期して、差動増幅回路３０４の出力を検波する。さらに、同期検波回路３１２から出力された信号は、整流増幅回路３４２により整流されて増幅される。

また、検出電極２４１，２４２，２５１，２５２，２６１，２６２は、加算器３０５の入力単に接続され、加算器３０５から出力された信号は、同期検波回路３１３の一方の入力端に入力される。同期検波回路３１３の他方の入力端には、位相回路３２３が接続される。同期検波回路３１３は、振動子を励振するために発振回路３３０から出力される励振信号に同期して、加算器３０５の出力を検波する。さらに、同期検波回路３１３から出力された信号は、整流増幅回路３４３により整流されて増幅される。

上述した検出回路により、まず、整流増幅回路３４１から出力された信号により、角速度Ωｘが得られる。また、整流増幅回路３４２から出力された信号により、角速度Ωｙが得られる。また、整流増幅回路３４３から出力された信号により、図２（ｂ）に示す角速度Ωｚが得られる。

ここで、張り出し部１４１，１４２，１４３による支持について説明する。図２に例示する角速度センサでは、支持方法が重要となる。この角速度センサは、梁部１３１，１３２，１３３を励振して用いるため、基部１０１の部分で支持を行うことになる。ところが、励振の振動やコリオリ力により発生する振動は、３つの脚部から基部１０１の部分へ漏れることになり、３つの脚部が連結する基部１０１の部分への振動漏れは大きい。このため、基部の分における支持固定の状態により、角速度センサの特性が大きく変化する。このため、支持固定の製造ばらつきにより、製造される角速度センサの特性が大きくばらつくことになる。これに対し、張り出し部１４１，１４２，１４３を用いることで、異なる脚部への振動の伝搬、及び張り出し部１４１，１４２，１４３に接続される基部１０１への振動の伝播が抑制されるようになる。この結果、支持固定による特性の変化が小さくなり、安定した支持が可能となり、０点ドリフトや感度ドリフトなどの温度特性が小さくなり、他軸感度の影響が抑制できるようになる。

固定の方法としては、例えば、所定のパッケージの内部に設けた台座などに、張り出し部１４１，１４２，１４３を接合又は接着することで、図１に示す振動子を支持固定すればよい。また、台座が水晶若しくはガラスから構成されていれば、直接接合により、台座と張り出し部１４１，１４２，１４３とを接合することができる。また、エポキシ樹脂などの接着剤を用いて張り出し部１４１，１４２，１４３を台座に接着する場合、台座の接着面に溝や凹部を設け、余分な接着剤が排出されやすくしてもよい。また、台座の接合面にＡｕよりなる端子を設け、張り出し部１４１，１４２，１４３に設けた端子と対応する台座のＡｕよりなる端子とを、Ａｕバンプにより接合し、張り出し部１４１，１４２，１４３が、台座に固定されるようにしてもよい。

次に、本発明の実施の形態における他の振動子について説明する。図４は、本発明の本実施の形態に係る他の振動子の構成例を示す平面図である。図４に示す振動子は、図１に示した振動子の梁部を４つの要素から構成するようにしたものである。まず、基部１０１より各々１２０°異なる方向（Ｙ軸方向）に延在する３つの脚部１２１，１２２，１２３を備える。これらは、図１に示す振動子と同様である。

図４に示す振動子では、各脚部の外側部分に架設されている３つの梁部４３１，４３２，４３３を備え、梁部４３１は、梁要素４３１ａ，梁要素４３１ｂ，梁要素４３１ｃ，及び梁要素４３１ｄから構成され、梁部４３２は、梁要素４３２ａ，梁要素４３２ｂ，梁要素４３２ｃ，及び梁要素４３２ｄから構成され、梁部４３３は、梁要素４３３ａ，梁要素４３３ｂ，梁要素４３３ｃ，及び梁要素４３３ｄから構成されている。

例えば、梁部４３１は、ｙ１軸に平行な梁要素４３１ａと、ｙ３軸に平行な梁要素４３１ｂと、ｙ１軸に平行な梁要素４３１ｃと、ｙ３軸に平行な梁要素４３１ｄとから構成されている。従って、梁部４３１は、３回対称な軸（Ｙ軸）の互いに１２０°異なる隣り合う軸に平行で、交互に配置された４つの梁要素から構成されている。このように、図４に示す振動子では、各梁部が、架設されている２つの脚部の延在する方向に各々延在する梁要素が、交互に連結されているようにした。この振動子では、各梁部が、４個の梁要素から構成されている。図１に例示した振動子と同様に、各梁部は、偶数個の梁要素から構成されている。

このように構成された梁部によれば、ＸＹ平面方向の屈曲振動が起きやすくなる。図１に示すように２つの梁要素から梁部を構成する場合、梁部の剛性が高くなり、ＸＹ平面方向の屈曲振動が起きにくくなる。このため、梁部に励振電極を設けて励振すると、脚部の縦伸縮振動も伴うようになり、固有モードの振動の周波数が高くなる。この種の角速度センサでは、共振周波数が低いほど高い検出感度が得られるので、固有モードの周波数が高くなる図１に示す構成は、高い検出感度が得にくい状態となっている。これに対し、図４に示す振動子の構成とすることで、梁部の屈曲振動が起きやすくなり、脚部の縦伸縮振動が抑制できるので、固有モードの振動の周波数が高くなる状態が抑制されるようになり、高い検出感度がより得やすいものとなる。

図４に示す振動子においては、図１に示す振動子と同様に、ＸＹ平面内で梁部４３１，４３２，４３３が屈曲振動する振動モードと、Ｚ軸を中心に回転する方向の振動モードと、Ｘ軸を中心に回転する方向の振動モードと、Ｙ軸を中心に回転する方向の振動モードとを有している。従って、図４の振動子も、前述同様に、ＸＹ平面内で基部１０１を中心として放射状に、各梁部４３１，４３２，４３３を屈曲振動させるように駆動（励振）することで、上述した各軸を中心とした回転方向の角速度Ωｚ，Ωｙ，Ωｘの変位速度成分を同時に得ることができる。

また、図４に示す振動子において、励振と検出を行うための電極配置は、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、図２に示す角速度センサと同様である。まず、検出脚１２２との接合部付近の梁要素４３１ａに励振電極２１１，２１２が配設され、検出脚１２３との接合部付近の梁要素４３１ｄに励振電極２１３，２１４が配設されている。また、検出脚１２３との接合部付近の梁要素４３２ａに励振電極２２１，２２２が配設され、検出脚１２１との接合部付近の梁要素４３２ｄに励振電極２２３，２２４が配設されている。また、検出脚１２１との接合部付近の梁要素４３３ａに励振電極２３１，２３２が配設され、検出脚１２２との接合部付近の梁要素４３３ｄに励振電極２３３，２３４が配設されている。

例えば、励振電極２１１は、梁要素４２１ａのＸＹ平面に平行な両方の面に設けられ、励振電極２１２は、梁要素４２１ａのＸＹ平面に垂直な両方の面に設けられている。このように配設された励振電極２１１と励振電極２１２との間、及び励振電極２１３と励振電極２１４との間に交流電圧（励振信号）ＶDを印加することで、梁部４３１を、ＸＹ平面内で屈曲振動させることができる。これは、他の梁部４３２，梁部４３３においても同様である。これら、各梁部に屈曲振動を起こさせることで、図５に示す角速度センサを励振したことになる。

また、脚部１２１に検出電極２４１，２４２が配設され、脚部１２２に検出電極２５１，２５２が配設され、脚部１２３に検出電極２６１，２６２が配設されている。また、基部１０１より放射状に延在するように、各脚部上面の中央部に配設された接地電極２０１を備える。例えば、接地電極２０１の電位を基準とし、各検出電極に生じる電圧が検出される。各検出電極は、各脚部及び各梁部が配置されている平面に平行な上面に設けられている。これら検出電極と、図３に示した検出回路とにより、角速度Ωｘ、角速度Ωｙ、及び角速度Ωｚが得られる。

次に、本発明の実施の形態における振動子及び角速度センサについて説明する。図６は、本発明の実施の形態における他の振動子の構成例を示す斜視図である。図６に示す振動子は、３つの梁部４３１，梁部４３２，及び梁部４３３の中央部に、各々同じ質量のおもり部６０１，おもり部６０２，及びおもり部６０３を備えるようにしたものである。おもり部６０１は、梁要素４３１ｂと梁要素４３１ｃとの連結部分に設けられ、おもり部６０２は、梁要素４３２ｂと梁要素４３２ｃとの連結部分に設けられ、おもり部６０３は、梁要素４３３ｂと梁要素４３３ｃとの連結部分に設けられている。なお、他の構成は、図４に示す振動子と同様である。なお、図６に示す振動子は、図５に示す角速度センサと同様に各電極を配置することで、角速度センサとして動作可能である。

図６に示す振動子では、例えば梁部４３１の中央部、すなわち梁要素４３１ｂと梁要素４３１ｃとの連結部の幅を他の領域より広くすることで、おもり部６０１が構成されているようにした。同様に、梁部４３２の中央部の幅を他の領域より広くすることで、おもり部６０２が構成され、梁部４３３の中央部の幅を他の領域より広くすることで、おもり部６０３が構成されている。

これらのように、励振部となる梁部におもりを設けることで、回転しているときのコリオリ力が増大し、角速度検出感度が増大するようになる。前述したように、コリオリの力Ｆは、「Ｆ＝−２ｍΩ×ｖ」で示され、絶対値は質量に比例して大きくなる。このコリオリ力は、励振の速度成分の方向と回転角速度の回転軸とに直交する方向に加わる。ここで、図６に示すように、励振振動の速度が最も大きい梁部の中央部が、他より大きい質量となっていれば、上記コリオリ力の式より、コリオリ力が増大する。

また、おもり部６０１，６０２，６０３を備えることで、励振による梁部の振動の周波数が低下する。角速度の検出感度は、励振振動の周波数が小さい方が大きく、励振モードの周波数と各検出モードの周波数との差（検出モードとの離調度）が、励振モードの周波数に合致するように、脚部（脚部材）の幅，長さ，厚みを適宜設計することで、角速度の検出感度を大きくすることができる。また、おもり部の上面裏面あるいは側面に、さらに金属膜などを形成して質量を付加することで、おもり部の質量のばらつきを抑制するようにしてもよい。例えば、真空蒸着法，スパッタ法などにより金属膜を付着させた後、レーザ照射などによるトリミングによる調整を行えばよい。

次に、本発明の実施の形態における他の振動子及び角速度センサについて説明する。図７は、本発明の実施の形態における他の振動子及び角速度センサの構成例を示す平面図（ａ）、斜視図（ｂ），（ｃ）、及び断面図（ｄ）である。図７（ａ）に示す振動子は、まず、梁部４３１において、梁要素４３１ａに貫通孔７０１ａを設け、梁要素４３１ｄに貫通孔７０１ｂを設けるようにした。また、図７（ｂ），（ｃ）に示すように、これら貫通孔形成部の外側側面及び内側側面に、励振電極７１１，７１２，及び励振電極７１３，７１４を備えるようにした。図７（ｄ）は、励振電極７１１，７１２が設けられている貫通孔７０１ａの部分における断面図である。

同様に、梁部４３２において、梁要素４３２ａに貫通孔７０２ａを設け、梁要素４３２ｄに貫通孔７０２ｂを設け、これら貫通孔形成部の外側側面及び内側側面に、励振電極７２１，７２２，及び励振電極７２３，７２４を備える。また、梁部４３３において、梁要素４３３ａに貫通孔７０３ａを設け、梁要素４３３ｄに貫通孔７０３ｂを設け、これら貫通孔形成部の外側側面及び内側側面に、励振電極７３１，７３２，及び励振電極７３３，７３４を備える。図示するように、各梁要素と脚部との連結部近くの領域に各々貫通孔を備える。なお、他の構成は、図４及び図５と同様である。

このように、開口部を設けて励振電極を配設することで、対向配置された励振電極により、励振のための電界を電気軸に対して平行に与えることができる。また、励振電極を設けた全域に電界を無駄なく与えることができ、電界効率が高くなる。この結果、Ｒ１（直列抵抗）が減少し、Ｑ値が大きくなるという効果が得られるようになる。すなわち、駆動インピーダンスを低下させることが可能となり、駆動回路のゲインを下げることが可能となる。また、開口部を備えることで、梁部根元の剛性が小さくなり、より容易に振動するようになり、励振信号の周波数を低下させることが可能となる。また、ひずみの集中部に開口部が設けられるので、共振周波数を低下させることが可能となり、感度の上昇が見込める。

次に、本発明の実施の形態における他の角速度センサについて説明する。図８は、本発明の実施の形態における他の角速度センサの構成例を示す斜視図（ａ），（ｂ），及び部分拡大平面図（ｃ）である。図８に示す角速度センサは、図５に示す角速度センサに、新たに３つの貫通孔８０１，貫通孔８０２，及び貫通孔８０３が形成されているようにしたものである。貫通孔８０１，８０２，８０３は、３つの梁部と同じ３回対称の状態で、基部１０１に設けられている。このように基部１０１に貫通孔を設けることで、異なる脚部への振動の伝搬、及び張り出し部１４１，１４２，１４３に接続される支持部への振動の伝播が抑制されるようになる。この結果、支持固定による特性の変化が小さくなり、安定した支持が可能となり、０点ドリフトや感度ドリフトなどの温度特性が小さくなり、他軸感度の影響が抑制できるようになる。

また、図８（ａ）に示す角速度センサは、図８（ｂ）に示す反対の側に設けられている電極に接続する配線が、貫通孔８０１，８０２，８０３を経由し、図８に示す面側に引き出されている。なお、他の構成は、図４，図５に示す振動子及び角速度センサに同様である。貫通孔８０１，８０２，８０３を経由して一方の面の側に配線を引き出すことができるので、例えば、図８（ｃ）の部分拡大平面図に示すように、接地電極２０１に接続する端子８１１，検出電極２５１に接続する端子８１２，検出電極２４２に接続する端子８１３，及び反対側の面の配線により接続されている励振電極２１１，２１３，２２２，２２４，２３１，２３４に接続する端子８１４を、張り出し部１４３の接着領域８４３内に配置することができる。

このように、一方の面の張り出し部１４１，１４２，１４３にすべての端子を配置することで、張り出し部に接続させる台座部に、対応する端子接続部を備えておけば、前述したように、Ａｕバンプによりこれらを接合して接続することで、配線（パッド同士）の接続と、台座部への固定とが同時に行える。また、Ａｕバンプを用いた接合では、振動子に超音波を加えることになるが、超音波を加える面に電極配線などが形成されていると、超音波の印加により電極配線がはがれる場合がある。これに対し、図８（ｂ）に示すように、この振動子の場合、張り出し部１４１，１４２，１４３の超音波が印加される面には電極配線が形成されないので、上記の問題が発生しにくいものとなる。

なお、基部１０１に設ける貫通孔の構成は、上述した貫通孔８０１，８０２，８０３に限るものではなく、例えば、図９（ａ）に示すように、３つの貫通孔９０１，９０２，９０３を、脚部１２１，１２２，１２３の根元の基部１０１に備えるようにしてもよい。貫通孔９０１，９０２，９０３も、３回の対称性を備えた状態に形成されている。また、図９（ｂ）に示すように、基部１０１に、複数の貫通孔９１１を設けるようにしてもよい。この場合においても、複数の貫通孔９１１は、３回の対称性を備えた状態に形成されていればよい。

ところで、図１０に示すように、基部１０１に、張り出し部１０４１，１０４２，１０４３が設けられ、これら張り出し部を所定のパッケージの内部に設けた台座などに接着固定するようにしてもよい。張り出し部は、各梁部の励振振動を阻害しない範囲で、基部１０１に設けられていればよい。

次に、本発明の実施の形態における他の振動子について、図１１を用いて説明する。図１１に示す振動子は、まず、振動子の中央部に配置された基部１１０１と、Ｚ軸を法線とする平面内で基部１１０１より互いに１２０°の角度をなす３つのＹ軸方向に各々延在する３対の脚部１１２１，１１２２，１１２３を備える。ここで、脚部１１２１は、中心脚１１２１ａとこれを挾むように線対称に配置された２つの側脚１１２１ｂ，１１２１ｃとから構成され、脚部１１２２は、中心脚１１２２ａとこれを挾むように線対称に配置された２つの側脚１１２２ｂ，１１２２ｃとから構成され、脚部１１２３は、中心脚１１２３ａとこれを挾むように線対称に配置された２つの側脚１１２３ｂ，１１２３ｃとから構成されている。

また、図１１に示す振動子は、ＸＹ平面内で隣り合う側脚の間に架設されている３つの梁部１１３１，１１３２，１１３３を少なくとも備える。まず、梁部１１３１は、側脚１１２ｂと側脚１１２３ｃとの間に架設されている。また、梁部１１３２は、側脚１１２３ｂと側脚１１２１ｃとの間に架設されている。同様に、梁部１１３３は、側脚１１２１ｂと側脚１１２２ｃとの間に架設されている。

加えて、各梁部は、架設されている２つの脚部の延在する方向に各々延在する梁要素が、交互に連結されている。まず、梁部１１３１は、側脚１１２３ｃと同一方向の梁要素１１３１ａと、側脚１１２２ｂと同一方向の梁要素１１３１ｂと、側脚１１２３ｃと同一方向の梁要素１１３１ｃと、側脚１１２２ｂと同一方向の梁要素１１３１ｄとが、これらの順に連結したものである。

また、梁部１１３２は、側脚１１２１ｃと同一方向の梁要素１１３２ａと、側脚１１２３ｂと同一方向の梁要素１１３２ｂと、側脚１１２１ｃと同一方向の梁要素１１３２ｃと、側脚１１２３ｂと同一方向の梁要素１１３２ｄとが、これらの順に連結したものである。同様に、梁部１１３３は、側脚１１２２ｃと同一方向の梁要素１１３３ａと、側脚１１２１ｂと同一方向の梁要素１１３３ｂと、側脚１１２２ｃと同一方向の梁要素１１３３ｃと、側脚１１２１ｂと同一方向の梁要素１１３３ｄとが、これらの順に連結したものである。

なお、図１１に例示する振動子では、図６に示す振動子と同様に、各梁部の中央部に、各々同じ質量のおもり部１１５１，おもり部１１５２，及びおもり部１１５３を備える。おもり部１１５１は、梁要素１１３１ｂと梁要素１１３１ｃとの連結部分に設けられ、おもり部１１５２は、梁要素１１３２ｂと梁要素１１３２ｃとの連結部分に設けられ、おもり部１１５３は、梁要素１１３３ｂと梁要素１１３３ｃとの連結部分に設けられている。

ここで、図１１に示す振動子において、各梁部において、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す角速度センサと同様に、励振電極を設け、また、各中心脚において、検出電極を設けることで、角速度センサとして動作させることが可能である。このように構成された角速度センサによれば、検出モードが生じた際の振動の漏れが、検出電極が設けられる中心脚に伝わりにくくなるため、コリオリ力の検出における安定度及び精度の向上が見込めるようになる。

なお、上述では、水晶から振動子を構成するようにしたが、これに限るものではない。３の整数倍の対称性を有する圧電結晶を用いるようにしてもよい。また、ＰＺＴセラミックスなどの圧電セラミックスを用いるようにしてもよい。圧電セラミックス材料は、所定の軸（Ｚ軸）に対して無限の対称性を有している材料である。また、シリコン基板の上に圧電材料の薄膜を形成し、この圧電薄膜を加工することで、前述した複数の梁要素から構成された梁部よりなる振動子を構成するようにしてもよい。

本発明の実施の形態における振動子の構成例を示す平面図である。 図１に示した振動子を用いて角速度センサを構成するための電極の配置を示した斜視図（ａ），（ｂ）及び部分断面図（ｃ）である。 図２に示した各検出電極と検出回路との接続関係を示す概略的な回路図である。 本発明の本実施の形態に係る他の振動子の構成例を示す平面図である。 図４に示した振動子を用いて角速度センサを構成するための電極の配置を示した斜視図である。 本発明の実施の形態における他の振動子の構成例を示す斜視図である。 本発明の実施の形態における他の振動子及び角速度センサの構成例を示す平面図（ａ）、斜視図（ｂ），（ｃ）、及び断面図（ｄ）である。 本発明の実施の形態における他の角速度センサの構成例を示す斜視図（ａ），（ｂ），及び部分拡大平面図（ｃ）である。 本発明の本実施の形態に係る他の振動子の構成例を示す平面図である。 本発明の本実施の形態に係る他の振動子の構成例を示す平面図である。 本発明の本実施の形態に係る他の振動子の構成例を示す平面図である。

符号の説明

１０１…基部、１２１，１２２，１２３…脚部、１３１，１３２，１３３…梁部、１３１ａ，１３１ｂ，１３２ａ，１３２ｂ，１３３ａ，１３３ｂ…梁要素、１４１，１４２，１４３…張り出し部。

Claims (8)

1. 所定の軸を中心に少なくとも３回の対称性を有する圧電材料から構成された振動子であって、
   前記振動子の中央部に配置された基部と、
   前記軸を法線とする平面内で前記基部より互いに１２０°の角度をなす３つの方向に各々延在する３対の脚部と、
   前記平面内で前記脚部の間に架設されている３つの梁部と
   を少なくとも備え、
   前記梁部は、架設されている２つの前記脚部の延在する方向に各々延在する梁要素が、交互に連結されたものである
   ことを特徴とする振動子。
2. 請求項１記載の振動子において、
   前記脚部は、中心脚とこの中心脚を挾むように線対称に配置された２つの側脚とから構成され、
   前記梁部は、隣り合う前記側脚の間に架設されている
   ことを特徴とする振動子。
3. 請求項１又は２記載の振動子において、
   各々の前記梁部の中央部に設けられたおもり部を備える
   ことを特徴とする振動子。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動子において、
   前記圧電材料は、水晶であり、
   前記所定の軸は、水晶の光軸であり、
   前記３つの方向は、水晶の機械軸の方向である
   ことを特徴とする振動子。
5. 所定の軸を中心に少なくとも３回の対称性を有する圧電材料よりなる振動子より構成された角速度センサであって、
   前記振動子の中央部に配置された基部と、
   前記軸を法線とする平面内で前記基部より互いに１２０°の角度をなす３つの方向に各々延在する３対の脚部と、
   前記平面内で前記脚部の間に架設されている３つの梁部と、
   各々の前記梁部に設けられた励振電極と、
   各々の前記脚部に設けられた検出電極と
   を少なくとも備え、
   前記梁部は、架設されている２つの前記脚部の延在する方向に各々延在する梁要素が、交互に連結されたものである
   ことを特徴とする角速度センサ。
6. 請求項５記載の角速度センサにおいて、
   前記脚部は、中心脚とこの中心脚を挾むように線対称に配置された２つの側脚とから構成され、
   前記梁部は、隣り合う前記側脚の間に架設され、
   前記検出電極は、前記中心脚に設けられている
   ことを特徴とする角速度センサ。
7. 請求項５又は６記載の角速度センサにおいて、
   各々の前記梁部の中央部に設けられたおもり部を備える
   ことを特徴とする角速度センサ。
8. 請求項５〜７のいずれか１項に記載の角速度センサにおいて、
   前記圧電材料は、水晶であり、
   前記所定の軸は、水晶の光軸であり、
   前記３つの方向は、水晶の機械軸の方向である
   ことを特徴とする角速度センサ。
   

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